CN113710341A - 在尿素设备中使用的高压汽提器 - Google Patents

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Abstract

用于汽提尿素/氨基甲酸盐混合物的壳管式汽提器、相关的系统、方法以及用途。该汽提器包括壳、设置在壳内的多根管和用于使在加热流体入口附近的加热流体的流动均匀的加热流体分配器。加热流体分配器包括边缘壁和平行于横向横截面设置的加热流体分配板。还提供了相关的系统、方法和用途。

Description

在尿素设备中使用的高压汽提器
技术领域
本发明属于尿素生产领域，特别地属于用于在尿素设备中分解来自尿素反应器的氨基甲酸盐和汽提来自尿素反应器的尿素/氨基甲酸盐混合物中的氨的高压汽提器的领域。
背景技术
在尿素设备中使用高压汽提器，通过从液体尿素/氨基甲酸盐混合物去除氨基甲酸盐来浓缩尿素。尿素/氨基甲酸盐混合物是尿素、氨基甲酸铵、游离氨和水的溶液，其来自形成尿素的反应器，在该反应器中通过使氨和CO2反应成氨基甲酸铵(也被称为氨基甲酸盐)并且随后将氨基甲酸盐脱水来生产尿素。实际上，将氨基甲酸盐转化为尿素从来都不是完全的，并且离开尿素反应器的溶液总是包含氨基甲酸盐和游离氨。
一种去除氨基甲酸盐并且浓缩溶液的常见方式涉及使用管式换热器(也被称为高压汽提器)，其在与尿素反应器的压力类似的压力下运行。在由加热介质比如蒸汽提供的热量的影响下，尿素和氨基己酸盐混合物中的氨基甲酸铵分解形成气态的NH3和CO2。从汽提器中去除这些NH3和CO2气体。因此，产生尿素浓缩的尿素/氨基甲酸盐溶液，所述溶液在汽提器底部处被收集。
目前存在两类高压汽提器：CO2汽提器和自汽提器(self-stripper)。
在CO2汽提器中，使用CO2作为汽提气。将其供应至高压汽提器的底部，并且在氨基甲酸铵的分解期间产生的NH3和CO2被CO2汽提气夹带。
在自汽提器中，不向汽提器中加入汽提气，而是在氨基甲酸铵的分解期间产生的NH3和CO2作为汽提气。
汽提器包括管和壳、顶端以及底端。在正常使用期间，顶端位于汽提器的顶部，并且底端位于汽提器的底部。在顶端处，尿素/氨基甲酸盐混合物分布在管中，并且包含汽提气以及夹带的NH3和CO2(它们在氨基甲酸盐分解期间所形成)的气体混合物离开汽提器。在底端处，收集经汽提的尿素溶液。在CO2汽提器的情况下，将CO2汽提气提供到汽提器的底端。
在正常操作期间，基本上垂直地安装管。它们包围管侧空间。壳侧空间设置在管和壳之间。汽提气和尿素/氨基甲酸盐混合物逆流行进通过管侧空间，同时通过在壳侧空间中的加热介质(通常为蒸汽)加热尿素/氨基甲酸盐混合物。尿素/氨基甲酸盐混合物以降膜形式流入管中，同时气体在管的内部上升。
US5653282公开了一种具有撞击式分配器的壳管式换热器，其中所述撞击式分配器具有包括均匀布置的成排纵向穿孔的圆柱形分配板和与所述穿孔纵向对齐的多个冲击杆。以此方式，热流体撞击冲击杆，并且避免了对管的直接撞击。
EP0002298公开了用于从尿素合成溶液中去除氨基甲酸铵的方法和装置，其中将尿素水溶液引入到汽提区中，并且使其沿着作为薄膜的换热壁向下流动，同时将其加热并且相对于气态汽提试剂逆流地接触。
理想的是将这样的汽提器按比例放大从而以成本有效的方式生产大量尿素。遗憾地，按比例放大这些汽提器并不总是容易的，并且在放大期间倾向于发生意料之外的问题。
发明内容
本发明人确定了在壳管式汽提器的放大过程中的两个问题：严重的管腐蚀和低效的汽提。通过本申请公开的汽提器、系统和方法解决了这些问题。
特别地，本文提供了一种用于汽提尿素/氨基甲酸盐混合物的壳管式汽提器，该汽提器包括通过设置在壳内的多根管与底端流体连接的顶端；顶端包括用于尿素/氨基甲酸盐混合物的入口和用于包含汽提气和一种或多种经汽提化合物的气体混合物的出口；底端包括用于尿素被浓缩的尿素/氨基甲酸盐物流的出口；底端任选地包括用于汽提气的入口；壳管式汽提器还包括与设置在多根管和壳之间的壳侧空间流体连接的加热流体入口和加热流体出口；壳管式汽提器具有纵向和横向横截面，纵向平行于管，并且横向横截面垂直于纵向；其中壳管式汽提器包括在加热流体入口附近的用于使加热流体在汽提器中的流动均匀的加热流体分配器，加热流体分配器包括边缘壁和平行于横向横截面设置的加热流体分配板；边缘壁包括两个以上的开口和/或多个穿孔，并且边缘壁限定在壳和边缘壁之间的带状空间；加热流体入口被布置用于将加热流体提供到带状空间；带状空间被布置用于将加热流体提供到内部加热流体分配空间；加热流体分配板被布置用于将加热流体从内部加热流体分配空间提供到介于加热流体分配器和底端之间的壳侧空间；加热流体分配板包括多个穿孔，多个穿孔包括多个管孔和多个加热流体孔，其中加热流体孔的尺寸和/或密度在加热流体分配板的径向上改变。
在一些实施方案中，加热流体孔的尺寸从加热流体分配板的中心朝加热流体分配板的外缘改变。
在一些实施方案中，在加热流体分配板和底端之间设置用于限制管的振动的装置，任选地其中用于限制管的振动的装置包括多个棍式挡板。
在一些实施方案中，纵向和加热流体分配板之间的角度为85.0°至90.0°，或87.5至90.0°，或88.0°至90.0°，优选89.0°至90.0°，更优选89.5°至90.0°，甚至更优选90.0°；和/或其中纵向和边缘壁之间的角度为0.0°至5.0°，或0.0°至2.5°，或0.0°至2.0°，优选0.0°至1.0°，更优选0.0°至0.5°，甚至更优选0.0°。
在一些实施方案中，加热流体孔的尺寸从加热流体分配板的外缘到中心增大，任选地其中加热流体孔的尺寸从加热流体分配板的外缘到中心严格地增大；或其中加热流体孔的尺寸从加热流体分配板的外缘到中心减小，任选地其中加热流体孔的尺寸从加热流体分配板的外缘到中心严格地减小。
在一些实施方案中，加热流体分配板包括一个或多个其中加热流体孔的尺寸从加热流体分配板的外缘到中心严格地减小的区域，并且其中加热流体分配板包括一个或多个其中加热流体孔的尺寸从加热流体分配板的外缘到中心严格地增大的区域。
在一些实施方案中，加热流体孔的直径为至少1mm到至多16mm，优选至少2mm到至多13mm，更优选至少3mm到至多10mm，甚至更优选至少5mm到至多7mm。
在一些实施方案中，一方面最大的加热流体孔的直径和另一方面最小的加热流体孔的直径的比率为至少1.1到至多16，优选至少1.4到至多3.5。
在一些实施方案中，加热流体分配板中的加热流体孔以围绕加热流体分配板中心的同心圆均匀地间隔。
在一些实施方案中，加热流体孔的密度在加热流体分配板中不变，其中加热流体孔的尺寸从加热流体分配板的中心朝加热流体分配板的外缘改变，其中管孔以三角形几何形状布置，并且其中每个加热流体孔都居中设置在三个相邻的管孔之间。
在一些实施方案中，加热流体孔的密度在加热流体分配板中不变，加热流体孔的尺寸从加热流体分配板的中心朝加热流体分配板的外缘改变，管孔以正方形几何形状布置，其中每个加热流体孔都居中设置在四个相邻的管孔之间。
在一些实施方案中，汽提器包括超过3000根管，或超过4000根管，或超过5000根管，或超过6000根管，或超过7000根管，或3000至7000根管，或4000至6000根管，或5000至7000根管，或5000至10000根管。
还提供了一种用于生产尿素的系统，该系统包括氨基甲酸盐冷凝器、尿素反应器和如本文所述的壳管式汽提器。
还提供了如本文所述的壳管式汽提器用于汽提尿素-氨基甲酸盐混合物的用途。
还提供了一种用于汽提尿素/氨基甲酸盐混合物的方法，该方法包括以下步骤：提供如本文所述的壳管式汽提器；将尿素/氨基甲酸盐混合物提供到用于尿素/氨基甲酸盐混合物的入口；通过加热流体入口将加热流体提供到壳侧空间，其中加热流体是饱和蒸汽；任选地，将汽提气提供到在底端处的用于汽提气的入口；使尿素/氨基甲酸盐混合物和汽提气在设置在管内的管侧空间中接触，并且通过加热流体加热尿素/氨基甲酸盐混合物，由此得到尿素被浓缩的尿素/氨基甲酸盐物流；在用于尿素被浓缩的尿素/氨基甲酸盐物流的出口处提取尿素被浓缩的尿素/氨基甲酸盐物流；在用于包含一种或多种经汽提化合物的气体混合物的出口处提取该气体混合物，所述一种或多种经汽提化合物包括NH3、CO2和水；在加热流体出口出口处提取加热流体。
还提供了加热流体分配器用于使在汽提尿素/氨基甲酸盐混合物用的壳管式汽提器的加热流体入口附近的蒸汽的流动均匀的用途，加热流体分配器包括边缘壁和平行于横向横截面设置的加热流体分配板；边缘壁包括两个以上的开口和/或多个穿孔，加热流体分配板具有外缘和中心，加热流体分配板包括多个穿孔，所述多个穿孔包括多根管孔和多个加热流体孔，其中加热流体孔的尺寸和/或密度从加热流体分配板的中心朝加热流体分配板的外缘改变。
附图说明
以下对本发明具体实施方案的附图的说明仅通过举例的方式给出，并且不打算限制本发明的解释、其应用或用途。在附图中，相同的附图标记是指相同或相似的部件和特征。
图1示出了CO2汽提器(100)的一个实施方案。
图2示出了自汽提器(100)的一个实施方案。
图3示出了一种包括边缘壁(171)和加热流体分配板(175)的加热流体分配器(170)。
图4示出了管的振动模式。
图5示出了加热流体在管(150)之间的流动的可能类型。
图6示出了其中可以使用本发明公开的技术的一种特定类型尿素设备的高压段的一个实例。
图7示出了在用于汽提尿素/氨基甲酸盐混合物的现有技术壳管式汽提器的管中同时发生的两种腐蚀模式。在一些操作模式中，在CO2汽提器中发生图7a所示的腐蚀模式，并且在自汽提汽提器中发生图7b所示的腐蚀模式。
图8示出了在用于汽提尿素/氨基甲酸盐混合物的现有技术壳管式汽提器的管中同时存在的气体密度和腐蚀速率。
图9是作为在较少加热的管和较多加热的管中的位置的函数的气体密度的示意图。
图10示出了套接管(700)的一个实例。
在说明书和附图中使用以下附图标记：
100-汽提器；101-汽提气进料；102-用于尿素/氨基甲酸盐物流的管；103-用于包含汽提气和一种或多种经汽提化合物的物流的管；104-用于尿素被浓缩的尿素/氨基甲酸盐物流的管；110-顶端(在正常使用期间在汽提器的顶部)；111-用于尿素/氨基甲酸盐混合物的入口；112-用于气体混合物的出口；120-底端(在正常使用期间在汽提器的底部)；121-用于汽提气的入口；122-用于尿素被浓缩的尿素/氨基甲酸盐溶液的出口；130-壳侧空间；131-加热流体入口；133-加热流体出口；134-棍式挡板；140-管侧空间；150-管；151-顶部管板；152-底部管板；153-腐蚀区域；154-结垢区域；155-物流线(横向蒸汽流动)；156-物流线(纵向蒸汽流动)；157-物流线(加热流体分配器中的流动)；160-壳；170-加热流体分配器；171-边缘壁；172-热膨胀空间；174-边缘壁开口；175-加热流体分配板；176-管孔；177-蒸汽孔；178-内部加热流体分配空间；179-带状空间；200-反应器；201-用于NH3、CO2、水和惰性物的蒸气的管；300-氨基甲酸盐冷凝器；301-用于气态物流的管；302-用于氨基甲酸盐溶液物流的管；400-洗涤器；401-用于来自下游段的氨基甲酸盐溶液进料的管；402-用于惰性气体物流的管；500-加热流体供应装置；501-蒸气发生器；502-与外部加热流体供应装置的连接件；503-用于加热流体物流的管；504-用于经冷却的加热流体物流的管；600-高压注射器；601-氨进料；700-套接管；710-用于尿素/氨基甲酸盐混合物的孔；720-用于气体的孔；800-阻塞区域；810-未阻塞区域；1000-尿素设备的高压段。
发明描述
如以下在本文中使用的，除非上下文另外明确指明，否则单数形式“一个(a)或(an)”、“一种(an)或(a)”和“所述(the)”既包括单数指代物，又包括复数指代物。
如以下使用的术语“包括(comprise)”、“包括(comprises)”与“包含(including)”、“包含(include)”或“含有(contain)”、“含有(contains)”同义，并且是包括性或开放性的，并且不排除另外的未提到的部分、要素或方法步骤。在本说明书提到“包括(comprises)”特定的特征、部分或步骤的产品或方法的情况下，这是指也可以存在其他特征、部分或步骤的可能性，而且也可以是指仅含有所列出的特征、部分或步骤的实施方案。
通过数字范围列举数值包括在这些范围内的所有值和分数，以及指明的端点。
本说明书中引用的所有参考文献在此都被视为通过引用的方式以其整体并入。
除非另外限定，否则本发明中公开的所有术语(包括技术和科学术语)都具有本领域技术人员通常赋予它们的含义。为了进一步指导，包括了定义以进一步解释在本发明的说明书中使用的术语。
在按比例放大用于分解尿素-氨基甲酸盐混合物的高压壳管式汽提器的过程中，观察到明显的腐蚀模式。特别地，发现用于分解尿素-氨基甲酸盐混合物的高压汽提器中的一些管与其他管相比遭受严重的腐蚀。在本发明不受任何特定理论或操作模式限制的情况下，认为腐蚀相关问题与在高温由氨基甲酸铵引起的管腐蚀有关。还发现，腐蚀相关问题可以通过管的不均匀加热来进行解释；氨基甲酸铵在较高的温度造成更严重的腐蚀，使得管的不均匀加热造成不均匀的腐蚀。在正常操作期间，本文公开的方法和装置改善了液体氨基甲酸铵相中的温度均匀性，因此，减少了横向温度变化。这进而改善了管被加热的均匀性，减少了管腐蚀，并且延长了汽提器的使用寿命。
本发明人还发现，通过本文公开的汽提器可以解决腐蚀相关问题。因此，可以确保根据本发明的汽提器中的管具有大约20至30年的预期寿命。
尽管在按比例放大汽提器的情况下发现了本发明，但是认为本发明提供的优点无论如何不限于任何特定尺寸的汽提器。
如本文中使用的术语“氨基甲酸盐”是指氨基甲酸铵。如本文中使用的术语“尿素/氨基甲酸盐混合物”是指包含尿素、氨基甲酸铵、氨和水的混合物。在一些实施方案中，尿素/氨基甲酸盐混合物由31重量％至34重量％的尿素、32重量％至35重量％的氨基甲酸铵、16重量％至18重量％的氨、0.1重量％至0.3重量％的缩二脲以及余量的水组成。此处的符号“重量％”是指成分相对于尿素/氨基甲酸盐混合物的重量百分比。
如本文中使用的表述“汽提尿素/氨基甲酸盐混合物”是指将混合物中包含的氨基甲酸铵分解以形成氨和二氧化碳的过程。所形成的氨和二氧化碳被汽提气夹带。另外，尿素/氨基甲酸盐混合物中包含的水也至少部分地被汽提气夹带。
如本文中使用的术语“上游”和“下游”具有以下含义：上游是朝向加热流体入口的方向。下游是朝向加热流体出口的方向。
如本文中使用的术语“垂直”解释如下：当物体被称为垂直取向时，参考其纵轴的取向。应理解，此取向可以与垂直轴具有一定偏差。优选地，此偏差小于1.0°，或小于0.5°。更优选地，偏差小于0.1°。
如本文中使用的表述“在加热流体入口附近”在用于描述加热流体分配器的位置时表示加热流体分配器在汽提器中的相同或大致相同的纵向位置处。
汽提器特别地可用作在还含有尿素反应器的尿素设备中的高压汽提器。这样的汽提器通常在与尿素反应器的压力类似的压力(例如，等于在5.0％的误差(margin)内)下运行。
本文提供了一种用于汽提尿素/氨基甲酸盐混合物的汽提器，特别是壳管式汽提器。本发明适用于任何种类的用于汽提尿素/氨基甲酸盐混合物的汽提器。特别地，其适用于自汽提器和CO2汽提器二者。在CO2汽提器中，使用CO2作为汽提气。将其供应至高压汽提器的底部，并且在氨基甲酸铵的分解期间产生的NH3和CO2被CO2汽提气夹带。在自汽提器中，不向汽提器中加入汽提气，而是在氨基甲酸铵的分解期间产生的NH3和CO2作为汽提气。
因此，在一些实施方案中，汽提器是CO2汽提器，并且汽提气是CO2。
备选地，在一些实施方案中，汽提器是自汽提器，并且汽提气是通过氨基甲酸盐的分解产生的NH3和CO2。当汽提器是自汽提器时，其底端不包括用于汽提气的入口。尽管如此，自汽提器的底端优选地确实包括用于钝化气体物流的入口。优选地，使用空气作为钝化气体物流。注意，认为钝化空气物流的流速如此慢，以致于它们不以任何有意义的方式对汽提过程本身做出贡献。钝化空气的典型流速为50至250kg/小时或50至500kg/小时的空气。
汽提器具有纵向和横向横截面。纵向平行于管。横向横截面垂直于纵向。换言之，纵向是连接顶端和底端的方向。横向横截面垂直于纵向。换言之，术语“穿过汽提器的横向横截面”是指在垂直于管的平面中穿过汽提器的横截面。优选地，汽提器是圆柱形。换言之，汽提器优选地具有圆形的横向横截面。
汽提器包括顶端和底端。顶端和底端通过多根管流体连接。管设置在壳内。在正常使用期间，汽提器的顶端位于汽提器的顶部，并且底端位于汽提器的底部。
换言之，顶端通过设置在壳内的多根管与底端流体连接。壳侧空间不与顶端和底端流体连接。壳侧空间与顶端分隔开，例如通过顶部管板分隔开。壳侧空间与底端分隔开，例如通过底部管板分隔开。当顶端通过顶部管板与壳侧空间分隔开时，管和顶端之间的流体连接通过在顶部管板中的穿孔来提供。当底端通过底部管板与壳侧空间分隔开时，管和底端之间的流体连接通过在底部管板中的穿孔来提供。优选地，在顶部管板中和在底部管板中的穿孔是圆形的，管是圆柱形的，并且穿孔的直径等于管的直径，在小于10.0％、5.0％、2.0％或1.0％的误差范围内。
顶端包括用于尿素/氨基甲酸盐混合物的入口和用于包含汽提气和一种或多种经汽提化合物的气体混合物的出口。
底端包括用于尿素被浓缩的尿素/氨基甲酸盐物流的出口。在一些实施方案中，此尿素被浓缩的尿素/氨基甲酸盐物流包含未反应的氨基甲酸铵，例如0.0重量％至30.0重量％、或10.0重量％至20.0重量％、或10.0重量％至15.0重量％、或15.0重量％至25.0重量％的氨基甲酸铵。
在一些实施方案中，尿素被浓缩的尿素/氨基甲酸盐物流包含游离氨，例如0.0重量％至20.0重量％、或0.5重量％至1.0重量％、或0.5重量％至20.0重量％、或10.0重量％至15.0重量％的游离氨。
此处的符号重量％是指成分相对于尿素/氨基甲酸盐物流的重量百分比。
在一些实施方案中，尿素被浓缩的尿素/氨基甲酸盐物流同时包含游离氨和氨基甲酸铵，例如包含上文指定浓度的游离氨和氨基甲酸铵。
任选地，底端包括用于汽提气的入口。特别地，在CO2汽提器的情况下，底端包括用于作为汽提气使用的CO2的入口。在自汽提器的情况下，底端不包括用于汽提气的入口。
汽提器还包括加热流体入口和加热流体出口，二者均与设置在管和壳之间的壳侧空间流体连接。
优选地，加热流体入口邻近汽提器的顶端设置，并且加热流体出口邻近汽提器的底端设置。
壳管式汽提器包括在加热流体入口附近的加热流体分配器。加热流体分配器使得能够使加热流体在汽提器中的流动均匀。
加热流体分配器包括边缘壁和在汽提器中横向设置的加热流体分配板。应理解，如本文中使用的表述“横向设置”在修饰加热流体分配板时表示加热流体分配板平行于横向横截面，或者换句话说，加热流体分配板垂直于纵向设置。
边缘壁包括两个以上的开口和/或多个穿孔，并且边缘壁限定在壳和边缘壁之间的带状空间。在一些实施方案中，穿孔是圆形的。这样的边缘壁降低了在蒸汽流撞击汽提器中的管时的蒸汽流的速度，由此减少了管侵蚀。
加热流体入口被布置用于将加热流体提供到带状空间。优选地，这通过经由加热流体入口将加热流体直接提供到带状空间来实现。
带状空间被布置用于将加热流体提供到内部加热流体分配空间。特别地，边缘壁中的两个以上的开口和/或多个穿孔使得能够将加热流体均匀地提供到内部加热流体分配空间。
加热流体分配板被布置用于将加热流体从内部加热流体分配空间提供到在加热流体分配器和底端之间的壳侧空间。特别地，通过加热流体分配板中包括的多个穿孔将加热流体提供到壳侧空间。多个穿孔包括多个管孔和多个加热流体孔。加热流体孔的尺寸和/或密度在加热流体分配板的径向上改变。
如本文使用的术语“径向”是指在横向平面中远离汽提器的中心所指向的方向。每个径向都对应于一个切向，所述切向在横向平面中并且垂直于所述径向。在一些实施方案中，管孔的尺寸在径向上改变，并且在切向上不变。这导致管孔尺寸的旋转对称布置。
在一些实施方案中，在任何管和所述管伸出通过的管孔之间的空间小于所述管的直径的1.0％、2.0％、3.0％、5.0％或10.0％。在一些实施方案中，在任何管和所述管通过其伸出加热流体分配板的管孔之间的空间为所述管的直径的0.0％至1.0％、或1.0％至2.0％、或2.0％至3.0％、或3.0％至5.0％、或5.0％至10.0％、或0.5％至1.5％、或1.5％至2.5％、或2.5％至3.5％、或3.5％至5.5％、或5.5％至10.5％。
因此，穿孔的形状与伸出分配板的管的边缘紧密贴合。在需要时，管和穿孔的边缘之间的尺寸范围允许适应汽提器的热应变。
在一些实施方案中，壳是圆柱形的，并且壳的外径为2.0至6.0m或3.0至5.0m。
在一些实施方案中，汽提器的顶端通过在顶部管板中的套接管与管相连。每个套接管都是一个液体分割器，并且与管耦接。套接管被配置成经由套接管中的孔将尿素/氨基甲酸盐混合物均匀地分布通过每根管。优选地，孔设置在套接管的底部中。另外，套接管包括一个或多个孔，优选地在其顶部中包括一个或多个孔，所述一个或多个孔使得能够将气流释放到汽提器的顶端。
优选地，加热流体分配器的边缘壁由金属板例如钢板制成。
在一些实施方案中，边缘壁在其侧面中包括三个开口：一个中心开口和两个侧开口。
所述开口可以是例如矩形的或圆形的。例如，加热流体分配器包括2至1000个开口，例如5至500个开口、或10至250个开口、或50至225个开口、或100至200个开口、或150至175个开口。
在一些实施方案中，加热流体分配器中的开口或穿孔的总面积等于相应加热流体入口的总面积的2至8倍、或3至6倍、或4倍。
优选地，加热流体分配器的边缘壁的高度小于入口的高度和带状空间的高度。换言之，在这些实施方案中，在边缘壁和汽提器的壳之间的带状空间的顶部处留下有限量的蒸汽可以流过的空余空间。此构造的一个示例性实施方案在图3b)中示出。
优选地，边缘壁不包括在加热流体入口正前方的开口。
在一些实施方案中，加热流体分配器的边缘壁包括穿孔区域和非穿孔区域。在非穿孔区域中，边缘壁是封闭的。
在一些实施方案中，穿孔区域紧挨着加热流体入口邻近地设置。因此，非穿孔区域被布置为远离加热流体入口。
在一些实施方案中，穿孔区域被布置为远离加热流体入口。因此，非穿孔区域被布置为邻近加热流体入口。
在一些实施方案中，边缘壁包括多个穿孔，所述多个穿孔的密度和/或尺寸在所述边缘壁的表面上变化。优选地，边缘壁包括在其表面上均匀分布的穿孔，所述穿孔的尺寸随着与加热流体入口的距离增大而改变。
在一些实施方案中，边缘壁包括在其表面上均匀分布的穿孔，并且穿孔的尺寸随着与加热流体入口的距离增大而增大，例如严格地增大。
在一些实施方案中，边缘壁包括在其表面上均匀分布的穿孔，并且穿孔的尺寸随着与加热流体入口的距离增大而减小，例如严格地减小。
在一些实施方案中，边缘壁包括在其表面上均匀分布的穿孔，并且其包括其中穿孔的尺寸随着与加热流体入口的距离增大而增大(例如严格地增大)的区域；并且其包括其中穿孔的尺寸随着与加热流体入口的距离增大而减小(例如严格地减小)的区域。
在一些实施方案中，加热流体孔的尺寸从加热流体分配板的中心朝加热流体分配板的外缘改变。换言之，在一些实施方案中，与加热流体分配板的外缘相比，在加热流体分配板的中心处的加热流体孔的尺寸不同。
换言之，优选地，仅加热流体孔的尺寸改变，加热流体孔之间的间距不变。与改变孔之间的间距相比，改变加热流体孔的尺寸更实际：如果加热孔之间的间隔过大，则间距改变可能导致死区。另外，为了机械稳定性，加热流体孔优选地与管孔保持一定距离，例如至少1.0mm或至少10.0mm。因此，以可变的间距布置加热流体孔是复杂的，并且具有改变的尺寸的加热流体孔允许简单得多的布置。
在一些实施方案中，在加热流体分配板和底端之间设置用于限制管振动的装置。优选地，用于限制管振动的装置包括多个棍式挡板。
使用棍式挡板代替标准的挡板确保了最小压降，并且同时允许最小的加热流体流动干扰。减小的压降允许更大的管密度，由此对于相同汽提器尺寸来说提高了汽提器容量。
在一些实施方案中，纵向和加热流体分配板之间的角度为85.0°至90.0°，或87.5至90.0°，或88.0°至90.0°，优选89.0°至90.0°，更优选89.5°至90.0°，甚至更优选90.0°。
在一些实施方案中，纵向和边缘壁之间的角度为0.0°至5.0°，或0.0°至2.5°，或0.0°至2.0°，优选0.0°至1.0°，更优选0.0°至0.5°，甚至更优选0.0°。
如本文使用的术语“增大”表示其涉及的参数在指定方向上并且以指定的间隔增大或者保持不变，而不减小。
如本文使用的术语“严格地增大”表示其涉及的参数在指定方向上并且以指定的间隔增大，而不减小或保持不变。
如本文使用的术语“减小”表示其涉及的参数在指定方向上并且以指定的间隔减小或者保持不变，而不增大。
如本文使用的术语“严格地减小”表示其涉及的参数在指定方向上并且以指定的间隔减小，而不增大或保持不变。
在一些实施方案中，加热流体孔的尺寸(例如直径)从加热流体分配板的外缘到中心增大。
在一些实施方案中，加热流体孔的尺寸从加热流体分配板的外缘到中心严格地增大。
在一些实施方案中，加热流体孔的尺寸从加热流体分配板的外缘到中心减小。在一些实施方案中，加热流体孔的尺寸从加热流体分配板的外缘到中心严格地减小。
在一些实施方案中，加热流体分配板包括一个或多个其中加热流体孔的尺寸从加热流体分配板的外缘到中心严格地减小的区域，并且加热流体分配板包括一个或多个其中加热流体孔的尺寸从加热流体分配板的外缘到中心严格地增大的区域。
优选地，加热流体分配板中的孔是钻孔得到的。
优选地，孔的尺寸被选择为使得在正常操作期间，相同量的加热流体(例如在10.0％、或5.0％、或1.0％的误差范围内)通过各个加热流体孔。
在一些实施方案中，加热流体孔的直径为至少1mm到至多16mm，优选至少2mm到至多13mm，更优选至少3mm到至多10mm，甚至更优选至少5mm到至多7mm。
在一些实施方案中，一方面最大的加热流体孔的直径和另一方面最小的加热流体孔的直径的比率为至少1.1到至多16，优选至少1.4到至多3.5。
在一些实施方案中，加热流体分配板中的加热流体孔以围绕加热流体分配板的中心的同心圆均匀地间隔。
在一些实施方案中，加热流体孔的密度在加热流体分配板中不变，并且加热流体孔的尺寸从加热流体分配板的中心朝加热流体分配板的外缘改变，并且管孔以三角形几何形状布置。管孔的三角形几何形状是其中管孔布置在等边三角形的角处的布置。蒸汽孔布置在每个等边三角形的中心。换言之，每个加热流体孔都居中设置在三个相邻的管孔之间。
优选地，布置六个等边三角形以形成六边形单元格。
优选地，一个并且仅一个加热流体孔居中设置在三个相邻的管孔之间。因此，加热流体孔也以三角形几何形状布置。优选地，加热流体孔和管孔以六边形格子布置。
优选地，管孔和蒸汽孔在加热流体分配板上不变，并且仅加热流体孔的尺寸在加热流体分配板的中心和边缘之间改变。
在一些实施方案中，加热流体孔的密度在加热流体分配板中不变，并且加热流体孔的尺寸从加热流体分配板的中心朝加热流体分配板的外缘改变，并且管孔以正方形几何形状布置。管孔的简单正方形几何形状是其中管孔布置在正方形的拐角处的布置。蒸汽孔布置在每个正方形的中心。换言之，每个加热流体孔都居中设置在四个相邻的管孔之间。换句话说，在正方形几何形状中，布置四个管孔和居中设置的蒸汽孔以形成正方形单元格。
优选地，一个并且仅一个加热流体孔居中设置在四个相邻的管孔之间。因此，加热流体孔也以正方形几何形状布置。优选地，加热流体孔和管孔以连结的正方形格子布置。
优选地，对于正方形几何形状的情况，同样，管孔和蒸汽孔在加热流体分配板上不变，并且仅加热流体孔的尺寸在加热流体分配板的中心和边缘之间改变。
术语“三角形几何形状”和“正方形几何形状”分别等同于术语“三角形格子”和“正方形格子”。
在一些实施方案中，汽提器包括超过3000根管，或超过4000根管，或超过5000根管，或超过6000根管，或超过7000根管。在一些实施方案中，汽提器包括3000至7000根管，或4000至6000根管，或5000至7000根管，或5000至10000根管。
在一些实施方案中，壳是圆柱形的，并且其中壳的外径为2.0至6.0m或3.0至5.0m。
如先前提到的，汽提器包括壳和设置在壳内的多根管。在一些实施方案中，管垂直地设置在壳内。在一些实施方案中，管的长度超过3.0m、超过4.0m或超过5.0m。在一些实施方案中，管的长度为4.0至8.0m，或者为5.0至7.0m。优选地，管的长度为5.0至6.0m。
管的外径优选为20.0至40.0mm。
在CO2汽提器的情况下，管的外径优选为20.0至40.0mm或25.0至35.0mm。
在自汽提器的情况下，管的外径优选为20.0至30.0mm。在CO2汽提器的情况下，管的外径优选为30.0至35.0mm。
在一些实施方案中，管的直径为至多32.0mm，或至多31.0mm。
优选地，管由不锈钢制成。
本文还提供了一种用于生产尿素的系统，该系统包括氨基甲酸盐冷凝器、尿素反应器和如本文所述的壳管式汽提器。
汽提器可以是例如如上所述的CO2汽提器或自汽提器。
在一些实施方案中，尿素反应器和氨基甲酸盐冷凝器(condenser)是不同的反应容器。备选地，尿素反应器和氨基甲酸盐冷凝器作为一体化的尿素反应器和氨基甲酸盐冷凝器实现。分别讨论这两种实施方案。
当氨基甲酸盐冷凝器和尿素反应器是分开的反应容器时，氨基甲酸盐冷凝器被布置为将氨和二氧化碳部分地且放热地转变为氨基甲酸铵，并且氨基甲酸盐冷凝器部分地将由此形成的氨基甲酸铵转化为尿素。因此，得到冷凝器流出物。尿素反应器被布置为绝热地将冷凝器流出物中的氨基甲酸铵的至少一部分转化为尿素。因此，得到尿素/氨基甲酸盐混合物。该系统被布置为将尿素/氨基甲酸盐混合物提供到汽提器。汽提器被布置为将尿素/氨基甲酸盐混合物转化为尿素被浓缩的尿素/氨基甲酸盐物流和包含二氧化碳和氨的气态物流。
当系统包括同时用作氨基甲酸盐冷凝器和尿素反应器的组合反应器时，组合反应器被布置为部分地且放热地将氨和二氧化碳转变为氨基甲酸铵。另外，组合反应器还被布置为部分地将氨基甲酸铵转化为尿素。因此，得到尿素/氨基甲酸盐混合物。该系统被布置为将尿素/氨基甲酸盐混合物提供到汽提器，并且汽提器被布置为将尿素/氨基甲酸盐混合物转化为尿素被浓缩的尿素/氨基甲酸盐物流和包含二氧化碳和氨的气态物流。
本文还提供了如本文所述的壳管式汽提器用于汽提尿素-氨基甲酸盐混合物的用途。
还提供了如上所述的汽提器用于在汽提尿素/氨基甲酸盐混合物时提高汽提效率和/或用于减少管腐蚀的用途。
还提供了一种用于汽提尿素/氨基甲酸盐混合物的方法。另外地或备选地，此方法可以说是一种在汽提尿素/氨基甲酸盐混合物时用于减少用于分解尿素/氨基甲酸盐混合物的汽提器的管中的腐蚀和/或用于提高汽提效率的方法。
该方法包括提供壳管式汽提器的步骤。汽提器是如上所述的汽提器。优选地，汽提器被布置为使得管垂直地设置在壳内。另外，汽提器优选地被布置为使得顶端在汽提器的顶部，并且底端在汽提器的底部。将尿素/氨基甲酸盐混合物提供到用于尿素/氨基甲酸盐混合物的入口。
当使用CO2汽提器时，将汽提气(即CO2)提供到用于汽提气的入口。当使用自汽提器时，在氨基甲酸铵的分解期间形成的CO2和NH3作为汽提气。注意，如上所述，为了减少腐蚀，自汽提器一般确实包括用于钝化空气的入口，但是钝化空气的流速不足以以有意义的方式对汽提过程作出贡献。
通过加热流体入口将加热流体提供到壳侧空间。加热流体优选为蒸汽，更优选饱和蒸汽。使尿素/氨基甲酸盐混合物和汽提气在管中接触。特别地，尿素/氨基甲酸盐混合物作为降膜沿着管的内壁流动。汽提气在管侧空间中向上流动。
通过加热流体加热尿素/氨基甲酸盐混合物。在由加热流体提供的热量的影响下，尿素/氨基甲酸盐中的氨基甲酸铵分解形成气态的氨和二氧化碳。在尿素/氨基甲酸盐混合物中的氨基甲酸铵分解时，得到尿素被浓缩的尿素/氨基甲酸盐物流。在用于尿素被浓缩的尿素/氨基甲酸盐物流的出口处提取尿素被浓缩的尿素/氨基甲酸盐物流。
在用于包含一种或多种经汽提化合物的气体混合物的出口处提取所述气体混合物。当使用CO2汽提器时，此气体混合物还包含汽提气。通过加热流体出口从壳侧空间提取加热流体。
这些方法有效地使得能够更好地汽提尿素/氨基甲酸盐混合物，同时减少汽提器的腐蚀。
在一些实施方案中，管的温度沿着穿过汽提器的任何横向横截面保持恒定。在一些实施方案中，管的温度沿着穿过汽提器的任何横向横截面保持恒定在小于10℃、小于5℃、小于2℃或小于1℃的误差范围内。沿着穿过汽提器的横向横截面恒定的温度确保了向管的均匀传热。通过改善的加热流体分布导致径向恒定的温度，并且进而径向恒定的温度减少汽提器的管的腐蚀。
在一些实施方案中，壳侧空间中的压力为10.0至30.0bar g，优选16.0至24.0barg。
加热流体的质量流速取决于汽提器的容量。在一些实施方案中，加热流体的质量流速为10.0至60.0kg/s，20.0至50.0kg/s，或30.0至40.0kg/s。
在一些实施方案中，加热流体包括蒸汽。优选地，加热流体主要由蒸汽组成。换言之，加热流体优选地包含至少99.0重量％的蒸汽或至少99.9重量％的蒸汽。此处的符号“重量％”表示：加热流体的组成表示为重量百分比，即表示为加热流体中包含的蒸汽的质量流速与整个加热流体的质量流速的百分比。
在一些实施方案中，加热流体的密度为7.0至13.0kg/m3或8.5至12.0kg/m3。
本文还提供了加热流体分配器用于使在用于汽提尿素/氨基甲酸盐混合物的壳管式汽提器的加热流体入口附近的蒸汽的流动均匀的用途。加热流体分配器包括边缘壁和横向设置的加热流体分配板。边缘壁包括两个以上的开口和/或多个穿孔。加热流体分配板具有外缘和中心，并且包括多个穿孔。多个穿孔包括多个管孔和多个加热流体孔。加热流体孔的尺寸和/或密度从加热流体分配板的中心朝加热流体分配板的外缘改变。优选地，加热流体分配器是如本文所述的加热流体分配器。
实施例
实施例1
在第一实施例中，参考图1，其在图a)中示出了本文所提供的汽提器(100)。特别地，汽提器(100)是CO2汽提器。汽提器(100)包括壳(160)和设置在壳(160)内的多根管(150)。另外，汽提器(100)包括顶端(110)和底端(120)。管(150)设置在顶端(110)和底端(120)之间。管侧空间(140)设置在管(150)内。壳侧空间(130)设置在管(150)和壳(160)之间。壳侧空间(130)与顶端(110)和底端(120)分隔开。顶端(110)和底端(120)与管侧空间(140)流体连接。
底端(120)包括用于尿素被浓缩的尿素/氨基甲酸盐物流的出口(122)和用于汽提气的入口(121)。
顶端(110)包括用于尿素/氨基甲酸盐混合物的入口(111)和用于包含汽提气和一种或多种经汽提化合物的气体混合物的出口(112)。
汽提器(100)还包括加热流体入口(131)和加热流体出口(133)。加热流体入口(131)和加热流体出口(133)与壳侧空间(130)流体连接。另外，加热流体入口(131)与汽提器(100)的顶端(110)相邻。加热流体出口(133)与汽提器(100)的底端(120)相邻。
管(150)具有6.0m的长度和31.0mm的外径。汽提器具有直径为3.1m的圆柱形壳。
棍式挡板(134)以规则的间隔布置在壳侧空间(130)中。在图1的图b)中示出了棍式挡板的两种布置。这样的棍式挡板在本领域中是已知的。
图1的汽提器包括加热流体分配器，所述加热流体分配器包括加热流体分配板(175)和边缘壁。加热流体分配器确保了加热流体在汽提器的在加热流体分配板(175)和汽提器的底端(120)之间的部分中基本上平行于管(150)流动。
加热流体分配器的细节在实施例3中描述。
实施例2
在第二实施例中，参考图2，其示出了本文所提供的汽提器(100)。特别地，汽提器(100)是自汽提器。汽提器(100)的结构与实施例1的结构类似，但有一些不同。
特别地，自汽提器在其底端处不包括汽提气入口：在氨基甲酸铵的分解期间形成的NH3和CO2作为自汽提器中的汽提气，使得不需要汽提气入口。
另外，自汽提器的管比实施例1的CO2汽提器的管更细。特别地，自汽提器的管的外径为25mm。
图2的汽提器包括如实施例3中所述的加热流体分配器，所述加热流体分配器包括加热流体分配板(175)和边缘壁(171)。加热流体分配器将来自入口(131)的加热流体均匀地分布到带状空间。
实施例3
在第三实施例中，参考图3，其示出了本文所提供的一种示例性加热流体分配器的多个细节。加热流体分配器特别适用于将蒸汽提供到尿素汽提器中的壳侧空间。
图3包括6个图，a)至f)。
图a)示出了包括加热流体分配板(175)和边缘壁(171)的加热流体分配器(170)的顶视图。汽提器的壳(160)和边缘壁(171)形成接纳来自加热流体入口(131)的加热流体的带状空间(179)。边缘壁(171)包括7个开口(174)，如由物流线(156)所指示的，加热流体通过所述开口朝在流体分配板(175)上方的内部加热流体分配空间(178)流动。开口(174)的数量和类型取决于汽提器的运行条件，并且可以变化。
流体分配板(175)包括多个蒸汽孔，所述多个蒸汽孔将加热流体从内部加热流体分配空间(178)均匀地分布到下方的壳侧空间。蒸汽孔的布置在图d)至g)中详细地示出。
图b)示出了加热流体分配器(170)的侧视图。此图清楚地示出了加热流体入口(131)、边缘壁(171)、顶部管板(151)和加热流体分配板(175)。
图c)示出了加热流体分配板(175)不接触边缘壁(171)。而是在加热流体分配板(175)和边缘壁之间留下热膨胀空间以考虑热膨胀。注意，在正常操作期间，少量的加热流体可以通过热膨胀空间(172)，但是这不会不利地影响加热流体向壳侧空间的供应。
图d)示出了加热流体分配板(175)。
图e)示出了在加热流体分配板的边缘附近的管孔(176)和加热流体(177)的布置的详细图示。管孔(176)特别地布置在等边三角形的拐角处。加热流体孔(177)布置在每个等边三角形的中心。六个等边三角形形成六边形单元格。
图f)示出了在加热流体分配板的中心附近的管孔(176)和加热流体孔(177)的布置的详细图示。此布置类似于图e)中所示的布置，仅有的区别在于加热流体孔(176)的尺寸不同。
图g)示出了管孔(176)和加热流体孔(177)的一种备选布置的详细图示。管孔(176)布置在正方形的拐角处。加热流体孔(177)布置在每个正方形的中心。因此，加热流体孔(177)和管孔(176)以连结的简单正方形格子布置。管孔(176)和加热流体孔(177)的此布置可以同时存在于加热流体分配板的边缘和中心处，仅有的区别在于加热流体孔(176)的尺寸不同。
实施例4
在第4实施例中，参考图4，其示出了与使用棍式挡板作为用于限制壳管式汽提器中的管的振动的装置相关联的有益效果。特别地，图a)至c)示意性地示出了在没有棍式挡板(图a)、1个棍式挡板(图b)和2个棍式挡板(图c)的情况下的管振动的方式。每个额外的挡板组引入在管振动模式中引入额外的节点，从而限制了管振动的幅度。
实施例5
在第五实施例中，参考图5，其包括图a)和b)。图a)示出了由物流线(155)指示的在横向即垂直于管(150)的方向上的加热流体流动。通过使用本文所提供的加热流体分配板(175)使这样的加热流体流动最小化。图b)示出了加热流体如何平行于管(150)流动，这如物流线156所指示。这是由加热流体分配板(175)引起的流动的主要类型。
实施例6
在另一个实施例中，讨论了一种用于操作实施例1的汽提器(100)的示例性方法。在此方法中，汽提器(100)垂直地布置，并且顶端(110)位于汽提器的顶部，并且底端(120)位于汽提器(100)的底部。汽提器包括加热流体分配器，所述加热流体分配器包括加热流体分配板(175)和位于加热流体入口(131)处的边缘壁。
该方法涉及将包含尿素和氨基甲酸铵的混合物提供到用于尿素/氨基甲酸盐混合物的入口(111)，和将汽提气CO2提供到用于汽提气的入口(121)。
汽提气和尿素/氨基甲酸盐混合物逆流地流过管(150)。同时，加热尿素/氨基甲酸盐混合物，并且尿素/氨基甲酸盐混合物中包含的氨基甲酸铵分解形成气态的NH3和CO2，它们被汽提气夹带。因此，在管(150)中形成尿素被浓缩的尿素/氨基甲酸盐物流。此物流向下流动到底端(120)，在那里通过用于尿素被浓缩的尿素/氨基甲酸盐物流的出口(122)对其进行提取。
使用蒸汽作为加热流体，并且通过加热流体入口(131)将蒸汽提供到壳侧空间(130)。
使用加热流体分配器使蒸汽在壳侧空间中的流动均匀。蒸汽具有约18巴(绝对压力)的工作压力，其具有36kg/sec的质量流速和9kg/m3的蒸气密度。
通过加热流体出口(133)从壳侧空间(130)提取冷凝的蒸汽。在从加热流体入口(131)行进至加热流体出口(133)时，蒸汽行进通过壳侧空间(130)，并且加热管(150)及其内容物，这使得前述氨基甲酸铵分解能够形成NH3和CO2。
提供加热流体分配器确保了对管(150)及其内容物的均匀加热，这进而导致提高的汽提器效率和管中较少的腐蚀。
实施例7
在另一个实施例中，讨论了一种用于操作实施例2的汽提器(100)的示例性方法。特别地，除了不将汽提气提供到底端以外，其操作类似于实施例1和6的汽提器的操作。而是在氨基甲酸铵的分解期间形成的NH3和CO2作为汽提气。这样的汽提器被称为自汽提器。
实施例8
在另一个实施例中，参考图6，其示出了尿素设备(1000)的选定部分。尿素设备包括如实施例1中所述的汽提器(100)、用于将氨基甲酸铵转化为尿素的反应器(200)、用于形成氨基甲酸铵的氨基甲酸盐冷凝器(300)和用于冷凝来自反应器和氨基甲酸盐冷凝器的NH3和CO2蒸气的洗涤器(400)。洗涤液是通过管(401)从下游段进料的氨基甲酸盐溶液。
汽提气进料(101)与用于汽提器(100)的汽提气的入口(121)流体连接。用于尿素被浓缩的尿素/氨基甲酸盐物流的管(104)与汽提器(100)的尿素被浓缩的尿素/氨基甲酸盐物流的出口(122)流体连接。
汽提器(100)包括壳侧空间-参见图1(130)-其包括加热流体入口和加热流体出口-参见图1(131、133)。
加热流体入口与用于加热流体物流的管(503)流体连接。加热流体出口与用于经冷却的加热流体物流的管(504)流体连接。用于加热流体物流的管(503)和用于经冷却的加热流体物流的管(504)与加热流体供应装置(500)流体连接，所述加热流体供应装置(500)进而和与外部加热流体供应装置的连接件(502)流体连接。
汽提器(100)还与用于尿素/氨基甲酸盐物流的管(102)流体连接。此管(102)输送来自将氨基甲酸铵转变为尿素的反应器(200)的尿素/氨基甲酸盐物流。进而通过氨基甲酸盐冷凝器(300)经由管(302)为反应器提供氨基甲酸铵，并且经由另一根管(301)提供气态的NH3、CO2、水和惰性物。通过蒸汽和蒸气供应装置(501)提取由在氨基甲酸盐冷凝器(300)中的氨基甲酸盐形成产生的热量。
实施例9
在另一个实施例中，参考图7、8、9和10，其示出了通过本发明的系统和方法克服的挑战中的一些。特别地，本发明的系统和方法提供了改善的汽提器寿命和提高的汽提器效率。本实施例说明了特定CO2汽提器的这些问题。然而，尽管精确的腐蚀模式被认为取决于特定的汽提器形貌，但是当发生不均匀加热时，预期在其他类型的汽提器中也发生类似的腐蚀问题。预期其中有类似腐蚀问题的不同类型汽提器的一个实例是自汽提器。
图7示出了在具有不锈钢管并且其中使用CO2作为用于汽提尿素/氨基甲酸盐溶液的汽提气的尺寸可调现有技术CO2汽提器中同时发生的两种腐蚀模式。更具体地，在壳管式汽提器中观察到腐蚀模式，所述壳管式汽提器具有6m高的管，具有约3m的壳直径，具有安装在壳侧空间中的盘环式挡板，并且包括约5000根管(150)。
腐蚀类型还取决于汽提器是CO2汽提器还是自汽提汽提器。
实际上，发现通常在小直径的CO2汽提器中发生图7a)所示的腐蚀模式，并且发现通常在小直径的自汽提汽提器中发生图7b)所示的腐蚀模式。在本发明的情况下，CO2汽提器和自汽提汽提器二者均是壳管式汽提器的具体配置。
这些壳管式汽提器包括位于管的顶端上方和管的顶端处的顶部管板(151)。其将包括盘环式挡板在内的壳侧空间与汽提器的顶端分隔开。顶部管板(151)还使得尿素/氨基甲酸盐混合物能够作为液膜沿着管(150)的内壁向下流动。其还使得包含CO2和NH3的气体混合物能够离开管(150)。
壳管式汽提器还包括位于管的底端下方和管的底端处的底部管板(152)。其将壳侧空间与汽提器的底端分隔开。底部管板(152)还使得尿素被浓缩的尿素/氨基甲酸盐物流能够离开管(150)，并且在CO2汽提器中，其使得CO2汽提气能够进入管(150)。
这些汽提器以在汽提器的外管和内管中的不同腐蚀模式为特征。内管大致覆盖盘式挡板的横截面，而外管大致覆盖环式挡板的横截面。外管中的腐蚀模式在图7的图a)中示出。内管中的腐蚀模式在图7的图b)中示出。外管中的腐蚀速率在图8的图a)的右侧图中示意性示出。内管中的腐蚀速率在图8的图b)的右侧图中示意性示出。
在外管中，同时存在腐蚀区域(153)和结垢区域(154)。相反地，在内管中，仅存在腐蚀区域(153)。在腐蚀区域中，发生管的腐蚀。在结垢区域(154)中，不发生腐蚀，但是沉积了铁垢。尽管外管中的腐蚀区域仅沿着管长度的一部分延伸，但是在外管的腐蚀区域(153)中的腐蚀严重得多。汽提器的使用寿命受管的腐蚀的速率限制。因此，如果可以降低在外管(150)中发生的腐蚀的速率，则将会减少在一定操作时间后的腐蚀程度，因此可以延长汽提器的使用寿命。
不将本发明限制于任何特定操作模式，认为在用于从尿素/氨基甲酸盐物流汽提氨基甲酸铵的现有技术CO2汽提器中发生不均匀腐蚀可以解释如下。在现有技术汽提器的正常操作期间，尿素/氨基甲酸盐混合物以降膜形式沿着管(150)的内壁向下流动，并且通过提供到壳侧空间的蒸汽将其加热。在热量的影响下，尿素/氨基甲酸盐混合物中的氨基甲酸铵分解形成气态的NH3和CO2，它们与汽提气一起向上流动。因此，氨基甲酸铵逐渐被分解。
在完成本发明时，认识到在外管的下部即结垢部分(154)中存在铁垢，这表明在结垢部分中，液相主要由尿素、残留的氨基甲酸盐、游离NH3和水组成。换言之，大部分氨基甲酸铵已经分解，从而留下主要由尿素、残留的氨基甲酸盐、游离NH3和水组成的液相，所述液相沿着在结垢部分(154)处的管壁向下流动：与在氨基甲酸铵中相比，铁(Fe)在尿素中明显更难溶。相反地，中心管没有结垢部分，这表明氨基甲酸铵尚未完全被分解。
进一步认识到，氨基甲酸铵分解的速率随着提供到管(150)的热量的量增加而增大。因此，在外管中氨基甲酸铵更接近于汽提器的顶端进行分解的这种观察结果表明，与内管相比，外管中的加热更强烈。因此热量通过在汽提器的壳侧空间上流动的蒸汽提供，所以热量的量由蒸汽的流动决定。因此，与内管相比，将更多的热量提供到外管与蒸汽在汽提器的壳侧空间中的流动有关。因此，本发明人发现，蒸汽在汽提器的壳侧空间中的不均匀流动是所观察到的外管与内管相比的腐蚀速率增大的原因。
另外还发现，对管的不均匀加热导致与在管上的不均匀CO2汽提气分布相关的汽提器的低效操作。特别地，发现在以蒸汽入口和在壳侧空间中的盘环式挡板为特征的现有技术壳管式汽提器的典型操作条件下，通过较少加热的内管的气体流速显著高于通过较多加热的外管的气体流速。不均匀汽提气流动导致过程低效，比如在管中的氨基甲酸盐的不均匀汽提，因此，在汽提器中的氨基甲酸铵的分解低效。
液体分割器(所谓的套接管，它的一个实例在图10中示出)安装在汽提器前部头部中并且与顶部管板中的管耦接，以确保尿素/氨基甲酸盐混合物通过在套接管底部中的各个管通孔(710)均匀分布。另外，液体分割器顶部中布置一个或多个孔(720)以将气流释放到汽提器顶端。汽提气流动由流体动力效应和流体静力效应的组合决定。流体动力效应对应于在顶部液体分割器(所谓的套接管)中的一个或多个孔(720)上的压降，并且可以写作Δp＝0.5ρ v2，其中Δp为压降，ρ为流体密度，并且v为流体速度。
对于典型的操作条件，在管上的流体动力压降为约250Pa。流体静力效应对应于由于沿着管高度的气体密度引起的压力效应，并且对于给定的压力，可以写作Δp＝Δρgh。估计上述汽提器中的流体静力压降为约5500Pa。因此，流体静力效应占主导，并且因此其是在管上的汽提气流动分布的主要原因。因此，由在管上的流体静力压降差造成的在管之间的汽提气流动的任何可能的不平衡都无法通过改变在套接管顶部的孔上的流体动力压降进行补偿。可以通过改变套接管中的孔的尺寸来改变在孔上的压降。通过减小孔尺寸，压降将会增大，反之亦然。
发现在较多加热的管中，氨基甲酸盐分解和伴随的CO2和NH3的释放在管的顶部发生，即在顶端附近，例如在管的上部50％中发生。因此，在管的顶部处的NH3的分压高，而在管的底部中的NH3的分压低。汽提气是CO2，并且在相同条件下，NH3的密度比CO2的密度低。因为气体向上流动，所以在管的顶部中的NH3浓度最高。因此，管的顶部与管的底部相比具有更低的比密度。这在图8的图(a)中示出。此图示出了管包括三个区域：以较高的气体密度和较低的腐蚀速率为特征的下部区域，在其中的气体密度和腐蚀速率急剧改变的过渡区域，和具有较高腐蚀速率和较低气体密度的上部区域。特别地，沿着管向上，气体遇到的第一个区域是下部区域。在下部区域中，随着气体被加热同时其沿着管向上行进，气体密度逐渐降低。在过渡区域中，气体密度由于氨基甲酸铵的分解以及因此的氨气释放而急剧降低。在上部区域中，随着气体被进一步加热，气体密度逐渐降低，并且因为管壁与强烈加热的尿素/氨基甲酸盐溶液接触，所以腐蚀速率高。实际上，随着溶液在向下移动时变得更热，在上部区域内向下移动时，管的腐蚀厚度增大。
另外，本发明人发现，在较少加热的管中，从管的顶部直到接近管的底部发生氨基甲酸盐分解，使得整个较少加热的管与较多加热的管相比具有更低的比密度，这进而使在较少加热的管中的流体静力压力低于在较多加热的管中的流体静力压力。
较多加热的外管的气体密度分布在图8的图a)的左侧图中示出。较少加热的内管的气体密度分布在图8的图(b)的左侧图中示出。还在图9中比较了较少加热的管和较多加热的管中的气体密度分布。图9清楚地示出，与较多加热的管相比，在较少加热的管中，氨基甲酸盐在汽提器的底部附近分解。这导致不同的密度分布，这进而造成流体静力压力差。内管中的较低流体静力压力使较少加热的管中的汽提气的流速高于较多加热的管中的汽提气的流速，这导致较低的汽提效率。
当使用温度比管低的CO2汽提气时，这稍微被抵消，因为较冷的CO2气体降低了管中的气相的密度，从而提高了流体静力压力并且低效了加热增加的效果。然而，此效果并未显著到足以消除与不均匀加热相关的汽提低效。
实际上，模拟(结果未包括在内)显示，甚至小的密度分布差异也对流动分布造成显著的影响。特别地，估计较少加热的内管中的面积加权的平均流体流动速度为较多加热的外管中的面积加权的平均流体流动速度的大约5倍。此大的流体流速差异在现有技术汽提器中导致显著的汽提低效。
总之，在尺寸可调的现有技术CO2汽提器中的不均匀加热导致腐蚀问题和低效的汽提。此问题可以通过以下方式解决：提供本文所述的加热流体分配器；由此实现均匀加热，使得汽提器的所有管都可以适度地且均匀地被加热，这导致在整个汽提器中的低腐蚀速率。另外，均匀加热导致均匀的气体密度分布，这进而导致均匀的汽提气流速和提高的汽提效率。

Claims (15)

1.一种用于汽提尿素/氨基甲酸盐混合物的壳管式汽提器(100)，
所述汽提器(100)包括通过设置在壳(160)内的多根管(150)与底端(120)流体连接的顶端(110)；
所述顶端(110)包括用于尿素/氨基甲酸盐混合物的入口(111)和用于包含汽提气和一种或多种经汽提化合物的气体混合物的出口(112)；
所述底端(120)包括用于尿素被浓缩的尿素/氨基甲酸盐物流的出口(122)；
所述底端(120)任选地包括用于汽提气的入口(121)；
所述壳管式汽提器(100)还包括与设置在所述多根管(150)和所述壳(160)之间的壳侧空间(130)流体连接的加热流体入口(131)和加热流体出口(133)；
所述壳管式汽提器(100)具有纵向和横向横截面，所述纵向平行于所述管，并且所述横向横截面垂直于所述纵向；
其中所述壳管式汽提器包括在所述加热流体入口(131)附近的用于使加热流体在所述汽提器(100)中的流动均匀的加热流体分配器(170)，所述加热流体分配器(170)包括边缘壁(171)和平行于所述横向横截面设置的加热流体分配板(175)；
所述边缘壁(171)包括两个以上的开口和/或多个穿孔，并且所述边缘壁(171)限定介于所述壳(160)和所述边缘壁(171)之间的带状空间(179)；
所述加热流体入口(131)被布置用于将加热流体提供到所述带状空间(179)；
所述带状空间(179)被布置用于将加热流体提供到内部加热流体分配空间；
所述加热流体分配板(175)被布置用于将加热流体从所述内部加热流体分配空间(178)提供到在所述加热流体分配器(170)和所述底端(120)之间的所述壳侧空间(130)；
所述加热流体分配板(175)包括多个穿孔，所述多个穿孔包括多个管孔(176)和多个加热流体孔(177)，其中所述加热流体孔(177)的尺寸和/或密度在所述加热流体分配板(170)的径向上有改变。
2.根据权利要求1所述的壳管式汽提器(100)，其中所述加热流体孔(177)的尺寸从所述加热流体分配板(175)的中心朝所述加热流体分配板的外缘改变。
3.根据权利要求1或2所述的壳管式汽提器(100)，其中在所述加热流体分配板和所述底端(120)之间设置用于限制所述管的振动的装置，任选地其中所述用于限制所述管的振动的装置包括多个棍式挡板(134)。
4.根据权利要求1至4中任一项所述的壳管式汽提器(100)，其中所述纵向和所述加热流体分配板(175)之间的角度为85.0°至90.0°，或87.5至90.0°，或88.0°至90.0°，优选89.0°至90.0°，更优选89.5°至90.0°，甚至更优选90.0°；和/或
其中所述纵向和所述边缘壁(171)之间的角度为0.0°至5.0°，或0.0°至2.5°，或0.0°至2.0°，优选0.0°至1.0°，更优选0.0°至0.5°，甚至更优选0.0°。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的壳管式汽提器(100)，其中所述加热流体孔(177)的尺寸从所述加热流体分配板(175)的外缘到中心增大，任选地其中所述加热流体孔(177)的尺寸从所述加热流体分配板(175)的外缘到中心严格地增大；或
其中所述加热流体孔(177)的尺寸从所述加热流体分配板(175)的外缘到中心减小，任选地其中所述加热流体孔(177)的尺寸从所述加热流体分配板(175)的外缘到中心严格地减小。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的壳管式汽提器(100)，其中所述加热流体分配板(175)包括一个或多个其中所述加热流体孔(177)的尺寸从所述加热流体分配板(175)的外缘到中心严格地减小的区域，并且其中所述加热流体分配板(175)包括一个或多个其中所述加热流体孔(177)的尺寸从所述加热流体分配板(175)的外缘到中心严格地增大的区域。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的壳管式汽提器(100)，其中所述加热流体孔(177)的直径为至少1mm到至多16mm，优选至少2mm到至多13mm，更优选至少3mm到至多10mm，甚至更优选至少5mm到至多7mm；和/或
其中一方面最大的加热流体孔(177)的直径和另一方面最小的加热流体孔(177)的直径的比率为至少1.1到至多16，优选至少1.4到至多3.5。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的壳管式汽提器(100)，其中所述加热流体分配板(175)中的所述加热流体孔(177)以围绕所述加热流体分配板(175)中心的同心圆均匀地间隔。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的壳管式汽提器(100)，其中所述加热流体孔(177)的密度在所述加热流体分配板(175)中恒定，其中所述加热流体孔(177)的尺寸从所述加热流体分配板(175)的中心朝所述加热流体分配板(175)的外缘改变，其中所述管孔(176)以三角形几何形状布置，并且其中每个加热流体孔(177)都居中设置在三个相邻的管孔(176)之间。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的壳管式汽提器(100)，其中所述加热流体孔(177)的密度在所述加热流体分配板(175)中恒定，其中所述加热流体孔(177)的尺寸从所述加热流体分配板(175)的中心朝所述加热流体分配板(175)的外缘改变，其中所述管孔(176)以正方形几何形状布置，并且其中每个加热流体孔(177)都居中设置在四个相邻的管孔(176)之间。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的壳管式汽提器(100)，其中所述汽提器包括超过3000根管(150)，或超过4000根管(150)，或超过5000根管(150)，或超过6000根管(150)，或超过7000根管(150)，或3000至7000根管(150)，或4000至6000根管(150)，或5000至7000根管(150)，或5000至10000根管(150)。
12.一种用于生产尿素的系统，所述系统包括氨基甲酸盐冷凝器(300)、尿素反应器(200)和根据权利要求1至11中任一项所述的壳管式汽提器(100)。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的壳管式汽提器用于汽提尿素-氨基甲酸盐混合物的用途。
14.一种用于汽提尿素/氨基甲酸盐混合物的方法，所述方法包括以下步骤：
-提供根据权利要求1至11中任一项所述的壳管式汽提器(100)；
-将所述尿素/氨基甲酸盐混合物提供到用于尿素/氨基甲酸盐混合物的入口(111)；
-通过加热流体入口(131)将加热流体提供到所述壳侧空间(130)，其中所述加热流体是饱和蒸汽；
-任选地将汽提气提供到在所述底端(120)处的用于汽提气的入口；
-使所述尿素/氨基甲酸盐混合物和所述汽提气在设置在管(150)内的管侧空间(140)中接触，并且通过加热流体加热所述尿素/氨基甲酸盐混合物，由此得到尿素被浓缩的尿素/氨基甲酸盐物流；
-在用于尿素被浓缩的尿素/氨基甲酸盐物流的出口(122)处提取所述尿素被浓缩的尿素/氨基甲酸盐物流；
-在用于包含一种或多种经汽提化合物的气体混合物的出口(112)处提取所述气体混合物，所述一种或多种经汽提化合物包括NH3、CO2和水；
-在加热流体出口(133)处提取所述加热流体。
15.加热流体分配器(170)用于使在用于汽提尿素/氨基甲酸盐混合物的壳管式汽提器(100)的加热流体入口(131)附近的蒸汽的流动均匀的用途，所述加热流体分配器(170)包括边缘壁(171)和平行于横向横截面设置的加热流体分配板(175)；
所述边缘壁(171)包括两个以上的开口(174)和/或多个穿孔，所述加热流体分配板(175)具有外缘和中心，所述加热流体分配板(175)包括多个穿孔，所述多个穿孔包括多根管孔(176)和多个加热流体孔(177)，其中所述加热流体孔(177)的尺寸和/或密度从所述加热流体分配板(175)的中心朝所述加热流体分配板(175)的外缘改变。
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