CN1665777A - 尿素生产设备 - Google Patents

Abstract

具有包括合成反应器和位于反应器内的冷凝单元(7)的所谓高压部分的用于从氨和二氧化碳生产尿素的设备，所有设备基本上在相同压力下工作。所述冷凝单元(7)包括多个安置在平行于所述反应器轴的长边(17a)上的平坦盘状的基本矩形的热交换器(17)。

Description

尿素生产设备

技术领域

最概括地说，本发明涉及一种所谓的用于从氨和二氧化碳生产尿素的“尿素汽提设备(urea stripping plant)”。

更具体地说，本发明涉及包括尿素合成反应器和冷凝器或其它尿素合成反应器、汽提器和冷凝器的上述类型设备的高压部分。

背景技术

在某一已知的压力和温度条件下进行的氨与二氧化碳之间的主要反应中可以获得含有尿素、氨基甲酸铵和游离氨(即没有与氨基甲酸盐结合)的水溶液以及含有氨、二氧化碳、水(蒸汽状态)，加上可能的惰性气体的气态混合物。

使用所谓的汽提技术过程中，来自合成反应器的含有尿素的水溶液(反应产物)在合适的汽提器中进行加热处理，以使氨基甲酸盐分解成氨和二氧化碳中，同时从所述溶液中汽提(例如通过供应给尿素设备的相同的二氧化碳流)分离包含大多数未反应的氨和二氧化碳的气体流。向其加入有用于汽提的二氧化碳的这些气体在合适的冷凝器(已知是高压氨基甲酸盐冷凝器)中再次冷凝成氨基甲酸盐，并且这些氨基甲酸盐在合成反应器中循环利用。

同样，来自反应器的反应混合物中的以气相出现的氨和二氧化碳通常转化成氨基甲酸铵，尤其是在来自尿素回收工序的氨基甲酸盐流的帮助下在适当的冷凝器(公知为洗涤器)中通过吸收转变成氨基甲酸铵。来自上述洗涤器的氨基甲酸盐流经由高压氨基甲酸盐冷凝器循环到合成反应器中。

在此处考虑的用于尿素生产的设备(尿素汽提设备-USP)中，所有的合成反应器、汽提器、冷凝器和洗涤器都基本在相同的压力(高压)下工作，而且构成这种设备的所谓“高压部分”的最重要元件。

在该部分的现有技术中，有益提议是在合成反应器的相同外壳(高压容器)中也另外包括(高压)氨基甲酸盐冷凝器和洗涤器功能中的一个或两个。例如，在包括在此处供参考的WO 00/43358(PCT/NL/00044)中，据描述，在合成反应器的竖直外壳中，所述反应器部分限定在位于反应器部分下面的冷凝器部分和位于反应器部分上面的洗涤器部分之间；洗涤器和冷凝器部分通过一条竖直管道流体连通，而所述管道穿过整个反应器部分并且这个管道用于将在洗涤器本身中形成的氨基甲酸盐的全部流体供应给上述冷凝器。

尽管上述用于现有技术的尿素生产设备在不同方面都有优点，但是仍然具有一些没有克服的缺点。

第一且最基本的缺点是无法突破实际上没有克服的生产能力的公认上限，基于这点，为显著提高产量，就必须安装一个或更多个其它类似的设备(很多生产线，双装置)。

当然，在现有技术的设备中，并采用具体涉及它们的高压部分，冷凝器和洗涤器基本由从管束专门形成的各个热交换单元组成，在管束中，管子通常分别通过要被冷凝的气体和通过含有要分解且要进行汽提的氨基甲酸盐的水溶液连接到管状支撑盘(所述管状支撑盘彼此相对)，所述管在内部交叉。

管状盘根据被支撑管的数量而直接设计。能够在冷凝器和在汽提器中获得的热交换程度以及冷凝器和汽提器两者的“生产能力”都取决于管的数量以及管的大小。因此，可以说打算从所考虑类型的设备、更确切地说从它的高压部分获得的生产能力取决于在该部分的冷凝器和汽提器中所使用管束(因此取决于相对管状盘的大小)的管子数量和大小。因此，可以说所述管状盘必须随着所述高压部分的生产能力的增加而逐步增加大小(直径)、厚度和重量才能实现。

管状盘存在公认的大小和重量，超出这些大小和重量的管状盘在经济上不可行，在技术上也不可能将它们置于压力容器例如传统尿素合成反应器或冷凝器或汽提器内。这就形成了现有技术设备的生产能力上限。

使用管束的另一个缺陷是难以在每个管内分配流体以及难以确保每个管都能恰当地被管外流动的工作流体冷却或加热。

最后也是很重要的缺点是：为识别和替换例如腐蚀损伤的管子而需要设备不工作的时间长，以及构造困难和实现这些反应器需要很高成本。

发明内容

形成本发明基础的问题是提供一种用于尿素生产的作为“尿素汽提设备”的已知类型的设备，在所述类型设备中，高压部分的功能部件具有结构和功能特性以便克服上述现有技术缺陷、尤其克服生产能力限制的缺陷。

该问题根据本发明通过在前面所述类型设备解决，所述设备的高压部分含有合成反应器、位于所述反应器内的冷凝单元、汽提器和洗涤器，所有操作都在基本相同压力下进行，所述设备具有的结构特性在后面的权利要求中规定。

附图说明

图1表示本发明用于尿素生产的设备的高压部分的示意图；

图2表示图1设备的尿素合成反应器的放大示意图；

图3表示图2尿素合成反应器细节的进一步放大透视图；

图4和图5分别表示图3细节的不同具体实施方案的放大透视和示意图；

图6表示根据另外不同的具体实施方案的图2反应器的透视局部剖视图；

图7表示图6的合成反应器细节的放大透视图。

具体实施方式

参考图1，作为“尿素汽提设备”熟知类型的用于从氨和二氧化碳生产尿素的设备的高压部分，基本包括合成反应器1、汽提器2和洗涤器3，而且所有操作在同一压力进行。

在所述合成反应器1的竖直壳体4中，限定了实际反应器区域5和冷凝区域6，在冷凝区域6中，支撑着将下面详细描述的冷凝单元7。

在反应区域5中，可提供因传统而熟知的合适穿孔板，其在图1中使用标记数字5a并用虚线表示。

根据通过上述设备的非限制性的尿素生产实例，在反应器1中生产的水溶液基本包括尿素、氨基甲酸铵和游离氨，通过输送管1a输送到汽提器2中，同时通过输送管2b从下面供应二氧化碳流体(相应于供应到设备或部分设备的二氧化碳)。

来自汽提器2的气体，基本上为二氧化碳和氨，通过输送管2a送到反应器1中，进入冷凝单元7的底部。

来自汽提器2的溶液，基本上为尿素、氨基甲酸铵和游离氨溶液，通过输送管2c送到尿素回收部件中(未表示出)。

来自合成反应器1的气体，基本上为未反应的氨、二氧化碳和可能的惰性气体，通过输送管1b送到洗涤器3中，在洗涤器3中除去在经过输送管3b的来自尿素回收部件的氨基甲酸盐流体的帮助下冷凝的惰性气体(管3c)。

由洗涤器3中出来的含有反应所必须加入的氨(管3d)的氨基甲酸盐溶液通过输送管3a被送到合成反应器1中，在所述冷凝单元7底部。

参考图2，所述反应器1的圆柱壳体4在相对的两端通过各自的底盘，即底部8和上部9进行封闭；底盘8装备有用于来自汽提器2(下面描述)的气体进入的连接器或输入口3a以及用于来自洗涤器3的经过输送管3a的氨-氨基甲酸盐混合物进入的轴向通道11。底盘9装备有用于排出反应产生的气体的轴向通道12和检修孔13。

所述冷凝单元7具有整体圆柱状的环形结构，且与壳体4同轴。它具有稍小于壳体4内径的外径，并且被通道14轴向穿过，在通道14中轴向输送管15是可拆装设置的。所述输送管15优选轴向长度比所述冷凝单元7更长，因而可以从冷凝单元7的两端突出。

以完全示意的方式，冷凝单元7由固定在离底盘8预定距离的壳体4内壁上的环形支架16支撑着。

根据本发明，所述冷凝单元7包括以很多个同轴和同中心排规则分布的多个盘状热交换元件(或热交换器)17；每个热交换器17(图3)是具有基本上拉长的矩形结构的基本平坦的箱状，在矩形结构中强调了两条相对的长边17a、17a和两条相对的短边17b、17b。

在上述冷凝单元7中，热交换器17基本上放射状排列且具有平行于所述单元7的轴的长边17a(因此也平行于壳体4的轴)和放射状延伸的所述短边17b；它们也被安置形成多个放射状共平面的三个为一组的热交换器17。

明显地，根据不同技术应用的需要，三个交换器17的每一放射状组可以由一对共平面的盘状交换器代替，或由基本占据轴向输送管15和壳体4之间的全部(环形)距离的单一盘状交换器代替。

还更具体地(图3)，每个交换器17由一对并列放置的金属盘18、19组成，所述金属盘18、19通过周边焊接点以预定空间间隔关系彼此连接，以使在金属盘18、19之间限定室21，所述室21用来让工作热交换流体穿过。

每个交换器17装配在相对的连接器侧面22、23上，用于所述工作热交换流体分别进入和离开所述室21的进口和出口。

例如根据第一具体实施方案，盘18、19也通过多个规则分布的焊接点18a相互连接，以及优选五个一组排列，这使交换器17形成一基本“中间絮有软物的(quilted)”模样。焊接点18a的存在是这样的：根据迂回路径(winding paths)，工作热交换流体穿过交换器17，可以改善热交换效率。

交换器17的进口连接器22液压连接到支撑在平放在冷凝单元7的位置上的环形分配器管24，而且通过用于添加(或卸出)预定的热交换流体的输送管25与反应器1的外部依次流体连通。

相同的交换器17的这些出口连接器23液压连接到支撑在所述单元7下的环形分配器管26，而且通过用于卸出(或加入)工作热交换流体的输送管27和对应端口28与反应器1的外部依次流体连通。

在冷凝单元7的下面，环形管状气体分配器29以通常且未表示的方式支撑，通过输送管30和对应的端口30a与输送管2a流体连通，在所述输送管2a中，气体来自汽提器2。

在图4和5中，示出了可最优化热交换效率的交换器17的另一个变化的实施方案。

根据该变化，仍然包括一对只周边彼此焊接的并列的盘118、119(因此没有在如上参考图3描述的“中间絮有软物的”结构)的每个交换器117在内部分别相应于彼此相对的两个长边117a装备有用于收集所述热交换流体的分配器管31和输送管32。在一边上，输送管31和32与所述室121通过至少一个但优选多个开口或孔31a和32a流体连通，输送管31和32沿一个或更多个generatrices装备有开口或孔31a和32a。在另一边上，通过对应的用于所述工作流体的进口和出口的连接器33和34，输送管31和32与交换器117的外部流体连通。

金属盘118和119的牵拉(drawing)和周边焊接的同时，所述输送管31和32可以直接在交换器117的长边117a上形成，否则输送管31和32可以由与交换器的长边117a、117a一致并平行于长边的固定在所述室121中的各个管组成，所述金属盘118和119构成了交换器。在该情形下，所述管延伸到交换器117的外面，以形成采用上述对应的连接器33、34的单一部件。

根据上述变化的另外一个特性，用于进入和离开每个交换器117的进口和出口的连接器33和34都位于与交换器的相同短边117b一致的位置。

当适合形成具有图2描述安置的冷凝单元时，短边117b与对应的连接器33和34构成每个交换器117的上侧。

有益地，各自的冷凝单元的至少部分交换器117，根据图5示意解释的变化可以实现。

在该替代实施方案中，每个交换器117的内室细分成多个室121a，室121a没有彼此直接连接且例如通过金属盘118、119的相应的多个焊接线121b获得，焊接线121b平行于交换器117的短边117b延伸，换句话说，垂直于交换器的分配器和收集器输送管31，32延伸。所有具有相同宽度或根据需要具有不同宽度的所述室121a是内部装备有多个偏转板122，偏转板122平行于所述输送管31，32延伸并且在每个室121a中限定了基本盘绕的流体路径。

每个室121a与所述分配器输送管31通过至少一个室121a的开口31a流体连通，与所述收集器输送管32通过至少一个室121a的开口32a流体连通。

应该指出的是，为了改善对压降的控制，因此，在室121a内的工作流体的分布、分配器输送管31的开口31a都可以实行不同的宽度或直径，尤其在所述输送管31内的工作流体的流动方向的宽度增加。

在图6中，表示根据该发现的尿素合成反应器1的放大图，反应器1装备有冷凝单元107，完全相似于图2反应器的冷凝单元7，但根据下面描述的进一步改变的具体实施方案，反应器1包括热交换部件(或热交换器)123。

在该图中，结构和功能等同于参考图2反应器描述的内容的反应器1的细节使用相同标记的数字描述，而不再做进一步描述。

尤其地，根据该优选但非限制的具体实施方案，在图6示出，所述冷凝单元107包括以三个共轴和同中心排规则分布的多个热交换器123；每个热交换器123具有基本平坦的箱状外形结构并具有基本拉长的矩形结构。根据图6的安置方式，在冷凝单元107中，所有的热交换器123被安置有平行于壳体4的轴的长边123a和相对于它放射状延伸的短边123b，123c。

还更准确地，交换器123是图3表示的类型，即包括一对并列金属盘，金属盘以预定距离关系通过周边焊接相互连接，以便在金属盘之间限定室125，室125将被工作热交换流体穿过。

根据本发明的一个特性，在每个交换器123内，提供分离挡板124，所述分离挡板124从交换器123的短边123c延伸，并具有比长边123a短的、以与这些长边123a相同的方向延伸的预定长度。

优选分离挡板124通过两个盘的相互焊接而获得，相对于所述分离挡板124，所述两个盘以预定的间隔关系形成所述交换器123，从交换器短边123c之一的一个中点位置朝相对的短边123b延伸。

由于所述分离挡板124的参与，每个交换器123的上述室125被细分成两个相邻部分125a、125b，仅在靠近短边123b、相对的短边123c的地方这两个相邻部分125a、125b才相互连通，所述档板124自身从其延伸出来。

根据本发明的另一特性，每个交换器的内室125的两个边125a和125b的每一个都通过在所述交换器123中提供的各管状连接器126、127与外面连接，并与交换器的所述短边一致，所述分离挡板124从所述边125a和125b突出。

从说明书的剩余部分将更好地看到，在每个交换器123中，室125的上述的边125a、125b分别构成为预定热交换流体的基本U形路径的下降部分和上升部分。

当适合形成所述热交换单元107时，在上述的安置中(图6)，交换器123具有竖直长边123a和在壳体4中放射状延伸的水平短边123b、123c；特别地，连接各个连接器126和127的边123c构成每个交换器123的上边，而边123b构成与通过上述的支架16被支撑在壳体4内的所述交换器一致的下边。

对于三个放射状排列的交换器123的每一组，设有用于加料-分配工作热交换流体的输送管128以及用于收集和排出所述流体的收集器输送管129。输送管128通过输送管128a连接所述交换器123的管状连接器126，而输送管129通过输送管129a连接所述交换器123的管状连接器127。

加料输送管128穿过壳体4，在壳体4外面与所述工作流体(例如由沸水组成)的未表示出的来源连接。

收集器输送管129以与加料输送管128的相同方式，通过壳体4进行与反应器1外面的不同应用的连接。

输送管128和129穿过壳体4的接合分别使用合适的连接器130和131而实现，所述连接器130和131以与各个交换器123的上侧123c的高度接近或一致的高度设置在壳体中。

采用上述的安置，可以获得另一个重要的优点。实际上，交换器123可以在交换器和反应器1的其它部件(尤其是壳体4)之间不存在障碍的空间自由地向上扩展。

这样，由于交换器和壳体的不同的热膨胀，可以避免机械类型的可能缺陷。当在交换器中使用不同于交换器外流动的流体的工作流体时，这些缺陷通常突然发生。

图7中表示了交换器123的一种改变的具体实施方案，当使用的工作热交换流体为水时，特别推荐这种方案，但不排除别的变化方案。根据该变化方案，在室125内分离挡板124在与交换器123的所述侧123c形成角的方向上延伸(即在相对于交换器自身的长边的倾斜方向上)，以至在所述室125中限定一个U形流通路径，该路径具有下降部分和上升部分，所述下降部分和上升部分具有逐步生成的横断面。

有益地，交换器17、117和123都具有横向尺寸，这样交换器可以容易地通过反应器1装备的检修孔13。

通过本发明获得的优点可以总结如下：

—可以实现比迄今为止的设备具有更高生产能力的尿素生产设备，这是由于下述事实：来自该观点的最重要的仪器之一，冷凝器不再具有由管状盘的使用而构成的“障碍”；

—不再存在在管束的每个管中分配尿素-氨基甲酸盐溶液的问题，也不再有确保每个管被管外的流体充分加热或冷却的问题；

—由于交换器和壳体的不同的热膨胀，能够避免机械类型的可能缺陷；

—能够容易且迅速地确定和更换损坏的盘或交换器组；

—由于交换器的尺寸：实际上，交换器很容易通过在所述壳体上通常设置的人孔，因而可以轻松快速地安装各壳体内的冷凝单元；

—相对于现有技术，本发明投资成本减少，实现简单；

这样构思的发明易于进行进一步的改变和变更，这些改变和变更都在本领域技术人员力所能及的范围内，并且正如下面权利要求所限定的那样同样落入本发明自身保护范围之内。

Claims (16)

1.用于从氨和二氧化碳生产尿素的设备，它具有包括合成反应器和位于所述反应器内的冷凝单元(7，107)的所谓高压部分，所有都基本在相同压力下进行操作，其特征在于所述冷凝单元(7，107)包括多个平坦盘状基本矩形的热交换器(17，117，123)，所述热交换器安排有平行于所述反应器(1)的轴的长边(17a，117a，123a)。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于每个所述交换器(17，117，123)包括一对并列的金属盘(18，19；118，119)且通过周边焊接而连接在一起，以在金属盘之间限定具有预定宽度的室(21，121，125)。

3.如权利要求2所述的设备，其特征在于所述盘(18，19)也通过在所述室(21)内限定多个迂回路径的多个焊接点(18a)连接在一起，所述迂回路径彼此流体连通并与分别用于热交换流体进入和流出各自的热交换器(17)的进口和出口连接器(22，23)流体连通，所述连接器(22，23)设置在所述交换器(17)的彼此相对的两侧上。

4.如权利要求3所述的设备，其特征在于所述焊接点(18a)以五个一组分布。

5.如权利要求3所述的设备，其特征在于所有交换器(17)的进口和出口连接器(22，23)都分别与各自的输送管(24，26)连接，所述输送管(24，26)用于分配和收集分别从所述交换器(17)进入和流出的热交换流体。

6.如权利要求2所述的设备，其特征在于每个所述交换器(117)包括工作热交换流体的至少一个分配器输送管(31)和至少一个收集器输送管(32)，所述至少一个分配器输送管(31)和至少一个收集器输送管(32)都与所述交换器(117)的各自的彼此相对的两边(117a)连接并延着它们延伸，所述输送管(31，32)在一边与所述室(121)通过至少一个在输送管(31，32)上形成的开口(31a，32a)流体连通，输送管(31，32)在另一边与所述交换器(117)的外面通过用于所述工作流体的进口和出口并位于所述交换器(117)的同一短边(117b)上的各自的连接器(33，34)流体连通。

7.如权利要求6所述的设备，其特征在于所述输送管(31，32)由位于所述室(121)并固定在所述交换器(117)的所述彼此相对的长边(117a)上的各个管子组成。

8.如权利要求7所述的设备，其特征在于所述输送管(31，32)在形成所述交换器时对应于所述长边(117a)直接形成。

9.如权利要求2所述的设备，其特征在于所述室(121)被细分成多个彼此不直接之间连通的室(121a)，每个细分的室与所述分配器输送管(31)和所述收集器输送管(32)通过在输送管(31，32)中形成的对应的开口(31a，32a)流体连通。

10.如权利要求9所述的设备，其特征在于所述室(121a)是通过所述金属盘的焊接线(121b)竖直延伸到所述输送管(31，32)而获得的。

11.如权利要求10所述的设备，其特征在于每个所述室(121a)都在内部装备有多个平行于所述输送管(31，32)延伸并限定用于所述工作流体的基本迂回的路径的偏转板(122)。

12.如权利要求1和权利要求2～11中任一所述的设备，其特征在于所述冷凝单元具有被具有预定直径的通道(14)轴向交叉的基本环形的圆柱结构，在该圆柱结构中所述多个热交换器(17，117，123)以基本放射状排列分布在很多个共轴和同中心排中。

13.如权利要求2所述的设备，其特征在于所述交换器(123)的至少一个内部装备有分离挡板(124)，该挡板从所述交换器(123)的一侧(123c)延伸向与它相对的侧(123b)，而且所述挡板(124)与其成预定距离关系，在所述室(125)中所述挡板(124)限定了一个基本U形的流体路径，U形的流体路径具有分别与交换器外部通过对应的连接器(126，127)连通的下降和上升部分(125a，125b)。

14.如权利要求13的热交换单元，其特征在于所述分离挡板(124)在所述室(125)内以与所述侧(123c)形成角度的方向延伸，为此原因，在交换器(123)内的所述流体路径的部分(125a，125b)具有逐渐增加的横截面。

15.如前面的任一权利要求所述的设备，其特征在于所述交换器(17，117，123)具有小于对应于所述反应器的底盘安置的检修孔开口的横截面的预定横截面。

16.冷凝器，尤其是用于从氨和二氧化碳生产尿素的设备的所谓高压部分，它包括含有多个平坦盘状的基本矩形的热交换器(17，117，123)的冷凝单元(7，107)，热交换器安置有平行于所述冷凝器的轴的长边(17a，117a，123a)。

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