CN216778831U - 一种填料式的尿素催化水解装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种填料式的尿素催化水解装置，结构简单，有效提高了尿素水解的催化效果，提高水解反应速率，同时解决了高浓度尿素釜体高压水解过程中不溶固体物质的沉积堵塞问题，提升热交换效率。一种填料式的尿素催化水解装置，包括水解反应釜，水解反应釜的顶部设有气体出口，水解反应釜通过在底部设置的隔板将水解反应釜的内部分为换热区域和填料区域，隔板的顶端设有溢流堰口；换热区域内设有换热器，换热区域的底部设有尿素溶液入口；填料区域内自底部至隔板的顶端依次设置有气体分布器、支撑格栅和液体分布器，支撑格栅、液体分布器、隔板和水解反应釜的侧壁共同包围形成填料层，用于放置填料，填料区域的底部设有气体入口和循环液出口。
Description
技术领域
本实用新型涉及火电厂烟气脱硝技术领域，具体为一种填料式的尿素催化水解装置。
背景技术
火电厂烟气脱硝技术中选择性催化还原技术，其还原剂氨的制备通常采用液氨、氨水和尿素三种来源。近年来，由于对安全因素和潜在危险的重视，尿素水解制氨技术市场需求空间变大。其中，尿素水解技术已成熟应用于化工行业中尿素合成的废液回收工艺，主要原理是利用一定浓度的尿素水溶液，在一定的压力和温度下发生水解反应，最终产生氨气。尿素水解技术应用于烟气脱硝制备氨气的领域，具有尿素转化率高、工艺简单、能耗较低等优点。但往往由于尿素水解反应速率较慢，不能很好满足变负荷工况对响应时间的要求，除了及时的调整工艺参数，尿素催化水解技术是一条有效促进尿素分解率的途径。
传统的尿素催化水解装置，通常是在带有搅拌的内外双层反应釜中进行，在添加的催化剂的作用下，通过尿素溶液的液面发生传质扩散，在一定的压力和温度下，使气相产物从釜顶部出口送出。也有采用复合催化剂，通过在线补给的方式送至尿素溶液里，利用催化剂涂层的方式，进行尿素催化水解反应。尿素催化水解制氨，不仅可以有效地减少蒸汽耗量，降低操作温度和压力，同时也使尿素水解所需的活化能降低，从而降低了系统的运行成本。
现有的尿素催化水解装置存在的问题有，传统尿素水解反应均在较高的反应温度下，特别是燃煤电厂脱硝用的尿素水解通常采用较高浓度的尿素溶液，在固定体积的反应器内，不能够保证有足够长的反应时间，且不能及时取走水解生成的NH3和CO2，尿素溶液中存在的游离的NH3对水解反应有抑制作用，游离的NH3的量增加，使得尿素水解率降低，这就造成了反应器内的高浓度尿素溶液并不能及时的完全水解。并且，低温尿素溶解液需要的热量和系统中高温的物料没有进行高效的热交换，不仅增加了能耗也使得运行成本增加。
实用新型内容
为了解决现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种填料式的尿素催化水解装置，结构简单，有效提高了尿素水解的催化效果，提高水解反应速率，同时解决了高浓度尿素釜体高压水解过程中不溶固体物质的沉积堵塞问题，提升热交换效率。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
一种填料式的尿素催化水解装置，包括水解反应釜，水解反应釜的顶部设有气体出口，水解反应釜通过在底部设置的隔板将水解反应釜的内部分为换热区域和填料区域，隔板的顶端设有溢流堰口；
换热区域内设有换热器，换热区域的底部设有尿素溶液入口；
填料区域内自底部至隔板的顶端依次设置有气体分布器、支撑格栅和液体分布器，支撑格栅、液体分布器、隔板和水解反应釜的侧壁共同包围形成填料层，用于放置填料，填料区域的底部设有气体入口和循环液出口。
优选地，所述填料区域的底部还设有排污口，排污口出口处设有过滤网。
优选地，所述填料层的填料采用波纹板、拉西环或者鲍尔环的一种。
优选地，所述液体分布器的长度大于气体分布器的长度。
优选地，所述水解反应釜换热区域的一侧设置有呈倾斜角度的突出段。
优选地，所述水解反应釜采用卧式反应釜。
优选地，所述换热器采用列管式换热器。
优选地，所述支撑格栅呈倾斜角度设置。
优选地，所述循环液出口通过管路与尿素溶液入口连接，水解反应釜顶部的气体出口通过管路与底部的气体入口连接。
优选地，所述水解反应釜顶部的气体出口处还设有除雾器。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
本实用新型提供一种填料式的尿素催化水解装置，通过采用填料的方式，在水解反应釜内部设置有填料区域，气体通过填料区域底部设置的气体入口通入，尿素溶液自尿素溶液入口流入，经过换热器提供一定热量后顺着隔板顶端的溢流堰口流入装有填料的填料区域，尿素溶液沿着填料表面结构，自上向下流动，形成液膜，分散在通入的连续流动的气体中，尿素溶液和水解产物气体在填料层内汇合，气液两相接触面在填料的液膜表面，高比表面积的填料结构使气液两相充分接触，不仅增加了两相流体间的面积，也增强了尿素水解气液两相之间的热传质，促进了气相的分离和液相的水解率，有效提高了尿素水解的催化效果，达到提高水解反应速率的目的。
进一步地，所述填料区域的底部还设有排污口，排污口出口处设有过滤网，为检修时排出釜内溶液用，所述支撑格栅呈倾斜角度设置，形成斜坡，本实用新型需要处理的填料通过过滤网拦截后进行排污，当需要清洗或者再生催化剂的时候，抽掉过滤网，填料沿着支撑格栅形成的斜坡从排污口排出，送去填料清洗、催化剂再生、催化剂涂覆环节，填料的不定期清洗可以带出高温高浓度尿素水解中副产物，如缩二脲进行清洗去除，一定程度上解决了高浓度尿素高压水解过程中不溶固体物质的沉积堵塞等问题。
附图说明
图1为本实用新型填料式的尿素催化水解装置结构示意图；
图2为本实用新型实施例中拉西环填料的结构示意图；
图3为本实用新型实施例中鲍尔环填料的结构示意图；
图4为本实用新型实施例中鲍尔环填料的结构俯视图。
图中，换热器入口1，换热器出口2，加热管束3，尿素溶液入口4，水解反应釜5，隔板6，溢流堰口7，液体分布器8，填料层9，气体分布器10，气体入口11，循环液出口12，过滤网13，反应釜液位计14，安全阀15，除雾器16，排污口17，支撑格栅18，气体出口19。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型一种填料式的尿素催化水解装置，包括水解反应釜5，水解反应釜5的顶部设有气体出口19，水解反应釜5通过在底部设置的隔板6将水解反应釜5的内部分为换热区域和填料区域，隔板6的顶端设有溢流堰口7；
换热区域内设有换热器，换热区域的底部设有尿素溶液入口4；
填料区域内自底部至隔板6的顶端依次设置有气体分布器10、支撑格栅18和液体分布器8，支撑格栅18、液体分布器8、隔板6和水解反应釜5的侧壁共同包围形成填料层9，用于放置高比表面积结构的填料，填料区域的底部设有气体入口11和循环液出口12。
其中，填料区域的支撑格栅18设置在气体分布器10之上，起到填料支撑板的作用，填料以堆放的方式置于支撑格栅18之上，液体分布器8较长，起到填料压板的作用，避免填料随着流体进入隔板6的另一侧。
本实用新型提供一种填料式的尿素催化水解装置，通过采用填料的方式，在水解反应釜5内部设置有填料区域，气体通过填料区域底部设置的气体入口11通入，尿素溶液自尿素溶液入口4流入，经过换热器提供一定热量后顺着隔板6顶端的溢流堰口7流入装有填料的填料区域，尿素溶液沿着填料表面结构，自上向下流动，形成液膜，分散在通入的连续流动的气体中，尿素溶液和水解产物气体在填料层9内汇合，气液两相接触面在填料的液膜表面，高比表面积的填料结构使气液两相充分接触，不仅增加了两相流体间的面积，也增强了尿素水解气液两相之间的热传质，促进了气相的分离和液相的水解率，有效提高了尿素水解的催化效果，达到提高水解反应速率的目的。
进一步地，所述填料区域的底部还设有排污口17，排污口17出口处设有过滤网13，为检修时排出釜内溶液用，所述支撑格栅18呈倾斜角度设置，形成斜坡，本实用新型需要处理的填料通过过滤网13拦截后进行排污，当需要清洗或者再生催化剂的时候，抽掉过滤网13，填料沿着支撑格栅18形成的斜坡从排污口17排出，送去填料清洗、催化剂再生、催化剂涂覆环节，填料的不定期清洗可以带出高温高浓度尿素水解中副产物进行清洗去除，一定程度上解决了高浓度尿素高压水解过程中不溶固体物质的沉积堵塞等问题。
本实用新型的装置在装载填料前，需要对填料进行催化剂负载处理，将复合催化剂通过多个步骤负载在填料表面，填料可以通过在浸渍法负载液体催化剂和表面喷涂催化剂涂层的方式进行处理，例如采用浸渍法先负载碱液在填料表面，再将金属氧化物粉末喷涂在干燥的碱液催化剂表面，但不限于此。
本实用新型的装置装载填料时，利用风送方式吹入一定体积的填料，或者随着水的混合物输送到填料层9，待水与填料的混合物达到液体分布器8的液面后，静止一段时间直至填料沉降堆积在填料层9，在排污口17加上过滤网13装置，排出输入的清水，正常运行水解反应釜5，本实用新型堆放填料的方式，使催化剂随着填料的取出和补充变得更加方便。
优选地，所述填料层9的填料采用波纹板、拉西环或者鲍尔环的一种，本实用新型采用的填料为较高比表面积的材料，如波纹板，考虑到拆卸和清洗的简便性，可使用陶瓷材料的拉西环或者改进后的鲍尔环，其中，常用规格为25-75mm直径，壁厚2.5-9.5mm，考虑水解反应釜5底部的排污直径大小，尽量选择小规格的填料结构，方便排出。
其中，拉西环的结构简单造价较低，且高度与直径几乎相等，靠重力作用随着流体流动的方式简单易行。
进一步地，所述液体分布器8的长度大于气体分布器10的长度。
本实施例中，所述水解反应釜5采用卧式反应釜，所述水解反应釜5换热区域的一侧设置有呈倾斜角度的突出段，倾斜的突出段能够增加气相产物上升路径，增加气液分离的效率。
本实施例中，所述换热器采用列管式换热器，具体由一组盘管构成，盘管的一端深入水解反应釜5的釜体，盘管内部介质采用循环水蒸气，饱和蒸汽从换热器入口1进入，为尿素水解反应提供热量，低温疏水从换热器出口2送出，检修时只需更换换热器盘管，方便快速，省时省力。
进一步地，所述循环液出口12通过管路与尿素溶液入口4连接，水解反应釜5顶部的气体出口19通过管路与底部的气体入口11连接。本实用新型中水解反应后的气相产物经水解反应釜5顶部的气体出口19送出，可取一部分作为循环的气体送入水解反应釜5底部的气体入口11，经过气体分布器10，自下而上进入填料层9，为填料层9的气液相接触提供气体，做循环使用，提高可循环利用率；水解反应釜5底部设置有循环液出口12，部分尿素溶液可作为回料送至尿素原料入口混合后循环使用，降低成本，提高经济性。
具体地，如图1所示，本实用新型提供一种填料式的尿素催化水解装置，经饱换热器入口1通入饱和蒸汽至换热器的加热管束3中，为水解反应釜5内的尿素溶液提供水解反应的热量后，饱和蒸汽形成的高温疏水经换热器出口2送出。
水解反应釜5上设置有反应釜液位计14和安全阀15，经尿素溶液入口4送入水解反应釜5的尿素溶液，在尿素溶液入口4端的隔板6区域内，即换热区域内与加热管束3的盘管换热后，继续累积达到一定的液面高度，直至经过溢流堰口7进入排污口17端的隔板6区域内，即填料区域，先经过溢流堰口7下方布置的液体分布器8，自上而下经过液体分布器8下方布置的填料层9；水解反应后的气相产物从水解反应釜5顶部经除雾器16和气体出口19送出，可取一部分作为循环的气体送入水解反应釜5底部的气体入口11，经过气体分布器1010，自下而上进入填料装置。
尿素溶液和水解产物气体在填料层9汇合，高比表面积的填料结构使气液两相充分接触，进行传热传质，促进了气相的分离和液相的水解率；填料区域底部设置了气体入口11、循环液出口12和排污口17；经过填料层9的传质传热后，高温的尿素混合溶液经过循环液出口12，与新鲜的原料液混合重新送入尿素催化水解反应装置内继续下一次的催化水解反应。
水解反应釜5底部设置的排污口17，可以根据工况实时排污。
需要处理的填料沿着一定斜度的支撑格栅18从排污口17排出，当需要清洗和再生催化剂的时候，抽掉过滤网13，填料，送去填料清洗、催化剂再生、催化剂涂覆环节。通过浸渍法负载液体催化剂和表面喷涂催化剂涂层的方法，进行填料的催化剂负载处理，或采用浸渍法先负载碱液在填料表面，再将金属氧化物粉末喷涂在干燥的碱液催化剂表面。填料取出后，如有一定杂质的堵塞，可用一定温度的稀盐酸浸泡，直至清洗后溶液透明无杂质；再经过蒸馏水清洗多次后，重复步骤进行催化剂的负载，备用。
装载填料需要利用风送方式吹入一定体积的填料，或者随着水的混合物输送到填料层9，待水与填料的混合物达到液体分布器8的液面后，静止大约15min使填料沉降堆积在填料层9，在排污口17通过过滤网13，排出输入的清水，正常运行尿素催化水解反应装置。
本实用新型实施例中，尿素溶液在操作温度约150℃和操作压力0.6MPa的条件下，在浸渍液体催化剂和固体催化剂涂层的填料表面，发生尿素催化水解反应，经过填料表面增强的气液传质，产生氨气混合气。
本实用新型中填料选择比表面积较高、高径比为1、结构简单、造价较低的材料，如图2所示的拉西环，或者采用内部改进后的鲍尔环，如图3和4所示，拉西环常用规格为直径25-75mm，壁厚2.5-9.5mm，具体尺寸需要考虑水解反应釜5底部排污口17的直径大小，以便排出。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种填料式的尿素催化水解装置，其特征在于，包括水解反应釜(5)，水解反应釜(5)的顶部设有气体出口(19)，水解反应釜(5)通过在底部设置的隔板(6)将水解反应釜(5)的内部分为换热区域和填料区域，隔板(6)的顶端设有溢流堰口(7)；
换热区域内设有换热器，换热区域的底部设有尿素溶液入口(4)；
填料区域内自底部至隔板(6)的顶端依次设置有气体分布器(10)、支撑格栅(18)和液体分布器(8)，支撑格栅(18)、液体分布器(8)、隔板(6)和水解反应釜(5)的侧壁共同包围形成填料层(9)，用于放置填料，填料区域的底部设有气体入口(11)和循环液出口(12)。
2.根据权利要求1所述的一种填料式的尿素催化水解装置，其特征在于，所述填料区域的底部还设有排污口(17)，排污口(17)出口处设有过滤网(13)。
3.根据权利要求1所述的一种填料式的尿素催化水解装置，其特征在于，所述填料层(9)的填料采用波纹板、拉西环或者鲍尔环的一种。
4.根据权利要求1所述的一种填料式的尿素催化水解装置，其特征在于，所述液体分布器(8)的长度大于气体分布器(10)的长度。
5.根据权利要求1所述的一种填料式的尿素催化水解装置，其特征在于，所述水解反应釜(5)换热区域的一侧设置有呈倾斜角度的突出段。
6.根据权利要求1所述的一种填料式的尿素催化水解装置，其特征在于，所述水解反应釜(5)采用卧式反应釜。
7.根据权利要求1所述的一种填料式的尿素催化水解装置，其特征在于，所述换热器采用列管式换热器。
8.根据权利要求1所述的一种填料式的尿素催化水解装置，其特征在于，所述支撑格栅(18)呈倾斜角度设置。
9.根据权利要求1所述的一种填料式的尿素催化水解装置，其特征在于，所述循环液出口(12)通过管路与尿素溶液入口(4)连接，水解反应釜(5)顶部的气体出口(19)通过管路与底部的气体入口(11)连接。
10.根据权利要求1所述的一种填料式的尿素催化水解装置，其特征在于，所述水解反应釜(5)顶部的气体出口(19)处还设有除雾器(16)。
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