Трубчастий реактор (варіанти) та установка для виробництва сечовинного сульфату амонію

1. Трубчастий реактор, зокрема, для виробництва сечовинного сульфату амонію, який включає в себе трубчастий корпус (14) і головну частину (1) реактора, причому головна частина реактора має пристрій (3, 3А) аксіального введення кислоти, пристрій (2, 2А) введення аміаку, пристрій (7) введення сечовини і реакційну камеру (зона 3А, 2А), в якій інтенсифіковані реакції кислоти з аміаком перед контактом із сечовиною. 2. Трубчастий реактор, який включає в себе трубчастий корпус (14) і головну частину (1) реактора, причому головна частина реактора має пристрій (3, 3А) аксіального введення кислоти, пристрій (2, 2А) введення основи, пристрій (7) введення компонента, чутливого до нагрівання і/або кислоти, і реакційну камеру (зона 3А, 2А), в якій інтенсифіковані реакції кислоти з основою перед їх контактом з чутливим компонентом. 3. Трубчастий реактор за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що містить попередній реактор для попередньої нейтралізації кислоти, розташований вище за потоком перед головною частиною реактора. 4. Трубчастий реактор за п. 1 або 2, 3, який відрізняється тим, що попередній реактор являє собою трубчастий реактор або нейтралізатор резервуарного типу. 5. Трубчастий реактор за п. 1 або 2, 3, 4, який відрізняється тим, що попередній реактор є частиною основного трубчастого реактора, і пристрій введення аміаку або іншої основи має вхідний отвір (9). 2 (19) 1 3 86520 4 15. Установка за пп. 11, 14, яка відрізняється 17. Установка за п. 11, яка відрізняється тим, що тим, що конструкція скрубера передбачає провеза сепаратором розташований випаровувальний дення двох окремих стадій обробки (S1, S2). резервуар. 16. Установка за пп. 11, 14, 15, яка відрізняється 18. Установка за п. 11, яка відрізняється тим, що тим, що скрубер має пристрій (11) рециркуляції виробництво сечовинного сульфату амонію є запромивального розчину у вхідний отвір (7) сечовиключним процесом в роботі установки з виробницни і/або в пристрій (3) введення кислоти. тва сечовини. Даний винахід стосується конструкції селективного трубчастого реактора та установки для виробництва різних сумішей, які дозволяють вирішувати загальну задачу здійснення переважної реакції кислоти та основи в потоці компонента або суміші компонентів, чутливих до нагрівання і/або впливу кислоти, без їх розкладу або з переважним розкладом одного з компонентів. Більш конкретно, розглядається реактор, що використовується для виробництва сечовинного сульфату амонію (ССА). Трубчасті реактори, передбачені для виробництва амонієвих солей, описані, наприклад, в документах US 2 568 901, US 2 755 176 та US 5 904 906. Ці реактори дозволяють здійснювати реакції між кислотою та основою, але не можуть використовуватися для проведення реакцій з введенням третього компонента. В цей час комерційне виробництво сечовинного сульфату амонію (ССА) здійснюється шляхом фізичного змішування двох сполук за допомогою введення порошкоподібного твердого сульфату амонію в розплавлену сечовину на етапі гранулювання, наприклад, із застосуванням барабанів або чанів, як описано в документі US 3 785 796. Цей спосіб можна назвати «твердим способом». Такий спосіб є достатньо простим. Проте, він має ряд серйозних недоліків як з економічної точки зору, так і з точки зору ефективності процесу. В документі US 3 928 015 описана двохетапна реакція синтезу сульфату амонію (СА) в розчині сечовини. Розчин бісульфату та аміак реагують в розчині сечовини з утворенням по суті безводного СА в суміші з розплавленою сечовиною; цей процес здійснюється в простому та недорогому реакторі резервуарного або трубчастого типу. Бісульфат відповідає продукту, одержаному в результаті реакції одного моля сірчаної кислоти з одним молем аміаку, тоді як сульфат амонію відповідає продукту, одержаному в реакції одного моля сірчаної кислоти з двома молями аміаку. Перша амонізація сірчаної кислоти (результатом якої є бісульфат) більш екзотермічна у порівнянні з другою. З іншого боку, одержання СА в розчині сечовини in situ (на місці) достатньо важке, оскільки кислота швидко реагує з сечовиною, що призводить до втрат сечовини. Якщо втрати надто високі, вказана обставина значно обмежує переваги будьякого рідкого способу у порівнянні з твердим способом виробництва ССА. Бісульфат менш агресивний по відношенню до сечовини, ніж сірчана кислота. Згідно з документом US 3 928 015, з метою мінімізації розкладу сечовини бісульфат синтезується окремо. При цьому має місце неповне вико ристання теплоти, що виділяється при першій амонізації. Задача, на вирішення якої спрямований даний винахід, полягає у створенніконструкції реактора, призначеного для здійснення реакції між кислотою та основою в потоці компонента, чутливого до нагрівання і/або впливу кислоти, без його розкладу. Інша задача полягає у створенні реактора, призначеного для виробництва ССА. Ще одна задача полягає у створенні установки, особливо для виробництва ССА. Відповідно до винаходу вирішення перелічених та інших задач досягається завдяки створенню реактора, описаного далі; винахід докладно визначений та охарактеризований в прикладеній формулі винаходу. Короткий опис фігур креслень Винахід додатково проілюстрований з посиланнями на фігури, де: на Фіг.1 зображений трубчастий реактор з попереднім реактором, змішувачем та скруберами; на Фіг.2 зображений стандартний реактор з перехрестям труб. Здійснення винаходу Таким чином, даний винахід стосується трубчастого реактора, зокрема, для виробництва ССА, який містить трубчастий корпус і головну частину реактора, причому головна частина реактора включає в себе пристрій аксіального введення кислоти і пристрій введення аміаку. Аміак може знаходитися у вільному і/або зв'язаному вигляді і/або в складі суміші Крім того, є пристрій введення сечовини і реакційна камера, в якій інтенсифіковані реакції кислоти з аміаком перед контактом з сечовиною. Трубчастий реактор може також використовуватися для проведення реакції іншої кислоти та іншої основи з компонентом, чутливим до нагрівання і/або впливу кислоти, який відрізняється від сечовини. Переважно вище за потоком, перед головною частиною реактора розташований попередній реактор для попередньої нейтралізації кислоти. Попередній реактор може являти собою трубчастий реактор або нейтралізатор резервуарного типу. Переважно попередній реактор є частиною основного трубчастого реактора і має вхідний отвір для аміаку або іншої основи. Аміак може знаходитися у вільному і/або зв'язаному вигляді і/або в складі суміші. Вище за потоком, перед головною частиною реактора може також розташовуватися змішувач для розрідження кислоти. Головна частина реактора переважно має звуження у її вихідного торця. Пристрій введення аміаку або іншої основи має вхідний отвір, який сполучається з кільцевою 5 86520 6 камерою, яка оточує пристрій введення кислоти. Особливий інтерес становить одержання CCA Вхідний отвір переважно розташований тангенціаin situ як заключний процес роботи установки з льно. Кільцева камера у вихідного торця має форвиробництва сечовини. му конуса або відкритий кінець. Пристрій введення Компоненти та реагенти вводять в трубчастий сечовини або іншого чутливого компонента має реактор. Потік, що виходить з реактора, подають в вхідний отвір і кільцеву камеру, яка оточує присепаратор для відділення пари, одержаної із сустрій введення (інжектор) аміаку або іншої основи. спензії ССА. Швидке випаровування рідкого розВинахід також стосується установки для вирочину може здійснюватися відразу або згодом у бництва сечовинного сульфату амонію, яка місвакуумі для одержання необхідного вмісту води, тить трубчастий реактор, який складається з трубпотрібного для наступного процесу гранулювання, частого корпуса і головної частини реактора, при цьому пара поглинається кислотою до, наприпричому головна частина реактора включає в себе клад, конденсації. пристрій аксіального введення кислоти, пристрій Промивальний розчин з парового скрубера і введення аміаку, пристрій введення сечовини і промивальний розчин із секції гранулювання ререакційну камеру, в якій може проходити реакція циркулюють у вхідний отвір реакційної секції або кислоти та аміаку перед введенням їх в контакт із використовуються в інших цілях за межами устасечовиною, сепаратор для відділення пари, яка новки (batteries limit, BL) (тобто поза процесом, що утворюється із суспензії ССА, і пристрій прийому розглядається). цієї пари. Аміак може знаходитися у вільному і/або В трубчастому реакторі повинні бути присутнізв'язаному стані і/або в складі суміші. ми чотири компоненти: сірчана кислота (вільна Перед головною частиною реактора переважабо попередньо нейтралізована у вигляді бісульно розташований попередній реактор, який має фату амонію), аміак (вільний або зв'язаний у випристрій введення аміаку, пристрій введення кисгляді карбамату), сечовина і вода (BL і/або промилоти і реакційну камеру. Вище за потоком перед вальний розчин, в доповнення до води, яка головною частиною реактора може бути розміщеміститься у вихідних речовинах, кислоті, аміаку, ний змішувач для розрідження кислоти. Пристрій сечовині). прийому пари переважно являє собою скрубер, Сірчана кислота реагує з аміаком і утворює СА який може мати двоступінчасту конструкцію. Скрув розчині сечовини, при цьому теплота, яка видібер переважно має пристрій рециркуляції промилилася при синтезі, випаровує воду з одержанням вального розчину у вхідний отвір 7 сечовини і/або пари. в пристрій введення (інжектор) кислоти. За сепаДеяка частка сечовини розкладається внасліратором може розташовуватися випаровувальний док нагрівання і присутності кислоти і або полімерезервуар. Виробництво сечовинного сульфату ризується в карбамілсечовину та інші речовини, амонію переважно є заключним процесом в роботі або гідролізується у вуглекислий газ та аміак. Таустановки з виробництва сечовини. кий аміак нейтралізується сірчаною кислотою, і, як Нижченаведений опис оснований на виробнинаслідок, враховується в масовому балансі для цтві сечовинного сульфату амонію (ССА), тобто одержання правильного підсумкового співвідносуміші сечовини та сульфату амонію. Сечовина шення N-NH3 до N-сечовини в кінцевому продукті. чутлива до нагрівання і до впливу сірчаної кислоВода додається в реактор для зрівноважуванти. Сульфат амонію утворюється в розчині сечоня балансу теплоти і води залежно від кількості вини в результаті реакції сірчаної кислоти з аміаСА, що синтезується, концентрації розчину сечоком при максимально можливому захисті вини, що подається в трубчастий реактор, бажаносечовинного компонента від сильного руйнування. го кінцевого вмісту води та кількості промивальноОднак ті самі принципи та еквівалентні концего розчину, що підлягає рециркуляції. пції можуть використовуватися стосовно інших Продукт з трубчастого реактора направляєтьсумішей, в будь-яких випадках, коли використовуся в резервуар сепаратора для відділення техноється такий синтез in situ, який становить великий логічної пари від розчину ССА. інтерес у порівнянні з окремим синтезом і наступДля обмеження високої температури, що стиною стадією простого змішування. мулює небажаний розклад сечовини, а також для Синтез in situ має ряд переваг. Трубчастим досягнення потрібного вмісту води в розчині, який, реактором достатньо просто керувати, а також наприклад, розпилюється в гранулятор з псевдозапускати його і завершувати його роботу. Теплорозрідженим шаром (звичайно -2-5% води), розчин та, що виділяється при синтезі сульфату амонію ССА переважно швидко випаровують у вакуумі. (СА), дозволяє використовувати випаровування Таке випаровування може здійснюватися безводи з розчину сечовини, що дає можливість випосередньо в сепараторі трубчастого реактора ключити стадію випаровування, а також витрату або у другій місткості, так званому випаровувальречовини (зокрема, пари). Синтез in situ дозволяє ному резервуарі. Використання такого випаровуодержувати дуже дрібні кристали СА, особливо вального резервуара дозволяє запобігти ускладпридатні для наступного процесу гранулювання, і ненню вакуумної системи (необхідному для одержувати більш гомогенний продукт у порівнянні витягування конденсату і компонентів, що не конз продуктом, одержаним твердим способом. Наденсуються), але потребує дублювання скрубера решті, застосування синтезу ССА in situ на устанотехнологічної пари і системи конденсації, у випадвці з повною або частковою рециркуляцією сечоку, якщо пара від сепаратора повинна конденсувавини дозволяє значно підвищити ефективність тися Тому таку конфігурацію сепаратора у поєдвикористання сечовини. нанні з випаровувальним резервуаром потрібно Опис способу одержання ССА in situ вивчати в кожному випадку; проте, її вкрай бажано 7 86520 8 застосовувати при використанні установки високої генціальним для розпилення кислоти з метою попродуктивності і споживанні відхідного газоподібкращення її розпилення і підвищення початкової ного аміаку установкою з виробництва сечовини за турбулентності. наявності великої кількості компонентів (таких як Для обмеження втрат сечовини необхідно по СОг, що виділяється при розкладі карбамату), що можливості зм'якшувати кислоту за рахунок забезне конденсуються. печення більш повного контакту між кислотою та Пара, що утворилася в реакторі та відділилася аміаком без контакту із сечовиною, якщо можливо, в сепараторі, містить головним чином власне пару, попередньо нейтралізувати кислоту перетворенале також включає деяку кількість аміаку, що не ням її в бісульфат амонію, який набагато менш прореагував, вуглекислого газу, повітря і краплі агресивний для сечовини, і зберігати можливо розчину ССА. більш низку температуру, тобто забезпечувати Залежно від якості компонентів, що вводять, мале падіння тиску на стільки, наскільки це можможуть бути присутніми незначні частки різних ливо, при підтримці високого ступеня турбуленткомпонентів (NOx, SOx...), що не конденсуються, ності. які не утворюються в реакторі в суттєвих кількосДля того, щоб бути ефективним, трубчастий тях. реактор оптимальної конструкції потребує високої Скрубер являє собою вологий скрубер. Краплі турбулентності, і, отже, зниження тиску. Якщо реарозчину захоплюються промивальним розчином. ктор завантажений не повністю (тобто в ньому має Скрубер частково підкислюється сірчаною кисломісце низький потік на кожній ділянці реактора), тою для паралельного захоплення аміаку. його ефективність швидко падає. У випадку ССА Конструкція скрубера переважно передбачає це означає більш високі втрати сечовини та аміапроведення двох окремих стадій обробки: на перку, які попадають в скрубер. шій стадії відбувається захоплення крапель сечоНавпаки, якщо ємність нормально завантажевини достатньо нейтральним промивальним розного (див. вище) реактора дещо підвищити, то чином, на другій стадії відбувається захоплення його ефективність зросте і зниження тиску також аміаку кислотою. Така реалізація дозволяє запобізбільшиться. Однак це спричинить зростання темгти підвищеному розкладу сечовини за рахунок ператури в реакторі, що може призводити до руйсильного підкислення сечовини, яка містить пронування матеріалу реактора, а також деяких коммивальний розчин. понентів, наприклад, сечовини, у випадку Якщо скрубер має вказану двоступінчасту одержання CCA in situ. конструкцію, промивальний розчин для другої стаТаким чином, трубчастий реактор має ідеальдії переважно систематично рециркулюють на ліну конструкцію для заданого діапазону завантанію сірчаної кислоти, яка живить реактор, оскільки ження, переважно від 80% до 110%. сечовина в цьому розчині майже відсутня. СечоТрубчастий реактор для виробництва ССА вина, яка містить промивальний розчин після первключає в себе декілька компонентів, які залежать шої стадії, переважно не рециркулюється безповід способу і сировини, що використовуються. Далі середньо в сірчану кислоту, щоб уникнути він описаний з посиланнями на Фіг.1. підвищеного ступеня розкладу сечовини. Цей розНа Фіг.1 зображений трубчастий реактор, який чин можна змішувати з промивальним розчином із включає в себе попередній змішувач, попередній секції гранулювання і вводити в розчин сечовини, реактор, головну частину реактора та корпус реакякий подається в трубчастий реактор. В альтернатора. Головна частина і корпус реактора присутні у тивному варіанті його можна рециркулювати в севсіх різновидах реактора, в той час як використанкцію концентрації сечовини, виводити із системи ня попереднього змішувача і попереднього реакабо використовувати як додаткову воду в скрубері тора залежить від умов способу. секції гранулювання. Головна частина 1 реактора має реакційну каТрубчастий реактор характеризується сильмеру. Вона являє собою зону між кінцем конуса ЗА ною і короткою турбулентністю для змішування введення кислоти і кінцем конуса 2А введення реагентів, яка дозволяє негайно вводити їх в конаміаку, в якій аміак і кислота приходять в контакт такт і здійснити реакцію. Час перебування реагента реагують. Головна частина має трубчасту фортів в такому обладнанні, як правило, не повинен му, на її вихідному кінці є звуження 1А Вона вклюстановити більше 0,2 с. чає в себе аксіальний інжектор З, ЗА кислоти. АміКонструкція повинна забезпечувати вибіркову ак вводять тангенціально через вхідний отвір 8 в взаємодію реагентів без розкладу сечовини, а таінжектор 2 аміаку, що утворює першу кільцеву какож виключати можливість руйнування матеріалу меру, яка оточує інжектор кислоти. На вихідному трубчастого реактора кислотою або будь-яким кінці інжектора аміаку є конус 2А. Сечовина подаіншим реагентом. Тому кислота вводиться в реакється через вхідний отвір 7 у другу кільцеву каметор по осі реактора, початкова турбулентність підру, яка оточує інжектор аміаку Корпус 14 реактора вищується для негайного початку реакції. є прямим по всій довжині і закінчується звуженням Швидка реакція дозволяє мінімізувати риск ко1А. нтакту вільних дрібних крапель кислоти із стінкою У деяких випадках, як описано далі, перед трубчастого реактора, що призводить до корозії введенням сечовини кислота може бути частково сталі або появи гарячих точок, здатних пошкодити, нейтралізована деякою кількістю аміаку в окремонаприклад, тефлонове покриття. му реакторі, який називається попереднім реактоДля підвищення початкової турбулентності ром. Попередній реактор розташований вище за аміак переважно вводиться в газоподібному випотоком перед головною частиною 1 реактора і гляді. Його швидкість є високою, її напрямок є танмає вхідний отвір 9 для введення аміаку в кільцеву 9 86520 10 камеру, яка оточує пристрій аксіального введення Подача в реактор газоподібного аміаку більш кислоти, де інжектор 4 кислоти має конічний кінець переважна у порівнянні з рідким аміаком. Об'єм4А. ний потік в цьому випадку набагато вище, отже, Попередній змішувач 12 розташований вище вище початкова турбулентність та інтенсивніше за потоком перед попереднім реактором і може початок реакції. використовуватися на лінії сірчаної кислоти для Таким чином, якщо аміак на установці присутрозрідження кислоти 5 водою 13 або промивальній в рідкому вигляді, він переважно випаровуєтьним розчином 11. ся в теплообміннику, що використовується, наприНа Фіг.1 також показане двостадійне очищенклад, для кондиціонування повітря в установці, ня, де на першій стадії S1 відбувається захоплензвичайно в зоні охолодження кінцевого продукту. ня сечовини, на другій стадії S2 відбувається заАміак в цьому випадку може попередньо підігрівахоплення аміаку кислотою 6. тися, наприклад, за рахунок технологічної пари, Оптимізація конструкції трубчастого реактора що утворюється в трубчастому реакторі. ССА Аміак може також подаватися в складі суміші Конструкція трубчастого реактора ССА може газів, звичайно суміші аміаку, вуглекислого газу та бути оптимізована відповідно до балансу аміаку з водної пари, що одержується в результаті відгону урахуванням водного балансу установки та оптикарбамату на стадії обробки сечовини вище за мізацією балансу енергії. потоком або у вигляді відхідних аміачних газів. В Баланс аміаку цьому випадку водна пара і вуглекислий газ праПід час вибору конструкції трубчастого реакцюють як інертні сполуки. Вони підвищують турбутора необхідно розглянути наступні два випадки. лентність в реакторі, і, отже, деякою мірою його Випадок А: аміак повинен частково або ефективність. повністю подаватися в процесі додатково до розВипадок А можна поділити на два випадки, дочину сечовини для одержання необхідного рівня кладно описані далі: класу, категорії ССА. - або вода, що поступає з розчином сечовини і Випадок В: розчин сечовини містить аміак у з концентрованими промивальними розчинами, які вигляді карбамату або вільного аміаку в кількості містять сечовину, здатна поглинати більшу частидля одержання необхідного рівня класу, категорії ну теплоти, що виділяється при синтезі in situ (виССА. падок ΑΙ); Водний баланс - або цієї води недостатньо (випадок А2), і поВодний баланс в основному є функцією настутребується подача додаткової води. пних параметрів: Випадок А2 може виникати, зокрема, при ви- вміст води в розчині сечовини, що подається сокій частці сульфату амонію по відношенню до в трубчастий реактор; сечовини; в такій ситуації переважно додають по- теплота реакції; передній реагент -бісульфат, що не прийнятно у - співвідношення між СА, що синтезується в випадку А1. реакторі, і СА, що синтезується в паровому скруВипадок В - аміак подається у розчині сечовибері (див. далі); ни у вигляді карбамату та аміаку - вакуум, що утворюється у випаровувальному Вихідний аміак повністю змішують з розчином резервуарі; сечовини, сірчана кислота може входити в контакт - рециркуляція промивальних розчинів. Баланс як із сечовиною, так і з вихідним аміаком для реаенергії кції. При цьому високий ризик розкладу сечовини. Енергія, що виділяється в трубчастому реакДля запобігання розкладу сечовини сприятливе торі при синтезі, дозволяє випаровувати більшу лужне середовище, режими процесу встановлюкількість води, і, отже, подавати в трубчастий реаються відповідно: надлишкова молярна частка ктор менш концентрований розчин сечовини, що є аміаку вище, ніж у випадку А (звичайно 5 - 20%). більш сприятливим з точки зору енергії. Вказана лужність в поєднанні з конструкцією Навпаки, енергія, що виділяється при реакції в самого реактора скорочує втрати сечовини. В паровому скрубері, не вносить вклад в концентрацьому випадку промивальний розчин парового цію розчину ССА, але потребує введення додаткоскрубера (з другої стадії, якщо сечовина та аміак вої води в скрубер. очищуються окремо) переважно рециркулюється в Чим більше СА синтезується в реакторі (а не в сірчану кислотуна лінії, обладнаній, наприклад, скрубері), тим краще баланс енергії і водний бастатичним змішувачем, який підвищує гомогенланс. ність суміші і дозволяє запобігти появі точок нагріВипадок А - аміак подається окремо від сечовання. Такий спосіб дозволяє вводити в трубчасвини, повністю або частково тий реактор ССА більш м'яку кислоту, так як, з Якщо аміак подається частково або повністю однієї сторони, вона розріджується деякою кількісокремо, то можна забезпечити більш повний контю води, і. з іншої сторони, сульфат амонію з протакт кислоти з аміаком перед їх введенням в конмивального розчину перетворюється в бісульфат такт із сечовиною. амонію, менш агресивний для сечовини, ніж сама Як правило, молярний надлишок аміаку відносірчана кислота. сно сірчаної кислоти в трубчастому реакторі, як В цьому випадку, однак, необхідно подавати правило, становить 2%, головним чином для комдодаткову кількість кислоти в паровий скрубер, пенсації змін потоків внаслідок флуктуацій в клаякий при цьому функціонує як другий реактор. панах керування. 11 86520 12 містить основу, яка в подальшому нейтралізуєтьТаблиця 1 ся, наприклад, сечовино-карбаматний розчин. Отже, конструкція головної частини повинна забезпечувати найбільш повний контакт між реаВипадок А1 Випадок А2 Випадок В гентами, а не між сечовиною та кислотою, що не Змішувач РекоменРекоменСтрого репрореагувала, крім того, в будь-якому випадку дується дується комендубажано зм'якшувати кислоту перед її контактом із ється сечовиною. Крім того, необхідно запобігти контакту Поперед- Не потре- Строго реко- Не потребудрібних крапель кислоти із стінкою реактора. ній реак- бується мендується ється Таким чином, з урахуванням вищеперелічених тор умов, головна частина трубчастого реактора ССА Головна Так Так Так повинна мати конструкцію, що забезпечує негайчастина ний контакт і турбулентність для одержання гомоКорпус Так Так Так генної і нейтралізованої суміші. Будь-яка кислота, що залишилася не нейтралізованою, у вигляді Головна частина і корпус реактора у всіх виструмини або будь-якої краплі вільної кислоти непадках однакові, тоді як перша частина реактора гативно впливає на ефективність трубчастого реавідрізняється. ктора і розклад сечовини. Початкова турбулентКорпус реактора ність зв'язана із способом введення реагентів і Конструкція корпуса у випадках А та В однакопідвищується за рахунок теплоти реакції, що вива. Корпус являє собою прямий відрізок труби з кликає випаровування води, і, отже, додаткове визначеним діаметром та довжиною. Довжина перемішування і турбулентність. трубчастого реактора проектується з урахуванням У випадках А та В застосовується подібний того, що реагенти повинні мати достатньо часу принцип конструкції головної частини реактора: в для контакту та реакції; діаметр реактора визначацентр вводиться кислота (безпосередньо, з попеється певним ступенем турбулентності, який підреднього змішувача або через попередній реаквищує ступінь змішування та ефективність. тор), навколо неї в першому кільці може знаходиУ випадку ССА потік теплоти (з урахуванням тися джерело аміаку (якщо воно потребується), як теплоти, що виділяється при хімічній реакції) позовнішній кільцевий потік використовують потік, винен бути більше 5000 ккал/ч/см2 і менше який містить сечовину. 150000ккал/ч/см2, перевалено від 25000 до 2 Кислота вводиться аксіально відносно корпуса 90000ккал/ч/см , а час перебування - менше 1 с, реактора. Введення здійснюється центрально за переважно менше 0,2 с допомогою інжектора 4; 4А, на кінці якого переваЯкщо потік теплоти надто низький, то має місжно є форсунка 4А у випадку попереднього реакце недостатній контакт між реагентами, відбуватора, або безпосередньо через інжектор З/ЗА, на ються втрати аміаку, який нейтралізується в парокінці якого переважно є форсунка ЗА. Як правило, вому скрубері, а кислота, що залишається в форсунка являє собою простий конус, що розпирозчині сечовини, розкладає деяку кількість сечолює потік і за рахунок цього збільшує ділянку конвини. такту між реагентами, і, як наслідок, швидкість Якщо час перебування надто великий, можлиреакції. ві два випадки залежно від завантаження реактоЯк кислота може використовуватися сірчана ра: кислота, розчинена сірчана кислота або попере- якщо час перебування надто великий, так як дньо нейтралізована сірчана кислота, тобто суміш реактор недостатньо завантажений, сечовина розсірчаної кислоти, бісульфату амонію тощо. Звикладається через недостатню турбулентність, як чайно вона находиться в рідкому стані, але може описано вище; містити деякі пари, наприклад, при використанні - якщо реактор достатньо завантажений, але попереднього реактора (див. далі). має надмірну довжину, додатковий час перебуКрім того, кислота перед введенням в головну вання має негативний ефект, оскільки спричиняє частину реактора ССА повинна бути зм'якшена зайве зниження тиску, і, як наслідок, більш високу максимально можливою мірою. Найкращій спосіб температуру в першій частині реактора, що призм'якшити кислоту перед контактом із сечовиною зводить до втрат сечовини. полягає в її повній нейтралізації в сульфат амонію. Для зберігання температури в реакторі на Однак повна амонізація сірчаної кислоти перед придатному рівні при підтримці достатнього зниконтактом із сечовиною неможлива. ження тиску для ефективного змішування, зниПричини цього такі: ження тиску повинне становити більше 0,5 бар, - по-перше, розчин сульфату амонію повинен переважно більше 1 бар, а зворотній тиск на реакмістити велику кількість води для підтримки рідкотор, наприклад, тиск аміаку після клапана керуго стану, тому синтез сульфату амонію з наступвання прямо перед введенням в реактор, переваним змішуванням із сечовиною не дозволяє досягжно повинен становити менше 10 бар, переважно ти водного балансу, необхідного для зберігання менше 5 бар. необхідного вмісту води на виході з реактора; Головна частина реактора ССА - по-друге, синтез сульфату амонію є сильно Конструкція головної частини реактора ССА екзотермічним. Вода, що поглинає таку теплоту повинна відповідати таким задачам. реакції, яка дозволяє підтримувати температуру в Сечовина чутлива до розкладу, але містить прийнятному діапазоні, міститься головним чином велику частину води, яка дозволяє керувати темв розчині сечовини. Тому синтез і змішування попературою. В деяких випадках сечовина також 13 86520 14 винні виконуватися майже одночасно, сульфат У випадку, якщо при синтезі сульфату амонію амонію (СА) не може бути повністю синтезований, виділяється більше теплоти, ніж сечовина може коли потік реагентів поступає в сечовину; поглинути в даний момент за рахунок вмісту води, - по-третє, аміак, який підлягає нейтралізації то в доповнення до цієї води в розчин сечовини (вільний аміак і/або карбамат), в деяких випадках необхідно додати деяку кількість додаткової води, вже міститься в потоці сечовини; це означає, що і виникає доцільність у застосуванні попереднього сульфат амонію повинен синтезуватися безпосереактора. редньо в потоці сечовини і не може синтезуватися Наприклад, такий випадок має місце при синдо контакту із сечовиною. тезі суміші, яка містить 50% СА та 50% сечовини, Конструкція і принцип дії реактора для випадку при використанні 70%-ного розчину сечовини як А1 вихідного матеріалу В цьому випадку в перше кільце навколо ценТакий попередній реактор може являти собою трального інжектора кислоти [зона між 2 та 3] понейтралізатор резервуарного типу або трубчастий дається потік 8 аміаку, наприклад, газоподібний реактор аміак або розчин карбамату. Якщо реакція проходить в окремій місткості, Завдяки конструкції інжектора 2; 2А аміаку, кияка сконструйована як нейтралізатор, то переважслота розпилюється в ділянку реакційної камери, ним може бути підтримка в ній визначеного тиску, вільну від сечовини [між ЗА та 2А]. Конструкція цієї який в поєднанні з гравітацією дозволяє подавати камери формує в реакторі подвійну конічну струкречовини в реактор без використання насоса для туру: перший конус ЗА (або форсунка) для кислоперекачування речовини, який є достатньо короти, другий конус 2 для аміаку, а також звуження 1А зійним. Така система з окремим попереднім нейтдля сечовини. ралізатором має перевагу, яка полягає в одержанВ цій реакційній камері виділяється велика кіні, при необхідності, невеликої кількості пари під лькість теплоти. З урахуванням цього, камера потиском, але потребує більш високих інвестицій у винна бути достатньо відкритою, що дозволяло би порівнянні з варіантом з трубчастим реактором. реагуючим краплям виводитися з камери в потік Як описано далі, попередній реактор може бусечовини, що поглинає теплоту. На цьому шляху ти більш простим, бути вбудованим в той самий перед контактом із сечовиною кислота проходить трубчастий реактор, який є реактором ССА, і являчерез аміачну завісу. ти собою додаткове подовження трубчастого реаВ ділянці контакту із сечовиною має місце ктора ССА перед зоною 1А/2А введення сечовини. особливо висока турбулентність [зона між 1А та Вказана реакція проходить особливо швидко, і 2А], яка забезпечує розсіювання теплоти та гомоподовженням попереднього реактора є свого роду генне змішування продуктів; таким чином, реакційреактивна форсунка в зоні 3А/4А. на суміш переважно розпилюється з реакційної Вода 13 спочатку додається в аміак через вхікамери в звуженні 1А в корпус реактора 14, де дний отвір 9 або в кислоту 5. У випадку додавання сходяться різні рідини, додатково підвищуючи турв кислоту, наприклад, труба з покриттям ПТФЕ булентність. (політетрафторетилен) переважно обладнується Кут сходження 1А дорівнює звичайному куту, статичним змішувачем 12 для запобігання появі що визначається гідродинамікою, переважно кут будь-яких точок нагрівання, здатних пошкодити розкриття становить від ЗО до 90°, що дозволяє тефлон. Суміш подається в форсунку для розпизапобігти локальному зворотному змішуванню і лення в аксіальному або, переважно, тангенціальпри цьому підвищити ефективність циркуляції в ному потоці аміаку з вхідного отвору 9 прямо в корпусі реактора. інжектор З/З А кислоти. Діаметр виходу конуса 2А переважно менше Така конфігурація попереднього реактора додіаметра корпуса реактора 1А або дорівнює йому, зволяє підвищити загальну економічну ефективщо дозволяє запобігти появі нагрітих ділянок на ність всього сечовинного комплексу. Вода утворюстінці реактора, особливо в ділянці звуження. З ється в установці сечовини відповідно до іншої сторони, конус 2А також може бути повністю наступної стехіометрії: відкритий, тобто замінений на пряму частину інже2NH3 + СО2 - CO(NH2)2 + Н2О ктора 2. (аміак) (вуглекислий газ) (сечовина) (вода) Конструкція реакційної камери 2А/ЗА може буТому вода є безпосередньо в установці, і доти однозначно обумовлена конструкцією повітрядаткова вода для реактора може подаватися з них пневматичних форсунок. установки сечовини у вигляді слабкого розчину Кислота, що не прореагувала, на цій стадії рекарбамату або N-вмісних стоків, які потребують агує вздовж корпуса реактора 14, головним чином дорогої обробки перед випусканням в оточуюче з аміаком, а також з деякою частиною сечовини, середовище, наприклад, термічного гідролізу яка розкладається. Випадок В Розчини, що зрошуються, рециркулюються у Цей випадок звичайно є випадком сечовиновсіх зручних випадках. Якщо вони містять сечовикарбаматного розчину, який є в будь-якому комну, то переважно направляти їх в потік сечовини. плексі сечовини. Якщо вони не містять сечовину або містять невеРежими процесів вибираються з урахуванням лику її кількість (наприклад, якщо є друга стадія роботи з високим надлишком лугу в реакторі і заочищення технологічної пари [S2]), то переважно хоплення великої кількості аміаку в кислотному їх рециркулювати в сірчану кислоту на лінії. паровому скрубері. Тому розчин очищення пари Випадок А2 містить велику кількість сульфату амонію. В скрубер пари звичайно додають 5 - 20% кислоти. 15 86520 16 В цьому випадку строго рекомендується заго очищення сепаратора крапель при підвищенні стосовувати двостадійний скрубер [SI; S2]: на пепадіння тиску внаслідок утворення відкладень, ршій стадії [S1] відбувається захоплення дрібних кристалізації, зростаючого засмічення. крапель сечовини, на другій стадії [S2] відбуваєтьСкрубер пари ся обробка саме аміаку. Пара, що утворюється в трубчастому реакторі, Таким чином, промивальний розчин 11 на друмістить деяку кількість аміаку, що не прореагував, гій стадії, майже вільний від сечовини, безпосереа також дрібних крапель розчину ССА, які не віддідньо рециркулюється в лінію сірчаної кислоти для лилися в сепараторі. її зм'якшення без руйнування очищеної сечовини. Ця пара проходить подальше очищення в кисЛінія кислоти переважно обладнується статичним лотному скрубері. Останній може являти собою змішувачем 12 для зм'якшення за допомогою поколону з насадкою, тарілчасту колону, скрубер передньої реакції. Таким чином від 10% до -50% Вентурі або комбінацію таких пристроїв для досягсірчаної кислоти перетворюється в бісульфат до нення необхідних характеристик. будь-якого контакту із сечовиною, що дозволяє Крім того, такий скрубер має перевагу, яка подостигнути в цілому прийнятного рівня руйнування лягає в тому, що в ньому відбувається насичення сечовини. технологічної пари, що підвищує загальну ефектиПромивальний розчин із сухої частини разом з вність конденсатора. Скрубер може являти собою промивальним розчином з першої стадії скрубера окрему місткість або послідовність незалежних 10 пари звичайно рециркулюється в перше кільце елементів, які реалізують послідовні стадії очиреактора ССА, який має конструкцію для випадку щення для досягнення того самого результату, він А, або безпосередньо в потік 7 сечовини. також може бути вбудований у верхню частину Конструкція сепаратора сепаратора трубчастого реактора і становити з З трубчастого реактора в сепаратор (не поканим єдину конструкцію. заний) поступає трьохфазна суміш: рідина (сечоСкрубер переважно сконструйований для вивина, вода, розчинений сульфат амонію...), газ конання двох стадій: на першій стадії відбувається (пара, одержана за рахунок теплоти реакції) і назахоплення крапель сечовини/CCA порівняно нейвіть тверді фракції (пересичені кристали СА). Притральним промивальним розчином, на другій стазначення сепаратора полягає у поділі розчидії використовується кислота, яка захоплює аміак. ну/суспензії ССА і технологічної пари. Через Це дозволяє запобігти підвищеному руйнуванню можливу присутність кристалів і високої швидкості сечовини за рахунок сильного підкислення сечопотоків в реакторі сепаратор повинен мати консвини, яка містить промивальний розчин. трукцію, стійку до зносу. Винахід далі ілюструється з посиланнями на Конструкція сепаратора буде залежати від нижченаведені приклади. розташування, особливо у випадку модернізації Приклади установки. Реактор може бути встановлений гориПриклад 1 - ілюстрація випадку А1 зонтально, вертикально або в будь-якій проміжній Експерименти проводилися на експериментапозиції. Можна перерахувати декілька варіантів льній установці малого масштабу. По-перше, в для сепаратора з урахуванням ефективності подізвичайний стандартний реактор з перехрестям лу та стійкості до зносу. труб, зображений на фіг. 2, подають кислоту по осі Переважно сепаратор являє собою місткість з 15 реактора, 78%-й розчин сечовини, який не місвнутрішньою юбкою. Вхідний отвір пари розташотить карбамату, через вхідний отвір 16 і газоподібвується на верхній частині місткості в тангенціальний аміак через вхідний отвір 17. ному положенні для одержання вихрового ефекту, По-друге, в реактор згідно з даним винаходом, що підвищує ефективність поділу. що відповідає випадку А1, кислоту вводять аксіаВ нижній частині сепаратор має конічну або льно, розчин сечовини подають через вхідний увігнуту форму, переважно із зменшеним діаметотвір 7, газоподібний аміак подають через вхідний ром, що дозволяє більш точно регулювати рівень з отвір 8. Мета полягала в одержанні ССА, який міспониженим часом перебування. Для тієї ж цілі ретить 77% сечовини та 23% СА. Аміак подавали з гулювання рівня переважно встановлюється антимолярним надлишком 2%. вихровий пристрій. Швидке випаровування виконували у вакуумі У верхній частині сепаратора переважно може при абсолютному тиску 0,5 бар та температурі встановлюватися пристрій відділення крапель (наблизько 135°С, вміст води в розчині, що виходить приклад, плетена сітка, пристрій типу ковпачкової з реактора, становив приблизно 5%. Рециркуляцію тарілки, керамічного фільтра або пакета) для відпромивального розчину в даному експерименті не ділення більшої частини крапель, що залишилися. здійснювали. У цьому випадку переважно використовується Умови і результати наведені нижче в таблиці розпилювач води або конденсатів для періодично2: 17 86520 18 Таблиця 2 Таблиця З Головна частина з перехрестям труб Введення сечовини в реактор кг/ч (виражено для 100%-ї сечовини) Вихід сечовини з реактора (в ССА і конденсатах), кг/ч Введення NH3 в реактор (кг/ч) Введення сірчаної кислоти в реактор (кг/ч) Сульфат амонію в одержаному ССА (кг/ч) Приріст карбамілсечовини Зруйнована сечовина (%) (за рахунок гідролізу або утворення карбамілсечовини) Реактор за винаходом 500 500 490 39 111 149 0,5% 9,6% 39 111 149 0,4% 2,1% Приклад 2 - ілюстрація випадку А2 Експерименти виконувалися з метою одержання композиції ССА 65/35 мас/мас (сечовина/сульфат амонію) при використанні 78%-го розчину сечовини. Тому була потрібна додаткова вода для поглинання теплоти реакції. В першому експерименті вода вводилася шляхом розведення розчину сечовини 7; 13, у другому експерименті досліджувалися переваги попереднього реактора, при цьому одну чверть кількості аміаку подавали через вхідний отвір 9, три чверті аміаку подавали через вхідний отвір 8, до кислоти 5 додавали додаткову воду 13 за допомогою попереднього змішувача 12. Швидке випаровування виконували при абсолютному тиску 0,5 бар в окремій місткості після сепаратора трубчастого реактора. Результати та умови наведені в таблиці 3: Без попереЗ попереднім днього реактореактором ра Введення сечовини в реактор кг/ч (виражено для 100%-ї сечовини) Вихід сечовини з реактора (в ССА і конденсатах), кг/ч Введення NH3 в реактор (кг/ч) Введення сірчаної кислоти в реактор (кг/ч) Сульфат амонію в одержаному ССА (кг/ч) Приріст карбамілсечовини Руйнування сечовини (%) (за рахунок гідролізу або утворення карбамілсечовини) 500 500 483 488 71 71 200 200 269 269 0,5% 0,5% 3,4% 2,4% Приклад 3 - ілюстрація випадку В Випробування з сечовиною-карбаматом виконували з молярним надлишком аміаку 2%, і з молярним надлишком аміаку 10% та 20% відповідно. Розплав сечовини в концентрації 99,5% змішували на лінії із суспензією бікарбонату амонію і газоподібним аміаком для імітації сечовинокарбаматного розчину. Мета полягала в одержанні 35% СА в ССА. Рециркуляцію промивального розчину, що відповідає другій стадії скрубера, моделювали додатковим потоком розчину сульфату амонію в концентрації 30% в попередній змішувач. Такий потік СА відповідає нейтралізації надлишку аміаку, поданого на реактор, за винятком аміаку, що утворюється за рахунок руйнування сечовини. В розчин сечовини додавали регулюючий потік води для досягнення такого самого вмісту води близько 5% в розчині ССА на виході з випаровувального резервуара. Результати та умови наведені в таблиці 4: 19 86520 Таблиця 4 Надлишок Надлишок Надлишок 2% 10% 20% Введення сечовини в реактор кг/ч (виражено для 100%-ї сечовини) Вихід сечовини з реактора (в ССА і конденсатах), кг/ч Введення бікарбонату амонію в сечовину, кг/ч Введення NH3 в сечовину (кг/ч) Введення сірча 500 500 500 446 459 489 50 50 50 59 59 59 196 180 160 20 ної кислоти в реактор у вигляді H2SO4 (кг/ч) СА в попередньому змішувачі (кг/ч) (виражено для 100%-гоСА) Сульфат амонію в одержаному ССА (кг/ч) Приріст карбамілсечовини Руйнування сечовини (%) (за рахунок гідролізу або утворення карбамілсечовини) 5 27 54 269 269 269 0,5% 0,4% 0,5% 10,8% 8,2% 2,3% 21 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 86520 Підписне 22 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601