Пристрій для розкладання неконвертованого карбамату амонію у розчинах сечовини у способі синтезу сечовини

Реферат: Винахід належить до способу одержання сечовини. Заявлено пристрій для розкладання карбамату амонію у відсіку синтезу сечовини десорбційної установки сечовини, що містить ряд трубок теплообмінника між верхньою камерою та нижньою камерою, причому верхня камера містить сепаратор газ/рідина та кожна трубка теплообмінника забезпечена пристроєм розподілу рідини, при цьому пристрій додатково містить перфорований бункер для розподілу рідини у центрі верхньої камери пристрою та спосіб модифікації діючого пристрою для розкладання карбамату амонію у відсіку синтезу сечовини десорбційної установки сечовини, що містить ряд трубок теплообмінника між верхньою камерою та нижньою камерою, де верхня камера модифікована таким чином, що модифікована верхня камера містить сепаратор газ/рідина та кожна трубка теплообмінника забезпечена пристроєм розподілу рідини, при цьому пристрій додатково містить перфорований бункер для розподілу рідини у центрі верхньої камери пристрою. UA 105670 C2 (12) UA 105670 C2 UA 105670 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Сечовина може бути одержана шляхом введення надлишку аміаку разом із диоксидом вуглецю при тиску від 12 до 40 МПа та при температурі від 150 до 250 °C у відсік синтезу сечовини. Результуюче утворення сечовини може бути представлено у вигляді двох послідовних стадій реакції, на першій стадії утворюється карбамат амонію відповідно до екзотермічної реакції І: 2NH3 + СО2 → H2N-CO-ONH4 (I) після чого утворений карбамат амонію дегідрує на другій стадії з одержанням сечовини відповідно до ендотермічної рівноважної реакції II: H2N-CO-ONH4  H2N-CO-NH2 + Н2О (II) Та міра, якою ці реакції відбуваються, залежить, серед іншого, від температури та використаного надлишку аміаку. Продукт реакції одержують у вигляді розчину сечовини, що містить, типово, сечовину, воду, незв'язаний аміак та карбамат амонію. Карбамат амонію та аміак видаляють з розчину та переважно повертають у відсік синтезу сечовини. Додатково до зазначеного вище розчину у відсіку синтезу сечовини, утворюється газова суміш, що складається з неконвертованого аміаку та диоксиду вуглецю разом із інертними газами, так званими газами, що відходять з реактору. Відсік синтезу сечовини може містити окремі зони для утворення карбамату амонію та сечовини. Ці зони можуть також бути поєднані в одному пристрої. Під десорбційною установкою сечовини мають на увазі установку для сечовини, в якій значною мірою відбувається розкладання карбамату амонію, який не був перетворений на сечовину, та видування звичайного надлишку аміаку при тиску, що істотно майже дорівнює тиску у синтетичному реакторі. Таке розкладання та видування відбуваються в одній чи більше установках для десорбції, встановлених нижче відсіку синтезу сечовини, можливо за допомогою газу, що видаляється, такого, як, наприклад, диоксид вуглецю та/або аміак, та з додаванням тепла. Також можливо застосовувати термічну десорбційну установку. Термічна десорбція означає, що здійснюють виключно застосування подачі тепла для розкладання карбамату амонію та видалення аміаку та диоксиду вуглецю з розчину сечовини. Газовий потік, що відходить з термічної десорбційної установки та містить аміак та диоксид вуглецю, конденсується у випарнику високого тиску та потім повертається у відсік синтезу сечовини. У десорбційній установці сечовини зона синтезу функціонує при температурі 160-240 °C та переважно при температурі 170-220 °C. Тиск у синтетичному реакторі становить 12-21 МПа, переважно 12,5-20 МПа. Молярне співвідношення аміаку та диоксиду вуглецю (N/C співвідношення) у відсіку синтезу сечовини десорбційної установки становить зазвичай від 2,2 до 5 та переважно від 2,5 до 4,5 мол/мол. Відсік синтезу може бути одним реактором або множиною реакторів, розташованих паралельно чи послідовно. Після десорбції, тиск розчину десорбованої сечовини зменшують при відновленні сечовини та розчин сечовини концентрують шляхом випаровування води. Одержаний потік карбамату формується у відсіку відновлення, що функціонує при більш низькому тиску, ніж тиск у відсіку синтезу сечовини, потім переважно повертається у відсік синтезу сечовини. Відсік відновлення може складатися з одного відсіку чи множини відсіків відновлення, розташованих послідовно. Часто використаним способом одержання сечовини відповідно до процесу десорбції є спосіб десорбції аміаку "Snamprogetti", як, наприклад, описано у патенті номер 1,188,051, опублікованому 15 квітня 1970 р.. У такому способі десорбції сечовини, різниця тисків у реакторі та у десорбційній установці високого тиску зазвичай становить 0,1-5 Мпа та переважно 0,5-0,2 МПа. Вихідний диоксид вуглецю у цьому способі зазвичай повністю додають у реактор. Вихідний диоксид вуглецю містить інертну пару та часто повітря, та його подають таким чином, що диоксид вуглецю містить речовини, які застосовують у синтезі, стійкі проти надлишкової корозії. Розчин сечовини, що видаляють з реактору, містить сечовину, воду та неконвертований карбамат амонію разом із інертною парою, що містить неконвертований аміак та газ диоксиду вуглецю, подають після миттєвого пароутворення у десорбційну установку високого тиску. Десорбційна установка високого тиску є теплообмінником, що має оболонку та одну чи більше трубок. Для кожної оболонки, подають потік, що забезпечує необхідне тепло для реакції розкладання карбамату амонію на аміак та пару диоксиду вуглецю. У верхній частині трубок, розчин сечовини додають та рідина протікає як рідка плівка уздовж трубки до нижнього каналу десорбційної установки. Вивільнена пара після реакції розкладання карбамату амонію виходить з трубок теплообмінника зверху. Можливо, щоб відхідний газ був доданий у нижню частину трубок теплообмінника для покращення ефективності розкладання. Також можливо, щоб повітря подавалося у нижній частині теплообмінника для захисту матеріалу з боку процесу пристрою від надлишкової корозії. Під надлишковою корозією мають на увазі сильне роз'їдання конструкційного матеріалу. 1 UA 105670 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Даний винахід відноситься до пристрою для розкладання карбамату амонію у відсіку синтезу сечовини десорбційної установки сечовина, що містить ряд трубок теплообмінника між верхньою камерою та нижньою камерою. Заявниками було винайдено пристрій, що також має назву десорбційної установки високого тиску, що оптимізує розподіл рідини у трубках теплообмінника для покращення функціонування десорбційної установки високого тиску. Десорбційні установки високого тиску, відомі з рівня техніки, часто страждають від надлишкової корозії трубок теплообмінника, а також зменшення ефективності розкладання карбамату амонію. Знижена ефективність призводить до утворення надлишкової кількості карбамату амонію, що проходить від десорбційної установки високого тиску до розташованого нижче відсіку(відсіків) відновлення, що спричиняє обмеження ємності установки та/або надлишкової емісії аміаку. Цю проблему вирішує пристрій за даним винаходом таким чином, що верхня камера містить сепаратор газ/рідина. Сепаратор газ/рідина у верхній камері десорбційної установки високого тиску відділяє газову фазу від рідкої фази перед розподілом рідини уздовж труб теплообмінника у десорбційній установці. Трубки теплообмінника забезпечені пристроєм розподілу рідини, що дозволяє рівномірно завантажувати кожну з трубки теплообмінника розчином сечовини. Несподівано, це призводить до рівномірного розподілу рідини у трубках теплообмінника у десорбційній установці, таким чином уникаючи надлишкової корозії цих труб та призводячи до оптимальної ефективності десорбційної установки. У переважному варіанті виконання даного винаходу, верхня камера додатково містить перфорований бункер для розподілу рідини у центрі верхньої камери пристрою. За допомогою зазначеного перфорованого бункеру для розподілу рідини отримують навіть кращий розподіл рідини у трубках теплообмінника. Переважно сепаратор газ/рідина є сепаратором тангенційного типу чи циклонного типу. Сепаратор газ/рідина та/або бункер для розподілу може бути виконаний з декількох матеріалів, наприклад, нержавіючої сталі, титанового або цирконієвого біметалевого матеріалу. Переважно, матеріалом є ферит/аустеніт, наприклад, як описано у патенті США А номер 5582656. Даний винахід буде пояснено більш детально нижче, за допомогою креслень. Фіг. 1 являє собою схематичну діаграму, що описує типовий рівень техніки процесу десорбції сечовини. Фіг. 2 демонструє приклад розподілу рідини трубках теплообмінника за даним винаходом. Фіг. 3 демонструє приклад верхнього каналу пристрою за даним винаходом. На Фіг 1 диоксид вуглецю додають у реактор (1) у відсіку синтезу сечовини процесу десорбції сечовини через (11). Диоксид вуглецю може містити інертний газ, типово, повітря, для запобігання надлишкової корозії. У реакторі (1) відбувається реакція гідрування карбамату амонію на сечовину. Реакцію типово проводять при тиску від 14 МПа до 18 МПа, але також можливі інші тиски. Утворений розчин сечовини, що має температуру 175 °C - 190 °C, разом із інертною парою, надсилають до десорбційної установки (4) через двофазну лінію (13). На цій лінії (13) зазвичай встановлюють клапан для забезпечення різності тисків приблизно 0,2-2 МПа між реактором (1) та десорбційною установкою (4), дозволяючи прилив розчину сечовини. У десорбційній установці (4) відбувається розкладання неконвертованого карбамату амонію. Десорбційна установка високого тиску типово містить оболонку та теплообмінник трубчастого типу. Тепло за допомогою насиченої пари (23) з тиском від 1 МПа до 3 МПа додають до боку оболонки такого теплообмінника для забезпечення тепла, необхідного для реакції розкладання. Розчин десорбованої сечовини відходить із зони синтезу в один чи більше розташованих нижче відсіків обробки через рідинну лінію (15). Пара, відходячи з десорбційної установки (4) через лінію (14) надсилається до випарника карбамату (3) у відсік синтезу сечовини. Карбамат амонію, утворений у розташований нижче відсік(и) обробки (знов вводять у відсік синтезу через лінію (20) через випарник карбамату (3). Тепло, що вивільняється у реакції карбамату амонію (І) зазвичай застосовують для генерування пари, яку використовують у, наприклад, пристроях для нагрівання та ежекторах у розташованих нижче відсіках обробки десорбційної установки сечовина. Випарник карбамату (3) може бути випарником типу плівки, що падає, випарником котлового типу, а також випарником занурювального типу. Утворений карбамат амонію, разом із неконвертованим аміаком та газом диоксиду вуглецю, надсилають через лінію (16) у сепаратор рідина/газ (2), в якому парову фазу відділяють від рідкої фази. Парова фаза відходить із зони синтезу через лінію (18) та її типово надсилають у розташований нижче відсік(и) обробки, що функціонує при більш низькому тиску, ніж відсік синтезу. Рідку фазу, що містить карбамат амонію, воду, розчинений аміак та диоксид вуглецю 2 UA 105670 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 та у деяких випадках сечовину, надсилають через лінію (17) до ежектора аміаку високого тиску (5). Ежектор аміаку високого тиску (5) підвищує тиск вказаної рідини на приблизно 0,2-2 МПа. Як рушійну силу, застосовують аміак, що вводять через (19). Аміак може бути нагрітий перед застосуванням як рушійна сила для ежектора (5). Утворений карбамат амонію разом із аміаком надсилають через лінію (12) до реактора (1), в якому відбувається реакція синтезу сечовини до досягнення рівноваги, описаної у реакції (II). Молярне співвідношення аміаку та диоксиду вуглецю у зоні синтезу типово становить 2,2-5, та більш конкретно 2,5-4. Фіг. 2 демонструє приклад верхньої камери пристрою відповідно до даного винаходу. Суміш газу та розчин сечовини з реактору сечовини (1) у відсіку синтезу надходить до верхньої камери реактори через трубопровід (13), з'єднаний із сепаратором газ/рідина (6). Сепаратор газ/рідина (6) є, переважно, тангенційного типу чи циклонного типу. У сепараторі газ/рідина (6), газову фракцію відділяють від рідкої фракції. Газова фракція відходить від сепаратора газ/рідина наверху через трубопровід (14), з’єднаний з верхньою частиною верхньої камери. Рідка фракція відкидається через (21) у перфорований бункер для розподілу рідини (7), звідки рідину розподіляють над діаметром поперечного перерізу верхньої камери, таким чином, утворюючи рівень рідини (40) над пристроями розподілу рідини (50). Через пристрої розподілу рідини (50) кожна трубка теплообмінника (10) рівномірно завантажується розчином сечовини. Пара, вивільнена після розкладання карбамату амонію у розчині сечовини, відходить від труби теплообмінника (10) через газову трубу (8) до верхньої частини верхньої камери. Ця пара разом із газом від сепаратора газ/рідина (6) відходить від десорбційного пристрою через сопло (не показано) та трубопровід (14) до частини обробки у відсіку синтезу сечовини. Фіг. 3 демонструє приклад варіанту виконання розподілу рідини у трубках теплообмінника за даним винаходом. Рідина (21) з сепаратора газ/рідина находить до бункера для розподілу рідини (7). Розташованого у центрі верхньої камери десорбційної установки. Для забезпечення стаціонарного рівня рідини над трубчастою решіткою (9), бункер може бути забезпечений рядом отворів, або може складатися з рами з металевою мілкою сіткою. Бункер спричиняє рівномірний розподіл рідини над площею перехресного перерізу верхньої камери десорбційної установки. Характеристики десорбції є оптимальними у випадку рівномірного навантаження на кожну з труб теплообмінника. За даним винаходом це реалізують шляхом створення та забезпечення постійного гідростатичного тиску рідини hi над пристроєм розподілу рідини (50) для кожної трубки теплообмінника (10). Різниця між гідростатичним тиском у кожному пристрої розподілу рідини (50) над діаметром перехресного перерізу верхнього каналу має бути менша за 200 мм та переважно різниця становить не більш ніж 100 мм. Для одержання якомога меншої різниці між гідростатичним тиском пристроїв розподілу рідини (50), бункер для розподілу рідини 4 перфорований 1-6 отворами для рідини та переважно 2-4 отворами для рідини. Діаметр отворів у пристрої розподілу рідини становить 1-4 мм та переважно 2-3 мм. Пара, утворена у трубці теплообмінника (10), у результаті розкладання карбамату амонію на аміак та диоксид вуглецю та, якщо застосовно, додатковий газ, що відходить, відходить з трубки теплообмінника (10) через газову трубу (30). Десорбційний пристрій сконструйований таким чином, що рівень рідини за усіх обставин не є нижчим за довжину газових труб (8). Це може бути отримано шляхом варіювання розміру пристроїв розподілу рідини (50). ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 55 60 1. Пристрій для розкладання карбамату амонію у відсіку синтезу сечовини десорбційної установки сечовини, що містить ряд трубок теплообмінника між верхньою камерою та нижньою камерою, який відрізняється тим, що верхня камера містить сепаратор газ/рідина та кожна трубка теплообмінника забезпечена пристроєм розподілу рідини, причому пристрій додатково містить перфорований бункер для розподілу рідини у центрі верхньої камери пристрою. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що бункер для розподілу рідини перфоровано отворами діаметром 1-4 мм та переважно діаметром 2-3 мм, або що бункер зібрано у рамі з металевою дрібною сіткою. 3. Пристрій за п. 1 або п. 2, який відрізняється тим, що сепаратор газ/рідина та/або бункер для розподілу виконані з нержавіючої сталі, титану або цирконію, або переважно з ферит/аустенітного матеріалу. 4. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що сепаратор газ/рідина є сепаратором тангенційного типу чи циклонного типу. 5. Спосіб модифікації діючого пристрою для розкладання карбамату амонію у відсіку синтезу сечовини десорбційної установки сечовини, що містить ряд трубок теплообмінника між 3 UA 105670 C2 верхньою камерою та нижньою камерою, де верхня камера модифікована таким чином, що модифікована верхня камера містить сепаратор газ/рідина та кожна трубка теплообмінника забезпечена пристроєм розподілу рідини, який відрізняється тим, що пристрій додатково містить перфорований бункер для розподілу рідини у центрі верхньої камери пристрою. 4 UA 105670 C2 Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5