Трубчастий реактор для проведення екзотермічних реакцій і спосіб одержання нітрату амонію

1. Спосіб одержання нітрату амонію в реакторі, який включає нейтралізацію азотної кислоти аміаком під тиском, при температурі 170-180°С, зниження тиску у розчині нітрату амонію, що утворився до тиску випаровування, упарювання цього розчину з використанням тепла нейтралізації від розчину, що циркулює із стадії нейтралізації по контур у, кількість циркулюючого розчину підбирають за умов підтримання завданих режимів температури та тиску стадії нейтралізації, який відрізняється тим, що нейтралізацію азотної кислоти, яка подається в потоці розчину-теплоносія, що циркулює по замкнутому контуру, проводять в трубчастому реакторі. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що нейтралізацію 50-56 мас.% азотної кислоти здійснюють під тиском (6-7)·10 2 кПа в потоці розчинутеплоносія, наприклад, 64-75 мас.% розчину щолоків (лугів) аміачної селітри, що циркулює по замкнутому контур у: реактор-теплообмінник-насоссепаратор-реактор. A (54) СПОСІБ ОД ЕРЖАННЯ НІТРАТУ АМОНІЮ І ТРУБЧАСТИЙ РЕАКТОР ДЛЯ ПРОВЕДЕННЯ ЕКЗОТЕРМІЧНИХ РЕАКЦІЙ 33681 У способі непередбачене використання тепла нейтралізації, отримують готовий продукт низької концентрації. Відомий спосіб отримання розчину аміачної селітри і водяної пари, який включає нейтралізацію попередньо підігрітої до 135°С неконцентрованої азотної кислоти (57-60%) аміаком з t=135°С при підвищеному тиску 2-6,5 кГ/см 2 (або (26,5)·102 кПа) і t=170-190°C з одержанням сокової пари й розведеного розчину аміачної селітри, що доупарюють дроселюванням до атмосферного тиску або продувкою потоком попередньо підігрітого вихідного аміаку, утворення водяної пари в теплообміннику шляхом випаровування води за рахунок тепла реакції нейтралізації. Теплообмінник розміщують у зоні нейтралізації, сокову пару після нейтралізації направляють на підігрівання вихідних реагентів. Спосіб здійснюють за схемою, яка включає теплообмінники, реактор-нейтралізатор з встановленим у середині котлом-утилізатором, випарник сокової пари, дроселюючий пристрій, апарат очистки сокової пари шляхом псевдоректифікації, концентратор, лінії подачі вихідних/проміжних реагентів і видачі продукційних потоків. Спосіб забезпечує отримання водяної пари із тиском (9-12)·10 2 кПа, і сокової пари при використанні неконцентрованої азотної кислоти. Отриманий розчин аміачної селітри використовується для виробництва рідких комплексних азотомістких добрив або гранульованої аміачної селітри в грануляторах із киплячим шаром (2. А. с. СРСР № 1372853, МКВ С01С 1/18, надрук. 30.11.84). Недоліками відомого способу є: одержання 90% нітрату амонію; зниження безпеки процесу установленням у середині реактора котлаутилізатора та введенням до реактора пароаміачної суміші. Відомий реактор каталітичних процесів з екзотермічним ефектом містить корпус з торцевими кришками, технологічними штуцерами, теплообмінні елементи, виконані у вигляді співвісно розташованих тр уб різної довжини, що закріплені в трубній решітці, яка має перфорацією для рівномірного розподілу по перерізу апарата, вхід теплоносіїв у труби відбувається з окремих розподільних камер, вихід - із загальної, співвідношення довжин труб теплообмінних елементів становить 2:13:1. Реактор використовується у нафто хімічній та нафтопереробній промисловості для проведення процесів у стаціонарному шарі каталізатора (3. Заявка РФ № 93039632, МПК B01J 8/06, надрук. 27.06.96, БВ № 18). Одержання нітрату амонію не вимагає наявності каталізатора та трубної решітки з перфорацією. Проведення процесу в теплообмінних елементах, які виконані у ви гляді концентрично розташованих труб різної довжини, робить реакційну зону подоженою й малоефективною щодо використання тепла екзотермічної реакції - нейтралізації. Найбільш близьким за технічною суттю та результатом, що досягається, є спосіб одержання нітрату амонію, який включає нейтралізацію 60-65% азотної кислоти (t=30°C) аміаком (t=10°C) при температурі 180-185°С і тиску, вище тиску насичених парів 5-6 абс.бар. (або (5-6)·102 кПа), упарювання розчину нітрату амонію, що утворився з використанням тепла розчину, який циркулює зі стадії ней тралізації, в утвореному розчині нітрату амонію перед упарюванням знижують тиск до тиску випаровування, кількість циркулюючого розчину підбирають з умови підтримки завданих режимів температури й тиску стадій нейтралізації. Спосіб здійснюють за схемою, що включає реактор, який виконано у вигляді суцільного апарату з внутрішнім переливним пристроєм, виносний пристрій, що складається з трубопроводу та холодильника, зв'язаний з верхньою частиною для регулювання тиску в реакторі, трубопроводи, редукційний клапан, випарник (одно- або багатоступінчастий), випарник пари, насоси, гідрозатвори, ємність, конденсатор, збірник, вакуумний насос, теплообмінник для одержання гріючої пари, теплообмінники для підігріву аміаку та азотної кислоти, промивач (одно- або багатоступінчастий) (4. Патент СРСР № 1367853, МКВ С01С 1/18, надрук.15.01.88, БВ № 2 - прототип способу). Недоліки прототипу способу в такому: - контур, за яким циркулює розчин нітрату амонію, включає випарник (одно-/багатоступінчас-тий) і теплообмінник для одержання гріючої пари, тобто 2 додаткових апарати. Випарник дозволяє використовувати надлишкове тепло, але тільки за наявності 2-х або більше ступенів, що ускладнює конструкцію, подовжує циркуляцію розчину по контуру; - використання азотної кислоти 60-65% концентрації при тиску (5-6)·102 кПа призводить до зменшення коефіцієнта корисного використання тепла нейтралізації та зниження тиску пари. Найбільш близьким за конструкцією є реактор для гетерогенного каталізу, який містить вертикальний циліндричний корпус із торцевими кришками, технологічними патрубками вводу і виводу матеріальних потоків, вн утрішні реакційні труби, розміщені уздовж і прикріплені до верхньої та нижньої перфорованої трубних дощок, із концентрично встановленими центральними трубками, які перфоровані по всій довжині та заглушені на кінцях по ходу газового потоку, вхідну і вихідн у камери, розміщені, відповідно, над та попід трубними дошками й обмежені торцевими кришками, простори між реакційними трубами і центральними трубками заповнені частками твердого каталізатора (5. А. с. СРСР № 1699584, МКІ B01J 8/06, надруковано 23.12.91 БВ № 47 - прототип реактора). Недоліки прототипу реактора в такому: - розміщення центральних тр убок по всій довжині в реакційних тр убах призводить до невиправданого збільшення металоємності конструкції, зниження ефективності процесу нейтралізації через проскакування аміаку, який не прореагував з азотною кислотою, погіршення якості отриманого готового продукту; - потрібно встановити додатковий апарат для охолодження нітрату амонію після реактора. В основу винаходу поставлено задачу вдосконалення способу одержання нітрату амонію і трубчастого реактора для проведення екзотермічних реакцій шляхом нейтралізації аміаком при температурі, під тиском азотної кислоти, яка подається в потоці розчину-теплоносія, зниження тиску в розчині нітрату амонію, що утворився, до тиску випаровування, упарювання цього розчину з використанням тепла нейтралізації від розчину, який циркулює зі стадії нейтралізації по замкненому конту 2 33681 ру, що в сукупності з конструкційними елементами трубчасто го реактора виключає споживання додаткового тепла на стадії випарки, забезпечуючи тривалу, безпечну роботу в оптимальному технологічному режимі з досягненням високої концентрації готового продукту. Поставлена задача досягається тим, що в способі одержання нітрату амонію і трубчастому реакторі для проведення екзотермічних реакцій нейтралізацію азотної кислоти аміаком проводять при температурі 170-180°С під тиском, зниження тиску в розчині нітрату амонію, що утворився, до тиску випаровування, упарювання цього розчину з використанням тепла нейтралізації від розчину, який циркулює зі стадії нейтралізації по контуру, кількість циркулюючого розчину підбирають за умов підтримання завданих режимів температури та тиску стадії нейтралізації, згідно зі способом, нейтралізацію 50-56 мас.% азотної кислоти в потоці розчину-теплоносія проводять в трубчастому реакторі під тиском (6-7)·102 кПа, наприклад, 6475 мас.% розчину щолоків (лугів) аміачної селітри, який циркулює по замкненому контуру: реактортеплообмінник-насос-сепаратор-реактор. Реактор містить вертикальний циліндричний корпус із торцевими кришками, технологічними штуцерами та теплообмінні елементи, внутрішні реакційні труби, яких розміщені уздовж і прикріплені до трубних дощок, в реакційних труба х концентрично встановлені центральні перфоровані трубки, заглушені на кінцях по ходу газового потоку, вхідну та ви хідну камери, обмежені трубними дошками і торцевими кришками, згідно з пристроєм, центральні трубки реактора, що закріплені в трубній дошці, знаходяться в реакційних трубах на (3-4)·D, площа перфорації дорівнює 1,5pd/4 при висоті перфорації (3-4)·D, діаметри зв'язані співвідношенням d:D=1:1,5:2,5, де D - діаметр реакційних труб, d діаметр центральних трубок, число реакційних зон, яке дорівнює кількості труб, визначається продуктивністю, вхід реакційних потоків здійснюють у центральні трубки з вхідної камери, в реакційні труби - з розподільної камери, утвореної обичайкою, один торець якої встановлений із зазором над торцевою кришкою, інший - прикріплений до трубної дошки реактора, реактор додатково обладнано вузлом подачі рідини, що трубопроводом з'єднує міжтрубний з трубним простори, містить вертикальну циліндричну обичайку, вхідну камеру, обмежену кришкою із штуцером та змішувальну камеру, утворену перехідним конусом, обичайкою і трубною дошкою, в якій одним кінцем закріплені вертикальні трубки. Нейтралізація під тиском (6-7)·102 кПа в трубчастому реакторі дозволяє знизити концентрацію азотної кислоти від 57-60%, 60-65% до 50-56%, підвищити коефіцієнт корисного використання тепла нейтралізації, що виключає перегрів аміаку, зменшити агресивність кислоти і подовжити строк служби реактора циркуляцією розчина-теплоносія концентрацією 64-75% по замкнутому контуру: реактор-теплообмінник-насос-сепаратор-реактор. Теплообмінні елементи виконують дві функції: - кожна реакційна труба працює мініреактором, конструкційно виконаним як труба в трубі; - свою основну теплообмінну функцію щодо зняття екзотермічного тепла із зовнішніх стінок ре акційних труб, що не вимагає додаткового охолоджуючого пристрою. Перфоровані за висотою на (3-4)·D з площею перфорації 1,5pd/4 центральні трубки і заведені в реакційні труби на (3-4)·D - необхідні та достатні умови повного контактування газоподібної та рідкої фаз без проскоку газу. Циліндрична обичайка, основний конструкційний елемент розподільної камери, забезпечує рівномірний напрям потоків у всі реакційні труби, знімаючи динамічну напруженість з дільниці центральних трубок. У вузлі подачі рідини досягається безпечний технологічний режим змішування рідких фаз, який забезпечує сте хіометрично повну однорідність суміші, що отримана. Вся сукупність пропонованих технічних прийомів та конструкційних елементів дозволяє тривалий час працювати в оптимальному технологічному режимі, досягаючи високий вихід по готовому продукту при використанні екзотермічного тепла нейтралізації у власному виробництві на стадії випарки - без сторонніх теплоносіїв. Сутність винаходу пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 подана схема одержання нітрату амонію, на фіг. 2 - поздовжній розріз трубчастого реактора для проведення екзотермічних реакцій. Приклади конкретного виконання способу та порівняльна характеристика з аналогами і прототипом подані в таблиці. На схемі (фіг. 1) показані: Р1 - трубчастий реактор, Т2 - підігрівач кислоти, (ТЗ - підігрівач аміаку, за необхідності), НЗ - насос циркуляційний, Т4 теплообмінник і С8 - сепаратор 2 ступеня, С5 - сепаратор циркуляції, Т6 - теплообмінник і С7 - сепаратор 1 ступеня, Е9 - гідрозатвор. Трубчастий реактор (фіг. 2) для проведення екзотермічних реакцій містить вертикальний циліндричний корпус 1 з торцевими кришками 2 і 3, технологічні штуцери 4, 5, 6, 7, 8 і 9, реакційні труби 10, які розміщені уздовж і прикріплені до трубних дощок 11, 12, в реакційних труба х 10 концентрично встановлені центральні трубки 13 з перфорацією 14, заглушені на кінцях по ходу газового потоку, одним кінцем закріплені у трубній дошці 15, вхідну і вихідн у камери, обмежені трубними дошками 11, 12 і торцевими кришками 2, 3, розподільну камеру 16, утворену обичайкою 17, один торець якої встановлений із зазором над трубною дошкою 15, другий - прикріплено до трубної дошки 11, штуцери 5, 7 і 8, які з'єднують міжтрубний 18 і трубний19 простори реактора, об’єднані трубопроводом 20 у вузол подачі рідини, який містить циліндричну обичайку 21, кришку 22 з штуцером 7, перехідний конус 23, вхідн у камеру, обмежену кришкою 22, змішувальну камеру 24, утворену конусом 23, обичайкою 21 і трубною дошкою 25, в якій одним кінцем закріплені вертикальні трубки 26. Спосіб одержання нітрату амонію за допомогою тр убчастого реактора для проведення екзотермічних реакцій (приклади 1-3) здійснюється таким чином. Для заповнення циркуляційного контуру по рекуперації тепла 64-70% розчин аміачної селітри з температурою 140-143°С із сепаратора С5 насосом НЗ під тиском (6-7)·102 кПа подається крізь вхідний штуцер 4, міжтрубний простір 18 трубчас 3 33681 того реактора Р1, вихідний штуцер 5, змішувальну камеру 24, трубопровід 20, розподільну камеру 16, реакційні труби 10 (16-25 шт. D=80-125 мм), вихідну камеру, штуцер 9 виходу з реактора на всас циркуляційного насоса НЗ. Потім циркулюючий по замкнутому контуру розчин щолоків (лугів) аміачної селітри змішується з 50-56% азотною кислотою (після підігрівача Т2 з t=50°C), яка поступає крізь штуцер 7 вузла подачі рідини, вхідну камеру, вертикальні трубки 26 (8-12шт. Æ=20-32 мм), в змішувальній камері 24, по трубопроводу 20 суміш направляється із розподільної камери 16 в реакційну зону реактора. Одночасно крізь вхідний штуцер 6, під тиском (6-7)·102 кПа подається газоподібний аміак (з t=30-90°С по технологічному тр убопроводу виробництва аміаку, або після підігрівача ТЗ) по центральних трубках 13 (16-25 шт. D=50-80 мм), крізь перфорацію 14 (площею 3000-7500 мм), в реакційну зону висотою 240-500 мм. Аміак нейтралізує кислоту, що циркулює в потоці розчинутеплоносія з виділенням надлишкового тепла, яке знімається із зовнішньої поверхні реакційних тр уб 10 розчином аміачної селітри, що циркулює у міжтрубному просторі 18. Перегрітий розчин із концентрацією 64-75% і температурою 170-180°С по труба х 10, крізь вихідну камеру, штуцер 9 надходить у теплообмінник Т4, віддаючи частину тепла на випаровування, і сепаратор циркуляції С5. У сепараторі під тиском (1,5-2,0)·102 кПа розчин розширюється, закипає, утворена сокова пара відділяється від розчину та надходить на обігрівання теплообмінника Т6 і підігрівача Т2 азотної кислоти (ТЗ - аміаку за потребою), надлишок сокової пари відводиться в мережу на внутріцехові потреби. Частина розчину із сепаратора С5 надходить на всас насоса НЗ, утворюючи контур циркуляції: -Р1Т4-С5-НЗ-Р1-, а продукційний потік розчину концентрацією 72-75% надходить у Т6, потім парорідин на суміш розділяється в сепараторі С7 під Р=300 кПа. Сокова пара відводиться в мережу, розчин концентрацією 82-85% надходить у теплообмінник Т4, потім в сепаратор С8, де сокова пара при тиску і t=155°C відділяється і відводиться в мережу, розчин подається в апарат доупарювання плаву, де концентрується до 99,0-99,7% і направляється на грануляцію. Кількість газоподібного аміаку, необхідна для проведення нейтралізації, визначається продуктивністю трубчастого реактора, кількість азотної кислоти знаходиться в стехіометричній залежності від аміаку, що подається в реактор. Межі тиску процесу нейтралізації вибрані в інтервалі 600-700 кПа (таблиця). Верхня - обмежена економічною доцільністю одержання нітрату амонію високої концентрації, необхідною для його подальшого використання. Нижня межа - застосуванням розведеної азотної кислоти і одержанням сокової пари, необхідних параметрів. Замкнутий контур -реактор-теплообмінник-сепаратор-насосреактор-, вибраний із мінімальними капітальними витратами, бо використовуються апарати, що працюють у відомому виробництві одержання нітрату амонію. Таким чином, пропонований спосіб отримання нітрату амонію та конструкція трубчастого реактора для проведення екзотермічних реакцій, дозволяють вести процес нейтралізації азотної кислоти газоподібним аміаком з утворенням щолоків (лугів) аміачної селітри в достатньо безпечному режимі, тому що реактор являє собою міні-реактори, кількість яких дорівнює числу трубок, кожна з яких охолоджується циркуляційним розчином щолоків (лугів), віддаючи тепло реакції в циркуляційному контурі на випарку знов утворених щолоків (лугів), при зниженні теплонапруженості трубок та динамічного навантаження. Таблиця Прилади конкретного виконання способу одержання нітрату амонію в тр убчастому реакторі та порівняльна характеристика з відомими способами Вихідні реагенти, продукти (проміжні, готовий, побічні), параметри, одиниці вимиру Азотна кислота Тиск, х102, кПа Температура, °С Розчин-теплоносій, NH4NO3, мас.% Вихід: Проміжний продукт, NH4NO3 з реактора, %мас Тепло з реактора на обігрів/випаровування, х103, МДж/г Готовий продукт, NH4NO3, %мас Продуктивність, т/год. Побічний продукт, сокова /вторинна пара, Гкал/т з тиском, х102, кПа Пропонований Приклади 1-3 50-56 6-7 170-180 64-75 Способи одержання нітрату амонію Прототип № 490750 № 1372853 Приклади 1-2 Приклади 1-2 Приклади 1-9 60-65 40-60 57-60 5-6 вакуум 2-6,5 180-185 180-190 170-190 65,6-70,2 24-44 74,9-88,2 72-75 70,2-74,8 Дані відсутні 76-86 32,5 99,5-99,7 68,29-75,34 0,21-0,32 до 2,0 32,24 98,0-99,7 59,36-63,56 Дані відсутні 0,3 Дані відсутні 60-65 Дані відсутні Дані відсутні Дані відсутні Дані відсутні 80-90 Дані відсутні 0,05-0,18 4,9-2,0 4 Фіг. 1 33681 5 33681 Фіг. 2 6 33681 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 7