Спосіб конденсації парів аміаку, вуглекислого газу і води та пристрій для його здійснення

1. Способ конденсации паров аммиака, углекислого газа и воды, образующихся при обработке раствора, поступающего из реактора получения мочевины, включающий охлаждение паров аммиака, углекислого газа и воды в карбаматном конденсаторе, снабженном пучками труб U-образной формы, с последующей рециркуляцией части полученного раствора карбамата и рекуперированием теплоты конденсации с образованием водяного пара, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что стадию рециркуляции части раствора карбамата осуществляют внутри конденсатора. 2. Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что отношение количества жидкости к количеству паров на входе в трубы конденсатора поддерживают в пределах от 4 до 46 вес.ч. 3. Способ по п.2, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что отношение количества жидкости к количеству паров на входе в трубы конденсатора поддерживают в пределах от 5 до 10 вес.ч. 4. Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем 5 что отношение между количеством циркулирующего раствора и количеством раствора карбамата, богатого водой, поддерживают в диапазоне от 4 до 30 вес.ч. 5. Способ по п.1, о т л и ч а ю щийся тем, что отношение между количеством циркулирующего раствора и количеством раствора карбамата, богатого водой, поддерживают в диапазоне от 6 до 10 вес.ч. 6. Устройство для конденсации паров аммиака, углекислого газа и воды, образующихся при обработке раствора, поступающего из реактора получения мочевины, содержащее корпус конденсатора с пучками труб U-образной формы, закрепленных в трубной решетке, расположенной на одном из торцов корпуса конденсатора, распределительную камеру, примыкающую к трубной решетке и снабженную перегородкой для разделения камеры на входную зону и выходную зону, патрубок для ввода паров, патрубок для выпуска сконденсированного раствора и возвратную трубу для рециркуляции сконденсированного раствора карбамата, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что входной конец возвратной трубы расположен в выходной зоне камеры, а выходной конец трубы расположен во входной зоне камеры; и оно дополнительно содержит размещенный во входной зоне распределительной камеры эжектор для смешивания рециркулирующего раствора со свежим, обогащенным водой раствором карбамата, трубопровод, соединенный с указанным патрубком для ввода паров и имеющий выход в периферийной части входной зоны распределительной камеры. 7. Устройство по п.6, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что выходной конец указанного трубопровода для подачи паров выполнен тороидообразным и перфорированным. 00 о 26895 Изобретение относится к химической технологии получения аммиака и углекис- * лого газа, а именно к способу улучшения работы и уменьшения эффектов коррозии, в условиях высоких температур и дав- 5 лений, при конденсации аммиака, углекислого газа и водяных паров, которые получают из систем так называемого "стриппинга" раствора в реакторе получения мочевины, причем указанная конденсация 10 проводится с помощью конденсатора карбамата, в особенности типа "Кеттл" с пучком труб, в котором часть выхода карбаматного растворителя рециркулируется. Как известно, в установках производст- 15 ва мочевины посредством изобарического стриппинга большинства не прореагировавших веществ содержащихся в растворе мочевины, выходящим из реактора, которые используют в качестве агентов 20 стриппинга - часть подающегося в реактор углекислого газа или аммиака, так называемые пары стриппинга, конденсируют в подходящих теплообменниках, регенерируя тепло при указанной конденса- 25 ции с получением пара низкого (4-5 бар) давления (Заявка ЕПО № 0002298, С 07 С 126/00, опублик 13 06.79, Бюл. 79.12; заявка Англии № 2157687, С 07 С 126/0?, опублик. 30 10.85). 30 Говоря о конденсации, необходимо подавать в конденсатор раствор карбамата, идущий из секции перегонки ниже по потоку и содержащий достаточно воды, чтобы карбамат также оставался в растьоре. 35 Особый интерес представляют карбаматные конденсаторы с горизонтальными U-образными трубами в теплообменнике, известные под названием горизонтальных конденсаторов типа "Кеттл", обычно ис- 40 пользуемые в производстве мочевины на основе процесса Снампрогетти. Эта ступень конденсации очень критична и требует сложной комбинации параметров работы: фактически необходи- 45 мо, чтобы подлежащие конденсации пары (аммиака, углекислого газа, воды) были тонко распределены в растворе карбамата, богатом водой, который служит в качестве поглотителя и поступает из секции 50 процесса ниже участка синтеза, так что может происходить высокотемпературна» конденсация с производством при этом пара максимально возможного давления; кроме того, нужно защищать детали (по- 55 верхность конденсации), обычно выполняя их из нержавеющей стали для снижения стоимости, от коррозии, так как жидкости в процессе имеют очень сильное коррозирующее действие. Конденсаторы типа "Кеттл", обычно используемые в современных установках, сильно ограничивают срок службы и не могут обеспечить оптимальных условий процесса, имеют различные ограничения и недостатки, среди них следующие. - разделение (или сегрегация) в сопле конденсатора жидкости от паров, с "последующим сбором паров в верхней части пучка или трубного листа, а жидкости в нижней части указанного листа. Это разделение является следствием малой скорости циркуляции жидкостей (прибл. 0,1 м/с) и большой разностью удельных весов жидкости и пара. Следовательно, соотношение жидкости и пара в зоне, обращенной к трубному листу, в большинстве труб не будет оптимальным, и конденсация будет затруднена. Чтобы преодолеть эту трудность, необходимо существенно увеличить площадь обмена, что вызывает необходимость увеличения размера устройства и его стоимости. Кроме того, разделение компонентов жидкости и пара вызывает снижение температуры полученного пара относительно теоретически возможной величины; - коррозия трубного листа и труб (поверхности обмена конденсатора) вызываемая указанным выше разделением двух фаз. Одна из предосторожностей, обычно принимаемых для снижения отрицательного эффекта этого явления - это ввод в систему, например, воздуха, который достигает карбаматного конденсатора сквозь пары продуктов стриппинга, подлежащие конденсации. Тем не менее, необходимо гарантировать равномерную пассивацию всех площадей устройства, избегая образования зон застоя жидкости, или циркуляции жидкости со слишком малой скоростью, недостаточной для обеспечения необходимого подвода пассивирующего кислорода ("мертвые точки", образование зон повышенной температуры); - несовершенное распределение пассивирующего воздуха, как описано выше, содержащегося в парах, даст преимущества для верхних труб карбаматногб конденсатора по отношению к нижним трубам. Были предложены способы (заявка на патент Италии № 23214), в которой описан конденсатор с пучком горизонтальных труб с рециркуляцией снаружи конденсатора части карбаматного раствора, выходящего из этого аппарата, и эта сие 26895 тема изучалась с точки зрения решения критического аспекта смешивания поглощающего раствора и паров, подлежащих конденсации^чтобы обеспечить оптимальное распределение (пропитывание) смеси паров и жидкости на внутренней стороне труб указанного конденсатора. Это лишь частично и неудовлетворительно решает существующие проблемы в указанном выше оборудовании. В качестве прототипа заявляемого способа выбран способ конденсации паров аммиака, углекислого газа и воды, образующихся при обработке раствора, поступающего из реактора получения мочевины, включающий охлаждение паров аммиака, углекислого газа и воды в карбаматном конденсаторе, снабженном пучками труб U-образной формы, с последующей рециркуляцией части полученного раствора карбамата и рекуперированием теплоты конденсации с образованием водяного пара (Патент Франции № 2308615, С 07 С 126/00, 1976). В качестве прототипа устройства выбрано устройство для конденсации паров аммиака, углекислого газа и воды, образующихся при обработке раствора, поступающего из реактора получения мочевины, содержащее корпус конденсатора с пучками труб U-образной формы, закрепленных в трубной решетке, расположенной на одном из торцов корпуса конденсатора, распределительную камеру, примыкающую к трубной решетке и снабженную перегородкой для разделения камеры на входную зону и выходную зону, патрубок для ввода паров, патрубок для выпуска сконденсированного раствора и возвратную трубу для рециркуляции сконденсированного раствора карбамата (Патент Франции № 2308615, С 07 С 126/00, 1976). Однако, прототип не обеспечивает достаточного коренного улучшения работы и увеличения срока службы устройства, незначительно уменьшает коррозию в карбаматных конденсаторах типа "Кеттл". Задача изобретения - предложить процесс, в котором упомянутые выше недостатки были бы устранены, обеспечить более высокую температуру производимого пара, также как и более высокую конденсацию карбамата, значительно улучшая таким образом работу и срок службы конденсатора. Указанная задача решается во-первых тем, что в известном способе конденсации паров аммиака, углекислого газа и воды, образующихся при обработке раст 5 10 1520 25 30 35 40 45 50 55 вора, поступающего из реактора получения мочевины, включающий охлаждение паров аммиака, углекислого газа и воды в карбамагном конденсаторе, снабженном пучками труб U-образной формы, с последующей рециркуляцией части полученного раствора карбамата и рекуперированием теплоты конденсации с образованием водяного пара: изменяют стадию рециркуляции части раствора карбамата, которую осуществляют внутри конденсатора; поддерживают отношение количества жидкости к количеству паров на входе в трубы конденсатора поддерживают в пределах от 4 до 46 вес.ч. или в пределах от 5 до 10 вес.ч.; поддерживают отношение между количеством циркулирующего раствора и количеством раствора богатого водой карбамата в диапазоне от 4 доЗО весч., или в диапазоне от 6 до 10 вес.ч. Указанная задача решается также тем, что в известном устройстве конденсации паров аммиака, углекислого газа и воды, образующихся при обработке раствора, поступающего из реактора получения мочевины, содержащее корпус конденсатора с пучками труб U-образной формы, закрепленных в трубной решетке, расположенной на одном из торцов корпуса конденсатора, распределительную камеру, примыкающую к трубной решетке и снабженную перегородкой для разделения камеры на входную зону и выходную зону, патрубок для ввода паров, патрубок для выпуска сконденсированного раствора и возвратную трубу для рециркуляции сконденсированного раствора карбамата, изменяют конструкцию возвратной трубы таким образом, что входной конец возвратной трубы расположен в выходной зоне камеры, а выходной конец трубы расположен во входной зоне камеры; вводят дополнительно новые узлы: размещенный во входной зоне распределительной камеры эжектор для смешивания рециркулируемого раствора со свежим, обогащенным водой раствором карбамата, трубопровод, соединенный с указанным патрубком для ввода паров и имеющий выход в периферийной части входной зоны распределительной камеры, кроме того изменен выходной конец указанной трубопровода для подачи паров, который выполнен тороидообразным и перфорированным. Имеется много преимуществ работы, которые возникают при реализации заявляемого изобретения. 26895 Образование карбамата в условиях работы конденсатора связано больше со способностью системы поглощать большое количество тепла реакции, чем его кинетической природой: чем выше будет эта способность, тем легче будет образование карбамата. В зоне перед входом в трубы конденсатора, где контактируют холодный раствор карбамата, богатый водой, и горячие, подлежащие конденсации пары, происходит почти мгновенная реакция между аммиаком и углекислым газом с образованием карбамата. Адиабатическая реакция прерывается, если температура раствора будет в равновесии с паровой фазой. В результате имеется предварительная конденсация карбамата и малой части углекислого газа, тогда как остальная часть будет конденсироваться в трубах конденсатора с возникновением указанных выше проблем. В особенно простом и выгодном пути по способу и устройству, заявленным по изобретению, возможно при условии, что рециркулируемый раствор карбамата холоднее, чем раствор, богатый водой, и поэтому способен поглощать тепло, значительно повысить образование карбамата в зоне, обращенной к трубному листу конденсатора. Среди многих полученных результатов, ограничимся перечислением: - заметное увеличение скорости потока жидкости в трубах; - 'заметное снижение скорости потока пара в трубах; - значительное уменьшение отношения пар/жидкость в зоне, обращенной ко входу труб конденсатора. Вследствие более высокой скорости потока жидкости и, соответственно, большего перепада давления на сопле, станет возможным получить более равномерное распределение жидкостей на входе в трубы и внутри труб, получая более высокий термический КПД и лучшее распределение пара, а поэтому и пассивирующего воздуха по всему конденсатору, с практическим устранением упомянутой выше коррозии. Дополнительно, благодаря более высокому термическому КПД, можно повысить тепловой уровень полученного пара. Часть предварительно сконденсированного карбамата в зоне, обращенной ко входу труб, может быть с успехом увеличена, чтобы получить почти полную конденсацию паров стриппинга в указан 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 8 ной зоне перед входом в трубы конденсатора. Оптимальные результаты можно получить, ограничивая упомянутую выше предварительную конденсацию до весового отношения жидкости к пару 4-46, лучше, если 4-20, и предпочтительно в диапазоне 5-10; таким образом, отношение между рециркулируемои жидкостью и раствором карбамата, богатым водой, поддерживается в диапазоне между 4 и 30, лучше между 6 и 15, и еще лучше между 6 и 10. Особенно удивительным является то, что недостатки, упомянутые выше, могут быть блестяще и просто разрешены изменением уже существующего конденсатора карбамата типа "Кеттл" по данному изобретению. Различные аспекты и преимущества изобретения поясняются более подробно с помощью чертежей. На фиг.1 показан эскиз разреза схематически в осевой плоскости конденсатора типа "Кеттл" с горизонтальным полотном труб традиционного типа; на фиг.2 - эскиз разреза зоны, обращенной к полотну труб, конденсатора типа "Кеттл" горизонтального типа с показом новых устройство по предпочтительному варианту; на фиг.З - эскиз разреза с частичными осевыми плоскостями конденсатора типа "Кеттл" вертикального типа, имеющего рециркуляцию карбамата внутри зоны, обращенной к полотну труб с термосифонной циркуляцией. На фиг.1 показан теплообменник 1 горизонтального типа с трубным листом 2 труб U-образной формы, исходящих от листа 2 на входе теплообменника 1, лист отделяет трубы 3 от зоны входа 4 и зоны выхода 5 смеси жидкости с паром, разделенных стенкой 6. Раствор карбамата, богатый водой 7, идущий из секции перегонки ниже по процессу (не показано), и пары стриппинга 8 протекают вместе через сопло 9 в камеру 4, где они смешиваются, прежде чем войти в трубы 3 через сопло 10 трубного листа, откуда они текут вниз через выход 11 листа 2 к выходу из устройства, пересекая зону выхода 5, через отверстие 12. Вода для теплообмена подается в теплообменник через трубопровод 13 и собирается в виде водяного пара трубопроводом 14. Фиг.2 показывает подробным образом часть, обращенную к трубному листу 2 теплообменника 1, с двумя зонами 4 и 5, отдельными и герметизированными друг 26895 от друга стенкой 6. К фланцу 15 указанного теплообменника 1 присоединено питающее отверстие 16 фланцевым концом 17, 18 с размерами, достаточными для размещения возвратной трубы 19 и эжектора 20. Питающее отверстие 16 оборудовано выходом 21 для сконденсированного раствора 22, подлежащего подаче в реактор, и с отверстием 23 для вставления сопла эжектора 24. Предусмотрен также трубопровод 25 внутри пересекающий зону 4 и 5, с концом в виде отрезка тора 26, расположенным по окружности зоны 4 для оптимального распределения паров стриппинга, которые входят из отверстия 27 указанного трубопровода 25. Раствор карбамата, богатый водой 7 (моторная жидкость), входит через сопло эжектора 24 в отверстие 16, смешивается в отверстии 28 эжектора 20 с рециркулируемым раствором карбамата 29, и затем входит из выхода эжектора 30 в зону 4, где приходит в тесное взаимодействие с парами стриппинга 8, способствуя предварительной конденсации, прежде чем проходить через трубный лист 2. Сконденсированная смесь 22-29, выходящая через лист 2, входит в отверстие 31 возвратной трубы 19, расположенной на окружности зоны 5 для избежания скопления инертного материала ("мертвые точки") и частично рециркулируется раствором карбамата 29 внутри самого конденсатора, а частично сконденсированный раствор 22 направляется в реактор синтеза на его вход (не показано). Фиг.З показывает карбаматный конденсатор типа "Кеттл" с вертикальной связкой труб, имеющий термосифонную циркуляцию контура рециркуляции карбамата внутри зоны, обращенной к трубному листу. Описанный ниже сравнительный пример, в котором сравнивается традиционный конденсатор типа "Кеттл" (как показано на фиг. 1) с классическим конденса 5 10 15 20 25 30 35 40 45 10 тором типа "Кеттл", модифицированным по способу и заявленными устройствами изобретения (см. фиг.2) еще лучше показывает преимущества изобретения. Сравнительный пример. В нормальном комплекте по фиг.1 25000 кг/час раствора карбамата 7 входят через сопло 9 при 76°С и 150 барах, со следующим составом: аммиака 47,12% по весу, углекислого газа 17,46% по весу, воды • 35,42% по весу, и подается 50000 кг/час паров 8 при 190°С и 150 барах со следующим составом: аммиака 56,74% по весу, углекислого газа 32,60% по весу, воды (пара) 10,66% по весу. В смесителе 4 две жидкости смешиваются с частичной конденсацией паров (приблизительно 18% паров конденсируются, поднимая температуру жидкой фазы до 170°С). На входе труб конденсатора 10 имеются следующие расходы: жидкости приблизительно 34000 кг/ч пара 41000 кг/ч Весовое отношение жидкости к парам на входе труб равно 0,83. Конкретно, в камере 4 приблизительно конденсируется 33% паров, и температура возрастает до 175°С. На входе труб конденсатора наблюдаются следующие расходы: жидкости 191700 кг/ч пара 33300 кг/ч с соотношением по весу жидкости к парам равном 5,75 - приблизительно в 7 раз выше, чем при работе без внутренней рециркуляции. Именно это заметное увеличение жидкой фазы относительно паровой фазы обеспечивает более равномерное распределение двух фаз в трубах теплообменника, устраняя в зародыше причины плохой работы, на которые указывалось выше. 26895 14 96892 Фиг. 3 Упорядник Техред М. Келемеш Коректор М. Самборська Замовлення 538 Тираж Підписне Державне патентне відомство України, 254655, ГСП, Київ-53, Львівська пл., 8 Відкрите акціонерне товариство "Патент", м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101