КОМБИНИРОВАННЫЙ РЕАКТОР ДЛЯ СИНТЕЗА МЕЛАМИНА ПРИ ВЫСОКОМ ДАВЛЕНИИ
COMBINED REACTOR FOR MELAMINE SYNTHESIS AT HIGH PRESSURE

Область техники
Настоящее изобретение относится к синтезу меламина из мочевины. В частности, изобретение относится к реактору и соответствующим способам синтеза меламина при высоком давлении.
Уровень техники
Процессы синтеза меламина из мочевины обычно разделяют на каталитические процессы, проходящие при низком давлении, как правило, менее 1 МПа, и некаталитические процессы, проходящие при высоком давлении, как правило, выше 7 МПа. Эти процессы хорошо описаны в литературе (см., например, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 6 изд., том 21, стр. 205).
2
Один из известных процессов синтеза при высоком давлении, описанный, например, в US 6815545, содержит, в основном, три этапа: эндотермическую реакцию преобразования мочевины в меламин внутри первого реактора, называемого первичным реактором; второй этап удаления двуокиси углерода (CO) введением газообразного аммиака, и снижения содержания побочных продуктов, которые преобразуются в меламин, увеличивая степень конверсии, внутри вторичного реактора или стриппинг-реактора (для осуществления стриппинг-процесса); третий этап, в ходе которого газы, отделенные в верхней части первичного и вторичного реакторов (называемые "отходящими газами"), отводятся для промывания или мокрой очистки мочевиной, перед передачей в установку получения мочевины.
Установка, в которой осуществляется этот процесс, обычно построена по следующей схеме.
Установка содержит первичный реактор, вторичный реактор и скруббер, выполненные в виде отдельных корпусов цилиндрической формы. Жидкая мочевина или расплав мочевины подается в первичный реактор, где проводится первая ступень реакции, представляющая собой эндотермическую конверсию в меламин; продукт, выходящий из этого реактора, направляется во второй реактор, где он подвергается процессу очистки от содержащихся в нем газов с использованием газообразного аммиака. Жидкий меламин обычно сохраняется внутри этого вторичного реактора некоторое время выдержки (время созревания меламина) с тем, чтобы дать возможность побочным продуктам, сформировавшимся внутри первичного реактора, преобразоваться в меламин. Жидкий продукт, выходящий из вторичного реактора (расплав меламина), может отводиться для дальнейшего шага очистки.
2
Выделяющиеся внутри первичного реактора и внутри вторичного реактора газы формируют поток так называемых отходящих газов, содержащих в основном аммиак и CO с небольшими количествами меламина. Этот поток отходящих газов подвергается промывке расплавом мочевины внутри скруббера. При этом расплав мочевины нагревается перед его подачей в первичный реактор; отходящие газы с выхода скруббера, освобожденные от меламина, отводятся и, например, подвергаются повторному использованию для синтеза мочевины.
Давление обычно составляет примерно от 70 до 250 бар (7-25 МПа), как правило, примерно 100-120 бар (10-12 МПа).
Устройство известного первичного реактора описано в US 6815545. Реактор имеет вертикальный цилиндрический корпус; коаксиальную трубу внутри оболочки, открытую сверху; несколько нагревательных элементов, расположенных вокруг этой трубы для снабжения теплом эндотермической реакции. Этими нагревательными элементами могут быть вертикальные трубки с байонетным креплением, в которые подаются расплавленные соли. Мочевина подается снизу центральной трубы так, что реакция конверсии начинается внутри этой трубы и заканчивается в кольцевой секции реактора; сырой меламин заполняет реактор почти полностью, в то время как отходящие газы отделяются сверху. Коллектор для сбора меламина обычно располагается над трубой, в верхней части реактора.
Пример выполнения вторичного реактора описан в US 7041822. По существу, это цилиндрический вертикальный реактор, оборудованный соответствующими впускными отверстиями для сырого меламина, поступающего от первичного реактора, и для потока газообразного аммиака (вымывающий агент), и выпускными отверстиями для обработанного (промытого) меламина и для отходящих газов. В US 7311759 описан пример скруббера, также сформированного в виде в основном вертикального и осесимметричного цилиндрического корпуса, с противотоком отходящих газов и мочевины.
Описанные устройства, т.е., первичный реактор, вторичный реактор и скруббер, являются достаточно дорогими из-за жестких условий работы, требующих высококачественных материалов (например, сплавов никеля) и достаточно сложных конструкций. Наличие трех отдельных цилиндрических корпусов, помимо прочего, увеличивает стоимость установки. Для каждого цилиндрического корпуса требуется соответствующий фундамент и, кроме того, стоимость соединительных трубопроводов (также выполняемых из высококачественных материалов) также высока. Другим недостатком схемы построения с отдельными реакторами является то, что отходящие газы частично выделяются внутри первичного реактора и частично внутри вторичного реактора, требуя, таким образом, двух труб, которые должны быть соединены перед входным отверстием скруббера, усложняя тем самым систему трубопроводов.
С целью сокращения стоимости, в WO 2011/161215 предлагается комбинированный реактор, в котором функции первичного реактора, вторичного реактора и скруббера объединены в едином корпусе высокого давления. Этот комбинированный реактор сформирован в основном в виде горизонтального цилиндрического корпуса, включающего секции первичного и вторичного реакторов, и купола вертикальной колонны, выполняющего функцию скруббера.
Преимущество комбинированного реактора состоит в объединении трех устройств высокого давления в едином устройстве. Однако он имеет ряд недостатков и отрицательных свойств.
Первый недостаток состоит в том, что этот комбинированный реактор больше не обладает осевой симметрией обычных устройств, в частности, в секциях первичного и вторичного реакторов. Поэтому возникает необходимость в тщательном перепроектировании процесса синтеза, который очень зависит от динамики текучих сред и, следовательно, от фактической геометрии этих устройств. Процесс синтеза меламина, как хорошо известно, очень сложен и переход к совершенно иным геометрическим формам увеличивает расходы по проектированию и оптимизации, связанные с динамикой текучих сред и особенностями процесса.
Кроме того, горизонтальный корпус требует большой площади для его размещения на земле. Вертикальные установки обычно предпочтительнее, поскольку имеют более простые фундаменты и лучше используют выделенную для размещения оборудования площадь. Это имеет большое значение в случае модернизации имеющейся установки, когда новое или модифицированное оборудование должно быть размещено на имеющейся площади, или пространстве, занимаемом существовавшим ранее оборудованием. Вообще свободного места на заводе мало, и поэтому решение с горизонтальным реактором может оказаться нерациональным.
Другим недостатком является то, что купол может иметь большой диаметр, сравнимый с диаметром горизонтального корпуса, для обеспечения малой скорости движения газов. В результате, соединения между горизонтальным корпусом и куполом получается дорогим, особенно с учетом высокого рабочего давления. В горизонтальном корпусе требуется оставить большой проем, а такой проем требует соответствующего усиления. Все это увеличивает производственные расходы и отчасти уменьшает экономию, получаемую за счет замены трех устройств одним.
Путь движения потока отходящих газов также не оптимален, поскольку газы, выходящие из вторичного реактора, собираются сверху горизонтального реактора и передаются по горизонтали, пока они не достигают входа в купол, с соответствующим неоднородным распределением этих газов внутри секции скруббера.
В US 3432274 и US 5489339 раскрываются реакторы для синтеза меламина при высоких давлениях, где реакционные зоны расположены одна над другой.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение направлено на преодоление этих недостатков путем использования комбинированного ректора получения меламина, в котором обеспечивается проведение первичной реакции и вторичной реакции, и, в некоторых случаях, также и очистка газов, внутри единого корпуса высокого давления, без рассмотренных выше недостатков.
Лежащий в основе изобретения замысел состоит в том, чтобы создать внутри вертикального реактора коаксиальную вторичную реакционную камеру, располагающуюся снаружи первичной камеры и окружающую ее. Более того, верхняя часть реактора может быть выполнена с возможностью работы в качестве скруббера, благодаря чему образуется комбинация трех главных компонентов в едином вертикальном реакторе. При этом сохраняются вертикальное расположение реактора и осевая симметрия, что важно с практической точки зрения.
Эти задачи решаются в реакторе для синтеза меламина из мочевины в некаталитическом процессе при высоком давлении, согласно п. 1 приложенной формулы, имеющем вертикальный корпус реактора и содержащем:
оболочку, коаксиальную с вертикальным корпусом и расположенную внутри него, разделяющую внутри реактора первую реакционную камеру (5, 6) и вторую реакционную камеру, которые коаксиальны друг с другом, а вторая реакционная камера расположена вокруг первой камеры коаксиально с ней;
по меньшей мере одно впускное отверстие для расплава мочевины, для введения расплава мочевины в первую реакционную камеру;
по меньшей мере один канал подачи выходящего продукта из первой камеры во вторую камеру;
по меньшей мере одно впускное отверстие для введения газообразного аммиака во вторую реакционную камеру; и
по меньшей мере один коллектор для сбора жидкого меламина из второй реакционной камеры.
Первая реакционная камера и вторая реакционная камера также называются внутренней реакционной камерой и внешней реакционной камерой, соответственно.
Предпочтительно, реактор имеет центральную трубу, коаксиальную с упомянутой оболочкой и расположенную внутри нее, и разделяющую внутреннюю область и периферийную область первой реакционной камеры. В этом случае, более предпочтительно, чтобы по меньшей мере одно впускное отверстие для расплава мочевины обеспечивало введение расплава мочевины во внутреннюю область первой реакционной камеры.
Более предпочтительно, периферийная область внутри ограничена центральной трубой, а снаружи ограничена оболочкой.
Предпочтительно, вторая камера имеет в целом кольцевую форму. Предпочтительно, оболочка имеет цилиндрическую форму, а значит вторая (внешняя) камера имеет в целом цилиндрическую форму и образует кольцо вокруг первой (внутренней) камеры. Более предпочтительно, корпус реактора, центральная труба (где имеется) и вторая оболочка имеют цилиндрическую форму и коаксиальны друг с другом.
Вторая камера выполняет функцию вторичного стриппинг-реактора, поскольку в нее подается газообразный аммиак. Первая камера и вторая камера могут поэтому быть определены, соответственно, как первичная секция конверсии и вторичная секция очистки.
Оболочка по существу разделяет внутреннее пространство реактора на две соединяющиеся секции: первичную секцию внутри оболочки и вторичную секцию, или секцию очистки, сформированную второй реакционной камерой.
Первичная секция включает по существу две области, связанные друг с другом: область внутри центральной трубы, где начинается реакция, и область между трубой и оболочкой, где, предпочтительно, устанавливаются нагревательные элементы и завершается реакция, а сырой меламин собирается наверху.
Поскольку две секции связаны друг с другом, сырой меламин, синтезированный в первой секции (первой реакционной камере), перетекает во вторую секцию (вторую реакционную камеру).
В предпочтительном варианте выполнения, внутренняя оболочка проходит вверх до высоты, превышающей высоту трубы, и край этой оболочки служит распределителем перелива для снабжения второй реакционной камеры.
Предпочтительно, реактор имеет нагревательные элементы, размещенные в области между трубой и оболочкой, для подвода тепла к массе расплава меламина и поддержания высокой температуры внутри реактора с тем, чтобы поддерживать эндотермическую реакцию конверсии мочевины в меламин.
Нагревательные элементы могут состоять из трубок, проходящих через текучую среду. В предпочтительном варианте выполнения, эти нагревательные элементы содержат трубки с байонетным креплением, проходящие через горячую текучую среду, например, расплавленные соли. А других вариантах выполнения, они могут содержать пучок обычных трубок или эквивалентные им средства. Конкретная форма нагревательных элементов не существенна для настоящего изобретения.
Предпочтительно, реактор включает распределитель газообразного аммиака для введения аммиака во вторую камеру, с распределением по ее основанию. Например, распределитель аммиака может быть сформирован в виде тороидального тела, расположенного у основания второй камеры.
Реактор, предпочтительно, также содержит коллектор для сбора жидкого меламина со дна второй камеры, который, в более предпочтительном варианте, делает это в распределенной форме.
2
Главным преимуществом реактора, имеющего такую конструкцию, является объединение функций, обычно присущих, соответственно, первичному реактору (конверсия мочевины в меламин) и вторичному реактору (очистка от CO с помощью аммиака), с сохранением вертикальной конструкции, имеющей осевую симметрию. При этом сохраняются и даже подчеркиваются все известные особенности динамики текучих сред, связанные с осевой симметрией процесса.
Преимущество изобретения состоит в исключении устройства высокого давления (т.е., вторичного реактора), что достигается за счет небольшого увеличения наружного диаметра нового устройства, в то время как общая высота в основном сохраняется такой же, что и у одиночного первичного реактора. Например, внутренний диаметр устройства, объединяющего два реактора в соответствии с настоящим изобретением, только примерно на 20% больше диаметра первичного реактора в известных установках. Более того, на вторую оболочку не воздействует значительный перепад давления и, хотя она и выполняется из высококачественного материала, ее толщина может быть меньше, а стоимость, соответственно, ниже. Таким образом, можно утверждать, что объединенный реактор, в соответствии с изобретением, имеет стоимость несколько больше стоимости обычного первичного реактора, но обладает большим преимуществом, состоящим в исключении вторичного реактора и соответствующего фундамента, а также системы трубопроводов (также выполненных из высококачественного материала) для передачи меламина из первичного реактора к вторичному реактору. Система трубопроводов, собирающих отходящий газ, также упрощена, поскольку газы должны собираться от одного реактора, а не от двух.
Изобретение также обладает важными преимуществами с точки зрения процесса. В одном из предпочтительных вариантов выполнения, меламин попадает во вторую камеру, перетекая через верхний край внутренней оболочки. Это означает, что передача меламина от первичной области реакции ко вторичной области реакции происходит однородно и с соблюдением осевой симметрии. В обычных первичных реакторах, меламин отводится из одной точки, создавая местные возмущения внутри реактора. Таким образом, должно быть понятно, что благодаря изобретению, улучшаются условия первичной конверсии мочевины в меламин и, в частности, достигается более высокая однородность условий внутри реактора.
Что касается данной особенности, следует также заметить, что в существующих установках с раздельными реакторами меламин, выводящийся наружу из первичного реактора, затем снова распределяется внутри вторичного реактора. В новой схеме построения, предложенной в изобретении, меламин уже распределен однородно и совершенно симметрично по отношению к распределителю аммиака, расположенного на дне камеры, выполняющей функцию вторичного реактора. Этим обеспечивается большая эффективность, с точки зрения протекания процесса.
Другое преимущество касается выходного отверстия для отходящих газов, относящегося к верхней части устройства и расположенного точно по оси симметрии. Отходящие газы, выделяющиеся из первой и второй камер, собираются вверху реактора. Поэтому из устройства выходит один поток отходящего газа.
В предпочтительном варианте выполнения, в реакторе также имеется секция очистки, расположенная в верхней части реактора, а именно, над первичной секцией и вторичной секцией, описанными выше. В эту секцию очистки собираются газы, выделяющиеся из лежащих ниже секций, и подается расплав мочевины, например, часть подводимой мочевины. Этот расплав мочевины, после соприкосновения с газами в противотоке, собирается у основания секции очистки и передается в первую реакционную камеру. Предпочтительно, реактор содержит плоскую вытяжную трубу, разделяющую днище секции очистки, позволяющую газам подниматься вверх и собирающую расплав мочевины.
Секция очистки также может находиться внутри той же самой наружной оболочки. Секция очистки, в некоторых вариантах выполнения, может иметь меньший диаметр, с конической переходной частью. Однако, может быть предпочтительным сохранить диаметр оболочки первичной и вторичной секций, что позволит получить низкую скорость движения газов.
Подача мочевины от скруббера к первичной секции предпочтительно выполняется снаружи реактора.
Благодаря добавлению секции очистки, три аппарата объединяются в единое устройство, с исключением расходов на скруббер, соответствующие фундаменты и соединительные трубопроводы, при сохранении вертикальной компоновки конструкции и осевой симметрии объединенного реактора.
Осевая симметрия потока отходящих газов из первичной и вторичной секций к скрубберу является еще одним преимуществом изобретения.
Таким образом, в различных вариантах выполнения изобретения, включая те, в которых объединены первичный реактор и вторичный ректор, и те, что также включают и скруббер, получены следующие преимущества: относительно простая конструкция реактора; вертикальная компоновка, требующая меньше места для размещения и позволяющая использовать имеющиеся фундаменты в случае замены существующего вертикального реактора; в основном осевая симметрия происходящих процессов с участием текучих сред, что особенно важно для сложных реакций, например, реакции синтеза меламина, в которой локальные отклонения от требуемых условий процесса могут приводить к снижению эффективности и (или) образованию нежелательных побочных продуктов. Изобретение также обеспечивает стабильность прохождения реакции и ограничивает формирование побочных продуктов.
Другая особенность изобретения относится к способу синтеза меламина в соответствии с приложенной формулой. Этот способ включает первичную стадию конверсии внутри корпуса реактора, в результате которого получают расплав сырого меламина, и вторичную стадию очистки этого расплава сырого меламина внутри второй реакционной камеры, расположенной коаксиально вокруг первой камеры внутри корпуса реактора.
Эти преимущества будут лучше понятны при ознакомлении с приведенным ниже подробным описанием предпочтительных вариантов выполнения.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 схематически показано поперечное сечение первого варианта выполнения комбинированного реактора;
на фиг. 2 представлена упрощенная схема установки, включающей комбинированный реактор, показанный на фиг. 1;
на фиг. 3 схематически показано поперечное сечение второго варианта выполнения комбинированного реактора, включающего также и секцию очистки;
на фиг. 4 представлена упрощенная схема установки, включающей комбинированный реактор, показанный на фиг. 3.
Подробное описание осуществления изобретения
На фиг. 1 показан комбинированный реактор R для синтеза меламина из мочевины, использующий некаталитический процесс при высоком давлении, и в основном содержащий: вертикальный корпус 1, центральную трубу 2, несколько нагревательных трубок 3 с наружной стороны центральной трубы 2, оболочку 4, расположенную снаружи нагревательных трубок 3 коаксиально с ними.
Центральная труба 2 и оболочка 4 имеют, предпочтительно, цилиндрическую форму.
Оболочка 4 образует первую внутреннюю реакционную камеру, состоящую из внутренней области 5, ограниченной центральной трубой 2, и расположенной снаружи центральной трубы 2 периферийной области 6, в которой находятся нагревательные трубки 3. Вторая, внешняя, реакционная камера 7, имеющая в целом кольцеобразную форму, заключена между упомянутой оболочкой 4 и стенкой корпуса 1 реактора.
Соответственно, внешняя камера 7 располагается коаксиально вокруг внутренней камеры 5.
Реактор R имеет по меньшей мере одно впускное отверстие 8 для расплава 9 мочевины, предназначенное для введения расплава мочевины во внутреннюю область 5, ограниченную центральной трубой 2. Реактор также имеет тороидальный распределитель 10, расположенный у дна кольцевой камеры 7 и соединенный с линией 11, подводящей аммиак в газообразном состоянии.
Предпочтительно, как показано на чертеже, оболочка 4 проходит внутри реактора до высоты, превышающей высоту трубы 2, предпочтительно, почти до верха реактора, оставляя верхнюю камеру 12 для газов, освобождающихся в ходе реакции.
Оболочка 4 может быть сформирована как оболочка низкого давления, поскольку она не подвергается воздействию существенного перепада между давлениями внутри и снаружи. Поэтому оболочка 4 может быть сформирована из материала малой толщины, имеющего низкую стоимость и низкий вес.
Верхняя секция 13 трубы 2 открыта с тем, чтобы жидкий меламин мог переходить из области 5 в область 6, благодаря чему внутри первой реакционной камеры формируется циркуляция. В предпочтительном варианте, над отверстием трубы 2 устанавливается отклоняющая пластина 13 а, направляющая жидкость в область 6, как показано стрелками на фиг. 1. В некоторых вариантах выполнения, в трубе 2 также могут быть выполнены боковые отверстия, позволяющие протекать меламину в область 6.
В условиях нормальной работы, жидкий меламин заполняет реактор R, достигая уровня, показанного на чертеже линией 14, и перетекает через верхний край 15 оболочки 4, переходя в кольцевую камеру 7. Край 15 может иметь форму, способствующую перетеканию жидкости.
2
Внутри кольцевой камеры 7 жидкий меламин подвергается очистке в противотоке газообразного аммиака, однородный поток которого подводится тороидальным распределителем 10. Полученный таким образом очищенный меламин 16 выводится из реактора внизу камеры 7. Освободившиеся в ходе процесса газы, содержащие CO и аммиак, собираются внутри камеры 12 и выводятся по линии 17. Эти газы могут подаваться в обычный скруббер. Как показано на фиг. 1, реактор R в основном содержит первичную секцию конверсии, соответствующую камерам 5 и 6 внутри оболочки 4, и вторичную секцию очистки, состоящую из кольцевой камеры 7. Эти камеры 5 и 6, и камера 7 связаны друг с другом через верхний край 15 оболочки 4.
Благодаря расположению секции очистки, которая, согласно изобретению, коаксиальна первичной секции конверсии и находится снаружи нее, две секции могут быть объединены в едином корпусе при сохранении вертикальной компоновки и осевой симметрии. Следует отметить, что и поток жидкости между камерами 5 и 6, и далее камерой 7, и подача очищающего аммиака из распределителя 10, характеризуются осевой симметрией. В результате, условия протекания текучих сред внутри реактора в основном также характеризуются осевой симметрией, что повышает эффективность конверсии и стабильность химической реакции.
На фиг. 2 представлен пример введения реактора R, показанного на фиг. 1, в установку получения меламина.
Поток отходящих газов 17, вытекающих из реактора R, передается в нижнюю часть отдельного скруббера S, в котором выполняется промывание газов подаваемой мочевиной U, например, расплавом мочевины высокой чистоты (например, 99,5% или более). В качестве этого скруббера S может быть использован обычный скруббер.
Установка имеет насос 18 для прокачки мочевины. Часть мочевины, выходящая из скруббера S, возвращается в этот скруббер по линии 19, а остальное образует поток 9 для комбинированного реактора R.
Поток отходящих газов 20, выходящих из скруббера, например, повторно используется для получения мочевины.
На фиг. 3 приведен пример комбинированного реактора RS, который также включает и секцию очистки.
Нижняя часть реактора RS в основном имеет конструкцию, показанную на фиг. 1. Верхняя часть содержит секцию 21, выполняющую функцию скруббера. Эта секция 21 соединяется с нижней частью посредством вытяжной трубы 22, имеющей пластину 23 для сбора жидкой фазы.
В процессе работы, газы, выходящие из камер 5, 6 и 7, передаются в секцию 21 очистки по вытяжной трубе 22. Часть жидкой мочевины 24 подается в верхнюю часть скруббера, где она движется навстречу потоку газов. В верхнюю часть скруббера 21 также подается свежая мочевина U для окончательной промывки отходящих газов. Жидкая мочевина собирается на пластине 23 и возвращается в реакционную камеру 5 по линии 25, в частности, с помощью насоса 26. На чертеже также показан теплообменник 27 для охлаждения мочевины, подаваемой в секцию очистки.
Следует заметить, что поток отходящих газов, выходящий из верхней части реактора RS, соответствует потоку 20 на фиг. 2, так как формируется газами, уже подвергнутыми очистке внутри секции 21.
На фиг. 4 представлена схема установки, включающей комбинированный скруббер/реактор RS, показанный на фиг. 3.