РЕАКТОР И СПОСОБ СИНТЕЗА МОЧЕВИНЫ
REACTOR AND METHOD OF SYNTHESIS OF UREA

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к реактору и способу синтеза мочевины.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Как известно, мочевину обычно получают в промышленном масштабе посредством прямой двухфазной реакции аммиака и диоксида углерода в условиях высокой температуры и высокого давления.
В типовой реактор для синтеза мочевины в установке для получения мочевины подают по существу газообразный поток диоксида углерода и по существу жидкий поток аммиака/карбамата аммония. Реагенты подают в реактор снизу, через нижнюю часть реактора и через соответствующие распределители.
Фиг.1 схематически показывает в упрощенном виде нижнюю часть типового реактора 1 известного типа для синтеза мочевины.
Как правило, реактор 1 проходит вдоль вертикальной оси А и содержит корпус 2, внутри которого образована реакционная камера 3; корпус 2 имеет по существу цилиндрическую основную часть 4 и куполообразную нижнюю часть 5 (в частности, по существу полусферическую). Нижняя часть 5 соединена с основной частью 4 вдоль по существу кругового периферийного края 9, который расположен в плоскости, по существу ортогональной к оси А.
Корпус 2 опирается на опорную раму 10, механически соединенную, в частности, с нижней частью 5.
Реагенты (диоксид углерода и аммиак/карбамат аммония) подают в реактор 1 через соответствующие специальные распределители 15 и 16.
Распределители 15 и 16 образованы соответствующими, по существу вертикальными трубчатыми элементами, расположенными так, что они проходят через стенку реактора 1, а именно нижней части 5, в соответствующих отверстиях, выполненных в указанной стенке.
Трубчатые элементы, образующие распределители 15 и 16, выступают вверх от стенки нижней части 5 и образуют так называемые перфорированные трубы: каждый трубчатый элемент имеет закрытый свободный конец (расположенный внутри реактора 1) и множество боковых сквозных отверстий, выполненных в боковой стенке трубчатого элемента на определенной длине в продольном направлении рядом со свободным концом.
Распределители 15 и 16 расположены со смещением от центра, например, диаметрально противоположно относительно центральной оси А реактора 1 и в любом случае, как правило, с противоположных сторон вертикальной центральной плоскости, проходящей через ось А реактора 1.
Распределители 15 и 16 образуют концевые части соответствующих входных труб, изогнутых с коленчатой формой: снаружи реактора каждая труба содержит коленчатый изгиб, который соединяет вертикальный трубчатый элемент с горизонтальной частью, которая проходит через раму 10.
Реактор с системой подачи реагентов, такой как описанная выше, имеет недостатки.
Помимо сложности соответствующей конструкции, главным образом из-за использования коленчатых входных труб (которые обычно должны быть коваными), и необходимости перфорирования нижней части реактора самый большой недостаток состоит в том, что вертикальное расположение распределителей не позволяет равномерно распределить реагенты по всему поперечному сечению реактора.
В частности, диоксид углерода, который вследствие его плотности образует легкую фазу в реакции синтеза мочевины, стремится образовать вертикальный столб над соответствующим распределителем, в результате чего сильно ограничивается кинетика реакции, которой в альтернативном случае способствовало бы равномерное распределение диоксида углерода в виде небольших пузырьков по всему поперечному сечению реактора. Даже распределение (жидкой) тяжелой фазы, образованной из аммиака и карбамата аммония, не является полностью удовлетворительным.
Данное неудовлетворительное распределение реагентов, в частности, диоксида углерода, приводит к тому, что часть объема реактора остается неиспользуемой (вследствие плохого контакта между двумя фазами), в особенности в зоне ввода реагентов в реактор; в альтернативном случае данный объем мог бы быть очень «продуктивным», поскольку концентрация реагентов в данном месте является максимальной.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Одна задача настоящего изобретения состоит в разработке реактора и способа синтеза мочевины, которые позволяют преодолеть вышеуказанные недостатки известного уровня техники; в частности, одна задача изобретения состоит в повышении эффективности известных реакторов и способов синтеза мочевины.
Таким образом, настоящее изобретение относится к реактору и способу синтеза мочевины, определенным в существенных условиях в соответствующих приложенных пунктах 1 и 13 формулы изобретения.
Дополнительные предпочтительные признаки изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
По отношению к традиционным конфигурациям изобретение позволяет получить лучшее и более быстрое смешивание легкой фазы (диоксида углерода) с тяжелой фазой (аммиаком/карбаматом аммония).
В частности, изобретение обеспечивает лучшее распределение диоксида углерода по поперечному сечению реактора, в результате чего повышается общая эффективность процесса синтеза мочевины.
Кроме того, образуются пузырьки диоксида углерода с меньшим диаметром, которые также целесообразны с точки зрения эффективности реакции.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Дополнительные характеристики и преимущества настоящего изобретения станут ясными из описания нижеприведенных неограничивающих вариантов осуществления со ссылкой на фигуры на сопровождающих чертежах, в которых:
- фиг.1 представляет собой схематический частичный вид в продольном разрезе нижней части реактора известной конфигурации для синтеза мочевины;
- фиг.2 представляет собой схематический вертикальный вид сбоку - частично с продольным разрезом - реактора для синтеза мочевины в соответствии с изобретением;
- фиг.3 представляет собой схематический вид в разрезе реактора по фиг.2;
- фиг.4 и 5 представляют собой схематические виды в разрезе соответствующих вариантов реактора по фиг.2;
- фиг.6 представляет собой схематический вертикальный вид сбоку - частично с продольным разрезом - дополнительного варианта осуществления реактора для синтеза мочевины по изобретению;
- фиг.7 представляет собой схематический вид в разрезе реактора по фиг.6;
- фиг.8 и 9 представляют собой схематические виды в разрезе соответствующих вариантов реактора по фиг.6.
НАИЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг.2 показывает в упрощенном и схематическом виде нижнюю часть реактора 1 для синтеза мочевины, специально предназначенного для осуществления двухфазной реакции прямого синтеза мочевины при высоких температуре и давлении из диоксида углерода и аммиака при промежуточном образовании карбамата аммония.
Обычно реактор 1 проходит вдоль вертикальной оси А и содержит корпус 2, внутри которого образована реакционная камера 3.
Корпус 2 является в основном цилиндрическим и закрыт на соответствующих противоположных концах, определяемых в аксиальном направлении, двумя торцевыми крышками с, например, по существу полусферической формой. Фиг.2 показывает только нижнюю часть реактора 1 и, следовательно, только торцевую крышку, расположенную на нижнем конце реактора 1, в то время как торцевая крышка, расположенная на верхнем конце и образующая верх реактора, не видна.
Что касается настоящего изобретения, то корпус 2 имеет по существу цилиндрическую основную часть 4 и куполообразную нижнюю часть 5 (в частности, по существу полусферическую), образующую нижнюю крышку реактора 1.
Основная часть 4 ограничена цилиндрической боковой стенкой 6, проходящей вокруг оси А.
Нижняя часть 5 имеет куполообразную стенку 8 и присоединена к основной части 4 вдоль по существу кругового периферийного края 9 (линии сварного шва), который расположен в плоскости, по существу ортогональной к оси А.
Корпус 2 опирается на опорную раму 10, механически соединенную, в частности, с нижней частью 5.
Как также показано на фиг.3, основная часть 4 имеет два боковых сквозных отверстия 11 и 12, выполненных в боковой стенке 6 над краем 9, то есть над линией соединения между (цилиндрической) основной частью 4 и (куполообразной) нижней частью 5 корпуса 2.
Отверстия 11 и 12 предпочтительно расположены с противоположных сторон вертикальной средней плоскости, проходящей через ось А реактора 1; в частности, отверстия 11 и 12 являются диаметрально противоположными.
В неограничивающем примере по фиг.2 и 3 отверстия 11 и 12 по существу выровнены друг относительно друга, при этом они расположены приблизительно на одинаковом расстоянии (измеряемом от центра отверстий 11, 12) от края 9.
Соответствующие входные трубы 13, 14 вставлены через отверстия 11 и 12 и герметично соединены известным образом с поверхностями отверстий 11, 12 для подачи реагентов для реакции синтеза мочевины в реактор 11: в частности, входная труба 11 подает легкую фазу (по существу газообразную), содержащую диоксид углерода, в то время как входная труба 14 подает тяжелую фазу (по существу жидкую), содержащую аммиак и, как правило, также карбамат аммония, в реактор 1.
В неограничивающем примере 1 по фиг.2 и 3 входные трубы 13, 14 параллельны и по существу выровнены друг относительно друга.
Входные трубы 13, 14 соединены с соответствующими распределителями 15, 16 для реагентов внутри корпуса 2.
Распределитель 15 (распределитель для легкой фазы) содержит один или более трубчатых элементов 20, соединенных друг с другом и/или с входной трубой 13 и проходящих/распределенных по поперечному сечению реактора 1 и вокруг оси А, и выполненных с впускными отверстиями 21, расположенными на расстоянии друг от друга для распределения легкой фазы в множестве точек впуска, распределенных в поперечном направлении в реакторе 1 и вокруг оси А.
В частности, трубчатые элементы 20 распределителя 15 содержат кольцевой элемент 20а, который выступает от входной трубы 13 и расположен вокруг оси А вдоль боковой стенки 6, и предпочтительно расположен на расстоянии в радиальном направлении от боковой стенки 6.
Входная труба 13 выступает радиально наружу от кольцевого элемента 20а и является по существу копланарной относительно кольцевого элемента 20а, а именно входная труба 13 и кольцевой элемент 20а расположены по существу на одинаковой высоте вдоль оси А, то есть на одинаковом расстоянии от края 9.
Здесь и далее при упоминании высоты или расстояния для трубчатого компонента подразумевается, что данную высоту или данное расстояние измеряют относительно центральной продольной оси трубчатого компонента.
Кольцевой элемент 20а может быть замкнутым (то есть иметь форму полного кольца) или, как показано на фиг.2 и 3, может иметь разрыв (то есть иметь форму разомкнутого кольца).
В показанном неограничивающем примере кольцевой элемент 20а имеет, в частности, по существу тороидальную форму с по существу круглым поперечным сечением; кольцевой элемент 20а имеет по существу круглую форму в плане, но образует не полное замкнутое кольцо, а разомкнутое кольцо, проходящее на угловом расстоянии, составляющем менее 360°.
Кольцевой элемент 20а прерывается в месте, диаметрально противоположном по отношению к входной трубе 13, в котором он имеет два противолежащих конца 22, расположенных с противоположных сторон входной трубы 13.
Концы 22 предпочтительно являются глухими (закрытыми) концами; кольцевой элемент 20а выполнен с множеством поперечных впускных сквозных отверстий 21, образованных в боковой стенке 23 кольцевого элемента 20а вдоль кольцевого элемента 20а и расположенных на расстоянии в угловом направлении друг от друга вдоль кольцевого элемента 20а и вокруг оси А. Отверстия 21 предпочтительно равномерно распределены вдоль кольцевого элемента 20а, в частности, расположены на одинаковом расстоянии друг от друга вдоль кольцевого элемента 20а.
Как правило, отверстия 21 могут быть расположены в любом месте на боковой стенке 23; следовательно, отверстия 21 могут быть обращены вверх и/или вниз и/или к боковой стенке 6 корпуса 2.
Отверстия 21 могут быть упорядоченно расположены в одном или более рядах вдоль кольцевого элемента 20а и/или могут быть расположены в шахматном порядке друг относительно друга.
Распределитель 16 (распределитель для тяжелой фазы) содержит по существу L-образный трубчатый корпус 24: трубчатый корпус 24 содержит первую, по существу горизонтальную трубчатую часть 25 (образованную входной трубой 14 или ее удлинителем), которая выступает из отверстия 12 по существу перпендикулярно к боковой стенке 6, и вторую трубчатую часть 26, которая выступает от трубчатой части 25 и изогнута вниз, то есть по направлению к нижней части 5 корпуса 2.
В примере, показанном на фиг.2, трубчатая часть 26 изогнута на 90° относительно трубчатой части 25 и, следовательно, является по существу вертикальной; кроме того, трубчатая часть 26 расположена в центре корпуса 2, по существу вдоль оси А.
Коленчатый соединитель 27 соединяет трубчатую часть 25 с трубчатой частью 26; трубчатая часть 26 имеет свободный конец 28, противоположный по отношению к коленчатому соединителю 27; конец 28 предпочтительно представляет собой глухой конец, закрытый поперечной стенкой, которая также может быть выполнена с отверстиями (непоказанными); трубчатая часть 26 имеет множество боковых сквозных отверстий 29, выполненных в боковой стенке трубчатой части 26 рядом с концом 28.
Конец 28 с боковыми отверстиями 29 предпочтительно расположен по меньшей мере частично (предпочтительно полностью) в нижней части 5 корпуса 2 ниже края 9.
Возможные механические опорные элементы (например, крепежные кронштейны, прикрепленные к боковой стенке 6 корпуса 2), которые обеспечивают опору для трубчатых элементов 20 (в частности, кольцевого элемента 20а) и/или трубчатого корпуса 24, или в более общем случае - для различных компонентов распределителей 15 и 16, не показаны для простоты.
Реактор 1 при необходимости также включает в себя дополнительный впуск 30 для легкой фазы.
Впуск 30 образован вспомогательной входной трубой 31, выполненной с, по меньшей мере, одним выпускным отверстием 32; выпускное отверстие 32 расположено, например, на открытом свободном конце 33 входной трубы 31.
Входная труба 31 имеет малый размер, в частности, имеет пропускное сечение (поперечное сечение), которое меньше, чем у входных труб 13, 14, и, в частности, чем у входной трубы 13 для легкой фазы.
Входная труба 31 расположена так, что она проходит через вспомогательное отверстие 34, выполненное в куполообразной стенке 8 нижней части 5.
Впуск 30 предпочтительно расположен центрально на нижней части 5, и входная труба 31 является по существу вертикальной и проходит вдоль оси А. Входная труба 31 также выровнена относительно трубчатой части 26 трубчатого корпуса 24, и выпускное отверстие 32 обращено к концу 28 и выровнено вдоль оси А относительно конца 28 трубчатой части 26 трубчатого корпуса 24 (то есть распределителя 16 для тяжелой фазы).
Конец 33 входной трубы 31 и выпускное отверстие 32 предпочтительно находятся на куполообразной стенке 8 нижней части 5 или рядом с ней для функционирования также в качестве дренажного отверстия реактора 1, когда реактор 1 должен быть опорожнен.
При использовании реактор 1 функционирует для осуществления способа по изобретению следующим образом.
Поток диоксида углерода, образующий (по существу газообразную) легкую фазу в реакции синтеза мочевины, подают в реактор 1 по входной трубе 13 и через распределитель 15, и раствор аммиака/карбамата аммония, образующий (по существу жидкую) тяжелую фазу в реакции, подают в реактор 1 по входной трубе 14 и через распределитель 16.
Распределитель 15 распределяет легкую фазу (диоксид углерода) по существу равномерно по поперечному сечению реактора 1 в множестве точек впуска (образованных отверстиями 21), распределенных в поперечном направлении в реакторе 1 и вокруг оси А.
По отношению к ранее описанному традиционному решению кольцевая (тороидальная) геометрия распределителя 15 и распределение отверстий 21 обеспечивают более равномерное распределение диоксида углерода по сечению реактора 1. Данному распределению дополнительно способствует поле равномерного потока раствора аммиака/карбамата, обеспечиваемое посредством обращенного вниз распределителя 16 для тяжелой фазы.
Ориентация распределителя 16 в направлении вниз и его расположение в центре поперечного сечения реактора 1 вдоль центральной оси А реактора 1 обеспечивают равномерное распределение тяжелой фазы (аммиака/карбамата) по всему объему реактора 1: таким образом, поле потока аммиака внутри реакционной камеры 3 является более равномерным и постоянным по отношению к ранее описанному традиционному решению (со смещенными и обращенными вверх, впусками).
Возможная, но необязательная дополнительная подача легкой фазы через дополнительный впуск 30 обеспечивает дополнительное улучшение смешивания двух фаз в нижней зоне реактора 1, в которой происходит первый контакт между реагентами.
В вариантах на фиг.4 и 5 помимо кольцевого элемента 20а, который выступает от входной трубы 13 и расположен вдоль боковой стенки 6, распределитель 15 для легкой фазы содержит дополнительные трубчатые элементы 20, образованные соответствующими ответвлениями 20b, которые выступают от кольцевого элемента 20а.
Ответвления 20b предпочтительно, но необязательно, являются по существу копланарными относительно кольцевого элемента 20а (то есть они находятся на по существу такой же высоте вдоль оси А, как и кольцевой элемент 20а).
Ответвления 20b, которые являются, например (но необязательно), по существу прямолинейными, проходят в пространстве 35, ограниченном в радиальном направлении кольцевым элементом 20а. В частности, каждое ответвление 20b соединяет два радиально внутренних места 36 соединения кольцевого элемента 20а, обращенных друг к другу, на боковой стенке 23 кольцевого элемента 20а.
Подобно кольцевому элементу 20а каждое ответвление 20b также выполнено с поперечными впускными сквозными отверстиями 21, образованными в боковой стенке 37 ответвления 20b и разнесенными (предпочтительно равномерно) вдоль ответвления 20b.
В примере по фиг.4 распределитель 15 содержит два прямолинейных ответвления 20b, параллельных друг другу и входной трубе 13 и расположенных с противоположных сторон входной трубы 14.
Каждое ответвление 20b проходит между местом 36 соединения, расположенным рядом с концом 22 кольцевого элемента 20а, и противоположным местом 36 соединения, расположенным рядом с входной трубой 13 и сбоку относительно входной трубы 13.
В примере по фиг.5 распределитель 15 содержит два прямолинейных ответвления 20b, перпендикулярных друг другу и соединенных в центре в виде креста. В частности, ответвления 20b проходят вдоль соответствующих диаметров кольцевого элемента 20а и соединяют соответствующие, диаметрально противоположные места 36 соединения на боковой стенке 23 кольцевого элемента 20а.
Другими словами, распределитель 15 содержит множество радиально внутренних ответвлений 20b, которые выступают от кольцевого элемента 20а по направлению к оси А и предпочтительно соединяются друг с другом в центре в центральном месте 38 соединения, расположенном вдоль оси А.
В данной конфигурации распределитель 16 для тяжелой фазы предпочтительно смещен от центра по отношению к центральной оси А реактора 1, то есть вместо его размещения в центре реактора 1 и вдоль оси А он расположен со смещением относительно оси А. В частности, трубчатая часть 26, выполненная с отверстиями 29, смещена в радиальном направлении относительно оси А.
Отверстия 11, 12 и входные трубы 13, 14 могут находиться на одной и той же высоте вдоль оси А, как описано ранее со ссылкой на фиг.2 и 3, и в этом случае кольцевой элемент 20а является разомкнутым, как описано ранее.
В альтернативном варианте отверстия 11, 12 не выровнены, и входные трубы 13, 14 также не выровнены. В частности, отверстие 11 и, следовательно, входная труба 13 расположены на другой высоте по отношению к отверстию 12 и входной трубе 14, например, на меньшей высоте (то есть на меньшем расстоянии от края 9): в этом случае входная труба 14 расположена над кольцевым элементом 20а, и кольцевой элемент 20а может быть выполнен с формой, подобной замкнутому полному кольцу.
В варианте осуществления по фиг.6 и 7, в котором детали, такие же, как уже описанные, или аналогичные уже описанным, обозначены теми же ссылочными позициями, реактор 1 также снабжен двумя диаметрально противоположными входными трубами 13, 14, которые вставлены через соответствующие, диаметрально противоположные боковые сквозные отверстия 11, 12, выполненные в боковой стенке 6 корпуса 2 над краем 9, и соединены внутри корпуса 2 с соответствующими распределителями 15, 16 для реагентов.
В этом случае отверстия 1, 12 не выровнены, а расположены со смещением в аксиальном направлении вдоль оси А, при этом они расположены на разных высотах вдоль оси А, то есть на разных расстояниях (измеряемых от центра отверстий 11, 12) от края 9. В частности, отверстие 11 расположено выше, чем отверстие 12.
Вместо их выравнивания соответствующие входные трубы 13, 14, всегда по существу параллельные друг другу, также расположены со смещением вдоль оси А, при этом они расположены на разных высотах вдоль оси А, то есть на разных расстояниях от края 9. В частности, входная труба 14 для тяжелой фазы расположена ниже (ближе к краю 9), чем входная труба 13 для легкой фазы.
Распределители 15, 16 сохраняют ранее описанную общую конфигурацию. Поскольку входные трубы 13, 14 расположены со смещением в аксиальном направлении, кольцевой элемент 20а распределителя 15 для легкой фазы может быть выполнен с формой полного замкнутого кольца вокруг оси А.
В варианте по фиг.8 помимо кольцевого элемента 20а, который выступает от входной трубы 13 и расположен вдоль боковой стенки 6, распределитель 15 для легкой фазы содержит два прямолинейных ответвления 20b, перпендикулярных друг другу и соединенных в центре в виде креста, то есть множество радиально внутренних ответвлений 20b, которые выступают от кольцевого элемента 20а по направлению к оси А и соединяются в центре в центральном месте 38 соединения, расположенном вдоль оси А.
Аналогично описанному со ссылкой на фиг.5, ответвления 20b являются по существу копланарными относительно кольцевого элемента 20а. Однако, в отличие от примера по фиг.5, в данной конфигурации распределитель 16 для тяжелой фазы (а именно трубчатая часть 26 трубчатого корпуса 24 с отверстиями 29) расположен в центре реактора 1 и вдоль оси А, ниже центрального места 38 соединения, которое соединяет ответвления 20b.
В варианте по фиг.9 помимо кольцевого элемента 20а распределитель 15 для легкой фазы содержит один или более дополнительных кольцевых элементов 20с, концентрических относительно кольцевого элемента 20а и расположенных в радиальном направлении внутри кольцевого элемента 20а в пространстве 35, и множество радиально внутренних ответвлений 20b.
Кольцевые элементы 20с также выполнены с впускными отверстиями 21 подобно ответвлениям 20b.
Ответвления 20b, которые являются, например, по существу прямолинейными, выступают от кольцевого элемента 20а по направлению к оси А и соединяют кольцевые элементы 20а, 20с и предпочтительно соединяются вместе в центре в центральном месте 38 соединения, расположенном вдоль оси А.
Следует понимать, что решения, проиллюстрированные в вышеприведенных вариантах осуществления изобретения, могут быть скомбинированы вместе различными способами.
В завершение, следует понимать, что дополнительные модификации и варианты могут быть применены для реактора и для способа синтеза мочевины, описанных и проиллюстрированных в данном документе, без отхода от объема приложенной формулы изобретения.