СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАНУЛИРОВАННОГО КАРБАМИДА
METHOD AND INSTALLATION FOR OBTAINING GRANULATED CARBAMIDE

Изобретение относится к способам и устройствам для получения гранулированного карбамида.
Известны способы получения гранулированного карбамида, включающие разбрызгивание его расплава в зоне гранулирования при контакте с потоком охлаждающего воздуха, затвердевание капель расплава и охлаждение образующихся гранул (Горловский Д.М. и др. Технология карбамида. Л.: Химия, 1981, с.190-198).
Известен способ получения карбамида из аммиака и диоксида углерода с последующей дистилляцией, выпариванием полученного раствора до высококонцентрированного расплава и грануляцией, при этом расплав перед грануляцией переохлаждают до температуры 113,7-120°С (SU 883020, С07С 126/02, 1979).
Наиболее близким к предложенному является известный способ получения гранулированного карбамида, включающий переохлаждение высококонцентрированного раствора (расплава) карбамида до 119-129°С путем теплообмена через стенку с охлаждающей водой до частичного образования кристаллов в расплаве (растворе), разбрызгивание раствора (расплава) в воздушной среде, при этом охлаждающую воду вводят в зону теплообмена при температуре ее кипения (SU 1293172, С07С 126/08, 1985). В описании этого способа указывается, что при переохлаждении раствора (расплава) теплообменом с кипящей водой (паровым конденсатом) оказывается возможным без нарушения проточности системы отвести дополнительно тепло, выделившееся при кристаллизации 30-70% массы расплава.
Наиболее близкой к предложенной установке является установка для получения гранулированного карбамида, включающая теплообменник (рекуператор) для предварительного охлаждения высококонцентрированного раствора (расплава) карбамида путем теплообмена через стенку с теплоносителем, диспергатор раствора (расплава) карбамида и зону гранулирования, где диспергированный раствор (расплав) превращается в гранулы в контакте с потоком воздуха (SU 1293172, С07С 126/08, 1985).
Недостатками известных способа и установки является невозможность непосредственной эффективной утилизации тепла, отводимого в теплообменнике, в связи с его низким температурным уровнем.
Задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в усовершенствовании способа и установки для получения гранулированного карбамида.
Техническим результатом изобретения является обеспечение эффективной утилизации тепла кристаллизации карбамида, выделяющегося в процессе производства гранулированного карбамида.
Для достижения указанного технического результата предложен способ получения гранулированного карбамида, включающий предварительное охлаждение расплава или раствора карбамида путем теплообмена через стенку с теплоносителем до частичного образования кристаллов в расплаве или растворе, разбрызгивание расплава или раствора и его затвердевание в зоне гранулирования при контакте с потоком воздуха, охлаждение образующихся гранул, отличающийся тем, что теплоноситель после охлаждения расплава или раствора направляют в кипятильник абсорбционной холодильной установки для нагревания рабочей жидкости с последующим возвратом теплоносителя на охлаждение расплава или раствора карбамида, а в холодильной установке охлаждают воду, которую направляют на охлаждение рабочих сред производства карбамида.
В качестве теплоносителя, используемого для охлаждения расплава или раствора, может быть использована, например, вода; охлаждение расплава или раствора теплоносителем может осуществляться при температуре кипения теплоносителя, а образующийся в этом случае пар конденсируют в кипятильнике абсорбционной холодильной установки.
Охлажденная в холодильной установке вода может быть использована, например, для охлаждения конденсирующихся паров в различных узлах производства карбамида либо направлена на охлаждение гранул и/или на охлаждение воздуха, подаваемого в зону охлаждения гранул, с последующим ее возвратом в холодильную установку.
Для реализации этого способа предложена также установка для получения гранулированного карбамида, включающая рекуператор для предварительного охлаждения расплава или раствора карбамида путем теплообмена через стенку с теплоносителем, диспергатор расплава или раствора карбамида и зону гранулирования со средствами для подачи воздуха, отличающаяся тем, что установка включает абсорбционную холодильную установку, средства для подачи теплоносителя из рекуператора в кипятильник холодильной установки и средства для возврата теплоносителя в рекуператор, средства для подвода охлаждаемой воды в холодильную установку и отвода охлажденной воды из холодильной установки.
В рамках изобретения могут быть реализованы различные частные случаи исполнения данной установки, позволяющие улучшить условия охлаждения получаемого гранулированного продукта.
В одном случае установка может содержать дополнительно охладитель образовавшихся гранул со средствами для подачи воздуха, охладитель подаваемого воздуха со средствами для подвода и отвода охлаждающей воды, соединенными соответственно со средствами для отвода воды из холодильной установки и средствами для подвода воды в холодильную установку.
В другом случае установка может содержать дополнительно теплообменные устройства для охлаждения зоны гранулирования и/или образовавшихся гранул со средствами для подвода и отвода охлаждающей воды, соединенными соответственно со средствами для отвода воды из холодильной установки и средствами для подвода воды в холодильную установку.
Использование предложенных способа и установки позволяет обеспечить эффективную утилизацию низкопотенциального тепла, выделяющегося при кристаллизации карбамида, путем использования этого тепла для производства холода, используемого далее в различных процессах производства гранулированного карбамида. Это тепло расходуется на нагрев теплоносителя, который после охлаждения расплава или раствора направляют в кипятильник абсорбционной холодильной установки, где он нагревает рабочую жидкость и возвращается на охлаждение расплава или раствора карбамида. Нагревание рабочей жидкости абсорбционной холодильной установки позволяет продуцировать в ней холод, используемый для получения хладагента - захоложенной воды.
Предпочтительным является использование хладагента в теплообменных устройствах, предназначенных для охлаждения гранул в зоне их охлаждения, и/или в зоне гранулирования, или в теплообменнике, охлаждающем воздух, подаваемый в зону охлаждения гранул, что позволяет улучшить условия охлаждения получаемого гранулированного продукта.
В условиях высокой температуры атмосферного воздуха температура готового продукта, получаемого известными способами, в узле выгрузки может достигать 60°С. Выгрузка такого продукта приведет к его слеживанию на складе или в транспортирующей емкости. Чтобы исключить это нежелательное явление, можно было бы увеличивать подачу воздуха в зону охлаждения гранул, но это привело бы к значительному росту гидравлического сопротивления зоны гранулирования, повышенному уносу пыли из этой зоны и увеличению энергопотребления.
Предложенные способ и установка позволяют таким образом использовать энергетический потенциал кристаллизации карбамида и для повышения эффективности охлаждения гранул, получаемых различными известными способами. Как оказалось, в этом случае возникает возможность значительно увеличить производительность установки гранулирования, до 160% от номинальной, без дополнительных энергетических затрат на охлаждение.
Сущность изобретения иллюстрируется фиг.1-3, на которых изображены схемы установок, являющихся конкретными воплощениями изобретения и реализующих различные варианты осуществления способа.
На фиг.1 изображена принципиальная схема установки, в которой гранулирование осуществляется в башне приллирования, на фиг.2 изображена принципиальная схема установки, использующей аппарат с кипящим слоем гранул, на фиг.3 изображена принципиальная схема установки, использующей для гранулирования вращающийся барабанный гранулятор.
В соответствии с фиг.1 установка для получения гранулированного карбамида включает рекуператор 1 для предварительного охлаждения расплава карбамида, башню приллирования 2 с диспергатором 3, охладитель гранул 4, абсорбционную холодильную установку 5, охладитель воздуха 6, трубопровод 7 для подачи теплоносителя из рекуператора 1 в кипятильник абсорбционной холодильной установки 5 и трубопровод 8 для возврата теплоносителя из абсорбционной холодильной установки 5 в рекуператор 1, трубопровод 9 для направления охлажденной воды из абсорбционной холодильной установки 5 в охладитель воздуха 6, трубопровод 10 для возврата воды из охладителя воздуха 6 в абсорбционную холодильную установку 5, воздуховод 11 для подачи воздуха из охладителя воздуха 6 в охладитель гранул 4, трубопровод 12 для подачи плава карбамида в рекуператор 1, трубопровод 13 для подачи плава карбамида из рекуператора 1 в диспергатор 3, транспортирующее устройство 14 для транспортировки готового продукта из охладителя гранул 4 к месту складирования, трубопровод 15 для подачи оборотной вода в абсорбционную холодильную установку 5, трубопровод 16 для отведения оборотной воды из абсорбционной холодильной установки 5 в коллектор обратной оборотной воды, воздуховод 17 для подачи атмосферного воздуха в охладитель воздуха 6, воздуховод 18 для отведения запыленного воздуха из башни приллирования 2 на очистку.
Предложенная установка работает следующим образом. Плав карбамида поступает по трубопроводу 12 в рекуператор 1, где он охлаждается до частичного образования кристаллов в расплаве за счет отдачи тепла паровому конденсату. Из рекуператора 1 нагретый конденсат или образовавшийся пар поступает по трубопроводу 7 в абсорбционную холодильную установку 5, куда также подается по трубопроводу 15 оборотная вода и по трубопроводу 10 подается циркулирующая вода для ее захолаживания. При охлаждении нагретого в рекуператоре конденсата (или конденсации образовавшегося в рекуператоре пара) в кипятильнике холодильной установки происходит частичное испарение рабочей жидкости. При конденсации образующихся в кипятильнике паров происходит охлаждение циркулирующей воды и полученная в холодильной установке 5 захоложенная циркулирующая вода направляется по трубопроводу 9 в охладитель воздуха 6, где используется для охлаждения атмосферного воздуха, подаваемого в башню приллирования 2 через охладитель гранул 4. Паровой конденсат из холодильной установки 5 возвращается по трубопроводу 8 в рекуператор 1 на охлаждение плава. Из охладителя воздуха 6 отработанная циркулирующая вода возвращается по трубопроводу 10 в абсорбционную холодильную установку 5. Нагретая оборотная вода отводится по трубопроводу 16 в коллектор обратной оборотной воды (на фиг.1 не показан). Воздух, забираемый из атмосферы, сначала подается по воздуховоду 17 на охлаждение в охладитель воздуха 6, затем поступает по воздуховоду 11 в охладитель гранул 4 и далее в ствол башни приллирования 2. Плав карбамида из рекуператора 1 подается по трубопроводу 13 в диспергатор 3 и разбрызгивается в верхней части башни приллирования 2 навстречу восходящему потоку воздуха. Нагретый и увлекший с собой мелкие частицы карбамида воздух направляют далее по воздуховоду 18 на очистку. Гранулы, образовавшиеся при застывании капель, охлаждаются в охладителе гранул 4. Готовый продукт направляют транспортирующим устройством 14 в узел погрузки или склад готовой продукции.
Установка, изображенная на фиг.2, отличается от установки, изображенной на фиг.1, только тем, что для гранулирования используется аппарат 19 с кипящим слоем гранул, оснащенный диспергирующими форсунками 20, установка дополнительно содержит классификатор 21, транспортирующее устройство 22 для подачи гранул из аппарата 19 в классификатор 21, транспортирующее устройство 23 для подачи ретура из классификатора 21 в аппарат 19, воздуховод 24 для подачи горячего воздуха в аппарат 19, воздуховод 25 для подачи подогретого воздуха в аппарат 19, воздуховод 26 для отведения запыленного воздуха из охладителя гранул 4 на очистку.
Работа этой установки аналогична предыдущей, с тем отличием, что в аппарат 19 транспортирующим устройством 23 подается ретур. В аппарате 19 на частицы ретура с помощью форсунок 20 набрызгивается раствор карбамида в токе горячего воздуха, подаваемого по воздуховоду 24. Образуются гранулы, форма которых близка к сферической. Гранулы проходят кипящий слой и выгружаются на транспортирующее устройство 22. Кипящий слой в аппарате 19 создается подогретым воздухом, поступающим по воздуховоду 25. Сформированные в аппарате 19 гранулы подаются транспортирующим устройством 22 в классификатор 21, в котором гранулы проходят отсев, в результате которого мелкие гранулы в качестве ретура возвращаются транспортирующим устройством 23 в аппарат 19, а гранулы требуемого размера направляют в охладитель гранул 4. Запыленный воздух из охладителя гранул 4 отводится по воздуховоду 26 на очистку.
Установка, изображенная на фиг.3, отличается от установки, изображенной на фиг.1, только тем, что для гранулирования используется вращающийся барабанный гранулятор 27, оснащенный диспергирующей форсункой 20, транспортирующее устройство 22 предназначено для подачи гранул из барабанного гранулятора 27 в охладитель гранул 4, охладитель воздуха 6 и воздуховод 17 отсутствуют, трубопровод 9 предназначен для направления части охлажденной воды из абсорбционной холодильной установки 5 в охладитель гранул 4, установка также дополнительно содержит трубопровод 28 для подачи части охлажденной воды из абсорбционной холодильной установки 5 в охлаждающую рубашку барабанного гранулятора 27 и воздуховод 29 для подачи осушенного воздуха в барабанный гранулятор 27, а трубопровод 10 предназначен для возврата воды из охладителя гранул 4 и охлаждающей рубашки барабанного гранулятора 27 в абсорбционную холодильную установку 5.
Работа этой установки аналогична вышеописанной, с тем отличием, что сформированные в барабанном грануляторе 27 гранулы подаются в охладитель гранул 4 при помощи транспортирующего устройства 22; полученная в холодильной установке 5 захоложенная вода разделяется на два потока, из которых первый направляется по трубопроводу 9 в охладитель гранул 4, а второй направляется по трубопроводу 28 на охлаждение барабанного гранулятора 27; циркулирующая вода, отработанная в охладителе гранул 4 и барабанном грануляторе 27, возвращается по трубопроводу 10 в абсорбционную холодильную установку 5, для снятия тепла кристаллизации предусмотрена подача по воздуховоду 29 осушенного воздуха в барабанный гранулятор 27.
Сущность изобретения иллюстрируется также приведенными ниже примерами, описывающими конкретные воплощения предложенного способа и работу предложенной установки.
3
3
ПРИМЕР 1. В соответствии с фиг.1 по трубопроводу 12 плав карбамида в количестве 66,67 т/ч с температурой 136°С поступает в рекуператор 1, где он охлаждается до температуры 129°С, с образованием кристаллов в количестве ~30% от массы расплава, за счет отдачи тепла паровому конденсату, поступающему в количестве 2,6 т/ч с температурой 95°С. Из рекуператора 1 полученный пар с температурой 115°С поступает по трубопроводу 7 в абсорбционную холодильную установку 5, куда также подается по трубопроводу 15 оборотная вода в количестве 280 м/ч с температурой 28°С и по трубопроводу 10 подается циркулирующая вода с температурой 12°С в количестве 190 м/ч. Паровой конденсат из установки 5 возвращается по трубопроводу 8 в рекуператор 1 на охлаждение плава, а полученная в холодильной установке 5 захоложенная циркулирующая вода с температурой 7°С направляется по трубопроводу 9 в охладитель воздуха 6, где используется для охлаждения атмосферного воздуха, подаваемого в башню приллирования 2 через охладитель гранул 4. Из охладителя воздуха 6 отработанная циркулирующая вода возвращается по трубопроводу 10 в абсорбционную холодильную установку 5. Нагретая оборотная вода отводится по трубопроводу 16 в коллектор обратной оборотной воды (на фиг.1 не показан) с температурой 38°С. Воздух, забираемый из атмосферы в количестве 370550 кг/ч, подается по воздуховоду 17 в охладитель воздуха 6, где воздух охлаждают с 35 до 15°С, затем охлажденный воздух подают по воздуховоду 11 в охладитель гранул 4 и далее в ствол башни приллирования 2. Плав карбамида из рекуператора 1 подается по трубопроводу 13 в диспергатор 3 и разбрызгивается в верхней части башни приллирования 2 навстречу восходящему потоку воздуха. Нагретый до температуры 60°С и увлекший с собой мелкие частицы карбамида воздух направляют далее по воздуховоду 18 на очистку. Гранулы, образовавшиеся при застывании капель, охлаждаются до 45°С в охладителе гранул 4, представляющем собой аппарат кипящего слоя. Готовый продукт (66,67 т/ч) в виде гранул шарообразной формы размером 2-3 мм со статической прочностью 0,9-1,2 кгс/гранулу направляют транспортирующим устройством 14 в узел погрузки или склад готовой продукции.
3
3
ПРИМЕР 2. Процесс проводят на установке, схема которой изображена на фиг.1, в основном аналогично примеру 1. Отличие состоит в том, что охлаждение плава карбамида в рекуператоре 1 ведется до образования кристаллов в количестве ~70% от массы расплава за счет отдачи тепла паровому конденсату, поступающему в количестве 5,4 т/ч с температурой 95°С. Расход оборотной воды, подаваемой в абсорбционную холодильную установку 5, составляет 600 м/ч, а расход охлаждаемой циркулирующей воды в холодильной установке 5 составляет 400 м/ч. Атмосферный воздух в охладителе воздуха 6 охлаждают с 50 до 15°С.
3
3
ПРИМЕР 3. Процесс проводят на установке, схема которой изображена на фиг.1, в основном аналогично примеру 1. Отличие состоит в том, что расход парового конденсата, подаваемого на охлаждение плава карбамида в рекуператоре 1, составляет 80 т/ч, а при нагреве парового конденсата не происходит его испарение. Расход оборотной воды, подаваемой в абсорбционную холодильную установку 5, составляет 176 м/ч, а расход охлаждаемой циркулирующей воды в холодильной установке 5 составляет 120 м/ч. Атмосферный воздух в охладителе воздуха 6 охлаждают с 30 до 15°С.
3
3
ПРИМЕР 4. Процесс проводят на установке, схема которой изображена на фиг.2, в основном аналогично примеру 1. Отличие состоит в том, что в рекуператор 1 поступает по трубопроводу 12 раствор карбамида в количестве 45,29 т/ч с температурой 132°С с концентрацией 96 мас.%. Расход парового конденсата, подаваемого на охлаждение раствора карбамида в рекуператоре 1, составляет 1,6 т/ч. Расход оборотной воды, подаваемой в абсорбционную холодильную установку 5, составляет 175 м/ч, а расход охлаждаемой циркулирующей воды в холодильной установке 5 составляет 120 м/ч. Для гранулирования используется аппарат 19 с кипящим слоем гранул, в нижней части которого размещаются диспергирующие форсунки 20, в которые по трубопроводу 13 подается охлажденный раствор из рекуператора 1, а по воздуховоду 24 - горячий воздух в количестве 28150 кг/ч с температурой 135°С. В аппарат 19 транспортирующим устройством 23 подается также ретур в количестве 20,83 т/ч в виде частиц с диаметром менее 2 мм. В аппарате 19 на частицы ретура с помощью форсунок 20 набрызгивается раствор карбамида в токе горячего воздуха с образованием гранул, форма которых близка к сферической. Гранулы проходят кипящий слой и с температурой 85-90°С выгружаются на транспортирующее устройство 22. Кипящий слой в аппарате 19 создается подогретым до 47°С воздухом, поступающим по воздуховоду 25 в количестве 154040 кг/ч. Из аппарата 19 воздух, увлекший с собой мелкие частицы карбамида, с температурой 105-110°С отводится по воздуховоду 18 на очистку, а полученные гранулы карбамида в количестве 65,92 т/ч подаются транспортирующим устройством 22 в классификатор 21, где происходит отсев гранул требуемого размера от некондиционного карбамида, который в качестве ретура возвращается транспортирующим устройством 23 в аппарат 19. Гранулы требуемого размера в количестве 45,09 т/ч направляют в охладитель гранул 4, где их охлаждают атмосферным воздухом, охлажденным в охладителе 6 с 30 до 15°С. Из охладителя гранул 4 воздух, содержащий мелкие частицы карбамида, с температурой 60°С направляют по воздуховоду 26 на очистку, а готовый продукт в количестве 44,85 т/ч, представляющий собой гранулы формы, близкой к сферической, размером 2-4 мм со статической прочностью 3 кгс/гранулу направляют транспортирующим устройством 14 на станцию погрузки или склад готовой продукции.
3
3
3
3
3
ПРИМЕР 5. Процесс проводят на установке, схема которой изображена на фиг.3, в основном аналогично примеру 1. Отличие состоит в том, что в рекуператор 1 поступает по трубопроводу 12 раствор карбамида с концентрацией 95-96 мас.% в количестве 27 т/ч с температурой 132°С. Расход парового конденсата, подаваемого на охлаждение раствора карбамида в рекуператоре 1, составляет 0,9 т/ч. Расход оборотной воды, подаваемой в абсорбционную холодильную установку 5, составляет 140 м/ч, а расход охлаждаемой циркулирующей воды в холодильной установке 5 составляет 120 м/ч. Охладитель воздуха 6 и воздуховод 17 отсутствуют. Для гранулирования используется вращающийся барабанный гранулятор 27, оснащенный охлаждающей рубашкой. Охлажденный раствор из рекуператора 1 направляют по трубопроводу 13 в диспергирующую форсунку 20 барабанного гранулятора 27. Барабанный гранулятор 27 приводится во вращение, и загруженные гранулы создают завесу, на которую с помощью форсунки 20 набрызгивается раствор карбамида в количестве 27 т/ч. Образовавшиеся в барабанном грануляторе 27 сферические гранулы диаметром 3±0,2 мм выгружаются из аппарата и транспортирующим устройством 22 подаются в охладитель гранул 4, представляющий собой теплообменник пластинчатого типа, из которого с температурой не более 50°С в количестве 27 т/ч отправляются транспортером 14 на склад или отгрузку, а некондиционная фракция - гранулы диаметром менее 2,8 мм - обратным шнеком внутри аппарата возвращается в зону диспергирования раствора карбамида. Для снятия тепла кристаллизации предусмотрена подача по воздуховоду 29 воздуха в барабанный гранулятор 27 в количестве 18000-30000 м/ч с температурой 20-30°С. Отработанный воздух из зоны гранулирования с температурой 60-80°С направляется по воздуховоду 18 в очистное устройство. Трубопровод 9 предназначен для направления части полученной в холодильной установке 5 захоложенной воды в количестве 20-40 м/ч в охладитель гранул 4. Установка дополнительно содержит трубопровод 28 для подачи части захоложенной воды в количестве 80-100 м/ч из абсорбционной холодильной установки 5 в охлаждающую рубашку барабанного гранулятора 27, а трубопровод 10 предназначен для возврата отработанной воды из охладителя гранул 4 и охлаждающей рубашки барабанного гранулятора 27 в абсорбционную холодильную установку 5.
ПРИМЕР 6 (прототип). Процесс проводят на установке, схема которой изображена на фиг.1, без использования холодильной установки 5. Плав карбамида в количестве 66,67 т/ч с температурой 136°С поступает по трубопроводу 12 в теплообменник 1, где он охлаждается до температуры 129°С, с образованием кристаллов в количестве ~30% от массы расплава, за счет отдачи тепла паровому конденсату, поступающему в количестве 2,6 т/ч с температурой 95°С. В теплообменнике 1 образуется пар с температурой 115°С, который из-за низких параметров не может быть использован в производстве. Плав карбамида из теплообменника 1 поступает по трубопроводу 13 в диспергатор 3 и разбрызгивается в верхней части башни приллирования 2 навстречу восходящему потоку воздуха, поступающему из охладителя гранул 4.
За время полета до охладителя гранул 4 капли плава застывают за счет отдачи тепла воздуху, образуя сферические гранулы, и поступают в охладитель гранул 4. В охладителе 4 гранулы охлаждаются до 60°С атмосферным воздухом и направляются на узел погрузки или склад готовой продукции. Атмосферный воздух на охлаждение гранул карбамида в охладитель гранул 4 подается в количестве 370550 кг/ч с температурой 30°С. Пройдя охладитель гранул 4, воздух поступает в башню приллирования 2, унося с собой мелкие частицы карбамида. В башне воздух нагревается до 72°С и отводится на очистку. В условиях данного примера выгрузка готового продукта с температурой 60°С приведет к его слеживанию на складе или в транспортирующей емкости.