УСТАНОВКА И СПОСОБ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КАРБАМИДА
APPARATUS AND METHOD OF PRODUCING CARBAMIDE

Изобретение относится к устройствам и способам для производства карбамида и может быть использовано в химической промышленности и промышленности по производству удобрений.
Известны установки для получения карбамида из диоксида углерода и жидкого аммиака при высоких давлениях и температурах, включающие реактор синтеза карбамида, насос для подачи жидкого аммиака в реактор синтеза карбамида, компрессор для подачи газообразного диоксида углерода в реактор синтеза карбамида (В.И.Кучерявый, В.В.Лебедев. Синтез и применение карбамида, Л.: Химия, 1970, с.178).
Наиболее близкой к предложенной установке является известная установка для получения карбамида из диоксида углерода и жидкого аммиака при высоких давлениях и температурах, включающая реактор синтеза карбамида, насос для подачи жидкого аммиака в реактор синтеза карбамида, компрессор для подачи газообразного диоксида углерода в реактор синтеза карбамида, насос для подачи жидкого диоксида углерода в реактор синтеза карбамида, устройство для испарения жидкого диоксида углерода путем теплообмена через стенку с теплоносителем, устройство для контактирования потоков диоксида углерода в виде тройника, соединяющего трубопроводы для их подачи (Технические газы, 2009, №2, с.24).
Известны способы получения карбамида из диоксида углерода и жидкого аммиака в зоне синтеза при высоких давлениях и температурах, в которых диоксид углерода в зону синтеза направляют в газообразном виде (В.И.Кучерявый, В.В.Лебедев. Синтез и применение карбамида, Л.: Химия, 1970, с.178).
Известны способы получения карбамида из диоксида углерода и жидкого аммиака в зоне синтеза при высоких давлениях и температурах, в которых диоксид углерода в зону синтеза направляют в виде жидкого диоксида углерода (В.И.Кучерявый, В.В.Лебедев. Синтез и применение карбамида, Л.: Химия, 1970, с.227-229; GB 1302424, С07С 127/04, 1973). Ожижение диоксида углерода при давлении, более низком, чем давление синтеза карбамида, с последующей подачей жидкого диоксида углерода с помощью насоса позволяет сократить энергетические затраты на компримирование диоксида углерода.
Известны способы получения карбамида из диоксида углерода и жидкого аммиака в зоне синтеза при высоких давлениях и температурах, в которых диоксид углерода в зону синтеза направляют в виде жидкого диоксида углерода, причем жидкий диоксид углерода перед подачей в зону синтеза испаряют (UA 21689 U, F25B 25/00, 2007; UA 38273 U, F25B 1/00, 2008).
Известен способ получения карбамида из диоксида углерода и жидкого аммиака в зоне синтеза при высоких давлениях и температурах, в котором диоксид углерода направляют в зону синтеза двумя потоками, один из которых является газообразным, а другой - жидким, причем жидкий диоксид углерода перед подачей в зону синтеза смешивают с жидким аммиаком (WO 2009/043365, С07С 273/04, 2009).
Наиболее близким к предложенному способу является способ получения карбамида из диоксида углерода и жидкого аммиака в зоне синтеза при высоких давлениях и температурах, в котором диоксид углерода направляют в зону синтеза двумя потоками, один из которых является газообразным, а другой - жидким, причем жидкий диоксид углерода перед подачей в зону синтеза испаряют в специально установленном теплообменнике и смешивают с газообразным диоксидом углерода (Технические газы, 2009, №2, с.24). Испарение жидкого диоксида углерода перед подачей его в зону синтеза позволяет избежать возможных повреждений оборудования вследствие гидравлических ударов при непосредственном контакте легко испаряющейся жидкости с высокотемпературной средой.
Недостатком известной установки и известного способа является необходимость использования материалоемкого теплообменного оборудования и обеспечения подвода теплоносителя.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, состоит в упрощении технологической схемы, снижении материалоемкости применяемого оборудования и повышении надежности применяемого оборудования.
Для достижения этого результата предложена установка для получения карбамида из диоксида углерода и жидкого аммиака при высоких давлениях и температурах, включающая реактор синтеза карбамида, насос для подачи жидкого аммиака в реактор синтеза карбамида, компрессор для подачи газообразного диоксида углерода в реактор синтеза карбамида, насос для подачи жидкого диоксида углерода в реактор синтеза карбамида, устройство для контактирования потоков диоксида углерода, отличающаяся тем, что устройство для контактирования потоков диоксида углерода включает цилиндрический корпус со штуцерами ввода жидкого диоксида углерода, ввода газообразного диоксида углерода и вывода смешанного газообразного потока диоксида углерода, а также расположенные последовательно внутри корпуса коаксиально корпусу сужающееся сопло, соединенное со штуцером ввода жидкого диоксида углерода, и вставку переменного сечения в виде трубы, входной участок которой является сужающимся, а выходной - расширяющимся, причем вставка расположена таким образом, что между корпусом и вставкой образована кольцевая щель.
Для достижения указанного результата предложен также способ получения карбамида из диоксида углерода и жидкого аммиака в зоне синтеза при высоких давлениях и температурах, в котором диоксид углерода направляют в зону синтеза двумя потоками, один из которых является газообразным, а другой - жидким, причем жидкий диоксид углерода перед подачей в зону синтеза испаряют и смешивают с газообразным диоксидом углерода, отличающийся тем, что жидкий диоксид углерода испаряют и смешивают с газообразным диоксидом углерода в устройстве для контактирования потоков диоксида углерода, использованном в предложенной установке, при подаче жидкого потока во вставку переменного сечения через сужающееся сопло, а газообразного потока - в цилиндрический корпус, при этом осуществляют испарение жидкого диоксида углерода путем его контактирования во вставке с частью потока газообразного диоксида углерода при массовом соотношении между потоком жидкого диоксида углерода и потоком газообразного диоксида углерода, поступающего во внутреннее пространство вставки, в пределах от 1:1,5 до 1:2,5 с последующим контактированием смешанного потока по выходе из вставки с остальной частью газообразного потока диоксида углерода.
Благодаря непосредственному контакту потока жидкого диоксида углерода с частью потока газообразного диоксида углерода в предложенной установке, его испарение осуществляется при минимальной материалоемкости оборудования и без использования промежуточных теплоносителей.
Количество газообразного диоксида углерода, которое направляют по предложенному способу на контактирование с потоком жидкого диоксида углерода, зависит от количества жидкого диоксида углерода и от температуры обоих потоков. Это количество должно быть таким, чтобы массовое соотношение между потоком жидкого диоксида углерода и потоком газообразного диоксида углерода, поступающего во внутреннее пространство вставки, находилось в пределах от 1:1,5 до 1:2,5. При меньшем количестве газообразного диоксида углерода, поступающего во внутреннее пространство вставки, количество тепла, передаваемого от потока газообразного к потоку жидкого диоксида углерода, может, при низких температурах жидкого диоксида углерода, оказаться недостаточным для полного превращения жидкого диоксида углерода в газ. Это может приводить к попаданию капель жидкой фазы на внутреннюю стенку трубопровода и вызывать кавитационно-эрозионные нарушения. При большем количестве газообразного диоксида углерода, поступающего во внутреннее пространство вставки, увеличивается порозность диспергированного факела и затрудняется контакт между каплями жидкости и газом. Это также может приводить к увеличению остаточного содержания капель жидкой фазы в газовом потоке и вызвать кавитационно-эрозионные разрушения на внутренней стенке корпуса устройства и последующего трубопровода.
Сущность изобретения иллюстрируется приложенными фиг.1, 2. На фиг.1 приведена принципиальная технологическая схема предложенной установки, осуществляющей предложенный способ, на фиг.2 - конструкция устройства для контактирования потоков жидкого и газообразного диоксида углерода.
В соответствии с фиг.1 установка для получения карбамида из диоксида углерода и жидкого аммиака при высоких давлениях и температурах включает реактор синтеза карбамида 1, насос 2 для подачи жидкого аммиака в реактор 1, компрессор 3 для подачи газообразного диоксида углерода в реактор 1, насос 4 для подачи жидкого диоксида углерода в реактор 1, устройство 5 для контактирования потоков диоксида углерода. В соответствии с фиг.2 устройство 5 состоит из цилиндрического корпуса 6, штуцера 7 для ввода газообразного диоксида углерода, штуцера 8 для ввода жидкого диоксида углерода, штуцера 9 для вывода смешанного потока газообразного диоксида углерода. Штуцер 8 соединен с соплом 10, расположенным коаксиально корпусу 6 и сужающимся в сторону штуцера вывода 9. Внутри корпуса 6 коаксиально ему размещена вставка 11 переменного сечения, входной участок которой является сужающимся, а выходной - расширяющимся. Между вставкой 11 и внутренней поверхностью корпуса 6 образована кольцевая щель 12, которая также имеет переменное сечение. Вставка 11 зафиксирована внутри корпуса 6 с помощью опорных пластин 13. Срез сопла 10 может быть расположен в одной плоскости с входным отверстием вставки 11, либо внутри вставки 11.
Установка для получения карбамида из диоксида углерода и жидкого аммиака, реализующая предложенный способ, работает следующим образом. Жидкий аммиак насосом 2 подают в реактор 1. Газообразный диоксид углерода от компрессора 3 и жидкий диоксид углерода от насоса 4 поступают в устройство 5 для контактирования потоков диоксида углерода. Газообразный диоксид углерода поступает в устройство 5 через штуцер 7. Через штуцер 8 в устройство поступает поток жидкого диоксида углерода и направляется в сужающееся сопло 10. В сопле 10 поток жидкого диоксида углерода ускоряется и на выходе из сопла образует конический факел из капель жидкости, диспергированной в газообразной среде. Факел раскрывается внутри вставки 11. Движущийся поток капель жидкости увлекает за собой внутрь вставки 11 газ, поступающий из штуцера 7. Желаемое соотношение между потоком жидкого диоксида углерода и потоком газообразного диоксида углерода, поступающего во внутреннее пространство вставки, обеспечивается надлежащим выбором конструктивных параметров устройства 5, определяемых расчетным путем на основе известных методов. При соприкосновении наружной поверхности конического факела капель жидкости с внутренней стенкой вставки 11 капельный поток начинает работать как поршень и транспортировать газ от входного участка вставки 11 к ее выходному участку в свободное пространство внутри корпуса 6 устройства в направлении штуцера 9. Смешанный газовый поток из штуцера 9 устройства 5 поступает в реактор 1, где при давлении 15-25 МПа и температуре 180-210°С образуется плав карбамида, представляющий собой водно-аммиачный раствор карбамида и не превращенного в карбамид карбамата аммония, который разделяют с помощью известных процессов испарения и конденсации, выделяя готовый карбамид в кристаллическом или гранулированном виде.
Диспергирование в устройстве 5 факела жидкости в газовой фазе позволяет создать значительную площадь поверхности контакта жидкости с газом, а разница скоростей газа и жидкости способствует турбулизации и перемешиванию потоков жидкости и газа. Все это способствует эффективному протеканию в факеле процессов тепло- и массопереноса. За счет перехода тепла от горячего газа к жидкости происходит ее нагрев и испарение. На выходном участке вставки 11 жидкий диоксид углерода полностью превращается в газ. После выхода охлажденного газового потока из вставки 11 в свободное пространство внутри корпуса 6 происходит смешение данного холодного потока газа с остальной частью горячего газообразного диоксида углерода, проходящего через щель 12 между внутренней поверхностью корпуса 6 и вставкой 11. В результате контактирования этих двух потоков происходит повышение температуры холодного смешанного потока газа за счет тепла остальной части газообразного диоксида углерода.
Вставка 11 не только позволяет создать оптимальную геометрию проточной части для осуществления эффективного контактирования потоков жидкого диоксида углерода с газообразным, но и предохраняет стенки корпуса 6 от контакта с каплями жидкого диоксида углерода. Известно, что при движении газожидкостной смеси в трубопроводе, особенно при протекании фазового перехода, на внутренней поверхности трубопровода наблюдаются кавитационно-эрозионные разрушения. Особенно опасны такие явления при высоком давлении. Вставка 11 не рассчитана на высокое давление, т.к. находится внутри корпуса 6, и толщина ее стенки значительно меньше, чем толщина стенки корпуса, рассчитанного на высокое давление. Поэтому металлоемкость вставки невелика, и она может быть изготовлена из материала, стойкого к кавитационно-эрозионным явлениям, а также может быть заменена в случае ее износа.
Щель 12 между вставкой 11 и внутренней поверхностью корпуса 6 имеет переменную площадь сечения по длине вставки 11. Сужение вставки 11 на ее начальном участке обеспечивает эффективность инжектирования потока газообразного диоксида углерода. Расширение вставки 11 и сужение щели 12 на выходном участке вставки 11 позволяет увеличить скорость потока газообразного диоксида углерода на выходе из щели 12, что способствует более эффективному смешению потоков холодного и горячего газа в свободном объеме устройства после вставки 11. Для более эффективного смешения потоков опорные пластины 13, фиксирующие вставку внутри корпуса 6, могут быть выполнены под углом к потоку движущегося газа.
Использование предложенных установки и способа позволит упростить технологическую схему и отказаться от установки материалоемкого теплообменного оборудования и обеспечения подвода теплоносителя к теплообменному оборудованию. Устройство для контактирования потоков жидкого и газообразного диоксида углерода монтируется на трубопроводе в качестве его участка. Применение вставки в конструкции устройства позволяет защитить стенки трубопровода высокого давления от кавитационно-эрозионных разрушений и повысить надежность применяемого оборудования.
Сущность изобретения иллюстрируется также приведенными ниже примерами.
ПРИМЕР 1. В реактор 1 синтеза карбамида, работающий при давлении 20 МПа и температуре 185°С, подают 13200 кг/ч жидкого аммиака насосом 2, 2500 кг/ч жидкого диоксида углерода с температурой от -25 до +15°С насосом 4 и 12500 кг/ч газообразного диоксида углерода с температурой 130°С компрессором 3. Потоки жидкого и газообразного диоксида углерода смешивают в устройстве для контактирования 5. Во внутреннее пространство вставки 11 увлекается от 30 до 50% потока газообразного диоксида углерода (массовое отношение потоков жидкого и газообразного диоксида углерода во внутреннем пространстве вставки составляет от 1:1,5 до 1:2,5), что обеспечивает полное превращение жидкого диоксида углерода в газ внутри вставки 11. Смешанный поток с температурой 72-87°С затем контактирует в корпусе 6 устройства с остальной частью (50-70%) горячего потока газообразного диоксида углерода. На выходе из устройства 5 поток газообразного диоксида углерода имеет температуру около 100°С. Плав карбамида, образовавшийся в реакторе 1, перерабатывают известными методами и получают 20450 кг/ч карбамида.
ПРИМЕР 2. Процесс проводят аналогично примеру 1 с тем отличием, что в устройстве для контактирования 5 смешивают 4300 кг/ч жидкого диоксида углерода с температурой от -25 до +15°С, подаваемого насосом 4, и 10700 кг/ч газообразного диоксида углерода с температурой 130°С, подаваемого компрессором 3. Во внутреннее пространство вставки 11 увлекается от 70 до 90% потока газообразного диоксида углерода (массовое отношение потоков жидкого и газообразного диоксида углерода во внутреннем пространстве вставки составляет от 1:1,74 до 1:2,24), что обеспечивает полное превращение жидкого диоксида углерода в газ внутри вставки 11. Смешанный поток с температурой 73-88°С затем контактирует в корпусе 6 устройства с остальной частью (10-30%) горячего потока газообразного диоксида углерода. На выходе из устройства 5 поток газообразного диоксида углерода имеет температуру 80-95°С.
ПРИМЕР 3. Процесс проводят аналогично примеру 1 с тем отличием, что в устройстве для контактирования 5 смешивают 5000 кг/ч жидкого диоксида углерода с температурой от -25 до +15°С, подаваемого насосом 4, и 10000 кг/ч газообразного диоксида углерода с температурой 130°С, подаваемого компрессором 3. Во внутреннее пространство вставки 11 увлекается от 90 до 98% потока газообразного диоксида углерода (массовое отношение потоков жидкого и газообразного диоксида углерода во внутреннем пространстве вставки составляет от 1:1,8 до 1:1,96), что обеспечивает полное превращение жидкого диоксида углерода в газ внутри вставки 11. Смешанный поток с температурой 72-87°С затем контактирует в корпусе 6 устройства с остальной частью (2-10%) горячего потока газообразного диоксида углерода. На выходе из устройства 5 поток газообразного диоксида углерода имеет температуру 78-88°С.