專利名稱：改進的尿素合成反應器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在高溫高壓下由氨和二氧化碳合成尿素的一種改進的反應器。
眾所周知，當氨和二氧化碳在密閉系統(tǒng)中加熱至高溫時，壓力升高并生成尿素。通常，尿素及其合成方法參見Encycbpedia of chem icalTechnobgy，23548-575(1983)及其所列參考文獻，這些文獻的全部公開本文作為參考文獻引用。
尿素合成在溫度為125-250℃，壓力約為100-350大氣壓的高壓釜中進行。在合成反應過程中，氨和二氧化碳結合成氨基甲酸銨并放出熱量，氨基甲酸銨隨后轉化為尿素和水。所得反應混合物中除了尿素和水之外，還包括未反應的起始物料及氨基甲酸銨。在加壓下引入高壓釜中的二氧化碳和氨以液態(tài)或氣態(tài)存在，而由氨基甲酸銨脫水產生尿素過程中形成的水便成為氨和二氧化碳的吸收劑。脫水反應在液相中發(fā)生，由于脫水反應平衡的制約，反應物僅有部分轉化為尿素。
如果液相以活塞式流動(有時稱作“活塞流”)通過高壓釜，由高壓合成反應器中得到的尿素產率將會顯著提高。氣相與液相之間的接觸會導致至少部分氣體凝聚，所釋放出的凝聚熱用來促使氨基甲酸銨脫水成為尿素。
業(yè)已發(fā)現為實現上述目的，圓筒形反應器的反應空間被豎直方向上每隔一定距離水平放置的多個多孔反應器隔板分隔，例如U.S.3046307所描述的，該專利的全部公開本文作為參考文獻引用。借助這些反應器隔板分隔反應器內腔，形成多個沿反應混合物流動方向連續(xù)排布的分隔室或區(qū)域。這些反應器隔板被優(yōu)選水平排布在反應器內部，從而使反應組分在其所形成的各個區(qū)域內均勻混合。多孔反應器隔板目前的工藝狀況為在反應器的整個橫截面上水平地放置，每塊隔板上都有許多孔道以使氣液兩相流過。由于液體和氣體流過同樣的孔道，與通過這些孔道的液流有關的氣流是不定的，從而導致氣體和液體難以預測的無規(guī)流型。結果，在一個分隔室的一定區(qū)域內可能出現“滯流區(qū)”，導致較低的轉化率。
另一種有代表性的分隔尿素合成反應器反應空間的方法是使用帶有圓孔的反應器隔板，此圓孔處在多孔反應器隔板與反應器內壁之間，如

圖1所示。通過這種圓孔主要輸送液相流體，而氣相流體輸送則通過每塊應器隔板中心部分的孔道。盡管在這種園孔中液體流速相對較低，可能有部分液體未與大部分液體混合而直接沿反應器內壁流向頂部。這種現象稱作“走旁路”，相應地使氨基甲酸銨向尿素的轉化率與理論可能達到的相比要低一些。
另一種對降低轉化率有影響的現象稱作“逆向混合”，此現象發(fā)生在液體，例如通過孔由反應器中上面的分隔室流向下面的分隔室時，例如在U.S.4098579中看到的，該專利的全部公開本文作為參考文獻引用。在逆向混合情況下，活塞流狀態(tài)不是最適宜的，這里存在對理論上可能達到的尿素產率的明顯的不利影響。
尿素產率的進一步提高據說可以通過提供一種配有多孔反應器隔板的尿素合成反應器而實現，其中的多孔反應器隔板邊緣上至少有一個供液體流過的開口。相鄰兩隔板上液體流過的那些開口位置處在反應器的中心部分相對的兩側從而迫使液體通過發(fā)生氣相傳送的反應器的中心部分，如日本專利公開A-38813(1970)所陳述，該文獻的全部公開本文作為參考文獻引用。用這種方法，便形成了大體上曲折的液體流動路徑，其穿過大體上垂直的氣相流動路徑。用這種方法，據稱走旁路得以避免，尿素產率得到提高。
本發(fā)明的一個目的是提供一種反應物轉化為尿素的改進的反應器，據此這種轉化將會更接近于理論上所能達到的水平。
本發(fā)明的另一目的是提供一種改進的反應器隔板，從而克服由于逆向混合，走旁路及滯流區(qū)現象，而對可能達到的最大轉化率產生的不利影響。
本發(fā)明的另一目的是提高由高溫高壓合成反應得到的尿素的產率，在同樣的時間內增加反應物料的通過量。
本發(fā)明另一目的是提供一種方便地實現對反應器，特別是尿素反應器或水解器的改進或現代化的方法。
本發(fā)明的另一目的是提供一種進行尿素的壓力合成的反應器，由此實現設備體積的明顯減小而不會使反應物料通過速率降低或尿素產率降低。
這些及其它目的可以通過提供一種反應器(或水解器)而達到，該反應器(或水解器)裝配有多孔反應器隔板，每塊隔板上至少裝有一個處在或接近于隔板邊緣的升液管，從而兩塊相鄰多孔反應器隔板上的升液管相互不在縱軸向直線上；而是彼此處在反應器中心部分的相對的兩側。在一個優(yōu)選的實施方案中，這些升液管裝配有從多孔反應器隔板底側伸出的一段中空管。這些中空管以底面或側面為基準長度為50-500mm，延伸至不超過兩塊相鄰反應器隔板間距離的1/3處。顯然，相鄰隔板上升液管的開口不宜直接重疊配置在另一個的上面。反應器優(yōu)選是垂直放置的由氨和二氧化碳在高溫高壓下合成尿素的圓筒(或“塔)合成反應器。
圖1是常規(guī)尿素反應器部分縱切面圖。
圖2是依據本發(fā)明的尿素反應器的部分縱切面圖。
圖3表示一種有代表性的具體的本發(fā)明的反應器中有用的隔板孔形式。
圖4表示一種有代表性的升液管，其由接于多孔反應器隔板下側面的一根中空管裝配成。
圖5和圖6分別是一個上視圖和側視圖，依據本發(fā)明，升液管位于多孔隔板的外緣上。
用多孔反應器隔板將尿素合成反應器內腔分隔開是有益處的，其中分隔至少用一對多孔反應器隔板，這樣每塊隔板上至少有一個升液管(或開口，通道，或孔)，也可能有，例如兩個升液管，升液管最低限度應位于更接近周邊而非中心的位置，例如位于或接近于多孔反應器隔板外緣，這樣一對多孔反應器隔板中的每個升液管包括一段高度為50-500mm的中空管，該管接在一個下底面，例如塔式反應器中底面一側，且由此懸垂下，對于每對這樣的多孔反應器隔板，其中中空管的一端不與隔板連接而是通向由該對相鄰的多孔反應器隔板限定的分隔室或區(qū)域，中空管的另一個開口端則與多孔隔板上一個形狀類似的孔相接成一體且固定，但相鄰隔板上的升液管的開口并不直接在另一個的上面。以反應器隔板下測面所限定的平面為基準，優(yōu)選每個升液管的每根管子高度為100-300mm。通常，管子延伸至不超過兩相鄰隔板間距離的1/3處，優(yōu)選不超過此距離的1/4。
已經發(fā)現，各個反應器隔板之間的間距大體上相符，且在500-5000mm之間。優(yōu)選反應器隔板彼此間至少應大體上平行。
反應器隔板上的升液管包括液體通過的開口或孔，且開口(管子由此延伸開)可以是圓形、橢圓形或多邊形。優(yōu)選開口具有相同的幾何形狀。通常，使液體流過的升液管開口的平面橫截面積大小應這樣選取以滿足在升液管中液體流速為0.05-1m/sec，優(yōu)選0.10-0.6m/sec，更優(yōu)選0.10-0.30m/sec。實用中，這意味著對一個尿素反應器而言，至少一個升液管的開口橫截面占多孔器隔板面積的1-10％。
進一步發(fā)現，當氣相流經孔道時優(yōu)選氣相最低流速至少為2.5m/sec以實現反應器兩相分隔室或區(qū)域中液體的有效分離。這一速度可以由2.5至10m/sec，更特別地為2.5至5m/sec，典型地約3m/sec。在此情形下，逆向混合得以避免，尿素產率將接近理論上所能達到的產率。在一個給定的反應器中要達到這個速率，孔(數目和直徑)可以選擇以達到這一速率。如果需要，孔的數目、尺寸及分布可以在反應器隔板間變化。最小孔尺寸，例如，圓孔為2mm，更特別為2至20mm，不過其優(yōu)選分布為5至10mm。用于氣相傳輸的這些孔優(yōu)選處在反應器隔板的中心區(qū)域，并占有反應器隔板面積的20至80％，更特別為40-60％。在一塊給定塔板上的孔彼此分隔開，且與至少一個升液管分開以避免混合，流出及其它問題。因此，例如，升液管可以處在或接近于反應器(或水解器)隔板的外緣，而氣孔則處于隔板的中心區(qū)域。
本發(fā)明特別適用于在溫度低于200℃，例如160至200℃，壓力低于200bar例如120至195bar下的尿素合成方法。優(yōu)選反應器壓力在120至175bar之間。
本發(fā)明也可以用于其它反應，其中液相的“活塞流”伴隨氣/液接觸而發(fā)生，例如在高溫高壓下的水解反應。在這些反應中，尿素通過高溫高壓下水解而從含尿素的液相中被除去。這可以通過在尿素水解器至少部分內腔中配置多孔水解器隔板而實現，其中一對相鄰多孔水解器隔板中每塊至少有一個升液管(包括在隔板上的開口)，例如，兩個升液管，至少位于接近于隔板周邊而非中心位置，例如處在或接近于多孔水解反應器隔板的外緣，這樣一對相鄰多孔隔板中的每一塊都裝有高度為50至500mm的管子，該管接在此對相鄰多孔水解器隔板中一塊隔板的下側面，例如塔式水解器中底面一側，且由此懸垂下，其中中空管的一端通向由該對相鄰多孔隔板界定的分隔室或區(qū)域，管子的另一開口端則完全與多孔隔板形狀類似的孔相接為一體且固定，但是相鄰兩隔板間升液管的開口直接重疊在另一個的上面。以水解器隔板下側面所限定的平面為基準，優(yōu)選管子高度為100至300mm。管子延伸至不超過兩相鄰水解器隔板間距離的1/2，優(yōu)選不超過該距離的1/4。
已經發(fā)現，各個水解器隔板間距離在300至3000mm之間，優(yōu)選水解器隔板彼此以大體上相等的距離隔開。
在水解器隔板上液體通過的開口(升液管)可以是環(huán)形、橢圓形或多邊形，但是，優(yōu)選開口具有相同的幾何形狀。通常，使液體流過的升液管的開口平面橫截面積應這樣選取以使得升液管中液體流速在0.05至1m/sec之間，優(yōu)選0.10至0.60m/sec，更優(yōu)選0.10至0.30m/sec。這意味著在實用中對水解反應器而言，其升液管(一個或多個)的橫截面積占多孔水解器隔板面積的1至10％。
進一步發(fā)現，當氣相流經孔道時優(yōu)選氣相最低流速為4.0m/sec以實現水解器內兩相鄰分隔室或區(qū)域中液體的有效分離。這一速度為由4.0至25m/sec，更特別地為4.0至15m/sec。為了在一個給定的水解器中達到這個速率，孔(數目和直徑)可以選擇以達到這個速率。與合成反應器的情形相同，如果需要，孔的數目、尺寸及分布可以在隔板中進行改進。最小尺寸，例如，圓孔為2mm，更特別為2至20mm，不過，本發(fā)明優(yōu)選分布在4至10mm。用于氣相通過的這些孔優(yōu)選位于水解器隔板的中心區(qū)域并占有水解器隔板面積的20％至80％，更特別為40至60％。
在用上面描述的多孔隔板裝配的尿素合成反應器或水解器的場合，用來分隔反應器或水解器內腔的這種隔板數目上并無嚴格限制。目前工業(yè)尿素裝置的反應器可用8-20塊隔板，更特別為8-10塊，盡管少于8塊，例如6或7塊也是可行的，但很少需要。通常，尿素裝置中工業(yè)水解器可以有10至30塊隔板。
在優(yōu)選的實施方案中，升液管的管子部分應大體上垂直于多孔反應器隔板所限定的平面。
原則上，如果需要，曲折而又稍微環(huán)形的液流可以通過錯開相鄰多孔隔板上的液管形成。這就是說，按順時針方向，一個液管處在多孔隔板上9點的位置，而相鄰多孔隔板的下一個則可以處在12或“稍后的位置，以此類推，條件是應達到所期望的液流速度。優(yōu)選相鄰兩塊多孔隔板間的升液管彼此處在相對的位置，例如在9和3的位置。
在反應器或水解器的設計中，如果需要，升液管可以安裝在多孔隔板的周邊上。在該實施方案中，孔的型式、數目及分布的適應性更大。依據設計準則，原則上一個反應器或水解器可以包括不同升液管排列的組合。但是，為了組裝的方便或反應器的現代化，優(yōu)選對一給定反應器或水解器的特殊多孔隔板結構進行標準化。
本發(fā)明亦涉及到現有工廠中尿素合成反應器(或水解器)的現代化，特別適用于高溫高壓下的尿素合成?，F代化有時被當作是“式樣翻新”。在現代化中，已有的尿素反應器或水解器可以通過裝配上文中所描述的多孔隔板而改進，據此，對給定能耗的尿素產量及反應物的轉化率在工業(yè)實用規(guī)模上得到提高。在現代化中優(yōu)選提供一種位于或接近于多孔隔板周邊的使液體流過的開口，例如焊接裝上相對于所述開口的管子從而提供一種如上文所描述的升液管。
現在參照附圖對本發(fā)明作進一步的描述。
圖1表示一個反應器的部分縱切面，該反應器有一個圓孔(1)以供液體在多孔反應器隔板(2)與反應器內壁(3)之間通過。在多孔隔板的中心部分(4)，氣相通過以小泡的形式進行從而引起分隔室中如箭頭所示的環(huán)形回流。
圖2表示一個尿素合成反應器的部分縱切面。多孔反應器隔板(1)放置于反應器內，據此體積大體上相等的分隔室或區(qū)域(2)由相鄰反應器隔板的相對表面和反應器內壁(5)所限定。升液體通過由靠近多孔反應器隔板邊緣的升液管(3)進行。兩相鄰多孔反應器隔板上的升液管處于反應器中心部分相對的兩側，從而迫使液流通過氣流通過的反應區(qū)域(2)的中心部分。在一個圓筒形反應器中，升液管優(yōu)選以圓筒形反應器(或依情況可以是水解器)的垂直軸為基準而相互正好相對的位置。借助升液管的非同軸放置，當液體從一個分隔的區(qū)域(分隔室)流向另一個分隔區(qū)域時，便在反應器(或水解器)內形成一種曲折的流動路徑。在多孔反應器隔板的中心部分(4)，氣相流動以小氣泡的方式進行從而引起如圖中箭頭所示的環(huán)形回流。這種的環(huán)形回流與液體的曲折流動路徑一起避免了分隔室中滯流區(qū)的出現。
圖2中的部分切面圖未畫出廣為人知的結構部分。其中包括引入反應物料，例如氨和二氧化碳進入一個垂直放置的圓筒反應器的較低分隔室或區(qū)域的設備。反應器設備亦包括引出產品，例如從通常位于反應器內上方的分隔室，區(qū)域或其它部分引出含尿素的產品的設備。引入反應物的設備及引出產品的設備，對于本技術領域技術熟練的人員是已知的。
圖3描繪了隔板(1)的一種特殊形式，其具有許多用于氣相通過的孔(2)和至少一個用于液相通過的管子(3)，正是這種管子可以實施本發(fā)明的方法，或用以改進現有的反應器。
圖4表示一種有代表性的反應器隔板(1)，其配有依據本發(fā)明在反應器中有用的管子(2)和氣相通過的孔(3)。
圖5和圖6表示多孔隔板(10)的另一種實施方案。在圖5的上視圖中，隔板(10)中間區(qū)域有孔(20)，這些孔(20)與處于隔板(10)邊緣的升液管30通過一無孔區(qū)域分開。如圖所示，升液管30是一種拱形的開口，這應視為僅僅是一種實施方案。在圖6的側視切面圖中，反應器或水解器側壁40與部分管31一起形成升液管30。盡管圖中末示出，圖6中部分管31與圖5中示出的升液管開口有整體的上部邊緣，且有一致的斷面，正如所描述的那樣，該管側面大體上垂直于多孔隔板(10)，該側面連接在反應器或水解器的側壁40上或其附近，由此而形成升液管。孔20在圖6中末示出。
我們已經觀察到，用依據本發(fā)明而改進的反應器，二氧化碳變?yōu)槟蛩氐霓D化率從約60％提高到約63.5％，在實踐中轉化率提高特別有意義。與圖1給出的反應器相比，會導致較大的生產容量和較低的能耗。對于一個新的尿素生產裝置，這意味著可裝配一個較小的反應器仍可得到同樣的產量和達到同樣的能耗。改進現有裝置的優(yōu)勢在于當用具有在本發(fā)明中描述的管子的反應器隔板改進反應器時，可以實現能耗的降低和尿素產量的提高。
在下文所給出的非限定性實施例中本發(fā)明進一步被描述。
實施例對比實施例A采用工業(yè)尿素生產裝置中的尿素反應器，其裝有10塊如圖1所示的反應器隔板，按Stam icarbon Carbond ioxide Stripping Process操作(參見European Chem ical News Urea Supplement；January 17，1969；Pages 17-20，)該文獻的全部公開在本文中作為參考文獻引用。該尿素反應器按如下條件操作反應器最高溫度為187℃，反應器壓力為148bar。
在這些條件下，流出反應器的液體混合物中二氧化碳轉變?yōu)槟蛩氐霓D化率為61.7mol％，而氨轉化為尿素的轉化率為39.2mol％。在安裝了carbond ioxide Stripping Process的二氧化碳汽提塔的反應器內的下游，每生產一噸尿素需要862kg蒸汽從尿素/水的混合物中分離出大部分未轉化的氨和二氧化碳的大部分。
實施例I在對比實施例A中的相同尿素裝置中，10塊反應器隔板改進成如圖2、3和4所示的10塊反應器隔板。尿素反應器再次在下述條件下操作反應器最高溫度187℃，反應器內壓力148bar。
該尿素生產裝置的尿素產量增長了6％。在此較高的產量下，二氧化碳轉變?yōu)槟蛩氐霓D化率為62.8mol％氨轉變?yōu)槟蛩氐霓D化率為39.9mol％，汽提塔中蒸汽消耗量為824kg/噸尿素，同時保持未轉化的二氧化碳及氨有相同的分離程度。
實施例II
在與實施例I相同的尿素裝置中，尿素反應器再次在相同的溫度和壓力下操作。
尿素產量保持與對比實施例A相同水平。尿素裝置在以上條件下操作時，得到下述結果二氧化碳轉變?yōu)槟蛩氐霓D化率大于63mol％，氨轉變?yōu)槟蛩氐霓D化率大于40mol％。保持未轉化的氨及二氧化碳分離程度相同時，汽提塔中蒸汽消耗小于800kg/噸尿素。
權利要求
1.一種在高溫高壓下由氨和二氧化碳合成尿素的反應器，該反應器具有內腔，所說的內腔被分隔成多個區(qū)域；將氨和二氧化碳引入所說內腔下部的設備；將含尿素的產品從內腔的上部引出的設備；多個多孔反應器隔板，其至少大體上橫向跨越內腔放置，由此產生所說的區(qū)，其中每塊多孔反應器隔板上有多孔區(qū)域，所說的每塊多孔反應器隔板上至少有一個與所說多孔區(qū)分開一定距離，更靠近多孔反應器隔板周邊而非中心的升液管，每個所說的升液管包括一段高度為50至500mm的管子，該管子固定于每塊多孔反應器隔板的下側面并由此向下懸垂，其由此延伸至不超過兩個相鄰反應器隔板距離的1/3處，其中相鄰多孔反應器隔板上的升液管位置相互錯開而并不在同一軸線上。
2.根據權利要求1的反應器，其中固定在每一對這樣的多孔反應器隔板的一個下側面且由此懸垂下的管子高度為100-300mm。
3.根據權利要求1的反應器，其中管子延伸至不超過兩個相鄰反應器隔板距離的1/4處。
4.利用權利要求1的反應器的一種方法，其中在多孔反應器隔板的孔中保持氣相的最低流速至少為2.5m/sec。
5.根據權利要求4的方法，其中氣相流速為2.5-10m/sec。
6.一種在高溫高壓下尿素水解的水解器，該水解器具有多個相鄰的多孔水解器隔板，每塊多孔水解器隔板有中心多孔區(qū)和至少一個與中心多孔區(qū)分開且至少更靠近所說隔板周邊的升液管，其中每塊多孔水解器隔板上的每個升液管包括高度50至500mm的中空管，該管固定于每個多孔水解器隔板的下側面且由此向下懸垂，由此延伸至不超過兩塊相鄰水解器隔板距離的1/2處，每個所說的升液管位置相互錯開，并不和相鄰水解器隔板上的升液管處于同一軸線上。
7.根據權利要求6的水解器，其中固定在每對這樣的多孔水解器隔板的下側面且由此懸垂下的管子高度為100-300mm。
8.根據權利要求6的水解器，其中管子延伸至不超過兩塊相鄰水解器隔板距離的1/4處。
9.利用權利要求6的水解器的一種方法，其中在過多孔水解器隔板的孔中保持氣相最低流速為2.5m/sec。
10.根據權利要求9的方法，其中氣相流速為2.5至10m/sec。
全文摘要
一種在高溫高壓下由二氧化碳和氨合成尿素的反應器，該反應器裝配有至少一對分開的多孔反應器隔板，每塊隔板上至少有一個開口，此開口更接近于隔板周邊而與中心有一定距離，例如處于或緊鄰多孔反應器隔板的外緣，每塊隔板上裝有高度為50至500mm的管子，此管固定于該多孔反應器隔板的一個底面(例如，塔式反應器中底面一側)且由此懸垂下來，延伸至不超過相鄰反應器隔板間距離的1/3處。
文檔編號B01D3/22GK1137516SQ9610577
公開日1996年12月11日 申請日期1996年3月14日 優(yōu)先權日1995年3月15日
發(fā)明者K·揚卡斯, H·F·佩里 申請人:Dsm有限公司