專利名稱：提高尿素反應(yīng)器收率和生產(chǎn)潛力的系統(tǒng)和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及為提高尿素反應(yīng)器收率而同時(shí)也提高尿素反應(yīng)器的生產(chǎn)潛力的系統(tǒng)，上述的尿素是在高溫、高壓下合成氨和二氧化碳形成的，液相和氣相并流流過所說反應(yīng)器的內(nèi)部空間，并且將所述內(nèi)部空間分成分隔空間以避免整個(gè)液相的過度的混合和容許氣體在具有適宜提高兩相之間的熱和物質(zhì)的交換的尺寸的氣泡中的周期性再分布。
本發(fā)明涉及使所述系統(tǒng)生效的裝置，該裝置基本是由橫向分布于園筒形反應(yīng)器殼體內(nèi)的形成分隔空間的7個(gè)開孔平隔板或板組成，在反應(yīng)器內(nèi)形成了分隔空間。氣體和含尿素的液流流過上述的裝置。
在現(xiàn)代的用于合成尿素的反應(yīng)器中，在壓力下的反應(yīng)器的園筒形殼體內(nèi)部的二相，一種是氣相，一種是液相，并流流動，所述反應(yīng)器殼體由7個(gè)開孔板將其分成為分隔空間。這種結(jié)構(gòu)的目的是為了避免反應(yīng)器內(nèi)所裝有的全部液相過度地混合，所述過度混合會傾向于將反應(yīng)器變成一個(gè)完全混合的反應(yīng)器，從而降低了尿素的收率，通過7塊板將反應(yīng)器分成幾級而降低了混合量并促使液相的行為接近于平推流反應(yīng)器的行為，眾所周知，平推流反應(yīng)器對于保持相對高的尿素收率是最理想的。
用開孔板將反應(yīng)器分成7層，還使得周期性地將沿著塔向上流動的氣體在比較適宜提高兩相之間熱和物質(zhì)交換的較小氣泡中進(jìn)行再分布成為可能。實(shí)際上，上升的氣泡流會出現(xiàn)合并現(xiàn)象，上述合并現(xiàn)象可逐漸地增大氣泡的尺寸，從而減少相間的交換表面;這種不良的現(xiàn)象可以通過開孔的平板所帶來的再分布來部分地補(bǔ)償。
然而，在每個(gè)開孔板上氣體和液體的并流對于熱和物質(zhì)交換以及尿素收率會產(chǎn)生一些副作用，(后者是由于反應(yīng)物進(jìn)入液相的流動的降低和因較小量的吸熱反應(yīng)而引起的溫度降低，以及反應(yīng)器的持液量的降低)。實(shí)際上，蒸汽和液體不能同時(shí)通過平隔板上的開孔，而是借助于所形成的氣泡流推動它們交替地通過，與氣泡的均勻分布比較，對于相同量的蒸汽，上述布置在與液相活塞流交替流過的氣泡流內(nèi)產(chǎn)生較高濃度的氣泡。結(jié)果為顯著地增加了在一塊板和另一塊板之間氣泡的合并而增大了它們的平均尺寸，降低了蒸汽/液體表面并惡化了氣相/液相交換;由于同液相交換的蒸汽量較小降低了該相可得到的蒸汽體積(而且該相所達(dá)到的溫度也被降低)。此外，在板和園筒體之間通常有一環(huán)形縫隙，部份蒸汽通過上述的縫隙，從而使交換效率下降。總之，與經(jīng)過每一開孔板之后氣泡的均勻分布而不是這種交替型的而得到的收率比較，上述這些都會引起尿素收率的降低。
現(xiàn)有技術(shù)的另一局限是與提高現(xiàn)有工廠的反應(yīng)器生產(chǎn)潛力的可能性有關(guān)。一般反應(yīng)器由于它的潛在的液相容量，與要求它們生產(chǎn)的名義上的尿素產(chǎn)量相比較確實(shí)是很大的，從理論上說，這種事實(shí)將會使它們自己可能在保持幾乎不變的尿素收率情況下增加產(chǎn)量。然而，氣體的不良分布，由于隨之而來的合并而造成的氣泡尺寸，兩相之間的物質(zhì)和熱量交換，給液相留下的有效體積(在上述液相中發(fā)生生成尿素的反應(yīng))，尿素收率由于氣體和液體容積增加而急劇惡化，結(jié)果尿素產(chǎn)量不能按總的液體和氣體容積的增加而成比例的提高。
本發(fā)明的主要目的是為了克服上述缺陷和提高尿素反應(yīng)器的合成反應(yīng)收率和潛力而提供一種方法或系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一目的是提供使上述系統(tǒng)生效的特別簡單和有效的裝置。后者的特征是從一分隔空間進(jìn)入另一分隔空間的每次傳遞中，氣相和液相流動都以相互分離和被分布的方式進(jìn)行，每相連續(xù)穩(wěn)定和均勻地流動。
在一優(yōu)選的方案中，操作裝置的特征在于在板中的開孔具有尺寸和/或形狀梯度，所產(chǎn)生的區(qū)域區(qū)間容許基本不含氣泡的液體流動，并允許分別地在液體難以到達(dá)的區(qū)域內(nèi)可調(diào)整地和均勻地分布?xì)馀莸臐舛取?br>
因此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，反應(yīng)器開孔板應(yīng)以如此方式制得，使得容許永久流動的氣泡的比較均勻地分布，避免它們在一板和另一板之間的合并和具有與連續(xù)的液流相交替的氣泡流的這種兩相運(yùn)動的不利影響。其結(jié)果提高了尿素的收率和反應(yīng)器的生產(chǎn)潛力。
在一特別簡單，有效因而是優(yōu)選的方案中，多個(gè)板的開孔、形狀是不同的，以這種方式可允許氣體和液體連續(xù)穩(wěn)定地流動，兩者沿著相互分開的和被分布的路徑通過每個(gè)板。分別預(yù)定用于液體流動和氣體流動的板面區(qū)間的部分開孔尺寸是不同的;預(yù)定用于液體流動的區(qū)域開孔尺寸，應(yīng)能阻止通過開孔的帶有液體的氣泡的通路，而使它們流向預(yù)定用于氣體流動的區(qū)域。預(yù)定用于兩相的流動的成形的區(qū)域面的區(qū)間應(yīng)按這樣方式分布，以能保證所形成的通過上述成形的開孔板的氣泡的均勻分布。
通過對附圖中表示的方案的說明，本發(fā)明各個(gè)方面和優(yōu)點(diǎn)將更加清楚，其中-
圖1所示是一種多個(gè)分隔空間的反應(yīng)器的示意和部分縱剖面圖;
-圖2是圖1園A所包括的形成板的部件的放大圖;
-圖3是部件ELi上部2的俯視圖;
-圖3A所示是沿長方形ELi部件的線A-A方向的剖視圖;
-圖4是由長方形部件ELi-EL′n形成的板spi的前視圖;
-圖4A(與圖2類似)是在圖4中部件EL′m-1，EL′m，EL′m+1的放大圖;
-圖5和5A分別是在壁2上(與反應(yīng)器軸線相垂直)和與反應(yīng)器軸線平行的壁4、4′上的開孔區(qū)間的放大圖;
在圖1中，R示出尿素反應(yīng)器的中心園柱殼體，C1、C2、C3是由三塊板SP1、SP2、SP3形成的三個(gè)橫向分隔空間。這些是由菱形部件ELi……ELn形成的，上述部件ELi……ELn在圖2中呈梯形，在圖4中優(yōu)選呈長方形。
圖2示出每個(gè)ELi部件成形象-Greek key，帶有一由在上部的面或較小的底2，在下部的較大的底，兩個(gè)傾斜的側(cè)面4-4′和空隙5形成的象倒置的梯形的壁。按照本發(fā)明的主要方面，在圖2所示的方案中，在兩個(gè)傾斜的側(cè)壁4和4′上有大于壁2上的開孔fi的開孔Fi，最好開孔fi的直徑在1和3.5mm之間，較好的是約2-3mm，而大開孔Fi直徑幾乎2倍于fi的直徑，約2-7mm，最好Fi開孔為3-6mm。
圖3所示一長方形或梯形部件EL′i的一個(gè)壁2的俯視圖。
圖4示出平隔板的前視圖，由呈長方形的，即帶有平行反應(yīng)器的軸線的壁4和4′部件EL′l到EL′n開孔和成形。在壁2上的開孔fi通常如在圖5中那樣呈園形;另一方面，在壁4和4′上的開孔Fi可以基本上如在圖5A中用0示出的那樣呈橢園形。它們的特征在于具有較長軸線AM和較短的軸線MI。
實(shí)例已經(jīng)在已提供模型的反應(yīng)器上完成了模擬操作，在名義上的設(shè)計(jì)條件下，對于產(chǎn)量約1800t/d⑩，以總流量(液體加氣體)計(jì)，收率為64%;如果單獨(dú)以液相估算(不精確的)，收率將約是65.5%，產(chǎn)量提高到2300t/d，會發(fā)現(xiàn)收率降低。這間接的證實(shí)，a)反應(yīng)器太大，b)與名義上的情況相比，在反應(yīng)器內(nèi)的傳遞過程的改進(jìn)不僅能提高收率，而且會改進(jìn)在顯著增加反應(yīng)器潛力的整個(gè)過程中所述收率的保持。
在這種未改進(jìn)的反應(yīng)器中，日產(chǎn)量為2300t，按精確的數(shù)學(xué)模型條件繼續(xù)模擬操作。得到的收率(模擬的)為61.3%，如果根據(jù)(不精確的)單獨(dú)的液相計(jì)算其收率(fintitiously)為63.5%。由于缺乏一些在這些條件下的數(shù)據(jù)而不能直接證實(shí)，但是在提高產(chǎn)量條件下，由該模型所預(yù)測的有效收率與實(shí)際情況非常接近。
然后，將新式板引入反應(yīng)器中的目前尚設(shè)有板的所有區(qū)段(即在下部正切線(T.L.)的16米處)之上，并進(jìn)行模擬。與本發(fā)明有關(guān)的模型表明(已實(shí)現(xiàn)2300t/d.潛力)相對于總流量的收率為65.8%(+4.5%絕對值)但在蒸汽內(nèi)(以液相計(jì)不精確地等于66.7%，但伴隨著蒸汽量顯著降低)。
還已經(jīng)證實(shí)，這樣的收率可以在進(jìn)一步提高潛力到2700t/d(如果這借助于工廠內(nèi)的其它設(shè)備是可以實(shí)現(xiàn)的)時(shí)保持不變。這是所提出的新的方案的一個(gè)進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)。
繼而在理論上，在所考慮的條件下，能實(shí)現(xiàn)提高收率4.5%(絕對值)并將容許進(jìn)一步提高產(chǎn)量。
在實(shí)驗(yàn)中得到的一些原則如下。
在如下的說明中，擋板和液體通道的長度尺寸是指示性的。如果由于結(jié)構(gòu)方面的要求，它們可以改變5～10%。
這還與在液相和氣相流過處的每m2的開孔數(shù)目有關(guān)。
另一方面，用于氣相的開孔尺寸必須被認(rèn)為是不能改變的，而用于液相的開孔尺寸實(shí)際上是這樣。
最后，應(yīng)確認(rèn)用于氣相和液相的每平方米的開孔數(shù)是根據(jù)用于氣相的面積以及液相的面積計(jì)算的，并不是根據(jù)總面積(氣體加液體)計(jì)算的。
板的編號(所建議的，或?qū)嶋H存在的，對還沒有被代替的那部分)是在反應(yīng)器下部正切線處(T.L)(在圖上沒有表示)開始。
按同樣的方式，安裝板時(shí)，在緊固點(diǎn)允許的范圍內(nèi)，它們應(yīng)交替地被旋轉(zhuǎn)(相對于園蓋準(zhǔn)線)60°-90°。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，總體上，在制造板時(shí)應(yīng)遵守下列規(guī)則-金屬厚度應(yīng)不大于3.5～4mm，以方便沖孔;
-板應(yīng)交替定向，如以直角成以60°固定它們;
-應(yīng)在為液體通道而預(yù)留的這部份金屬板上制得用于該設(shè)備的開孔;
-應(yīng)當(dāng)理解在預(yù)計(jì)作為氣體通道的表面上的每平方米開孔是按照金屬板的總面積計(jì)算的。即使上述的金屬板被彎曲之后成為側(cè)面(垂直的);
-用于氣體的開孔應(yīng)以等邊三角形布置，其連接線距為24mm;
-在板成形后，必要的是隔板應(yīng)通過將垂直壁焊接到形成密封的未端位置上而在端部密封，以避免氣體從側(cè)面滲漏;
-對于開孔和成形后的板材金屬，可提供適宜的支撐和支持來補(bǔ)償薄度。
-氣體應(yīng)被引入較低部位通過帶有與最下部板的隔板相垂直設(shè)置的多個(gè)孔的水平管;如果萬一這是不可能的，則必須布置兩塊板，在它們之間帶有與其成直角的隔板，上述兩塊板相互靠近(300+500mm)，這樣將獲得同樣的結(jié)果(因?yàn)檩^下部的板將作為上部板的分布器)。
板距應(yīng)為約2.4m。
理論上說，用于氣體的開孔從一塊板到另一塊板應(yīng)是變化的，所具有的開孔面積從底部向頂部逐漸減小然而，根據(jù)本發(fā)明布置的板，保持等于較低的板所要求的最大的開孔的均勻的一致的開孔是可能的。這簡化了結(jié)構(gòu)和安裝程序，在蒸汽(氣體)逐漸減少的上部板中，這意味著在園蓋和氣體變得越來越少的頭部內(nèi)調(diào)節(jié)了曾不斷升高的液位。(因此，部分預(yù)定用作氣體通道的開孔將由液體使用)。
在一優(yōu)選的方案中-用于氣體的穿孔(在這種情況下)是2000孔/(相對面積m2)，其直徑φ＝3mm;按等邊三角形布置(優(yōu)選布置)這意味著孔距為如24mm(在預(yù)定用于氣體的區(qū)域上，開孔區(qū)的百分率為1.4%)(圖5);
-用于液體的開孔(在這種情況下)為600孔/(相對面積m2)，其直徑φ＝8mm，按等邊三角形布置，距離為43mm。在采用橢園形開孔的地方，它們的軸線是4mm-6mm，按同樣方式布置(開孔面積百分率均為用于液體面積的3%)。
顯然，在被彎曲和安裝后支承開孔板的金屬帶應(yīng)相互用螺栓固定，為了從一個(gè)園蓋到另一個(gè)園蓋交替重疊要留一條邊。
為了更清楚，更簡單的說明，參照附圖中所示的方案描述本發(fā)明。然而這一些可以進(jìn)行本領(lǐng)域中一般技術(shù)人員可以得到的改變，替換，改進(jìn)，它們可以被認(rèn)為自然地落在本發(fā)明比較寬的范圍和實(shí)質(zhì)內(nèi)。
權(quán)利要求
1.為提高尿素反應(yīng)器收率而同時(shí)提高其生產(chǎn)潛力的系統(tǒng)，上述的尿素是在高壓和高溫下合成氨和二氧化碳生成的，上述反應(yīng)器的內(nèi)部空間并流流過液相和氣相并被分成為分隔空間以避免整個(gè)液相過度混合和容許周期性地重新將氣體分布在具有適宜大小的氣泡中以提高在兩相之間的熱和物質(zhì)的交換，其特征在于液相和氣相每次從一分隔空間進(jìn)入另一分離空間時(shí)，使它們流過相互分開的路徑并且被分布，每種流體均勻連續(xù)穩(wěn)定的流動。
2.按權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于流動分開和使它們的流動均勻，連續(xù)和穩(wěn)定是通過給從一分隔空間到另一分隔空間的連通孔的尺寸和/或形狀以梯度來實(shí)現(xiàn)以建立區(qū)域空間，在所述區(qū)間以單相流為主，所述區(qū)間與另一相流動的區(qū)間相分開。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求的系統(tǒng)設(shè)置的裝置，基本上是由在反應(yīng)器的園筒形殼體內(nèi)7個(gè)橫向布置的開孔的平擋板或板組成，形成分隔空間，含尿素的氣體和液體流經(jīng)所述分隔空間，其特征在于板開孔有尺寸或形狀梯度，這樣形成區(qū)域空間，所述區(qū)間容許基本不含氣泡的液體的流動，分別地和單獨(dú)地調(diào)整和均勻地分布該區(qū)域中的不可能與液體接觸的氣泡濃度。
4.按權(quán)利要求3的裝置，其中板是由長方形的或不規(guī)則菱形形成的，其特征在于平行邊(4，4’)的或稍傾斜的面的在反應(yīng)器的軸向上的穿孔(Fi)大于與上述軸線相垂直的側(cè)面(i)上的穿孔(fi)。
5.按照權(quán)利要求4的裝置，其中較大的穿孔(Fi)的直徑為2-6mm，優(yōu)選約4.5mm，較小的穿孔(fi)的直徑為1.5～3.5mm，優(yōu)選約2.5mm。
6.按照權(quán)利要求3的裝置，其特征在于較小的穿孔(fi)是園形的，較大的穿孔(Fi)是橢園形的。
全文摘要
為提高反應(yīng)器的尿素收率并同時(shí)提高尿素生產(chǎn)潛力的系統(tǒng)，上述尿素是在高壓高溫下合成氨和二氧化碳形成的，液相和氣相并流流過上述反應(yīng)器的內(nèi)部空間，上述內(nèi)部空間被分成分隔空間以避免整個(gè)液相過度混合并容許周期性地將氣體在具有適宜大小的氣泡中再分配以提高在兩相之間熱和物質(zhì)的交換，其特征在于從一分隔空間到另一個(gè)分隔空間的每個(gè)通道處液相和氣相由單獨(dú)的通路流動并被分布，每一種(流體)連續(xù)的，穩(wěn)定的和均勻的流動。
文檔編號B01D53/22GK1071160SQ9210096
公開日1993年4月21日 申請日期1992年1月15日 優(yōu)先權(quán)日1991年1月15日
發(fā)明者馬里奧·丹迪, 塞爾吉奧·波扎諾 申請人:尤里亞卡薩利公司