Реактор гидролиза для удаления мочевины, аммиака и диоксида углерода из жидкой фазы, содержащей мочевину в водном растворе - RU2160626C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к реактору гидролиза для удаления мочевины, аммиака и диоксида углерода из жидкой фазы, содержащей мочевину в водном растворе
Как известно, сточные воды, образующиеся в результате процесса очистки и выделения при производстве мочевины в реакторе синтеза при высоком давлении и температуре, имеют высокое содержание остаточной мочевины в водном растворе, обычно между 500 ppm и 30000 ppm, и, по существу, не могут свободно выпускаться в окружающую среду из-за суровых законов против загрязнения, действующих в индустриальных странах.

Каждая установка, производящая мочевину, должна, следовательно, обеспечивать соответствующее оборудование, способное удалять остаточную мочевину из сточных вод так, чтобы снижать ее концентрацию до нескольких ppm, предпочтительно менее чем 10 ppm.

В области обработки сточных вод, образующихся в процессе очистки и выделения мочевины, требование к реакторам гидролиза, производящим пригодную остаточную мочевину, которое позволит, с одной стороны, получать незагрязняющие сточные воды с содержанием мочевины менее чем 10 ppm и, с другой стороны, выделять остаточную мочевину (в форме аммиака или диоксида углерода), содержащуюся в этих сточных водах, которые подаются в реактор гидролиза, является весьма ощутимым.

Предыдущий уровень развития техники
Для того чтобы удовлетворить вышеупомянутое требование, начинают наиболее широко использоваться вертикальные реакторы гидролиза, в которых движутся жидкая фаза, содержащая мочевину в водном растворе, и газообразная фаза, содержащая пар с высокими значениями давления и температуры, обычно между 15 барами и 30 барами и между 150^oC и 250^oC.

Эти реакторы содержат множество горизонтально простирающихся перфорированных пластин.

Перфорированные пластины имеют функцию облегчения взаимного смешивания фаз с тем, чтобы способствовать тесному контакту и, таким образом, обмену массы и тепла, существенному для реакции гидролиза мочевины в аммиаке (NH₃) и диоксиде углерода (CO₂), и для одновременного выделения NH₃ и CO₂ из жидкой фазы в газообразную фазу.

Тепло, необходимое для разложения мочевины и выделения продуктов реакции из жидкой фазы, обеспечивается паром, который содержится в газообразной фазе.

Канадская патентная заявка CA-A-2 141 886 описывает реактор этого типа, в котором жидкую фазу и газообразную фазу заставляют протекать единым потоком снизу вверх через множество горизонтальных перфорированных пластин.

Несмотря на многие преимущества, реактор гидролиза, описанный выше, имеет ряд недостатков, первый из которых состоит в том, что для того чтобы получить желаемую степень разложения мочевины и связанного выделения из жидкой фазы производимых NH₃ и CO₂, необходимо работать с избытком пара для предотвращения реакции гидролиза из-за достижения равновесия раньше времени и предотвращения того, чтобы газовый раствор становился насыщенным продуктами реакции уже во время его прохождения через реактор.

В результате для получения водного раствора с содержанием остаточной мочевины менее чем 10 ppm необходимо применять в больших количествах пар с высокими значениями давления и температуры, с обеспечением высокой затраты энергии и пара и высокими производственными издержками.

Краткое описание изобретения
Техническая проблема, лежащая в основе настоящего изобретения, заключается в том, чтобы сделать доступным реактор гидролиза для удаления мочевины, аммония и диоксида углерода из жидкой фазы, содержащей мочевину в водном растворе, которая бы позволяла производить работу при низких затратах пара и энергии и низких производственных затратах и позволяла в то же самое время получать жидкую фазу с содержанием мочевины ниже 10 ppm.

В соответствии с первым вариантом настоящего изобретения вышеупомянутая проблема решается с помощью реактора гидролиза для удаления мочевины, аммиака, и диоксида углерода из жидкой фазы, содержащей мочевину в водном растворе, включающего:
- в основном цилиндрический вертикальный внешний кожух;
- множество перфорированных пластин, наложенных одна на другую и простирающихся горизонтально и пространственно взаимосвязанно внутри указанного кожуха;
- входное отверстие для указанной жидкой фазы, устроенное непосредственно на нижнем конце указанного кожуха;
- первое средство подачи первой порции газообразной фазы, содержащей пар при высоких значениях давления и температуры, закрепленное в указанном кожухе над указанным входным отверстием жидкой фазы;
- выходное отверстие для указанной жидкой фазы, устроенное непосредственно на верхнем конце указанного кожуха;
- выходное отверстие для указанной газообразной фазы, устроенное непосредственно на верхнем конце указанного кожуха; и характеризующегося тем, что он включает;
- разделительную перегородку, простирающуюся горизонтально на предусмотренной высоте в указанном кожухе, в котором она устанавливает первое и второе, соответственно нижнее и верхнее реакционное пространство;
- средства сбора и выделения из кожуха указанной первой порции газообразной фазы, закрепленные непосредственно к указанной разделительной перегородке в указанном первом реакционном пространстве;
- второе средство подачи второй порции указанной газообразной фазы, содержащей пар с высокими значениями давления и температуры, закрепленное над указанной разделительной перегородкой в указанном втором реакционном пространстве.

Преимущественно в реакторе гидролиза, согласно настоящему изобретению, реакционное пространство в кожухе соответственно разделяется разделительной перегородкой на первое и второе реакционное пространство, каждое из которых питается соответствующей порцией газообразной фазы, включающей пар.

Таким способом является возможным применять эффективно и рационально пар с высокими значениями давления и температуры, необходимый для разложения мочевины и выделения продуктов реакции, так чтобы получать, при равной степени очистки жидкой фазы, существенное уменьшение количества пара, который будет подаваться в реактор гидролиза по сравнению с реакторами предыдущего уровня развития техники.

Действительно, благодаря настоящему изобретению очистка жидкой фазы имеет место соответственно в двух раздельных рекционных пространствах, в каждый из которых подается количество пара, строго необходимое для получения выхода жидкой фазы из реактора гидролиза с концентрацией остаточной мочевины ниже 10 ppm.

В частности, выделение из первого реакционного пространства газообразной фазы, когда она насытится продуктами реакции, и подача во второе реакционное пространство новой газообразной фазы, содержащей пар с высокими значениями давления и температуры, позволяет подвергать гидролизу также последние следы мочевины, которая содержится в жидкой фазе, так же как выделение NH₃ и CO₂ в газообразной фазе без применения при этом избытка пара.

Жидкая фаза, очищенная таким образом, может сбрасываться в окружающую среду, но может также выгодно повторно использоваться в качестве воды с высокой температурой и давлением на установке по синтезу мочевины или для других промышленных применений, например как бойлерная вода.

Другое преимущество реактора гидролиза, который является целью настоящего изобретения, заключается в том факте, что при одинаковой концентрации остаточной мочевины, которая содержится в жидкой фазе выхода, время нахождения жидкой фазы в реакторе значительно ниже, чем время нахождения в реакторах предыдущего уровня развития техники.

Это позволяет сооружать реактор гидролиза с размерами и капитальными затратами значительно меньшими, чем затраты на предыдущем уровне развития техники.

Особенно полезные результаты получали при устройстве разделительной перегородки на высоте между 55% и 80% полезной высоты кожуха.

В описании, данном ниже, и в последующей формуле изобретения термин "полезная высота" принимается для обозначения высоты кожуха, которая удобна для реакции гидролиза мочевины. В этом частном случае полезная высота определяется по уровню, достигнутому жидкой фазой в кожухе.

Предпочтительно, чтобы разделительная перегородка устраивалась на высоте между 65% и 75% полезной высоты кожуха.

Таким способом, при небольших количествах пара с высокими значениями давления и температуры и низкими производственными затратами получается концентрация мочевины в жидкой фазе в первом реакционном пространстве обычно между 30 ppm и 70 ppm и во второй реакционной зоне между 0 ppm и 5 ppm.

Согласно этому первому варианту настоящего изобретения, реактор гидролиза включает преимущественно разделительную перегородку, простирающуюся горизонтально для, по существу, полного поперечного сечения кожуха.

Кроме того, средства сбора и выделения включают преимущественно:
- камеру сбора первой порции газообразной фазы, образованную в первом реакционном пространстве между разделительной перегородкой и внутренней стенкой кожуха;
- канал, простирающийся коаксиально в кожухе между камерой сбора и выходным отверстием газообразной фазы, для извлечения из первого реакционного пространства двухфазного газо/жидкостного потока.

В результате практическое оборудование настоящего изобретения является конструктивно простым и низким по стоимости реализации.

Преимущественно реактор гидролиза включает дополнительно газо/жидкостной сепаратор, расположенный между вытяжным каналом и выходным отверстием газообразной фазы, с тем чтобы жидкая фаза, если находится в газообразной фазе, покидающей реактор, могла рециклезоваться в реактор и таким образом способствовать извлечению мочевины, которая в ней содержится.

Согласно второму варианту настоящего изобретения, вышеупомянутая проблема решается также с помощью реактора гидролиза для удаления мочевины, аммиака и диоксида углерода из жидкой фазы, содержащей мочевину в водном растворе, включающего:
- в основном цилиндрический вертикальный внешний кожух;
- множество перфорированных наложенных одна на другую пластин, которые простираются горизонтально и пространственно взаимосвязанно в кожухе;
- входное отверстие указанной жидкой фазы, устроенное непосредственно на нижнем конце указанного кожуха;
- первое средство подачи первой порции газообразной фазы, содержащей пар при высоких значениях давления и температуры, которое закреплено в указанном кожухе над указанным входным отверстием жидкой фазы;
- выходное отверстие для указанной газообразной фазы, устроенное непосредственно на верхнем конце кожуха;
и характеризующегося тем, что он включает:
- разделительную перегородку, простирающуюся горизонтально в кожухе на предусмотренной высоте для, по существу, полного поперечного сечения кожуха, с перегородкой, устанавливающей в указанном кожухе первое и второе, соответственно нижнее и верхнее реакционное пространство;
- камеру сбора для указанной первой порции газообразной фазы, устроенную в указанном первом реакционном пространстве между указанной разделительной перегородкой и внутренней стенкой указанного кожуха;
- канал, простирающийся коаксиально в кожухе между указанной камерой сбора и указанным выходным отверстием газообразной фазы, для извлечения из указанного первого реакционного пространства двухфазного газо/жидкостного потока;
- второе средство подачи второй порции указанной газообразной фазы, включающей пар с высокими значениями давления и температуры, закрепленное над указанной разделительной перегородкой в указанном втором реакционном пространстве;
- выходное отверстие для указанной жидкой фазы, устроенное в указанном втором реакционном пространстве непосредственно на и выше указанной разделительной перегородки.

Преимущественно в этом варианте настоящего изобретения жидкую фазу и газообразную фазу заставляют течь в противоположном друг другу направлении во втором реакционном пространстве.

Таким способом, является возможным улучшать в дальнейшем смешивание фаз и, следовательно, масса- и теплообмен так, чтобы облегчить реакцию гидролиза мочевины и абсорбцию продуктов реакции паром.

Характеристики и преимущества реактора гидролиза, согласно изобретению, представлены в описании его варианта данного ниже способом не ограничивающего примера со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Фиг. 1 показывает продольное поперечное сечение реактора гидролиза мочевины согласно первому варианту настоящего изобретения.

Фиг. 2 показывает продольное поперечное сечение реактора гидролиза мочевины согласно второму варианту настоящего изобретения.

Фиг. 3 показывает продольное поперечное сечение в увеличенном масштабе детали реактора гидролиза фиг. 1.

Детальное описание предпочтительного варианта
При ссылке на фиг. 1 и 2 номер 1 определяет в целом ректор гидролиза для удаления мочевины, аммиака и диоксида углерода из жидкой фазы, содержащей мочевину в водном растворе.

Реактор 1 включает в основном цилиндрический вертикальный внешний кожух 2, снабженный на его нижнем конце входным отверстием 3 для жидкой фазы, содержащей мочевину в водном растворе, и средством 4 для подачи первой порции газообразной фазы, содержащей пар с высокими значениями давления и температуры.

Кожух 2 также имеет выходное отверстие 5 жидкой фазы и выходное отверстие 6 газообразной фазы, устроенные в верхнем конце реактора.

Множество наложенных друг на друга перфорированных пластин простираются горизонтально и пространственно взаимосвязанно в кожухе 2.

Пластины 7 гомогенно располагаются вдоль полезной высоты H кожуха и обеспечиваются соответствующими проходами для жидкой фазы и газообразной фазы для облегчения смешивания фаз.

Фиг. 3 показывает в увеличенном масштабе деталь перфорированной пластины 7, предусмотренной согласно особенно выгодного и предпочтительного варианта настоящего изобретения, которая может устанавливаться в реактор гидролиза, показанный на фиг. 1, так же как в реактор фиг. 2.

Перфорированная пластина 7 включает множество элементов 71 с существенно трапецеидальным поперечным сечением, которые устанавливают внутри себя соответствующие полости 72, так же как соответствующие отверстия 73 и 74 для прохода жидкой и газообразной фаз соответственно.

Альтернативно элемент 71 может иметь существенно прямоугольное поперечное сечение.

Проходные отверстия 74 газообразной фазы устанавливаются в верхней стенке 75 элементов 71.

Проходные отверстия 73 жидкой фазы устанавливаются в боковой стенке 76 элементов 71.

Преимущественно проходные отверстия 73 жидкой фазы имеют размер больший, чем размер отверстий 74 для прохода газообразной фазы.

В описании, данном ниже, и в последующей формуле изобретения термин "размер" ("size") следует понимать как означающий площадь поперечного сечения отверстия.

В полости 72 непосредственно у стенки 75 преимущественно устанавливается зона 77 сбора газообразной фазы.

Благодаря такой особой структуре пластин газообразная фаза отделяется от жидкой фазы во время прохождения через пластины, чтобы затем снова смешиваться с жидкой фазой в окончательно разделенной форме.

Таким образом становится возможным получать значительно улучшенные в отношении смешивания фазы во время их прохождения через реактор гидролиза.

Это влечет за собой следующее уменьшение количества пара, необходимого для проведения гидролиза и выделения продуктов реакции, так же как времени нахождения жидкой фазы в реакторе, приводя к уменьшению размера реактора, затрат пара и энергии, эксплуатационных расходов и капитальных затрат по сравнению с реакторами предыдущего уровня развития техники.

Пластины этого типа описываются, например, в US-A-5 304353 со ссылкой на реактор синтеза мочевины.

Номер 8 показывает разделительную перегородку, простирающуюся горизонтально на предусмотренной высоте кожуха 2. Перегородка 8 устанавливает в кожухе первое реакционное пространство 9 и второе реакционное пространство 10, соответственно нижнее и верхнее.

Преимущественно разделительная перегородка 8 простирается горизонтально, по существу, на полное поперечное сечение кожуха 2.

На фиг. 1 и 2 значительное снижение потребления пара с высокими значениями давления и температуры достигается устройством разделительной перегородки 8 на высоте соответствующей приблизительно 70% полезной высоты H кожуха 2.

Средства 11 для сбора и выделения из кожуха 2 первой порции газообразной фазы закрепляются непосредственно к разделительной перегородке 8 в первом реакционном пространстве 9.

Средства 11 включают преимущественно камеру 12 для сбора первой порции газообразной фазы и канал 13 для выделения из первого реакционного пространства 9 двухфазного газо/жидкостного потока.

Камера 12 сбора формируется в первом реакционном пространстве 9 между разделительной перегородкой 8 и внутренней стенкой 14 кожуха 2.

Вытяжной канал 13 монтируется с учетом вводных отверстий газообразной и жидкой фазы и протягивается коаксиально в кожухе 2 между камерой 12 сбора и выходным отверстием 6 газообразной фазы.

Вторая порция газообразной фазы, содержащая пар с высокими значениями давления и температуры, подается в реактор соотвествующими средствами 15, закрепленными над разделительной перегородкой 8 во втором реакционном пространстве 10.

Предпочтительно подающие средства 4 и 15 для газообразной фазы относятся к типу, включающему подающий канал, соединенный с газовым распределителем в кожухе 2. Эти средства в основном известны и обычно используются в реакторах гидролиза предыдущего уровня развития техники.

Со ссылкой на фиг. 1 выходное отверстие 5 жидкой фазы устраивается во втором реакционном пространстве 10 непосредственно в верхнем конце кожуха 2. В примере фиг. 2 выходное отверстие 5 жидкой фазы устраивается во втором реакционном пространстве 10 непосредственно на и выше разделительной перегородки 8.

Как показано на фиг. 1 и 2, реактор гидролиза согласно настоящего изобретения включает преимущественно газо/жидкостной сепаратор 16, установленный между вытяжным каналом 13 и выходным отверстием 6 газообразной фазы.

Газо/жидкостной сепаратор 16 относится к типу, включающему камеру 17, коаксиальную с вытяжным каналом 13, для отделения жидкой фазы от газообразной фазы, и демистер 18 для отделения остаточной жидкой фазы, которая содержится в газообразной фазе, покидающей камеру 17.

В примере фиг. 1 жидкая фаза, полученная в газо/жидкостном сепараторе 16, преимущественно рециклизуется во второе реакционное пространство 10 посредством рециклизующего канала 19, который проходит с внешней стороны и коаксиально с вытяжным каналом 13 между сепараторной камерой 17 и разделительной перегородкой 8. В примере фиг. 2 рециклизация происходит через жидкостной канал 20.

На фиг. 1 и 2 стрелки Fl и Fg показывают различные пути внутри реактора гидролиза жидкой фазы, содержащей мочевину в водном растворе, и газообразной фазы, содержащей пар с высокими значениями температуры и давления соответственно.

Номер 21 также показывает наивысший уровень, достигаемый жидкой фазой в кожухе 2, в то время как 22 показывает уровень жидкой фазы в камере 12 сбора.

Работа реактора гидролиза согласно настоящему изобретению заключается в следующем.

Со ссылкой на фиг. 1 жидкую фазу, содержащую мочевину в водном растворе, подают в реактор 1 через входное отверстие 3 и заставляют течь общим потоком снизу вверх с первой порцией газообразной фазы, содержащей пар с высоким давлением (20-25 бар) и высокой температурой (200-220^oC), вдоль первого реакционного пространства 9 в кожухе 2. Газообразная фаза подается в реактор 1 через подающее средство 4.

В реакционном пространстве 9 жидкая фаза и газообразная фаза перемешиваются, проходя одновременно сквозь перфорированные пластины 7 так, что часть мочевины, присутствующая в водном растворе, гидролизуется и получающиеся продукты реакции (NH₃ и CO₂) экстрагируются из пара, присутствующего в газообразной фазе. В этом первом реакционном пространстве концентрация мочевины в жидкой фазе, подаваемой в реактор, преимущественно снижается до значения, обычно находящегося между 40 ppm и 50 ppm.

Вблизи разделительной перегородки 8 жидкая фаза и первая порция газообразной фазы преимущественно собираются в камере 12 и транспортируются каналом 13 в сепараторную камеру 17 газо/жидкостного сепаратора 16. В камере 17 жидкая фаза, поступающая из первого реакционного пространства 9, отделяется от газообразной фазы и рециркулируется во второе реакционное пространство 10 вблизи разделительной перегородки 8 через канал 19.

Газообразная фаза, уже отделенная от жидкой фазы в камере 17, проходит через демистер 18 и покидает реактор 1 через выходное отверстие 6.

Во втором реакционном пространстве 10 жидкую фазу заставляют течь (также в одном потоке) со второй порцией газообразной фазы, содержащей пар с высокими значениями давления и температуры.

После прохождения через перфорированные пластины 7 и достижения уровня 21 жидкая фаза покидает реактор 1 через выходное отверстие 5. Концентрация мочевины в жидкой фазе, выходящей из второго реакционного пространства 10, составляет преимущественно меньше чем 10 ppm.

В свою очередь, вторая порция газообразной фазы, которая прошла второе реакционное пространство 10 и обогатилась NH₃ и CO₂, покидает реактор 1 через выходное отверстие 6.

На фиг. 2 жидкая фаза, выходящая из первого реакционного пространства 9 и отделенная в камере 17 газо- жидкостного сепаратора 16, преимущественно рециклизуется через канал 20 во второе реакционное пространство 10 вблизи уровня 21.

Согласно этому варианту настоящего изобретения, жидкая фаза протекает во второе реакционное пространство 10 сверху вниз противоположным потоком по отношению ко второй порции газообразной фазы, чтобы затем покинуть реактор 1 через выходное отверстие 5, расположенное непосредственно на разделительной перегородке 8.

Реактор гидролиза согласно настоящему изобретению работает при давлении между 15 барами и 25 барами и температурой между 180^oC и 215^oC. Время нахождения жидкой фазы в первом реакционном пространстве находится предпочтительно между 20 и 40 мин, в то время как во втором реакционном пространстве она находится между 10 и 20 мин.

Пример.

В следующем примере делается сравнение количества пара с высокими значениями давления и температуры, необходимого для получения концентрации остаточной мочевины в сточных водах ниже 10 ppm, в случае когда применяются реактор гидролиза предыдущего уровня развития техники или реактор гидролиза согласно различным вариантам настоящего изобретения. Ссылки делаются на фиг. 1 и 2.

Реакторы гидролиза, которые рассмотрены, имеют следующие размеры:
внутренний диаметр кожуха - 1,5 м
полезная высота - 14,0 м
Рабочие условия в реакторе следующие:
давление - 20 бар
температура - 210^o C
Реакторы содержат 10 горизонтальных перфорированных пластин, расположенных вдоль полезной высоты цилиндрического кожуха.

В реакторах согласно настоящего изобретения, разделительная перегородка преимущественно устраивается приблизительно на уровне 68% полезной высоты кожуха, между шестой и седьмой перфорированными пластинами. Для дальнейшей характеристики конструктивных деталей этих реакторов ссылка делается на фиг. 1 и 2 и связанное описание.

В реакторе предыдущего уровня развития техники, как в реакторе согласно первому варианту настоящего изобретения (фиг. 1), жидкую и газообразную фазу заставляют течь в одном потоке снизу вверх сквозь перфорированные пластины. Во втором реакционном пространстве в реакторе согласно второму варианту изобретения (фиг. 2) жидкая фаза и газообразная фаза текут в противоположном потоке.

Реакторы гидролиза питаются 30000 кг/час жидкой фазой, имеющей следующий состав:
NH₃ - 10000 ppm
CO₂ - 2000 ppm
Мочевина - 10000 ppm
H₂O - Остальное
Реакторы гидролиза также питаются газообразной фазой, содержащей пар при давлении 25 бар и при температуре 215^oC.

Для получения концентрации остаточной мочевины в количестве 1 ppm в жидкой фазе, выходящей из реактора, потребление пара в различных случаях показано ниже.

В реакторе согласно предыдущего уровня развития техники используется 30 кг пара для обработки 1000 кг жидкой фазы.

В реакторе фиг. 1 использовали 22 кг пара для обработки 1000 кг жидкой фазы.

В реакторе фиг. 2 использовали 20 кг пара для обработки 1000 кг жидкой фазы.

Благодаря настоящему изобретению возможно достигнуть значительного уменьшения потребления пара, равного приблизительно 30% потребления пара, необходимого в реакторе предыдущего уровня развития техники. Это также приводит к существенному снижению потребления энергии и производственных издержек.

Результаты настоящего примера достигались посредством расчета алгоритмов имеющихся в отрасли производства.

Из вышеприведенного обсуждения ясно выявляются различные преимущества, достигнутые реактором гидролиза согласно настоящему изобретению. В частности, достигнуто уменьшение остаточной концентрации мочевины, которая содержится в сточных водах при значениях ниже 10 ppm, так же как извлечение гидролизованной мочевины, что позволяет производить работу с низкими затратами пара и энергии и низкими производственными и капитальными затратами.

Реферат

Реактор включает: разделительную перегородку (8), простирающуюся горизонтально на предусмотренной высоте в реакторе, в котором она устанавливает первое и второе соответственно нижнее и верхнее реакционное пространство (9, 10), средства (11) сбора и выделения из реактора первой порции газообразной фазы, содержащей пар с высокими значениями давления и температуры, предварительно подаваемой в первое реакционное пространство (9), и средство (15) для подачи второй порции газообразной фазы, содержащей пар с высокими значениями давления и температуры во второе реакционное пространство (10). Технический результат - получение жидкой фазы с содержанием мочевины ниже 10 ppm при низких затратах пара и энергии. 2 с. и 11 з.п.ф-лы, 3 ил.

Формула