Способ конденсации паров аммиака углекислого газа и воды, образующихся при обработке раствора, поступающего из реактора получения мочевины и устройство для его осуществления - RU2072966C1

Чертежи

Описание

Данное изобретение относится к способу конденсации в условиях высоких температур и давлений аммиака, углекислого газа и водяных паров, которые получают при обработке раствора, поступающего из реактора получения мочевины, причем указанная конденсация проводится с помощью конденсатора карбамата, содержащего корпус с пучком труб, в котором часть карбаматного раствора рециркулируется.

Как известно, в современных установках производства мочевины осуществляют изобарический стриппинг большинства непрореагировавших веществ, содержащихся в растворе мочевины, выходящем из реактора, причем в качестве агентов стриппинга используют часть подающегося в реактор углекислого газа или аммиака, при этом пары конденсируют в подходящих теплообменниках, утилизиpуя тепло от указанной конденсации с получением пара низкого давления (4-5 бар).

Необходимо подавать в конденсатор раствор карбамата, отводимый от секции перегонки ниже по потоку и содержащий достаточно воды, чтобы карбамат также оставался в растворе.

Особый интерес привлекают карбаматные конденсаторы с горизонтальными U-образными трубами в теплообменнике.

Эта ступень конденсации очень критична и требует сложной комбинации параметров работы: фактически необходимо, чтобы подлежащие конденсации пары (аммиака, углекислого газа, воды) были тонко распределены в растворе карбамата, богатом водой, который служит в качестве поглотителя и поступает из секции процесса после участка синтеза, так что может происходить высокотемпературная конденсация с производством при этом пара максимально возможного давления, кроме того, нужно защищать детали (поверхность конденсации), обычно выполненные из нержавеющей стали для снижения стоимости, от коррозии, так как жидкости в процессе имеют очень сильное корродирующее действие.

Конденсаторы, обычно используемые в современных установках, имеют сильно ограниченный срок службы и не могут обеспечить оптимальных условий процесса, имеют различные ограничения и недостатки, среди них следующие:
разделение (или сегрегация) в сопле конденсатора жидкостей от паров с последующим сбором паров в верхней части решетки пучка труб, а жидкости в нижней части указанной решетки.

Это разделение является следствием малой скорости циркуляции жидкости (прибл. 0,1 м/с) и большой разности удельных весов жидкости и пара.

Следовательно, соотношение жидкости и пара в зоне, обращенной к трубной решетке, и в большинстве труб не будет оптимальным, и конденсация будет затруднена.

Чтобы преодолеть эту трудность, необходимо существенно увеличить площадь обмена, с увеличением размера устройства и его стоимости.

Кроме того, разделение жидкостно-паровых компонентов вызывает снижение термического уровня производимого пара в сравнении с теоретически возможным количеством его производства.

Коррозия трубной решетки и труб (теплообменной поверхности конденсатора в общем), вызываемая вышеупомянутым разделением двух фаз.

Одной из мер предосторожности, обычно принимаемых для того, чтобы не допустить отрицательных последствий этого явления, является введение в систему воздуха, который достигнет карбаматного конденсатора в парах, направляемых на конденсацию.

Тем не менее, необходимо обеспечить равномерную пассивацию во всех участках оборудования, избегая зон с застойной жидкостью или жидкостью, циркулирующей со скоростью, недостаточной для обеспечения вклада кислорода пассивации (мертвые зоны, создание высокотемпературных зон).

Неравномерное распределение пассивирующего воздуха, описанное выше, который, присутствуя в парах, даст преимущества для верхних труб карбаматного конденсатора нижним трубам.

Чтобы обеспечить оптимальное распределение жидкой и паровой фаз в карбаматном конденсаторе, предлагалось уже во французской патентной заявке 2308615 вводить жидкостно-паровую смесь в зону конденсации, включая горизонтальные трубки, при давлении от 50 до 300 бар и под гидростатическим напором ΔP..

Эта система, изученная для решения критического аспекта смешения абсорбирующей жидкости и паров, подлежащих конденсации, с целью обеспечения оптимального распределения жидкостно-паровой смеси на внутренних стенках трубок указанного конденсатора, лишь частично и неудовлетворительным образом разрешает проблемы, связанные с вышеупомянутым оборудованием.

Отсюда ясна важность решительного улучшения характеристик и продолжительности службы с уменьшением коррозии в карбаматном конденсаторе.

Первая цель изобретения состоит в том, чтобы предложить способ, в котором устранены вышеупомянутые недостатки и достигается более высокий термический уровень производимого пара, а также более высокая конденсация карбамата, благодаря чему значительно улучшаются характеристики и срок службы оборудования.

В соответствии с изобретением, эта и другие цели, которые подробнее поясняются в нижеследующем описании, достигаются способом конденсации аммиака, двуокиси углерода и воды, образующихся при обработке раствора, поступающего из реактора мочевины, включающим стадии охлаждения аммиака, двуокиси углерода и паров воды в карбаматном конденсаторе, снабженном пучком U-образных трубок, частичной рециркуляции полученного таким образом карбаматного раствора, и рекуперации теплоты конденсации с получением пара; способ по изобретению отличается тем, что стадию частичной рециркуляции карбаматного раствора проводят внутри конденсатора.

Согласно изобретению вышеупомянутые цели также достигаются устройством для конденсации аммиака, двуокиси углерода и воды, которое содержит корпус конденсатора с находящимся в нем пучком U-образных трубок, закрепленных в трубной решетке, расположенной на одном из торцевых концов корпуса конденсатора, распределительную камеру, примыкающую к трубной решетке и снабженную перегородкой, разделяющей камеру на входную и выходную зоны, патрубок для ввода паров, патрубок для отвода конденсированного раствора и возвратную трубку для рециркуляции конденсированного карбаматного раствора; устройство по изобретению отличается тем, что оно дополнительно содержит:
эжектор для смешения рециркулируемого раствора со свежим богатым водой карбаматным раствором, причем указанный эжектор расположен во вводной зоне распределительной камеры;
трубопровод, соединенный с указанным патрубком для ввода паров и оканчивающийся в периферийной части вводной зоны распределительной камеры.

Причем указанная возвратная трубка расположена в распределительной камере таким образом, что вводной конец трубки расположен в выводной зоне камеры, а выводной конец трубки расположен во вводной зоне камеры.

Конкретный вариант выполнения изобретения, в котором используется вертикальный карбаматный конденсатор предусматривает, что рецикл карбамата внутри распределительной камеры осуществляется с термосифонной циркуляцией.

Такое ведение процесса имеет много преимуществ, которые ясно показаны в нижеследующем тексте.

Образование карбамата в условиях работы конденсатора связано больше способностью системы поглощать большое количество тепла реакции, чем его кинетической природой; чем выше будет эта способность, тем легче будет образование карбамата.

В зоне перед входом в трубы конденсатора, где контактируют холодный раствор карбамата, богатый водой, и горячие подлежащие конденсации пары, происходит почти мгновенная реакция между аммиаком и углекислым газом с образованием карбамата.

Адиабатическая реакция прерывается, если температура раствора будет в равновесии с паровой фазой.

В результате происходит предварительная конденсация карбамата и малой части углекислого газа, тогда как остальная часть будет конденсироваться в трубах конденсатора с возникновением указанных выше проблем.

В особенно простом и выгодном варианте способа и устройства по изобретению возможно, при условии, что рециркулируемый раствор карбамата холоднее, чем раствор, богатый водой, и поэтому способен поглощать тепло, значительно повысить образование карбамата в зоне, обращенной к трубной решетке конденсатора.

Среди многих полученных полезных результатов, можно ограничиться перечислением:
заметное увеличение скорости потока жидкости в трубах;
заметное снижение скорости потока пара в трубах;
результирующее значительное уменьшение отношения пар/жидкость в зоне, обращенной ко входу труб конденсатора.

Вследствие более высокой скорости потока жидкости и соответственно большего перепада давления в сопле, можно получить более равномерное распределение жидкостей на входе в трубную решетку и внутри труб, получая более высокий коэффициент теплообмена и лучшее распределение пара, а поэтому и пассивирующего воздуха по всему конденсатору, с практическим устранением упомянутой выше коррозии. Кроме того, благодаря более высокому коэффициенту теплообмена, можно повысить тепловой уровень полученного пара.

Часть предварительно сконденсированного карбамата в зоне, обращенной к трубной решетке, можно целесообразно изменять для получения почти полной конденсации паров отгонки в указанной зоне, предшествующей вводу трубки в конденсатор.

Однако, оптимальные результаты могут быть получены при ограничении вышеупомянутой предварительной конденсации до весового соотношения жидкость/пар в пределах от 4 до 46, лучше от 4 до 20 и предпочтительно от 5 до 10; таким образом, соотношение между рециркулируемой жидкостью и карбаматным раствором, богатым водой, поддерживается в пределах от 4 до 30, лучше от 6 до 15 и еще лучше от 6 до 10.

Особенно поразительно, насколько изящно и просто устраняются вышеупомянутые недостатки путем модификации уже существующего карбаматного конденсатора согласно настоящему изобретению.

Различные аспекты и преимущества изобретения лучше показаны в подробном описании примера со ссылкой на приложенные рисунки, причем пример не ограничивает объем изобретения.

На фиг. 1 показан схематический продольный вид, с частичным разрезом, горизонтального кожухотрубного конденсатора в соответствии с известным уровнем техники; на фиг. 2 продольный разрез, в увеличенном масштабе, зоны, примыкающей к трубной решетке горизонтального кожухотрубного конденсатора согласно предпочтительному варианту изобретения; на фиг. 3 поперечный разрез питающего отверстия горизонтального кожухотрубного конденсатора, фиг 2; на фиг. 4 вид сверху на тороидальную перфорированную часть патрубка для введения паров в зону, примыкающую к трубной решетке горизонтального кожухотрубного конденсатора, фиг 2; на фиг. 5 схематический продольный вид, в частичном разрезе, конденсатора вертикального типа, имеющий карбаматный рецикл внутри зоны, примыкающей к трубной решетке, с термосифонной циркуляцией.

В частности, на фиг. 1 показан теплообменник горизонтального типа с "U"-образными трубками, выходящими из трубной решетки 2 на входе теплообменника 1, трубной решеткой 2, отделяющей трубы все обозначены позицией 3 от распределительной камеры, примыкающей к трубной решетке 2 и включающей входную зону 4 и выходную зону 5 жидкостно-паровой смеси, причем зоны взаимно разъединены герметически перегородкой 6.

Карбаматный раствор L1, богатый водой, идущий вниз из дистилляционной секции (не показана), и пары отгонки V проходят вместе через сопло 7 во входную зону 4, где они смешиваются перед тем как войти, через сопло 8 трубной решетки 2, в трубы 3, по которым они текут вниз через выход 9 трубной решетки 2, и затем, после прохождения выходной зоны 5, выходят из теплообменника 1 через выходное отверстие 12.

Вода для теплообмена подается в теплообменник через трубопровод 10 и собирается в виде водяного пара трубопроводом 11.

Фиг. 2 показывает подробным образом часть, примыкающую к трубной решетке 2 теплообменника 1, с двумя зонами 4 и 5, разделенными друг от друга разделительной стенкой 6. С фланцем 13 указанного теплообменника 1 соединено питающее отверстие 14 фланцевыми концами 15 и 16 с размерами, соответствующими возвратной трубе 17 и эжектору 18. Питающее отверстие 14 оборудовано выходом 19 для сконденсированного раствора L2, подлежащего подаче в реактор, и отверстием 20, чтобы вставить сопло эжектора 21.

Предусмотрен также трубопровод 22 внутри, пересекающий зоны 4 и 5, с участком тороидной формы 23, расположенным на периферии зоны 4 для оптимального распределения паров отгона, которые входят из отверстия 24 указанного трубопровода 22.

Раствор карбамата, богатый водой L1 (моторная жидкость), входит через сопло эжектора 21 в 14, смешивается в отверстии 25 эжектора 18 с рециркулируемым раствором карбамата L3, и затем входит из 26 в зону 4, где интенсивно контактирует с парами отгонки V, что способствует предварительной конденсации, прежде чем он проходит через трубную решетку 2.

Сконденсированная смесь L1 + L3, выходящая через трубную решетку 2, входит в отверстие 27 возвратной трубы 17, расположенной на периферии зоны 5 для избежания скопления инертного материала (мертвые мешки) и частично рециркулируется (L3) внутри самого конденсатора, а частично (L2) направляется в реактор синтеза на его вход (не показано).

Фиг. 3 показывает карбаматный конденсатор с вертикальным пучком труб, имеющий термосифонную циркуляцию карбамата внутри зоны, примыкающей к трубной решетке 2.

Позиционные номера, использованные на фиг. 1 и 2, также используются и на фиг. 3, так как они имеют те же значения.

Описанный ниже сравнительный пример, в котором сравнивается традиционный конденсатор (как показан на фиг. 1) с конденсатором, модифицированным по заявленным способу и устройству изобретения (фиг. 2), еще лучше показывает преимущества изобретения.

Сравнительный пример.

В обычном устройстве по фиг. 1 подают 25000 кг/час раствора карбамата L1 через 7 при 76^oС и 150 барах со следующим составом:
аммиака 47,12% по весу,
углекислого газа 17,46% по весу,
воды 35,42% по весу,
а также 50000 кг/час паров v при 190^oС и 150 барах со следующим составом:
аммиака 56,74% по весу,
углекислого газа 32,60% по весу,
воды (пара) 10,66% по весу.

Во входной зоне 4 две жидкости смешиваются при частичной конденсации паров (приблизительно 18% паров конденсируются, принимая температуру жидкой фазы до 170^oС).

На входе в трубы конденсатора поддерживают скорость подачи:
жидкости приблизительно 34000 кг/час,
пара 41000 кг/час.

Весовое соотношение жидкость/пар у входа в трубы равно 0,83.

В новой конфигурации по фиг. 2 вместо этого предусмотрен внутренний рецикл, равный 150000 кг/час карбаматного раствора (L3).

Конкретнее, рецикл осуществляют благодаря эжектору 18, размещенному внутри аппарата, причем моторная жидкость L1 представлена карбаматным раствором, входящим с помощью эжекторного сопла 21.

Ниже приводятся общие данные.

Через 21 входит, при 76^oС и 170 бар, 25000 кг/час раствора L1, имеющего следующий состав:
NH₃ 47,12 мас.

CO₂ 17,46 мас.

Н₂О 35,42 мас.

Рециркулируемый раствор L3, при Т 158^oС и Р 150 бар, имеет следующую характеристику:
расход: 150000 кг/час,
состав: NH₃ 53,55 мас.

СO₂ 27,58 мас.

Н₂О 18,87 мас.

Раствор, покидающий эжектор 18 из 26, смешивается во входной зоне 4 с 50000 кг/час паров v, имеющих следующий состав:
NH₃ 56,76 мас.

СО₂ 32,60 мас.

H₂О 10,66 мас.

Конкретно в камере 4 приблизительно конденсируется 33% паров, и температура возрастает до 175^oС.

На входе в трубы конденсатора наблюдаются следующие расходы:
жидкости 191700 кг/час,
пара 33300 кг/час,
с соотношением по весу жидкости к парам, равном 5,75 приблизительно в 7 раз выше, чем при работе без внутренней рециркуляции.

Именно это заметное увеличение жидкой фазы относительно паровой фазы обеспечивает более равномерное распределение двух фаз в трубах теплообменника, сразу устраняя причины плохой работы, которые были указаны выше.

Реферат

Использование: при конденсации в условиях высоких температур и давлений аммиака, углекислого газа и водяных паров, которые получают в реакторе синтеза мочевины. Сущность изобретения: пары аммиака, углекислого газа и воды охлаждают в карбаматном конденсаторе с пучками труб U-образной формы с последующей рециркуляцией части полученного раствора карбамата и рекуперированием теплоты конденсации с образованием водяного пара. Стадию рециркуляции части раствора осуществляют внутри конденсатора. Устройство для конденсации паров содержит корпус конденсатора с пучками труб U-образной формы, закрепленных в трубной решетке, расположенной на одном из торцов корпуса конденсатора. Распределительная камера примыкает к трубной решетке и снабжена перегородкой для разделения камеры на входную зону и выходную зону. Устройство дополнительно содержит эжектор для смешивания рециркулируемого раствора со свежим обогащенным водой раствором карбамата, размещенный во входной зоне распределительной камеры. С патрубком для ввода паров соединен трубопровод, имеющий выход в периферийной части входной зоны распределительной камеры. Возвратная труба для рециркуляции сконденсированного раствора расположена в распределительной камере таким образом, что входной конец трубы расположен в выходной зоне камеры, а выходной конец трубы расположен во входной зоне камеры. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула