專利名稱：尿素合成反應(yīng)器原位現(xiàn)代化的方法
一般地說，本發(fā)明涉及尿素高壓高溫合成反應(yīng)器原位現(xiàn)代化的一種方法。
本發(fā)明也涉及特別但不是唯一可用上述方法實(shí)現(xiàn)的尿素高壓高溫合成的一種反應(yīng)器。
在下面的敘述和隨后的權(quán)利要求書中，術(shù)語原位(in-situ)現(xiàn)代化意指在現(xiàn)場(chǎng)(on-site)對(duì)原有反應(yīng)器進(jìn)行改進(jìn)以改善其性能，例如，獲得更高的生產(chǎn)能力和/或更大的反應(yīng)率和/或降低能耗。
在這方面的術(shù)語中，現(xiàn)代化也稱為“改型”或“翻新”。
在尿素高壓高溫合成領(lǐng)域中，越來越感覺到對(duì)于提高合成反應(yīng)器反應(yīng)率以提高它們的生產(chǎn)能力和降低尿素工廠能耗的要求。
為滿足上述要求，越來越多地使用了由一個(gè)垂直管狀殼組成的合成反應(yīng)器，在管狀殼內(nèi)支承多個(gè)相互保持間隔的疊置水平多孔板。
在反應(yīng)器內(nèi)自下而上并流的氨水(NH3)和二氧化碳(CO2)組成的液相與氣相的緊密接觸產(chǎn)生尿素。
多孔板的功能是混合上述兩相促使它們緊密接觸因而進(jìn)行把反應(yīng)物NH3和CO2反應(yīng)成尿素所必需的質(zhì)量和熱的交換。
按所用多孔板的不同，現(xiàn)有技術(shù)的合成反應(yīng)器主要有兩種類型。
第一種類型反應(yīng)器包括許多疊置的，水平伸展遍布反應(yīng)器整個(gè)橫截面的多孔板，多孔板內(nèi)限定有多個(gè)用作液相和氣相兩相流動(dòng)的通道的孔。
由于液相和氣相通過相同的孔流通，因此，液相和氣相交替脈沖地流過通道，妨礙了液相和氣相的緊密混合。這樣使質(zhì)量和熱交換系數(shù)低，因而反應(yīng)率低。
第二種類型反應(yīng)器包括多個(gè)疊置的，相互保持間隔的水平多孔板。每個(gè)多孔板周邊與反應(yīng)器內(nèi)壁之間構(gòu)成一個(gè)環(huán)形孔。
然而，即便在這種情況，也不可能實(shí)現(xiàn)液相和氣相之間所需要的緊密混合，因?yàn)橐合鄡?yōu)先沿上述周邊環(huán)形孔流動(dòng)，而氣相傾向于聚合在反應(yīng)器的中心部分。
由于不能保證反應(yīng)物之間的有效緊密接觸，因此，現(xiàn)有技術(shù)反應(yīng)器不能實(shí)現(xiàn)最佳的質(zhì)量和熱交換，而這是實(shí)現(xiàn)最佳反應(yīng)率的基本條件。因此，上述反應(yīng)器在遠(yuǎn)低于其潛在生產(chǎn)能力情況下工作，造成尿素工廠高的能耗。
為克服上述缺點(diǎn)，本申請(qǐng)人的美國(guó)專利5304353敘述了由于使用特殊形狀的多孔板實(shí)現(xiàn)液相和氣相均勻混合而可以以高反應(yīng)率工作的一種尿素合成反應(yīng)器。
在上述現(xiàn)有技術(shù)反應(yīng)器中，用美國(guó)專利5304353中敘述的新概念板替代原有多孔板，雖然對(duì)于反應(yīng)率來說是有益的，但需要高的投資成本，在經(jīng)濟(jì)上不見得是合理的。
本發(fā)明的目的是提高上述現(xiàn)有技術(shù)合成反應(yīng)器的反應(yīng)率，改進(jìn)生產(chǎn)能力，降低尿素工廠的能耗，同時(shí)使必要的投資成本保持最低。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，按照本發(fā)明提供了一種尿素高壓高溫合成反應(yīng)器進(jìn)行原位現(xiàn)代化的方法反應(yīng)器是液相和氣相并流的類型，并包括一個(gè)垂直管狀殼，管狀殼內(nèi)支承多個(gè)疊置的水平延伸多孔板。這種方法的特征在于它包括至少在上述一個(gè)多孔板上設(shè)多個(gè)在結(jié)構(gòu)上獨(dú)立的頂蓋的步驟，上述頂蓋的頂部有多個(gè)孔，支承在距上述多孔板預(yù)定距離處，這樣，就與上述多孔板構(gòu)成多個(gè)橫向孔，上述孔與上述橫向孔分別限定了氣相和液相的最佳通路。
在下面的敘述和隨后的權(quán)利要求書中，術(shù)語“頂蓋”意指適當(dāng)形狀的，實(shí)質(zhì)上中心凹入的覆蓋元件，這就構(gòu)成了一個(gè)接收來自多孔板的氣相和液相流的室。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)室內(nèi)，兩相流發(fā)生分離。氣相聚集在這個(gè)室的頂部，然后按毛細(xì)管方式分布，從頂蓋的孔中通過，而液相則不同，它通過多孔板與頂蓋之間限定的環(huán)形乳從室內(nèi)流出。
此外，在距多孔板預(yù)定距離的適當(dāng)多孔頂蓋的排列可使氣相和液相最佳分離。事實(shí)上，他們沿著孔和上述環(huán)形孔限定的分離的最佳通道跨越頂蓋，然后混合成一種連續(xù)、均勻、精細(xì)分布的流動(dòng)。
這樣，就可以實(shí)現(xiàn)來自多孔板的氣相和液相流的最佳混合。因此，有利于提高反應(yīng)物之間的緊密接觸，導(dǎo)致提高液相和氣相之間的質(zhì)量與熱交換系數(shù)。
因此，本發(fā)明的這種方法可以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)率的提高，合成反應(yīng)器生產(chǎn)能力的改進(jìn)和尿素工廠能耗的降低，并盡可能使用原有多孔板作為頂蓋的支承。
為了獲得氣相在液相中的最佳再分布，頂蓋上的孔徑應(yīng)在2-6mm之間。
確實(shí)，已經(jīng)觀察到直徑在上述范圍的孔使得氣相以小直徑氣泡形式在液相中再分布，促進(jìn)了兩相的緊密接觸。
為了獲得來自多孔板的液相的最佳流動(dòng)，同時(shí)避免敢相夾雜液相，橫向孔的開度以在50-150mm范圍為好。
在一個(gè)最佳實(shí)施例中，頂蓋實(shí)際上是平行六面體，橫截面呈倒轉(zhuǎn)的字母U的形式。此外，它們宜以相互距離在10-40mm之間設(shè)置在多孔板上。
因此，可以實(shí)現(xiàn)底下多孔板的最佳覆蓋，形成液相和氣相分離的最佳通道而使上述相最佳分離，同時(shí)保證多孔以便實(shí)現(xiàn)氣相在液相的最佳分布。
按照一個(gè)替代方案，頂蓋實(shí)際上是不規(guī)則四邊形橫截面，以便有助于氣相流入孔中。
因此，頂蓋厚度明顯小于它以可拆卸方式固定在其上的多孔板的厚度。這不可以用沖壓方法加工小直徑孔的頂蓋，生產(chǎn)成本低。
按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種尿素高壓高溫合成反應(yīng)器，反應(yīng)器是氣相和液相發(fā)生并流的類型，它包括一個(gè)實(shí)際上是圓柱形的垂直外殼，在上述殼體內(nèi)的，用作液相和氣相通道的，相互保持間隔的疊置水平延伸的多孔板，其特征在于，它至少在上述一個(gè)多孔板上包括多個(gè)結(jié)構(gòu)上獨(dú)立的在頂部有多個(gè)孔的頂蓋，上述頂蓋支承在距上述多孔板預(yù)定距離處，因而構(gòu)成多個(gè)橫向孔，上述孔與上述橫向孔分別限定了氣相和液相最佳通道。
下面參照附圖，通過非限定實(shí)例的本發(fā)明現(xiàn)代化方法實(shí)施例，說明本發(fā)明的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，附圖中

圖1示出現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)尿素高壓高溫合成反應(yīng)器的縱向截面圖；圖2示出按照本發(fā)明現(xiàn)代化方法對(duì)圖1的尿素合成反應(yīng)器進(jìn)行改進(jìn)而得到的一個(gè)反應(yīng)器的縱向截面圖；圖3示出圖2中某些零件的放大截面圖；圖4示出圖2中的反應(yīng)器沿A-A線的放大圖；圖5示出按本發(fā)明現(xiàn)代化方法對(duì)一個(gè)傳統(tǒng)的尿素高壓高溫合成反應(yīng)器進(jìn)行改進(jìn)獲得的另一個(gè)反應(yīng)器的縱向截面圖。
現(xiàn)在參照示于圖1的一個(gè)尿素高壓(100-300bar)高溫180～220℃)合成反應(yīng)器說明本發(fā)明的方法。
上述反應(yīng)器在圖中以標(biāo)號(hào)1表示，包括在其端部分別有作為反應(yīng)物NH3和CO2進(jìn)口的孔3和作為反應(yīng)產(chǎn)物出口的孔4的一個(gè)管狀殼體2。反應(yīng)物以液相和氣相形式穿越反應(yīng)器1。
在殼體2中鄰近孔3處設(shè)有一個(gè)轉(zhuǎn)向器5以偏轉(zhuǎn)進(jìn)入反應(yīng)器1的反應(yīng)物流。
標(biāo)號(hào)6a-6f表示若干相互保持間隔的疊置水平多孔板。多孔板6a-6f分別有許多孔，均用標(biāo)號(hào)7指示，預(yù)定直徑在3-12mm之間。
多孔板沿反應(yīng)器高度分布，其功能是使氣相以小直徑氣泡群分布，以提高氨水和CO2之間的質(zhì)量和熱交換表面面積。
在圖1的反應(yīng)器中，多孔板6a-6f水平延伸遍布整個(gè)殼體2的橫截面。
圖1中，箭頭F1＋g指示通過多孔板6a-6f的反應(yīng)物通道。由于液相和氣相交替通過孔7，反應(yīng)器1中的氣相和液相流動(dòng)實(shí)際上是具有脈沖運(yùn)動(dòng)的活塞型。
圖2表明了按本發(fā)明現(xiàn)代化方法對(duì)圖1的反應(yīng)器進(jìn)行改進(jìn)而得到的一個(gè)完整的高壓高溫尿素合成反應(yīng)器。
在上述圖中，在反應(yīng)器1中結(jié)構(gòu)上及功能上與圖1中相當(dāng)?shù)牧慵韵嗤臉?biāo)號(hào)指出，不進(jìn)一步敘述。
按照本發(fā)明的方法，至少在多孔板6a-6f中的一個(gè)板上設(shè)多個(gè)頂蓋8，頂蓋8以可拆卸的方式，借助于特殊支桿9支持在距多孔板6a-6f一個(gè)預(yù)定距離上而固定，以此使圖1的反應(yīng)器1現(xiàn)代化。可用已知的慣用固定方式，例如螺栓，把支桿9分別固定到頂蓋8和多孔板6a-6f上。
在圖2的實(shí)例中，頂蓋8實(shí)際上呈平行六面體形式，包括其上有多個(gè)標(biāo)號(hào)為11的預(yù)定直徑在2.5～2mm之間的孔的一個(gè)上壁10和四個(gè)向下延伸的側(cè)壁12。
側(cè)壁12高度最好在50～100mm范圍，以促使氣相聚集在頂蓋8中實(shí)現(xiàn)氣相與液相的最佳分離。
頂蓋8的側(cè)壁12和多孔板6a-6f之間構(gòu)成沿側(cè)壁12整個(gè)長(zhǎng)度延伸，其開口最好在60-130mm之間的各相應(yīng)橫向孔13。
把氣相從液相分離出來的室14設(shè)在頂蓋8和多孔板6a-6f之間，如箭Fg和F1所指示的，孔11和橫向孔13分別規(guī)定了氣相和液相的最佳通道。
圖3更好地示出頂蓋8在多孔板6a-6f上的這種特殊安排，放大示出了圖2中反應(yīng)器1的某些零件，在圖4中示出了沿圖2的A-A線的反應(yīng)器橫截面。
在本發(fā)明的一個(gè)替換的實(shí)施例中，頂蓋8可以有其他和不同的結(jié)構(gòu)，其中有不規(guī)則四邊形或三角形橫截面的平行六面體，圓柱形成具有球形頂蓋，和具有半圓形橫截面的平行六面體。
在另一個(gè)實(shí)施例(未示出)中，頂蓋8至少可以設(shè)在上述多孔板6a-6f的一個(gè)板上，并直接彼此接觸。在這種特殊情況，作為液相通道的橫向孔設(shè)在頂蓋中鄰近多孔板處。
在圖5中，指出了按本發(fā)明方法現(xiàn)代化的另一個(gè)完整的尿素高壓高溫合成反應(yīng)器實(shí)例。
在上述圖中，在結(jié)構(gòu)上和功能上與圖1相當(dāng)?shù)姆磻?yīng)器1零件用相同的標(biāo)號(hào)指出，不進(jìn)一步敘述。
在圖5這個(gè)實(shí)例中，多孔板6a-6f的直徑小于殼體2的內(nèi)徑，因此，在每個(gè)多孔板6a-6f的周邊16和殼體2之間構(gòu)成一個(gè)環(huán)形孔18。
圖5的多孔板6a-6f也設(shè)有一個(gè)沿這個(gè)板整個(gè)周邊16下伸的圓環(huán)19。
在圖5中，箭頭F1＋g，F(xiàn)g和F1分別表示兩相流，氣相和液相在反應(yīng)器1的通路。
本發(fā)明的尿素合成反應(yīng)器的工作如下。
參照?qǐng)D2和圖5，箭頭F1＋g表示的氣相和液相兩相流通過進(jìn)口孔3進(jìn)入到反應(yīng)器1中。氣相和液相在殼體2內(nèi)并流，經(jīng)活塞流穿過多孔板6a-6f而局部混合在一起。
在上述多孔板6a-6f的出口，如分別表示液相和氣相最佳通路的箭頭F1和Fg所指示的那樣，兩相流被分離。
特別是液相，一旦進(jìn)入由頂蓋8和多孔板6a-6f構(gòu)成的室14內(nèi)，即偏轉(zhuǎn)成一個(gè)連續(xù)而均勻的流動(dòng)通過橫向孔13和通道15進(jìn)入下一個(gè)多孔板。氣相則聚集在上述室14的頂部，然后通過孔11流出，并按毛細(xì)方式以小氣泡群在來自通道15的液相中再分布。
與現(xiàn)有技術(shù)多孔板的脈沖流特點(diǎn)不同，這種氣相流入液相是連續(xù)，均勻而精細(xì)分布的，因而促進(jìn)了兩相的最佳混合。
因此，可以增加反應(yīng)物之間的緊密接觸，進(jìn)而提高這種改進(jìn)的反應(yīng)器的反應(yīng)率和生產(chǎn)能力并降低能耗。
在下面提示的實(shí)例中，僅用表示特征的和非限定實(shí)例比較用本發(fā)明的方法現(xiàn)代化的一個(gè)反應(yīng)器可實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)率和現(xiàn)有技術(shù)反應(yīng)器的一個(gè)反應(yīng)器的反應(yīng)率。
實(shí)例1用本發(fā)明的方法現(xiàn)代化的一個(gè)反應(yīng)器可實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)率與圖1所示的一個(gè)傳統(tǒng)反應(yīng)器可實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)率進(jìn)行比較。
所考慮的兩個(gè)反應(yīng)器尺寸如下殼體內(nèi)徑2.3m有效高度35.0m
工作狀態(tài)如下壓力152ata(絕對(duì)大氣壓)溫度190℃克分子比，NH3/CO23.6H2O/CO20.7傳統(tǒng)反應(yīng)器包括10個(gè)沿反應(yīng)器有效高度分布的并水平延伸遍布整個(gè)橫截面的多孔板。
在現(xiàn)代化的反應(yīng)器中，多孔板上設(shè)有5個(gè)矩形截面的，相互間隔為20mm的平行六面體頂蓋，因此實(shí)現(xiàn)了類似于圖2和圖4所示的結(jié)構(gòu)。頂蓋包括具有許多3mm孔的一個(gè)上壁和向下延伸高度為70mm的相對(duì)的側(cè)壁。頂蓋距多孔板有適當(dāng)間距，構(gòu)成開度為60mm的各個(gè)橫向孔。
借助化學(xué)反應(yīng)器工程(Chemical Reactor Engineering)1992年47卷9/11，6/8期(Vol.47 no9/11，6/8 1992)M.Dente等人的文章“尿素合成的氣-液反應(yīng)器”(Gas-Liguid Reactor in the Synthesis of Urea)中敘述的合成動(dòng)力學(xué)模型，確定反應(yīng)器產(chǎn)出的尿素中CO2(按克分子百分比)的反應(yīng)率。
確定的反應(yīng)率如下傳統(tǒng)反應(yīng)器60.0％現(xiàn)代化的反應(yīng)器63.0％按照本發(fā)明的反應(yīng)器的反應(yīng)率提高了3個(gè)百分點(diǎn)在尿素合成領(lǐng)域是一個(gè)相當(dāng)可觀的成果，因?yàn)檫@使得要返回到反應(yīng)器的未反應(yīng)產(chǎn)物減少7-10％，導(dǎo)致合成反應(yīng)器生產(chǎn)能力的顯著提高，以及尿素工廠能耗的降低。
從以上敘述可清楚地看到本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的許多優(yōu)點(diǎn)，包括反應(yīng)率的提高，合成反應(yīng)器生產(chǎn)能力的改進(jìn)，尿素工廠能耗的降低，以及由于使用原有多孔板支撐這個(gè)頂蓋，其投資成本很低。
很顯然，這些優(yōu)點(diǎn)可經(jīng)這類反應(yīng)器的現(xiàn)代化中提供完全新型尿素合成反應(yīng)器而實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)尿素高壓高溫合成反應(yīng)器的原位現(xiàn)代化方法，反應(yīng)器是氣相和液相在其內(nèi)并流類型，并包括一個(gè)垂直管狀殼體(2)，上述管狀殼體(2)內(nèi)支承多個(gè)疊置的水平延伸多孔板(6a-6f)，其特征在于，它包括至少在上述多孔板(6a-6f)的一個(gè)上設(shè)多個(gè)在結(jié)構(gòu)上獨(dú)立的頂蓋(8)的步驟，上述頂蓋(8)的頂部有許多孔(11)，支承在距上述多孔板(6a-6f)預(yù)定距離處，這樣，就與上述多孔板(6a-6f)構(gòu)成多個(gè)橫向孔(13)，上述孔(11)和上述橫向孔(13)分別限定了氣相和液相的最佳通路。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于上述頂蓋(8)實(shí)際上是平行六面體。
3.按照權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于上述頂蓋(8)實(shí)際上有一個(gè)不規(guī)則四邊形橫截面。
4.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于上述頂蓋(8)以10-40mm之間的一個(gè)預(yù)定距離設(shè)置在上述至少一個(gè)多孔板(6a-6f)上。
5.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于上述頂蓋(8)支承在上述多孔板(6a-6f)上。
6.按照權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于上述頂蓋(8)以可拆卸的方式固定在上述多孔板(6a-6f)上。
7.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于上述孔(11)直徑在2～6mm范圍。
8.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于上述橫向孔(13)的開口在50～150mm范圍。
9.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于上述頂蓋(8)包括多個(gè)向下延伸，高度在50-100mm范圍的側(cè)壁(12)。
10.一種尿素高壓高溫合成反應(yīng)器，是氣相和液相并行流動(dòng)的類型，包括實(shí)際上是圓柱形的一個(gè)垂直外殼(2)，在上述殼(2)內(nèi)相互保持間隔作為液相和氣相通道的疊置水平延伸多孔板(6a-6f)，其特征在于，它還包括至少在上述多孔板(6a-6f)中的一個(gè)板上設(shè)置的多個(gè)結(jié)構(gòu)上獨(dú)立的在其頂部有多個(gè)孔(11)的頂蓋(8)，上述頂蓋(8)支承在距上述多孔板(6a-6f)一個(gè)預(yù)定距離處，這就構(gòu)成多個(gè)橫向孔(13)，上述蓋(8)和上述橫向孔(13)分別規(guī)定了氣相和液相的最佳通道。
11.按照權(quán)利要求10所述的反應(yīng)器，其特征在于上述頂蓋(8)實(shí)際上是平行六面體。
12.按照權(quán)利要求11所述的反應(yīng)器，其特征在于上述頂蓋(8)實(shí)際上有一個(gè)不規(guī)則四邊形橫截面。
13.按照權(quán)利要求10所述的反應(yīng)器，其特征在于上述頂蓋(8)設(shè)在至少一個(gè)上述相互保持間隔的多孔板(6a-6f)上。
14.按照權(quán)利要求10所述的反應(yīng)器，其特征在于上述頂蓋(8)支承在上述多孔板(6a-6f)上。
15.按照權(quán)利要求14所述的反應(yīng)器，其特征在于上述頂蓋(8)以可拆卸方式固定在上述多乳板(6a-6f)上。
16.按照權(quán)利要求10所述的反應(yīng)器，其特征在于上述孔(11)有一個(gè)在2-6mm范圍的直徑。
17.按照權(quán)利要求10所述的反應(yīng)器，其特征在于上述橫向孔(13)的開口在10-40mm的范圍。
18.按照權(quán)利要求10所述的反應(yīng)器，其特征在于上述頂蓋(8)包括許多向下延伸其高度在50-100mm之間的側(cè)壁(12)。
全文摘要
一種尿素高壓高溫合成反應(yīng)器的原位現(xiàn)代化的一種方法，反應(yīng)器是氣相和液相在其內(nèi)并行流動(dòng)的類型，并包括一個(gè)垂直管狀殼體(2)，殼體(2)內(nèi)支承多個(gè)水平多孔板(6a-6f)的要求采取至少在這些多孔板(6a-6f)中的一個(gè)板設(shè)置多個(gè)在其頂部有多個(gè)孔(11)的結(jié)構(gòu)上獨(dú)立的頂蓋(8)的步驟，與板構(gòu)成若干橫向孔(13)。因此，孔(11)與橫向孔(13)分別規(guī)定了氣相和液相的最佳通路，實(shí)現(xiàn)緊密混合。
文檔編號(hào)B01D3/22GK1157581SQ95194988
公開日1997年8月20日 申請(qǐng)日期1995年8月31日 優(yōu)先權(quán)日1994年9月9日
發(fā)明者希奧爾希奧·帕加尼 申請(qǐng)人:烏里阿·卡薩勒有限公司