本发明涉及一种用于高压合成尿素的组合装置。
背景技术：
由氨和二氧化碳合成尿素的方法和装置是已知的，在文献中有描述，例如梅森，“尿素”，沃尔曼的工业化学的百科全书，威利西南(wiley-vch)出版社，2010。
氨和二氧化碳之间的反应在反应器中进行，包括生产氨基甲酸铵的第一高放热阶段和将氨基甲酸铵转化为尿素和水的第二吸热阶段。
反应器产生水溶液和气体混合物，所述水溶液大体上含有尿素、未转化的氨基甲酸铵和游离氨；所述气体混合物含有氨、二氧化碳和可能的惰性气体。
大多数尿素设备使用汽提过程进行操作，其中离开反应器的水溶液被送入汽提器，在汽提器中氨基甲酸酯分解成氨和二氧化碳。汽提过程辅以热量供应，在co2汽提设备中，还辅以充当汽提剂的二氧化碳流，以从液相中分离气相(主要由氨和二氧化碳组成)。
因此汽提过程产生更浓的尿素水溶液和含有氨和二氧化碳的气流。通常将水溶液送至处于较低压力下的处理部；在特定冷凝器内，气体至少部分冷凝，所得的冷凝物被再循环回到反应器。
在洗涤器内，从反应器中提取的气体混合物也转化为氨基甲酸酯。
所提及的装置，即反应器、汽提器、冷凝器和洗涤器，基本上在相同压力下操作，形成所谓的合成回路或高压回路。
四个单独的装置中每个装置有其自己的加压容器，使得成本高。所有这些装置都在严格的操作条件(高压和高温)，以及高腐蚀性液体条件下运行，因此需要高质量的材料和复杂的结构方案。此外，每个装置需要不同的基础；用于将设备连接在一起的管道需要高质量的材料，并且成本高。
为了降低成本，现有技术已经提出在单个组合装置内组合反应器和冷凝器。
为此目的，现有技术的组合设备大体上由垂直圆柱体形成，该垂直圆柱体包括反应部和管束冷凝部，它们一个接着一个垂直布置，冷凝部通常位于反应部下方。
然而，这样的实施例并不令人满意，因为冷凝器需要集成于装置中的管束，大体上与容器直径相同。这带来了许多缺点：难以制造超过一定直径的管板，这一因素限制了反应器的最大尺寸，因此限制了反应器的最大容量；由于管束集成于反应器内部，更换损坏管道成为非常复杂的操作，设备停机时间长。由于容器和管之间的热膨胀不同，容器必须设有柔性波纹部，价格昂贵。由于这些部逐个上下设置，该装置很高，因此难以运输和安装。
例如，wo00/43358描述了一种组合装置，发挥反应器、冷凝器和洗涤器的功能。
技术实现要素：
本发明旨在克服现有技术的上述问题和限制。更详细地说，本发明提出了一种组合反应器，其能够结合反应器和冷凝器的功能，与现有技术相比能够实现以下优点：生产能力更大、设计更简单、易于提取、易于更换损坏的热交换元件，以及降低建造反应器和维护的成本。
通过一种用于由氨和二氧化碳合成尿素的组合装置来实现这些目的，所述组合装置包括壳体、反应区和冷凝区，所述两个区在所述壳体内部，且彼此连通，其特征在于所述反应区和所述冷凝区中的一个区同轴布置在另一个区的外部。
本发明的优选的方面在从属权利要求中描述。
优选地，所述反应区和冷凝区中的一个区为圆柱形或大体圆柱形的几何形状，所述两个区中的另一个区为环形或大体环形的几何形状。
在一个优选实施例中，所述装置包括附加内壁，所述附加内壁将所述反应区和所述冷凝区限定在所述装置内部。
本发明的装置可以称为组合式反应器-冷凝器。该装置包括彼此同轴的第一区和第二区。所述区之一同轴地围绕另一个区延伸。根据本发明的不同实施例，第一区可以作为反应器，第二区作为冷凝器，反之亦然。在第一种情况下，本发明的组合装置可以定义为中心反应器；另一方面，在第二种情况下，本发明的组合装置可以定义为中心冷凝器。
术语“反应区”应理解为是指装置中生成尿素的反应的区，即更精确地说，是主要生成氨基甲酸铵和将氨基甲酸酯转化为尿素和水的反应的区域。术语“冷凝区”应理解为是指装置中去除热量，以及氨和co2蒸汽的主要冷凝的区。从冷凝器中排出的热量表示氨基甲酸铵的冷凝热。根据本发明的一些实施例，部分尿素生成反应可以发生在冷凝区。
在中央冷凝器一个特定实施例中，冷凝区由附加壁内侧的圆柱形或大体圆柱形区域的底部形成，反应区包括在所述附加壁的内侧、冷凝区上方的区域的顶部、以及围绕所述附加壁延伸的环形或大体环形的区域。在该实施例中，附加壁内侧的装置的中心区域包括冷凝区以及部分反应区。
优选地，冷凝区接收来自含未转化氨基甲酸酯的尿素水溶液的汽提过程的氨和co2蒸气。
有利地，冷却元件安装在冷凝区，其被设计成去除冷凝热，冷却流体例如蒸发水流经冷却元件。热交换元件，例如由管或板形成。第一优选实施例，提供了具有单个管板的卡口式管束。在另一个优选实施例中，提供了u形管束。
本发明的装置可以连接到外部汽提器，设想连接到洗涤器。例如，将从装置中提取的尿素水溶液供给汽提器，将来自汽提器的主要由氨和co2形成的蒸汽供应至装置的反应区。来自洗涤器的氨基甲酸酯溶液也被供应至反应区。为此，该装置可以包括合适的分配器，该分配器优选布置在反应区的最低部或底部。
在一些实施例中，本发明的设备还可以包括集成式汽提器和/或洗涤器。
设想汽提区优选位于装置的最低部，即同轴反应区和冷凝区下面。汽提区优选具有汽提剂，甚至更优选由气态co2形成。
设想洗涤区有利地位于同轴反应区和冷凝区之上的装置的顶部。
本发明的第一个优点在于装置的紧凑性。由于同轴布置，与现有技术的塔式反应器-冷凝器相比，本发明的装置更小，更易于运输和安装。此外，组合装置相对于它所替代的多个装置更容易运输和安装。
本发明的另一个优点是热交换元件可以以比传统管束更低的成本生产。例如，可以用需要单个管板的卡口管或u形管来实现。具有中央冷凝器的实施例还有其他优点，即热交换元件在装置的中心内以相对较小的直径组合在一起：例如，管束的管板更小，因此成本更低。
由于采用单板结构，使用卡口式管带来了其他的优势：简化了管的拆卸和/或更换，不需要设备长时间停机。由于管固定在单板上，所以板和管组件可以很容易地从反应器中取出。此外，卡口式管具有自由端(在管板的相对侧上)，因此自由膨胀；这意味着与容器相比，管的不同膨胀不会产生张力，不需要特殊的补偿装置。使用u形管束也可具有这一优势。
另一个优点在于大体上轴对称性，其确保反应器内部的均匀条件。这在诸如尿素合成的复杂反应中是有利的，确保适当地使用装置内可用的整个体积。
本发明还涉及根据所附权利要求由氨和二氧化碳合成尿素的方法。
通过下文的非限制性示例描述的优选实施例详细描述本申请。
附图说明
图1是图1是本发明第一实施例中用于合成尿素的组合反应器的示意性剖视图。
图2是本发明另一个实施例中用于合成尿素的组合反应器的示意性剖视图。
图3是包括图1或图2的组合式反应器的设备的简化图。
图4是本发明另一实施例中用于合成尿素的组合反应器的示意性剖视图，该组合反应器还具有集成在该设备中的汽提部。
具体实施方式
图1示出了本发明的中央冷凝器类型实施例的组合式反应器-冷凝器装置1。例如，所述反应器-冷凝器1构成高压回路的一部分，高压回路还包括汽提器和洗涤器。
组合式反应器-冷凝器1包括外壳2和附加内壁3，附加内壁3也被称为内壳，优选为圆柱形壁。外壳2和内壳3在装置1内部限定出不同的区域，具体来说，限定出反应区4和冷凝区5。
冷凝区5由壁3的内侧的大致圆柱形体积的至少一部分形成。在图1所示的例子中，冷凝区5基本上由所述圆柱形体积的最低部分形成。
反应区包括围绕壁3延伸的体积，以及可选地所述壁内侧的体积的一部分。在图1所示的例子中，反应区4包括壁3内侧和冷凝区5上方的第一部分4a，以及由环形或大致环形的区域形成的第二部分4b，第二部分4b围绕壁3延伸，例如反应区4的第二部分4b限定于装置1的壁3和外壳2之间。
反应区4含有多孔板6，根据尿素反应器领域中的已知技术将所述反应区分隔成多个隔室。根据反应区的所述两个部分的几何形状，在第一部分4a中，板6大体上是圆盘形式，而在第二部分4b中，板6大体上是环。
冷凝区5包含安装在管板8上的卡口式管7形式的热交换元件。所述管7供应有诸如水的冷却流体，从区域5除去热量，从而允许所需的冷凝过程发生。
在图1中，管板8位于装置1的底部，管子底端。在一个替代实施例中，所述管板8可以位于管的顶端。
图1示出了一个优选实施例，其中冷凝区5位于装置(中央冷凝器)的中心，由内壳3界定。因此，管板8的直径大体上小于外壳2的直径，即小于装置1的标称直径(例如，板8的直径约为壳2直径的一半)。这是有利的，因为管板8是比较昂贵的部件。
反应器1具有顶部9，位于内壳3的顶部，使得同轴区4和区5之间连通，特别是使得冷凝区5(通过第一区域4a)中产生的冷凝物被供应至反应区4的第二区域4b，该过程与常规设备中冷凝器的流出物进料至反应器类似。
装置1的输入由外部洗涤器供应的、含有氨和co2气流12和包含氨基甲酸铵的回收溶液14形成。优选地，将所述进料流12和14直接引入冷凝区5(通过合适的入口法兰和管道)，如图中示意性示出的那样。
装置1产生含有尿素、氨基甲酸盐和氨的水溶液15，其基本上对应于常规尿素反应器的流出物，并将其供应到已提及的外部汽提器。所述外部汽提器又产生浓度更高的溶液和蒸汽12的气流，并将其返回装置1。有利地，将溶液15从反应区4的第二区域4b(环形区域)的底部除去。
在正常操作条件下，反应器1几乎完全充满尿素水溶液，如液位(level)16所示。
线17表示从反应器-冷凝器1的顶端提取的气相(顶部气体(headgas))，通常被供应至外部洗涤器。
箭头f表示气流，该气流从壁3的内侧上升、流经冷凝区5以及反应区4的第一区域4a、到达反应区4的第二区域4b。在例子中，气流f在由内壳3限定的中央导管内大体上升运动，并流入上述环形区域中，所述环形区域形成反应区的区域4b。
图2示出了中心反应区类型的实施例。在该实施例中，冷凝区5围绕反应区4同轴延伸。因此，相对于图1所示的实施例而言，图2的实施例可视为是双倍的。反应区4大体上是圆柱形的，而冷凝区5大体上是环形的。
图2中的附图标记对应于图1中所示的附图标记，为了简洁起见，不再重复描述。图2示出了一个优选实施例，该实施例包括用于冷却冷凝区5的管束18。所述管束18包括顶部集管19和底部集管20；供应有水21，产生蒸汽22。
图2中的箭头表示从冷凝区5进入反应区4的尿素溶液流体，该流体在所述反应区4内，即在壁3的内侧向下流动。
具有卡口式管束(如图1中所示)、u形管或集管(如图2中所示)的实施例同样可以应用于中心反应器或中央冷凝器类型的装置。此外，在本发明的所有实施例中，可以使用板代替管作为热交换元件。
例如，在如图1所示的中央冷凝器实施例中，在冷凝区5中可以在壁3的内侧上设置一组板。在中心反应器实施例中，例如，如图2所示，可以在冷凝区5内设置径向分布的板。
应该注意的是，图1和图2中所示的实施例具有相同的界面，所述界面朝向外部环境。在两种情况下，装置1接收氨和co2的气流12，和含氨基甲酸酯14的溶液，输出尿素15的水溶液和顶部气体17。
图3示出了图1和图2的装置1的一个例子，所述装置1插入高压尿素合成回路中。
在反应器-冷凝器1内部产生的大体上包含尿素、氨基甲酸铵和游离氨的水溶液15被送入汽提器30，汽提器30被从下方供给作为汽提剂的二氧化碳流31。汽提器30例如是由蒸汽流加热的壳-管束装置。
从汽提器顶部抽出的气流12，主要是氨和二氧化碳，被输送至反应器1。离开汽提器的溶液32，主要包含尿素、残留的氨基甲酸铵和氨，根据现有技术被输送至回收段33。回收段提供尿素浓缩溶液34和氨基甲酸盐流35。
所述氨基甲酸酯流35与从反应器-冷凝器1中提取的气体17一起供应至洗涤器36中。所述洗涤器36产生流14，如上所述，例如，所述流14与新鲜的氨37一起供应至反应器-冷凝器1。
图4示出了本发明的另一变体，由装置100形成，装置100包括同轴的反应区和冷凝区，还包括汽提区。
更详细地，装置100包括顶部101和底部130，顶部101作为反应器-冷凝器，底部130作为汽提器。
顶段101可以如图1所示(中央冷凝器)或如图2所示(中心反应器)来实现。在图4所示的例子中，段101反映了图2所示的实施例，包括中心反应区104和环形冷凝区105。所述反应区104和冷凝区105被外壳102和额外的内壁(内壳)103围绕。壳103的底部103a密封，从而使得区104和区105仅在装置的顶部连通，以防止产品和试剂混合。板106安装在反应区104中。供应有水121并产生蒸汽122(类似于图2)的管束118存在于冷凝区105中。
在该示例中，汽提区130是co2汽提类型，大体上包括液体分配器131、管束132和管线31，管线31供应气态co2作为汽提剂。
汽提区130通过气道134和合适的液压防护装置与顶段101连通。所述气道134允许离开汽提区130的气相进入叠加的冷凝区105，液压防护装置防止液体回流。
具有反应器液位控制阀136的管线135将来自反应区105的尿素水溶液供应至汽提区130，具体来说是供应至管束132的管侧。
用蒸汽137加热管束132的壳侧，冷却或冷凝的蒸汽通过管线138提取。在一些实施例中，蒸汽137可全部或部分地在使同一装置100的冷凝区105冷却的管束118内产生。例如，在一些实施例中，至少部分蒸汽流122形成所述加热蒸汽137。在其他实施例中，从外部供应蒸汽137。
现在简要描述组合设备100的操作原理。反应区104中产生的水溶液在管束132的管内下降，此处水溶液与从下方供给的汽提co231逆流接触。粘附在壁上的液膜(降膜)在管内形成。包含在尿素溶液中的氨基甲酸铵分解所需的热量由在汽提区130的壳侧循环的蒸汽137供给。液相收集在装置的底部，形成浓缩溶液流32；离开汽提器的气流进入冷凝区105；在所述冷凝区105中形成的冷凝物随后进入反应区104。
装置100可以插入如图4所示的布局中，其中装置100代替反应器-冷凝器1和汽提器30。组合装置1接收来自洗涤器的回收溶液(优选添加新鲜氨)以及气态汽提co2，并输出浓缩的尿素溶液和顶部气体。
例如，参考图4所示的布局，装置100可以插入以接收来自洗涤器36并添加有氨37的溶液14，以及气态co2的流31；而设备100的输出包括直接流向回收段33的浓缩尿素溶液32，和流向洗涤器36的顶部气体17。
在另一个实施例(未示出)中，组合装置1(图1-2)或100(图4)还包括顶部区域，作为洗涤器。所述洗涤段位于同轴的反应区和冷凝区的上方，接收蒸汽17并返回溶液14。基本上，在该另一实施例中，图3的洗涤器36也集成于单个装置中。