专利名称：从含尿素水溶液的液相中脱除尿素、氨和二氧化碳的水解反应器的制作方法
技术领域：
本发明涉及从含尿素水溶液的液相中脱除尿素、氨和二氧化碳的水解反应器。
众所周知，在高压高温合成反应器中生产的尿素的提纯和回收过程中所得到的废水含有通常在500ppm到30′000ppm之间的高含量残余尿素水溶液。由于工业化国家实施严格的反污染法律，这种废水不能直接排放到环境中。
因此，各尿素生产厂必须配置能够从废水中脱除残余尿素的合适设备以将废水中的尿素浓度降到几个ppm，优选降低到10ppm以下。
在对尿素提纯和回收过程所得的废水的处理领域，强烈需要获得残余尿素水解反应器一方面获得尿素含量低于10ppm的无污染废水，另一方面对加入水解反应器的废水中所含残余尿素(以氨和二氧化碳形式存在)加以回收。
为达到上述要求，广泛应用含有尿素水溶液的液相和含有通常压力在15巴到30巴、温度在150℃到250℃之间的高压高温蒸汽的气相在其中流动的立式水解反应器。
这类反应器包括多块水平伸展的孔板。
孔板的功能在于促进多相间的相互混合以促使紧密接触进而促进对在氨(NH3)和二氧化碳(CO2)中尿素的水解反应以及同时将氨和二氧化碳从液相提取到气相都极为重要的质量和热量交换。
尿素分解以及从液相提取反应产物所需的热量由气相中所含有的蒸汽提供。
加拿大专利申请CA-A-2,141,886描述了这类反应器，其中液相和气相在该反应器中自下而上并流流过多块水平孔板。
虽然上述水解反应器具有多方面优势，但它表现出多处不足首先是为了使尿素分解及相关的从液相提取生成的NH3和CO2达到期望的程度，需要在过量蒸汽下操作以防止水解反应过早达到平衡并防止气溶体在流经反应器时就被反应产物所饱和。
结果，为获得残余尿素含量低于10ppm的气溶体必须采用大量高压高温的蒸汽，随之导致高能耗和高蒸汽消耗以及高操作费用。
构成本发明基础的技术难题在于获得适于从含有尿素水溶液的液相脱除尿素、氨和二氧化碳的水解反应器，这一水解反应器将能够允许在低蒸汽消耗和低能耗及低操作费用下操作并同时能够获得尿素含量低于10ppm的液相。
根据本发明的第一个实施方案，上述难题由从含有尿素水溶液的液相脱除尿素、氨和二氧化碳的水解反应器所解决，该水解反应器包括-一基本上为圆柱形的竖直外壳；-多块叠置、水平伸展并在上述外壳内彼此隔开的孔板；-设在上述外壳下端附近的所说的液相的入口；-设在上述外壳中位于所说的液相入口上方、用于提供含有高压高温蒸汽的第一股气相的第一装置；-设在上述外壳顶端附近的所说的液相的出口；-设在上述外壳顶端附近的所说的气相的出口；其特征在于它包括-在上述外壳内预定高度处水平伸展的分隔挡板，在外壳内分别限定第一下反应段和第二上反应段；-在所说的第一反应段中设在上述分隔挡板附近、用于从外壳中收集并提取所说的第一股气相的装置；-在所说的第二反应段中设在上述分隔挡板上方、用于提供含有高压高温蒸汽的第二股所说的气相的装置。
有利地，在本发明的水解反应器中，外壳内的反应段被分隔挡板恰当地分割形成第一和第二反应段，向各反应段分别加入一股含蒸汽的气相。
以此方式能够合理有效地利用尿素分解及反应产物提取所需的高压高温蒸汽，以便与现有技术的反应器相比，在相等的液相提纯程度下显著减少加入水解反应器的蒸汽量。
事实上由于本发明，液相提纯适宜地在两个不同的反应段中进行，向各反应段中加入由水解反应器得到残余尿素浓度低于10ppm的液相出料所严格需要的蒸汽量。
特别是从第一反应段中提取现已被反应产物饱和的气相以及向第二反应段加入含有高压高温蒸汽的新气相使得也能够将液相中所含有的最后痕量尿素水解并回收气相中的NH3和CO2而不会因此而不得不采用过量蒸汽。
经此提纯的液相可排放到环境中，但亦可有效地在尿素合成装置中作为高温高压水重新利用或作其它工业用途如作为锅炉给水。
本发明的另一个目的即水解反应器的另一个优势在于如下事实，即对于达到相等的出口液相残余尿素浓度，液相在反应器中的停留时间比现有技术反应器的停留时间大大降低。
这使得能够建造设备尺寸和投资费用均显著低于现有技术反应器的水解反应器。
发现在将分隔挡板设在外壳有效高度的55％到80％之间的高度时获得特别有利的结果。
在以下的描述及后附的权利要求书中，术语“有效高度”应理解为意指可有效进行尿素水解反应的外壳高度。在此特定情况下，有效高度定义为液相在外壳内所达到的液位高度。
分隔挡板优选设在有效外壳高度的65％到75％之间。
以此方式在采用少量高压高温蒸汽和低操作费用下在第一反应段中得到尿素浓度通常在30ppm到70ppm之间的液相，在第二反应段中得到尿素浓度通常在0ppm到5ppm的液相。
根据本发明的第一实施方案，水解反应器有利地包括水平伸展、基本上占据全部外壳横断面的分隔挡板。
此外，收集和提取装置有利地包括-在分隔挡板与外壳内壁之间的第一反应段中所形成的用于第一股气相的收集室；-位于收集室和气相出口之间、在外壳内共轴伸展、用来从第一反应段提取气/液两相流的导管。
结果，本发明实际实施时建造简便且实施费用低。
水解反应器另外有利地包括位于提取导管和气相出口之间的气/液分离器，以便将离开反应器的气相中所夹杂的液相(如果有的话)循环回反应器并由此使得能够回收其中含有的尿素。
根据本发明的第二个实施方案，上述难题由从含有尿素水溶液的液相脱除尿素、氨和二氧化碳的水解反应器所解决，该水解反应器包括-一基本上为圆柱形的竖直外壳；-多块水平伸展并在上述外壳内彼此隔开的叠置孔板；-设在上述外壳下端附近的所说的液相的入口；-设在上述外壳中所说的液相入口上方、用于提供含有高压高温蒸汽的第一股气相的第一装置；-设在上述外壳顶端附近的所说的气相的出口；其特征在于它包括-在上述外壳内预定高度处水平伸展并基本上占据全部外壳横断面的分隔挡板，该档板在外壳内分别限定第一下反应段和第二上反应段；-在所说的分隔挡板与外壳内壁之间的第一反应段中所形成的、用于所述第一股气相的收集室；-位于所说的收集室和所说的气相出口之间、在外壳内共轴伸展、用来从上述第一反应段提取气/液两相流的导管；-设在上述第二反应段中所说的分隔挡板上方、用于提供含有高压高温蒸汽的上述第二股气相的第二装置；-在所说的第二反应段中设在上述分隔挡板上方附近的所说的液相的出口。
在本发明的这一实施方案中，使液相和气相在第二反应段中有利地逆流流动。
以此方式能够进一步改善各相混合并由此改善质量和热量交换从而促进尿素的水解反应以及蒸汽对反应产物的吸收作用。
参考附图，本发明的水解反应器的特征和优势由以下通过非限制性实施例给出的对其实施方案的描述来说明。
附图中
图1表示根据本发明的第一个实施方案的尿素水解反应器的纵向截面图。
图2表示根据本发明的第二个实施方案的尿素水解反应器的纵向截面图。
图3表示图1水解反应器的细节放大纵向截面图。
参考图1和图2，标号1整体上表示从含有尿素水溶液的液相脱除尿素、氨和二氧化碳的水解反应器。
反应器1包括一基本上为圆柱形的竖直外壳2，在外壳下端设有含尿素水溶液的液相的入口3及用来提供含有高压高温蒸汽的第一股气相的装置4。
外壳2另外具有设在反应器顶端的液相出口5和气相出口6。
标号7所表示的多块叠置孔板在外壳2内水平伸展并彼此隔开。
孔板7沿外壳的有效高度H均匀分布并设有适宜的液相和气相通道以促进各相间的混合。
图3表示根据本发明特别有利且优选的实施方案所提供的孔板细节的放大图。该孔板可安装在图1所示的水解反应器中，也可安装在图2所示的水解反应器中。
孔板7包括多个基本上为梯形横断面的单元71，在这些单元内限定各自的空腔72以及适宜的分别用于液相和气相通过的开口73和74。
另一方面，单元71可具有基本上为矩形的横断面。
气相通道开口74限定在单元71的顶壁75上。
液相通道开口73限定在单元71的侧壁76上。
有利地，液相通道开口73的尺寸大于气相通道开口74的尺寸。
在以下的描述和其后的权利要求书中，术语“尺寸”应理解为意指开口的横断面积。
在靠近顶壁75的空腔72中有利地形成气相收集区77。
由于孔板的这一特殊结构，在流过孔板时可从液相中分离出气相。之后气相以精细分配形式重新与液相混合。
以此方式能够在各相流过水解反应器时显著改善各相间的混合。
这就进一步降低了水解反应和反应物提取所需的蒸汽量以及液相在反应器内的停留时间，与现有技术的反应器相比，反应器尺寸、蒸汽和能量消耗以及操作和投资费用均得以降低。
这一类型的孔板如在US-A-5 304 353中参考尿素合成反应器所述。
标号8表示在预定外壳高度处水平伸展的分隔挡板。挡板8在外壳内限定第一反应段9和第二反应段10，分别为下反应段和上反应段。
有利地，分隔挡板水平伸展，基本上占据外壳2的整个横断面。
在图1和图2的实施例中，通过将分隔挡板8设置在相应于外壳2的有效高度H的大约70％处而使高压高温蒸汽的消耗显著降低。
从外壳2收集和提取第一股气相的装置11设在第一反应段9中靠近分隔挡板8处。
装置11有利地包括收集第一股气相的室12和从第一反应段9提取气/液两相流的导管13。
收集室12在分隔挡板8和外壳2的内壁14之间的第一反应段9中形成。
提取导管13设有各自的气相和液相入口并在收集室12和气相出口6之间在外壳2中共轴伸展。
含有高压高温蒸汽的第二股气相由设在第二反应段10中、位于分隔挡板8上方的适宜装置15加入反应器。
气相加料装置4和15优选为包括与外壳2中的气体分布器相连的加料管道的进料装置。这些装置众所周知并普遍用于现有技术的水解反应器中。
参考图1，液相出口5设在第二反应段10中靠近外壳2的顶端处。在图2的实施例中，液相出口5设在第二反应段10中靠近分隔挡板8并位于分隔挡板上方。
如图1和图2所示，本发明的水解反应器有利地包括一位于提取导管13与气相出口6之间的气/液分离器16。
气/液分离器16包括与提取导管13共轴、用以从气相分离液相的分离室17以及用来分离离开分离室17的气相中所含有的残余液相的除雾器18。
在图1的实施例中，气/液分离器16中所得到的液相通过设在分离室17与分隔挡板8之间、在提取导管13外侧与其共轴伸展的循环管19有利地循环回第二反应段10。在图2的实施例中，通过液体通道20进行循环。
在图1和图2中，箭头Fl和Fg分别表示水解反应器内部含尿素水溶液的液相和含高压高温蒸汽的气相的多种通路。
标号21也表示液相在外壳2中所达到的最高液位，22表示收集室12中的液相的液位。
本发明的水解反应器的操作如下参考图1，含尿素水溶液的液相经入口3加入反应器1并与含有高压(20-25巴)和高温(200-220℃)蒸汽的第一股气相在外壳2中沿第一反应段9自下而上并流流动。所述气相经加料装置4加入反应器1。
在反应段9中，液相和气相在流过孔板7时一起混合以使水溶液中所存在的尿素的一部分水解并从气相中所存在的蒸汽中提取所得到的反应产物(NH3和CO2)。在第一反应段中，加入反应器的液相中的尿素浓度被有效地降低到通常在40ppm到50ppm之间。
在接近分隔挡板8处，液相和第一股气相在收集室12中有利地收集并经导管13送往气/液分离器16的分离室17。
在分离室17中从气相分离出来自第一反应段9的液相并将该液相在分隔挡板8附近经导管19循环回第二反应段10。
一旦在分离室17中从液相中分离出气相后，气相就流经除雾器18并经出口6离开反应器1。
在第二反应段10中，使液相与含有高压高温蒸汽的第二股气相一起流动(仍并流)。
液相在流过孔板7并到达液位21后经出口5离开反应器1。从第二反应段10排出的液相中的尿素浓度有利地低于10ppm。
而通过第二反应段10并富含NH3和CO2的第二股气相经出口6离开反应器1。
参考图2，来自第一反应段9并在气/液分离器16的分离室17中分离后的液相有利地经通道20在液位21附近循环回第二反应段10。
根据本发明的这一实施方案，液相与第二股气相呈逆流形式自上而下流入第二反应段10，之后液相经位于分隔挡板8附近的出口5离开反应器1。
本发明的水解反应器在15巴到25巴之间的压力和180℃到215℃的温度下操作。液相在第一反应段中的停留时间优选在20min到40min之间，在第二反应段中的停留时间优选在10min到20min之间。
实施例1在以下的实施例中，对采用现有技术的水解反应器或根据本发明的多种实施方案的水解反应器时，使废水中的残余尿素浓度降低到10ppm以下所需的高压高温蒸汽的用量进行了比较。参考图1和图2。
所考虑的水解反应器具有如下尺寸-外壳内径1.5米-有效高度14.0米反应器中的操作条件如下-压力20巴-温度210℃反应器设有沿圆柱形外壳有效高度分布的10块水平孔板。
在本发明的反应器中，分隔挡板有利地设在有效外壳高度的大约68％处，位于第六和第七块孔板之间。有关这些反应器的进一步的结构细节可参见图1和图2及相关描述。
在现有技术的反应器中，液相和气相如本发明的第一个实施方案(图1)所述自下而上并流流过孔板。在根据本发明的第二个实施方案的反应器(图2)的第二反应段中，液相和气相逆流流动。
水解反应器的液相进料为30′000kg/h，液相组成如下-NH310′000ppm-CO22′000ppm-UREA10′000ppm
-H2O 余量此外向水解反应器中加入含有压力为25巴、温度为215℃的蒸汽的气相。
为使离开反应器的液相中的残余尿素浓度达到1ppm，下面给出不同工况下的蒸汽消耗。
在现有技术的反应器中，每处理1′000kg液相需用30kg蒸汽。
在图1的反应器中每处理1′000kg液相需用22kg蒸汽。
在图2的反应器中每处理1′000kg液相需用20kg蒸汽。
可注意到由于本发明，能够显著降低蒸汽消耗，蒸汽消耗约比现有技术的水解反应器所需的蒸汽消耗降低30％。这也将导致能耗及操作费用显著降低。
本实施例的结果由商业计算方法获得。
以上的描述清楚地显示出由本发明的水解反应器所达到的多方面的优势。特别是实现了在低蒸汽消耗、低能耗及低操作和投资费用下的操作使废水中所含有的残余尿素浓度降低到10ppm以下并对水解后的尿素加以回收。
权利要求
1.从含有尿素水溶液的液相中脱除尿素、氨和二氧化碳的水解反应器，它包括-一基本上为圆柱形的竖直外壳(2)；-多块叠置、水平伸展并在上述外壳(2)内彼此隔开的孔板(7)；-设在上述外壳(2)下端附近的所说的液相的入口(3)；-设在上述外壳(2)中位于所说的液相入口(3)上方、用于提供含有高压高温蒸汽的第一股气相的第一装置(4)；-设在上述外壳(2)顶端附近的所说的液相的出口(5)；-设在上述外壳(2)顶端附近的所说的气相的出口(6)；其特征在于它包括-在上述外壳(2)内预定高度处水平伸展的分隔挡板(8)，在外壳(2)内分别限定第一下反应段和第二上反应段(9，10)；-在所说的第一反应段(9)中设在上述分隔挡板(8)附近、用于从外壳(2)中收集并提取所说的第一股气相的装置(11)；-在所说的第二反应段(10)中设在上述分隔挡板(8)上方、用于提供含有高压高温蒸汽的第二股所说的气相的第二装置(15)。
2.根据权利要求1的反应器，其特征在于所说的分隔挡板(8)设在上述外壳(2)中外壳(2)有效高度(H)的55％到80％的高度处。
3.根据权利要求2的反应器，其特征在于所说的分隔挡板(8)设在上述外壳(2)中外壳(2)有效高度(H)的65％到75％的高度处。
4.根据权利要求1的反应器，其特征在于所说的分隔挡板(8)水平伸展、基本上占据外壳(2)的整个横断面；所说的收集和提取装置(11)包括-在所说的分隔挡板(8)与上述外壳内壁(14)之间的上述第一反应段(9)中所形成的用于上述第一股气相的收集室(12)；-位于上述收集室(12)与所说的气相出口(6)之间、在上述外壳(2)内共轴伸展、用来从所说的第一反应段(9)提取气/液两相流的导管(13)。
5.根据权利要求4的反应器，其特征在于它包括位于所说的提取导管(13)与上述气相出口(6)之间、用于从所说的两相流中分离出液相的气/液分离器(16)。
6.根据权利要求5的反应器，其特征在于所说的气/液分离器(16)包括-与上述提取导管(13)共轴、用于从气相分离液相的分离室(17)；-用于分离从上述分离室(17)排出的气相中所含有的残余液相的除雾器(18)；-位于上述分离室(17)和所说的分隔挡板(8)之间、在上述提取导管(13)外侧与其共轴伸展、用于将上述分离室(16)中所得到的液相在所说的分隔挡板(8)上方附近循环的循环导管(19)。
7.根据权利要求1的反应器，其特征在于所说的孔板(7)包括-多个具有基本上为梯形或矩形横断面的单元(71)，这些单元(71)内限定各自的用于上述气相的收集区(77)；-限定在上述单元(71)的侧壁(76)中、用于通过上述液相的多个开口(73)；-限定在上述单元(71)的顶壁中、与上述收集区(77)由流体连通的用于通过上述气相的多个开口(74)；所说的用于通过液相的开口(73)的尺寸大于所说的用于通过气相的开口(74)的尺寸。
8.从含有尿素水溶液的液相中脱除尿素、氨和二氧化碳的水解反应器，它包括-一基本上为圆柱形的竖直外壳(2)；-多块叠置、水平伸展并在上述外壳(2)内彼此隔开的孔板(7)；-设在上述外壳(2)下端附近的所说的液相的入口(3)；-设在上述外壳(2)中位于所说的液相入口(3)上方、用于提供含有高压高温蒸汽的第一股气相的第一装置(4)，和-设在上述外壳(2)顶端附近的所说的气相的出口(6)；其特征在于它包括-在上述外壳(2)内预定高度处水平伸展、基本上占据外壳(2)的整个横断面的分隔挡板(8)，所说的分隔挡板在外壳(2)内分别限定第一下反应段和第二上反应段(9，10)；-在所说的分隔挡板(8)与上述外壳(2)的内壁(14)之间的上述第一反应段(9)中所形成的用于上述第一股气相的收集室(12)；-位于上述收集室(12)与所说的气相出口(6)之间、在上述外壳(2)内共轴伸展、用来从所说的第一反应段(9)提取气/液两相流的导管(13)；-设在上述第二反应段(10)中位于所说的分隔挡板(8)上方、用于提供含有高压高温蒸汽的第二股所说的气相的第二装置(15)；-在上述第二反应段(10)中设在所说的分隔挡板(8)上方附近的所说的液相的出口(5)。
9.根据权利要求8的反应器，其特征在于所说的分隔挡板(8)设在上述外壳(2)中外壳(2)有效高度(H)的55％到80％的高度处。
10.根据权利要求9的反应器，其特征在于所说的分隔挡板(8)设在上述外壳(2)中外壳(2)有效高度(H)的65％到75％的高度处。
11.根据权利要求8的反应器，其特征在于它包括位于所说的提取导管(13)与上述气相出口(6)之间、用于从所说的两相流中分离出液相的气/液分离器(16)。
12.根据权利要求11的反应器，其特征在于所说的气/液分离器(16)包括-与上述提取导管13共轴、用于从气相分离液相的分离室(17)；-用于分离从上述分离室(17)排出的气相中所含有的残余液相的除雾器(18)；-将液相循环回第二反应段(10)的液体通道(20)。
13.根据权利要求8的反应器，其特征在于所说的孔板(7)包括-多个具有基本上为梯形或矩形横断面的单元(71)，这些单元(71)内限定各自的用于上述气相的收集区(77)；-限定在上述单元(71)的侧壁(76)中、用于通过上述液相的多个开口(73)；-限定在述单元(71)的顶壁中、与上述收集区(77)由流体连通的用于通过上述气相的多个开口(74)；所说的用于通过液相的开口(73)的尺寸大于所说的用于通过气相的开口(74)的尺寸。
全文摘要
从含尿素水溶液的液相中有效脱除尿素、氨和二氧化碳的水解反应器有利地包括:在反应器内预定高度处水平伸展的分隔挡板(8),它在反应器内分别限定第一下反应段和第二上反应段(9,10);从反应器中收集并提取事先加入第一反应段(9)的含有高压高温蒸汽的第一股气相的装置(11);以及将含有高压高温蒸汽的第二股气相加入第二反应段(10)的装置(15)。
文档编号C07C275/00GK1200683SQ96197835
公开日1998年12月2日 申请日期1996年9月27日 优先权日1995年10月27日
发明者G·帕加尼, F·泽迪 申请人:乌里阿·卡萨勒有限公司