RU2373148C2 - Pipe reactor and device for producing composition of urea and ammonium sulphate - Google Patents
Pipe reactor and device for producing composition of urea and ammonium sulphate Download PDFInfo
- Publication number
- RU2373148C2 RU2373148C2 RU2007131215/15A RU2007131215A RU2373148C2 RU 2373148 C2 RU2373148 C2 RU 2373148C2 RU 2007131215/15 A RU2007131215/15 A RU 2007131215/15A RU 2007131215 A RU2007131215 A RU 2007131215A RU 2373148 C2 RU2373148 C2 RU 2373148C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- reactor
- urea
- acid
- ammonia
- tubular reactor
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
Abstract
Description
Область изобретенияField of Invention
Настоящее изобретение относится к конструкции селективного трубчатого реактора и установки для производства различных смесей, позволяющих решать общую задачу осуществления предпочтительной реакции кислоты и основания в потоке компонента или смеси компонентов, чувствительных к нагреву и/или воздействию кислоты, без их разложения или с предпочтительным разложением одного из компонентов. Более конкретно, рассматривается реактор, используемый для производства композиции мочевины и сульфата аммония (МСА).The present invention relates to the design of a selective tubular reactor and installation for the production of various mixtures, allowing to solve the general problem of the preferred reaction of the acid and base in the stream of a component or mixture of components that are sensitive to heat and / or acid, without decomposition or with the preferred decomposition of one of components. More specifically, a reactor is used to produce a composition of urea and ammonium sulfate (MCA).
Уровень техникиState of the art
Трубчатые реакторы, предназначенные для производства аммониевых солей, описаны, например, в документах US 2568901, US 2755176 и US 5904906. Эти реакторы позволяют осуществлять реакции между кислотой и основанием, но не могут использоваться для проведения реакций с введением третьего компонента.Tubular reactors for the production of ammonium salts are described, for example, in US Pat. No. 2,568,901, US Pat. No. 2,755,176 and US Pat.
В настоящее время коммерческое производство композиции мочевины и сульфата аммония (МСА) осуществляется путем физического смешивания двух соединений посредством введения порошкообразного твердого сульфата аммония в расплавленную мочевину на этапе гранулирования, например, с применением барабанов или чанов, как описано в документе US 3785796. Этот способ можно назвать "твердым способом". Такой способ является достаточно простым. Тем не менее, он имеет ряд серьезных недостатков как с экономической точки зрения, так и с точки зрения эффективности процесса.Currently, the commercial production of the urea and ammonium sulfate (MCA) composition is carried out by physically mixing the two compounds by introducing powdered solid ammonium sulfate into the molten urea in the granulation step, for example, using drums or vats, as described in US 3785796. This method can call the "hard way." This method is quite simple. Nevertheless, it has a number of serious drawbacks both from an economic point of view and from the point of view of process efficiency.
В документе US 3928015 описана двухэтапная реакция синтеза сульфата аммония (СА) в растворе мочевины. Раствор бисульфата и аммиак реагируют в растворе мочевины с образованием по существу безводного СА в смеси с расплавленной мочевиной; этот процесс осуществляется в простом и недорогом реакторе резервуарного или трубчатого типа.No. 3,928,015 describes a two-step reaction for the synthesis of ammonium sulfate (CA) in a urea solution. The bisulfate solution and ammonia react in a urea solution to form a substantially anhydrous CA in a mixture with molten urea; this process is carried out in a simple and inexpensive tank or tube type reactor.
Бисульфат соответствует продукту, полученному в результате реакции одного моля серной кислоты с одним молем аммиака, тогда как сульфат аммония соответствует продукту, полученному в реакции одного моля серной кислоты с двумя молями аммиака. Первая аммонизация серной кислоты (результатом которой является бисульфат) более экзотермична по сравнению со второй.Bisulfate corresponds to the product obtained by the reaction of one mole of sulfuric acid with one mole of ammonia, while ammonium sulfate corresponds to the product obtained by the reaction of one mole of sulfuric acid with two moles of ammonia. The first ammonization of sulfuric acid (which results in bisulfate) is more exothermic than the second.
С другой стороны, получение СА в растворе мочевины in situ (на месте) достаточно затруднительно, поскольку кислота быстро реагирует с мочевиной, что приводит к потерям мочевины. Если потери слишком высоки, указанное обстоятельство значительно ограничивает преимущества любого жидкого способа по сравнению с твердым способом производства МСА. Бисульфат менее агрессивен по отношению к мочевине, чем серная кислота. Согласно документу US 3928015 в целях минимизации разложения мочевины бисульфат синтезируется отдельно. При этом имеет место неполное использование теплоты, выделяемой при первой аммонизации.On the other hand, obtaining CA in urea solution in situ (in place) is rather difficult, since the acid quickly reacts with urea, which leads to loss of urea. If the losses are too high, this circumstance significantly limits the advantages of any liquid method in comparison with the solid method for the production of MSA. Bisulfate is less aggressive with urea than sulfuric acid. According to US Pat. No. 3,928,015, bisulfate is synthesized separately to minimize urea decomposition. In this case, there is an incomplete use of the heat released during the first ammonization.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании конструкции реактора, предназначенного для осуществления реакции между кислотой и основанием в потоке компонента, чувствительного к нагреву и/или воздействию кислоты, без его разложения. Другая задача состоит в создании реактора, предназначенного для производства МСА. Еще одна задача состоит в создании установки, особенно для производства МСА.The problem to which the present invention is directed, is to create a reactor design designed to carry out the reaction between the acid and the base in the flow of a component that is sensitive to heat and / or acid, without decomposition. Another task is to create a reactor designed for the production of ISA. Another objective is to create an installation, especially for the production of ISA.
В соответствии с изобретением решение перечисленных и других задач достигается благодаря созданию реактора, описанного далее; изобретение подробно определено и охарактеризовано в прилагаемой формуле изобретения.In accordance with the invention, the solution of these and other problems is achieved by creating a reactor, described below; The invention is defined and characterized in detail in the attached claims.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Изобретение дополнительно проиллюстрировано со ссылками на фигуры, где:The invention is further illustrated with reference to the figures, where:
на фиг.1 изображен трубчатый реактор с предварительным реактором, смесителем и скрубберами;figure 1 shows a tubular reactor with a preliminary reactor, mixer and scrubbers;
на фиг.2 изображен стандартный реактор с перекрестием труб.figure 2 shows a standard reactor with a crosshair of pipes.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Таким образом, настоящее изобретение относится к трубчатому реактору, в частности, для производства МСА и включающему в себя трубчатый корпус и головную часть реактора, причем головная часть реактора включает в себя устройство аксиального введения кислоты и устройство введения аммиака. Аммиак может находиться в свободном и/или связанном виде и/или в составе смеси. Кроме того, имеется устройство введения мочевины и реакционная камера, в которой интенсифицированы реакции кислоты с аммиаком перед контактом с мочевиной. Трубчатый реактор может также использоваться для проведения реакции другой кислоты и другого основания с компонентом, чувствительным к нагреву и/или воздействию кислоты, отличным от мочевины.Thus, the present invention relates to a tubular reactor, in particular for the production of MSA, and comprising a tubular body and a reactor head, the reactor head including an axial acid introduction device and an ammonia introduction device. Ammonia can be in free and / or bound form and / or as part of a mixture. In addition, there is a urea injection device and a reaction chamber in which the acid reaction with ammonia is intensified before contact with urea. The tubular reactor can also be used to react a different acid and another base with a component that is sensitive to heat and / or acid, other than urea.
Предпочтительно выше по потоку перед головной частью реактора расположен предварительный реактор для предварительной нейтрализации кислоты. Предварительный реактор может представлять собой трубчатый реактор или нейтрализатор резервуарного типа. Предпочтительно предварительный реактор является частью основного трубчатого реактора и имеет входное отверстие для аммиака или другого основания. Аммиак может находиться в свободном и/или связанном виде и/или в составе смеси. Выше по потоку перед головной частью реактора может также располагаться смеситель для разбавления кислоты. Головная часть реактора предпочтительно имеет сужение у ее выходного торца. Устройство введения аммиака или другого основания имеет входное отверстие, сообщающееся с кольцевой камерой, окружающей устройство введения кислоты. Входное отверстие предпочтительно расположено тангенциально. Кольцевая камера у выходного торца имеет форму конуса или открытый конец. Устройство введения мочевины или другого чувствительного компонента имеет входное отверстие и кольцевую камеру, окружающую устройство введения (инжектор) аммиака или другого основания.Preferably, upstream of the reactor head is a pre-reactor for pre-neutralizing the acid. The pre-reactor may be a tubular reactor or a tank type neutralizer. Preferably, the pre-reactor is part of the main tubular reactor and has an inlet for ammonia or another base. Ammonia can be in free and / or bound form and / or as part of a mixture. Upstream of the head of the reactor may also be a mixer for diluting the acid. The head of the reactor preferably has a narrowing at its outlet end. The ammonia or other base introduction device has an inlet in communication with an annular chamber surrounding the acid introduction device. The inlet is preferably located tangentially. The annular chamber at the outlet end has the shape of a cone or an open end. A device for introducing urea or another sensitive component has an inlet and an annular chamber surrounding an injection device (injector) of ammonia or another base.
Изобретение также относится к установке для производства композиции мочевины и сульфата аммония и включающей в себя трубчатый реактор, состоящий из трубчатого корпуса и головной части реактора, причем головная часть реактора включает в себя устройство аксиального введения кислоты, устройство введения аммиака, устройство введения мочевины и реакционную камеру, в которой может проходить реакция кислоты и аммиака перед введением их в контакт с мочевиной, сепаратор для отделения пара, образующегося из суспензии МСА, и устройство приема этого пара. Аммиак может находиться в свободном и/или связанном состоянии и/или в составе смеси.The invention also relates to an apparatus for producing a composition of urea and ammonium sulfate and comprising a tubular reactor consisting of a tubular body and a reactor head, wherein the reactor head includes an axial acid injection device, an ammonia injection device, a urea injection device and a reaction chamber in which the reaction of acid and ammonia can take place before they are brought into contact with urea, a separator for separating the vapor generated from the MCA suspension, and a device for receiving this wow couple. Ammonia may be in a free and / or bound state and / or as part of a mixture.
Перед головной частью реактора предпочтительно расположен предварительный реактор, который имеет устройство введения аммиака, устройство введения кислоты и реакционную камеру. Выше по потоку перед головной частью реактора может быть размещен смеситель для разбавления кислоты. Устройство приема пара предпочтительно представляет собой скруббер, который может иметь двухступенчатую конструкцию. Скруббер предпочтительно имеет устройство рециркуляции промывающего раствора во входное отверстие 7 мочевины и/или в устройство введения (инжектор) кислоты. За сепаратором может располагаться испарительный резервуар. Производство композиции мочевины и сульфата аммония предпочтительно является заключительным процессом в работе установки по производству мочевины.Preferably, a pre-reactor is located in front of the reactor head, which has an ammonia introducer, an acid introducer and a reaction chamber. Upstream in front of the reactor head can be a mixer for diluting the acid. The steam receiving device is preferably a scrubber, which may have a two-stage structure. The scrubber preferably has a washing solution recirculation device in the urea inlet 7 and / or in the acid injection device (injector). An evaporator tank may be located behind the separator. The production of the urea and ammonium sulfate composition is preferably the final process in the operation of the urea plant.
Нижеприведенное описание основано на производстве мочевинного сульфата аммония (МСА), т.е. композиции мочевины и сульфата аммония. Мочевина чувствительна к нагреванию и к воздействию серной кислоты. Сульфат аммония образуется в растворе мочевины в результате реакции серной кислоты с аммиаком при максимально возможной защите мочевинного компонента от сильного разрушения.The following description is based on the production of ammonium urea sulfate (MCA), i.e. urea and ammonium sulfate compositions. Urea is sensitive to heat and to the effects of sulfuric acid. Ammonium sulfate is formed in the urea solution as a result of the reaction of sulfuric acid with ammonia with the maximum possible protection of the urea component from severe destruction.
Однако те же самые принципы и эквивалентные концепции могут использоваться в отношении других смесей в любых случаях, когда используется такой синтез in situ, представляющий больший интерес по сравнению с отдельным синтезом и последующей стадией простого смешивания.However, the same principles and equivalent concepts can be used for other mixtures in any case where such in situ synthesis is used, which is of greater interest compared to a single synthesis and the subsequent stage of simple mixing.
Синтез in situ имеет ряд преимуществ. Трубчатым реактором достаточно просто управлять, а также запускать его и завершать его работу. Теплота, выделяемая при синтезе сульфата аммония (СА), позволяет использовать испарение воды из раствора мочевины, что дает возможность исключить стадию испарения, а также расход вещества (в частности, пара). Синтез in situ позволяет получать очень мелкие кристаллы СА, особенно пригодные для последующего процесса гранулирования, и получать более гомогенный продукт по сравнению с продуктом, полученным твердым способом. Наконец, применение синтеза МСА in situ на установке с полной или частичной рециркуляцией мочевины позволяет значительно повысить эффективность использования мочевины.In situ synthesis has several advantages. The tubular reactor is simple enough to control, as well as start it and complete its work. The heat generated during the synthesis of ammonium sulfate (CA) allows the use of water evaporation from a urea solution, which makes it possible to exclude the stage of evaporation, as well as the consumption of the substance (in particular, steam). In situ synthesis makes it possible to obtain very small CA crystals, especially suitable for the subsequent granulation process, and to obtain a more homogeneous product compared to the product obtained by the solid method. Finally, the use of in situ synthesis of MCA in an installation with full or partial urea recirculation can significantly increase the efficiency of urea use.
Описание способа получения МСА in situDescription of the method of obtaining ISA in situ
Особый интерес представляет получение МСА in situ в качестве заключительного процесса работы установки по производству мочевины.Of particular interest is the in situ production of ISA as the final process for the urea plant.
Компоненты и реагенты вводят в трубчатый реактор. Поток, выходящий из реактора, подают в сепаратор для отделения пара, полученного из суспензии МСА. Быстрое испарение жидкого раствора может осуществляться сразу или впоследствии в вакууме для получения необходимого содержания воды, требуемого для последующего процесса гранулирования, при этом пар поглощается кислотой до, например, конденсации.Components and reagents are introduced into the tubular reactor. The stream leaving the reactor is fed to a separator to separate the vapor obtained from the MCA slurry. Rapid evaporation of the liquid solution can be carried out immediately or subsequently in vacuum to obtain the required water content required for the subsequent granulation process, while the vapor is absorbed by the acid until, for example, condensation.
Промывающий раствор из парового скруббера и промывающий раствор из секции гранулирования рециркулируют во входное отверстие реакционной секции или используются в других целях за пределами установки (batteries limit, BL) (т.е. вне рассматриваемого процесса).The washing solution from the steam scrubber and the washing solution from the granulation section are recycled to the inlet of the reaction section or used for other purposes outside the installation (batteries limit, BL) (i.e. outside the process in question).
В трубчатом реакторе должны присутствовать четыре компонента: серная кислота (свободная или предварительно нейтрализованная в виде бисульфата аммония), аммиак (свободный или связанный в виде карбамата), мочевина и вода (BL и/или промывающий раствор, в дополнение к воде, содержащейся в исходных веществах, кислоте, аммиаке, мочевине).Four components must be present in the tubular reactor: sulfuric acid (free or pre-neutralized as ammonium bisulfate), ammonia (free or bound as carbamate), urea and water (BL and / or washing solution, in addition to the water contained in the feed substances, acid, ammonia, urea).
Серная кислота реагирует с аммиаком и образует СА в растворе мочевины, при этом теплота, выделившаяся при синтезе, испаряет воду с получением пара.Sulfuric acid reacts with ammonia and forms CA in a urea solution, while the heat released during the synthesis evaporates water to produce steam.
Некоторая доля мочевины разлагается вследствие нагрева и присутствия кислоты и либо полимеризируется в карбамилмочевину и другие вещества, либо гидролизируется в углекислый газ и аммиак. Такой аммиак нейтрализуется серной кислотой и, как следствие, учитывается в массовом балансе для получения правильного итогового соотношения N-NН3 к N-мочевине в конечном продукте.A certain proportion of urea decomposes due to heating and the presence of acid and is either polymerized to carbamylurea and other substances, or hydrolyzed to carbon dioxide and ammonia. Such ammonia is neutralized by sulfuric acid and, as a result, is taken into account in the mass balance to obtain the correct final ratio of N-NH 3 to N-urea in the final product.
Вода добавляется в реактор для уравновешивания баланса теплоты и воды в зависимости от количества синтезируемого СА, концентрации раствора мочевины, подаваемого в трубчатый реактор, желаемого конечного содержания воды и количества промывающего раствора, подлежащего рециркуляции.Water is added to the reactor to balance the balance of heat and water depending on the amount of synthesized CA, the concentration of the urea solution supplied to the tubular reactor, the desired final water content and the amount of washing solution to be recycled.
Продукт из трубчатого реактора направляется в резервуар сепаратора для отделения технологического пара от раствора МСА.The product from the tubular reactor is sent to the separator tank to separate the process steam from the MCA solution.
Для ограничения высокой температуры, стимулирующей нежелательное разложение мочевины, а также для достижения требуемого содержания воды в растворе, который, например, распыляется в гранулятор с псевдоожиженным слоем (обычно ~2-5% воды), раствор МСА предпочтительно быстро испаряют в вакууме.To limit the high temperature that stimulates the undesired decomposition of urea, as well as to achieve the required water content in the solution, which, for example, is sprayed into a granulator with a fluidized bed (usually ~ 2-5% water), the MCA solution is preferably quickly evaporated in vacuum.
Такое испарение может осуществляться непосредственно в сепараторе трубчатого реактора или во второй емкости, так называемом испарительном резервуаре. Использование такого испарительного резервуара позволяет избежать усложнения вакуумной системы (необходимого для извлечения конденсата и неконденсируемых компонентов), но требует дублирования скруббера технологического пара и системы конденсации в случае, если пар от сепаратора должен конденсироваться. Поэтому такую конфигурацию сепаратора в сочетании с испарительным резервуаром следует изучать в каждом случае; тем не менее, ее крайне желательно применять при использовании установки высокой производительности и потреблении отходящего газообразного аммиака установкой по производству мочевины при наличии большого количества неконденсируемых компонентов (таких как СО2, выделяемый при разложении карбамата).Such evaporation can be carried out directly in the separator of the tubular reactor or in a second tank, the so-called evaporation tank. The use of such an evaporation tank avoids the complication of the vacuum system (necessary for the extraction of condensate and non-condensable components), but requires duplication of the scrubber of the process steam and the condensation system in case the steam from the separator must condense. Therefore, such a configuration of the separator in combination with an evaporation tank should be studied in each case; nevertheless, it is highly advisable to use it when using a high-capacity plant and consuming the outgoing gaseous ammonia by a urea plant in the presence of a large amount of non-condensable components (such as СО 2 released during the decomposition of carbamate).
Пар, образовавшийся в реакторе и отделенный в сепараторе, содержит главным образом собственно пар, но также включает некоторое количество непрореагировавшего аммиака, углекислого газа, воздух и капли раствора МСА.The steam generated in the reactor and separated in the separator contains mainly steam itself, but also includes some unreacted ammonia, carbon dioxide, air and droplets of the MCA solution.
В зависимости от качества вводимых компонентов могут присутствовать незначительные доли различных неконденсируемых компонентов (NOx, SOx…), не образующиеся в реакторе в существенных количествах.Depending on the quality of the introduced components, minor proportions of various non-condensable components (NOx, SOx ...) may be present, which are not formed in the reactor in significant quantities.
Скруббер представляет собой влажный скруббер. Капли раствора захватываются промывающим раствором. Скруббер частично подкисляется серной кислотой для параллельного захвата аммиака.The scrubber is a wet scrubber. Drops of solution are captured by the wash solution. The scrubber is partially acidified with sulfuric acid to capture ammonia in parallel.
Конструкция скруббера предпочтительно предусматривает проведение двух отдельных стадий обработки: на первой стадии происходит захват капель мочевины достаточно нейтральным промывающим раствором, на второй стадии происходит захват аммиака кислотой. Такая реализация позволяет избежать повышенного разложения мочевины за счет сильного подкисления мочевины, содержащей промывающий раствор.The design of the scrubber preferably provides for two separate processing steps: in the first stage, the urea drops are captured by a sufficiently neutral washing solution, and in the second stage, ammonia is captured by acid. Such an implementation avoids increased decomposition of urea due to the strong acidification of urea containing a washing solution.
Если скруббер имеет указанную двухступенчатую конструкцию, промывающий раствор для второй стадии предпочтительно систематически рециркулируют на линию серной кислоты, питающую реактор, поскольку мочевина в этом растворе почти отсутствует. Мочевина, содержащая промывающий раствор после первой стадии, предпочтительно не рециркулируется непосредственно в серную кислоту во избежание повышенной степени разложения мочевины. Этот раствор можно смешивать с промывающим раствором из секции гранулирования и вводить в раствор мочевины, подаваемый в трубчатый реактор. В альтернативном варианте его можно рециркулировать в секцию концентрации мочевины, выводить из системы или использовать в качестве добавочной воды в скруббере секции гранулирования.If the scrubber has the indicated two-stage structure, the washing solution for the second stage is preferably systematically recycled to the sulfuric acid line feeding the reactor, since there is almost no urea in this solution. Urea containing a washing solution after the first stage is preferably not recycled directly to sulfuric acid in order to avoid an increased degree of decomposition of urea. This solution can be mixed with the washing solution from the granulation section and introduced into the urea solution supplied to the tubular reactor. Alternatively, it can be recycled to the urea concentration section, withdrawn from the system, or used as additional water in the scrubber of the granulation section.
ОПИСАНИЕ ТРУБЧАТОГО РЕАКТОРАTUBULAR REACTOR DESCRIPTION
Трубчатый реактор характеризуется сильной и короткой турбулентностью для смешивания реагентов, позволяющей немедленно вводить их в контакт и осуществить реакцию. Время пребывания реагентов в таком оборудовании, как правило, не должно составлять более 0,2 с.The tubular reactor is characterized by strong and short turbulence for mixing the reactants, allowing them to be immediately brought into contact and the reaction can be carried out. The residence time of reagents in such equipment, as a rule, should not be more than 0.2 s.
Конструкция должна обеспечивать избирательное взаимодействие реагентов без разложения мочевины, а также исключать возможность разрушения материала трубчатого реактора кислотой или любым другим реагентом. Поэтому кислота вводится в реактор по оси реактора, начальная турбулентность повышается для немедленного начала реакции.The design should provide selective interaction of the reagents without decomposition of urea, and also exclude the possibility of destruction of the tubular reactor material by acid or any other reagent. Therefore, the acid is introduced into the reactor along the axis of the reactor, the initial turbulence increases to immediately begin the reaction.
Быстрая реакция позволяет минимизировать риск контакта свободных мелких капель кислоты со стенкой трубчатого реактора, приводящего к коррозии стали или появлению горячих точек, способных повредить, например, тефлоновое покрытие.A quick reaction minimizes the risk of free small droplets of acid coming into contact with the wall of the tubular reactor, leading to steel corrosion or the appearance of hot spots that can damage, for example, the Teflon coating.
Для повышения начальной турбулентности аммиак предпочтительно вводится в газообразном виде. Его скорость является высокой, ее направление является тангенциальным для распыления кислоты с целью улучшения ее распыления и повышения начальной турбулентности.To increase the initial turbulence, ammonia is preferably introduced in gaseous form. Its speed is high, its direction is tangential to the dispersion of acid in order to improve its atomization and increase initial turbulence.
Для ограничения потерь мочевины необходимо по возможности смягчать кислоту за счет обеспечения более полного контакта между кислотой и аммиаком без контакта с мочевиной, если возможно, предварительно нейтрализовать кислоту превращением ее в бисульфат аммония, который намного менее агрессивен для мочевины, и сохранять возможно более низкую температуру, т.е. обеспечивать малое падение давления настолько, насколько это возможно, при поддержании высокой степени турбулентности.To limit the loss of urea, it is necessary to soften the acid if possible by providing more complete contact between the acid and ammonia without contact with urea, if possible, first neutralize the acid by converting it to ammonium bisulfate, which is much less aggressive for urea, and to keep the temperature as low as possible. those. provide as low a pressure drop as possible while maintaining a high degree of turbulence.
Для того чтобы быть эффективным, трубчатый реактор оптимальной конструкции требует высокой турбулентности и, следовательно, снижения давления. Если реактор загружен не полностью (т.е. в нем имеет место низкий поток на каждом участке реактора), его эффективность быстро падает. В случае МСА это означает более высокие потери мочевины и аммиака, которые попадают в скруббер.In order to be efficient, a tube reactor of an optimal design requires high turbulence and, consequently, pressure reduction. If the reactor is not fully loaded (i.e., there is a low flow in each section of the reactor), its efficiency decreases rapidly. In the case of MSA, this means higher losses of urea and ammonia, which fall into the scrubber.
Напротив, если емкость нормально загруженного (см. выше) реактора несколько повысить, то его эффективность возрастет и снижение давления также увеличится. Однако это вызывает рост температуры в реакторе, что может приводить к разрушению материала реактора, а также некоторых компонентов, например мочевины, в случае получения МСА in situ.On the contrary, if the capacity of a normally loaded reactor (see above) is slightly increased, then its efficiency will increase and the pressure decrease will also increase. However, this causes an increase in the temperature in the reactor, which can lead to destruction of the material of the reactor, as well as some components, for example, urea, in the case of in situ preparation of MCA
Таким образом, трубчатый реактор имеет идеальную конструкцию для заданного диапазона загрузки, предпочтительно от 80% до 110%.Thus, the tubular reactor has an ideal design for a given loading range, preferably from 80% to 110%.
Трубчатый реактор для производства МСА включает в себя несколько компонентов, зависящих от используемого способа и сырья. Далее он описан со ссылками на фиг.1.The tubular reactor for the production of MSA includes several components that depend on the method and raw materials used. It is further described with reference to FIG. 1.
На фиг.1 изображен трубчатый реактор, включающий в себя предварительный смеситель, предварительный реактор, головную часть реактора и корпус реактора. Головная часть и корпус реактора присутствуют во всех разновидностях реактора, в то время как использование предварительного смесителя и предварительного реактора зависит от условий способа.1 shows a tubular reactor including a pre-mixer, a preliminary reactor, a reactor head and a reactor vessel. The head and body of the reactor are present in all varieties of the reactor, while the use of a pre-mixer and pre-reactor depends on the conditions of the process.
Головная часть 1 реактора имеет реакционную камеру. Она представляет собой зону между концом конуса 3А введения кислоты и концом конуса 2А введения аммиака, в которой аммиак и кислота приходят в контакт и реагируют. Головная часть имеет трубчатую форму, на ее выходном конце имеется сужение 1А. Она включает в себя аксиальный инжектор 3, 3А кислоты. Аммиак вводят тангенциально через входное отверстие 8 в инжектор 2 аммиака, образующий первую кольцевую камеру, окружающую инжектор кислоты. На выходном конце инжектора аммиака имеется конус 2А. Мочевина подается через входное отверстие 7 во вторую кольцевую камеру, окружающую инжектор аммиака. Корпус 14 реактора является прямым по всей длине и оканчивается сужением 1А.The
В некоторых случаях, как описано далее, перед введением мочевины кислота может быть частично нейтрализована некоторым количеством аммиака в отдельном реакторе, называемом предварительным реактором. Предварительный реактор расположен выше по потоку перед головной частью 1 реактора и имеет входное отверстие 9 для введения аммиака в кольцевую камеру, окружающую устройство аксиального введения кислоты, где инжектор 4 кислоты имеет конический конец 4А.In some cases, as described below, before the introduction of urea, the acid can be partially neutralized with some ammonia in a separate reactor called a pre-reactor. The preliminary reactor is located upstream in front of the
Предварительный смеситель 12 расположен выше по потоку перед предварительным реактором и может использоваться на линии серной кислоты для разбавления кислоты 5 водой 13 или промывающим раствором 11.The pre-mixer 12 is located upstream in front of the pre-reactor and can be used on the sulfuric acid line to dilute the
На фиг.1 также показана двухстадийная очистка, где на первой стадии S1 происходит захват мочевины, на второй стадии S2 происходит захват аммиака кислотой 6.Figure 1 also shows a two-stage purification, where urea is captured in the first stage S1, ammonia is captured by acid 6 in the second stage S2.
Оптимизация конструкции трубчатого реактора МСАDesign optimization of the ISA tubular reactor
Конструкция трубчатого реактора МСА может быть оптимизирована в соответствии с балансом аммиака с учетом водного баланса установки и оптимизацией баланса энергии.The design of the tubular reactor MSA can be optimized in accordance with the balance of ammonia, taking into account the water balance of the installation and the optimization of the energy balance.
Баланс аммиакаAmmonia balance
При выборе конструкции трубчатого реактора необходимо рассмотреть следующие два случая.When choosing the design of a tubular reactor, it is necessary to consider the following two cases.
СЛУЧАЙ А: аммиак должен частично или полностью подаваться в процессе в дополнение к раствору мочевины для получения необходимого класса МСА.CASE A: Ammonia must be partially or completely supplied in the process in addition to the urea solution to obtain the required class of MCA.
СЛУЧАЙ В: раствор мочевины содержит аммиак в виде карбамата или свободного аммиака в количестве для получения необходимого класса МСА.CASE B: the urea solution contains ammonia in the form of carbamate or free ammonia in an amount to obtain the required class of MCA.
Водный балансWater balance
Водный баланс в основном является функцией следующих параметров:Water balance is mainly a function of the following parameters:
- содержание воды в растворе мочевины, подаваемом в трубчатый реактор;- the water content in the urea solution supplied to the tubular reactor;
- теплота реакции;- heat of reaction;
- соотношение между СА, синтезируемым в реакторе, и СА, синтезируемым в паровом скруббере (см. далее);- the ratio between SA synthesized in the reactor and CA synthesized in a steam scrubber (see below);
- вакуум, создаваемый в испарительном резервуаре;- vacuum created in the evaporation tank;
- рециркуляция промывающих растворов.- recirculation of washing solutions.
Баланс энергииEnergy balance
Энергия, выделяемая в трубчатом реакторе при синтезе, позволяет испарять большее количество воды и, следовательно, подавать в трубчатый реактор менее концентрированный раствор мочевины, что более благоприятно с точки зрения энергии.The energy released in the tubular reactor during the synthesis allows you to evaporate more water and, therefore, to supply a less concentrated urea solution to the tubular reactor, which is more favorable from an energy point of view.
Напротив, энергия, выделяемая при реакции в паровом скруббере, не вносит вклад в концентрацию раствора МСА, но требует введения дополнительной воды в скруббер.On the contrary, the energy released during the reaction in the steam scrubber does not contribute to the concentration of the MCA solution, but requires the introduction of additional water into the scrubber.
Чем больше СА синтезируется в реакторе (а не в скруббере), тем лучше баланс энергии и водный баланс.The more SA is synthesized in the reactor (and not in the scrubber), the better the energy balance and water balance.
СЛУЧАЙ А - аммиак подается отдельно от мочевины, полностью или частичноCASE A - ammonia is supplied separately from urea, in whole or in part
Если аммиак подается частично или полностью отдельно, то можно обеспечить более полный контакт кислоты с аммиаком перед их введением в контакт с мочевиной.If ammonia is supplied partially or completely separately, it is possible to provide a more complete contact of the acid with ammonia before they are brought into contact with urea.
Как правило, молярный избыток аммиака относительно серной кислоты в трубчатом реакторе составляет 2%, главным образом для компенсации изменений потоков вследствие флуктуаций в клапанах управления.Typically, the molar excess of ammonia relative to sulfuric acid in the tubular reactor is 2%, mainly to compensate for flow changes due to fluctuations in the control valves.
Подача в реактор газообразного аммиака более предпочтительна по сравнению с жидким аммиаком. Объемный поток в этом случае намного выше, следовательно, выше начальная турбулентность и интенсивнее начало реакции.Feeding gaseous ammonia to the reactor is more preferable than liquid ammonia. The volume flow in this case is much higher, therefore, the initial turbulence is higher and the onset of the reaction is more intense.
Таким образом, если аммиак на установке присутствует в жидком виде, он предпочтительно испаряется в теплообменнике, используемом, например, для кондиционирования воздуха в установке, обычно в зоне охлаждения конечного продукта. Аммиак в этом случае может предварительно подогреваться, например, за счет технологического пара, образующегося в трубчатом реакторе.Thus, if ammonia in the plant is present in liquid form, it is preferably vaporized in a heat exchanger used, for example, to condition the air in the plant, usually in the cooling zone of the final product. Ammonia in this case can be preheated, for example, due to process steam generated in the tubular reactor.
Аммиак может также подаваться в составе смеси газов, обычно смеси аммиака, углекислого газа и водного пара, получаемой в результате отгонки карбамата на стадии обработки мочевины выше по потоку или в виде отходящих аммиачных газов. В этом случае водный пар и углекислый газ работают как инертные соединения. Они повышают турбулентность в реакторе и, следовательно, в некоторой степени его эффективность.Ammonia can also be supplied as a mixture of gases, usually a mixture of ammonia, carbon dioxide and water vapor, resulting from the distillation of carbamate in the urea treatment step upstream or in the form of exhaust ammonia gases. In this case, water vapor and carbon dioxide work as inert compounds. They increase turbulence in the reactor and, therefore, to some extent its efficiency.
Случай А можно разделить на два случая, подробно описанные далее:Case A can be divided into two cases, described in detail below:
- либо вода, поступающая с раствором мочевины и с концентрированными промывающими растворами, содержащими мочевину, способна поглощать большую часть теплоты, выделяемой при синтезе in situ (случай А1);- either the water supplied with the urea solution and with concentrated washing solutions containing urea is able to absorb most of the heat released during in situ synthesis (case A1);
- либо этой воды недостаточно (случай А2), и требуется подача дополнительной воды.- either this water is not enough (case A2), and additional water is required.
Случай А2 может возникать, в частности, при высокой доле сульфата аммония по отношению к мочевине; в такой ситуации предпочтительно добавляют предварительный реагент - бисульфат, что неприемлемо в случае А1.Case A2 may occur, in particular, with a high proportion of ammonium sulfate with respect to urea; in such a situation, a preliminary reagent, bisulfate, is preferably added, which is unacceptable in the case of A1.
СЛУЧАЙ В - аммиак подается в растворе мочевины в виде карбамата и аммиакаCASE B - ammonia is supplied in a urea solution in the form of carbamate and ammonia
Исходный аммиак полностью смешивают с раствором мочевины, серная кислота может входить в контакт как с мочевиной, так и с исходным аммиаком для реакции. При этом высок риск разложения мочевины. Для предотвращения разложения мочевины благоприятна щелочная среда, режимы процесса устанавливаются соответственно: избыточная молярная доля аммиака выше, чем в случае АThe starting ammonia is completely mixed with the urea solution; sulfuric acid can come into contact with both urea and the starting ammonia for the reaction. At the same time, the risk of decomposition of urea is high. To prevent the decomposition of urea, an alkaline environment is favorable, the process conditions are set accordingly: the excess molar fraction of ammonia is higher than in case A
(обычно 5-20%).(usually 5-20%).
Указанная щелочность в сочетании с конструкцией самого реактора сокращает потери мочевины. В этом случае промывающий раствор парового скруббера (из второй стадии, если мочевина и аммиак очищаются отдельно) предпочтительно рециркулируется в серную кислоту на линии, оборудованной, например, статическим смесителем, повышающим гомогенность смеси и позволяющим предотвратить появление точек нагрева. Такой способ позволяет вводить в трубчатый реактор МСА более мягкую кислоту, так как, с одной стороны, она разбавляется некоторым количеством воды и, с другой стороны, сульфат аммония из промывающего раствора превращается в бисульфат аммония, менее агрессивный для мочевины, чем сама серная кислота.Said alkalinity in combination with the design of the reactor itself reduces urea loss. In this case, the washing solution of the steam scrubber (from the second stage, if the urea and ammonia are cleaned separately) is preferably recycled to sulfuric acid on a line equipped, for example, with a static mixer, which increases the homogeneity of the mixture and prevents the appearance of heating points. This method allows the introduction of softer acid into the MCA tubular reactor, since, on the one hand, it is diluted with a certain amount of water and, on the other hand, ammonium sulfate from the washing solution is converted to ammonium bisulfate, which is less aggressive for urea than sulfuric acid itself.
В этом случае, однако, необходимо подавать дополнительное количество кислоты в паровой скруббер, который при этом функционирует как второй реактор.In this case, however, it is necessary to supply an additional amount of acid to the steam scrubber, which then functions as a second reactor.
ОПИСАНИЕ РЕАКТОРОВDESCRIPTION OF REACTORS
Головная часть и корпус реактора во всех случаях одинаковы, тогда как первая часть реактора отличается.The head part and the reactor vessel are the same in all cases, while the first part of the reactor is different.
Корпус реактораReactor vessel
Конструкция корпуса в случаях А и В одинакова. Корпус представляет собой прямой отрезок трубы с определенным диаметром и длиной. Длина трубчатого реактора проектируется с учетом того, что реагенты должны иметь достаточно времени для контакта и реакции; диаметр реактора определяется определенной степенью турбулентности, повышающей степень смешивания и эффективность.The case design in cases A and B is the same. The body is a straight pipe segment with a certain diameter and length. The length of the tubular reactor is designed taking into account the fact that the reactants must have sufficient time for contact and reaction; the diameter of the reactor is determined by a certain degree of turbulence, increasing the degree of mixing and efficiency.
В случае МСА поток теплоты (с учетом теплоты, выделяемой при химической реакции) должен быть больше 5000 ккал/ч/см2 и меньше 150000 ккал/ч/см2, предпочтительно от 25000 до 90000 ккал/ч/см2, а время пребывания - менее 1 с, предпочтительно менее 0,2 с.In the case of MSA, the heat flux (taking into account the heat released during the chemical reaction) should be more than 5000 kcal / h / cm 2 and less than 150,000 kcal / h / cm 2 , preferably from 25,000 to 90,000 kcal / h / cm 2 , and the residence time - less than 1 s, preferably less than 0.2 s.
Если поток теплоты слишком низок, то имеет место недостаточный контакт между реагентами, происходят потери аммиака, который нейтрализуется в паровом скруббере, а кислота, остающаяся в растворе мочевины, разлагает некоторое количество мочевины.If the heat flux is too low, there is insufficient contact between the reagents, ammonia is lost, which is neutralized in the steam scrubber, and the acid remaining in the urea solution decomposes a certain amount of urea.
Если время пребывания слишком велико, возможны два случая в зависимости от загрузки реактора:If the residence time is too long, two cases are possible depending on the loading of the reactor:
- если время пребывания слишком велико, так как реактор недостаточно загружен, мочевина разлагается из-за недостаточной турбулентности, как описано выше;- if the residence time is too long, since the reactor is not sufficiently loaded, the urea decomposes due to insufficient turbulence, as described above;
- если реактор достаточно загружен, но имеет чрезмерную длину, дополнительное время пребывания имеет отрицательный эффект, поскольку вызывает излишнее снижение давления и, как следствие, более высокую температуру в первой части реактора, что приводит к потерям мочевины.- if the reactor is sufficiently loaded, but has an excessive length, the additional residence time has a negative effect, since it causes an excessive pressure drop and, as a consequence, a higher temperature in the first part of the reactor, which leads to loss of urea.
Для сохранения температуры в реакторе на приемлемом уровне при поддержании достаточного снижения давления для эффективного смешивания снижение давления должно составлять более 0,5 бар, предпочтительно более 1 бар, а обратное давление на реактор, например давление аммиака после клапана управления прямо перед вводом в реактор, предпочтительно должно составлять менее 10 бар, предпочтительно менее 5 бар.To maintain the temperature in the reactor at an acceptable level while maintaining a sufficient pressure drop for efficient mixing, the pressure drop should be more than 0.5 bar, preferably more than 1 bar, and the back pressure on the reactor, for example, the ammonia pressure after the control valve immediately before entering the reactor, preferably should be less than 10 bar, preferably less than 5 bar.
Головная часть реактора МСАMSA reactor head
Конструкция головной части реактора МСА должна отвечать следующим задачам.The design of the head of the ISA reactor should meet the following tasks.
Мочевина чувствительна к разложению, но содержит большую часть воды, которая позволяет управлять температурой. В некоторых случаях мочевина также содержит основание, которое в дальнейшем нейтрализуется, например мочевино-карбаматный раствор.Urea is sensitive to decomposition, but contains most of the water, which allows you to control the temperature. In some cases, urea also contains a base, which is subsequently neutralized, for example, a urea-carbamate solution.
Следовательно, конструкция головной части должна обеспечивать наиболее полный контакт между реагентами, а не между мочевиной и непрореагировавшей кислотой, кроме того, в любом случае желательно смягчать кислоту перед ее контактом с мочевиной. Кроме того, необходимо предотвратить контакт мелких капель кислоты со стенкой реактора.Therefore, the design of the head should provide the most complete contact between the reagents, and not between urea and unreacted acid, in addition, in any case, it is desirable to soften the acid before it comes in contact with urea. In addition, it is necessary to prevent contact of small drops of acid with the wall of the reactor.
Таким образом, с учетом вышеперечисленных условий головная часть трубчатого реактора МСА должна иметь конструкцию, обеспечивающую немедленный контакт и турбулентность для получения гомогенной и нейтрализованной смеси. Любая оставшаяся не нейтрализованной кислота в виде струи или любой капли свободной кислоты отрицательно влияет на эффективность трубчатого реактора и разложение мочевины. Начальная турбулентность связана со способом введения реагентов и повышается за счет теплоты реакции, вызывающей испарение воды и, следовательно, дополнительное перемешивание и турбулентность.Thus, taking into account the above conditions, the head of the ISA tubular reactor should be designed to provide immediate contact and turbulence to obtain a homogeneous and neutralized mixture. Any remaining un-neutralized acid in the form of a jet or any drop of free acid adversely affects the efficiency of the tubular reactor and the decomposition of urea. Initial turbulence is associated with the method of introducing reagents and increases due to the heat of reaction, causing the evaporation of water and, therefore, additional mixing and turbulence.
В случаях А и В применяется сходный принцип конструкции головной части реактора: в центр вводится кислота (непосредственно из предварительного смесителя или через предварительный реактор), вокруг нее в первом кольце может находиться источник аммиака (если он требуется), в качестве внешнего кольцевого потока используют поток, содержащий мочевину.In cases A and B, a similar design principle of the head of the reactor is applied: acid is introduced into the center (directly from the pre-mixer or through the pre-reactor), around it in the first ring there can be an ammonia source (if required), and an external ring flow is used containing urea.
Кислота вводится аксиально относительно корпуса реактора. Введение осуществляется центрально посредством инжектора 4/4А, на конце которого предпочтительно имеется форсунка 4А в случае предварительного реактора, или непосредственно через инжектор 3/3А, на конце которого предпочтительно имеется форсунка 3А. Как правило, форсунка представляет собой простой конус, распыляющий поток и за счет этого увеличивающий область контакта между реагентами и, как следствие, скорость реакции.Acid is introduced axially relative to the reactor vessel. The introduction is carried out centrally by means of an injector 4 / 4A, at the end of which there is preferably an injector 4A in the case of a preliminary reactor, or directly through an injector 3 / 3A, at the end of which there is preferably an injector 3A. As a rule, the nozzle is a simple cone spraying the flow and thereby increasing the contact area between the reactants and, as a consequence, the reaction rate.
В качестве кислоты может использоваться серная кислота, растворенная серная кислота или предварительно нейтрализованная серная кислота, т.е. смесь серной кислоты, бисульфата аммония и т.д. Обычно она находится в жидком состоянии, но может содержать некоторые пары, например, при использовании предварительного реактора (см. далее).Sulfuric acid, dissolved sulfuric acid or pre-neutralized sulfuric acid, i.e. a mixture of sulfuric acid, ammonium bisulfate, etc. Usually it is in a liquid state, but may contain some vapors, for example, when using a preliminary reactor (see below).
Кроме того, кислота перед вводом в головную часть реактора МСА должна быть смягчена в максимально возможной степени. Наилучший способ смягчить кислоту перед контактом с мочевиной состоит в ее полной нейтрализации в сульфат аммония. Однако полная аммонизация серной кислоты перед контактом с мочевиной невозможна.In addition, the acid should be softened as much as possible before entering the head of the MCA reactor. The best way to soften the acid before contact with urea is to completely neutralize it with ammonium sulfate. However, complete ammonization of sulfuric acid before contact with urea is not possible.
Причины этого следующие:The reasons for this are as follows:
- во-первых, раствор сульфата аммония должен содержать большое количество воды для поддержания жидкого состояния, поэтому синтез сульфата аммония с последующим смешиванием с мочевиной не позволяет достичь водного баланса, необходимого для сохранения требуемого содержания воды на выходе из реактора;- firstly, the solution of ammonium sulfate should contain a large amount of water to maintain a liquid state, therefore, the synthesis of ammonium sulfate with subsequent mixing with urea does not allow achieving the water balance necessary to maintain the required water content at the outlet of the reactor;
- во-вторых, синтез сульфата аммония является сильно экзотермическим. Вода, поглощающая такую теплоту реакции, позволяющую поддерживать температуру в приемлемом диапазоне, содержится главным образом в растворе мочевины. Поэтому синтез и смешивание должны выполняться почти одновременно, сульфат аммония (СА) не может быть полностью синтезирован, когда поток реагентов поступает в мочевину;- secondly, the synthesis of ammonium sulfate is highly exothermic. Water that absorbs such heat of reaction, which allows maintaining the temperature in an acceptable range, is contained mainly in the urea solution. Therefore, synthesis and mixing should be performed almost simultaneously; ammonium sulfate (CA) cannot be fully synthesized when the stream of reagents enters the urea;
- в-третьих, аммиак, который подлежит нейтрализации (свободный аммиак и/или карбамат), в некоторых случаях уже содержится в потоке мочевины; это означает, что сульфат аммония должен синтезироваться непосредственно в потоке мочевины и не может синтезироваться до контакта с мочевиной.- thirdly, the ammonia to be neutralized (free ammonia and / or carbamate), in some cases, is already contained in the urea stream; this means that ammonium sulfate must be synthesized directly in the urea stream and cannot be synthesized before contact with urea.
Конструкция и принцип действия реактора для случая А1Design and principle of operation of the reactor for case A1
В этом случае в первое кольцо вокруг центрального инжектора кислоты [зона между 2 и 3] подается поток 8 аммиака, например газообразный аммиак или раствор карбамата.In this case, an ammonia stream 8, for example gaseous ammonia or a carbamate solution, is fed into the first ring around the central acid injector [zone between 2 and 3].
Благодаря конструкции инжектора 2/2А аммиака кислота распыляется в область реакционной камеры, свободную от мочевины [между 3А и 2А]. Конструкция этой камеры формирует в реакторе двойную коническую структуру: первый конус 3А (или форсунка) для кислоты, второй конус 2 для аммиака, а также сужение 1А для мочевины.Due to the design of the
В этой реакционной камере выделяется большое количество теплоты. С учетом этого камера должна быть достаточно открытой, что позволяло бы реагирующим каплям выводиться из камеры в поток мочевины, поглощающий теплоту. На этом пути перед контактом с мочевиной кислота проходит через аммиачную завесу.A large amount of heat is generated in this reaction chamber. With this in mind, the chamber should be sufficiently open to allow reacting droplets to be removed from the chamber into the urea stream, which absorbs heat. On this path, before contact with urea, the acid passes through an ammonia curtain.
В области контакта с мочевиной имеет место особенно высокая турбулентность [зона между 1А и 2А], обеспечивающая рассеивание теплоты и гомогенное смешивание продуктов; таким образом, реакционная смесь предпочтительно распыляется из реакционной камеры в сужении 1А в корпус реактора 14, где сходятся различные жидкости, дополнительно повышая турбулентность.In the area of contact with urea, there is a particularly high turbulence [zone between 1A and 2A], providing heat dissipation and homogeneous mixing of products; thus, the reaction mixture is preferably sprayed from the reaction chamber in the constriction 1A into the
Угол схождения 1А равен обычному углу, определяемому гидродинамикой, предпочтительно угол раскрытия составляет от 30 до 90°, что позволяет избежать локального обратного смешивания и при этом повысить эффективность циркуляции в корпусе реактора.The convergence angle 1A is equal to the usual angle determined by hydrodynamics, preferably the opening angle is from 30 to 90 °, which avoids local back-mixing and at the same time improves circulation efficiency in the reactor vessel.
Диаметр выхода конуса 2А предпочтительно меньше диаметра корпуса реактора 1А или равен ему, что позволяет избежать появления нагретых областей на стенке реактора, в особенности в области сужения. С другой стороны, конус 2А также может быть полностью открыт, т.е. заменен на прямую часть инжектора 2.The exit diameter of the cone 2A is preferably less than or equal to the diameter of the reactor vessel 1A, which avoids the appearance of heated areas on the wall of the reactor, especially in the area of narrowing. On the other hand, the cone 2A can also be fully open, i.e. replaced by the direct part of the
Конструкция реакционной камеры 2А/3А может быть однозначно обусловлена конструкцией воздушных пневматических форсунок.The design of the reaction chamber 2A / 3A can be unambiguously determined by the design of the air pneumatic nozzles.
Непрореагировавшая кислота на этой стадии реагирует вдоль корпуса реактора 14, главным образом с аммиаком, а также с некоторой частью мочевины, которая разлагается.Unreacted acid at this stage reacts along the
Орошаемые растворы рециркулируются во всех удобных случаях. Если они содержат мочевину, то предпочтительно направлять их в поток мочевины. Если они не содержат мочевину или содержат небольшое ее количество (например, если имеется вторая стадия очистки технологического пара [S2]), то предпочтительно их рециркулировать в серную кислоту на линии.Irrigated solutions are recycled at all convenient times. If they contain urea, it is preferable to direct them into the urea stream. If they do not contain urea or contain a small amount of it (for example, if there is a second stage of technological steam purification [S2]), then it is preferable to recycle them into sulfuric acid in line.
Случай А2Case A2
В случае если при синтезе сульфата аммония выделяется больше теплоты, чем мочевина может поглотить в данный момент за счет содержания воды, то в дополнение к этой воде в раствор мочевины необходимо добавить некоторое количество дополнительной воды и возникает целесообразность в применении предварительного реактора.If, during the synthesis of ammonium sulfate, more heat is released than urea can be absorbed at the moment due to the water content, then in addition to this water, a certain amount of additional water must be added to the urea solution and it makes sense to use a preliminary reactor.
Например, такой случай имеет место при синтезе смеси, содержащей 50% СА и 50% мочевины при использовании 70%-ного раствора мочевины в качестве исходного материала.For example, such a case occurs during the synthesis of a mixture containing 50% CA and 50% urea when using a 70% urea solution as a starting material.
Такой предварительный реактор может представлять собой нейтрализатор резервуарного типа или трубчатый реактор.Such a preliminary reactor may be a tank type neutralizer or a tubular reactor.
Если реакция проходит в отдельной емкости, сконструированной в качестве нейтрализатора, то предпочтительным может быть поддержание в ней определенного давления, которое в сочетании с гравитацией позволяет подавать вещества в реактор без использования насоса для перекачки вещества, являющегося достаточно коррозийным. Такая система с отдельным предварительным нейтрализатором имеет преимущество, состоящее в получении, при необходимости, небольшого количества пара под давлением, но требует более высоких инвестиций по сравнению с вариантом с трубчатым реактором.If the reaction takes place in a separate container designed as a neutralizer, it may be preferable to maintain a certain pressure in it, which, in combination with gravity, allows the substance to be fed into the reactor without using a pump to pump a substance that is sufficiently corrosive. Such a system with a separate pre-catalyst has the advantage of obtaining, if necessary, a small amount of steam under pressure, but requires a higher investment compared to the version with a tubular reactor.
Как описано далее, предварительный реактор может быть более простым, быть встроенным в тот же трубчатый реактор, который является реактором МСА, и представлять собой дополнительное удлинение трубчатого реактора МСА перед зоной 1А/2А введения мочевины.As described below, the pre-reactor may be simpler, be integrated into the same tubular reactor, which is the MCA reactor, and be an additional extension of the MCA tubular reactor in front of the urea injection zone 1A / 2A.
Указанная реакция проходит особенно быстро, и продолжением предварительного реактора является своего рода реактивная форсунка в зоне 3А/4А.This reaction proceeds particularly quickly, and the continuation of the preliminary reactor is a kind of jet nozzle in zone 3A / 4A.
Вода 13 вначале добавляется в аммиак через входное отверстие 9 или в кислоту 5. В случае добавления в кислоту, например, труба с покрытием ПТФЭ (политетрафторэтилен) предпочтительно снабжается статическим смесителем 12 для предотвращения появления любых точек нагрева, способных повредить тефлон. Смесь подается в форсунку для распыления в аксиальном или, предпочтительно, тангенциальном потоке аммиака из входного отверстия 9 прямо в инжектор 3/3А кислоты.
Такая конфигурация предварительного реактора позволяет повысить общую экономическую эффективность всего мочевинного комплекса. Вода образуется в установке мочевины в соответствии со следующей стехиометрией:This configuration of the preliminary reactor allows to increase the overall economic efficiency of the entire urea complex. Water is formed in the urea plant in accordance with the following stoichiometry:
Поэтому вода имеется непосредственно в установке, и дополнительная вода для реактора может подаваться из установки мочевины в виде слабого раствора карбамата или N-содержащих стоков, которые требуют дорогостоящей обработки перед выпуском в окружающую среду, например термического гидролиза.Therefore, water is available directly in the installation, and additional water for the reactor can be supplied from the urea plant in the form of a weak solution of carbamate or N-containing effluents, which require expensive treatment before release into the environment, for example, thermal hydrolysis.
Случай ВCase B
Этот случай обычно является случаем мочевино-карбаматного раствора, имеющегося в любом комплексе мочевины.This case is usually the case of a urea-carbamate solution present in any urea complex.
Режимы процессов выбираются с учетом работы с высоким избытком щелочи в реакторе и захвата большого количества аммиака в кислотном паровом скруббере. Поэтому раствор очистки пара содержит большое количество сульфата аммония. В скруббер пара обычно добавляют 5-20% кислоты.The modes of processes are selected taking into account the work with a high excess of alkali in the reactor and the capture of a large amount of ammonia in an acid steam scrubber. Therefore, the steam cleaning solution contains a large amount of ammonium sulfate. 5-20% acid is usually added to a steam scrubber.
В этом случае строго рекомендуется применять двухстадийный скруббер [S1; S2]: на первой стадии [S1] происходит захват мелких капель мочевины, на второй стадии [S2] происходит обработка именно аммиака.In this case, it is strictly recommended to use a two-stage scrubber [S1; S2]: in the first stage [S1], small drops of urea are captured, in the second stage [S2] it is ammonia that is processed.
Таким образом, промывающий раствор 11 на второй стадии, почти свободной от мочевины, непосредственно рециркулируется в линию серной кислоты для ее смягчения без разрушения очищенной мочевины. Линия кислоты предпочтительно оборудуется статическим смесителем 12 для смягчения посредством предварительной реакции. Таким образом от 10% до ~50% серной кислоты преобразуется в бисульфат до какого-либо контакта с мочевиной, что позволяет достигнуть в целом приемлемого уровня разрушения мочевины.Thus, the washing solution 11 in the second stage, which is almost free of urea, is directly recycled to the sulfuric acid line to soften it without destroying the purified urea. The acid line is preferably equipped with a static mixer 12 to mitigate through a preliminary reaction. Thus, from 10% to ~ 50% of sulfuric acid is converted to bisulfate before any contact with urea, which allows to achieve a generally acceptable level of urea destruction.
Промывающий раствор из сухой части вместе с промывающим раствором из первой стадии скруббера 10 пара обычно рециркулируется в первое кольцо реактора МСА, имеющего конструкцию для случая А, или непосредственно в поток 7 мочевины.The washing solution from the dry part together with the washing solution from the first stage of the scrubber 10, the steam is usually recycled to the first ring of the MCA reactor, designed for case A, or directly to the urea stream 7.
КОНСТРУКЦИЯ СЕПАРАТОРАSEPARATOR DESIGN
Из трубчатого реактора в сепаратор (не показан) поступает трехфазная смесь: жидкость (мочевина, вода, растворенный сульфат аммония…), газ (пар, полученный за счет теплоты реакции) и даже твердые фракции (пересыщенные кристаллы СА). Назначение сепаратора состоит в разделении раствора/суспензии МСА и технологического пара. Ввиду возможного присутствия кристаллов и высокой скорости потоков в реакторе сепаратор должен иметь конструкцию, устойчивую к износу.A three-phase mixture flows from a tubular reactor to a separator (not shown): liquid (urea, water, dissolved ammonium sulfate ...), gas (steam obtained due to the heat of reaction) and even solid fractions (supersaturated CA crystals). The purpose of the separator is to separate the MSA solution / suspension and process steam. Due to the possible presence of crystals and a high flow rate in the reactor, the separator must be wear resistant.
Конструкция сепаратора будет зависеть от расположения, особенно в случае модернизации установки. Реактор может быть установлен горизонтально, вертикально или в любой промежуточной позиции. Можно перечислить несколько вариантов для сепаратора с учетом эффективности разделения и устойчивости к износу.The design of the separator will depend on the location, especially in the case of modernization of the installation. The reactor can be installed horizontally, vertically or in any intermediate position. Several options can be listed for the separator, taking into account separation efficiency and wear resistance.
Предпочтительно сепаратор представляет собой емкость с внутренней юбкой. Входное отверстие пара располагается на верхней части емкости в тангенциальном положении для получения вихревого эффекта, повышающего эффективность разделения.Preferably, the separator is a container with an inner skirt. The steam inlet is located on the upper part of the tank in a tangential position to obtain a vortex effect that increases the separation efficiency.
В нижней части сепаратор имеет коническую или вогнутую форму, предпочтительно с уменьшенным диаметром, что позволяет более точно регулировать уровень с пониженным временем пребывания. Для той же цели регулировки уровня предпочтительно устанавливается антивихревое устройство.In the lower part, the separator has a conical or concave shape, preferably with a reduced diameter, which allows more precise level control with a reduced residence time. For the same purpose of level adjustment, an anti-vortex device is preferably installed.
В верхней части сепаратора предпочтительно может устанавливаться устройство отделения капель (например, плетеная сетка, устройство типа колпачковой тарелки, керамического фильтра или пакета) для отделения большей части оставшихся капель.At the top of the separator, a droplet separation device (for example, a woven mesh, a device such as a cap plate, ceramic filter or bag) can preferably be mounted to separate most of the remaining droplets.
В этом случае предпочтительно используется распылитель воды или конденсатов для периодической очистки сепаратора капель при повышении падения давления вследствие образования отложений, кристаллизации, растущего засорения.In this case, a water or condensate atomizer is preferably used to periodically clean the droplet separator when the pressure drop increases due to the formation of deposits, crystallization, and growing clogging.
СКРУББЕР ПАРАSCRUBBER PAIR
Пар, образующийся в трубчатом реакторе, содержит некоторое количество непрореагировавшего аммиака, а также мелких капель раствора МСА, не отделившихся в сепараторе.The steam generated in the tubular reactor contains a certain amount of unreacted ammonia, as well as small drops of the MCA solution that did not separate in the separator.
Этот пар проходит дальнейшую очистку в кислотном скруббере. Последний может представлять собой колонну с насодкой, тарельчатую колонну, скруббер Вентури или комбинацию таких устройств для достижения необходимых характеристик.This steam is further cleaned in an acid scrubber. The latter may be a column with a nozzle, a disk column, a venturi scrubber, or a combination of such devices to achieve the required characteristics.
Кроме того, такой скруббер имеет преимущество, состоящее в том, что в нем происходит насыщение технологического пара, повышающее общую эффективность конденсатора. Скруббер может представлять собой отдельную емкость или последовательность независимых элементов, реализующих последовательные стадии очистки для достижения того же результата, он также может быть встроен в верхнюю часть сепаратора трубчатого реактора и составлять с ним единую конструкцию.In addition, such a scrubber has the advantage that it saturates the process steam, increasing the overall efficiency of the capacitor. The scrubber can be a separate container or a sequence of independent elements that implement successive cleaning steps to achieve the same result, it can also be integrated into the upper part of the tubular reactor separator and form a single structure with it.
Скруббер предпочтительно сконструирован для выполнения двух стадий: на первой стадии происходит захват капель мочевины/МСА сравнительно нейтральным промывающим раствором, на второй стадии используется кислота, которая захватывает аммиак. Это позволяет избежать повышенного разрушения мочевины за счет сильного подкисления мочевины, содержащей промывающий раствор.The scrubber is preferably designed to perform two stages: in the first stage, urea / MCA droplets are captured by a relatively neutral washing solution, in the second stage an acid that captures ammonia is used. This avoids the increased destruction of urea due to the strong acidification of urea containing a washing solution.
Изобретение далее иллюстрируется со ссылками на нижеприведенные примеры.The invention is further illustrated with reference to the following examples.
ПримерыExamples
Пример 1 - иллюстрация случая А1Example 1 - Illustration of Case A1
Эксперименты проводились на экспериментальной установке малого масштаба. Во-первых, в обычный стандартный реактор с перекрестием труб, изображенный на фиг.2, подают кислоту по оси 15 реактора, 78%-ный раствор мочевины, не содержащей карбамата, через входное отверстие 16 и газообразный аммиак через входное отверстие 17.The experiments were conducted on a small scale experimental setup. Firstly, acid is fed into the conventional standard crosshair reactor shown in FIG. 2 along
Во-вторых, в реактор согласно настоящему изобретению, соответствующий случаю А1, кислоту вводят аксиально, раствор мочевины подают через входное отверстие 7, газообразный аммиак подают через входное отверстие 8. Цель состояла в получении МСА, содержащего 77% мочевины и 23% СА. Аммиак подавали с молярным избытком 2%.Secondly, in the reactor according to the present invention, corresponding to case A1, the acid is introduced axially, the urea solution is supplied through the inlet 7, the ammonia gas is supplied through the inlet 8. The goal was to obtain an MCA containing 77% urea and 23% CA. Ammonia was fed with a molar excess of 2%.
Быстрое испарение выполняли в вакууме при абсолютном давлении 0,5 бар и температуре около 135°С, содержание воды в растворе, выходящем из реактора, составляло приблизительно 5%. Рециркуляцию промывающего раствора в данном эксперименте не осуществляли.Rapid evaporation was carried out in vacuum at an absolute pressure of 0.5 bar and a temperature of about 135 ° C, the water content in the solution exiting the reactor was approximately 5%. The washing solution was not recycled in this experiment.
Условия и результаты приведены ниже в таблице 2.The conditions and results are shown below in table 2.
Пример 2 - иллюстрация случая А2Example 2 - illustration of case A2
Эксперименты выполнялись с целью получения композиции МСА 65/35 мас./мас. (мочевина/сульфат аммония) при использовании 78%-ного раствора мочевины. Поэтому потребовалась дополнительная вода для поглощения теплоты реакции. В первом эксперименте вода вводилась путем разведения раствора мочевины 7; 13, во втором эксперименте исследовались преимущества предварительного реактора, при этом одну четверть количества аммиака подавали через входное отверстие 9, три четверти аммиака подавали через входное отверстие 8, к кислоте 5 добавляли дополнительную воду 13 посредством предварительного смесителя 12.The experiments were carried out in order to obtain the composition MCA 65/35 wt./wt. (urea / ammonium sulfate) when using a 78% urea solution. Therefore, additional water was required to absorb the heat of reaction. In the first experiment, water was introduced by diluting a urea solution 7; 13, in the second experiment, the advantages of a preliminary reactor were investigated, with one quarter of the amount of ammonia fed through inlet 9, three quarters of ammonia fed through inlet 8, and
Быстрое испарение выполняли при абсолютном давлении 0,5 бар в отдельной емкости после сепаратора трубчатого реактора.Rapid evaporation was performed at an absolute pressure of 0.5 bar in a separate vessel after the tube reactor separator.
Результаты и условия приведены в таблице 3.The results and conditions are shown in table 3.
Пример 3 - иллюстрация случая ВExample 3 - Illustration of Case B
Испытания с мочевиной-карбаматом выполняли с молярным избытком аммиака 2% и с молярным избытком аммиака 10% и 20% соответственно. Расплав мочевины в концентрации 99,5% смешивали на линии с суспензией бикарбоната аммония и газообразным аммиаком для имитации мочевино-карбаматного раствора. Цель состояла в получении 35% СА в МСА.Tests with urea-carbamate were performed with a molar excess of ammonia of 2% and a molar excess of ammonia of 10% and 20%, respectively. A urea melt at a concentration of 99.5% was mixed in line with a suspension of ammonium bicarbonate and gaseous ammonia to simulate a urea-carbamate solution. The goal was to obtain 35% CA in the ISA.
Рециркуляцию промывающего раствора, соответствующего второй стадии скруббера, моделировали дополнительным потоком раствора сульфата аммония в концентрации 30% в предварительный смеситель. Такой поток СА соответствует нейтрализации избытка аммиака, поданного на реактор, за исключением аммиака, образующегося за счет разрушения мочевины.Recirculation of the washing solution corresponding to the second stage of the scrubber was simulated by an additional stream of a solution of ammonium sulfate at a concentration of 30% in a pre-mixer. Such a CA stream corresponds to neutralizing the excess ammonia fed to the reactor, with the exception of ammonia generated by the destruction of urea.
В раствор мочевины добавляли регулирующий поток воды для достижения такого же содержания воды около 5% в растворе МСА на выходе из испарительного резервуара. Результаты и условия приведены в таблице 4.A regulating water flow was added to the urea solution to achieve the same water content of about 5% in the MCA solution at the outlet of the evaporation tank. The results and conditions are shown in table 4.
Claims (26)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007131215/15A RU2373148C2 (en) | 2005-03-02 | 2005-03-02 | Pipe reactor and device for producing composition of urea and ammonium sulphate |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007131215/15A RU2373148C2 (en) | 2005-03-02 | 2005-03-02 | Pipe reactor and device for producing composition of urea and ammonium sulphate |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2007131215A RU2007131215A (en) | 2009-04-10 |
| RU2373148C2 true RU2373148C2 (en) | 2009-11-20 |
Family
ID=41014325
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007131215/15A RU2373148C2 (en) | 2005-03-02 | 2005-03-02 | Pipe reactor and device for producing composition of urea and ammonium sulphate |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2373148C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3542899A1 (en) * | 2018-03-20 | 2019-09-25 | Yara International ASA | Method and reactor for producing urea ammonium sulphate |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB810760A (en) * | 1956-08-03 | 1959-03-25 | Bergwerksgesellschaft Hibernia | A method for the preparation of a fertilizer containing urea and ammonium sulphate, with a high nitrogen content |
| US3928015A (en) * | 1974-10-29 | 1975-12-23 | Tennessee Valley Authority | Manufacture of urea-ammonium sulate from sulfuric acid, ammonia, and urea |
| WO2001051429A2 (en) * | 2000-01-13 | 2001-07-19 | Skw Stickstoffwerke Piesteritz Gmbh | Method for producing a fertilizer containing ammonium sulfate and urea |
| RU2001101484A (en) * | 1998-06-15 | 2003-01-27 | Скв Штикштоффверке Пистеритц Гмбх | METHOD FOR PRODUCING FERTILIZER GRANULATE CONTAINING UREA AND AMMONIUM SULPHATE |
| DE10133935A1 (en) * | 2001-07-12 | 2003-01-30 | Piesteritz Stickstoff | Preparing fertilizer containing urea and ammonium sulfate, with the latter produced by reacting ammonia in urea-containing solution with sulfuric acid |
-
2005
- 2005-03-02 RU RU2007131215/15A patent/RU2373148C2/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB810760A (en) * | 1956-08-03 | 1959-03-25 | Bergwerksgesellschaft Hibernia | A method for the preparation of a fertilizer containing urea and ammonium sulphate, with a high nitrogen content |
| US3928015A (en) * | 1974-10-29 | 1975-12-23 | Tennessee Valley Authority | Manufacture of urea-ammonium sulate from sulfuric acid, ammonia, and urea |
| RU2001101484A (en) * | 1998-06-15 | 2003-01-27 | Скв Штикштоффверке Пистеритц Гмбх | METHOD FOR PRODUCING FERTILIZER GRANULATE CONTAINING UREA AND AMMONIUM SULPHATE |
| WO2001051429A2 (en) * | 2000-01-13 | 2001-07-19 | Skw Stickstoffwerke Piesteritz Gmbh | Method for producing a fertilizer containing ammonium sulfate and urea |
| DE10133935A1 (en) * | 2001-07-12 | 2003-01-30 | Piesteritz Stickstoff | Preparing fertilizer containing urea and ammonium sulfate, with the latter produced by reacting ammonia in urea-containing solution with sulfuric acid |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Т 101803, 04.05.1982. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3542899A1 (en) * | 2018-03-20 | 2019-09-25 | Yara International ASA | Method and reactor for producing urea ammonium sulphate |
| WO2019180066A1 (en) * | 2018-03-20 | 2019-09-26 | Yara International Asa | Method and reactor for producing urea ammonium sulphate |
| US11993557B2 (en) | 2018-03-20 | 2024-05-28 | Yara International Asa | Method and reactor for producing urea ammonium sulphate |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2007131215A (en) | 2009-04-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10828593B2 (en) | Removal of dust in urea finishing | |
| CA2930649C (en) | An apparatus and method for particulate capture from gas streams and a method of removing soluble particulate from a gas | |
| US10954186B2 (en) | Urea ammonium nitrate production comprising condensation | |
| EP1861335B1 (en) | Pipe reactor and plant for manufacturing of especially urea ammonium sulphate | |
| US12179138B2 (en) | Removal of dust in urea finishing | |
| AU721518B2 (en) | Process for preparing alkali metal cyanide and alkaline earth metal cyanide granules | |
| US5736003A (en) | Apparatus for concentrating urea solutions under vacuum | |
| RU2373148C2 (en) | Pipe reactor and device for producing composition of urea and ammonium sulphate | |
| US10654758B2 (en) | Urea ammonium nitrate production | |
| CN120379963A (en) | Multi-product low biuret urea production |