Конденсатор карбамата и способ модернизации существующего конденсатора карбамата
Изобретение относится к конденсатору карбамата погружного типа, используемому на установке для получения синтезированной мочевины из газообразного диоксида углерода и жидкого аммиака. Конденсатор (1) погружного типа содержит пучок (5) трубок, в которых происходит конденсация газообразных соединений и в результате взаимодействия аммиака с диоксидом углерода образуется карбамат. Конденсатор отличается наличием конструктивно не связанной с пучком (5) конденсационной циркуляционной трубы (19, 23), предназначенной для циркуляции в замкнутом контуре конденсатора (1) части сконденсировавшихся в нем газообразных соединений. Наличие отдельной циркуляционной трубы, конструктивно не связанной с пучком конденсационных трубок и сообщающейся с верхней и нижней частями конденсатора, обеспечивает возможность циркуляции карбамата в обход пучка конденсационных трубок, что позволяет существенно увеличить выход получаемого в результате конденсации карбамата. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.
Настоящее изобретение относится к конденсатору карбамата так называемого погружного типа, используемому на установке для получения синтезированной мочевины из газообразного диоксида углерода и жидкого аммиака, а также к способу модернизации существующего конденсатора карбамата в установке для получения синтезированной мочевины.
Используемые для получения мочевины исходные реагенты, т.е. диоксид углерода и аммиак, подают после частичной конденсации и образования карбамата в реактор синтеза, в котором происходит практически полная конденсация карбамата, используемого в качестве промежуточного продукта синтеза. В самом реакторе из-за химического баланса протекающей в нем конверсии только часть карбамата превращается в мочевину. Остальную часть карбамата вместе с не вступившим в реакцию аммиаком отбирают из реактора и по меньшей мере частично путем выпаривания, например, с помощью СО2 выделяют из продукта реакции в виде газообразного аммиака и диоксида углерода хорошо известными способами. Газообразный аммиак и диоксид углерода затем частично конденсируют с получением жидкого карбамата, который возвращают обратно в реактор синтеза.
Известно, что на установке для получения мочевины необходимо путем конденсации конвертировать в карбамат часть исходных реагентов и промежуточных продуктов, которые не конвертируются в мочевину в реакторе синтеза и выделяются из полученного в реакторе продукта в виде газообразного аммиака и диоксида углерода.
Для этого в заявке ЕР-А 1036787 был предложен конденсатор так называемого погружного типа, содержащий цилиндрический корпус с расположенным в нем пучком прямых теплообменных трубок, охлаждаемых соответствующим охладителем. В трубном пучке происходит конденсация аммиака и диоксида углерода с образованием карбамата. Помимо целого ряда преимуществ предложенный в этой заявке конденсатор обладает и определенным, весьма существенным и подробно рассмотренным ниже недостатком.
В трубном пучке такого конденсатора только определенная часть, хотя и бóльшая, используется для превращения в карбамат газообразных соединений, протекающих через трубки снизу вверх. Остальную часть трубок трубного пучка приходится вместо этого использовать для рециркуляции части сконденсировавшихся газообразных соединений из верхней зоны пучка в его нижнюю зону. Цель этого состоит в создании в конденсаторе условий для естественной циркуляции жидкой фазы и повышения его коэффициента теплообмена.
Очевидно, что при определенном размере трубного пучка наличие в нем трубок, которые не участвуют в процессе конденсации, определенным образом ограничивает выход конденсатора.
В основу настоящего изобретения была положена задача разработать высокоэффективный конденсатор, который по сравнению с известными конденсаторами с таким же по размерам трубным пучком имел бы существенно больший выход газообразных соединений.
Эта задача решается с помощью предлагаемого в изобретении конденсатора карбамата погружного типа для установок для получения синтезированной мочевины, имеющего по существу цилиндрический корпус, противоположные концы которого закрыты соответственно верхним и нижним днищами, которые вместе с корпусом образуют в конденсаторе среднюю, верхнюю и нижнюю части, трубный пучок, который предназначен для конденсации газообразных соединений и который расположен в средней части конденсатора, сообщается с его верхней и нижней частью и состоит из верхней трубной решетки, нижней трубной решетки и множества закрепленных в них трубок, трубу для подачи в конденсатор подлежащих конденсации газообразных соединений, которая расположена в нижней части конденсатора под трубным пучком и свободный конец которой расположен внутри газораспределительной камеры, а также выходные отверстия, которые расположены в верхней части конденсатора и предназначены для отбора из конденсатора соответственно несконденсировавшихся и сконденсировавшихся газообразных соединений.
Газообразные соединения NH3 и СО2, которые поступают в конденсатор из расположенного за реактором синтеза выпаривателя и должны быть сконденсированы в конденсаторе, а также поток карбамата в водном растворе, который поступает в конденсатор из секции выделения мочевины, и при определенных условиях раствор, содержащий мочевину, который поступает в конденсатор из реактора синтеза, и жидкий исходный аммиак предпочтительно подавать в нижнюю часть конденсатора через предназначенные для этого отверстия, выполненные в нижнем днище конденсатора.
Сконденсировавшиеся газообразные соединения, наоборот, предпочтительно отбирать из верхней части конденсатора по меньшей мере через одно отверстие, сообщающееся с верхней частью конденсатора и выполненное в его верхнем днище.
Отличия предлагаемого конденсатора заключаются в наличии циркуляционной трубы, конструктивно выполненной отдельно от трубного пучка и выходных отверстий. Эта труба сообщается с верхней частью конденсатора и его нижней частью и предназначена для циркуляции в замкнутом контуре конденсатора части сконденсировавшихся в нем газообразных соединений.
Предлагаемое в изобретении решение позволяет использовать весь трубный пучок для конденсации подаваемых в конденсатор газообразных соединений, обеспечивая возможность циркуляции карбамата в обход пучка конденсационных трубок.
Использование в предлагаемом в изобретении конденсаторе всех трубок пучка в качестве конденсационных позволяет по сравнению с обычными конденсаторами с таким же по размерам трубным пучком существенно увеличить выход получаемого в результате конденсации карбамата.
В частном варианте выполнения конденсатора циркуляционная труба может быть расположена вне корпуса. В этом случае конденсатор может быть снабжен емкостью, которая соединена с верхним днищем, сообщается с верхней частью конденсатора и циркуляционной трубой и имеет свои выходные отверстия.
Циркуляционная труба может быть расположена и внутри конденсатора и может крепиться к трубным решеткам. В этом случае циркуляционную трубу предпочтительно располагать на оси корпуса.
Объектом изобретения является также способ модернизации существующего конденсатора карбамата в установке для получения синтезированной мочевины. Такой конденсатор имеет по существу цилиндрический корпус, противоположные концы которого закрыты соответственно верхним и нижним днищами, которые вместе с корпусом образуют в конденсаторе среднюю, верхнюю и нижнюю части, и трубный пучок, который предназначен для конденсации газообразных соединений. Трубный пучок расположен в средней части конденсатора, сообщается с его верхней и нижней частью и состоит из верхней трубной решетки, нижней трубной решетки и множества закрепленных в них трубок.
Предлагаемый в изобретении способ заключается в следующем. На конденсатор устанавливают расположенную вне корпуса, конструктивно не связанную с трубным пучком циркуляционную трубу, сообщающуюся с верхней и нижней частью конденсатора и предназначенную для циркуляции в замкнутом контуре конденсатора части сконденсировавшихся газообразных соединений. С верхним днищем конденсатора соединяют емкость, которая сообщается с верхней частью конденсатора и расположенной вне корпуса циркуляционной трубой и имеет выходные отверстия, предназначенные для отбора из конденсатора соответственно несконденсировавшихся и сконденсировавшихся газообразных соединений. В нижней же части конденсатора под трубным пучком устанавливают трубу, предназначенную для подачи в конденсатор подлежащих конденсации газообразных соединений.
Другие отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения более подробно рассмотрены ниже в описании на примере одного из не ограничивающих объем изобретения вариантов его возможного осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи.
На прилагаемых к описанию чертежах, в частности, показано:
на фиг.1 - схема предлагаемого в изобретении конденсатора в продольном разрезе,
на фиг.2 - схема предлагаемого в изобретении конденсатора в продольном разрезе, выполненного по другому варианту, и
на фиг.3 - схема предлагаемого в изобретении конденсатора в продольном разрезе, выполненного еще по одному варианту.
Предлагаемый в настоящем изобретении конденсатор, обозначенный на фиг.1 позицией 1, имеет цилиндрический корпус 2, противоположные концы которого закрыты соответственно верхним и нижним днищами 3 и 4. В корпусе 2 расположен пучок 5 трубок определенного размера, т.е. состоящий из определенного количества имеющих определенную длину и диаметр прямых трубок 6, противоположные концы которых закреплены в верхней и нижней трубных решетках 7 и 8 соответственно. Трубные решетки 7 и 8 отделяют определяющий размеры средней части 9 конденсатора корпус 2 от верхнего и нижнего днища 3 и 4, которые соответственно определяют размеры верхней и нижней части 10 и 11 конденсатора.
Верхняя и нижняя часть 10 и 11 конденсатора сообщаются между собой через прямые трубки 6 трубного пучка 5.
Необходимо отметить, что конденсационные трубки пучка 5 охлаждаются соответствующим охладителем, например водой, которая протекает (внутри корпуса) в межтрубном пространстве пучка 5 и подается, и выводится из конденсатора через соответствующие отверстия и обычные соединительные устройства, которые на чертеже не показаны.
В верхней части 10 конденсатора расположено первое отверстие 12 для выхода газа, выполненное в верхнем днище 3, и второе отверстие 13, выполненное в боковой части верхнего днища конденсатора.
В верхней части 10 конденсатора рядом со вторым отверстием 13 расположено переливное устройство 14, схематично изображенное в виде перегородки.
В нижней части 11 конденсатора расположено первое отверстие 15, через которое проходит первая соединенная с днищем подводящая труба 16, которая, как подробно описано ниже, предназначена для подачи в конденсатор подлежащих конденсации газов.
Свободный конец 17 первой трубы 16 расположен внутри газораспределительной камеры 18, закрепленной обычным образом внутри нижней части 11 конденсатора.
Предлагаемый в настоящем изобретении конденсатор имеет трубу 19, которая расположена вне корпуса 2 конденсатора и через отверстия 20 и 21 соединяется соответственно одним концом с верхней частью 10 конденсатора, а другим концом - с его нижней частью 11.
Труба 19 конструктивно не связана с трубным пучком 5 и соединяется со вторым подводящим трубопроводом 22.
Ниже со ссылкой на описанный выше чертеж рассмотрены основные особенности работы предлагаемого в изобретении конденсатора. На этом чертеже (а также на других чертежах) поток газообразной фазы в конденсаторе 1 обозначен как Fg, а поток жидкой фазы обозначен как F1.
Предлагаемый в изобретении конденсатор условно изображен на фиг.1 во время работы в нормальном режиме, когда он полностью заполнен водным раствором карбамата, аммиака и необязательно мочевины, и смесью, содержащей аммиак, диоксид углерода и воду в виде паров.
Эти вещества подают в конденсатор в паровой фазе из расположенного за реактором синтеза (на чертеже не показан) выпаривателя (на чертеже не показан), который предназначен для разложения карбамата и выпаривания аммиака и диоксида углерода из раствора мочевины, поступающего в него из реактора синтеза. Подаваемые в конденсатор по упомянутой выше первой подводящей трубе 16 пары распределяются в расположенной в нижней части 11 рядом с нижними концами конденсационных трубок 6 пучка 5 в газораспределительной камере 18.
В расположенной в нижней части 11 конденсатора газораспределительной камеры указанные газообразные соединения смешиваются с уже находящимся в этой части конденсатора водным раствором.
Перемешанные с водным раствором газообразные соединения из нижней части 11 конденсатора попадают в прямые трубки 6 трубного пучка 5.
Внутри трубок 6 аммиак, диоксид углерода и вода конденсируются, и в результате взаимодействия аммиака с диоксидом углерода образуется карбамат.
Внутри конденсатора 1 образующийся в трубках в результате взаимодействия аммиака с диоксидом углерода карбамат смешивается с карбаматом, находящимся в водном растворе, с получением на выходе из трубок 6 одного общего раствора карбамата, в котором также может содержаться мочевина.
Раствор карбамата собирается в верхней части 10 конденсатора, и его первая часть возвращается по трубе 19 обратно в нижнюю часть 11, а вторая часть выходит из конденсатора 1 через отверстие 13 в количестве, которое можно регулировать переливным устройством 14. Выходящую из конденсатора 1 через отверстие 13 часть раствора карбамата подают в реактор синтеза, в котором в результате реакции синтеза из содержащегося в растворе карбамата и аммиака образуется мочевина.
Необходимо отметить, что наличие в предлагаемом в изобретении конденсаторе трубы 19 полностью обеспечивает необходимую циркуляцию по замкнутому контуру конденсатора 1 водного раствора карбамата, который непрерывно возвращается из верхней части 10 конденсатора в его нижнюю часть 11.
При наличии в конденсаторе такого контура циркуляции прямые трубки 6 трубного пучка постоянно полностью заполнены одним и тем же количеством раствора. Кроме того, наличие в конденсаторе такой циркуляционной трубы позволяет поддерживать на оптимальном уровне скорость потока в постоянно заполненных одним и тем же количеством жидкости трубках 6 пучка со всеми вытекающими отсюда преимуществами, связанными с эффективностью охлаждения жидкости обтекающим трубки 6 снаружи охладителем и эффективностью происходящего в трубках процесса конденсации газообразных соединений.
Часть водного раствора, протекающего через конденсатор 1, поступает в него в виде водного раствора карбамата из секции выделения мочевины (на чертеже не показана) и водного раствора, который поступает в него из реактора синтеза и возможно содержит не вступившие в реакторе во взаимодействие вещества и исходный жидкий аммиак. Эту часть водного раствора подают в нижнюю часть 11 корпуса 2 конденсатора по трубопроводу 22, конец которого врезан в трубу 19, и в этой трубе смешивают с циркулирующим в замкнутом контуре конденсатора водным раствором. Такое решение исключает необходимость выполнения в нижнем днище 4 конденсатора 1 каких-либо дополнительных отверстий.
Поступающий в нижнюю часть 11 конденсатора 1 водный раствор смешивается с выходящими из распределительной камеры 18 газообразными соединениями и, как описано выше, циркулирует в замкнутом контуре конденсатора 1.
Собирающиеся в верхней части 10 конденсатора газообразные вещества выводятся из конденсатора 1 через отверстие 12, выполненное в верхнем днище 3.
Реактор синтеза, выпариватель и конденсатор 1 являются частями так называемого контура синтеза высокого давления установки для промышленного получения мочевины. Все эти аппараты работают фактически при одном и том же давлении и соединены друг с другом в единый контур, обеспечивающий возможность выделения и подачи обратно в реактор синтеза по меньшей мере части не вступивших в реакцию веществ, которые содержатся в отбираемом из реактора растворе мочевины.
Описанный выше конденсатор 1 можно модифицировать, изменив соответствующим образом его конструкцию.
Одним из примеров такой модификации конструкции предлагаемого в изобретении конденсатора является вариант, показанный на фиг.2.
Показанные на этом чертеже детали конденсатора 1, которые конструктивно и функционально не отличаются от аналогичных деталей конденсатора, показанного на фиг.1, обозначены теми же позициями и повторно не рассматриваются.
Конденсатор 1, предлагаемый в этом варианте изобретения, имеет емкость 27, расположенную над его верхним днищем 3.
Емкость 27 имеет по меньшей мере первое нижнее отверстие 33 (на фиг.2 показаны два таких отверстия), второе нижнее отверстие 32, сообщающееся с трубой 19, третье отверстие 28, которое расположено в ее верхней части и предназначено для отвода из конденсатора газа, и расположенное на боковой стороне четвертое отверстие 29.
В свою очередь верхнее днище 3 конденсатора 1 имеет по меньшей мере одно верхнее отверстие 34, в котором расположено сопло 31 (на фиг.2 показаны два таких сопла).
В показанном на фиг.2 варианте емкость 27 сообщается с верхней частью 10 конденсатора 1 через нижние отверстия 33, которые расположены напротив закрепленных в верхнем днище 3 сопел 31.
Рядом с четвертым отверстием 29 расположено переливное устройство 30, которое условно изображено на чертеже в виде перегородки.
Ниже со ссылкой на фиг. 2 рассмотрена работа предлагаемого в этом варианте осуществления изобретения конденсатора карбамата.
В выполненном по этому варианту конденсаторе водный раствор, поступающий из пучка 5 труб в верхнюю часть 10 конденсатора, через отверстия 34, сопла 31 и отверстия 33 попадает в емкость 27.
Первая часть собирающегося в емкости 27 водного раствора возвращается обратно в нижнюю часть 11 конденсатора 1 через отверстие 32 по трубе 19, а вторая часть через отверстие 29 подается из конденсатора 1 в реактор синтеза мочевины. Количество водного раствора, которое через отверстие 29 подается из конденсатора в реактор, регулируется переливным устройством 30.
Следует отметить, что все собирающиеся в емкости 27 газообразные вещества выводятся из конденсатора 1 через отверстие 28.
Основным преимуществом этого варианта является возможность использования его для модернизации существующих конденсаторов, например конденсаторов пленочного типа.
В таких конденсаторах жидкая фаза перемещается внутри труб трубного пучка под действием силы тяжести в виде пленки жидкости в общем потоке с газообразными соединениями, подлежащими конденсации.
В настоящее время конструктивная доработка уже существующих конденсаторов, особенно их корпусов, либо вообще невозможна, либо не целесообразна по чисто экономическим соображениям.
Предлагаемое в этом варианте осуществления изобретения решение, связанное с установкой на верхнем днище конденсатора емкости 27, через которую верхняя часть 10 конденсатора 1 соединяется с его нижней частью 11, полностью обеспечивает циркуляцию водного раствора в замкнутом контуре конденсатора и исключает при этом необходимость изменения конструкции корпуса 2 и днищ 3 и 4 конденсатора.
Еще один вариант возможного выполнения предлагаемого в изобретении конденсатора показан на фиг.3.
Показанные на этом чертеже детали конденсатора 1, которые конструктивно и функционально не отличаются от аналогичных деталей конденсатора, показанного на фиг.1, обозначены теми же позициями и повторно не рассматриваются.
В этом варианте осуществления изобретения вместо показанной на рассмотренных выше чертежах внешней трубы 19 для циркуляции водного раствора используется конструктивно не связанная с трубным пучком 5 и расположенная внутри конденсатора 1 труба 23, которая проходит по всей длине корпуса 2 и крепится к трубным решеткам 7 и 8. Сообщающаяся ее верхним и нижним концами 25, 26 соответственно с верхней и нижней частью 10 и 11 конденсатора 1 труба 23 полностью обеспечивает необходимую циркуляцию внутри конденсатора 1 образующегося в трубном пучке конденсата газообразных соединений.
В примере, показанном на фиг.3, труба 23 расположена на оси корпуса 2 и проходит из верхней части 10 конденсатора от расположенной в ней перегородки 14 в нижнюю часть 11 и доходит почти до самого нижнего днища 4.
В нижнем днище 4 конденсатора 1 имеется второе отверстие, обозначенное позицией 24. Через это отверстие в нижнюю часть 11 конденсатора поступает поток, содержащий отбираемый из секции выделения мочевины карбамат в водном растворе и необязательно отбираемый из реактора синтеза раствор, содержащий мочевину и исходный жидкий аммиак.
Преимуществом конденсатора, предлагаемого в этом варианте осуществления изобретения, является не только более высокий по сравнению с известными конденсаторами выход, но и существенно меньший объем. Кроме того, из-за отсутствия внешней трубы, которая должна выдерживать высокое давление, стоимость изготовления такого конденсатора меньше стоимости изготовления конденсаторов, предлагаемых в рассмотренных выше вариантах осуществления изобретения.
Используемая в этом варианте труба 23 целиком расположена внутри конденсатора 1, и поэтому возникающие в ней напряжения определяются только количеством водного раствора, циркулирующего в замкнутом контуре конденсатора.
1. Конденсатор (1) карбамата погружного типа в установках для получения синтезированной мочевины, имеющий по существу цилиндрический корпус (2), противоположные концы которого закрыты соответственно верхним и нижним днищами (3 и 4), которые вместе с корпусом образуют в конденсаторе среднюю, верхнюю и нижнюю части (9, 10 и 11), трубный пучок (5), который предназначен для конденсации газообразных соединений и который расположен в средней части (9) конденсатора, сообщается с его верхней и нижней частями (10 и 11) и состоит из верхней трубной решетки (7), нижней трубной решетки (8) и множества закрепленных в них трубок (6), трубу (16) для подачи в конденсатор подлежащих конденсации газообразных соединений, которая расположена в нижней части (11) конденсатора под трубным пучком (5) и свободный конец (17) которой расположен внутри газораспределительной камеры (18), а также выходные отверстия (12, 13), которые расположены в верхней части (10) конденсатора и предназначены для отбора из конденсатора соответственно несконденсировавшихся и сконденсировавшихся газообразных соединений, отличающийся наличием выполненной конструктивно отдельно от трубного пучка (5) и выходных отверстий (12, 13), сообщающейся с верхней частью (10) конденсатора и его нижней частью (11) циркуляционной трубы (19), предназначенной для циркуляции в замкнутом контуре конденсатора части сконденсировавшихся в нем газообразных соединений.
2. Конденсатор (1) карбамата по п.1, отличающийся тем, что циркуляционная труба (19) расположена вне корпуса (2).
3. Конденсатор (1) карбамата по п.2, отличающийся наличием емкости (27), которая соединена с верхним днищем (3), сообщается с верхней частью (10) конденсатора и расположенной вне корпуса (2) циркуляционной трубой (19) и имеет выходные отверстия (28, 29).
4. Конденсатор (1) карбамата по п.1, отличающийся тем, что циркуляционная труба (23) расположена внутри конденсатора и крепится к трубным решеткам (7, 8).
5. Конденсатор (1) карбамата по п.4, отличающийся тем, что циркуляционная труба (23) расположена на оси корпуса (2).
6. Способ модернизации существующего конденсатора (1) карбамата в установке для получения синтезированной мочевины, имеющего, по существу, цилиндрический корпус (2), противоположные концы которого закрыты соответственно верхним и нижним днищами (3 и 4), которые вместе с корпусом образуют в конденсаторе среднюю, верхнюю и нижнюю части (9, 10 и 11), и трубный пучок (5), который предназначен для конденсации газообразных соединений и который расположен в средней части (9) конденсатора, сообщается с его верхней и нижней частями (10 и 11) и состоит из верхней трубной решетки (7), нижней трубной решетки (8) и множества закрепленных в них трубок (6), отличающийся тем, что устанавливают расположенную вне корпуса (2), конструктивно не связанную с трубным пучком (5) циркуляционную трубу (19), сообщающуюся с верхней и нижней частями (10, 11) конденсатора и предназначенную для циркуляции в замкнутом контуре конденсатора части сконденсировавшихся газообразных соединений, с верхним днищем (3) конденсатора соединяют емкость (27), которая сообщается с верхней частью (10) конденсатора и расположенной вне корпуса (2) циркуляционной трубой (19) и имеет выходные отверстия (28, 29), предназначенные для отбора из конденсатора соответственно несконденсировавшихся и сконденсировавшихся газообразных соединений, и в нижней части (11) конденсатора под трубным пучком (5) устанавливают трубу (16), предназначенную для подачи в конденсатор подлежащих конденсации газообразных соединений.
