Спосіб синтезу сечовини і відповідна компоновка реакційної секції установки для одержання сечовини

Номер патенту: 115871

Опубліковано: 10.01.2018

Автори: Кавуоті Джакомо, Сьолі Джанкарло

Є ще 12 сторінок.

Дивитися все сторінки або завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

1. Спосіб синтезу сечовини на основі реакції аміаку і діоксиду вуглецю, який відрізняється тим, що:

- аміак і діоксид вуглецю взаємодіють в рідкій фазі і в першій зоні (S1) реакції, а також для прискорення утворення карбамату амонію з вищевказаної першої зони реакції відводять теплоту (Q1), причому в вищевказаній першій зоні реакції одержують перший рідкий продукт (103), який в основному містить карбамат амонію, аміак і воду,

- потім вищевказаний перший продукт проходить у другу зону (S2) реакції, що відрізняється від вищезгаданої першої зони реакції, і для прискорення розкладання карбамату амонію на сечовину і воду у вищевказану другу зону реакції підводять теплоту (Q2), причому у вищевказаній другій зоні реакції одержують другий рідкий продукт (105), що містить сечовину, залишковий неперетворений карбамат і надлишковий аміак, і

- рідка фаза щонайменше у одній з вищевказаних зон реакції - першій зоні реакції і другій зоні реакції - підтримується у стані перемішування, що створюється механічними засобами для перемішування.

2. Спосіб за п. 1, причому температура у вищевказаній другій зоні реакції вище, ніж температура у вищевказаній першій зоні реакції, а тиск у вищевказаній другій зоні реакції краще в основному такий же, як у вищевказаній першій зоні реакції.

3. Спосіб за одним з п. 1 або п. 2, причому вищевказана перша зона реакції і вищевказана друга зона реакції фізично розділені.

4. Спосіб за одним з попередніх пунктів, причому вищевказана перша зона реакції і вищевказана друга зона реакції знаходяться у одному реакторі (211, 1211) або розташовані у різних реакторах (311, 321; 411, 421; 511, 521), або відділеннях (522А - 522В) реакторів.

5. Спосіб за одним з попередніх пунктів, крім того, у третю зону (S3) реакції або зону випарювання подають вищевказаний другий рідкий продукт, одержаний в другій зоні (S2), і у якій за допомогою підведення теплоти і, на розсуд, з допомогою додавання середовища для випарювання, відбувається розкладання карбамату, що міститься у вищевказаному другому рідкому продукті, з виділенням аміаку і діоксиду вуглецю, причому рідка фаза у вищевказаній третій зоні реакції також підтримується у стані перемішування, що створюється механічними засобами для перемішування.

6. Спосіб за п. 5, у якому газовий потік, що містить щонайменше частину вищезгаданого аміаку і діоксиду вуглецю, виділених у третій зоні реакції, подають безпосередньо через газопровід (102) у газоподібному стані у вищевказану першу зону реакції.

7. Секція реакції на установці синтезу сечовини призначена для здійснення способу за п. 1, причому вищевказана секція реакції включає:

- першу зону (S1) реакції для перетворення аміаку і діоксиду вуглецю у карбамат амонію і другу зону (S2) реакції для розкладання карбамату на сечовину, причому вищевказана друга зона реакції відрізняється від вищевказаної першої зони реакції;

- засоби для подачі аміаку і діоксиду вуглецю у вищевказану першу зону реакції і засоби для охолодження, розташовані у першій зоні реакції і призначені для відводу теплоти реакції утворення карбамату амонію;

- засоби для подачі першого продукту, що в основному містить карбамат амонію, аміак і воду, з вищевказаної першої зони реакції у вищевказану другу зону реакції;

- засоби для нагріву, розташовані у вищевказаній другій зоні реакції, призначені для подачі тепла для реакції розкладання частини вищезгаданого карбамату на сечовину, і напірний трубопровід для відводу другого продукту, що містить сечовину, залишковий не перетворений карбамат і надлишковий аміак, з вищевказаної другої зони реакції; і

- засоби для перемішування, розташовані щонайменше у одній з вищевказаних зон - першій зоні реакції і другій зоні реакції.

8. Секція реакції за п. 7, що включає, крім того, третю зону (S3) реакції або зону випарювання; засоби для подачі потоку вищевказаного другого рідкого продукту з другої зони (S2) у вищевказану третю зону (S3); засоби для нагріву у вищевказаній третій зоні; на розсуд, трубопровід для додавання середовища для випарювання у вищевказану третю зону; засоби для перемішування, щоб підтримувати рідку фазу у вищевказаній третій зоні реакції у стані перемішування.

9. Секція реакції за п. 8, що включає, крім того, газопровід (102, 231, 335) для прямого з'єднання вищевказаної третьої зони і першої зони, змонтований для повернення газового потоку аміаку і діоксиду вуглецю, виділених у третій зоні реакції, у вищевказану першу зону реакції для повторного використання.

10. Секція реакції за п. 9, причому вищевказаний газопровід змонтований для направлення вищезгаданого газового потоку близько до таких, які працюють у першій зоні реакції, засобів (217, 317) для перемішування.

11. Секція реакції за одним з пп. 7-10, причому вищевказані перша зона реакції і друга зона реакції розташовані у одному реакторі.

12. Секція реакції за одним з пп. 7-10, що включає:

- перший реактор (311, 411, 511) високого тиску, що вміщає першу зону реакції і включає теплообмінник для охолодження першої зони реакції і перший імпелер для забезпечення стану перемішування рідкої фази у вищевказаній першій зоні реакції, а також

- другий реактор (321, 521) високого тиску, що вміщає другу зону реакції і включає щонайменше один теплообмінник для нагріву другої зони реакції і щонайменше один другий імпелер для забезпечення стану перемішування рідкої фази у вищевказаній другій зоні реакції.

13. Секція реакції за п. 12, причому вищевказаний другий реактор (521) високого тиску включає каскад відділень (522А, 522Б, 522В), при цьому кожне відділення являє собою відповідну частину вищевказаної другої зони реакції і має відповідний теплообмінник та імпелер.

14. Секція реакції за одним з пп. 7-10, що включає:

- перший реактор (311, 411, 511) високого тиску, що вміщає першу зону реакції, а також включає теплообмінник для охолодження першої зони реакції і перший імпелер для забезпечення стану перемішування рідкої фази у вищевказаній першій зоні реакції, і

- кілька других реакторів (421А, 421Б, 421В) високого тиску, встановлених у вигляді каскаду, причому кожен з вищевказаних других реакторів вміщує відповідну частину вищевказаної другої зони реакції і має відповідний теплообмінник та імпелер.

15. Вертикальний реактор для синтезу сечовини з аміаку і діоксиду вуглецю з використанням способу за п. 1, виконаний у вигляді вертикальної реакційної посудини (211, 1211) високого тиску, причому:

- реактор високого тиску вміщує кілька зон реакції, у тому числі, щонайменше першу зону (S1) реакції і другу зону (S2) реакції;

- реактор включає засоби (217, 1217, 1227а-1227г) для перемішування, встановлені щонайменше у одній з вищевказаних зон реакції - першій зоні реакції і в другій зоні реакції;

- реактор включає також перші засоби (219, 1219) для теплообміну, призначені для відводу теплоти з вищевказаної першої зони реакції, і другі засоби (229, 1229) для теплообміну, призначені для подачі теплоти в другу зону реакції;

- вищевказані зони реакції розташовані у реакторі високого тиску вертикально і одна над іншою, причому перша зона реакції знаходиться вище інших, і сполучаються між собою, так що потік рідини, що виходить з однієї зони (S1, S2) реакції може самопливом перетікати у зону (S2, S3) реакції, розташовану нижче;

- реактор включає трубопровід для введення свіжого рідкого аміаку (213, 1213), призначений для подачі рідкого аміаку безпосередньо у першу зону реакції, і випускний трубопровід (232, 1232) для відводу вихідного потоку рідкої сечовини, який розташований під другою або нижньою зоною реакції, причому конструкція реактора розрахована на роботу з рідкою фазою, яка переміщується через реактор високого тиску низхідним потоком.

16. Реактор за п. 15, причому реактор високого тиску включає ще одну зону (S3) реакції, яка

- є самою нижньою зоною реакції у реакторі високого тиску;

- включає спеціальні засоби (237, 1237) для перемішування і засоби (239, 1239) для нагріву, а також

- функціонує в основному як зона випарювання.

17. Реактор за п. 16, що включає зворотний трубопровід (231), призначений для направлення газового потоку, що містить аміак і діоксид вуглецю, у верхню частину реактора, з вищевказаної зони (S3) випарювання у першу верхню зону (S1) реакції.

18. Реактор за одним з пп. 15-17, причому вищевказаний трубопровід (213, 1213) для введення аміаку призначений для введення свіжого рідкого аміаку поблизу вищезазначених засобів (217, 1217) для перемішування.

19. Реактор за п. 18, що включає також трубопровід (214, 1214) для введення діоксиду вуглецю, призначений для подачі діоксиду вуглецю у вищевказану першу зону реактора високого тиску і краще поблизу вищезазначених засобів для перемішування.

20. Реактор за одним з пп. 15-19, причому засоби для перемішування виконані у вигляді робочих коліс з лопатями, а засоби для нагріву - у вигляді обігрівальних змійовиків.

21. Реактор за п. 20, причому вищевказані робочі колеса з'єднані із загальним валом (1217б), який проходить уздовж усього реактора високого тиску.

22. Реактор за одним з пп. 15-21, до складу якого входять кілька відділень всередині реактора високого тиску, причому ці відділення розташовані вертикально одне над іншим і розділені горизонтальними перегородками (230, 1230), у якому кожна з вищевказаних зон реакції (S1, S2, S3) утворена одним або кількома вищезазначеними відділеннями.

23. Реактор за одним з пп. 15-22, причому кожне відділення має засоби, призначені для перемішування і нагрівання.

24. Реактор за п. 23, що включає:

- верхнє відділення, що визначає межі першої зони (S1) реакції;

- кілька проміжних відділень, що визначають межі другої зони (S2) реакції;

- нижнє відділення, що визначає межі зони (S3) випарювання.

25. Спосіб модернізації вертикального реактора для синтезу сечовини з аміаку і діоксиду вуглецю, виконаного у вигляді вертикальної реакційної посудини (211, 1211) високого тиску, причому цей спосіб включає наступні стадії:

- реактор високого тиску поділяють на кілька зон реакції, що включають щонайменше першу зону (S1) реакції і другу зону (S2) реакції;

- щонайменше у одній з вищевказаних зон реакції - першій зоні реакції і другій зоні реакції - встановлюють засоби (217, 1217, 1227а-1227г) для перемішування;

- для відводу теплоти з вищевказаної першої зони реакції встановлюють перші засоби (219, 1219) для теплообміну, а для подачі тепла в другу зону реакції встановлюють другі засоби (229, 1229) для теплообміну;

- вищевказані зони реакції розміщують у реакторі високого тиску вертикально і одну над іншою, причому перша зона реакції розташовується вище інших, при цьому вищевказані зони реакції сполучаються між собою, так що потік рідини, що виходить з однієї зони (S1, S2) реакції, може самопливом перетікати у зону (S2, S3) реакції, розташовану нижче;

- для подачі рідкого аміаку безпосередньо у першу зону реакції монтують трубопровід (213, 1213) для введення свіжого рідкого аміаку, а для відводу вихідного потоку рідкої сечовини - випускний трубопровід (232, 1232), який розташовують під другою або нижньою зоною реакції;

- таким чином, конструкція модифікованого реактора розрахована на роботу з рідкою фазою, яка проходить через реактор високого тиску низхідним потоком.

Текст

Реферат: У даній заявці розкриті спосіб синтезу сечовини і відповідна секція реакції на установці для одержання сечовини, де в першій зоні (S1) реакції в рідкій фази взаємодіють аміак і діоксид вуглецю, і для прискорення утворення карбамату амонію з вищевказаної першої зони реакції відводять теплоту (Q1); потім рідкий продукт (103) з вищевказаної першої зони реакції проходить в другу зону (S2) реакції, що відрізняється від вищевказаної першої зони реакції, і для прискорення розкладання карбамату амонію на сечовину і воду в вищевказану другу зону реакції підводять теплоту (Q2); де рідка фаза щонайменше в одній з вищевказаних зон - першій зоні реакції і другій зоні реакції - підтримується в стані перемішування. Описано також реактор з низхідним потоком для здійснення вищеописаного способу. UA 115871 C2 (12) UA 115871 C2 UA 115871 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Галузь техніки, до якої належить винахід Винахід належить до хімічного перетворення аміаку і діоксиду вуглецю в сечовину. Даний винахід більш детально належить до нового способу і компонування реакційної секції установки для одержання сечовини. Рівень техніки Сечовину одержують шляхом реакції аміаку з діоксидом вуглецю згідно з послідовними рівноважними реакціями: + 2NH3+CO2 ↔ NH4 + NH2-СОО ↔ NH2-СО NH2 (сечовина) + H2O Таким чином, до утворення сечовини призводить швидка і у великій мірі екзотермічна реакція між аміаком і діоксидом вуглецю, продуктом якої є карбамат амонію, і повільна до деякої міри ендотермічна реакція карбамату амонію, в якій утворюються сечовина і вода. Друга і більш повільна реакція є стадією, що визначає швидкість всього способу хімічного синтезу. Колишні способи синтезу сечовини здійснювалися під тиском близько 400 бар з використанням реактора у вигляді простої вертикальної циліндричної реакційної посудини високого тиску. Такі способи дозволяли забезпечити достатню ступінь перетворення CO 2 в сечовину (до 80 %), але мали низьку ефективність у витягу NH3 і CO2, які не прореагували, а також практичні недоліки, пов'язані з дуже високим тиском. Введення повного вилучення хімічних продуктів, які не прореагували, дозволило вважати прийнятними нижчу ступінь перетворення CO2 (64-70 %), в той же час, знижуючи робочий тиск до 200-250 бар. Зрозуміло, зниження тиску має суттєві переваги з точки зору витрат на реактори високого тиску та інше обладнання, а також енергоспоживання насосів і компресорів. У відомому способі вищевказана послідовність реакцій здійснюється шляхом подачі NH 3 і CO2 в нижню секцію вертикального реактора, що зазвичай має велике відношення висоти до діаметру. В основному екзотермічна реакція між вихідними матеріалами – NH3 і CO2 і утворення карбамату амонію відбувається головним чином у нижній секції реактора, тоді як ендотермічна більш повільна реакція утворення сечовини має місце у верхній частині реактора. Таким чином, продукти реакції перетинаються висхідним потоком реакційного газу і рідких фаз, що рухаються в паралельному струмі. Ступінь перетворення, яка досягається всередині реактора, в основному обумовлена швидкостями масопередачі в порівнянні зі швидкостями хімічних реакцій. Реактор синтезу сечовини щонайменше частково являє собою парорідинну гетерогенну реакційну систему, в якій парова фаза містить вільний CO2, NH3, деяку кількість води і інертні гази; рідка фаза містить головним чином NH3, карбамат амонію, сечовину, воду і деяку кількість карбонату амонію. Реагенти поступово переходять з парової в рідку фазу, в якій CO 2 вступає в реакцію з NH3, утворюючи карбамат амонію і, послідовно, сечовину і воду. В результаті швидкостей дифузії має місце тенденція до встановлення на межі розділу пар-рідина хімічної рівноваги між CO2, NH3, H2O в газовій фазі і, відповідно, розчиненими в рідкій фазі. Спроби підвищити ступінь перетворення, зокрема, були зосереджені на конструкції реактора. Наприклад, монтаж внутрішніх перфорованих пластин, які поділяють реактор на відділення, в результаті приводив до істотного збільшення ступеня перетворення. В цьому відношенні, в US 5304353 розкритий реактор, який працює з встановленими контактними пластинами; в US 5750080 розкритий спосіб модернізації на місці реактора, оснащеного внутрішніми перфорованими пластинами, крім того, що складаються з конструктивно незалежних ковпачків, що забезпечують умови для поліпшення перемішування газу і рідини; в US 6120740 розкриті пластини реактора, в яких розташування перфораційних отворів до певної міри покращує регулювання потоку рідини, підвищуючи вихід реактора, в результаті чого зменшується необхідність повернення продуктів, які не прореагували, для повторного використання. В новітніх реакторах, оснащених спеціально розробленими внутрішніми пластинами, реакція здійснюється під тиском 140-160 бар зі ступенем перетворення CO2 порядку 58-62 %. Таким чином, можна стверджувати, що при заданому наборі параметрів, що включає температуру, тиск, час перебування матеріалу в реакторі, молярне відношення NH 3/CO2 і молярне відношення H2O/CO2, на продуктивність реактора, великий вплив робить також конструкція внутрішньої частини реактора. Наприклад, установка внутрішніх перфорованих пластин покращує контакт газу з рідиною і перешкоджає, щонайменше частково, внутрішньому зворотному перемішуванню продуктів з реагентами. Разом з тим, є ряд недоліків, які ще повністю не усунуто, в тому числі, небезпечне зворотне перемішування продуктів з реагентами, що знижує ступінь перетворення; більш того, є постійний стимул і значна зацікавленість в розробці конструкції, здатної ще більш збільшити ступінь перетворення в сечовину, не підвищуючи або навіть знижуючи рівень тиску. 1 UA 115871 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Розкриття винаходу Задача, що лежить в основі даного винаходу, полягає в тому, щоб підвищити ефективність відомого способу одержання сечовини, працюючи над конфігурацією реактора або реакційної секції установки для одержання сечовини. Вищевказана задача вирішена за допомогою способу синтезу сечовини на основі реакції аміаку і діоксиду вуглецю, що відрізняється тим, що: - аміак і діоксид вуглецю взаємодіють в рідкій фазі і в першій зоні реакції, крім того, для прискорення утворення карбамату амонію з вищевказаної першої зони реакції відводять теплоту, при цьому з вищевказаної першої зони реакції одержують перший рідкий продукт, що містить головним чином карбамат амонію, аміак і воду; - потім вищевказаний перший продукт переходить у другу зону реакції, що відрізняється від вищезгаданої першої зони реакції, і для прискорення розкладання карбамату амонію на сечовину і воду в вищевказану другу зону реакції подають тепло, причому в вищевказаній другій зоні реакції одержують другий рідкий продукт, що містить сечовину, залишковий карбамат, який не прореагував, і надлишковий аміак, а - рідку фазу щонайменше в одній з вищевказаних зон реакції - першій зоні реакції або другій зоні реакції - підтримують в режимі перемішування. Вираз "друга зона реакції, що відрізняється від вищевказаної першої зони реакції" слід розуміти в тому сенсі, що реакційна секція установки для одержання сечовини в вищевказаному способі включає добре розпізнавану зону (першу зону реакції), призначену для утворення карбамату амонію, і добре розпізнавану зону (другу зону), призначену для утворення сечовини. Перша зона і друга зона можуть бути розділені фізичним кордоном, хоча це необов'язково. В деяких варіантах здійснення винаходу перша зона і друга зона знаходяться в різних реакторах високого тиску, наприклад, в першому і другому реакторі, таким чином, фізично розділені. В деяких інших варіантах здійснення винаходу перша зона і друга зона можуть бути розташовані всередині одного і того ж реактора, будучи, наприклад, верхньою частиною і нижньою частиною подовженого вертикального реактора. Вираз "стан перемішування" слід розуміти як механічне перемішування, яке, наприклад, може бути викликано обертовими засобами. До підходящих засобів належать турбіни, імпелери і т.п. У кращому варіанті здійснення винаходу вищевказаний стан перемішування в першій і (або) другій зоні реакції забезпечується в стані повного регулювання напряму рідкої фази за допомогою перегородок. Визначення стану повного регулювання напряму рідкої фази за допомогою перегородок буде дано нижче. Винахід розкриває спосіб здійснення хімічного перетворення аміаку і діоксиду вуглецю в сечовину при поступовому проходженні через ряд послідовно з'єднаних зон реакції. Винахід передбачає розділення двох зон реакції, в яких підтримуються швидка екзотермічна реакція одержання карбамату і, відповідно, більш повільна ендотермічна реакція розкладання на сечовину і воду. В результаті відводу тепла з першої зони реакції прискорюється утворення карбамату, в той час як ендотермічна реакція утворення сечовини не підтримується, таким чином, перший продукт по суті являє собою розчин, що містить карбамат амонію, аміак і воду; і, навпаки, в результаті додавання тепла в другій зоні реакції прискорюється утворення сечовини. Стан перемішування також відіграє важливу роль, особливо для поліпшення теплопередачі рідкій фазі і, отже, підтримки швидкості реакції. У кращому варіанті здійснення винаходу температура у вищезгаданій другій зоні реакції вище, ніж температура у вищезгаданій першій зоні реакції. Більш краще, якщо тиск у вищевказаній другій зоні реакції в основному такий же, як і в вищевказаній першій зоні реакції. Більш краще, якщо друга зона реакції має більш високу температуру, ніж перша зона реакції, і в основному такий же тиск. Наприклад, перша зона реакції працює при температурі близько 150 ˚, а друга зона реакції працює при температурі близько 180 ˚. Кращий діапазон температур в першій зоні становить 120-170˚С, а в другій зоні – 160-220˚С. Робочі умови в реакторі - зазвичай за межами критичної температури і тиску аміаку і діоксиду вуглецю; таким чином, під рідкою фазою, що виділяється в реакторі, слід розуміти суміш рідин (наприклад, карбамату амонію, сечовини, води) і надкритичних флюїдів. У кращому варіанті здійснення винаходу цей спосіб включає також третю зону реакції, яку можна також назвати зоною випарювання, в яку подається потік другого рідкого продукту, одержаного в другій зоні, і в якій при подачі тепла і, на розсуд, при додаванні середовища для випарювання (інертного газу), що вивільняє аміак і діоксид вуглецю, відбувається розкладання залишкового карбамату, що міститься у вищевказаному другому рідкому продукті. Більш краще також підтримувати рідку фазу в вищевказаній третій зоні реакції в стані перемішування і краще - в стані інтенсивного перемішування. 2 UA 115871 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 При більш докладному розгляді, у вищевказаній третій зоні одержують газовий потік, що містить NH3 і CO2 з реакції розкладання карбамату плюс деяку кількість надлишкового NH 3, і повертають цей потік в першу зону реакції для повторного використання. Випаровуванню залишкового карбамату в зоні випарювання може сприяти підвід тепла і (або) додавання середовища для випарювання, наприклад, діоксиду вуглецю. З вищевказаної зони випарювання надходить концентрований розчин сечовини, який прямує вниз по потоку для відділення сечовини, для видалення води і, можливо, для витягання додаткової кількості аміаку і діоксиду вуглецю з розчину карбамату низького тиску згідно з відомим способом. Газовий потік, що містить щонайменше частину вищевказаних аміаку і діоксиду вуглецю, виділених в третій зоні реакції в процесі випарювання, краще направляють безпосередньо в газоподібному стані в вищезазначену першу зону реакції. Це є значною перевагою, оскільки більше не потрібний конденсатор високого тиску, на відміну від відомих способів одержання сечовини, як, наприклад, звичайні способи з використанням самовідпарювання або відпарювання діоксидом вуглецю, в яких конденсатор високого тиску вважається необхідним. Завдяки швидкому, до деякої міри турбулентному руху перемішуваної рідкої фази в першій зоні реакції газоподібний аміак і CO2, що надходять в першу зону, вступають в тісний контакт з рідкою фазою, завдяки чому шляхом реакції знову перетворюються в карбамат амонію. Таким чином, попередня конденсація більше не потрібна, хоча в деяких варіантах здійснення винаходу вона можлива. Для посилення вищевказаного ефекту газовий потік аміаку і діоксиду вуглецю з третьої зони бажано направляється близько до засобів для перемішування, які працюють в першій зоні, наприклад, близько до обертових лопатей імпелеру. Відповідно до деяких варіантів здійснення винаходу кожна з зон, перша зона реакції і друга зона реакції, може бути розташована в одному або більше реакторах або групах реакторів. Можливо поєднання вищевказаних варіантів здійснення винаходу, наприклад, використання одного реактора для першої зони реакції і декількох реакторів для другої зони реакції. Якщо ці зони реакції знаходяться в одному реакторі, то фізичне розділення вищевказаних зон реакції можна забезпечити за допомогою перегородки, хоча розділова перегородка не є необхідним елементом. Якщо перша зона реакції і друга зона реакції включені в один і той же реактор, то перша зона реакції краще знаходиться над другою зоною реакції. В кращій конфігурації для варіанту здійснення винаходу з одним реактором реактор високого тиску має верхню зону, що утворить першу зону реакції, середню зону, що утворить другу зону реакції, і нижню частину, що утворить зону випарювання. Зона випарювання також може бути включена в той же самий єдиний реактор, що вміщає першу і другу зони реакції, як у вищенаведеному прикладі, або може бути виконана з використанням призначеного для неї реактора або реакторів. Краще, для зони випарювання є окремий, призначений для неї реактор. В кращих варіантах здійснення винаходу для посилення ефекту випарювання розчин карбамату (рідкий продукт з другої зони) і середовище для випарювання, якщо таке є, направляють близько до обертових лопатей імпелеру або турбіни, що працюють в третій зоні. Навколо імпелера може розташовуватися обігрівальний змійовик, який забезпечує необхідне для процесу випарювання тепло. Стан перемішування, як було зазначено вище, краще відповідає так званому стану повного регулювання напряму рідкої фази за допомогою перегородок. Стан повного регулювання напряму рідкої фази за допомогою перегородок фахівцеві в даній галузі техніки відомо, а визначення можна знайти в літературі; загалом, цей стан визначають як стан, в якому тангенціальному уносу рідини перешкоджають, наприклад, відповідні перегородки, і циліндрично обертовий вир зникає, забезпечуючи передачу перемішуваної рідини значної частини енергії. Механічне перемішування забезпечується, наприклад, за допомогою одного або більше імпелерів. За наближеними оцінками, енергія, що передається рідкій фазі від імпелерів, складає 3 3 краще 0,2-2 кВт на м рідини, з якої не виділено газ, більш краще – 0,4-1,5 кВт на м . Таким чином, імпелери, якщо вони використовуються, краще розраховані на подачу цієї енергії рідкій фазі. Надлишкові вологі гази, що утворюються при здійсненні цього способу в цілому, відводять з першої зони реакції і скидають з використанням дроселя для регулювання тиску в системі. Операції відводу або подачі тепла виконуються з використанням засобів для теплообміну, таких як, наприклад, змійовик, по якому проходять охолоджуюче середовище, або, відповідно, теплоносій. Засоби для теплообміну краще занурені в рідку фазу. Встановлено, що вищеописаний спосіб дуже ефективний при вирішенні проблем, які 3 UA 115871 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 залишилися невирішеними у відомому способі. Перевага винаходу полягає в забезпеченні умов передачі з достатньою кількістю руху, сприяючи таким чином протіканню пов'язаних з цим хімічних реакцій. Крім того, завдяки поділу першої та другої зон реакції, можливо, завдяки розташуванню їх в окремих реакторах або окремих реакційних камерах одного реактора, даний винахід може в значній мірі зменшити небажане зворотне перемішування продуктів з реагентами. Зокрема, виключити вищезгадане зворотне перемішування можна при використанні каскаду реакторів. Ще одна перевага винаходу полягає в тому, що перша і друга зони можуть бути розраховані відповідно до конкретних потреб. Наприклад, одного реактора з мішалкою може бути достатньо для створення першої зони реакції, призначеної для швидкої екзотермічної реакції між NH3 і CO2; проте виконувати функції другої зони, призначеної для відносно повільної ендотермічної реакції утворення сечовини, можуть один або більше послідовно встановлених реакторів. Нарешті, один реактор з мішалкою може виконувати функції третьої зони, що забезпечує процес випарювання газу. Теплообмін на стороні процесу, що зазвичай обмежує загальний відвід або подачу тепла до реагуючої маси, істотно покращено за рахунок конфігурації реактора з механічним перемішуванням, що зменшує необхідність збільшення поверхні теплообміну та обсягу реактора, в порівнянні з реакторами відомого рівня техніки, при однаковій продуктивності щодо сечовини в одиницю часу. Помітно збільшена також ступінь перетворення вуглецевого з'єднання без зміни робочої температури по відношенню до відомого рівня техніки. Об'єктом винаходу є також реакційна секція установки синтезу сечовини з аміаку і діоксиду вуглецю для здійснення вищеописаного способу. У звичайному варіанті здійснення винаходу реакційна секція включає: - першу зону реакції для перетворення аміаку і діоксиду вуглецю в карбамат амонію і другу зону реакції для розкладання карбамату на сечовину, причому вищевказана друга зона реакції відрізняється від вищевказаної першої зони реакції; - засоби для подачі аміаку і діоксиду вуглецю в вищезазначену першу зону реакції і засоби для охолодження, розташовані в першій зоні реакції і призначені для відводу теплоти реакції утворення карбамату амонію; - засоби для подачі першого продукту, який головним чином містить карбамат амонію, аміак і воду, з вищевказаної першої зони реакції в вищевказану другу зону реакції; - засоби для нагріву, розташовані в вищевказаній другій зоні реакції, призначені для подачі тепла для реакції розкладання частини вищезгаданого карбамату на сечовину, і напірний трубопровід для відводу другого продукту, що містить сечовину, залишковий не перетворений карбамат і надмірний аміак, з вищевказаної другої зони реакції; а також - засоби для перемішування, розташовані щонайменше в одній з вищевказаних зон реакції першій зоні реакції або другій зоні реакції, а краще як у першій, так і в другій зоні реакції. Реакційна секція краще включає третю зону реакції або зону випарювання; засоби для подачі потоку вищевказаного другого рідкого продукту з другої зони в вищезазначену третю зону; засоби для нагріву і, на розсуд, трубопровід для введення середовища для випарювання в вищезазначену третю зону; засоби для перемішування з метою підтримки рідкої фази у вищезгаданій третій зоні реакції в стані перемішування. Більш краще, якщо передбачений напірний газопровід для прямого з'єднання вищезгаданої третьої зони з першою зоною, змонтований для повернення виділеного в третій зоні реакції газового потоку, що містить аміак і діоксид вуглецю, в вищевказану першу зону реакції для повторного використання. Ще більш краще, якщо розташування вищевказаного напірного трубопроводу забезпечує можливість направлення вищевказаного газового потоку близько до засобів для перемішування, які працюють в першій зоні реакції. Зони реакції можуть бути розміщені в одному реакторі, в декількох реакторах або в реакторах, які мають багато відділень. Один реактор, що вміщає різні зони реакції, може бути вертикальним або горизонтальним. Відповідно до особливо кращого варіанту здійснення винаходу зони реакції розміщують в одному вертикальному реакторі високого тиску, причому ці зони реакції розташовані по вертикалі, одна над іншою. Більш краще, якщо свіжий рідкий аміак надходить в першу і що знаходиться вище інших зону реакції, і, таким чином, потік рідини проходить через реактор донизу (режим роботи з низхідним потоком). У цьому полягає відмінність від відомого способу, в якому рідкий вихідний матеріал надходить в нижню частину реактора або в нижню зону реактора. Значна перевага вищевказаного режиму роботи з низхідним потоком полягає в тому, що 4 UA 115871 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 рідкому вихідному матеріалу, вступнику в реактор, більше не потрібно долати напір рідини всередині самого реактора. При роботі в реакторі постійно присутня деяка кількість рідини; у відомому способі рідкому вихідному матеріалу необхідно долати цей напір (тобто тиск) вищезгаданої постійно присутньої рідини. У варіантах здійснення винаходу з використанням реакторів з низхідним потоком напір рідини всередині реактора, навпаки, робить позитивний вплив і забезпечує рушійну силу для подачі такого, що виходить з реактора потоку до обладнання, розташованого на стороні виходу реактора, наприклад, до такого, що знаходиться за межами реактора зовнішньої секції випарювання або секції очистки та вилучення. Завдяки вищесказаному, обладнання можна розміщувати на тій же висотній позначці, що й реактор, а не нижче реактора, і це є значною перевагою з точки зору полегшення монтажу і зниження капітальних затрат. Іншою особливістю винаходу є спосіб модернізації (усунення вузьких місць) вертикального реактора синтезу сечовини, в якому наявний реактор переробляють для роботи з низхідним потоком. Деякі можливі варіанти здійснення винаходу описані нижче як приклади. Фахівцю в даній галузі техніки очевидно, що можливі інші еквівалентні варіанти здійснення винаходу з використанням декількох реакторів, реакторів, розділених на відділення, або будь-якої їх комбінації. Варіанти здійснення винаходу з одним реактором У варіантах здійснення винаходу з одним реактором зони реакції розташовані в одному реакторі високого тиску. Цей реактор може вміщати також зону випарювання. Більш краще, якщо реактор являє собою витягнуту по вертикалі реакційну посудину, і зони реакції розташовані по вертикалі одна під одною. Згідно з загальноприйнятим варіантом здійснення винаходу вертикальний реактор синтезу сечовини з аміаку і діоксиду вуглецю виконаний у вигляді вертикальної реакційної посудини високого тиску, в якій: - реакційна посудина високого тиску вміщує кілька зон реакції, включаючи щонайменше першу зону реакції і другу зону реакції; - реактор включає засоби для перемішування, розташовані щонайменше в одній з вищезазначених зон - першій зоні реакції або другій зоні реакції; - реактор включає також перші засоби для теплообміну, призначені для відводу тепла з вищевказаної першої зони реакції, і другі засоби для теплообміну, призначені для подачі тепла в другу зону реакції; - в реакційній посудині високого тиску вищевказані зони реакції розташовані вертикально і одна під одною, причому перша зона реакції розташована вище інших, і сполучаються між собою, так що потік рідини, що виходить з однієї зони реакції, може самопливом перетікати в зону реакції, що знаходиться нижче; - реактор включає трубопровід для введення свіжого рідкого аміаку, призначений для подачі рідкого аміаку безпосередньо в першу зону реакції, і випускний отвір для відводу вихідного потоку рідкої сечовини, який розташований нижче другої або нижньої зони реакції; таким чином, конструкція реактора розрахована для роботи з рідкою фазою, що проходить через реакційну посудину високого тиску низхідним потоком. На розсуд, реактор включає додаткову зону реакції, що працює як зона випарювання. У вищезгадану зону випарювання, на розсуд, можна подавати діоксид вуглецю для використання в якості середовища для випарювання. Зона випарювання є самою нижньою зоною реакції в реакторі високого тиску і включає засоби, призначені для перемішування і нагрівання. Вищевказаний реактор краще включає поворотний трубопровід, призначений для направлення газового потоку, що містить аміак і діоксид вуглецю, з вищезгаданої зони випарювання в першу верхню зону реакції у вигляді висхідного потоку в реакторі. Вищевказаний газовий потік може містити діоксид вуглецю і аміак, одержувані з реакції розкладання карбамату, і, можливо, діоксид вуглецю, який був доданий в якості середовища для випарювання. Розташування трубопроводу для введення аміаку краще забезпечує можливість подання введеної кількості свіжого рідкого аміаку близько до вищезгаданих засобів для перемішування. Наприклад, аміак подають близько до лопатей робочого колеса імпелеру, який забезпечує перемішування в вищевказаній першій зоні реакції. У деяких варіантах здійснення винаходу в першу зону реакції направляється також кількість діоксиду вуглецю, що вводиться. Введену кількість діоксиду вуглецю (якщо передбачено) переважно подають також близько до вищевказаних засобів для перемішування в першій зоні реакції. Засоби для перемішування в різних зонах реакції і в зоні випарювання краще виконані у 5 UA 115871 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 вигляді роторів з лопатями. Ці ротори можуть бути з'єднані із загальним валом, які проходять уздовж усього реактора високого тиску. Засоби для нагріву або охолодження краще виконані у вигляді обігрівальних змійовиків. Відповідно до деяких варіантів здійснення винаходу вищевказаний вертикальний реактор високого тиску розділений на кілька відділень, які розташовані по вертикалі одне над іншим і розділені горизонтальними перегородками. Кожна з вищезгаданих зон реакції і зона випарювання утворені одним або більше відділеннями. Краще, в кожному відділенні є засоби, призначені для перемішування, і засоби для нагріву або охолодження. Наприклад, верхня частина реактора утворює першу зону, в якій, краще при інтенсивному перемішуванні, відбувається взаємодія аміаку і діоксиду вуглецю, і тепло відводиться за допомогою охолоджуючого змійовика, всередині якого проходить охолоджуюча рідина. Середня частина реактора являє собою другу зону, в якій карбамат амонію залишають для розкладання на сечовину і воду. Для підвищення швидкості реакції по змійовику можна підводити тепло. У нижній частині реактора, краще при інтенсивному перемішуванні і високій температурі, здійснюється розкладання залишкового карбамату і випарювання надлишкової кількості NH 3. Цей процес також може бути прискорений за рахунок додаткового введення CO2 в якості середовища для випарювання. Тепло підводять краще за допомогою обігрівального змійовика, в якому проходить рідкий теплоносій. Добутий газовий потік може бути направлений у верхню зону, в якій можливе його повторне використання для утворення карбамату. Варіанти здійснення винаходу з використанням декількох реакторів Нижче представлений ряд прикладів для варіантів здійснення винаходу з використанням декількох реакторів. У першому прикладі кожна зона реакції і зона випарювання, якщо вона передбачена, має окремий призначений для неї реактор. Краще зони реакції знаходяться в двох окремих реакторах з мішалкою, розташованих у вигляді каскаду, а саме, в першому реакторі, що є першою зоною реакції, і в другому реакторі, що є другою зоною реакції. Кожен реактор краще оснащений механічною мішалкою; крім того, перший реактор обладнаний охолоджуючим змійовиком, в якому проходить охолоджуюча рідина, тоді як другий реактор обладнаний огрівальним змійовиком, в якому проходить рідкий теплоносій. Під час роботи NH3 і CO2 подають в перший реактор, з якого випливаючі флюїди переходять у другий реактор, звідки розчин сечовини переходить в третій реактор, в якій відбувається розкладання залишкового карбамату, а утворений CO2, при бажанні, разом з додатковим свіжим CO2, за допомогою відповідної мішалки вступає в тісний контакт з рідкою фазою з метою випарювання надлишкової кількості аміаку, який не прореагував, який повертають в перший реактор для повторного використання. Крім того, одна зона реакції може бути утворена декількома реакторами високого тиску. Наприклад, приватний варіант здійснення винаходу передбачає каскад вертикальних реакторів типу ємностей з мішалкою, кожен з яких є окремою реакційною посудиною. Наприклад, один реактор утворює першу зону реакції, тоді як ще три вертикальних реактора утворюють другу зону реакції. Кожен реактор обладнаний внутрішньою механічною мішалкою і теплообмінником для відводу або подачі тепла відповідно в реакторах для першої або другої зони. Аміак і діоксид вуглецю подають в перший реактор, і ці флюїди перетікають з цього реактора в перший реактор другої стадії. З останнього реактора другої групи кінцевий продукт надходить у секцію остаточного розкладання і секцію випарювання, з якої газова фаза повертається у вихідний реактор всієї групи. Горизонтальні реактори високого тиску з кількома відділеннями У деяких варіантах здійснення винаходу використовується горизонтальний реактор високого тиску, що має кілька відділень у вигляді каскаду. Реактор такого типу краще використовується для другої зони реакції. Наприклад, другу зону реакції утворюють за допомогою одного горизонтального реактора, забезпечуючи для другої зони реакції ряд внутрішніх відділень. Вищевказані відділення поділені внутрішніми зливними перегородками для переливу рідких фаз з кожного відділення в наступне. Кожне відділення оснащено механічною мішалкою; згідно з вищеописаними критеріями в різних відділеннях розміщені холодильники та нагрівачі. Пояснення до цих та інших варіантів здійснення винаходу дано у наведеному нижче докладному описі за допомогою креслень. Короткий опис креслень Фіг. 1 - блок-схема способу згідно з кращим варіантом здійснення винаходу. Фіг. 2 - схема обладнання для здійснення способу згідно з варіантом здійснення винаходу з використанням одного реактора. Фіг. 3 - схема обладнання згідно з варіантом здійснення винаходу з використанням декількох 6 UA 115871 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 реакторів, що включає два реактора з мішалкою і секцію випарювання. Фіг. 4 - схема для варіанту здійснення винаходу, що включає каскад реакторів з мішалкою і секцію випарювання. Фіг. 5 - схема для варіанту здійснення винаходу, альтернативного варіанту на фіг. 4, в якій каскад реакторів для другої зони реакції замінений одним горизонтальним реактором, що має внутрішні відділення з механічними мішалками. Фіг. 6 - схема вертикального реактора, що представляє собою одну реакційну посудину, згідно з іншим варіантом здійснення винаходу, що передбачають дві зони реакції і кінцеву зону випарювання. Фіг. 7 - поперечний переріз реактора, зображеного на фіг. 6. Детальний опис кращих варіантів здійснення винаходу Як видно на блок-схемі, представленої на фіг. 1, хімічне перетворення діоксиду вуглецю та аміаку в сечовину під високим тиском здійснюється на першій стадії в першій зоні S1 реакції, за якою йде друга стадія в другій зоні S2 реакції. Газовий потік 100 діоксиду вуглецю і потік 101 рідини, що містить свіжий аміак, а також деяку кількість рециклового карбамату вводять в вищезазначену зону S1 реакції, в якою рідка фаза підтримується в стані перемішування за допомогою відповідної мішалки М1. У результаті швидкого екзотермічного перетворення аміаку і діоксиду вуглецю в карбамат амонію виділяється інтенсивний тепловий потік, і тепло Q1 відводять з вищезгаданої зони S1 реакції для підтримки бажаної температури реакції для утворення карбамату амонію. Тепло Q1 відводять з використанням відповідних засобів, наприклад, теплообмінника, через який проходить охолоджуюче середовище. Рідку фазу відбирають із зони S1 реакції і по трубопроводу 103 пропускають в наступну зону S2 реакції. Температура рідкої фази в зоні S2 реакції така ж або краще вище температури рідкої фази в зоні S1, що створює сприятливі умови для ендотермічного розкладання карбамату амонію на сечовину і воду. Це досягається шляхом підведення тепла Q2 в зону S2 за допомогою відповідних засобів, наприклад, теплообмінника, через який проходить теплоносій. Тиск у другій зоні S2 може бути в основному таким же, як у першій зоні S1. Вищевказаний тиск краще знаходиться в межах 120-250 бар, більш краще становить приблизно 160 бар. Рідка фаза в вищевказаній другій зоні S2 підтримується в стані перемішування за допомогою підходящої мішалки М2, що покращує передачу тепла Q2 рідкої маси. Концентрований водний розчин сечовини із залишковим не перетвореним карбаматом одержують по трубопроводу 105, тоді як газову фазу, яка містить, головним чином, аміак, діоксид вуглецю, водяну пара та інертні гази, випускають із зон S1 і S2 по трубопроводу 104. Є можливість дроселювати вищевказаний трубопровід 104 з метою регулювання тиску у всій системі. Третя зона реакції або зона S3 випарювання призначена для витягу не перетвореного карбамату і надлишкової кількості NH3 з продукту 105 реакції (розчину сечовини) за допомогою процесу термічного розкладання і випарювання газу. Показана можливість додавання середовища для випарювання, наприклад, потоку інертного газу або діоксиду вуглецю, по трубопроводу 106. Газоподібні продукти виходять з вищевказаної третьої зони S3 по трубопроводу 102 і направляються в першу зону S1 реакції, в якій їх частково повторно використовують у якості реагентів. Тепло підводять в зону S3 за допомогою відповідних засобів, наприклад, теплообмінника, через який проходить теплоносій, краще досягаючи температур вище 200˚С. Більш концентрований водний розчин сечовини випускають по трубопроводу 107. У деяких варіантах здійснення винаходу для направлення газоподібних продуктів з третьої зони в першу зону може знадобитися компресор для газу або газодувки (на кресленнях не показаний). Кожна з зон S1, S2 і S3 може бути виконана з використанням одного або більше реакторів. Зокрема, зони S1 і S2 можуть бути виконані з використанням каскаду реакторів або реакторів, розділених перегородками. Деякі кращі варіанти здійснення описаного способу представлені нижче з посиланням на фіг. 2, 3 і 4. Перший варіант здійснення винаходу. У першому варіанті здійснення винаходу зонами S1 і S2 реакції є відповідно верхня частина і середня частина вертикального реактора з низхідним потоком. На фіг. 2 показаний перший спосіб здійснення цього варіанту, в якій реактор поміщений у витягнутій по вертикалі реакційній посудині 211 високого тиску і включає: верхню змішувальну турбіну 217 і верхній змійовик 219 для теплообміну; другий змійовик 229 для теплообміну в середній частині; перфоровані тарілки 230 і трубопровід 231 для повернення газоподібних реагентів; нижню змішувальну турбіну 237 і нижній змійовик 239 для теплообміну. Як було 7 UA 115871 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 розкрито вище, для реалізації стану повного регулювання напряму рідкої фази за допомогою перегородок по всій висоті посудини 211 встановлені перегородки 218. Імпелер 217 має приводний двигун 217а і вал 217б, що проходить всередині судини 211. Мішалка краще являє собою пристрій, що має привід з електромагнітною муфтою, що виключає проблему ущільнення приводного вала. Можна відзначити, що для ефективного використання режиму теплопередачі у зв'язку з механічним перемішуванням комплект 219 змійовика не повинен перешкоджати циркуляції рідини, спричиненої змішувальною турбіною 217. З цією метою можна застосовувати деякі прийоми, наприклад, монтувати і підтримувати комплект змійовиків на достатній відстані від корпусу реактора 211, а також підтримувати розумно необхідний зазор між сусідніми змійовиками. Аміак, як правило, з деякою кількістю рециклового розчину карбамату, вводять по трубопроводу 213 для рідини у верхній частині реактора 211, поблизу верхньої поверхні змішувальної турбіни 217. Діоксид вуглецю додають до рідкої фазі в реакторі 211 по трубопроводу 214, краще поблизу змішувальної турбіни. Продукт реакції, що містить в основному карбамат, аміак і воду, стікає вниз для проходження через зону S2 реакції. Через порівняно низьку швидкість реакції об'єм рідини в S2 може бути помітно більше, ніж обсяг у першій зоні S1 реакції. Температура вмісту реактора регулюється шляхом подачі тепла від змійовика 229. Зона S2 краще оснащена перфорованими пластинами 230, які використовуються в найсучасніших технологіях. Нарешті, рідка фаза досягає найнижчої частини реактора 211, де при високій температурі відбувається виділення CO2 і, можливо, його додавання по трубопроводу 234 поблизу нижньої поверхні мішалки 237 з метою випарювання залишкової надлишкової кількості розчиненого аміаку. Одержаний газовий потік, що містить водонасичений CO 2 і NH3, по трубопроводу 231 надходить догори в напрямку мішалки 217 для повторного використання у верхній першій зоні S1 реакції. Водний розчин сечовини, що представляє собою кінцевий продукт, одержують по трубопроводу 232. Вихід регулюється випускним клапаном 236, який спрацьовує, виходячи з рівня рідини всередині судини. Потік залишкового газу випускають з верхньої частини реактора 211 по трубопроводу 215, в якому ручний або автоматичний клапан 216 регулює тиск в самому реакторі. Другий спосіб здійснення першого варіанту показаний на фіг. 6. У цьому способі вертикальний реактор з низхідним потоком розділений всередині кільцеподібними горизонтальними перегородками 1230 на ряд відділень. Одне або більше відділень утворюють зони S1 і S2 реакції. У представленому прикладі кордону першої зони S1 реакції по суті визначені верхнім відділенням реактора 1211, над верхньою перегородкою 1230. Ця зона S1 оснащена першою змішувальною турбіною 1217 і змійовиком 1219 для теплообміну. Під час роботи в вищевказаному змійовику 1219 циркулює охолоджуюче середовище, так що зона S1 реакції призначена головним чином для одержання карбамату амонію. Кордони другої зони S2 реакції визначені рядом відділень, розташованих нижче вищезгаданого верхнього відділення. Кожне відділення має відповідну змішувальну турбіну і теплообмінник. На цій фігурі друга зона S2 включає чотири відділення з відповідними змішувальними турбінами 1227а-1227г і змійовиками 1229 для теплообміну. Щоб прискорити одержання сечовини у вищезгаданій зоні S2, під час роботи в вищевказані змійовики 1229 подають теплоносій. На фіг. 7 показані змійовик 1229 і одна з вищезазначених змішувальних турбін, позначених посилальним номером 1227. Можлива третя зона S3 реакції утворена нижнім відділенням і обладнана змішувальною турбіною 1237 і змійовиком 1239 для теплообміну. Трубопровід 1234 слугує для можливої подачі діоксиду вуглецю при використанні його в якості середовища для випарювання. Вищевказаний трубопровід 1234 краще закінчується поблизу нижньої поверхні змішувача 1237, так що додаткову кількість діоксиду вуглецю подають поблизу лопатей цього змішувача. Система механічного перемішування, призначена для всього реактора, включає приводний двигун 1217а і приводний вал 1217б, що несе вищевказані турбіни і проходить по вертикальній осі реактора 1211 вниз до кінцевої опорі, що знаходиться в нижній частині. Краще, реактор має поздовжні перегородки 1218, що тягнуться по всій висоті реактора, які необхідні для здійснення інтенсивного перемішування, відомого як "стан повного регулювання напряму рідкої фази за допомогою перегородок" Аміак, як правило, з деякою кількістю рециклового розчину карбамату вводять в першу зону S1 у верхній частині судини 1211 по трубопроводу 1213 для рідини. Вищевказаний трубопровід 8 UA 115871 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 1213 подає вихідний аміак поблизу верхньої поверхні змішувальної турбіни 1217, що працює в верхньому відділенні. Діоксид вуглецю додають по трубопроводу 1214 поблизу нижньої поверхні тієї же самої змішувальною турбіни. Потік залишкового газу випускають по трубопроводу 1215, в якому ручний або автоматичний клапан 1216 регулює тиск всередині реактора. Одержані в верхніх відділеннях продукти конденсації аміаку і діоксиду вуглецю, містять в основному карбамат, аміак і воду, стікають вниз, проходячи через розташовані нижче відділення зони S2 реакції. Слід зазначити, що обсяг рідини в S2 може бути істотно більше, ніж обсяг у першій зоні S1 реакції, внаслідок того, що швидкість реакції в цій зоні порівняно нижче. Температуру в різних відділеннях реактора в вищевказаній зоні S2 регулюють за допомогою змійовиків 1229. Нарешті, рідка фаза досягає найнижчої частини реактора 1211, в якій при подачі тепла за допомогою змійовиків 1239 відбувається розкладання можливого залишкового карбамату. Діоксид вуглецю, що виділяється при розкладанні карбамату, разом з діоксидом вуглецю, що додається по трубопроводу 1234 (якщо такий передбачений) поблизу нижньої поверхні змішувача 1237, сприяє випаровуванню залишкової надлишкової кількості розчиненого аміаку. Одержуваний газовий потік, що містить водонасичений CO 2 і NH3, піднімається вгору по всій довжині реактора 1211, досягаючи в кінці кінців верхнього відділення поблизу змішувача 1217. Тут діоксид вуглецю і аміак при підйомі вгору повторно використовуються в зоні S1 реакції. Водний розчин сечовини, що представляє собою продукт, що виходить з реактора, одержують по трубопроводу 1232. Вихід регулюється випускним клапаном 1236, який спрацьовує, виходячи з рівня рідини всередині реактора. Можна відзначити, що у варіанті здійснення винаходу, представленому на фіг. 6, є декілька проміжних засобів для перемішування (змішувальних турбін) і поділ стадій краще в порівнянні, наприклад, з простішим варіантом здійснення винаходу, показаному на фіг. 2; тим не менш, в деяких випадках перевага може віддаватися останньому варіанту, є менш дорогим. Другий варіант здійснення винаходу Як видно з фіг. 3, тепер зони S1 і S2 реакції утворені з використанням першого реактора 311 з мішалкою і другого реактора 321 з мішалкою, які з'єднані передавальним трубопроводом 312. Третій реактор 331 з мішалкою є зоною S3 випарювання. Реактори 311, 321 і 331 мають однакову конструкцію. Вони оснащені відповідними змішувальними турбінами 317, 327 і 337. номер документу 317а, 317б, 327а, 327б позначені двигуни і вали. Турбіни краще мають привід з електромагнітною муфтою. Вертикальні перегородки 318, 328 по всій довжині слугують для забезпечення "стану повного регулювання напряму рідкої фази за допомогою перегородок". Обсяг рідини в S2 може бути істотно більше, ніж обсяг у першій зоні S1 реакції, внаслідок того, що швидкість реакції в цій зоні порівняно нижче. Через великий обсяг рідини другий реактор 321 зазвичай більше інших, зокрема, більше першого реактора 311.Турбіна 327 може включати кілька лопатевих сегментів, змонтованих на валу 327б для підтримки рівномірного перемішування в вищевказаному реакторі 321. Крім того, ці реактори мають відповідні теплообмінники. Зокрема, в реакторі 311 розташований змійовик 319 для відводу тепла з першої зони S1 реакції, тоді як змійовики 329 і 339 подають тепло в зони S2 і S3. Аміак, як правило, з деякою кількістю розчину рециклового карбамату вводять по трубопроводу 313 для рідини в реактор 311 з мішалкою поблизу верхньої поверхні вищевказаної змішувальної турбіни 317. Діоксид вуглецю додають по трубопроводу 314 до рідкої фази в реакторі 311 поблизу нижньої поверхні змішувальної турбіни. Потік залишкового газу скидається реактором 311 по трубопроводу 315, в якій ручний або автоматичний клапан 316 регулює тиск всередині самого реактора. Продукт з реактора, що містить в основному карбамат, аміак і воду, збирається в трубопроводі 312 і транспортується в другій реактор 321 з мішалкою, в якому виходить з трубопроводу 323 поблизу верхньої поверхні змішувача 327. Встановлений у реакторі 321 змійовик 329 призначений для підведення тепла, регулюючи температуру вмісту реактора. Випуск газу з реактора 321 здійснюється разом з випуском газу з реактора 311 по трубопроводу 325, що з'єднується з трубопроводом 315 на стороні входу клапана 316. Кінцевий рідкий продукт, в основному сечовину в водному розчині, одержують в трубопровід 322 і передають в реактор 331. Необхідна стадія випарювання, необхідна для вилучення надлишкової кількості аміаку, підтримується за допомогою діоксиду вуглецю, одержуваного в результаті розкладання, не перетвореного карбамату, з використанням, який додається на розсуд додаткової кількості діоксиду вуглецю, введеної по трубопроводу 334 під змішувачем 9 UA 115871 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 337. Одержуваний газовий потік, що містить водонасичений CO 2 і NH3, передають по трубопроводу 335 для повторного використання в першій зоні S1 реакції. Водний розчин сечовини, що представляє собою кінцевий продукт, одержують по трубопроводу 332. Вихід регулюється випускним клапаном 336, який спрацьовує, виходячи з рівня рідини всередині реактора 331. Третій варіант здійснення винаходу У цьому варіанті здійснення винаходу друга зона реакції створена з використанням декількох реакторів з мішалкою, встановлених у вигляді каскаду або послідовно. У порівнянні з раніше описаними варіантами здійснення винаходу перевага полягає в тому, що мінімізуються явища зворотного перемішування, що підвищує одержувану ступінь перетворення. Як видно з фіг. 4, перша зона S1 реакції утворена реактором 411, тоді як друга зона S2 реакції утворена трьома реакторами, встановленими у вигляді каскаду, позиції 421А, 421Б і 421В. Третя зона або зона випарювання знаходиться в ще одному реакторі 431. Вищевказані реактори мають змішувальні турбіни і теплообмінники, аналогічно варіантам здійснення винаходу, представленим на фіг. 1-3. Вихідний рідкий аміак надходить в перший реактор 411 по трубопроводу 413, тоді як СО 2 подають по трубопроводу 414 під встановленим в цьому реакторі змішувачем. Відведення теплоти реакції забезпечується блоками розташованих в реакторі змійовиків, по яких проходить відповідне охолоджуюче середовище. Відхідний газ випускається по трубопроводу 415 і за допомогою клапана 416 використовується для регулювання тиску в системі. Рідкий продукт з першого реактора 411 по трубопроводу 412 передають в реактор 421А, а саме, в перший реактор каскаду, і до того ж поблизу змішувача, що і вказує кінець нагнітального трубопроводу 412, для рівномірного розподілу продукту всередині реактора. Рідка фаза, основним компонентом якої є карбамат амонію, послідовно проходить через каскад реакторів з мішалкою 421А, 421Б і 421В, в яких при розкладанні карбамату поступово виділяються сечовина і вода. Для компенсації теплоти, необхідної для ендотермічної реакції, по трубопроводу 429 в блоки змійовиків в реакторах подається теплоносій. Кінцевий продукт, водний розчин сечовини з надмірною кількістю аміаку, зливають з останнього реактора каскаду, наприклад, 421В, в наступний реактор 431 для випарювання. Лінії для видалення газів з реакторів каскаду з'єднуються з лінією 415, як показано. Продуктивність і робочі умови в реакторі 431 такі ж, що і в реакторі 331 на фіг. 3. Четвертий варіант здійснення винаходу У цьому додатковому варіанті здійснення винаходу, зображеному на фіг. 5, друга зона S2 реакції створена з використанням одного горизонтального реактора з кількома відділеннями. Циліндричний горизонтальний реактор 521 розділений на послідовно розташовані камери або відділення, 522А, 522Б і 522В, відокремлені рамами 523а, 523Б і 523В, що дозволяють рідкій фазі перетікати з кожного відділення в наступне. Перший реактор 511 аналогічний реакторам 311, 411 в раніше описаних варіантах здійснення винаходу. Кожне з відділень в реакторі 521 має змішувальну турбіну і теплообмінник. Рідка фаза з першого реактора 511, яка надходить по трубопроводу 512, послідовно проходить через три відділення в реакторі 521, в яких при розкладанні карбамату поступово одержують сечовину і воду. Для компенсації теплоти, необхідної для ендотермічної реакції, по трубопроводу 529 в блоки змійовиків в відділеннях 522А, 522Б і 522В подається теплоносій. Кінцевий продукт, водний розчин сечовини, зливають з останнього відділення в реактор 531 для випарювання, так само як у вищеописаних варіантах здійснення винаходу. Приклад На розглянутій в якості зразка промисловій установці виробничою потужністю 1000 метричних тонн сечовини на добу вихідні матеріали NH 3 і CO2, разом з таким, що містить воду рецикловим потоком карбамату, подають у нижню частину циліндричної вертикального 3 реактора з внутрішнім об'ємом 75 м , що має пластини зі спеціальною перфорацією. Робочий тиск, виміряний в нижній частині реактора, в яку вводять аміак і рецикловий розчин карбамату, а також газоподібний CO2, складає 160 бар. У сталому режимі витікаючий з реактора потік виходить з верхньої частини реактора з температурою 188˚С. У даному прикладі проведений аналіз вищевказаного витікаючого потоку. Нижче представлені дані контролю матеріального балансу реактора, розрахованого на основі вихідних матеріалів реактора, аналізу рециклового розчину карбамату і сумарної кількості одержаної сечовини: сечовина, що утворилася в реакторі 34,2 % CO2 в вигляді карбамату, який не прореагував 14,7 % 10 UA 115871 C2 5 10 15 вільний NH3 і NH3 в карбаматі 31,3 % загальна кількість води 19,8 % з цього отримаємо: загальна кількість CO2 в реакторі 39,8 % загальна кількість NH3 в реакторі 50,7 % сумарна кількість води, яка подається в 9,5 % реактор і в результаті: молярне відношення NH3/CO2 3,30 молярне відношення H2О/CO2 0,58 ступінь перетворення 63 % У порівнянні з цією промисловою установкою досвідчена експериментальна система реактора у відповідності з варіантом здійснення винаходу, що передбачають один реактор, такий як на фіг. 2, в першій зоні S1 реакції працює під тиском 150 бар і при температурі 170˚С. У цій зоні S1 для підтримки вищевказаної температури тепло відводять за допомогою циркуляції води під тиском, утворюючи водяну пару низького тиску в окремій циліндричній ємності. Рідка фаза, яка містить карбамат, проходить вниз у зону S2, де в практично ізотермічних умовах утворюється сечовина, і, нарешті, - в нижню частину реактора (зона S3), в якій при високій температурі (вище 200 ˚) відбувається розкладання залишкового карбамату. CO2, що виділяється, використовується для випарювання деякої надлишкової кількості аміаку, причому ця газова фаза переміщується вгору в зону S1. Нижче представлений підсумковий масовий баланс: сечовина, що утворилася в реакторі 43,5 % CO2 в вигляді карбамату, який не прореагував 6,7 % вільний NH3 і NH3 в карбаматі 24,8 % загальна кількість води 27,0 % з цього отримаємо: загальна кількість CO2 в реакторі 38,6 % загальна кількість NH3 в реакторі 49,5 % сумарна кількість води, яка подається в 13,9 % реактор і в результаті: молярне відношення NH3/CO2 3,32 молярне відношення H2О/CO2 0,88 Ступінь перетворення 82,6 % ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 30 35 1. Спосіб синтезу сечовини на основі реакції аміаку і діоксиду вуглецю, який відрізняється тим, що: - аміак і діоксид вуглецю взаємодіють в рідкій фазі і в першій зоні (S1) реакції, а також для прискорення утворення карбамату амонію з вищевказаної першої зони реакції відводять теплоту (Q1), причому в вищевказаній першій зоні реакції одержують перший рідкий продукт (103), який в основному містить карбамат амонію, аміак і воду, - потім вищевказаний перший продукт проходить у другу зону (S2) реакції, що відрізняється від вищезгаданої першої зони реакції, і для прискорення розкладання карбамату амонію на сечовину і воду у вищевказану другу зону реакції підводять теплоту (Q2), причому у вищевказаній другій зоні реакції одержують другий рідкий продукт (105), що містить сечовину, залишковий неперетворений карбамат і надлишковий аміак, і - рідка фаза щонайменше у одній з вищевказаних зон реакції - першій зоні реакції і другій зоні реакції - підтримується у стані перемішування, що створюється механічними засобами для перемішування. 2. Спосіб за п. 1, причому температура у вищевказаній другій зоні реакції вище, ніж температура у вищевказаній першій зоні реакції, а тиск у вищевказаній другій зоні реакції краще в основному такий же, як у вищевказаній першій зоні реакції. 3. Спосіб за одним з п. 1 або п. 2, причому вищевказана перша зона реакції і вищевказана друга зона реакції фізично розділені. 11 UA 115871 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 4. Спосіб за одним з попередніх пунктів, причому вищевказана перша зона реакції і вищевказана друга зона реакції знаходяться у одному реакторі (211, 1211) або розташовані у різних реакторах (311, 321; 411, 421; 511, 521), або відділеннях (522А-522В) реакторів. 5. Спосіб за одним з попередніх пунктів, крім того, у третю зону (S3) реакції або зону випарювання подають вищевказаний другий рідкий продукт, одержаний в другій зоні (S2), і у якій за допомогою підведення теплоти і, на розсуд, з допомогою додавання середовища для випарювання, відбувається розкладання карбамату, що міститься у вищевказаному другому рідкому продукті, з виділенням аміаку і діоксиду вуглецю, причому рідка фаза у вищевказаній третій зоні реакції також підтримується у стані перемішування, що створюється механічними засобами для перемішування. 6. Спосіб за п. 5, у якому газовий потік, що містить щонайменше частину вищезгаданого аміаку і діоксиду вуглецю, виділених у третій зоні реакції, подають безпосередньо через газопровід (102) у газоподібному стані у вищевказану першу зону реакції. 7. Секція реакції на установці синтезу сечовини призначена для здійснення способу за п. 1, причому вищевказана секція реакції включає: - першу зону (S1) реакції для перетворення аміаку і діоксиду вуглецю у карбамат амонію і другу зону (S2) реакції для розкладання карбамату на сечовину, причому вищевказана друга зона реакції відрізняється від вищевказаної першої зони реакції; - засоби для подачі аміаку і діоксиду вуглецю у вищевказану першу зону реакції і засоби для охолодження, розташовані у першій зоні реакції і призначені для відводу теплоти реакції утворення карбамату амонію; - засоби для подачі першого продукту, що в основному містить карбамат амонію, аміак і воду, з вищевказаної першої зони реакції у вищевказану другу зону реакції; - засоби для нагріву, розташовані у вищевказаній другій зоні реакції, призначені для подачі тепла для реакції розкладання частини вищезгаданого карбамату на сечовину, і напірний трубопровід для відводу другого продукту, що містить сечовину, залишковий не перетворений карбамат і надлишковий аміак, з вищевказаної другої зони реакції; і - засоби для перемішування, розташовані щонайменше у одній з вищевказаних зон - першій зоні реакції і другій зоні реакції. 8. Секція реакції за п. 7, що включає, крім того, третю зону (S3) реакції або зону випарювання; засоби для подачі потоку вищевказаного другого рідкого продукту з другої зони (S2) у вищевказану третю зону (S3); засоби для нагріву у вищевказаній третій зоні; на розсуд, трубопровід для додавання середовища для випарювання у вищевказану третю зону; засоби для перемішування, щоб підтримувати рідку фазу у вищевказаній третій зоні реакції у стані перемішування. 9. Секція реакції за п. 8, що включає, крім того, газопровід (102, 231, 335) для прямого з'єднання вищевказаної третьої зони і першої зони, змонтований для повернення газового потоку аміаку і діоксиду вуглецю, виділених у третій зоні реакції, у вищевказану першу зону реакції для повторного використання. 10. Секція реакції за п. 9, причому вищевказаний газопровід змонтований для направлення вищезгаданого газового потоку близько до таких, які працюють у першій зоні реакції, засобів (217, 317) для перемішування. 11. Секція реакції за одним з пп. 7-10, причому вищевказані перша зона реакції і друга зона реакції розташовані у одному реакторі. 12. Секція реакції за одним з пп. 7-10, що включає: - перший реактор (311, 411, 511) високого тиску, що вміщає першу зону реакції і включає теплообмінник для охолодження першої зони реакції і перший імпелер для забезпечення стану перемішування рідкої фази у вищевказаній першій зоні реакції, а також - другий реактор (321, 521) високого тиску, що вміщає другу зону реакції і включає щонайменше один теплообмінник для нагріву другої зони реакції і щонайменше один другий імпелер для забезпечення стану перемішування рідкої фази у вищевказаній другій зоні реакції. 13. Секція реакції за п. 12, причому вищевказаний другий реактор (521) високого тиску включає каскад відділень (522А, 522Б, 522В), при цьому кожне відділення являє собою відповідну частину вищевказаної другої зони реакції і має відповідний теплообмінник та імпелер. 14. Секція реакції за одним з пп. 7-10, що включає: - перший реактор (311, 411, 511) високого тиску, що вміщає першу зону реакції, а також включає теплообмінник для охолодження першої зони реакції і перший імпелер для забезпечення стану перемішування рідкої фази у вищевказаній першій зоні реакції, і 12 UA 115871 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 - кілька других реакторів (421А, 421Б, 421В) високого тиску, встановлених у вигляді каскаду, причому кожен з вищевказаних других реакторів вміщує відповідну частину вищевказаної другої зони реакції і має відповідний теплообмінник та імпелер. 15. Вертикальний реактор для синтезу сечовини з аміаку і діоксиду вуглецю з використанням способу за п. 1, виконаний у вигляді вертикальної реакційної посудини (211, 1211) високого тиску, причому: - реактор високого тиску вміщує кілька зон реакції, у тому числі, щонайменше першу зону (S1) реакції і другу зону (S2) реакції; - реактор включає засоби (217, 1217, 1227а-1227г) для перемішування, встановлені щонайменше у одній з вищевказаних зон реакції - першій зоні реакції і в другій зоні реакції; - реактор включає також перші засоби (219, 1219) для теплообміну, призначені для відводу теплоти з вищевказаної першої зони реакції, і другі засоби (229, 1229) для теплообміну, призначені для подачі теплоти в другу зону реакції; - вищевказані зони реакції розташовані у реакторі високого тиску вертикально і одна над іншою, причому перша зона реакції знаходиться вище інших, і сполучаються між собою, так що потік рідини, що виходить з однієї зони (S1, S2) реакції може самопливом перетікати у зону (S2, S3) реакції, розташовану нижче; - реактор включає трубопровід для введення свіжого рідкого аміаку (213, 1213), призначений для подачі рідкого аміаку безпосередньо у першу зону реакції, і випускний трубопровід (232, 1232) для відводу вихідного потоку рідкої сечовини, який розташований під другою або нижньою зоною реакції, причому конструкція реактора розрахована на роботу з рідкою фазою, яка переміщується через реактор високого тиску низхідним потоком. 16. Реактор за п. 15, причому реактор високого тиску включає ще одну зону (S3) реакції, яка - є самою нижньою зоною реакції у реакторі високого тиску; - включає спеціальні засоби (237, 1237) для перемішування і засоби (239, 1239) для нагріву, а також - функціонує в основному як зона випарювання. 17. Реактор за п. 16, що включає зворотний трубопровід (231), призначений для направлення газового потоку, що містить аміак і діоксид вуглецю, у верхню частину реактора, з вищевказаної зони (S3) випарювання у першу верхню зону (S1) реакції. 18. Реактор за одним з пп. 15-17, причому вищевказаний трубопровід (213, 1213) для введення аміаку призначений для введення свіжого рідкого аміаку поблизу вищезазначених засобів (217, 1217) для перемішування. 19. Реактор за п. 18, що включає також трубопровід (214, 1214) для введення діоксиду вуглецю, призначений для подачі діоксиду вуглецю у вищевказану першу зону реактора високого тиску і краще поблизу вищезазначених засобів для перемішування. 20. Реактор за одним з пп. 15-19, причому засоби для перемішування виконані у вигляді робочих коліс з лопатями, а засоби для нагріву - у вигляді обігрівальних змійовиків. 21. Реактор за п. 20, причому вищевказані робочі колеса з'єднані із загальним валом (1217б), який проходить уздовж усього реактора високого тиску. 22. Реактор за одним з пп. 15-21, до складу якого входять кілька відділень всередині реактора високого тиску, причому ці відділення розташовані вертикально одне над іншим і розділені горизонтальними перегородками (230, 1230), у якому кожна з вищевказаних зон реакції (S1, S2, S3) утворена одним або кількома вищезазначеними відділеннями. 23. Реактор за одним з пп. 15-22, причому кожне відділення має засоби, призначені для перемішування і нагрівання. 24. Реактор за п. 23, що включає: - верхнє відділення, що визначає межі першої зони (S1) реакції; - кілька проміжних відділень, що визначають межі другої зони (S2) реакції; - нижнє відділення, що визначає межі зони (S3) випарювання. 25. Спосіб модернізації вертикального реактора для синтезу сечовини з аміаку і діоксиду вуглецю, виконаного у вигляді вертикальної реакційної посудини (211, 1211) високого тиску, причому цей спосіб включає наступні стадії: - реактор високого тиску поділяють на кілька зон реакції, що включають щонайменше першу зону (S1) реакції і другу зону (S2) реакції; - щонайменше у одній з вищевказаних зон реакції - першій зоні реакції і другій зоні реакції встановлюють засоби (217, 1217, 1227а-1227г) для перемішування; - для відводу теплоти з вищевказаної першої зони реакції встановлюють перші засоби (219, 1219) для теплообміну, а для подачі тепла в другу зону реакції встановлюють другі засоби (229, 1229) для теплообміну; 13 UA 115871 C2 5 - вищевказані зони реакції розміщують у реакторі високого тиску вертикально і одну над іншою, причому перша зона реакції розташовується вище інших, при цьому вищевказані зони реакції сполучаються між собою, так що потік рідини, що виходить з однієї зони (S1, S2) реакції, може самопливом перетікати у зону (S2, S3) реакції, розташовану нижче; - для подачі рідкого аміаку безпосередньо у першу зону реакції монтують трубопровід (213, 1213) для введення свіжого рідкого аміаку, а для відводу вихідного потоку рідкої сечовини випускний трубопровід (232, 1232), який розташовують під другою або нижньою зоною реакції; - таким чином, конструкція модифікованого реактора розрахована на роботу з рідкою фазою, яка проходить через реактор високого тиску низхідним потоком. 14 UA 115871 C2 15 UA 115871 C2 16 UA 115871 C2 17 UA 115871 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 18

Дивитися

Додаткова інформація

Назва патенту англійською

A process for synthesis of urea and a related arrangement for a reaction section of a urea plant

Автори англійською

Sioli, Geancarlo, Cavuoti, Giacomo

Автори російською

Сьоли Джанкарло, Кавуоти Джакомо

МПК / Мітки

МПК: C07C 273/04

Мітки: реакційної, установки, секції, сечовини, синтезу, одержання, компоновка, спосіб, відповідна

Код посилання

<a href="http://uapatents.com/20-115871-sposib-sintezu-sechovini-i-vidpovidna-komponovka-reakcijjno-sekci-ustanovki-dlya-oderzhannya-sechovini.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Спосіб синтезу сечовини і відповідна компоновка реакційної секції установки для одержання сечовини</a>

Подібні патенти