Устройство для перемешивания и растворения твердых гранул в жидкости, в особенности для производства фосфорно-азотных удобрений

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ И РАСТВОРЕНИЯ ТВЕРДЫХ ГРАНУЛ В ЖИДКОСТИ, В ОСОБЕННОСТИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ФОСФОРНО-АЗОТНЫХ УДОБРЕНИЙ(71) Заявитель Гран Паруаз С. А.(73) Патентообладатель Гран Паруаз С. А.(57) 1. Устройство для приготовления сульфомочевинного реагента для варки природного фосфата в установке для производства фосфорно-азотных удобрений путем перемешивания и растворения в жидкости , которая является раствором серной кислоты, твердых гранул мочевины , имеющих плотность ниже плотности указанной жидкости, содержащее сосуд (2) цилиндрической формы с вертикальной осью и днищем, включающий средства механического перемешивания и имеющий, по меньшей мере, один вход (4) для указанной жидкости , вход (5) для твердых гранул и выход (18) для раствора, отличающееся тем, что вход (5) для гранул в сосуд (2) расположен в верхней части над уровнемреакционной смеси (М) в этом сосуде, а средства механического перемешивания 7346 1 2005.09.30 включают турбину (11) с наклонными прямыми лопатками (12), также известную под названием турбина с саблевидными лопатками, для формирования уноса твердых гранулк днищу сосуда (2) и радиальную турбину (14) с прямыми лопатками (15), также известную под названием турбина Раштона, расположенную в сосуде на уровне ниже уровня турбины (11), для формирования в реакционной смеси движения, способствующего растворению гранул, в особенности сдвигающего движения. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что турбина (11) с саблевидными лопатками содержит четыре лопатки. 3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что радиальная турбина (14) с прямыми лопатками (15) содержит шесть лопаток. 4. Устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что обе турбины (11, 14) установлены на одном вертикальном валу (9), причем радиальная турбина (14) расположена ниже турбины (11) с саблевидными лопатками на соответствующее расстояние (Е). 5. Устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что внешний диаметр лопаток радиальной турбины (14) меньше внешнего диаметра лопаток (12) турбины (11) с саблевидными лопатками. 6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что внешний диаметр лопаток радиальной турбины (14) составляет примерно 2/3 от внешнего диаметра лопаток (12) турбины (11) с саблевидными лопатками. 7. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что главная плоскость радиальной турбины (14) расположена на некотором расстоянии (Н 2) от днища сосуда, составляющем от одной третьей до половины полной высоты (Н) уровнянад днищем сосуда (1/3 НН 2 Н/2). 8. Устройство по любому из пп. 1-7, отличающееся тем, что в крышке (3) сосуда имеется вход (6) для повторного использования фракции реакционной смеси (М), полученной в сосуде. Изобретение относится к устройству для перемешивания и растворения в жидкости гранул или твердых частиц вещества, растворимого в этой жидкости и имеющего плотность меньше ее плотности. Это устройство относится к таким устройствам, которые включают сосуд, содержащий средства перемешивания и снабженный, по меньшей мере, одним входом для жидкости, входом для твердых гранул и выходом для раствора. В особенности, но не исключительно, настоящее изобретение относится к устройству такого типа для производства фосфорно-азотных удобрений, особенно в соответствии со способом производства, описанным в заявке на Европейский патент ЕР-А-0560882( 92/10443). В этом способе предусматривается варка природного фосфата, такого как трикальцийфосфат, с сульфомочевинным реагентом, получаемым при перемешивании и растворении твердых гранул или кусков мочевины в растворе серной кислоты. Этот реагент для сульфомочевинной варки является вполне определенной эвтектической смесью, и важным является постоянное приготовление его раствора в заданных пропорциях. Эта проблема представляет собой существенную трудность, поскольку относительная плотность твердой мочевины в гранулированной форме составляет 0,6, в то время как относительная плотность раствора серной кислоты, в котором необходимо растворять гранулы мочевины, составляет 1,4. Следовательно, твердые гранулы имеют устойчивую тенденцию к всплытию, что не способствует их растворению или гомогенизации. Кроме того, необходимо, чтобы такое растворение твердых гранул происходило как можно быстрее, причем объем сосуда не должен быть слишком большим для заданного расхода раствора. Задачей настоящего изобретения является создание такого устройства, которое соответствует этим противоречивым требованиям, основанным на том, что плотность твердого 2 7346 1 2005.09.30 вещества, которое необходимо растворить, существенно ниже, в частности более чем в два раза, плотности жидкости. В соответствии с изобретением, устройство описанного выше типа для приготовления сульфомочевинного реагента для варки природного фосфата в установке для производства фосфорно-азотных удобрений путем перемешивания и растворения в жидкости, которая является раствором серной кислоты, твердых гранул мочевины, имеющих плотность ниже плотности указанной жидкости, содержащее сосуд цилиндрической формы с вертикальной осью и днищем, включающий средства механического перемешивания и имеющий,по меньшей мере, один вход для указанной жидкости, вход для твердых гранул и выход для раствора, характеризуется тем, что вход для гранул в сосуд расположен в верхней части над уровнем реакционной смеси в этом сосуде, средства механического перемешивания включают турбину с наклонными прямыми лопатками, также известную под названием турбина с саблевидными лопатками, для формирования уноса твердых гранул к днищу сосуда и радиальную турбину с прямыми лопатками, также известную под названием турбина Раштона, расположенную в сосуде на уровне ниже уровня турбины с саблевидными лопатками, для формирования в реакционной смеси движения, способствующего растворению гранул, в особенности сдвигающего движения. Турбина с саблевидными лопатками предпочтительно содержит четыре лопатки, а радиальная турбина с прямыми лопатками предпочтительно содержит шесть лопаток. Обе турбины могут быть установлены на одном вертикальном валу, причем радиальная турбина расположена ниже турбины с саблевидными лопатками на соответствующее расстояние. Внешний диаметр лопаток радиальной турбины может быть меньше внешнего диаметра лопаток турбины с саблевидными лопатками, предпочтительно внешний диаметр лопаток радиальной турбины составляет примерно 2/3 от внешнего диаметра лопаток,турбины с саблевидными лопатками. Главная плоскость радиальной турбины расположена на некотором расстоянии (Н 2) от днища сосуда, составляющем от одной третьей до половины полной высотыуровня над днищем сосуда (1/3 Н 2 Н/2). В крышке сосуда имеется вход для повторного использования фракции реакционной смеси, полученной в сосуде. Такое устройство в особенности подходит для приготовления сульфомочевинного реагента для варки природного фосфата в установке для производства фосфорно-азотных удобрений в соответствии со способом производства, описанным в заявке на Европейский патент 0 560882, при этом гранулы являются гранулами или кусками твердой мочевины, а жидкость является раствором серной кислоты. Кроме описанных выше конструкций, изобретение также относится к другим конструкциям, которые описаны ниже более подробно на примере предпочтительного варианта выполнения, ни в коей мере не ограничивающего объем изобретения, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых фиг. 1 изображает схему предлагаемого устройства,фиг. 2 изображает вертикальный продольный разрез в увеличенном масштабе сосуда устройства, показанного на фиг. 1, с внешней частью,фиг. 3 изображает вид сверху в увеличенном масштабе турбины с саблевидными лопатками,фиг. 4 изображает вертикальную проекцию в увеличенном масштабе турбины Раштона с шестью лопатками и фиг. 5 изображает вид сверху турбины Раштона, показанной на фиг. 4. На фиг. 1 показано устройство 1 для перемешивания и растворения в жидкоститвердых гранулвещества, растворимого в этой жидкости и имеющего плотность ниже ее плотности. В рассматриваемом примере твердые гранулыявляются гранулами мочены с 3 7346 1 2005.09.30 относительной плотностью 0,6, а жидкостьявляется раствором серной кислоты с относительной плотностью 1,4. Устройство 1 содержит сосуд 2 в целом цилиндрической формы с вертикальной осью и изогнутым днищем, выпуклым наружу. Сосуд 2 в верхней части закрыт съемной крышкой 3, в которой имеются вход 4 для растворасерной кислоты, вход 5 для гранулмочевины с водой и вход 6 для повторного использования фракции реакционной смеси ,полученной в сосуде 2. Поскольку растворение мочевины в серной кислоте является экзотермическим процессом, в сосуде 2 (образующем реактор, постоянно приводимый в действие) имеются две концентричные охлаждающие спирали 7 а, 7. Как показано на фиг. 2, спирали имеют витки, проходящие по существу вдоль половины высоты сосуда 2, и окружают средства А перемешивания. Витки спиралей расположены радиально в пределах противоположных лопастей или экранов 8, выполненных в виде четырех вертикальных лопастей, отстоящих друг от друга на 90 и расположенных в плоскостях, проходящих через вертикальную ось сосуда 2. Внешний вертикальный гребень лопастей 8 расположен вблизи внутренней поверхности сосуда 2. Охлаждения, обеспечиваемого спиралями 7 а, 7, достаточно для исключения повышения температуры в сосуде сверх 90, что является пределом, при превышении которого мочевина, введенная в смесь , стремится к разложению, как указано в заявке на Европейский патент 0 560882. Средства А перемешивания включают первое приспособление А 1 для перемешивания,выполненное с возможностью формирования уноса гранулк нижней части сосуда 2 в реакционной смеси , и второе приспособление А 2 для перемешивания, расположенное на уровне ниже уровня первого приспособления А 1 для перемешивания. Приспособление А 2 выполнено с возможностью формирования в смесидвижения, способствующего растворению гранул , в особенности сдвигающего движения. Первое А 1 и второе А 2 приспособления выполнены механическими в виде двух турбин различного типа, прикрепленных к одному приводному валу 9, соосному с сосудом 2. Приведение вала 9 во вращение обеспечивается приводными средствами 10, расположенными над крышкой 3 снаружи сосуда. Приспособление А 1 выполнено в виде турбины 11 с прямыми лопатками 12, главная плоскость которых наклонена по отношению к вертикальной геометрической оси вала 9. Как видно на фиг. 3, ширина лопаток 12 может постепенно уменьшаться в радиальном направлении от оси. Турбина 11 расположена по существу на середине высоты сосуда 2. Обычный уровеньреакционной смеси в сосуде 2 расположен на расстоянии 1 над главной плоскостью турбины 11. Это расстояние 1 меньше расстояния Н 1 от этой же плоскости до днища сосуда 2. Наклон лопаток 12 и направление вращения вала 9 таковы, что в реакционной смеси создается по существу осевой и, кроме того, радиальный поток, как схематично показано стрелкамина фиг. 2. Реакционная смесь приводится в движение от днища сосуда вверх во внешних радиальных зонах и от верхней части сосуда вниз в зонах, расположенных радиально ближе к внутренней части сосуда. Это движение создает возможность по существу втягивания гранул твердой мочевины, поступающих через вход 5 в верхней части сосуда, и их вовлечения в реакционную смесь. Также это движение создает возможность перемешивания добавленных жидкостей и их реагентов, уже находящихся в сосуде. В рассматриваемом примере турбина 11 или турбина с саблевидными лопатками содержит четыре лопатки 12, разнесенные в угловом направлении на 90. Хвосты этих лопаток расположены вблизи внешней поверхности вала 9 и прикреплены к втулке 13,расклиненной на этом валу. Поток, создаваемый турбиной 11, может проходить в направлении, параллельном валу 9, вблизи него. Второе приспособление А 1 для перемешивания включает радиальную турбину 14 с прямыми лопатками, прикрепленными к нижнему концу вала 9 соосно с турбиной 11. 4 7346 1 2005.09.30 Турбина 14, также называемая турбиной Раштона, содержит шесть равномерно разнесенных лопаток 15, выполненных в виде небольших пластин, расположенных в плоскостях,проходящих через геометрическую ось вала 9. Эти небольшие пластины закреплены посередине на диске 16, который они перекрывают радиально наружу практически на половине своей длины. Над диском 16 в его центре закреплена втулка 17 для установки турбины 14 на конце вала 9. Главная плоскость турбины14, соответствующая главной плоскости диска 16, расположена ближе к днищу сосуда 2, чем к уровню . Главная плоскость турбины 14 предпочтительно расположена на расстоянии Н 2 от днища сосуда, что составляет от одной третьей до половины всей высотыуровнянад днищем сосуда (1/3 Н 2 Н/2). Турбина 14 расположена ниже турбины 11 на расстояние , которое выбрано с обеспечением наилучшей эффективности растворения и гомогенизации. Благодаря своему вращению турбина 14 создает сдвигающее движение, пересекающее струи потока, создаваемого верхней турбиной 11, увлекающие твердые гранулы мочевины. Это сдвигающее движение обеспечивает эффективное растворение гранул мочевины в реагенте. Движение, создаваемое турбиной 14, также обеспечивает возможность поддержания состава реагента путем глубокой гомогенизации жидкости и твердых веществ, добавленных в сосуд 2. Если диаметр диска 16 (фиг. 4) обозначить буквой , то длинулопаток 15 преимущественно выбирают примерно равной /4, а высоту- примерно равной /5. Днище сосуда 2 включает выходное отверстие 18, снабженное фильтром 19 (фиг. 2). Для выделения из сосуда 2 сульфомочевинного варочного реагента, состоящего из раствора мочевины в растворе серной кислоты, к отверстию 18 присоединен насос 20. Трубопровод 21 (фиг. 1) направляет этот реагент к другой установке смешивающего типа (не показана), в которой природный фосфат вываривается реагентом в соответствии со способом производства, описанным в заявке на Европейский патент 0 560882. Фракция реагента, которая нагнетается насосом 20 и расход которой регулируется клапаном 22, возвращается в сосуд 2 к входу 6 через трубу 23. Как показано на фиг. 2,вход 6 включает трубу 24, снабженную погружной трубой без наконечника. Вход 4 для растворасерной кислоты также снабжен погружной трубой. Сосуд 2 снабжен датчиками или аналогичными средствами (не показаны), предназначенными для контроля параметров процесса, таких как температура, состав реакционной смеси и тому подобное. Приводные средства 10 включают понижающую передачу, внешний корпус которой показан на фиг. 2, причем привод от двигателя и ремни схематично показаны под номером 10 а позиции. На фиг. 2 на верхней части сосуда также видна вентиляционная труба . Сосуд 2 для своего крепления содержит опоры 25, расположенные на верхней части его внешней цилиндрической стенки несколько ниже крышки 3 на равных расстояниях друг от друга. Внешний диаметр лопаток турбины 14 меньше внешнего диаметра лопаток 12 турбины 11 и в частности примерно равен 2/3 этого диаметра. В примере, не ограничивающем объем изобретения, внешний диаметр лопаток турбины 14 составляет приблизительно 1 м, а внешний диаметр лопаток 12 турбины 11 - приблизительно 1,5 м. Внутренний диаметр сосуда 2 составляет примерно 3 м. Лопасти 8 выступают внутрь на радиальное расстояние, составляющее примерно 0,3 м, а две спирали 7 а, 7 имеют витки диаметром примерно 1,8 м и 2 м. Высота сосуда от днища до основания крышки составляет примерно 3,7 м, а обычный уровеньрасположен примерно на высоте 3,25 м над днищем. Работа устройства ясна из приведенного выше описания. При обычной работе в сосуд 2 через вход 4 в определенных пропорциях сверху подают серную кислоту, а твердые гранулы мочевины с водой - через вход 5. 5 7346 1 2005.09.30 Через вход 6 в верхней части сосуда повторно вводят фракцию реагента, отведенную через выход 18. Турбина 11, приводимая во вращение валом 9, создает, как уже указано выше, осевое движение реагента, что обеспечивает возможность втягивания твердых гранул в реакционную смесь и предотвращения скопления этих гранул на поверхности, обусловленного их существенно более низкой относительной плотностью. Также это движение создает возможность перемешивания добавленных жидкостей и реакционной смеси, уже находящейся в сосуде. В случае прекращения работы турбины 11 гранулы твердой мочевины плавают на поверхности более плотного реагента, и уже более не происходит получения реагента нужного состава. Первым следствием такого прекращения работы является подъем уровняв сосуде и остановка получения реагента. Нижняя турбина 14 с радиальными лопатками создает сдвигающее движение, которое обеспечивает возможность эффективного растворения в реакционной смеси твердых гранул, увлекаемых вниз движением, создаваемым турбиной 11. Турбина 14 также обеспечивает возможность поддержания состава реагента путем глубокой гомогенизации жидкости и твердых веществ, добавленных в сосуд 2. В случае прекращения работы турбины 14 твердые гранулы мочевины более не растворяются полностью и образуют толстые вязкиемассивы, способные закупорить всасывающий фильтр 19 насоса 22 и/или вызвать подъем уровняв сосуде, в результате чего также прекращается получение реагента. В обоих случаях прекращения работы турбины 11 и/или турбины 14 возникает потеря равновесия теплового баланса, а также изменение в активности реагента с очень серьезными последствиями для окончательного продукта (прекращение получения реагента,продукт, не отвечающий необходимым требованиям, и так далее). Пример и следующие за ним контрпримеры позволят лучше оценить представленное выше описание. Пример. В реактор емкостью 10000 л вводят 1100 л 92 серной кислоты в соответствии с приведенным выше описанием. Затем начинают перемешивать со скоростью 50 об/мин. После этого вводят 4,0685 т мочевины, поддерживая температуру смеси ниже 80 С (для предотвращения превращения мочевины в биурет). По окончании этой процедуры начинают контролировать температуру при 65 С (в пределах 2 С). Затем вводят 178,3 л воды для получения базового компонента, состоящего из реагента, как указано выше 3,6 моль мочевины - 1 моль серной кислоты - 1 моль воды. Затем в этот же реактор вводят совместно 6,7315 т/ч гранул мочевины, 1820 л/ч серной кислоты и 295,38373 л/ч воды. Как только уровень наполнения сосуда, составляющий 7500 л, будет достигнут, в сосуд для фосфатной варки может быть отведено 7,312 м /ч реагента. Из Израильского фосфата (, содержащий 31,1 Р 2 О 5) можно получать 15,35 т/ч фосфорно-азотных удобрений (конечный продукт, также называемый акронимом ) путем смешивания 5 т/ч фосфата с 7,312 м 3/ч реагента (то есть 10,35 т/ч реагента при 65 С) в соответствии с заявкой на Европейский патент 0 560882 ( 92/10443). Контрпримеры. 1. Указанный выше реактор оборудуют одной саблевидной лопаткой, расположенной на расстоянииот днища сосуда, равном 1/3 (одной трети) высоты сосуда. Эта лопатка обеспечивает движение жидкости вверх от днища, причем это движение обеспечивает возможностью циркуляции гранул мочевины от поверхности смеси внутрь сосуда. Однако с учетом динамики растворения этих же гранул в сульфомочевинном реагенте, как описано выше, становится необходимым увеличение времени их пребывания в сосуде и, следова 6 7346 1 2005.09.30 тельно, снижение производительности по выпуску готовой продукции(и, следовательно, введения материалов сырья). Пробные испытания показали, что если такую операцию по снижению скорости не выполнять, нерастворенные гранулы поступают в питательную жидкость смесителя реагента/фосфата и/или блокируют всасывающий патрубок насоса. Во всех случаях, поскольку реагент уже не находится в условиях химического равновесия, как описано в заявке на Европейский патент 0 560882 ( 92/10443), присутствует изменение в степени варки фосфата, и, следовательно, готовый продукт не соответствует указанной заявке на патент. Следует отметить, что с производственной точки зрения нельзя увеличивать объем сосуда (с учетом теплового баланса, размера насоса, размера перемешивателя и т.д.). 2. Указанный выше реактор оборудуют одной турбиной Раштона, установленной на высоте Н 2, равной половине высоты реактора. Эта турбина не создает достаточного вертикального движения для создания потока гранул мочевины в указанную смесь следовательно, операция останавливается на этапе получения базового компонента без обеспечения возможности образования реагента. Мочевина намокает и затем агломерируется в ком, который растворяется только по прошествии очень долгого времени (если прежде не заблокируется всасывающий патрубок насоса). Представленные выше пояснения показывают, что комбинация двух турбин 11 и 14,установленных соосно на одном валу в соответствии с основным принципом настоящего изобретения, обеспечивает возможность достижения результатов, которые являются особенно преимущественными при растворении твердого вещества в жидкости, плотность которой значительно больше плотности этого вещества. Фиг. 5 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.