Некаталитический способ получения меламина повышенной чистоты при высоком давлении

 

Описывается способ получения твердого меламина с чистотой более 99% путем проводимого в реакторе пиролиза мочевины под давлением примерно от 1700 до 3500 фунтов на квадратный дюйм и температуре примерно от 670 до 850°F, с последующей подачей под давлением продукта реакции, содержащего жидкий меламин, CO₂ и NH₃, в виде смешанного потока в сепаратор, в котором поддерживаются практически те же значения давления и температуры, что и в реакторе, и разделением его на отходящие газы CO₂ и NH₃, содержащие пары меламина, жидкий меламин, при этом отходящие газы подают в скруббер, в котором поддерживаются те же самые значения температуры и давления, что и в сепараторе, промывают расплавленной мочевиной для их охлаждения и удаления из них меламина с последующим выводом CO₂ и NH₃ из скруббера при температуре примерно от 350 до 450^oF, а также для предварительного нагрева мочевины с последующей подачей последней снова в реактор, а жидкий меламин подают в холодильник со снижением избыточного давления и резко охлаждают жидкой средой, которая образует газ при температуре указанного жидкого меламина в холодильнике. Способ отличается тем, что в холодильнике поддерживается давление, превышающее 600 фунтов на квадратный дюйм. Технический результат - повышение выхода и чистоты целевого продукта, а также упрощение процесса. 4 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

Изобретение относится к некаталитическому безводному способу получения меламина из мочевины при высоком давлении, отличающемуся тем, что меламин получают непосредственно в виде сухого порошка без промывки или рекристаллизации. Более конкретно настоящее изобретение относится к способу, обеспечивающему получение меламина с чистотой 99,0% и выше.

Меламин получают в промышленных масштабах путем нагревания мочевины, при этом продуктами данного процесса являются меламин, аммиак и двуокись углерода. Основная реакция протекает следующим образом: Промышленные способы получения меламина из мочевины реализуются либо при высоком давлении без катализатора, либо при низком давлении с использованием катализатора, в частности окиси алюминия. Обычно в каталитических способах при низком давлении меламин получают в неочищенной форме, а затем подвергают рекристаллизации с использованием химической обработки, обеспечивая при этом чистоту меламина, равную практически 100%. Аналогичные операции химической обработки и рекристаллизации использовались при очистке меламина, полученного некаталитическим способом при высоком давлении.

Патент США N 4565867, который был выдан 21 января 1986 года и права на который переданы правопреемнику настоящей заявки, описывает способ с применением высокого давления, при котором меламин получают с относительно высокой чистотой и используют в такой форме без химической обработки или рекристаллизации. Способ обладает высокой экономичностью и обеспечивает получение дешевого меламина. Согласно этому способу расплав мочевины подают в скруббер под давлением примерно от 1500 до 2500 фунтов на квадратный дюйм, предпочтительно примерно от 1700 до 2200 фунтов на квадратный дюйм при температуре выше точки плавления мочевины. В скруббере жидкая мочевина контактирует с отходящими реакторными газами, которые состоят в основном из CO₂ и NH₃ и содержат меламин. В расплавленном состоянии мочевина очищает отработанные газы от меламина. При этом отработанные газы охлаждаются от температуры реактора, т.е. примерно от 670 - 800^oF, до примерно 350 - 450^oF. Значения температуры и давления взаимосвязаны. Если давление близко к нижней границе указанного диапазона, т.е. от 1500 до 1700 фунтов на квадратный дюйм, минимальная температура скруббера будет изменяться в пределах от 350 до 360^oF. Если же давление в скруббере близко к верхней границе диапазона, т.е. от 2000 до 2200 фунтов на квадратный дюйм, минимальная температура скруббера будет изменяться в пределах от 360 до 380^oF. При температуре ниже указанного минимума происходит конденсация аммиака и CO₂ на дне скруббера с возможным образованием вредного карбамата. Согласно эмпирическому правилу, чем выше давление, тем выше должна быть минимальная температура. При температуре более 500^oF мочевина может реагировать с образованием промежуточных соединений. Эти соединения могут быть вредными.

Система снабжена газовым сепаратором, в котором жидкий меламин отделяется от отходящих газов, при этом жидкий меламин собирается на дне сепаратора. В сепараторе поддерживается температура, превышающая точку плавления меламина. Газообразные аммиак и двуокись углерода, насыщенные парами меланина, выводят через верхнюю часть и подают в скруббер с мочевиной. Жидкий меланин выводят из газового сепаратора по регулируемому уровню и подают в холодильник.

Уникальной особенностью способа, описанного в патенте .867, является наличие холодильника, в котором жидкий меламин, поступающий из сепаратора, оказывается без избыточного давления и быстро охлаждается жидкой средой, превращающейся в пар при температуре жидкого меламина. За счет применения быстрого сброса давления и резкого охлаждения жидкий меламии превращается непосредственно в твердый порошок, который имеет высокую чистоту и не требует промывки или дальнейшей очистки. Как описано в патенте 867, жидкий охлаждающий агент представляет собой жидкость с низкой температурой кипения, которая превращается в газ, легко отделяемый от твердого продукта - меламина. в качестве такого охлаждающего агента могут использоваться аммиак, вода или спирт с низкой температурой кипения. Как далее указано в патенте . 867, давление охлаждающего агента может быть равно атмосферному давлению или составлять примерно до 600 фунтов на квадратный дюйм. Согласно патенту .867, предпочтительно использовать давление примерно от 200 до 400 фунтов на квадратный дюйм и температуру от 120 до 165^oF. В описанном процессе указанное выше давление является одинаковым в скруббере, реакторе и газовом сепараторе. Отходящие газы, выводимые из реактора, имеют температуру, которая поддерживается в реакторе и сепараторе до тех пор, пока они не поступят в скруббер, где они охлаждаются при взаимодействии с расплавленной мочевиной. Жидкий меламии, выходящий из газового сепаратора, поступает в холодильник при температуре, которая поддерживается в реакторе и газовом сепараторе.

Продукт, получаемый согласно способу патента .867, как указано в описании патента, имеет чистоту содержания меламина от 96 до 99,5% и невысокий уровень примесей мелема и мелама. Однако при использовании этого способа в промышленных условиях получается меламин с чистотой около 97,5%, основными примесями которого являются мелем, мелам, уредиомеламин и аммелин. Хотя данный продукт применяется в большинстве случаев как меламин, в отдельных областях его применение ограничено из-за наличия примесей. В способах получения меламина при высоком давлении, отличных от описанного в патенте .867, примеси удаляют путем химической обработки с последующей рекристаллизацией. При этом примеси превращают в компоненты, которые можно удалить из продукта либо фильтрацией, либо осаждением, либо обоими способами. Это приводит к увеличению трудоемкости способа получения меламина из мочевины за счет удаления указанных примесей, а также к повышению затрат на утилизацию, связанных с необходимостью удаления отходов от фильтрации.

В соответствии с этим существует потребность в способе получения более чистого меламина, а именно 99 и более процентов, в промышленных условиях без применения рекристаллизации или необходимости удаления побочных продуктов.

Основной задачей настоящего изобретения является способ непосредственного получения меламина высокой чистоты в результате безводного синтеза при высоком давлении, который не требует удаления примесей или выполнения дорогостоящей операции рекристаллизации.

Указанная выше задача, а также другие задачи настоящего изобретения, выполняются путем охлаждения продукта в холодильнике непрерывного действия в сочетании с приложением высокого давления в некаталитической системе, в частности, по регламенту Melamine Chemicals, inc., "Безводный синтез меламина при высоком давлении", изложенный в патенте .867, который приводится здесь в качестве ссылки.

Таким образом, согласно настоящему изобретению расплавленный или жидкий меламин выводят из газового сепаратора и подают в холодильник. В холодильнике жидкость оказывается без избыточного давления и быстро охлаждается жидкой средой, представляющей собой пар в условиях холодильника, предпочтительно - аммиак. При этом образуется сухой порошкообразный меламин. Меламин выводят через нижнюю часть холодильника. В холодильнике предпочтительно поддерживают температуру ниже, чем точка плавления меламина и температура протекания реакции с мочевиной. Минимальной является температура равновесия между паровой и жидкой фазами охлаждающей жидкости.

Давление в холодильнике является критической характеристикой настоящего изобретения вместе с быстрым охлаждением меламина. Так, оказалось, что если в холодильнике поддерживать не атмосферное давление или давление примерно до 600 фунтов на квадратный дюйм, а давление, по меньшей мере равное 600 фунтам на квадратный дюйм, то при этом предотвращается образование мелама, мелема и других примесей и получается меламин с чистотой 99 и более процентов, предпочтительным является давление от 1200 до 1600 фунтов на квадратный дюйм. Теоретически предполагается, что высокое давление предотвращает побочные реакции и дезаминирование в то время, как происходит быстрое охлаждение, и тем самым препятствует образованию всех нежелательных примесей.

После общего описания изобретения подробное описание предпочтительного варианта реализации следует со ссылкой на прилагаемые фигуры. Одинаковые номера на фигурах обозначают одинаковые элементы.

На фиг. 1 изображена схема технологического процесса получения меламина из мочевины согласно настоящему изобретению.

На фиг. 2 представлен вертикальный разрез холодильника.

Технологический поток на фиг. 1 схематично иллюстрирует настоящее изобретение. Мочевину подают по трубопроводу 20 в скруббер 22 при температуре, превышающей точку плавления мочевины и предпочтительно равной примерно 280^oF, под давлением примерно от 1700 до 3500 фунтов на квадратный дюйм. Кроме того, в скруббер 22 из сепаратора 24 по трубопроводу 23 непрерывно поступают отходящие газы. Отходящие газы, которые в основном состоят из аммиака, двуокиси углерода и меламина, находятся при температуре примерно от 700^o до 800^oF и под давлением примерно от 1700 до 3500 фунтов на квадратный дюйм, т. е. при условиях, существующих в реакторе и сепараторе. Газовый поток, выходящий из сепаратора, состоит приблизительно из 45-65% аммиака, 30-50% двуокиси углерода и 3-10% меламина. Расплавленная мочевина используется для "вымывания" меламина из отходящих газов, отдавая свою тепловую энергию для предварительного нагрева поступающей мочевины и понижая температуру отходящих газов примерно до 350-450^oF. Мочевина, содержащая меламин, осаждается на дне скруббера 22. Очищенные газообразные аммиак и двуокись углерода при пониженной температуре выводятся по трубопроводу 26 к агрегату для получения мочевины для использования в процессе получения мочевины или к любому другому агрегату, где применяется смесь NH₃CO₂ или производится разделение указанных газов для последующего использования аммиака.

Осадок, образующийся в скруббере, выводят через нижнюю часть скруббера и подают по трубопроводу 27 с помощью насоса 28 в реактор 29 при температуре примерно от 350^oF до 450^oF под давлением примерно от 1700 до 3500 фунтов на квадратный дюйм. Горячий аммиак, который подают по трубопроводу, отходящему от дна скруббера, обеспечивает продувку, препятствующую засорению реактора, и избыточное количество аммиака для взаимодействия с любым дезаммонирующим веществом, которое может присутствовать. В реакторе также поддерживают рабочую температуру примерно от 700^oF до 800^oF и давление примерно от 1700 до 3500 фунтов на квадратный дюйм. Реактор, изготовленный из углеродистой стали с титановым покрытием и устойчивый к коррозии, предпочтительно содержит средство для циркуляции реагента в реакторе. Предпочтительная температура реактора составляет около 770^oF, а предпочтительное давление - 2000 фунтов на квадратный дюйм. Температуру в реакторе регулируют обычными системами терморегулирования, включающими термопары.

Продукт, образующийся в реакторе и состоящий в основном из аммиака, двуокиси углерода и меламина, подают в газовый сепаратор 24. Продукт реакции поступает в верхнюю часть сепаратора. Газообразные побочные продукты, состоящие из аммиака, двуокиси углерода и меламина, выводят из верхней части сепаратора и подают по трубопроводу 23 в скруббер 22. Жидкий меламин выводят из нижней трети сепаратора, регулируя процесс индикатором уровня при температуре примерно от 700^oF до 800^oF и давлении примерно от 1700 до 3500 фунтов на квадратный дюйм, и подают через трубопровод 36 в холодильник 38.

Холодильник содержит три камеры 45, 46, 47. Жидкий меламин по трубопроводу 36 через клапан 44 подают в камеру 45 одновременно с жидким аммиаком, который поступает в камеру 45 по трубопроводу 40 для быстрого охлаждения жидкого меламина с целью получения меламина в твердом состоянии. Аммиак охлаждается и рециркулирует из камеры 45 через клапан 51. Давление в камере 45 после быстрого охлаждения составляет примерно 1200 фунтов на квадратный дюйм, а температура от 350^oF до 450^oF. Давление в камерах 45 и 46 выравнивают за счет подачи паров аммиака в камеру 46 через клапан 50. Когда две камеры находятся под одинаковым давлением твердый меламин проходит из камеры 45 в камеру 46 через клапан 50. После того, как твердый меламин окажется в камере 46 под давлением примерно 1200 фунтов на квадратный дюйм, клапан 51 закрывается и давление в камере 46 понижают до атмосферного путем выпуска аммиака через клапан 53 для рециркуляции. После этого открывается клапан 54, и твердый меламин проходит в камеру 47. Твердый меламин непрерывно удаляют из камеры 47 через шаровой затвор, управляемый регулятором уровня 64. Готовый меламин подается через шаровой затвор 60 на соответствующий транспортер 66 для последующей расфасовки в мешки или аналогичной операции.

Эффективность описанного способа определяется данными, приведенными далее в таблице А. Так, под N 1 в таблице А указан способ, описанный в патенте . 867, когда холодильник находится под давлением примерно 600 фунтов на квадратный дюйм и при температуре примерно 150^oF. Примеры NN 2-6 соответствуют настоящему изобретению, когда давление в холодильнике составляет от 800 до 1400 фунтов на квадратные дюйм и при температуре примерно от 350^oF до 450^oF. Как видно из приведенных данных, содержание примесей существенно снижено. Такой уровень снижения примесей является удивительным и неожиданным, учитывая обеспечение большей производительности промышленной системы.

ПРИМЕРЫ В реактор подавали расплавленную мочевину при температуре 140^oC. В реакторе температура составляла 400^oС, а давление 13,5 МПа. Получили расплавленный меламин и подавали его в сепаратор газ/жидкость, работающий при том же давлении, что и реактор. Расплавленный меламин отделялся от аммиака и углекислого газа и очищался аммиаком (2 Моля аммиака на 1 Моль меламина). Расплавленный меламин подавали в сосуд-холодильник, где меламин охлаждался путем введения жидкого аммиака с помощью распылителя. Количество жидкого аммиака составляло 2 Моля NH₃ на 1 Моль меламина. Значения чистоты меламина при различных значениях температуры в сосуде-холодильнике T и давления P приведены в Таблице 1. Сравнительный пример 1 приведен в качестве базового для оценки результатов.

Настоящее изобретение относится не к какому-либо специфическому высокотемпературному способу, а предпочтительно к способу описанному в патенте . 867, использующему высокое давление. Однако изобретение может быть применимо и в других некаталитических системах высокого давления.

Как очевидно для специалиста в данной области, различные видоизменения могут быть сделаны в пределах приведенного выше описания. Такие видоизменения лежат в пределах возможностей специалиста в данной области, являются частью настоящего изобретения и включаются в прилагаемую формулу изобретения.

Формула изобретения

1. Способ получения твердого меламина с чистотой более 99% путем проводимого в реакторе пиролиза мочевины под давлением примерно от 1700 до 3500 фунтов на квадратный дюйм и температуре примерно от 670 до 850^oF, с последующей подачей под давлением продукта реакции, содержащего жидкий меламин, CO₂ и NH₃, в виде смешанного потока в сепаратор, в котором поддерживаются практически те же значения давления и температуры, что и в реакторе, и разделением его на отходящие газы CO₂ и NH₃, содержащие пары меламина, и жидкий меламин, при этом отходящие газы подают в скруббер, в котором поддерживаются те же самые значения температуры и давления, что и в сепараторе, промывают расплавленной мочевиной для их охлаждения и удаления из них меламина с последующим выводом CO₂ и NH₃ из скруббера при температуре примерно от 350 до 450^oF, а также для предварительного нагрева мочевины с последующей подачей последней снова в реактор, а жидкий меламин подают в холодильник со снижением избыточного давления и резко охлаждают жидкой средой, которая образует газ при температуре указанного жидкого меламина в холодильнике, отличающийся тем, что в холодильнике поддерживается давление, превышающее 600 фунтов на квадратный дюйм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в реакторе, сепараторе и скруббере поддерживают давление от 1700 до 3500 фунтов на квадратный дюйм и температуру от 700 до 850^oF.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанная жидкая среда для резкого охлаждения жидкого меламина представляет собой безводный жидкий аммиак.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в холодильнике поддерживают давление от 1000 до 2500 фунтов на квадратный дюйм и температуру от 350 до 450^oF.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что в холодильнике поддерживают давление примерно от 1000 до 1600 фунтов на квадратный дюйм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4