Способ получения меламина, реактор
Изобретение относится к улучшенному способу получения меламина пиролизом мочевины в реакторе под высоким давлением с вертикальной центральной трубкой. Поток меламина в реакторе поднимается снизу вверх, при этом в нижней части реактора он смешивается с расплавом мочевины и NH3, поданными в реактор снизу. Меламин вытекает из верхнего конца центральной трубки, при этом часть образованного меламина стекает в кольцевое пространство между центральной трубкой и стенкой реактора, а остальная часть выводится наружу для последующей обработки, отходы газов забирают из верхней части реактора. Также предлагается реактор для проведения данного способа. Способ позволяет получать продукт с оптимальным выходом и с минимальным образованием побочных продуктов. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к способу и устройству для получения меламина пиролизом мочевины.
В способах получения меламина под высоким давлением для получения меламина мочевину подвергают эндотермической реакции в жидкой фазе. Жидкий меламин в зависимости от условий давления и температуры в реакторе дополнительно содержит различные количества растворенных NH3 и СО2, побочные продукты конденсации и не прореагировавшую мочевину. Полученный таким образом меламин затем отверждают, например, посредством резкого охлаждения водой или аммиаком, сублимацией с последующей десублимацией или сбросом давления при определенных условиях.
Применяемый реактор представляет собой обычный реакционный бак с центральной трубкой и нагревательными элементами, расположенными снаружи от центральной трубки и обеспечивающими необходимое для проведения реакции тепло. Такие нагревательные элементы представляют собой пучки труб, расположенные параллельно центральной трубке, в которых циркулирует расплав соли. Мочевину и NH3 вводят в реактор снизу. При столкновении с распределительной пластиной, расположенной под центральной трубкой, реагенты вступают в реакцию в свободном пространстве между пучками труб, в котором уже есть меламин, с разложением и выделением газов и получением меламина.
В заявке WO 99/00374 схематически представлен такой реактор, при этом направление потока расплава таково, что реакционная смесь за центральной трубкой поднимается вверх между пучками труб и разделяется там на отходы газов и жидкий меламин. Отходы газов забирают с верхней части реактора, одну часть расплава меламина удаляют из реактора переливом, а другая часть расплава меламина стекает под тяжестью вниз внутри центральной трубки.
Однако такой применяемый до сих пор тип реактора обладает тем недостатком, что пучки труб, особенно при относительно высокой производительности установки, быстро подвергаются коррозии и подлежат частой замене.
Совершенно неожиданно было выявлено, что скорость коррозии труб с солевым расплавом можно значительно снизить, если смесь мочевины с меламином будет находиться и ее разложение будет происходить не снаружи, а внутри центральной трубки. В отличие от первоначального предположения, что направление потока расплава меламина будет таким, как описано в WO 99/00374, направление потока расплава меламина в конструкции настоящего изобретения является совершенно противоположным, расплав фактически течет вверх внутри центральной трубки и вниз за ее пределами. Подача тепла, необходимого для проведения всей эндотермической реакции, осуществляется нагревательными трубами, размещенными снаружи от центральной трубы, во время движения расплава вниз, так что в нижней части реактора температура приблизительно выше на 3-30°С, а лучше на 5-15°С, чем в верхней его части. Тот факт, что температура расплава меламина в верхней части реактора, где его удаляют переливом, ниже его температуры в нижней части, дает еще одно преимущество в сравнении с конструкцией, описанной в WO 99/00374, поскольку расплав меламина в следующих секциях должен быть охлажден меньше, и при более низкой температуре достигается равновесие расплава для оптимального выхода меламина с минимальным образованием побочных продуктов.
Соответственно изобретение относится к способу получения меламина пиролизом мочевины в реакторе при высоком давлении и с вертикальной центральной трубкой с образованием расплава меламина, который отличается тем, что
- расплав меламина, циркулирующий в реакторе, смешивается в нижней части реактора с расплавом мочевины, введенным в реактор снизу, и введенным NH3,
- полученная реакционная смесь, состоящая преимущественно из меламина, NH3, CO2 и промежуточных соединений реакции, поднимается в центральной трубке снизу вверх,
- полученная реакционная смесь выходит из верхней части центральной трубки,
- разделение меламина и отходов газов происходит в верхней части реактора над центральной трубкой,
- одна часть меламина, выходящая с верхней части центральной трубки, стекает вниз в кольцевое пространство между центральной трубкой и стенкой реактора, а остальная часть вытесняется для последующей обработки,
- отходы газов выводятся с верхней части реактора.
Для проведения способа по изобретению мочевину, которую желательно пропустить через скруббер, вводят снизу в реактор с меламином в виде расплава, насыщенного аммиаком с температурой около 135-250°С. Вместе с мочевиной также снизу в реактор можно ввести NH3. В случае подачи NH3, молярное соотношение NH3 и мочевины, подающихся в реактор с меламином, составляет приблизительно 0-10 моль, лучше 0-5 моль, еще лучше около 0-2 моля NH3/моль мочевины. Давление в реакторе с меламином в зависимости от выбранного температурного диапазона составляет около 50-350 бар, предпочтительно 80-250 бар.
Температура в реакторе с меламином, в зависимости от выбранного диапазона давления, составляет порядка 320-450°С, лучше 320-400°С, еще лучше 330-380°С.
Пример реализации способа получения меламина.
7800 кг/час расплава мочевины, насыщенного аммиаком, подают снизу из скруббера, имеющего температуру 200°С в центральную трубку реактора с меламином. Вместе с расплавом мочевины подают 700 кг/час NH3 снизу в реактор. Давление в реакторе с меламином составляет 135 бар и температура составляет 380°С. При этом смесь расплава мочевины и NH3 попадают на распределительную пластину в нижней части реактора и затем или проходят мимо распределительной пластины или через отверстия или сопла распределительной пластины в направлении центральной трубки. Затем реагенты смешиваются в нижней части центральной трубки с расплавом меламина, циркулирующего в реакторе. Реагенты нагреваются в результате интенсивного перемешивания с циркулирующим расплавом меламина. При этом реакционная смесь, состоящая из меламина, NH3, CO2 и промежуточных продуктов реакции протекает снизу вверх по центральной трубке. В результате пиролиза мочевины температура расплава на верхнем конце центральной трубки оказывается примерно на 10°С ниже чем на нижнем конце трубки. Далее реакционная смесь выходит из верхней части центральной трубки. Разделение жидкого меламина и отходов газов (NH3, СО2) происходит в верхней части реактора над центральной трубкой. 4600 кг/час отходов газов выводятся с верхней части реактора. 2500 кг/час меламина непрерывно выгружаются с верхней части реактора. Жидкий меламин застывает при охлаждении водой. Полный выход составляет 98% и чистота синтезированного меламина составляет 99%. Следует отметить, что часть расплава меламина, которая не удаляется для дальнейшего смешивания, может также выводиться через боковые отверстия в центральной трубке в кольцевое пространство между центральной трубкой и внутренней стенкой реактора. Расплав меламина, двигающийся вниз, нагревается в кольцевом пространстве с помощью расплава соли, циркулирующего по вертикальным нагревательным трубкам. Нагретый расплав меламина поступает в центральную трубку через боковые отверстия, выполненные в нижней части центральной трубки.
В качестве реактора для меламина применяют реакторный бак с вертикальной центральной трубкой. Расплав мочевины вводят в центральную трубку снизу, а в случае подачи еще и NH3 его поток направляют на распределительную пластину, установленную в нижней части центральной трубки, а затем за распределительную пластину или через отверстия или сопла, размещенные в устройстве крепления, например, пластине для крепления распределительной пластины, на входной трубке для мочевины и NH3, по распределительной пластине в направлении центральной трубки. Внутри центральной трубки реагенты смешиваются с расплавом меламина, циркулирующим в реакторе и поступающим в центральную трубку снизу.
В результате интенсивного смешивания расплава значительно более прохладной мочевины с горячим циркулирующим расплавом меламина в центральной трубке, происходит нагрев реагентов и пиролиз мочевины в верхней части реактора с получением меламина и отходов газов, состоящих в основном из NH3 и СО2.
Поскольку образование меламина проходит в эндотермической реакции, количество меламина, циркулирующего в реакторе, должно быть таким большим, чтобы в результате снижения температуры меламина при смешении реагентов и во время пиролиза мочевины не возникло опасности отверждения меламина.
Нужный температурный профиль в реакторе можно установить посредством количества введенной мочевины, температурой солевого расплава и направлением циркуляции расплава соли в трубках с двойным кожухом.
Кроме того, в нижней части реактора или в самой центральной трубке можно установить приспособления, распределительные пластины или направляющие пластины для потока, которые обеспечили бы сравнительное смягчение потока при движении расплава меламина в обратном направлении из кольцевого пространства в центральную трубку, лучшее распределение потока расплава и снижение образования пузырьков в центральной трубке, а также лучшее разделение расплава меламина и отходов газов на выходе из центральной трубки и в верхней части реактора.
В верхней части реактора происходит разделение отходов газа и жидкого меламина. Расплав меламина выходит как из верхнего конца центральной трубки, так и из боковых отверстий в ней в кольцевое пространство между центральной трубкой и внутренней стенкой реактора.
Часть меламина стекает вниз в это кольцевое пространство, в то время как основной расплав вытесняется из реактора переливом и готов для дальнейшей обработки. Отходы газов непрерывно забирают с верхней части реактора, предпочтительно в направлении скруббера для мочевины. В зоне разделения между отходами газов и жидким меламином размещают экраны или решетки - зоны покоя, что способствует улучшению разделения.
В кольцевом пространстве между центральной трубкой и стенкой реактора обычно располагаются вертикальные нагревательные трубки, которые обеспечивают подачу к реактору необходимое количество тепла для проведения эндотермической реакции. Часть расплава меламина, перетекающего через центральную трубку спускается за счет более высокой плотности вниз в кольцевое пространство, вновь смешивается с введенной мочевиной в нижней части центральной трубки и это обеспечивает внутреннюю циркуляцию в реакторе.
Остальной меламин, который непрерывно переливом вытекает из реактора сверху, подвергают любой дальнейшей обработке и отверждению. Это можно провести, например, сбросом давления меламина, насыщенного аммиаком, при температуре чуть выше температуры плавления, которая находится в зависимости от давления, отверждением его в псевдоожиженном слое или резким охлаждением водой, жидким или газообразным аммиаком или сублимацией и последующей десублимацией из газовой фазы.
Другим объектом изобретения является реактор для получения меламина пиролизом мочевины, состоящий из вертикального корпуса с центральной трубкой, трубопроводами для подачи мочевины, а также NH3, с креплением в нижней части реактора, трубопроводами для стока полученного меламина и отходов газов, состоящих преимущественно из NH3 и СО2, с креплением в верхней части реактора, нагревательными устройствами и измерительными и контрольными устройствами, в частности, для измерения температуры, давления, определения количества потоков и уровня высоты расплава, отличающийся тем, что внутри центральной трубки предусмотрено одно или несколько выходных отверстий для подачи расплава мочевины и NH3.
В нижней части центральной трубки желательно установить распределительную пластину для распределения поступающей мочевины и NH3. Распределительная пластина может быть выполнена в виде плоской пластины или для лучшего распределения поднимающегося вверх потока мочевины и также поднимающегося вверх потока меламина иметь любые другие геометрические формы, такие как, например, пирамида, конус или полутарелка.
Особое преимущество дает наименьший зазор между распределительной пластиной (3) и выходным отверстием входной трубки для расплава мочевины и NH3, например, кольцевой зазор с сечением порядка 3-13 мм, или размещение отверстий или сопел в держателе, например, держателе для крепления распределительной пластины к входной трубке для мочевины и NH3. Отверстия или сопла могут иметь любую нужную геометрическую форму, быть круглыми, квадратными или в виде кольцевого зазора. Размеры отверстий или сопел таковы, чтобы обеспечить скорость поступления из них 0.2-10 м/сек, лучше 1-5 м/сек. А наиболее предпочтительно - 0.5-1 м/сек, что также обеспечивает тонкое измельчение реагентов в меламине. Такая конструкция позволяет достижение более высокой скорости подачи мочевины и NH3, что в свою очередь обеспечивает лучшее, более интенсивное и даже более однородное смешивание реагентов с вытекающим через верх расплавом меламина. После появления из входной трубки поток мочевины желательно отклонить в направлении центральной трубки так, чтобы он тек в том же направлении, что и меламин.
Движение расплава меламина, циркулирующего в реакторе, с помощью боковых отверстий в нижней секции центральной трубки можно направить из кольцевого пространства между стенкой реактора и центральной трубкой в зону смешивания с расплавом мочевины и поступающим NH3.
На Фиг.1 схематически представлен один возможный вариант реактора с плоской распределительной пластиной в центральной трубке. На Фиг.2 представлен предпочтительный вариант распределительной пластины в виде конуса и имеются пластины направления потока. На Фиг.3 в верхней части показано введение расплава мочевины во внутреннюю часть центральной трубки через сопла, а в нижней части представлено поперечное сечение. На Фиг.4 показано введение мочевины через кольцевые зазоры, представленные в поперечном сечении.
На Фиг.1-4: (1) - реактор с меламином, (2) - центральная трубка, (3) - распределительная пластина (4) - нагревательная трубка, (5) - кольцевое пространство, (6) - пластины направления потока, (7) - подающийся расплав мочевины, (8) - газообразный аммиак для подачи в реактор, (9) - отходы газов, (10) - расплав меламина для последующей обработки (11) - приспособления, (12) - экран, (13) - сопло или кольцевой зазор.
Реактор выполнен из коррозионно-стойкого материала или имеет обшивку из такого материала, как, например, титан.
В нижней части реактора, в центральной трубке и/или в зоне разделения в верхней части реактора крепятся приспособления, распределительные пластины, пластины отклонения потока или другие подходящие элементы, которые позволяют сравнительное замедление потока при обратном движении расплава меламина из кольцевого пространства в центральную трубку, лучшее смешивание мочевины и расплава меламина, сокращение в значительной степени размера пузырьков внутри центральной трубки и на выходе из нее, и лучшее разделение между расплавом меламина и отходами газов на верху реактора.
Вертикальные нагревательные трубки (4), которые обеспечивают подачу необходимого для реакции тепла и в которых циркулирует расплав соли, предпочтительно выполнены с двойным кожухом. В них расплав соли подают через внутреннее сечение трубки, а выход осуществляется через внешний кожух трубки или в обратном направлении потока.
В результате смешивания и реакции реагентов внутри центральной трубки их коррелирующее действие ослаблено в значительной степени. Например, в реакторе для меламина по настоящему изобретению, таком, как показан схематически на Фиг.1, толщина стенок нагревательных трубок (4), расположенных ближе к центральной трубке (2), уменьшается приблизительно на 0.1 мм/год при мощности 2.5 тонн меламина/час. В сравнении с этой цифрой при той же высокой производительности, но при смешивании реагентов за пределами центральной трубки (2), толщина стенок съедается на 0.9 мм/год.
Расплав меламина, циркулирующий в реакторе, служит теплопередающей средой для расплава мочевины, введенного в реактор. При этом по высоте центральной трубки устанавливается профиль сниженной температуры, соответствующий проходящей реакции пиролиза мочевины, т.е. в зоне перелива из реактора устанавливается более низкая температура, чем в нижней части реактора. Поэтому выходная температура меламина из реактора ниже, чем температура в большинстве способах получения меламина. Она составляет 330-370°С, а предпочтительно 340-370°С. Особым преимуществом обратного направления потока является низкая выходная температура расплава меламина из реактора синтеза, который можно только так провести при более низкой температуре, чем в известных способах. Реактор синтеза меламина в верхней части выполняет функцию предварительного конденсатора. Таким образом, предварительно конденсированный расплав меламина, отделенный от отходов газа, для следующих стадий обработки изначально получают с более низким содержанием побочных продуктов.
Более того, в результате чистого потока жидкости, в отличие от двухфазного потока с обратным направлением циркуляции расплава меламина, достигается снижение потери давления в кольцевом пространстве между трубками с расплавом соли, а следовательно, и повышение объема циркуляции в реакторе. И улучшается, таким образом, передача тепла от расплава соли к расплаву меламина.
С наличием приспособлений в центральной трубке появляется дополнительная возможность влиять на поток, размер пузырьков и распределение вытекающей наружу реакционной смеси, что в свою очередь позволяет улучшить передачу тепла и само полученное вещество.
1. Способ получения меламина пиролизом мочевины в реакторе под высоким давлением с наличием вертикальной центральной трубки с образованием расплава меламина, отличающийся тем, что
расплав меламина, циркулирующий в реакторе, смешивается в нижней части реактора с расплавом мочевины, введенным в реактор снизу, и введенным NH3,
полученная реакционная смесь, состоящая преимущественно из меламина, NH3, СО2 и промежуточных соединений реакции, поднимается в центральной трубке снизу вверх,
полученная реакционная смесь выходит из верхней части центральной трубки,
разделение меламина и отходов газов происходит в верхней части реактора над центральной трубкой,
одна часть меламина, выходящая с верхней части центральной трубки, стекает вниз в кольцевое пространство между центральной трубкой и стенкой реактора, а остальная часть вытесняется для последующей обработки,
отходы газов непрерывно выводятся с верхней части реактора.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расплав мочевины и NH3 подают в центральную трубку снизу.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что температура расплава меламина на верхнем конце центральной трубки ниже, чем на нижнем конце.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что расплав мочевины и газообразный аммиак, введенные в центральную трубку, попадают на распределительную пластину в нижней части центральной трубки.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что расплав меламина, циркулирующий в реакторе, поступает в центральную трубку через боковые отверстия, расположенные в нижней части центральной трубки, поднимается вверх в центральной трубке и спускается вниз в кольцевое пространство между центральной трубкой и стенкой реактора.
6. Реактор для получения меламина пиролизом мочевины, включающий вертикальный корпус с центральной трубкой, подающими трубопроводами для расплава мочевины и NH3, установленными в нижней части реактора, трубопроводами для стока образованного расплава меламина и для отвода отходов газов, состоящих преимущественно из NH3 и СО2, в верхней части реактора, нагревательными устройствами и измерительными и контрольными устройствами, в частности, для измерения температуры, давления, определения количества потоков и уровня высоты расплава, отличающийся тем, что внутри центральной трубки предусмотрено одно или несколько выходных отверстий для подачи расплава мочевины и NH3, а также приспособления для регулирования потока.
7. Реактор по п.6, отличающийся тем, что в нижней части центральной трубки над трубопроводами для подачи мочевины и NH3 установлена распределительная пластина.
8. Реактор по п.7, отличающийся тем, что для прохождения расплава мочевины и NH3 распределительная пластина снабжена одним или несколькими отверстиями, направленными к центральной трубке.
9. Реактор по п.7, отличающийся тем, что распределительная пластина выполнена в форме плоской пластины, конуса, пирамиды или полутарелки.
10. Реактор по п.6, отличающийся тем, что приспособления для регулирования потока включают средства для замедления потока, снижения образования пузырьков и улучшения смешивания расположены в центральной трубке.
11. Реактор по п.6, отличающийся тем, что приспособления для регулирования потока включают экран и зону покоя над ним, которые расположены в верхней части реактора над центральной трубкой в зоне разделения.
12. Реактор по п.6, отличающийся тем, что в нижней и/или верхней части центральной трубки имеются боковые отверстия.
