Способ и устройство для производства меламина в однофазном трубчатом реакторе

Изобретение относится к способу и устройству для производства меламина путем термической конверсии мочевины и может быть использовано в химической промышленности. Способ отличается тем, что реакция превращения мочевины в меламин проводится, по меньшей мере, частично в условиях, при которых, по меньшей мере, один реагент, промежуточный и/или конечный продукт находится в надкритическом состоянии при температуре, по меньшей мере, 350°С и при давлении выше 550 бар, и смесь, по меньшей мере, один реагент, промежуточный и/или конечный продукт формируют существенно однородную фазу, и все реагенты, промежуточные и/или конечные продукты полностью растворены. Технический результат - разработка нового экономичного способа производства меламина, позволяющего использовать компактный реактор. 14 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к процессу, изложенному в преамбуле Пункта 1, и устройству, изложенному в преамбуле Пункта 14.

Свойствами, характеризующими любое чистое вещество, являются критическая температура, критическое давление и критический объем. Когда вещество находится в надкритическом состоянии, не существует разделения между жидкой фазой и газообразной фазой. Жидкость в надкритическом состоянии ведет себя особым образом. Например, вещество в надкритическом состоянии может обладать вязкостью газа при плотности жидкости. Изменения давления и температурных условий обычно позволяют оказывать требующееся влияние на свойства текучести вещества в широких пределах.

В смеси надкритических веществ (например, аммиака и диоксида углерода) с веществами в подкритическом состоянии (в зависимости от температуры, например, меламином) полная смешиваемость может приводить к свойствам смеси, которые соответствуют свойствам вещества в надкритическом состоянии. Это означает, что смесь будет находиться в однофазной форме.

Известно (см., например, Ullman's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5^th edition, vol. A16, стр.171 и далее), что меламин можно получать термической конверсией в соответствии с реакцией

6H₂N-CO-NH₂→С₃Н₃(NH₂)₃+6(NH₃)+3CO₂

В этой реакции используется расплавленная мочевина (Т_плавл=132°С). Продуктами реакции являются меламин, аммиак и диоксид углерода. Аммиак и диоксид углерода указываются далее вместе как отходящий газ.

В принципе существует два процесса получения меламина, процесс при высоком давлении без катализатора и каталитический процесс при низком давлении.

В процессах при низком давлении реакция в газоворй фазе проходит при давлении, обычно равном 10 барам, и температурах между 390 и 410°С. В процессах при высоком давлении реакция в жидкой фазе проходит при температурах между 370 и 425°С и давлении между 70 и 150 бар.

В обоих вариантах процесса недостатком является то, что получаются большие количества отходящего газа. В связи с тем, что эти вещества находятся в газовой фазе в условиях реакции, ректор должен конструироваться в достаточно больших размерах. Учитывая, что реакционная смесь является высоко коррозионной, приходится изготовлять реакционные сосуды относительно больших размеров из специального материала, например титана.

Использование компактного трубчатого реактора в таких условиях не является выходом из положения в связи с тем, что отходящий газ очень быстро вытесняет непреобразованную мочевину из реактора. В реакторе будет двухфазная смесь. Кроме того, термический переход в таких условиях проходит плохо, и поэтому требуются очень большие площади, чтобы передать большое количество теплоты для реакции, что еще больше усложняет реакторы.

Целью данного изобретения является предложение способа и устройства, благодаря которым можно осуществить более эффективную реакцию получения меламина.

Эта цель достигается в соответствии с данным изобретением с помощью способа, обладающего признаками, изложенными в п.1 формулы изобретения.

В соответствии с данным изобретением реакции превращения мочевины протекают, по меньшей мере, частично в условиях, при которых, по меньшей мере, один реагент, промежуточный или конечный продукт, находится в надкритическом состоянии. Эта смесь, по меньшей мере, одного реагента, промежуточного и/или конечного продукта, также формируется в существенно однородную фазу, и все реагенты, промежуточные и/или конечные продукты в особенности полностью растворены.

Использование "надкритической смеси" позволяет установить монофазное состояние, благодаря которому объем реактора может быть значительно уменьшен.

Это позволяет экономить материалы и пространство для реактора. Это также приводит к улучшению ситуации с точки зрения безопасности, так как количество вещества, находящегося под высоким давлением, сокращается. Высокое давление способствует также получению меламина улучшенного качества, так как сокращается пропорция побочных продуктов. Свойства вещества в надкритическом состоянии при соответствующем расходе потока, который достигается при приемлемом снижении давления благодаря свойствам этих веществ, приводит к очень высокому коэффициенту теплопередачи, что позволяет подавать требующуюся для реакции энергию через относительно небольшие площади поверхности стенки трубы.

Преимущественно реакция должна протекать, по меньшей мере, частично при давлении выше 550 бар, в частности между 600 и 800 бар. В преимущественном случае реакция протекает, по меньшей мере, частично при температуре, по меньшей мере, 350°С, в частности при 400°С.

В преимущественном воплощении процесса в соответствии с настоящим изобретением реакция происходит в непрерывном трубчатом реакторе. Особенно преимущественно, когда трубчатый реактор, по меньшей мере, частично нагрет до достижения температуры реакции.

Преимущественно также, когда в качестве реагента используется жидкая мочевина.

Достижение необходимого для реакции давления преимущественно достигается по потоку реактора с помощью насоса высокого давления, подающего жидкую мочевину.

В другом преимущественном воплощении способа в соответствии с данным изобретением продукт реакции из реактора подается в декомпрессионную емкость для снижения давления и отверждения меламина, где давление менее 200 бар, в частности атмосферное давление.

Декомпрессия с очень высокого давления приводит к существенному охлаждению. Преимущественно декомпрессионная емкость выполняется с возможностью нагрева.

Представляется преимущественным, когда отходящий газ, формирующийся в декомпрессионной емкости, имеет, по меньшей мере, такое же давление, которое поддерживается при синтезе мочевины, чтобы он мог подаваться в установку синтеза мочевины.

Преимущественно также, когда изобретенное устройство имеет декомпрессионное устройство, особенно клапан для регулирования декомпрессии в декомпрессионной емкости.

В дополнение, преимущественно, когда в реакторе имеется регулирующее устройство для регулировки давления, особенно когда регулирующее устройство давления в реакторе соединено с декомпрессионным устройством.

Цель достигается также, когда устройство имеет признаки, изложенные в п.13, где реактор сконструирован как трубчатый реактор для условий проведения реакции в надкритическом состоянии. Такой реактор может иметь очень компактную конструкцию.

В преимущественном случае трубчатый реактор выполняется с использованием титанового сплава, чтобы он был защищен от вызывающей коррозию среды.

Преимущественно также, когда изобретенное устройство имеет декомпрессионное устройство для декомпрессии продуктов реакции с помещением их в декомпрессионную емкость.

Изобретение рассматривается далее со ссылками на фигуры, относящиеся к рабочему примеру. На фигурах показано:

Фиг.1 - схема процесса получения меламина в надкритическом состоянии;

Фиг.2a-2d - замеры изменения объема как функции давления.

На Фиг.1 показано одно из воплощений способа в соответствии с изобретением. Это производство меламина (2,4,6-триамино-1,3,5-триазин, С₃N₆Н₆) из мочевины (карбамид, CO(NH₃)₂).

Для этого мочевина сначала загружается в резервуар 1 и поставляется в соответствии с требованиями в реактор 4.

Мочевина в резервуар 1 сначала нагревается до температуры, которая несколько выше 132°С. После этого давление расплава мочевины доводится насосом 3 высокого давления (например, мембранно-плунжерным насосом или шестеренчатым насосом) до уровня, который достаточен для того, чтобы реакция в реакторе 4 могла проходить в существенно монофазовом режиме.

Фазовое состояние можно определять путем измерения изменения объема как функции температуры при постоянном давлении. При низких постоянных давлениях (например, 130 бар), т.е., когда присутствует двухфазовая смесь, можно наблюдать резкое увеличение объема с ростом температуры; происходит формирование газовой фазы. Когда такие измерения проводятся при высоком давлении (например, 800 бар), то можно видеть, что объем увеличивается с ростом температуры без резкого скачка; формирования новой фазы не происходит. В дополнение количество теплоты, требующейся для нагрева, может определяться с помощью калориметра.

Для достижения однофазного состояния давление в реакторе должно быть выше 550 бар, преимущественно оно должно быть в пределе от 600 до 800 бар.

Для достижения существенного уровня конверсии реактор 4 нагревается до, по меньшей мере, 350°С, преимущественно до 400°С. Для этого реактор 4 доводится до температуры, требующейся для процесса вдоль его длины с помощью нагревателя 41. В этих условиях реакционная смесь находится в одной фазе. В этом случае поток регулируется как пробковый режим, чтобы можно было установить интенсивную теплопередачу.

Отходящий газ, который в других случаях присутствует как вторая фаза, является частью реакционной смеси, имеющей свойства, соответствующие надкритическому состоянию. Реактор 4 конструируется как непрерывный трубчатый реактор.

На выходе из реактора 4 продукты реакции (меламин, аммиак, двуокись углерода, NH₂COONH₄, NH₂CONH₂, остатки мочевины (например, 15%)) проходят через декомпрессионное устройство 5 в декомпрессионную емкость 6.

Декомпрессионное устройство 5 сконструировано как клапан. Декомпрессия продуктов реакции приводит к определенному давлению в декомпрессионной емкости 6. Можно выбрать низкое давление, чтобы снизить расходы производства, но можно выбрать давление около 200 бар для того, чтобы направлять отходящие газы обратно в установку получения мочевины. Возможно также, например, охлаждение в аммиаке или воде.

Температура в декомпрессионной емкости 6 может выбираться между комнатной температурой и температурой гидролиза или декомпозиции меламина. Меламин очень быстро отверждается или он может растворяться в охлаждающей среде. Декомпрессионная емкость 6 оборудуется нагревательным устройством, которое позволяет нагревать или охлаждать в зависимости от потребности. Нагревание может влиять, например, на физическое состояние меламина в широких пределах.

Клапан 5 служит приводом для регулировочного устройства 42, которое выполнено как устройство пропорционально-интегрального регулирования. В принципе могут, конечно, использоваться другие регулирующие механизмы, например системы многопараметрической регулировки. Не показан также защитный клапан или защитная регулировочная система, которая в некоторых условиях требуется.

После декомпрессии отходящие газы в газообразном состоянии удаляются из верхней части декомпрессионной емкости 6. Когда декомпрессионная емкость 6 нагрета до требующегося уровня, карбамат (NH₂COONH₄) может термически распадаться на диоксид углерода и аммиак (отходящий газ). При соответствующем уровне давления в декомпрессионной емкости 6 отходящий газ может рециклироваться в секцию с высоким давлением, где осуществляется синтез мочевины.

Составляющие, которые находятся в твердом состоянии или уходящие с охлаждающей средой (меламин, NH₂COONH₄, NH₂CONH₂) из декомпрессионной емкости 6, затем направляются для дальнейшей стадии 7 обработки, например для стадии очистки или стадии рециклирования, которые здесь не показаны, и для промывки.

Фиг.2a-2d показывают результаты измерений, которые были проведены в процессе получения меламина в присутствии аммиака и диоксида углерода. На каждой фигуре показано изменение объема как функции температуры. Давление в каждом случае поддерживалось постоянным.

При самом низком давлении 130 бар (Фиг.2а) можно видеть, что происходит значительное увеличение объема выше приблизительно 265°С, т.е. происходит формирование второй, газовой фазы. При другом давлении 350 бар (Фиг.2b) подъем давления при температуре выше 300°С уже не так сильно выражен, градиент их меньше. Эта тенденция продолжается при давлении 600 бар (Фиг.2с). Испарение может происходить в пределах от 300 до 350°С.

На последней Фиг.2d показан рост давления при давлении 800 бар. На этой фигуре практически невозможно заметить резкого увеличения объема. Это указывает на то, что смесь реагентов, промежуточные и конечные продукты формируют существенно однородную смесь, объем которой растет с увеличением температуры относительно равномерно.

Применение изобретения не ограничивается указанными выше преимущественными примерами. Можно предложить различные варианты применения процесса и устройства в соответствии с данным изобретением, даже в том случае, когда такие применения имеют фундаментально отличающуюся природу.

Перечень позиций

1 Резервуар

3 Насос высокого давления

4 Реактор

5 Декомпрессионное устройство

6 Декомпрессионная емкость

7 Следующая стадия обработки

1. Способ получения меламина с помощью термического превращения мочевины, отличающийся тем, что

a) реакция превращения мочевины в меламин проводится, по меньшей мере, частично в условиях, при которых, по меньшей мере, один реагент, промежуточный и/или конечный продукт находится в надкритическом состоянии при температуре, по меньшей мере, 350°С и при давлении выше 550 бар, и

b) смесь, по меньшей мере, один реагент, промежуточный и/или конечный продукт формируют существенно однородную фазу, и все реагенты, промежуточные и/или конечные продукты полностью растворены.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что реакция проводится между 600 и 800 бар.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что реакция проводится, по меньшей мере, частично при температуре 400°С.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что реакция проводится в непрерывном трубчатом реакторе.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что трубчатый реактор, по меньшей мере, частично нагревается, чтобы достигнуть температуры реакции.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что мочевина используется в виде расплава.

7. Способ по п.4, отличающийся тем, что давление реагента доводится до требующегося для реакции по потоку в реакторе с помощью насоса высокого давления.

8. Способ по п.4, отличающийся тем, что продукт реакции из реактора подвергается декомпрессии для отверждения меламина в декомпрессионной емкости, в которой давление ниже 200 бар, в частности атмосферное давление.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что отходящий газ, формирующийся в декомпрессионной емкости, имеет, по меньшей мере, давление, при котором осуществляется синтез мочевины для того, чтобы он мог подаваться в установку синтеза мочевины.

10. Способ по п.8, отличающийся тем, что декомпрессионная емкость нагревается.

11. Способ по п.8, отличающийся тем, что имеется декомпрессионное устройство, особенно клапан для регулировки давления в декомпрессионной емкости.

12. Способ по п.4, отличающийся тем, что имеется регулировочное устройство для регулировки давления в реакторе.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что регулировочное устройство для давления в реакторе соединено с декомпрессионным устройством.

14. Способ по п.4, отличающийся тем, что реактор имеет конструкцию трубчатого реактора для надкритических условий реакции.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что трубчатый реактор содержит сплав титана.