СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОГО ПОЛУЧЕНИЯ МЕЛАМИНА
METHOD OF CONTINUOUS MELAMINE OBTAINING

Изобретение относится к способу непрерывного получения меламина, причем используемый в качестве исходного материала жидкий карбамид превращают в реакторе с псевдоожиженным слоем катализатора при подводе тепла и добавлении аммиака в технологический газ, состоящий главным образом из меламина, аммиака, диоксида углерода, изоциановой кислоты в качестве промежуточного продукта и побочных продуктов, который после выделения из него побочных продуктов и меламина направляют в скруббер, в котором его промывают жидким карбамидом и освобождают от изоциановой кислоты, и причем часть выходящего из скруббера технологического газа используют в указанном выше реакторе в качестве турбулизующего газа, часть используют в кристаллизаторе в качестве охлаждающего газа и часть выводят из контура циркуляции технологического газа.
Способы непрерывного получения меламина из карбамида известны. Их примером является так называемый способ низкого давления фирмы BASF, описанный в электронной версии Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 6-е издание, раздел 4.1.1, 1998.
Способ согласно уровню техники реализуют при высоких температурах в газовой фазе. При этом исходный материал (жидкий карбамид) вводят в реактор с псевдоожиженным слоем катализатора, турбулизацию которого осуществляют смесью технологических газов (аммиака и диоксида углерода), испаряют при температурах от 390 до 410°С и в присутствии алюминиевого катализатора через промежуточный продукт (изоциановую кислоту) превращают в меламин, причем в качестве других продуктов реакции образуются аммиак и диоксид углерода, а в качестве побочных продуктов Мелем и Мелам. После выхода из реактора с псевдоожиженным слоем реакционную газовую смесь сначала охлаждают до температуры около 340°С в газоохладителе, чтобы выкристаллизовать побочные продукты Мелем и Мелам, которые совместно с уносимыми из реактора частицами катализатора выделяют из газового потока посредством последовательно присоединенного газового фильтра. Затем газ поступает в кристаллизатор, в котором его охлаждают до температуры от 190 до 220°С с целью выкристаллизовывания меламина. Смесь, состоящую из остаточных газообразных компонентов, аммиака, диоксида углерода, изоциановой кислоты и выкристаллизованного порошкообразного меламина, из кристаллизатора направляют в сепаратор, в котором меламин отделяют от газа и выгружают в качестве целевого продукта. Газообразные компоненты посредством нагнетателя направляют из сепаратора в скруббер, в котором газ промывают жидким карбамидом, вымывая содержащуюся в нем изоциановую кислоту и прочие побочные продукты протекающих в реакторе с псевдоожиженным слоем реакций, которые переходят в жидкий карбамид, а следовательно, остаются в процессе. Из контура циркуляции карбамида в скруббере отбирают частичный поток, который смешивают с аммиаком и в качестве исходного материла для получения меламина направляют в реактор с псевдоожиженным слоем. Часть газовой смеси аммиака с диоксидом углерода, освобожденной в скруббере от остатков изоциановой кислоты, используют в реакторе с псевдоожиженным слоем в качестве турбулизующего газа, в то время как другую ее часть направляют в кристаллизатор в качестве охлаждающего газа для выкристаллизовывания меламина.
В скруббере технологический газ охлаждают до температуры от 135 до 143°С, поскольку пониженная температура, по возможности ненамного превышающая температуру плавления карбамида, которой соответствует интервал от 130 до 135°С, способствует максимальному превращению изоциановой кислоты в карбамид. Кроме того, возможно более низкая температура предпочтительна для использования указанной газовой смеси в качестве охлаждающего газа в кристаллизаторе.
Характерная особенность описанного выше способа низкого давления фирмы BASF состоит в том, что общее количество технологического газа после выделения меламина превышает количество газа, поступающего в орошаемый жидким карбамидом скруббер, причем остатки газообразных и твердых реакционных и побочных продуктов переходят в карбамид, и поскольку их вместе с карбамидом подают в реактор с псевдоожиженным слоем, они остаются в контуре циркуляции, не выводятся из процесса вместе с избыточным газом и пропадают. Большая часть остаточных количеств реакционных и побочных продуктов превращается в скруббере в карбамид, благодаря чему избегают повторного пропускания этих продуктов через горячий реактор с псевдоожиженным слоем, сопровождаемого образованием химических соединений, которые могли бы привести к загрязнению меламина.
Недостаток указанной обработки всего технологического газа в скруббере состоит в том, что к элементу, питающему реактор с псевдоожиженным слоем, поступает также насыщенный карбамидом технологический газ, в связи с чем на входе в указанный элемент постоянно образуются нарушающие процесс отложения карбамида.
В соответствии с другим способом получения меламина, предложенным в патенте КНР CN 1188761 A (Jiang Dazhou и другие), нежелательного образования отложений карбамида избегают, пропуская весь технологический газ, используемый в качестве турбулизующего газа, мимо орошаемого карбамидом скруббера. При этом весь выходящий из скруббера технологический газ пропускают в качестве охлаждающего газа через кристаллизатор меламина, где он нагревается до определенной температуры и поступает к элементу, питающему реактор с псевдоожиженным слоем.
Недостаток данного способа состоит в том, что температура технологического газа неизбежно соответствует преобладающей в кристаллизаторе температуре газа и не может быть установлена вне зависимости от этого условия до температуры, наиболее подходящей для работы компрессора, соответственно нагнетателя.
Ограничение верхней предельной температура газа в принципе является чрезвычайно важным фактором, влияющим на производственные издержки и эксплуатационную надежность компрессора или нагнетателя. Температура газа не должна превышать около 200°С, поскольку при более высоких температурах резко повышаются требования, предъявляемые к конструктивному исполнению питающего элемента, а следовательно, возрастают соответствующие затраты.
С учетом вышеизложенного в основу настоящего изобретения была положена задача оптимизировать способ в отношении возможности установления такой температуры газа на входе в компрессор или нагнетатель реактора с псевдоожиженным слоем, которая позволяла бы избегать как образования отложений карбамида, так и чрезмерного температурного воздействия на питающий элемент.
Указанная задача согласно изобретению решается благодаря тому, что перед скруббером отводят часть подаваемого в скруббер технологического газового потока, пропускают ее мимо скруббера и перед реактором с псевдоожиженным слоем вводят в используемый для турбулизации обработанный в скруббере технологический газовый поток. Преимущество предлагаемого в изобретении способа состоит в том, что путем регулирования соотношения между газовыми потоками можно устанавливать определенную температуру газа, а также избегать образования отложений карбамида на входе в питающий элемент и воздействия на последний чрезмерно высоких температур.
Другое преимущество настоящего изобретения по сравнению со способом низкого давления фирмы BASF состоит в том, что пропускаемый мимо скруббера технологический газ не поглощает ненужное тепло, которое подлежит возвращению в реактор. Содержащуюся в указанном частичном потоке изоциановую кислоту не превращают в скруббере в карбамид, а напротив, она может быть превращена в меламин непосредственно в реакторе с псевдоожиженным слоем катализатора. Другое преимущество изобретения состоит в том, что поскольку в орошаемый карбамидом скруббер поступает меньшее количество технологического газа, он может обладать меньшими размерами, а следовательно более экономичной конструкцией.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения отличается тем, что в трубопроводе для пропускаемого мимо скруббера частичного потока смонтирован предназначенный для охлаждения этого потока косвенный теплообменник. Охлаждение указанного потока позволяет повысить долю турбулизующего газа по сравнению с долей обрабатываемого в скруббере газа без изменения температуры газовой смеси. Благодаря этому можно осуществлять точную настройку газовой смеси с целью оптимизации процесса в отношении энергопотребления, выхода целевого продукта, степени его чистоты и образования отложений в аппаратах.
Другой предпочтительный вариант осуществления предлагаемого в изобретении способа отличается тем, что в трубопровод для частичного потока подают аммиак. Подачу аммиака осуществляют в качестве альтернативы или в дополнение к использованию теплообменника и служит одной и той же цели. В соответствии с этим может быть сокращена подача аммиака (непосредственная или совместно с карбамидом) в реактор с псевдоожиженным слоем.
Другой предпочтительный вариант осуществления предлагаемого в изобретении способа отличается тем, что для обеспечения эффективного смешивания обработанного в скруббере газа и пропускаемого мимо скруббера газа в трубопроводе перед элементом, питающим реактор турбулизующим газом, смонтирован статический смеситель.
Ниже предлагаемый в изобретении способ поясняется на примере его осуществления со ссылкой на прилагаемый к описанию чертеж (фиг.1) и таблицу с приведенными в ней параметрами массовых потоков.
Позиции на фиг.1:
18 скруббер,
19 газоотделитель,
20 насос,
21 охладитель,
22 компрессор или нагнетатель,
23 нагреватель,
24 реактор с псевдоожиженным слоем и нагревателем,
25 охладитель,
26 сепаратор,
27 кристаллизатор,
28 сепаратор,
29 компрессор или нагнетатель,
30 охладитель.
Жидкий карбамид, используемый в качестве исходного материала для получения меламина, подают в газоотделитель (19), откуда его посредством насоса (20) направляют в качестве промывочной жидкости в контур циркуляции скруббера (18) через охладитель (21). Остаточные количества изоциановой кислоты, содержащейся в технологическом газовом потоке (15), в результате протекающей в скруббере (18) экзотермической химической реакции превращаются в карбамид. Выделяющуюся при этом теплоту реакции отводят из контура циркуляции карбамида посредством охладителя (21). Из контура циркуляции карбамида в скруббере отбирают поток (2), который смешивают с потоком (3) аммиака и подают в реактор (24) с псевдоожиженным слоем. Из обработанного в скруббере (18) технологического газового потока (4) и пропускаемого мимо скруббера технологического газового потока (16) образуется технологический газовый поток (5), поступающий к компрессору или нагнетателю (22). При этом соотношение между материальными потоками (4) и (16) устанавливают таким образом, чтобы температура подаваемого к компрессору или нагнетателю (22) технологического газового потока (5) составляла 200°С. При соблюдении указанной температуры отсутствует опасность образования отложений карбамида или тепловой перегрузки питающего элемента. Технологический газовый поток (16) можно охлаждать в охладителе (30) и/или путем подачи потока (3) холодного газообразного или жидкого аммиака таким образом, чтобы долю потока (16) в смеси с потоком (4) можно было повышать по сравнению с долей последнего без изменения температуры газовой смеси.
Технологический газ (5) в качестве турбулизующего газа через нагреватель (23) подают в реактор (24) с псевдоожиженным слоем. В реакторе в присутствии катализатора протекает эндотермический химический процесс превращения карбамида через изоциановую кислоту (промежуточный продукт) в газообразный меламин и побочные продукты (главным образом Мелем и Мелам). Реактор (24) снабжен нагревателем, обеспечивающим подвод необходимой для протекания реакции теплоты. Выходящий из реактора (24) поток (7) технологического газа, содержащий продукты реакции, охлаждают в охладителе (25) настолько, чтобы из него выкристаллизовались побочные продукты, которые могут быть отделены в последовательно подключенном сепараторе (26) совместно с уносимыми из реактора частицами катализатора. Затем содержащий меламин технологический газ направляют в кристаллизатор (27), в котором его смешивают с поступающим из скруббера (18) технологическим газом и охлаждают. При этом происходит выкристаллизовывание меламина, который выделяют из технологического газа в последовательно подключенном сепараторе (28) и который образует выходящий из сепаратора (28) поток (13) целевого продукта. Технологический газ, выходящий из сепаратора (28) в виде материального потока (14), посредством компрессора или нагнетателя (29) возвращают в начало процесса с целью обработки в скруббере (18) в качестве материального потока (15) и пропускания мимо скруббера (18) в качестве материального потока (16). Благодаря осуществлению указанной выше циркуляции технологического газа имеется его избыток, в связи с чем часть технологического газа подлежит выведению из контура его циркуляции в виде материального потока (17).
ТАБЛИЦА
Параметры материальных потоков**)
Номер материального потока
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
Карбамид
x
x
Аммиак
x
Технологический газ (аммиак + диоксид углерода)
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
X
Меламин
x
x
x
x
x
Побочный продукт + остатки катализатора
x
x
x
Расход
т/ч
10
11
0,2
16
31,1
31,1
37
37
0,04
37
105
142
3,2
139
123,7
15,1
7,0
Температура
°С
138
138
150
138
200
390
340
340
340
138
210
210
231
231
231
231
138
Агрегатное состояние
*)
ж
ж
г
г
г
г
г
г, т
т
г
г
г, т
т
г
г
г
г
Примечения:
<sup>*)</sup> ж - жидкое состояние,
Г - газообразное состояние,
Т - твердое состояние
<sup>**</sup>) Примеры осуществления способа без использования охладителя (30) и без введения аммиака (3) в частичный поток (16)