СПОСОБ РЕЗКОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ОТХОДЯЩЕГО ГАЗА СИНТЕЗА МЕЛАМИНА Российский патент 2024 года по МПК C07D251/60 

Область применения

В целом изобретение относится к области синтеза меламина из мочевины. В частности, изобретение относится к способу и оборудованию для резкого охлаждения и мокрой очистки отходящего газа, содержащего аммиак и диоксид углерода, генерируемого в ходе синтеза меламина.

Уровень техники

Промышленный синтез меламина из мочевины может быть осуществлен каталитическим процессом в газовой фазе при низком давлении или некаталитическим процессом в жидкой фазе при высоком давлении. Оба способа известны и широко описаны в литературе. Обычно их называют просто способами "низкого давления" и "высокого давления".

Во всех процессах синтеза меламина выделяется отходящий газ, преимущественно состоящий из аммиака и диоксида углерода. Этот отходящий газ обычно вновь используется в присоединенной установке получения мочевины. Возвращение отходящего газа в установку получения мочевины особенно заманчиво, когда меламин производится некаталитическим процессом в жидкой фазе при высоком давлении, поскольку отходящий газ получается при высоком или среднем давлении. Однако отходящий газ содержит некоторое количество меламина, который должен быть удален, чтобы сделать этот газ пригодным для его рециркуляции в присоединенную установку получения мочевины и во избежание потери произведенного меламина.

Для удаления меламина из отходящего газа применяют промывание/резкое охлаждение подходящей охлаждающей средой для охлаждения содержащегося в отходящем газе меламина и осаждения его в твердом виде.

Известные способы промывания отходящего газа, в частности, промывания отходящего газа, выделенного процессом получения меламина при высоком давлении, включает промывание расплавом мочевины и промывание водой или водной средой. Водное промывание может выполняться, например, в промывочной колонне отходящего газа, из которой выходит поток насыщенного водой отходящего газа и раствор меламина, содержащий меламин, CO₂ и аммиак.

Промывание расплавом мочевины может быть предпочтительнее, в частности в установках совместного получения мочевины и меламина. Для процесса промывания на водной основе может потребоваться менее дорогое оборудование в части устойчивости к коррозии, но его недостаток заключается в том, что промытый отходящий газ насыщается водой, что нежелательно, например, для его рециркуляции в присоединенную установку получения мочевины. Второй недостаток водного промывания заключается в том, что раствор меламина содержит значительное количество СО₂ и требует стадии отпарки для удаления СО₂.

В WO 03/080584 раскрывается способ получения меламина из мочевины, для отделения меламина от отходящего газа включающий переход меламина из газовой фазы в твердую (десублимацию) и формирование смеси газ/твердая фаза в смесителе, с использованием охлаждающей среды, в частности аммиака, с последующим разделением твердой части в сепараторе, например, циклонном сепараторе с последующей фильтрацией.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является способ и оборудование для промывания отходящего газа в установке получения меламина, получения потока в основном свободного от меламина безводного промытого отходящего газа и раствора меламина или суспензии, свободных или в основном свободных от растворенных карбоната аммония или карбамата.

Эта задача решается способом в соответствии с формулой изобретения.

Способ в соответствии с изобретением включает, в основном, следующие две стадии.

В первой части аппарата резкого охлаждения восходящий поток содержащего меламин отходящего газа приводят в контакт в противотоке с нисходящим потоком жидкого аммиака. Результатом этой стадии является выпадение в осадок твердого меламина и формирование промытого отходящего газа с пониженным содержанием меламина или практически свободного от меламина, который отводится из этой первой части аппарата, например, из его верхней части.

Во второй части аппарата, находящейся под нижней частью, осажденный твердый меламин входит в контакт с жидким растворителем с формированием раствора меламина или суспензии меламина, отводящихся из аппарата.

Первой частью аппарата может быть верхняя часть, а второй частью аппарата может быть нижняя часть. Промытый отходящий газ может отводиться из верхней части аппарата, а раствор или суспензия могут быть отведены из нижней части аппарата.

Жидкий аммиак, вводимый в аппарат, холоднее содержащего меламин вводимого газа. Упомянутый аппарат может быть назван квенчером отходящего газа или мокрым газоочистителем отходящего газа, поскольку отходящий газ подвергается резкому охлаждению и промыванию жидким аммиаком.

В изобретении используются две зоны процесса резкого охлаждения. В верхней зоне, которой, в частности, является верхняя часть квенчера, жидкий аммиак разбрызгивается для охлаждения отходящего газа и отверждения содержащегося в нем меламина. При контакте с потоком отходящего газа аммиак испаряется и удаляется вместе с промытым отходящим газом. В нижнюю зону, которая, в частности, находится в нижней части квенчера, вводится подходящий жидкий растворитель, например, вода или водный растворитель, для удаления со дна квенчера отвердевшего меламина в виде водного раствора или суспензии. Опционально, может быть также использован подходящий инертный газ, подводимый для формирования разделяющего слоя между жидкой фазой и газовой фазой.

Изобретение обладает следующими основными преимуществами.

Во-первых, промытый отходящий газ является безводным. Это представляет собой важное преимущество перед системами, использующими воду, в особенности в процессе совместного получения мочевины и меламина, поскольку этим сокращается введение воды в секцию синтеза мочевины. Это преимущество особенно важно, когда процесс получения меламина является процессом высокого давления. Аммиак, используемый для промывания отходящего газа, регенерируется в самом промытом отходящем газе и может быть использован в присоединенной установке получения мочевины для вырабатывания мочевины.

Во-вторых, в растворе или суспензии меламина, полученных в нижней части газоочистителя, отсутствует или в основном отсутствует аммиак и CO₂, что позволяет использовать этот раствор или суспензию в процессах очистки как на основе аммиака, так и на основе щелочей металлов, без необходимости введения специальной стадии отпарки отходящего газа.

Особенностью изобретения также является установка получения меламина в соответствии с изобретением. В частности предпочтительно, что изобретение применимо к совместному синтезу мочевины и меламина, в котором промытый отходящий газ направляется в установку получения мочевины, где выполняется рециркуляция содержащегося в нем аммиака и диоксида углерода для синтеза меламина.

Изобретение может быть применено в установках каталитического синтеза меламина низкого давления и некаталитического синтеза меламина высокого давления. Особенно предпочтительно использование в установках получения меламина высокого давления.

Предпочтительные варианты осуществления

Нисходящий поток жидкого аммиака в квенчере может создаваться одной или более струями жидкого аммиака. Для получения противотока в квенчере аммиак разбрызгивается выше впускного отверстия отходящего газа, подлежащего обработке. Квенчер может иметь один разбрызгиватель аммиака или соответствующую группу разбрызгивания аммиака. Например, квенчером может быть цилиндрический аппарат/сосуд, а аммиачные распылители могут быть распределены по окружности аппарата на необходимой высоте над впускным отверстием для обрабатываемого отходящего газа.

Некоторое количество содержащей меламин жидкости или суспензии может собираться на дне квенчера и заполнять его нижнюю часть. Соответственно, в квенчере устанавливается некоторый уровень поверхности. Жидкий растворитель вводится в аппарат предпочтительно ниже этого уровня поверхности.

Предпочтительно, нагнетание жидкого растворителя в нижнюю часть квенчера выполняется из впускного отверстия по касательной ниже жидкого уровня раствора меламина или суспензии. Впуск по касательной предпочтителен для сведения к минимуму смешивания на границе пар-жидкость и для, по возможности, ослабления диффузии газа в массиве жидкости. Предпочтительно, нагнетание жидкости выполняется с тем, чтобы избежать создания турбулентности на границе раздела газ/жидкость для снижения диффузии газа в жидкую фазу.

В предпочтительных вариантах осуществления, жидким растворителем является вода или он состоит преимущественно из воды. В частности, предпочтительно, жидким растворителем является деминерализованная вода. В другом предпочтительном варианте осуществления, жидким растворителем является рециркулированная вода, отведенная из процесса синтеза меламина.

Предпочтительный вариант осуществления включает также введение инертного газа над упомянутым уровнем поверхности, определяемым содержащим меламин раствором или суспензией. Этот инертный газ имеет плотность выше плотности промытого отходящего газа, поэтому инертный газ формирует слой над уровнем поверхности раствора или суспензии. Предпочтительно, инертный газ холоднее промытого отходящего газа. Предпочтительно, инертным газом является азот.

Преимуществом введения инертного газа является формирование между содержащей меламин жидкой фазой и газовой фазой подушки из инертного газа, действующей как разделяющий слой между фазами и предотвращающий растворение аммиака и диоксида углерода в жидкой фазе.

Давление и температура процесса резкого охлаждения могут выбираться так, чтобы избежать формирования отложений карбоната/карбамата аммония из отходящего газа.

Жидкий растворитель (например, вода) предпочтительно вводится в квенчер при температуре ниже, чем равновесная температура растворителя при давлении резкого охлаждения (т.е., давлении, при котором выполняется процесс резкого охлаждения). Более предпочтительно, жидкий растворитель вводится при температуре ниже, чем температура промытого отходящего газа.

Температура промытого отходящего газа предпочтительно ниже равновесной температуры жидкого растворителя в процессе резкого охлаждения. Предпочтительно, температура промытого отходящего газа равна или превышает критическую температуру аммиака (132,4°С) и, более предпочтительно, не превышает 260°С.

Время пребывания раствора или суспензии меламина в нижней части квенчера, предпочтительно, не более 10 мин и, особенно предпочтительно, не более 5 мин. Малое время пребывания предпочтительно по двум причинам: (1) предотвращается насыщение жидкой фазы аммиаком и/или диоксидом углерода и предотвращается выравнивание температуры между отходящим газом и жидкостью; (2) сводится к минимуму гидролиз меламина.

Способ может включать добавление СО₂ в промытый отходящий газ. Добавление CO₂, в частности, предпочтительно, если рециркуляция отходящего газа в присоединенную установку получения мочевины включает конденсацию отходящего газа (например, в секции конденсации отходящего газа) и рециркуляцию полученного при этом конденсата. В этом случае, добавленный СО₂ может помочь конденсации отходящего газа.

В случае необходимости, процесс может включать добавление аммиака к раствору или суспензии. В частности, добавление аммиака предусмотрено, если очищение раствора или суспензии выполняется процессом очистки на аммиачной основе. Эта очистка может включать фильтрование и кристаллизацию меламина. Добавление аммиака может быть сделано непосредственно в квенчер отходящего газа или, более предпочтительно, в технологическую линию вслед за квенчером отходящего газа.

В установке получения меламина, квенчер отходящего газа, приспособленный для осуществления способа в соответствии с изобретением, может включать:

- впускное отверстие для отходящего газа;

- по меньшей мере один разбрызгиватель жидкого аммиака, находящийся выше впускного отверстия для отходящего газа;

- впускное отверстие для жидкого растворителя, расположенное в нижней части квенчера ниже уровня впускного отверстия для отходящего газа;

- выпускное отверстие для отведения промытого отходящего газа, расположенное в верхней части и, предпочтительно, наверху квенчера;

- выпускное отверстие для раствора или суспензии, содержащих меламин, извлеченный из отходящего газа, расположенное на дне квенчера.

Разбрызгивателем аммиака может быть одиночный разбрызгиватель или группа разбрызгивателей. В случае нескольких разбрызгивателей, все разбрызгиватели находятся выше впускного отверстия для отходящего газа.

Квенчер может также содержать впускное отверстие для инертного газа, расположенное выше впускного отверстия для растворителя и ниже впускного отверстия для отходящего газа.

Термины впускное отверстие и выпускное отверстие могут означать одиночное отверстие или несколько/множество отверстий, в соответствии с разными вариантами осуществления.

Квенчером обычно является цилиндрический аппарат (сосуд) высокого давления с соответствующей верхней крышкой и днищем. Диаметр нижней части квенчера может быть меньше диаметра верхней части для сведения к минимуму размера границы раздела пар-жидкость. Квенчер может иметь коническую часть между большей частью и меньшей нижней частью уменьшенного диаметра. В варианте осуществления, могут быть установлены водяные сопла для отмывания конической части от возможных отложений меламина.

Далее изобретение описывается более подробно со ссылкой на чертеж.

Краткое описание чертежа

На чертеже представлен эскиз квенчера отходящего газа синтеза меламина в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения.

Подробное описание осуществления изобретения

На чертеже показан квенчер (аппарат резкого охлаждения) 1 отходящего газа синтеза меламина, в который поступают: содержащий меламин отходящий газ по линии 2; жидкий аммиак по линии 3; водный растворитель по линии 4; холодный газообразный азот по линии 5.

Содержащий меламин отходящий газ в линии 2 приходит из секции синтеза установки получения меламина, например, секции высокого давления некаталитического синтеза меламина.

Жидкий аммиак может вводиться одной или более струями. Например, линиями 31 и 32 на чертеже обозначены разные разбрызгиватели аммиака, питаемые из главного коллектора 3.

Водным раствором в линии 4 может быть деминерализованная вода или рециркулированная вода, или рециркулированный остаточный раствор из установки получения меламина. Этот раствор может содержать следы аммиака и/или CO₂.

Холодный газообразный азот 4, используемый опционально, холоднее и, поэтому, плотнее отходящего газа.

Как показано, жидкий аммиак вводится выше впускного отверстия отходящего газа. Холодный азот из линии 5 вводится ниже впускного отверстия отходящего газа, а водный растворитель вводится ниже впускного отверстия азота на дне квенчера 1.

Благодаря расположению точек ввода описанных выше потоков, квенчер 1 работает как двухзонный аппарат.

Верхняя зона 10 работает в газовой фазе. Отходящий газ, поступающий по линии 2, распространяется вверх и в режиме противотока вступает в контакт с жидким аммиаком, разбрызгиваемым из линий 31, 32. В результате, содержащийся в отходящем газе меламин затвердевает и выпадает в осадок; освобожденный от меламина безводный отходящий газ извлекается сверху квенчера 1 по линии 6.

Опционально, промытый отходящий газ смешивают с потоком 7 CO₂. Полученный поток 8 направляется в присоединенную установку синтеза мочевины для рециркуляции, например, через конденсацию отходящего газа и рециркуляцию полученного таким образом содержащего карбамат раствора.

Нижняя зона 11 работает в жидкой фазе. Твердый меламин, удаленный из отходящего газа, растворяется в водной среде и частично заполняет нижнюю часть квенчера 1, формируя уровень 12 жидкости, при этом линия 5 подачи азота находится выше уровня 12 жидкости. Содержащий меламин раствор удаляется по линии 9 для дальнейшей обработки.

Холодный азот, благодаря своей плотности, стремится сформировать слой непосредственно над уровнем 12 жидкости, разделяющим зоны 10 и 11, в частности, для предотвращения перехода газообразного CO₂ в жидкую фазу.

В некоторых вариантах осуществления, нижняя часть квенчера 1 (в основном, соответствующая зоне 11) может иметь уменьшенный диаметр.

Упомянутый раствор меламина в линии 9 может быть направлен в следующее далее в технологической линии оборудование для последующей очистки. Перед очисткой, отведенный из квенчера 1 раствор меламина может быть смешан с раствором меламина, полученным на стадии резкого охлаждения расплава меламина, или раствор в линии 9 может быть направлен прямо в стадию фильтрации/кристаллизации, но без необходимости специальной стадии отпарки отходящего газа.

Пример 1

В качестве примера рассматривается установка синтеза меламина высокого давления с производительностью 40000 т/год, в которой отходящий газ на выходе секции синтеза меламина имеет температуру 380°С при давлении 80 бар изб (бар манометрического давления). Всего высвобождается 13,0 тонн/час (т/ч) отходящего газа, включая 6,6 т/ч NH₃, 5,9 т/ч СО₂ и 0,5 т/ч меламина.

Отходящий газ промывается аммиаком, вводимым в жидком состоянии при температуре 20°С и давлении 80 бар изб. Отходящий газ охлаждают до 169°С. Рабочее давление квенчера составляет 25 бар изб. Количество аммиака, необходимого для охлаждения отходящего газа, составляет 3,3 т/ч.

Отходящий газ, получаемый из квенчера при 169°С и 25 бар изб, свободен от меламина и содержит 9,9 т/ч аммиака и 5,9 т/ч СО₂.

В нижнюю часть квенчера подается 4,5 т/ч воды или водного рециркуляционного раствора при 140°С для получения 5 т/ч раствора меламина, содержащего 10 масс. % меламина. В растворе отсутствует или в основном отсутствует растворенный отходящий газ.

Пример 2

Настоящее изобретение может быть реализовано даже в более предпочтительном варианте осуществления путем повышения температуры промытого отходящего газа, при условии, что необходимость удерживания достаточно низкой температуры в квенчере отходящего газа (для минимизации содержания воды в промытом отходящем газе) не принимается в расчет. Увеличением температуры промытого отходящего газа снижается количество требуемого аммиака для резкого охлаждения.

Поток отходящего газа из примера 1 промывается жидким аммиаком, имеющим температуру 20°С и давление 80 бар изб, и охлаждается до 250°С. Рабочее давление квенчера составляет 40 бар изб. Количество аммиака, требующееся для охлаждения отходящего газа, составляет 2,0 т/ч.

Полученный из квенчера отходящий газ, имеющий температуру 250°С при давлении 40 бар изб, свободен от меламина и содержит 8,6 т/ч аммиака и 5,9 т/ч СО₂. В нижнюю часть квенчера подается 2,2 т/ч воды или водного рециркуляционного раствора при 170°С для получения 2,7 т/ч раствора, содержащего 18,5 масс. % меламина, в котором отсутствует или в основном отсутствует растворенный отходящий газ.

Изобретение относится к способу синтеза меламина из мочевины. Согласно предлагаемому способу отходящий газ, содержащий аммиак, диоксид углерода и меламин, сформировавшиеся в процессе синтеза меламина, резко охлаждается для извлечения содержащегося в нем меламина. Резкое охлаждение отходящего газа (2) включает: введение в контакт в противотоке восходящего потока отходящего газа с нисходящим потоком жидкого аммиака (3) в первой части (10) аппарата (1) резкого охлаждения, в результате чего происходит выпадение в осадок твердого меламина и формирование промытого отходящего газа (6) с пониженным содержанием меламина или по существу без меламина, отводимого из первой части аппарата; затем введение в контакт осажденного твердого меламина с жидким растворителем (4) во второй части (11) аппарата, находящейся ниже первой части, формируя раствор меламина или суспензию меламина, отводимые из аппарата. Предлагаемый способ позволяет получить промытый отходящий газ с пониженным содержанием меламина или по существу без меламина и раствор или суспензию меламина, которые в основном свободны от растворенных карбоната аммония или карбамата. Изобретение относится также к установке для получения меламина с использованием указанного способа. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 пр.

1. Способ синтеза меламина из мочевины, в котором отходящий газ, содержащий аммиак, диоксид углерода и меламин, сформировавшиеся в процессе синтеза меламина, резко охлаждается для извлечения содержащегося в нем меламина, отличающийся тем, что резкое охлаждение отходящего газа (2) включает:

введение в контакт в противотоке восходящего потока отходящего газа с нисходящим потоком жидкого аммиака (3) в первой части (10) аппарата (1) резкого охлаждения, в результате чего происходит выпадение в осадок твердого меламина и формирование промытого отходящего газа (6) с пониженным содержанием меламина или по существу без меламина, отводимого из первой части аппарата;

введение в контакт осажденного твердого меламина с жидким растворителем (4) во второй части (11) аппарата, находящейся ниже первой части, формируя раствор меламина или суспензию меламина, отводимые из аппарата.

2. Способ по п. 1, в котором осуществляют синтез некаталитического типа при высоком давлении.

3. Способ по п. 1 или 2, в котором нисходящий поток жидкого аммиака создается одним или более разбрызгивателями жидкого аммиака.

4. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором раствор или суспензия собирается на дне аппарата и заполняет нижнюю часть аппарата ниже уровня (12) поверхности.

5. Способ по п. 4, в котором жидкий растворитель вводят в аппарат ниже уровня поверхности.

6. Способ по п. 4 или 5, дополнительно включающий введение инертного газа (5) над уровнем поверхности, причем инертный газ имеет плотность выше плотности промытого отходящего газа, так что слой инертного газа собирается над уровнем поверхности раствора или суспензии.

7. Способ по п. 6, в котором инертным газом является азот.

8. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором резкое охлаждение выполняют при давлении резкого охлаждения, а жидкий растворитель вводят в аппарат при температуре ниже равновесной температуры растворителя при давлении резкого охлаждения, предпочтительно при температуре ниже температуры промытого отходящего газа.

9. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором температура промытого отходящего газа ниже равновесной температуры жидкого растворителя при давлении резкого охлаждения.

10. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором температура промытого отходящего газа равна или превышает критическую температуру аммиака и предпочтительно не более 260°С.

11. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором время пребывания раствора меламина или суспензии в нижней части аппарата резкого охлаждения не превышает 10 мин, предпочтительно не более 5 мин.

12. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором растворителем является водный растворитель, являющийся водой или преимущественно состоящий из воды, предпочтительно являющийся деминерализованной водой или рециркулированной водой из процесса синтеза меламина.

13. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором промытый отходящий газ является безводным.

14. Способ по любому из предыдущих пунктов, дополнительно включающий добавление СО₂ к промытому отходящему газу, отведенному из аппарата резкого охлаждения.

15. Способ по любому из предыдущих пунктов, дополнительно включающий добавление аммиака к содержащим меламин жидкому раствору или суспензии, выполняемое непосредственно в аппарате резкого охлаждения или в технологической линии вслед за аппаратом.

16. Способ по любому из любых предыдущих пунктов, в котором промытый отходящий газ направляют в присоединенную установку получения мочевины для подвода аммиака и диоксида углерода в синтез мочевины.

17. Установка получения меламина посредством синтеза меламина из мочевины, включающая реактор синтеза меламина, выполненный с возможностью конверсии мочевины в меламин с образованием отходящего газа, содержащего аммиак, диоксид углерода и меламин, и аппарат резкого охлаждения, в котором отходящий газ подвергается резкому охлаждению для извлечения содержащегося в нем меламина и который включает:

впускное отверстие для отходящего газа;

по меньшей мере один разбрызгиватель жидкого аммиака, находящийся выше впускного отверстия для отходящего газа;

впускное отверстие для жидкого растворителя, расположенное в нижней части аппарата резкого охлаждения ниже уровня впускного отверстия для отходящего газа;

выпускное отверстие для отведения промытого отходящего газа, расположенное в верхней части аппарата резкого охлаждения;

выпускное отверстие для раствора или суспензии, содержащих меламин, извлеченный из отходящего газа, расположенное на дне аппарата резкого охлаждения.

18. Установка получения меламина по п. 17, представляющая собой установку некаталитического типа высокого давления.

19. Установка получения меламина по п. 17 или 18, в которой указанное впускное отверстие для жидкого растворителя предназначено для водного растворителя.

20. Установка получения меламина по любому из пп. 17-19, в которой указанное выпускное отверстие для отведения промытого отходящего газа расположено наверху аппарата резкого охлаждения.

21. Установка получения меламина по любому из пп. 17-20, в которой аппарат резкого охлаждения имеет впускное отверстие для инертного газа, расположенное выше впускного отверстия для растворителя и ниже впускного отверстия для отходящего газа.

22. Установка получения меламина по любому из пп. 17-21, которая объединена с установкой получения мочевины и в которой промытый отходящий газ, отведенный из аппарата резкого охлаждения, направляется в установку получения мочевины.