CN1665794A - 用于通过膨胀回收三聚氰胺的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
在一个或多个膨胀和冷却步骤中处理脲至三聚氰胺的热解产物，以分离尾气和回收溶液/悬浮体中的三聚氰胺，通过在液封下使产物膨胀来进行，以防止形成的三聚氰胺晶体粘附到设备的内壁。
Description
本发明涉及生产三聚氰胺的方法，特别涉及反应产物的处理。在最新的和主流的工业实践中，通常三聚氰胺是根据如下的总反应通过脲的热解来生产的：
可以看到，脲热解为三聚氰胺伴随着通常称为尾气的大量二氧化碳和氨的生成。整个反应需要热量供应，并使复杂的一系列反应按一个或多个步骤相互连接；根据现有的工业技术，反应在高压和没有催化剂的液相中进行，和在低压和有非均相催化剂的汽相中进行。
非催化的高压技术通常在约400℃和7-15兆帕的压力下操作，产生在混合的气-液相中的产物。催化技术通常采用基于氧化铝的非均相催化剂，在气相中，也是在约400℃下操作，但是压力为0.5-10相对巴(relative bar)(0.05-1相对兆帕(relative Mpascal))，给出气态产物。
为了使液体、气体或者在溶液中的三聚氰胺膨胀和冷却，直至它在随后的步骤中作为晶体而分离出来，所述的工业技术通常包括通过通常称为骤冷和汽提的处理来降低反应产物的温度和压力，即使在不同的温度和压力条件下操作。
在这些膨胀操作后通常但不是必须地进行在三聚氰胺的氨水溶液中的混合和/或吸附的步骤，该溶液还可以包含CO2和反应副产物。所述方法的进行导致混合相，其中三聚氰胺在回收和分离工艺过程中存在于溶液/悬浮体中。然后这些溶液/悬浮体被处理以获得在规格范围内的三聚氰胺。
三聚氰胺生产中的一个重要技术问题涉及将要从反应粗产物中分离的三聚氰胺的相变，因为在膨胀期间所发生的至晶相的转变过程中，生长的晶体特别粘，因而它们常常牢固地附着在和结壳到紧邻膨胀设备(通常是反应流出液的层状阀(lamination valve))的下游的固体表面，例如接受从脲至三聚氰胺的反应产物的膨胀流的装置的壁和内部。这种技术问题在脲至三聚氰胺的非催化和高压技术以及低压催化技术的两类热解技术中非常普遍。这些壳导致对反应步骤的干扰和频繁的停车以进行清洁，结果增加了成本和降低了整个装置的运行系数。
图1的方案显示了根据已知技术的三聚氰胺生产方法的第一步，该方法是高压热解技术，通过在135-140℃进料液体脲到被加热的热解反应器A，在过量的氨存在下和不使用催化剂的情况下在液相中操作。在图1的示意图中，脲至三聚氰胺的罐式热解反应器在360-420℃的温度和7-15兆帕的压力下连续操作。所述的反应器A是一步反应器，其中熔融的脲与气态氨一起从底部进料。通过在反应本身中所形成的气体，反应物料保持在剧烈的循环中；已反应的物料(液体和气体)从反应器A经过阀门C排放和膨胀到容器B。脲热解转化为三聚氰胺的反应在所述的热解反应器中进行。使用熔融盐的加热***提供维持反应所需的热量。
在热解反应器A中产生一种混合相，该混合相基本上由液体的粗三聚氰胺、由反应产生的尾气和从底部与熔融的脲一同进料的过量的氨组成。这种混合相被进料到通常称为“骤冷”塔的冷却塔B中，在此该混合相通常在0.1至3相对兆帕的压力下在阀门C中膨胀，被冷却至120-180℃，并与再循环的氨溶液接触。这个操作是在骤冷塔B中完成的，含三聚氰胺的反应产物与从一个或多个分配器注入的、冷却并溶解三聚氰胺的再循环氨溶液一起被从上方喷入其中。三聚氰胺与氨溶液都在塔内下降；在这样的条件下，所有的三聚氰胺和未反应的脲以及高分子量的杂质一起进入溶液/悬浮体中，并被送入随后的处理工艺。基本上由来自反应器A的NH3和CO2及平衡的水蒸汽组成的气相从塔B中上升，从其顶部排出，并返回脲的合成。从骤冷塔B得到的水溶液/悬浮体在溶液中包含一定量的氨和二氧化碳，其必须在随后的汽提塔E中除掉，该汽提塔E通常在0-15相对巴(0-1.5相对兆帕)的压力下借助于在阀门D中的进一步膨胀来操作。离开汽提塔E塔底的水性料流包含6-12％重量/重量的三聚氰胺，以及将在后来的步骤中除掉的、主要是氧-氨基-三嗪(通常用字头缩写OAT指代)和缩聚产物的杂质。
在塔L中用循环水分离和洗涤在塔E中汽提的气体，得到在塔B中用作骤冷剂的再循环的氨溶液。有冷却水冷凝器位于塔L的底部。从塔L除掉的吸收热等于约1100Kcal/kg将要冷凝的氨和二氧化碳。
根据图1的方案，在将三聚氰胺与液相分离的过程中，由于三聚氰胺的结晶，硬壳将存在于工艺中，基本上是在两个膨胀阀门C和D的下游，在两个塔B和E(呈混合相的膨胀液体的料流以相当高的速度进入所述塔)的入口处。这些生长的晶体到达两个塔的壁或内部，并且导致结壳，这干扰了装置的运转，并要求频繁的停车以进行清理。在运行系数方面，这些停车造成6-8％的损失，这意味着在整个生产线中相同数量级的生产损失和相当大的失衡。在已知技术中，针对这种缺点，在三聚氰胺溶液/悬浮体的较大稀释度下来运转装置，这导致对溶液的处理、对它们的转移、热交换和汽提操作所需的成本和能耗都大为增加。这种策略将骤冷和汽提设备中三聚氰胺在溶液/悬浮体中的浓度-就高压热解技术而言-限制在8-10％的重量范围内。
在使用脲至三聚氰胺的气相催化热解技术时，粗三聚氰胺料流的膨胀和在三聚氰胺固化成为晶体期间壳的形成的问题同样存在。
本发明的目的是提供一种用于脲至三聚氰胺的热解反应的粗流出液的膨胀和冷却的设备和方法，该设备和方法可以避免在所述膨胀期间结晶的三聚氰胺硬壳所导致的所述缺点。
此目的借助于本发明的设备和方法而实现，本发明的权利要求1是所述方法的最一般的定义，而在从属权利要求2至7中定义了本发明方法的优选的实施方案或可能的变化。在权利要求8中定义了本发明设备的最一般的含义，而在从属权利要求9-12中定义了本发明设备的优选的实施方案或可能的变化。
从以下示例性的而非限制性的、参考附图的方案进行的描述中，用于包含在反应料流中的三聚氰胺的膨胀和结晶，以及将其送至随后的装置部分的本发明设备和方法的特征和优点将会更加明显。
根据前面的讨论，图1表示已知技术。图2图示了本发明的一个简化的实施方案，而图3至8显示了所述膨胀设备的实施方案的实例，该膨胀设备可以进行三聚氰胺的分离和结晶，避免或显著地限制结壳。
热解反应在反应器A中用已经参考图1提及的方法进行。在热解反应器A中形成了包含所产生的液体三聚氰胺的混合相，该混合相在反应器中上升并从其上面的出口排出。
再根据图2的方案，从所述反应器的上部得到了包含反应的尾气和三聚氰胺、少量未反应的脲和副产物的混合相。此混合相在阀门C中膨胀，所述阀门C位于反应器和骤冷塔之间的连接导管上，在骤冷塔B下部的出口前面一点或甚至直接与骤冷塔B下部的出口接触。在所述塔的下部保持液封，以防止晶体在其形成时和从液相中分离时与固体表面接触和因此粘附到固体表面上。因此，这种结果是通过使膨胀在骤冷塔B的下部，在浸没于液体中的区域中进行而得到的。事实上已经发现，三聚氰胺晶体的粘附特性导致在其形成和与母体溶液/悬浮体分离过程中结壳，而所述的三聚氰胺晶体一旦在液相内分离后就不再具有相同的结壳行为。
在上述情况下，类似于结合图1方案所举例说明的，氨或碱溶液也从上面用特殊的分配器注入，并从上往下下降，洗涤塔内上升的尾气，并冷却和溶解在阀门C中膨胀后引入所述下部的混合相中的三聚氰胺。由此形成了含三聚氰胺溶液/悬浮体的液相。
在以下的工艺步骤中，在骤冷塔B的塔底获得的三聚氰胺的溶液/悬浮体被送至汽提段。在将该料流引入汽提塔E之前，在阀门D中使其膨胀，以降低压力，通常是从大气压至15巴(0-1.5相对兆帕)。这种膨胀导致液体的显著蒸发和超过剩余液体的饱和度的固体的进一步分离。在已知技术的方法中，在塔E中(也是在阀门D的下游)出现了大量的结壳。
根据本发明，在图2的方案中，通过在位于后面的汽提塔E上游的容器F中，在液封下进行膨胀，这种缺点因此得以消除，仍存在于来自于B的三聚氰胺溶液/悬浮体中的大部分气体在汽提塔E中被汽提和除掉。容器F保持在与随后的汽提塔相同的压力下，并可以由在塔E中所得到的空间构成，其中保持着液体溶液的密封，所述料流在膨胀后被送至其中。所述构造的备选方案在后面参考图5和6进行说明。容器F的尺寸应能够确保在液封下的停留时间足以在晶体与设备的壁或其它的内部部分接触之前分离晶体。一般地，20至1200秒，优选120至300秒的三聚氰胺溶液/悬浮体在容器中的停留时间对于实现不形成任何明显结壳的操作是足够的。
根据脲至三聚氰胺的热解作用的催化或非催化方法，含粗三聚氰胺的混合相膨胀到其中的液体可以是氨溶液和/或碱性溶液和/或水。
图3和4的示例性实施方案显示了形成在其中进行在溶液/悬浮体中含三聚氰胺的液体料流在液封下的膨胀的所述容器的过程。
在图3的实施方案中，容器F具有垂直的圆柱形状，并且被膨胀后的混合相完全充满。减压阀门，例如位于汽提塔E上游的阀门D优选直接装配在容器F的底部上。根据这种结构的一个实施方案变体，阀门D可以安装到连接上述阀门和容器底部的平头锥形闸门上。如图3中所指示的，在溶液/悬浮体内形成两个分离的区域：膨胀区和循环区。用点线表示的膨胀区在中心和紧靠流经膨胀阀门的料流入口的下游形成；在此区域中，存在具有较低密度的混合相，伴随气泡的成长、突然冷却和生长的三聚氰胺晶体的分离。相反，循环区位于膨胀区周围的边上；在此区域中，存在较大的密度，因为部分气泡中的气相已从悬浮体中分离开，并以较高的速度向出口处上升。如箭头所示，贫气体的液相重新向底部下降，产生冷却器液体的循环，这样，这种循环有利于三聚氰胺晶体在接触到设备的壁之前形成悬浮体。从上出口的出料以混合相的形式进行。
在图4的实施方案中，所述容器仍然具有垂直的圆柱形状，并装有普通的搅拌器，搅拌器由带一个或多个螺旋桨的立式轴与马达M组成。减压阀门，例如在汽提塔E上游的阀门D优选直接装配在容器的圆柱形壁上。根据这种结构的一个实施方案变体，阀门D可以安装到连接上述阀门与容器圆柱形壁的平头锥形闸门上。在运行期间，膨胀容器的液位保持在膨胀阀门的安装点之上，并具有宽的富余，以保证膨胀在液封下进行。
根据本发明的一个优选实施方案，阀门D的喷射出口沿切线方向取向，以便不与搅拌器的轴直接碰撞，但使膨胀区在它周围展开。同样，在图4中所示的实施方案中，在所述的溶液/悬浮体主体中形成两个分开的区域：膨胀区和循环区。作为由搅拌器产生的旋转运动的作用所造成的结果，由点线所标出的膨胀区在紧靠流经膨胀阀门的料流的出口的下游形成并常常具有环形运动；具有较低密度的混合相存在于所述的环形区域中，在该区域中所述的料流被冷却，并且生长的三聚氰胺晶体被分离。相反，循环区位于环形膨胀区的外面；在此区域中，又存在着较大的密度，并且贫气体的液相向安装有搅拌器螺旋桨的容器底部循环，这使得所述的液相与来自阀门D的已膨胀料流紧密接触，由此有利于在三聚氰胺晶体与未被液体润湿的表面接触前形成三聚氰胺晶体的悬浮体。从更后面的上出口的出料以混合相的形式进行。
以下图5至8显示了相对于图3和4的实施方案容器F的构造变体，其包括在容器内部液体和气体料流的分离，及它们通过各自出口的排出，和/或包括将容器F***塔E中。
图5和6示意性地说明了在汽提塔E内部的液封下形成膨胀容器F的方式。在图5的实施方案中，所述的膨胀容器F位于塔E的塔盘部分之上。为了容器F和塔E之间容积的连通，两个导管同心地位于容器的中心。三聚氰胺溶液/悬浮体被从具有阀门D的入口的一侧引入，并在由圆点指示的区域中膨胀。如前所示，气相的逐渐形成和重液相的再循环在剩余的空间内进行。外导管s的阈s1允许液相溢流，从导管下降并流经塔E的塔盘。相反，内导管r起用于来自塔E的蒸汽上升的升气管的作用，该蒸汽与容器F中形成的气相结合，一同从上面的导管t排出。在图6以侧视图和俯视图显示的实施方案中，膨胀容器F位于塔E的塔盘部分之上，并装有类似于参考图4所说明的实施方案的搅拌器。分隔隔片p位于容器F的上部，安装有允许液体向塔E下降的较低的***溢流开口p1，和允许来自塔E的蒸汽相上升的较高的***开口p2，该蒸汽相与容器F中逐渐形成的气相结合。三聚氰胺溶液/悬浮体被从具有阀门D入口的一侧引入，并在由圆点指示的具有环形趋势的区域中膨胀，这种环形趋势是由于马达M驱动的搅拌器的运动而形成的。来自塔E的蒸汽被通过开口p2收集，与容器F中逐渐形成气相结合，并一同从上面的导管t排出。
图7和8示意性地说明了形成在液封下的膨胀容器F的方式，该膨胀容器F与图3和4的那些类似，但在内部有料流的分离。在两种情况下都存在着垂直导管s，以用阈s1排放液相，阈s1保持液相的液位，并允许分离的液相溢流，分离的液相在导管中下降并去到塔E以被汽提。相反，在容器F中逐渐形成的气相可以从上面的导管t排出，直接送到吸收塔L，由此减少气体料流和塔E的横断面尺寸。
通过在液封下膨胀从三聚氰胺溶液/悬浮体中分离三聚氰胺的方法相对于已知技术实现了相当大的进步。
本发明可以挽回本来会由于结壳而损失的装置运行系数的6-8％，并保证在整个生产线有更好的连续性和平衡。此外，不再存在任何的原因要将三聚氰胺在骤冷和汽提设备中的溶液/悬浮体中的浓度限制在8-10％重量的范围内：对于相同的装置和其它条件保持不变情况下，这些浓度可以增加13-15％重量。对于相同的装置，处理能力增加约50％。蒸汽、电能和冷冻的具体消耗，以及影响总生产成本的装置成本相应地减少。
Claims (12)
1.一种处理脲至三聚氰胺的热解反应产物的方法，该反应产物由还包含由二氧化碳和氨组成的尾气的粗三聚氰胺的混合物组成，该方法包括所述反应产物的一个或多个膨胀和冷却步骤，以分离所述尾气和分离以晶体形式与液相分开的三聚氰胺，该方法的特征在于，所述反应产物的膨胀在浸没到液体中的区域中进行，使得三聚氰胺晶体在其形成和与液相或气相分离的过程中不接触设备的壁或其它内部部件，并因此不粘附到所述设备的壁或其它内部部件上。
2.权利要求1所述的处理脲至三聚氰胺的热解反应产物的方法，其特征在于，所述反应产物的膨胀在阀门(C)中进行，该阀门(C)紧靠骤冷塔(B)下部的出口，在0.1-3相对兆帕下操作，通过在浸没在骤冷塔(B)下部液体中的区域内进行膨胀，和从上面注入氨或碱性溶液以洗涤尾气，冷却和溶解从下面引入的混合相的三聚氰胺，形成在液相内结晶的三聚氰胺的溶液/悬浮体。
3.权利要求2所述的处理脲至三聚氰胺的热解反应产物的方法，其特征在于，在随后的处理步骤中，得自所述骤冷塔(B)塔底的三聚氰胺溶液/悬浮体在阀门(D)中膨胀以降低压力至0-15相对巴(0-1.5相对兆帕)后，被送至塔(E)中汽提，而所述的第二膨胀是在汽提塔(E)下游的容器(F)中的液封下进行的。
4.权利要求3所述的处理脲至三聚氰胺的热解反应产物的方法，其特征在于，所述的容器(F)由塔E中所得到的空间构成，所述空间保持着溶液/悬浮体的液封，所述料流在阀门(D)中膨胀后被送进所述空间。
5.权利要求1所述的处理脲至三聚氰胺的热解反应产物的方法，其特征在于，所述三聚氰胺的溶液/悬浮体在容器(F)中的停留时间为20至1200秒。
6.权利要求5所述的处理脲至三聚氰胺的热解反应产物的方法，其特征在于，所述三聚氰胺的溶液/悬浮体在容器(F)中的停留时间为120至300秒。
7.权利要求1所述的处理脲至三聚氰胺的热解反应产物的方法，其特征在于，所述反应产物的膨胀在液封下进行。
8.一种设备，用于实施前述权利要求中一项或多项所述的脲至三聚氰胺的热解反应产物的处理，其特征在于，该设备由带有直接装配到圆柱形表面的底部或下面壁上的减压阀门(C，D)的立式圆柱形容器组成，而混合相排放闸门位于圆柱形表面的顶部或上部，以便在被处理的溶液/悬浮体主体中分别产生两个分开的膨胀和循环区域。
9.权利要求8所述的设备，其特征在于，所述的阀门(D)安装在平头锥形闸门上，该平头锥形闸门将所述阀门直接连接到容器底部或容器的圆柱形壁的下部。
10.权利要求8所述的设备，其特征在于，该设备由装有溢流分离装置的立式圆柱形容器组成，该溢流分离装置在所述容器内分离液体和气体的料流，并通过分开的出口为它们提供排放。
11.权利要求8所述的设备，其特征在于，该设备由装有带一个或多个螺旋桨的搅拌器的立式圆柱形容器组成，所述的减压阀门(C，D)直接装配在所述容器的圆柱形壁上，在处理的溶液/悬浮体主体中形成膨胀区和循环区，具有环形运动的所述膨胀区在来自膨胀阀(C，D)的料流出口的下游形成。
12.权利要求11所述的设备，其特征在于，所述阀门(C，D)的喷出出口沿切线方向取向，以避免与所述搅拌器的轴直接碰撞。
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