專利名稱：一種高壓法生產(chǎn)高純度三聚氰胺的工藝方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)三聚氰胺的工藝方法和設(shè)備，更確切的說，本發(fā)明涉及一種以尿素為原料，高壓、非催化法高效率地生產(chǎn)高純度三聚氰胺的工藝方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
三聚氰胺是一種重要的有機(jī)化工中間體，與甲醛反應(yīng)生成的樹脂具有不易燃、耐水、耐老化、無毒、良好的機(jī)械性能和電性能，廣泛應(yīng)用于木材加工、塑料、涂料、電氣、醫(yī)療等領(lǐng)域。
以尿素為原料生產(chǎn)三聚氰胺是最理想并被廣泛采用的方法，該化學(xué)反應(yīng)式為
該反應(yīng)為強(qiáng)吸熱反應(yīng)，反應(yīng)熱約為3320kJ/kg三聚氰胺，而若將尿素由135℃(尿素的熔點(diǎn))至反應(yīng)溫度的升溫?zé)岷头磻?yīng)熱綜合考慮的反應(yīng)過程的總吸熱量約為5150kJ/kg三聚氰胺。
實(shí)際生產(chǎn)過程中，除反應(yīng)生成三聚氰胺，副產(chǎn)物氨氣和二氧化碳外，當(dāng)氣相中氨氣濃度偏低，二氧化碳濃度偏高或反應(yīng)時間不足或過度時，反應(yīng)產(chǎn)物中還會含有一些雜質(zhì)，這些雜質(zhì)主要是一些未反應(yīng)物、反應(yīng)中間產(chǎn)物和過度反應(yīng)物，如尿素、縮二脲、脲基三聚氰胺、三聚氰酸二酰胺、三聚氰酸一酰胺、密白胺、密勒胺、密龍胺等。
典型的高壓法生產(chǎn)三聚氰胺的工藝流程是將熔融尿素與過熱氨氣一起從釜式反應(yīng)器底部注入，在6.0-20.0Mpa壓力和350℃-450℃溫度，無催化劑的條件下，尿素直接轉(zhuǎn)化為液相的三聚氰胺和氣相的副產(chǎn)物氨氣和二氧化碳以及少量的雜質(zhì)，反應(yīng)所需熱量通過設(shè)在反應(yīng)器內(nèi)的加熱盤管由循環(huán)的熔鹽供給，反應(yīng)后的氣液相混合物從反應(yīng)器上部離開反應(yīng)器進(jìn)入氣液分離器，在氣液分離器中，氣液相分離，分出的氣相中除含有氨氣和二氧化碳外還含有少量的三聚氰胺，將此氣體用135℃-165℃的作為反應(yīng)原料的熔融尿素在洗滌塔中進(jìn)行洗滌，除去其中的三聚氰胺后的高壓反應(yīng)尾氣可直接去尿素合成裝置。氣液分離器中分出的液相中一般含有85％-97％左右的三聚氰胺，冷卻后，經(jīng)多次氨水洗滌精制，最終得到較高純度的粉狀固體產(chǎn)品。
這種高壓法生產(chǎn)三聚氰胺工藝過程之所以要經(jīng)過后續(xù)的精制工序是因?yàn)榉磻?yīng)過程得到的反應(yīng)產(chǎn)物中雜質(zhì)含量較高，而造成這種結(jié)果的主要原因是傳統(tǒng)的釜式反應(yīng)器存在的返混問題和反應(yīng)過程中生成的二氧化碳不能及時被排出反應(yīng)體系，使得一部分尿素因反應(yīng)不足而生成中間產(chǎn)物或因反應(yīng)過度而生成過度反應(yīng)物。值得慶幸的是，人們發(fā)現(xiàn)，如果除去反應(yīng)生成的二氧化碳，保持足夠的氨氣分壓，并提供必要的其它反應(yīng)條件，這些中間產(chǎn)物和過度反應(yīng)物還可以轉(zhuǎn)化為三聚氰胺。因此，近年來人們將高壓法生產(chǎn)三聚氰胺工藝過程研究重點(diǎn)集中在如何實(shí)現(xiàn)不經(jīng)過繁雜的精制工序直接將反應(yīng)產(chǎn)物轉(zhuǎn)變成高純度固體粉狀三聚氰胺的工藝過程上。
1986年，Melamine Chemicals，Inc.在US.Pat.4565867中提出了由四個單元構(gòu)成的三聚氰胺生產(chǎn)工藝，即反應(yīng)單元、氣液分離單元、尾氣洗滌單元和冷卻單元。在反應(yīng)單元里，反應(yīng)器的反應(yīng)壓力和溫度分別控制在1500-2500Psig和355℃-427℃，在此條件下，與補(bǔ)充氨氣一起進(jìn)入反應(yīng)器的尿素反應(yīng)轉(zhuǎn)化生成三聚氰胺、氨氣和二氧化碳，生成的氣液混合物被送到氣液分離單元；氣液分離單元的功能主要是在與反應(yīng)器基本相同的壓力和溫度條件下，將反應(yīng)產(chǎn)物氣液分離，氣相被送至尾氣洗滌單元，液相粗三聚氰胺被送往冷卻單元；尾氣洗滌單元的作用主要是用熔融尿素對從分離單元來的含有少量三聚氰胺的氨氣和二氧化碳混合氣體進(jìn)行洗滌，將其中的三聚氰胺吸收下來，洗滌后的尾氣送至尿素合成裝置，吸收了三聚氰胺的洗滌塔底液作為反應(yīng)單元原料送至反應(yīng)器；冷卻單元的目的是將從氣液分離單元來的粗三聚氰胺用液氨淬冷，淬冷時，液氨氣化，隨之又被冷卻系統(tǒng)冷卻，冷卻后液氨循環(huán)使用，在淬冷的過程中，三聚氰胺被精制，并被冷卻成純度為96％-99.5％的固體粉狀物通過星形閥排出。
2001年，Eurotecnica Development & Licensing S.r.1注意到了完全混合的液相連續(xù)釜式反應(yīng)器出口反應(yīng)產(chǎn)物夾帶原料及中間產(chǎn)物和過度反應(yīng)物的問題，在US.Pat.6252074中提出了在釜式反應(yīng)器出口分出氣相后的液相中再注入氨氣，用幾乎不返混的管式反應(yīng)器，進(jìn)一步完成雜質(zhì)轉(zhuǎn)化為三聚氰胺的反應(yīng)，所得三聚氰胺純度達(dá)99.64％以上。
但是，這些技術(shù)及已見報道的其它有關(guān)高壓法生產(chǎn)三聚氰胺的技術(shù)，普遍存在以下問題1.產(chǎn)品質(zhì)量不高。這主要是由于一方面釜式反應(yīng)器(或圓筒形反應(yīng)器)在用于液相或氣液相的連續(xù)反應(yīng)操作時，一部分原料和未反應(yīng)完全的中間產(chǎn)物反應(yīng)時間不足就離開反應(yīng)器，同時一部分反應(yīng)產(chǎn)物卻因反應(yīng)時間過長而反應(yīng)過度；另一方面，反應(yīng)生成的二氧化碳不能及時地被從反應(yīng)體系排出，造成反應(yīng)產(chǎn)物中雜質(zhì)多。這些問題最終導(dǎo)致大部分工藝過程所得三聚氰胺純度難以達(dá)到99.5％以上。
2.設(shè)備數(shù)量偏多。幾乎所有技術(shù)都包含反應(yīng)、氣液分離、洗滌、淬冷四個或更多單元。這對于高溫、高壓、凝固點(diǎn)高的三聚氰胺生產(chǎn)過程來說，工業(yè)化難度較大。
3.反應(yīng)器維護(hù)難度大。由于反應(yīng)吸熱量大，反應(yīng)器內(nèi)盤管密布，既便出現(xiàn)很小的泄漏也很難處理。
4.氨耗大。為了滿足工藝要求和提高產(chǎn)品質(zhì)量，普遍需要在反應(yīng)過程中或后續(xù)部分大量使用氨氣，造成大量氨氣消耗，在有些工藝中，氨氣被降壓，增大了氨氣再利用的難度。
針對這些問題，本發(fā)明人在中國專利申請?zhí)?2107268.X中提出了采用塔式反應(yīng)器生產(chǎn)三聚氰胺的工藝方法和工藝過程，其基本原理是是利用上下布置的多層塔板作為反應(yīng)單元，形成反應(yīng)過程中液相不返混，氣相和液相流動方向和反應(yīng)濃度方向都逆流的反應(yīng)過程，完成部分轉(zhuǎn)化反應(yīng)，使反應(yīng)中間產(chǎn)物或過度反應(yīng)物在由上至下氨氣濃度漸次增高，二氧化碳濃度漸次降低的條件下幾乎全部轉(zhuǎn)化為三聚氰胺，最終直接獲得高純度三聚氰胺，塔式反應(yīng)器主要由三個區(qū)構(gòu)成，即位于上部的尾氣洗滌區(qū)，中部的反應(yīng)區(qū)和下部的后反應(yīng)區(qū)，分別完成反應(yīng)尾氣的熔融尿素洗滌，大部分尿素轉(zhuǎn)化為三聚氰胺的反應(yīng)和含有少量雜質(zhì)的粗三聚氰胺進(jìn)一步反應(yīng)轉(zhuǎn)化為高純度三聚氰胺三種功能，反應(yīng)所需的反應(yīng)熱由器外加熱反應(yīng)器提供。在該專利申請中，塔式反應(yīng)器中部的反應(yīng)區(qū)和下部的后反應(yīng)區(qū)所采用的塔板是與普通精餾塔相同或相似的各種有利于氣體分布，持液量大，操作彈性范圍大，不易漏液的塔板，例如泡帽塔板、浮閥塔板、篩孔塔板或具有較大持液量的特種填料。
雖然該專利申請?zhí)岢隽艘环N較好的三聚氰胺生產(chǎn)的工藝方法和工藝過程，但在實(shí)現(xiàn)這一過程時，會遇到塔式反應(yīng)器高度和體積過大的問題，其原因是，傳統(tǒng)的塔板或填料通常持液量較低，塔板單元的持液率(即板上所持液體的體積與兩層塔板之間的塔段的塔體積的比值)很少大于20％，這一點(diǎn)對于分餾過程來說并不重要，但對于需要較長的器內(nèi)液體反應(yīng)時間的塔式反應(yīng)器來說，將造成塔式反應(yīng)器高度和體積增大，投資增大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種采用塔式反應(yīng)器工藝生產(chǎn)三聚氰胺的工藝方法和一種高持液率塔板單元，有效地降低塔式反應(yīng)器高度和體積，從而降低投資。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的在采用塔式反應(yīng)器工藝生產(chǎn)三聚氰胺的工藝過程中，塔式反應(yīng)器反應(yīng)區(qū)或后反應(yīng)區(qū)采用至少一個本發(fā)明提出的高持液率塔板單元或至少一個本發(fā)明塔板單元與常規(guī)塔板單元或填料的組合作為器內(nèi)反應(yīng)場所，通過采用高持液率塔板單元，在滿足相同的處理量和液體反應(yīng)時間的前提下，有效地降低塔式反應(yīng)器的高度和體積。
本發(fā)明提出的高持液率塔板單元主要由降液管、塔板、出口堰、升氣管、泡帽、折流板、泄放裝置等構(gòu)成。
當(dāng)塔式反應(yīng)器的直徑、降液管面積、塔板間距和塔板開孔率一定時，一個塔板單元的持液量主要是由出口堰的高度決定的，出口堰的高度越高，塔板上液層高度越高，塔板單元的持液量就越大，持液率也就越高；但是，出口堰的高度也不宜過大，否則會引起塔板上液體的過大返混或鼓泡不均勻。通常常規(guī)塔板的出口堰高度小于0.1米，本發(fā)明采用遠(yuǎn)高于常規(guī)塔板出口堰高度的出口堰，以維持較高的塔板上液體高度，推薦出口堰高度在0.1至5米，最好在0.2至2米。
塔板是反應(yīng)和鼓泡的主要場所，通過來自塔板下含氨氣濃度較高的氣體穿過塔板上正在反應(yīng)中的液體時的鼓泡，將反應(yīng)生成的二氧化碳汽提出來，使反應(yīng)在較高的氨氣濃度和較低的二氧化碳濃度條件下進(jìn)行，從而有利于提高最終反應(yīng)產(chǎn)物三聚氰胺的純度。本發(fā)明塔板上設(shè)有若干升氣管和罩于升氣管上的泡帽，其結(jié)構(gòu)類似于常規(guī)泡帽塔板的升氣管和泡帽，但常規(guī)泡帽塔板的升氣管的高度通常不超過0.07米，而本發(fā)明塔板的升氣管高度推薦為出口堰高度的10％至120％，為避免在鼓泡停止時，大量塔板上的液體從升氣管頂溢流到下一層塔板，升氣管的高度最好為出口堰高度的80％至110％。泡帽與升氣管之間的其它結(jié)構(gòu)關(guān)系和尺寸類似于常規(guī)泡帽塔板。
升氣管和泡帽可以是圓形結(jié)構(gòu)，即塔板型式是圓形泡帽塔板。
升氣管和泡帽可以是矩形結(jié)構(gòu)，即塔板型式是矩形泡帽塔板。
升氣管也可以是其它能夠使來自下層板的氣體均勻地鼓泡穿過板上液體并能夠形成液封的結(jié)構(gòu)形式。
當(dāng)出口堰較高時，板上液體會出現(xiàn)較嚴(yán)重的返混現(xiàn)象，為此，可選擇性地在垂直于板上液體流動方向上設(shè)置若干塊折流板，使板上液體形成若干個不同反應(yīng)深度的反應(yīng)單元。
折流板的形式可以是使液體上下折流的上下折流板。
折流板的形式可以是使液體左右折流的左右折流板。
在操作過程中或停工時，有時需要將塔板上的液體向下泄放，常規(guī)塔板是通過在塔板上設(shè)置淚孔來實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明提出在塔板上設(shè)置泄放裝置來實(shí)現(xiàn)。所說的泄放裝置是在塔板上液層底部的塔壁上設(shè)置泄放管，將板上液體通過設(shè)在塔壁外側(cè)連通塔板上下并設(shè)有閥門的泄放管可控地排放到下一層塔板；當(dāng)然，所說的泄放裝置也包括設(shè)在塔板上或折流板上的淚孔，或泄放管和淚孔的組合。
根據(jù)塔式反應(yīng)器的處理量和直徑的不同，液體在塔板上的流動型式可以是“U”型流、單流、雙流等，但最好是“U”型流或單流。
出口堰頂緣至上一層塔板底面之間的距離是塔板的氣相空間，這一距離應(yīng)滿足塔板水利學(xué)和塔板維護(hù)的要求，本發(fā)明推薦塔板的氣相空間在0.3米至5米，最好在0.5米至2米。
根據(jù)本發(fā)明提出的高持液率塔板單元的設(shè)想，塔板單元的持液率可以達(dá)到30％至60％。


以下是為便于理解本發(fā)明而提出的兩個高持液率塔板單元的原理示意圖。
圖--1是圓形泡帽、“U”型流、上下折流的高持液率塔板單元的平豎面原理示意圖。
圖--2是矩形泡帽、單流、上下折流的高持液率塔板單元的平豎面原理示意圖具體實(shí)施方式
按照圖-1所示，在塔式反應(yīng)器器壁(1)內(nèi)，上下排列著若干個不同反應(yīng)深度的塔板單元(圖中所示為2個)，來自上層塔板的液體自上層塔板降液管(2)進(jìn)入本塔板單元，由于隔板(9)的阻擋，液體沿細(xì)實(shí)線箭頭(13)所示的方向，呈“U”型流依次經(jīng)過塔板的鼓泡區(qū)，最后翻越出口堰(4)進(jìn)入本層塔板降液管(2′)。在塔板的鼓泡區(qū)，交替地布置著若干塊上折流板(8)和下折流板(7)，上折流板(8)允許液體從其頂緣上越過，而下折流板(7)允許液體從其底部的開口穿過。在塔板(3)上，設(shè)置有若干個圓形升氣管(5)和罩在升氣管上的圓形泡帽(6)，來自下層板的氣體沿粗實(shí)線箭頭(14)所示的方向，沿圓形升氣管(5)上升，再經(jīng)圓形泡帽(6)與圓形升氣管(5)之間形成的環(huán)隙折返向下，最后在液體中鼓泡后，進(jìn)入上部的氣體空間。在兩個塔板單元之間設(shè)有泄放管(10)，在塔板上設(shè)有淚孔(12)，當(dāng)需要排盡塔板上的液體時，打開泄放管(10)上的閥門(11)將液體泄放至下一個塔板單元，也可以通過淚孔(12)自然泄放。
圖-2所示的塔板單元的結(jié)構(gòu)和原理與圖-1基本相似，所不同的是塔板上液體的流型為單流，升氣管(15)為矩形升氣管，泡帽(16)為矩形泡帽。
權(quán)利要求
1.一種以尿素為原料，高壓法采用塔式反應(yīng)器工藝生產(chǎn)三聚氰胺的工藝方法和設(shè)備，其特征在于在塔式反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)或后反應(yīng)區(qū)采用至少一個高持液率塔板單元或至少一個高持液率塔板單元與常規(guī)塔板單元或填料的組合作為器內(nèi)反應(yīng)場所，高持液率塔板單元主要由降液管、塔板、出口堰、升氣管、泡帽、折流板、泄放裝置等構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于高持液率塔板單元的出口堰高度在0.1至5米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于高持液率塔板單元的升氣管的高度為出口堰高度的10％至120％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于高持液率塔板單元的塔板型式是圓形泡帽塔板。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于高持液率塔板單元的塔板型式是矩形泡帽塔板。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于高持液率塔板單元上設(shè)有若干塊折流板。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于在高持液率塔板單元上設(shè)置有泄放裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于液體在塔板上的流動型式是“U”型流。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于液體在塔板上的流動型式是單流。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于高持液率塔板單元的氣相空間在0.3米至5米。
全文摘要
在采用塔式反應(yīng)器工藝生產(chǎn)三聚氰胺的工藝過程中，在塔式反應(yīng)器反應(yīng)區(qū)或后反應(yīng)區(qū)采用至少一個高持液率塔板單元或至少一個高持液率塔板單元與常規(guī)塔板單元或填料的組合作為器內(nèi)反應(yīng)場所，這種高持液率塔板單元主要由降液管、塔板、出口堰、升氣管、泡帽、折流板、泄放裝置等構(gòu)成，通過采用本發(fā)明提出的高持液率塔板單元，在滿足相同的處理量和液體停留時間前提下，可有效地降低塔式反應(yīng)器的高度和體積。
文檔編號C07D251/00GK1498886SQ0215000
公開日2004年5月26日 申請日期2002年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月7日
發(fā)明者張國瑞 申請人:張國瑞