CN1807420A - 一种常温精制氰脲酸的方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种常温精制氰脲酸的方法及其装置，属于化工技术领域。精制氰脲酸的方法是，首先将硫酸或盐酸置于反应釜内，在搅拌条件下加入粗品氰脲酸，然后对反应釜内的反应物施加超声波，反应一定时间。精制氰脲酸的装置中，超声波发生器置于反应釜内，沿反应釜的内壁圆周均布，超声波发生器由反应釜外部的电源驱动。搅拌桨置于反应釜的底部，搅拌桨由反应釜外部的电机驱动。排料阀门置于反应釜底部。也可将超声波发生器置于反应器底部外壁。本发明的方法及其装置，其优点是可缩短氰脲酸的精制时间，减少对设备的腐蚀，延长设备寿命。整个生产过程简单、安全可靠、节约能源、生产效率高，具有良好的经济效益和社会效益。

Description

一种常温精制氰脲酸的方法及其装置
技术领域
本发明涉及一种常温精制氰脲酸的方法及其装置，属于化工技术领域。
背景技术
自1776年谢勒发明由尿素合成氰尿酸以来，现已发展为重要的精细化工中间体。氰尿酸具有三嗪结构，易发生加成、取代、缩合等反应，是一种重要的化工产品，以其为原料已开发研制了近500种氰尿酸下游产品，广泛用于化工、轻工、机械、电器、纺织、农业、日用等领域。我国现有20多家生产厂，年产量约10.0万吨。
目前，国内主要采用固相法生产氰脲酸，即将尿素(或加催化剂氯化铵)在250～300℃下缩合反应成粗品氰脲酸，其氰脲酸含量一般为60～80％，杂质为尿素、缩二脲、缩三脲、酰铵等，氰脲酸产品含量要求在98％以上，这就需要将粗品氰脲酸进行精制，以达到质量要求。
氰脲酸精制技术主要是利用硫酸或盐酸将粗品中的酰铵重新转化为氰尿酸，并将其它杂质除去。
美国专利US2768167指出，在生产三聚氰胺时，生产的副产物三聚氰酸一酰胺和三聚氰酸二酰胺与三聚氰胺很难分离，因此就将它们的混合物集中处理，在酸性水溶液中加热，温度达到165℃以上时，就可得到90％以上的转化率，生成氰尿酸。所用的酸最好是硫酸，盐酸也可以，但盐酸的使用将带来更严重的设备腐蚀问题。硫酸的用量为：三聚氰胺的三个取代基都是氨基，每摩尔物料需3/2摩尔硫酸；三聚氰酸二酰胺含有两个氨基，每摩尔物料需1摩尔硫酸；三聚氰酸一酰胺含有一个氨基，每摩尔物料需1/2摩尔硫酸。游离酸的浓度直接控制了反应速度，在硫酸浓度为5％～20％时，反应速度是比较适宜的。反应温度最低也要150℃以上，此时的加热必须保证压力，否则水分就会挥发了；在反应温度低于165℃时，反应速度增加的较慢，当高于这个温度时，反应速度迅速增快，达到175℃～180℃时，从工业规模考虑就很有吸引力了，最佳的反应速度出现在200℃，但温度过高就会带来成本的迅速增长。
三聚氰胺、三聚氰酸一酰胺和三聚氰酸二酰胺等也正是尿素直接热解生成氰尿酸时的副产物，它们与未完全反应的尿素、缩二脲等一起构成了粗品氰尿酸精制的原料。粗品氰尿酸与硫酸一起煮解就是通常与固相法尿素直接热解生产氰尿酸配套的精制方法。
酸煮反应都是间歇操作的，代表性的反应式为：
在加热到一定温度条件下，酰胺转化为氰尿酸，产生的氨与硫酸反应生成硫酸铵，打破了转化反应的平衡，使转化反应朝正方向进行，在硫酸足够量的情况下，转化反应完全进行，酰胺全部变为氰尿酸，达到精制效果。
最早的酸煮反应都是在常压下进行，在一定酸浓度下，最高加热温度只能达到105℃，温度再高，水分就要大量蒸发了，因此反应时间都比较长，一般情况下都要3～4hr。欧洲专利EPA0124710进行了高温酸煮实验，当加热温度达到160℃时，反应需要进行90min；当加热温度达到170℃时，反应需要进行40min；当加热温度达到180℃时，反应需要进行20min；当加热温度达到200℃时，反应需要进行5～8min。而且随着加热温度升高，系统的操作压力也是逐步增加的。
目前广泛采用的精制工艺是：将粗氰尿酸粉碎(约60目)，置于搪瓷釜中与硫酸配成20％～30％的浆料，在煮沸条件下精制4～8hr，精制液冷却后，经过滤、洗涤、干燥后可得纯度大于98％的氰尿酸。
上述工艺可分为常压和高压工艺。高压工艺反应时间短，易于实现连续化生产，但由于其反应温度较高，设备材质难以满足腐蚀要求或投资较大，国内尚未有工业化应用；常压工艺是国内普遍采用的技术，其主要问题是温度较高，约105℃，使设备腐蚀严重，即使是搪瓷反应釜，使用寿命也只有1年左右，而且反应时间长，氰脲酸易分解，使产品收率降低，因此设备生产效率低下，能耗较高。
发明内容
本发明的目的是提出一种常温精制氰脲酸的方法及其装置，将超声波用于氰脲酸精制，以缩短反应时间、降低反应温度，达到生产过程简单、安全、高效、节能的目的。
本发明提出的常温精制氰脲酸的方法，包括以下各步骤：
(1)将浓度为15～25％的硫酸或浓度为4～10％的盐酸置于反应釜内，在搅拌条件下加入粗品氰脲酸，加入的重量比为：粗品氰脲酸∶硫酸溶液或盐酸溶液＝1∶1.5～1∶2.5；
(2)对反应釜内的反应物施加超声波，超声波频率为20～80KHz，超声波声强0.2～10W/cm2，反应时间为30～120分钟。
上述方法中的粗品氰脲酸，其氰脲酸的含量为60～95％。
本发明提出的常温精制氰脲酸的装置，包括反应釜、超声波发生器、电源、排料阀门、电机和搅拌桨。超声波发生器置于反应釜内，沿反应釜的内壁圆周均布，超声波发生器由反应釜外部的电源驱动。搅拌桨置于反应釜的底部，搅拌桨由反应釜外部的电机驱动。排料阀门置于反应釜底部。
本发明提出的常温精制氰脲酸的装置的另一种结构，包括反应器、超声波发生器、电源、排料阀门；所述的超声波发生器置于反应器底部外壁，沿反应器的底部均布，超声波发生器由电源驱动；所述的排料阀门置于反应器底部。
本发明提出的常温精制氰脲酸的方法及其装置，其优点是可缩短氰脲酸的精制时间，在常温下进行反应，可以大幅度减少对设备的腐蚀，因此可以大大延长设备寿命。而且常温反应不需要蒸汽加热，可节约能源。本装置适用于氰脲酸的精制过程，整个生产过程简单、安全可靠、节约能源、生产效率高，具有良好的经济效益和社会效益。
附图说明
图1是本发明提出的精制装置的结构示意图。
图2是本发明装置的另一种结构的示意图。
图1和图2中，1是反应釜，2是超声波发生器，3是电源，4是排料阀门，5是电机，6是搅拌桨，7是反应器。
具体实施方式
本发明提出的常温精制氰脲酸的方法，首先将浓度为15～25％的硫酸或浓度为4～10％的盐酸置于反应釜内，在搅拌条件下加入粗品氰脲酸，加入的重量比为：粗品氰脲酸∶硫酸溶液或盐酸溶液＝1∶1.5～1∶2.5；然后对反应釜内的反应物施加超声波，超声波频率为20～80KHz，超声波声强0.2～10W/cm2，反应时间为30～120分钟。
上述方法中的粗品氰脲酸，其氰脲酸的含量为60～95％。
本发明提出的常温精制氰脲酸的装置，其结构如图1所示，包括反应釜1、超声波发生器2、电源3、排料阀门4、电机5和搅拌桨6。超声波发生器2置于反应釜1内，沿反应釜的内壁圆周均布，超声波发生器2由反应釜外部的电源3驱动。搅拌桨6置于反应釜1的底部，搅拌桨6由反应釜外部的电机5驱动。排料阀门4置于反应釜1的底部。
本发明提出的常温精制氰脲酸的装置的另一种结构，如图2所示，包括反应器7、超声波发生器2、电源3和排料阀门4。超声波发生器2置于反应器7的底部外壁，沿反应器的底部均布，超声波发生器2由电源3驱动。排料阀门4置于反应器7的底部。
本发明方法的工作原理为：氰脲酸精制过程实质上是酸碱反应过程，酸碱反应在常温、常压下即可快速完成，但常压精制过程速度很慢，说明其反应过程为传质控制。超声波是频率大于20kHz的声波，用于氰脲酸精制过程其主要作用是机械作用和空化作用。超声波在介质传播过程中，引起介质质点的交替压缩和伸张。虽然质点的振动位移、速度变化不大，但其加速度却相当大(104m/s2)。如此大的加速度，能显著地增大酸液进入粗品氰脲酸颗粒的渗透性，加强传质过程，从而强化了反应过程。然而超声强化精制反应的最主要原因是由于超声波产生的空化效应。超声空化是指溶液中的微小泡核在声波作用下被激活，表现为泡核的振荡、生长、收缩乃至崩溃等一系列动力学过程。根据不同的表现，空化可有稳态空化和瞬态空化两种形式。稳态空化产生在较低的声强作用下，空化泡以非线性的形式在介质中振荡若干个周期，在振荡过程中，空化泡周围的微流对溶液中其它粒子产生较大的切向力，有利于酸液渗透到粗品氰脲酸颗粒内部。低强度超声不仅可使粗品氰脲酸颗粒颗粒周围形成微流，还可使粗品氰脲酸颗粒产生粒内环流，从而提高了颗粒的通透性。超声作用无需通过提高介质温度也可加大传质过程，这是超声强化精制反应的主要机理。瞬态空化发生在较强的声强作用下，气(汽)泡在一个声波周期内迅速的生成、长大、压缩、崩溃。研究表明，瞬态空化崩溃时可形成高达5000K以上的局部热点，压力可达数百乃至上千个大气压。随着高压的释放，将在溶液中形成强大的冲击波(均相)或高速射流(非均相)。在精制反应中，这种强大的冲击流能够有效地减小、消除颗粒与酸液之间的阻滞层，从而加大了传质速率。同时，冲击流对粗品氰脲酸颗粒产生一种物理剪切力，使之变形、破裂，并释放出内含物，这大大加速了反应过程。
以下是本发明方法的实施例：
实施例1
选用含量为65％的粗品氰脲酸，将粗品氰脲酸与浓度为20％的硫酸进行混合，其配料比为1∶2，在超声波频率为30KHz、声强为0.5W/cm2、温度为室温的情况下精制40分钟，过滤、洗涤、干燥后氰脲酸产品含量大于98％。
实施例2
选用含量为75％的粗品氰脲酸，将粗品氰脲酸与浓度为25％的硫酸进行混合，其配料比为1∶1.7，在超声波频率为50KHz、声强为2W/cm2、温度为室温的情况下精制30分钟，过滤、洗涤、干燥后氰脲酸产品含量大于98％。
实施例3
选用含量为85％的粗品氰脲酸，将粗品氰脲酸与浓度为5％的盐酸进行混合，其配料比为1∶2，在超声波频率为80KHz、声强为5W/cm2、温度为室温的情况下精制50分钟，过滤、洗涤、干燥后氰脲酸产品含量大于98％。
实施例4
选用含量为70％的粗品氰脲酸，将粗品氰脲酸与浓度为8％的盐酸进行混合，其配料比为1∶2.3，在超声波频率为20KHz、声强为0.2W/cm2、温度为室温的情况下精制70分钟，过滤、洗涤、干燥后氰脲酸产品含量大于98％。

Claims (4)

1、一种常温精制氰脲酸的方法，其特征在于该方法包括以下各步骤：
(1)将浓度为15～25％的硫酸或浓度为4～10％的盐酸置于反应釜内，在搅拌条件下加入粗品氰脲酸，加入的重量比为：粗品氰脲酸∶硫酸溶液或盐酸溶液＝1∶1.5～1∶2.5；
(2)对反应釜内的反应物施加超声波，超声波频率为20～80KHz，超声波声强0.2～10W/cm2，反应时间为30～120分钟。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的粗品氰脲酸中，氰脲酸的含量为60～95％。
3、一种常温精制氰脲酸的装置，其特征在于该装置包括反应釜、超声波发生器、电源、排料阀门、电机和搅拌桨；所述的超声波发生器置于反应釜内，沿反应釜的内壁圆周均布，超声波发生器由反应釜外部的电源驱动；所述的搅拌桨置于反应釜的底部，搅拌桨由反应釜外部的电机驱动；所述的排料阀门置于反应釜底部。
4、一种常温精制氰脲酸的装置，其特征在于该装置包括反应器、超声波发生器、电源、排料阀门；所述的超声波发生器置于反应器底部外壁，沿反应器的底部均布，超声波发生器由电源驱动；所述的排料阀门置于反应器底部。
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