DE102004014770A1 - Process to increase melamine yield from urea in fluidized-bed catalytic processes, comprises transferring process gas containing high molecular nitrogen compounds into a filter-reactor and reconverting the compounds to melamine - Google Patents
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Abstract
Description
Ausgangsstoff
für die
Herstellung von Melamin ist heute ausschließlich Harnstoff, der sich bei
Temperaturen > 350 °C zunächst nach
Reaktion (1) in Ammoniak und Isocyansäure zersetzt. Die entstandene
Isocyansäure
reagiert in einer nachfolgenden Reaktion (2) weiter zu Melamin:
Technisch erfolgt die Durchführung dieser Reaktionen heute entweder in den nichtkatalytischen Hochdruckprozessen bei ca. 390 – 400 °C und Drucken oberhalb 8 MPa oder in katalytischen Niederdruckprozessen (0,1-1 MPa) in einem Wirbelbettreaktor bei Temperaturen > 380 °C. Beispiele für letztere Prozesse sind die Verfahren der DSM und der BASF AG. Eine ausführliche Beschreibung der genannten Verfahren findet sich in NITROGEN, Nr. 228, Seite 43-51, Juli/August 1997 und in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. A 16, 5th Edit., Seiten 171-185, (1990).Technically the implementation takes place These reactions today either in the non-catalytic high-pressure processes at about 390 - 400 ° C and printing above 8 MPa or in catalytic low-pressure processes (0.1-1 MPa) in a fluidized bed reactor at temperatures> 380 ° C. Examples for the latter Processes are the processes of DSM and BASF AG. A detailed Description of said processes can be found in NITROGEN, No. 228, pages 43-51, July / August 1997 and in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. A 16, 5th Ed., Pp. 171-185, (1990).
Es liegt in der Natur eine Wirbelbettreaktors, der hinsichtlich des Umsatzes die Charakteristik eines Rührkesselreaktors aufweist, dass der Umsatz des Harnstoffs bei einmaligem Durchgang nicht vollständig ist. Zwar wird der Harnstoff gemäß Reaktion (1) vollständig zersetzt, die gebildete Isocyansäure setzt sich jedoch nur unvollständig zu Melamin nach Reaktion (2) um. In der Praxis rechnet man mit Hamstoffumsätzen von 75-90 % zu Melamin, d.h. das Prozessgas aus dem Reaktor enthält je nach den Betriebsbedingungen des Reaktors mehr oder weniger hohe Anteile an Isocyansäure, das thermodynamisch mögliche Gleichgewicht wird nicht eingestellt.It is in nature a fluidized bed reactor, which in terms of Turnover has the characteristics of a stirred tank reactor, that the conversion of the urea is not complete in a single pass. Though the urea will react according to (1) completely decomposes the formed isocyanic acid is only incomplete to melamine after reaction (2). In practice, one expects urea sales of 75-90 % to melamine, i. the process gas from the reactor contains depending on the operating conditions of the reactor more or less high proportions of isocyanic acid, the thermodynamically possible Balance is not set.
Zum
Verständnis
der Erfindung ist in
Zur
Gewinnung des Melamins aus dem heißen Prozessgas kann das Gas
wie beim DSM--Verfahren direkt
mit Wasser gequencht werden, Weg (
Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, dass beim Quenchen mit Wasser die nicht umgesetzte Isocyansäure zu NH3 und CO2 hydrolysiert wird und der Katalysatorstaub durch Filtration abgetrennt werden muß. Außerdem entstehen Oxotriazine durch Hydrolyse des Melamins.A disadvantage of this method is that when quenching with water, the unreacted isocyanic acid is hydrolyzed to NH 3 and CO 2 and the catalyst dust must be separated by filtration. In addition, oxotriazines are formed by hydrolysis of the melamine.
Diese
Nachteile werden beim Verfahren der BASF vermieden, indem das heiße Prozessgas
aus dem Reaktor zunächst
in einem Kühler
(
Aus
dem so gereinigten Gasstrom wird das Melamin mittels eines Gasquenches
(
Im
Harnstoffwäscher
rekombiniert nicht umgesetzte Isocyansäure in Umkehrung der Wöhlerschen Hamstoffsynthese
mit dem Ammoniak wieder zu Harnstoff:
Nachteile dieses Verfahrens sind:
- a) Die nicht umgesetzte
Isocyansäure
reagiert zwar im Wascher (
10 ) wieder zu Harnstoff, im Wirbelbettreaktor muss aber die Zersetzungsenergie für den insgesamt zugeführten Harnstoff aufgebracht werden, ohne dass dem eine entsprechende Melaminmehrausbeute entgegensteht. - b) Hohe Gehalte an nicht umgesetzter Isocyansäure im Prozessgas
können
zur Bildung unerwünschter
Nebenprodukte bei der Desublimation des Melamins im Gasquench führen. Die
Temperatur im Gasquench muss deshalb so hoch eingestellt werden,
dass die Reaktion (
3 ) nicht stattfindet, was wiederum einen Melaminverlust zur Folge hat, da es entsprechend seinem Dampfdruck mit dem Gas aus dem Zyklon (9 ) ausgetragen wird. - c) Die Austrittstemperatur aus dem Gaskühler (
6 ) muss so niedrig gewählt werden, dass die höher kondensierten Stickstoffverbindungen wie Melem nahezu vollständig desublimieren. Sie würden sonst gasförmig durch die Filter (7 ) gehen und zusammen mit dem Melamin im Gasquench abgeschieden werden, was zu Qualitätsproblemen führt. Andererseits darf unter den Bedingungen des Gaskühlers noch kein Melamin auskristallisieren, d.h. der Partialdruck des Melamins im Prozessgas darf seinen Sättigungsdampfdruck bei der gewählten Kühleraustrittstemperatur nicht überschreiten.
- a) The unreacted isocyanic acid reacts in the scrubber (
10 ) again to urea, but in the fluidized bed reactor, the decomposition energy must be applied to the total urea supplied, without that opposes a corresponding Melaminmehrausbeute. - b) High levels of unreacted isocyanic acid in the process gas can lead to the formation of undesirable by-products in the desublimation of the melamine in the gas quench. The temperature in the gas quench must therefore be set so high that the reaction (
3 ), which, in turn, results in loss of melamine, since it reacts with the gas from the cyclone, in accordance with its vapor pressure (9 ). - c) The outlet temperature from the gas cooler (
6 ) must be chosen so low that the higher-condensed nitrogen compounds such as melem almost completely desublimate. Otherwise they would be gaseous through the filters (7 ) and are deposited together with the melamine in the gas quench, which leads to quality problems. On the other hand, under the conditions of the gas cooler no melamine must crystallize out, ie the partial pressure of the melamine in the process gas must not exceed its saturation vapor pressure at the selected cooler outlet temperature.
Durch diese physikalische Gesetzmäßigkeit ist die mit dem Wirbelgas austragbare Melaminmenge begrenzt, ein wirtschaftlicher Nachteil, da hohe Wirbelgasvolumina pro Tonne Melamin erforderlich sind.By this physical law the volume of melamine which can be discharged with the fluidizing gas is limited economic disadvantage, since high fluidizing gas volumes per ton of melamine required are.
Es wurde nun überraschend gefunden, dass sich die Nachteile eines direkten Wasserquenches oder der vorgehend beschriebenen Kombination von Gaskühler und Filter beim Verfahren der BASF AG vor dem Gasquench vermeiden lassen, wenn das heiße Prozessgas aus dem Wirbelbettreaktor vor dem Quenchen mit Wasser oder vor der Abkühlung im Gaskühler und anschließender Filtration direkt in einen sog. Filterreaktor geleitet wird, in dem sich die noch im Prozessgas enthaltene Isocyansäure weiter zu Melamin umsetzt und Katalysatorstaub zurückgehalten wird.It was now surprising found that the disadvantages of a direct water quench or the previously described combination of gas cooler and Avoid filters during the process of BASF AG before the gas quench, if that's hot Process gas from the fluidized bed reactor before quenching with water or before cooling off in the gas cooler and subsequently Filtration is passed directly into a so-called. Filter reactor, in continue the still contained in the process gas isocyanic acid converted to melamine and catalyst dust is retained.
Kennzeichen dieses Filterreaktors ist, dass er aus einem oder mehreren Ringreaktoren besteht, in denen der Katalysator in einem Ringraum zwischen zwei konzentrischen Zylindern mit perforierten Wänden angeordnet ist.Mark This filter reactor is that it consists of one or more ring reactors in which the catalyst in an annulus between two concentric cylinders with perforated walls is arranged.
Die
einzelnen Ringreaktoren sind an der oberen Halteplatte des Filterreaktors
(
Zur
Erleichterung des Anfahrvorganges sowie zur gelegentlichen Regeneration
des Katalysatorbettes ist es jedoch sinnvoll, das Gehäuse (
Anzahl und Abmessungen der einzelnen Ringreaktoren im Filterreaktor richten sich naturgemäß nach der Kapazität und dem Umsatz im Wirbelbettreaktor sowie nach der Aktivität des Katalysators im Ringreaktor. Um Vibrationen zu vermeiden und die Aufhängung sowie das Auswechseln der Ringreaktoren zu erleichtern, ist eine Länge zwischen 1000 und 4000 mm optimal, obwohl in speziellen Fällen je nach Anforderungen diese Maße sowohl überschritten wie unterschritten werden können. Die Durchmesser des äußeren Zylinders des Ringreaktors werden aus praktischen Gründen vorzugsweise zwischen 200 und 900 mm gewählt, der des inneren Zylinders resp. des Zentralrohres zwischen 150 und 300 mm. Aber auch hier können aus räumlichen oder sonstigen Verfahrensbedingten Umständen andere Maße gewählt werden.number and dimensions of the individual ring reactors in the filter reactor naturally according to the capacity and the turnover in the fluidized bed reactor and after the activity of the catalyst in the ring reactor. To avoid vibration and suspension as well To facilitate the replacement of the ring reactors is a length between 1000 and 4000 mm optimal, although in special cases depending on requirements these measurements both exceeded how to fall below. The diameters of the outer cylinder of the ring reactor are preferably used for practical reasons 200 and 900 mm chosen, the inner cylinder resp. of the central tube between 150 and 300 mm. But here too from spatial or other procedural circumstances other dimensions are chosen.
Durch die großen, zylindrischen Anströmflächen und die radiale Durchströmung der Katalysatorfüllung über die Länge des gesamten Ringreaktors wird die Katalysatorfüllung optimal ausgenutzt Im Prozessgas noch enthaltener Katalysatorstaub wird bei Eintritt in das Katalysatorbett zurückgehalten, und kann durch periodisches Rückspülen mit heißem Ammoniak, Wirbelgas oder Wasserdampf wieder entfernt und über eine Austragseinrichtung am Boden des Filterreaktors ausgetragen werden.Due to the large, cylindrical flow surfaces and the radial flow through the catalyst filling over the length of the entire ring reactor, the catalyst filling is optimally utilized in the process gas catalyst dust still contained is retained upon entry into the catalyst bed, and can by pe Riodisch backwashing with hot ammonia, fluidizing gas or steam again removed and discharged through a discharge at the bottom of the filter reactor.
Die
im Prozessgas noch enthaltene Isocyansäure setzt sich beim Durchströmen des
Katalysatorbettes zu Melamin um. Melem und andere höhermolekulare
Stickstoffverbindungen werden durch Reaktion mit Ammoniak teilweise
wieder in Melamin umgewandelt
Das aus dem Ringreaktor austretende Gas enthält durch diese Nachreaktion deutlich weniger Isocyansäure und der Anteil an Melem ist soweit reduziert, dass sein Gehalt im Melamin unter 100 ppm beträgt.The from the ring reactor exiting gas contains by this reaction significantly less isocyanic acid and the proportion of melem is reduced so much that his salary in Melamine is below 100 ppm.
Als Katalysatoren für die im Filterreaktor installierten Ringreaktoren eignen sich alle für die Melaminherstellung bekannten Katalysatortypen, bestehend entweder aus reinem Gamma-Al2O3, Aluminiumsilikaten mit 10 bis 90 Gew.-% SiO2 oder reines SiO2. Besonders geeignet sind Katalysatoren, die in einer Matrix aus Aluminiumsilikat 20 bis 80 Gew.-% Molekularsiebe enthalten und deren mittlerer Porendurchmesser über 6-8 Angström liegt.Suitable catalysts for the ring reactors installed in the filter reactor are all types of catalysts known for melamine production, consisting of either pure gamma-Al 2 O 3 , aluminum silicates with 10 to 90% by weight SiO 2 or pure SiO 2 . Especially suitable are catalysts which contain from 20 to 80% by weight of molecular sieves in an aluminum silicate matrix and whose mean pore diameter is greater than 6-8 angstroms.
Wichtig ist, dass die Katalysatoren eine hohe Abriebfestigkeit aufweisen, damit beim Durchströmen des Katalysatorbettes kein neuer Abrieb entsteht. Zur Erfüllung dieser Forderung und zur Verminderung des Druckverlustes eignen sich insbesondere geformte Katalysatoren in Kugel- oder Tablettenform oder grobkörnige Katalysatoren mit Durchmessern von 0,5 bis 5mm und darüber.Important is that the catalysts have a high abrasion resistance, so that when flowing through the Catalyst bed no new abrasion arises. To fulfill this Demand and to reduce the pressure loss are particularly suitable shaped catalysts in spherical or tablet form or coarse-grained catalysts with diameters of 0.5 to 5mm and above.
Die im Filter- bzw. Ringreaktor eingesetzten Katalysatoren können die gleiche chemische Zusammensetzung haben wie die im Wirbelbettreaktor eingesetzten. Es können aber auch völlig andere Katalysatoren verwendet werden, da im Filterreaktor kein Harnstoff mehr zersetzt werden muss, sondern nur die Reaktion der Isocyansäure zu Melamin und die Rückreaktion der höhermolekularen Verbindungen zu Melamin katalysiert werden müssen. Wenn beispielsweise der Wirbelbettreaktor einen Katalysator aus reinem Aluminiumoxid enthält, kann es vorteilhaft sein, im Nachreaktor einen Katalysator auf Aluminiumsilikat-Basis einzusetzen.The In the filter or ring reactor catalysts used can have the same chemical composition as in the fluidized bed reactor . used It can but also completely other catalysts are used, as in the filter reactor no Urea needs to be decomposed more, but only the reaction of isocyanic to melamine and the reverse reaction the higher molecular weight Compounds must be catalyzed to melamine. If, for example, the Fluidized bed reactor containing a catalyst of pure alumina can it may be advantageous in the after-reactor, a catalyst based on aluminum silicate use.
Anhand
des nachfolgenden Ausführungsbeispiels
und
Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1
Im
Reaktor (
Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzung des Gases (ohne Inerte) vor und nach Eintritt in den Filterreaktor: TABELLE 1 Table 1 shows the composition of the gas (without inert) before and after entry into the filter reactor: TABLE 1
Von der noch im Prozessgas vorhandenen Isocyansäure wurden ca. 83 % zu Melamin umgesetzt, dies entspricht einer täglichen Mehrproduktion von 7,8 t Melamin. Melem und andere höhere Stickstoffverbindungen sind nicht mehr nachweisbar, ebenso war das Gas nach dem Filterreaktor frei von Katalysatorstaub.From 83% of the isocyanic acid still present in the process gas became melamine implemented, this corresponds to a daily increase of 7.8 t melamine. Melem and other higher nitrogen compounds are no longer detectable, as was the gas after the filter reactor free of catalyst dust.
Nach
Verlassen des Filterreaktors und vor Eintritt in die Melaminabscheidung
durch Wasser- oder Gasquench
kann das Prozessgas im Kühler
(
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JP2006548194A JP2007517818A (en) | 2004-01-17 | 2004-12-15 | Method for producing catalytic melamine to improve melamine yield |
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