DE1518466A1 - Verfahren zur Aufspaltung von Amoniumcarbamat - Google Patents

Verfahren zur Aufspaltung von Amoniumcarbamat

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Description

Verfahren zur Aufspaltung von Ammoniumcarbamat.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfanren zur Aufspaltung von Ammoniumcarbamat, das in der bei der Synthese von Harnstoff durch Umsetzung von Ammoniak und Kohlendioxyd anfallenden Flüssigkeit, die freies Ammoniak enthält, anwesend ist. Dabei ist es äußerst wünschenswert, ein Harnstoffprodukt mit geringem oder keinem Gehalt an Biuret und/oder Ammoniak zu erhalten.
Jarnstoff wird in der Industrie in technischem Maße durch Umsetzung von Ammoniak und Kohlendioxyd Hergestellt. Bei diesem Verfahren ist gewöhnlich ein Überschuß an Ammoniak vorhanden, das in dem Produkt zusammen mit Harnstoff, Ammoniumcarbamat, V/asser und gegebenenfalls, jedoch nicht üblicherweise, Kohlendioxyd auftritt. Die bei dieser Synthese erfolgenden Umsetzungen
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verlaufen wie folgt:
(1) 2NH3 + QO2 ; NHg-GOONH.
(2) NH2C00NH'4 » NH2CONH2 + H5O
Da die Umsetzung (2) nicht vollständig verläuft, enthält das aus dem Harnstoffsynthese-Gefäß austretende Produkt Ammoniumcarbamat, das gespalten werden muß, um die Reaktionsteilnehmer Ammoniak und Kohlendioxyd vollständiger auszunutzen und ein reineres Produkt zu erhalten. Die Spaltungsrealction wird nicht in dem Reaktionsgefäß, sondern in einer anderen Verfahrensvorrichtung durchgeführt und führt zur Bildung von Ammoniak- und Kohlendioxydgasen, die abgetrennt und verwertet werden müssen, wenn das Gesamtverfahren wirtschaftlich sein soll.
Bei der Spaltung von Ammoniumcarbamat traten bisher erheblicue Schwierigkeiten auf. Der erhaltene Harnstoff und das Garbamat liegen beim Verlassen des Synthesegefäßes praktisch in flüssiger Form vor und der Harnstoff wird während der Oarbamatspaltung in flüssiger Phase gehalten. Nach der üarbamat-Spaltung sind jedoch gasförmiges Ammoniak und Kohlendioxyd in der Flüssigkeit vorhanden und müssen daraus abgetrennt werden. Bis zu einem gewissen Grad unterstützt das Vorhandensein von zwei Phasen die Trennung, andere Faktoren führen jedoch zu erheblichen Problemen. Zur Durchführung der Spaltung ist Wärme notwendig} übermäßiges Erhitzen, sei es durch Anwendung zu
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hoher Temperaturen oder durch lange Verweilzeiten, bewirkt Biuretbildung. Die Anwesenheit dieses Ivüaterials in dera Harnstoff vermindert aber den Wert des Produktes. Da die Spaltungsreaktion, die zur Bildung von Ammoniak und Kohlendioxyd führt, eine Gleichgewichtsreaktion ist, vermindert die Anwesenheit dieser Komponenten in dem Spaltungsmedium die Reaktionsgeschwindigkeit, und es ist daher zweckmäßig, diese Gase rechtzeitig und gründlich aus der Flüssigkeit zu entfernen. Außerdem soll das flüssige Produkt nach der Oarbamatspaltung, das nur einen geringen Carbamatgehalt hat - wenn es nicnt überhaupt praktisch carbamatfrei ist - auch nur einen geringen Gehalt an Ammoniak aufweisen, um eine vollkommenere Uarbamatverminderung una eine bessere Ammoniakverwertung zu erzielen.
iiinige dieser Probleme wurden von den Herstellern bereits gelöst, und es wird auf die USA-Patentscnriften 2 267 133, 2 701 262, 2 744 133, 2 913 493 und 3 Cb 3 891 hingewiesen. Im großen und ganzen haben die bisher zur Aufspaltung von Oarbamat verwendeten Systeme entweder den Nachteil, daß die erhaltenen Ergebnisse schlecht waren oder die Verfahren waren teuer, und zwar in vielen Fällen wegen des erforderlichen großen Aufwandes für die Betriebsvorricutungen. Häufig wurde
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die Verwendung von zwei verschiedenen Spaltungsgefäßen vorgeschlagen, welchen jeweils eine Stufe zur Trennung von Gas und Flüssigkeix folgte. In bisherigen Verfahren wurde auch
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eine einfache Abdestillation der gasförmigen Komponenten von der flüssigen Phase angewandt. Um jedoch eine angemessene Spaltung und Trennung zu erzielen, sind ausgedehnte Erhitzungszeiten erforderlich, die zu unerwünschter Bildung von Biuret führen. Infolgedessen ist schon seit langem nach einem relativ billigen, wirksamen Spaltungsverfahren gesucht worden und dieses Bedürfnis wird durch das erfindungsgemäße Verfahren befriedigt.
Die vorliegende Erfindung findet besonders für die Carbamatspaltung bei dem oben angegebenen Harnstoff-Herstellungsverfahren Anwendung. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun die Spaltung in zwei getrennten und verschiedenartigen Umsetzungsstufen durchgeführt und zwischen den Spaltungszonen eine einzige Gastrennungszone verwendet. Zweckmäßig werden diese Umsetzungen in einem einzelnen oder einheitlichen senkrecht-ausgerichteten Gefäß durchgeführt. £Js können jedoch auch andere Anordnungen der Betriebsvorrichtungen verwendet werden.
Srfindungsgemäß wird die zu behandelnde Flüssigkeit durch eine erhitzte Spaltungszone, in der Gase gebildet werden, geleitet, wobei das erhaltene gasförmige Material und die restliche Flüssigkeit diese Stufe im Gleichstrom passieren. Das gemischte Produkt aus Flüssigkeit und Gas der ersten Spaltung wird in eine Trennzone geleitet, in welcher die gasförmigen Ißaterialien
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von der Flüssigkeit getrennt und abgezogen werden. Die zurückbleibende Flüssigkeit wird dann durch eine erhitzte' zweite Spaltungszone geleitet, wobei die gebildeten Gase aus der Flüssigkeit im G-egenstrom entfernt und die erhaltenen Gase in die oben genannte Trennzone zur Entfernung aus dem System zusammen mit den Gasen der ersten Spaltungszone geleitet werden.
Für die Carbamat-Spaltung wird erfindungsgemäß die Harnstoffschmelze aus dem Syntheseverfahren zu der ersten Spaltungszone geleitete Diese Schmelze enthält Harnstoff, Carbamat, Ammoniak, Wasser und gegebenenfalls auch Kohlendioxyd, was jedoch normalerweise nicht der Fall ist. Gegebenenfalls können überschüssiges Ammoniak und andere gasförmigen likterialien in einer Vortrennstufe aus der Schmelze entfernt werden, jedoch wird die flüssige Schmelze in jedem Fall etwas Ammoniak und Wasser zusammen mit dem Harnstoff und Carbamat enthalten und natürlich bilden sich zusätzliches Ammoniak und Kohlendioxyd während der Spaltung. Die Harnstoffschmelze wird bei erhöhtem Druck in die erste Spaltungsstufe geleitet, und während dieses Material diese erhitzte Reaktionszone passiert wird das flüssige Carbamat in Ammoniak und Kohlendioxyd gespalten. Die Wärme ist während dieses Vorganges groß genug, um ein Verfestigen der Reaktionsmischung zu verhindern. Wegen des erhöhten Druckes passiert die Reaktionsmischung die erhitzte Zone mit großer Geschwindigkeit, wodurch die Biuretbildung vermindert
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wird,, Die Flüssigkeit und die freigesetzten Gase passieren die erste Spaltungsstufe im Gleichstrom und gelangen in die zwischengeschaltete Gastrennzone.
Die Gastrennzone kann eine Gassammeizone sein mit Mitteln zum Abziehen der Gase aus der Schmelze und damit aus dem Spaltungssystemi, Vorzugsweise sollte die Gastrennzone jedoch eine Ansammlung von wenigstens einer geringen Menge der flüssigen Schmelze ermöglichen, wobei die freigesetzten Gase sich über der angesammelten Flüssigkeit befinden. Nach der Trennzone folgt eine zweite Spaltungsstufe unter Erhitzung, in welcher weitere Ammoniak- und Kohlendioxydgase aus der flüssigen Schmelze, praktisch, sobald sie gebildet werden, freigesetzt werden,
erleichtert wodurch die Spaltungsreaktion weiter ve'i'ÄLEPKiülf tr wird. Dieses Gegenstromprinzip erlaubt die Konzentrationsverminderung der Bestandteile der Gasphase, wie Ammoniak, Kohlendioxyd und Y/asserdampf, in der Gasphase während des Abwärtsfließ ens der Schmelze in der zweiten Spaltungsstufe, wodurch eine beinahe vollständige Spaltung in der die zweite Stufe verlassenden Schmelze ermöglicht wird« Um eine wirksame Trennung und Entfernung zu erzielen, werden die gebildeten Gase also aus der zweiten Spaltungsstufe im Gegenstrom zu der durch diese Zone fließenden Flüssigkeit entfernt. Dieser Gegenstromfluß kann erreicht werden, indem die flüssige Schmelze in der Form eines dünnen, abfließenden Filmes vorliegt, wobei vorzugsweise
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hauptsächlich unter Ausnützung der Schwerkraft gearbeitet wird und angrenzend an die Flüssigkeit ein freier Raum zur Trennung der gasförmigen Produkte vorgesehen ist. Diese Produkte werden im Gegenstrom zum Flüssigkeitsstrom in die Gassammei— bzw. Trennstufe, die sich zwischen den Spaltungszonen befindet, geleitet. Das flüssige Harnstoffprodukt aus der zweiten Spaltungszone hat einen geringen Gehalt an Biuret und Ammoniak.
Die vorliegende Erfindung wird durch die beiliegende Zeichnung näher erläutert, die das Spaltungsreaktions- und Abtrennsysteni teilweise im Schnitt zeigt, das im folgenden anhand eines Beispiels beschrieben wird.
Die Schmelze von der Harnstoffsynthese tritt durch Leitung in das Spaltungssystem ein. Die Schmelze steht unter einem Druck von 423 kg/cm , hat eine Temperatur von 2160G und besteht aus 3 820 kg/h Harnstoff, 2 660 kg/h Ammoniak, 1 220 kg/h .Ammoniumcarbamat und 1 130 kg/h Wasser. Das flüssige Syntheseprodukt durchströmt das am Kopf des Spaltungsgefäßes 15 befindliche Druckreduzierungsventil 13« Die Schmelze gelangt
ungs dann zu einer innerhalb des oberen Teils von SpaH^jefäß 15 befindlichen Verteilerdüse 17, und die Düse verteilt die Schmelze in Form eines Sprühkegels über den gesamten Eingang zur ersten Spaltungszone 19. Die Flüssigkeit aus den Düsen besitzt eine Temperatur von 104°C und einen Druck von
15 kg/cm .
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Als erste Spaltungszone 19 wird ein allgemein zylindrischer, indirekter Wärmeaustauscher der üblichen Form gezeigt. Der Wärmeaustauscher kann z.B. aus einem Rohrbündel 21, das sich in 6 m Länge zwischen den oberen und unteren Rohrplatten 23 und 25 erstreckt, bestehen. Durch Leitung 27 tritt gesättigter Dampf bei 4,5 kg/cm in den das Rohrbündel 21 umgebenden Mantel 29 ein, und der Heizdampf verläßt den IvIa nt el über Leitung 31 am unteren Teil des ersten Spaltungsabschnittes.
Die versprühte Flüssigkeit und die gasförmigen Komponenten, ■ die anfänglich in Gefäß 15 anwesend waren bzw. während der Spaltung gebildet wurden, durchströmen als gemischte Phase aus Flüssigkeit und Gas mit relativ hoher Geschwindigkeit, z.B. 24 m pro Sekunde,' das Innere der Rohre des Bündels 21 etwa in 0,25 Sekunden. Geeignete Verweilzeiten in dieser Zone sind/Ö',aI bis 5 Sekunden, vorzugsweise etwa 0,2 bis 0,5 Sekunden. Die Rohre haben einen Durchmesser von 19 mm und sind so bemessen, daß kein getrennter, praktisch freier Gasraum bleibt und die Gase und Flüssigkeit im Gleichstrom als Strom mit relativ hoher Geschwindigkeit, z.B. oft mit etwa 3 bis 45 m pro Sekunde, vorzugsweise etwa 15 bis 30 m pro Sekunde, befördert werden. Der die Düse 17 »ft einschließende Kopf 33 kann mit einer Isolierung umgeben sein, um die Aufrechterhaltung der erhöhten Temperatur zu unterstützen. Die Temperatur in dem ganzen Spaltungsgefäß ist genügend hoch, um die Bildung jeglicher festem Phase zu verhindern.
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Me das Rohrbündel 21 bei 135°C verlassende flüssige Schmelze and Gase werden gesammelt und durch Rohr 35 tangential in den Trennabschnitt 37 geleitet. Das Trenngefäß 37 ist ein im allgemeinen zylindrisches isoliertes Reaktionsgefäß mit einer Auslaßöffnung 39 in seinem oberen Teil zur Entfernung der Gase und Mittel in seinem unteren Teil zur Ansammlung der teilweise gespalteten flüssigen Schmelze. In dem Trenngefäß herrschen praktisch ein Druck von 15 kg/cm und eine Temperatur von 135°O.
Anschließend an das untere Ende des Trenngefäßes 37 befindet sich die zweite Spaltungsstufe 41. Dieses Spaltgefäß weist ein
in Lüngο
Rohrbündel 43 auf, das sich Tl, 20 m/zwischen der oberen Rohrplatte 45 und der unteren Rohrplatte 47 erstreckt. Die Rohre mit einem Durchmesser von 19 mm werden indirekt durch Dampf erhitzt, der durch Leitung 49 eintritt und durch Leitung 51 austritt. Der durch Leitung 49 eintretende Dampf ist gesättigt und besitzt einen Druck von 15 kg/cm . Die Rohre 43 erstrecken sich über die obere Rohrplatte 45 hinaus, um als Y/ehr ("weirs") zu dienen und das Fließen der flüssigen Schmelze als dünner, etwa 2,5 mm dicker PiIm an der inneren Peripherie der Rohre zu erleichtern» Im allgemeinen hat der Film eine maximale Dicke von etwa 6 mm, vorzugsweise von etwa 2,5 mm. So strömt durch die Schwerkraft die Flüssigkeit an der Innenseite der Rohre nach unten in den unteren Teil von Spaltungsgefäß 41 und wird aus dem Spaltungsgefäß durch Leitung 53 entfernte
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Die Geschwindigkeit der nach unte·. strömenden Flüssigkeit beträgt gewöhnlich etwa 120 bis 18O cm pro Sekunde und die Verweilzeit ist nicht länger als etwa 1,5 Sekunden, vorzugsweise etwa 1,0 bis 1,2 Sekunden. Das flüssige Produkt in Leitung 53 hat eine Temperatur von H9°C und besteht aus 3 820 kg/h Harnstoff., 80 kg/h Ammoniak, 104 kg/h Kohlendioxyd und 905 kg/h Wasser.
Wie bereits angegeben, erstrecken sich die Rohre 43 über die obere Rohrplatte 45. Zur Erleichterung des Flusses der teilweise gespaltenen flüssigen Schmelze in Form eines dünnen, an der Innenseite der Rohre 43 nach unten fließenden Filmes, können die Rohre wie bei 55 oben eingekerbt sein, um einen gleichmäßigen, abwärtsgerichteten Flüssigkeitsfluß in allen Rohren sicher zu stellen, ils kann also jedes Rohr mit einer V-förmigen Kerbe versehen sein, wobei der unterste Teil des V in jedem Rohr praktisch im gleichen Abstand, z.E. 6 mm, über der oberen Rohrplatte 45 liegt. Der unterste Teil der Kerben liegt genügend hoch über der Rohrplatte 45 um ein Ansammeln von teilweise gespaltener flüssiger Schmelze und die gewünschte Wehrwirkung zu ermöglichen. Die Höhe der angesammelten Flüssigkeit wird gewöhnlich etwa 2,5 cm nicnt überschreiten» Die Verweilzeit der Flüssigkeit in der Trennzone überschreitet im allgemeinen etwa 20 Sekunden nicht, und beträgt vorzugsweise etwa 5 bis 10 Sekunden, insbesondere wenn die Trennzone Spaltungstemperatur aufweist.
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Die teilweise gespaltene Schmelze fließt durch die Schwerkraft in den Rohren 43 in der Weise nach unten, daß der mittlere Teil der Rohre frei von Flüssigkeit "bleibt, so daß z.B., ein freier Raum von wenigstens etwa 6 mm Querschnitt bleibt, wodurch entlang der gesamten Länge der Rohre kontinuierliche Gasräume geschaffen werden, die der Flüssigkeit benachbart sind und die Trennung und den Aufwärtsfluß von Ammoniak- und Kohlendioxydgasen erlauben. Die freigesetzten Gase fließen auf diese Weise im Gegenstrom zu dem Flüssigkeitsstrom in das Trenngefäß 37. Die Gase aus der erhitzten zweiten Spaltungszone vereinigen sich mit denen der ersten Spaltungszone und diese kombinierte Gasphase wird über Leitung 39 mit einer Geschwindigkeit von 3 120 kg/h Ammoniak, 587 kg/h Kohlendioxyd und 226 kg/h Wasser abgezogen. Auf diese V/eise wird die Carbamat-Spaltung zweckmäßig und wirtschaftlich mit einem Ilindestaufwand an Betriebsausrüstung durchgeführt und liefert eine Harnstoffschmelze, die praktisch kein Biuret und nur eine geringe Llenge an Ammoniak enthält, die ausreichend niedrig ist, um eine praktisch vollständige Carbamatspaltung durchzuführen.
Die vorliegende Erfindung wurde zwar im Hinblick auf ein spezielles 3eispiel beschrieben, es können jedoch auch andere Umsexsuru^sbeaingungen una Systeme verwendet werden. So kann die Harnstoffsynthese in einem weiten Bereich erhöhter Temperaturen und DrüCiCe, wie z.'L·, bei etwa 160 bis 2i?0 C und
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etwa 175 "bis 700 kg/cm durchgeführt werden. Kohlendioxyd und Ammoniak können in etwa stöchiometrischen Mengen oder bis zu einem Überschuß von etwa 200 0Jo an Ammoniak verwendet werden, wobei die flüssige Schmelze etwa 10-60 Carbamat und 40-90 °/o Harnstoff, bezogen auf diese Mischung, enthält.
Eine wesentliche Punktion des Spaltungsgefäßes ist die Reduktion des Druckes der eintretenden Schmelze auf etwa atmosphärischen
Druck bis zu einem Dru'ck von 29 kg/cm , vorzugsweise auf etwa 7 bis 23»5 kg/cm . Die Spaltungsstufen werden im allgemeinenbei Temperaturen zwischen etwa 104 bis 160 C betrieben, wobei die erste Spaltung vorzugsweise bei Temperaturen bis zu etwa 1410O und die zweite Spaltung vorzugsweise bei Temperaturen von wenigstens 146 C durchgeführt werden. Das Spaltungssystem
wird gewöhnlich bei Drücken zwischen 7 kg/cm bis 23 > 5 oder
29 kg/cm betrieben. Das Spaltungsgefäß wird in vielen Fällen etwa 75-95 % des Carbamates umsetzen, während die restliche Spaltung in der zweiten Spaltungsstufe erfolgt. Vorzugsweise weist die Trennzone die gleichen Temperatur- und Druckbedingungen auf wie die Spaltungszonen, insbesondere wie die erste Spaltungszone.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die in den Zeichnungen gezeigte Vorrichtung beschrieben, es können jedoch auch Abänderungen vorgenommen werden. So kann z.B. anstelle des indirekten Srhitzens in den Spaltungszonen ein direktes
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Erwärmen durch Dampf angewandt werden, und in der zweiten Spaltungsstufe kann die Flüssigkeit in anderer Weise "behandelt werden, dm die notwendigen, benachbarten G-astrennungsräume zu schaffen; beispielsweise kann die Flüssigkeit entlang senkrechter, voneinander entfernt angeordneter Leitplatten, die sich durch diese Spaltungszone erstrecken, geleitet werden, wobei dünne Filme aufrechterhalten werden. Für die beiden Spaltungszonen und die dazwischenliegende Trennzone können auch getrennte Gefäße verwendet werden, jedoch ist das in der Zeichnung gezeigte einheitliche System, sehr vorteilhaft. Das gleiche gilt für die Ansammlung der teilweise gespaltenen Schmelze in der zweiten Spaltungsstufe, d.h. eine solche Ansammlung wird bevorzugt.
Es ist offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung eine wirksame und billige teilweise Spaltung eines flüssigen Materials entsprechend einer chemischen Gleichgewichtsreaktion und die Trennung der gebildeten Gase durch eine vorteilhafte Anordnung verschiedener Spaltungs- .und Trennverfahren ermöglicht. Bei Anwendung auf die Garbamatspaltung liefert das erfindungsgemäße Verfahren ein Harnstoffprodukt mit geringem Ammoniakgehalt, das praktisch frei von Carbamat und Biuret ist.
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Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    Verfahren zur Spaltung von Aiiunoniumcarbamat und zur Abtrennung von gasförmigem Ammoniak und Kohlendioxyd aus einer praktisch flüssigen Mischung aus Harnstoff, Carbamat, Ammoniak und Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß man die flüssige Mischung durch eine erste, erhitzte Hauptspaltungszone (19) leitet, wobei das Carbamat in dieser Flüssigkeit unter Bildung von gasförmigem Ammoniak und Kohlendioxyd gespalten wird und die Flüssigkeit und die gebildeten Gase als gemischte Phase im Gleichstrom durch die erste erhitzte Spaltungszone (19) in eine Gastrennzone (37) gelangen, die Flüssigkeit aus der Gastrennzone durch eine zweite erhitzte Spaltungezone (41) zur Zersetzung weiterer Mengen an Carbamat und Bildung von gasförmigem Ammoniak und KoTTlendioxyd leitet, wobei die Flüssigkeit durch die zweite Spaltungszone (41) als relativ dünner Film von etwa 2j5 bis 6 mm Dicke fließt und zur Trennung des gebildeten gasförmigen Ammoniaks und Kohlendioxyds und als Durchgang der abgetrennten Gase zu der Gastrennzone (37) im Gegenstrom zu der Flüssigkeit in der zweiten erhitzten Spaltungszone (41) angrenzend zu der Filmoberfläche ein freier Baum aufrechterhalten wird, wobei die Spaltungszonen Temperaturen zwischen etwa 104 und 1600G aufweisen, das gasförmige Ammoniak und Kohlendioxyd aus der zwischengeschalteten Gastrennzone (37) und den flüssigen Harnstoff aus der zweiten
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    - 15 erhitzten Spaltungszone entfernt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Spaltungszone (19) eine !Temperatur von etwa 104 "bis HI0C und die Verweilzeit angewendet wird, die zur Spaltung von etwa 75 - 35"/° des Ammoniumcarbamats ausreicht.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Spaltungszone (4-1) eine Temperatur von etwa 146 bis 1600O angewendet wird.
    4· Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die erste, erhitzte HauptSpaltungszone (19) bei erhöhtem Druck und einer Temperatur von etwa 104 bis 1410C hält, um etwa 75 - 95 des Carbamate unter Bildung von gasförmigem Ammoniak und Kohlendioxyd zu zersetzen, worauf die Flüssigkeit sich in der zwischengeschalteten Gastrennzone (37) als untere Phase ansammelt und die gebildeten Gase sich über der angesammelten Flüssigkeit abtrennen und wonach praktisch das gesamte restliche Carbamat in der zweiten erhitzten Spaltungszone (4I) unter Bildung von A^.üoniak und KoXilendioxydgasen zersetzt wird.
    Der Patentanwalt 909832/1382
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    Leerseite
DE1518466A 1964-02-17 1965-02-16 Verfahren zur Gewinnung und Rückführung von Ammoniak und Kohlendioxid in Harnstoffsyntheseabströmen Expired DE1518466C3 (de)

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