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Es ist bekannt, Melamin durch Erhitzen von Harnstoff oder seinen thermischen Zersetzungsprodukten auf Temperaturen von 350 bis 450°C bei atmosphärischem oder erhöhtem Druck bis zu etwa 10 bar in Gegenwart von Katalysatoren und zugesetztem Ammoniak oder dieses enthaltenden Gasgemischen, wie Ammoniak-Kohlendioxidgemischen, z. B. den Reaktionsabgasen der Melaminsynthese selbst, herzustellen.
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Das dampfförmige Melamin wird gemäß der DE-AS 12 04 679 aus den Reaktionsgasen durch fraktionierte Kondensation, durch Kühlung dieser Gase auf Temperaturen von 150 bis 250°C, abgeschieden. Diese so von Melamin tensionsmäßig befreiten Gase enthalten noch nicht umgesetzten Harnstoff, der, wie ebenfalls bekannt, durch direkten Kontakt dieser Gase mit Schmelzen von Harnstoff oder einer solchen eines Gemisches von Harnstoff und Biuret, die gegebenenfalls noch andere Zersetzungsprodukte des Harnstoffes wie Cyanursäure enthalten können, ausgewaschen werden kann, wobei die Gase eine weitere Abkühlung erfahren. Der für diese Behandlung erforderliche Harnstoff wird zweckmäßig im Kreislauf geführt und in direkten Kontakt mit den Reaktionsgasen gebracht. Anschließend wird das so abgekühlte Reaktionsgas von der Harnstoffschmelze samt den von ihr aus dem Gas aufgenommenen Bestandteilen oder sich in ihr durch Erwärmung gebildeten Zersetzungsprodukten des Harnstoffs (Melamin, Isocyansäure, Cyanursäure, Biuret usw.) abgetrennt. Die so gereinigten und abgekühlten Reaktionsgase dienen als Wirbelgas für den Katalysator im Synthesereaktor und/oder als Kühlgas für die Abscheidung des Melamins.
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Durch die Entnahme des im Synthesereaktor benötigten Harnstoffs aus diesem Kreislauf werden die von ihm bei der Wäsche des Reaktionsgases aufgenommenen Neben- und Zersetzungsprodukte wieder zurückgeführt und steigern somit die Ausbeute. Darüber hinaus wird der Pegel an Nebenbestandteilen im Harnstoffkreislauf konstant und niedrig gehalten.
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Die Wärme, die der im Kreislauf geführte Hanstoff bei der Kühlung und Reinigung der Reaktionsgase aufnimmt, kann beispielsweise zum Aufschmelzen des für die Synthese benötigten frischen Harnstoffes dienen und der überschüssige Anteil, oder aber auch die gesamte Wärme, in einem Kühler durch indirekte Kühlung abgeführt werden.
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In der DE-PS 25 25 781 ist ein Verfahren zum Entzug von Wärme aus der Harnstoffschmelze beschrieben, das darin besteht, daß man die Kühlung der Schmelzen, die bisher ausschließlich in außerhalb des Harnstoffwäschers angeordneten Kühlern erfolgte, zumindest teilweise in den Wäscher selbst verlegt hat. Die Kühlung der Schmelzen erfolgt dementsprechend in im Harnstoffwäscher angeordneten Kühlelementen, wobei die Temperatur des Kühlmediums mindestens 3°C unter derjenigen der Schmelze liegen muß und die aus dem Harnstoffwäscher abgezogenen Schmelzen maximal eine um 4°C höhere Temperatur aufweisen, als sie beim Eintritt in den Harnstoffwäscher besessen haben.
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Die Abgase bestehen nach dieser Harnstoffwäsche im wesentlichen aus den bei der Umsetzung des Harnstoffes zu Melamin gleichzeitig gebildeten gasförmigen Bestandteilen Ammoniak und Kohlendioxid. Diese Gase müssen wegen des in ihnen enthaltenen Ammoniaks, der den wertbestimmenden Bestandteil darstellt, einer Verwendung zugeführt werden.
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Diese Verwendung kann z. B. in einer Rückführung des NH3/CO2-Gemisches in eine Harnstoff-Synthese-Anlage bestehen, falls eine solche vorhanden ist. Eine andere Möglichkeit zur Verwendung des in den Abgasen enthaltenen Ammoniaks besteht in der Umsetzung des Ammoniaks mit Säuren oder sauren Lösungen, z. B. Salpetersäure und Schwefelsäure unter Gewinnung von Ammoniumsalzen. Eine solche Verwertung bedeutet aber eine zwangsweise Kopplung der Melamin- Synthese mit der Erzeugung von Ammoniumsalzen, z. B. im Rahmen einer Düngemittelproduktion, oder mit der Harnstoffproduktion, die aber häufig unerwünscht oder überhaupt nicht möglich ist.
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Um von einer solchen Kopplung frei zu bleiben, ist es erstrebenswert, das Ammoniak aus dem Gasgemisch abzutrennen und in reiner, vorzugsweise flüssiger Form wiederzugewinnen.
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Ein solches Verfahren zur Auftrennung eines z. B. bei der Melaminsynthese anfallenden Gasgemisches ist in den DE-PSen 23 17 603 und 26 46 804 beschrieben. Das Verfahren ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß man zunächst das Gasgemisch teilweise in einem Lösungsmittel unter inniger Vermischung und bei Kontaktzeiten von maximal 0,1 Sekunden absorbiert, wobei man eine Lösung erhält, in der das Ammoniak gegenüber dem Kohlendioxid angereichert ist. Führt man diese Absorption in zwei Stufen durch, so entweicht aus der zweiten Stufe ein weitgehend ammoniakfreies Kohlendioxid. Die Aufarbeitung der an Ammoniak angereicherten Lösungen erfolgt nun in der Weise, daß in einer ersten Desorptionsstufe maximal das im Überschuß über ein Molverhältnis von 3 Teilen Ammoniak zu 1 Teil Kohlendioxid vorhandene Ammoniak ausgetrieben und aus dem ausgetriebenen Ammoniak das mitgerissene Kohlendioxid ausgewaschen wird. Die verbleibende Lösung wird aus der ersten Desorptionsstufe abgezogen und in eine zweite, bei Temperaturen von 87 bis 98°C betriebene Desorptionsstufe eingeführt. In dieser Desorptionsstufe wird die Lösung weitgehend vom Ammoniak und Kohlendioxid befreit und das ausgetriebene Gasgemisch wird mit frischem, den Absorptionsstufen zugeführtem Gasgemisch zur weiteren Aufarbeitung vereinigt. Die aus der zweiten Desorptionsstufe abgezogene Sumpflösung wird wiederum als Absorptionsmittel den Absorptionsstufen zugeführt.
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Überschüssiges Wasser kann zur Erhaltung des Mengengleichgewichtes in der Gesamtlage durch Abziehen eines Teiles der Sumpflösung der zweiten Desorptionsstufe auf ihrem Wege in die Absorptionsstufe aus dem Prozeß ausgeschleust werden. Diese Sumpflösung enthält noch etwas Ammoniak, dessen Konzentration allerdings 4% nicht überschreitet.
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Die Verwertung bzw. weitere Aufarbeitung solcher Abwässer stellt in einem Industriekomplex aus zahlreichen verschiedenen Produktionsstätten keinen wesentlichen Nachteil dar. Schwerwiegend wird dieses Problem allerdings bei Melaminanlagen an Standorten, bei denen diese Voraussetzungen nicht gegeben sind.
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Die Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur Herstellung von Melamin durch katalytische Umwandlung von Harnstoff und der Aufarbeitung der von Melamin befreiten Syntheseabgase, wobei die aus dem Gesamtverfahren abgezogenen Abwässer praktisch ammoniakfrei sind und das in seine Bestandteile Ammoniak und Kohlendioxid zerlegte Syntheseabgas jeweils praktisch frei von der anderen Komponente ist, ohne daß die für diese Reinheitserhöhung erforderliche zusätzliche Energie dem Gesamtverfahren von außen zugeführt, sondern aus dem Verfahren selbst bereitgestellt wird.
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Dazu werden die für die Kühlung der von Melamin befreiten Synthesegase erforderlichen harnstoffhaltigen Schmelzen oberhalb und unterhalb der Kühlelemente eingeführt, mit der Maßgabe, daß als Kühlmedium die Sumpflösung aus der zweiten Desorptionsstufe verwendet wird und das die Kühlelemente durchströmende Kühlmedium auf Temperaturen von 115 bis 135°C aufgeheizt wird, das aufgeheizte Kühlmedium in die zweite Desorptionsstufe eingeführt wird, deren Sumpftemperatur auf 105 bis 120°C gehalten wird, wobei das aufgeheizte Kühlmedium eine Temperatur von mindestens 10°C über der jeweiligen Sumpftemperatur besitzt und daß die abgezogene, praktisch ammoniakfreie Sumpflösung nach Kühlung zum Auswaschen des nicht absorbierten, im wesentlichen aus Kohlendioxid bestehenden Gasgemisches verwendet wird, bevor sie als Lösungsmittel bei der Absorption eingesetzt wird.
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Durch die erfindungsgemäße Aufteilung der Harnstoffschmelze in zwei Ströme, deren einer oberhalb und deren anderer unterhalb der Wärmetauscher in den Harnstoffwäscher eingeführt wird, gelingt es, die Harnstoffschmelze im oberen Teil stärker aufzuheizen als es bei der Zuführung der gesamten Menge der Harnstoffschmelze oberhalb des Kühlelementes der Fall ist. Dadurch ist es möglich, ohne Vergrößerung der Wärmeaustauscherflächen das den Wärmeaustauscher durchströmende Kühlmedium auf Temperaturen von 115 bis 135°C aufzuheizen. Die Aufteilung der Harnstoffschmelze erfolgt in Abhängigkeit von der Temperatur des in den Harnstoffwäscher eintretenden Abgases, die 150 bis 250°C betragen kann und in Abhängigkeit von der jeweils gewünschten Temperatur die das Kühlmedium erreichen soll. Die Aufteilung der Harnstoffschmelze kann in weiten Bereichen variiert werden. Sie ist jedoch dadurch begrenzt, daß eine Mindestmenge oberhalb der Kühlelemente eingeführt werden muß, damit eine für den Wärmeübergang ausreichende Berieselung der Kühlelemente gewährleistet ist. Auf der anderen Seite führt ein zu großer Anteil, der oberhalb der Kühlelemente aufgegeben wird, zu einer zu geringen Temperaturerhöhung des Kühlmediums.
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Der Wärmeinhalt des so aufgeheizten Kühlmediums wird dazu ausgenutzt, um die Sumpftemperatur in der zweiten Desorptionsstufe auf 105 bis 120°C zu erhöhen. Um diese Temperatur halten zu können, sollte das aufgeheizte Kühlmedium eine Temperatur aufweisen, die mindestens 10°C über der jeweils gewünschten Sumpftemperatur der Desorptionsstufe liegt.
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Durch die Erhöhung der Sumpftemperatur in der zweiten Desorptionsstufe kann hier eine Lösung abgezogen werden, die praktisch ammoniak- und kohlendioxidfrei ist.
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Diese Sumpflösung wird auf Temperaturen von 15 bis 30°C gekühlt, gegebenenfalls nach Ausschleusen von überschüssigem Wasser, und erfindungsgemäß dazu benutzt, um das bei der Absorption nicht absorbierte Gas, das im wesentlichen aus Kohlendioxid besteht, vom Ammoniak zu befreien, bevor das nun mit Ammoniak beladene Lösungsmittel erneut als Absorptionsmittel in die Absorptionsstufe eingeführt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand der Fig. 1 näher erläutert.
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Harnstoff wird in den Behälter (1) eingeführt, dort aufgeschmolzen und durch Leitung (2) und Pumpe (3) in den Wirbelreaktor (4) eingeführt, in dem Katalysator, z. B. Aluminiumdioxid, verwirbelt wird. Als Wirbelgas dient das bei der Reaktion entstehende Gas aus Ammoniak und Kohlendioxid, aus dem das Melamin abgetrennt worden ist. Dieses Gas wird dem Wirbelreaktor (4) durch Leitung (5) mit Hilfe des Gaskompressors (6) nach Vorwärmung in dem Wärmeaustauscher (7) zugeführt. Die zusätzliche Wärme, die für die Reaktion benötigt wird, wird der Katalysatorwirbelschicht durch Heizschlangen (8), die mit erhitzter Salzschmelze beschickt werden, zugeführt. Die Temperatur in der Wirbelschicht beträgt 350 bis 450°C. Das in dem Wirbelreaktor (4) gebildete dampfförmige Melamin verläßt diesen zusammen mit dem Wirbelgas und dem bei der Umsetzung neu gebildeten Ammoniak und Kohlendioxid durch Leitung (9). In dem Gaskühler (10) wird das Gasgemisch so weit abgekühlt, daß Nebenprodukte, wie Melem, aber noch kein Melamin, auskondensieren, die in dem Gasfilter (11 ) zusammen mit Katalysatorstaub aus dem Reaktionsgas entfernt werden. Das so gereinigte Gas wird durch Leitung (12) in den Kondensator (13) eingeführt, wo es durch Vermischen mit kälteren Gasen, deren Herkunft weiter unten erläutert wird, auf Temperaturen von 150 bis 250°C abgekühlt wird. Dieses Gas wird dem Kondensator durch Leitung (14) zugeführt. Durch diese Kühlung des Reaktionsgases wird Melamin auskondensiert. Das auskondensierte Melamin wird zusammen mit dem gasförmigen Ammoniak und gasförmigen Kohlendioxid durch Leitung (15) in den Abscheider (16) gefördert, wo das Melamin abgeschieden und durch Leitung (17) abgezogen wird. Das von festem Melamin befreite Abgas wird mittels des Gebläses (18) durch Leitung (19) einer Waschkolonne ( 20) zugeführt. Hier wird das Gas mit einer Harnstoffschmelze, deren Temperatur 120 bis 140°C beträgt, gewaschen und gleichzeitig gekühlt.
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Die Harnstoffschmelze wird dem Behälter (1) entnommen und der Kolonne durch Leitung (2 ) und (21 a) oberhalb, sowie durch Leitung (21 b) unterhalb des Wärmeraustauschers (47) eingeführt. Die um maximal 4°C erwärmte Harnstoffschmelze wird aus dem unteren Teil der Kolonne (20) abgezogen und in dem Abscheider (23) Schmelze und Gas voneinander getrennt. Die Schmelze wird durch Leitung (24) in den Behälter (1) zurückgeführt, wo sie einen Teil der von ihr aufgenommenen Wärme zum Aufschmelzen des frisch in den Behälter eingeführten Harnstoffs, den anderen Teil im Wärmeaustauscher (22) zur Erzeugung von Dampf abgibt, der zur Beheizung der weiter unten erläuterten Kolonne (35) mit Hilfe des Wärmeaustauschers (38) dient.
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Das in dem Abscheider (23) abgetrennte Gas wird durch Leitung (25) drei verschiedenen Verwendungen zugeführt:
- a) wird es durch Leitung (5) dem Wirbelreaktor,
- b) wird es durch Leitung (14) dem Kondensator (13) und
- c) wird es durch Leitung (26) der im folgenden beschriebenen Abgasaufarbeitung zugeführt.
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Das durch Leitung (26) abgezogene Gas wird in dem Absorber (27) bei Verweilzeiten von maximal 0,1 Sekunden mit einer über einen Kühler (28) zirkulierenden Lösung, deren Temperatur -5 bis 50°C, vorzugsweise 10 bis 40°C, beträgt, in Kontakt gebracht, wobei Ammoniak bevorzugt absorbiert wird. Das nicht absorbierte Gas wird durch Leitung (29) einem zweiten Absorber (30) zugeführt und dort mit einer über den Kühler (31) zirkulierenden Lösung unter ähnlichen Bedingungen wie in dem Absorber (27) in Kontakt gebracht. Die aus dem Absorber (30) ablaufende Lösung wird dem ersten Absorber (27) durch Leitung (32) zugeführt. Die aus dem Absorber (27) durch Leitung (33) abgezogene, ammoniak- und kohlendioxidhaltige Lösung wird in dem Wärmeaustauscher (34) auf Temperaturen von 60 bis 90°C erwärmt und in die Desorptionskolonne (35) eingeführt. Der Kolonnenoberteil wird mit Hilfe des Kühlers (36) gekühlt. Durch Leitung (37) wird am Kopf der Kolonne Ammoniak abgezogen. Der Sumpf der Kolonne wird mit Hilfe des Verdampfers ( 38) auf Temperaturen von 75 bis 90°C aufgeheizt. Die hierfür benötigte Wärme wird dem im Wärmeaustauscher (22) erzeugten Dampf, der durch Leitung (39) herangeführt wird, entnommen.
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Die aus dem Sumpf der Kolonne (35 ) abgezogene, noch Ammoniak und Kohlendioxid enthaltene wäßrige Lösung wird der Kolonne (41) zugeführt, nachdem sie im Wärmetauscher (42) mit der aus der Kolonne (41) ablaufenden Sumpflösung aufgewärmt worden ist. Der Sumpf der Kolonne (41) weist eine Temperatur von 105 bis 120°C, bei Drücken von 1,2 bis 2,0 bar (abs.) auf. Die für die Aufrechterhaltung dieser Temperatur benötigte Wärme wird durch zirkulierende Sumpflösung (Leitung (43), Wärmeaustauscher (47)) der Waschkolonne (20) entnommen. Zusätzlich eventuell benötigte Wärme kann durch den Wärmeaustauscher (45) zugeführt werden.
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Ammoniak und Kohlendioxid werden unter den Betriebsbedingungen der Kolonne (41) praktisch vollständig desorbiert und werden durch Leitung (44 ) dem durch Leitung (26) dem Absorber (27) zugeführten Gasstrom zugemischt. Die heiße Lösung, die nunmehr weniger als 0,01 Gew.-% Ammoniak enthält, wird durch Leitung (46) abgezogen, in den Wärmeaustauschern (42), (34) und (53) auf Temperaturen von 15 bis 30°C gekühlt und dient als Absorptionslösung in dem Gaswäscher (49) zur Entfernung des restlichen Ammoniaks des aus dem Absorber (30) durch Leitung (48) abgezogenen CO2- Gasstromes. Durch Leitung (50) wird am Kopf der Kolonne praktisch ammoniakfreies Kohlendioxid abgezogen.
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Die aus dem Sumpf der Kolonne (49) durch Leitung (51) abgezogene Lösung wird als Absorptionslösung dem Absorber (30) zugeführt.
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Durch Leitung (52) kann das in den Gasaufbearbeitungsteil eingebrachte, überschüssige Wasser abgezogen werden, das praktisch NH3-frei ist.
Beispiel
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Stündlich werden 9,7 t Harnstoff im Behälter (1) geschmolzen und über die Leitung (2) und die Pumpe (3) in einen Wirbelschichtreaktor (4) gefördert. Die Umsetzung zu Melamin findet bei 390°C und einem Druck von 1,8 bar (abs.) statt. Als Wirbelgas, um den Katalysator im Wirbelzustand zu halten, dient das bei der Reaktion entstehende Gemisch aus NH3 und CO2. Das Wirbelgas wird über die Leitung (5) und mit Hilfe eines Gaskompressors (6) dem Reaktor (4) zugeführt, nach Vorwärmung auf 400°C in einem Wärmetauscher (7). Die zusätzliche Wärme, die für die Reaktion benötigt wird, gelangt über Heizschlangen (8), die mit erhitzter Salzschmelze beschickt werden, in das Katalysatorbett.
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Das gebildete gasförmige Melamin verläßt den Reaktor und wird auf 320°C abgekühlt. Auskondensiertes Melem und Katalysatorstaub werden im Gasfilter (11) entfernt. Das Gas wird im Kondensator (13) durch Vermischen mit 140°C warmen Gas, das über die Leitung (14) in den Kristallisator gelangt, auf 210°C gekühlt und Melamin auskristallisiert. Über die Leitung (15) wird das kristalline Melamin zusammen mit dem Gas aus Ammoniak und Kohlendioxid in den Abscheider (16) gefördert, wo 3,2 t Melamin (17) vom Gas abgetrennt werden.
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Das Gas wird im Wäscher (20) mit 1900 t Harnstoffschmelze gewaschen, die mit 130°C in den Harnstoffwäscher eintritt, wobei 950 t oberhalb, der Rest unterhalb der Wärmeaustauscher eingeführt wird. Am Boden des Wäschers wird die auf 134°C aufgeheizte Schmelze gesammelt und erneut in den Kreislauf gegeben. In dem Wärmeaustauscher (47) wird als Kühlmedium dienende Sumpflösung aus der Kolonne (41) auf 128°C erwärmt und dient dazu, den Sumpf der Kolonne auf 115°C (Druck: 1,7 bar abs.) zu halten.
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Der den Syntheseteil zusammen mit Gasstrom (44) verlassende Abgasstrom besteht aus 3000 kg NH3, 3500 kg CO2 und 200 kg H2O-Dampf (Temperatur 140°C) und wird durch Leitung (26) im Absorber (27) mit einer Absorptionslösung bei einer Kontaktzeit von ca. 0,02 sec bei einer Temperatur von 38°C in Berührung gebracht. Das nicht absorbierte Gasgemisch wird in dem zweiten Absorber (30) nochmals unter analogen Bedingungen mit der umlaufenden Lösung in Berührung gebracht. Aus dem zweiten Absorber wird ein Gasgemisch abgezogen, das neben CO2 noch 5,8 Vol.-% NH3 enthält. Dieses Gasgemisch wird in dem Wäscher (49) mit der aus der Kolonne (41) abgezogenen Sumpflösung, die praktisch reines Wasser darstellt, gewaschen. Am Kopf des Wäschers werden 3500 kg Kohlendioxid abgezogen, das nur noch 50 Vol.ppm Ammoniak und 110 kg Wasserdampf enthält.
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Die aus dem Absorber (27) abgezogene wäßrige Lösung enthält 13,2 Gew.-% NH3 und 4,1 Gew.-% CO2. Sie wird im Wärmeaustauscher (34) auf 71°C erwärmt und in die Desorptionskolonne (35) eingeführt, deren Sumpf auf 85°C gehalten wird. Der hierfür benötigte Dampf wird dem Wärmeaustauscher (22) über Leitung (39) entnommen. Am Kopf der Kolonne werden 3000 kg praktisch CO2-freies Ammoniak abgezogen.
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Aus dem Sumpf der Kolonne (35) wird eine Lösung abgezogen, die 5,2 Gew.-% NH3 und 4,2 Gew.-% CO2 enthält. Diese Lösung wird im Wärmeaustauscher (42) auf 110°C erwärmt und gelangt von dort in die Kolonne (41). Der Sumpf dieser Kolonne wird über den Wärmeaustauscher (47) des Wäschers (20) auf 115°C bei einem Druck von 1,7 bar abs. gehalten.
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Das in der Kolonne aus der Lösung praktisch vollständig desorbierte NH3 und CO2 wird durch Leitung (44) wieder dem Kreislauf zugeführt. Aus dem Sumpf der Kolonne wird eine Lösung mit einem Gehalt von < 0,1 Gew.-% NH3 abgezogen, die in den Wärmeaustauschern (42), (34) und (53) auf 20°C abgekühlt wird und als Waschlösung in der Kolonne (49) zum Auswaschen des Kohlendioxids dient. 90 kg dieser Lösung werden dem System durch Leitung (52) entzogen.