NO319833B1 - Fremgangsmate ved fremstilling av melamin - Google Patents

Description

Fremgangsmåte for fremstilling av melamin

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte ved fremstilling av melamin fra urea via en høytrykksprosess i hvilken fast melamin oppnås ved overføring av en melaminsmelte til en beholder hvor den avkjøles med et avkjølingsmedium slik som ammoniakk for å produsere fast melamin med høy renhet.

Forskjellige fremgangsmåter for produksjonen av melamin har blitt beskrevet i tidligere publikasjoner inkludert, blant annet, EP-A-747366 som beskriver en høytrykksprosess for fremstilling av melamin fra urea. Spesielt beskriver EP-A-747366 hvordan urea pyrroliserer i en reaktor, som opererer ved et trykk fra 10,34 til 24,13 MPa og en temperatur på fra 354 til 454 °C, for å produsere et reaktorprodukt. Det-te reaktorproduktet, inneholdende flytende melamin, CO2 og NH3, overføres under trykk som en blandet strøm til en separator.

I denne separator, separeres reaktorproduktet i en gasstrøm og en flytende strøm, gasstrømmen inneholder primært CO2 og NH3 avløpsgasser og melamindamp. Den flytende strømmen omfatter hovedsakelig en melaminsmelte. Gasstrømmen overføres til en gassvaskeenhet, mens den flytende strømmen overføres til en produktavkjølingsenhet.

I gassvaskeenheten, vaskes gasstrømmen med smeltet urea. Varmeoverføringen oppnådd i gassvaskeenheten både forvarmer den smeltede urea og avkjøler gasstrømmen til en temperatur fra 177 til 232 °C. Den smeltede ureaen vasker også gass-strømmen for å fjerne melamindamp fra avløpsgassene. Den forvarmede smeltede ureaen, sammen med melaminet som ble vasket fra C02 og NH3 avløpsgassene, føres deretter inn i reaktoren.

I produktavkjølingsenheten, avkjøles melaminsmelten og stivner med et flytende avkjølingsmedium for å produsere et fast melaminprodukt med høy renhet uten behovet for til-leggsrensing. Det foretrukne flytende avkjølingsmedium er et som danner en gass ved temperaturen for melaminsmelten og ved trykket i produktavkjølingsenheten. EP-A-747366 identifiserer flytende ammoniakk som det foretrukne flytende avkjølingsmedium med trykket i produktavkjølingsenhe-ten som er over 4,14 MPa.

Selv om renheten ifølge EP-A-747366 av det faste melaminprodukt oppnådd anvendende den beskrevne prosess var større enn 99 vekt %, har denne grad av renhet vist seg vanskelig å opprettholde kontinuerlig på en kommersiell skala. Den manglende evne til å beholde en renhet større enn 99 vekt % er en ulempe som gjør melaminene produsert mindre egnet for mer krevende anvendelser, spesielt melaminformaldehydharpikser anvendt i laminater og/eller belegg.

Andre fremgangsmåter har blitt foreslått for å overvinne disse ulemper, inkludert blant dem søkers tidligere søknad WO 98/55466, som anvender en ekstern spray av flytende ammoniakk eller avkjølingsammoniakkgasspray for å kjøle melaminsmelten, som kan blandes med en mindre mengde ammoniakkgass, ettersom den ble sprayet inn i avkjølingsbeholderen. Selv om denne fremgangsmåte representerte en betydelig for-bedring over tidligere teknikks fremgangsmåter, krever fremgangsmåten beskrevet i WO 98/55466 fortsatt en ekstern spray av et avkjølingsmedium for å størkne melaminet. Den mest effektive avkjøling av melaminsmelten med en ekstern spray, avhenger derimot av grundig forstøvning av melaminsmelten (for å maksimere overflateareal) og grundig blanding av den forstøvede melaminsmeltet og den avkjølende me-diumspray. En mangel i ensartethet i melamindråpestørrelse eller spraymønster, og/eller ikke-homogen blanding av drå-pene og avkjølingsmediet vil produsere mindre enn optimale resultater.

Enda en annen fremgangsmåte er beskrevet i WO 97/20826 som tilveiebringer størkningen av melaminet gjennom ekspansjon og fordampning av oppløst ammoniakk. WO 97/20826 beskriver anvendelsen av relativt høye trykk, opptil 4 0 MPa, ved tem-peraturer opptil 60 °C over smeltepunktet for melamin, et-terfulgt av ekspansjon av melaminsmelten ved et trykk mellom 20 MPa og atmosfærisk trykk. For å få en tilstrekkelig kvantitet av ammoniakk inn i løsningen til å tilveiebringe den ønskede avkjøling, er de initiale trykk fortrinnsvis høye, og trykkfallet under avslapningstrinnet er stort. Ge-nerelt, derimot, å anvende høyere trykk i et kommersielt anlegg nødvendiggjør øket kapitalinvestering i prosessbe-holdere, rør og pumper, og resulterer i høyere operasjons-kostnader. Det er derfor fordelaktig å operere på det la-vest mulige trykk ved hvilket tilfredsstillende resultater kan oppnås.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en forbedret fremgangsmåte ved fremstilling av melamin fra urea, i hvilken melamin oppnås direkte fra flytende melaminsmelte som tørt pulver med en høy grad av renhet. Mer spesielt, er formålet med foreliggende oppfinnelse å oppnå en forbedret høytrykksprosess ved fremstilling av melamin fra urea, i hvilket melamin oppnås direkte fra den flytende melaminsmelten som et tørt pulver med en høy grad av renhet ved avkjøling og størkning via et innarbeidet avkjølings-middel.

Søker har funnet at melamin med høy renhet kan produseres fra melaminsmelten som har en temperatur mellom smeltepunktet for melamin og 450 °C, fortrinnsvis mindre enn 45 °C, og mer fordelaktig mindre enn 30 °C over smeltepunktet, ved å innarbeide tilstrekkelig overskuddsammoniakk inn i melaminsmelten i en ammoniakkinjeksjonsbeholder for å danne en gass/væskeblanding med et gass/væske-masseforhold mellom 0,01 og 1,0, og fortrinnsvis mellom 0,03 og 0,9. Denne gass/væskeblanding sprayes deretter via en sprayanordning inn i en ekspansjonsbeholder for å avkjøle og størkne melaminet ved å ekspandere og fordampe den innarbeidede ammoniakk i den reduserte trykkekspansjonsbeholder. Ekspansjons-beholdere inkluderer en ammoniakkatmosfære som, selv om fordelaktig holdt ved et trykk mellom 0,5 % og 60% av trykket av ammoniakkinjeksjonsbeholderen, mer fordelaktig mellom 0,5 % og 30 % av trykket av ammoniakkinjeksjonsbeholderen, fortsatt er over atmosfærisk trykk. Melaminpulveret dermed oppnådd kan deretter avkjøles videre i ekspansjonsbeholderen, eller i en separat avkjølingsbeholder, og trykket reduseres til atmosfærisk trykk for å oppnå sluttmela-minpulverproduktet.

I ammoniakkinjeksjonsbeholderen, injiseres ammoniakk i melaminsmelten, mengden av ammoniakk injisert er mer enn nød-vendig for å mette melaminsmelten ved likevekt. Overskuddsammoniakken beholdes i melaminsmelten som ammoniakkbobler, melaminsmelten og ammoniakkboblene danner en tofase-gass/væskeblanding.

I ekspansjonsbeholderen dekomprimeres gass/væskeblandingen raskt for å avkjøle og størkne det smeltede melamin. Ekspansjonen og fordampningen av overskuddsammoniakken i gass/væskeblandingen er tilstrekkelig for å størkne melaminet uten behovet for noe eksternt avkjølingsmedium slik som gass eller flytende ammoniakksprayer, vandige ammoniakkløs-ninger, eller andre avkjølingsmidler. Videre avkjøling av det faste melamin kan derimot være ønskelig og kan oppnås ved å anvende forskjellige teknikker som beskrevet i tidligere teknikk, spesielt gjennom introduksjonen av flytende ammoniakk eller kjøleammoniakkgass inn i det faste melamin.

Fordelen med fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse er den kontinuerlig produksjon, på en kommersiell skala av tørt melaminpulver med en renhet over 98,5 vekt %, og vanligvis over 99 vekt %, som har meget gode fargekarakteris-tikker. Melaminet med høy renhet produsert ifølge foreliggende oppfinnelse er egnet for så godt som enhver melamin-anvendelse, inkludert melaminformaldehydharpikser anvendt i laminater og/eller belegg. Ved lignende operasjonsbetingel-ser, tilveiebringer melaminpulveret produsert ifølge foreliggende oppfinnelse andre fordeler over melaminet produsert ved tidligere teknikkfremgangsmåter inkludert redusert partikkelstørrelse, øket overflateareal, og øket porøsitet.

Fremstillingen av melamin anvender fortrinnsvis urea som

råmateriale, ureaen blir ført inn i reaktoren som en smelte og reagerer ved forhøyet temperatur og trykk. Urea reagerer for å danne melamin, og biproduktene NH3 og CO2/ ifølge den følgende reaksjonsligning:

Produksjonen av melamin fra urea kan utføres ved høyt trykk, fortrinnsvis mellom 5 og 25 MPa, uten tilstedeværel-sen av en katalysator, ved reaksjonstemperaturer mellom 325 og 450 °C, og fortrinnsvis mellom 350 og 425 °C. Biproduktene NH3 og CO2 er vanligvis resirkulert til en tilstøtende ureafabrikk.

De ovennevnte formål av oppfinnelsen er oppnådd ved å anvende et apparat egnet for fremstillingen av melamin fra urea. Et apparat egnet for foreliggende oppfinnelse kan om-fatte en gassrenseenhet, en reaktor med enten en integrert gass/væskeseparator eller en separat gass/væskeseparator, en ammoniakkinjeksjonsbeholder, en ekspansjonsbeholder, og muligvis i tillegg avkjølingsbeholdere. Det vil forstås at konfigurasjonen av ammoniakkinjeksjonsbeholderen ikke er begrenset og kan, avhengig av fabrikkens konfigurasjon, om-fatte en del av rørene mellom reaktoren, eller gass/væske-separatoren, og gassekspansjonsbeholderen.

I en utførelse av oppfinnelsen, fremstilles melamin fra urea i et apparat omfattende en gassrenseenhet, en melamin-reaktor med enten en integrert gass/væskeseparator eller en separat gass/væskeseparator, en ammoniakkinjeksjonsbeholder, en ekspansjonsbeholder, og en valgfri avkjølingsbehol-der. I denne utførelsen, føres ureasmelten inn i en gass-vaskerenhet som opererer ved et trykk på fra 5 til 25 MPa, fortrinnsvis fra 8 til 20 MPa, og ved en temperatur over smeltepunktet for urea. Denne gassvaskeenheten kan være ut-styrt med en kjølekappe eller interne kjølelegemer for å tilveiebringe tilleggstemperaturkontroll.

Ettersom det passerer gjennom gassrenseenheten, kommer ureasmelten i kontakt med reaksjonens avløpsgasser som kommer fra melaminreaktoren eller den separate gass/væske-separator. Reaksjonsgassene består hovedsakelig av CO2 og NH3 og kan inkludere melamindamp. Ureasmelten vasker mela-mindampen fra CO2 og NH3 avløpsgassene og fører denne mela-minen tilbake til reaktoren. I vaskeprosessen, avkjøles av-løpsgassene fra temperaturen av reaktoren, dvs. fra 350 til 425 "C, til fra 170 til 240 °C, ureaen blir oppvarmet fra 170 til 240 °C. CO2- og NH3-avløpsgasser fjernes fra toppen av gassvaskeenheten og kan, for eksempel, resirkuleres for en tilstøtende ureafabrikk hvor de kan anvendes som råmate-rialer for ureaproduksjonen.

Den forhåndsvarmede ureasmelten trekkes av fra gassrenseenheten, sammen med melaminet vasket ut fra avløpsgassene, og overføres til høytrykksreaktoren som opererer ved trykk mellom 5 og 25 MPa, og fortrinnsvis mellom 8 og 20 MPa. Denne overføringen kan oppnås anvendende en høytrykkspumpe eller, der gassvaskeenheten er posisjonert over reaktoren, ved tyngdekraft, eller en kombinasjon av tyngdekraft og pumper.

I reaktoren, oppvarmes ureasmelten til en temperatur mellom 325 og 450 °C, fortrinnsvis mellom omtrent 350 og 425 °C, under et trykk på mellom 5 og 25 MPa, fortrinnsvis mellom 8 og 20 MPa, for å konvertere ureaen til melamin, CO2 og NH3. I tillegg til ureasmelten, kan en viss mengde ammoniakk tilføres inn i reaktoren som for eksempel en væske eller varm damp. Tilleggsammoniakken, selv om valgfri, kan for eksempel tjene til å hindre dannelsen av kondensasjonspro-dukter av melamin slik som melam, melem og melon, eller for å fremme blanding i reaktoren. Mengden av tilleggsammoniakk levert til reaktoren kan være opp til 10 mol ammoniakk per mol urea, fortrinnsvis opp til 5 mol ammoniakk per mol urea, og mer fordelaktig opp til 2 mol ammoniakk per mol urea.

CO2 og NH3 produsert i reaksjonen, samt enhver tilleggsammoniakk levert, samles i separasjonsseksjonen, for eksempel i toppen av reaktoren eller i en separat gass/væskesepara-tor posisjonert nedstrøms for reaktoren, og separert fra det flytende melamin. Dersom en separat nedstrøms gass/væs-keseparator anvendes, kan det være fordelaktig å tilføre tilleggsammoniakk inn i denne separatoren. Mengden ammoniakk i dettet tilfellet er 0,01 - 10 mol ammoniakk per mol melamin, og fortrinnsvis 0,1-5 mol ammoniakk per mol melamin. Å tilsette tilleggsammoniakk til separatoren fremmer den raske separasjon av karbondioksid fra reaktorproduktet, som derved hindrer dannelsen av oksygenholdige biprodukter. Som beskrevet over kan gassblandingen fjernet fra gass/væs-keseparatoren føres til gassvaskeenheten for å fjerne melamindamp og forvarme ureasmelten.

Melaminsmelten, med en temperatur mellom smeltepunktet for melamin og 450 °C, trekkes av fra reaktoren, eller fra ned-strøms gass/væskeseparatoren, og avkjøles valgfritt, føres deretter inn i en ammoniakkinjeksjonsbeholder. I ammoniakk-injeks jonsbeholderen, tilsettes overskuddsammoniakk til melaminsmelten for å produsere en gass/væskeblanding i hvilken ammoniakk er tilstede både i løsning og som en separat gassfase. Tilstrekkelig ammoniakk tilsettes for å produsere en tofasestrøm i hvilken gass/væske masseforholdet er mellom 0,01 og 1,0, og fortrinnsvis mellom 0,03 og 0,9. Denne gass/væskeblanding sprayes deretter inn i en ekspansjonsbeholder for å oppnå det faste melaminprodukt.

Før spraying i ekspansjonsbeholderen derimot, kan melaminsmelten avkjøles fra reaktortemperaturen eller gass/væske-separatortemperaturen til en temperatur nærmere, men fortsatt over, smeltepunktet for melamin. Melaminsmelten, som trekkes av fra reaktoren ved en temperatur typisk over 380 °C, kan avkjøles til en temperatur fordelaktig ikke høyere enn 45 °C, og mer fordelaktig ikke høyere enn 30 °C, over melaminsmeltepunktet før den sprayes inn i ekspansjonsbeholderen. Desto lavere temperaturen på smeiten for ekspansjon, desto mindre ammoniakk er nødvendig for avkjøling og størkning av melaminsmelten i ekspansjonsbeholderen. Melaminsmelten kan avkjøles i gass/væskeseparatoren, ammoniakk-injeks jonsbeholderen, eller i et tilleggsapparat posisjonert nedstrøms fra reaktoren og før ekspansjonsbeholderen. Det er forventet at avkjøling kan skje ved injeksjon av et kjølemedium, for eksempel ammoniakkgass med temperatur under temperaturen for melaminsmelten, eller ved å passere melaminsmelten gjennom en varmeveksler.

Melamin- og ammoniakkblandingen, overføres til en sprayanordning som en tofaseblanding og der sprayes den gjennom en sprayanordning inn i en ekspansjonsbeholder for å størkne melaminet og danne et tørt melaminpulver. Sprayanordningen er et apparat ved hvilket gass/væskeblandingen konverteres til dråper, ved å bevirke at smeiten flyter med høy hastig-het inn i injeksjonsbeholderen. Sprayanordningen kan være en dyse eller ventil. Utløpshastigheten av gass/væskeblan-dingen fra sprayanordningen er som en regel, større en 20 m/s, og er fortrinnsvis større enn 50 m/s. Utløpshastig-heten er definert som den nominelle volumetriske strøm av blandingen (i m<3>/s) dividert med det minste tverrsnittlige strømningsareal i dysen eller ventilen (i m2) .

Ekspansjonsbeholderen inneholder et ammoniakkmiljø og opererer ved et forhøyet ammoniakktrykk. Melamindråpene fra sprayanordningen avkjøles ved energioverføring fra det smeltede melamin til det ekspanderende og fordampende ammoniakk for å produsere melaminpulver. Melaminpulveret derved dannet kan ha en temperatur mellom 100 °C og størknings-punktet for melamin, og fortrinnsvis under 300 °C.

I en annen utførelse av foreliggende oppfinnelse holdes melaminpulveret, dannet ved å spraye gass/væskeblandingen inn i ekspansjonsbeholderen, i en ekspansjonsbeholder i en for-håndsbestemt kontakttid under et øket ammoniakktrykk og ved en temperatur over 200 °C. Varigheten av denne kontakttiden er fortrinnsvis mellom 5 minutter og 2 timer. Under denne

kontakttiden, kan temperaturen av melaminproduktet forbli

så godt som konstant eller det kan avkjøles til en temperatur over 200 °C. Tilleggsavkjøling av det størknede melamin kan utføres gjennom tilsetningen av en kjølig ammoniakkgass eller flytende ammoniakk, separat eller i kombinasjon med

mekanisk omrøring og indirekte avkjøling gjennom kontakt med avkjølte overflater. Eksempler på anordninger for mekanisk omrøring av melaminpulver inkluderer en skrue og roterende trommel, en roterende bolle, roterende plater, roterende segmentplater, roterende rør og lignende.

Når melaminpulveret har blitt avkjølt til en temperatur under 200 °C, kan ammoniakktrykket frigjøres. Fortrinnsvis er ammoniakkgassen fullstendig fjernet (til en mengde under 1000 ppm, fortrinnsvis under 300 ppm, .og mest fordelaktig under 100 ppm) ved å blåse luft gjennom melaminpulveret. Ammoniakktrykket kan frigjøres før, eller i sammenheng med, avkjøling av melaminpulveret fra en temperatur under 200 °C til omgivende temperatur.

Oppfinnelsen vil bli forklart i mer detalj med referanse til de følgende eksempler og sammenlignende eksempler.

Eksempel I

Til en melaminsmelte, som er mettet med ammoniakk ved en temperatur på 359 °C og et trykk på 20,4 MPa, tilsettes tilleggsammoniakkgass med den samme temperatur. Væskestrøm-men er 4,8 kg/time og tilleggsammoniakkgasstrømmen er 1,4 kg/time. Denne tofasestrømmen trykkavlastes i en beholder hvori et ammoniakktrykk på 2,5 MPa beholdes, som resulterer i størkning av melaminsmelten. Melaminsmelten avkjøles videre med flytende ammoniakk og beholderen trykkavlastes. Produktet har en melaminrenhet på 99,6 %.

Eksempel II

Til en melaminsmelte, som er mettet med ammoniakk ved en temperatur på 353 °C og et trykk på 17,9 MPa, tilsettes tilleggsammoniakkgass med den samme temperatur. Væskestrøm-men er 4,8 kg/time og tilleggsammoniakk gasstrømmen er 0,9 kg/time. Denne tofasestrømmen trykkavlastes i en beholder med et ammoniakktrykk på 1,8 MPa beholdes, som resulterer i størkning av melaminsmelten. Melaminsmelten avkjøles videre med flytende ammoniakk og beholderen trykkavlastes. Produktet har en melaminrenhet på 99,2 %.

Sammenlignende eksempel A

Det samme eksperiment som nevnt i eksempel I utføres uten tilleggsammoniakkgasstrøm. Slik at kun en enkelfase melaminsmelte trykkavlastes i avkjølingsbeholderen. Produktet har en melaminrenhet på 98,7 %.

Sammenlignende eksempel B

Det samme eksperiment som nevnt i eksempel II utføres uten tilleggsammoniakkgasstrømmen. Slik at kun en enkel fase melaminsmelte trykklastes i avkjølingsbeholderen. Produktet har en melaminrenhet på 98,5 %.

Claims (1)

1. 6. Fremgangsmåte ifølge kravene 1-4, karakterisert ved at ekspansjonsbeholderen inkluderer et ammoniakktrykk som holdes mellom 0,5 % og 30 % av trykket av ammoniakkinjeksjonsbeholderen. 7. Fremgangsmåte ifølge kravene 1-6, karakterisert ved at konfigurasjonen av ammoniakkinjeksjonsbeholderen omfatter en del av rørene mellom reaktoren eller gass/væske separatoren og ekspan-sj onsbeholderen. 8. Fremgangsmåte ifølge kravene 1-7, karakterisert ved at utløpshastigheten av gass/væskeblandingen fra sprayanordningene er større enn 50 m/sek. 9. Fremgangsmåte ifølge kravene 1-8, karakterisert ved at ammoniakktrykket frigjøres dersom melaminpulveret har en temperatur under 200 °C.