PL199656B1 - Sposób utylizacji gazów odlotowych z wytwórni melaminy - Google Patents

Abstract

Sposób utylizacji gazów odlotowych z wytwórni melaminy, polegający na tym, że gazy odlotowe stanowiące mieszaninę amoniaku i dwutlenku węgla, uwalniane z ciśnieniowej instalacji melaminy, skierowane są po ich skondensowaniu, do instalacji mocznika charakteryzujący się tym, że strumień gazów odlotowych (1) odprowadzanych z instalacji melaminy kierowany jest do kondensatora (8) chłodzonego medium chłodzącym - korzystnie wodą - do którego to kondensatora (8) jednocześnie wprowadzany jest kondensat wodny zawierający nie więcej niż 30% wagowych amoniaku, nie więcej niż 5% wagowych mocznika i nie więcej niż 20% wagowych dwutlenku węgla uzyskany w węźle dotężania roztworu mocznika (2), w którym odparowuje się roztwór mocznika zasilający instalację melaminy i w węźle zatężania roztworu mocznika (7), przy czym w kondensatorze (8) następuje kondensacja gazów odlotowych (1) i ich absorpcja w doprowadzonym kondensacie wodnym z wytworzeniem roztworu zawierającego od 50% wagowych do 53% wagowych karbaminianu amonu i od 15% wagowych do 20% wagowych amoniaku w wodzie, a roztwór ten następnie wprowadzany jest do instalacji mocznika.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób utylizacji gazów odlotowych z wytwórni melaminy. Melamina jest związkiem chemicznym o sumarycznym wzorze C3N6H6. Stanowi ona cenny półprodukt do wytwarzania tworzyw sztucznych (melaminowych) klejów. Tworzywa melaminowe są z kolei przetwarzane na użytkowe produkty przykł adowo takie jak pł yty okł adzinowe dla przemysł u meblarskiego czy też naczynia i sprzęty dla gospodarstw domowych.

Melaminę wytwarza się na skalę przemysłową przez chemiczne przekształcenie (konwersję) mocznika wg reakcji:

6CO(NH₂)₂ C₃N₆H₆ + 6NH₃ + 3CO₂ (konwersja)

Mocznik, który w postaci zatężonego roztworu lub korzystnie stopu, stanowi podstawowy surowiec do wytwarzania melaminy uzyskuje się przemysłowym sposobem przez syntezę z amoniaku i dwutlenku węgla.

Proces syntezy mocznika zachodzi dwustopniowo zgodnie z następującymi reakcjami chemicznymi:

(1) 2NH3 + CO2 = H2N-CO-ONH4 (2) H₂N-CO-ONH₄ θ H₂N-CO-NH₂ + H₂O

Egzotermiczna reakcja (1), w wyniku której z amoniaku i dwutlenku węgla powstaje karbaminian amonu, zachodzi pod ciśnieniem od 0,3 MPa do 35 MPa i w temperaturze od 40°C do 250°C, zwykle w warunkach przemysłowych pod ciśnieniem od 0,3 MPa do 24 MPa i w temperaturze od 40°C do 210°C. Powstały karbaminian amonu, ulega konwersji w mocznik z odszczepieniem wody wg endotermicznej reakcji (2). Stopień konwersji karbaminianu w mocznik zależy głównie od temperatury i zastosowanego nadmiaru amoniaku. Otrzymany, jako produkt powyższych reakcji, roztwór składa się głównie z mocznika, nieprzekonwertowanego karbaminianu amonu i nadmiarowego amoniaku. Karbaminian amonu poddaje się w dalszym etapie rozkładowi na amoniak i dwutlenek węgla. Oba te związki muszą być następnie usunięte z roztworu mocznika, a pozostały roztwór poddaje się odparowaniu i zagęszczaniu do stopu mocznika.

Tak więc w procesie wytwarzania mocznika można wydzielić etapy, które przeprowadza się w następujących węzłach technologicznych:

(A) Węzeł syntezy mocznika, (B) Węzeł rozkładu i odzysku CO2 i NH3, (C) Węzeł zatężania mocznika.

W węźle (A) syntezy, w reaktorze do którego wprowadza się gazowy dwutlenek węgla i amoniak oraz zawracany z węzła (B) roztwór cyrkulacyjny zawierający głównie karbaminian amonu, zachodzą w odpowiednich warunkach ciśnienia i temperatury reakcje: (1) tworzenia karbaminianu amonu i (2) konwersji karbaminianu do mocznika. Znane są także instalacje, w których w skład węzła (A) wchodzą oprócz reaktora syntezy także aparaty wysokociśnieniowego rozkładu nieprzekonwertowanego karbaminianu amonu do amoniaku i dwutlenku węgla oraz kondensatory uwolnionych w ten sposób gazów. W tym ostatnim przypadku roztwór cyrkulacyjny zawracany z węzła (B) wprowadzany jest do węzła syntezy (A) głównie poprzez kondensatory karbaminianu amonu skąd kierowany jest do reaktora syntezy. W tym przypadku cały węzeł syntezy (A) pracuje pod ciśnieniem równym ciśnieniu reaktora syntezy.

Uzyskany w węźle (A) roztwór kierowany jest do węzła (B), gdzie poddawany jest kilkustopniowej ekspansji i destylacji celem całkowitego rozłożenia nieprzekonwertowanego karbaminianu amonu oraz odpędzenia z roztworu całego amoniaku i dwutlenku węgla. Uwolnione w każdym stopniu destylacji gazy kondensowane są na tym samym stopniu przy użyciu podawanego w przeciwprądzie roztworu cyrkulacyjnego zawracanego z ostatniego stopnia kondensacji. Powstały w ten sposób roztwór cyrkulacyjny karbaminianowo-amoniakalny zawracany jest do węzła (A). Węzeł rozkładu i odzysku (B) pracuje zwykle pod ciśnieniem istotnie niższym od ciśnienia panującego w węźle syntezy (A). Oczyszczony w węźle (B) roztwór mocznika kierowany jest do węzła (C) zatężania, gdzie przeprowadzany jest do postaci stopu znanymi sposobami. Wytworzony w ten sposób stop mocznika może być wykorzystany, między innymi, jako podstawowy surowiec do instalacji melaminy.

Jak opisano wcześniej melaminę wytwarza się poprzez konwersję mocznika przy czym korzystnie jest stosować w tym celu mocznik w postaci stopu. Reakcja konwersji prowadzona jest zwykle, pod zwiększonym ciśnieniem w granicach 5 - 60 MPa oraz w temperaturze w granicach 350 - 425°C.

PL 199 656 B1

W trakcie reakcji konwersji mocznika w melaminę uwalniają się zgodnie z przytoczoną wcześ niej reakcją chemiczną, znaczne ilości gazowego amoniaku i dwutlenku węgla, które stanowią gazy odlotowe. Strumień gazów odlotowych zawiera także śladowe ilości zanieczyszczeń melaminą i produktami jej rozkł adu. Gazy odlotowe z wytwórni melaminy nie mogą być odprowadzane do powietrza atmosferycznego ze względu na zawartość amoniaku. Z drugiej strony stanowią cenny surowiec chemiczny.

Problem zagospodarowania gazów odlotowych z wytwórni melaminy opisany został np. w polskim opisie zgł oszeniowym nr P. 331925, gdzie ujawniono sposób produkcji mocznika w którym strumień gazu odlotowego, skł adają cy się głównie z amoniaku i dwutlenku wę gla, uwolniony podczas wysokociśnieniowej syntezy melaminy wprowadzany jest do instalacji produkcyjnej mocznika. W sposobie tym wymagane jest aby ciśnienie strumienia gazu odlotowego z instalacji melaminy było wyższe o około 2 MPa od ciśnienia syntezy mocznika. Strumień gazowy wprowadza się do reaktora bądź dowolnego kondensatora sekcji syntezy mocznika lub do aparatu wysokociśnieniowego rozkładu karbaminianu i odpędzania lub do przewodu łączącego te aparaty. Realizacja opisywanego sposobu wymaga aby instalacja produkcyjna melaminy pracowała pod ciśnieniem wyższym od ciśnienia syntezy i wysokociśnieniowego rozkładu karbaminianu w instalacji mocznika, a ponadto muszą być one usytuowane w bezpośrednim sąsiedztwie, tak aby możliwe było bezpośrednie zawracanie strumieni gazów odlotowych z instalacji melaminy i wprowadzanie ich bez straty ciśnienia do instalacji mocznika.

Inny sposób wytwarzania mocznika z wykorzystaniem strumieni odpadowych z ciśnieniowej instalacji melaminy został opisany w polskim opisie zgłoszeniowym nr P 334 875. W sposobie tym do instalacji wysokociśnieniowej rozkładu karbaminianu amonu i odpędzania wysokociśnieniowej instalacji mocznika wprowadza się odpadowe: amoniak i dwutlenek węgla z wysokociśnieniowej instalacji melaminy, w postaci skondensowanego, prawie bezwodnego karbaminianu amonu. Strumień karbaminianu uzyskuje się przez kondensację gazów odlotowych w specjalnie dla tego celu przewidzianym aparacie - kondensatorze, w którym proces ten zachodzi pod ciśnieniem wynikającym z ciśnienia instalacji melaminy w skutek zastosowanego chłodzenia.

Otrzymany ciekły strumień, prawie bezwodnego, karbaminianu przesyła się do węzła syntezy instalacji mocznika. Sposób ten wymaga by ciśnienie strumienia karbaminianu amonu z instalacji melaminy było o około 2 MPa wyższe od ciśnienia panującego w węźle syntezy wysokociśnieniowej instalacji mocznika.

W ujawnionym, przytoczonym powyż ej opisie zgł oszeniowym stwierdzono, ż e gazy odlotowe z wytwórni melaminy są przeprowadzone poprzez kondensację w prawie bezwodny karbaminian amonu i w takiej postaci wprowadzane są do instalacji mocznika.

Transport prawie bezwodnego karbaminianu amonu jest uciążliwy ze względu na dużą gęstość właściwą cieczy i jej lepkość, a także ze względu na tendencję do krzepnięcia w przewodach i pompie. Konieczne jest zatem utrzymywanie wysokiej temperatury transportowanej cieczy. Z tego samego względu odległości, na które możliwe jest transportowanie karbaminianu są niewielkie, a instalacje produkcyjne mocznika i melaminy musz ą być usytuowane w bezpoś redniej bliskoś ci.

Nieoczekiwanie okazało się, że niedogodności opisanych rozwiązań można uniknąć stosując sposób według wynalazku, polegający na tym, że gazy odlotowe stanowiące mieszaninę amoniaku i dwutlenku węgla, uwalniane z ciśnieniowej instalacji melaminy składającej się co najmniej z węz ł a zatężania roztworu mocznika zasilają cego instalację , wę zła konwersji mocznika i dalszych węzłów oczyszczania i konfekcjonowania melaminy, skierowane są po ich skondensowaniu, do instalacji mocznika składającej się co najmniej z węzła syntezy mocznika z amoniaku i dwutlenku węgla, węzła rozkładu nadmiarowego karbaminianu i odzysku nieprzereagowanych surowców oraz z węzła dotężania roztworu mocznika, charakteryzujący się tym, że strumień gazów odlotowych odprowadzanych z instalacji melaminy kierowany jest do kondensatora chłodzonego medium chłodzącym np. wodą, do którego to kondensatora jednocześnie wprowadzany jest kondensat wodny zawierający nie więcej niż 30% wagowych amoniaku, nie więcej niż 5% wagowych mocznika i nie więcej niż 20% wagowych dwutlenku węgla, uzyskany w węźle zatężania roztworu mocznika i w węźle dotężania roztworu mocznika zasilającego instalację melaminy. W kondensatorze następuje pełna kondensacja gazów odlotowych i ich absorpcja w doprowadzonym kondensacie wodnym z wytworzeniem roztworu zawierającego od 50% wagowych do 53% wagowych karbaminianu amonu, od 15% wagowych do 20% wagowych moniaku w wodzie. Roztwór ten następnie wprowadzany jest do instalacji mocznika.

PL 199 656 B1

Korzystne odmiany wynalazku polegają na wprowadzaniu tego roztworu do węzła syntezy mocznika, po jego uprzednim podgrzaniu do temperatury w granicach od 100°C do 180°C, przy czym temperatura podgrzania roztworu jest regulowana w zależności od temperatury roztworu opuszczającego reaktor syntezy w taki sposób, aby temperatura tego ostatniego strumienia zawierała się w granicach od 180°C do 200°C. Inne korzystne odmiany wynalazku polegają na tym, że roztwór wprowadza się do instalacji mocznika do węzła rozkładu i odzysku lub równocześnie do węzła syntezy i do wę z ła rozkł adu i odzysku w dowolnym stosunku wagowym obu wprowadzanych strumieni.

Sposób według wynalazku pozwala na całkowite zagospodarowanie cennych, z punktu widzenia technologii mocznika gazów, które stanowią uciążliwy odpad dla środowiska, powstający w trakcie wytwarzania melaminy. Sposób ten moż e być zastosowany w szczególnoś ci w tych przypadkach gdy instalacje produkcyjne mocznika i melaminy usytuowane są od siebie w znacznej odległości, a także gdy ciśnienie robocze instalacji melaminy jest niższe od ciśnienia roboczego syntezy mocznika. Ponadto sposób jest efektywny ekonomicznie, nie wymaga nadmiernie dużych nakładów inwestycyjnych i może być zrealizowany w warunkach przemysłowych.

Wynalazek został schematycznie przedstawiony w dwóch wersjach wykonania na dwóch figurach rysunku, na którym 1 oznacza strumień gazów odlotowych z wytwórni melaminy, 2 oznacza węzeł dotężania roztworu mocznika, 3 oznacza węzeł konwersji mocznika, 4 oznacza węzeł oczyszczania i konfekcjonowania melaminy, 5 oznacza węzeł syntezy mocznika, 6 oznacza węzeł rozkładu nadmiarowego karbaminianu, 7 oznacza węzeł zatężania roztworu mocznika, 8 oznacza kondensator, 9 oznacza pompę, a 10 oznacza podgrzewacz.

Sposób według wynalazku wyjaśniono bliżej w przykładowym wykonaniu przedstawionym poniżej, przy czym przykłady te nie ograniczaj ą zakresu stosowania wynalazku.

Strumień 1 gazów odlotowych z instalacji melaminy pracującej pod ciśnieniem 2,4 MPa, odprowadzany z węzła konwersji mocznika 3 w ilości 15 500 kg/h zawierający 34% wagowych CO2, 46% wagowych NH3, 20% wagowych H2O o temperaturze 158°C, kierowany jest do kondensatora 8 chłodzonego wodą, w którym zachodzi bezpośrednie skontaktowanie wprowadzonych gazów z kondensatem wodnym zawierają cym 3% wagowych amoniaku, 2% wagowych mocznika i 2% wagowych dwutlenku węgla, a pochodzącym z węzła dotężania 2 roztworu mocznika zasilającego węzeł konwersji 3. W kondensatorze 8 następuje kondensacja gazów odlotowych i ich absorpcja w doprowadzonym kondensacie wodnym z wytworzeniem roztworu zawierają cego 0,15% wagowych mocznika, 39,98% wagowych amoniaku i 29,63% wagowych dwutlenku węgla w wodzie. Roztwór ten posiadający w chwili opuszczania kondensatora 8 temperaturę 80°C łączony jest z roztworem karbaminiowo-amoniakalnym doprowadzanym z wę z ł a rozkładu i odzysku 6. Połączony strumień kierowany jest za pośrednictwem pompy 9 do podgrzewacza 10 gdzie podgrzewany jest przeponowe, za pomocą pary wodnej do temperatury około 180°C, a następnie wprowadzany jest do reaktora syntezy w węźle syntezy 5. Temperatura podgrzania roztworu regulowana jest w zależności od temperatury roztworu opuszczającego ten reaktor w taki sposób, aby temperatura roztworu opuszczającego ten reaktor utrzymywana była na poziomie 190°C. Reaktor syntezy mocznika pracuje pod ciśnieniem 23 MPa. Jednocześnie do reaktora syntezy mocznika wprowadza się CO2 o temperaturze 90°C i NH3 o temperaturze 140°C w takich ilościach, aby w reaktorze syntezy mocznika uzyskiwać stosunek molowy NH3 do CO2 od 3,5 : 1 do 4,0 : 1. W reaktorze syntezy mocznika zachodzi reakcja wytworzenia karbaminianu amonu z amoniaku i dwutlenku wę gla wprowadzonych z wszystkimi strumieniami zasilają cymi reaktor. Karbaminian ulega następnie konwersji na mocznik. Całość procesu prowadzona jest w środowisku wodnym. Roztwór mocznikowo-karbaminianowo-amoniakalny, opuszczający węzeł syntezy 5 o składzie 21,01% wagowych mocznika, 35,16% wagowych amoniaku, 15,02% wagowych dwutlenku węgla i 28,81% wagowych wody, kierowany jest następnie do węzła rozkładu i odzysku 6. Uzyskany w tym węźle roztwór mocznika, zasadniczo uwolniony od nieprzekonwerowanego karbaminianu i nadmiarowego amoniaku, o składzie 53,9% wagowych mocznika, 0,6% wagowych NH3, 0,1% wagowych CO2 i 45,4% wagowych H2O, kierowany jest do wę zła 7 celem zatężania i koń cowego usunię cia nieprzereagowanych surowców. Zawracane są one poprzez węzeł 6 do węzła syntezy 5. Roztwór mocznika o zawartości mocznika 70% wagowych opuszczający węzeł 7, kierowany jest do instalacji melaminy gdzie w węźle dotężania 2 następuje głębokie odpędzenie wody z roztworu, a uzyskany stop o zawartości 99,98% wagowych mocznika kierowany jest do węzła konwersji 3 wchodzącej w skład instalacji produkcyjnej melaminy. Odpędzona w węźle dotężania 2 woda, w postaci kondensatu zawierającego 3% wagowych amoniaku i 2% wagowych dwutlenku węgla, kierowana

PL 199 656 B1 jest do kondensatora 8 gdzie ulega zmieszaniu ze strumieniem gazów odlotowych 1 z wytwórni melaminy tworząc roztwór karbaminianowo-amoniakalny wprowadzany następnie do instalacji mocznika jak to zostało uprzednio opisane. Roztwór melaminy opuszczający węzeł konwersji 3 kierowany jest do dalszego przerobu w węźle oczyszczania i konfekcjonowania melaminy 4, gdzie przerabia się go do melaminy w postaci handlowej.

W drugim przykładzie wykonania, pokazanym schematycznie na fig. 2, gazy odlotowe 1 z wytwórni melaminy w ilości i o składzie jak w przykł adzie poprzednim, opuszczają ce węzeł konwersji 3, po skondensowaniu i zmieszaniu w kondensatorze 8 z kondensatem opuszczającym instalację dotężania 2 w sposób opisany powyżej, kierowane są poprzez podgrzewacz 10, do pierwszego stopnia destylacji węzła rozkładu i odzysku 6 w instalacji produkcyjnej mocznika.

Claims (6)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób utylizacji gazów odlotowych z wytwórni melaminy, polegający na tym, że gazy odlotowe stanowiące mieszaninę amoniaku i dwutlenku węgla, uwalniane z ciśnieniowej instalacji melaminy składającej się co najmniej z węzła dotężania roztworu mocznika, węzła konwersji mocznika i dalszych węzłów oczyszczania i konfekcjonowania melaminy, skierowane są po ich skondensowaniu, do instalacji mocznika składającej się co najmniej z węzła syntezy mocznika z amoniaku i dwutlenku wę gla, węz ł a rozkł adu nadmiarowego karbaminianu i odzysku nieprzereagowanych surowców oraz z węzła zatężania roztworu mocznika, znamienny tym, że strumień gazów odlotowych (1) odprowadzanych z instalacji melaminy kierowany jest do kondensatora (8) chłodzonego medium chłodzącym - korzystnie wodą - do którego to kondensatora (8) jednocześnie wprowadzany jest kondensat wodny zawierający nie więcej niż 30% wagowych amoniaku, nie więcej niż 5% wagowych mocznika i nie więcej niż 20% wagowych dwutlenku węgla uzyskany w węźle dotężania roztworu mocznika (2), w którym odparowuje się roztwór mocznika zasilają cy instalację melaminy i w węźle zatężania roztworu mocznika (7), przy czym w kondensatorze (8) następuje kondensacja gazów odlotowych (1) i ich absorpcja w doprowadzonym kondensacie wodnym z wytworzeniem roztworu zawierającego od 50% wagowych do 53% wagowych karbaminianu amonu i od 15% wagowych do 20% wagowych amoniaku w wodzie, a roztwór ten następnie wprowadzany jest do instalacji mocznika.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że roztwór uzyskany w kondensatorze (8), podgrzewa się przed wprowadzeniem do instalacji mocznika do temperatury w granicach od 100°C do 180°C, przy czym temperatura podgrzania roztworu jest regulowana w zależności od temperatury roztworu opuszczającego reaktor syntezy mocznika w taki sposób, aby temperatura tego ostatniego strumienia zawierała się w granicach od 180°C do 200°C.
3. 3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że roztwór wprowadza się do instalacji mocznika do węzła syntezy mocznika (5).
4. 4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że roztwór przed wprowadzeniem do instalacji mocznika miesza się z roztworem cyrkulacyjnym zawracanym, poprzez węzeł rozkładu i odzysku (6), z wę z ł a zatężania mocznika (7).
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że roztwór wprowadza się do instalacji mocznika do węzła (6) po uprzednim podgrzaniu do temperatury minimum 120°C.
6. 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że roztwór wprowadza się do instalacji mocznika równocześnie do węzła syntezy (5) i węzła rozkładu i odzysku (6) przy dowolnym stosunku wagowym strumieni wprowadzanych.