一种尿素热解制备三聚氰酸的系统及工艺的制作方法

1.本发明属于三聚氰酸制备技术领域，具体涉及一种尿素热解制备三聚氰酸的系统及工艺。


背景技术：

2.这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
3.三聚氰酸亦称氰尿酸，是一种杂环化合物，其较主要的用途是做一系列精细化工的重要中间体。
4.目前，常用的三聚氰酸的生产工艺为熔融法，直接将尿素放置在回转窑炉中加热至270℃，反应15分钟后，即可以得到三聚氰酸含量为70％左右的反应产物，反应产物经过酸洗后，可以得到纯度较高的三聚氰酸。该工艺操作较为简便，但在工业生产中存在着一些问题，如三聚氰酸收率较低、反应物粘于釜壁影响后续传热等，较大地影响了三聚氰酸的生产效率及反应物的品质。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种尿素热解制备三聚氰酸的系统及工艺。本发明提供了一种两步法尿素热解制取三聚氰酸的工艺，该工艺可以有效的避免尿素的黏壁，并且反应产物的三聚氰酸含量大于95％，并对副产物氨气进行了回收，设备体积小，操作简便，是一种“零排放”的绿色工艺。
6.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
7.第一方面，本发明提供提供一种尿素热解制备三聚氰酸的系统，包括相互连接的造粒装置和热解反应装置，其中，
8.所述造粒装置分别与尿素源和三聚氰酸源连接，三聚氰酸源设置有加热装置，用于将加热后的三聚氰酸和尿素颗粒混合造粒，并将造粒输送至热解反应装置进行热解反应。
9.第二方面，本发明提供一种尿素热解制备三聚氰酸的方法，包括如下步骤：
10.将三聚氰酸粉体加热达到尿素的熔点后，与尿素颗粒混合造粒，使三聚氰酸粉体包裹于尿素颗粒的外侧；
11.将造粒后的混合物颗粒进行热解反应，得到三聚氰酸。
12.上述本发明的一种或多种实施例取得的有益效果如下：
13.(1)直接尿素热解法制取三聚氰酸会导致粘壁现象，影响传热，缩小反应空间，不利于反应的进行，反应前在造粒机中将三聚氰酸粉体和尿素按比例进行预混造粒，使三聚氰酸粉末粘附在尿素颗粒上，可以有效避免尿素粘壁。
14.(2)本发明使用加热三聚氰酸的方式来间接加热尿素，使尿素快速达到熔点后与三聚氰酸结合，无需在圆盘造粒机中额外设置加热装置，降低了能耗，减少了尿素与三聚氰酸混合造粒所需的时间。
15.使用加热三聚氰酸的方式来间接加热尿素，混合物的温度只在很短的时间达到尿素熔点，因此副反应少，最终产物中杂质少，三聚氰酸粗品的纯度可达95％以上，提高了三聚氰酸的纯度，降低了后续提纯工艺的消耗，且第一阶段氨气释放量小。
16.(3)该发明有氨气收集装置，反应产生的氨气被收集后，通入水中制取氨水，实现了原料最大化的利用，提升了反应附加值。
17.(4)该工艺产生的三聚氰酸纯度高，可以将部分反应产物破碎后直接作为原料与尿素反应，降低了对原材料的需求量；
18.该工艺无废水、废弃物产生，绿色、环保，顺应国家“零排放”的政策。
附图说明
19.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
20.图1是本发明实施例1的系统结构示意图；
21.图2是本发明实施例1造粒后的固体颗粒的图像，其中，(a)为颗粒外部的图像，(b)为颗粒内部的图像；
22.图3是本发明实施例的造粒完成后卸料时的动作示意图；
23.图4是本发明实施例2的系统结构示意图；
24.图5是本发明实施例3的系统结构示意图。
25.图中，1-圆盘造粒机，2-圆柱形壳体，3-电机，4-移动床反应器，5-旋转卸料阀，6-氨气出口，7-风机，8-水槽，9-缓冲节，10-转动式活结，11-回转式反应窑炉，12-落料口，13-旋转电机，14-螺旋进料机，15-无轴螺旋成球器，16-电动蝶阀。
具体实施方式
26.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
27.第一方面，本发明提供提供一种尿素热解制备三聚氰酸的系统，包括相互连接的造粒装置和热解反应装置，其中，
28.所述造粒装置分别与尿素源和三聚氰酸源连接，三聚氰酸源设置有加热装置，用于将加热后的三聚氰酸和尿素颗粒混合造粒，并将造粒输送至热解反应装置进行热解反应。
29.在一些实施例中，所述造粒装置为圆盘造粒机或无轴螺旋成球器。
30.在一些实施例中，所述热解反应装置为移动床反应器或回转式反应窑炉。
31.在一些实施例中，还包括风机和水槽，风机的进口端与热解反应装置的氨气出口连接，风机的出口端与管道的一端连接，管道的另一端插入水槽的液位以下。
32.利用风机将尿素热解过程产生的氨气输送至水槽中，用水吸收，可以制备氨水，实现氨的回收利用。
33.在一些实施例中，进料机为螺旋进料机，螺旋进料机与无轴螺旋成球器进料口连接，且螺旋进料机和无轴螺旋成球器的出口端向上倾斜，倾角为4-10
°
。
34.优选的，回转式反应窑炉的出口向下倾斜，倾角为4-10
°
。
35.第二方面，本发明提供一种尿素热解制备三聚氰酸的方法，包括如下步骤：
36.将三聚氰酸粉体加热达到尿素的熔点后，与尿素颗粒混合造粒，使三聚氰酸粉体包裹于尿素颗粒的外侧；
37.将造粒后的混合物颗粒进行热解反应，得到三聚氰酸。
38.在一些实施例中，三聚氰酸经加热后的温度为200-250℃，优选为205-220℃。
39.优选的，三聚氰酸粉体的粒径为40-80目。
40.在一些实施例中，三聚氰酸粉体与尿素的质量比为1.3-2:1，优选为1.5-2:1。
41.采用该质量比时，三聚氰酸粉末可以对尿素颗粒进行较好的包裹，更好地避免尿素颗粒与造粒机内壁的接触、粘结。此外，三聚氰酸粉体的量足够多，进而可以对尿素进行更好的加热，使颗粒混合物的温度在很短的时间内达到尿素熔点，副反应少，最终产物中的杂质少，可以有效提高最终产物的纯度。
42.优选的，对三聚氰酸粉体进行加热的方式为电加热或螺旋磁加热。
43.在一些实施例中，热解反应的温度为250-300℃，优选为260-280℃。
44.优选的，热解反应的时间为10-20min。
45.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
46.实施例1
47.反应共分为两个阶段，分别是造粒阶段和反应阶段，工艺系统见图1。
48.造粒阶段在圆盘造粒机1中进行，粉末状的三聚氰酸(粒径40-80目)被加热至210℃，加热方式为电加热，加热后的三聚氰酸通过螺旋给料机输送至圆盘造粒机1中，与常温的尿素颗粒结合(最佳比例为1.7:1)，二者在圆盘造粒机1中旋转2min后，形成一种内部空心的白色小球，如图2，至此造粒阶段结束。
49.造粒阶段结束后，电机3向上抬升，改变圆盘造粒机倾角，使其中的物料落入2圆柱形壳体中，进而落入移动式反应器4中，如图3。
50.在反应阶段，反应物进入移动式反应器4中，反应温度为270℃，加热方式为螺旋磁加热，停留时间通过旋转卸料阀控制，产生的氨气在负压风机7的作用下，通过氨气出口6排至水槽8中，制取氨水。反应产物从移动式反应器4底部排口排出，粉碎后一部分进行提纯处理，另一部分返回造粒阶段作为粉末状三聚氰酸与尿素成球。表1中是通过控制各反应参数得到的统计结果。
51.表1
[0052][0053][0054]
实施例2
[0055]
圆盘造粒系统包括圆盘造粒机1、壳体2、电机3，造粒过程在圆盘造粒机1中进行。粉末状的三聚氰酸(粒径40-80目)被加热至210℃，加热方式为螺旋磁加热，加热后的三聚氰酸通过螺旋给料机输送至圆盘造粒机1中，与常温的尿素颗粒结合(最佳比例为1.7:1)，二者在圆盘造粒机中旋转2min后，形成一种内部空心的白色小球。
[0056]
造粒完成后，电机3向上抬升，改变圆盘造粒机1倾角，使其中的物料落入圆柱形壳体2中，进而落入缓冲节4中，如图4。
[0057]
反应物从顶部落入旋转活结5，进而进入回转式反应窑炉6中，反应温度为270℃，加热方式为热高温烟气加热，停留时间通过回转式反应窑炉6转速控制，产生的氨气在负压风机的作用下，通过氨气排口排至水槽中，制取氨水。反应产物从落料口排出，进入破碎系统，粉碎后一部分进行提纯处理，另一部分返回造粒阶段作为粉末状三聚氰酸与尿素成球。表2中是通过控制各反应参数得到的统计结果。
[0058]
表2
[0059][0060][0061]
反应前在圆盘造粒机中将三聚氰酸和尿素进行预混造粒，使三聚氰酸粉末粘附在尿素颗粒上，可以有效的避免尿素粘壁。使用回转窑式反应釜进行高温反应，使物料受热均匀，且物料始终处于滚动状态，不会粘壁。
[0062]
采用回转窑式反应器，可以实现三聚氰酸的连续生产，避免了大量三聚氰酸堆积产生的结块现象，使该工艺更适用于大型工业化生产。
[0063]
实施例3
[0064]
如图5所示，反应系统化共分为两个部分，分别是低温成球部分和高温反应部分。
[0065]
低温成球部分主要包括旋转电机13、螺旋进料机14、无轴螺旋成球器15，螺旋进料机14的顶部设置有三聚氰酸进料口和尿素进料口。螺旋进料机14为可加热式螺旋进料机，加热方式为电加热，温度设定为130-140℃。
[0066]
设备运行时，三聚氰酸粉末(40-80目)从三聚氰酸进料口加入，球状的尿素颗粒从尿素进料口加入，两种物料的比例为1.75-1.65:1，三聚氰酸粉末在螺旋进料机2中被加热至210℃后，与尿素进料口进入的尿素混合，进入无轴螺旋成球器15，无轴螺旋成球器15中的温度为140℃，此时温度达到尿素熔点，尿素颗粒表面变粘稠，粘附一层三聚氰酸粉末，二者混合成为球状颗粒，尿素与三聚氰酸的混合物在反应器中旋转3min后，成球阶段结束，成球的反应物料落入筒体外壳，进入高温反应部分，螺旋进料机与无轴螺旋成球器15均有5
°
的倾角。
[0067]
成球的颗粒通过电动阀16进入回转式反应窑炉11，窑炉中的温度为270℃，混合物在窑炉中反应15min后，反应产物通过出料口排出。反应产生的氨气通过负压风机7抽送至
水槽8中制取氨水，氨水达到一定浓度后，即可作为化工原料出售。该工艺生成的三聚氰酸纯度可达到95％以上，因此，部分产物经过破碎后可直接返回8中作为原料继续参与反应。
[0068]
表3中是通过控制各反应参数得到的统计结果。
[0069]
表3
[0070][0071]
该工艺在反应前设置了一段预加热，将三聚氰酸粉末粘附在尿素颗粒上，可以有效的避免尿素粘壁。
[0072]
使用无轴螺旋设备进行造粒，可以通过设备的转速来控制反应时间，从而确保成球的稳定性，并通过实验确定了尿素和三聚氰酸的混合的最佳比例。
[0073]
通过调整设备倾角，避免了反应死区的出现，扩大了反应空间，提升了反应产量。
[0074]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。