[发明专利]合成联二脲的连续生产方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及化工合成领域，尤其涉及一种以水合肼和尿素为原料合成联二脲的连续化工业生产方法，属于环境友好型的化工生产技术。

背景技术

联二脲(NH₂CONHNHCONH₂)是一种人工合成的工业化学品，除用作高级防滑剂、电气塑料的防火添加剂和防溶添加剂外，大量用作生产ADC发泡剂(偶氮二甲酰胺)的原料。

目前广泛采用的联二脲工业生产方法之一是通过水合肼(N₂H₄·H₂O)和尿素(NH₂CONH₂)的缩合反应生成联二脲，其化学反应方程式为：

N₂H₄·H₂O+2NH₂CONH₂＝NH₂CONHNHCONH₂+2NH₃+H₂O

上述反应在液相中进行，所以当反应进行到联二脲浓度大于其饱和溶解度后，联二脲将从溶液中结晶析出，形成联二脲颗粒。因此联二脲的工业化合成过程是一个反应结晶过程，反应器中的凝聚相是固-液悬浮体系。

根据反应时液相的pH值不同，又可将实际应用的工艺方法分为酸性缩合工艺和碱性缩合工艺。

酸性缩合工艺在反应料液中加入无机酸使反应在酸性环境下进行，缩合反应产生的氨与反应液中的酸进一步反应生成铵盐，从而有利于缩合反应的进行，使得缩合反应的速率尤其是反应后期的速率相对较快，在间歇操作条件下达到经济上可接受的转化率所需的总反应时间为10小时左右。

酸性缩合工艺在反应过程中生成大量的铵盐，反应工序的液相排出物中含有大量氨氮，化学需氧量(COD)很高，由此造成对环境的严重污染威胁，导致后续废水处理工序的巨大压力和高额费用。

鉴于酸性缩合工艺在环境成本方面的上述缺点，对环境较为友好的碱性缩合工艺成为业界落实可持续发展策略的重点技术。

碱性缩合工艺令反应在弱碱性环境下进行，缩合反应产生的氨解析脱离反应液以气相形式排出。碱性环境下缩合反应速率较慢，尤其是反应后期，当反应物的浓度降低后，反应速率更是明显趋缓，因此在间歇操作条件下所需的总反应时间很长，通常需要酸性缩合工艺的1.5倍以上，而仍然难以达到令人满意的单程转化率。

化学工程学上解决反应后期速率慢、单程转化率低的一项技术手段是控制反应器的单程转化率在一个较低的水平，使反应过程始终在反应物浓度较高的条件下进行，从而获得较高的生产强度，即在单位时间和单位反应器体积里获得较高的反应产率。由于单程转化率较低，在反应器排出物料中含有较多的未反应原料组分，因此需要将这些组分与反应产物分离后返回反应器进料端循环利用，以获得合理的原料利用率。最佳生产强度将由反应器的单程时空产率成本和产物分离及未反应物料循环的成本之间的综合平衡决定。

上述带循环物流的反应技术既可以用间歇操作方式实现，也可以用连续操作方式实现。

采用连续操作方式时，所用反应器的停留时间分布(RTD)特性将是决定装置的最佳生产强度高低的一个关键因素。理论分析表明，对于反应速率随反应物浓度增大而加快的化学反应，RTD具有活塞流特性的反应器使反应过程始终在理论上能达到的最高的反应物浓度下进行，因而对于反应级数高于零级的反应，这类反应器内的平均反应速率最快，能够获得最高的最佳生产强度；而RTD具有全混釜特性的反应器则因反应过程始终在最低的反应物浓度下进行，因而对于反应级数高于零级的反应，平均反应速率最慢，能够得到的最佳生产强度最低。

工业上应用的各种实际反应器的RTD特性介于上述两种极限情况之间，因此根据所涉及化学反应的特点，采用和设计合理的反应器形式，尽量使反应器RTD特性向有利于提高最佳生产强度方向趋近，就可以形成各种不同的工艺方法。

以水合肼和尿素为原料合成联二脲的化学反应对于两种反应物料的反应级数均大于零，因此采用RTD特性接近活塞流的反应器类型更有利于提高反应器的生产强度。