RU2792667C2 - Systems and methods for production of ammonium carbamate solution containing equilibrium mixture - Google Patents
Systems and methods for production of ammonium carbamate solution containing equilibrium mixture Download PDFInfo
- Publication number
- RU2792667C2 RU2792667C2 RU2020135960A RU2020135960A RU2792667C2 RU 2792667 C2 RU2792667 C2 RU 2792667C2 RU 2020135960 A RU2020135960 A RU 2020135960A RU 2020135960 A RU2020135960 A RU 2020135960A RU 2792667 C2 RU2792667 C2 RU 2792667C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ammonium carbamate
- carbon dioxide
- solution
- ammonia
- mixture
- Prior art date
Links
- BVCZEBOGSOYJJT-UHFFFAOYSA-N ammonium carbamate Chemical compound [NH4+].NC([O-])=O BVCZEBOGSOYJJT-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 95
- KXDHJXZQYSOELW-UHFFFAOYSA-N carbonic acid monoamide Natural products NC(O)=O KXDHJXZQYSOELW-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 92
- 239000000203 mixture Substances 0.000 title claims abstract description 66
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 45
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title abstract description 13
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 182
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims abstract description 108
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 91
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 91
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 64
- 235000011114 ammonium hydroxide Nutrition 0.000 claims abstract description 64
- NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N Ammonium chloride Substances [NH4+].[Cl-] NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 63
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 65
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 claims description 30
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 229910001868 water Inorganic materials 0.000 claims description 15
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 9
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 75
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 20
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 17
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 10
- 239000000047 product Substances 0.000 description 8
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 7
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 6
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 6
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 6
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 5
- 238000010924 continuous production Methods 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 4
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 description 3
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 3
- 150000003863 ammonium salts Chemical class 0.000 description 2
- 239000003139 biocide Substances 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 2
- ATRRKUHOCOJYRX-UHFFFAOYSA-N Ammonium bicarbonate Chemical compound [NH4+].OC([O-])=O ATRRKUHOCOJYRX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000013 Ammonium bicarbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- KXDHJXZQYSOELW-UHFFFAOYSA-M Carbamate Chemical compound NC([O-])=O KXDHJXZQYSOELW-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N Urea Chemical compound NC(N)=O XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 238000013019 agitation Methods 0.000 description 1
- 235000012538 ammonium bicarbonate Nutrition 0.000 description 1
- 239000001099 ammonium carbonate Substances 0.000 description 1
- 238000010923 batch production Methods 0.000 description 1
- 238000007707 calorimetry Methods 0.000 description 1
- 239000004202 carbamide Substances 0.000 description 1
- 150000004649 carbonic acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 238000011437 continuous method Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 239000013058 crude material Substances 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000003337 fertilizer Substances 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- 239000008246 gaseous mixture Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000001139 pH measurement Methods 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 239000012088 reference solution Substances 0.000 description 1
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИRELATED APPLICATIONS
По настоящей заявке испрашивается преимущество по непредварительной заявке U.S. №15/947182, поданной 6 апреля 2018 г.The present application claims advantage over the U.S. non-provisional application. No. 15/947182 filed April 6, 2018
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕFIELD OF TECHNOLOGY TO WHICH THE INVENTION RELATES
Настоящее изобретение в целом относится к системам и способам получения карбамата аммония и, точнее, относится к системам и способам получения водных растворов карбамата аммония.The present invention generally relates to systems and methods for the production of ammonium carbamate and, more specifically, relates to systems and methods for the production of aqueous solutions of ammonium carbamate.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION
Обычные системы и способы получения карбамата аммония основаны на реакции газообразных смесей аммиака, воды и диоксида углерода с образованием твердого карбамата аммония. В одной обычной системе и способе получения карбамата аммония используется камера для проведения реакции синтеза и введение газообразного аммиака и диоксида углерода с противолежащих концов камеры для проведения реакции. Когда газообразные аммиак и диоксид углерода распределяются по камере для проведения реакции, при взаимодействии газов друг с другом протекает реакция с образованием твердого карбамата аммония. Затем твердый карбамат аммония удаляют из камеры для проведения реакции синтеза и передают потребителям в виде твердого неочищенного материала. Затем потребители из твердого карбамата аммония могут получить водные растворы карбамата аммония для использования в разных промышленных, коммерческих и сельскохозяйственных продуктах, таких как биоциды и удобрение.Conventional systems and methods for producing ammonium carbamate are based on the reaction of gaseous mixtures of ammonia, water and carbon dioxide to form solid ammonium carbamate. One conventional system and process for producing ammonium carbamate utilizes a synthesis reaction chamber and introduces ammonia gas and carbon dioxide from opposite ends of the reaction chamber. When the gaseous ammonia and carbon dioxide are distributed throughout the reaction chamber, when the gases interact with each other, a reaction occurs to form solid ammonium carbamate. The solid ammonium carbamate is then removed from the synthesis reaction chamber and delivered to consumers as a solid crude material. Solid ammonium carbamate can then be processed into aqueous solutions of ammonium carbamate for use in various industrial, commercial and agricultural products such as biocides and fertilizer.
Использование твердого карбамата аммония приводит к нескольким затруднениям, связанным с качеством и применением. Во время транспортировки твердого карбамата аммония твердый карбамат аммония находится в равновесии с атмосферой, в которой он находится, что приводит к частичному разложению карбамата аммония, зависящему от длительности транспортировки и температуры. Чистота твердого карбамата аммония может меняться, что влияет на качество образующегося из него водного раствора. Твердый карбамат аммония при использовании для приготовления водного раствора выделяет газообразный аммиак, поэтому необходимы средства контроля окружающей среды для снижения воздействия на персонал.The use of solid ammonium carbamate leads to several quality and application concerns. During transportation of solid ammonium carbamate, solid ammonium carbamate is in equilibrium with the atmosphere in which it is located, which leads to partial decomposition of ammonium carbamate, depending on the duration of transportation and temperature. The purity of solid ammonium carbamate can vary, which affects the quality of the resulting aqueous solution. Solid ammonium carbamate releases ammonia gas when used to prepare an aqueous solution, so environmental controls are needed to reduce worker exposure.
Поэтому желательна разработка систем и способов получения карбамата аммония. Кроме того, другие желательные особенности и характеристики станут понятны из последующего краткого изложения сущности изобретения и подробного описания, а также прилагаемой формулы изобретения совместно с прилагаемыми чертежами и предшествующим описанием области техники, к которой относится изобретение, и уровня техники.Therefore, the development of systems and methods for the production of ammonium carbamate is desirable. In addition, other desirable features and characteristics will become apparent from the following summary and detailed description, as well as the appended claims in conjunction with the accompanying drawings and the preceding description of the technical field to which the invention pertains and the prior art.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
В настоящем изобретении раскрыты различные неограничивающие варианты осуществления растворов карбамата аммония и различные неограничивающие варианты осуществления систем и способов для их получения.The present invention discloses various non-limiting embodiments of ammonium carbamate solutions and various non-limiting embodiments of systems and methods for their preparation.
Одним неограничивающим вариантом осуществления является способ получения содержащего равновесную смесь раствора карбамата аммония. Способ включает, но не ограничивается только этим, предоставление реактора, содержащего раствор аммиака. Способ дополнительно включает, но не ограничивается только этим, подачу диоксида углерода в раствор аммиака с образованием смеси. Способ дополнительно включает, но не ограничивается только этим, объединение раствора гидроксид натрия и смеси с образованием карбамата аммония.One non-limiting embodiment is a process for preparing an ammonium carbamate solution containing an equilibrium mixture. The method includes, but is not limited to, providing a reactor containing an ammonia solution. The method further includes, but is not limited to, supplying carbon dioxide to the ammonia solution to form a mixture. The method further includes, but is not limited to, combining the sodium hydroxide solution and the mixture to form ammonium carbamate.
Одним неограничивающим вариантом осуществления является система для получения содержащего равновесную смесь раствора карбамата аммония. Система включает, но не ограничивается только этим, реактор, обладающий внутренней частью. Реактор включает, но не ограничивается только этим, питающий трубопровод, находящийся во внутренней части. Питающий трубопровод включает, но не ограничивается только этим, впускной канал и выпускной канал, причем впускной канал находится в жидкостной связи с выпускным каналом. Выпускной канал находится во внутренней части реактора. Система дополнительно включает, но не ограничивается только этим, раствор аммиака, находящийся во внутренней части. Система дополнительно включает, но не ограничивается только этим, источник диоксида углерода, включая, но не ограничиваясь только ими, диоксид углерода, и он находится в жидкостной связи со впускным каналом. Система дополнительно включает, но не ограничивается только этим, источник гидроксида натрия, включая, но не ограничиваясь только ими, гидроксид натрия, и он находится в жидкостной связи с реактором. Питающий трубопровод настроен на прием диоксид углерода из источника диоксида углерода во впускной канал и выведение диоксида углерода через выпускной канал. Диоксид углерода, выводимый через выпускной канал, настроен на подачу в раствор аммиака во время образования раствора карбамата аммония.One non-limiting embodiment is a system for producing an ammonium carbamate solution containing an equilibrium mixture. The system includes, but is not limited to, a reactor having an interior. The reactor includes, but is not limited to, a supply conduit located in the interior. The supply conduit includes, but is not limited to, an inlet and an outlet, wherein the inlet is in fluid communication with the outlet. The outlet channel is located in the interior of the reactor. The system further includes, but is not limited to, an ammonia solution in the interior. The system further includes, but is not limited to, a source of carbon dioxide, including but not limited to carbon dioxide, and is in fluid communication with the inlet. The system further includes, but is not limited to, a source of sodium hydroxide, including but not limited to sodium hydroxide, and is in fluid communication with the reactor. The supply line is configured to receive carbon dioxide from the source of carbon dioxide into the inlet and remove carbon dioxide through the outlet. The carbon dioxide exiting through the outlet port is set to be fed into the ammonia solution during the formation of the ammonium carbamate solution.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Другие преимущества раскрытого объекта будут легко понятны, поскольку это становится лучше понятным из последующего подробного описания при рассмотрении вместе с прилагаемыми чертежами, на которые представлено следующее:Other advantages of the disclosed subject matter will be readily understood as it becomes better understood from the following detailed description when considered in conjunction with the accompanying drawings, which are as follows:
На фиг. 1 приведена блок-схема, иллюстрирующая один неограничивающий вариант осуществления системы для получения карбамата аммония;In FIG. 1 is a block diagram illustrating one non-limiting embodiment of a system for producing ammonium carbamate;
На фиг. 2 приведен вид в перспективе, иллюстрирующий сравнительный раствор карбамата аммония;In FIG. 2 is a perspective view illustrating a comparative ammonium carbamate solution;
На фиг. 3 приведена диаграмма, иллюстрирующая экспериментальные данные для одного неограничивающего варианта осуществления системы, представленной на фиг. 1;In FIG. 3 is a diagram illustrating experimental data for one non-limiting embodiment of the system shown in FIG. 1;
На фиг. 4 приведена диаграмма, иллюстрирующая дополнительные экспериментальные данные для одного неограничивающего варианта осуществления системы, представленной на фиг. 1;In FIG. 4 is a diagram illustrating additional experimental data for one non-limiting embodiment of the system shown in FIG. 1;
На фиг. 5 приведена диаграмма, иллюстрирующая дополнительные экспериментальные данные для одного неограничивающего варианта осуществления системы, представленной на фиг. 1;In FIG. 5 is a diagram illustrating additional experimental data for one non-limiting embodiment of the system shown in FIG. 1;
На фиг. 6 приведена диаграмма, иллюстрирующая дополнительные экспериментальные данные для одного неограничивающего варианта осуществления системы, представленной на фиг. 1; иIn FIG. 6 is a diagram illustrating additional experimental data for one non-limiting embodiment of the system shown in FIG. 1; And
На фиг. 7 приведен вид в перспективе, иллюстрирующий неограничивающий вариант осуществления растворов карбамата аммония, представленный на фиг. 1.In FIG. 7 is a perspective view illustrating a non-limiting embodiment of the ammonium carbamate solutions shown in FIG. 1.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Приведенное ниже подробное описание является просто типичным по природе и не предназначено для ограничения систем и способов, описанных в настоящем изобретении. Кроме того, не предполагается ограничиться какой-либо теорией, приведенной в предшествующем уровне техники или в последующем подробном описании.The following detailed description is merely exemplary in nature and is not intended to limit the systems and methods described herein. In addition, it is not intended to be limited to any theory given in the prior art or in the following detailed description.
Настоящее изобретение относится к содержащему равновесную смесь раствору карбамата аммония. Содержащий равновесную смесь раствор карбамата аммония включает продукт реакции раствора аммиака, диоксида углерода и раствора гидроксида натрия. В некоторых вариантах осуществления раствор аммиака и диоксид углерода взаимодействуют с образованием смеси. В этих вариантах осуществления смесь можно объединить с раствором гидроксида натрия с образованием карбамата аммония. В этих вариантах осуществления определенный порядок добавления раствора аммиака, диоксида углерода и раствора гидроксида натрия может повысить эффективность реакции получения карбамата аммония. В качестве одного примера, если диоксид углерода вводили в воду при отсутствии аммиака, диоксид углерода не солюбилизируется в воде вследствие его низкой растворимости в воде. В качестве другого примера, если аммиак и гидроксид натрия сначала объединяли с образованием раствора, то более высокое значение рН и повышение температуры раствора может вызвать выделение газообразного аммиака. Кроме того, диоксид углерода, введенный в этот раствор аммиак/гидроксид натрия приведет к осаждению карбонатов.The present invention relates to an ammonium carbamate solution containing an equilibrium mixture. The ammonium carbamate solution containing the equilibrium mixture includes the reaction product of the ammonia solution, carbon dioxide and sodium hydroxide solution. In some embodiments, the ammonia solution and carbon dioxide react to form a mixture. In these embodiments, the mixture can be combined with sodium hydroxide solution to form ammonium carbamate. In these embodiments, the order in which the ammonia solution, carbon dioxide, and sodium hydroxide solution are added can increase the efficiency of the ammonium carbamate reaction. As one example, if carbon dioxide is introduced into water in the absence of ammonia, carbon dioxide does not solubilize in water due to its low water solubility. As another example, if ammonia and sodium hydroxide are first combined to form a solution, then a higher pH and an increase in the temperature of the solution can cause ammonia gas to be released. In addition, carbon dioxide introduced into this ammonia/sodium hydroxide solution will precipitate carbonates.
Настоящее изобретение также относится к способу получения карбамата аммония. Способ может быть полунепрерывным или непрерывным способом. В полунепрерывном способе фиксированный объем аммиака при фиксированной концентрации можно объединить с диоксидом углерода и гидроксидом натрия. В непрерывном способе аммиак, диоксид углерода и гидроксид натрия объединяют при регулируемой скорости потока. В представленном ниже способе подробно описан способ для полунепрерывной технологии; однако специалист в данной области техники может легко преобразовать этот способ в один или большее количество непрерывных способов.The present invention also relates to a process for the production of ammonium carbamate. The process may be a semi-continuous or continuous process. In a semi-batch process, a fixed volume of ammonia at a fixed concentration can be combined with carbon dioxide and sodium hydroxide. In a continuous process, ammonia, carbon dioxide and sodium hydroxide are combined at a controlled flow rate. The method below describes in detail the method for semi-continuous technology; however, a person skilled in the art can easily convert this method to one or more continuous methods.
Использование в качестве исходных веществ сырья, применяющегося для получения карбамата аммония, и получение содержащего равновесную смесь раствора из этих веществ требует меньшего количества стадий, чем в обычных способах. Кроме того, реакция газ-жидкость, предлагаемая в настоящем изобретении, менее экзотермична, чем в обычных способах, так что можно легче отвести тепло реакции. Кроме того, эту реакцию газ-жидкость можно провести в обычном реакторном оборудовании и исключить необходимость операций с твердыми веществами. Целый ряд равновесных реакций, приведенный ниже, описывает характеристики растворов карбамата аммония с помощью других частиц, таких как бикарбонат аммония, так что использование твердого карбамата в качестве исходного вещества не дает раствор, отличающийся от раствора, приготовленного из подходящих количеств аммиака и диоксида углерода.The use of raw materials used for the production of ammonium carbamate as starting materials and the preparation of a solution containing an equilibrium mixture from these substances requires fewer steps than in conventional methods. In addition, the gas-liquid reaction of the present invention is less exothermic than conventional methods, so that the heat of reaction can be more easily removed. In addition, this gas-liquid reaction can be carried out in conventional reactor equipment and eliminate the need for solids handling. The set of equilibrium reactions below describe the characterization of ammonium carbamate solutions with other species such as ammonium bicarbonate so that the use of a solid carbamate as starting material does not give a solution different from a solution made from the appropriate amounts of ammonia and carbon dioxide.
2NH3(aq)+СО2(q) ← → NH2COONH4(aq) 2NH 3 (aq) + CO 2 (q) ← → NH 2 COONH 4 (aq)
2NH4HCO3(aq} ← → (NH4)2CO3(aq)+СО2(q}+Н2О2NH 4 HCO 3 (aq} ← → (NH 4 ) 2 CO 3 (aq) + CO 2 (q} + H 2 O
NH4HCO3(aq) ← → NH3{aq)+(q)+Η2ONH 4 HCO 3(aq) ← → NH 3{aq) + (q) + Η 2 O
(NH4)2CO3(aq} ← → 2NH3(aq}+(q)+(NH 4 ) 2 CO 3(aq} ← → 2NH 3(aq} + (q) +
NH2COONH4(aq)+ ← → NH4HCO3(aq)+NH3(aq) NH 2 COONH 4 (aq) + ← → NH 4 HCO 3 (aq) + NH 3 (aq)
Представленный на фиг. 1 (приведенный, как полунепрерывный способ с использованием системы 10) способ включает стадии предоставления реактора 12, содержащего раствор аммиака. Раствор аммиака может включать аммиак и растворитель, такой как воду. Раствор аммиака может включать аммиак в количестве, равном не менее примерно 5 мас. %, альтернативно не менее примерно 7 мас. % или, альтернативно, не менее примерно 10 мас. % в пересчете на полную массу раствора аммиака. Раствор аммиака может включать аммиак в количестве, равном от примерно 5 до примерно 50 мас. %, альтернативно от примерно 7 до примерно 40 мас. % или, альтернативно, от примерно 10 до примерно 30 мас. % в пересчете на полную массу раствора аммиака. В вариантах осуществления раствор аммиака представляет собой водный раствор, содержащий воду в количестве, равном от примерно 50 до примерно 95 мас. %, альтернативно от примерно 60 до примерно 93 мас. % или, альтернативно, от примерно 70 до примерно 90 мас. % в пересчете на полную массу раствора аммиака.Shown in FIG. 1 (shown as a semi-continuous process using system 10), the process includes the steps of providing a
Способ дополнительно включает стадию подачи диоксида углерода в раствор аммиака с образованием смеси. Раствор аммиака означает раствор аммиака, содержащий не менее примерно 1 мас. %, альтернативно не менее примерно 5 мас. %, альтернативно не менее примерно 10 мас. %, альтернативно не менее примерно 15 мас. % или, альтернативно, не менее примерно 25 мас. % в пересчете на полную массу раствора аммиака. Как подробнее показано ниже, диоксид углерода, подающийся в реактор 12, характеризуется улучшенным межфазным взаимодействием с раствором аммиака. В вариантах осуществления диоксид углерода подают в раствор аммиака в молярном отношении NH3/CO2, равном от примерно 1,6 до примерно 2,1, альтернативно от примерно 1,8 до примерно 2,1 или, альтернативно, от примерно 2,0 до примерно 2,1. В вариантах осуществления подачу диоксида углерода в реактор 12 прекращают после установления желательного молярного отношения. В вариантах осуществления с использованием полунепрерывного способа стадию подачи диоксида углерода проводят как можно быстрее, насколько это позволяют ограничения по тепло- и массопереносу в системе.The method further includes the step of supplying carbon dioxide to the ammonia solution to form a mixture. Ammonia solution means an ammonia solution containing at least about 1 wt. %, alternatively not less than about 5 wt. %, alternatively not less than about 10 wt. %, alternatively not less than about 15 wt. % or, alternatively, not less than about 25 wt. % in terms of the total weight of the ammonia solution. As shown in more detail below, the carbon dioxide fed to the
В вариантах осуществления стадия подачи диоксида углерода определяется, как подача множества пузырьков газообразного диоксида углерода в раствор аммиака с образованием смеси. Следует понимать, что множество пузырьков газообразного диоксида углерода может проходить только через часть раствора аммиака и все же считаться поданной в раствор аммиака. Способ может дополнительно включать стадию формирования множества пузырьков, обладающих достаточно небольшим диаметром, посредством подходящей комбинации размеров отверстий/пор барботера и условий перемешивания. В одном варианте осуществления достаточно мелкие пузырьки формировали с помощью пористого элемента барботера, размер пор которого равнялся от 2 до 10 мкм. Множество пузырьков может обладать отношениемIn embodiments, the step of supplying carbon dioxide is defined as supplying a plurality of bubbles of carbon dioxide gas to an ammonia solution to form a mixture. It should be understood that a plurality of carbon dioxide gas bubbles may only pass through a portion of the ammonia solution and still be considered fed into the ammonia solution. The method may further include the step of forming a plurality of bubbles having a sufficiently small diameter through a suitable combination of bubbler opening/pore size and agitation conditions. In one embodiment, sufficiently small bubbles were formed using a porous sparger element, the pore size of which was from 2 to 10 microns. A set of bubbles can have a relation
площади поверхности к объему, равным не менее примерно 8100 м2/м3. Множество пузырьков может обладать отношением площади поверхности к объему, равным от примерно 8100 до примерно 60000000 м2/м3, альтернативно от примерно 8100 до примерно 600000 м2/м3 или, альтернативно, от примерно 8100 до примерно 14000 м2/м3. В вариантах осуществления поры меньшего диаметра приводят к образованию пузырьков меньшего диаметра с более значительным отношением площади поверхности к объему, что усиливает межфазное взаимодействие газообразного диоксида углерода и раствора аммиака. Более значительное межфазное взаимодействие газообразного диоксида углерода и раствора аммиака может повысить скорость растворения диоксида углерода в растворе аммиака и тем самым улучшить кинетику реакции диоксида углерода и аммиака. Напротив, пузырьки с уменьшенным отношением площади поверхности к объему могут слишком быстро проходить через раствор аммиака и удалять пары аммиака из раствора аммиака, тем самым приводя к образованию отложений на сухих поверхностях реактора 12 (например, в свободном пространстве над продуктом). Множество пузырьков может включать диоксид углерода в количестве, равном не менее примерно 50 об. %, альтернативно не менее примерно 75 об. % или, альтернативно, не менее примерно 90 об. % в пересчете на полный объем множества пузырьков. Множество пузырьков может включать диоксид углерода в количестве, равном примерно от 50 до 100 об. %, альтернативно примерно от 75 до 100 об. % или, альтернативно, примерно от 90 до 100 об. % в пересчете на полный объем множества пузырьков. В вариантах осуществления диоксид углерода представляет собой чистый диоксид углерода, поставляемый в виде жидкости и затем испаряемый с получением газа до использования для образования карбамата аммония.surface area to volume equal to at least about 8100 m 2 /m 3 . The plurality of bubbles may have a surface area to volume ratio of from about 8100 to about 60,000,000 m 2 /m 3 , alternatively from about 8100 to about 600,000 m 2 /m 3 , or alternatively from about 8100 to about 14,000 m 2 /m 3 . In embodiments, smaller diameter pores result in the formation of smaller diameter bubbles with a higher surface area to volume ratio, which enhances the interfacial interaction of the carbon dioxide gas and the ammonia solution. A more significant interfacial interaction of gaseous carbon dioxide and ammonia solution can increase the rate of dissolution of carbon dioxide in the ammonia solution and thereby improve the kinetics of the reaction of carbon dioxide and ammonia. Conversely, bubbles with a reduced surface area to volume ratio can pass through the ammonia solution too quickly and remove ammonia vapor from the ammonia solution, thereby leading to deposits on dry surfaces of the reactor 12 (eg, in the headspace). The plurality of bubbles may include carbon dioxide in an amount equal to at least about 50 vol. %, alternatively not less than about 75 vol. % or alternatively not less than about 90 vol. % based on the total volume of the plurality of bubbles. Many bubbles may include carbon dioxide in an amount equal to about 50 to 100 vol. %, alternatively from about 75 to 100 vol. % or, alternatively, from about 90 to 100 vol. % based on the total volume of the plurality of bubbles. In embodiments, the carbon dioxide is pure carbon dioxide supplied as a liquid and then vaporized to form a gas prior to being used to form ammonium carbamate.
Способ дополнительно включает стадию объединения раствора гидроксида натрия и смеси с образованием карбамата аммония. В вариантах осуществления раствор гидроксида натрия объединяют со смесью при отношении массы гидроксида натрия к массе диоксида углерода, равном от примерно 0,54 до примерно 0,91, альтернативно от примерно 0,64 до примерно 0,83 или, альтернативно, от примерно 0,64 до примерно 0,74. В вариантах осуществления раствор гидроксида натрия представляет собой водный раствор, содержащий воду.The method further includes the step of combining the sodium hydroxide solution and the mixture to form ammonium carbamate. In embodiments, the sodium hydroxide solution is combined with the mixture at a weight ratio of sodium hydroxide to carbon dioxide weight of from about 0.54 to about 0.91, alternatively from about 0.64 to about 0.83, or alternatively from about 0, 64 to about 0.74. In embodiments, the sodium hydroxide solution is an aqueous solution containing water.
Стадию объединения раствора гидроксида натрия и смеси проводят после того, как в растворе аммиака устанавливается молярное отношение NH3/CO2, равное от примерно 1,6 до примерно 2,1, альтернативно от примерно 1,8 до примерно 2,1 или, альтернативно, от примерно 2,0 до примерно 2,1.The step of combining the sodium hydroxide solution and the mixture is carried out after the ammonia solution has established an NH 3 /CO 2 molar ratio of from about 1.6 to about 2.1, alternatively from about 1.8 to about 2.1, or alternatively , from about 2.0 to about 2.1.
Содержащий равновесную смесь раствор карбамата аммония может включать карбамат аммония и растворитель, такой как вода. Содержащий равновесную смесь раствор может включать карбамат аммония (образовавшийся из аммиака и диоксида углерода) в количестве, равном не менее примерно 15 мас. %, альтернативно не менее примерно 17 мас. % или, альтернативно, не менее примерно 19 мас. % в пересчете на полную массу содержащего равновесную смесь раствора. Содержащий равновесную смесь раствор может включать карбамат аммония (образовавшийся из аммиака и диоксида углерода) в количестве, равном от примерно 15 до примерно 50 мас. %, альтернативно от примерно 17 до примерно 40 мас. % или, альтернативно, от примерно 19 до примерно 30 мас. % в пересчете на полную массу содержащего равновесную смесь раствора. Следует понимать, что содержащий равновесную смесь раствор находится в равновесии и, таким образом, карбамат аммония в один момент времени содержится в количестве, равном не менее примерно 15 мас., но может содержаться в другом количестве в другой момент времени.The ammonium carbamate solution containing the equilibrium mixture may include ammonium carbamate and a solvent such as water. The solution containing the equilibrium mixture may include ammonium carbamate (formed from ammonia and carbon dioxide) in an amount equal to at least about 15 wt. %, alternatively not less than about 17 wt. % or, alternatively, not less than about 19 wt. % in terms of the total weight of the solution containing the equilibrium mixture. The solution containing the equilibrium mixture may include ammonium carbamate (formed from ammonia and carbon dioxide) in an amount equal to from about 15 to about 50 wt. %, alternatively from about 17 to about 40 wt. % or, alternatively, from about 19 to about 30 wt. % in terms of the total weight of the solution containing the equilibrium mixture. It should be understood that the equilibrated solution is in equilibrium and thus ammonium carbamate is present in an amount of at least about 15% by weight at one point in time, but may be present in a different amount at another point in time.
Содержащий равновесную смесь раствор карбамата аммония может обладать значением рН, равным не менее примерно 9,2, альтернативно не менее примерно 10,4 или, альтернативно, не менее примерно 10,6. Содержащий равновесную смесь раствор может обладать значением рН, равным от примерно 9,2 до примерно 11,0, альтернативно от примерно 10,4 до примерно 11,0 или, альтернативно, от примерно 10,6 до примерно 10,8. Значение рН содержащего равновесную смесь раствора можно использовать для определения находящихся в равновесии соединений, находящихся в содержащем равновесную смесь растворе. В вариантах осуществления увеличение количества гидроксида натрия, использующегося для получения карбамата аммония, приводит к повышению рН содержащего равновесную смесь раствора.The ammonium carbamate solution containing the equilibrium mixture may have a pH of at least about 9.2, alternatively at least about 10.4, or alternatively at least about 10.6. The equilibrated solution may have a pH of from about 9.2 to about 11.0, alternatively from about 10.4 to about 11.0, or alternatively from about 10.6 to about 10.8. The pH value of the solution containing the equilibrium mixture can be used to determine the compounds in equilibrium that are in the solution containing the equilibrium mixture. In embodiments, an increase in the amount of sodium hydroxide used to produce ammonium carbamate results in an increase in the pH of the solution containing the equilibrium mixture.
Содержащий равновесную смесь раствор карбамата аммония может обладать электропроводностью при 25°С, равной не менее примерно 75 мСм/см, альтернативно не менее примерно 86 мСм/см или, альтернативно, не менее примерно 97 мСм/см. Содержащий равновесную смесь раствор может обладать электропроводностью при 25°С, равной от примерно 75 мСм/см до примерно 160 мСм/см, альтернативно от примерно 86 мСм/см до примерно 109 мСм/см или, альтернативно, от примерно 97 мСм/см до примерно 100 мСм/см. Электропроводность содержащего равновесную смесь раствора также можно использовать для определения находящихся в равновесии соединений, содержащихся в растворе карбамата аммония.The equilibrated ammonium carbamate solution may have an electrical conductivity at 25°C of at least about 75 mS/cm, alternatively at least about 86 mS/cm, or alternatively at least about 97 mS/cm. The solution containing the equilibrium mixture may have an electrical conductivity at 25°C of from about 75 mS/cm to about 160 mS/cm, alternatively from about 86 mS/cm to about 109 mS/cm, or alternatively from about 97 mS/cm to approximately 100 mS/cm. The electrical conductivity of a solution containing an equilibrium mixture can also be used to determine the compounds in equilibrium contained in an ammonium carbamate solution.
Содержащий равновесную смесь раствор карбамата аммония может обладать содержанием азота, равным не менее примерно 47200 част./млн, альтернативно не менее примерно 53500 част./млн или, альтернативно, не менее примерно 59700 част./млн. Содержащий равновесную смесь раствор может обладать содержанием азота, равным от примерно 47200 част./млн до примерно 184000 част./млн, альтернативно от примерно 53500 част./млн до примерно 147000 част./млн или, альтернативно, от примерно 59700 част./млн до примерно 111000 част./млн.The ammonium carbamate solution containing the equilibrium mixture may have a nitrogen content of at least about 47,200 ppm, alternatively at least about 53,500 ppm, or alternatively at least about 59,700 ppm. The equilibrium mixture containing solution may have a nitrogen content of from about 47,200 ppm to about 184,000 ppm, alternatively from about 53,500 ppm to about 147,000 ppm, or alternatively from about 59,700 ppm. ppm to about 111,000 ppm
В некоторых вариантах осуществления способ дополнительно включает стадию мониторинга количества диоксида углерода, подаваемого в раствор аммиака. В вариантах осуществления данные, полученные во время мониторинга количества диоксида углерода, подаваемого в раствор аммиака, можно использовать для улучшения регулирования количества диоксида углерода, подаваемого в раствор аммиака. Стадия мониторинга количества диоксида углерода включает одну или большее количество следующих стадий: определение рН смеси, определение электропроводности смеси и определение температуры смеси. В других вариантах осуществления для определения количества диоксида углерода, подаваемого в раствор аммиака, можно использовать регулятор массового потока диоксида углерода.In some embodiments, the method further includes the step of monitoring the amount of carbon dioxide supplied to the ammonia solution. In embodiments, data obtained during monitoring of the amount of carbon dioxide supplied to the ammonia solution can be used to improve control of the amount of carbon dioxide supplied to the ammonia solution. The step of monitoring the amount of carbon dioxide includes one or more of the following steps: determining the pH of the mixture, determining the electrical conductivity of the mixture, and determining the temperature of the mixture. In other embodiments, a carbon dioxide mass flow controller can be used to determine the amount of carbon dioxide fed to the ammonia solution.
В одном варианте осуществления рН используют для определения количества диоксида углерода, подаваемого в раствор аммиака. Измерение рН можно проводить с помощью калиброванного онлайн-датчика, погруженного в реакционную смесь, или образцы можно взять из реактора и исследовать с помощью калиброванного настольного рН-метра. При уменьшении молярного отношения NH3/CO2, например, от примерно 3:1 до примерно 1,5:1, значение рН смеси может снижаться, например, от рН, равного примерно 10,4 при 25°С до рН, равного примерно 9,2 при 25°С соответственно.In one embodiment, the pH is used to determine the amount of carbon dioxide fed into the ammonia solution. pH measurement can be done with a calibrated online probe immersed in the reaction mixture, or samples can be taken from the reactor and examined with a calibrated benchtop pH meter. As the molar ratio of NH 3 /CO 2 decreases, for example, from about 3:1 to about 1.5:1, the pH of the mixture can decrease, for example, from a pH of about 10.4 at 25°C to a pH of about 9.2 at 25°C, respectively.
В другом варианте осуществления электропроводность используют для определения количества диоксида углерода, подаваемого в раствор аммиака. Для определения текущего значения электропроводности можно использовать калиброванный онлайн-датчик электропроводности, погруженный в реакционную смесь или образец можно взять из реактора и исследовать с помощью настольного кондуктометра. При уменьшении молярного отношения NH3/CO2, например, от примерно 3:1 до примерно 1,5:1, электропроводность смеси может увеличиваться, например, от примерно 115 миллисименсов на см (мСм/см) при 25°С до примерно 170 мСм/см при 25°С соответственно.In another embodiment, the electrical conductivity is used to determine the amount of carbon dioxide supplied to the ammonia solution. A calibrated online conductivity probe immersed in the reaction mixture can be used to determine the current conductivity value, or a sample can be taken from the reactor and examined using a benchtop conductivity meter. By decreasing the molar ratio of NH 3 /CO 2 , for example, from about 3:1 to about 1.5:1, the electrical conductivity of the mixture can increase, for example, from about 115 millisiemens per cm (mS/cm) at 25°C to about 170 mS/cm at 25°C, respectively.
В еще одном варианте осуществления для определения количества диоксида углерода, подаваемого в раствор аммиака, используют баланс энергии. Реакция диоксида углерода и аммиака является экзотермической; поэтому тепло, выделяющееся при реакции, может быть индикатором количества диоксида углерода, который прореагировал с аммиаком, и тем самым характеризовать молярное отношение NH3/CO2. Проводимое в реальном масштабе времени измерение температуры реакции вместе с провидимым в реальном масштабе времени измерением скорости отведения тепла через кожух и/или внешний теплообменник можно использовать для определения количества диоксида углерода, который прореагировал с аммиаком.In another embodiment, an energy balance is used to determine the amount of carbon dioxide supplied to the ammonia solution. The reaction of carbon dioxide and ammonia is exothermic; therefore, the heat released during the reaction can be an indicator of the amount of carbon dioxide that has reacted with ammonia, and thus characterize the molar ratio of NH 3 /CO 2 . A real-time measurement of the reaction temperature, together with a real-time measurement of the rate of heat removal through the shell and/or external heat exchanger, can be used to determine the amount of carbon dioxide that has reacted with ammonia.
В некоторых вариантах осуществления способ получения карбамата аммония может быть изотермическим способом. Этот изотермический способ может протекать в диапазоне разных температур и при проведении способа температуру смеси поддерживают при заданной температуре, равной от 15°С до 55°С, при нормальном или повышенном давлении. В других вариантах осуществления способ получения карбамата аммония может быть полуадиабатическим способом. Этот полуадиабатический способ может протекать в смеси, начиная с температуры, равной лишь 15°С, и с ее повышением примерно до 55°С. Тепло, выделившееся про проведении способа можно отвести из смеси с помощью кожуха или путем циркуляции смеси через теплообменник. Хотя в настоящем изобретении 55°С указана, как максимальная рабочая температура, специалист в данной области техники может оперировать при более высоких температурах и давлениях при сведении к минимуму потерь NH3 в свободное пространство над продуктом в реакторе.In some embodiments, the process for producing ammonium carbamate may be an isothermal process. This isothermal process can take place in a range of different temperatures, and during the process, the temperature of the mixture is maintained at a predetermined temperature of 15°C to 55°C, at normal or elevated pressure. In other embodiments, the process for producing ammonium carbamate may be a semi-adiabatic process. This semi-adiabatic process can proceed in a mixture starting at a temperature of only 15°C and increasing to about 55°C. The heat released during the process can be removed from the mixture using a jacket or by circulating the mixture through a heat exchanger. Although 55° C. is specified as the maximum operating temperature in the present invention, one skilled in the art can operate at higher temperatures and pressures while minimizing NH 3 losses to the reactor headspace.
Настоящее изобретение также относится к системе 10 для получения карбамата аммония. Как указано выше, на фиг. 1 приведена блок-схема, иллюстрирующая один неограничивающий вариант осуществления системы 10 для получения карбамата аммония. Система 10 включает реактор 12. Реактор 12 обладает внутренней частью 14. Реактор 12 включает питающий трубопровод 16, находящийся во внутренней части 14. Питающий трубопровод 16 включает впускной канал 18 и выпускной канал 20, причем впускной канал 18 находится в жидкостной связи с выпускным каналом 20. Выпускной канал 20 находится во внутренней части 14 реактора 12. Система 10 дополнительно включает раствор аммиака, находящийся во внутренней части 14. Система 10 дополнительно включает источник диоксида углерода 22, содержащий диоксид углерода, и он находится в жидкостной связи со впускным каналом 18. Система 10 дополнительно включает источник гидроксида натрия 24, содержащий гидроксид натрия, и он находится в жидкостной связи с реактором 12. Питающий трубопровод 16 настроен на прием диоксид углерода из источника диоксида углерода 22 во впускной канал 18 и выведение диоксида углерода через выпускной канал 20. Диоксид углерода, выводимый через выпускной канал 20, настроен на подачу в раствор аммиака во время образования карбамата аммония.The present invention also relates to a
Реактор 12 включает область протекания реакции 26 и область свободного пространства над продуктом 28 рядом с областью протекания реакции 26, где область свободного пространства над продуктом 28 во время образования карбамата аммония в основном не содержит карбамат аммония и другие соли аммония. Выражение "в основном не содержит" при использовании в настоящем изобретении означает, что область свободного пространства над продуктом 28 содержит менее примерно 5 мас. %, альтернативно менее примерно 1 мас. % или, альтернативно, менее примерно 0,1 мас. % в пересчете на полный объем (мас./об. %) области свободного пространства над продуктом 28. Как показано выше, пузырьки или капельки, содержащие диоксид углерода и обладающие уменьшенным отношением площади поверхности к объему, могут слишком быстро проходить через раствор аммиака и удалять пары аммиака из раствора аммиака, тем самым приводя к образованию отложений на сухих поверхностях реактора 12 (например, в свободном пространстве над продуктом). Поэтому в вариантах осуществления образование карбамата аммония в области свободного пространства над продуктом 28 сводят к минимуму или предупреждают путем надлежащего растворения диоксида углерода в растворе аммиака.The
В различных вариантах осуществления при образовании карбамата аммония выпускной канал 20 погружен в раствор аммиака. Специалист в области многофазного смешивания может оптимизировать использованием смесителя и/или барботера для обеспечения растворения диоксида углерода в растворе аммиака. Выпускной канал 20 может обладать множеством отверстий и диоксид углерода можно выводить через множество отверстий. Множество отверстий можно настроить для формирования пузырьков диоксида углерода или капелек диоксида углерода при прохождении диоксида углерода через множество отверстий. Каждое из множества отверстий может обладать диаметром, равным не более примерно 60 мкм, альтернативно не более примерно 30 мкм или, альтернативно, не более примерно 10 мкм. Каждое из множества отверстий может обладать диаметром, равным от примерно 1 до примерно 60 мкм, альтернативно от примерно 2 до примерно 30 мкм или, альтернативно, от примерно 2 до примерно 10 мкм.In various embodiments, when the ammonium carbamate is formed, the
В различных вариантах осуществления система 10 включает источник воды 32, содержащий воду, такую как деионизированная или смягченная вода. Система 10 может дополнительно включать источник аммиака 34, содержащий аммиак. Система 10 может дополнительно включать теплообменник 36 для отведения тепла от реактора 12. Система 10 может дополнительно включать поглотитель газа 38 для сведения к минимуму выброса газов в окружающую среду.In various embodiments,
Раствор карбамата аммония, систему для его получения или способ его получения можно использовать в разных случаях, включая, но не ограничиваясь только ими, образование биоцидов и синтез мочевины.The ammonium carbamate solution, system for its production or process for its production can be used in various applications, including, but not limited to, the formation of biocides and the synthesis of urea.
Хотя в предшествующем подробном описании настоящего изобретения представлен по меньшей мере один типичный вариант осуществления, следует понимать, что существует большое количество вариантов. Также следует понимать, что типичный вариант осуществления или типичные варианты осуществления являются только примерами и не предназначены для какого-либо ограничения объема, применимости или конфигурации настоящего изобретения. Точнее, предшествующее подробное описание дает специалистам в данной области техники удобную дорожную карту для реализации типичного варианта осуществления настоящего изобретения. Следует понимать, что без отклонения от объема настоящего изобретения, представленного в прилагаемой формуле изобретения, можно внести различные изменения в функцию и расположение элементов, описанных в типичном варианте осуществления.While at least one exemplary embodiment has been presented in the foregoing detailed description of the present invention, it should be understood that a large number of variations exist. It should also be understood that the exemplary embodiment or exemplary embodiments are only examples and are not intended to limit the scope, applicability, or configuration of the present invention in any way. Rather, the foregoing detailed description provides those skilled in the art with a convenient roadmap for implementing an exemplary embodiment of the present invention. It should be understood that without departing from the scope of the present invention as set forth in the appended claims, various changes may be made to the function and arrangement of the elements described in the exemplary embodiment.
ПРИМЕРЫEXAMPLES
Пример 1. Возможные композиции типичных содержащих равновесную смесь растворов карбамата аммонияExample 1 Possible Compositions of Typical Equilibrium Mixed Ammonium Carbamate Solutions
Возможные композиции типичных содержащих равновесную смесь растворов карбамата аммония можно получить следующим образом. Раствор аммиака разбавляют примерно до 12 мас. % в сосуде для проведения реакции с устройствами для охлаждения. Диоксид углерода подают в течение некоторого времени и получают конечное молярное отношение NH3/CO2, равное примерно 2. Можно использовать аммиак и NaOH в разных концентрациях и количество воды устанавливают в соответствии с ними. При использовании 25 мас. % раствора аммиака и 50 мас. % раствора NaOH в сосуде смешивают 35,96-39,38 частей воды и 34,03-35,05 частей раствора аммиака при температуре окружающей среды. Это можно выполнять с охлаждением или без него.Possible compositions of typical ammonium carbamate solutions containing an equilibrium mixture can be prepared as follows. The ammonia solution is diluted to about 12 wt. % in a reaction vessel with cooling devices. Carbon dioxide is fed in for some time and a final NH 3 /CO 2 molar ratio of about 2 is obtained. Ammonia and NaOH can be used in different concentrations and the amount of water is adjusted accordingly. When using 25 wt. % ammonia solution and 50 wt. % NaOH solution in a vessel, mix 35.96-39.38 parts of water and 34.03-35.05 parts of ammonia solution at ambient temperature. This can be done with or without refrigeration.
Диоксид углерода подают в смесь, так чтобы отношение количества молей аммиака к количеству молей диоксида углерода равнялось от 2,00 до 2,06 (10,99 частей является типичным значением при подаче). Диоксид углерода взаимодействует с аммиаком в растворе с образованием карбамата аммония. Подачу можно проводить снаружи от сосуда или можно проводить в контур рециркуляции сосуда. Сосуд можно использовать при атмосферном давлении или под давлением. При добавлении диоксида углерода смесь охлаждают с поддержанием температуры ниже 60°С, поскольку при реакции выделяется тепло.Carbon dioxide is fed into the mixture such that the ratio of moles of ammonia to moles of carbon dioxide is between 2.00 and 2.06 (10.99 parts being a typical feed value). Carbon dioxide reacts with ammonia in solution to form ammonium carbamate. The feed may be carried out outside of the vessel, or may be conducted into the recirculation circuit of the vessel. The vessel can be used at atmospheric pressure or under pressure. When carbon dioxide is added, the mixture is cooled while maintaining the temperature below 60°C, since heat is released during the reaction.
Затем к смеси медленно добавляют от 15,60 до 18,00 частей 50% раствора NaOH для обеспечения желательных значений рН и электропроводности. Во время добавления раствора NaOH смесь охлаждают с поддержанием температуры ниже 60°С, поскольку при растворении NaOH выделяется тепло. Возможные композиции приведены ниже в таблице 1.Then 15.60 to 18.00 parts of 50% NaOH solution are slowly added to the mixture to achieve the desired pH and electrical conductivity. While the NaOH solution is being added, the mixture is cooled to keep the temperature below 60° C., since heat is released when the NaOH is dissolved. Possible compositions are shown below in table 1.
Пример 2. Типичные содержащие равновесную смесь растворы карбамата аммония, характеризующиеся минимальными различиями характеристик для множества партийExample 2 Typical Equilibrium Mixed Ammonium Carbamate Solutions Showing Minimal Performance Differences Between Multiple Batches
Типичные содержащие равновесную смесь растворы карбамата аммония (Е1-Е5) получали следующим образом. Для каждого раствора, стеклянный сосуд объемом 12 л с кожухом снабжали блоком пористой трубы Mott Series 850 Porous (part number 850-3/4-06) для подачи диоксида углерода. Блок пористой трубы обладал порами размером 10 мкм. Диоксид углерода подавали из газового баллона и скорость потока регулировали регулятором массового потока. В сосуд подавали 3,54 кг 28,4 мас. % водного раствора аммиака и 4,673 кг деионизированной воды. Реактор герметизировали за исключением одного патрубка, который был соединен с блоком пористой трубы и выпускным патрубком, который выходил в барботер. Диоксид углерода подавали в течение 3 ч через блок пористой трубы и в течение цикла работы температуру поддерживали равной примерно 36°С. Через 3 ч реактор охлаждали до 25°С и добавляли 1,846 кг 50,1 мас. % раствора гидроксида натрия при охлаждении с поддержанием температуры, равной 25°С. Исследовали близость характеристик типичных содержащих равновесную смесь партий растворов карбамата аммония (Е1-Е5) и результаты приведены ниже в таблице 2.Typical equilibrated ammonium carbamate solutions (E1-E5) were prepared as follows. For each solution, a jacketed 12 L glass jar was fitted with a Mott Series 850 Porous (part number 850-3/4-06) porous tube assembly to supply carbon dioxide. The porous pipe block had 10 µm pores. Carbon dioxide was supplied from a gas bottle and the flow rate was controlled by a mass flow controller. 3.54 kg of 28.4 wt. % aqueous ammonia solution and 4.673 kg of deionized water. The reactor was sealed with the exception of one pipe, which was connected to the block of porous tube and the outlet pipe, which went to the bubbler. Carbon dioxide was supplied for 3 hours through the porous tube block and the temperature was maintained at about 36°C during the run. After 3 hours, the reactor was cooled to 25°C and 1.846 kg of 50.1 wt. % sodium hydroxide solution when cooled to maintain a temperature of 25°C. The similarity of characteristics of typical batches of ammonium carbamate solutions containing an equilibrium mixture (E1-E5) was investigated and the results are shown in Table 2 below.
Через 24 ч для Е1 значение рН равнялось 10,7, электропроводность равнялась 99,7 мСм/см и измеренное полное содержание азота равнялось 69000 част./млн. Характеристики аналогичных партий (Е2-Е5) были очень близкими и давали аналогичный продукт. Близость измеренных значений полного содержания азота, электропроводности и рН показывает, что имеется равновесие жидкость-пар, при котором аммиак не удаляется из раствора и происходит полное поглощение диоксида углерода раствором аммиака.After 24 hours, E1 had a pH of 10.7, an electrical conductivity of 99.7 mS/cm and a measured total nitrogen content of 69,000 ppm. The characteristics of similar batches (E2-E5) were very close and gave a similar product. The closeness of the measured values of the total nitrogen content, electrical conductivity and pH shows that there is a liquid-vapor equilibrium in which ammonia is not removed from the solution and carbon dioxide is completely absorbed by the ammonia solution.
Пример 3. Сравнительный раствор карбамата аммония приводит к образованию твердых веществ в области свободного пространства над продуктом реактора вследствие крупных пузырьков диоксида углеродаExample 3 Comparative Ammonium Carbamate Solution Leads to Formation of Solids in the Headspace Region of the Reactor Product Due to Large Carbon Dioxide Bubbles
Сравнительный раствор карбамата аммония (С1) получали в реакторе объемом 1 л в соответствии с раствором карбамата аммония, полученным в примере 1, с тем отличием, что размер пор элемента барботера был больше и поэтому образовывались пузырьки, обладающие меньшим отношением площади поверхности к объему (т.е. пузырьки были крупнее).A comparative ammonium carbamate solution (C1) was prepared in a 1 L reactor according to the ammonium carbamate solution prepared in Example 1, with the difference that the pore size of the bubbler element was larger and therefore bubbles were formed having a lower surface area to volume ratio (t .e. bubbles were larger).
Более крупные пузырьки проходили через раствор аммиака и попадали в свободное пространство над продуктом до полного растворения. Как показано на фиг. 2, на стенках реактора в области свободного пространства над продуктом образовывались твердые вещества, включая карбамат аммония. Электропроводность сравнительного раствора карбамата аммония (С1) через 24 ч равнялась лишь 94,7 мСм/см при 25°С.Larger bubbles passed through the ammonia solution and fell into the free space above the product until complete dissolution. As shown in FIG. 2, solids, including ammonium carbamate, formed on the walls of the reactor in the headspace above the product. The electrical conductivity of the comparative solution of ammonium carbamate (C1) after 24 hours was only 94.7 mS/cm at 25°C.
Пример 4. Сравнительный раствор карбамата аммония приводит к образованию твердых веществ в области свободного пространства над продуктом реактора вследствие попадания диоксида углерода в область свободного пространства над продуктомExample 4 Comparative Ammonium Carbamate Solution Leads to Formation of Solids in the Headspace Region of the Reactor Due to Ingress of Carbon Dioxide into the Headspace Region of the Reactor
Сравнительный раствора карбамата аммония (С2) получали в реакторе объемом 1 л в соответствии с раствором карбамата аммония, полученным в примере 1, с тем отличием, что диоксид углерода подавали в область свободного пространства над продуктом реактора, а не в раствор аммиака (т.е. продували). Затем в реактор подавали раствор гидроксида натрия.A reference solution of ammonium carbamate (C2) was prepared in a 1 L reactor according to the ammonium carbamate solution prepared in Example 1, with the difference that carbon dioxide was supplied to the headspace region of the reactor product and not to the ammonia solution (i.e. . purged). Then the sodium hydroxide solution was fed into the reactor.
Диоксид углерода из свободного пространства над продуктом легко растворяется в водном растворе аммиака, о чем свидетельствуют данные измерения давления и калориметрии (не показаны). Однако на стенках реактора в области свободного пространства над продуктом образовывались твердые вещества, включая карбамат аммония и другие соли аммония. Электропроводность сравнительного раствора карбамата аммония (С2) через 24 ч равнялась лишь 88,5 мСм/см при 25°С.Headspace carbon dioxide readily dissolves in aqueous ammonia as measured by pressure and calorimetry (not shown). However, solids were formed on the reactor walls in the headspace region, including ammonium carbamate and other ammonium salts. The electrical conductivity of the comparative solution of ammonium carbamate (C2) after 24 hours was only 88.5 mS/cm at 25°C.
Пример 5. Характеристики типичных смесей, образованных из растворов аммиака и диоксида углеродаExample 5 Characteristics of Typical Mixtures Formed from Ammonia and Carbon Dioxide Solutions
Типичные смеси (Е6-Е25), образующиеся из растворов аммиака и диоксид углерода, получали следующим образом. Проводили серию изотермических реакций, при которых диоксид углерода постепенно подавали через блок пористой трубы в раствор аммиака, содержащий 12,15 мас. % аммиака. Значения измеренных рН и электропроводности для реакционных смесей при четырех молярных отношениях NH3/CO2 приведены в таблице 3 и представлены на фиг. 3 и фиг. 4. Значения электропроводности и рН приведены в таблице 3 для растворов после подачи диоксида углерода в раствор аммиака, но до добавления раствора гидроксида натрия для получения конечного продукта.Representative mixtures (E6-E25) formed from solutions of ammonia and carbon dioxide were prepared as follows. A series of isothermal reactions were carried out in which carbon dioxide was gradually introduced through a porous tube block into an ammonia solution containing 12.15 wt. % ammonia. The measured pH and electrical conductivity values for the reaction mixtures at four NH 3 /CO 2 molar ratios are shown in Table 3 and shown in FIG. 3 and FIG. 4. The values of electrical conductivity and pH are given in table 3 for solutions after adding carbon dioxide to the ammonia solution, but before adding the sodium hydroxide solution to obtain the final product.
Как показано в таблице 3, электропроводности типичных смесей увеличивается при уменьшении молярного отношения NH3/CO2 и значения рН типичных смесей уменьшаются при уменьшении молярного отношения NH3/CO2. Данные показывают, что измерения температуры, рН и электропроводности можно использовать для проверки количества диоксида углерода, поданного в реактор. Такие предсказуемые данные измерений обеспечиваются вследствие подачи СО2 в реактор в виде мелких пузырьков и предупреждения выделения СО2 и паров NH3 из смеси.As shown in Table 3, the electrical conductivity of typical mixtures increases with decreasing NH 3 /CO 2 molar ratio and the pH values of typical mixtures decrease with decreasing NH 3 /CO 2 molar ratio. The data show that measurements of temperature, pH and electrical conductivity can be used to check the amount of carbon dioxide fed into the reactor. Such predictable measurement data is provided by supplying CO 2 to the reactor in the form of fine bubbles and preventing CO 2 and NH 3 vapors from escaping from the mixture.
Пример 6. Характеристики типичных содержащих равновесную смесь растворов карбамата аммонияExample 6 Characteristics of Typical Equilibrium Mixed Ammonium Carbamate Solutions
Типичные содержащие равновесную смесь растворы карбамата аммония (Е26-Е45) получали следующим образом. Проводили серию из четырех реакций при 35°С, при которых диоксид углерода постепенно подавали через блок пористой трубы в раствор аммиака, содержащий 12,15 мас. % аммиака. Реакции проводили при разных молярных отношениях NH3/CO2. После подачи диоксида углерода партию разделяли на четыре порции и к порциям добавляли разные количества гидроксида натрия вместе с количеством воды, подходящим для обеспечения одинакового содержания твердых веществ в образце. Электропроводность и рН определяли в зависимости от молярного отношения NH3/CO2 и количества добавленного гидроксида натрия, данные приведены в таблице 4 и представлены на фиг. 5 и 6. Морозостойкость определяли по результатам хранения выбранных типичных содержащих равновесную смесь растворов карбамата аммония (Е26, Е30, Е34, Е38 и Е42) при - 10°С в течение 3 дней. На фиг. 7 приведено изображение содержащего равновесную смесь раствора карбамата аммония через 3 дня. Перед получением изображения сосуды переворачивали.Typical equilibrated ammonium carbamate solutions (E26-E45) were prepared as follows. Spent a series of four reactions at 35°C, in which carbon dioxide was gradually filed through a porous tube block in an ammonia solution containing 12.15 wt. % ammonia. The reactions were carried out at different molar ratios of NH 3 /CO 2 . After the addition of carbon dioxide, the batch was divided into four portions and various amounts of sodium hydroxide were added to the portions along with an appropriate amount of water to ensure the same solids content in the sample. The electrical conductivity and pH were determined as a function of the NH 3 /CO 2 molar ratio and the amount of sodium hydroxide added, the data are shown in Table 4 and presented in FIG. 5 and 6. Frost resistance was determined from the results of storage of selected representative solutions containing an equilibrium mixture of ammonium carbamate solutions (E26, E30, E34, E38 and E42) at -10°C for 3 days. In FIG. 7 shows an image of an ammonium carbamate solution containing an equilibrium mixture after 3 days. Vessels were inverted before imaging.
Как показано в таблице 4, электропроводности типичных содержащих равновесную смесь растворов карбамата аммония увеличиваются при уменьшении молярного отношения NH3/CO2 и уменьшаются при увеличении содержания NaOH. Значения рН типичных содержащих равновесную смесь растворов карбамата аммония уменьшаются при уменьшении молярного отношения NH3/CO2 и увеличиваются при увеличении содержания NaOH. Другими словами, электропроводности типичных содержащих равновесную смесь растворов карбамата аммония увеличиваются при уменьшении молярного отношения NH3/CO2 и при уменьшении содержания NaOH.As shown in Table 4, the electrical conductivities of typical ammonium carbamate solutions containing an equilibrium mixture increase with decreasing NH 3 /CO 2 molar ratio and decrease with increasing NaOH content. The pH values of typical ammonium carbamate solutions containing an equilibrium mixture decrease with decreasing NH 3 /CO 2 molar ratio and increase with increasing NaOH content. In other words, the electrical conductivities of typical ammonium carbamate solutions containing an equilibrium mixture increase with decreasing NH 3 /CO 2 molar ratio and with decreasing NaOH content.
Представленные на фиг. 7 типичные содержащие равновесную смесь растворы карбамата аммония, содержащие 7 мас. % NaOH, обладают улучшенной морозостойкостью по сравнению с типичными содержащими равновесную смесь растворами карбамата аммония, содержащими 9 мас. % NaOH.Shown in FIG. 7 typical solutions containing an equilibrium mixture of ammonium carbamate containing 7 wt. % NaOH, have improved frost resistance compared to typical solutions containing an equilibrium mixture of ammonium carbamate containing 9 wt. % NaOH.
Claims (16)
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US15/947,182 US10315986B1 (en) | 2018-04-06 | 2018-04-06 | Systems and methods for forming a solution of ammonium carbamate |
| US15/947,182 | 2018-04-06 | ||
| PCT/US2019/026015 WO2019195696A1 (en) | 2018-04-06 | 2019-04-05 | Systems and methods for forming a speciated solution of ammonium carbamate |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2020135960A RU2020135960A (en) | 2022-05-06 |
| RU2792667C2 true RU2792667C2 (en) | 2023-03-22 |
Family
ID=
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU730683A1 (en) * | 1976-06-07 | 1980-04-30 | Белорусский Ордена Трудового Красного Знамени Государственный Университет Им.В.И.Ленина | Method of preparing ammonium carbamate |
| WO2016094498A1 (en) * | 2014-12-10 | 2016-06-16 | Novek Ethan | Integrated process for carbon capture and energy production |
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU730683A1 (en) * | 1976-06-07 | 1980-04-30 | Белорусский Ордена Трудового Красного Знамени Государственный Университет Им.В.И.Ленина | Method of preparing ammonium carbamate |
| WO2016094498A1 (en) * | 2014-12-10 | 2016-06-16 | Novek Ethan | Integrated process for carbon capture and energy production |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Fabrizio Mani et al. CO2 absorption by aqueous NH3 solutions: speciation of ammonium carbamate, bicarbonate and carbonate by a 13C NMR study // Green Chemistry, 2006, vol.8, no.11, pages 995-1000. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102228574B1 (en) | Oxidation process for the production of potassium thiosulfate | |
| UA62995C2 (en) | A process for preparing an aqueous hydrogen peroxide solution directly from hydrogen and oxygen, and a device for implementing thereof | |
| RU2430877C1 (en) | Method of producing iodine heptafluoride | |
| CN103908870A (en) | Treatment method for acyl-chlorination reaction tail gas | |
| KR102722226B1 (en) | Systems and methods for forming specialized solutions of ammonium carbamate | |
| MX2012005972A (en) | Methods for production of high concentration of arginine bicarbonate solution at high pressue. | |
| RU2792667C2 (en) | Systems and methods for production of ammonium carbamate solution containing equilibrium mixture | |
| JP5560136B2 (en) | Method for producing bis (fluorosulfonyl) imide | |
| IE51446B1 (en) | Manufacture of alkane sulphonyl chlorides | |
| US2744133A (en) | Process for the production of low-biuret content urea | |
| US2797144A (en) | Production of ammonium nitrite solutions | |
| US2458404A (en) | Manufacture of sodium hydroxylamine sulfonates | |
| US20090054686A1 (en) | Process for preparing concentrated solutions of salts of organic acids | |
| US5041691A (en) | Aldol condensation of nitroparaffins | |
| JP2012131658A (en) | Method for producing lithium borofluoride | |
| CN112354487B (en) | Preparation method of ammonium carbonate feed gas | |
| US4276273A (en) | Production of sodium polyphosphates | |
| JPH0656408A (en) | Method for producing sodium hydrosulfide | |
| US3269954A (en) | Process for preparing a nitrosating acid | |
| EP3208234A1 (en) | Oxidation process for producing potassium thiosulfate | |
| US567552A (en) | Julius raschen | |
| US3149912A (en) | Continuous method for synthesis of hydroxylamine sulfate | |
| CA1128284A (en) | Production of sodium polyphosphate | |
| US567551A (en) | Julius raschen | |
| AU2012201470B8 (en) | Method for producing peroxymonosulfuric acid and apparatus for continuously producing peroxymonosulfuric acid |