Способ улучшения свойств гранул мочевины
Изобретение относится к способу улучшения свойств гранулятов мочевины, особенно касающихся тенденции к слеживанию, образования пыли и характеристик пенообразования в водной среде, путем введения добавок к мочевине. Способ реализуется путем введения добавки к мочевине, где добавка содержит соединение карбоновой кислоты общей формулы XY-(Z)-COOH, в которой Z означает насыщенный или ненасыщенный углеводород с 1-25 атомами углерода, и X и Y выбраны из группы, состоящей из атома водорода или полярной органической функциональной группы, и в котором добавку вводят в виде раствора в полярном растворителе в грануляты мочевины, которые затем высушивают. Полярный растворитель предпочтительно представляет собой воду. Водный раствор карбоновой кислоты имеет концентрацию 0,5 - 60 мас.%, предпочтительно 5-30 мас.%, температура мочевины в процессе добавления водного раствора карбоновой кислоты равна 30-90°С, предпочтительно 40-70°С. 3 н. и 10 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к способу улучшения свойств гранулятов мочевины, особенно касающихся тенденции к слеживанию, образования пыли и характеристик пенообразования в водной среде, путем введения добавок к мочевине.
Мочевина широко используется во многих направлениях, таких как производство удобрений, ингредиент для корма рогатого скота и производство клея и меламина. Гранулы мочевины производят главным образом либо отверждением разбрызгиваемого расплава мочевины, либо способом грануляции. Прежде чем достигнуть целевого применения, гранулы мочевины часто претерпевают долгий срок хранения и межконтинентальную перевозку. Поэтому мочевина должна быть неломкой и неслеживающейся. Для получения прочных гранулятов часто к расплаву мочевины добавляют производное формальдегида, такое как мочевино-формальдегидную смолу.
Мочевинные образцы чувствительны к комкованию из-за хранения под давлением, миграции влаги и высоких температур. Для устранения данного явления могут быть применены покрытия на основе поливинилацетата и поверхностно-активных соединений, таких как описанные в патенте США 4812158. Данные покрытия, однако, обладают недостаточной активностью против слеживания после обработки гранул мочевины особенно во влажных и теплых условиях. Данные добавки против слеживания содержат поверхностно-активные соединения, которые ускоряют образование дуста мочевины в условиях влажности. Повышенное количество мелких частиц будет увеличивать слеживание мочевины и может вызывать серьезные пылевые проблемы при перевозке/переработке. Кроме того, присутствие поверхностно-активных компонентов может привести к повышению пенообразования при применении мочевины в водной среде, обычно используемой в производстве клея и растворах мочевина-нитрат аммония.
Ввиду того, что до сих пор существуют проблемы в производстве гранулятов мочевины, имеется потребность в химическом продукте, который может быть использован как добавка к мочевине для снижения тенденции к слеживанию и образованию пыли из гранул. Данное соединение должно добавляться в небольшом количестве на поверхность гранул, быть недорогим, с хорошей эффективностью, быть непенообразующим и безопасным для окружающей среды.
Поэтому предметом настоящего изобретения является такое соединение. Задача изобретения решается согласно преамбуле при помощи способа, в котором добавка содержит соединение карбоновой кислоты общей формулы XY-(Z)-COOH, в которой Z означает насыщенный или ненасыщенный углеводород с 1-25 атомами углерода и Х и Y выбраны из группы, состоящей из атома водорода или полярной органической функциональной группы, и в котором добавку вводят в виде водного раствора в грануляты мочевины, которые затем высушивают.
Предпочтительно полярная органическая функциональная группа выбрана из группы, состоящей из карбоксильной группы, гидроксильной группы, аминогруппы или ацетальной группы.
Установлено, что из данных полярных функциональных групп гидроксильные группы и карбоксильные группы обеспечивают наилучшие характеристики в направлении предотвращения слеживания. Дополнительно оказалось, что образование пыли у обработанных гранулятов мочевины было заметно снижено. Кроме того, было показано, что производные карбоновой кислоты не вызывают никакого пенообразования при применении мочевины с покрытием в производстве клея.
Самые хорошие результаты с соединением по изобретению получены, когда Х представляет собой атом водорода или гидроксильную группу, и Y представляет собой карбоксильную группу.
Соединение карбоновой кислоты по данному изобретению применяется к гранулятам мочевины в полярном растворителе, предпочтительно в воде. Концентрация данного соединения в данном растворе должна составлять 0,5-60 мас.%, предпочтительно 5-30 мас.%. В данной концентрации соединение полностью растворимо и служит гарантией того, что на поверхности мочевины происходит основная рекристаллизация.
Достаточное покрытие гранул мочевины соединением по данному изобретению может быть получено путем использования количества соединения карбоновой кислоты, равного 100-10000 ч./млн, предпочтительно 500-3000 ч./млн по отношению к массе гранул мочевины.
Применение водного раствора к гранулам мочевины осуществляется при температуре данных гранул от 30 до 90°C, предпочтительно при 40-70°C.
Изобретение также относится к соединению карбоновой кислоты, предназначенному для применения в способе по данному изобретению, при этом соединение отличается тем, что оно имеет общую формулу XY-Z-COOH, в которой Z означает насыщенный или ненасыщенный углеводород с 1-25 атомами углерода и Х и Y выбраны из группы, состоящей из атома водорода или полярной органической функциональной группы.
Для демонстрации преимущества способа и соединения по данному изобретению был проведен ряд опытов.
Добавки поставлены фирмой Sigma-Aldrich. Данные соединения растворяли в воде с концентрацией 20% (мас./мас.), если не оговорено особо. Используемые гранулы мочевины изнутри обработаны мочевино-формальдегидной смолой и поставлены фирмой Hydro Agri Sluiskil B.V., Нидерланды.
Перед нанесением покрытия мочевину (1,0 килограмм на образец) хранили в герметичных пластиковых емкостях в термостате при 50°C в течение 16 часов. Обработку проводили следующим образом. Мочевину помещают во вращающийся барабан для нанесения покрытия, который имеет температуру приблизительно 50°C. Затем на удобрение разбрызгивают покрытие в количестве 0-5000 ч./млн с последующим вращением барабана в течение дополнительных 5 минут. Обработанное удобрение переносят в пластиковый сосуд. После закрывания сосуда мочевине позволяют охладиться ниже комнатной температуры в продолжение 24 часов.
Пример 1
Для повышения слеживания мочевины гранулам предоставляли возможность поглотить до 0,5% воды при хранении их в климатической камере (температура = 20°C, относительная влажность = 80%). Тенденцию к комкованию, а также сжимаемость гранул мочевины оценивали наполнением прозрачной круглой трубки с внутренним диаметром 3 см с помощью 40 граммов "влажной" мочевины. В трубку вводили плунжер, с помощью которого на образец оказывали давление примерно в 600 кПа. Сразу после применения избыточного давления и снова через 24 часа измеряли массу мочевинной колонки. Из данных двух величин (Δ высоты (%)) вычисляли относительную разницу в высоте, которая представляет собой меру сжимаемости. Тенденцию к комкованию гранул мочевины определяли измерением силы (N) разрушения слежавшегося образца, образовавшегося в прозрачной круглой трубке. Результаты представляют собой средние значения из, по меньшей мере, пяти измерений.
Следующие добавки были испытаны в виде 20% растворов в воде при применении в дозе 1500 мг на килограмм мочевины.
| Добавка | Сжимаемость(Δ высоты (%)) | Тенденция к комкованию (N) |
| Контроль (без добавки) | 5 | 4,9 |
| Поливинилацетат: алкилсульфат = 1:21 | 5 | 5,7 |
| Лимонная кислота | 3 | 3,4 |
| Молочная кислота | 4 | 4,7 |
| Малеиновая кислота | 3 | 3,6 |
| Яблочная кислота | 4 | 2,8 |
| Малоновая кислота | 3 | 2,6 |
| Янтарная кислота2 | 3 | 2,0 |
| Винная кислота | 3 | 2,9 |
| K-Na тартрат | 5 | 5,6 |
| Глюконовая кислота | 4 | 3,3 |
| Глюкоза | 4 | 5,6 |
| Пектиновая кислота3 | 4 | 4,4 |
| 4-Аминомасляная кислота | 4 | 4,9 |
| Глицин | 4 | 4,3 |
| Галловая кислота3 | 3 | 3,0 |
| 1 смесь, раскрытую в патенте США 4812158, использовали как препарат, состоящий из 67% (мас./мас.) воды, 11% (мас./мас.) поливинилацетата и 22% (мас./мас.) алкилсульфата; 2 раствор нагревали до 50°C перед обработкой мочевины; 3 применяли как 10% суспензию при 80°C в дозе 3000 ч/млн. |
Данный опыт четко показывает, что тенденция к слеживанию гранул мочевины может быть снижена вплоть до 60% при обработке мочевины соединением карбоновой кислоты, замещенным полярной группой. Смесь по патенту США 4812158 повышала комкование. Подобные результаты получены для карбоксилат-содержащей добавки, а именно для K-Na тартрата. Оказалось, что снижение тенденции к слеживанию гранул мочевины проявляется наиболее сильно при использовании дикарбоновых кислот. Сжимаемость всей обработанной мочевины мало сравнима с другими типами мочевины. Однако во всех случаях обработка гранул мочевины карбоновыми кислотами снижает сжимаемость мочевины. Так как жесткость мочевины будет повышаться, то мочевина будет менее подвержена слеживанию.
Пример 2
Влияние дозировки добавки на гранулы мочевины исследовали с использованием 20% (мас./мас.) раствора янтарной кислоты в воде. Раствор нагревали до 50°C перед обработкой мочевины.
| Дозировка (ч./млн) | Сжимаемость(Δ высоты (%)) | Тенденция к комкованию (N) |
| Контроль | 5 | 4,9 |
| 250 | 4 | 3,3 |
| 500 | 3 | 2,6 |
| 750 | 3 | 2,3 |
| 1000 | 3 | 2,1 |
| 1500 | 3 | 2,0 |
| 3000 | 3 | 1,7 |
| 5000 | 3 | 2,7 |
Опыты показывают, что оптимальная дозировка для поверхностной обработки гранулятов мочевины с помощью добавки по данному новому изобретению составляет от 500 до 3000 ч./млн относительно массы мочевины.
Пример 3
Уровень пыли в обработанных гранулах мочевины был исследован следующим образом. После покрытия образцов по примеру 1 (1500 ч./млн добавки относительно массы мочевины) 250 граммов данных обработанных гранул мочевины хранили при 40°C в течение четырех недель. Затем 50 граммов (точно взвешенных) мочевины переносили в 500 мл трехгорлую круглодонную колбу. Колбу снабжали стеклянной колонкой и газовым капилляром, соединенным с цилиндром со сжатым воздухом. Конец газового капилляра помещают в мочевину. В течение 15 минут через мочевину продувают воздух (избыточное давление 2 бара), что приводит к образованию псевдоожиженной системы. Массу оставшейся мочевины определяли на аналитических весах. Потеря массы представляет собой показатель количества свободной пыли. Мочевину обратно переносили в трехгорлую колбу. Через мочевину в течение 1 минуты продувают сжатый воздух, что приводит к образованию абразивной пыли. Оставшуюся мочевину взвешивали на аналитических весах. Вторая потеря массы представляет собой показатель абразивной пыли. Определения выполняли в двукратном повторе.
| Добавка | Свободная пыль (ч./млн) | Абразивная пыль (ч./млн) | Общая пыль (ч./млн) |
| Контроль (без добавки) | 56 | 80 | 136 |
| Поливинилацетат: алкилсульфат = 1:21 | 84 | 116 | 200 |
| Лимонная кислота | 49 | 63 | 112 |
| Молочная кислота | 43 | 77 | 120 |
| Малеиновая кислота | 40 | 74 | 114 |
| Яблочная кислота | 25 | 46 | 71 |
| Малоновая кислота | 29 | 56 | 85 |
| Янтарная кислота2 | 30 | 62 | 92 |
| Винная кислота | 36 | 29 | 65 |
| K-Na тартрат | 34 | 41 | 75 |
| Глюконовая кислота | 22 | 36 | 58 |
| Глюкоза | 50 | 59 | 109 |
| Пектиновая кислота3 | 52 | 52 | 104 |
| 4-Аминомасляная кислота | 34 | 65 | 99 |
| Глицин | 34 | 51 | 85 |
| Галловая кислота3 | 44 | 62 | 106 |
| 1 смесь, раскрытую в патенте США 4812158, использовали как препарат, состоящий из 67% (мас./мас.) воды, 11% (мас./мас.) поливинилацетата и 22% (мас./мас.) алкилсульфата; 2 раствор нагревали до 50°C перед обработкой мочевины; 3 применяли как 10% суспензию при 80°С в дозе 3000 ч./млн. |
Было показано, что образование пыли может быть в основном подавлено путем обработки мочевины соединениями, содержащими карбоновую кислоту.
Пример 4
Пенообразующее свойство мочевины с покрытием изучали проведением небольшого опыта по производству древесного клея. Для данной цели 40 граммов мочевины переносили в 2-литровый стеклянный химический стакан. Мочевину растворяли в смеси 50 мл деминерализованной воды и 45 мл формальдегида (37%). Смесь перемешивали магнитной мешалкой при постоянной скорости (375 об/мин) и нагревали до 90°C. В момент достижения 90°C немедленно добавляли 1 мл ледяной уксусной кислоты, при этом происходило сильное вспенивание. Достигнутый самый высокий уровень пены отмечали на стакане. Соответствующий объем представляет собой показатель пенообразования: чем меньше объем, тем меньше тенденция к пенообразованию. Результаты представляют собой средние значения из, по меньшей мере, двух измерений.
Следующие добавки были испытаны в виде 20% растворов в воде при применении в дозе 1500 ч./млн относительно массы мочевины.
| Добавка | Количество пены (мл) |
| Контроль (без добавки) | 180 |
| Поливинилацетат: алкилсульфат = 1:21 | 650 |
| Лимонная кислота | 190 |
| Молочная кислота | 200 |
| Малеиновая кислота | 180 |
| Яблочная кислота | 200 |
| Малоновая кислота | 190 |
| Янтарная кислота | 170 |
| Винная кислота | 210 |
| K-Na тартрат | 280 |
| Глюконовая кислота | 180 |
| Глюкоза | 210 |
| Пектиновая кислота | 190 |
| 4-Аминомасляная кислота | 240 |
| Глицин | 230 |
| Галловая кислота | 200 |
| 1 смесь, раскрытую в патенте США 4812158, использовали как препарат, состоящий из 67% (мас./мас.) воды, 11% (мас./мас.) поливинилацетата и 22% (мас./мас.) алкилсульфата. |
Небольшой опыт по производству древесного клея показал, что добавки по данному изобретению в сравнении с контрольным продуктом не вызывают дополнительного пенообразования, когда применяется обработанная мочевина в водной среде. Это ожидалось, потому что соединения сами по себе не обладают поверхностно-активными свойствами.
Пример 5
Для оценки эксплуатационных характеристик покрытий гранул мочевины, содержащих карбоновую кислоту, гранулы мочевины, свободные от формальдегида, обрабатывали отобранными добавками. Затем мочевине предоставляли возможность поглотить до 0,2% воды путем хранения в климатической камере. Тенденция к комкованию, а также сжимаемость гранул была исследована, как описано в примере 1.
Следующие добавки были испытаны в виде 20% растворов в воде при применении в дозе 500 мг на килограмм мочевины.
| Добавка | Сжимаемость(Δ высоты (%)) | Тенденция к комкованию (N) |
| Контроль (без добавки) | 4 | 2,9 |
| Поливинилацетат: алкилсульфат = 1:21 | 2 | 0,7 |
| Яблочная кислота | 2 | 0,9 |
| Малоновая кислота | 2 | 1,2 |
| Янтарная кислота2 | 1 | 0,7 |
| Винная кислота | 2 | 1,3 |
| 1 смесь, раскрытую в патенте США 4812158, использовали как препарат, состоящий из 67% (мас./мас.) воды, 11% (мас./мас.) поливинилацетата и 22% (мас./мас.) алкилсульфата; 2 раствор нагревали до 50°C перед обработкой гранул мочевины. |
Опыт показывает, что комкование гранул мочевины может быть значительно снижено путем использования покрывающих добавок по данному изобретению.
1. Способ улучшения свойств гранулятов мочевины, особенно тенденции к слеживанию, образования пыли и характеристик пенообразования в водной среде, путем введения добавки к мочевине, отличающийся тем, что добавка содержит соединение карбоновой кислоты общей формулы XY-(Z)-COOH, в которой Z означает насыщенный или ненасыщенный углеводород с 1-25 атомами углерода и X и Y выбраны из группы, состоящей из атома водорода или полярной органической функциональной группы, и добавку вводят в виде раствора в полярном растворителе в грануляты мочевины, которые затем высушивают, причем концентрация соединения карбоновой кислоты относительно массы мочевины составляет 100-10000 ч./млн, предпочтительно 500-3000 ч./млн.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что полярный растворитель представляет собой воду.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что Z содержит 2-5 атомов углерода.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что полярная органическая функциональная группа выбрана из группы, состоящей из карбоксильной группы, гидроксильной группы, аминогруппы или ацетальной группы.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что X представляет собой атом водорода или гидроксильную группу, и Y представляет собой карбоксильную группу.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что водный раствор имеет концентрацию соединения карбоновой кислоты, равную 0,5 - 60 мас.%.
7. Способ по п.6, отличающийся тем, что данная концентрация равна 5-30 мас.%.
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что в течение добавления водного раствора температура мочевины равна 30-90°С, предпочтительно 40-70°С.
9. Соединение карбоновой кислоты для использования в способе по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что данное соединение имеет общую формулу XY-Z-COOH, в которой Z означает насыщенный или ненасыщенный углеводород с 1-25 атомами углерода и X и Y выбраны из группы, состоящей из атома водорода или полярной органической функциональной группы.
10. Соединение по п.9, отличающееся тем, что Z содержит 2-5 атомов углерода.
11. Соединение по п.9 или 10, отличающееся тем, что полярная органическая функциональная группа выбрана из группы, состоящей из карбоксильной группы, гидроксильной группы, аминогруппы или ацетальной группы.
12. Соединение по п.10, отличающееся тем, что X представляет собой атом водорода или гидроксильную группу, и Y представляет собой карбоксильную группу.
13. Применение соединения по пп.9-12 в качестве добавки к мочевине.
