Способ переработки углекарбонатного минерального сырья
Владельцы патента RU 2367604:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Дальневосточный государственный технический университет (ДВПИ им. В.В. Куйбышева) (RU)
Изобретение относится к способам переработки углекарбонатного минерального сырья и может быть использовано при его глубокой переработке с получением карбида кальция и/или ацетилена. Способ включает обжиг известняка в реакторе с получением окиси кальция при использовании для обжига тепла, получаемого сжиганием части объема ацетилена, получаемого из части объема карбида кальция как одного из продуктов процесса переработки, наряду с едким кальцием и угольной кислотой. Часть полученного ацетилена используют для синтеза ацетона. В процессе синтеза ацетона ацетилен вводят в реакцию с парами воды, причем, по меньшей мере, часть водорода, получаемого при этом, используют для синтеза аммиака и/или сжигают в процессе обжига. Часть диоксида углерода, получаемого при синтезе ацетона, вводят в реакцию с аммиаком с получением карбамида и/или используют в процессе получения угольной кислоты, реализуемого с использованием газообразных отходов процесса обжига известняка. При этом ацетон синтезируют в присутствии Fe и/или In в качестве катализатора при температуре до 460°С. Кроме того, воду, полученную при синтезе карбамида, используют для производства водяного пара. Способ позволяет расширить спектр получаемых товарных продуктов глубокой переработки ацетилена, обладающих высоким коммерческим потенциалом (ацетона, аммиака и карбамида), при обеспечении высокого уровня диверсификации производства и исключении появления техногенных отходов. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к способам переработки углекарбонатного минерального сырья и может быть использовано при его глубокой переработке с получением карбида кальция и/или ацетилена.
Известен способ переработки углекарбонатного минерального сырья, включающий обжиг известняка в реакторе с подачей в него и сжиганием высокотемпературного энергоносителя (см. а.с. СССР №1449553, кл. С04В 2/02, 1989).
Однако в этом техническом решении невелик спектр получаемых товарных продуктов (только известь), низка экологичность производственного процесса, кроме того, осложнен процесс обеспечения производства высокотемпературным энергоносителем.
Известен также способ переработки углекарбонатного минерального сырья, включающий обжиг известняка в реакторе с получением окиси кальция, при использовании для обжига тепла, получаемого сжиганием части объема ацетилена, получаемого из части объема карбида кальция как одного из продуктов процесса переработки, наряду с едким кальцием и угольной кислотой (RU 2256611, С01В 31/32, С04В 2/02, C01F 11/06, С07С 11/24, 2005).
Однако в этом техническом решении также невелика глубина переработки исходного материала, в результате чего спектр получаемых товарных продуктов расширен за счет простейших материалов, не имеющих повышенного спроса на рынке.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является расширение спектра получаемых товарных продуктов и исключение загрязнения окружающей среды отходами производства.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в расширении спектра получаемых товарных продуктов глубокой переработки ацетилена, обладающих высоким коммерческим потенциалом (ацетона, аммиака и карбамида), при обеспечении высокого уровня диверсификации производства и исключении появления техногенных отходов.
Поставленная задача решается тем, что способ переработки углекарбонатного минерального сырья, включающий обжиг известняка в реакторе с получением окиси кальция, при использовании для обжига тепла, получаемого сжиганием части объема ацетилена, получаемого из части объема карбида кальция как одного из продуктов процесса переработки, наряду с едким кальцием и угольной кислотой, отличается тем, что, по крайней мере, часть полученного ацетилена используют для синтеза ацетона, при этом в процессе синтеза ацетона ацетилен вводят в реакцию с парами воды, причем, по меньшей мере, часть водорода, получаемого при этом, используют для синтеза аммиака и/или сжигают в процессе обжига, при этом, по меньшей мере, часть диоксида углерода, получаемого при синтезе ацетона, вводят в реакцию с аммиаком с получением карбамида и/или используют в процессе получения угольной кислоты, реализуемого с использованием газообразных отходов процесса обжига известняка. Кроме того, ацетон синтезируют в присутствии Fe и/или In в качестве катализатора при температуре до 460°С. Кроме того, воду, полученную при синтезе карбамида, используют для производства водяного пара.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".
Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач:
Признаки «…по крайней мере, часть полученного ацетилена используют для синтеза ацетона…» обеспечивают возможность расширения спектра получаемых товарных продуктов глубокой переработки ацетилена, обладающих высоким коммерческим потенциалом таких, как аммиак и карбамид, при этом обеспечивается высокий уровень диверсификации производства.
Признаки «…в процессе синтеза ацетона, ацетилен вводят в реакцию с парами воды…» обеспечивают возможность получения ацетона.
Признаки «…по меньшей мере часть водорода, получаемого при этом, используют для синтеза аммиака и/или сжигают в процессе обжига…» обеспечивают возможность утилизации одного газообразного отхода производства ацетона.
Признаки «…по меньшей мере, часть диоксида углерода, получаемого при синтезе ацетона, вводят в реакцию с аммиаком с получением карбамида и/или используют в процессе получения угольной кислоты, реализуемого с использованием газообразных отходов процесса обжига известняка…» обеспечивают возможность утилизации второго газообразного отхода производства ацетона.
Признаки второго пункта формулы конкретизируют процесс синтеза ацетона.
Признаки третьего пункта формулы обеспечивают утилизацию отходов процесса синтеза карбамида.
Изобретение поясняется чертежом, на котором показана схема реализации способа.
Для реализации способа используется технологическая схема, включающая реакторы 1-4, первый газоотборный блок 5, дозаторы 6 и 7, второй газоотборный блок 8, первый и второй газораспределительные узлы 9 и 10, водоподающий узел 11, загрузочный узел 12, углезагрузочный узел 13, продуктопроводы 14, газопроводы 15, водопровод 16, паропровод 17, дополнительные реакторы 18-20, источник азота 21, парогенератор 22, катализационные узлы 23-24 и 30, третий и четвертый газоотборные блоки 25 и 26, третий, четвертый и пятый газораспределительные узлы 27, 28 и 29.
В качестве первого реактора 1 служит печь для обжига известняка известной конструкции, снабженная загрузочным узлом 12, обеспечивающим подачу известняка. Первый реактор 1 связан газопроводом 15 с первым газоотборным блоком 5 (в качестве которого используются известные комплекты газоочистного оборудования, обеспечивающие отбор CO2) и продуктопроводом 14, например, выполненным в виде направляющего желоба с дозатором 6, обеспечивающим отбор из потока извести (CaO), получаемой при обжиге известняка части, предназначенной для передачи потребителю, понятно, что если такое не предусмотрено, этот узел используется только в качестве питателя второго реактора 2.
В качестве второго реактора 2 служит печь для производства карбида кальция, снабженная углезагрузочным узлом 13 известной конструкции и газоотборным блоком 8 (в качестве которого используются известные комплекты газоочистного оборудования, обеспечивающие отбор CO). Если на этом этапе производства предусмотрено использование ацетилена как высокотемпературного энергоносителя, то печь для производства карбида кальция должна иметь соответствующие теплообменные элементы (на чертежах не показаны), обеспечивающие утилизацию тепла, получаемого при сжигании ацетилена и его передачу материалам-реагентам (C и CaO).
Газоотборные блоки 5 и 8 посредством газопроводов 15 связаны с третьим реактором 3, подключенным также к водоподающему узлу 11 (выполненному в виде емкости с водой, снабженной насосным и дозирующим и контрольно-измерительным оборудованием известной конструкции, обеспечивающим по водопроводу 16 подачу воды в реактор 3 для синтеза H2CO3 и к парогенератору 22). Выход третьего реактора 3 через продуктовод 14 связан с хранилищем углекислоты (на чертежах не показано), конструкция которого определяется формой поставки углекислоты потребителю, т.е. сжиженная или «сухой лед» и не отличается от известных конструкций.
Выход реактора 2 посредством продуктопровода 14, например, выполненного в виде направляющего желоба, связан с дозатором 7, обеспечивающим отбор из потока карбида кальция, получаемого в реакторе, части продукции, предназначенной для передачи потребителю, понятно, что если такое не предусмотрено, этот узел используется только в качестве питателя четвертого реактора 4.
В качестве четвертого реактора 4 используют газогенератор, предназначенный для выработки ацетилена из карбида кальция. Реактор 4 связан с водоподающим узлом 11, а его «газовый» выход через первый газораспределительный узел 9 связан, либо с газгольдером (на чертежах не показан - предназначен для хранения ацетилена перед отправкой его потребителю), либо вторым газораспределительным узлом 10, регулирующим подачу ацетилена и водорода (если предусмотрено его использование в качестве энергоносителя) в реакторы 1 и 2 (конструктивно первый - четвертый газораспределительные узлы аналогичны известным газораспределительным устройствам и выбираются с учетом соответствия их рабочих параметров расходу соответствующего газа и сечению газопроводов 15). Второй выход реактора 4 посредством соответствующего продуктопровода 14 связан с хранилищем гашеной извести (на чертежах не показано).
Реактор 18 является реактором известной конструкции, выполненным с возможностью синтеза ацетона. Реактор содержит катализационный узел 23, содержащий Fe или In, в качестве катализатора реакции ацетилена с парами воды, снабжен известными средствами подвода тепла и рассчитан на температуры не менее 500°С, при этом первый газовый вход реактора 18 связан с соответствующим выходом первого газораспределительного узла 9 через газопровод 15, а его второй газовый вход связан паропроводом 17 с парогенератором 22. Выход реактора 18 связан с хранилищем ацетона (на чертежах не показано), конструкция которого известна и определяется свойствами хранимого продукта. Его первый газовый выход (по CO2) через третий газоотборный блок 25 связан со входом третьего газораспределительного узла 27, один выход которого связан со вторым входом первого газоотборного блока 5, а второй выход связан с первым входом реактора синтеза карбамида 20. При этом газовый выход по Н2 реактора синтеза ацетона через четвертый газоотборный блок 26 связан со входом четвертого газового распределителя 28, один выход которого связан со вторым входом второго газоотборного блока 10, а второй выход связан с первым входом реактора синтеза аммиака 19.
Реактор 19 является реактором известной конструкции, выполненным с возможностью синтеза аммиака при высоких (до 1000 атм давлениях). Реактор снабжен известными средствами подвода тепла (например, обеспечивающими утилизацию тепла, получаемого от сжигания части объема ацетилена), при этом второй вход реактора 19 связан с источником азота 21. Выход реактора 19 через пятый газораспределительный узел 29 связан с хранилищем аммиака (на чертежах не показано, конструкция которого известна и определяется свойствами хранимого продукта) и входом реактора 20. Реактор содержит катализационный узел 24, содержащий катализатор реакции синтеза аммиака.
Реактор 20 является реактором известной конструкции, выполненным с возможностью синтеза карбамида. Реактор содержит катализационный узел 30, содержащий катализатор реакции синтеза карбамида, снабжен известными средствами подвода тепла (например, обеспечивающими утилизацию тепла, получаемого от сжигания части объема ацетилена), при этом вход реактора 20 через пятый газораспределительный узел 29 связан с соответствующим выходом реактора 19, кроме того, реактор 20 через третий газораспределительный узел 27 связан с источником диоксида углерода (первым 5 и третьим 25 газоотборными блоками). Выход реактора 20 связан с хранилищем карбамида (на чертежах не показано), конструкция которого известна и определяется свойствами хранимого продукта. Дополнительный выход реактора (по воде) связан с источником воды 12.
Конструкция остальных аппаратов и устройств, используемых при реализации способа, не отличается от аппаратов и устройств, предназначенных для решения сходных функциональных задач.
Заявленный способ реализуется следующим образом.
Известняк вводят в реактор 1 и производят его обжиг, сжигая ацетилен. В процессе обжига известняк разлагается на известь и диоксид углерода по формуле
Готовая известь (CaO) удаляется продуктопроводом 14 к дозатору 6, обеспечивающему отбор из общего объема части извести, предназначенной для передачи потребителю, и части, предназначенной для дальнейшей переработки. Часть извести, предназначенная для дальнейшей переработки, подается во второй реактор 2, где в присутствии углерода (в виде кокса или каменного угля, крупностью 20-25 мм и содержанием серы менее 1%) перерабатывается в карбид кальция. Процессе производства карбида кальция «идет» по формуле
Готовый карбид кальция (CaC2) удаляется продуктопроводом 14 к дозатору 7, обеспечивающему отбор из общего объема продукции части карбида кальция, предназначенной для передачи потребителю, и части, предназначенной для дальнейшей переработки. Часть карбида кальция, предназначенная для дальнейшей переработки, подается в четвертый реактор 4, где вводится в контакт с водой и перерабатывается в ацетилен. Процессе производства ацетилена «идет» по формуле
Гашеная известь (Ca(OH)2) передается потребителю для использования по назначению. Готовый ацетилен (C2H2) удаляется по газопроводу 15 и через газораспределительный узел 9 подается либо потребителю, либо только в первый реактор 1, либо и в первый и второй реактор 2, либо используется для синтеза ацетона с подачей ацетилена посредством газопровода 15, связывающего газораспределительный узел 9 с реактором 18.
При этом синтез ацетона осуществляется по известной схеме, при температуре около 460°С. Ацетон передают потребителю, а газообразные
продукты - отходы процесса утилизируются на месте (водород - используют в процессе синтеза аммиака, а СО2 используют в производстве углекислоты и/или в производстве карбамида - на основе синтезированного аммиака). Конечно, возможно и сжигание водорода, т.е. использование в качестве энергоносителя в процессе обжига или синтеза ацетона, но это не самый целесообразный способ его использования.
При этом синтез аммиака осуществляется по известной схеме, в
3H2+N2=2NН3+Q
в присутствии известного катализатора, при высоком давлении и температуре. Готовый аммиак передают потребителю и/или используют в производстве карбамида, для чего отбирают часть синтезированного газа и передают в реактор 20. При этом синтез карбамида осуществляется по известной схеме
CO2+2NH3=CO(NH2)2+Н2О
Карбамид передают потребителю, а воду, получаемую в процессе синтеза карбамида, по трубопроводу 16 передают в парогенератор 22 и используют в производстве водяного пара.
Таким образом, в качестве основных продуктов переработки углекарбонатного минерального сырья получают карбид кальция, и/или окись кальция, и/или ацетилен, и/или аммиак, и/или карбамид, а в качестве дополнительных продуктов, получают, углекислоту и гашеную известь. При этом при наличии потребителей и соответствующих дополнительных компонентов диапазон основных продуктов переработки углекарбонатного минерального сырья может варьироваться.
Режимные параметры реализации способа на всех его этапах не отличаются от известных.
1. Способ переработки углекарбонатного минерального сырья, включающий обжиг известняка в реакторе с получением окиси кальция при использовании для обжига тепла, получаемого сжиганием части объема ацетилена, получаемого из части объема карбида кальция, как одного из продуктов процесса переработки, наряду с едким кальцием и угольной кислотой, отличающийся тем, что, по крайней мере, часть полученного ацетилена используют для синтеза ацетона, при этом в процессе синтеза ацетона ацетилен вводят в реакцию с парами воды, причем, по меньшей мере, часть водорода, получаемого при этом, используют для синтеза аммиака и/или сжигают в процессе обжига, при этом, по меньшей мере, часть диоксида углерода, получаемого при синтезе ацетона, вводят в реакцию с аммиаком с получением карбамида и/или используют в процессе получения угольной кислоты, реализуемого с использованием газообразных отходов процесса обжига известняка.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ацетон синтезируют в присутствии Fe и/или In в качестве катализатора при температуре до 460°С.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что воду, полученную при синтезе карбамида, используют для производства водяного пара.
