CN1033573C - 纯化羟铵盐溶液的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及羟铵盐溶液的制备和纯化方法，其中羟铵盐溶液通过过滤从含固体催化剂粒子的水性反应混合物中分离，所用过滤技术是交叉流过滤技术，过滤介体的孔径是0.01-10μm以及催化剂粒子的平均粒度是0.1-25μm。

Description

纯化羟铵盐溶液的方法
本发明涉及羟铵盐溶液的制备和纯化方法，其中羟铵盐溶液通过过滤从含固体催化剂粒子的水性反应混合物中分离。
正如人们所知，羟铵盐的重要用途是从酮或醛制备肟，特别是由环己酮制备环己酮肟。就该肟的制备而言，循环法是公知的，其中酸缓冲反应介质经羟铵盐合成区和肟合成区保持循环。该反应介质为用例如磷酸和/或硫酸氢盐酸缓冲并且该缓冲盐衍生自这些酸。在羟铵盐合成区中，硝酸根离子或氧化氮被用氢转化成羟胺。该羟胺与游离的缓冲酸反应生成相应的羟铵盐，然后，该羟铵盐被输送至肟合成区，在该区羟铵盐与酮反应生成相应的肟，同时释放出酸。将肟从反应介质中分出后，反应介质回到羟铵盐合成区，随后将新鲜的硝酸根离子或氧化氮加到反应介质中。
若羟铵盐合成从磷酸和硝酸盐溶液开始，则上述化学反应可表示如下：1)羟铵盐的制备：
2)肟的制备：
Figure C9310792300031
3)除去生成的肟后，加入HNO3以补偿硝酸根离子的消耗：
该反应被多相催化。用于制备羟铵盐的催化剂大多数含有铂族金属，如Pd或Pd+Pt作为活性成分附在载体物质如碳上。此外可以加入微量的其它成分作为活化剂，这些成分可以是Cu、Ag、Cd、Hg、Ga、In、Tl、Ge、Sn、Pb、As、Sb和Bi。
人们知道，关于由硝酸盐到羟铵盐的反应，用Pd+Pt/C催化剂可以达到高活性和合理的选择性。在羟铵盐合成中用Pd/C催化剂可达到较高的选择性，但相比之下用该催化剂取得的活性较低。因此多数情况下优选Pd+Pt/C催化剂。催化剂的平均粒度在10-50μm之间。“平均粒度”一词的含义是50体积％的颗粒大于给定的直径。
羟铵盐的制备可以在NL-A-6908934所述的装置中进行。在上述专利中所述的具体实施方案中，将离开羟铵盐合成区的反应混合物过滤，分出溶解的羟铵盐部分并将含有催化剂的剩余溶液送回到羟铵盐合成区。在通常的过滤步骤中催化剂层(滤饼)将沉积在滤器材料上，即使这样的滤器可发挥有效的作用，也需要形成滤饼。然而滤饼一定不能太厚，否则滤液通量被限制太多并且在无氢时在滤饼中可产生所需产物的沉淀，因此，需要经常去除滤饼。在连续操作过程中，例如用回洗法除去滤饼则繁复且令人烦扰。
除上述的过滤问题外，还需要提高用催化剂实现的活性和选择性。
本发明的目的是提供提高了反应活性和选择性的方法，借此将硝酸盐或氧化氮分别转化成羟铵盐；并提供改进的过滤方法。
该目的由于应用了过滤介体的孔径在0.01和10μm之间的交叉流过滤技术以及由于催化剂粒子的平均粒度为0.1-25μm而得以实现。
在应用本发明方法时，或者可以使用较小的催化剂粒子，或者可以使用相对大的催化剂粒子和较高的催化剂浓度，而过滤可以用简单的方法完成。
交叉流过滤为待纯化溶液沿过滤介体平行流过的技术。由于通过待纯化溶液的流动而将固体颗粒从过滤介体上清除，所以滤液通过过滤介体时，不产生或几乎不产生滤饼。由于不形成滤饼，因而避免了所述的通常过滤的弊病。
相当于本发明方法的该过滤技术被称为“交叉流微量过滤技术”。
在专利公开GB1134963中描述了用交叉流过滤从含催化剂粒子的水性溶液中分离羟铵盐溶液的方法。然而该专利公开描述的是孔径为90μm的过滤介体，该介体用于过滤每克反应混合物0.005克催化剂粒子的相对稀的混合物。因此，该过滤介体不太适于本方法，而在本方法中所用催化剂粒子小于25μm而且所用催化剂浓度通常较大。尤其是在GB1134963方法开始以及在通常的回洗过程中进入滤液的催化剂粒子比在本发明方法中要多。令人惊讶的是，按照本发明的过滤的过滤能力比GB1134963的实施例的通量高，而所用压降几乎相同；与GB1134963方法相比较，催化剂粒度小、浓度高。
EP-A-52719描述了当用聚丙烯滤器和聚砜滤器时过滤含Pd催化剂和Pd/炭催化剂的反应混合物的交叉流过滤方法，没有提到催化剂的粒度。在该实施例中须或者在过滤期间降低通量或者提高反冲的频率(每1.5分钟)以克服该问题。
按照本发明，过滤介体的孔径大于0.01μm，大于0.05μm为佳，大于0.1μm更好。该孔径小于10μm，小于5μm为佳，小于3μm更好。
催化剂浓度一般在每克反应混合物0.001-0.1克催化剂之间。用高浓度催化剂有利，这是因为高催化剂浓度可以增加反应剂的能力或者使得能在较低的反应温度下仍维持反应剂的能力。由于反应的选择性在低温时增强，因此较低的反应温度有利。该温度通常比用相对低的催化剂浓度(＜0.02克/克)时所用的温度低5-10℃。通过应用本发明的交叉流过滤技术使应用较高的催化剂浓度成为可能。若将这样高的浓度用在常规过滤技术中，在过滤过程中会出现问题。按照本发明，催化剂的浓度大于每克反应混合物0.005克催化剂为佳，大于0.02克/克更好。
在本发明的第一个实施方案中使用相对小的催化剂粒子，其平均粒度大于1μm，最好是大于5μm。催化剂粒子小于15μm，最好小于10μm。使用这些小的催化剂粒子似乎会增加催化剂诱导的硝酸盐或氧化氮分别生成羟铵盐的反应的活性和选择性。
在本发明的第二个实施方案中使用相对大的催化剂粒子，其平均粒度小于25μm且通常大于15μm。这种大小的催化剂粒子已知可用于按照本发明的方法(见NL-A-7902291)。通过使用本发明方法可以用相对高的催化剂浓度制备羟铵盐而不会出现过滤问题，所述催化剂浓度为大于每克反应混合物0.02克催化剂。催化剂浓度通常小于每克反应混合物0.1克催化剂，用较高的催化剂浓度(0.02-0.1克/克)可以在较低温度下制备羟铵盐，同时保持相同的反应器的能力。如上所述，较低的反应温度会增强生成羟铵盐的反应的选择性。
用本发明方法能够增加羟铵盐生产能力和/或现有设备的反应的选择性。
在现有设备中应用本发明方法的另一个优点是：该方法可以用可保持活性并增强选择性的Pd/C催化剂代替Pd+Pt/C催化剂。
本发明的又一个优点是：该方法显示出在该过滤介体的操作条件下的过滤能力比通常由滤饼形成的过滤介体的过滤能力大。
制备羟铵盐溶液的催化剂最好是Pd/C或Pd+Pt/C催化剂。Pd/C催化剂一般含1-25重量％Pd，7-20重量％为佳。Pd+Pt/C催化剂一般含Pd+Pt1-20重量％，5-15重量％为佳。Pd∶Pt重量比一般在1∶1-10∶1之间。
进行过滤的温度将部分取决于羟铵盐合成区的主要温度以及部分取决于过滤介体的热稳定性。过滤一般在25-100℃、最好在35-65℃温度范围内进行。
进行过滤的压力以及压差将取决于羟铵盐合成区的主要操作压力。所用的压力一般在0.6-5MPa之间，最好在2-3MPa之间。过滤介体两端的压差将取决于该过滤介体和所需要的过滤的能力。压差一般在0.02-1.5MPa之间，最好在0.05-0.5MPa之间。
可以按几种方式设计交叉流过滤，可能的设计类型有：盘式几何形状、管式几何形状或盘旋式几何形状。
过滤介体可以由几层构成，多数情况下由两层组成，一层起结构上的作用，另一层是实际的过滤层，结构层的孔径一般比过滤层的孔径大。在本专利申请中，孔径均指过滤层的孔径。
过滤介体一般是微孔物质，它对该反应混合物有耐化学性，适宜的微孔物质的例子有例如碳、烧结金属、聚合物和陶瓷来源的物质如Al2O3和SiC。优选的过滤介体材料是无机材料如SiC、碳和烧结金属。
以下实施例将对本发明做出进一步解释，但这些实施例对本发明没有限制。
                    实施例I
将每3kg含0.21kg H3PO4、0.26kg NH4H2PO4、0.22kgNH3OH·H2PO4、0.27kg NH4NO3和2.04kg H2O的反应混合物和催化剂粒子的悬浮液(每克反应混合物0.026克催化剂粒子)在实验室的交叉流装置中过滤。使留下的含催化剂粒子的混合物再循环至本实验所用的盛反应混合物的储槽中。温度为50℃，液体通过交叉流管道的速度是3m/s以及滤器两端的压降是0.23MPa。该交叉流滤器由空心过滤管构成，该空心过滤管直径0.06m，由碳制成。孔径是0.1μm。过滤介体的面积为0.15m2。滤液循环至盛反应混合物的储槽中，因此实验可以用连续的方式进行，其中原料总是具有相同的组成。每15分钟用清滤液反冲滤器2秒钟。该实验在若干小时内成功地进行而没有任何问题。过滤通量在实验中维持恒定(0.9m3/m2/小时)，得清澈的滤液。
                    实施例II
将含0.59kg/h H3PO4、0.44kg/h NH4NO3、1.97kg/h H2O和0.10kg/h H2的溶液在55℃和1MPa压力下输送至装有冷却套管和搅拌器的反应器中。停留时间是1小时以及Pd/C催化剂的浓度是每升反应混合物26g催化剂。催化剂的平均粒度是3μm以及催化剂的Pd含量为10重量％。通过实施例I中所述的模拟交叉流过滤每小时从反应器中排出0.21kg H3PO4、0.26kg NH4H2PO4、0.22kg NH3OH·H2PO4、0.27kg NH4NO3和2.04kg H2O。
经排气口每小时排出0.09kg气体产物，该气体产物主要含氢(0.087kg)，其余是氮和氧化氮。
                 实施例III
用每3kg含0.39kg H3PO4、0.14kg NH4H2PO4、0.11kg NH3OH·H2PO4、0.35kg NH4NO3和2.01kg H2O的反应混合物和催化剂粒子的混悬液(每克反应混合物0.026克催化剂粒子且催化剂的粒度为23μm)重复实施例I。进行过滤没有任何问题并得到了清澈的滤液。在实验中过滤通量维持恒定(0.95m3/m2/小时)。
                   实施例IV
用大体上相同但粒度为23μm的催化剂重复实施例II。催化剂浓度和Pd含量与实施例II的相同。
通过实施列III中所述的模拟交叉流过滤每小时从反应器中有0.39kg H3PO4、0.14kg NH4H2PO4、0.11kg NH3OH·H2PO4、0.35kgNH4NO3和2.01kg H2O被排出。经排气口每小时排出0.094kg气体产物，该气体产物主要含氢(0.093kg)，其余是氮和氧化氮。

Claims (6)

1.纯化羟铵盐溶液的方法，其中羟铵盐溶液通过过滤从含固体催化剂粒子的水性反应混合物中分离，其特征在于：应用交叉流过滤技术，无机微孔过滤介体的孔径是0.01-10μm以及催化剂粒子的平均粒度为0.1-25μm。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于：无机微孔过滤介体的孔径是0.05-10μm以及催化剂粒子的平均粒度为0.1-10μm。
3.按照权利要求1-2任一权项的方法，其特征在于：催化剂浓度在每克反应混合物0.02-0.1克催化剂之间。
4.按照权利要求2的方法，其特征在于：无机微孔过滤介体的孔径在0.05-5μm之间。
5.按照权利要求1的方法，其特征在于：催化剂粒子是Pd/C催化剂粒子。
6.按照权利要求1的方法，其特征在于：无机微孔过滤介体是Sic，碳或烧结金属。
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