DE10027328A1 - Verfahren zur Abtrennung von Ammoniak aus Lösungen, die Caprolactam und Ammoniak enthalten - Google Patents

Abstract

Verfahren zur destillativen Abtrennung von Ammoniak aus Lösungen (I), die ein Lactam und Ammoniak enthalten, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennung bei einem Absolutdruck von weniger als 10 bar in einer Destillationsvorrichtung (a) durchgeführt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur destillativen Abtrennung von Ammoniak aus Lösungen (I), die ein Lactam und Ammoniak enthalten, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennung bei einem Absolutdruck von weniger als 10 bar in einer Destillationsvorrichtung (a) durchgeführt wird.

Lösungen, die ein Lactam und Ammoniak enthalten, fallen bei zahl­ reichen chemischen Verfahren an, beispielsweise bei der Herstel­ lung cyclischer Lactame durch Umsetzung von omega-Aminocarbonsäu­ rederivaten mit Wasser.

Die Aufarbeitung dieser Lösungen ist problematisch, da üblicher­ weise an die Lactame, insbesondere an Caprolactam, bekannterweise extrem hohe Reinheitsanforderungen gestellt werden.

So beschreiben WO 95/14665 und WO 95/14664 die Umsetzung von 6-Aminocapronitril ("ACN") in der Flüssigphase mit Wasser in Gegenwart von heterogenen Katalysatoren und einem Lösungsmittel zu einer Lösung enthaltend Caprolactam und Ammoniak. Eine Aufar­ beitung dieser Lösung ist nicht beschrieben.

In der Regel wird bei der destillativen Abtrennung von Ammoniak aus Ammoniak enthaltenden Lösungen ein hoher Druck, üblicherweise von höher als 14 bar absolut, angestrebt, um eine geeignete Temperatur bei der Kondensation von Ammoniak am Kopf der De­ stillationsvorrichtung zu erhalten.

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren bereitzustellen, das die Abtrennung des Ammoniaks aus Lösun­ gen, die ein Lactam und Ammoniak enthalten, auf technisch einfa­ che und wirtschaftliche Weise ermöglicht.

Demgemäß wurde das eingangs definierte Verfahren gefunden.

Erfindungsgemäß enthält Lösung (I) ein Lactam und Ammoniak.

Prinzipiell sind keine Begrenzungen hinsichtlich des Lactams be­ kannt. Bevorzugt kommen Lactame von C₄-C₂₀-omega-Carbonsäuren in Betracht, wie 4-Aminobutansäurelactam, 5-Aminiopentansäurelactam, 6-Aminohexansäurelactam ("Caprolactam"), 7-Aminoheptansäurelactam oder 8-Aminooctansäurelactam, besonders bevorzugt Caprolactam.

Diese Lactame können substituiert sein, beispielweise durch C1-C4-Alkylgruppen, Halogene, wie Fluor, Chlor oder Brom, C1-C4-Alkoxygruppen oder C1-C4-Carboxygruppen, vorzugsweise sind die Lactame nicht substituiert.

Es können auch Mischungen solcher Lactame eingesetzt werden. Solche Lactame sind an sich bekannt.

Die Herstellung solcher Lactame kann durch Umsetzung der entspre­ chenden Aminonitrile mit Wasser erfolgen, beispielsweise im Falle von Caprolactam durch Umsetzung von 6-Aminocapronitril, wie zum Beispiel in EP-A-0 659 741, WO 95/14664, WO 95/14665, WO 96/22874, WO 96/22974, WO 97/23454, WO 99/28296 oder WO 99/47500 beschrieben.

Bei einer solchen Umsetzung erhält der Reaktionsaustrag minde­ stens ein mol Ammoniak pro mol Lactam. Daneben kann der Reakti­ onsaustrag weitere Komponenten, wie nicht umgesetztes Amino­ nitril, überschüssiges oder im Falle einer Umsetzung in der Gas­ phase zum Quenchen des Reaktionsaustrags eingesetztes Wasser oder gegebenenfalls organische Lösungsmittel enthalten.

Im erfindungsgemäßen Verfahren können als Lösung (I) jede Mischung aus einem Lactam und Ammoniak, vorteilhaft einer der ge­ nannten Reaktionsausträge, oder Gemische solcher Systeme einge­ setzt werden.

Erfindungsgemäß destilliert man Ammoniak aus Lösung (I) bei einem Druck von weniger als 10 bar absolut, vorzugsweise weniger als 8 bar absolut, ab. Dabei kommt vorteilhaft ein Druck oberhalb des atmosphärischen Umgebungsdrucks in Betracht.

Destillationsdruck und Destillationstemperatur sollten vorzugs­ weise so gewählt werden, daß über Kopf ein im wesentlichen Ammo­ niak enthaltender Strom gasförmig abgezogen werden kann.

Als Destillationsvorrichtung (a) kommen hierfür übliche einstu­ fige oder mehrstufige Apparaturen in Betracht, wie sie beispiels­ weise in: Kirk-Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology, 3. Ed., Vol. 7, John Wiley & Sons, New York, 1979, Seite 870-881 be­ schrieben sind, wie Verdampfungsblasen oder Rektifikationskolon­ nen, beispielsweise Siebbodenkolonnen, Glockenbodenkolonnen, Pac­ kungskolonnen oder Füllkörperkolonnen.

Hierbei können einstufige Destillationsblasen, reine Abtriebs­ kolonnen oder Rektifikationskolonnen mit Abtriebs- und Verstär­ kungsteil verwendet werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann der am Kopf der De­ stillationsvorrichtung (a) erhaltene dampfförmige, im wesentli­ chen Ammoniak enthaltende Strom durch einen Kondensator (ak) ge­ leitet werden. In diesem Kondensator können vorteilhaft höher als Ammoniak siedende Verbindungen teilweise oder vollständig aus­ kondensiert werden unter Erhalt eines Kondensats (III) und einer im wesentlichen Ammoniak enthaltenden Gasphase.

Kondensat (III) kann vorteilhaft teilweise oder vollständig in die Destillationsvorrichtung (a) zurückgeführt werden, ins­ besondere für den Fall, daß als Destillationsvorrichtung (a) eine Kolonne verwendet wird, besonders bevorzugt, wenn diese Kolonne einen Verstärkungsteil enthält.

Aus dem im wesentlichen Ammoniak enthaltenden Strom aus Vorrich­ tung (a) oder Kondensator (ak) kann Ammoniak teilweise oder voll­ ständig durch Absorption in einem flüssigen Lösungsmittel (II) kondensiert werden. Der Strom kann dazu vorher verdichtet werden.

Als Absorptionsvorrichtung (b) kommen hierfür übliche einstufige oder mehrstufige Apparaturen in Betracht, wie sie beispielsweise in: Kirk-Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology, 3. Ed., Vol. 7, John Wiley & Sons, New York, 1979, Seite 870-881 be­ schrieben sind, wie Blasensäulen oder Absorptionskolonnen, beispielsweise Siebbodenkolonnen, Glockenbodenkolonnen, Packungs­ kolonnen oder Füllkörperkolonnen.

Es kann vorteilhaft sein, zwischen den Trennstufen der Absorpti­ onskolonne (b) eine Kühlung durchzuführen.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann Kolonne (a) mit einem Verstärkungsteil versehen werden, der mit einem Lösungsmittel (IV) als Rücklauf betrieben wird. Vorzugsweise sollte das Lösungsmittel (IV) im wesentlichen ammoniakfrei sein. Vorteilhaft kann als Rücklauf ein Teil des in der Absorption mit Ammoniak be­ ladenen Lösungsmittel (II) verwendet werden.

Vorteilhaft kommen als Lösungsmittel (II), Lösungsmittel (IV) oder beiden Lösungsmitteln Wasser oder, im Falle der Herstellung des Lactams aus dem entsprechenden Aminonitril, das bei dieser Umsetzung eingesetzte Lösungsmittel in Betracht.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann aus dem Kolonne (b) be­ ladenen Lösungsmittel (II) Ammoniak durch Destillation oder Rektifikation in einer Destillationsvorrichtung (c) abgetrennt werden.

Als Destillationsvorrichtung (c) kommen hierfür übliche einstu­ fige oder mehrstufige Apparaturen in Betracht, wie sie beispiels­ weise in: Kirk-Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology, 3. Ed., Vol. 7, John Wiley & Sons, New York, 1979, Seite 870-881 be­ schrieben sind, wie Verdampfungsblasen oder Rektifikationskolon­ nen, beispielsweise Siebbodenkolonnen, Glockenbodenkolonnen, Pac­ kungskolonnen oder Füllkörperkolonnen.

Hierbei können einstufige Destillationsblasen, reine Abtriebs­ kolonnen oder Rektifikationskolonnen mit Abtriebs- und Verstär­ kungsteil verwendet werden.

Vorteilhaft kommt dabei eine Abtrennung von Ammoniak in Vorrich­ tung (c) unter einem höheren Druck als dem Druck in Kolonne (a), vorzugsweise mehr als 10 bar absolut, in Betracht.

In einer bevorzugten Ausführungsform kommt die Verdichtung, ins­ besondere auf einen Druck von mehr als 12 bar absolut, und teil­ weise oder vollständige Kondensation des dampfförmigen im wesent­ lichen Ammoniak enthaltenden Stroms aus Kolonne (a) oder Konden­ sator (ak) in Betracht.

Ein Teil des kondensierten Stroms kann vorteilhaft als Rücklauf auf Kolonne (a) zurückgefahren werden. Dabei kommt eine Entspan­ nungsverdampfung mit entsprechender Abkühlung des Rücklaufstroms in Betracht.

Für eine Verdichtung kommen insbesondere solche Drücke in Be­ tracht, unter denen Ammoniak im Temperaturbereich von 0 bis 50°C flüssig vorliegt. Solche Temperaturen können beispielsweise durch Kühlung mit Flußwasser oder Luft auf technisch einfache Weise eingestellt werden.

Für die Verdichtung können an sich bekannte Vorrichtungen, wie Turbo-, Kolben-, Membran- oder vorzugsweise Flüssigkeitsringver­ dichter eingesetzt werden.

In einer bevorzugten Variante kann die Verdichtung mit einem Flüssigkeitsringverdichter durchgeführt werden, wobei dieser mit Lösungsmittel (II), insbesondere ammoniakbeladenem Lösungsmittel (II) aus der Absorption, beschickt werden kann.

Die überlaufende Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsringverdichter kann teilweise oder vollständig als Rücklauf auf Kolonne (a) zu­ rückgefahren werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß die Entste­ hung von Feststoffen bei der destillativen Abtrennung von Ammo­ niak aus Lactam, insbesondere Caprolactam, und Ammoniak ent­ haltenden Lösungen, die aus der Herstellung von Lactam durch Um­ setzung von Aminonitril mit Wasser stammen, in der Destillations­ kolonne, die einen kontinuierlichen Betrieb der Aufarbeitung hin­ dern, vermindert wird.

Vergleichsbeispiel

100 kg/h ACN wurden in 1000 kg/h Ethanol zu Caprolactam umge­ setzt, wobei die Umsetzung an einem oxidischen Katalysator in flüssiger Phase erfolgte. Der Reaktionsaustrag enthielt 12 Gew.-% Ammoniak und wurde zur Destillation in eine Siebbodenkolonne ge­ leitet, die 20 Siebböden enthielt. Am Kopf der Kolonne war ein Kondensator vorhanden. Die Kolonne wurde bei einem Druck von 15 bar absolut betrieben. Der als Kondensat aus dem Kondensator anfallende flüssige Ammoniak wurde zum Teil als Rücklauf auf den Kolonnenkopf zurückgefahren, die Rücklaufmenge betrug 200 kg/h. Der Ammoniakgehalt im über Sumpf abgezogenen Strom betrug weniger als 1000 ppm. 30 h nachdem die Kolonne angefahren wurde, kam es zu Verstopfungen der Siebböden, daran erkennbar, dass die Druck­ differenz zwischen Sumpf und Kopf bei gleichbleibender Belastung der Kolonne drastisch anstieg. Die Kolonne musste abgestellt und mit Wasser gespült werden.

Beispiel

Der flüssige Reaktionsaustrag aus dem Vergleichsbeispiel wurde in die gleiche Kolonne geleitet, diese aber bei einem Druck von 5 bar absolut betrieben. Der Brüdenstrom aus dem Kopf der Kolonne wurde durch den Kondensator geleitet, jedoch nicht sämtlicher Am­ moniak auskondensiert. Der verbleibende dampfförmige Ammoniak wurde abgezogen und die als Kondensat anfallende Flüssigkeit als Rücklauf auf die Kolonne zurückgefahren. Die Kolonne konnte über mehrere Wochen stabil betrieben werden.

Claims (24)

1. Verfahren zur destillativen Abtrennung von Ammoniak aus Lö­ sungen (I), die ein Lactam und Ammoniak enthalten, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennung bei einem Absolutdruck von weniger als 10 bar in einer Destillationsvorrichtung (a) durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei man die Abtrennung bei einem Absolutdruck von weniger als 8 bar durchführt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei über Kopf ein im we­ sentlichen Ammoniak enthaltender Strom dampfförmig abgezogen wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, wobei am Kopf der zur Abtrennung eingesetzten Destillationsvorrichtung (a) zur Abtrennung von Ammoniak aus Lösung (I) ein Kondensator (ak) vorhanden ist, in dem höher als Ammoniak siedende Komponenten teilweise oder vollständig kondensiert werden unter Erhalt eines Kondensats (III).

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Kondensat (III) aus dem Kondensator (ak) in die Trennvorrichtung (a) zurückgeführt wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, wobei der dampfförmige Strom aus Destillationsvorrichtung (a) oder Kondensator (ak), enthaltend im wesentlichen Ammoniak, durch Absorption in einem flüssigen Lösungsmittel (II) kondensiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Absorption in einer Ab­ sorptionsvorrichtung (b) stattfindet.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei zwischen den Trennstufen der Absorptionsvorrichtung (b) eine Kühlung stattfindet.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, wobei die Destillati­ onsvorrichtung (a) zur Abtrennung von Ammoniak aus Lösung (I) einen Verstärkungsteil enthält, der mit einem Lösungsmittel (IV) als Rücklauf betrieben wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Lösungsmittel (IV) im wesentlichen ammoniakfrei ist.

11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei als Rücklauf ein Teil des in der Absorption mit Ammoniak beladenen Lösungsmittels (II) verwendet wird.

12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11, wobei als Lösungs­ mittel (II) oder als Lösungsmittel (IV) Wasser verwendet wird.

13. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 12, wobei als Lösungs­ mittel (II) oder als Lösungsmittel (IV) das gleiche Lösungs­ mittel wie bei der Herstellung des Lactams aus dem entspre­ chenden Aminonitril verwendet wird.

14. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 13, wobei Ammoniak aus dem beladenen Lösungsmittel (II) durch Destillation oder Rektifikation in einer Destillationsvorrichtung (c) abge­ trennt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Abtrennung von Ammoniak in Destillationsvorrichtung (c) aus dem beladenen Lösungs­ mittel (II) unter einem höheren Druck erfolgt als dem Druck in Destillationsvorrichtung (a).

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei statt Destillati­ onsvorrichtung (c) eine einstufige Verdampfung verwendet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei der Druck in De­ stillationsvorrichtung (c) mehr als 10 bar absolut beträgt.

18. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, wobei der dampfförmige Strom aus Destillationsvorrichtung (a) oder Kondensator (ak), enthaltend im wesentlichen Ammoniak, verdichtet und teilweise oder vollständig kondensiert wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Absolutdruck vom ver­ dichteten dampförmigen Strom mehr als 12 bar beträgt.

20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, wobei ein Teil des kon­ densierten Stromes als Rücklauf auf Destillationsvorrichtung (a) zurückgefahren wird, wobei es zu einer Entspannungsver­ dampfung mit entsprechender Abkühlung des Rücklaufstromes kommt.

21. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, wobei der dampfförmige Strom aus Destillationsvorrichtung (a) oder Kondensator (ak), enthaltend im wesentlichen Ammoniak, verdichtet und anschlie­ ßend nach den Ansprüchen 6 bis 17 verfahren wird.

22. Verfahren nach den Ansprüchen 18 bis 21, wobei die Verdich­ tung des im wesentlichen Ammoniak enthaltenden Stroms mit einem Flüssigkeitsringverdichter erfolgt.

23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Flüssigkeitsringver­ dichter mit Lösungsmittel (II) beschickt wird.

24. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 23, wobei man als Lactam Caprolactam einsetzt.