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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von ε-Caprolactam aus Extraktwasser
von durch hydrolytische Polymerisation erhaltenem Polycaprolactam.
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Die
hydrolytische Synthese von Polycaprolactam aus dem monomeren ε-Caprolactam
verläuft über die
Einstellung eines chemischen Gleichgewichtes mit dem Resultat, dass
je nach Reaktionsbedingungen ein Anteil von bis zu 15 Gew.-% nichtumgesetztes
monomeres ε-Caprolactam
und dessen Oligomere im Polymeren verbleiben. Da die Vakuumentmonomerisierung
der PA-6-Schmelze – entweder
in Fallfilmen oder in Scheibenreakoren – nicht zu dem gewünschten
niedrigen Monomer- und Oligomer-Gehalt im Polymeren führt, wie
er zu Spinnereizwecken gefordert wird, hat sich technisch die kontinuierliche
oder diskontinuierliche Extraktion von PA-6-Chips mit heißem Wasser
durchgesetzt. Mit diesen Verfahren werden Monomer- und Oligomergehalte
von < 0,5 Gew.-%
im PA-6-Chip erreicht.
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Aus
Gründen
der Wirtschaftlichkeit werden die wässrigen Extraktlösungen so
aufbereitet, daß die
enthaltenen Wertstoffe als Rohstoff dem Polycaprolactam-Herstellungsprozess
zugeführt
werden können.
Nach einer einfachen Einengung des Extraktwassers durch Verdampfen
des Wassers verbleiben neben dem monomeren ε-Caprolactam auch die cyclischen
Dimeren und weitere Oligomere im Rückcaprolactam.
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Die
Rückführung dieser
Oligomeren als Bestandteil des Rückcaprolactams
in den PA-6-Herstellungsprozeß beeinflusst
den Rohstoffumsatz negativ und führt
gegebenenfalls bei unvollständiger
Extraktion zur PA-6 Produktverschlechterung, da die Oligomeren,
insbesondere das cyclische Dimere, aufgrund ihrer hohen Stabilität und der
damit verbundenen Reaktionsträgheit
an der PA-6-Kettenbildung
nur unzureichend teilnehmen. Besonders das cyclische Dimere wird
durch wiederholte Extraktions- und Rückführungszyklen in der Schmelze
und in den Extraktlösungen
angereichert.
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In
DE 2501348 B2 wird
die Einengung des Extraktwassers auf mehr als 90 Gew.-% Extraktanteil mit
anschließender
direkter Zuführung
in die Polymerisationsstufe mit und ohne Frischcaprolactamzusatz beschrieben.
Gemäß
EP 0000397 B1 kann
auch Extraktwasser in die Polymerisation zurückgeführt werden, das auf maximal
60 Gew.-% Extraktanteil eingeengt wurde. In beiden Fällen werden
die Extraktlösungen – mit oder
ohne Frischcaprolactam-Zusatz – vor
der Zudosierung in den VK-Rohrkopf temperiert, damit das hochschmelzende
und schwerlösliche
cyclische Dimere des ε-Caprolactams
unter diesen Bedingungen in Lösung
bleibt, so dass keine Leitungsverstopfungen und dergleichen auftreten.
Die für
den nachfolgenden Einbau in die Polymerkette notwendige Spaltung
des cyclischen Dimeren kann aber auf diesem Wege nicht ausreichend
sichergestellt werden.
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EP 0771834 A1 beschreibt
die Einengung des Extraktwassers mit anschließender partieller Ringöffnungsreaktion
der Oligomeren zu linearen kondensierbaren Verbindungen unter Reaktionsbedingungen
von 230°C–300°C bei definierten
Drücken,
die bis zu 10 h gehalten werden. Die so behandelten Extrakte werden
anschließend
zusammen mit Frischcaprolactam in einem Reaktor polymerisiert, wobei
teilweise Wasserkonzentrationen von bis zu 10 Gew.-% enthalten sein
können.
In
US 5218080 A wird
die hydrolytische Dimerenspaltung des konzentrierten Extraktes unter
Druck bei 220–290°C während 2–6 h durchgeführt, wobei
der so erhaltene Extrakt mit ca. 1,3 Gew.-% Dimeren direkt dem Frischlactam
in Mengen bis zu 10 Gew.-% zugesetzt wird. Vor dem Hintergrund zunehmender
Kapazitätsvergrößerungen
kontinuierlich betriebener hydrolytischer Caprolactam-Polymerisationsanlagen
ist die Wirtschaftlichkeit dieser Verfahren bzw. die Höhe des noch
verbleibenden Dimerengehaltes im so aufbereiteten Extrakt aber verbesserungsbedürftig.
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Des
weiteren ist ein Prozess bekannt, in dem das Extraktwasser nach
einer Aufkonzentration auf ca. 80 Gew.-% ε-Caprolactam/Oligomere ohne
weitere Frischcaprolactam-Zuführung
in einer zweiten, separaten Polymerisationslinie zu PA-6 polymerisiert wird
(Chemical Fibers International 47, 316 (1997)). Nachteil dieses
Verfahrens sind die hohen Investitionskosten für die komplette zweite Polymerisationslinie,
in der eine Dimeren-Reaktivierung unter Polymerisationsbedingungen
erfolgt, die von denen des Frischcaprolactam-Polymerisationsprozesses der ersten
Linie abweichen. Der erhöhte
Wasseranteil verschlechtert die Ökonomie
dieser 2. Linie. Wegen der veränderten
Produktqualität
müssen
auch Cutter, Extraktion und Trocknung zusätzlicher Bestandteil dieser
2. Linie sein.
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Andere
Verfahren, die eine separate Aufbereitung der im Extraktwasser anfallenden
Oligomeren und cyclischen Dimeren zum Inhalt haben, setzen eine
Trennung dieser Bestandteile vom Extraktwasser voraus.
US 5653889 A beschreibt eine
Filtrationstechnik zur Separierung der Oligomeren aus dem Prozeßwasser
der PA-6-Granulierungsstufe. Diese Filtrationstechnik ist für eine Oligomer-Separierung und
Aufbereitung einer bis zu 15 gew.-%igen wässrigen Extraktlösung aus
der Polymerisation, die auch monomeres ε-Caprolactam enthält, nicht
ohne weiteres übertragbar.
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Zur
Aufbereitung der Oligomeren kann ein Verfahren gemäß
US 4107160 A zur
Anwendung kommen, indem – neben
PA-6-Feststoffabfällen – die Oligomeren
in Gegenwart eines Katalysators und überhitztem Wasserdampf depolymerisiert
werden. Nach anschließender
Einengung läßt sich
eine ca. 50 gew.-%ige wässrige ε-Caprolactamlösung gewinnen, die
dann gemäß
DE 4316408 A1 nach
einer Raffinationsstufe mit Permanganaten und einer Aktivkohlebehandlung
filtriert und eingedampft wird; nach einer Feindestillation kann
das gewonnene Reincaprolactam in einen PA-6 Herstellungsprozeß zurückgeführt werden.
Dieses aufwendige Verfahren, das eine hohe Rückcaprolactamqualität liefert,
wird durch zahlreiche Verfahrensstufen mit entsprechend hohem Energieaufwand
und durch Verbrauchsmittel, wie Permanganat und Aktivkohle, von
erhöhtem
Kostenaufwand begleitet.
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Die
alternativ mögliche
Verwerfung und Entsorgung der aus dem Extraktwasser isolierten Oligomeren
reduziert die Rohstoffausbeute deutlich und stellt somit keine ökonomische
Verfahrensweise dar, insbesondere bei steigenden Anlagenkapazitäten.
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Ferner
wird in der
GB 1,297,263
A die Verwendung eines Katalysators zur Depolymerisation der
Oligomeren erwähnt.
Als ein möglicher
Katalysator wird Phosphorsäure
genannt. Was mit dem Depolymerisationsprodukt geschieht, wird jedoch
dort nicht beschrieben. Insbesondere erwähnt die genannte britische
Patentschrift nicht die zusätzliche Einspeisung
von überhitztem
Wasserdampf in diese Spaltungsstufe.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verfügung zu
stellen, das die Herstellung eines oligomerarmen ε-Caprolactam
mit einem Dimerengehalt ≤ 0,2
Gew.-%, bezogen auf ε-Caprolactam,
aus dem Extraktwasser einer hydrolytischen PA-6-Polymerisation und
die Rückführung des
gesamten Extraktgehaltes in den PA-6-Herstellungsprozeß erlaubt,
ohne den PA-6-Herstellungsprozeß oder die
PA-6-Produktqualität
nennenswert zu beeinflussen, und das sich des weiteren durch eine
hohe Wirtschaftlichkeit auszeichnet. Auf eine komplette PA-6-Recycling-Anlage,
die in Anschaffung und Betrieb hohe Kosten verursacht, sollte hierbei
verzichtet werden.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß den Angaben
der Patentansprüche.
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Damit
wird ein Verfahren zur Herstellung von ε-Caprolactam aus Extraktwasser
von durch hydrolytische Polymerisation erhaltenem Polycaprolactam zur
Verfügung
gestellt, bei dem
- (i) das Extraktwasser durch
ein- oder mehrstufiges Abdestillieren von Wasser auf einen Feststoffanteil
von mindestens 70 Gew.-% aufkonzentriert wird,
- (ii) aus dem aufkonzentrierten Extraktwasser aus (i) durch Abtrennen
eines ε-Caprolactam/Wasserdampfgemisches
ein Extrakt mit 33 bis 67 Gew.-% ε-Caprolactam
und 67 bis 33 Gew.-% Oligomeren einschließlich Dinieren gewonnen wird,
- (iii) der Extrakt aus (ii) in Gegenwart eines Katalysators und
von überhitztem
Wasserdampf depolymerisiert wird, wobei ein Dampfgemisch aus 16 bis
33 Gew.-% ε-Caprolactam
und 84 bis 67 Gew.-% Wasser, gewonnen wird, und
- (iv) aus den ε-Caprolactam/Wasserdampfgemischen
der Prozeßstufen
(ii) und (iii) durch ein- oder mehrstufiges Abdestillieren von Wasser ε-Caprolactam mit einem
Wassergehalt von nicht mehr als 15 Gew.-%, und einem Dimerengehalt von
nicht mehr als 0,2 Gew.-% gewonnen wird,
wobei der überhitzte
Wasserdampf in Stufe (iii) eine Temperatur im Bereich von 250 bis
450°C hat.
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In
einer alternativen Ausführung
des Verfahrens kann das ε-Caprolactam/Wasserdampfgemisch aus
Stufe (ii) vor Eintritt in Stufe (iv) kondensiert werden. Ebenso
kann das ε-Caprolactam/Wasserdampfgemisch
aus Stufe (iii) kondensiert werden. Beide ε-Caprolactam/Wasserdampfgemische
können
auch zunächst
vereinigt werden und dann gemeinsam kondensiert werden.
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Überraschenderweise
wurde gefunden, dass die Aufbereitung eines dimer und oligomerbehafteten Extraktwassers
aus dem PA-6-Herstellungsprozeß in den
erfindungsgemäßen Stufen
der Oligomerabtrennung (ii) und Oligomerspaltung (iii) mit anschließender Einengung
der ε-Caprolactam/Wassergemische (iv)
aus reicht, um eine Rückcaprolactamqualität zu erreichen,
die es erlaubt, das Rückcaprolactam
in beliebigen Anteilen dem Frischcaprolactam zuzusetzen oder ausschließlich als
Rohstoff zur Polycaprolactam-Herstellung zu nutzen, ohne daß eine nennenswerte
Prozeß-
oder Produktqualitäts-beeinflussung im
Vergleich zum PA-6-Herstellungsprozeß aus 100 Gew.-% Frischcaprolactam
registriert werden kann.
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Das
in Stufe (iv) gewonnene ε-Caprolactam zeichnet
sich durch einen Wassergehalt von ≤ 15 Gew.-%,
bevorzugt ≤ 4
Gew.-% und einen Dimeren Gehalt ≤ 0,2
Gew.-%, bevorzugt ≤ 0,05
Gew.-%, aus. Die Ausbeute an Rückcaprolactam
beträgt
mindestens 99 Gew.-%, bezogen auf die Summe an ε-Caprolactam, Oligomeren und
Dimeren im Extraktwasser.
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Zur
Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden wässrige
Extrakte verwendet, wie sie aus einer ein- oder mehrstufigen, kontinuierlichen oder
diskontinuierlichen Extraktion von Polycaprolactam erhalten werden.
Andere ε-Caprolactam-haltige Wässer, die
z. B. aus der Granulierungsstufe oder durch Kondensation von Brüden aus
der Polymerisation gewonnen werden, können mitverarbeitet werden,
sofern sie keine störenden
Verunreinigungen enthalten.
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Wie
in 1 dargestellt, wird das Extraktwasser EW in der
Eindampfung 1 in die Kopffraktion D und die Sumpffraktion EX zerlegt.
Die Eindampfung kann in einer ein- oder mehrstufigen Destillationsanlage
erfolgen, wobei Natur- oder Zwangs- Umlaufverdampfer, Fallfilmverdampfer,
Dünnschicht- oder
Roberts-Verdampfer
usw. bevorzugt in Kombination mit einer Rektifizierkolonne, wie
Boden-, Füllkörper oder
Packungskolonne usw., betrieben werden. Die einstufige Ausführung kann
bei Drücken
von 100 bis 200 kPA (absolut) und Sumpftemperaturen von 100 bis
160°C erfolgen.
Der Betrieb zwei- bis vierstufiger Anlagen kann bei Drücken von
20 bis 200 kPA (absolut) und Sumpftemperaturen von 60 bis 160°C mit Parallel-
oder Gegenstromschaltung der Verdampfer ausgeführt werden. Das in der Kopffraktion
D anfallende Wasser enthält
maximal 0,1 Gew.-% ε-Caprolactam
und kann zur erneuten Extraktion von unextrahiertem Polycaprolactam
genutzt werden. In der Sumpffraktion EX fällt der auf konzentrierte Extrakt
mit einem Feststoffanteil ≥ 70
Gew.-%, bevorzugt ≥ 90
Gew.-%, an, der anschließend
in die Oligomerenabtrennung 2 überführt wird.
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In
der Oligomerenabtrennungsstufe 2 wird die Sumpffraktion EX soweit
eingedampft, daß sich im
Sumpfprodukt OL eine Extraktzusammensetzung von 33 bis 67 Gew.-% ε-Caprolactam
und 67 bis 33 Gew.-% Oligomere, bevorzugt etwa 50 Gew.-% ε-Caprolactam
und etwa 50 Gew.-% Oligomere, einstellt. Die Verdampfung kann in
Roberts- oder Dünnschicht-Verdampfern
bei Drücken
von 5 bis 100 kPa (absolut) und Temperaturen von 150 bis 250°C ausgeführt werden.
Das Kopfprodukt, das aus ε-Caprolactam
und dem Restwasser aus der Sumpffraktion EX besteht, kann dampfförmig oder
nach entsprechender Kondensation in Rohrbündel Platten-, U-Rohr- oder
Spiralkondensatoren usw. auch flüssig als
Lactamwasser LWI der Aufkonzentrierung 4 zugeführt werden. Dieses Kondensat
enthält
vorzugsweise ≥ 50
Gew.-%, besonders bevorzugt ≥ 85 Gew.-% ε-Caprolactam.
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Die
Oligomeren einschließlich
der cyclischen Dimeren des ε-Caprolactam/Oligomeren-Stromes OL
werden in der Oligomerenspaltung 3 unter Einwirkung eines Depolymerisationskatalysators
K, zum Beispiel Phosphorsäure,
und von auf 250 bis 450°C, vorzugsweise
340 bis 380°C überhitztem
Wasserdampf WD bis zur Stufe der Aminocapronsaure bzw. des ε-Caprolactam
depolymerisiert. Zur Ausführung der
Depolymerisationsstufe wird auf
US 4107160 A und
DE 4316408 A1 verwiesen.
Der Depolymerisationsreaktor kann mit oder ohne Kondensator betrieben
werden, zusätzlich
ist der Einsatz einer Rektifizierkolonne als Boden-, Füllkörper- oder
Packungskolonne usw. möglich.
Die Sumpftemperatur beträgt mindestens
220°C, vorzugsweise
mindestens 240°C bei
Atmosphärendruck.
Die Depolymerisation kann aber auch bei Unter- oder Überdruck
und dem Druck entsprechend angepaßten Temperaturen ausgeführt werden.
Durch die Verwendung eines Depolymerisationskatalysators K fällt in der
Prozeßstufe
3 ein Rückstand
R an, der regelmäßig ausgeschleußt wird. Das
entweichende Brüdengemisch
mit einem ε-Caprolactamgehalt
von 16 bis 33 Gew.-%, bevorzugt etwa 25 Gew.-%, wird dampfförmig oder
nach entsprechender Kondensation auch flüssig als Lactam wasser LW2 in
die Aufkonzentrierung überführt werden.
Bei Einsatz einer Rektifizierkolonne erfolgt gleichzeitig zur Kondensation
eine partielle Aufkonzentrierung, wobei das Kondensat vorzugsweise
auf ≥ 30
Gew.-%, besonders bevorzugt ≥ 60
Gew.-% ε-Caprolactamgehalt
eingestellt wird.
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In
der Aufkonzentrierung 4 werden die Lactamwasser-Produktströme LW1 und
LW2 in einer ein- oder mehrstufigen Destillation eingeengt, wobei
das ε-Caprolactam
CL als Sumpfprodukt mit einem Restwassergehalt ≤ 15 Gew.-%, bevorzugt ≤ 4 Gew.-%, und
einem Dimeren-Gehalt ≤ 0,2
Gew.-%, bevorzugt ≤ 0,05
Gew.-%, bezogen auf ε-Caprolactam
anfällt, während über Kopf
das Abwasser AW abgeführt wird.
Zur technischen Ausführung
kann eine ein- oder mehrstufige Destillationsanlage zum Einsatz
kommen, wobei Natur- und Zwangsumlaufverdampfer, Failfilmverdampfer,
Dünnschicht-
oder Robert-Verdampfer
usw. in Kombination mit einer Rektifizierungskolonne, wie Boden-,
Füllkörper oder
Packungskolonne usw., bei Sumpftemperaturen von 30 bis 160°C und Drücken von
1 bis 200 kPA (absolut) betrieben werden. Im Falle einer mehrstufigen
Anlage können
die Verdampfer in Parallel oder Gegenstromschaltung arbeiten.
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Durch
die Behandlung des Extraktwassers in den Prozeßstufen 1 bis 4 wird eine ε-Caprolactam-Qualität erhalten,
die es erlaubt, dieses ε-Caprolactam
auch allein einer hydrolytischen Polymerisation zu Polycaprolactam
zu unterwerfen, ohne daß nennenswerte
Qualitätseinbußen bei
dem Polycaprolactam auftreten. Die Rückgewinnungsrate an ε-Caprolactam,
das aus dem Extrakt gewonnen wird, beträgt bei kontinuierlicher Fahrweise
mindestens 97 Gew.-%, bevorzugt mindestens 99 Gew.-%, bezogen auf
die Summe an ε-Caprolactam,
Oligomeren und Dimeren im Extraktwasser.
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Beispiel:
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Extraktwasser
mit 8,3 Gew.-% ε-Caprolactam,
1,2 Gew.-% Oligomeren und 0,4 Gew.-% Dimeren aus einer PA-6-Extraktion
wurde zunächst
in einer Anlage zur fraktionierten Destillation bei einer Sumpftemperatur
von 40°C
und einem Druck von 6 kPa (absolut) auf 90 Gew.-% Feststoffgehalt
eingeengt, wobei das abgezogene Wasser zur erneuten PA-6-Extraktion
verwendet wurde. Nachdem – ausgehend
von einer Sumpftemperatur von 40°C
und einem Druck von 6 kPa (absolut) – das restliche Wasser abdestilliert
worden war, konnte bei einer Sumpftemperatur von 125°C und einem
Druck von 0,6 kPa (absolut) ε-Caprolactam
soweit über
Kopf abgeführt werden,
daß in
der Destillationsblase ein Sumpfprodukt aus 50 Gew.-% Oligomeren
und 50 Gew.-% ε-Caprolactam
zurückblieb
(Oligomerenabtrennung). Abdestilliertes Wasser und ε-Caprolactam
wurden kondensiert und das Kondensat zwischengelagert. Nach Überführen des
Sumpfproduktes aus 50 Gew.-% Oligomeren und 50 Gew.-% ε-Caprolactam in
einen PA-6-Spaltreaktor erfolgte dort unter Zusatz von 15 Gew.-%
Phosphorsäure
(85 Gew.-%ig) und einem 300°C
heißem
Wasserdampfstrom von 10 ml/min·kg
bei einer Sumpftemperatur von etwa 250°C und Atmosphärendruck
die Depolymerisation.
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Das
aus der Depolymerisation entweichende und kondensierte ε-Caprolactam/Wasser-Dampfgemisch
wurde in einer Destillations-Anlage bei einer Sumpftemperatur von
40°C und
einem Druck von 6 kPa (absolut) bis zu einem ε-Caprolactamgehalt von 70 Gew.-%
eingedampft. Nach der Vereinigung dieses Kondensates mit dem zwischengelagerten ε-Caprolactam/Wasserkondensat
aus der Prozeßstufe der
Oligomerenabtrennung erfolgte die weitere Einengung des Gesamtkondensates
in der Destillationsanlage bei einer Sumpftemperatur von 40°C und einem
Druck von 6 kPa (absolut) bis zu einem Restwassergehalt von 5 Gew.-%.
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Die
Analyse der in der Destillationsblase verbliebenen, wasserhaltigen
95 gew.-%igen c-Caprolactamprobe
ergab einen Dimerengehalt von 0,04 Gew.-%, bezogen auf ε-Caprolactam.
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Die
Analyse der Extraktwasser-Zusammensetzung und die des Dimerengehaltes
im c-Caprolactam/Wassergemisch erfolgte mittels HPLC.