DE60020691T2 - Verfahren zur herstellung von epsilon-caprolactam - Google Patents

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DE60020691T2
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higher boiling
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Petrus Frank AGTERBERG
Franciscus Nicolaas HAASEN
Philippus Rudolf GUIT
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07DHETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D201/00Preparation, separation, purification or stabilisation of unsubstituted lactams
    • C07D201/02Preparation of lactams
    • C07D201/08Preparation of lactams from carboxylic acids or derivatives thereof, e.g. hydroxy carboxylic acids, lactones or nitriles

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von ε-Caprolactam, umfassend das Behandeln von 6-Aminocapronsäure, 6-Aminocapronatester, 6-Aminocapronamid, Oligomeren oder Polymeren von diesen Verbindungen oder Gemischen, umfassend mindestens zwei von diesen Verbindungen, in einem Zyklisierungsreaktor in der Gegenwart von überhitztem Dampf, worin ein gasförmiger Produktstrom, umfassend ε-Caprolactam, Dampf, leichtsiedende Komponenten und höhersiedende Komponenten, erhalten wird.
  • In dieser Beschreibung werden Verbindungen mit einem höheren Siedepunkt als ε-Caprolactam als höhersiedende Komponenten bezeichnet. Beispiele sind 6-Aminocapronsäure, 6-Aminocapronamid, Oligomere von diesen Verbindungen, zyklische ε-Caprolactamoligomere, N-substituierte oder C-substituierte Lactame und/oder Amide. In dieser Beschreibung werden Verbindungen mit einem niedrigeren Siedepunkt als ε-Caprolactam als leichtsiedende Komponenten bezeichnet. Beispiele sind N-Methyl-ε-caprolactam, Hexansäure, 5-Hexensäure, Valeriansäure und Valeramid.
  • Ein derartiges Verfahren ist in WO-A-9837063 beschrieben. Diese Patentschrift beschreibt ein Verfahren, um ε-Caprolactam durch Behandeln von 6-Aminocapronsäure, 6-Aminocapronatester und/oder 6-Aminocapronamid mit überhitztem Dampf bei einer Temperatur von zwischen 250 und 400°C und einem Druck zwischen 0,5 und 2 Mpa herzustellen. Das erhaltene rohe ε-Caprolactam enthält noch Verunreinigungen und erfordert weitere Reinigung. Der in dem Zyklisierungsverfahren erhaltene rohe ε-Caprolactam-Produktstrom enthält ebenfalls leichtsieden de Komponenten und höhersiedende Komponenten, wie in WO-A-9837063 beschrieben. Der Großteil dieser leichtsiedenden Komponenten und höhersiedenden Komponenten muss zunächst entfernt werden, um ein wirksames Reinigen in den folgenden Reinigungsschritten zu ermöglichen. Leichtsiedende Komponenten und höhersiedende Komponenten werden üblicherweise mittels Destillation von dem ε-Caprolactam-Produktstrom abgetrennt. Es ist ein Nachteil der Abtrennung der höhersiedenden Komponenten von dem ε-Caprolactam-Produktstrom, dass es fast unmöglich oder sehr schwierig ist, ε-Caprolactam quantitativ von den höhersiedenden Komponenten ohne Zersetzung des ε-Caprolactams und/oder Verschmutzung der Abtrennungsausstattung abzutrennen. Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass die wertvollen ε-Caprolactamvorläufer nicht zurückgewonnen werden. Für ein kommerziell interessantes Verfahren ist es vorteilhaft, den grössten Teil des ε-Caprolactams und der ε-Caprolactamvorläufer aus den höhersiedenden Komponenten zurückzugewinnen, bevor die höhersiedenden Komponenten entsorgt werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vereinfachtes Verfahren für die Herstellung von ε-Caprolactam bereitzustellen. Noch eine weitere Aufgabe liegt darin, eine hohe Ausbeute an ε-Caprolactam zu erhalten.
  • Diese Aufgaben werden erreicht, indem der Produktstrom nach Kondensation und mindestens teilweiser Entfernung von Wasser und leichtsiedenden Komponenten in einen ε-Caprolactamstrom und einen Strom höhersiedender Komponenten, welcher höhersiedende Komponenten und ε-Caprolactam enthält, aufgespalten wird, und der Strom höhersiedender Komponenten zu dem Zyklisierungsreaktor rückgeführt wird, von welchem der Produktstrom abgeleitet wird, und die Kondensation und die mindestens teilweise Entfernung von Wasser, leichtsiedenden Komponenten und höhersiedenden Komponenten von dem Produktstrom in den folgenden Schritten durchgeführt wird:
    • a) der Produktstrom wird zu einer teilweisen Kondensationseinheit (2) beschickt und in einen Oberstrom, umfassend Dampf (2t), und einen flüssigen Bodenstrom (2b), umfassend ε-Caprolactam, Wasser, leichtsiedende Komponenten und höher siedende Komponenten, aufgespalten;
    • b) der Bodenstrom (2b) wird zu einer Destillationskolonne (3) beschickt, wovon der Oberstrom (3t) hauptsächlich Wasser ist und der Bodenstrom (3b) ε-Caprolactam, leichtsiedende Komponenten und höhersiedende Komponenten umfaßt;
    • c) der Bodenstrom (3b) wird zu einer Vakuumdestillationskolonne (4) beschickt, wovon der Oberstrom (4t) hauptsächlich leichtsiedende Komponenten ist und der Bodenstrom (4b) ε-Caprolactam und höhersiedende Komponenten umfaßt;
    • d) der Bodenstrom (4b) wird zu einer Vakuumdestillationskolonne (5) beschickt, wovon der Oberstrom (5t) der ε-Caprolactamstrom ist und der Bodenstrom (5b) der Strom höhersiedender Komponenten ist.
  • Es ist festgestellt worden, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hohe Ausbeuten an ε-Caprolactam erreicht werden können. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Abtrennung von ε-Caprolactam von den höhersiedenden Komponenten nicht quantitativ zu sein braucht. In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die destillative Trennung von ε-Caprolactam und höhersiedenden Komponenten bei einem weniger reduzierten Druck und/oder Temperatur, verglichen mit einem Verfahren, in welchem keine Rückführung des Stroms höhersiedender Komponenten stattfindet, durchgeführt werden, um vergleichbare Ausbeuten an ε-Caprolactam zu erhalten.
  • Die Kondensation des Produktstroms (Schritt a)) wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 80 bis 200°C, mehr bevorzugt bei einer Temperatur von 100 bis 170°C, durchgeführt.
  • Die Destillation in Schritt b) wird beispielsweise bei einer Temperatur von 60 bis 160°C, vorzugsweise bei einer Temperatur von 80 bis 140°C, durchgeführt.
  • Die Destillation in Schritt c) und d) wird vorzugsweise bei einem Druck von weniger als 10 kPa, mehr bevorzugt bei einem Druck von weniger als 5 kPa, durchgeführt. Die Temperatur der Destillation in Schritt c) und d) beträgt vorzugsweise zwischen 110°C und 170°C, mehr bevorzugt zwischen 120 und 150°C.
  • Vorzugsweise wird ein Teil des Rückstandes in dem Zyklisierungsreaktor und/oder ein Teil des Stroms höhersiedender Komponenten (5b) ausgewaschen (Strom (5c)) und der Rest wird zu dem Zyklisierungsreaktor, von welchem der Produktstrom abgeleitet wird, rückgeführt.
  • Das Rückführen des Stroms höhersiedender Komponenten zu dem Zyklisierungsreaktor, von welchem der Produktstrom abgeleitet wird, ist aus einer ökonomischer/Investitions-Sichtweise vorteilhaft, da kein zusätzlicher Zyklisierungsreaktor benötigt wird.
  • Vor dem Rückführen des Stroms höhersiedender Komponenten zu dem Zyklisierungsreaktor wird der Strom höhersiedender Komponenten gegebenenfalls zunächst zu einer weiteren Abtrennungseinheit beschickt, in welcher der Strom höhersiedender Komponenten weiter in einen ε-Caprolactamstrom und einen zweiten Strom höhersiedender Komponenten aufgespalten wird. Dieser zweite Strom höhersiedender Komponenten wird anschließend zu der Zyklisierungsreaktion rückgeführt. Beispiele möglicher Abtrennungseinheiten sind Extraktionsapparaturen und Austreibkolonnen. Eine bevorzugte Abtrennungseinheit ist eine Austreibkolonne. Mehr bevorzugt wird ein gasförmiger Strom, welcher Dampf enhält, zu einer Austreibkolonne beschickt, um ε-Caprolactam aus dem Strom höhersiedender Komponenten auszutreiben, was zu einem Oberstrom führt, welcher gasförmiges ε-Caprolactam enthält. Der Oberstrom, welcher gasförmiges ε-Caprolactam enthält, kann leicht in die Reinigungseinheit (nachstehend beschrieben) des Produktstroms von dem Zyklisierungsreaktor integriert werden.
  • Mit einem Zyklisierungsreaktor ist ein Reaktor gemeint, in welchem eine offenkettige Verbindung in eine Verbindung umgewandelt wird, welche einen Ring enthält, ein als Zyklisierung bezeichnetes Verfahren. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird 6-Aminocapronsäure, 6-Aminocapronatester und/oder 6-Aminocapronamid in der Gegenwart von überhitztem Dampf in einen gasförmigen Produktdampf, welcher ε-Caprolactam umfasst, zyklisiert.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einem Reaktor durchgeführt werden, welcher mit einem Einlass für die Ausgangsverbindung(en), einem Auslass für das Dampf/ε-Caprolactam-Produkt und einer Vorrichtung zum Zuführen von Dampf derart ausgestattet ist, dass der Dampf mit dem Ausgangsmaterial in Kontakt gebracht wird. Der Reaktor ist gegebenenfalls mit einer Heizvorrichtung und gegebenenfalls mit einer Mischvorrichtung ausgestattet. Die Ausgangsverbindung und der Dampf können kontinuierlich zu diesem Reaktor beschickt werden. Ein möglicher Reaktor ist ein Fließbettreaktor bzw. Wirbelschichtreaktor, welcher inerte Teilchen enthält, wobei das Bett durch den Dampf im Fluss gehalten wird. Ein weiteres Beispiel für einen Reaktor ist ein horizontaler Röhrenreaktor mit einer rotierenden Achse, auf welcher Achsenvorrichtungen zum Mischen und/oder Transport vorhanden sind. Es sind möglicherweise ebenso Vorrichtungen vorhanden, welche das Verschmutzen der inneren Gefäßwand verhindern und eine optimale Dampf/Substrat-Kontaktfläche für den Massetransfer fördern.
  • Beispiele geeigneter Zyklisierungsreaktoren sind ein Füllturm-artiger Reaktor, ein- oder mehrstufige Blasensäulen oder ein Mehrröhrenreaktor. Wenn der Zyklisierungsreaktor aus zwei oder mehr Reaktorgefäßen in Serie besteht, wird der Strom höhersiedender Komponenten oder der Bodenstrom vorzugsweise von dem Austreiber bzw. Stripper zu dem letzten Reaktorgefäß beschickt.
  • Ein mögliches erfindungsgemäßes Verfahren ist schematisch in 1 dargestellt.
  • In dem Zyklisierungsreaktor (1) wird der gasförmige Strom (1a), welcher ε-Caprolactam, Dampf, leichtsiedende Komponenten und höhersiedende Komponenten umfasst, erhalten.
  • Die Ausgangsgemische, welche 6-Aminocapronsäure, 6-Aminocapronatester, 6-Aminocapronamid, Oligomere von diesen Verbindungen und/oder Polymere von diesen Verbindungen umfassen, können durch verschiedene Verfahren erhalten werden. Beispielsweise wird in US-A-4,730,040 ein Verfahren beschrieben, in welchem ausgehend von 5-Formylvaleratester ein wässeriges Gemisch erhalten wird, welches 6-Aminocapronsäure und etwas ε-Caprolactam enthält. Weiter ist in EP-A-729 943 ein Verfahren beschrieben, in welchem ebenfalls ausgehend von 5-Formylvaleratester ein wässeriges Gemisch erhalten wird, welches 6-Aminocapronsäure, 6-Aminocapronamid und ε-Caprolactam enthält. US-A-5,068,398 beschreibt ein Verfahren, in welchem ausgehend von einem 5-Formylvaleratester ein wässeriges Gemisch erhalten wird, welches 6-Aminocapronatester und etwas ε-Caprolactam enthält.
  • Andere Beispiele für Ausgangsgemische, welche in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden können, sind Polycaprolactam-Verarbeitungsabfall, Polycaprolactam-Teppichabfall und/oder Polycaprolactam-Extraktionswaschwasser.
  • Die Ausgangsverbindung oder das Gemisch von Ausgangsverbindungen, welche durch die vorstehend beschriebenen Verfahren erhältlich sind, werden vorzugsweise mit dem überhitzten Dampf als eine Flüssigkeit, beispielsweise als eine Schmelze, in Kontakt gebracht.
  • Polycaprolactam-Abfall wird vorzugsweise zu dem Reaktor als eine Schmelze beschickt. Dieses Beschicken kann unter Verwendung eines Extruders, einer Zahnradpumpe oder anderen im Stand der Technik bekannten Vorrichtungen erreicht werden.
  • Ausgangsgemische können auch ausgehend von 6-Aminocapronitril erhalten werden, wie beispielsweise in WO-A-9837063 beschrieben.
  • Die Zyklisierung wird vorzugsweise wie in WO-A-9837063 beschrieben durchgeführt.
  • Die ε-Caprolactamströme, welche sich aus dem erfindungsgemäßen Verfahren ergeben, können mittels herkömmlicher Techniken gereinigt werden. Vorteilhafterweise wird das Caprolactam durch ein Kristallisationsverfahren gereinigt.
  • Die Reinigung von ε-Caprolactam durch Kristallisation kann in den folgenden Schritten durchgeführt werden:
    • e) der Caprolactamstrom (5t) wird als ein flüssiger ε-Caprolactamstrom in einen Kristallisator (6) beschickt, in welchem die Bedingungen derart eingestellt sind, dass ε-Caprolactamkristalle und eine Mutterlauge bzw. Mutterflüssigkeit gebildet werden (Strom (6a)),
    • f) der Strom (6a) wird von dem Kristallisator zu einem Separator (7) beschickt und zu gereinigtem ε-Caprolactam (7a) und einer Mutterlauge (7b) aufgespalten,
    • g) die Mutterlauge (7b) wird zu dem Kristallisator (6) rückgeführt.
  • Vorzugsweise wird ein Teil der Mutterlauge (7b) ausgewaschen und die Auswaschung zu der Destillationskolonne (3) oder zu der Destillationskolonne (4) rückgeführt.
  • Der Kristallisator (6) wird derart betrieben, dass die Kristallisation des ε-Caprolactams durch Kühlen erfolgt. In dem Kristallisator (6) werden relativ reine ε-Caprolactamkristalle (feste Phase) und eine Mutterlauge, welche ε-Caprolactam, Verunreinigungen und gegebenenfalls Lösungsmittel umfasst (flüssige oder Schmelzphase), gebildet. Die feste Phase in dem Kristallisator kann abhängig von der Weise, wie die Kristallisation durchgeführt wird, eine unterschiedliche Erscheinung aufweisen. Die Kristallisation kann in dem Kristallisator (6) beispielsweise entweder durch Abkühlen über eine wärmeaustauschende Oberfläche (Suspensions- oder Schichtkristallisation) oder durch adiabatisches Abkühlen durch Evaporation bzw. Verdampfung eines Teils des Inhalts des Kristallisators, beispielsweise eines Lösungsmittels, unter reduziertem Druck (Kristallisation in Suspension) durchgeführt werden. Das Verfahren, bei welchem die Kristallisation durch Abkühlen unter reduziertem Druck induziert wird, ist bevorzugt, da keine Kristallisation auf inneren Oberflächen des Kristallisators auftritt. Bei dem Abkühlen unter reduziertem Druck kann der kondensierte Dampf von dem Kristallisator vollständig oder teilweise zu dem In halt des Kristallisators zurückgeführt werden oder nicht. Vorzugsweise wird der Kristallisator durch Verdampfen des Lösungsmittels unter reduziertem Druck betrieben.
  • Vorzugsweise liegt Lösungsmittel in dem Gemisch in dem Kristallisator vor, obwohl die Kristallisation auch ohne Lösungmittel durchgeführt werden kann. Viele Lösungsmittel sind geeignet. Beispiele für geeignete Lösungsmittel sind Wasser, Alkane (wie n-Hexan, n-Heptan, iso-Octan, Cyclohexan), Alkohole (wie Methanol, Ethanol, n-Propanol, Butanol), aromatische Kohlenwasserstoffe (wie Benzol, Toluol, oXylol, m-Xylol, p-Xylol), Ammoniak, chlorierte Kohlenwasserstoffe (wie Tetrachlorkohlenstoff, Chloroform oder Ethylchlorid), Ketone (wie Aceton oder Methylethylketon) und Ester (wie Ethylacetat). Vorzugsweise werden Wasser und aromatische Kohlenwasserstoffe als Lösungsmittel verwendet, da diese Lösungsmittel große Kristalle ergeben. Am meisten bevorzugt ist Wasser als Lösungsmittel. Das Lösungsmittel wirkt als Gefrierpunktserniedriger für die Schmelze in dem Kristallisator.
  • Die Konzentration des Lösungsmittels in der Schmelze in dem Kristallisator hängt von dem Lösungmittel, den Mengen an Verunreinigungen in dem Beschickungs-ε-Caprolactam und der Weise, in welcher das Abkühlen in dem Kristallisator durchgeführt wird, ab. Mit dem bevorzugten Lösungsmittel Wasser und dem Abkühlen unter reduziertem Druck ist die Konzentration von Wasser in der Schmelze üblicherweise unterhalb von 20 Gew.-%, vorzugsweise 1 bis 15 Gew.-% und mehr bevorzugt von 2 bis 10 Gew.-%.
  • Ein Lösungsmittelstrom kann direkt zu dem Kristallisator beschickt werden und/oder mit dem flüssigen rohen ε-Caprolactam-Beschickungsstrom gemischt werden, bevor er zu dem Kristallisator beschickt wird.
  • Die Temperatur des Gemisches in dem Kristallisator hängt von der Gegenwart und der Konzentration von Lösungsmittel und Verunreinigungen in dem Gemisch ab, ist aber höchstens 69°C, was der Schmelzpunkt von reinem ε-Caprolactam ist. Vorzugsweise ist die Temperatur des Gemisches in dem Kristallisator 20 bis 69°C, bevorzugter 35 bis 67°C. Der Kristallisator kann chargenweise oder kontinuierlich betrieben werden. Vorzugsweise wird der Kristallisator kontinuierlich betrieben.
  • Der Separator (7) kann jedweder Separator sein, der in der Lage ist, Kristalle von der Mutterlauge abzutrennen, z.B. ein Filter, der unter Kräften wie Schwerkraft, reduziertem Druck, erhöhtem Druck arbeitet, oder eine Zentrifuge. Verschiedene Arten an Filtern oder Zentrifugen können verwendet werden. In diesen Separatoren ist während oder nach der Abtrennung Waschen der Kristalle möglich und bevorzugt. Der Separator (7) ist beispielsweise ein horizontaler Vakuumbandfilter. Diese Art von Fest-Flüssig-Separator weist eine ausgezeichnete Wascheffizienz auf. Ein weiteres Beispiel eines Separators ist eine Kristallwaschkolonne, in welcher die Kristalle zu einem Füllbett bzw. Füllkörper verdichtet werden, wobei das Bett durch Schwerkraft, hydraulischen Druck oder eine mechanische Vorrichtung transportiert wird. Ein Beispiel für eine Kristallwaschkolonne, in welcher das Kristallbett mit einer mechanischen Vorrichtung transportiert wird, ist ein Niro-Schrauben-artiges Waschkolonnensystem, wie beispielsweise in „European Chemical News", 30. Juni bis 6. Juli 1997, Seite 23 beschrieben. Eine Kristallwaschkolonne hat den Vorteil, dass eine wirksame Abtrennung der ε-Caprolactamkristalle von der Mutterlauge erreicht wird und gleichzeitig sehr wirksames Waschen der Kristalle durchgeführt wird. Eine bevorzugtere Kristallwaschkolonne ist die sogenannte hydraulische TNO-Thijssen-Waschkolonne, wie in „Improved procedures for separating crystals for the melt", D. Verdoes, G.J. Arkenbout et al., Applied Thermal Engineering, 17 (8–10), 1997, 879–888 beschrieben.
  • In der hydraulischen TNO-Thijssen-Waschkolonne werden die gereinigten ε-Caprolactamkristalle von dem Kristallbett entfernt und anschließend durch einen Wärmeaustauscher geschmolzen. Ein Teil der geschmolzenen ε-Capro-lactamkristalle wird zu der Kristallwaschkolonne als Waschflüssigkeit rückgeführt. Die ε-Caprolactam-Waschflüssigkeit kristallisiert schließlich auf der Oberfläche der in der sogenannten Waschfront vorhandenen ε-Caprolactamkristalle. Dies ist vorteilhaft, da mit einer minimalen Menge an Waschflüssigkeit eine sehr wirksame Abtrennung der ε-Caprolactamkristalle von der Mutterlauge und gleichzeitig eine hohe Wascheffizienz der ε-Caprolactamkristalle erreicht werden kann. In der hydraulischen TNO-Thijssen-Waschkolonne wird das gereinigte ε-Caprolactam als eine flüssige Schmelze erhal ten (Strom 7a).
  • Vorteilhafterweise wird das gereinigte ε-Caprolactam (7a) aus dem Separator (7) in einem zweiten Kristallisationsschritt (Kristallisator (8)) weiter gereinigt, gefolgt durch einen zweiten Abtrennungs/Waschschritt (Separator (9)) der ε-Caprolactamkristalle. Dieser zweite Kristallisationsschritt kann in ähnlicher Weise wie der erste Kristallisationsschritt durchgeführt werden. Die Trennung und das wirksamen Waschen der ε-Caprolactamkristalle von der Mutterlauge kann in einer Fest-Flüssig-Separatorausstattung, wie für den Abtrenn/Waschschritt (7) beschrieben, durchgeführt werden. Vorzugsweise wird der den zweiten Kristallisator (8) verlassende Strom (8a), welcher ε-Caprolactamkristalle und eine Mutterlauge umfasst, zu einer zweiten Kristallwaschkolonne (9) beschickt und in eine Mutterlauge und gereinigtes ε-Caprolactam aufgespalten. Die Mutterlauge wird zu dem Kristallisator (8) rückgeführt. Vorzugsweise wird ein Teil der Mutterlauge zu dem ersten Kristallisator (6) rückgeführt. Fall notwendig, sind zusätzliche Kristallisationsschritte und Abtrenn/Waschschritte möglich.
  • Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele erklärt, es ist jedoch nicht beabsichtigt, dass diese den Bereich der Erfindung in irgendeiner Weise einschränken.
  • Beispiel I
  • Ein 500 ml Autoklav mit einem Turbinenrührer wurde kontinuierlich mit einem konzentrierten organischen Substratgemisch aus ε-Caprolactamvorläufern und Dampf beschickt. Die Zusammensetzung des organischen Beschickungsgemisch war (Gew.-%) 33,9 ε-Caprolactam, 10,9% 6-Aminocapronsäure, 38,3% 6-Aminocapronamid, 13,6% Nylon-6-Oligomere und 3,3% Wasser. Der Autoklav wurde zunächst mit 61 g des gleichen organischen Beschickungsgemisch beschickt. Nach dem Spülen mit Stickstoff und dem Einstellen des Druckventils derart, dass der Druck in dem Reaktor 1,2 MPa betrug, wurde die Temperatur auf 300°C erhöht. Gleichzeitig wurde die kontinuierliche Beschickung des organischen Gemisches mit einer Geschwindigkeit von 38 g/h und die Dampfbeschickung mit einer Geschwindig keit von 222 g/h begonnen. Der ε-Caprolactamgehalt der Produktphase wurde kontinuierlich analysiert. Nach ungefähr 10 h wurde ein stationärer Zustand bei einer ε-Caprolactamkonzentration in dem Kondensat von 12,9 Gew.-% erreicht. Der Reaktorinhalt betrug in dem stationären Zustand ungefähr 100 g, vorliegend als Oligomere von ε-Caprolactam und 6-Aminocapronsäure.
  • Nach 29 h wurde die Beschickungsgeschwindigkeit auf 57 g/h an organischer Beschickung und 333 g/h an Dampf erhöht. An diesem Punkt des kontinuierlichen Laufs betrug der Gesamtumsatz des zu dem Reaktor beschickten ε-Caprolactamvorläufers ungefähr 91 %.
  • Nach weiteren 10 h betrug die ε-Caprolactamkonzentration in dem kondensierten Dampf 12,9%, was daraufhin deutet, dass der stationäre Zustand erneut erreicht war. Der Reaktorinhalt in den neuen stationären Zustandsbedingungen betrug ungefähr 140 g. Die Reaktion wurde für insgesamt 54 h fortgeführt. Der Gesamtumsatz der zu dem Reaktor beschickten ε-Caprolactamvorläufer betrug insgesamt 94,4% am Ende des Laufs. Anschließend wurde die Substratbeschickung beendet und der Lauf wurde im Chargenmodus mit einer Dampfbeschickung von 390 g/h fortgesetzt. Nach 7 h enthielt der kondensiert Dampf ungefähr 120 g an ε-Caprolactam. Der Autoklav enthielt 7 g an Rückstand, was einem Gesamtumsatz von 99,7% der organischen Beschickung entspricht. Insgesamt wurden 17700 g eines wässerigen Produktgemisches erhalten, welches ungefähr 12,9 Gew.-% ε-Caprolactam enthielt. Anschließend wurde der Überschuss an Wasser unter Verwendung eines Rotationsverdampfers bei einem Druck von 10,5 kPa und einer Wasserbadtemperatur von 60°C verdampft, was 3130 g 72,8 Gew.-% wässeriger ε-Caprolactamlösung ergab. Die Zusammensetzung dieses Produktes wurde unter Verwendung von HPLC- und GC-MS-Verfahren analysiert. Mit Ausnahme von Wasser enthielt das Produkt 98,0 Gew.-% ε-Caprolactam. Es waren ungefähr 0,9% an leichtsiedenden Verunreinigungen und 1,1 Gew.-% an höhersiedenden Verunreinigungen vorhanden. Anschließend wurde das verbleibende Wasser, die verbleibenden leichtsiedenden Komponenten und höhersiedenden Komponenten erfolgreich durch Chargendestillation des Produktes in drei separaten Destillationsstufen unter Verwendung einer Labor- Vigreuxkolonne enfernt.
  • Während der ersten Stufe wurde hauptsächlich Wasser bei einem Kolonnendruck entfernt, der allmählich von 8 auf 0,2 kPa verringert wurde, und wobei die Bodentemperatur von 62 auf 85°C erhöht wurde. In der zweiten Stufe wurde die leichtsiedende Fraktion bei einem Kolonnendruck von 0,3 kPa und einer Bodentemperatur, die allmählich von 91 auf 122°C erhöht wurde, abdestilliert. Am Ende dieser Stufe wurden ungefähr 3% des ε-Caprolactams in den leichtsiedenden Fraktionen gesammelt.
  • In der dritten Stufe wurden 2150 g (95,1%) des ε-Caprolactams bei einem Druck von 0,1 KPa und einer Bodentemperatur, welche allmählich von 120 auf 140°C anstieg, überdestilliert. Am Ende dieser Stufe wurden 68 g an Rückstand gesammelt. Gemäß der Massenbilanz endeten 1,7% des ursprünglichen ε-Caprolactams in diesen höhersiedenden Rückständen, was ungefähr 60% des Gesamtgewichts dieser Rückstandsfraktion entspricht. Anschließend wurde der Rückstand höhersiedender Komponenten als Substrat in dem folgenden Chargenexperiment verwendet:
    Ein 500 ml Autoklav mit einem Turbinenrührer wurde mit dem Rückstand höhersiedender Komponenten befüllt. Der Autoklav wurde anschließend mit Stickstoff gespült und ein Druckventil wurde derart eingestellt, dass der Druck in dem Reaktor bei 1,2 MPa gehalten wurde. Als die Temperatur 300°C erreichte, wurde ein Dampffluss mit einer Geschwindigkeit von 300 g/h begonnen. Der ε-Caprolactam-haltige Dampf, welcher den Reaktor verließ, wurde kondensiert und analysiert. Nach 5 h enthielt der kondensierte Dampf ungefähr 62 g ε-Caprolactam, was einem praktisch vollständigen Umsatz von ε-Caprolactamvorläufern zu ε-Caprolactam entspricht.
  • Die sich ergebenden ungefähr 2 g an Rückstand ergaben kein weiteres ε-Caprolactam bei verlängerter Reaktion.
  • Beispiel II
  • Beispiel I wurde wiederholt, außer dass die Beschickung aus gesponnenen Nylon-6 Chips bestand. 100,1 g an gesponnenen Nylon-6 Chips (Typ GL 1030, Größe 2,0 × 3,0 mm (d × L)) wurden in den Autoklav beschickt. Der Autoklav wurde anschließend mit Stickstoff gespült und ein Druckventil wurde derart eingestellt, dass der Druck in dem Reaktor bei 1,2 MPa gehalten wurde. Als die Temperatur 300°C erreichte, wurde ein Dampffluss mit einer Geschwindigkeit von 260 g/h begonnen.
  • Der ε-Caprolactam-haltige Dampf, welcher den Reaktor verließ, wurde kondensiert und analysiert. Nach 5 h enthielt der kondensierte Dampf insgesamt 98 g g ε-Caprolactam, was einer Ausbeute von 98% entspricht. Der Autoklav war bei visueller Besichtigung praktisch leer.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Herstellung von ε-Caprolactam, umfassend das Behandeln von 6-Aminocapronsäure, 6-Aminocapronatester, 6-Aminocapronamid, Oligomeren oder Polymeren von diesen Verbindungen oder Gemischen, umfassend mindestens zwei von diesen Verbindungen, in einem Zyklisierungsreaktor in der Gegenwart von überhitztem Dampf, worin ein gasförmiger Produktstrom, umfassend ε-Caprolactam, Dampf, leichtsiedende Komponenten und höhersiedende Komponenten, erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Produktstrom nach Kondensation und mindestens teilweiser Entfernung von Wasser und leichtsiedenden Komponenten in einen ε-Caprolactamstrom und einen höhersiedenden Strom, enthaltend höhersiedende Komponenten und ε-Caprolactam, aufgespalten wird, und der höhersiedende Strom zu dem Zyklisierungsreaktor rückgeführt wird, wovon der Produktstrom abgeleitet wird, und die Kondensation und die mindestens teilweise Entfernung von Wasser, leichtsiedenden Komponenten und höhersiedenden Komponenten von dem Produktstrom in den folgenden Schritten durchgeführt wird: a) der Produktstrom wird zu einer teilweisen Kondensationseinheit (2) beschickt und in einen Oberstrom, umfassend Dampf (2t), und einen flüssigen Bodenstrom (2b), umfassend ε-Caprolactam, Wasser, leichtsiedende Komponenten und höhersiedende Komponenten, aufgespalten; b) der Bodenstrom (2b) wird zu einer Destillationskolonne (3) beschickt, wovon der Oberstrom (3t) hauptsächlich Wasser ist und der Bodenstrom (3b) ε-Caprolactam, leichtsiedende Komponenten und höhersiedende Komponenten umfaßt; c) der Bodenstrom (3b) wird zu einer Vakuumdestillationskolonne (4) beschickt, wovon der Oberstrom (4t) hauptsächlich leichtsiedende Komponenten ist und der Bodenstrom (4b) ε-Caprolactam und höhersiedende Komponenten umfaßt; d) der Bodenstrom (4b) wird zu einer Vakuumdestillationskolonne (5) beschickt, wovon der Oberstrom (5t) der ε-Caprolactamstrom ist und der Bodenstrom (5b) der höhersiedende Strom ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ε-Caprolactamstrom unter Verwendung eines Kristallisationsverfahrens gereinigt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reinigung von ε-Caprolactam in den folgenden Schritten durchgeführt wird: e) der Caprolactamstrom (5t) wird als ein flüssiger ε-Caprolactamstrom in einen Kristallisator (6) beschickt, worin die Bedingungen derart eingestellt sind, daß ε-Caprolactamkristalle und eine Mutterflüssigkeit gebildet werden (Strom (6a)), f) der Strom (6a) wird von dem Kristallisator zu einem Separator (7) beschickt und zu gereinigtem ε-Caprolactam (7a) und einer Mutterflüssigkeit (7b) aufgespalten, g) die Mutterflüssigkeit (7b) wird zu dem Kristallisator (6) rückgeführt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Mutterflüssigkeit (7b) ausgewaschen wird und die Auswaschung zu der Destillationskolonne (3) oder zu der Destillationskolonne (4) rückgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3–4, dadurch gekennzeichnet, daß der Separator (7) eine Kristallwaschkolonne ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallwaschkolonne eine hydraulische Waschkolonne ist, worin die gereinigten ε-Caprolactamkristalle von dem Kristallbett entfernt werden, nachfolgend durch einen Wärmeaustauscher geschmolzen werden, und ein Teil des geschmolzenen ε-Caprolactams zu der Waschkolonne als Waschflüssigkeit rückgeführt wird.
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