DE69908607T3

DE69908607T3 - Verfahren zur lactamentwässerung

Info

Publication number: DE69908607T3
Application number: DE69908607T
Authority: DE
Inventors: Gerald Bocquenet; Yves Courtemanche; Patrick Houssier
Original assignee: Rhodia Polyamide Intermediates SAS
Current assignee: Rhodia Polyamide Intermediates SAS
Priority date: 1998-07-28
Filing date: 1999-07-15
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2019-07-16
Also published as: TWI225049B; KR20010071038A; PL345691A1; RU2186060C1; ATE242210T1; SK1312001A3; BR9912484B1; WO2000006540A1; ID28445A; US6635151B1; CN1318049A; KR100430302B1; EP1105374B2; UA58609C2; EP1105374A1; DE69908607T2; FR2781796A1; EP1105374B1; FR2781796B1; DE69908607D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von Wasser aus einer wässrigen Laktamlösung.
Sie wird spezieller auf ein Gemisch, das aus der Reaktion zwischen einem Aminonitril und Wasser (Reaktion, die auch cyclisierende Hydrolyse genannt wird) hervorgegangen ist, angewandt.
Bei der cyclisierenden Hydrolyse eines Aminonitrils zur Bildung eines Laktams bildet sich auch ein Ammoniakmolekül pro Laktammolekül. Am Ende der Reaktion enthält das Reaktionsgemisch also wenigstens das erzeugte Laktam, Wasser im Überschuss und Ammoniak.
Es kann geringfügige Mengen an nicht umgesetztem Aminonitril oder etwaige Nebenprodukte der Reaktion enthalten.
Es kann auch ein Lösungsmittel, das gegebenenfalls bei der Reaktion der cyclisierenden Hydrolyse eingesetzt, umfassen.
Die cyclisierende Hydrolyse kann in der Gasphase oder in flüssiger Phase durchgeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf die Gemische angewandt werden, die aus der einen oder der anderen dieser Herstellungsarten hervorgegangen sind.
Für die Beschreibung der verschiedenen Verfahren zur Herstellung von Laktam durch cyclisierende Hydrolyse eines Aminonitrils kann man sich beispielsweise auf die Patentschrift EP-A-0 659 741 oder auf die internationale Patentanmeldung WO-A-96/22974 oder auch auf die internationalen Patentanmeldungen WO-A-95/14664 und 95/14665 und US-A-5693793 beziehen.
Die zur Herstellung der Laktame verwendeten Aminonitrile sind spezieller die Aminonitrile mit 4 bis 12 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise die linearen oder verzweigten aliphatischen Aminonitrile.
Als Beispiele für solche Aminonitrile kann man diejenigen anführen, die der Hydrierung einer der beiden Nitrilfunktionen der Dinitrile, wie Adiponitril, Methylglutaronitril, Ethylsuccinonitril, Dimethylsuccinonitril, Succinonitril, Glutaronitril, Dodecandinitril, zu einer primären Aminfunktion entstammen.
Unter den Lösungen, die aus der cyclisierenden Hydrolyse von Aminonitril zu Laktam hervorgegangen sind, sind diejenigen, die der Herstellung des Caprolaktams aus 6-Aminocapronitril und Wasser entsprechen, die auf industrieller Ebene bedeutendsten, denn das Caprolaktam führt durch Polymerisation zum Polyamid 6.
GB-A-990124 beschreibt ein Verfahren zur Reinigung von ε-Caprolaktam, das aus der Beckmann-Umlagerung hervorgegangen ist, durch Destillation bei einem pH von 3,2-4,2.
Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich folglich spezieller auf die Destillation von Wasser aus wässrigen Caprolaktamlösungen, aber diese Destillation kann auf die wässrigen Lösungen anderer Laktame übertragen werden.
Zuvor ist es notwendig, den bei der Umsetzung gebildeten Ammoniak im Allgemeinen durch Destillation abgetrennt zu haben.
Eine Art zur Abtrennung von Wasser, die ins Auge gefasst werden kann, besteht darin, das Wasser unter einem verminderten Druck (beispielsweise kleiner oder gleich 20 mbar absolut) zu destillieren, so dass man 145 °C am Kolonnenfuß nicht überschreitet.
Ein solches Verfahren setzt voraus, das destillierte Wasser somit durch ein Zirkulieren einer Flüssigkeit (wie Wasser) bei einer Temperatur niedriger oder gleich 15 °C zu kondensieren. Als Beispiel benötigt dies die Gegenwart eines Kühlaggregats mit einer Leistung von etwa 1,2 Megawatt, um eine wässrige Laktamlösung mit einer Gewichtskonzentration von etwa 60 % an gelöstem Stoff in der Größenordnung von 8 Tonnen/Stunde zu behandeln.
Die vorliegende Erfindung hat ein Verfahren zur Abtrennung von Wasser (das man auch Entwässerung nennen kann) aus einer wässrigen Laktamlösung zum Gegenstand, ein Verfahren, das sowohl auf der Ebene der Investition, die zu seiner Durchführung notwendig ist, als auch auf der Ebene der verbrauchten Energie ökonomischer ist.
Sie besteht genauer aus einem Verfahren zur Abtrennung von Wasser aus einer wässrigen Laktamlösung, dadurch gekennzeichnet, dass:

– man das Wasser in einer ersten Destillationskolonne, indem man eine Temperatur am Fuß niedriger oder gleich 160 °C und vorzugsweise niedriger oder gleich 145 °C aufrechterhält, und unter einem absoluten Druck von 50 Millibar bis 200 Millibar destilliert, wobei das Destillat bei einer Temperatur von 30 °C bis 60 °C mit einem Kühlmittelsystem kondensiert wird;
– mit dem am Fuß verbleibenden Laktam sodann in einer zweiten Destillationskolonne eine Destillation unter Auftrechterhalten einer Temperatur am Fuß niedriger oder gleich 160 °C und unter einem Druck von 10 Millibar bis 45 Millibar durchgeführt wird;
– das Laktamspuren enthaltende Wasser, das in der zweiten Kolonne destilliert wird, in Form von Dampf bei einer Temperatur höher oder gleich 70 °C gewonnen und in die erste Kolonne zurückgeführt wird.

Wenn man gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgeht, ist es nicht notwendig, über ein Kühlaggregat zu verfügen, um das Wasser am Kopf der ersten Kolonne zu kondensieren.
Das Laktamspuren enthaltende Wasser, das in der zweiten Kolonne destilliert wird, wird in die erste Destillationskolonne zurückgeführt. Dieses Zurückführen kann nach einer Kondensation des Wassers beim Druck der zweiten Kolonne, also zwischen 10 und 45 Millibar absolut, entsprechend einer Temperatur von 5 °C bis 30 °C, durchgeführt werden. Aber eine solche Variante benötigt nur ein Kühlaggregat mit einer etwa 100 bis 200 Mal geringeren Leistung als diejenige des Kühlaggregats, das im Rahmen einer Destillation mit einer einzigen Kolonne notwendig gewesen wäre.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Laktamspuren enthaltende Wasser, das in der zweiten Kolonne destilliert wird, mit einer Dampfstrahlpumpe bis auf einen Druck komprimiert der es ermöglicht, seine Kondensation bei einer Temperatur höher als 15 °C durch ein gebräuchliches Kühlmittel, wie Umgebungsluft oder Wasser bei Raumtemperatur, durchzuführen. In diesem Fall darf der Förderdruck der Dampfstrahlpumpen höchstens gleich dem Druck der ersten Kolonne sein, zweckmäßigerweise von 25 Millibar absolut bis 50 bis 200 Millibar absolut, dem Druck der ersten Kolonne. Bei dieser Ausführungsform werden die Kühlaggregate weggelassen.
Insgesamt ist das vorliegende Verfahren für eine gleiche Destillationskapazität an wässriger Laktamlösung durch einen viel geringeren Gesamtenergieverbrauch gekennzeichnet, den man in einen 100 bis 200 Mal geringeren Elektrizitätsverbrauch, wie zuvor angegeben, und einen zusätzlichen Verbrauch an Energie in Form von Wasserdampf zum Erhitzen der zweiten Kolonne, der nur ungefähr weniger als 15 % des erreichten Gewinns an Energie in Form von Elektrizität darstellt, zerlegen kann.
Das am Kopf der ersten Kolonne gewonnene Wasser wird bei dem Druck dieser Kolonne kondensiert, das heißt zwischen 50 Millibar und 200 Millibar, entsprechend einer Temperatur zwischen 35 und 60 °C, die mit den meisten, allgemein verwendeten Kühlmitteln, wie Umgebungsluft oder Wasser, das aus Flüssen oder Kühltürmen stammt, vereinbar ist.
Das am Kopf der zweiten Kolonne gewonnene Wasser kann bei etwa 70 °C teilweise kondensiert werden, bevor es vollständig kondensiert wird und dann wieder in die erste Kolonne gelangt. Diese Anordnung ermöglicht es, die unter besonderen Bedingungen zu kondensierende Menge an Wasser zu begrenzen und folglich die zur Ausführung dieses Arbeitsschritts notwendige Energiemenge zu vermindern.
Vor dem Zurückführen dieses kondensierten Wassers in die erste Kolonne kann es zweckmäßig sein, eine bestimmte Menge an Wasser zuzufügen, um die Konzentration an Caprolaktam zu verringern und sein Ausfällen zu vermeiden.
Des Weiteren ist trotz der Notwendigkeit einer zusätzlichen Kolonne die notwendige Investition bei gleicher Produktion bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ebenfalls geringer als bei einem Verfahren, das mit einer einzigen Kolonne durchgeführt wird, wegen der bei diesem letzteren Verfahren notwendigen beträchtlichen Kühlleistung.
Die wässrige Laktamlösung, vorzugsweise von Caprolaktam, aus der der Ammoniak entfernt wurde, hat eine Laktamkonzentration, die je nach den Herstellungsbedingungen des Laktams, insbesondere dem Anfangsmolverhältnis Wasser/Aminonitril, der Gegenwart oder Abwesenheit eines organischen Lösungsmittels, weit variiert. Die Laktamkonzentration kann im Allgemeinen von 5 Gew.-% bis 80 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Lösung, und vorzugsweise von 20 % bis 75 % variieren.
Da das zu destillierende Wasser physikalische Eigenschaften aufweist, die sich sehr von dem Laktam, von dem es abgetrennt werden soll, unterscheiden, ist es nicht notwendig, Destillationskolonnen zu verwenden, die eine sehr große Anzahl an theoretischen Böden aufweisen.
Kolonnen, insbesondere mit Füllkörpern, mit wenigstens zwei theoretischen Böden eignen sich sehr gut für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Beispielsweise können Kolonnen mit einer Anzahl an theoretischen Böden von 2 bis 10 verwendet werden. Die verwendeten Füllkörper können vom Typ schüttbare Füllkörper oder Einsatzfüllkörper sein, wie von den verschiedenen Herstellern vorgeschlagen und fachgemäß bemessen. Es ist ebenso möglich, Bodenkolonnen mit gleicher Leistungsfähigkeit zu verwenden, obwohl dies hinsichtlich des Druckabfalls von geringerem Interesse ist.
Das Verfahren der Erfindung schließt die Möglichkeit, die Abtrennung von Wasser aus der wässrigen Laktamlösung unter Verwendung von mehr als zwei Kolonnen durchzuführen, nicht aus.
Aber im Allgemeinen ist dies nicht von Nutzen und des Weiteren wären die ökonomischen Vorteile, die das vorstehend beschriebene Verfahren erbringt, geringer, wenn man die Anzahl an Kolonnen zur Destillation zu sehr erhöhen würde. Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Erfindung.
BEISPIEL 1 Destillation mit zwei Kolonnen in Reihe, die bei unterschiedlichen Drücken betrieben werden
Destillation einer wässrigen Caprolaktamlösung mit der folgenden Zusammensetzung:

– Wasser: 40 Gew.-%
– Caprolaktam: 60 Gew.-%.

Die Merkmale der ersten Destillationskolonne sind wie folgt:

– Anzahl an Destillationsstufen (theoretische Böden): 4
– Rücklaufverhältnis: 0,1
– Absoluter Arbeitsdruck am Kopf: 0,13 bar
– Temperatur am Kopf: 50 °C
– Temperatur am Fuß: 135 °C
– Wärmebelastung des Siedekessels: 3,9 Gcal/h
– Wärmebelastung des Kühlers: 3,6 Gcal/h.

Die Merkmale der zweiten Destillationskolonne sind die folgenden:

– Anzahl an Destillationsstufen (theoretische Böden): 3
– Absoluter Arbeitsdruck am Kopf: 0,025 bar
– Temperatur am Kopf: 130 °C
– Temperatur am Fuß: 145 °C
– Wärmebelastung des Siedekessels: 0,08 Gcal/h
– Wärmebelastung des Teilkühlers, temperiert auf 70 °C: 0,02 Gcal/h
– Wärmebelastung des Kühlers des Wassers, das in die erste Kolonne zurückzuführen ist: 0,02 Gcal/h
– verbrauchte Leistung des Kühlaggregats zum Kondensieren des Wassers am Kopf der zweiten Kolonne: 10 kW bei einer Kondensation bei 35 °C.

Das von seinem Wasser befreite Caprolaktam, das in diesem Beispiel erhalten wurde, hat die folgende Zusammensetzung:

– Wasser: 0,010 Gew.-%
– Caprolaktam: 99,990 Gew.-%.

VERGLEICHSVERSUCH: herkömmliche Destillation mit Kühlaggregat am Kopf
Destillation eines Produkts mit der folgenden Zusammensetzung:

– Wasser: 40 Gew.-%
– Caprolaktam: 60 Gew.-%.

Die Merkmale der Destillationskolonne sind wie folgt:

– Anzahl an Destillationsstufen: 4
– Rücklaufverhältnis: 0,1
– Absoluter Arbeitsdruck am Kopf: 0,015 bar
– Temperatur am Kopf: 13 °C
– Temperatur am Fuß: 140 °C
– Wärmebelastung des Siedekessels: 3,6 Gcal/h
– Wärmebelastung des Kühlers: 3,4 Gcal/h
– verbrauchte Leistung des Kühlaggregats: 1 200 kW bei einer Kondensation bei 35 °C.

Das von seinem Wasser befreite Caprolaktam, das in dem Vergleichsversuch erhalten wurde, hat die folgende Zusammensetzung:

– Wasser: 0,004 Gew.-%
– Caprolaktam: 99,996 Gew.-%.

Claims

Verfahren zur Abtrennung von Wasser aus einer wässrigen Laktamlösung, dadurch gekennzeichnet, dass: – man das Wasser in einer ersten Destillationskolonne, indem man eine Temperatur am Fuß niedriger oder gleich 160 °C aufrechterhält, und unter einem absoluten Druck von 50 Millibar bis 200 Millibar destilliert, wobei das Destillat bei einer Temperatur von 30 °C bis 60 °C mit einem Kühlmittel kondensiert wird, – mit dem am Fuß verbleibenden Laktam sodann in einer zweiten Destillationskolonne eine Destillation unter Auftrechterhalten einer Temperatur am Fuß niedriger oder gleich 160 °C und unter einem Druck von 10 Millibar bis 45 Millibar durchgeführt wird, – das Laktamspuren enthaltende Wasser, das in der zweiten Kolonne destilliert wird, in Form von Dampf bei einer Temperatur höher oder gleich 70 °C gewonnen und in die erste Säule zurückgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man am Fuß der ersten Kolonne eine Temperatur niedriger oder gleich 145 °C aufrechterhält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man am Fuß der zweiten Kolonne eine Temperatur niedriger oder gleich 145 °C aufrechterhält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Laktam Caprolaktam ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung des Wassers nach einer Kondensation bei einer Temperatur von 5 °C bis 30 °C unter einem Druck von 10 bis 45 Millibar durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung des Laktamspuren enthaltenden Wassers nach Verdichtung des destillierten Wassers bei einem Druck, der höchstens gleich dem Druck der ersten Kolonne ist, und Kondensation bei einer Temperatur höher 15 °C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Laktamspuren enthaltenden Wasser, das in der zweiten Kolonne destilliert wird, vor der Rückführung in die erste Kolonne Wasser zugegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Destillationskolonne und die zweite Destillationskolonne jeweils wenigstens zwei theoretische Böden und bevorzugt 2 bis 10 theoretische Böden aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Destillationskolonnen Füllkörperkolonnen sind.