ES2197566T3 - Metodo de produccion de fosfato de hidroxilamonio en la sintesis de caprolactama. - Google Patents
Metodo de produccion de fosfato de hidroxilamonio en la sintesis de caprolactama.Info
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Abstract
Un método para la producción de caprolactama, que comprende: (a) hacer reaccionar aire con gas amoníaco en una zona de conversión de amoníaco para producir óxido nítrico; (b) oxidar al menos una parte del óxido nítrico a dióxido de nitrógeno para producir una corriente de gas de trabajo rica en NOx. (c) absorber reactivamente la corriente de gas rica en NOx con una solución que contiene ácido fosfórico en una zona de adsorción para formar iones nitrato; (d) poner en contacto los iones nitrato con aire en la zona de desgasificación para producir una corriente de trabajo acuosa rica en nitrato; (e) reducir con hidrógeno la corriente acuosa rica en nitrato en presencia de ácido fosfórico para producir fosfato de hidroxilamonio; (f) oximar el fosfato de hidroxilamonio con ciclohexanona para producir la oxima de la ciclohexanona; y (g) convertir la oxima de la ciclohexanona en caprolactama; caracterizado por añadir oxígeno suplementario en una corriente gaseosa que contiene más de alrededor de 50 % en volumen de oxígeno, aguas abajo de la zona de conversión de amoníaco, directamente en la zona de desgasificación, o en una corriente de aire secundario que proporciona aire a la zona de desgasificación, para aumentar la cantidad y la velocidad de formación de dióxido de nitrógeno en la corriente de gas de trabajo rica en NOx, añadiéndose el oxígeno suplementario en la proporción de alrededor de 1, 8 a 4, 0 moles de oxígeno por mol de NO adicional producido en el convertidor de amoníaco como resultado de la adición de oxígeno suplementario; aumentar la cantidad de gas amoníaco añadido a la zona de conversión de amoníaco para aumentar la producción de óxido nítrico formado en la zona de conversión de amoníaco; y desviar una parte del aire secundario desde la zona de desgasificación a la zona de conversión de amoníaco.
Description
Método de producción de fosfato de hidroxilamonio
en la síntesis de caprolactama.
La caprolactama se puede producir a partir de
tres materias primas hidrocarbonadas: ciclohexano, fenol, y tolueno.
Aproximadamente el 68% de la producción mundial de caprolactama se
obtiene a partir de ciclohexano, 31% a partir de fenol, y 1% a
partir de tolueno. Toda la producción basada en ciclohexano y en
fenol procede de la formación de la oxima de la ciclohexanona. En
el 94% de la producción de caprolactama basada en ciclohexano y en
fenol, la formación de esta oxima requiere una etapa de oxidación
de amoníaco.
En los procesos que implican la oxidación de
amoníaco, la producción de caprolactama a partir de ciclohexano o de
fenol se puede desglosar en las siguientes etapas:
\bullet Oxidación de ciclohexano o
hidrogenación de fenol, para sintetizar ciclohexanona;
\bullet Oxidación de amoníaco para formar óxido
nítrico, seguida de diversas etapas de reacción para formar una sal
de hidroxilamina;
\bullet Síntesis de la oxima de la
ciclohexanona por reacción de ciclohexanona y la sal de
hidroxilamina; y
\bullet Tratamiento de la oxima de la
ciclohexanona con ácido sulfúrico seguido de la neutralización con
amoníaco acuoso para formar caprolactama.
Un método como este para producir caprolactama es
el proceso DSM-HPO (Dutch State
Mines-Hydroxylammonium
Phosphate-Oxime), conocido también como el proceso
Stamicarbon. Tal proceso se describe, por ejemplo, en Weissermel and
Arp, Industrial Organic Chemistry (VCH Verlagsgesellschaft mbH
1993), pags. 249-258. En el proceso
DSM-HPO, se hace reaccionar fosfato de
hidroxilamonio (NH_{3}OH\cdotH_{2}PO_{4}) con ciclohexanona
usando tolueno como disolvente para sintetizar la oxima.
En el proceso DSM-HPO, el fosfato
de hidroxilamonio se sintetiza de la siguiente manera:
Oxidación catalítica de amoníaco por aire para
formar óxido nítrico:
Oxidación posterior del óxido nítrico para formar
dióxido de nitrógeno, entre otros óxidos de nitrógeno:
Absorción reactiva del dióxido de nitrógeno en
una solución de ácido fosfórico acuosa tamponada para formar iones
nitrato:
Hidrogenación catalítica de los iones nitrato
para formar fosfato de hidroxilamonio:
Oximar la ciclohexanona con fosfato de
hidroxilamonio para producir la oxima de la ciclohexanona:
El proceso para formar fosfato de hidroxilamonio
en el proceso DSM-HPO se muestra en el diagrama de
flujo descrito en la Figura 1 del dibujo adjunto. Como se muestra
en este, una corriente de aire 3 se comprime inicialmente en un
compresor 10, introducida como una corriente de aire ``primario''
mediante la tubería de alimentación 12, mezclada con una corriente
de amoníaco gaseoso 1, y después se alimenta a un convertidor
catalítico de amoníaco 20. Típicamente, en esa reacción se
consigue una conversión de amoníaco de 100% y una selectividad por
el NO de 95%. Al salir del convertidor, parte del NO se oxida más a
NO_{2} para formar una corriente de gas de trabajo 15 rica en
NO_{x} Parte del NO_{2} de la corriente de trabajo 15 rica en
NO_{x} se dimeriza para formar N_{2}O_{4}.
La corriente de gas de trabajo 15 rica en
NO_{x} se pone en contacto en contracorriente con una corriente
ácida inorgánica acuosa 37 en una torre de absorción 40 de
bandejas. En el proceso DSM-HPO convencional, se
añade al sistema una corriente de aire ``secundario'' 11 en un
desgasificador 50 en cantidades de 5 a 20% en volumen del flujo de
aire total. La corriente de aire secundario 11 se carga con óxido
nítrico y la corriente de aire resultante 17 cargada con óxido
nítrico se añade a la base de la torre de absorción 40. Una
corriente líquida 13 rica en nitrato que sale de la torre de
absorción 40 se conduce hacia el desgasificador 50, y un gas de
purga 5 que contiene NO_{x} sale de la torre de absorción.
El gas de purga 5 que sale de la torre de
absorción 40 normalmente se debe regular adecuadamente para
minimizar la emisión de NO_{x}. Un aumento en la producción de
fosfato de hidroxilamonio da lugar típicamente a un aumento
correspondiente en la emisión de NO_{x} en el gas de purga 5.
La corriente ácida inorgánica acuosa 37 añadida a
la parte superior de la torre de absorción 40 contiene una mezcla
de agua, ácido fosfórico (H_{3}PO_{4}), nitrato amónico
(NH_{4}NO_{3}), y ácido monoamonio fosfórico
(NH_{4}H_{2}PO_{4}). La corriente ácida 37 se recircula
continuamente desde la batería de oximación (consistente en un
oximador 70, un extractor de oxima 80, y un separador de
hidrocarburos 90) hasta la batería de hidroxilamina (consistente en
la torre de absorción 40, el desgasificador 50, y un hidrogenador de
nitratos 60). Los óxidos nítricos en la corriente de gas de trabajo
15 rica en NO_{x} se absorben reactivamente en la solución de
ácido fosfórico en la torre de absorción 40 para formar iones
nitrato.
La corriente líquida 13 rica en nitrato que sale
de la torre de absorción 40 se hace pasar a través del
desgasificador 50, donde se pone en contacto en contracorriente con
el aire secundario 11 que entra al degasificador 50. El aire
secundario 11 elimina los óxidos nítricos sin reaccionar de la
corriente líquida 13 rica en nitrato. La corriente de aire 17 que
contiene óxido nítrico que sale del desgasificador 50, se conduce
hacia la torre de absorción 40.
Una corriente líquida 19 rica en nitrato que sale
del desgasificador 50 se combina con una corriente ácida inorgánica
acuosa 21 que procede de la batería de oximación, y la combinación
31 se alimenta al hidrogenador de nitratos 60. Se añade también una
corriente de hidrógeno 7 al hidrogenador de nitratos 60. Los iones
nitrato se reducen con hidrógeno en el hidrogenador de nitratos 60
sobre un catalizador de paladio para formar fosfato de
hidroxilamonio. Del hidrogenador de nitratos 60 sale una corriente
acuosa 23 de fosfato de hidroxilamonio, ácido fosfórico, nitrato
amónico, y ácido monoamonio fosfórico.
La corriente acuosa 23 que contiene fosfato de
hidroxilamonio reacciona después con una corriente 25 de
ciclohexanona en tolueno como disolvente en el oximador 70 para
producir la oxima de la ciclohexanona. Una corriente 9 de
oxima-tolueno sale del oximador 70 y se convierte
en caprolactama. Una corriente acuosa 27 sale también del oximador
70, y se conduce a un extractor de oxima 80 que elimina la oxima
arrastrada 39, y la añade a la corriente 25 de ciclohexanona en
tolueno como disolvente. Se conduce una corriente acuosa 29 que sale
del extractor de oxima 80 hacia un separador de hidrocarburos 90,
donde se eliminan la ciclohexanona y el tolueno arrastrados 33 y se
añaden a la corriente 25 de ciclohexanona en tolueno como
disolvente, que se conduce hacia el oximador 70. De este modo, la
oxima arrastrada 39 obtenida en el extractor de oxima 80, y la
ciclohexanona-tolueno 33 obtenidos en el separador
de hidrocarburos 90 se devuelven al oximador 70. La corriente
acuosa 35 que sale del separador de hidrocarburos 90 se dirige de
vuelta hacia la batería de hidroxilamina, donde una parte 21 se
distribuye hacia el hidrogenador de nitratos 60, y una parte 37 se
distribuye hacia la torre de absorción 40. Típicamente, alrededor
del 90% de la corriente acuosa 35 se dirige hacia la corriente 21,
y alrededor del 10% se dirige hacia la corriente 37.
A la vista de la estricta normativa
medioambiental de las emisiones de NO_{x}, la cantidad de
NO_{x} en el gas de purga 5 no se puede aumentar. Por lo tanto,
cualquier aumento en la producción de fosfato de hidroxilamonio (y
la subsiguiente producción de caprolactama) se debe obtener sin
ningún incremento en las emisiones de NO_{x}. Esto se puede
llevar a cabo aumentando la cantidad de aire y de amoníaco que se
alimenta al proceso a la vez que aumenta el tamaño de la planta,
por ejemplo, el tamaño de la torre de absorción 40, y del compresor
de aire 10. Sin embargo, tal aumento en la capacidad del equipo
requiere una importante inversión de capital.
Existe por tanto la necesidad de desarrollar
técnicas mejoradas en el proceso DSM-HPO para
producir caprolactama, mediante las cuales se pueden producir
mayores cantidades de fosfato de hidroxilamonio, y por lo tanto, de
caprolactama sin gran inversión de capital, y sin aumentar las
emisiones de NO_{x}. A partir del documento
EP-A-0808737 se conoce un método
según el preámbulo de la reivindicación 1.
Para aumentar la producción de óxido nítrico
formado en la zona de conversión de amoníaco sin aumentar el nivel
de NO_{x} contenido el gas emitido desde la zona de absorción, se
desvía una porción de aire secundario, introducido normalmente en
la zona de desgasificación, hacia la zona de conversión de
amoníaco.
La utilización de la técnica mejorada de la
invención, la producción de NO en la zona de conversión de amoníaco
aumenta. La adición de oxígeno suplementario según la invención,
tanto la cantidad como la velocidad de conversión de NO a NO_{2}
aumentan, promoviendo de ese modo la formación de nitrato en la zona
de absorción, sin ningún efecto adverso en el contenido en NO_{x}
de los gases emitidos desde la zona de absorción.
El método de la presente invención facilita de
este modo un aumento en la producción de fosfato de hidroxilamonio
en el proceso DSM-HPO para sintetizar caprolactama,
mientras mantiene las emisiones de NO_{x} a niveles constantes, o
menores. Se estima que el uso del método de la invención normalmente
da lugar a un aumento de entre alrededor de 5 y 15% en la
producción de fosfato de hidroxilamonio sin aumentar las emisiones
de NO_{x}. Además, esto se lleva a cabo sin una importante
inversión de capital, tal como se requeriría en otras
circunstancias para aumentar la capacidad de la planta. Además,
sustituyendo oxígeno por el nitrógeno inerte presente en el aire
secundario, que se alimenta convencionalmente a la zona de
absorción, se puede aumentar la presión parcial de oxígeno en el
sistema y se pueden disminuir los tiempos de contacto para los
intermedios formados en las diversas etapas del proceso.
En la producción de ácido nítrico, se sabe que la
inyección directa de oxígeno suplementario puede fomentar la
síntesis de ácido nítrico a la vez que se controlan las emisiones
de NO_{x}. Tal adición de oxígeno se describe, por ejemplo, en
las patentes de E.E.U.U nºs. 4.183.906; 4.235.858; y 5.167.935; la
patente inglesa nº 803211; y las solicitudes de patentes europeas
publicadas nºs. 799794 y 808797. La adición de oxígeno también se
describe en Kongshaug, Extension of Nitric Acid Plant Capacity by
Use of Oxygen, Nitric Acid Symposium (1981); y en Faried et al.,
Boosting Existing Nitric Acid Production, The Fertiliser Society
(1986). Por ejemplo, la patente europea 808797 describe un proceso
mejorado para la producción de ácido nítrico en el que se añade
oxígeno suplementario al refrigerador/condensador, a la torre de
absorción, al convertidor de amoníaco, y/o al blanqueador, para
producir un incremento en la producción de ácido nítrico sin
aumentar las emisiones de NO_{x}. Se cree que una adición de
oxígeno suplementario de este tipo no se ha descrito previamente en
relación a la síntesis de caprolactama.
La alimentación de oxígeno al convertidor de
amoníaco se ha empleado en los procesos BASF e Inventa para la
síntesis de caprolactama. (Véase Kirk Othmer Encyclopedia of
Chemical Technology, 4ª Edición, 4: 831 (1992); y patente de
E.E.U.U nº 5.777.163). Sin embargo, en estos procesos no se añade
oxígeno suplementario aguas abajo del convertidor. También, los
procesos BASF e Inventa difieren sustancialmente del proceso
DSM-HPO para producir caprolactama ya que en ellos
no se añade aire al convertidor de amoníaco, y no implican la
formación de intermedios análogos a aquellos producidos en el
proceso DSM-HPO.
La Figura 1 es un diagrama de flujo esquemático
de la parte del proceso DSM-HPO para la producción
de caprolactama de la técnica anterior, que da lugar a la producción
de la oxima de la ciclohexanona.
La Figura 2 es un diagrama de flujo esquemático
que representa una parte del proceso DSM-HPO
modificado según la invención.
Según la presente invención, se inyecta una
corriente de oxígeno suplementario 43, (véase Fig. 2) aguas abajo
del convertidor de amoníaco 20 de la batería de reacción del
fosfato de hidroxilamonio (Fig. 2) en el proceso
DSM-HPO para la síntesis de caprolactama. Según se
usa en esta memoria descriptiva, el término ``oxígeno
suplementario'' se refiere a oxígeno puro o a cualquier corriente
gaseosa enriquecida con oxígeno que contiene más de alrededor de
50%, y preferiblemente más de alrededor de 90%, de oxígeno en
volumen. Las fuentes de oxígeno suplementario adecuadas incluyen
oxígeno en tubería, plantas de oxígeno criogénico independientes o
plantas de oxígeno PSA/VPSA, depósitos de oxígeno líquido o
corrientes de aire enriquecidas con oxígeno.
El oxígeno suplementario se inyecta en lugar de
al menos una parte del aire secundario que se introduce en el
desgasificador en el proceso DSM-HPO mediante la
tubería 11 (Figura 1). Según una realización preferida de la
presente invención, el aire que en otras circunstancias se habría
empleado como aire ``secundario'' se alimenta, sin embargo,
mediante la tubería de alimentación 12 para la introducción como
aire primario en el convertidor de amoníaco 20. Las mezclas
gaseosas que contienen alrededor de 8 a 12% en moles de amoníaco y
alrededor de 18 a 20% en moles de oxígeno, se introducen de este
modo en el convertidor de amoníaco, y se convierten dentro bajo las
condiciones de reacción, por ejemplo, temperatura, presión y
catalizador, utilizadas en el proceso DSM-HPO para
producir mezclas de reacción gaseosas que contienen en % en moles,
alrededor de:
\dotable{\tabskip6pt\hfil#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{ 7 a 12% de NO\cr 11 a 18% de H _{2} O\cr 67 a 72% de N _{2} \cr 3 a 10% de O _{2} \cr}
Aumentando de este modo el flujo de aire primario
introducido en el convertidor de amoníaco, la cantidad de NO formado
en este aumenta en alrededor del 5 al 15% comparado con la etapa de
oxidación del amoníaco en ausencia de la adición de oxígeno
suplementario según la invención.
El oxígeno suplementario se añade a la zona de
absorción en la proporción de alrededor de 1,8 a 4,0 moles de
O_{2} por mol de NO incremental producido en el convertidor de
amoníaco (es decir, por mol de NO adicional producido como
resultado de la adición de oxígeno según la invención). Aumentando
de este modo la cantidad de oxígeno introducido en la zona de
absorción, se aumentan tanto la cantidad como la velocidad de
formación de NO_{2} y de iones nitratos.
La Figura 2 muestra la parte del proceso para
producir caprolactama mediante el proceso DSM-HPO al
que se refiere la presente invención. Según la invención, se
inyecta oxígeno en el proceso para la síntesis de fosfato de
hidroxilamonio, en el sentido de la corriente de la reacción de
aire con gas amoníaco. La invención abarca la inyección de oxígeno
de cualquier manera que aumente la formación de NO_{2},
disminuyendo de este modo la cantidad de NO_{x} que se emitiría en
otras circunstancias.
El oxígeno suplementario 43 se inyecta en el
desgasificador mediante la tubería 43c en la tubería 11 de gas de
trabajo que suministra aire secundario al desgasificador, o el
oxígeno suplementario 43 se inyecta mediante la tubería 43d
directamente al desgasificador. La invención también abarca la
adición directa del oxígeno suplementario en varios sitios en la
torre de absorción y en el desgasificador. El oxígeno suplementario
se introduce preferiblemente bajo presiones positivas de entre
alrededor de 1,15 y alrededor de 2,39 bar, típicamente alrededor de
1,36 bar.
Como se ha indicado anteriormente, la práctica
del método mejorado de esta invención no implica inversión de
capital alguna del orden de la que se necesitaría para por ejemplo,
expandir la capacidad de la torre de absorción. Además, la
modificación de las plantas existentes para practicar la técnica
mejorada de la invención se puede llevar a cabo fácilmente
proporcionando las tuberías de suministro del oxígeno suplementario
necesarias y conectándolas por medios convencionales a la tubería
del proceso o unidad del proceso apropiada, como se ha indicado
anteriormente.
La invención se ilustra más por el siguiente
ejemplo, el cual se destina a ejemplificar la práctica de la
invención, y no a interpretarlo como limitante de su alcance.
Se empleó el método de la invención para
modificar una planta de producción de caprolactama existente, que
usa el proceso DSM-HPO, donde la sección superior de
la torre de absorción se había dañado. Esto, sucesivamente, redujo
la capacidad de la torre de absorción para reoxidar NO a NO_{2},
y para absorber iones nitrato. De este modo, se limitó la
producción, y aumentaron las emisiones de NO_{x}.
Se empleó el método de la invención en este
proceso para aumentar la producción de fosfato de hidroxilamonio y
para disminuir las emisiones de NO_{x}. Específicamente, se
inyectó oxígeno con un rociador en el líquido rico en nitratos en
la torre de desgasificación. Una parte del aire secundario que en
otras circunstancias se habría alimentado al desgasificador, se
desvió hacia el convertidor, y aumentó la cantidad de amoníaco
alimentado al convertidor. La tabla siguiente muestra las
cantidades de oxígeno y de amoníaco añadidas en siete ensayos que
se llevaron a cabo. Los valores mostrados del ``flujo de aire
secundario'', ``flujo de NH_{3}'', y ``NO_{x} en el gas de
purga'' representan el porcentaje de cambios en relación al proceso
DSM-HPO cuando opera sin inyectar oxígeno según la
invención. El aumento del porcentaje en el fosfato de
hidroxilamonio conseguido usando el método de la invención fue el
mismo que el aumento del porcentaje mostrado en el flujo de
NH_{3}. Los valores mostrados de ``O_{2}/NH_{3} añadidos''
indican la razón en moles del oxígeno inyectado al flujo de
NH_{3}.
\nobreak\vskip.5\baselineskip\centering\begin{tabular}{|c|c|c|c|c|c|c|c|}\hline Ensayo \+ 1 \+ 2 \+ 3 \+ 4 \+ 5 \+ 6 \+ 7 \\\hline Flujo de aire \+ -49% \+ -50% \+ -51% \+ -100% \+ -100% \+ -100% \+ -94% \\ secundario \+ \+ \+ \+ \+ \+ \+ \\\hline Flujo de NH _{3} \+ + 5,7% \+ + 5,6% \+ + 5,6% \+ + 9,5% \+ + 9,8% \+ + 9,3% \+ + 8,2% \\\hline O _{2} / NH _{3} \+ 3,2 \+ 3,2 \+ 3,2 \+ 3,3 \+ 3,2 \+ 3,3 \+ 3,8 \\ añadido \+ \+ \+ \+ \+ \+ \+ \\\hline NO _{x} en el \+ NA \+ -24% \+ -43% \+ NA \+ -2% \+ NA \+ NA \\ gas de purga \+ \+ \+ \+ \+ \+ \+ \\\hline\end{tabular}\par\vskip.5\baselineskip
De este modo, en estos ensayos se desvió de
alrededor de 50% a 100% del aire secundario desde el desgasificador
hacia el convertidor. Se añadió oxígeno según la presente invención
a una velocidad de 3,2 a 3,8 moles de oxígeno por mol de amoníaco
añadido. La adición de oxígeno eliminó el NO_{2} disuelto de la
corriente rica en nitrato, promoviendo de este modo una mayor
oxidación de NO a NO_{2}, y un aumento en la producción de
fosfato de hidroxilamonio de hasta 9,8%. Además, el aumento en la
producción de fosfato de hidroxilamonio se consiguió sin un aumento
en el contenido en NO_{x} en el gas de purga.
Claims (2)
1. Un método para la producción de caprolactama,
que comprende:
- (a)
- hacer reaccionar aire con gas amoníaco en una zona de conversión de amoníaco para producir óxido nítrico;
- (b)
- oxidar al menos una parte del óxido nítrico a dióxido de nitrógeno para producir una corriente de gas de trabajo rica en NO_{x}.
- (c)
- absorber reactivamente la corriente de gas rica en NO_{x} con una solución que contiene ácido fosfórico en una zona de adsorción para formar iones nitrato;
- (d)
- poner en contacto los iones nitrato con aire en la zona de desgasificación para producir una corriente de trabajo acuosa rica en nitrato;
- (e)
- reducir con hidrógeno la corriente acuosa rica en nitrato en presencia de ácido fosfórico para producir fosfato de hidroxilamonio;
- (f)
- oximar el fosfato de hidroxilamonio con ciclohexanona para producir la oxima de la ciclohexanona; y
- (g)
- convertir la oxima de la ciclohexanona en caprolactama;
caracterizado
por
añadir oxígeno suplementario en una corriente
gaseosa que contiene más de alrededor de 50% en volumen de oxígeno,
aguas abajo de la zona de conversión de amoníaco, directamente en la
zona de desgasificación, o en una corriente de aire secundario que
proporciona aire a la zona de desgasificación, para aumentar la
cantidad y la velocidad de formación de dióxido de nitrógeno en la
corriente de gas de trabajo rica en NO_{x}, añadiéndose el oxígeno
suplementario en la proporción de alrededor de 1,8 a 4,0 moles de
oxígeno por mol de NO adicional producido en el convertidor de
amoníaco como resultado de la adición de oxígeno suplementario;
aumentar la cantidad de gas amoníaco añadido a la
zona de conversión de amoníaco para aumentar la producción de óxido
nítrico formado en la zona de conversión de amoníaco; y
desviar una parte del aire secundario desde la
zona de desgasificación a la zona de conversión de amoníaco.
2. El proceso de la reivindicación 1, en el que
el oxígeno suplementario es un gas que comprende más de alrededor
de 90% en volumen de oxígeno.
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