JP2004531619A - カプロラクタムをナイロン６に変換する方法 - Google Patents

Abstract

カプロラクタムと水とが多段反応蒸留塔で反応するナイロン６の製造方法。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、カプロラクタムのナイロン６への変換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナイロン６は、出発原料としてカプロラクタムを使用して商業的に製造されている。商業的方法は典型的にはＶＫチューブ中大気圧で１２〜２４時間カプロラクタムを加熱することを伴う。この方法は、生成物中に７〜１０％カプロラクタムを含有するナイロン６生成物を生じさせる。過剰のカプロラクタムは、８〜１２時間水抽出法を用いて抽出される。次に抽出された生成物は８〜１２時間乾燥されて、０．２〜０．３％カプロラクタムを含有する乾燥製品を生み出す。この方法は商業的成功をおさめてきたが、それは長い反応滞留時間と遅い抽出／乾燥工程とを有する。
【０００３】
（特許文献１）は、スチームによって掃引される垂直多段反応器中でのオメガ−アミノニトリルと水との反応によるポリアミドの製造方法を開示している。例えば、この方法は６−アミノカプロニトリルをナイロン６へ変換することができる。
【０００４】
【特許文献１】
米国特許第６，２０１，０９６号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、ナイロン６の製造方法であって、
（ａ）１５０〜２００℃の温度を有するトップと、２４０〜２６０℃の温度を有するボトムとを有する反応蒸留塔を確立する工程であって、該塔がその中に配置された複数の空間的に隔ったプレートを有し、それによって複数の段を画定し、各段は隣接プレート間の塔体積によって画定され、各段は所定の温度に別々に加熱される工程と、
（ｂ）２００〜２５０℃の温度および１００〜３００ｐｓｉａ（０．６９〜２．０７ＭＰａ）の圧力を有する反応ゾーン中へカプロラクタムおよび水を導入して、カプロラクタム、直鎖状アミノカプロン酸および水を含む反応生成物を製造する工程と、
（ｃ）該塔のボトムまたはその近くにスチームを導入しながら、該塔のトップまたはその近くで該反応蒸留塔中へ該反応生成物を導入する工程と、
（ｄ）該塔のボトムからナイロン６を回収する工程と
を含む方法である。
【０００６】
本方法は、カプロラクタムのナイロン６への変換のための比較的短い滞留時間を伴うと期待される。また、遊離カプロラクタムおよび／または他の低分子量化合物の量が比較的低いナイロン６を製造することも期待される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の方法は、向流多段塔反応器でのカプロラクタムの反応によってナイロン６を製造する連続方法である。カプロラクタムの水溶液は先ずプレ反応器中で圧力下に反応して開環反応を開始し（促進し）、カプロラクタムの一部を直鎖状アミノカプロン酸へ変換する。プレ反応器からの混合物は、向流多段反応器に連続的にフィードされ、そこで反応混合物は、重縮合および重付加反応の両方によって反応してポリアミドを形成し続ける。未反応カプロラクタムは、反応混合物に対して向流に流れるスチームによって反応器のボトム近くでポリマー混合物から連続的にストリップされ、反応器の上方段で反応混合物中へ再吸収される。従って、重付加反応によって決定される平衡値よりもかなり少ないカプロラクタムを含有するポリアミドが、向流スチームストリッピングおよび続いて起こる内部カプロラクタムリサイクルのために通常の反応器よりも短い滞留時間で生じるはずである。
【０００８】
ここで図１を参照するに、カプロラクタム２５および水２６は先ずプレ反応器２００中高温で反応して、幾らかの直鎖状アミノカプロン酸を含有する生成物２８を生じる。カプロラクタム対水のモル比は、決定的に重要ではないが、好ましくは約０．４〜０．６である。プレ反応器温度は２００と２５０℃との間に維持され、圧力は１００と３００ｐｓｉａとの間（０．６９〜２．０７ＭＰａ）、好ましくは１５０と２００ｐｓｉａとの間（１．０３〜１．３８ＭＰａ）である。狭い滞留時間分布を達成するためにピストン流れ型反応器が好ましい。この目的のために、管型反応器または塔反応器を用いることができる。好ましくは、塔反応器は逆流充填反応器である。プレ反応器の滞留時間は、２０〜４０分の間、好ましくは３０分である。
【０００９】
プレ反応器反応生成物２８は、多段塔反応器１００のトップ近くに連続的にフィードされる。段での滞留時間が増やされて、必要とされる反応時間にとって十分な時間を与えるならば、標準の蒸留塔が本発明の方法での使用に好適である。商業的に使用できる製品に必要とされる平均分子量を達成するために必要な反応器での液体滞留時間は、４時間と８時間との間である。塔反応器１００は、有孔プレート１３〜２３と、モーター３１Ａ、シャフト３１Ｂ、および撹拌羽根３１Ｃからなる撹拌機アセンブリ３１とのような、それらに限定されない、内装物を備えている。これらの内装物は、向流に流れるスチームと液体反応混合物との効果的多段接触をもたらして、特に塔反応器の下方部でのカプロラクタムと環状二量体との効果的ストリッピングのための十分な物質移動が確実に達成されるように配置構成されるべきである。
【００１０】
図１に例示されるように、多段反応器１００の内部は、段の間に有孔プレート１３〜２３を用いて別個の段１〜１２へ分割されている。図２（および図２Ａ）に示されるプレートは、段から段へと上方へ蒸気を流れさせる小さな送り孔３６（３６’）と、各段から下の段の反応混合物の表面中および表面下へ通じている、段から段へと下方へ液体を流れさせるより大きな下降管３７（３７’）とを含む。良好な混合および改善された物質移動を達成するために撹拌が使用されるボトム段では、溢流トレー構造が好ましい。撹拌羽根３１Ｃ用のシャフト３１Ｂは、同心の下降管３７を通って容易に伸びるべきである。撹拌が必要とされない段は、溢流トレーまたは堰トレーのようなトレー構造であり得るが、蒸留装置で使用される任意のタイプだが、好ましくは塔での蒸気往来によるいかなる液体逆流も最小にするための、および各段反応本体中へ入ってくる液体の十分な混合を提供するための図４、５および６に示される配置のトレー構造であり得る。段の数は、液体体積の単位当たりの、物質移動および化学反応の高い速度を達成するように選ばれる。６〜１５段が典型的である。
【００１１】
図１を再び参照するに、プレ反応器反応生成物２８は多段塔反応器１００のトップ近くに連続的にフィードされ、スチーム３０は反応器の最底段の１つ以上に連続的にフィードされる。塔反応器の圧力に比べてプレ反応器でより高い圧力を維持するために、プレ反応器２００と塔反応器１００との間に圧力調節弁２７が使用される。スチームは、飽和スチーム、少量の水を含むスチーム、または過熱スチームであることができ、反応器内の加熱要求を最小にするために過熱スチームが好ましい。スチームは、プレ反応器フィードの重量流量の少なくとも３０パーセントである、好ましくはそれにほぼ等しい重量流量で反応器１００中へ導入される。蒸気流れ３４は塔のトップから除去される。流れ３４は、スチームと幾らかのカプロラクタムとを含有するであろう。カプロラクタムは、さらに分離して塔反応器１００にリサイクルすることができる。ポリアミド生成物２４は、例えばポンプ３８を用いてボトム段１から連続的に取り出される。塔反応器１００は好ましくは、蒸気としてまたは同伴液体として塔のトップ部分を出るいかなるカプロラクタムも分離して塔に戻すための手段を含む。かかる一手段は、塔のトップでの分縮器３９である。分縮器３９の冷却側面３２から入って３３から出る冷却流体の流量および温度を巧みに操作することによって、分縮器は、カプロラクタムのほとんどを凝縮させて塔へ戻すのに十分な温度であるがスチームを蒸気流れ３４中に除去させる温度に維持される。分縮器の使用は、塔反応器１００のトップ段１２の温度を制御することができる。温度のさらなる制御は、プレ反応器への水流れ２６の流量の操作によって達成することができる。さらに、フィード段の上に１つ以上の段を塔反応器に追加することができ、還流液体を与えるために、これらの段の最上段の上に分縮器（示されていない）を提供することができる。
【００１２】
塔の温度は、反応混合物が凝固しないほど十分に高く維持されるべきである。塔のトップ段１２の温度は、ボトム段１の温度よりも低い温度に維持される。トップ温度は、反応混合物を液体状態に保持し、かつ、下の段からその段に入ってくる蒸気流れ中のカプロラクタムのほとんどを凝縮させるのに十分高い温度に維持される。塔反応器１００のトップ段の温度は１５０と２００℃との間であるべきである。カプロラクタムのアウトフローを最小にするために、上方段１２温度と分縮器３９との組合せを用いることは可能である。ボトム段１の温度は、反応混合物を液体状態に保持するためにポリアミドの融点よりも十分に高いが、逆重付加反応によるカプロラクタムおよび環状二量体の再生を最小にするためにできるだけ低く保持するように制御される。ボトム段の温度は２４０と２６０℃との間であるべきである。
【００１３】
平衡濃度よりも十分に低い遊離カプロラクタム含有率のナイロン６製品を達成する能力は、スチームストリッピングによる反応混合物からのカプロラクタムの除去と、逆反応によりカプロラクタムの生成との間の累積差に依存する。この能力は、段の平均温度がその値より上ではカプロラクタムの再生速度がスチームによるストリッピング速度よりも高くなる値を超えないことを必要とする。反応器のボトム半分にわたって平均して、この温度はおよそ２４０〜２６０℃の間である。
【００１４】
ここで図３を参照するに、すべてまたはほとんどの段１〜１２が好ましくは温度の独立した制御のための手段を備えている。この制御は、加熱および冷却の両方のために使用することができるジャケット、コイル、または他の伝熱装置４０〜４８を通過する熱い流れる液体熱媒の使用によって最良に成し遂げられる。
【００１５】
標準のＶＫチューブ方法では、反応混合物を所望の反応温度に持ってくるために反応器のトップ近くでは加熱される必要があり、より高い平衡カプロラクタムレベルをもたらす過度の温度を避けるためにより低いゾーンでは発熱反応熱は除去されなければならない。本発明において、反応器のボトム１／３での加熱または冷却要求は最小である。カプロラクタムストリッピングのために必要とされる熱は、反応によって発生する熱とほぼバランスしている。ボトム段１〜５の温度は、注入されるスチーム３０の過熱と加熱コイル４６〜４８との組合せによって制御することができる。塔での最大熱負荷は、反応混合物からかなりの量のカプロラクタムを蒸発させるのに必要とされる熱のために、中間段６〜９においてである。段温度は、熱媒温度および流量の操作によって制御される。塔反応器１００の上方段１０〜１２においては、所望の段温度を維持するために除熱される必要がある。塔反応器内蒸気流れ中のカプロラクタムの大部分は、上方段で反応混合物中へ凝縮して凝縮関連熱を遊離する。塔の上方１／３の塔段は任意に温度制御のための水注入用手段２９を備えている。
【００１６】
塔は、生成物流れ２４中のカプロラクタムの所望の低いレベルを達成するために、大気圧または準大気圧、好ましくは１５ｐｓｉａ（０．１０ＭＰａ）未満、より好ましくは６と８ｐｓｉａとの間（０．０４１〜０．０５５ＭＰａ）で運転される。生成物は、水抽出の必要性を最小にするまたは排除するために、好ましくは１重量％未満、最も好ましくは０．５重量％未満の遊離カプロラクタムを含有するべきである。圧力は、圧力調節弁３５と、環状スチーム真空ジェットまたは真空ポンプのような、真空システム（示されていない）とによって制御することができる。圧力調節弁３５は、容器中の測定圧力に応答して蒸気流れ３４のアウトフローを変えるために連続的に調節される。
【００１７】
本発明の方法の主な利点は、塔の向流運転が高転化率の塔反応器の下方部からのカプロラクタムの絶え間ないストリッピングをもたらし、低転化率の上方部でそれを再凝縮させ、その結果低い遊離カプロラクタム含有率のナイロン６生成物が達成されることにあると予期される。
【００１８】
スチームは、好ましくは一様な分配を達成するための気体分配器の使用によって、段の蒸気空間へ注入される。スチームは好ましくはボトム段１ではこの段での物質移動効率を最大にするために液体ゾーン中へ注入される。これは、ノズルプラグゲージを回避して一様な気体分配を提供するための高い圧力降下ノズルを有する気体分配器の使用によって成し遂げることができる。
【００１９】
塔の上方段において、反応混合物の粘度は、適切なデザインの有孔障壁１３〜２３でスチーム蒸気からの気泡が反応混合物での効果的な混合をもたらすほど十分に低くあるべきである。粘度が最高である塔のボトムでは、ミキサーアセンブリ３１が反応器の最底段の１つ以上で好ましくは用いられる。図１に示される反応器では、機械混合は、撹拌羽根３１Ｃの使用によってボトム４段で提供される。
【００２０】
好ましくは、各段内の混合は、気体誘導混合を支援するための加熱コイル４６〜４８の適切な配置によって、下方段での機械撹拌によってのどちらかで達成される。不十分な混合は、所望の反応効率を低下させ、所与の流量でカプロラクタムからナイロン６への同じ転化率を達成するのにより大きなサイズの塔反応器を必要とするという結果になる。各段についての高さ−対−直径比は、所望の混合効率を達成するために、好ましくは０．５〜１．２の間である。
【００２１】
塔反応器における段間の軸方向混合（泡が下降管に近づいた時に、下降管に入るか、または液体を下降管中へ押し込むかのどちらかの大きな泡によって誘導される下降管を通る液体逆流の結果としての）は、塔反応器における全体的効率を低下させるであろう。下降管の下記の好ましい配置は、軸方向混合を減らすために塔反応器１００において使用することができる。
【００２２】
ここで図４を参照するに、塔反応器１００の段９のような段の内部配置が示されている。段は、連続液体部分６０（段のボトムから参照番号６１によって表されるレベルまで）と連続蒸気部分６２とを含む。段を加熱または冷却するためのコイル４５も示されている。「Ｂ」として表された矢印は、泡５２によって引き起こされるコイル４５周りの液体の移動を示す。段は円形の中央下降管５０を含み、その下降管は、（１）気泡５２を下降管から離れた所へ偏向させ、（２）気泡が下降管に入るのを妨げ、かつ、（３）下降管を出る液体を偏向させる（「Ａ」として表された矢印によって示される）ために最下部に２円錐アタッチメント５１を好ましくは有する。アタッチメント５１と下降管５０の最下部との間のギャップは、下降管出口近くを移動する気泡により生じた圧力場によって誘導される下降管中の液体逆流を最小にするために必要とされる。ギャップは、液体流れによって生じる圧力降下が液体の０．５〜１．０インチの間であるように調節される。段のボトムには、図５に示されるもののような次の下方段中へ液体を流れさせる下降管５５がある。
【００２３】
別の好ましい配置は、図５に例示されるように、三角形パターンに配置された複式下降管５５を含む。これらの下降管５５の最下部は、気泡を偏向させるために溶接された拡張楕円プレート５６で、３０〜６０度の間の角度で切頭されている。液体は、拡張プレートと圧力散逸アタッチメントとによって保護された長方形スリットを通って出される。スリット寸法は、逆流を最小にするために０．５インチ〜１．０インチ液体の間の圧力降下を与えるべく手配される。段における最大混合効率を達成するための下降管５０および５５の互いに関して好ましい配置は図６に示される。
【００２４】
好ましくは反応器段は、液体から回転シャフトのシールを回避するべく撹拌機シャフト３１Ｂに下降管（例示されていない）を通過させるように溢流トレーとして配置構成される。典型的には、機械混合は、液体バイパスを最小にするために反応器のボトム４段で必要とされる。これらの段では気体往来（図４で流れ矢印により表されるような）によって誘導される混合は、より高い粘度では所望の質の混合を達成するのに十分ではないかもしれない。たとえ撹拌される段よりも上に堰トレーを用いることができるとしても、溢流トレーは測定が最も便利である最上段での測定によって反応器レベル制御が達成されるのを可能にするので、溢流トレーがそれでも好ましい。
【００２５】
塔のボトムから取り出されるポリアミド生成物２４は、１３，０００と１７，０００との間の数平均分子量および約３５と５５との間の相対粘度（ＲＶ）を一般に有すると予期される。ポリアミド生成物は、１重量％未満のカプロラクタムおよび０．５重量％未満の環状二量体のような、水抽出可能な化合物を含有すると予期される。ポリアミド生成物２４は、ポンプ３８によって反応器のボトムから連続的に取り出され、ストランドキャスティングのような、当該技術で公知の方法を用いてペレット化することができる。
【００２６】
次の実施例は、反応速度論および平衡論、物質移動およびトレー水力学に加えて、必要な質量およびエネルギーバランスを含む、本方法の数学モデルの使用によって生み出された。向流塔方法の一利点は、スチームストリッピングのために生成物中の抽出可能物レベルが低いと予期されることにある。抽出可能物の所望の低レベルを達成する能力は、物質移動の効率に直接関係する。物質移動効率は、液体粘度が高い条件下で最低である。従って、実験室装置において塔のボトム段で予期される高粘度で物質移動効率を測定した。２段の４インチ直径ガラス塔装置を利用して、スチームストリッピングありで物質移動係数を測定した。およそ１６，０００の数平均分子量のポリアミド６ペレットを装置中で溶融させ、様々な気体分配器を用いてボトム段の液体中へスチームを注入した。スチーム注入なしを含めて異なるスチーム−対−ポリマー比でのスチーム注入でポリマーを溶融させて抽出可能物再生速度を確認した。ポリマーおよび凝縮試料を一定間隔で集めて抽出可能物含有率について分析し、物質移動係数を測定した。それらの実験室実験で測定された物質移動係数および動力学速度は、下に提示される実施例を生み出すための数学モデルに包含された。
【実施例】
【００２７】
１５０ｐｓｉａ（１．０３ＭＰａ）および２２０℃で運転するプレ反応器と共に、数学モデルを用いて１２段の向流塔をシュミレートした。１７重量％水を含有するカプロラクタム溶液を１７２ポンド／時の速度でプレ反応器にフィードする。プレ反応器を、これらの条件下で３０分の滞留時間を有するように選んだ。プレ反応器からの反応混合物は４９．６重量％カプロラクタム、１０重量％残留水を含有し、残りは１４の重合度のポリマー混合物であると予測される。この混合物を、１６０℃に維持される反応器のトップ段に連続的にフィードする。過熱スチームを、８０ポンド／時の速度で反応器のボトム段に注入する。反応器のボトム１／３は２４０℃に維持される。塔の上方１／３の段温度を断熱条件に到達させる。塔圧力を７．５ｐｓｉａ（０．０５２ＭＰａ）に制御する。
【００２８】
蒸気は、１２６ポンド／時の速度でトップ段を出て分縮器に入ると予期される。この蒸気は、２２重量％カプロラクタムと７８重量％スチームを含有すると予測される。反応器のボトムからのポリマー生成物は、１２５ポンド／時の速度で生じ、１７７００の数平均分子量（５５ＲＶ）を有すると予測される。ポリマー生成物は０．３％カプロラクタム、０．２７％環状二量体および０．２％水を含有すると予測される。塔反応器での総滞留時間は６時間であると予測される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明を実施するために用いることができる装置の略図である。
【図２】本発明の塔反応器の段を分離するプレートの平面図である。
【図２Ａ】本発明の塔反応器の段を分離するプレートの平面図である。
【図３】本発明を実施するために用いることができる装置の略図である。
【図４】本発明の塔反応器における段の内部の立面図である。
【図５】本発明の塔反応器における段の内部の立面図である。図５は、図６の線Ｖ−Ｖに沿った段の断面図である。
【図６】図５の線ＶI−ＶIに沿った段の内部の断面図である。

Claims (7)

1. ナイロン６の製造方法であって、
   （ａ）１５０〜２００℃の温度を有するトップと、２４０〜２６０℃の温度を有するボトムとを有する反応蒸留塔を確立する工程であって、前記塔がその中に配置された複数の空間的に隔ったプレートを有し、それによって複数の段を画定し、各段は隣接プレート間の塔体積によって画定され、各段は所定の温度に別々に加熱される工程と、
   （ｂ）２００〜２５０℃の温度および１００〜３００ｐｓｉａ（０．６９〜２．０７ＭＰａ）の圧力を有する反応ゾーン中へカプロラクタムおよび水を導入して、カプロラクタム、直鎖状アミノカプロン酸および水を含む反応生成物を製造する工程と、
   （ｃ）前記塔のボトムまたはその近くにスチームを導入しながら、前記塔のトップまたはその近くで前記反応蒸留塔中へ前記反応生成物を導入する工程と、
   （ｄ）前記塔のボトムからナイロン６を回収する工程と
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記反応ゾーンが１５０〜２００ｐｓｉａ（１．０３〜１．３８ＭＰａ）の圧力を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記反応ゾーンで前記反応蒸留塔におけるよりも高い圧力を維持するために圧力調節弁が使用されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記反応蒸留塔が大気圧を超えない圧力で運転されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記反応蒸留塔が１５ｐｓｉａ（０．１０ＭＰａ）未満の圧力で運転されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. スチームの流れが反応生成物の流れの少なくとも３０重量パーセントであることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 各プレートが
   前記反応蒸留塔に含まれる蒸気をある段から隣接する段へと上方へ流れさせる複数の送り孔と、
   前記反応蒸留塔に含まれる液体をある段から隣接する段へと下方へ流れさせる少なくとも１つの下降管と
   を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。

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