PL189095B1 - Sposób oczyszczania wodnych mieszanin kaprolaktamu - Google Patents

Abstract

1. Sposób oczyszczania wodnych mieszanin kaprolaktamu, znamienny tym, ze za- wiera nastepujace etapy: a) ekstrahowanie kaprolaktamu w kolumnie ekstrakcyjnej za pomoca organicznego rozpuszczalnika kaprolaktamu, który nie miesza sie z woda b) uwalnianie kaprolaktamu z organicznego rozpuszczalnika w kolumnie ekstrakcyj- nej przez ekstrakcje woda, z utworzeniem wodnego roztworu kaprolaktamu, przy czym prowadzi sie co najmniej osobna wstepna ekstrakcje w mieszalniku/- osadniku przed etapem a) i/lub przed etapem b), w której podczas wstepnej ekstrakcji przed etapem a) stosuje sie do ekstrakcji rozpuszczalnik organiczny, który nie miesza sie z woda, a podczas wstepnej ekstrakcji przed etapem b) stosuje sie do ekstrakcji wode. PL PL PL PL PL PL

Description

Wynalazek dotyczy sposobu oczyszczania wodnych mieszanin kaprolaktamu przez ekstrahowanie kaprolaktamu za pomocą organicznego rozpuszczalnika kaprolaktamu, który nie miesza się z wodą podczas ekstrakcji benzenowej, i uwalnianie kaprolaktamu z organicznego rozpuszczalnika przez ekstrakcję wodą, z utworzeniem wodnego roztworu kaprolaktamu, w procesie powrotnej ekstrakcji.

Sposób taki jest znany z opisu holenderskiego zgłoszenia patentowego nr NL-A-77110150, opisującego tak zwaną ekstrakcję benzenową kaprolaktamu z wody do benzenu i powrotną ekstrakcję z benzenu do wody. Wadą tego sposobu jest jednak to, że gdy kolumny są bardziej obciążone, np. gdy wzrasta wytwarzanie kaprolaktamu, wpływa to niekorzystnie na wydajność ekstrakcji stosowanych kolumn ekstrakcyjnych.

Celem wynalazku jest zapewnienie sposobu, w którym można stosować większe obciążenia w etapach ekstrakcji bez utraty wydajności ekstrakcji.

Cel ten osiąga się, gdyż przed ekstrakcją benzenową i/lub powrotną ekstrakcją ma miejsce, co najmniej osobna wstępna ekstrakcja, podczas której, w trakcie wstępnej ekstrakcji przed

189 095 ekstrakcją benzenową, do ekstrakcji stosuje się organiczny rozpuszczalnik nie mieszający się z wodą, a podczas wstępnej ekstrakcji przed ekstrakcją powrotną, do ekstrakcji stosuje się wodę.

Pozwala to zwiększyć obciążenie w dowolnym etapie ekstrakcji o 20% przy jednej tylko dodatkowej półce teoretycznej; ponadto prowadzi to nawet do poprawienia wydajności ekstrakcji. Oczyszczanie kaprolaktamu za pomocą ekstrakcji benzenowej i ekstrakcji powrotnej często stanowi wąskie gardło w procesie produkcji kaprolaktamu, ponieważ kolumny ekstrakcyjne nie są zdolne do przerobienia wzrastającej ilości wytwarzanego kaprolaktamu. Problem ten można teraz łatwo rozwiązać, nawet bez potrzeby zainstalowania dodatkowego wyposażenia, np. kolumn, przez przeprowadzenie wstępnej ekstrakcji. Nowe kolumny ekstrakcyjne są ponadto drogie i często trudno jest włączyć je do istniejącej instalacji.

Ta wstępna ekstrakcja może mieć miejsce np. w mieszalniku/osadniku. Mieszalnik/osadnik jest urządzeniem składającym się z części, w której zachodzi mieszanie i z części, w której zachodzi osadzanie. Ciecze łączy się w części, w której zachodzi mieszanie i do niej dostarcza się energię, np. za pomocą mieszadła. Powoduje to tworzenie się kropli jednej cieczy w drugiej, w postaci dyspersji. Dyspersja ta pozostaje następnie w ciągu dostatecznie długiego czasu w części, w której zachodzi osadzanie, aby krople uległy koalescencji, korzystnie w przepływie laminamym.

Odpowiednimi mieszalnikami/osadnikami są mieszalniki/osadniki typu skrzyniowego, EMI, „General Mills” lub mieszalniki/osadniki Kemira, opisane w publikacji Godfrey J.C. i Slater M.J. „Liquid-liquid Extraction Equipment”, Ed. Wiley, COP (1994), rozdział I, str. 294-297.

Można tez umieścić na kolumnie przedłużenie kolumny, które to przedłużenia można ewentualnie poszerzać.

Mieszaniny zawierające kaprolaktam można np. ekstrahować za pomocą kolumn ekstrakcyjnych. Odpowiednie do stosowania jako kolumny ekstrakcyjne są kolumny wyposażone w zainstalowane wewnątrz obracające się elementy, znane jako „kolumny z obracającą się tarczą” (RDC), i elementy do wywoływania pulsacji słupa cieczy. Odpowiednie są także kolumny z pulsującą cieczą z wypełnieniem, kolumny pulsujące z półkami sitowymi, kontaktory z asymetrycznie obracającą się tarczą (ARD), kolumny Scheibel'a i kolumny Kuhni. Na ogół, wystarczy prowadzić proces w kolumnie składającej się z 3 - 25 półek teoretycznych, w zależności od pożądanego stopnia oczyszczania. Jeżeli to pożądane, można oczywiście zwiększyć liczbę półek. Korzystnie, proces ekstrakcji prowadzi się przeciwprądowo, gdyz ekstrakcja przebiega wówczas w sposób najbardziej wydajny, a więc i ekonomiczny.

Kaprolaktam można np. wytwarzać przez przegrupowanie Beckmanna oksymu cykloheksanonu w obecności kwasu siarkowego. Przegrupowanie Beckmanna może przebiegać zarówno w fazie gazowej jak i w fazie ciekłej. Po przegrupowaniu w fazie ciekłej, przegrupowaną mieszaninę zobojętnia się zwykle za pomocą np. amoniaku. Powoduje to rozdzielenie faz. Jedna z faz zawiera w zasadzie cały kaprolaktam, a druga faza zawiera w zasadzie cały powstały siarczan amonowy.

W jednej postaci wynalazku, podczas ekstrakcji benzenowej, mieszaninę zawierającą kaprolaktam wprowadza się najpierw do, np., mieszalnika/osadnika jako etap wstępnej ekstrakcji, do którego dodaje się rozpuszczalnik organiczny otrzymany z etapu ekstrakcji, np. w kolumnie. Następnie, dwie fazy miesza się intensywnie przez pewien czas. Ze względu na czas mieszania ważne jest, aby osiągnąć prawie stan równowagi fizycznej. Czas mieszania wynosi zwykle od 5 minut do pół godziny, Następnie mieszaninę wprowadza się do części, w której następuje osadzanie, gdzie powstała dyspersja może osadzać się, co powoduje powstanie oddzielnej fazy wodnej, którą następnie oddziela się, i oddzielnej fazy organicznej. Następnie, oddzielaną fazę wodną wprowadza się do części wierzchołkowej kolumny do ekstrakcji benzenowej. Można również wprowadzać część dyspersji z mieszalnika/osadnika na wierzchołek kolumny ekstrakcyjnej, a inną część do kolumny w punkcie lezącym np. na jednej trzeciej wysokości kolumny ekstrakcyjnej. Czynnik ekstrahujący wprowadza się do dennej części kolumny ekstrakcyjnej.

189 095

Nie ma potrzeby wprowadzać (całej) ilości czynnika ekstrahującego na wierzchołek (lub do dennej części) kolumny lub mieszalnika/osadnika. Część, lub całą ilość czynnika ekstrahującego można ewentualnie wprowadzać na wierzchołek (lub do dennej części) trzeciej części kolumny ekstrakcyjnej i/lub z boku mieszalnika/osadnika.

Można prowadzić kilka ekstrakcji benzenowych i/lub ekstrakcji powrotnych.

Ekstrakcję wstępną można prowadzić przed ekstrakcją benzenową lub przed ekstrakcją powrotną lub przed obydwoma tymi etapami ekstrakcji. Ekstrakcja wstępna korzystnie ma miejsce na zatężonej stronie (stronach) ekstrakcji benzenowej i/lub ekstrakcji powrotnej.

Ekstrakcję wstępną korzystnie prowadzi się w mieszalniku/osadniku. Można oczywiście także stosować kilka mieszalników/osadników.

Temperatura, w której prowadzi się etap ekstrakcji wstępnej przed pierwszym etapem wynosi od 20 do 80°C. Temperatura etapu ekstrakcji wstępnej przed drugą ekstrakcją waha się od 10 do 60°C.

W etapie ekstrakcji benzenowej można także stosować inne czynniki ekstrahujące. Odpowiednimi czynnikami ekstrahującymi dla ekstrakcji benzenowej są benzen, toluen, ksylen, chloroform, chlorowane węglowodory lub wyższe alkohole, to znaczy alkohole jedno- i wielowodorotlenowe o 5-12 atomach C. Te czynniki ekstrahujące mogą także zawierać kaprolaktam.

W przypadku ekstrakcji powrotnej czynnikiem ekstrahującym jest zwykle woda lub roztwór kaprolaktamu w wodzie.

Czynniki ekstrahujące korzystnie zawraca się do obiegu i używa ponownie. To ponowne użycie czynników ekstrahujących może ewentualnie następować po oczyszczeniu zuzytych czynników.

Jedną postać sposobu według wynalazku zilustrowano schematycznie na fig. 1, na której A i B oznaczają kolumny ekstrakcyjne. Mieszaninę kaprolaktam/woda wprowadza się przewodem 1 do mieszalnika/osadnika 2. Ponadto, do mieszalnika/osadnika 2 wprowadza się przewodem 4 rozpuszczalnik organiczny, np. benzen lub laktam benzenowy. Wstępnie ekstrahowany materiał zasilający zawierający uwodniony kaprolaktam wprowadza się przewodem 3 do kolumny A. Rozpuszczalnik organiczny wprowadza się przewodem 6 do kolumny A w przeciwprądzie, aby ekstrahować kaprolaktam z wodnego roztworu. Wodny roztwór, z którego usunięto większą część kaprolaktamu, wyładowuje się przewodem 5. Organiczny roztwór kaprolaktamu zawraca się do mieszalnika/osadnika 2 przewodem 4, po czym wprowadza się go przewodem 7 do mieszalnika/osadnika 8. Przewodem 9 organiczny roztwór kaprolaktamu wprowadza się do kolumny ekstrakcyjnej B, w której zachodzi powrotna ekstrakcja kaprolaktamu wodą dostarczaną przewodem 11. Rozpuszczalnik, z którego usunięto niemal cały kaprolaktam odbiera się przewodem 10 do ponownego stosowania jako czynnik ekstrahujący dla mieszaniny kaprolaktam/woda.

Roztwór kaprolaktamu w wodzie, otrzymany z kolumny B wprowadza się przewodem 12 do mieszalnika/osadnika 8, a stamtąd przewodem 13 do dalszego przetwarzania.

Wynalazek zilustrowano dalej za pomocą następujących nie ograniczających go przykładów.

Przykład porównawczy A

Mieszaninę uwodnionego kaprolaktamu, zawierającą 71,9% wagowych kaprolaktamu ekstrahowano za pomocą benzenu w tak zwanej „kolumnie z obracającą się tarczą” (RDC) o długości 4,5 m i średnicy 7,5 cm; patrz fig. 2. Tarcza obracała się z szybkością 400 obrotów/minutę (rpm). Uwodniony kaprolaktam wprowadzano na wierzchołek kolumny (7') przewodem (f) z szybkością przepływu 30 litrów/godzinę. Benzen wprowadzano do części dennej jako strumień (2') z szybkością przepływu 84 liirów/godzinę. Wydajność ekstrakcji optymalizowano, zmieniając ilość doprowadzanej energii obrotowej. Odprowadzana faza wodna (3') zawierała 0,4% wagowych kaprolaktamu, a odprowadzana faza benzenowa (4') zawierała 22% wagowych kaprolaktamu. Wydajność ekstrakcji oparto na ilości kaprolaktamu w strumieniu (3) w stosunku do ilości kaprolaktamu w strumieniu zasilającym (1') i wynosiła ona 99,5%.

189 095

Przykład I.

Postępowano jak w przykładzie porównawczym A z tym, że obecnie przed kolumną umieszczono kombinację mieszalnik/osadnik; patrz fig. 3. Mieszalnik (8) stanowił naczynie z mieszadłem o wysokości 15 cm i średnicy 30 cm. Czas przebywania w mieszalniku wynosił 5 minut. Osadnik (9) miał kształt prostokątnego pojemnika o wymiarach 0,6 na 0,3 na 0,2 m. Czas przebywania w osadniku wynosił 10 minut. Szybkość obrotów w rdc wynosiła 700 obrotów/minutę. Szybkości przepływu wodnej mieszaniny kaprolaktamu i benzenu zwiększono 0 25%. Szybkość strumienia zasilającego (1) wynosiła 37,5 litrów/godzinę, a strumienia (2) 105 litrów/godzinę. Odprowadzana faza wodna (3) zawierała tylko 0,2% wagowych kaprolaktamu, podczas gdy odprowadzana faza benzenowa (4) ciągle zawierała 22% wagowych kaprolaktamu. Wydajność ekstrakcji wynosiła 99,8%, podczas gdy wydajność połączonych etapów ekstrakcji została ponadto zwiększona o 25%.

Przykład porównawczy B

Mieszaninę uwodnionego kaprolaktamu, zawierającą 71% kaprolaktamu ekstrahowano za pomocą toluenu w tak zwanej „kolumnie pulsacyjnej z wypełnieniem” (ppc) o długości 5 m i średnicy 5 cm. Uwodnioną mieszaninę kaprolaktamu wprowadzano na wierzchołek kolumny (7') przewodem (1') z szybkością przepływu 7,6 kg/godzinę; patrz fig. 2. Toluen wprowadzano do części dennej jako strumień (2') z szybkością przepływu 28 kg/godzinę. Szybkość pulsowania w kolumnie wahała się od 0,005 do 0,02 m/s. Odprowadzana faza wodna (3') zawierała 8% wagowych kaprolaktamu, a odprowadzana faza toluenowa (4') zawierała 17% wagowych kaprolaktamu. Wydajność ekstrakcji oparto na ilości kaprolaktamu w strumieniu (3) w stosunku do ilości kaprolaktamu w strumieniu zasilającym (T) i wynosiła ona 93%.

Przykład Π.

Postępowano jak w przykładzie porównawczym B z tym, że obecnie przed kolumną umieszczono kombinację mieszalnik/osadnik; patrz fig. 3. Czas przebywania w mieszalniku wynosił 6 minut. Czas przebywania w osadniku wynosił 10 minut. Szybkości przepływu strumienia zasilającego (1) i strumienia (2) zwiększono o 20%. Szybkość strumienia zasilającego (1) wynosiła 9,1 kg/godzinę, a strumienia (2) 34 kg/godzinę. Odprowadzana faza wodna (3) zawierała tylko 5% wagowych kaprolaktamu, podczas gdy odprowadzana faza toluenowa (4) ciągle zawierała 17% wagowych kaprolaktamu. Wydajność ekstrakcji wynosiła 96%, podczas gdy wydajność połączonych etapów ekstrakcji została ponadto zwiększona o 20%.

Przykład porównawczy C.

Mieszaninę uwodnionego kaprolaktamu, zawierającą 71% wagowych kaprolaktamu ekstrahowano za pomocą benzenu w ppc o wysokości 6 m i średnicy 0,23 m. Uwodnioną mieszaninę kaprolaktamu wprowadzano na wierzchołek kolumny (7') przewodem (1') z szybkością przepływu 123 kg/godzinę; patrz fig. 2. Benzen wprowadzano do części dennej jako strumień (2') z szybkością przepływu 243 kg/godzinę. Szybkość pulsowania w kolumnie wahała się od 0,006 do 0,0125 m/s.

Odprowadzana faza wodna (3') zawierała w przybliżeniu 1,5% wagowych kaprolaktamu, a odprowadzana faza benzenowa (4') zawierała około 20% wagowych kaprolaktamu. Wydajność ekstrakcji oparto na ilości kaprolaktamu w strumieniu (3) w stosunku do ilości kaprolaktamu w strumieniu zasilającym (1'), i wynosiła ona 99,4%,

Przykład HI.

Postępowano jak w przykładzie porównawczym C z tym, że obecnie kombinację mieszalnik/osadnik opisaną w przykładzie I umieszczono przed kolumną; patrz fig. 3. Czas przebywania w mieszalniku wynosił 5 minut. Czas przebywania w osadniku wynosił 11 minut. Szybkości przepływu strumienia zasilającego (1) i strumienia (2) zwiększono o 25%. Wydajność ekstrakcji wynosiła 99,8%.

Przykład porównawczy D.

Mieszaninę benzenową kaprolaktamu, zawierającą 20% wagowych kaprolaktamu poddawano ekstrakcji powrotnej, stosując wodę, w ppc o wysokości 8 m i średnicy 0,10 m. Wodę wprowadzano na wierzchołek kolumny (7') z szybkością przepływu 50 kg/godzinę; patrz fig. 2. Benzenową mieszaninę kaprolaktamu (2') wprowadzano do części dennej z szybkością przepływu 103 kg/godzinę. Szybkość pulsowania w kolumnie wynosiła 0,02 m/s.

189 095

Odprowadzana faza wodna (3') zawierała w przybliżeniu 28% wagowych kaprolaktamu, a odprowadzana faza benzenowa (4') zawierała około 0,05% wagowych kaprolaktamu. Wydajność ekstrakcji wynosiła 99%.

Przykład IV.

Postępowano jak w przykładzie porównawczym D z tym, że obecnie kombinację mieszalnik/osadnik opisaną w przykładzie I umieszczono w dennej części kolumny. Czas przebywania w mieszalniku wynosił 7 minut. Czas przebywania w osadniku wynosił 10 minut. Chociaż szybkość pulsowania pozostała niezmieniona, szybkości przepływu strumieni (1) i (2) zwiększono d 60 kg/godzinę w przypadku strumienia (1) i do 124 kg/godzinę w przypadku strumienia (2). Odprowadzana faza benzenowa zawierała tylko 0,02% wagowych kaprolaktamu. Wydajność ekstrakcji wynosiła 99,9%.

Claims (9)

1. Sposób oczyszczania wodnych mieszanin kaprolaktamu, znamienny tym, że zawiera następujące etapy:

a) ekstrahowanie kaprolaktamu w kolumnie ekstrakcyjnej za pomocą organicznego rozpuszczalnika kaprolaktamu, który nie miesza się z wodą

b) uwalnianie kaprolaktamu z organicznego rozpuszczalnika w kolumnie ekstrakcyjnej przez ekstrakcję wodą, z utworzeniem wodnego roztworu kaprolaktamu, przy czym prowadzi się co najmniej osobną wstępną ekstrakcję w mieszalniku/osadniku przed etapem a) i/lub przed etapem b), w której podczas wstępnej ekstrakcji przed etapem a) stosuje się do ekstrakcji rozpuszczalnik organiczny, który nie miesza się z wodą. a podczas wstępnej ekstrakcji przed etapem b) stosuje się do ekstrakcji wodę.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że etap a) prowadzi się w kolumnie ekstrakcyjnej i ze wstępną ekstrakcję w mieszalniku/osadniku prowadzi się przed etapem a).

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że etap b) prowadzi się w kolumnie ekstrakcyjnej i że wstępną ekstrakcję w mieszalniku/osadniku prowadzi się przed etapem b).

4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że wstępną ekstrakcję prowadzi się na zatężonej stronie (stronach) etapu a) i/lub etapu b).

5. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że ekstrakcję wstępną przed etapem a) prowadzi się w temperaturze od 20 do 80°C.

6. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że ekstrakcję wstępną przed etapem b) prowadzi się w temperaturze od 10 do 60°C.

7. Sposób ekstrakcji kaprolaktamu z wodnych mieszanin kaprolaktamu, znamienny tym, ze zawiera etap:

ekstrahowania kaprolaktamu w kolumnie ekstrakcyjnej za pomocą organicznego rozpuszczalnika kaprolaktamu, który nie miesza się z wodą, przy czym przed ekstrakcją w kolumnie ekstrakcyjnej prowadzi się wstępną ekstrakcję w mieszalniku/osadniku stosując rozpuszczalnik organiczny, który nie miesza się z wodą. .

8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że wstępną ekstrakcję prowadzi się na zatężonej stronie ekstrakcji w kolumnie ekstrakcyjnej.

9. Sposób według zastrz. 7 albo 8, znamienny tym, że ekstrakcję wstępną prowadzi się w temperaturze od 20 do 80°C.