SU725554A3 - Способ получени формамида моно или диметилформамида - Google Patents

Description

В этой св зи с течением времени происходит образование твердого осадка катализатора ,  вл ющегос  причиной закупорки трубопроводов и клапанов установки, а также образовани  твердой накипи на поверхност х теплообмена. С течением времени теплообмен от этого ухудшаетс  все больше и больше. Третье осложнение состоит в том, что в присутствии влаги щелочной или щелочноземельный метилат вступает в реакцию с окисью углерода, образу  сольщелочной или щелочноземельный формиат, который также плохо раствор етс  в реакционной смеси и создает также производственные трудности, как описано дл  щелочного или щелочноземельного метилата . В табл. 2 показана растворимость формиата натри  в системе ДМФ/СНзОН при комнатной температуре.

Таблица 2

Активность катализатора значительно тер ет свою активность вследствие перехода в щелочной или щелочноземельный формиат , который не катализирует процесс. Вместе с тем относительно высокое давление и температура процесса значительно увеличивают капиталовложени  и эксплуатационные издержки.

Наиболее близким техническим рещением к за вленному  вл етс  способ, в котором осуществл етс  рециклизаци  реакционной смеси между реактором и теплообменником . Циркул ци  обеспечиваетс  трубой Вентури, в которую в качестве движущейс Средь дл  жидкой реакционной смеси амин - катализатор - растворитель нагнетаетс  под давлением окись углерода. Способ обеспечивает эфефктивное сн тие тепла реакции, но с течением времени начинает образовыватьс  осадок катализатора , постепенно уменьшающий пропускную способность реакционной смеси в трубопроводах и снижающий теплообмен между реакционной смесью и охлаждающей поверхностью теплообменника. Диспергирование газовых пузырьков в жидкой среде получаетс  грубым, вследствие этого поверхность контакта газ-жидкость оказываетс  недостаточной. Температура процесса 50- 200°С, давление 5-110 атм.

В этом способе используют контур реактор - теплообменник - насос дл  циркулировани  жидкости. Жидка  смесь подаетс  насосом в трубу Вентури с пропускной

способностью, не менее чем на 50% превышающей пропускную способность засасываемой при атмосферном давлении под воздействием только силы всасывани  газовой струи жидкой смеси. В результате улучшаетс  распределение газовых пузырьков и уменьшаютс  их размеры, контакт между жидкой и газообразной фазой улучшаетс . Благодар  наличию насоса уменьшаетс  (в силу турбулентного характера течени ) тенденци  образовани  твердых отложений катализатора ,3.

Однако в Промышленном масштабе этот способ имеет недостатки.

Так, возникает необходимость рециркулировани  непрореагировавшей окиси углерода . Однако перед повторным вводом в реактор, выводима  остаточна  окись углерода должна быть освобождена от захваченных ею летучих компонентов. Потом до смешени  со свежим газом, загружаемым в реактор, отработанный газ должен быть повторно подвергнут сжатию. Это предусматривает дополнительные капиталовложени , т. е. практически вдвое повышающие стоимость установки. Значителен также расход энергии компрессором линии рециркулировани , а себестоимость самой установки и ее эксплуатаци  вызывает дополнительные расходы.

Производительность неоптимальна, а режим температуры и давлени  достаточно высок.

Целью изобретени   вл етс  упрощение процесса и повышение его производительности .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что способ получени  формамида, моно- или диметилфорамида осуществл ют в реакционной зоне путем взаимодействи  газового потока окиси углерода или его содержащего газа с потоком жидкой смеси, содержащей аммиак, моно- или диметиламин, метанольный раствор метилата щелочного металла в качестве катализатора с использованием рециклизации продукта между реактором и теплообменником и диспергировани , при температуре 50-200°С и давлении 5-110 атм с отбором части реакционного продукта дл  выделени  целевого продукта . Отличительной особенностью процесса  вл етс  рециклизаци  жидкого реакционного продукта, который используют дл  засасывани  и диспергировани  в реакционной зоне газового потока окиси углерода.

Таким образом, в отличии от известного .способа, где в качестве движущей жидкую реакционную смесь среды используетс  окись углерода, в предложенном в качестве движущей среды окиси углерода (или его содержащего потока) примен етс  жидка  реакционна  смесь. Это различие оказывает вли ние на стоимость способа, так. как отпадает необходимость рециркулировани  окиси углерода. Это устран ет зна5 чительные капиталовложени  и эксплуатационные издержки. , Кроме того, процесс ведут при более умеренных давлении и температуре, чем в известном , с лучшей производительностью.5 Выход целевого продукта Получаетс  практически количественным. Способ можно осуществл ть непрерывно. На фиг. 1 показано осушествление процесса; на фиг. 2 дан график вли ни  со-10 держани  метилата натри  на производительность процесса. Аппарат состоит из реакционной камеры 1, циркул ционного насоса 2, теплообменника 3, устройства 4 дл  засасывани 15 и диспергировани  окиси углерода. Направление циркулировани  жидкой реакционной смеси показано стрелками. Устройство 4 содержит перфорированную плиту, через которую проход т тонкие струи реакцион-20 ной жидкой смеси, бьющие по ударной плите и образующие с газообразной фазой туман . Таким путем обеспечиваетс  тесна  св зь газообразной фазы и жидкой фазы. Устройство представлено в виде трубы Вен-25 тури, хот  возможно использование любого устройства, способного обеспечить аспирацию газовой фазы жидкой фазой с получением предельно тесной св зи обеих фаз между собой. -30 Окись углерода (или его содержащую газовую смесь) подают с посто нным расходом потока по трубопроводу 5 в предназна: ченную дл  газовой фазы верхнюю часть камеры 1. Аммиак, первичный или вторич-35 .ный амин, содержащий определенное количество растворенного в метаноле метилата, подают с посто нным расходом потока по трубопроводу 6 под уровень раздела фаз . газовой и жидкой. Амин и катализатор40 можно подавать раздельно. , Газы (в основном инертные газы, содержащие очень небольшие количества окиси углерода) выход т из камеры 1 по трубопроводу 7. Посто нство давлени  в аппа--15 рате поддерживаетс  неизменным дебитом загружаемых реактивов и клапаном 8, с помощью которого обеспечиваетс  нужное давление реакции. Увлеченные инертным газом продукты задерживаютс  конденса-50 тором 9. Конденсатор этот полезен только в случае использовани  очень сильно разбавленной окиси углерода. Реакционную смесь вывод т из аппарата через клапан 10, управл емый в зависимости от уровн  жид-55 кой реакционной смеси 11 в камере реактора и количества реакционной смеси, выводимой из системы в любой момент пропорционально вводимым количествам реактивов .60 Дл  предотвращени  попадани  в насос 2 нерастворенной в реакционной смеси диспергированной газовой фазы, необходимо. из-за угрозы кавитационных повреждений, придать реакционной камере высоту, доста-65 6 точную дл  того, чтобы нерастворившиес  газовые пузырьки могли (блатоц. разности плотности) вернутьс  на поверхность раздела газовой и жидкой фаз без захвата их насосом 2 и попадани  в контур жидкой фазы. Дебит насоса должен быть достаточно высоким, чтобы обеспечить хороший теплообмен между реакционной камерой 1 и теплообменником 3 и гарантировать посто нную температуру в реакционной камере в пределах 50-200°С, предпочтительно 60- 100°С, а также гарантировать создание поверхности контакта газовой и жидкой фазы пор дка предпочтительно 1000-200Q жидкой фазы. В теплообменнике обмен тепла между жидкой реакционной смесью и нагревательной или охлаждающей средой происходит косвенно через теплообменн,ую поверхность, Давление в процессе реализации способа 5-110 атм, предпочтительно 10-25 атм. Используема  в способе по изобретению окись углерода может представл ть собой чистую окись углерода или газовую смесь, содержащую инертные газы, наример водород , азот, углеводород и т. п., причем содержание окиси углерода в загружаемой газовой смеси должно составл ть 20- 100 об. %; предпочтительно 50-100 об. %. Необходимо следить затем, чтобы окись углерода или содержаща  его газова  смесь имела предельно малое количество воды, например меньше 5 ч на млн., поскольку вода разрушает катализатор, образу -осадок щелочного формиата. Требование к минимальному содержанию воды должно соблюдатьс  ко всем используемым в процессе веществам: аммиаку, монометил- или диметиламину . Мол рное соотнощение реагентов в способе по изобретению - окиси углерода и аммиака или моно- и диметиламина, соблюдают 0,2-2,0, но ecjfn хот т получить только формамид то предпочтительно 0,2- 1,0. Нар ду с этим следует учитывать, что используемый дл  растворени  щелочного метилата метанол вступает в реакцию с окисью углерода с образованием метилформиата . Поэтому согласно одному из технологических вариантов способа по изобре-( тению можно также получить продукт, содержащий формамид (или метилзамещенный формамид) и определенное количество метилформиата. В этом случае используют избыточное, по отношению к стехиометрическому количеству амина, содержание окиси углерода. Продукт реакции будет содержать тем больше метилформиата, чем больше использовано метанола. В этом случае отношение окись углерода - амин составл ет предпочтительно 1,0-1,4. Разделение формамида (в том числе метилзамещенного ) от метилформиата в продукте реакции осуществл ют благодар 

азличным точкам кипени  формамида, меанола и метилформиата:

Состав

Т. кип., °С (мм рт. ст.)

Формамид 105-106 (И)

Монометилформамид

180-185

(760) Деметилформ153

(758)

амид Метанол (760)

65 Метилформиат

31,5 ( 760)

Катализатор метилат натри  используют в виде раствора в метаноле с концентрацией 1-30 вес. %, предпочтительно 1 - 5 вес. %. Добавл емое количество катализатора (Е расчете на 100%-ный. метилат) составл ет 0,2-4 вес. %, предпочтительно 0,4-2,5 вес. % относительно использованного аммиака или амина.

Вы.ход получаемых в ходе процесса по изобретенггю формамидов получаетс  практически количественным. Практически он составл ет 95-100 мол. % относительно аммиака или амина. Выход продукта реакции  вл етс  функцией парциального давлени  окиси углерода в газовой смеси. С цовышением содержани  СО выход растет и становитс  при технически чистом СО, равным не менее 95% по отношению к окиси углерода.

За счет очень хорошего теплообмена обеспечиваетс  высока  производительность , значительный коэффициент цнркул ции жидкой реакционной смеси обеспечивает ,не только хорошую стабильность температуры реакции и оптимальный контакт газовой и жидкой фаз, но и отсутствие отложений (накипи щелочного метилата или формиата) на внутренних поверхност х аппаратуры , в частности на теплообменных .поверхност х. Образуюш,ийс  твердый осадок поддерживаетс , благодар  создаваемому насосом завихрению, во взвешенном состо нии, т. е. в целом устран етс  проблема образовани  твердых отложений. Кроме того, в способе создаетс  возможность использовать (применительно к потребности ) различные количества катализатора , различные давлени  окиси углерода , различные температуры, разные коэффициенты циркул ции жидкой реакционной смесиИ одновременно получать в одном аппарате формамид и метилформиат.

Кроме того, в процессе достигаетс  высокий коэффициент заполнени  аппарата, т. е. жидка  реакционна  смесь имеет объем , составл юхций не менее 80% (обычно не 90%) от п.олезцого объема аппарата . STO; создает возможность сугцественного снижени  стоимости сооружени  и монтажа аппарата при той же заданной часовой производительности продукта. Увеличиваетс  производительность и выход продукт реакции за счет увеличенной поверхцрст контакта между газом и жидкостью,

В приведенных далее примерах, иллюстрируюших изобретение, используетс  аппарат , суммарный полезный объем которого составл ет 60 л. Насос дл  циркулироваНИН реакционной смеси отрегулирован на дебит, обеспечиваюш;ий .получение поверхности контакта газовой и жидкой фаз, равной 1200 жидкой фазы. Жидка  фаза занимает в аппарате объем, равный примерно 50-55 л. Коэффициент заполнени  суммарного полезного объема аппарата 83-91%.

Пример 1. В аппарат подают 113,2 кг/ч смеси, содержащей 69,65 вес. % диметиламина , 29,70 вес. % метанола и 0,55 вес. % метилата натри  (0,79 вес. % относительно диметиламина). Одновременно ввод т 59,5 кг/ч окиси з глерода 99,5%-ной чистоты . Все реактивы практически не содержат

воды I COj. Рабочее давление поддерживают 22 ата, а температура 90°С с помощью теплообменника, через который протекает вода с температурой 60°С. Дл  поддержани  посто нного уровн  жидкости ежечасно

отдел ют 161,5 кг смеси, содержащей 78 вес. %, т. е. производительность равна 126 кг/ч 100%-ного диметилформамида. Выход относительно окиси углерода составл ет 95 мол. %, степень конверсии диметиламина 98,5%. Р1епреобразованный диметиламин и метанол отдел ют от диметилформамида путем дистилл ции и возвращают в реакцию. В описанных услови х производительность диметилформамида равна

2,1 кг/ч-л емкости реактора (126:60).

Сравнение этих результатов с результатами известного 3 способа показано табл. 3.

Таблица 3

По изобретению при том же давлении и более низкой температуре достигаетс  производительность примерно в 5 раз выше

известной.

Пример 2. Работа производитс  при том же давлении, как в примере 1 (22 атм), но при еще более низкой температуре 7р°С. Загружают 35,2 кг/ч раствора, содержащего 69,61 вес. % диметиламина, 29,86 вес. % метанола и 0,52 вес. % метилата натри  (0,75 вес. % относительно диметиламина), 16,3 кг/ч окиси углерода 99,2%-ной частоты . В реакторе поддерживаетс  тот же уровень жидкости за счет вьшода 50,2 кг/ч смеси , содержащей 77,7% диметилформамида. Таким путем получают 39 кг/ч диметилформамида (100%-него). Производительность диметилформамида составл ет 0,65 кг/ч-л емкости реактора. Выход по СО составл ет 92 мол. %, степень конверсии диметиламина 98%.

Этот пример показывает, что при 70°С (а не 120°С) производительность получаетс  более высокой чем в известном способе, т. е. 0,65 против 0,43 кг/ч-л емкости реактора .

Пример 3. Процесс ведут как в примере 1, но при подачи 59,5 кг/ч смеси, содержащей 69,3 вес. % диметиламина 29,7 вес % метанола и 1 вес. % метилата натри  (1,4 вес. % от диметиламина), 26,6 кг/ч окдси углерода 99,5%-ной чистоты . Температуру поддерживают на уровне 90°С, давление 10 атм.

Из системы вывод т 84,9 кг/ч смеси, содержащей 77,76 вес. % диметилформамида, т. е. в 1 ч получают 66 кг 100%-ного диметилформамида . Выход относительно окиси углерода 96 мол. %, степень конверсии диметиламина 99%Производительность диметилформамида 1,1 кг/ч-л емкости реактора (66:60).

Опыт показывает, что при более низких, чем в известном способе давлении СО и температуре с повыщением количества катализатора, обеспечиваетс  более высока  производительность (1,1 вместо 0,43 кг/ч-л).

Пример 4. Этот пример показывает вли ние содержани  метилата натри  на производительность способа по данному изобретению и по известному способу.

Полученные результаты отображены на графике, представленном на фиг. 2. Крива  А относитс  к способу по данному изобретению , осуществл ющемус  при температуре 90°С и давлении 22 атм. Крива  В относитс  к способу ПО данному изобретению, проводившемус  при 70°С и 20 атм. Крива  С относитс  к способу по изобретению при 90°С и 10 атм. Точка D отмечает результаты , получаемые в примере 6 известного способа при 120°С и давлении 20 атм. Точка Е иллюстрирует результаты, полученные в примере 4 известного способа, при 120°С и давлении 50 атм.

Как видно из графических данных, при любом содержании катализатора способ по изобретению обеспечивает более высокую производительность при значительно более умеренной температуре и более низком давлении.

Дл  получени  одного и того количества диметилформамида 1 кг/ч-л емкости реактора в способе по данному изобретению требуетс  1,17% метилата натри  при температуре 70°С и давлении 20 атм (по известному способу надо использовать 1,50%

метилата натри , работу вести при 120°С и давлении 50 атм).

Пример 5. Работу ведут аналогично примеру 1, но в 1 ч подают 31,8 кг смеси, содержащей 69,76 вес. % диметиламина, 29,79 вес. % метанола и 0,45 вес. % метилата натри  (0,65 вес. % от веса диметиламина ). Параллельно ввод т 17,2 кг окиси углерода 99,5%-ной чистоты. Температура

0 равна 70°С, давление 22 атм.

Из системы вывод т 48,2 кг/ч смеси, содержащей 74,68 вес. % диметилформамида и 11,45 вес. % метилформиата. Производительность по- 100%-ному диметилфррм5 амиду составл ет 36 кг/ч, 100%-ного метилформиата 5,5 кг/ч. Производительность диметилформамида и формиата составл ет соответственно 0,6 и 0,09 кг/ч-л емкости реактора . Выход по отнощевию к СО составл ет 96 мол. %, степень конверсии диметиламина 100%.

Этот пример свидетельствует о том, что можно одновременно получать диметилформамид и мётилформиат. Производительность диметилформамида в этом случае снижаетс , превыща  производительность по известному способу (0,60 против 0,43кг/ч-л).

Пример 6. Аналогично примеру I в

0 систему подают в час 32,7 кг смеси, содержащей 97,56 вес. % диметчламина, 1,71 вес. % метанола 0,73 вес. % метилата натри  (0,75 вес. % по отношению к весу диметиламина). Одновременно ввод т

5 31,89 кг СО 99,5%-ной частоты.

Из системы вывод т 52,14 кг/ч смеси, содержащей 97,2 вес. % диметилформамида или 50,7 кг/ч 100%-ного продукта. Производительность диметилформамида состав0 л ет 0,84 кг/ч-л емкости реактора.

Этот пример показывает возможность осуществлени  реакции по изобретению с относительно очень низким расходом метанола . В этих услови х может иметь место

S осаждение метилата натри , но это не мешает синтезу за счет интенсивного циркулировани  и завихрени  реакционной смеси в аппарате. Этот осадок не отлагаетс  на теплообменной поверхности, что подтверждаетс  неизменным посто нством температуры реа-кции (9б°С).

Пример 7. Способ ведут аналогично примеру 1, но подаваема  газова  смесь содержит окиои углерода и 50%

5 водорода, суммарное давление поддерживают на уровне 100 атм (парциальное давление окиси углерода около 20 атм), при этом учитываетс  выпуск. Производительность диметилформамида

0 получают аналогичной примеру 1. Однако по СО выход составл ет всего лишь 75 мол. %.

Пример 8. Процесс ведут как в примере 1, но в 1 час подают 107,8 кг смеои„

5 содержащей 71,58% аммцака, 27,52% м.

11

танола и 0,9% метилата натри  (1,26% по отношению к аммиаку) и 41,3 кг/ч окиси углерода 99,5%-ной чистоты. Давление 75 атм, температура 90°С (парциальное давление аммиака при этой температуре около 35 атм). Выход по отношению к окиси углерода 95 мол. %, степень конверсии аммиака в формамид около 50%. Непрореагировавший аммиак возврапгают с метанолом . Содержание аммиака в смеси пополн етс  добавкой около 50% свежего аммиака .

Дл  сохранени  посто нства уровн  жидкости в аппарате в час отбирают 105,7 кг смеси, содержашей 59,6% формамида. Производительность равна 63 кг/ч. Удельна  производительность формамида 1,05 кг/ч-л емкости реактора.

Пр:имер 9. Процесс ведут как в примере 1, но в 1 ч загружают 87,05 кг смеси, содержащей 69,62 вес. % монометиламина, 29,87 вес. % метанола и 0,5 вес. % метилата натри  (0,72 вес. % относительно монометиламина ) и 56,5 кг окиси углерода 99,5%-ной чистоты. Температура составл ет 90°С, давление 25 атм.

Из системы ежечасно вывод т 140,75 кг смеси, содержащей 80,5 вес. % монометилформамида . Производительность составл ет 113,4 кг/ч, а удельна  производительность монометилформам:ида 1,89 кг/ч-л емкости реактора .

Claims (3)

1.Авторское свидетельство СССР № 108803, кл. С 07С 103/34, 1957.

2.Энциклопеди  технической химии. Под ред. Ульмана, 3-е издание, т. 7, с. 672-678, 1956.

3.Патент Великобритании № 1213173, кл. В ОИ 3/04, опублик. 1970 (прототип).

nemufiotn натри , %

фиг.г