CN101434569A

CN101434569A - 一种由环己酮肟制备己内酰胺的方法及设备

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Publication number: CN101434569A
Application number: CNA2007101774067A
Authority: CN
Inventors: 杨克勇; 付锦晖; 孙斌; 程时标; 张树忠; 吴巍
Original assignee: ACADEMY OF SCIENCES; Department Of Petrochemical Engineering China Petroleum Chemical Co; China Petroleum and Chemical Corp
Current assignee: ACADEMY OF SCIENCES; Department Of Petrochemical Engineering China Petroleum Chemical Co; China Petroleum and Chemical Corp
Priority date: 2007-11-15
Filing date: 2007-11-15
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2027-11-15
Also published as: CN101434569B

Abstract

本发明涉及一种由环己酮肟制备己内酰胺的方法以及该方法所使用的设备。该方法包括将含溶剂的惰性载气加热后连续通入装有催化剂的多级串联反应器的第一级反应器的载气入口，将环己酮肟直接分成至少两份分别进入所述多级串联反应器的各个级，使反应流出物冷却，分离出载气并循环至所述第一级反应器的载气入口，对液相反应产物进行分离、提纯。

Description

一种由环己酮肟制备己内酰胺的方法及设备

技术领域

本发明涉及一种由环己酮肟制备己内酰胺的方法以及该方法所使用的设备。更具体而言，本发明涉及一种环己酮肟气相贝克曼重排反应制备己内酰胺的方法以及该方法所使用的设备。

背景技术

环己酮肟经液相贝克曼重排反应转化为己内酰胺是目前工业上普遍使用的技术，催化剂多为浓硫酸或发烟硫酸。该方法对己内酰胺的选择性可达98.5％以上。采用该方法生产的己内酰胺占世界己内酰胺产量的约90％。该方法最大的缺点是副产大量低价值硫酸铵，其次是设备腐蚀和环境污染严重。

针对目前液相法存在的缺点，中国专利CN1269360A披露了一种气相重排生产己内酰胺的方法，该方法采用MFI结构分子筛为催化剂，采用流化床工艺，通过催化剂的不间断循环再生克服催化剂积炭失活缺陷，环己酮肟转化率为99.6％，己内酰胺选择性95.7％。该方法不使用硫酸，解决了设备腐蚀及副产硫酸铵的问题。但采用流化床工艺，存在流程和设备复杂、投资和操作费用高等缺点。

中国专利CN1621405公开了一种固定床气相重排工艺，它采用常规固定床工艺，常压操作，以MFI结构分子筛为催化剂，在250～500℃、常压、环己酮肟重量空速1-8h^-1下进行气相重排反应，环己酮肟转化率为99.5％，己内酰胺选择性为97.5％，催化剂单程寿命达1200小时。该方法存在反应温升大、床层温度不均、易结焦、操作周期短、操作成本高等缺点，且在工业上难以实施。

发明内容

本发明的目的是提供一种由环己酮肟制备己内酰胺的方法，该方法具有抑制肟的高温非催化副反应、提高反应选择性、避免加热器和换热设备结焦、延长催化剂使用周期等优点。

本发明提供的方法是：将含有溶剂的惰性载气加热后，连续通入装有催化剂的多级串联反应器的第一级反应器的载气入口，将环己酮肟分成至少两份分别进入所述多级串联反应器的各级反应器，冷却反应流出物，分离出载气并循环至所述第一级反应器的载气入口，对液相反应产物进行分离、提纯。

本发明提供的设备包括以下几部分：

多级串联反应器，系由至少两个串联在一起的反应器组成，或者是包括至少两个床层的单个反应器，其上设有混合原料入口、载气入口和反应流出物出口；

分离器，用于将反应流出物进行气液分离，其上设有反应流出物入口、载气出口和分离液出口；

溶剂回收塔，用于从分离器分出的液相反应产物中分离并回收溶剂，其上设有液相反应产物入口、溶剂出口和粗产物出口；

用于将载气加热的加热器；用于将反应流出物冷却的冷却器；

用于进行反应流出物与载气之间换热的换热器；

用于连接分离器的载气出口与多级串联反应器的载气入口之间、多级串联反应器的反应流出物出口与分离器的反应流出物入口之间、分离器的分离液出口与溶剂回收塔的分离液入口之间的管线，以及将来自溶剂回收塔溶剂出口的溶剂与循环载气混合的管线。

所述多级串联反应器中具有多个床层的单一反应器的每个床层，或者多个串联反应器中的每一个反应器被称为一级反应器。其中处于载气流动的方向最上游的那一级反应器称为第一级反应器。

采用本发明提供的进料方法，可以在较低的总的惰性气体/环己酮肟摩尔比下，获得各级反应器内使用较高的惰性气体/环己酮肟摩尔比，从而减少环己酮肟高温缩合结焦等副反应，延长催化剂使用周期。总的惰性气体/环己酮肟摩尔比低，意味着工业装置能耗和设备规模的减小。此外，由于各级反应器内惰性气体/环己酮肟摩尔比的提高，惰性气体相对含量增高，因此显著降低了催化剂床层因反应放热带来的升温，有利于提高己内酰胺的选择性和催化剂的使用效率。本发明方法的另外一个优点是环己酮肟不需加热，以冷源方式进入各级反应器，实现反应器各级间的取热，从而避免了环己酮肟在加热器或换热器内的高温加热过程，消除了在加热器或换热器内结焦的问题，并减少了环己酮肟非催化热缩合等副反应的发生，可提高目的产物的选择性。

附图说明

图1是本发明方法及设备的一个具体实施方案的示意图。

图2是本发明方法及设备的另一个具体实施方案实施例1、2所用方法的具体流程示意图。

图3是单段连续固定床反应装置的示意图。

具体实施方式

本发明的方法是将含有溶剂的惰性载气加热后连续通入装有催化剂的多级串联反应器的第一级反应器的载气入口，将环己酮肟分成至少两份分别进入所述多级串联反应器的各个级，使反应流出物冷却，分离出载气并循环至所述第一级反应器的载气入口，对液相反应产物进行分离、提纯。优选将环己酮肟与溶剂的混合物分成与所述多级串联反应器的级数相应的份数，优选各份为等分。

本发明方法中所述的多级串联反应器优选为绝热固定床反应器，例如可以为轴向和径向反应器。多级串联反应器可由多个单独的反应器串联而成，也可以是具有多个床层的一个反应器。物料在反应器内的的流动方式可以为上行式或下行式。

本发明方法中所述的多级串联反应器至少分为2级。在不使反应***过于复杂的情况下，级数越高效果越好。本发明方法使用的多级串联反应器的级数通常为2-10级，优选3-6级。

本发明方法中的惰性载气为不与环已酮肟、己内酰胺发生反应的任何介质，包括但不限于氮气、氢气、氩气、氨气、沸点不高于180℃的饱和烃以及卤代烃或它们的混合物。

本发明方法中惰性载气与环己酮肟的总摩尔比为6-50，惰性载气与环己酮肟在每级反应器的摩尔比为12-300，优选为20-200。惰性载气与环己酮肟的总摩尔比是指，在***稳定运行时，单位时间内进入整个多级串联反应器的载气摩尔数与总环己酮肟摩尔数之比。惰性载气与环己酮肟在每级反应器的摩尔比是指，在***稳定运行时，单位时间内进入多级串联反应器某一级的载气摩尔数与该级环己酮肟摩尔数之比。各级反应器的惰性载气与环己酮肟摩尔比可以相同或不同。

本发明方法中的催化剂可以是任何用于环己酮肟气相重排的MFI结构分子筛催化剂。所述MFI结构分子筛催化剂包括现有技术所公开的钛硅分子筛、全硅分子筛以及硅/铝比≥500的zSM-5分子筛。这些分子筛可以直接用于本发明方法，也可以预先经过含氮化合物的碱性水溶液处理。

本发明方法中的溶剂选自C₁-C₆的直链或支链脂肪醇或它们的混合物，优选甲醇、乙醇或丙醇或它们的混合物。溶剂与环己酮肟的重量比为10-80:90-20，优选为20-70:80-30。

本发明方法中的反应温度为200-500℃，优选300-450℃。

本发明方法中的压力为0.11-2.5MPa，优选0.15-1.2MPa。当压力大于常压时，本发明的设备还包括将载气加压的压缩机。

本发明的方法中环己酮肟的重量空速为0.2-8h^-1，优选为0.5-6h^-1。

反应体系中含有适量水有助于提高催化剂的活性，但过高的水将导致环己酮肟水解等副反应的增加，影响己内酰胺的选择性。水与环己酮肟的摩尔比为0.03-1.0，优选为0.05-0.35。本发明方法中水可通过反应器入口注入或从回收的溶剂中带入。

下面参照附图对本发明进行详细说明。

图1是本发明方法及设备的一个实施方案的示意图。在该实施方案中，所述多级串联反应器是一个沿着反应物的流向设置有多个床层的单一反应器。循环载气与回收溶剂混合后经换热器换热进入反应器的载气入口，环己酮肟被分成与床层数相应的份数，分别进入到不同催化剂床层入口。进入第一床层的环己酮肟在重排反应条件下开始气相重排反应，到该床层出口处环己酮肟已基本反应完全。由于反应放热原因，第一床层出口物料温度将上升。第二份环己酮肟被送入第二床层入口，依此类推，直到最后一份环己酮肟进入最后一个床层完成反应，反应流出物与含有溶剂的循环载气换热冷却。经过气液分离，分离出的载气被循环至反应器的载气入口，分离出的液相产物经溶剂回收塔回收其中的溶剂后获得粗己内酰胺，回收的溶剂可与循环载气再次混合并进入反应器。

图2是本发明方法及设备的另一个实施方案的示意图。在该实施方案中，多级串联反应器由多个单独的反应器串联而成。循环载气与回收溶剂混合经过换热器换热后进入第一级反应器的载气入口，环己酮肟被分成与床层数相应的份数，分别进入各级反应器的入口。进入第一级反应器的环己酮肟在重排反应条件下开始气相重排反应，到该级反应器出口处时环己酮肟已基本反应完全。由于反应放热原因，第一级反应器出口物料温度将上升。第二份环己酮肟被送入第二级反应器入口，依此类推，直到最后一份环己酮肟进入最后一级反应器完成反应。反应流出物与含有溶剂的循环载气换热冷却，经过气液分离，分离出的载气经压缩机压缩后循环至第一级反应器的载气入口，液相产物经溶剂回收塔回收溶剂后获得待精制的粗己内酰胺。回收的溶剂与循环载气再次混合并进入反应器。

下面通过实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于下述实施例的内容。

催化剂：

实施例中所使用的催化剂是按照中国专利CN1338427中所述的方法制得的全硅分子筛催化剂。该专利的内容通过引用全部纳入本说明书中。

反应器：

实施例中，气相重排反应过程是在一套由三台固定床反应器串联组成的反应***中进行的，每台反应器体积为220L。

色谱仪：

反应产物采用Trace GC-MS进行定性分析。定量分析采用GC8000色谱仪，FID检测，OV-1毛细管柱φ0.25mm×30m，汽化室温度248℃，检测室温度240℃，柱温为程序升温，110℃恒温8分钟，15℃/min升到230℃再恒温14分钟。

参数计算：

反应后经溶剂回收后的粗己内酰胺馏分中己内酰胺、环己酮、环己酮肟、环己烯酮等重排产物含量采用面积归一法计算，溶剂不参与积分。实施例中各有关反应评价参数定义如下：

环己酮肟转化率(mol％)＝[(100-粗己内酰胺中环己酮肟摩尔百分含量)/100]×100％

己内酰胺选择性(mol％)＝[粗己内酰胺中己内酰胺的摩尔百分含量/(100-粗己内酰胺中环己酮肟的摩尔百分含量)]×100％

重量空速(h^-1)＝环己酮肟的质量流量(kg/h)/层床催化剂质量(kg)

实施例1

将三台固定床反应器串联后作为多级串联反应器，从下到上分别装入φ10、φ3惰性瓷球和25kg催化剂，催化剂总装量为75kg。以氮气为载气，载气及反应原料流向为下行式。用氮气吹扫***至氧含量小于0.3

％，并充压到反应压力0.28MPa(g)，启动循环载气压缩机，控制进入反应器的循环氮气总流量为410Nm³/h。***稳定后，启动载气加热器将载气加热至380-400℃。以75kg/h的流量向循环载气中加入循环甲醇溶剂，从第一台反应器入口连续注入0.63L/h去离子水，环己酮肟在流量自动控制下，以75kg/h的流量被等分为3份，分别进入三台反应器入口管线，与上游来的物料混合后进入各自床层反应。第三台反应器出口物料经换热冷却至约40℃，进入分离器分出载气，载气经循环压缩机增压循环回反应器入口，分离器液相产物送至溶剂回收塔，溶剂甲醇从塔顶蒸出循环回反应***，塔釜为粗己内酰胺。装置稳定运转48小时后取样分析粗己内酰胺组成并计算转化率和选择性，详细工艺条件及结果汇总于表1。

实施例2

按照实施例1相同的方法，将环己酮肟的进料流量由75kg/h增加至150Kg/h，注水量由0.63L/h提高到1.2L/h，其它条件与实施例1相同，对应空速、总氮肟比、醇肟比的变化及反应结果汇总于表1。

实施例3

按照实施例1相同的方法，将环己酮肟的进料流量由75Kg/h降低至45Kg/h，其它条件与实施例1相同，对应空速、总氮肟比、醇肟比的变化及反应结果汇总于表1。

实施例4

按照实施例1相同的方法，将反应压力由0.28Mpa调整到0.5Mpa，其它条件与与实施例1相同，反应结果汇总于表1。

对比实施例1

本对比实施例1说明只用单段固定床，不采用环己酮肟直接分段进料时的反应效果。

对比实例是在单段连续固定床反应装置上进行的，循环载气经加热器加热后进入反应器入口，环己酮肟与循环溶剂和部分循环载气按一定比例混合，先经汽化器在低温下进行汽化，再经换热器与反应器出口产物换热后进入反应器进行气相重排反应，反应产物经换热、冷却后进行汽液分离，气相物料经压缩机升压循环回反应器，液相产物经溶剂回收塔回收溶剂后获得待精制的粗己内酰胺。回收的溶剂与原料环己酮肟再次混合并进入反应器。示意流程见附图3。

固定床反应器体积为220L，从下到上分别装入φ10、φ3惰性瓷球和45kg催化剂，用氮气置换***至氧含量小于0.3

％，并充压到反应压力0.28MPa(g)，启动循环载气压缩机，控制进入加热器的循环氮气流量为410Nm³/h，进入汽化器的循环氮气流量300Nm³/h。***稳定后，启动载气加热器将载气加热至380-400℃。以45kg/h的流量向循环载气中加入循环甲醇溶剂，从第一台反应器入口连续注入0.18L/h去离子水，环己酮肟在流量自动控制下，以45kg/h的流量进入反应器入口管线，与上游来的物料混合后进入床层反应。反应器出口物料经换热冷却至40℃左右，进入汽液分离器分出载气，载气经循环压缩机增压循环回反应器入口，分离器液相产物送至溶剂回收塔，溶剂甲醇从塔顶蒸出循环回反应***，塔釜为粗己内酰胺。装置稳定运转48小时后取样分析粗己内酰胺组成并计算转化率和选择性，详细工艺条件及结果汇总于表1。需说明的是在累积运转300小时后，汽化器因结焦导致换热效果变差，出口温度由167℃下降到158℃。

由表1可见，采用本发明的方法，在总载气/肟摩尔比较低的情况下，己内酰胺选择性(mol％)明显高于对比例采用的方法，其结果是本方法具有低的能耗和原料消耗，同时也避免了环己酮肟在换热设备及管线结焦等工程问题。

表1 工艺条件及结果汇总

项目	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	对比例1
项目	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	对比例1	反应器入口压力(MPa(g))	0.28	0.28	0.28	0.5	0.28
床层平均温度(℃)	375	382	373	367	376	反应器入口压力(MPa(g))	0.28	0.28	0.28	0.5	0.28
床层平均温度(℃)	375	382	373	367	376	汽化器出口温度(℃)	--	--	--	--	167-158
肟重量空速(h^-1)	1.0	2.0	0.6	1.0	1.0	汽化器出口温度(℃)	--	--	--	--	167-158
肟重量空速(h^-1)	1.0	2.0	0.6	1.0	1.0	甲醇/肟(w/w)	50/50	33/67	63/37	50/50	50/50
进料水/肟(mol/mol)	0.053	0.053	0.088	0.053	0.053	甲醇/肟(w/w)	50/50	33/67	63/37	50/50	50/50
进料水/肟(mol/mol)	0.053	0.053	0.088	0.053	0.053	总氮气/肟(mol/mol)	25.1	12.6	41.8	25.1	55.2
催化剂床层内的氮气/肟(mol/mol)	75.2	37.8	125	75.2	55.2	总氮气/肟(mol/mol)	25.1	12.6	41.8	25.1	55.2
催化剂床层内的氮气/肟(mol/mol)	75.2	37.8	125	75.2	55.2	环己酮肟转化率(mol％)	99.8	99.8	99.9	99.9	99.8
己内酰胺选择性(mol％)	97.5	97.5	97.4	97.4	96.2	环己酮肟转化率(mol％)	99.8	99.8	99.9	99.9	99.8

Claims

1.一种由环己酮肟制备己内酰胺的方法，包括将含有溶剂的惰性载气加热后连续通入装有催化剂的多级串联反应器的第一级反应器的载气入口，将环己酮肟分成至少两份分别进入所述多级串联反应器的各个级，将反应流出物冷却，分离出载气并循环至所述第一级反应器的载气入口，对液相反应产物进行分离、提纯。

2.权利要求1的方法，其特征在于所述多级串联反应器为绝热固定床反应器。

3.权利要求1的方法，其特征在于所述多级串联反应器由至少两个串联在一起的反应器组成，或者为具有至少两个床层的单个反应器。

4.权利要求1的方法，其特征在于所述多级串联反应器中物料的流动方式为上行式或下行式。

5.权利要求1的方法，其中所述惰性载气为不与环已酮肟和己内酰胺发生反应的介质或所述介质的混合物。

6.权利要求5的方法，其中惰性载气选自氮气、氢气、氩气、氨气、沸点不高于180℃的饱和烃以及卤代烃或它们的混合物。

7.权利要求1的方法，其中所述催化剂为预先经过含氮化合物的碱性水溶液处理的或未经过处理的MFI结构分子筛催化剂。

8.权利要求7的方法，其特征在于所述MFI结构分子筛催化剂选自钛硅分子筛、全硅分子筛以及硅/铝比≥500的ZSM-5分子筛。

9.权利要求1的方法，其中所述溶剂选自C₁-C₆的直链或支链脂肪醇或它们的混合物。

10.权利要求9的方法，其中所述溶剂选自甲醇、乙醇、丙醇和它们的混合物。

11.权利要求1的方法，其中惰性载气与环己酮肟的总摩尔比为6-50。

12.权利要求1的方法，其中惰性载气与环己酮肟在每级反应器的摩尔比为12-300。

13.权利要求12的方法，其中惰性载气与环己酮肟在每级反应器的摩尔比为20-200。

14.权利要求1的方法，其中反应温度为200-500℃，压力为0.11-2.5MPa。

15.权利要求14的方法，其中反应温度为300-450℃，压力为0.15-1.2MPa。

16.权利要求1的方法，其中环己酮肟的重量空速为0.2-8h^-1。

17.权利要求16的方法，其中环己酮肟的重量空速为0.5-6h^-1。

18.权利要求1的方法，其中溶剂与环己酮肟的重量比在10-80:90-20范围内。

19.权利要求18的方法，其中溶剂与环己酮肟的重量比在20-70:80-30范围内。

20.权利要求1的方法，其中反应体系中含有水，水与环己酮肟的摩尔比为0.03-1.0。

21.权利要求20所述的方法，其中水与环己酮肟的摩尔比为0.05-0.35。

22.权利要求20的方法，其中水可通过反应器入口注入或从回收的溶剂中带入。

23.一种由环己酮肟制备己内酰胺的设备，该设备包括：

多级串联反应器，为由至少两个串联在一起的反应器组成，或者为包括至少两个床层的单个反应器，其上设有原料入口、载气入口和反应流出物出口；

用于将载气加热的加热器；

用于将反应流出物冷却的冷却器；

用于进行反应流出物与载气换热的换热器；

用于连接分离器的载气出口与多级串联反应器的载气入口之间、多级串联反应器的反应流出物出口与分离器的反应流出物入口之间、分离器的分离液出口与溶剂回收塔的分离液入口之间的管线，以及将来自溶剂回收塔溶剂出口的溶剂与循环载气混合并提供至多级串联反应器的管线。

24.权利要求23所述的设备，其特征在于还包括将载气压缩的压缩机。