KR20070053745A - 헥사메틸렌디아민, 6-아미노카프로니트릴 및테트라히드로아제핀을 포함하는 혼합물로부터6-아미노카프로니트릴 및 헥사메틸렌디아민의 분리 - Google Patents

헥사메틸렌디아민, 6-아미노카프로니트릴 및테트라히드로아제핀을 포함하는 혼합물로부터6-아미노카프로니트릴 및 헥사메틸렌디아민의 분리 Download PDF

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Abstract

본 발명은 6-아미노카프로니트릴 (ACN), 헥사메틸렌디아민 (HMD), 테트라히드로아제핀 (THA), 아디포니트릴 (ADN) 및 저비점 물질 (LB)을 포함하는 혼합물로부터 ACN 및 HMD의 증류에 의한 분리 분야에 관한 것이다. 본 발명은 나일론-6,6을 제조하는 데 적합한 HMD를 포함하는 증류액 스트림의 제조 방법을 개시한다. 혼합물의 증류액으로부터의 잔류물 스트림은 추가로 증류되어 ACN 및 THA를 포함하는 증류액이 제조될 수 있으며, 이는 카프로락탐의 제조 및 이 카프로락탐으로부터 나일론-6을 제조하는 데 사용하기에 특히 적합하다. 본 발명의 방법의 공정 조건은 2-시아노시클로펜틸리덴이민 (CPI)의 제조를 일으키지 않는다.
6-아미노카프로니트릴, 헥사메틸렌디아민, 카프로락탐

Description

헥사메틸렌디아민, 6-아미노카프로니트릴 및 테트라히드로아제핀을 포함하는 혼합물로부터 6-아미노카프로니트릴 및 헥사메틸렌디아민의 분리{SEPARATION OF 6-AMINOCAPRONITRILE AND HEXAMETHYLENEDIAMINE FROM A MIXTURE COMPRISING HEXAMETHYLENEDIAMINE, 6-AMINOCAPRONITRILE AND TETRAHYDROAZEPINE}
본 발명은 6-아미노카프로니트릴 (ACN), 헥사메틸렌디아민 (HMD), 테트라히드로아제핀 (THA), 아디포니트릴 (ADN) 및 저비점 물질 (LB)을 포함하는 혼합물로부터 ACN 및 HMD의 증류에 의한 분리 분야에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 HMD를 포함하는 증류액 스트림, 및 ACN, THA 및 ACN과 HMD의 이량체를 포함하는 잔류물 스트림 (이는 추가로 증류되어 ACN 및 THA를 포함하는 제2 증류액이 얻어짐)의 제조 방법을 개시한다. 제2 증류액은 본질적으로 이량체가 존재하지 않으며, 제2 증류액 중 낮은 함량의 ACN과 HMD의 이량체는 카프로락탐의 제조 공정에서 촉매 수명에 크게 영향을 끼치지 않기 때문에, 카프로락탐을 제조하는 데 사용하기에 특히 적합하다. 본 발명의 방법의 공정 조건은 2-시아노시클로펜틸리덴이민 (CPI)의 제조를 일으키지 않는다.
나일론 공업에서, ADN이 촉매적으로 수소화되어 완전 수소화에 의해서는 HMD 를 생성하거나, 또는 부분 수소화에 의해서는 ACN과 HMD의 혼합물을 생성할 수 있다는 것은 잘 알려져 있다. HMD는 나일론 6,6의 제조에 사용될 수 있다. 수소화 반응 생성물은 또한 미반응 ADN 및 THA와 같은 바람직하지 않은 부산물을 함유한다. 수소화 이후에, 반응 생성물은 일반적으로 분별 증류와 관련된 방법에 의해 정제되어야 하며, HMD 및 ACN은 서로 분리되어야 한다.
또한, 정제 조건이 매우 높은 온도와 관련되는 경우에, 미반응 ADN은 CPI로 이성질화될 수 있는 것으로 알려져 있다. CPI는 일반적으로 ADN과 함께 증류되고, 이것이 수소화 반응기로 재순환되는 경우에는 AMCPA (2-아미노메틸시클로펜틸아민)을 형성할 수 있고, AMCPA는 HMD로부터 분리되지 않는다면, 저급 나일론 6,6을 생성할 수 있다.
미국 특허 제6,346,641호 및 제6,462,220호는 컬럼 온도가 185℃ 미만으로 유지되는, ACN 및 HMD를 분리하기 위한 증류 공정을 교시한다.
그러나, 이들 특허 중 어느 것도 실질적으로 THA가 없이 HMD를 회수할 수 있는 방식으로 증류를 수행할 수 있는 방법을 교시하고 있지 않다.
미국 특허 제6,300,497 B1호는 0.3 내지 3.0 bar의 컬럼 헤드 압력을 사용한 증류에 의해 THA/HMD의 혼합물 중 THA의 함량을 감소시키고, 또한 0.1 내지 1.3 bar의 컬럼 헤드 압력을 사용한 증류에 의해 THA/ACN 혼합물 중 THA의 함량을 감소시키는 방법을 교시한다. 미국 특허 출원 제2003 0023083호는 0.001 내지 0.3 bar의 컬럼 헤드 압력을 사용한 증류에 의해 THA/HMD 혼합물 중 THA의 함량을 감소시키고, 또한 0.001 내지 0.2 bar의 컬럼 헤드 압력을 사용한 증류에 의해 THA/ACN 혼합물 중 THA 함량을 감소시키는 방법을 교시한다. 그러나, 특히 3성분 ACN/HMD/THA 혼합물이 ADN의 부분 수소화에 의해 생성되는 생성물로부터 유래되는 것인 경우에 (이러한 생성물은 정제 트레인에서 증류 온도가 약 195℃를 초과하는 경우에 바람직하지 않은 CPI로 이성질화될 수 있는 미반응 ADN을 함유함) THA 상당 부분이 ACN과 함께 잔류하는 방식으로 ACN 및 HMD가 서로 분리될 수 있도록 3성분 ACN/HMD/THA 혼합물을 증류하는 방법을 교시하고 있는 것은 없다.
미국 특허 출원 번호 제10/383,947호는 HMD, ACN, THA 및 ADN을 포함하는 혼합물로부터 HMD 및 ACN을 회수하는 방법을 개시하며, 상기 방법은
(a) HMD, ACN, THA, 및 ADN을 포함하는 혼합물을 제1 증류 컬럼으로 도입하고; CPI로의 ADN의 이성질화를 최소화하면서 ADN으로부터 HMD, ACN 및 적어도 일부의 THA를 군(group)으로서 분리시키는 단계; 및 이후
(b) HMD, ACN 및 THA의 스트림을 제2 증류 컬럼에 도입하고, THA가 잔류물 중 ACN과 함께 분리되도록 하는 조건하에서 ACN을 포함하는 컬럼 잔류물로부터 HMD를 포함하는 증류액을 분리하는 단계를 포함한다.
단계 (b)는 바람직하게는 약 200 mm Hg (절대압) 이상의 헤드 압력 및 약 25 mm Hg 초과의 컬럼을 가로지르는 압력 강하의 컬럼 조건하에서 수행된다. 그러나, 이러한 컬럼 조건하에서는, 컬럼 잔류물로 ACN 및 THA와 함께 분리되는 ACN과 HMD의 이량체 및 또한 ACN과 HMD의 혼합 이량체가 상당히 형성된다. ACN 및 THA 중 이들 이량체의 존재는 컬럼 잔류물로부터 카프로락탐을 제조하는 공정에서 촉매 수명에 불리한 것으로 여겨진다.
따라서, 촉매 수명에 크게 영향을 끼치지 않으면서 카프로락탐을 제조하는 데 사용하기 위한 ACN과 HMD의 이량체 및 또한 ACN과 HMD의 혼합 이량체가 실질적으로 없는 ACN 및 THA를 포함하는 혼합물의 제조 방법을 갖는 것이 바람직할 것이다. 본 발명은 이러한 방법을 제공한다.
<발명의 요약>
본 발명은
6-아미노카프로니트릴 (ACN), 테트라히드로아제핀 (THA) 및 헥사메틸렌디아민 (HMD)을 포함하는 공급 혼합물을 정제 증류 컬럼에 도입하는 단계;
정제 증류 컬럼으로부터 HMD를 포함하는 정제 컬럼 증류액을 취출하고; 정제 증류 컬럼으로부터 ACN, THA 및 높은 함량의 ACN과 HMD의 이량체를 포함하는 정제 컬럼 잔류물을 취출하도록 하는 조건하에서, 정제 증류 컬럼을 운전시키는 단계;
정제 컬럼 잔류물을 이량체 제거 컬럼에 도입하는 단계; 및
이량체 제거 컬럼으로부터 ACN 및 THA를 포함하는 이량체 제거 컬럼 증류액을 취출하고; 이량체 제거 컬럼으로부터 ACN과 HMD의 이량체를 포함하는 이량체 제거 컬럼 잔류물을 취출하도록 하는 조건하에서, 이량체 제거 컬럼을 운전시키는 단계
를 포함하며, 정제 컬럼 잔류물 중 이량체의 함량이 이량체 제거 컬럼 증류액 중 이량체의 함량을 상당히 초과하는, ACN 및 HMD를 포함하는 공급 혼합물로부터의 분리 방법을 제공한다.
HMD를 포함하는 정제 컬럼 증류액은 나일론-6,6의 제조에 사용하기 적합하 다. ACN 및 THA를 포함하는 이량체 제거 컬럼 증류액은 촉매 수명에 크게 영향을 끼치지 않으면서 카프로락탐을 제조하는 데 사용하기에 적합하며, 이러한 카프로락탐은 또한 나일론-6의 제조에 사용될 수 있다.
정제 증류 컬럼의 적합한 공급 스트림은 HMD, ACN, THA, ADN, LB 및 고비점 물질 (HB)의 암모니아-제거된 혼합물을 포함하는 혼합물의 진공 증류에 의해 생성된 증류액으로부터 제조될 수 있다.
도면은 본 발명의 방법을 수행하기에 적합한 하나의 도면 (도 1)으로 이루어져 있다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 방법을 수행하기에 적합한 장치 (10)을 나타낸다. 정제 증류 컬럼 (14)에 HMD, ACN, THA 및 기타 저비점 물질 (LB)을 포함하는 공급 혼합물 (12)을 도입한다. 헤드 압력은 약 200 내지 760 mm Hg (절대압)의 범위이어야 한다. 바람직한 헤드 압력은 약 400 mm Hg (절대압)이다. 컬럼은 약 1 내지 10의 범위의 환류비로 운전되어야 한다. 컬럼을 가로지르는 압력 강하는 약 25 내지 300 mm Hg의 압력 범위 내이어야 한다. 이들 조건하에서, 정제 증류 컬럼 (14)의 상부로부터 HMD, LB 및 공급물 중 총 10 중량％ 미만의 THA가 정제 컬럼 증류액 (16)으로서 제거된다. 정제 컬럼 증류액 (16)은 바람직하게는 THA를 약 100 ppm 미만으로 함유한다. 정제 증류 컬럼 (14)을 약 200 mm Hg 초과에서 운전하는 경우 정제 컬럼 잔류물 (18)로서 ACN과 함께 대부분의 THA를 우선적으로 제거할 수 있다. 헤드 압력이 약 200 mm Hg 미만인 경우에는, THA 부분이 정제 컬럼 증류액 (16)으로 더욱 많이 제거된다.
상기 정제 증류 컬럼 (14)의 운전 조건하에서는, ACN과 HMD의 이량체가 형성되는 것으로 알려져 있다. 화학적 분석으로 이렇게 형성된 대부분의 이량체는 ACN 및 THA를 추가로 포함하는 정제 컬럼 잔류물 (18)로 잔류함을 알 수 있다. 상기 운전 조건하에서, 정제 컬럼 잔류물 (18)은 약 1 중량％ 미만의 이량체를 함유한다. 더 낮은 온도 및 더 낮은 압력 운전시 더 적은 이량체 형성이 관찰될 수 있지만, 이들 조건에서는 THA의 분배(partitioning)가 불리하다.
이량체 제거 컬럼 (22)에서 정제 컬럼 잔류물 (18)이 추가로 증류될 수 있다. 이량체 제거 컬럼 (22)의 헤드 압력은 약 50 mm Hg (절대압) 미만으로 유지되어야 한다. 이러한 조건하에서, 실질적으로 ACN 및 THA를 포함하는 이량체 제거 컬럼 증류액 (24)이 실질적으로 이량체를 포함하는 이량체 제거 컬럼 잔류물 (26)로부터 분리된다. 이량체 제거 컬럼 증류액 (24) 중 이량체의 함량은 무시할 정도이고, 따라서 이량체 제거 컬럼 증류액 (24)은 촉매 수명에 크게 영향을 끼치지 않으면서 카프로락탐을 제조하는 데 사용하기에 적합하고, 또한 이러한 카프로락탐으로부터 나일론-6을 제조하는 데 사용하기에 적합하다. 이량체 제거 컬럼 증류액 (24) 중 더 낮은 함량의 이량체는 카프로락탐의 제조 동안에 촉매 수명을 개선시킨다.
정제 증류 컬럼 (14)에 대한 공급 혼합물 (12)은 조 증류 컬럼 (30)에서 HMD, ACN, THA, ADN, LB 및 기타 고비점 물질 (HB)을 포함하는 암모니아-제거된 조 공급 혼합물 (28)의 증류에 의해 생성될 수 있다. 공급 혼합물은 통상적으로 약 1-90 중량％의 ADN, 1-90 중량％의 ACN, 1-90 중량％의 HMD, 1 중량％ 미만의 THA, 2 중량％ 미만의 LB 및 2 중량％ 미만의 HB를 함유한다. 조 증류 컬럼 (30)에서, HMD, ACN, THA 및 LB가 조 컬럼 증류액 (32)으로서 제거되고 ADN, HB 및 적은 분획의 ACN, HMD 및 THA가 조 컬럼 잔류물 (34)로서 제거된다. 조 증류 컬럼 (30)은 바람직하게는 구조화 패킹을 함유하는 진공 증류 컬럼이다. 조 증류 컬럼 (30)은 약 5 내지 100 mm Hg (절대압), 바람직하게는 약 60 mm Hg (절대압)의 헤드 압력 및 약 1.0의 환류비로 운전된다. 약 60 mm Hg (절대압)의 헤드 압력에서의 조 증류 컬럼 (30)의 운전은 과도하게 큰 직경을 갖는 컬럼을 필요로 하지 않는다. 조 컬럼 잔류물 (34)의 취출 속도는 약 195℃ 미만의 온도를 유지하도록 조정되어야 한다. 조 컬럼 잔류물을 약 195℃ 미만의 온도로 유지함으로써 ADN의 CPI로의 이성질화를 감소시킨다. CPI는 회수된 ADN이 수소화될 때 AMCPA를 형성하여, HMD로부터 제조된 나일론 6,6의 질에 악영향을 끼칠 수 있기 때문에 바람직하지 않다. 조 컬럼 증류액 (32)은 정제 증류 컬럼 (14)의 공급 혼합물 (12)로서 사용될 수 있다.
조 컬럼 잔류물 (34)은 잔류물 증류 컬럼 (36)에서 추가로 증류될 수 있으며, 여기서 ACN, THA 및 소량의 HMD가 잔류물 컬럼 증류액 (38)으로서 제거되고 대부분의 ADN, CPI 및 HB가 잔류물 컬럼 잔류물 (40)로서 제거된다. 잔류물 증류 컬럼 (36)은 바람직하게는 구조화 패킹을 함유하고 약 10 내지 60 mm Hg (절대압), 바람직하게는 약 20 mm Hg (절대압)의 헤드 압력 및 약 1.0의 환류비로 운전되는 진공 증류 컬럼이다. 잔류물 컬럼 증류액 (38)의 전부 또는 일부가 조 증류 컬럼 (30)으로 재도입될 수 있다. 약 20 mm Hg (절대압)의 헤드 압력에서의 조 증류 컬럼의 운전은 CPI의 형성을 초래할 수 있는 바람직하지 않은 고온의 잔류물 컬럼 잔류물 (40)을 발생시키지 않으면서, ADN으로부터의 ACN의 효과적인 분리를 가능하게 한다.
암모니아-제거된 조 공급 혼합물 (28)은 HMD, ACN, THA, ADN, LB, HB 및 암모니아를 포함하는 조 공급 혼합물로부터 암모니아 플래셔(flasher) (나타내지 않음)에서 처리하여 제조될 수 있다. 암모니아 플래셔는 일반적으로 대기압에서 운전되며 당업자는 공급 조성물에 따라 주어진 플래셔의 운전 조건을 결정할 수 있다.
하기 실시예는 본원에서 청구된 발명을 예시하는 것이지, 한정하려는 것이 아니다.
실시예 1:
와이어 그물망(mesh) 구조화 패킹으로 패킹된 직경 2-인치 및 길이 10-피트의 증류 컬럼에서 이량체 0.62 중량％를 함유하는 ACN 공급물을 증류하였다. 공급물을 컬럼의 중간부, 즉 말단부로부터 5 피트에 도입하였다. 컬럼을 20 torr (2.67 kPa)의 헤드 압력 및 1.0의 환류비로 운전시켰다. 컬럼에 약 1-리터 용량의 써머-사이폰(thermo-syphon)형 재비기를 장착하였다. 컬럼을 반회분식 방식으로 운전시켰다. 컬럼의 상단부로부터 증류액을 제거하였다. 컬럼의 저부에서 이량체 를 농축하기 위해 잔류물 측류(draw)는 없었다.
컬럼에 총 45 리터의 ACN을 30 ml/분의 공급 속도로 공급하였다. 수집된 증류액의 양은 43.5 리터이었다. 가스 크로마토그래피 분석에 의해 측정시 증류액 중에 검출가능한 이량체가 존재하지 않았다. 운행 말렵에 재비기의 내용물 중 이량체의 함량은 22 중량％이었다. 이러한 운행 동안에, 재비기 온도는 반응 개시 140℃에서 반응 말렵 155℃로 증가하였고, 이는 재비기에서 이량체 농도의 증가를 나타낸다.
이들 결과를 기초로 하면, 이량체로 오염된 ACN으로부터 97％ 초과의 ACN 회수율로 이량체가 없는 ACN이 회수될 수 있다. 재비기에서 이량체를 추가로 농축시킴으로써 더 큰 회수율이 달성될 수 있다.
본원에서 나타내고 기재된 실시양태 및 변화는 단지 본 발명의 원리를 예시하는 것이며, 본 발명의 범주 및 취지를 벗어나지 않으면서 당업자에 의해 다양한 변형이 실시될 수 있다는 점을 이해해야 한다.

Claims (13)

  1. 6-아미노카프로니트릴 (ACN), 테트라히드로아제핀 (THA) 및 헥사메틸렌디아민 (HMD)을 포함하는 공급 혼합물을 정제 증류 컬럼에 도입하는 단계;
    정제 증류 컬럼으로부터 HMD를 포함하는 정제 컬럼 증류액을 취출하고; 정제 증류 컬럼으로부터 ACN, THA 및 ACN과 HMD의 이량체를 포함하는 정제 컬럼 잔류물을 취출하도록 하는 조건하에서, 정제 증류 컬럼을 운전시키는 단계;
    정제 컬럼 잔류물을 이량체 제거 컬럼에 도입하는 단계; 및
    이량체 제거 컬럼으로부터 ACN 및 THA를 포함하는 이량체 제거 컬럼 증류액을 취출하고; 이량체 제거 컬럼으로부터 ACN과 HMD의 이량체를 포함하는 이량체 제거 컬럼 잔류물을 취출하도록 하는 조건하에서, 이량체 제거 컬럼을 운전시키는 단계
    를 포함하며, 정제 컬럼 잔류물 중 이량체의 함량이 이량체 제거 컬럼 증류액 중 이량체의 함량을 상당히 초과하는, ACN 및 HMD를 포함하는 공급 혼합물로부터의 분리 방법.
  2. 제1항에 있어서, 정제 증류 컬럼의 헤드 압력이 약 200 내지 약 760 mm Hg (절대압)이고, 정제 증류 컬럼 높이를 가로지르는 압력 강하가 약 25 내지 약 300 mm Hg인 방법.
  3. 제2항에 있어서, 정제 증류 컬럼의 헤드 압력이 약 200 mm Hg (절대압) 초과이고, 정제 증류 컬럼 높이를 가로지르는 압력 강하가 약 25 mm Hg 이상인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 이량체 제거 컬럼의 헤드 압력이 약 50 mm Hg (절대압) 미만인 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    HMD, ACN, THA 및 ADN을 포함하는 암모니아-제거된 조 공급 혼합물을 조 증류 컬럼에 도입하는 단계; 및
    조 증류 컬럼으로부터 HMD, ACN 및 THA를 포함하는 조 컬럼 증류액을 취출하고; 조 증류 컬럼으로부터 ADN, HMD, ACN 및 THA를 포함하는 조 컬럼 잔류물을 취출하도록, 2-시아노시클로펜틸리덴이민 (CPI)으로의 ADN의 이성질화를 최소화시키는 조건하에서, 조 증류 컬럼을 운전시키는 단계
    를 더 포함하며, 조 컬럼 증류액이 정제 증류 컬럼에 대한 공급 혼합물을 포함하는 것인 방법.
  6. 제5항에 있어서, 조 증류 컬럼의 헤드 압력이 약 5 내지 약 100 mm Hg (절대압)인 방법.
  7. 제6항에 있어서, 조 증류 컬럼의 헤드 압력이 약 60 mm Hg (절대압)인 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    조 컬럼 잔류물을 잔류물 증류 컬럼에 도입하는 단계;
    잔류물 증류 컬럼으로부터 HMD, ACN 및 THA를 포함하는 잔류물 컬럼 증류액을 취출하고; 잔류물 증류 컬럼으로부터 ADN 및 CPI를 포함하는 잔류물 컬럼 잔류물을 취출하도록 하는 조건하에서, 잔류물 증류 컬럼을 운전시키는 단계; 및
    잔류물 컬럼 증류액을 조 증류 컬럼에 재도입하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 잔류물 증류 컬럼의 헤드 압력이 약 10 내지 약 60 mm Hg (절대압)인 방법.
  10. 제9항에 있어서, 잔류물 증류 컬럼의 헤드 압력이 약 20 mm Hg (절대압)인 방법.
  11. 제1항의 이량체 제거 컬럼 증류액을 포함하는, 카프로락탐의 제조 동안에 촉매 수명에 크게 영향을 끼치지 않으면서 카프로락탐을 제조하는 데 적합한 ACN 및 THA를 포함하는 혼합물.
  12. 제1항의 이량체 제거 컬럼 증류액을 포함하는, 카프로락탐으로부터 나일론 6 을 제조하는 데 적합한 ACN 및 THA를 포함하는 혼합물.
  13. 제1항의 정제 컬럼 증류액을 포함하는, 나일론-6,6을 제조하는 데 적합한 HMD를 포함하는 혼합물.
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