专利名称：ε－己内酰胺的生产方法
技术领域：
本发明涉及一种由环己酮肟生产ε-己内酰胺的方法。
背景技术：
一种已知的ε-己内酰胺生产方法是在固体催化剂存在下让环己酮肟进行贝克曼重排反应。但是，这种方法存在一个问题，即由于所谓的焦炭组分(含碳物质)粘附在这种催化剂上，所以其催化活性会随着时间的流逝而降低。因此，在所提出的生产ε-己内酰胺的方法中，为了恢复这种催化活性，将反应过程与催化剂再生过程结合起来使这种固体催化剂再生，并再使用。
例如，日本专利申请公开(JP-A)号53-35691提出了一种ε-己内酰胺的生产方法。该方法包括采用流化床系统，使用碳载硼酸催化剂的反应过程，和使用空气在400-700℃下热处理催化剂的催化剂再生过程，其中从反应器中取出的一部分催化剂加到再生器中，该催化剂在再生前后有机-键合氮含量的差应保持在以重量计0.8-2％范围内，这种氮含量的差称之差示有机氮含量，而再生的催化剂再返回到反应器中。
JP-A号2000-229939提出了一种ε-己内酰胺的生产方法，该方法包括在流化床系统中使用除硼酸催化剂之外的固体催化剂的反应过程，和使用含氧气体在高温下热处理催化剂的催化剂再生过程，其中连续或间断地从反应器中取出催化剂，再加到再生器中，并且再生催化剂返回到反应器之前，再生催化剂的氮含量控制在10-2500ppm范围内。
然而，由于在这些通常的方法中，不是始终充分地保持催化活性，所以长时间反应后，环己酮肟的转化率和ε-己内酰胺的选择性都存在问题。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种ε-己内酰胺的生产方法。该方法通过控制反应过程和催化剂的再生过程，提高催化活性的持久性，从而达到长时间的高产率。
本发明提供一种ε-己内酰胺的生产方法。该方法包括下述步骤在一种固体催化剂的存在下，让环己酮肟进行贝克曼重排反应的反应过程；在含氧气体的气氛下，通过热处理使该反应过程中使用的固体催化剂再生的催化剂再生过程，其中在该反应过程中使用了在催化剂的再生过程中进行热处理的固体催化剂，在反应过程和催化剂的再生过程中，固体催化剂的碳含量保持在以重量计0.5-2％范围内，在反应过程和催化剂的再生过程中，固体催化剂的氮含量保持在以重量计0.01-0.2％范围内。
根据本发明，通过提高生产ε-己内酰胺的催化剂活性的持久性，可以长时间高产率生产ε-己内酰胺。
具体实施方案本发明生产ε-己内酰胺的方法包括下述步骤在一种固体催化剂的存在下，让环己酮肟进行贝克曼重排反应的反应过程；在含氧气体的气氛下，通过热处理使在反应过程中使用的固体催化剂再生的催化剂再生过程。在这个反应过程中可重复使用在再生过程中进行热处理的固体催化剂。
曾提出硼酸催化剂、二氧化硅-氧化铝催化剂、磷酸催化剂、复合金属氧化物催化剂和沸石催化剂作为贝克曼重排反应固体催化剂用于该反应过程中。其中沸石催化剂是优选的，pentasil沸石是更优选的，而MFI沸石是特别优选的。
这种沸石催化剂可以是结晶的二氧化硅，它的骨架基本上只由硅和氧组成，或可以是结晶的金属硅酸盐，它含有构成骨架的其它元素。在结晶的金属硅酸盐中除硅和氧之外的元素实例包括Be、B、Al、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Zr、Nb、Sb、La、Hf和Bi。在这种结晶的金属硅酸盐中可以含有这些元素中至少两种元素。硅与这些元素中每个元素的原子比通常是5或5以上，优选地50或50以上，更优选地500或500以上。可以采用原子吸收法与X-射线荧光法测定这种原子比。
采用下述步骤制备这种沸石催化剂可能很有利。使用硅化合物、季铵化合物、水，和如果必要使用金属化合物作为原料进行水热合成。然后，得到的晶体进行干燥与煅烧，再让这种晶体与氨或铵盐进行接触，接着进行干燥。
这种固体催化剂的颗粒直径优选地是0.001-5mm，更优选地0.01-3mm。这种固体催化剂可以用作模体，它基本上只是由这些催化剂组分组成，或由载体载带的一些催化剂组分组成。
可以采用固定床系统、流化床系统或移动床系统进行环己酮肟的贝克曼重排反应，该反应的温度通常是250-500℃，优选地300-450℃。该反应的压力通常是0.005-0.5MPa，优选地0.005-0.2MPa。每1kg催化剂作为原料的环己酮肟加料速率(kg/h)，或作为原料的环己酮肟空间速度WHSV(h-1)，通常是0.1-20h-1，优选地0.2-10h-1。
环己酮肟可以单独地，或随同惰性气体(例如氮气、氩气或二氧化碳)一起加入反应系统中。其它有效的方法包括随同加入醚，如JP-A号2-25086中公开的，随同加入低级醇，如JP-A号2-275850中公开的，随同加入醇和/或醚和水，如JP-A号5-201965中公开的，随同加入氨，如JP-A号5-201966中公开的，以及随同加入甲胺，如JP-A号6-107627中公开的。因此，可以制备使用含有环己酮肟的必需气体。
由于环己酮肟或ε-己内酰按聚合作用所引起的所谓焦炭成分逐渐粘附在这种固体催化剂上，在这种固体催化剂的存在下，在环己酮肟的贝克曼重排反应中，随着反应时间的流逝，换句话说，随着每单位重量催化剂处理的环己酮肟总量的增加，催化活性逐渐降低，或环己酮肟的转化比逐渐降低。因此，为了通过除去这种固体催化剂的焦炭组分而恢复催化活性，提供了一种催化剂再生方法，该方法包括在含氧气氛中进行热处理。
空气通常适合用作在催化剂的再生过程中使用的含氧气体时，也可以使用空气或用惰性气体(例如氮气、氩气和二氧化碳)稀释的氧气。含氧气体中氧的浓度通常是以体积计1-30％，优选地以体积计5-25％。在催化剂的再生过程中，热处理的温度通常是200-600℃，优选地200-400℃。
但是，即使采用前面提供的催化剂再生方法也不能完全避免这种固体催化剂活性的降低，以及长时间使用后环己酮肟转化率或ε-己内酰胺选择性可能降低。因此，在本发明中，为了抑制这种固体催化剂的活性降低，或为了提高这种固体催化剂性能的持久性，将在这种反应过程和催化剂再生过程中使用的固体催化剂的碳含量控制在以重量计0.5-2％，优选地0.7-1.8％范围内，将在这种反应过程和催化剂再生过程中使用的固体催化剂的氮含量控制在以重量计0.01-0.2％，优选地0.01-0.15％范围内。将碳组分和氮组分(它们都归于粘附在这种固体催化剂上的焦炭组分)的各自量保持在这种反应过程和催化剂再生过程中指定的两者范围内，可以提高这种催化剂性能的持久性。这种催化剂中碳和氮的各自含量在装入新生产的催化剂后可以立即低于上述范围。
通过分别测定在这种催化剂中的总碳(TC)和总氮(TN)量可以测定碳和氮的含量。特别地，使用氧气氧化规定量的固体催化剂，再采用气相色谱或IR光谱测定碳氧化物和氮氧化物的量。可将总碳氧化物的量转化成碳原子的量，而将总氮氧化物的量转化成氮原子的量，这些量再分别除以该固体催化剂的量，于是确定了TC和TN。
这种固体催化剂中碳和氮含量在反应过程中通常是增加的，而在催化剂的再生过程中是降低的。因此，将这种固体催化剂中的碳含量保持在以重量计2％或2％以下，优选地1.8％或1.8％以下，而将这种固体催化剂中的氮含量保持在以重量计0.2％或0.2％以下，优选地0.15％或0.15％以下，于是可在这种反应过程中避免焦炭组分过多粘附在这种固体催化剂上。另外，将这种固体催化剂中的碳含量和氮含量分别保持在以重量计0.5％或0.5％以上，优选地0.7％或0.7％以上，与0.01％或0.01％以上，于是避免过多除去粘附在这种固体催化剂上的焦炭组分。
在采用固定床催化剂的优选实施方法中，把含有环己酮肟的必需气体加到装有这种固体催化剂的反应器中，让这种气体进行反应，接着停止加入这种必需气体，再加入含氧气体时，对这种固体催化剂进行热处理，而还按照这个顺序重复进行这些反应和热处理步骤。换句话说，优选的是，这种必需气体和含氧气体交替地加到装有这种固体催化剂的反应器中，重复进行这种反应过程和催化剂再生过程。在这个具体实施方案中，由于在这种反应过程中碳含量和氮含量逐步增加，合适的做法是，在碳含量还未超过以重量计2％，优选地1.8％，而氮含量还未超过以重量计0.2％，优选地0.15％之前，其原料气从这种必需气体转换到含氧气体。另外，由于在催化剂的再生过程中碳含量和氮含量逐步降低，所以碳含量还未降低到以重量计0.5％以下，优选地0.7％以下，而氮含量还未降低到以重量计0.01％以下时，合适的做法是其原料气由含氧气体转换到这种必需气体。采用固定床系统时，可以在这些过程之间的间隙适当地采取必要量的固体催化剂样品，测定所述的碳含量和氮含量。然而，这样一种采样操作可能会使反应条件发生波动，即使这样一种情况不是优选的，但采取这种固体催化剂样品结束的几次试运行便可确定满足本发明牵涉的这些条件的反应条件，而实际的生产可以在这些确定的反应条件下进行。
在采用流化床催化剂的优选实施过程中，连续或间断地从反应器取出这种固体催化剂，同时把含有环己酮肟的必需气体加到固体催化剂在其中流动的反应器中，让这种气体进行反应，再把这种固体催化剂加到催化剂再生器中，在含氧气体的气氛下进行热处理，接着把催化剂再返回到反应器中。换句话说，优选的是，这种固体催化剂在反应器与催化剂再生器之间循环，于是这种反应过程与催化剂再生过程并行进行。在采用移动床催化剂的优选实施过程中，把这种固体催化剂加入反应器的同时，把含有环己酮肟的必需气体加到反应器中，让这种气体进行反应，再将从这个反应器排出的催化剂加到催化剂再生器中，在含氧气体的气氛下热处理后再返回到这个反应器中。换句话说，优选的是，这种固体催化剂是在这个反应器与催化剂再生器之间循环，于是这种反应过程与催化剂再生过程并行进行。由于在这种固体催化剂中碳含量和氮含量随着反应过程中这种固体催化剂在反应器中停留时间的延长而增加，合适的做法是适当缩短这个停留时间，以致以重量计碳含量不超过2％，优选地不超过1.8％；以重量计氮含量不超过0.2％，优选地不超过0.15％。另外，由于在这种固体催化剂中碳含量和氮含量随着它在再生器中的停留时间延长，或随着在催化剂再生过程中热处理温度更高而增加，合适的做法是，适当缩短其停留时间或适当降低热处理温度，于是碳含量不会降低到以重量计0.5％以下，优选地0.7％以下，氮含量不会降低到以重量计0.01％以下。在流化床系统或移动床系统的情况下，这种固体催化剂在反应器与催化剂再生器之间转移时，可以采取必需量的固体催化剂，测定所述的碳含量和氮含量。
在ε-己内酰胺与反应过程所得反应混合物的分离方法中，例如采用冷却方法使反应产物气体冷凝，而采用提取、蒸馏和结晶方法分离其冷凝产物。
实施例下面说明本发明的实施例时，本发明决不受到这些实施例的限制。采用NCH定量分析仪(商品名Sumigraph NCH-21(依据循环氧燃烧，采用TCD-GC检测)，Sumika Chemical Analysis Service，Ltd.生产)测定这种固体催化剂的碳含量和氮含量。采用气相色谱分析环己酮肟和ε-己内酰胺，而采用下述方程式计算环己酮肟转换率和ε-己内酰胺的选择性·环己酮肟转换率(％)＝[(X-Y)/X]×100·ε-己内酰胺选择性(％)＝[Z/(X-Y)]×100
式中X是加入环己酮肟的摩尔数，Y是未反应环己酮肟的摩尔数，而Z是生成ε-己内酰胺的摩尔数。
实施例1使用结晶二氧化硅作为催化剂，它具有MFI结构，其颗粒直径0.3mm或0.3mm以下，将0.375g这种催化剂装填到石英玻璃反应器管中构成催化剂层，该管内径1cm。让该反应器管进行预热处理，其处理条件温度340℃，预热处理时间1小时，氮气流过反应器管的流速4.2L/h。然后，该反应器管的温度升到380℃，同时氮气流速保持在4.2L/h。以流速8.4g/h(环己酮肟的WHSV＝8h-1)将环己酮肟与甲醇混合物(重量比1/1.8)加到该反应器管中，该反应在同样的温度下进行1小时。
此后停止加入环己酮肟与甲醇混合物，在氮气流速4.2L/h下，该反应器管的温度降低到340℃。然后，原料气由氮气转换成空气，并且在同样的温度下，以流速5L/h加入空气，对催化剂进行热处理0.5小时。接着，将空气转换成氮气，流速4.2L/h。
重复一组从这种反应到热处理的操作。在经过21次反应后，这种固体催化剂中的碳含量和氮含量分别是以重量计1.77％和0.13％。再重复多组从这种反应到上述热处理的操作，在经过21次热处理后，这种固体催化剂中的碳含量和氮含量分别是以重量计0.76％和0.011％。重复多组从这种反应到上述热处理的操作达120小时以上时，在21小时总反应时间后，环己酮肟的转化率和ε-己内酰胺的选择性(在第21次反应后在1小时测量的)分别是99.9％和96.9％，而在120小时总反应时间后，环己酮肟的转化率和ε-己内酰胺的选择性(在第121次反应开始时测量的)分别是99.9％和96.9％。
对比实施例1使用结晶二氧化硅作为催化剂，它具有MFI结构，其颗粒直径0.3mm或0.3mm以下，将0.375g这种催化剂装填到石英玻璃反应器管中构成催化剂层，该管内径1cm。让该反应器管进行预热处理，其处理条件温度340℃，预热处理时间1小时，氮气流过反应器管的流速4.2L/h。然后，该反应器管的温度升到380℃，同时氮气流速保持在4.2L/h。以流速8.4g/h(环己酮肟的WHSV＝8h-1)将环己酮肟与甲醇混合物(重量比1/1.8)加到该反应器管中，该反应在同样的温度下进行1小时。
此后停止加入环己酮肟与甲醇混合物，在氮气流速4.2L/h下，该反应器管的温度降低到340℃。然后，原料气由氮气转换成空气，并且以流速5L/h加入空气，反应器管的温度从340℃升到500℃，该催化剂在500℃热处理20小时。接着，将空气转换成氮气，流速4.2L/h。
重复一组从这种反应到热处理的操作。在经过2次反应后，这种固体催化剂中的碳含量和氮含量分别是以重量计2.28％和0.17％。再重复多组从这种反应到上述热处理的操作，在经过2次热处理后，这种固体催化剂中的碳含量和氮含量分别是以重量计0.10％和0.002％。重复多组从这种反应到上述热处理的操作达120小时以上时，在21小时总反应时间后，环己酮肟的转化率和ε-己内酰胺的选择性(在第2次反应后在1小时测量的)分别是99.9％和96.5％，而在120小时总反应时间后，环己酮肟的转化率和ε-己内酰胺的选择性(在第7次反应开始时测量的)分别是99.4％和95.5％。
权利要求
1.一种ε-己内酰胺的生产方法，该方法包括下述步骤在一种固体催化剂的存在下，让环己酮肟进行贝克曼重排反应的反应过程；在含氧气体的气氛下，通过热处理使该反应过程中使用的固体催化剂再生的催化剂再生过程，其中在该反应过程中使用了在催化剂再生过程中进行热处理的固体催化剂，在这个反应过程和催化剂再生过程中，固体催化剂的碳含量应保持在以重量计0.5-2％范围内，以及在这个反应过程和催化剂再生过程中，固体催化剂的氮含量保持在以重量计0.01-0.2％范围内。
2.根据权利要求1所述的方法，其中这种固体催化剂是沸石催化剂。
全文摘要
本发明提供一种ε－己内酰胺的生产方法，该方法包括下述步骤在一种固体催化剂的存在下，让环己酮肟进行贝克曼重排反应的反应过程；在含氧气体的气氛下，通过热处理使该反应过程中使用的固体催化剂再生的催化剂再生过程，其中在该反应过程中使用了在催化剂再生过程中进行热处理的固体催化剂；在该反应过程和催化剂再生过程中，固体催化剂的碳含量保持在以重量计0.5－2％范围内，而在该反应过程和催化剂的再生过程中，固体催化剂的氮含量保持在以重量计0.01－0.2％范围内。根据本发明，通过提高用于生产ε－己内酰胺的催化剂活性的持久性，可以长时间高产率生产ε－己内酰按。
文档编号C07D201/04GK1680331SQ20051006858
公开日2005年10月12日 申请日期2005年3月28日 优先权日2004年3月30日
发明者杉田启介, 北村胜, 星野正大 申请人:住友化学株式会社