TW201425277A

TW201425277A - 製造二胺之整合製程

Info

Publication number: TW201425277A
Application number: TW102145779A
Authority: TW
Inventors: John C Caton; David W Rabenaldt
Original assignee: Invista Tech Sarl
Priority date: 2012-12-18
Filing date: 2013-12-12
Publication date: 2014-07-01
Also published as: CN103864623A; HK1199016A1; CN103864623B; WO2014099610A1

Abstract

本文闡述一種整合製造1,6-己二胺之製程。該製程包括整合HCN製造製程、二腈化合物製造製程及二胺製造製程。該HCN製造製程提供HCN用於氫氰化丁二烯以形成二腈化合物且提供氫流用於氫化該二腈化合物以形成二胺。該HCN製造製程包括形成粗製氰化氫產物及分離該粗製氰化氫產物以形成廢氣流及氰化氫產物流。進一步分離該廢氣流以回收氫。進一步處理該氰化氫產物流以回收氰化氫。

Description

製造二胺之整合製程

相關申請案之交叉參考

本申請案主張於2012年12月18日提出申請之美國申請案第61/738,761號之優先權，其全部內容及解釋內容以引用方式併入本文中。

本發明係關於還原一或多種二腈化合物以形成二胺之整合製程。具體而言，本發明係關於藉由以下方式改良製程效率：自粗製氰化氫產物回收氫流及氰化氫產物流，使用氰化氫產物流氫氰化丁二烯以形成一或多種二腈化合物及使用氫流氫化二腈化合物以形成二胺。用於該二腈化合物氫化之壓力可小於5000kPa。

丁二烯(亦稱作1,3-丁二烯)常用於形成其他工業上可用之化學品，包括己二腈(ADN)、甲基戊二腈(MGN)、乙基丁二腈(ESN)及合成橡膠。丁二烯可藉由若干方法製備，包括自C4烴萃取、正丁烷脫氫化以及來自丁烯、丁二醇及乙醇。為自丁二烯製備ADN及/或MGN，使用鎳觸媒及硼促進劑氫氰化丁二烯。(例如，參見美國專利第5,312,959號、第7,528,275號及第7,709,673號)。儘管ADN通常係藉由此方法製備，但另一選擇ADN可藉由Integrated Organic Chemistry，Weissermel等人，1997，第245-250頁中所述之方法藉由氯化丁二烯以形成1,4-二氯丁烯，其與氰化鈉反應以形成1,4-二氰基丁烯，隨後將其氫化成ADN；或藉由氫二聚化丙烯腈來製備。

ADN可用作製造6-胺基己腈(ACN)、1,6-己二胺(HMD)及其組合之中間體。可環化ACN以形成己內醯胺，其可用作耐綸-6(Nylon-6)之中間體。HMD係以工業規模製造作為工業、紡織品、樹脂、地毯及塗料中之產品之中間體。另外，HMD可用於塗料、固化劑、石油添加劑、黏著劑、油墨、垢及腐蝕抑制劑及水處理化學品中。HMD之一種大的商業用途係作為經由常用於聚胺基甲酸酯製造中之光氣化形成六亞甲基二異氰酸酯之中間體及作為用於耐綸(在各種式耐綸-6,x之耐綸中，包括耐綸-6,6、耐綸-6,10及耐綸-6,12，其中x係二酸中之碳之數目)之中間體。例如，HMD可藉由在壓力下藉由混合ADN與過量氨及氫及使混合物通過包含銅、鎳或鈷之觸媒床(具有或無載體)於高溫下氫化ADN在商業上製備。高溫可介於85℃至150℃之範圍內且壓力可介於200atm至500atm之範圍內。(例如，參見美國專利第3,398,195號)。

MGN可用作製造甲基五亞甲基二胺(MPMD)(亦稱作2-甲基五亞甲基二胺)之中間體。MPMD係以工業規模製造，且可用於塑膠、膜、纖維、黏著劑、環氧固化劑、水處理製程中，且用作中間體以製備聚醯胺或製備β-甲吡啶。β-甲吡啶作為中間體用於製備菸醯胺。在壓力下在拉尼(Raney)鈷或拉尼鎳觸媒存在下氫化MGN以形成MPMD。在高氫壓力下，在鎳或拉尼鎳觸媒存在下氫化MGN會形成MPMD與3-甲基六氫吡啶(MPP)之混合物。壓力可小於50巴，例如10巴至35巴。(例如，參見美國專利第8,247,561號)。

如本文所述，用以製備HMD及/或MPMD之製程需要多種反應及進料流，該等進料流包括氫、丁二烯、ADN、MGN及氰化氫。通常，氰化氫(HCN)係以工業規模根據安德盧梭(Andrussow)法或BMA方法製造。(例如，參見Ullman’s Encyclopedia of Industrial Chemistry，第A8卷，Weinheim 1987，第161-163頁)。例如，在安德盧梭法中，HCN可藉由使氨與含甲烷氣體及含氧氣體於高溫下在反應器中在適宜觸媒存在下反應來商業製造(美國專利第1,934,838號及第6,596,251號)。硫化合物及甲烷之高級同系物可對甲烷之氧化氨解之參數具有效應。例如，參見Trusov,Effect of Sulfur Compounds and Higher Homologues of Methane on Hydrogen Cyanide Production by the Andrussow Method,Russian J.Applied Chemistry,74：10(2001)，第1693-1697頁)。藉由使反應器流出物氣體流與磷酸銨水溶液在氨吸收器中接觸來分離未反應氨與HCN。將分離氨純化並濃縮用於再循環至HCN轉化。通常藉由吸收至水中自經處理反應器流出物氣體流回收HCN。可利用其他精製步驟處理回收之HCN以製造純化HCN。Clean Development Mechanism Project Design Document Form(CDM PDD，第3版)，2006示意性解釋安德盧梭HCN製造製程。純化HCN可用於氫氰化，例如含烯烴之基團之氫氰化或例如1,3-丁二烯及戊烯腈之氫氰化，其可用於製造ADN及/或MGN。在BMA方法中，HCN係自甲烷及氨在實質上不存在氧下及在鉑觸媒存在下合成，從而可製造HCN、氫、氮、殘餘氨及殘餘甲烷(例如，參見Ullman’s Encyclopedia of Industrial Chemistry，第A8卷，Weinheim 1987，第161-163頁)。商業操作人員需要製程安全管控以處置氰化氫之危險性質。(參見Maxwell等人，Assuring process safety in the transfer of hydrogen cyanide manufacturing technology,JHazMat 142(2007),677-684)。另外，自製造工廠之HCN製造製程之發行可受法規支配，其可影響HCN製造之經濟。(參見Crump,Economic Impact Analysis For The Proposed Cyanide Manufacturing NESHAP,EPA，2000年5月)。

美國專利第2,797,148號揭示自含有氨及氰化氫之氣態混合物之氨之回收。來自藉由使氨與帶有烴之氣體及含氧氣體反應製備氰化氫之製程的反應廢氣包含氨、氰化氫、氫、氮、水蒸汽及碳氧化物。將廢氣冷卻至55℃至90℃之溫度且隨後將其引導至吸收塔中用於自廢氣分離氨。

美國專利第3,647,388號揭示自至多6個碳原子之氣態烴(例如甲烷)及氨製造氰化氫之方法。較佳方法係在具有中心導管用於使帶有氧之流流動及一或多個毗鄰中心導管之環狀導管用於使氫、氨及氣態烴並流的燃燒器中實施，導管在反應室中結束，在該反應室中，氣態烴及氨在氫及氧燃燒火焰之火焰前反應。該方法不使用觸媒。

儘管已知安德盧梭法及HCN之回收，但存在較少(若存在)與分離廢氣以自催化HCN製造製程回收氫流有關的任何揭示內容。另外，存在較少(若存在)用於整合HCN及/或ACN製造系統與二胺製造系統之任何揭示內容。

因此，需要在觸媒存在下製造HCN且亦可自反應器廢氣回收氫以使HCN及氫二者可與二胺製造系統整合的方法。

上文所提及之已公開文件以引用方式併入本文中。

在一個實施例中，本發明係關於製造二胺之方法，其包含(a)測定含甲烷氣體之甲烷含量，及在該甲烷含量經測定小於90vol.%時純化該含甲烷氣體；(b)在第一反應區中使包含至少25vol.%氧之三元氣體混合物在觸媒存在下反應以形成包含氰化氫及廢氣之粗製氰化氫產物，其中該三元氣體混合物包含含甲烷氣體、含氨氣體及含氧氣體；(c)分離該粗製氰化氫產物以形成氰化氫產物流及包含氫、水、一氧化碳、二氧化碳或其組合之廢氣流；(d)分離該廢氣流以形成氫流及包含一氧化碳、二氧化碳及水之吹掃流；(e)在第二反應區中使步驟(c)之至少一部分該氰化氫產物流與丁二烯接觸以氫氰化丁二烯以形成一或多種二腈化合物，例如己二腈、甲基戊二腈及其組合中之至少一者；及(f)在第三反應區中使步驟(d)之至少一部分該氫流與該一或多種二腈化合物接觸以還原該一或多種二腈化合物以形成二胺，其中該二胺係選自由1,6-己二胺、甲基五亞甲基二胺及其組合組成之群。步驟(f)中還原(亦稱作氫化)一或多種二腈化合物可在小於5000kPa之壓力下實施，且亦可形成6-胺基己腈、3-甲基六氫吡啶及其組合中之至少一者。在一些實施例中，三元氣體混合物可包含25vol.%至32vol.%氧。含氧氣體可包含大於21vol.%氧，例如至少80vol.%氧、至少95vol.%氧或純氧。廢氣流可包含40vol.%至90vol.%氫；0.1vol.%至20vol.%水；0.1vol.%至20vol.%一氧化碳；及0.1vol.%至20vol.%二氧化碳。可使用變壓吸附器分離廢氣流。變壓吸附器可於1400kPa至2400kPa之壓力下及16℃至55℃之溫度下操作。變壓吸附器可包含至少兩個吸附床。第一吸附床及第二吸附床可各自包含至少一種吸附劑。氫流可包含至少95vol.%氫或至少99vol.%氫。氰化氫產物流可包含小於5vol.%氫或可實質上不含氫。來自粗製氰化氫產物之至少70%氫可回收於氫流中。步驟(c)可進一步包含分離粗製氰化氫產物以形成氨流。可將氨流返回至反應器。

在第二實施例中，本發明係關於製造1,6-己二胺之方法，其包含：(a)測定含甲烷氣體之甲烷含量，及在該甲烷含量經測定小於90vol.%時純化該含甲烷氣體；(b)在第一反應區中使三元氣體混合物在觸媒存在下反應以形成包含氰化氫及廢氣之粗製氰化氫產物，(c)分離該粗製氰化氫產物以形成氰化氫產物流及包含氫之氫流；(d)在第二反應區中使步驟(c)之至少一部分該氰化氫產物流與丁二烯接觸以氫氰化丁二烯以形成一或多種二腈化合物；及(e)在第三反應區中使步驟(c)之至少一部分該氫流與該一或多種二腈化合物接觸以氫化該一或多種二腈化合物，以形成選自由1,6-己二胺、甲基五亞甲基二胺及其組合組成之群之二胺；其中該三元氣體混合物包含該含甲烷氣體、含氨氣體及含氧氣體。三元氣體混合物可包含甲烷、氨及至少25vol.%氧。還原壓力可小於5000kPa，例如，小於4000kPa。一或多種二腈化合物可選自由己二腈、甲基戊二腈及其組合組成之群。

在第三實施例中，本發明係關於製造1,6-己二胺之方法，其包含(a)測定含甲烷氣體之甲烷含量，及在該甲烷含量經測定小於90vol.%時純化該含甲烷氣體；(b)在第一反應區中使三元氣體混合物在觸媒存在下反應以形成包含氰化氫及廢氣之粗製氰化氫產物；(c)分離該粗製氰化氫產物以形成氰化氫產物流及包含氫之氫流；(d)在第二反應區中使步驟(c)之至少一部分該氰化氫產物流與丁二烯接觸以氫氰化丁二烯以形成己二腈；及(e)至少在第三反應區中使步驟(c)之至少一部分該氫流與己二腈接觸以還原該己二腈以形成1,6-己二胺，其中步驟(e)中之還原壓力小於5000kPa；且其中該三元氣體混合物包含該含甲烷氣體、含氨氣體及含氧氣體。步驟(e)中還原(亦稱作氫化)己二腈在還原時亦可形成6-胺基己腈。在一些實施例中，三元氣體混合物可包含25vol.%至32vol.%氧。含氧氣體可包含大於21vol.%氧，例如，至少80vol.%氧、至少95vol.%氧或純氧。廢氣流可包含40vol.%至90vol.%氫；0.1vol.%至20vol.%水；0.1vol.%至20vol.%一氧化碳；及0.1vol.%至20vol.%二氧化碳。可使用變壓吸附器分離廢氣流。變壓吸附器可於1400kPa至2400kPa之壓力下及16℃至55℃之溫度下操作。變壓吸附器可包含至少兩個吸附床。第一吸附床及第二吸附床可各自包含至少一種吸附劑。氫流可包含至少95vol.%氫或至少99vol.%氫。氰化氫產物流可包含小於5vol.%氫或可實質上不含氫。來自粗製氰化氫產物之至少70%氫可回收於氫流中。步驟(c)可進一步包含分離粗製氰化氫產物以形成氨流。可將氨流返回至反應器。

在第四實施例中，本發明係關於製造甲基五亞甲基二胺之方法，其包含(a)測定含甲烷氣體之甲烷含量，及在該甲烷含量經測定小於90vol.%時純化該含甲烷氣體；(b)在第一反應區中使三元氣體混合物在觸媒存在下反應以形成包含氰化氫及廢氣之粗製氰化氫產物；(c)分離該粗製氰化氫產物以形成氰化氫產物流及包含氫之氫流；(d)在第二反應區中使步驟(c)之至少一部分該氰化氫產物流與丁二烯接觸以氫氰化丁二烯以形成甲基戊二腈；及(e)至少在第三反應區中使步驟(c)之至少一部分該氫流與甲基戊二腈接觸以還原該甲基戊二腈以形成甲基五亞甲基二胺，其中步驟(e)中之還原壓力係小於5000kPa或小於4000kPa；且其中該三元氣體混合物包含該含甲烷氣體、含氨氣體及含氧氣體。步驟(e)中之還原(亦稱作氫化)甲基戊二腈亦可形成3-甲基六氫吡啶。在一些實施例中，三元氣體混合物可包含25vol.%至32vol.%氧。含氧氣體可包含大於21vol.%氧，例如，至少80vol.%氧、至少95vol.%氧或純氧。廢氣流可包含40vol.%至90vol.%氫；0.1vol.%至20vol.%水；0.1vol.%至20vol.%一氧化碳；及0.1vol.%至20vol.%二氧化碳。可使用變壓吸附器分離廢氣流。變壓吸附器可於1400kPa至2400kPa之壓力下及16℃至55℃之溫度下操作。變壓吸附器可包含至少兩個吸附床。第一吸附床及第二吸附床可各自包含至少一種吸附劑。氫流可包含至少95vol.%氫或至少99vol.%氫。氰化氫產物流可包含小於5vol.%氫或可實質上不含氫。來自粗製氰化氫產物之至少70%氫可回收於氫流中。步驟(c)可進一步包含分離粗製氰化氫產物以形成氨流。可將氨流返回至反應器。

102‧‧‧含甲烷氣體

103‧‧‧含氨氣體

104‧‧‧含氧氣體

105‧‧‧三元氣體混合物

106‧‧‧反應器

107‧‧‧粗製氰化氫產物

108‧‧‧氨去除單元

109‧‧‧粗製氰化氫產物

110‧‧‧吸收器

111‧‧‧廢氣流

112‧‧‧氰化氫產物流

113‧‧‧氨流/管線

120‧‧‧HCN精製區

121‧‧‧精製氰化氫流

130‧‧‧PSA單元

131‧‧‧吹掃流

132‧‧‧氫流

140‧‧‧二腈化合物製造反應器/二腈化合物製造單元

141‧‧‧管線

150‧‧‧二胺反應器/二胺單元

151‧‧‧粗製二胺產物流

160‧‧‧精製系統

161‧‧‧二胺產物

162‧‧‧殘餘物

圖1係整合HMD及/或MPMD製造系統之示意圖。

本文所用之術語僅用於闡述特定實施例之目的而並非意欲限定本發明。如本文中所使用，單數形式「一(a)」、「一(an)」及「該 (the)」亦意欲包括複數形式，除非上下文另外明確指明。應進一步瞭解，當在本說明書中使用時，術語「包含」(「comprises」及/或「comprising」)表示存在所述特徵、整數、步驟、操作、元件、及/或組件，但並不排除存在或添加一個或多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件群組、組件及/或其群組。

諸如「包括」、「包含」、「具有」、「含有」或「涉及」及其變化形式等語言意欲拓寬且涵蓋下文所列舉之標的物以及等效形式及未列舉之其他標的物。此外，只要組合物、元件群組、製程或方法步驟或任何其他表述之前有連接詞「包含」、「包括」或「含有」，應理解，本文中亦涵蓋在引用組合物、元件群組、製程或方法步驟或任何其他表述之前具有連接詞「基本上由……組成」、「由……組成」或「選自由……組成之群」的相同組合物、元件群組、製程或方法步驟或任何其他表述。

申請專利範圍中所有構件或步驟附加功能元件的相應結構、材料、動作及等效物意欲包括任一用於結合具體主張之其他主張元件實施功能的結構、材料或動作。本發明之說明係出於闡釋及說明目的提出，而非意欲為窮盡性的或限於呈所揭示形式之本發明。在不背離本發明之範疇及精神下，彼等熟習此項技術者將明瞭許多修改及變化形式。所述實施例之選擇及闡述旨在最佳地解釋本發明之原理及實際應用，且以使其他熟習此項技術者能夠以適合於所涵蓋特定應用之形式理解具有各種修改之各種實施例的本發明。因此，儘管已根據實施例闡釋本發明，但彼等熟習此項技術者應認識到，本發明可在修飾下且在隨附申請專利範圍之精神及範疇內實踐。

現將詳細參照特定揭示之標的物。儘管將結合所列舉之申請專利範圍來闡述所揭示標的物，但應瞭解，其並非意欲將所揭示標的物限於彼等申請專利範圍。與此相反，所揭示標的物意欲涵蓋可包括於由申請專利範圍所界定之本發明揭示標的物範疇內的所有替代、修改及等效形式。

本發明提供用於整合二胺之製造與製造HCN之製程的方法。HCN製程包括回收氫流及回收HCN。氫及HCN隨後可各自與二胺製造系統(例如，用於製造HMD、MPMD及其組合中之至少一者之系統)整合。系統可包括用以製造HCN之第一反應區、用以氫氰化丁二烯以形成一或多種二腈化合物(例如ADN、MGN及其組合)之第二反應區及用以還原(例如氫化)一或多種二腈化合物以形成二胺(例如HMD、MPMD及其組合)之第三反應區。通常，先前技術中之氫可自重新形成甲烷之蒸氣回收。以此方式獲得之氫可具有多種污染物，其隨後引入使用氫之每一製程中。使用本文所述本發明方法自HCN製程回收之氫具有高純度且不向其他製程中引入雜質。此外，現有方法需要多種進料流及/或反應系統以製造二胺。因此，藉由整合該等系統，達成改良之製程效率及成本節約。

HMD之形成可由下式表示：NC(CH₂)₄CN+4 H₂ → H₂N(CH₂)₆NH₂

如本文所述，HMD係在高溫下及在壓力下、在觸媒存在下、視情況在氨存在下形成。在一些實施例中，ADN氫化以形成HMD可在低壓力下(例如在小於5000kPa或小於4000kPa之壓力下)實施。除非另外指示為表壓，否則所有壓力皆係絕對壓力。在一些實施例中，低壓力可介於1000kPa至3500kPa之範圍內，如美國專利第8,247,561號中所述。觸媒可包括鈷、鎳、鐵及貴金屬(包括釕、錸、鉑及鈀)。在一些實施例中，觸媒包含鎳或鈷。觸媒可在載體(包括氧化鋁載體)上。

ADN之轉化率可介於80%至100%範圍內且可具有95%至99%之對HMD及/或6-胺基己腈(ACN)之選擇性。在一些實施例中，ADN之轉化率可超過98%。應瞭解，可藉由調節滯留時間及/或其他製程條件控制所形成HMD對ACN之比。ADN之轉化係如下計算：

對HMD之選擇性係如下計算：

對ACN之選擇性係如下計算：

在一些實施例中，ADN可部分氫化以形成ACN，ACN隨後可轉化成己內醯胺用於合成耐綸-6，如美國專利第5,900,511號中所述，該案件之全部內容及揭示內容以引用方式併入本文中。

可經由2步製程形成ADN：

如上文所示，將丁二烯氫氰化成3-戊烯腈(「3PN」)及2-甲基-3-丁烯腈(「2M3BN」)之混合物。可存在將2M3BN異構化成3PN之步驟。隨後氫氰化3PN以形成ADN及/或MGN。可藉由鎳觸媒、較佳零價鎳觸媒催化每一氫氰化步驟。該等觸媒之實例闡述於美國專利第 8,088,943號中，該案件之全部內容以引用方式併入本文中。可在亦闡述於美國專利第8,088,943號中之路易士酸(Lewis acid)共觸媒存在下氫氰化3PN。該反應可於500kPa至51,000kPa(例如1000kPa至50,000kPa)之壓力下及於0℃至200℃(例如50℃至100℃)之溫度下於液體相中實施。

MPMD之形成可由下式表示：NCCH(CH₃)(CH₂)₂CN+4 H₂ → H₂NCH₂(CH₃)(CH₂)₃NH₂

如本文所述，MPMD係在高溫下且在壓力下、在觸媒存在下及視情況在氨存在下形成。高溫可介於60℃至160℃、例如80℃至140℃之範圍內。在一些實施例中，MGN氫化以形成MPMD可在低壓力下(例如於小於5000kPa或小於4000kPa之壓力下)實施。在一些實施例中，低壓力可介於1000kPa至3500kPa範圍內，如美國專利第8,247,561號中所述。觸媒可包括鈷及作為摻雜元素之鉻及鎳。

MGN之轉化率可介於95%至100%範圍內且可具有94%至99%之對MPMD及/或MPP之選擇性。在一些實施例中，MGN之轉化率可超過98%。

MGN之轉化率係如下計算：

對MPMD之選擇性係如下計算：

對MPP之選擇性係如下計算：

用於氫氰化丁二烯及3PN之氰化氫可自安德盧梭或BMA方法獲得。在用於形成HCN之安德盧梭法中，可使甲烷、氨及氧原材料於1000℃以上之溫度下在觸媒存在下反應以製造包含HCN、氫、一氧化碳、二氧化碳、氮、殘餘氨、殘餘甲烷及水之粗製氰化氫產物。將該等組份(亦即原材料)作為包含含氧氣體、含氨氣體及含甲烷氣體之三元氣體混合物提供至反應器。如熟習此項技術者應瞭解，甲烷之來源可變且可自可再生來源(例如垃圾、農場、來自發酵或或化石燃料(例如天然氣)之生物氣體、油附隨氣體及氣體水合物)獲得，如以下中進一步闡述：VN Parmon,「Source of Methane for Sustainable Development」，第273-284頁，及Derouane編輯，Sustainable Strategies for the Upgrading of Natural Gas：Fundamentals,Challenges,and Opportunities(2003)。出於本發明之目的，含甲烷之來源之甲烷純度及一致組成較為重要。在一些實施例中，該製程可包含測定含甲烷之來源之甲烷含量，及在該甲烷含量經測定小於90vol.%時純化該含甲烷之來源。可使用基於氣體層析儀之量測(包括拉曼光譜(Raman Spectroscopy))測定甲烷含量。在向製程中引入含甲烷之來源之新來源時，可實時或按需要連續測定甲烷含量。另外，為達成較高純度，在甲烷含量高於90vol.%(例如90vol.%至95vol.%)時，可純化含甲烷之來源。可使用已知純化方法純化含甲烷之來源以去除油、縮合物、水、C2+烴(例如，乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷及其異構物)、硫及二氧化碳。

天然氣通常用作甲烷之來源，而空氣、富集氧之空氣或純氧可用作氧之來源。較佳使用富集氧之空氣或純氧。使三元氣體混合物通過觸媒以形成粗製氰化氫產物。隨後分離粗製氰化氫產物以回收HCN。在本發明中，亦分離粗製氰化氫產物以回收氫。

本文所用術語「空氣」係指組成與自大氣、通常於地平面上獲取之氣體之天然組成大約相同之氣體之混合物。在一些實例中，自周圍環境獲取空氣。空氣之組成包括約78vol.%氮、21vol.%氧、1vol.%氬及0.04vol.%二氧化碳以及少量其他氣體。

本文所用術語「富集氧之空氣」係指組成包含較空氣中所存在更多氧之氣體的混合物。富集氧之空氣的組成包括大於21vol.%氧、小於78vol.%氮、小於1vol.%氬及小於0.04vol.%二氧化碳。在一些實施例中，富集氧之空氣包含至少28vol.%氧，例如至少80vol.%氧、至少95vol.%氧或至少99vol.%氧。

本文所用術語「天然氣」係指包含甲烷及視情況乙烷、丙烷、丁烷、二氧化碳、氧、氮、及/或硫化氫之混合物。天然氣亦可包含痕量稀有氣體，包括氦、氖、氬及/或氙。在一些實施例中，天然氣可包含小於90vol.%甲烷。

安德盧梭法中HCN之形成通常係由以下概括性反應表示：2CH₄+2NH₃+3O₂ → 2HCN+6H₂O

然而，應瞭解，上述反應代表遠更複雜動力學順序之簡化，其中首先氧化一部分烴以產生支持自剩餘烴及氨之HCN之吸熱合成所需的熱能。

在HCN之合成期間，亦發生三個基本副反應：CH₄+H₂O → CO+3H₂

2CH₄+3O₂ → 2CO+4H₂O

4NH₃+3O₂ → 2N₂+6H₂O

除副反應中生成之一定量之氮外，端視氧之來源，粗產物中可存在額外氮。儘管先前技術已表明富集氧之空氣或純氧可用作氧之來源，但尚未完全探索使用富集氧之空氣或純氧之優勢。在使用空氣作為氧之來源時，粗製氰化氫產物包含空氣之組份(例如78vol.%氮)及氨及氧副反應中產生之氮。

由於空氣中之氮之量較大，故在HCN之合成中使用富集氧之空氣係有利的，此乃因在HCN之製造中使用空氣作為氧之來源使得可在較大體積惰性氣體(氮)存在下實施合成，迫使在合成步驟中需要使用較大裝備並在產物氣體中產生較低濃度之HCN。另外，由於惰性氮之存在，需要燃燒更多甲烷以將三元氣體混合物組份之溫度升高至可持續HCN合成之溫度。粗製氰化氫產物含有HCN亦及副產物氫、甲烷燃燒副產物(一氧化碳、二氧化碳、水)、殘餘甲烷及殘餘氨。然而，在使用空氣(亦即，21vol.%氧)時，在自其他氣態組份分離HCN及可回收氨後，惰性氮之存在使得殘餘氣態流具有可能低於能量回收所期望的燃燒值。

因此，在HCN之製造中使用富集氧之空氣或純氧替代空氣提供若干益處，包括回收氫之能力。其他益處包括天然氣至HCN之轉化率增加及製程裝備之大小同時減小。因此，使用富集氧之空氣或純氧經由減少進入合成製程之惰性化合物來減小反應器及下游氣體處置裝備之至少一個組件之大小。使用富集氧之空氣或純氧亦降低將含氧之進料氣體加熱至反應溫度所需之能量消耗。

在使用包含21vol.%或更少氧之含氧氣體時，由於能量及經濟考慮因素，氮之量使得氫之回收不實際。驚人且意外地，已發現在使用富集氧之空氣或純氧時，可以有效且經濟之方法(例如使用變壓吸附器)自粗製氰化氫產物回收氫。所回收氫具有高純度值且因此可用於整合HMD製造製程中。

在使用富集氧之空氣或純氧形成粗製氰化氫產物時，期望處理來自粗製氰化氫產物之廢氣以回收氫內容物而非燃燒鍋爐中之廢氣。可使用吸收器自粗製氰化氫產物分離廢氣。可使用變壓吸附(PSA)、膜分離或其他已知純化/回收方法自至少一部分廢氣回收氫。在一些實施例中，使用PSA單元回收氫。在該情況下，首先將氣體自130kPa 壓縮至2275kPa，例如自130kPa至1700kPa或自136kPa至1687kPa，且隨後將其送至PSA單元。高純度回收氫作為成份較作為燃料更有價值，且因此例如在ADN氫化成6-胺基己腈及/或HMD中或在MGN氫化成MPMD及/或MPP中可用作另一製程之進料流。應注意，廢氣中之氮之量將影響自廢氣回收氫而非燃燒鍋爐中之廢氣之經濟可行性。其他組成或成份亦可影響回收氫之合意性。例如，倘若廢氣流中之HCN濃度超過預定最大值，則可將廢氣流重新引導至生成蒸氣之鍋爐或重新引導至燃燒器(flare)而非進行至氫回收。

圖1顯示整合HMD製造製程之實施例。如圖1中所示，三元氣體混合物105包含含甲烷氣體102、含氨氣體103及含氧氣體104。如本文所述，為使得氫之回收在經濟及能量上可行，含氧氣體104之氧含量大於21vol.%，例如，富集氧之空氣或純氧。在一些實施例中，含氧氣體104中之氧含量係至少28vol.%氧、至少80vol.%氧、至少95vol.%氧或至少99vol.%氧。

藉由可燃限值控制三元氣體混合物105中存在之氧之量。空氣、甲烷及氨之某些組合係可燃的且因此在點火後傳播火焰。若氣體組成處於可燃上限與下限之間，則空氣、甲烷及氨之混合物將燃燒。此範圍外之空氣、甲烷及氨之混合物通常不可燃。使用富集氧之空氣會改變三元氣體混合物中之易燃物之濃度。增加含氧氣體進料流中之氧含量顯著拓寬可燃範圍。例如，將含有45vol.%空氣及55vol.%甲烷之混合物視為極富燃料且不可燃，其中含有45vol.%氧及55vol.%甲烷之混合物係可燃的。

額外關注爆炸限值。例如，於大氣壓力及室溫下，含有60vol.%氧、20vol.%甲烷及20vol.%氨之氣體混合物可爆炸。

因此，儘管已發現在HCN之製造中使用富集氧之空氣有利，但具有氧之空氣之富集必定導致三元氣體混合物中之易燃物之濃度變化且該易燃物之濃度變化增加進料至反應器之三元氣體混合物之可燃上限。因此，三元氣體混合物之緩燃及爆炸對氧濃度敏感。本文所用術語「緩燃」係指相對於在火焰正前方之未燃燒氣體以亞音速速度傳播的燃燒波。另一方面，「爆炸」係指相對於在火焰正前方之未燃燒氣體以超音速速度傳播的燃燒波。緩燃通常引起中等壓力升高，而爆炸可引起非尋常壓力升高。

儘管已建議使用富集氧之空氣用於增加HCN製造能力，但通常避免在可燃範圍內操作。參見美國專利第5,882,618號、第6,491,876號及第6,656,442號，該等案件之全部內容皆以引用方式併入本文中。在本發明中，控制富集氧之空氣或純氧進料以形成在可燃範圍內但不在可爆炸範圍內之三元氣體混合物。因此，在一些實施例中，三元氣體混合物105包含至少25vol.%氧，例如至少28vol.%氧。在一些實施例中，三元氣體混合物包含25vol.%至32vol.%氧，例如26vol.%至30vol.%氧。三元氣體混合物可具有1.2至1.6(例如1.3至1.5)之氨對氧莫耳比率、1至1.5(例如1.10至1.45)之氨對甲烷莫耳比率及1至1.25(例如1.05至1.15)之甲烷對氧莫耳比率。例如，三元氣體混合物可具有1.3之氨對氧莫耳比率及1.2之甲烷對氧莫耳比率。在另一例示性實施例中，三元氣體混合物可具有1.5之氨對氧莫耳比率及1.15之甲烷對氧莫耳比率。三元氣體混合物中之氧濃度可端視該等莫耳比率變化。

HCN製造發生在第一反應區中。將三元氣體混合物105進料至反應器106，其中該三元氣體混合物通過觸媒以形成粗製氰化氫產物107。觸媒通常係金屬篩網鉑/銠合金或金屬篩網鉑/銥合金。可使用其他觸媒組合物且其包括(但不限於)鉑族金屬、鉑族金屬合金、經支撐鉑族金屬或經支撐鉑族金屬合金。亦可使用其他觸媒組態且其包括(但不限於)多孔結構，包括織造、非織造及針織組態、線網、壓片、顆粒、單片、發泡體、浸漬塗層及洗滌塗層。

通常，在離開反應器之後，將粗製氰化氫產物107在熱交換器中冷卻。將粗製氰化氫產物107自高達1200℃冷卻至小於400℃、小於300℃或小於250℃。例示性粗製氰化氫產物組成示於下表1中。

如表1中所示，使用空氣方法製備HCN僅產生13.3vol.%氫，而氧方法產生34.5vol.%之增加氫濃度。氫之量可端視進料氣體之氧濃度及反應物之比率變化，且可介於34vol.%至36vol.%氫範圍內。除表1外，粗製氰化氫產物之氧濃度較低，較佳小於0.5vol.%，且粗製氰化氫產物中之氧之較高量可觸發關閉事件或需要吹掃。端視所用氨、氧及甲烷之莫耳比率而定，使用氧氣安德盧梭法形成之粗製氰化氫產物可如表2中所示變化。

在氨去除單元108中去除氨後，隨後使用吸收器110分離粗製氰化氫產物，以形成包含氫、水、二氧化碳及一氧化碳之廢氣流111及包含氰化氫之氰化氫產物流112。氰化氫產物流包含小於10vol.%氫，例如小於5vol.%氫、小於1vol.%氫、小於100mpm氫，或實質上不含氫。針對氧氣安德盧梭法及針對空氣安德盧梭法之自粗製氰化氫產物107分離後廢氣流111及每一該方法中氮之量之比較在下表3中製成表格。

如表3中所示，在使用氧氣安德盧梭法時，廢氣流111包含大於80vol.%氫。在一些實施例中，廢氣流111包含40vol.%至90vol.% 氫，例如45vol.%至85vol.%氫或50vol.%至80vol.%氫。廢氣流111可進一步包含0.1vol.%至20vol.%水，例如0.1vol.%至15vol.%水或0.1vol.%至1vol.%水。廢氣流111可進一步包含1vol.%至20vol.%一氧化碳，例如1vol.%至15vol.%一氧化碳或1vol.%至10vol.%一氧化碳。廢氣流111可進一步包含0.1vol.%至20vol.%二氧化碳，例如0.5vol.%至15vol.%二氧化碳或0.75vol.%至2vol.%二氧化碳。在一個實施例中，廢氣流111包含78vol.%氫、12vol.%一氧化碳、1vol.%二氧化碳及剩餘量之水及氰化氫。廢氣流111亦可包含痕量二腈及少量其他組份(包括甲烷、氨、氮、氬及氧)。較佳地，該等其他組份係以總共小於10vol.%存在。氮之量小於20vol.%，例如小於15vol.%或小於10vol.%。

如本文所述，可使用PSA單元130分離廢氣流111。典型PSA方法及裝置闡述於美國專利第3,430,418號及第3,986,849號中，該等案件之全部內容皆以引用方式併入本文中。PSA 130可包含至少兩個床(例如至少3個床或至少4個床)，且係於1400kPa至2400kPa(例如1600kPa至2300kPa或1800kPa至2200kPa)之壓力下操作。PSA 130係於16℃至55℃(例如20℃至50℃或30℃至40℃)之溫度下操作。PSA可為多床PSA。每一床包含吸附劑。在一些實施例中，每一床包含相同吸附劑。在其他實施例中，每一床包含不同吸附劑。吸附劑可為用於PSA單元中之習用吸附劑，包括沸石、活性碳、矽膠、氧化鋁及其組合。穿過每一床之週期時間可介於150秒至210秒(例如180秒至200秒)之範圍內且總週期時間可介於300秒至1000秒(例如400秒至900秒)之範圍內。

在PSA 130中分離廢氣流111以形成氫流132及吹掃流131。可認為氫流132為高純度氫流且其包含至少95vol.%氫，例如至少99vol.%氫或至少99.5vol.%氫。吹掃流131包含二氧化碳、一氧化碳、水及氫。吹掃流131可作為燃料燃燒。下文進一步論述氫流132。

藉由使用PSA 130回收氫允許自使用氧氣安德盧梭法製得之粗製氰化氫產物107回收至少70%氫，例如至少72.5%、至少75%或至少76%。

返回至圖1，在自粗製氰化氫產物107分離廢氣之前，粗製氰化氫產物107可視情況經受其他處理步驟。安德盧梭法在最佳條件下實踐時具有氰化氫產物流中之潛在可回收之殘餘氨。由於HCN聚合之速率隨增加pH而增加，故必須去除殘餘氨以避免HCN聚合。HCN聚合不僅代表製程生產力問題，且亦係操作挑戰，此乃因聚合HCN可引起生產線堵塞，從而引起壓力增加及相關製程控制問題。在已冷卻粗製氰化氫產物後，在自粗製氰化氫產物分離廢氣之前自粗製氰化氫產物去除殘餘氨。去除氨係使用氨去除單元108完成，該氨去除單元可包括洗滌器、汽提塔及其組合。將至少一部分粗製氰化氫產物107引導至氨洗滌器、吸收器及其組合108，以去除殘餘氨。

在氨去除後，粗製氰化氫產物109包含小於1000mpm氨，例如小於500mpm或小於300mpm。氨流113可再循環至反應器106、再循環至三元氣體混合物105用於再用作反應物進料或再循環至HMD製造製程，如本文進一步闡述。藉由使氰化氫流與過量酸(例如，H₂SO₄或H₃PO₄)立刻反應以使殘餘游離氨由酸捕獲為銨鹽且溶液之pH保持酸性來抑制HCN聚合。將氨回收進料流中之甲酸及草酸以甲酸鹽及草酸鹽形式捕獲於氨回收系統中之水溶液中。

隨後可分離粗製氰化氫產物109以去除如本文所述廢氣，以形成氰化氫產物流112。可在HCN精製區120中進一步處理此流112以回收精製氰化氫流121用於氫氰化。

本文所用術語「氫氰化」意欲包括包含至少一個碳-碳雙鍵或至少一個碳-碳三鍵或其組合且可進一步包含其他官能基(包括但不限於二腈、酯及芳族化合物)之脂族不飽和化合物的氫氰化。該等脂族不飽和化合物之實例包括(但不限於)烯烴(alkenes)(例如，烯烴(olefin))；炔烴；二烯；及其官能取代化合物。適宜二烯包括1,3-丁二烯。官能取代化合物可包括戊烯腈。氫氰化可包括1,3-丁二烯及戊烯腈氫氰化以產生ADN。

自精製氰化氫流121回收之HCN係未經抑制HCN。本文所用術語「未經抑制HCN」意指HCN實質上耗盡穩定聚合抑制劑。如彼等熟習此項技術者所瞭解，通常添加該等穩定劑以使HCN之聚合最小化且在利用HCN氫氰化(例如)1,3-丁二烯及戊烯腈以產生ADN之前需要至少部分去除穩定劑。HCN聚合抑制劑包括(但不限於)礦物酸，例如硫酸及磷酸；有機酸，例如乙酸；二氧化硫；及其組合。

返回至圖1，將至少一部分精製氰化氫流121引導至第二反應區(例如，二腈化合物製造反應器140)以產生ADN、MGN或其組合。儘管顯示一個反應器，但應瞭解，此反應器係簡化繪示且二腈化合物製造係兩步製程。二腈化合物製造製程可包括分離裝備(未顯示)。若期望，可分離二腈化合物以形成ADN流及MGN流(未顯示)。參見美國專利第5,312,959號。

一或多種二腈化合物經由管線141離開二腈化合物製造單元140且引導至第三反應區(例如二胺單元150)以形成HMD、MPMD及其組合。另外，還原一或多種二腈化合物可形成6-胺基己腈、MPP或其組合。亦可將可選氨流進料至反應器(未顯示)。可選氨流可為新鮮氨流或可包含來自管線113之至少一部分回收氨。亦將至少一部分氫流132引導至二胺反應器150以氫化一或多種二腈化合物以形成粗製二胺產物流151。若需要，來自製程外部來源之其他氫可與氫流132組合。氫可在進入反應器之前經壓縮。

粗製二胺產物流151離開二胺單元150且進入精製系統160，其中分離粗製二胺產物流以形成二胺產物161及殘餘物162，該殘餘物包含6-胺基己腈、MPP、未反應二腈化合物及/或包括四氫氮呼(「THA」)之反應副產物。HMD之分離闡述於美國專利第6,887,352號中，該案件之全部內容以引用方式併入本文中。HMD產物161包含小於1000mpm THA，例如小於500mpm、小於150mpm、小於20mpm，或實質上不含THA。若期望，可回收6-胺基己腈。可如美國專利第8,247,561號中所述進一步純化MPMD。

根據上述說明可明瞭，本發明充分適於目標並獲得本文所提及優勢以及彼等於本發明所提供揭示內容中固有者。儘管已出於本揭示內容之目的闡述本發明之較佳實施例，但應瞭解，可進行熟習此項技術者可容易聯想到且係在本發明精神內完成之改變。

如由彼等熟習此項技術者將瞭解，上述功能及/或製程可體現為系統、方法或電腦程式產品。例如，功能及/或製程可實施為電腦可讀儲存器件中記錄之電腦可執行程式指令，該電腦可讀儲存器件在由電腦處理器擷取及執行時控制計算系統以實施本文所述實施例之功能及/或製程。在一個實施例中，電腦系統可包括一或多個中央處理單元(亦即，CPU)、電腦記憶體(例如，唯讀記憶體、隨機存取記憶體)及資料儲存器件(例如，硬磁碟機)。可使用任何適宜電腦程式設計語言(例如，C++、JAVA等)編碼電腦可執行指令。因此，本發明之態樣可採取完全硬體實施例(包括韌體、駐存軟體、微程式碼等)或組合軟體與硬體態樣之實施例的形式。

可藉由參照以下實例進一步理解本發明。

實例1

藉由組合純氧、含氨氣體及含甲烷氣體形成三元氣體混合物。三元氣體混合物中之氨對氧莫耳比率係1.3：1且三元氣體混合物中之甲烷對氧莫耳比率係1.2：1。使包含27vol.%至29.5vol.%氧之三元氣體混合物在鉑/銠觸媒存在下反應以形成包含34vol.%至36vol.%氫之粗製氰化氫產物。在反應期間形成氫。自反應器去除粗製氰化氫產物且將其送至氨去除單元以自粗製氰化氫產物分離殘餘氨。隨後將粗製氰化氫產物送至吸收器以形成廢氣及氰化氫產物流。廢氣具有如表3之氧氣安德盧梭法中所示組成，且將其壓縮至2275kPa之壓力且送至PSA單元。PSA單元包含四個床，每一床包含活性碳及沸石。每一床吸附廢氣中之非氫組份，例如氮、一氧化碳、二氧化碳及水。PSA係於40℃之溫度下操作800秒之總週期時間(在每一床中約190秒)。來自粗製氰化氫產物之75%至80%氫回收於氫流中。氫流之純度為99.5%或更高。

實例2

將實例1之氫流引導至包含用於氫化ADN之HMD反應器之HMD製造系統。HMD製造製程闡述於美國專利第3,398,195號中。氫流能夠供應氫化ADN以形成HMD所需之至少20%氫(以莫耳濃度計)。

實例3

將實例1之氫流引導至如美國專利第8,247,561號中所述之甲基戊二腈製造系統。氫流能夠供應氫化甲基戊二腈以形成甲基五亞甲基二胺所需之至少20%氫(以莫耳濃度計)。

比較實例A

如實例1中所指示分離廢氣，只是使用空氣替代純氧以形成三元氣體混合物。因此，三元氣體混合物可具有小於25vol.%氧。氨分離裝備之大小較實例1中所用裝備大，且由於與實例1相比氮之量增加，吸收器大於實例1中之吸收器。廢氣組成示於表1之空氣安德盧梭法中。壓縮廢氣並將其送至實例1中所用之PSA單元。壓縮器之數目係壓縮實例1中之廢氣所需之壓縮器之數目的8倍。在非氫組份吸附於第一床中後，由於氫體積不足，PSA不再能夠操作。回收氫在經濟或能量上不可行。因此，並不整合氫與HMD及/或甲基五亞甲基二胺製造。