CH300939A - Process for the production of furfural. - Google Patents

Process for the production of furfural.

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CH300939A
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furfural
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Deutsche Bergin-Aktiengesellschaft
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Bergin Aktiengesellschaft Deut
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    • C07ORGANIC CHEMISTRY
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    • C07D307/00Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom
    • C07D307/02Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings
    • C07D307/34Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings having two or three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members
    • C07D307/38Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings having two or three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members with substituted hydrocarbon radicals attached to ring carbon atoms
    • C07D307/40Radicals substituted by oxygen atoms
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    • C07D307/48Furfural
    • C07D307/50Preparation from natural products

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Furan Compounds (AREA)

Description

       

      Verfahren        zur        Gewinnung    von     Furfarol.       Die Erfindung bezieht sich auf     die    Gewin  nung von     Furfurol    aus     pentosehaltigen    Lö  sungen durch     Einwirkung    von Säuren.

   Nach  einem bekannten Verfahren werden die     sauren     Lösungen einer Druckerhitzung im geschlosse  nen Gefäss     ausgesetzt.    Das dabei gebildete       Furfurol    geht     zum    Teil bei der Entspannung  mit dem     Entspannungsdampf    ab     und    der Rest  wird durch Nachdestillation aus der Lösung  gewonnen. Bei diesem Verfahren entstehen er  hebliche Verluste, da das gebildete     Furfurol     zu einem erheblichen Teil wieder zerstört wird.

    Es ist weiterhin     bekannt,        Furfurol    aus     Pen-          toselösungen    durch Säureeinwirkung und Er  wärmen bei gewöhnlichem Druck unter gleich  zeitigem     Abdestillieren    gegebenenfalls unter  Einleiten von Wasserdampf zu gewinnen. Bei  diesem Verfahren wird die Säure zwecks Er  höhung der Reaktionsgeschwindigkeit im Ver  gleich zum ersteren Verfahren in höherer Kon  zentration zur     Anwendung    gebracht.  



  Das vorliegende Patent betrifft ein Ver  fahren zur Herstellung von     Furfurol    aus     pen-          tosehaltigen    Lösungen, welches dadurch ge  kennzeichnet ist, dass die     Furfurolbildung    mit  verdünnter Säure durch Erhitzen auf Tem  peraturen über 100  C unter Druck vorgenom  men wird, und während der Reaktion laufend       Furfurol    und Wasserdampf entfernt wird.  



  Bei der Einwirkung von Säuren auf     wäss-          rige        Lösungen        von.        Pentosen    bei höheren Tem  peraturen spielen sich zwei Reaktionen ab,  nämlich erstens die Bildung von     Furfiuol       und     zweitens    die Zersetzung von gebildetem       Fur        f1u        o1.     



  Beide Reaktionen     sind    sowohl von der Tem  peratur     und    der Säurekonzentration     als    auch  von der Konzentration der     Pentose    und des       Furfurols    abhängig. Es ist     infolgedessen     zweckmässig, die     Furfurolbildung    aus     Pentose,     z.

   B.     Xylose,    und die     Verdampfungsgeschwin-          digkeit    so aufeinander abzustimmen, dass das       Furfurol    nach Massgabe seiner Entstehung ab  getrieben wird und dadurch verhindert- wird,  dass zu hohe, die     Furfurolzersetzung    fördernde,       Furfurolkonzentrationen    entstehen. Diese Be  dingungen können durch geeignete Wahl der  Ausgangskonzentration der Reaktionsteilneh  mer und geeignete Bemessung der     Verdamp-          fungsfläche    erfüllt werden.

   Es hat sich ge  zeigt, dass bei     Niedrighaltung    der     Furfurol-          konzentration    in der Lösung ein Destillat er  zielt werden kann, dessen Gehalt an     Furfurol     etwa das 6- bis     Sfache    des     Furfurolgehaltes     der Reaktionslösung beträgt. Aus einer Lö  sung, die etwa 0,4 bis 0,5 %     Furfurol    enthält,  kann man ein Destillat mit     Furfurolgehalten     von etwa 2,4 bis     41/o    gewinnen.  



  Da die Bildung von neuem     Furfurol    durch  Zersetzung von     Pentosen,    wie sich gezeigt hat,  gerade nur in dem Masse erfolgt, wie     Furfurol     zusammen mit Wasserdampf wegdestilliert,  kann die Konzentration der     Pentosen    in der       Reaktionsflüssigkeit    etwa auf gleichbleibender  Höhe gehalten werden. Dagegen steigt bei       Anwendung    von nichtflüchtigen Säuren die           Säurekonzentration,    wodurch sowohl die Bil  dungsgeschwindigkeit von     Furfurol    als auch  die     Zersetzungsgeschwindigkeit    von     Furfurol     gefördert wird.

   Bei gleichmässiger     Verdamp-          fungsgeschwindigkeit    besteht     mithin    die Mög  lichkeit, dass     eine    Anreicherung von     Furfurol     in der Reaktionsflüssigkeit stattfindet und  Veranlassung zu vermehrter     Furfurolzerset-          zung    gibt.  



  Dieser     Sehwierigkeit    kann dadurch     ent-          gegengewirkt    werden, dass die erfindungsge  mässe Druckzersetzung bei gleichzeitiger  Druckverdampfung mehrstufig     durchgeführt     wird, und zwar derart, dass die von Stufe zu  Stufe     zunehmende    Säurekonzentration der  Reaktionsflüssigkeit durch Erniedrigung der  Temperaturhöhe und     Druekhöhe    ausgeglichen  wird.

   Hierdurch gelingt es, bei gleichmässiger,  proportional der     Furfurolbildung    eingestellter       Verdampfungsgeschwindigkeit    störende     Fur-          furolzersetzangen    weitgehend zu vermeiden       und    hohe     Ausbeuten    an     Furfiirol    zu erzielen.  



  Das     Mehrstufenverfahren    wird     vorteilhaft     derart     durchgeführt,    dass die aus der ersten  Stufe abgehenden     Brüden        als    Heizdampf für  die zweite Stufe, die aus der zweiten Stufe  abgehenden     Brüden    als Heizdampf für die  dritte Stufe benutzt werden usw., wodurch er  hebliche Mengen an     Heizdampf    eingespart  werden können.  



  Die mit den     Brüden    mitgeführten Säure  mengen sind im allgemeinen so gering, dass sie  keine Veranlassung zu Komplikationen geben.  Bei Versuchen, die     -unter    Anwendung von       Salzsäure    durchgeführt wurden, hat sich ge  zeigt, dass das Destillat aus der mit Säure  angereicherten Endstufe nicht mehr als     0,03 /o          HCl    enthielt. Immerhin empfiehlt es sich, dar  auf zu achten, dass durch     mitgerissene    bzw.  teilflüchtige Salzsäure keine schädlichen     Fur-          furolzersetzungsreaktionen    stattfinden. Es  empfiehlt sich somit, das abgezogene Konden  sat z.

   B. durch laufende     pn-Bestimmung    auf       den.Säuregehalt    zu prüfen und erforderlichen  falls in die     Brüdenleitung    (also vor der Kon  densation)     flüchtige    Basen, z. B. Ammoniak,  in solchen Mengen     einzuschleusen,    dass das  abgezogene Kondensat. neutral reagiert.    Die erfindungsgemäss zu verarbeitenden       pentosehaltigen    Lösungen können     aus        pentose-          haltigen    pflanzlichen Stoffen, wie Laubholz,       Hafersehalen,    Maisspindeln und dergleichen,  in bekannter Weise     dureh    Hydrolyse gewon  nen werden.  



  Zur Durchführung des Verfahrens werden  mit Vorteil Verdampf     errohre    aus säurefestem,  temperaturbeständigem Graphit verwendet,  die einen beträchtlich höheren     -NVärmed-Lireh-          gang    haben als     Verdampferrohre    aus Por  zellan. Die Verwendung von     Graphitrohren     gestattet die Einstellung der     Verd'ampfungs-          geschwindigkeit    auf die     Furfurolbildungsge-          sehwindigkeit    aus     Pentose    in besonders gün  stiger Weise.  



  <I>Beispiel:</I>  Eine     dureh    schonende     Druekhydrolyse    von  Buchenholzspänen mit     lo/oiger    Salzsäure bei  125 bis 130  C gewonnene blank filtrierte Lö  sung, die als     Zuekerbestandteile        vorwiegend          Kylose        (z.        B.        etwa        5%)        enthält,        wird        einer          vierstufigen        kontinuierliehen        Druel,

  -v    er     damp-          fung    in einer mit     Graphitrohren    mit gutem  Wärmedurchgang     ausgestatteten    Apparatur  unterworfen. Die     Lösung    wird in den ersten  Druckverdampfer eingeführt, gelangt von die  sem in den     zweiten,    von diesem in den dritten  und von hier aus in den vierten     Druckver-          dampfer.    Der erste Druckverdampfer wird mit  Heizdampf von 4 atü (153 ) beheizt.

   Die aus  dem ersten Druckverdampfer abgehenden     Brü-          den    werden zur     Beheizung    des zweiten Druck  verdampfers, die aus diesem abgehenden     Brü-          den    zur     Beheizung    des dritten und die aus  dem dritten Druckverdampfer abgehenden       Brüden    zur     Beheizung    des vierten     Druekver-          dampfers    benutzt.

   Die     Reaktions-    und     Ver-          dampfimgstemperaturen    betragen dabei in der  ersten     Stufe    etwa 140  C, in der zweiten Stufe  etwa 130  C, in der dritten Stufe etwa 120  C  und in der vierten Stufe etwa 110  C.

   Die  Säurekonzentration der Reaktionsflüssigkeit,  welche in der ersten Stufe (bei 140 ) etwa  1 bis     2 /o    beträgt, erhöht sich während des       Durehganges    der Flüssigkeit. durch die Appa  ratur     und        beträgt    in der letzten Stufe (bei       etwa        110 )

          etwa    6     bis        8%.        Der        sehädigenden              'Wirkung    der zunehmenden Säurekonzentra  tion auf das     Furfurol        wird    durch     Erniedri-          mg        cler    Temperatur in den einzelnen Stu  fen begegnet.

   Die aus den Heizräumen des  zweiten, dritten und vierten     Druekverdamp-          fers    abgezogenen Kondensate, sowie das     Brü-          denkondensat    der letzten Stufe, enthalten 2,5  bis     41/o        Furfurol.    Die Kondensate werden der       Furfurolabtreibungskolonne    zugeführt.

   Die  aus der letzten Behandlungsstufe abfliessende  Lösung besitzt noch einen Restgehalt an       Xylose        von        etwa    4     bis        6%,        bezogen        auf        die     eingesetzte     Xylosemenge.    Die Ausbeute an       Furfurol    beträgt über     9011/o    der Theorie.  



  Die     Erfindung    bietet     unter    anderem auch  den Vorteil, dass mit niedrigen Säurekonzen  trationen gearbeitet werden kann, und der  aus der Lösung selbst entwickelte Dampf als       Transportdampf    für     Furfurol    wirksamer ist  als etwa eingeblasener Wasserdampf, da letz  terer sich nicht so gleichmässig durch die  ganze Lösung verteilen lässt und daher in  grösserem Überschuss angewendet werden muss.  Es werden mithin sowohl mit Bezug auf Ener  gieaufwand als auch auf Säureaufwand fort  schrittliche Wirkungen erzielt.



      Process for the production of furfarol. The invention relates to the extraction of furfural from pentose-containing solutions by the action of acids.

   According to a known method, the acidic solutions are subjected to pressure heating in the closed vessel. Some of the furfural formed in the process goes off during the expansion with the expansion steam and the rest is obtained from the solution by post-distillation. This process results in considerable losses, since the furfural which is formed is largely destroyed again.

    It is also known that furfural can be obtained from pentose solutions by the action of acid and heating at normal pressure with simultaneous distillation, if appropriate with the introduction of steam. In this process, the acid is used in a higher concentration for the purpose of increasing the reaction rate in comparison to the former process.



  The present patent relates to a process for the production of furfural from pentose-containing solutions, which is characterized in that furfural is formed with dilute acid by heating to temperatures above 100 C under pressure, and furfural and continuous during the reaction Water vapor is removed.



  With the action of acids on aqueous solutions of. Pentoses at higher temperatures take place in two reactions, namely firstly the formation of furfiuol and secondly the decomposition of fur f1u o1 formed.



  Both reactions are dependent on the temperature and the acid concentration as well as on the concentration of pentose and furfural. It is therefore expedient to reduce the formation of furfural from pentose, e.g.

   B. xylose, and to coordinate the evaporation rate so that the furfural is driven off according to its formation and is thus prevented that too high furfural concentrations, which promote furfural decomposition, arise. These conditions can be met by a suitable choice of the initial concentration of the reaction participants and a suitable dimensioning of the evaporation area.

   It has been shown that if the furfural concentration in the solution is kept low, a distillate can be obtained whose furfural content is about 6 to 5 times the furfural content of the reaction solution. A distillate with a furfural content of about 2.4 to 41 / o can be obtained from a solution containing about 0.4 to 0.5% furfural.



  Since the formation of new furfural through the decomposition of pentoses, as has been shown, only takes place to the extent that furfural is distilled away together with water vapor, the concentration of the pentoses in the reaction liquid can be kept approximately constant. In contrast, the use of non-volatile acids increases the acid concentration, which promotes both the rate of formation of furfural and the rate of decomposition of furfural.

   If the evaporation rate is constant, there is consequently the possibility that an accumulation of furfural takes place in the reaction liquid and gives rise to increased furfural decomposition.



  This difficulty can be counteracted by the fact that the pressure decomposition according to the invention is carried out in several stages with simultaneous pressure evaporation, in such a way that the acid concentration of the reaction liquid, which increases from stage to stage, is compensated for by lowering the temperature and pressure.

   In this way, it is possible to largely avoid disruptive furfurol replacement tongues and to achieve high yields of furfurol with a uniform evaporation rate adjusted proportionally to the furfural formation.



  The multi-stage process is advantageously carried out in such a way that the vapors leaving the first stage are used as heating steam for the second stage, the vapors leaving the second stage are used as heating steam for the third stage, etc., which means that considerable amounts of heating steam can be saved.



  The amounts of acid carried along with the vapors are generally so small that they do not give rise to complications. Tests carried out using hydrochloric acid showed that the distillate from the acid-enriched final stage did not contain more than 0.03 / o HCl. At least it is advisable to ensure that no harmful furfurol decomposition reactions take place due to entrained or partially volatile hydrochloric acid. It is therefore recommended that the withdrawn condensate sat z.

   B. to check for the acid content by ongoing pn determination and if necessary in the vapor line (i.e. before the condensation) volatile bases, z. B. ammonia to infiltrate in such amounts that the withdrawn condensate. reacts neutrally. The pentose-containing solutions to be processed according to the invention can be obtained in a known manner by hydrolysis from pentose-containing vegetable substances such as hardwood, oat husks, corn cobs and the like.



  To carry out the process, evaporator tubes made of acid-resistant, temperature-resistant graphite are advantageously used, which have a considerably higher -NVärmed-Lireh- than evaporator tubes made of porcelain. The use of graphite tubes allows the rate of evaporation to be adjusted to the rate of furfural formation from pentose in a particularly favorable manner.



  <I> Example: </I> A carefully pressurized hydrolysis of beech wood shavings with 10% hydrochloric acid at 125 to 130 C, obtained from a clear, filtered solution, which contains mainly Kylose as sugar components (e.g. about 5%), becomes a four-stage process continuous pressure,

  -subjected to evaporation in an apparatus equipped with graphite tubes with good heat transfer. The solution is introduced into the first pressure evaporator, from there to the second, from there to the third and from here to the fourth pressure evaporator. The first pressure evaporator is heated with heating steam of 4 atmospheres (153).

   The vapors leaving the first pressure evaporator are used to heat the second pressure vaporizer, the vapors exiting from this are used to heat the third, and the vapors leaving the third pressure vaporizer are used to heat the fourth pressure evaporator.

   The reaction and evaporation temperatures are around 140 C in the first stage, around 130 C in the second stage, around 120 C in the third stage and around 110 C in the fourth stage.

   The acid concentration of the reaction liquid, which is about 1 to 2 / o in the first stage (at 140), increases during the passage of the liquid. through the apparatus and is in the last stage (at about 110)

          about 6 to 8%. The harmful effect of the increasing acid concentration on the furfural is counteracted by lowering the temperature in the individual stages.

   The condensates withdrawn from the boiler rooms of the second, third and fourth pressure evaporators, as well as the vapor condensate of the last stage, contain 2.5 to 41 / o furfural. The condensates are fed to the furfural removal column.

   The solution flowing out of the last treatment stage still has a residual xylose content of about 4 to 6%, based on the amount of xylose used. The yield of furfural is over 9011 / o of theory.



  Among other things, the invention offers the advantage that low acid concentrations can be used, and the vapor developed from the solution itself is more effective as transport vapor for furfural than, for example, blown water vapor, since the latter cannot be distributed so evenly through the entire solution and must therefore be used in greater excess. Progressive effects are therefore achieved with regard to both energy expenditure and acid expenditure.


    

Claims (1)

PATENTANSPRUCH: Verfahren mir Gewinnung von Furfurol aus pentosehaltigen Lösungen, dadurch ge kennzeichnet, dass die Furfurolbildung durch Erhitzen der sauren Lösung auf Temperatu ren über 100 unter Druck vorgenommen und während der Reaktion laufend Furfurol und Wasserdampf entfernt wird. UNTERANSPRÜCHE 1. PATENT CLAIM: Process with extraction of furfural from pentose-containing solutions, characterized in that the furfural formation is carried out by heating the acidic solution to temperatures above 100 under pressure and furfural and water vapor are continuously removed during the reaction. SUBCLAIMS 1. Verfahren nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass pentosehaltige Säurehy drolysate pflanzlicher pentosanhalti- ger Stoffe als Ausgangsmaterial verwendet werden. 2. Method according to claim, characterized in that pentose-containing acid hydrolysates of plant-based pentosan-containing substances are used as the starting material. 2. Verfahren nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass die Reaktionsflüs sigkeit durch mehrere hintereinandergeschal- tete Druckgefässe hindurchgeführt wird, wobei von Gefäss --L1 Gefäss die Säurekonzentration der Reaktionsflüssigkeit zunimmt und die Re aktionstemperatur sowie der Reaktionsdruek abnehmen. 3. Method according to claim, characterized in that the reaction liquid is passed through several pressure vessels connected in series, the acid concentration of the reaction liquid increasing from vessel --L1 vessel and the reaction temperature and the reaction pressure decreasing. 3. Verfahren nach Patentanspruch und Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die im einen Druckgefäss abgezogene Brüde je im nächsten Druckgefäss als Heiz- dampf verwendet wird. 4. Verfahren nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass als Druckgefässe Verdampferrohre aus Graphit verwendet wer den. Method according to claim and dependent claim 2, characterized in that the vapor withdrawn in one pressure vessel is used as heating steam in the next pressure vessel. 4. The method according to claim, characterized in that the pressure vessels used evaporator tubes made of graphite who the.
CH300939D 1950-12-27 1951-11-05 Process for the production of furfural. CH300939A (en)

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