CN105026353A - 用于多元醇的醚化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在醚化催化剂的存在下通过用选自由烯烃、酮和醇组成的组的具有2-10个碳原子的烃作为烷基化剂来醚化具有2-3个碳原子的二醇或三醇以生产多元醇烷基醚的方法,其中所述方法在包括多元醇进料口、至少一个烷基化剂进料口和产物出口的环管反应器中进行。

Description

用于多元醇的醚化的方法
本发明涉及在醚化催化剂的存在下,通过用选自由烯烃、酮和醇组成的组的具有2-10个碳原子的烃作为烷基化剂来醚化具有2-3个碳原子的二醇或三醇以生产多元醇烷基醚的改进方法。
先前已经描述了多元醇烷基醚可以由多元醇生产。US 5,731,476公开了用于通过具有至少3个羟基/分子的多羟基化合物与C5-C10叔烯烃或C4-C10叔烷醇或醚的反应,或通过异丁烯与具有多于3个羟基/分子的多羟基化合物的反应(在酸催化剂的存在下)来制备聚醚的方法。US5,476,971公开了用于通过烃异丁烯与多羟基化合物甘油的反应来制备二叔丁基甘油的方法。在液相中进行US 5,731,476和US 5,476,971的反应,同时保持由极性多羟基化合物相和烃相构成的独立相。
DE 10 2009 055 928A1公开了用于生产包含高级甘油叔丁基醚的混合物的方法,该方法包括以下步骤:异丁烯与甘油的酸催化反应以形成反应混合物,以及利用ET(30)极性值≤35.0的溶剂或溶剂混合物来萃取至少部分的所述反应混合物。
现有技术的方法的主要缺点在于,它们对于不想要的副产物如单醚和/或三醚和烷基化剂低聚产物具有相对高的选择性。此外,仅可以通过在反应器中的停留时间与未反应的和中间产物的分离和循环的组合来实现对产物流组成的控制。因而,需要相对大的再循环流并且使用成本往往较高。
在多元醇醚化过程中,多元醇的羟基与烷基化剂反应以连续提供单醚、二醚和聚醚。为了提高对于二醚或聚醚的选择性,在反应混合物中烷基化剂的浓度需要相对高。然而,在反应混合物中这种相对高浓度的烷基化剂还导致形成不想要的副产物,如烷基化剂的低聚物或聚合物。特别难以获得对于不想要的单醚、聚醚和烷基化剂低聚产物,二醚的足够的选择性。
本发明的一个目的是提供通过多元醇的醚化用于生产多元醇烷基二醚的方法,所述方法对于二醚具有提高的选择性,而不存在对于不想要的副产物如烷基化剂低聚产物的增加的选择性。
通过提供如在以下本文中描述的和如在权利要求中表征的实施方式来解决以上问题。因此,本发明提供了在醚化催化剂的存在下通过多元醇的醚化来生产多元醇烷基醚的方法,其中在包括多元醇进料口(2)、烷基化剂进料口(3)和产物出口(4)的环管反应器(tubular loop reactor)(1)中进行所述方法,其中在多元醇进料中的多元醇是具有2-3个碳原子的二醇或三醇,并且烷基化剂是选自由烯烃、酮和醇组成的组的具有2-10个碳原子烃。
根据现有技术的多元醇醚化过程是在连续搅拌釜式反应器(CSTR)中进行。通过选择本发明的环管反应器,可以立即并且精确地调节停留时间以及反应混合物中羟基与烷基化剂的摩尔比率。通过沿着反应器注射异丁烯和通过调节停留时间,可以实现对反应物的浓度的精确控制。
因为异丁烯仅微溶于甘油,所以当使异丁烯和甘油接触时,反应物处于分开的液相。随着反应进行,根据它们的溶解度,产物积聚在一相或其他相中。单醚积聚在极性甘油相中,而二醚、三醚和C8-C16烃积聚在非极性烃相中。在反应过程中,溶解度会变化:在混合物中形成新产物组分并且所有组分的浓度会变化。在某个阶段,两相彼此溶解并且仅保留一相。认为在甘油转化为约60-70%时这会发生。通过选择管状反应器来代替恒定CSTR,可以以一个或以两个相流型(regime)操作所述过程。这意味着,反应器流出物是单相或两相,其可以有利于易于分离不同的过程产物。优选地,在确保最大异丁烯溶解度的条件下操作所述过程。
参照附图(在本文中称为图(Figure)和图(FIG.)),本发明提供了尤其其特征在于使用了环管反应器(1)的方法。管状反应器在化工行业中是众所周知的并且一般地描述于Middleton,J.C.和Carpenter,K.J.(2010)环流反应器,乌尔曼工业化学百科全书(Middleton,J.C.andCarpenter,K.J.(2010)Loop Reactors.Ullmann's Encyclopedia of IndustrialChemistry)。
在本发明的方法中使用的环管反应器包括至少一个入口(2),用于将多元醇化合物进料到反应器。
此外,在本方法中使用的环管反应器包括至少一个入口(3),用于将烷化剂进料到反应器。优选地,反应器包括多个烷基化剂进料口(3);参见图2。通过使用多个烷基化剂进料口,可以更好地控制反应混合物中烷基化剂的浓度,这允许对转化的严格控制并降低不想要的副产物的产生。本发明的此实施方式特别可用于在反应器管的整个长度上保持恒定的异丁烯:反应物摩尔比率。
优选地,以一定的速率,将烷基化剂添加至环管反应器中的反应混合物,以提供反应混合物中的2∶1至5∶1的羟基与烷基化剂摩尔比率(OH∶烷化剂的摩尔比)。维持反应混合物中羟基与烷化剂的摩尔比率具有另外的优点:降低烷化剂的特异性反应,包括但不限于烷化剂的低聚。
在本发明的方法中使用的环管反应器包括一个产物出口(4),用于从反应器除去产物。在使用非均相催化剂的情况下,出口可以包括固体-液体-气体分离器。
可选地,将包含在产物流(4)中的未反应的多元醇化合物或不想要的单醚从所期望的多元醇烷基醚分离,并且通过再循环流(5)被循环到入口(2);参见图1和2,或直接被循环到反应器(1);参见图3。
通过管线泵(in-line pump)(6)或其他方式,使反应混合物在环管反应器内部再循环。
可用于醇的酸催化缩合的催化剂在本领域中是充分已知的并且包括均相酸催化剂和多相酸催化剂;参见例如WO 2009/117044A2和Klepacova等人(2007),应用催化A328∶1-13(Klepacova et al.(2007)Applied CatalysisA328∶1-13)。
优选地,醚化催化剂是均相酸催化剂,其选自由硫酸、磺酸、和硝酸组成的组。优选地,磺酸选自由三氟甲磺酸、对甲苯磺酸、甲磺酸、乙磺酸、磺基琥珀酸和磺基乙酸组成的组。
优选地,中和包含在产物出口流中的均相酸催化剂残余物并从产物出口流分离所得盐。
可替换地,醚化催化剂是多孔非均相酸催化剂,其选自由酸性大孔沸石、强酸性离子交换树脂和酸官能化的介观结构(mesostructured)二氧化硅组成的组。这种合适的酸性大孔沸石、强酸性离子交换树脂和酸官能化的介观结构二氧化硅在本领域中是众所周知的并且是市售的。
优选地,酸性大孔沸石选自由沸石β和沸石Y组成的组。如在本文中所使用的,术语“沸石”或“铝硅酸盐沸石”是指铝硅酸盐分子筛。它们特性的概述例如由柯克-奥思默化工技术百科全书,第16卷,第811-853页;沸石框架类型图集,第5版,(Elsevier,2001)(Kirk-OthmerEncyclopedia of Chemical Technology,Volume 16,p 811-853;Atlas of ZeoliteFramework Types,5th edition,(Elsevier,2001))中关于分子筛的章节提供。如在本文中所使用的,术语“大孔尺寸沸石”在本领域中是非常众所周知的;参见例如Hlderich et al.(1988)Angew.Chem.Int.Ed.Engl.27∶226-246。因此,大孔尺寸沸石是孔径为约6-8的沸石。合适的中等孔径沸石是12环沸石,即通过由12个SiO4四面体构成的环形成的孔。在以上引用的沸石框架类型图集中,基于环结构,列出了各种沸石。优选地,沸石的二氧化硅(SiO2)与氧化铝(Al2O3)的摩尔比率是在约300-1000的范围内。二氧化硅与氧化铝的摩尔比率为300-1000的沸石在本领域中是众所周知的并且还是市售的。用于量化沸石的二氧化硅与氧化铝的摩尔比率的装置和方法在本领域中是众所周知的并且包括但不限于AAS(原子吸收光谱仪)或ICP(电感耦合等离子体光谱测定)分析。
优选地,强酸性离子交换树脂选自由Amberlyst15、Amberlyst35和Amberlyst XN1010组成的组。
可以将非均相催化剂填充在环管反应器(1)内部的固定床中。可替换地,非均相催化剂的形式为催化剂颗粒,其悬浮在反应混合物中并在环管反应器(1)中再循环,其中包含在产物出口流中的反应器颗粒被分离并再循环至环管反应器(1)。
因此,在本发明的方法中使用的环管反应器可以包括分离包含在产物出口流中的醚化催化剂以及将分离的醚化催化剂再循环到环管反应器(1)的装置。在一种替代方案中,通过借助于再循环流(5)将分离的催化剂进料到多元醇进料口(2)来再循环分离的醚化催化剂;参见图1和2。在一种不同的替代方案中,通过再循环流(5),将分离的醚化催化剂循环到环管反应器(1);参见图3。用于从液体分离颗粒的任何常规方法可以用来从产物流(4)分离非均相催化剂颗粒,包括但不限于过滤、倾析和离心。
优选地,将静态混合器放置在环管反应器内部。静态混合器确保在反应器中反应混合物的多相之间的最大混合。
优选地,环管反应器(1)是在等温条件下操作的夹套式环管反应器。单一反应器温度是所期望的,这是因为据认为,高于最佳温度有利于逆反应和/或副反应。
本发明的方法是在液相中进行。在本文中还描述为“多元醇醚化条件”的可用于本发明的方法的工艺条件,在本领域中得到很好的描述并且本领域技术人员可以容易地选择;参见例如US 5,476,971。因此,反应温度可以是20-200℃,优选为40-150℃以及更优选为60-100℃。工艺压力可以是1-100巴(barg),优选为2-50巴以及更优选为3-40巴。
包含在本发明的方法的进料中的多元醇是具有2-3个碳原子的二醇或三醇。如在本文中所使用的,术语“多元醇”在本领域中是充分已知的并且描述包含多于一个羟基的烃化合物。优选地,多元醇选自由甘油和乙二醇组成的组。更优选,在本方法中使用的多元醇是甘油。
如在本文中所使用的,术语“烷基化剂”或“烷化剂”是指选自由烯烃、酮和醇组成的组的具有2-10个碳原子的烃。用作烷基化剂的烃可以是直链、支链或环状烃。优选地,烷基化剂是异丁烯。
最优选地,多元醇是甘油以及烷基化剂是异丁烯以优选生产二取代的二醚2,3-二叔丁氧基-1-丙醇和1,3-二叔丁氧基-1-丙醇。
本文描述的方法包括至少以下实施方式:
实施方式1:一种在醚化催化剂的存在下,通过多元醇的醚化来生产多元醇烷基醚的方法,其中在包括多元醇进料口(2)、至少一个烷基化剂进料口(3)和产物出口(4)的环管反应器(1)中进行所述方法,其中多元醇是具有2-3个碳原子的二醇或三醇以及烷基化剂是选自由烯烃、酮和醇组成的组的具有2-10个碳原子的烃。
实施方式2:根据实施方式1的方法,其中以一定的速率,将烷基化剂添加至环管反应器中的反应混合物以在反应混合物中提供2∶1至5∶1的羟基与烷基化剂的摩尔比率。
实施方式3:根据实施方式1或2的方法,其中反应器包括多个烷基化剂进料口(3)。
实施方式4:根据实施方式1-3中任一种的方法,其中醚化催化剂是均相酸催化剂,其选自由硫酸、磺酸和硝酸组成的组。
实施方式5:根据实施方式4的方法,其中,中和包含在产物出口流中的均相酸催化剂残余物并从产物出口流分离所得盐。
实施方式6:根据实施方式1-3中任一种的方法,其中醚化催化剂是多孔非均相酸催化剂,其选自由酸性大孔沸石和强酸性离子交换树脂组成的组。
实施方式7:根据实施方式6的方法,其中将非均相催化剂填充在环管反应器(1)内部的固定床中或其中非均相催化剂的形式为催化剂颗粒,其在环管反应器(1)中循环以及其中分离包含在产物出口流中的反应器颗粒并再循环至环管反应器(1)。
实施方式8:根据实施方式1-7中任一种的方法,其中将静态混合器放置在环管反应器内部。
实施方式9:根据实施方式1-8中任一种的方法,其中环管反应器(1)是在等温条件下操作的夹套式环管反应器。
实施方式10:根据实施方式1-9中任一种的方法,其中工艺条件包括20-200℃的反应温度以及1-100巴的工艺压力。
实施方式11:根据实施方式1-10中任一种的方法,其中多元醇进料中的多元醇选自由甘油和乙二醇组成的组。
实施方式12:根据实施方式1-11中任一种的方法,其中烷基化剂是异丁烯。
应该注意的是,本发明涉及本文描述的特征,尤其是在权利要求中叙述的特征的所有可能的组合。
进一步注意的是,术语‘包括’并不排除其他要素的存在。然而,还可以理解的是,关于包含某些组分的产物的描述还公开了由这些组分组成的产物。类似地,还可以理解的是,关于包括某些步骤的方法的描述还公开了由这些步骤组成的方法。

Claims (12)

1.一种在醚化催化剂的存在下通过多元醇的醚化来生产多元醇烷基醚的方法,其中所述方法在包括多元醇进料口(2)、至少一个烷基化剂进料口(3)和产物出口(4)的环管反应器(1)中进行,其中所述多元醇是具有2-3个碳原子的二醇或三醇,并且所述烷基化剂是选自由烯烃、酮和醇组成的组的具有2-10个碳原子的烃。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,以一定的速率,将所述烷基化剂添加至所述环管反应器中的反应混合物,以在所述反应混合物中提供2:1至5:1的羟基与烷基化剂的摩尔比率。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其中,所述反应器包括多个烷基化剂进料口(3)。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法,其中,所述醚化催化剂是选自由硫酸、磺酸和硝酸组成的组的均相酸催化剂。
5.根据权利要求4所述的方法,其中,中和在产物出口流中包含的均相酸催化剂残余物,并且从所述产物出口流分离所得盐。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法,其中,所述醚化催化剂是选自由酸性大孔沸石和强酸性离子交换树脂组成的组的多孔非均相酸催化剂。
7.根据权利要求6所述的方法,其中,将非均相催化剂填充在所述环管反应器(1)内部的固定床中,或其中所述非均相催化剂为催化剂颗粒的形式,使所述催化剂颗粒在所述环管反应器(1)中循环,并且其中将在产物出口流中包含的反应器颗粒分离并且再循环至所述环管反应器(1)。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法,其中,将静态混合器放置在所述环管反应器内部。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法,其中,所述环管反应器(1)是在等温条件下操作的夹套式环管反应器。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法,其中,工艺条件包括20-200℃的反应温度和1-100巴的工艺压力。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的方法,其中,多元醇进料中的所述多元醇选自由甘油和乙二醇组成的组。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的方法,其中,所述烷基化剂是异丁烯。
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