CN105209141A - 制备芳族碳酸酯的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于制备碳酸烷基芳基酯的方法，其包括：a)在反应蒸馏塔中在转酯化催化剂存在下使包含芳族羟基化合物的流与包含碳酸二烷基酯的流接触；b)从该反应蒸馏塔抽出包含该碳酸烷基芳基酯的第一产物流；c)抽出包含烷基羟基化合物和碳酸二烷基酯的第二产物流；d)添加新鲜碳酸二烷基酯至该第二产物流；e)将碳酸二烷基酯与该烷基羟基化合物分离；及f)将来自步骤e)的该碳酸二烷基酯再循环至该反应蒸馏塔。

Description

制备芳族碳酸酯的方法
本申请要求2013年5月22日提交的未决美国临时专利申请第61826101号的权益。
技术领域
本发明涉及芳族碳酸酯的制备。
发明背景
典型地通过碳酸二烷基酯与芳族羟基化合物之间的转酯化反应来制备芳族碳酸酯。典型地在催化剂存在下进行此反应以加速转酯化反应。催化剂可为均相的和/或异相的。芳族碳酸酯可用作用于制备芳族聚碳酸酯(其用作工程塑料)的原料。
美国专利第5334742号描述了一种以塔的特定质量偶合及能量偶合组合使用常规转酯化催化剂，通过使碳酸二烷基酯与苯酚反应制备碳酸二芳基酯的方法。WO01/00560公布描述了一种制备芳族碳酸酯的方法，其通过在钛-二氧化硅催化剂存在下碳酸二甲酯与苯酚的气相反应或液相反应、接着通过在钛-二氧化硅催化剂存在下所制备的碳酸甲基苯酯的液相反应来制备芳族碳酸酯。
发明内容
本发明提供一种用于制备碳酸烷基芳基酯的方法，其包括：a)在反应蒸馏塔中在转酯化催化剂存在下使包含芳族羟基化合物的流与包含碳酸二烷基酯的流接触；b)从所述反应蒸馏塔抽出包含碳酸烷基芳基酯的第一产物流；c)抽出包含烷基羟基化合物及碳酸二烷基酯的第二产物流；d)添加新鲜碳酸二烷基酯至所述第二产物流；e)将碳酸二烷基酯与所述烷基羟基化合物分离；及f)将来自步骤e)的碳酸二烷基酯再循环至所述反应蒸馏塔。
附图简要说明
图1描绘一种用于制备芳族碳酸酯的装置。
详细描述
制备芳族碳酸酯的方法包括碳酸二烷基酯与芳族羟基化合物的转酯化。制备的芳族碳酸酯典型地呈碳酸烷基芳基酯形式，然而碳酸二芳酯可经由后续歧化反应形成。在反应蒸馏塔中制备的芳族碳酸酯可为碳酸烷基芳基酯、碳酸二芳酯或其混合物。
碳酸二烷基酯由式R1OCOOR1表示。R1代表具有1至10个碳原子的烷基、具有3至10个碳原子的脂环基或具有6至10个碳原子的芳烷基。R1的实例包括烷基，例如甲基、乙基、丙基、烯丙基、丁基、丁烯基、戊基、己基、庚基、辛基、壬基、癸基及环己基甲基及其异构体。R1的其他实例包括脂环基，例如环丙基、环丁基、环戊基、环己基及环庚基；及芳烷基，例如苄基、苯乙基、苯丙基、苯丁基、甲基苄基及其异构体。
烷基、脂环基或芳烷基可被取代基例如低级烷基、低级烷氧基、氰基及卤素原子取代。
碳酸二烷基酯的实例为碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二丙酯、碳酸二烯丙酯、碳酸二丁烯酯、碳酸二丁酯、碳酸二戊酯、碳酸二己酯、碳酸二庚酯、碳酸二辛酯、碳酸二壬酯、碳酸二癸酯、碳酸二环戊酯、碳酸二环己酯、碳酸二环庚酯及其异构体。
其中R1为具有4个或更少碳原子的烷基的碳酸二烷基酯是优选的。碳酸二烷基酯最优选为碳酸二乙酯。
芳族羟基化合物由式Ar1OH表示，其中Ar1代表具有5至30个碳原子的芳族基，且对化合物的类型没有限制，只要羟基直接键合至芳族基。Ar1的实例包括苯基及各种烷基苯基，例如甲苯基、二甲苯基、三甲基苯基、四甲基苯基、乙基苯基、丙基苯基、丁基苯基、二乙基苯基、甲基乙基苯基、戊基苯基、己基苯基、环己基苯基及其异构体；各种烷氧基苯基，例如甲氧基苯基、乙氧基苯基、丁氧基苯基及其异构体；各种卤化苯基，例如氟苯基、氯苯基、溴苯基、氯甲基苯基、二氯苯基及其异构体。
具有这些Ar1的芳族羟基化合物的实例包括苯酚；各种烷基酚，例如甲酚、二甲苯酚、三甲基苯酚、四甲基苯酚、乙基苯酚、丙基苯酚、丁基苯酚、二乙基苯酚、甲基乙基苯酚、甲基丙基苯酚、二丙基苯酚、甲基丁基苯酚、戊基苯酚、己基苯酚及环己基苯酚；各种烷氧基苯酚，例如甲氧基苯酚及乙氧基苯酚；及其异构体。其中Ar1为具有6至10个碳原子的芳族基的芳族单羟基化合物是优选的且苯酚是最优选的。
转酯化反应制备对应于进料至反应蒸馏塔的反应物的碳酸烷基芳基酯及烷基羟基化合物。在一个实施方式中，通过苯酚与碳酸二乙酯进行转酯化反应且所得产物为碳酸乙基苯酯及乙醇。在其中通过苯酚与碳酸二甲酯进行反应的另一个实施方式中，所得转酯化产物将为碳酸甲基苯酯及甲醇。
转酯化反应为平衡反应，且该平衡偏向反应物。另外，反应速率低。为帮助使平衡偏移以制备更多芳族碳酸酯，在反应蒸馏塔中进行反应。操作反应蒸馏塔以使得转酯化产物在塔顶产物流中移除。
发生于反应蒸馏塔中的第二平衡反应为歧化反应。当两个碳酸烷基芳基酯分子歧化且形成碳酸二芳酯及碳酸二烷基酯时，发生此反应。在碳酸乙基苯酯及乙醇通过转酯化形成的实施方式中，歧化反应的产物将为碳酸二苯酯及碳酸二乙酯。在形成碳酸甲基苯酯及甲醇的实施方式中，歧化反应的产物将为碳酸二苯酯及碳酸二甲酯。
转酯化反应和/或歧化反应的产物在一或多个出口处从反应蒸馏塔移除且经分离和/或再循环至反应蒸馏塔或其他处理单元。
反应蒸馏塔可含有本领域普通技术人员已知的可用于反应蒸馏塔中的任何内部构件。适合的塔的实例包括板式蒸馏塔，其使用盘，例如泡罩盘、筛盘、浮阀塔盘及逆流盘；及填充型塔，其填充有各种填料，例如拉西环(Raschigring)、莱辛环(Lessingring)、帕尔环(Pallring)、伯尔鞍形填料(Berlsaddle)、Intelox鞍形填料、迪克森填料(Dixonpacking)、麦克马洪填料(McMahonpacking)、海利填料(Helipack)、苏尔寿填料(Sulzerpacking)及Mellapak。
用于此反应蒸馏塔中的多相催化剂可为本领域普通技术人员已知的适用于加速转酯化反应的任何催化剂。多相催化剂可包含钛、铬、钨、钼、钒、锡、铅、铜、碱金属、锌、镉、铁、锆、路易斯酸(LewisAcid)、形成路易斯酸的化合物或其混合物。催化剂优选包含钛。
多相催化剂可负载于氧化铝、氧化钛、氧化硅、活性碳或其混合物上。催化剂优选负载于二氧化硅上。催化剂优选为负载于二氧化硅上的钛。
此外，均相催化剂可在反应蒸馏塔中已存在或不存在多相催化剂或载体的情况下添加至反应中。在一个实施方式中，可添加均相催化剂以代替自多相催化剂浸滤出的金属。均相催化剂优选包含乙醇钛、酚钛。均相催化剂可进料入苯酚溶液中。
可添加均相催化剂以维持金属在反应蒸馏塔中的特定浓度。可通过测量底部产物流中的金属含量来监测塔中的金属浓度。金属浓度可在每千克产物流10至2000毫克金属、优选50至250mg/kg且优选80至200mg/kg范围内。
此反应中遇到的困难之一为多相及均相催化剂由于与催化剂毒物(例如水)接触而去活化。本说明书将集中于作为催化剂毒物的水，但可通过此方法从碳酸二烷基酯移除在碳酸二烷基酯的沸点以下沸腾的任何毒物。用作此方法中的反应物的碳酸二烷基酯化合物可含有水。即使在经纯化以移除水时，残余量的水可存在于碳酸二烷基酯流中。水可以以至多0.5wt％的量存在于包含碳酸二烷基酯化合物的进料流中，但优选仅以小于1000ppmw、更优选小于300ppmw且最优选小于150ppmw的量存在。
一些可能移除此水的方法包括在单独蒸馏塔中分离水及使用吸附剂或吸收剂。使用专用塔将导致成本及能量使用增加。另外，难以发现可达到所需水含量但不会浸滤出对于催化剂或工艺将具有有害影响的物质的吸附剂或吸收剂。
本发明提供一种操作该工艺以减少与塔中的催化剂接触的水量而无需另外自碳酸二烷基酯进料分离水(其将为昂贵或困难的)的方法。
在图1中将进一步描述用于进行该方法的方法及装置。应理解，本领域普通技术人员能够改变描绘于图1中的装置及方法而仍如在下文中所描述及要求保护的来进行本发明。该图并不描绘将用于所述工艺中的设备的每一部件(包括再沸器、冷凝器、热交换器、阀门及泵)，但本领域普通技术人员能够确定在该工艺中于何处置放这些物件。
图1描绘用于进行碳酸二烷基酯与芳族羟基化合物的转酯化反应的反应蒸馏塔10。多相催化剂床11可位于反应蒸馏塔内部。如上文所述，在另一实施方式中，可在无多相催化剂床的情况下进行该方法。反应蒸馏塔具有用于包含芳族羟基化合物及碳酸二烷基酯的进料的入口12。可在相同或不同的点处将这些进料入塔中。在一个实施方式中，通过任选的入口14将芳族羟基化合物在多相催化剂床上方进料。入口14还充当用于均相催化剂的任选入口。在另一实施方式中，均相催化剂可经由入口13进料至反应蒸馏塔中。
反应蒸馏塔具有用于典型地包含碳酸二烷基酯及烷基羟基化合物的塔顶产物流的出口16。所述塔还具有用于典型地包含芳族羟基化合物、碳酸二烷基酯、碳酸烷基芳基酯及碳酸二芳酯的底部产物流的出口18。所述出口中的任一者可含有在反应期间形成的副产物。
在有利于转酯化反应的反应条件下操作反应蒸馏塔。这些条件使得任何水从包含芳族羟基化合物的流分离。当芳族羟基化合物进料入入口14(及通过入口13的任选均相催化剂)时，在该流与多相或均相催化剂接触前从该流移除水，防止催化剂的去活化。
典型地在1巴(绝压)至5巴(绝压)范围内、优选2至4巴(绝压)范围内的压力下操作该塔。典型地操作该塔使得多相催化剂床中的温度在100℃至250℃范围内，优选在150℃至230℃范围内，且更优选在170℃至210℃范围内。
所述塔优选在催化剂床11的顶部与出口16之间容纳某些类型的内部构件，例如盘、填料、帕尔环、拉西环或本领域普通技术人员已知的其他内部构件，包括先前描述的那些。内部构件有助于将水与芳族羟基化合物分离。
该工艺还包含用于自其他塔顶产物分离碳酸二烷基酯的分离容器/塔20。碳酸二烷基酯经分离并通过管线24再循环至反应蒸馏塔。进料入所述工艺中的新鲜碳酸二烷基酯通过入口26或任选地连同管线16进料至分离容器中。新鲜碳酸二烷基酯可在与管线16相同或不同的级或盘(如果存在)处进料。若在不同的级或盘进料，则其可在较低或较高的级或盘进料。以此方式，在此分离容器中分离存在于碳酸二烷基酯中的水且水与包括存在于管线16中的烷基羟基化合物的其他塔顶产物通过管线22行进至塔顶。烷基羟基化合物及水可再循环至制备碳酸烷基酯的工艺。
可通过测定存在于多相催化剂床中的水量来评估工艺的有效性。此可为绝对量度，且在这种情况下，催化剂床中的水量以存在于催化剂床中的芳族羟基化合物的总量计优选小于250ppmw。催化剂床中的水量更优选小于150ppmw，且最优选小于100ppmw。
方法的有效性的另一量度可为相对量度，且在这种情况下，当芳族羟基化合物传递至催化剂床中时存在于该芳族羟基化合物中的水量小于芳族羟基化合物进入反应蒸馏塔之前该芳族羟基化合物中的水量的80％。当芳族羟基化合物进入催化剂床时存在于该芳族羟基化合物中的水量优选小于芳族羟基化合物进入反应蒸馏塔之前该芳族羟基化合物中的水量的60％且更优选小于40％。
水可经由出口22与塔顶产物一起移除。水典型地存在于包含烷基羟基化合物的流中。此流可再循环至制备碳酸二烷基酯的单元。可在再循环该流之前自烷基羟基化合物分离水。或者，水可留在该流中，因为其对于操作碳酸二烷基酯生产单元不具有消极影响。

Claims (15)

1.一种制备碳酸烷基芳基酯的方法，其包括：
a)在反应蒸馏塔中在转酯化催化剂存在下使包含芳族羟基化合物的流与包含碳酸二烷基酯的流接触；
b)从所述反应蒸馏塔抽出包含所述碳酸烷基芳基酯的第一产物流；
c)从所述反应蒸馏塔抽出包含烷基羟基化合物及碳酸二烷基酯的第二产物流；
d)添加新鲜碳酸二烷基酯至所述第二产物流；
e)将碳酸二烷基酯与所述烷基羟基化合物分离；及
f)将来自步骤e)的所述碳酸二烷基酯再循环至所述反应蒸馏塔。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述转酯化催化剂选自均相催化剂、多相催化剂及其混合物。
3.根据权利要求1-2中任一项的方法，其中所述多相催化剂包含于所述反应蒸馏塔中的床中。
4.根据权利要求1-3中任一项的方法，其中在蒸馏塔中进行步骤(e)且在所述第二产物流进入所述蒸馏塔之前将所述新鲜碳酸二烷基酯添加至所述第二产物流。
5.根据权利要求1-3中任一项的方法，其中在蒸馏塔中进行步骤(e)且与所述第二产物流分开地将所述新鲜碳酸二烷基酯添加至所述蒸馏塔。
6.根据权利要求1-5中任一项的方法，其中所述新鲜碳酸二烷基酯含有一或多种在所述碳酸二烷基酯的沸点以下沸腾的催化剂毒物。
7.根据权利要求1-5中任一项的方法，其中至少一种催化剂毒物为水。
8.根据权利要求1-7中任一项的方法，其中基本上没有新鲜碳酸二烷基酯直接添加至所述反应蒸馏塔。
9.根据权利要求1-8中任一项的方法，其中来自所述新鲜碳酸二烷基酯的水在步骤e)中与所述新鲜碳酸二烷基酯分离。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述水与来自所述第二产物流的所述烷基羟基化合物合并。
11.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括在方法中使用所述水和烷基羟基化合物以通过所述烷基羟基化合物与碳酸烷基酯的反应来制备碳酸二烷基酯。
12.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括制备单乙二醇。
13.根据权利要求1-12中任一项的方法，其中所述芳族羟基化合物为苯酚。
14.根据权利要求1-13中任一项的方法，其中所述碳酸二烷基酯选自碳酸二甲酯、碳酸二乙酯及其混合物。
15.根据权利要求1-14中任一项的方法，其中所述催化剂包含钛。
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