CN113056458A - 羟乙基哌嗪的生产 - Google Patents
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Abstract
实施例涉及用于生产羟乙基哌嗪的连续工艺，所述工艺包含将纯净的哌嗪、再循环的哌嗪和环氧乙烷进料到反应器中以形成粗制羟乙基哌嗪，其中所述反应器是连续搅拌釜反应器或塞流式反应器。所述工艺进一步包含将来自所述反应器的所述粗制羟乙基哌嗪连续进料到包含至少一个蒸馏塔的蒸馏系统中，所述蒸馏系统产生至少再循环的哌嗪物流和羟乙基哌嗪物流，所述再循环的哌嗪物流包含进料到所述反应器中以形成所述粗制羟乙基哌嗪的再循环的哌嗪，并且按所述羟乙基哌嗪物流的总重量计，所述羟乙基哌嗪物流包含至少60wt％的羟乙基哌嗪。
Description
技术领域
实施例涉及用于制备羟乙基哌嗪的工艺和根据所述工艺制备的羟乙基哌嗪产物。
背景技术
哌嗪(“PIP”)是包含含有两个氮原子的六元环的有机化合物。哌嗪可能在1，2-二氯乙烷或乙醇胺的氯化反应中作为副产物形成。羟乙基哌嗪(“HEP”)是进一步包含羟乙基的哌嗪，其可以被称为1-(2-羟乙基)哌嗪。例如，羟乙基哌嗪可具有以下结构：
羟乙基哌嗪可以通过哌嗪的乙氧基化反应(例如，通过预先形成的哌嗪与环氧乙烷的反应)形成。用于制备造羟乙基哌嗪的方法可以生产羟乙基哌嗪和二羟乙基哌嗪(“DiHEP”)。所得产物可以用作混合物或可以利用额外的加工步骤来纯化产物流以形成期望的产物。同样，可以修改此工艺以有利于一种哌嗪产物而非另一种哌嗪产物的生产。例如，环氧乙烷与哌嗪的高摩尔比可以使二羟乙基哌嗪的生产占主导，并降低羟乙基哌嗪的产率，这在寻求生产高纯度的羟乙基哌嗪时是不利的。进一步地，环氧乙烷与哌嗪的低摩尔比可能导致大量未反应的哌嗪，并且由于哌嗪在室温下固化，因此难以在商业规模上分离未反应的哌嗪。因此，需要利用一种用于生产羟乙基哌嗪的工艺，所述工艺允许连续监测环氧乙烷与哌嗪的摩尔比，从而使与环氧乙烷与哌嗪的高和低摩尔比有关的这些担忧最小化。
国际公开号WO/2017/011283公开了一种用于生产羟烷基哌嗪化合物的工艺，所述工艺包含(i)将哌嗪的进料流在第一位置处进料到反应蒸馏塔中，以及(ii)将C2到C8环氧烷烃的进料流在一个或多个第二位置处进料到反应蒸馏塔中。虽然使用反应蒸馏可能会有利于单-羟乙基哌嗪和/或消除对单独的多步蒸馏的需求，但仍在寻求可替代方法，这些方法在连续工艺中利用标准设备进一步提高在商业规模上经济高效地生产大量羟乙基哌嗪的能力。
发明内容
实施例可以通过用于生产羟乙基哌嗪的连续工艺来实现，所述工艺包含将纯净的哌嗪、再循环的哌嗪和环氧乙烷进料到反应器中以形成粗制羟乙基哌嗪，其中所述反应器是连续搅拌釜反应器或塞流式反应器。所述工艺进一步包含将来自所述反应器的所述粗制羟乙基哌嗪连续进料到包含至少一个蒸馏塔的蒸馏系统中，所述蒸馏系统产生至少再循环的哌嗪物流和羟乙基哌嗪物流，所述再循环的哌嗪物流包含进料到所述反应器中以形成所述粗制羟乙基哌嗪的再循环的哌嗪，并且按所述羟乙基哌嗪物流的总重量计，所述羟乙基哌嗪物流包含至少60wt％的羟乙基哌嗪。
附图说明
通过参考附图详细描述其示例性实施例，实施例的特征对于本领域普通技术人员将变得更加显而易见，在附图中：
图1示出了针对工作实例1和2的示例性连续反应蒸馏工艺的工艺流程图，其中具有用于生产羟乙基哌嗪的再循环物流：并且
图2示出了针对比较实例A的半间歇反应与蒸馏工艺的工艺流程图，其中没有用于生产羟乙基哌嗪的再循环物流。
具体实施方式
提出了用于生产羟乙基哌嗪(在本文中也被称为HEP)的连续工艺，其利用哌嗪到反应器中的再循环物流，所述反应器与在分离工艺之后将哌嗪再循环回到反应器中的蒸馏工艺相结合。反应器是连续搅拌釜反应器或塞流式反应器。连续工艺将在反应器中以环氧乙烷与哌嗪的低摩尔比进行操作，并将未反应的哌嗪再循环回到反应器中。利用反应器和再循环物流的连续工艺可能出乎意料地导致商业规模上高的哌嗪转化率和对羟乙基哌嗪生产的高选择性，例如相对于二羟乙基哌嗪(在本文中也被称为DiHEP)。此外，连续工艺将允许连续监测反应器中环氧乙烷与哌嗪的比率，并可进行实时调节。
连续搅拌釜反应器(在本文中以及在工业中也被称为CSTR)是指具有搅拌器的釜式反应器，其在稳态下运行，其中反应物连续流入釜中而产物连续流出釜中，并且连续搅拌。塞流式反应器(在本文中以及在工业中被称为PFR)是指布置为一个长管反应器或许多短管反应器的管式反应器，其在稳态下运行，其中反应物连续流入管式反应器的入口而产物连续流出管式反应器的出口(出口端在与入口相对的管的另一端)。塞流式反应器可以包含流阻塞器。
高的哌嗪转化率是指哌嗪的转化率大于0.70(例如，大于0.75、大于0.80、大于0.85、大于0.90、大于0.95、大于0.96等)。
高选择性是指相对于进料到反应器中的纯净哌嗪(图1中的PIP-IN物流)的摩尔数，羟乙基哌嗪(HEP Out物流)的摩尔数的产率至少为50％，并且相对于纯净哌嗪的摩尔数，二羟乙基哌嗪的摩尔数的产率小于50％。例如，HEP的产率可以为55％到100％(例如，60％到100％、65％到100％、60％到99％、60％到95％、65％到85％等)。相对于进料到反应器中的纯净哌嗪(Pip In物流)的摩尔数，DiHEP的摩尔数的产率可以为0％到45％(例如，0％到40％、0％到35％、1％到至40％、5％到40％、15％到35％等)。
参照图1，示出了示例性工艺流程图，其利用连续反应(例如，至少纯净的哌嗪和再循环的哌嗪的连续进料，以及任选的环氧乙烷的连续进料)与蒸馏工艺从产物流中分离未反应的哌嗪，以形成再循环的哌嗪。所述工艺可以进一步包含添加催化剂，如乙氧基化催化剂(例如，硼基催化剂)。
具体地说，如图1所示，将环氧乙烷(EO-IN)和哌嗪(PIP-IN)的原料连续物流进料到连续反应器(例如，连续搅拌釜反应器或塞流式反应器)中。反应器产物是粗制的羟乙基哌嗪(CHEP)，其是一种包含未反应的哌嗪、羟乙基哌嗪、二羟乙基哌嗪和水的混合物。将反应器产物连续进料到蒸馏系统(DIST，例如，其包含至少一个蒸馏塔)中以进行分离工艺。可以将一个或多个水流(WATER-IN)引入蒸馏系统中，例如用于稀释一个或多个物流和/或调节一个或多个物流的凝固点。在蒸馏系统中，可以产生至少三个物流。具体地说，羟乙基哌嗪产物流(HEP-OT)、二羟乙基哌嗪产物流(DIHEP-OT)和再循环的哌嗪物流(PIP-RX)。羟乙基哌嗪产物流可以是最终产物流和/或可以被进一步处理以形成最终产物。二羟乙基哌嗪产物流可以是最终产物流，可以被进一步处理以形成最终产物，和/或可以被处置。将再循环的哌嗪物流进料到反应器中，例如作为再循环的哌嗪到反应器中的连续进料。
参照图2，示出了利用比较的半间歇反应工艺和蒸馏工艺的工艺流程图。然而，来自蒸馏系统的未反应的哌嗪未再循环回到半间歇式反应器中。半间歇式反应器接收初始装料的哌嗪(PIP-IN)和连续进料的环氧乙烷(EO-IN)，在半间歇式反应器中消化各组分后，粗制羟乙基哌嗪(CHEP)存在于反应器中，并被进料到蒸馏系统(DIST)中进行分离。可以将水流(WATER-IN)引入蒸馏系统中。在蒸馏系统中，产生了三个物流。具体地说，羟乙基哌嗪产物流(HEP-OT)、二羟乙基哌嗪产物流(DIHEP-OT)和未再循环回到反应器中的哌嗪物流(PIP-RX)。具体地说，在此工艺中，哌嗪物流(PIP-RX)并未连续地进料回到半间歇式反应器中，以帮助在商业规模上获得高的哌嗪转化率和对羟乙基哌嗪生产的高选择性。
用于制备羟乙基哌嗪的生产系统
用于制备羟乙基哌嗪的连续工艺可以包含：(i)将新鲜哌嗪的物流连续进料到反应器(例如，连续搅拌釜或塞流式反应器)中；(ii)将环氧乙烷的进料流连续进料到反应器中；(iii)将再循环的哌嗪物流连续进料到反应器中；(iv)在反应器中连续进行哌嗪和环氧乙烷的反应以形成粗制羟乙基哌嗪产物；(v)将粗制羟乙基哌嗪产物进料到蒸馏系统中，所述蒸馏系统包含至少一个蒸馏塔：以及(vi)在蒸馏系统中产生再循环的哌嗪物流。应当理解，连续是指在一段时间(例如，至少1小时)内连续处理材料的工艺，这与分阶段处理材料的分批或半分批工艺相反。
蒸馏系统可以包含至少一个蒸馏塔。如果使用两个或更多个蒸馏塔，则蒸馏塔可以串联和/或并联连接。如果使用一个蒸馏塔，则该蒸馏塔可以包含多个蒸馏段，所述多个蒸馏段被布置成与两个或多个蒸馏塔的理论使用类似地操作，并且在每个段中产生理论上的塔顶物流和塔底物流。
例如，当蒸馏系统包含两个或更多个蒸馏段/塔时，第一蒸馏段/塔可以接收来自反应器的粗制羟乙基哌嗪产物流。第一蒸馏段/塔可以产生包含水和哌嗪的塔顶物流，然后将所述物流用于形成再循环的哌嗪，以将其进料回到反应器中。进一步地，第一蒸馏段/塔可以产生包含羟乙基哌嗪和二羟乙基哌嗪的塔底物流。因此，在蒸馏系统的第一蒸馏段/塔中，可以在将二羟乙基哌嗪物流和羟乙基哌嗪物流彼此分离之前，首先分离再循环的哌嗪物流。
第二蒸馏段/塔可以接收第一蒸馏段/塔的塔顶物流，以将水与哌嗪分离。第二蒸馏段/塔的塔顶物流可以包含水，并且塔底物流可以包含用于形成再循环的哌嗪物流的哌嗪。可以在蒸馏系统外进一步调节第二蒸馏段/塔的塔底物流，以调节哌嗪的浓度，然后将其进料回到反应器中。第二蒸馏段/塔的塔顶物流可以是废水和/或可以被进一步处理以供使用。
第三蒸馏段/塔可以接收第一蒸馏段/塔的塔底物流，以将羟乙基哌嗪与二羟乙基哌嗪分离。第三蒸馏段/塔的塔顶物流可以包含羟乙基哌嗪，并且塔底物流可以包含二羟乙基哌嗪。蒸馏系统中可以包含另外的蒸馏段/塔，例如以进一步纯化再循环的哌嗪、羟乙基哌嗪和/或二羟乙基哌嗪产物流。
离开蒸馏系统的羟乙基哌嗪产物流可以具有至少60wt％(至少70wt％、至少80wt％、至少90wt％、至少95wt％等)的HEP纯度。离开蒸馏系统的二羟乙基哌嗪产物流可以具有至少35wt％(至少40wt％、至少50wt％、至少60wt％、至少70wt％、至少80wt％等)的DiHEP纯度，并且可以任选地用一种或多种溶剂进一步稀释。
加入到反应器中的环氧乙烷与纯净哌嗪(来自进料到反应器中的新鲜哌嗪)的摩尔比可以大于1.01(例如，大于1.02、大于1.05、大于1.10、大于1.15、大于1.20、大于1.22等)。环氧乙烷与纯净哌嗪的摩尔比可以小于4.00(例如，小于3.50、小于3.00、小于2.50、小于2.00、小于1.99、小于1.50等)。添加到反应器中的环氧乙烷与总哌嗪(包含纯净哌嗪和再循环的哌嗪)的摩尔比可以小于1.01(小于1.00、小于0.90、小于0.85、小于0.80、小于0.75、小于0.70)并且大于0.01(例如，大于0.05、大于0.10、大于0.20、大于0.30、大于0.40、大于0.50、大于0.60等)。例如，摩尔比可以为0.01到1.00。
按羟乙基哌嗪物流的总重量计，来自蒸馏系统的羟乙基哌嗪产物流包含至少60wt％的羟乙基哌嗪。例如，60wt％到100wt％(例如，65wt％到100wt％、70wt％到100wt％、80wt％到100wt％、85wt％到100wt％、90wt％到100wt％、95wt％到100wt％、97wt％到100wt％、98wt％到100wt％、99wt％到100wt％等)的羟乙基哌嗪，其余为来自粗制羟乙基哌嗪的其它组分。
按二羟乙基哌嗪物流的总重量计，二羟乙基哌嗪产物流包含至少35wt％的二羟乙基哌嗪。例如，35wt％到100wt％(例如，40wt％到100wt％、50wt％到100wt％、60wt％到100wt％、70wt％到100wt％/80wt％到100wt％、90wt％到100wt％、91wt％到100wt％等)的二羟乙基哌嗪，其余为粗制羟乙基哌嗪的其它组分。离开蒸馏系统后，可以将二羟乙基哌嗪产物流用水进一步稀释。进一步稀释的二羟乙基哌嗪产物流可以包含5wt％到80wt％(例如，10wt％到70wt％、20wt％到60wt％、30wt％到55wt％、35wt％到50wt％、40wt％到45wt％等)的二羟乙基哌嗪。
在离开蒸馏系统之后并且在作为再循环的哌嗪进料到反应器中之前，可以例如通过添加或除去水来调节再循环的哌嗪物流的组成。例如，再循环的哌嗪物流可以具有与进料到反应器中的新鲜哌嗪相同或相似的哌嗪与溶剂比率。例如，进料到反应器中的新鲜哌嗪可以在一种或多种溶剂(例如，至少是水)中包含30wt％到99wt％(例如，40wt％到98wt％、50wt％到97wt％、55wt％到96wt％、60wt％到95wt％、50wt％到90wt％、60wt％到90wt％、50wt％到85wt％、60wt％到85wt％、50wt％到80wt％、60wt％到80wt％、50wt％到70wt％、60wt％到70wt％等)的哌嗪。类似地，进料到反应器中的再循环的哌嗪可以在一种或多种溶剂(例如，至少是水)中包含30wt％到99wt％(例如，40wt％到98wt％、50wt％到97wt％、55wt％到96wt％、60wt％到95wt％、50wt％到90wt％、60wt％到90wt％、50wt％到85wt％、60wt％到85wt％、50wt％到80wt％、60wt％到80wt％、50wt％到70wt％、60wt％到70wt％等)的哌嗪。
可以将如新鲜哌嗪和环氧乙烷等反应物在接近环境温度(例如，20到25℃)下进料到反应器中。可以将再循环的哌嗪冷却(例如，从大于80℃的初始温度开始)，并且在接近环境温度(例如，20到25℃)下进料到反应器中。进一步地，可以在大于大气压力的压力(例如，138kPa到689kPa、138kPa到552kPa、207kPa到483kPa等)下将新鲜哌嗪、环氧乙烷和再循环的哌嗪进料到反应器中。羟乙基哌嗪产物流可能会在升高的温度下离开蒸馏系统，例如，在高于60℃的温度下(例如，65℃到150℃、80℃到120℃、80℃到110℃等)。
羟乙基哌嗪的应用
哌嗪化合物具有许多实际应用，包含塑料、树脂和其它工业工作产品的生产。哌嗪还可以用于各种最终用途应用，如提高石油和天然气的采收率、杀虫剂、汽车液体和药品。例如，羟乙基哌嗪可用于吸收通常在油气流中发现的各种污染物。示例性污染物包含二氧化碳、硫化氢和其它硫污染物。例如，羟乙基哌嗪可用作吸收污染物的化学溶剂。
实例
关于说明性工作实施例、比较实例以及在工作实例和比较实例的报告结果中使用的信息，下文了提供大致的性质、特征、参数等。
所使用的以下材料包含环氧乙烷(EO)、哌嗪(PIP)和哌嗪溶液，所述哌嗪溶液包含68wt％的哌嗪和作为溶剂的剩余水以及剩余量的其它杂质。
工作实例1和2利用连续反应器和具有再循环物流的多塔蒸馏工艺来生产羟乙基哌嗪，如图1所示。工作实例1基于连续搅拌釜反应器(CSTR)的使用，而工作实例2基于塞流式反应器(PFR)的使用。比较实例A利用具有多塔蒸馏工艺的常规半间歇式反应器，而不使用进料回到半间歇式反应器中以用于生产羟乙基哌嗪的再循环物流，如图2所示。
下表1中的数据是根据纯净哌嗪的干燥量(即，不包含作为哌嗪溶液一部分的进料中的水)提供的，并假设环氧乙烷样品包含100wt％的EO。假定离开蒸馏系统的HEP产物流HEP-OT具有约99.3wt％的纯度，其余为杂质。假定DiHEP产物流DIHEP-OT的纯度约为43.7wt％，其余为水和杂质。为了进行模拟，假定DiHEP产物流在水中稀释至43.7wt％的纯度，实际上，可以在退出蒸馏系统后将用于稀释的水添加到DiHEP产物流中。表1数据是基于生产相同量的HEP产物(即47.6Mlb)而得出的，假定三个实例的蒸馏系统相同。
哌嗪转化是基于纯净哌嗪进料(不包含再循环的哌嗪)而测得的哌嗪转化。关于产物产率，HEP产率被定义为相对于进料到反应器中的哌嗪的摩尔数产生的HEP的摩尔数。进一步地，DiHEP产率被定义为相对于进料到反应器中的哌嗪的摩尔数产生的DiHEP的摩尔数。HEP相对于DiHEP的总摩尔选择性是相对于产生的DiHEP的摩尔数产生的HEP的摩尔数。
表1
*基于纯净哌嗪在干燥基础上的总摩尔数，不包含再循环的哌嗪。
**43.7wt％的纯度基于用水稀释所得DiHEP产物流
参照表1，其表明使用再循环哌嗪物流可以允许降低对纯净哌嗪的进料需求，而不损害HEP产物流的纯度，同时出乎意料地导致更高的哌嗪转化率和HEP产物流的总产率。进一步地，对于工作实施例1，发现与比较实例A中的常规半间歇工艺相比，使用带有再循环物流的CSTR可以显著提高总产率和相当的HEP对DiHEP的选择性。对于工作实例2，发现与比较实例中的常规半-间歇工艺和工作实例1的CSTR反应器二者相比，使用PFR可以显著提高总产率和HEP对DiHEP的选择性和总产率。
使用市售的仿真软件ASPENPLUSTM版本8.6(可从Aspen Technology获得)准备表1的数据。通过数据回归得到物理性质。在Aspen中使用了反应器模块塞(用于PFR反应器)、RCSTR(用于CSTR反应器)和严格的蒸馏模块RADFRAC。蒸馏工艺包含多个塔。每个塔都用塔板或填料充分分级，以实现期望的产物分离纯度。操作压力可以在真空下。对于实例，蒸馏工艺包含以下三个塔：
1)真空(51kPa)下的17级单元被配置成从反应粗品中分离出PIP和水，
2)深真空(0.5kPa)下的17级单元被配置成用于从DIHEP中分离HEP，并且
3)大气压下的12级单元被配置成用于PIP分离。
蒸馏系统通常受到第一塔再沸器负荷的限制，最高温度控制在110℃。为了产生相同量的期望纯度的HEP，将实例的原料、转化率、产物产率和选择性进行比较。在所有实例中，为了公平比较，第一塔的蒸馏负荷保持在1.52千焦/小时不变。表2、表3和表4中分别报告了工作实例1和2以及比较实例A的来自Aspen模型的物流。
对于实例1和2，在模拟中使用的参数分别在下表2和3中。参照表2和3，EO In是指进料到反应器中的环氧乙烷，而PIP是指进料到反应器中的纯净哌嗪。PIP Rx指的是已用水稀释的再循环的哌嗪物流，其浓度约为68wt％的哌嗪，因此其是进入反应器的物流。HEPOut是指从蒸馏系统流出的羟乙基哌嗪物流，其纯度大于99wt％。DiHEP Out是指从蒸馏系统流出的二羟乙基哌嗪物流，用水稀释后纯度为43.7wt％。HEP Out压力是指将羟乙基哌嗪与二羟乙基哌嗪分离的蒸馏塔的压力。DiHEP Out压力是指DiHEP物流在稀释至43.7％纯度之前需要泵送的压力。
表2
对于工作实例2，在模拟中使用的参数在下表3中。
表3
对于比较实例A，在模拟中使用的参数在下表4中。CHEP Out是指离开反应器并进入蒸馏系统的粗制羟乙基哌嗪物流。PIP Rx指离开蒸馏系统的哌嗪物流，对于比较实例A，其不会再循环回到反应器中。HEP Out是指从蒸馏系统中流出的羟乙基哌嗪物流，而DiHEPOut是指从蒸馏系统流出的二羟乙基哌嗪物流，用水稀释后纯度为43.7wt％。
表4
*CHEP物流的组成是作为半间歇式反应器的流出测得的
进一步地，对于比较实例A，在模拟中使用的半间歇反应参数在下表5中。
表5
| 纯净哌嗪(kg) | 28068 |
| EO(kg) | 13154 |
| 半间歇时间(小时) | 2.5 |
| CHEP产物(kg) | 54431 |
Claims (10)
1.一种用于生产羟乙基哌嗪的连续工艺，所述工艺包括：
将纯净的哌嗪、再循环的哌嗪和环氧乙烷进料到反应器中以形成粗制羟乙基哌嗪，所述反应器是连续搅拌釜反应器或塞流式反应器；以及
将来自所述反应器的所述粗制羟乙基哌嗪连续进料到包含至少一个蒸馏塔的蒸馏系统中，所述蒸馏系统产生至少再循环的哌嗪物流和羟乙基哌嗪物流，所述再循环的哌嗪物流包含进料到所述反应器中以形成所述粗制羟乙基哌嗪的再循环的哌嗪，并且按所述羟乙基哌嗪物流的总重量计，所述羟乙基哌嗪物流包含至少60wt％的羟乙基哌嗪。
2.根据权利要求1所述的工艺，其中添加到所述反应器中的环氧乙烷与纯净哌嗪的摩尔比大于1.01。
3.根据权利要求1或2所述的工艺，其中环氧乙烷与包含纯净哌嗪和再循环的哌嗪的总哌嗪的摩尔比为0.10到1.01。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的工艺，其中所述再循环的哌嗪包含30wt％到99wt％的哌嗪。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的工艺，其中所述蒸馏系统包含三个蒸馏塔，第一蒸馏塔接收来自所述反应器的所述粗制羟乙基哌嗪，第二蒸馏塔接收所述第一蒸馏塔的塔顶物流并将水与哌嗪分离，并且第三蒸馏塔接收来自所述第一蒸馏塔的塔底物流并将羟乙基哌嗪与二羟乙基哌嗪分离。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的工艺，其中所述蒸馏系统进一步产生二羟乙基哌嗪物流，按所述二羟乙基哌嗪物流的总重量计，所述二羟乙基哌嗪物流包含至少35wt％的二羟乙基哌嗪。
7.根据权利要求6所述的工艺，其中在所述蒸馏系统中，在将所述二羟乙基哌嗪物流和所述羟乙基哌嗪物流彼此分离之前，首先分离所述再循环的哌嗪物流。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的工艺，其中将用水稀释的所述再循环的哌嗪物流连续地直接进料到所述反应器中。
9.根据权利要求1到8中任一项所述的工艺，其中所述反应器是塞流式反应器。
10.一种根据权利要求1到9中任一项所述的工艺制备的羟乙基哌嗪产物。
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