CN1142820C - 混合物溶液的反应 - Google Patents

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Abstract

提供一种溶液与至少另一种化合物(9)反应的方法，该溶液含有至少两种彼此化学平衡的化合物的混合物。此方法包括如下步骤：用分离方法分馏溶液以得到至少两种馏分(5，6)，其富集了混合物中的不同化合物；馏分(5)和另一种或多种化合物(9)反应。用膜蒸发器(1)分馏是有利的。未反应的馏分(6)可以通过停留时间容器(3)循环回分馏步骤。此方法特别适用甲醛水溶液，其中溶液的各种组分(甲醛、亚甲基二二醇、聚氧亚甲基二醇)用不同方法反应。

Description

混合物溶液的反应
技术领域
本发明涉及一种溶液与至少另一种化合物反应的方法，该溶液含有彼此化学平衡的化合物的混合物。
背景技术
溶解形式的化学相关物质经常作为彼此化学平衡的化合物(组分)的混合物存在。一个工业中的重要例子是甲醛的水溶液。甲醛是化学工业中重要的C1结构单元；每年全世界产量约12百万公吨。甲醛是最有反应性的有机化合物之一，以20-55％浓度的水溶液出售，用于许多化学反应。甲醛水溶液含有甲醛、亚甲基二醇和至少具有两个亚甲基二醇单元的低聚物，即，聚氧亚甲基二醇组成的平衡混合物。所有这些组分，以有限的比率互变，这取决于例如pH和温度。因此，例如聚氧亚甲基二醇在升高的温度下降解为亚甲基二醇。
在工业反应器中的化学反应通常达不到100％选择性。但是，所需主要产物的选择性应能通过巧妙处理反应条件来控制。在使用甲醛合成的情况中，是由所使用的甲醛水溶液形式控制。因此，例如适当设定甲醛、亚甲基二醇和高聚氧亚甲基二醇的浓度可以使所需主要产物的选择性达到最佳。
借助pH，稀释和温度的适当选择，目前这种浓度的设定仅在一个狭窄的范围才有可能。同样情况也出现在其它许多含有彼此化学平衡的化合物的混合物的溶液中。
本发明的目的是提供这种溶液反应的方法，这种方法可以既定方式设定混合物的特定组分的浓度，从而可控制发生的化学反应的选择性。
在DE-A-19804916中已建议将此方法用于在酸性催化剂存在下的含聚氧亚甲基二醇和可能的单体甲醛和/或亚甲基二醇的甲醛溶液与苯胺的反应，此专利有早期优先权，但是没有早期公开。
发明内容
我们已经发现，通过使含有彼此化学平衡的至少两种化合物的混合物的溶液与至少另一种化合物反应可达到本发明的目的。该方法包括如下步骤：
a)用分离方法分馏溶液，得到至少两种馏分，其中与化学平衡时相比，混合物中不同化合物的浓度提高了；和
b)在化学平衡完全重新建立前，用一种馏分和另一种或多种化合物反应。
使用合适的分离方法能够使混合物中的某些组分的浓度以很宽的范围按照既定方式设定。有关组分的浓度与可以不良方式干扰反应过程的例如溶液的pH、稀释度或温度的参数无关。
为了确保已经富集馏分的所需组分还没有再转化成在反应前和这些组分是化学平衡的其它组分，使溶液分馏步骤和反应步骤之间的时间最好比在各个组分之间建立化学平衡的决定速度步骤的半衰期短。
分离方法最好包括至少一个步骤，在此步骤中溶液至少部分蒸发。蒸发后最好能接着至少部分冷凝。
当溶液是在适当溶剂中形成的低聚物的溶液时，本发明的方法尤其适用。
当溶液是含甲醛、亚甲基二醇和至少由两个亚甲基二醇单元组成的聚氧亚甲基二醇的甲醛水溶液时，本发明的方法特别有利地适用。
在反应中没有使用的馏分，在适当的进一步处理后，能用本发明的方法再一次处理。通过适当的措施，例如使用停留时间设备，使至少一种没有通过反应的馏分至少部分地重新建立平衡，然后此馏分返回到分离步骤，这样是特别有利的，例如为此溶液安置停留时间设备，在一种最简单的情况中，停留设备是停留时间容器，在此容器中馏分停留一段时间。
为了确保均匀和优秀的反应条件，从导入停留时间设备的馏分中除去溶剂是有利的。这可以在馏分通过停留时间设备之前或之后进行，或也可以在停留时间设备中进行。
为了使分馏步骤得到不同的馏分，可使用各种分离方法。在膜蒸发器中使用热分离方法进行分馏特别有利。由于许多控制的可能性，各种可能的操作模式和特殊结构特征，膜蒸发器尤其能使每个馏分中成分的浓度精确固定。此外，可设计出扩大或缩小生产规模都没有问题的膜蒸发器。因此，本发明的方法能不受规模影响，在许多应用中使用。
下面借助附图叙述本发明的具体方案。在附图中：
附图说明
图1使用本发明的方法的含有彼此化学平衡的化合物的混合物的溶液反应示意流程图，
图2表示一种膜蒸发器可能的实施方案，和
图3膜蒸发器的各种操作模式的概述。
具体实施方式
图1用示意图表明了，例如使用本发明方法的甲醛水溶液反应的流程图。含甲醛的原料溶液4，例如商购的20-55％浓度的甲醛溶液，通过进料管线加入。此溶液含有彼此化学平衡的多种成分：甲醛(HCHO)、由甲醛和水反应形成的亚甲基二醇(CH2(OH)2)和由亚甲基二醇缩合形成的聚氧亚甲基二醇(HO(CH2O)nH，n≥2)。
原料溶液4加到膜蒸发器1中，在此，它分馏得到所需馏分5和残留馏分6。所需馏分5以例如有一个特定的链长范围n的聚氧亚甲基二醇富集了。然后将所需馏分提供给反应器体系2，在此和其它的起始原料9反应形成产物10。
所需馏分5离开膜蒸发器的时间和在主反应器系统2反应的时间之间的时间间隔优选保持足够的短，使在这个时间间隔内，甲醛溶液(甲醛，亚甲基二醇和聚氧亚甲基二醇)的组分不能彼此进行可估计的相互转换。该时间间隔特别应该比在给出条件下溶液的各组分间建立化学平衡的决定速度步骤的半衰期短。因此，例如，在温度25℃时，离开膜蒸发器到反应之间的时间间隔应该少于300-2500秒；在温度为80℃时，应该少于2-10秒。
残留馏分6输送到停留时间容器3，在此馏分停留充分的时间，以使甲醛、亚甲基二醇和聚氧亚甲基二醇间至少部分地重新建立化学平衡。在实践中，在温度为50-100℃时，此时间是5-20分钟，同时在停留时间容器3用适合的方法(例如蒸馏或萃取)从溶液中除去水，以增加溶解的馏分的浓度。这由水排放流8表示。也可在不需要的馏分引入停留时间容器3前或溶液离开停留时间容器3后除去水。然后将产生的溶液7混入提供的原料4并再次进入膜蒸发器1。
图2表示了特别适用于本发明方法的膜蒸发器。这是一种薄膜蒸发器。由原料溶液4和可能的循环料流7组成的进料流首先进入液体分配器14。在蒸发表面13上分配原料溶液。此蒸发表面13(热传导表面)一般为圆柱形，但也可以能至少部分是圆锥形。按不同的应用，它可以由玻璃、不锈钢、陶瓷、石墨或合适的塑料制成。其与加热套15的内部热接触，热套用于给蒸发表面13供热。液体分配器14有助于在蒸发器表面13的圆周均匀的分配进料溶液。
然后旋转的刮片17进一步在蒸发器表面13分配溶液，其用于在蒸发器13表面保持和传送液体膜及有助于增加周边液体的热量和物质的传送。这些刮片17由动力装置19驱动。根据刮片17的刮动个体的结构和位置，可以保持液体膜很薄，也可以使液体膜增厚。这可以改变在膜蒸发器中溶液的停留时间或停留时间的分配。在膜蒸发器中一般溶液的停留时间是1秒到10分，优选2秒到2分钟。
通过加热介质进口20，将例如蒸汽的热介质加入到加热套中，它加热了蒸发器表面。冷却的热介质，例如在蒸汽作为热介质的情况下，冷凝水通过热介质出口21放出。
供应到蒸发器表面13的热将加入膜蒸发器中的部分溶液汽化，结果使溶液未蒸发部分的组成有所变化。此外，在蒸发器中，混合物组分可发生化学反应，这些化学反应与蒸发过程重叠，并使所需组分的产率增加。这些反应还可以取决于pH或/和溶剂浓度。这些参数可通过加入溶剂、酸或碱调节。
产生的蒸汽(即汽化的液体或气体)进入相分离区16并由此进到液滴沉淀器18，带入蒸汽的液滴在此从气相中除去并返回到液相(溶液)。浓缩物11用合适的方法从相分离区16排出。而蒸汽12从液滴沉淀器18排放出。蒸汽被引入冷凝器(没有表示出)，在此至少部分地冷凝为冷凝物。
当将甲醛水溶液引入所述膜蒸发器时，聚氧亚甲基二醇在液体11中积累，而来自蒸汽12的冷凝物贫聚氧亚甲基二醇而富甲醛和亚甲基二醇。得到两种馏分，也就是浓缩物11和来自蒸汽12的(部分)冷凝物，其已经选择性地富集了起始提供的原料溶液4的特定组分。
根据在主反应器体系2进行的反应，在图1所示的流程图中所需的馏分5可以是浓缩物11，也可以是(部分)冷凝物。相应地，根据应用，各种情况下的其它馏分通过停留时间容器3。
在一个具体的实施方案中，冷凝器可与蒸发器形成成一体，使蒸汽相中汽化馏分的停留时间较短和结构更紧凑。
膜蒸发器的适用的操作条件一般是温度为10℃-230℃，优选10℃-150℃，绝对压力0.5mbar-2bar。对于甲醛水溶液的分馏，优选在大气压下，温度为20℃-100℃。
除了在图2表示的膜蒸发器的具体实施方案，也可以使用在蒸发器表面没有液体膜机械干扰的设备。这些降膜蒸发器或降汽蒸发器的热传输表面可以是管式或板式构型。
根据特殊工艺的需要，膜蒸发器可以使用在各种操作模式中。图3表示的是可能操作的各种模式的概述。在此，膜蒸发器表示为22，蒸汽分离器(即，有液滴分离器的相分离区)表示为23。膜蒸发器22和蒸汽分离器23和图2示出的特殊结构有区别，和图2比较，还有另外的进口和出口。V1，V2和V3是指气态物流，所有其它物流通常是液态的。V1，V2，V3，B1和B2中每个物流可被分别排放或作为所需馏分在混合后(如果适合，在冷凝后)在主反应系统进行反应。
操作膜蒸发器22，使液体料一次通过或离开的未蒸发液体循环。在机械方面，循环模式操作需要U回路。其可以是直接的，也可经停留时间容器。回路U不和图1的环流7混淆，它与膜蒸发器的操作模式无关。
下表说明了用于各种可能操作模式的反应性料流。
 F1  F2  B1  B2  V1  V2  V3   U
单程，蒸汽和液体逆流   X  X  X
单程，蒸汽和液体并流   X  X   X
循环模式，原料流加入循环，蒸汽和液体并流   X   X   X   X
循环模式，原料流加入循环，蒸汽和液体逆流   X   X  X   X
循环模式，原料流加入蒸汽分离器，蒸汽和液体并流   X  (X)   X   X   (X)   X
循环模式，原料流加入蒸汽分离器，蒸汽和液体逆流   X   X  X   (X)   X
在本发明的各种方法中，从图1中看出，膜蒸发器本身成为主反应器2。在这种情况中，在膜蒸发器的适当位置加入至少另一种起始料9后，反应就地在膜蒸发器中进行。这使整个反应器体系可能具有非常紧凑的结构，并可使在分馏和反应之间所需馏分的传送时间最小。
使用膜蒸发器，特别是图2所示的薄膜蒸发器，分馏原料溶液4以得到馏分5和6，不仅操作简单和可靠，而且还有一系列其它优点。因此，膜蒸发器可以构建成各种尺寸，用于各种不同的物料通过量。膜蒸发器能和少于0.5kg/h容量的微型反应器结合操作，也可以和高达30公吨/h容量的大型反应器结合操作。因此，本发明的方法特别灵活，从医药领域直到大吨位产物的专业都可使用。就达到物料的分离效果和得到的产物的产量所需设备尺寸而言，规模扩大或缩小都没有问题。
所述方法能用于多种应用。当反应的选择性取决于与其它组分的浓度相比原料溶液中特定组分的浓度时，使用此方法很有利。
形成主产物的选择性可被例如平行反应降低，这由于主反应和副反应的速率对温度和浓度的不同的依赖性：
HCHO，亚甲基二醇  +A    →  主产物
                  +A    →  副产物
如果，例如A是甲基化的胺，从开始就存在高浓度的游离HCHO和/或亚甲基二醇是动力学上有益的。在这种情况下，副产物是例如冷凝产物。如果冷凝产物是主产物，使用较高含量的聚氧亚甲基二醇替代HCHO和/或亚甲基二醇是有益的。
选择性也可被随后的主产物的反应降低：
HCHO，亚甲基二醇  +A      →  主产物
HCHO，亚甲基二醇  +主产物 →  副产物
在此，重要的是在开始使用用高浓度HCHO或亚甲基二醇。例如用此方法可有利地制备醛和甲醛反应中间体。
如果化学反应和混合过程是重叠的，为了主产物的选择性最佳，设定HCHO，亚甲基二醇和高聚氧亚甲基二醇的浓度同样也是重要的。
能使用本发明方法反应的实施例如下；乙炔和甲醛水溶液的雷帕反应得到丁炔二醇，然后氢化得到丁二醇。用醛醇反应，甲醛自身或和高级醛反应，形成多羟基醇，诸如糖、季戊四醇、三羟甲基丙烷和新戊二醇。也可从甲醛水溶液和CO制备乙醇酸。螯合物，诸如乙醇腈是用甲醛水溶液制备的。在Prins反应中，甲醛水溶液和烯烃反应，制备α-羟甲基化合物。
重要的缩合反应是甲醛水溶液和诸如苯胺或甲苯胺的胺得到席夫碱的反应，其它的反应得到诸如甲基二苯二胺的二苯基甲烷衍生物。甲醛和羟胺的反应得到肟。甲醛水溶液和二醇反应形成环醚，例如从乙二醇和甲醛得到二恶烷。
上述例子不是详尽的。有机化学教科书和工业化学提供了其它反应的例子。但是该列表打算说明甲醛作为合成结构单元在有机化学的所有领域中的工业重要性。它可用于医药或农作物保护领域的小吨位中间体，例如肟类，也可用于诸如二苯基甲烷衍生物的大吨位产物。
在此详细叙述的用于甲醛水溶液的方法也可以类似方式有利地用于其它含有组分彼此化学平衡的混合物的溶液。特别用于溶解物质是形成低聚物的物质的溶液。
这种溶液的实例是：
-烷基硫醇在硫中的溶液，例如含有甲硫醚、二硫化二甲基、三硫化二甲基等等的甲硫醇溶液，
-来自缩合反应的低聚物混合物溶液。

Claims (8)

1.一种溶液与至少另一种化合物(9)反应的方法，该溶液含有至少两种彼此化学平衡的化合物的混合物，除了含聚氧亚甲基二醇和任选的单体甲醛和/或亚甲基二醇的甲醛溶液与苯胺在酸催化剂存在下反应外，该方法包括如下步骤：
(a)用分离方法分馏溶液以得到至少两种馏分(5，6)，其中与化学平衡时的浓度相比，混合物中不同的化合物的浓度提高了；和
(b)在完全重新建立化学平衡前，用一种馏分(5)和另一种化合物(9)或多种化合物反应。
2.按照权利要求1的方法，其中分离方法包括至少一个步骤，其中溶液至少被部分蒸发。
3.按照权利要求2的方法，其中分离方法包括至少一个步骤，其中蒸发后接着至少部分地冷凝。
4.按照权利要求1的方法，其中溶液是在适当溶剂中形成低聚物的溶液。
5.按照权利要求4的方法，其中溶液是含甲醛、亚甲基二醇和聚氧亚甲基二醇的甲醛水溶液。
6.按照权利要求1的方法，其中没有通过反应的至少一种馏分至少部分地重新建立化学平衡，然后将这种馏分再次提供给分离步骤。
7.按照权利要求6的方法，其中重新建立化学平衡在停留时间设备(3)中进行，并且从加入停留时间设备(3)的馏分(6)中将溶剂除去。
8.按照权利要求1-7任一项的方法，其中将膜蒸发器用于分馏。
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