DD288377A5 - Verfahren zur gewinnung von reinem trimethylolpropan - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von reinem Trimethylolpropan, eines volkswirtschaftlich wichtigen Zwischenproduktes fuer Alkydharze und Polyurethane, durch Kristallisieren aus Loesungen der Syntheseprodukte in Acetonitril allein oder mit Zusatz von Methylenchlorid bei Temperaturen unterhalb 40C. Das erfindungsgemaesze Verfahren hat zum Ziel, aus dem Syntheseprodukt reines Trimethylolpropan in hoher Ausbeute abzutrennen, Verluste durch Zersetzung und Umsetzung zu vermeiden und den Aufwand fuer die Aufarbeitungsoperationen des Syntheseproduktes zu vermindern.{Trimethylolpropan; Reinigung; Kristallisation; Acetonitril; Methylenchlorid; Loesungsmittel; Nebenprodukte}
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von reinem Trimethylolpropan als Feststoff aus Produkten seiner Synthese aus n-Butyraldehyd und Formaldehyd in Gegenwart von Basen oder aus durch Fraktionierung aus solchen Syntheseprodukten hervorgegangenen Gemischen mit geringen Wasser-, Salz- und Formaldehydgehalten.
Trimethylolpropan ist ein volkswirtschaftlich wichtiges Zwischenprodukt für die Herstellung von Alkydharzen und Polyurethanen, an dessen Reinheit meist hohe Anforderungen gestellt werden.
Es ist bekannt, Trimethylolpropan aus den Produktgemischen seiner Synthese nach der weitgehenden Entfernung von Wasser, Salzen und Formaldehyd durch Destillation unter vermindertem Druck zu isolieren (z. B. DE-OS 1052383, DE-OS 1493048). Die Einsatzprodukte zur destillativen Fraktionierung sind Gemische von Trimethylolpropan mit leichter und schwerer als das Zielprodukt flüchtigen Nebenprodukten, von denen einige nur geringe Flüchtigkeitsunterschiede zum Zielprodukt aufweisen. Das bedingt einen beträchtlichen technischen Aufwand, um die für hinreichend reine Erzeugnisse ausreichende Trennleistung aufzubringen, meist Verdampfung und Kondensation in mehrstufiger Apparatefolge.
Bei den zur technischen Destillation erforderlichen Temperaturen um 200°C unterliegen Trimethylolpropan und in noch stärkerem Maße einige Nebenprodukte bereits einer Zersetzung, die insbesondere von Basen und Salzen katalysiert wird. Dazu tragen die synthesebedingten Alkalimetall- oder Erdalkalimetallsalze schon bei Restgehalten um 0,1 % bei. Insbesondere die Zersetzungsprodukte Formaldehyd' und Ethylacrolein reagieren unter den Bedingungen der Destillation mit Trimethylolpropan und verursachen so weitere Verluste.
Es bedarf eines erheblichen Aufwandes, um Salze vollständig aus den Einsatzprodukten zur Destillation zu entfernen (z. B. DE-AS 11667513) oder ihre schädliche Wirkung herabzusetzen (z. B. DE-PS 1020012, DE-AS 1056595). Es sind Verfahren bekannt, durch Extraktion oder Gegenstromverteilung Trimethylolpropan von Nebenprodukten zu befreien oder eine zur nachfolgenden Destillation erwünschte Reinheit zu erreichen (z. B. DE-AS 1031298). Ein hoher Aufwand an Hilfsstoffen und Apparaten sowie Energio zum Eindampfen der Extrakte und zur Rückgewinnung der Lösungsmittel ist mit solchen Verfahren unvermeidlich verbunden.
Ziel der Erfindung
Ziel der Erfindung ist ein Verfahren, reiniss Trimethylolpropan in hoher Ausbeute aus den Produkten seiner Synthese zu gewinnen, ohne diese Produkte einer höheren Temperatur auszusetzen oder Zersetzung oder Umsetzung von Anteilen des Zielproduktes herbeizuführen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Gewinnung von reinem Trimethylolpropan mit deutlich geringerem Aufwand an Apparaten, Energie und Hilfsstoffen, als es beim bekannten Stand der Technik erforderlich ist.
Es bestand die Aufgabe, Trimethylolpropan aus seinem Syntheseprodukt in hoher Reinheit und mit hoher Ausbeute zu gewinnen, dabei höhere Temperaturen und chemische Reaktionen des Trimethylolpropans zu vermeiden und den Aufwand an Energie, technischer Ausrüstung und zusätzlich erforderlichen Stoffen gegenüber den bekannten Verfahren zu verringern.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Gewinnung von reinem Trimethylolpropan aus trimethylolpropanhaltigen Produktgemischen, wie sie bei der Synthese aus n-Butyraldehyd und Formaldehyd in Gegenwart von Basen entstehen, nach weitgehender Abtrennung von Wasser, Salzen und Formaldehyd, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die trimethylolpropanhaltigen Produkte bei Temperaturen von 40 bis 80°C in Acetonitril gelöst, die erhaltene Lösung gegebenenfalls unter Zusatz von Methylenchlorid auf Temperaturen unterhalb von 40°C eingestellt und das auskristallisierte Trimethylolpropan abgetrennt wird.
Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind zunächst Lösungen der Einsatzprodukte in Acetonitril herzustellen. Da dieses Lösungsmittel die bei der Synthese zwangsläufig anfallenden Salze nicht löst, fallen gegebenenfalls vom Einsatzprodukt mitgeführto Salzanteile aus und können abgetrennt werden.
Acetonitril ist für die Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren auch dadurch ausgezeichnet, daß es mit Wasser und Methanol niedrigsiedende Azeotrope bildet, so daß gegebenenfalls diese die Kristallisation störenden Komponenten durch Eindampfen nach Zugabe von Acetonitril abgetrieben werden können.
Acetonitril hat ein gutes Lösungsvermögen für die typischen Nebenprodukte der Trimethylolpropansynthese. Die Löslichkeit von reinem Trimethylolpropan in Acetonitril ist wesentlich geringer und nimmt mit sinkender Temperatur ab. Flüssige trimethylolpropanhaltige Gemische sind mit Acetonitril in jedem Verhältnis mischbar.
Zur Herstellung der Lösung empfiehlt sich, das Gemisch aus Einsatzprodukt und Acetonitril zunächst auf 50 bis 6O0C zu erwärmen.
Die erwähnte gegebenenfalls erforderliche Abtrennung ausfallender Verunreinigungen kann aus dieser warmen Lösung vorgenommen werden; eine gegebenenfalls erforderliche partielle Verdampfung zur Entfernung von Wasser und Methanol erfolgt anschließend bei vermindertem Druck. Zur Abscheidung des kristallinen Trimethylolpropans ist die Temperatur auf weniger als 4O0C zu erniedrigen. Vorzugsweise ist ein Temperaturbereich von O0C bis 100C einzustellen. Dieser Vorzugsbereich ermöglicht zusammen mit dem Vorzugsbereich der Konzentration des Syntheseproduktes die Abscheidung von 70 bis 90% des gelösten Trimethylolpropans als Feststoff.
Durch Zusatz von Methylenchlorid kann insbesondere in Gegenwart typischer Nebenprodukte der Synthese dio Ausbeute an reinem Trimethylolpropan erhöht werden. Je Teil Acetonitril können dabei bis zu 10 Teile, vorzugsweise 1 bis 5 Teile, Methylenchlorid eingesetzt werden. Die Einhaltung des angegebenen Vorzugsbereiches ist sowohl für die Reinheit als auch für die Ausbeute an reinem Trimethylolpropan von Bedeutung. Die Abkühlung der Acetonitrillösung und gegebenenfalls die Zugabe von Methylenchlorid sollten stetig und mit ausreichender Vermischung vorgenommen werden. Das Impfen mit !einteiligem kristallinem Trimethylolpropan beugt einer verzögerten Kristallisation und Krustenbildung an Apparateteilen vor.
Die Beispiele der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geben zugleich die erfahrungsgemäß günstigsten Abläufe wieder.
Technisch ist die Abkühlung der Lösung zur Kristallisation durch Verdampfung eines Teils des Lösungsmittels unter vermindertem Druck eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Zum Beispiel kann die Krustonbildung dadurch wirksam eingeschränkt und die spezifische Leistungsfähigkeit der Apparate bedeutend erhöht werden.
Die Ausführungsformen des erfindunge gemäßen Verfahrens können an die geforderte Reinheit und Qualität oder die Korngröße des als Feststoff ausfallenden Trimethylolpropans oder an die verfügbaren Apparate angepaßt werden. So kann zum Beispiel eine Ausführungsform ökonomisch besonders vorteilhaft sein, bei der zunächst das Acetonitril allein hochreines Trimethylolpropan in größeren, rieselfähigen Kristallen gewonnen wird, um dann anschließend aus der gegebenenfalls durch Verdampfen von Acetonitril eingeengten Mutterlauge durch Zusatz von Methylenchlorid den größten Teil des restlichen Trimethylolpropans in weniger reiner fester Form abzutrennen, der dann in die Stufe der Kristallisation aus Acetonitril allein zurückgeführt wird.
Die Solventien Acetonitril und Methylenchlorid zeichnen sich technisch und ökonomisch dadurch aus, daß sie bei Normaldruck Siedetemperaturen von 81,S bzw. 40°C aufweisen und bei verhältnismäßig geringen Verdampfungswärmen mit geringem Energieaufwand und mit Energie geringeren Preises verdampft und zur Wiederverwendung im Kreislauf destillativ gereinigt werden können. In einem solchen Kreislauf als Lösungsmittel für Syntheseprodukte vor der Trimethylolpropankristallisation wiedergewonnenes Acetonitril darf ohne Beeinträchtigung des erfindungsgemäßen Verfahrens bis zu 0,1 kg/kg Methylenchlorid enthalten.
Die Kristallisation von Trimethylolpropan wird durch Verunreinigungen, die Hydroxylgruppen tragen, besonders wirksam beeinträchtigt. Dazu gehören Nebenprodukte der Synthese, die selbst nicht kristallisieren. Es empfiehlt sich, im Einsatzprodukt folgende Merkmale einzustellen:
Formaldehydgehalt höchstens 0,02kg/kg (nach gaschromatographischer Analyse) Wasser und einwertige Alkohole zusammen höchstens 0,02 kg/kg; Verseifungszahl höchstens 10mg KOH/g Einsatzprodukt.
Bei Einhaltung dieser Bedingungen gestattet das erflndungsgemäße Verfahren die Gewinnung von reinem Trimethylolpropan vorteilhafter als die bekannten Verfahren des Standes der Technik.
Die genannten Kriterien sind gleichzeitig auch Mindestforderungen für die Gewinnung von reinem Trimethylolpropan durch Destillation und stellen damit keine ungewöhnlichen Ansprüche dar.
Bei der Gewinnung von Trimethylolpropan aus seinem Syntheseprodukt oder aus Fraktionen des Syntheseproduktes wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
- kristallines Trimethylolpropan beliebig hoher Reinheit erzeugt;
- werden bei der Trennung des Trimethylolpropans von Nebenprodukten und anderen herstellungsbedingten Verunreinigungen hohe Ausbeuten an Trimethylolpropan erreicht;
- werden zuverlässig Nebenprodukte und Verunreinigungen mit einer dem Zielprodukt nahekommenden Flüchtigkeit abgetrennt;
- werden zuverlässig Nebenprodukte und Verunreinigungen abgetrennt, die schon in kleinen Konzentrationen die Qualität des Trimethylolpropans nachteilig beeinflussen (z.B. die Farbzahl).
- thermische Belastung und Verluste oder Verunreinigung des Zielproduktes durch chemische Umsetzungen;
- hohen Aufwand für technische Ausrüstung und Energiebereitstellung;
- Kosten und technische Ausrüstung für zusätzliche Maßnahmen zur Entfernung oder Inhibierung von Verunreinigungen, die Zersetzung und Umsetzung von Trimethylolpropan fördern.
127g eines Produktgemisches, das aus n-Butyraldehyd und Formaldehyd in Gegenwart von Calciumhydroxid nach Eindampfender wäßrigen Lösung, Abtreiben des nichtumgesetiten Formaldehyds, Abtrennung des aus seiner Acetonitrillösungausfallenden Calciumformiats und Eindampfen erhalten wurde, dessen Formaldehydgehalt 0,002 kg/kg, dessen Methanolgehalt0,004kg/kg, dessen Wassergehalt 0,008kg/kg und dessen Verseifungszahl 5mg KOH/g betrug, wurden bei 6O0C in 184g
mit 1 g kristallinem Trimethylolpropan geimpft und unter Rühren innerhalb von 20 Minuten auf +50C gekühlt.
der Feststoff im Stickstoffstrom getrocknet.
0,993kg/kg hatte. Das sind nach Abzug der Impfzugabe über 81 V< des Trimethylolpropans im Einsatzprodukt. Die Differential-
und 0,176kg/kg gaschromatographisch nicht nachweisbaren nicht oder schwerer flüchtigen Verunreinigungen und einer
105g eines Produktgemisches analog Beispiel 1 mit 0,011 kg/kg Formaldehyd, 0,004kg/kg Methanol, 0,01 kg/kg Wasser und einer Verseifungszahl von 3,8 mg KOH/g wurden bei 60°C in 100g Acetonitril gelöst. Aus der trüben Lösung wurde 1 g Calciumsalze abfiltriert. Das Filtrat wurde auf 155g eingedampft, nach Abkühlen auf 250C mit 1 g zerriebenem kristallinem Trimethylolpropan versetzt und unter Rühren innerhalb von 15 Minuten auf +50C gekühlt. Dann wurden im Laufe weiterer 15 Minuten 210g Methylenchlorid zugesetzt und weitere 40 Minuten bei Temperaturen im Bereich +3 bis +70C gerührt. Nach Filtration über ein Druckfilter und dreimaligem Waschen mit je 40g eines Gemisches aus einem Teil Acetonitril und zwei Teilen Methylenchlorid wurden 81 g kristalline Fraktion (80g aus dem Einsatzgut) ausgewogen. Es enthielt nach gaschromatographischer Analyse 0,967 kg/kg Trimethylolpropan, 0,002 kg/kg Dimethylolpropan, je 0,001 kg/kg Methanol, Acetonitril und Methylenchlorid, 0,01 Kg/kg Wasser, 0,004 kg/kg Formaldehyd und 0,01 kg/kg gaschromatographisch nicht nachweisbare Verunreinigungen. Seine Verseifungszahl betrug 1,1 mg KOH/g.
Die eingedampften Filtrate ergaben 20g Mutterlaugenrückstand mit 0,430kg/kg Trimethylolpropan, 0,018kg/kg Formaldehyd, 0,049;<g/kg Dimethylolpropan, 0,06kg/kg anderen gaschromatographisch nachweisbaren und 0,35kg/kg gaschromatographisch nicht nachweisbaren, schwerflüchtigen Verbindungen. Seine Verseifungszahl betrug 16mg KOH/g. Die kristalline Fraktion enthielt 90% des Trimethylolpropans aus dem Einsatzprodukt.
Zwei in Reihe geschaltete Kristallisatoren, Kristallisator 1 und Kristallisator 2, sind jeweils ein Rührbehälter zur Produktmischung und eine Filterzentrifuge zur Trennung von Kristallisat und Mutterlauge zugeordnet, wobei auf der dem Kristallisator 2 nachgeordneten Zentrifuge das Kristallisat gewaschen wird, bevor os einem Trockner zugeführt wird.
1950kg je Stunde konzentriertes, trimethylolpropanhaltiges Syntheseprodukt, analog den Einsatzprodukten in Beispiel 1 und 2, mit 0,846kg/kg Trimethylolpropan werden mit 3888kg je Stunde eines Gemisches aus Mutterlauge und Waschfiltrat sowie mit 960 kg je Stunde Acetonitril im Rührbehälter vermischt. Diese Mischung wird mit einer Temperatur von 40"C kontinuierlich in den Kristallisator 1 eingespeist, in dem bei einer mittleren Verweilzeit von etwa 2 Stunden und einer Temperatur von O0C1715 kg je Stunde festes Trimethylolpropan abgeschieden werden. Die Abkühlung der Einsatzmischung von 4O0C auf O0C und die Abführung der Kristallisationswärme erfolgt durch Verdampfen von etwa 1080kg je Stunde Acetonitril im Vakuum bei einem Druck von 4,66 kPa.
Unter Einhaltung eines aus der mittleren Verweilzeit im Kristallisator 1 abgeleiteten Füllstandes wird ständig Suspension aus dem Kristallisator 1 entnommen und mittels der nachgeordneten Zentrifuge die Mutterlauge vom Feststoff getrennt. Dabei werden Restfeuchten im Filterkuchen von 0,20kg/kg erreicht. Als Mutterlauge fallen stündlich 3335kg mit einem Gehalt von 0.013kg/kg Trimethylolpropan und 0,086kg/kg Nebenprodukten aus der Trimethylolpropansynthese an. Aus der Mutterlauge wird das Lösungsmittel zurückgewonnen, bevor die organischen Rückstände verworfen werden. Der feuchte Feststoff fällt aus der Zentrifuge in einen Rührbehälter und wird dort erneut in 3072kg je Stunde Acetonitril gelöst. Die Lösung wird kontinuierlich
mit 3O0C in den Kristallisator 2 eingespeist, in dem nach etwa 2 Stunden mittlerer Verweilzeit und 1O0C1615kg je Stunde Trimethylolpropan als Feststoff abgeschieden werden. Die Kühlung der Einsatzmischung von 300C auf 100C und die Abführung der Kristallisationswärme erfolgt unter ähnlichen Bedingungen wie im Kristallisator 1 durch Verdampfen von 571 kg Acetonitril im Vakuum bei einem Druck von 7,6kPa.
Unter Einhaltung eines aus der mittleren Verweilzeit abgeleiteten Füllstandes wird ständig Kristallsuspension aus dem Kristallisator 2 abgezogen und der nachgeordneten Zentrifuge zugeleitet. Der abgetrennte Feststoff enthält noch 0,20 kg Mutterlauge als Restfeucht*, die mit 1000 kg je Stunde Acetonitril weitgehend ausgewaschen wird. Die Mutterlauge und das Waschfiltrat, zusammen 3838 kg je Stunde, mit einem Gehalt von 0,031 kg/kg Trimethylolpropan, werden in den dem Kristallisator 1 vorgelagerten Rührbehälter eingnleitet und zusammen mit Einsatzprodukt und weiteren Mengen Acetonitril dem Kristallisator 1 wieder zugeführt. Aus der Zentrifuge) fällt der gewaschene Feststoff in einen Trockner, in dem restliche Lösungsmittelanteile abgetrennt werden. Als Endprodukt erhält man 1620 kg je Stunde reines Trimethylolpropan in fester Form mit einem Trimethylolpropangehalt von mindestens 0,99kg/k(j. Die im Endprodukt enthaltene Masse Trimethylolpropan entspricht 97,1 % der im Einsatzprodukt enthäuten Masse Trimethylolpropan.
80g des Produktgemisches, dessen Herstellung und Zusammensetzung im Beispiel 1 angegeben worden ist, wurden mit 20g
gekühlt. Nach weiteren 30 Minuten wurde der Kristallbrei über ein Druckfilter filtriert, dreimal mit je 20g auf O0C gekühltem
und damit 89% des im Ein satzprodukt enthaltenen Trimethylolpropans ausmachte.
50g des Produktgemische*, dessen Herstellung und Zusammensetzung im Beispiel 1 angegeben worden ist, wurden bei 6O0C in 200g Acetonitril gelöst, über ein Druckfilter filtriert, auf O0C gekühlt, mit 0,5g kristallinem Trimethylolpropan versetzt und eine Stunde bei Temperaturen zwischen +3 und +70C gerührt. Nach Druckfiltration wurde zweimal mit je 10g auf 00C gekühltem Acetonitril gewaschen und im Stickstoffstrom getrocknet. Das erhaltene Produkt hatte Korngrößen im Bereich von 0,15 bis 0,5mm und nach gaschromatographischer Analyse einen Gehalt von 0,997kg/kg Trimethylolpropan. Mit 32g entspricht die Ausbeute 69% des Trimethylolpropans im Einsatzgut.
Beispiel β
50g des Produktgemisches, dessen Zusammensetzung im Beispiel 2 angegeben worden ist, wurden bei 6O0C in 50g Acetonitril gelöst und warm über ein Druckfilter filtriert. Das Filtrat wurde auf +50C gekühlt, mit 0,5g kristallinem Trimethylolpropan und danach unter Rühren im Laufe von 45 Minuten mit 500g Methylenchlorid versetzt. Dann wurde über ein Druckfilter filtriert uid zweimal mit je 20g Methylenchlorid gewaschen. Es wurden 40g kristallines Produkt ausgewogen, dessen Trimethylolpropangehalt 0,964 kg/kg betrug. Damit waren 90% des im Einsatzgut enthaltenen Trimethylolpropans in der kristallinen Fraktion enthalten.
Claims (6)
1. Verfahren zur Gewinnung von reinem Trimethylolpropan aus trimethylolpropanhaltigen Produktgemischen, wie sie bei der Synthese aus n-Butyraldehyd und Formaldehyd in Gegenwart von Basen entstehen, nach weitgehender Abtrennung von Wasser, Salzen und Formaldehyd, dadurch gekennzeichnet, daß die trimethylolpropanhaltigen Produkte bei Temperaturen von 4O0C bis 8O0C in Acetonitril gelöst, die erhaltene Lösung, gegebenenfalls unter Zusatz von Methylenchlorid auf Temperaturen unterhalb von 400C eingestellt und das auskristallisierte Trimethylolpropan abgetrennt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Lösungen aus trimethylolpropanhaltigem Produkt in Acetonitril eingesetzt werden, die 0,20 bis 0,80 kg/kg Acetonitril enthalten.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die trimethylolpropanhaltigen Produkte in methylenchloridhaltigem Acetonitril gelöst werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallisation aus Gemischen von Acetonitril und Methylenchlorid erfolgt, die bis zu 10 Teile Methylenchlorid auf einen Teil Acetonitril enthalten, vorzugsweise 1 bis 5 Teile Methylenchlorid auf 1 Teil Acetonitril.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung zur Kristallisation des Trimethylolpropans bevorzugt auf Temperaturen von 00C bis 1O0C eingestellt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lösung die erforderliche Wärmemenge durch Verdampfung von Acetonitril und/oder Methylenchlorid entzogen wird.
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