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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer
Trimellithsäure
durch Oxidieren von aromatischem Dialkylaldehyd und/oder seinem
Oxidderivat in einer Flüssigkeitsphase,
und ein Verfahren zur Herstellung von Trimellithsäureanhydrid
mit hoher Qualität
aus der Trimellithsäure.
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Herkömmlicherweise
wurde aromatische Polycarbonsäure
durch die Oxidation von Polyalkylbenzol hergestellt, und Trimellithsäure aus
Pseudocumen, Trimesinsäure
aus Mesitylen, Pyromellitsäure aus
Duren und Mellophansäure
aus Isoduren sind bekannt. Zum Beispiel offenbart die JP-A-6-16655 ein
Verfahren zur Herstellung von Trimellithsäure durch Oxidieren von Pseudocumen
in einer flüssigen Phase,
in der die Oxidation in Gegenwart von Cer, Cobalt und Mangan und
gegebenenfalls in gleichzeitiger Anwesenheit von Zirconium und einem
Bromkatalysator durchgeführt
wird, und man lässt
Cer und Brom in einem zweiten Oxidationsschritt mittels eines satzweisen
Verfahrens reagieren. Da das obige Katalysatorsystem kompliziert
ist, und ferner, da das Reaktionsverfahren kompliziert ist, ist
es jedoch schwierig, die Katalysatoren zurückzugewinnen und zu recyceln.
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Bei
der Oxidation von Alkylbenzolen zu entsprechenden aromatischen Polycarbonsäuren unterscheiden
sich die Alkylbenzole voneinander in der Reaktivität in Abhängigkeit
von der Position einer substituierten Methylgruppe. Trimellithsäure oder
Pyromellitsäure,
welche aus Pseudocumen oder Duren gebildet werden, haben eine Struktur,
in welcher eine Carbonsäure
in o-Position zu der anderen positioniert ist, und deshalb wird
ein Schwermetallkatalysator in der Aktivität gesenkt, und die Ausbeute
aus der Oxidation nimmt im Vergleich mit Polymethylbenzol mit einer
solchen Struktur ab. Verschiedene Vorschläge sind zur Verbesserung eines
katalytischen Systems gemacht worden. Ausbeuten von der Oxidation
werden verbessert, wohingegen es schwierig ist, Katalysatoren zurückzugewinnen
und zu recyceln, da das Katalysatorsystem kompliziert ist.
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Auf
der anderen Seite ist es bekannt, dass ein aromatischer Aldehyd
gebildet wird durch Umwandeln eines aromatischen Kohlenwasserstoffs
zu einer Formylverbindung und als ein Rohmaterial zur Herstellung
einer aromatischen Polycarbonsäure verwendet
wird. Zum Beispiel offenbart die JP-B-58-2222 ein Verfahren, bei
dem ein aromatischer Aldehyd in einem Wasserlösungsmittel oxidiert wird,
um kontinuierlich eine aromatische Polycarbonsäure herzustellen. Dieses Verfahren
erfordert ein spezielles Reaktormaterial, das aus Zirconium aufgrund
einer hohen Bromkonzentration gebildet wird.
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Ferner
beschreibt die JP-A-57-38745 ein Verfahren, bei dem ein aromatischer
Polyalkylaldehyd in Gegenwart von Cobalt, Mangan und Brom in einem
Essigsäurelösungsmittel
oxidiert wird, um eine aromatische Polycarbonsäure herzustellen.
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Die
Kunststoffindustrie verwendet Trimellithsäure als ein Intermediat für die Synthese
eines Harzes oder eines Weichmachers. In vielen Fällen wird Trimellithsäure zu Trimellithsäureanhydrid
durch Dehydratisierung umgewandelt, und insbesondere wird sie als
ein Intermediat zur Herstellung eines Polyesters verwendet. Es ist
deshalb in starkem Maße
erwünscht,
eine günstige
Trimellithsäure
zu liefern.
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Die
Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben die Herstellung von Trimellithsäure durch
Oxidieren eines aromatischen Dialkylaldehyds in Gegenwart von Cobalt,
Mangan und Brom in einem Essigsäurelösungsmittel
gemäß dem Verfahren
der obigen JP-A-57-38745 untersucht, und es wurde das Folgende gefunden.
Es ist schwierig, die Katalysatoren aufgrund eines hohen Metallgehalts
in einem Kristall rückzugewinnen
und zu recyceln, und es ist ebenfalls erforderlich, Verbesserung
im Hinblick auf die Ausbeuten hinzuzusetzen.
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Es
ist eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zur Herstellung von Trimellithsäure
bereitzustellen, welches kein spezielles Reaktormaterial für das kontinuierliche
Oxidieren eines aromatischen Dialkylaldehyds und/oder seinem Oxidderivat
erfordert, welches das Rezyklieren eines Katalysators ermöglicht und
welches zu hohen Ausbeuten fuhrt.
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Bei
einem Verfahren unter Verwendung eines Katalysatorsystems aus Cobalt,
Mangan und Brom wie bei der JP-A-57-38745 ist es erwünscht, die
Reaktionsrate und die Ausbeute zu verbessern.
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Es
ist eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zur kontinuierlichen und vorteilhaften Herstellung von Trimellithsäure aus
einem aromatischen Dialkylaldehyd und/oder seinem Oxidderivat als
Rohmaterial in Gegenwart eines hoch aktiven Katalysators, der anstelle
des Katalysatorsystems aus Cobalt, Mangan und Brom entwickelt wurde,
bereitzustellen.
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Trimellithsäure ist
eine aromatische dreiwertige Säure
und ist essenziell als ein Rohmaterial für einen Weichmacher mit hoher
Güteklasse
und einen wärmebeständigen Kunststoff.
Ein Weichmacher oder ein Kunststoff erfordert ein weniger verfärbtes Trimellithsäureanhydrid
mit hoher Reinheit als ein Rohmaterial dafür.
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Wie
in der JP-B-58-2222 und der JP-A-61-280448 beschrieben, wird Trimellithsäureanhydrid
aus roher Trimellithsäure,
die durch Oxidieren von Pseudocumen, Dimethylbenzaldehyd oder seinen
Oxidintermediat mit molekularem Sauerstoff in Gegenwart von Bromidion
oder in Gegenwart von Bromidion und Schwermetallionen als einen
Katalysator erhalten wurde, hergestellt.
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Trimellithsäureanhydrid
wird durch thermisches Dehydratisieren von roher Trimellithsäure bei 220
bis 230 °C
und Destillieren des resultierenden Trimellithsäureanhydrids unter reduziertem
Druck hergestellt, wie es in der Ullman-Literatur beschrieben ist
("Encyclopedia of
Industrial Chemistry",
4. Ausgabe, Band 9, Seite 150).
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Gleichwohl
ist das durch das obige Verfahren hergestellte Trimellithsäureanhydrid
nicht notwendigerweise befriedigend bezüglich des Farbtons und der
Reinheit, und es ist in den letzten Jahren wünschenswert, Trimellithsäureanhydrid
mit höherer Qualität als ein
Rohmaterial für
Weichmacher mit hoher Güteklasse
oder wärmebeständigen Kunststoffen
zur Verfügung
zu stellen.
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Die
JP-B-47-35421 beschreibt ein Verfahren, bei dem Trimellithsäure mit
Borsäure
behandelt wird. Ferner offenbart für eine Verbesserung dieses
Verfahrens die japanische PCT-Veröffentlichung
Nr. 4-501271 ein Verfahren, bei dem mindestens 0,1 Gew.-% Bor zu
Trimellithsäureanhydrid
hinzugefügt wird,
wobei die Mischung thermisch behandelt wird und das behandelte Trimellithsäureanhydrid
zur Verbesserung seines Farbtons destilliert wird.
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Gleichwohl
ist das durch das obige Verfahren hergestellte Trimellithsäureanhydrid
immer noch nicht notwendigerweise befriedigend im Farbton und in
der Reinheit, und es ist weiterhin erwünscht, Trimellithsäureanhydrid
mit viel höherer
Qualität
als ein Rohmaterial für
Weichmacher mit hoher Güteklasse oder
für wärmebeständige Kunststoffe
in den letzten Jahren zur Verfügung
zu stellen.
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Wenn
ferner Pseudocumen oder Dimethylbenzaldehyd als Rohmaterial Verunreinigungen
beinhalten, welche nicht zu Trimellithsäure durch Oxidation umgewandelt
werden können,
ist das resultierende Trimellithsäureanhydrid im Hinblick auf
den Farbton und die Reinheit in einigen Fällen verschlechtert, und es
ist mithin erwünscht,
ein Verfahren zur Herstellung von Trimellithsäureanhydrid zu entwickeln, das
frei bezüglich
des durch das Rohmaterial verursachten Einflusses ist.
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Es
ist eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zur industriell vorteilhaften Herstellung eines Trimellithsäureanhydrids
mit hoher Qualität
aus einer rohen Trimellithsäure,
die eine geringe Reinheit aufweist und färbende Substanzen enthält, welche
durch Oxidation vom Pseudocumen oder Dimethylbenzaldehyd erhalten
wurde, bereitstellt.
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Die
Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben eingehende Untersuchungen
zur Überwindung
des schlechten Farbtons bezüglich
der Eigenschaften von Trimellithsäureanhydrid durchgeführt, und
als ein Ergebnis wurde das Folgende gefunden. Bei dem Verfahren
der japanischen PCT-Veröffentlichung
Nr. 4-501271 zur Verbesserung des Farbtons von Trimellithsäureanhydrid
wird ein hinzugesetztes Boroxid im Boden der Destillationssäule während der Destillation
konzentriert, ein hoher Siedepunkt wird bei der Bodenflüssigkeit
verursacht, die Bodentemperatur erhöht und die Viskosität eines
Rückstandes wird
erhöht.
Als ein Ergebnis ist die Destillation industriell schwierig.
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Dagegen
wird Trimellithsäureanhydrid
unter Zirkulierung einer Flüssigkeit
in dem Boden der Destillationssäule
zu einem thermischen Behandlungsschritt destilliert und abgetrennt,
d. h. einem thermischen Behandlungsgefäß, wobei der höhere Siedepunkt
der Destillationssäulen-Bodenflüssigkeit
vermieden werden kann. Ferner wird rohe Trimellithsäure oder
eine Mischung von Trimellithsäure
und Trimellithsäureanhydrid
thermisch unter reduziertem Druck in Gegenwart von einem Boroxid
in der kleinsten Menge, die notwendig ist, behandelt, und dann wird
das Oxidationsprodukt destilliert, wodurch Trimellithsäureanhydrid
mit hoher Qualität
in stabiler und vorteilhafterweise aus einem Trimellithsäure-Rohmaterial
mit niedriger Reinheit erhalten werden kann. Als ein Ergebnis erreichten
sie die vorliegende Erfindung.
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Das
heißt,
die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zur Herstellung von
Trimellithsäureanhydrid
vor, welches Folgendes umfasst:
- (a) thermisches
Behandeln unter reduziertem Druck in der Gegenwart eines Boroxids
von roher Trimellithsäure,
welche durch Oxidation wenigstens einer Verbindung, gewählt aus
mit aliphatischen Gruppen 1,2,4-substituiertem Benzol, Dialkylbenzaldehyd
und Oxiden davon, erhalten wurde, oder von einer Mischung aus Trimellithsäure mit
Trimellithsäureanhydrid,
welche durch Dehydratisierung der Trimellithsäure unter Erhitzen erhalten
wurde;
- (b) Einbringen des thermisch behandelten Produkts in eine Destillationssäule; und
- (c) kontinuierliches Rezyklieren von Flüssigkeiten vom Boden der Destillationssäule zu der
Stufe (a).
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Bei
der Wärmebehandlung
zusammen mit Bor in der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise ein
Boroxid in einer Menge von 50 bis 900 ppm, bezogen auf die Trimellithsäure oder
die Mischung von Trimellithsäure
mit Trimellithsäureanhydrid,
hinzugesetzt. Typischerweise wird die thermische Behandlung unter
einem reduzierten Druck von 27 000 Pa (200 Torr) oder weniger bei
einer Temperatur von 250 °C
mindestens fünf
Minuten lang durchgeführt,
und dann wird das wärmebehandelte
Produkt in eine Destillationssäule
eingeführt.
Ferner beträgt
in der Trimellithsäure
und in dem Trimellithsäureanhydrid, welche
in eine Destillationssäule
eingeführt
werden, der Gehalt der Trimellithsäure, bezogen auf den Gesamtgehalt
von diesen, vorzugsweise 3 Gew.-% oder weniger.
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Typischerweise
wird die Flüssigkeit
in Schritt (c) in einer Menge von mindestens 10 Gew.-%, bezogen
auf die Trimellithsäure
und das Trimellithsäureanhydrid,
recycelt. Vorzugsweise ist das Boroxid mindestens eine Verbindung,
die aus Ortho-Borsäure, Meta-Borsäure, Tetra-Borsäure oder
Boroxid gewählt wird.
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Die
vorliegende Erfindung sieht ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung
eines Weichmachers oder eines Kunststoffes vor, wobei das Verfahren
Folgendes umfasst:
- (a) Herstellung von Trimellithsäureanhydrid
durch ein Verfahren gemäß der Erfindung;
und
- (b) Herstellen des Weichmachers oder Kunststoffs aus dem auf
diese Weise erhaltenen Trimellithsäureanhydrid.
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Die 1 zeigt
ein Beispiel des Flusses des Verfahrens zur Herstellung von Trimellithsäureanhydrid,
welches durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird.
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Das
für die
Oxidation verwendete Sauerstoff enthaltende Gas schließt Sauerstoffgas
und eine Gasmischung aus Sauerstoff mit inertem Gas wie Stickstoff
oder Argon ein. Luft ist das am gängigsten verwendete.
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Der
Oxidationsreaktor wird aus einem Rührgefäß oder einer Schäumungssäule gewählt, wobei ein
Rührgefäß bevorzugt
zur ausreichenden Rührung
in einem Reaktor ist. Die Reaktionsprozedur geschieht bevorzugterweise
gemäß einem
Semi-Batch-Verfahren oder einem kontinuierlichen Verfahren. Bei
dem Semi-Ansatz-Verfahren ist es bevorzugt, die Zugführung des
Sauerstoff enthaltenden Gases 5 bis 60 Minuten lang nach der Beendigung der
Zuführung
eines Rohmaterials zur Vervollständigung
der Oxidation fortzusetzen. Bei dem kontinuierlichen Verfahren ist
es bevorzugt, eine Vielzahl von Reaktoren zur Verbesserung der Reaktionsausbeute in
Reihe vorzusehen.
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Die
Temperatur zur Oxidation liegt bei 180 bis 240 °C, vorzugsweise bei 190 bis
230 °C.
Wenn die Oxidationstemperatur außerhalb des obigen Bereichs
liegt, nehmen Nebenprodukte in der Menge zu, und die Ausbeute an
Trimellithsäure
ist gering.
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Bei
der Oxidation wird das Sauerstoff enthaltende Gas kontinuierlich
dem Reaktor zugeführt,
und Gas nach der Reaktion wird kontinuierlich abgezogen, sodass
der Druck 5 bis 40 kg/cm2, vorzugsweise 10
bis 30 kg/cm2 beträgt. Die Sauerstoffkonzentration im
Abgas aus dem Reaktor beträgt
0,1 bis 8 Vol.-%, vorzugsweise 1 bis 5 Vol.-%.
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Der
Reaktor wird mit einem Rückflusskühler zum
Kondensieren einer großen
Menge an Lösungsmittel,
welches in dem Abgas enthalten ist, und Wasser, welches durch die
Oxidation erzeugt wird, versehen. Das kondensierte Lösungsmittel
und Wasser werden allgemein dem Reaktor rückgeführt, wobei ein Teil davon aus
dem Reaktorsystem zur Einstellung der Wasserkonzentration in dem
Reaktor abgezogen wird.
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Die
Verweilzeit der Reaktionsflüssigkeit
in dem Reaktor liegt im Allgemeinen bei 0,5 bis 5 Stunden. Wenn
eine Vielzahl von Reaktoren in Reihe geschaltet sind, ist die oben
erwähnte
Verweilzeit die Gesamtheit der Verweilzeitdauern in einer Vielzahl der
Reaktoren.
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Die
Reaktionsmischung von der Oxidation wird auf eine Temperatur von
etwa 10 °C
bis 120 °C, vorzugsweise
auf eine Temperatur von etwa 20 °C und
40 °C, gekühlt, und
ein erhaltener Kristall wird von der Reaktionsmischung durch Filtration
oder zentrifugale Abtrennung abgetrennt. Der abgetrennte rohe Kristall
aus Trimellithsäure,
mit der Wiederaufschlämmung
gewaschen oder mit Wasser oder wässriger
Essigsäure
gespült,
um organische Verunreinigungen, Metalle etc., die in dem Kristall
enthalten sind, zu entfernen.
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Die
Oxidation wird vorzugsweise kontinuierlich ausgeführt, und
bei dem kontinuierlichen Verfahren wird ein Hauptteil der Reaktionsmutterlauge
nach der Abtrennung des Kristalls aus Trimellithsäure von der
Oxidationsmischung dem Oxidationssystem rezykliert. Ein Teil der
Reaktionsmutterlauge wird zur Entfernung von gebildetem Wasser destilliert,
und der Rest wird als ein Lösungsmittel
verwendet.
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Trimellithsäure, die
für die
Reinigung in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wird durch die
Oxidation von mit aliphatischen Gruppen 1,2,4-substituiertem Benzol,
Dialkylbenzaldehyd und ihren Oxidationsintermediaten hergestellt.
Spezifische Beispiele für
das Rohmaterial für
die Oxidation schließen
Pseudocumen, 2,4-Dialkylbenzaldehyd, 2,5-Dialkylbenzaldehyd, 3,4-Dialkylbenzaldehyd
und Oxidationsintermediate von diesen wie 2,4-Dialkylbenzolcarbonsäure, 2,5-Dialkylbenzolcarbonsäure, 3,4-Dialkylbenzolcarbonsäure etc.
ein. Das Rohmaterial für
die Oxidation muss nicht notwendigerweise eine Reinheit von 100
% besitzen, und es kann ein Rohmaterial zur Anwendung kommen, welches
5 % oder weniger an Verunreinigungen, welche keine Trimellithsäure durch
Oxidation bilden, enthält.
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Trimellithsäure kann
erhalten werden durch Oxidieren des obigen Oxidationsrohmaterials
mit molekularem oder gasförmigem
Sauerstoff in Gegenwart eines Schwermetall-Oxidationskatalysators
wie Mangan in einer Flüssigphasenoxidation
von mit aliphatischer Gruppe substituiertem Benzol. Genauer gesagt,
wird das oben erwähnte
Rohmaterial wie Pseudocumen oder 2,4-Dimethylbenzaldehyd mit molekularem
Sauerstoff in Wasser oder einem wässrigen Essigsäurelösungsmittel
bei einer Temperatur von etwa 200 °C bis 280 °C in Gegenwart eines Katalysators,
in welchem das Schwermetall und Brom gleichzeitig vorliegen, oxidiert.
Die Oxidation kann mittels eines satzweisen Verfahrens, eines halb
kontinuierlichen Verfahrens und eines kontinuierlichen Verfahrens
durchgeführt
werden, wobei es in der Industrie am meisten bevorzugt ist, das
kontinuierliche Oxidationsverfahren anzuwenden.
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Trimellithsäure wird
durch die obige Flüssigphasenoxidation
erhalten, wobei die vorliegende Erfindung vorzugsweise durch Dehydratisierung
von roher Trimellithsäure
unter Wärme
vor der Destillation durchgeführt
wird, sodass der Trimellithsäuregehalt
in einer Mischung von Trimellithsäure mit Trimellithsäureanhydrid
3 Gew.-% oder weniger, vorzugsweise 0 bis 1 Gew.-%, beträgt.
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Gleichwohl
ist es sehr schwierig, das Dehydratisierungsverhältnis von Trimellithsäure aus
der rohen Trimellithsäure,
wie oben beschrieben, zu steigern, wenn die Dehydratisierung in
einem Gefäß unter
leicht reduziertem Druck oder atmosphärischem Druck durchgeführt wird.
Es ist deshalb bevorzugt, einen Dehydratisierungsreaktor in mindestens
zwei Stufen aufzuteilen und das Dehydratisierungsverhältnis stufenweise
zu erhöhen.
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Zum
Beispiel wird in einem ersten Dehydratisierungsreaktor die thermische
Dehydratisierung unter Wärme
bei einer Temperatur von 200 bis 300 °C unter atmosphärischem
Druck oder reduziertem Druck durchgeführt, wobei kein Einfluss auf
den Betrieb verursacht wird, und in einem zweiten Dehydratisierungsreaktor
wird die Dehydratisierung unter einem reduzierten Druck von 200
Torr oder weniger, vorzugsweise 100 Torr oder weniger, durchgeführt, wobei
der Gehalt an Trimellithsäure,
welcher nicht dehydratisiert wird, auf 3 % oder weniger eingestellt wird.
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In
dem zweiten Dehydratisierungsreaktor (thermisches Behandlungsgefäß) wird
die thermische Behandlung ebenfalls zum gleichen Zeitpunkt durchgeführt, wobei
eine Farbkomponente zu einer Komponente mit einem hohen Siedepunkt
umgewandelt wird. Als Bedingungen für die Umwandlung der Farbkomponente
zu einer Komponente mit einem hohen Siedepunkt ist es erforderlich,
die thermische Behandlung bei 250 °C oder mehr für mindestens
5 Minuten durchzuführen.
Die bevorzugte Temperatur liegt im Bereich von 250 °C bis 300 °C, und je
höher die
Temperatur ist, desto geringer die Zeitdauer, welche für die thermische
Behandlung erforderlich ist. Wenn gleichwohl die Temperatur höher als
300 °C beträgt, ist
die Zersetzung von Trimellithsäureanhydrid
nicht länger
vernachlässigbar.
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Wenn
die obige thermische Behandlung unter reduziertem Druck durchgeführt wird,
wird die Farbkomponente zu einer Komponente mit einem hohen Siedepunkt
umgewandelt, und sie kann durch Destillation entfernt werden.
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In
der vorliegenden Erfindung wird zur Senkung der Verweilzeit der
thermischen Behandlung ein Boroxid, welches durch Ortho-Borsäure, Meta-Borsäure, Tetra-Borsäure und
Boroxid typisiert wird, zu dem Dehydratisierungsreaktor hinzugesetzt.
Als ein Zugabeverfahren kann es in Form eines Feststoffes eingeführt werden,
oder es kann in Form einer wässrigen
Lösung
hinzugesetzt werden.
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Das
Boroxid wandelt eine Säulenbodenflüssigkeit
zu einer Flüssigkeit
mit einem hohen Siedepunkt in starkem Ausmaß um, wenn es in der Säulenbodenflüssigkeit
einer Destillationssäule
in einem Destillationsschritt nach der thermischen Behandlung konzentriert
wird. Das Oxid von Bor wird deshalb in der kleinsten Mengen hinzugesetzt,
die zur Qualitätsverbesserung
notwendig ist.
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Das
heißt,
das Oxid von Bor wird erneut in einem Gewichtsverhältnis, bezogen
auf die Trimellithsäure,
von 50 bis 900 ppm, vorzugsweise von 50 bis 300 ppm, hinzugesetzt.
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Das
Oxid von Bor, das in der Bodenflüssigkeit
enthalten ist, wird inaktiviert und weist nur einen geringen Effekt
auf die thermische Behandlung auf. Das obige Gewichtsverhältnis des
Oxids von Bor ist ein Wert, der kein Oxid von Bor in der Bodenflüssigkeit
einer Destillationssäule
einschließt,
welche zirkuliert wird.
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Die
Verweilzeit, welche zur Umwandlung der Farbkomponente zu einer Komponente
mit einem hohen Siedepunkt in dem thermischen Wärmebehandlungsgefäß ausreicht,
beträgt
mindestens 5 Minuten beim kontinuierlichen Verfahren, und sie wird
in Abhängigkeit
von der thermischen Behandlungstemperatur gewählt.
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Wie
oben beschrieben, wird die thermische Behandlung so durchgeführt, dass
die Farbkomponente vollständig
zu einer Komponente mit einem hohen Siedepunkt umgewandelt wird,
und dann wird die Destillation durchgeführt, um das Trimellithsäureanhydrid
zu erhalten. Die Destillation wird unter reduziertem Druck von 7
000 Pa (50 Torr) oder weniger durchgeführt. Bei der Destillation werden
Substanzen mit einem hohen Siedepunkt durch einfache Destillation
getrennt, während
eine Rektifikationsdestillation für höhere Effizienz durchgeführt werden
kann.
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Bei
der vorliegenden Erfindung wird, wenn ein Teil der Säulenbodenflüssigkeit
einer Destillationssäule
zu dem Gefäß zur thermischen
Behandlung während
der Destillation rückgeführt wird,
und ein Rezyklierungsvorgang durchgeführt wird, der Konzentrationsgrad
der Säulenbodenflüssigkeit
der Destillationssäule
in dem Destillationsschritt nach der thermischen Behandlung gesenkt,
wodurch die Umwandlung der Säulenbodenflüssigkeit
zu einer Flüssigkeit
mit einem hohen Siedepunkt aufgrund des Oxids von Bor verhindert
werden kann. Wenn die Säulenbodenflüssigkeit
zu dem Gefäß zur thermischen
Behandlung rezykliert wird, wird überraschenderweise das in der
Säulenbodenflüssigkeit
enthaltende Oxid von Bor inaktiviert, sodass die Umwandlung der
Säulenbodenflüssigkeit
zu einer Flüssigkeit mit
einem hohen Siedepunkt inhibiert werden kann, und die Destillation
kann ohne irgendein industrielles Problem durchgeführt werden.
Zur Verhinderung der Umwandlung einer Flüssigkeit mit einem hohen Siedepunkt
beträgt
die Menge der Säulenbodenflüssigkeit,
welche zu dem thermischen Behandlungsgefäß rezykliert werden soll, mindestens
10 Gew.%, vorzugsweise mindestens 20 Gew.-%, bezogen auf die rohe
Trimellithsäure.
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Die
vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf Zeichnungen erläutert. Die
Figur zeigt ein Beispiel des Verfahrensflusses zur Herstellung von
Trimellithsäureanhydrid
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Trimellithsäure,
die durch Oxidation von mit aliphatischen Gruppen 1,2,4-substituiertem
Benzol, Dialkylbenzaldehyd und/oder ihrem Oxidintermediat. erhalten
wird, wird in einen Dehydratisierungsreaktor 2 durch eine
Leitung 1 eingeführt.
In dem Dehydratisierungsreaktor wird die thermische Dehydratisierung unter
Wärme und
unter atmosphärischem
Druck durchgeführt,
um die Trimellithsäure
zu dehydratisieren. Eine Mischung von Trimellithsäure mit
Trimellithsäureanhydrid
wird in ein thermisches Behandlungsgefäß 4 durch eine Leitung 3 eingeführt. Ferner
wird ein Oxid von Bor in das thermische Behandlungsgefäß durch
eine Leitung 5 eingeführt,
und ferner wird nicht nur die Dehydratisierung, sondern auch die thermische
Behandlung unter reduziertem Druck durchgeführt, um eine Farbkomponente
zu einer Komponente mit einem hohen Siedepunkt umzuwandeln.
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Die
Mischung von Trimellithsäure
und Trimellithsäureanhydrid
aus dem Gefäß zur thermischen
Behandlung wird in eine Destillationssäule 7 durch eine Leitung 6 geleitet,
und Trimellithsäureanhydrid
mit einer hohen Qualität
wird abdestilliert und von einem Destillationssäulenkopf durch eine Leitung 8 abgetrennt.
Während
der Dehydratisierung gebildetes Wasser wird durch eine Leitung 9 mittels Gas
zu einer Vakuumpumpe gebracht. Substanzen mit einem hohen Siedepunkt
werden vom Destillationssäulenboden
durch eine Leitung 10 abgezogen. Ein Teil der Bodenflüssigkeit
von der Destillationssäule
wird zu dem Gefäß zur thermischen
Behandlung 4 durch eine Leitung 11 rezykliert,
was dazu dient, das Problem zu vermeiden, welches durch die Umwandlung
der Bodenflüssigkeit
zu einer Flüssigkeit
mit einem hohen Siedepunkt aufgrund der Konzentrierung der Bodenflüssigkeit
resultiert, und Trimellithsäureanhydrid
mit einer hohen Qualität
kann in stabiler Weise erhalten werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung, nachdem die Dehydratisierung von roher Trimellithsäure fast
beendet ist, wird eine thermische Behandlung unter reduziertem Druck
in Gegenwart des Oxids von Bor in der kleinsten Menge durchgeführt, welche
notwendig ist, wodurch eine Farbkomponente zu einer Komponente mit
einem hohen Siedepunkt umgewandelt wird. Durch Reinigung derselben
durch Destillation wird der Farbton des Trimellithsäureanhydrids gesenkt,
und gleichzeitig kann die Reinheit des Trimellithsäureanhydrids
erhöht
werden. Ferner kann durch Rezyklieren der Destillationssäulen-Bodenflüssigkeit
zu dem Gefäß zur thermischen
Behandlung die Umwandlung der Bodenflüssigkeit zu einer Flüssigkeit
mit einem hohen Siedepunkt in starkem Maße verhindert werden, und die
Destillation kann ohne irgendein industrielles Problem durchgeführt werden.
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Trimellithsäure, die
durch Oxidation ein einer Flüssigphase
erhalten wird, kann unter Wärme
dehydratisiert werden, sodass der Gehalt an Trimellithsäure in einer
Mischung aus Trimellithsäure
mit Trimellithsäureanhydrid
3 % oder weniger, vorzugsweise 0 bis 1 %, beträgt.
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Gleichwohl
ist es sehr schwierig, das Dehydratisierungsverhältnis von Trimellithsäure aus
der rohen Trimellithsäure,
wie oben beschrieben, zu erhöhen,
wenn die Dehydratisierung in einem Gefäß unter leicht reduziertem
Druck oder atmosphärischem Druck
durchgeführt
wird. Es ist deshalb bevorzugt, einen Dehydratisierungsreaktor auf
mindestens zwei Stufen aufzuteilen und das Dehydratisierungsverhältnis stufenweise
zu erhöhen.
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Zum
Beispiel wird in einem ersten Dehydratisierungsreaktor die thermische
Dehydratisierung unter Wärme
bei einer Temperatur von 200 bis 300 °C unter atmosphärischem
Druck oder einem reduziertem Druck, der keinen Einfluss auf den
Betrieb hat, durchgeführt,
und in einem zweiten Dehydratisierungsreaktor wird die Dehydratisierung
unter einem reduzierten Druck von 200 Torr oder weniger, vorzugsweise
100 Torr oder weniger, durchgeführt,
wobei der Gehalt an Trimellithsäure,
welche nicht dehydratisiert wird, auf 3 % oder weniger eingestellt
wird.
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In
einem zweiten Dehydratisierungsreaktor (Gefäß zur thermischen Behandlung)
wird die thermische Behandlung ebenfalls zum gleichen Zeitpunkt durchgeführt, wobei
eine Farbkomponente zu einer Komponente mit einem hohen Siedepunkt
umgewandelt wird. Als Bedingungen zur Umwandlung der Farbkomponente
zu einer Komponente mit einem hohen Siedepunkt ist es erforderlich,
die thermische Behandlung bei 250 °C oder mehr durchzuführen. Die
thermische Behandlung wird vorzugsweise im Bereich von 250 °C bis 300 °C durchgeführt, und
je höher
die Temperatur ist, desto geringer ist die Zeitdauer, welche für die thermische
Behandlung erforderlich ist. Wenn jedoch die Temperatur höher als 300 °C beträgt, ist
die Zersetzung an Trimellithsäureanhydrid
nicht länger
vernachlässigbar.
Wenn die obige thermische Behandlung unter reduziertem Druck durchgeführt wird,
wird die Farbkomponente zu einer Komponente mit einem hohen Siedepunkt umgewandelt,
und sie kann durch Destillation entfernt werden.
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In
der obigen vorliegenden Erfindung können die Dehydratisierung,
die thermische Behandlung und die Destillation durch ein beliebiges
aus einem satzweisen Verfahren, einem halb kontinuierlichen und
einem kontinuierlichen Verfahren durchgeführt werden, wobei ein kontinuierliches
Verfahren bevorzugt verwendet wird.
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Gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung kann selbst Trimellithsäure, welches
aus einem Rohmaterial mit einer niedrigen Reinheit hergestellt wurde,
bezüglich
der Qualität
verbessert werden, und Trimellithsäureanhydrid mit hoher Qualität kann in
stabiler Weise erzeugt werden.
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Die
vorliegende Erfindung wird speziell mit Bezug auf die nachfolgenden
Beispiele erläutert.
Die vorliegende Erfindung soll nicht auf diese Beispiele beschränkt sein.
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Bsp.
= Beispiel, Vergl.-bsp. = Vergleichsbeispiel
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Vergleichsbeispiel 1
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Eine
rohe Trimellithsäure
(Trimellithsäuregehalt:
97,5 %), erhalten durch Oxidieren von 2,4-Dimethylbenzaldehyd gemäß dem in
der JP-B-58-2222 beschriebenen Verfahren, wurde kontinuierlich einem
Dehydratisierungsreaktor mit einer Rate von 165 Teilen pro Stunde
hinzugeführt
und unter Wärme bei
230 °C mit
einer Verweilzeitdauer von 3 Stunden dehydratisiert. Das Dehydratisierungsverhältnis von Trimellithsäure aus
dem Dehydratisierungsreaktor lag bei 90 %. Dann wurde eine Mischung
aus Trimellithsäure
und Trimellithsäureanhydrid
aus dem Dehydratisierungsreaktor kontinuierlich zu einer Destillationssäule mit
zwei theoretischen Böden
unter einem reduzierten Druck von 2 000 Pa (15 Torr) zugeführt, und
eine Säulenbodenflüssigkeit
wurde kontinuierlich mit einer Rate von 3 Teilen pro Stunde abgezogen. Die
Destillationssäule
wurde bei einem reduzierten Druck von 2 000 Pa (15 Torr) bei einer
Säulenkopftemperatur
von 250 °C
und bei einer Säulenbodentemperatur
von 250 bis 260 °C
betrieben, und in einem stabilisierten Zustand betrug der Temperaturunterschied
zwischen dem Säulenoberteil
und dem Säulenboden
10 °C oder
weniger. Destilliertes Trimellithsäureanhydrid besaß eine Reinheit
von 98,7 %, einen Schmelzpunkt von 167,3 °C und eine Schmelzfarbe von
APHA 120.
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Die
Schmelzfarbe des Trimellithsäureanhydrids
wurde bestimmt, indem es bei 190 °C
in einer Atmosphäre
geschmolzen wurde, und es wurde ein geschmolzenes Trimellithsäureanhydrid
mit einer APHA-Standardflüssigkeit,
gezeigt in JIS K1557-6,2, verglichen.
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Beispiel 1
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Ein
thermisches Behandlungsgefäß wurde zwischen
den Dehydratisierungsreaktor und der im Vergleichsbeispiel 1 verwendeten
Destillationssäule angeordnet.
Die gleiche Prozedur, wie die im Vergleichsbeispiel 1, wurde in
dem Dehydratisierungsreaktor durchgeführt. Dann wurde eine 10%ige
wässrige
Borsäurelösung dem
Gefäß zur thermischen
Behandlung mit einer Rate von 0,1 Teilen pro Stunde zugeführt, und
die Borsäurekonzentration
in dem thermischen Gefäß erreichte
60 ppm. Dann wurden die Dehydratisierung und die thermische Behandlung unter
Bedingungen eines reduzierten Drucks von 7 000 Pa (50 Torr), 260 °C und einer
Verweilzeit von 10 Minuten durchgeführt. Das Dehydratisierungsverhältnis von
Trimellithsäure
aus dem Gefäß zur thermischen
Behandlung lag bei 99,4 %. Dann wurde eine Mischung von Trimellithsäure und
Trimellithsäureanhydrid
aus dem Gefäß zur thermischen
Behandlung kontinuierlich einer Destillationssäule mit zwei theoretischen
Böden zugeführt, und
die Säulenbodenflüssigkeit
wurde kontinuierlich mit einer Rate von 3 Teilen pro Stunde abgezogen.
20 Teile davon wurden dem Gefäß zur thermischen
Behandlung rückgeführt. Die
Destillationssäule
wurde bei einem reduzierten Druck von 2 000 Pa (15 Torr), bei einer
Säulenkopftemperatur
von 250 °C
und einer Säulenbodentemperatur
von 250 bis 260 °C
betrieben, und in einem stabilisierten Zustand lag der Temperaturunterschied zwischen
dem Säulenoberteil
und dem Säulenboden bei
10 °C oder
weniger. Trimellithsäureanhydrid,
welches von der Destillationssäule
destilliert wurde, besaß eine
Reinheit von 99,2 %, einen Schmelzpunkt von 167,4 °C und eine
Schmelzfarbe von APHA 80. Die thermische Behandlung verbesserte
das Trimellithsäureanhydrid
bezüglich
der Produktqualität.
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Vergleichsbeispiel 2
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Eine
rohe Trimellithsäure
(Trimellithsäuregehalt:
96,1 %), erhalten durch Oxidieren einer Mischung, die 94 % 2,4-Dimethylbenzoesäure, 1 %
Methylphthalsäure,
1 % Methylphthalid und 4 % andere Verunreinigungen enthielt, wurde
kontinuierlich einem Dehydratisierungsreaktor mit einer Rate von 150
Teilen pro Stunde zugeführt,
und unter Wärme und
unter Bedingungen von 27 000 Pa (500 Torr), 235 °C und einer Verweilzeitdauer
von 3,5 Stunden dehydratisiert. Das Dehydratisierungsverhältnis von Trimellithsäure aus
dem Dehydratisierungsreaktor lag bei 92 %. Dann wurde eine Mischung,
die Trimellithsäure
und Trimellithsäureanhydrid
enthielt, aus dem Dehydratisierungsreaktor kontinuierlich einer Destillationssäule mit
vier theoretischen Böden
bei einem reduzierten Druck 2 000 Pa (15 Torr) zugeführt, und
eine Säulenbodenflüssigkeit
wurde kontinuierlich mit einer Rate von 3 Teilen pro Stunde abgezogen.
In einem stabilisierten Zustand lag der Temperaturunterschied zwischen
dem Säulenoberteil
und dem Säulenboden
bei 10 °C
oder weniger. Destilliertes Trimellithsäureanhydrid besaß eine Reinheit
von 98,6 %, einen Schmelzpunkt von 167,3 °C und eine Schmelzfarbe von
APHA 170.
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Vergleichsbeispiel 3
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Ein
Gefäß zur thermischen
Behandlung wurde zwischen den Dehydratisierungsreaktor und der Destillationssäule, verwendet
in Vergleichsbeispiel 2, gestellt. Die gleiche Prozedur wie die
im Vergleichsbeispiel 2 wurde in dem Dehydratisierungsreaktor durchgeführt. Dann
wurde eine 10%ige wässrige Borsäurelösung zu
dem Gefäß zur thermischen
Behandlung mit einer Rate von 0,4 Teilen pro Stunde zugeführt, und
die Borsäurekonzentration
in dem Gefäß zur thermischen
Behandlung erreichte 267 ppm, und die Dehydratisierung und die thermische
Behandlung wurden unter Bedingungen eines reduzierten Drucks von
2 000 Pa (50 Torr), 265 °C
und einer Verweilzeit von 50 Minuten durchgeführt. Das Dehydratisierungsverhältnis von
Trimellithsäure
aus dem Gefäß zur thermischen
Behandlung lag bei 99,7 %. Dann wurde eine Mischung aus Trimellithsäure und Trimellithsäureanhydrid
aus dem Gefäß zur thermischen
Behandlung kontinuierlich zu einer Destillationssäule mit
vier theoretischen Böden
zugeführt,
und eine Säulenbodenflüssigkeit
wurde kontinuierlich mit einer Rate von 3 Teilen pro Stunde abgezogen.
Die Destillationssäule
wurde bei einem reduzierten Druck von 2 000 Pa (15 Torr) und bei
einer Säulenkopftemperatur
von 250 °C
betrieben. Als die Bodensäulenflüssigkeit
konzentriert war, wurde die Säulenbodentemperatur
auf über
280 °C gebracht,
und der Temperaturunterschied zwischen dem Säulenoberteil und dem Säulenboden
lag bei 30 °C
oder mehr. Es war mithin schwierig, die Destillationssäule zu betreiben.
Destilliertes Trimellithsäureanhydrid
besaß eine Reinheit
von 99,2 %, einen Schmelzpunkt von 167,5 °C und eine Schmelzfarbe von
APHA 100. Die thermische Behandlung verbesserte das Trimellithsäureanhydrid
in der Produktqualität.
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Beispiel 2
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Ein
Gefäß zur thermischen
Behandlung zwischen den Dehydratisierungsreaktor und der Destillationssäule in gleicher
Weise wie im Vergleichsbeispiel 3 gestellt. Die gleiche Prozedur
wie die im Vergleichsbeispiel 3 wurde in dem Dehydratisierungsreaktor
durchgeführt.
Dann wurde eine 10%ige wässrige
Borsäurelösung zu
dem Gefäß zur thermischen Behandlung
bei einer Rate von 0,4 Teilen pro Stunde zugeführt, und die Borsäurekonzentration
in dem Gefäß zur thermischen
Behandlung erreichte 267 ppm, und die Dehydratisierung und die thermische
Behandlung wurden unter Bedingungen bei einem reduzierten Druck
von 7 000 Pa (50 Torr), 265 °C
und einer Verweilzeit von 50 Minuten durchgeführt. Das Dehydratisierungsverhältnis von
Trimellithsäure
aus dem thermischen Behandlungsgefäß lag bei 99,7 %. Dann wurde
eine Mischung aus Trimellithsäure
und Trimellithsäureanhydrid
aus dem Gefäß zur thermischen
Behandlung kontinuierlich zu einer Destillationssäule mit
vier theoretischen Böden
zugeführt,
und es wurde eine Säulenflüssigkeit
kontinuierlich mit einer Rate von 80 Teilen pro Stunde abgezogen
und zu dem thermischen Behandlungsgefäß rezykliert. Separat wurden
ferner 3 Teile einer Säulenbodenflüssigkeit
kontinuierlich abgezogen. Die Destillationssäule wurde bei einem verringerten
Druck von 2 000 Pa (15 Torr) und bei einer Säulenkopftemperatur von 250 °C und bei
einer Säulenbodentemperatur
von 250–260 °C betrieben.
In einem stabilisierten Zustand betrug der Temperaturunterschied
zwischen dem Säulenoberteil
und dem Säulenboden
15 °C oder
weniger. Von der Destillationssäule
abdestilliertes Trimellithsäureanhydrid
besaß eine
Reinheit von 99,2 %, einen Schmelzpunkt von 167,5 °C und eine Schmelzfarbe von
APHA 100. Selbst wenn das Rohmaterial eine geringe Reinheit besaß, wurde
bezüglich
der Produktqualität
verbessertes Trimellithsäureanhydrid
durch die thermische Behandlung erhalten. Da ferner die Destillationssäulen-Bodenflüssigkeit
rezykliert wurde, wurde der durch die Zugabe von Borsäure verursachte
Mangel überwunden
und die Destillation wurde erfolgreich ohne irgendein Problem durchgeführt.
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Referenzbeispiel 1
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Ein
Gefäß zur thermischen
Behandlung wurde zwischen den Dehydratisierungsreaktor und die Destillationssäule, verwendet
im Vergleichsbeispiel 1, platziert. Die gleiche Prozedur wie jene
im Vergleichsbeispiel 1 wurde in dem Dehydratisierungsreaktor durchgeführt. Dann
wurden in dem Gefäß zur thermischen
Behandlung die Dehydratisierung und die thermische Behandlung unter
den Bedingungen eines reduzierten Druckes von 7 000 Pa (50 Torr), 260 °C und einer
Verweilzeit von 1 Stunde durchgeführt. Das Dehydratisierungsverhältnis von
Trimellithsäure
von dem Gefäß zur thermischen
Behandlung lag bei 99,5 %. Dann wurde die Destillation in gleicher
Weise wie im Vergleichsbeispiel 1 durchgeführt. Destilliertes Trimellithsäureanhydrid
besaß eine Reinheit
von 99,1 %, einen Schmelzpunkt von 167,4 °C und eine Schmelzfarbe von
APHA 80. Die thermische Behandlung verbesserte das Trimellithsäureanhydrid
bezüglich
der Produktqualität.
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Vergleichsbeispiel 4
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Eine
rohe Trimellithsäure
(Trimellithsäuregehalt:
96,1 %), erhalten durch Oxidieren einer 94 % 2,4-Dimethylbenzoesäure, 1 %
Methylphthalsäure,
1 % Methylphthalid und 4 % andere Verunreinigungen enthaltenden
Mischung, wurde kontinuierlich zu einem Dehydratisierungsreaktor
mit einer Rate von 150 Teilen pro Stunde zugeführt, und unter Wärme unter
Bedingungen von 70 000 Pa (500 Torr), 235 °C und einer Verweilzeitdauer
von 3,5 Stunden dehydratisiert. Das Dehydratisierungsverhältnis von
Trimellithsäure
aus dem Dehydratisierungsreaktor lag bei 92 %.
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Dann
wurde eine Mischung, die Trimellithsäure und Trimellithsäureanhydrid
enthielt, aus dem Dehydratisierungsreaktor kontinuierlich zu einer
Destillationssäule
mit vier theoretischen Böden
bei einem reduzierten Druck von 2 000 Pa (15 Torr) zugeführt. Destilliertes
Trimellithsäureanhydrid
besaß eine
Reinheit von 98,6 %, einen Schmelzpunkt von 167,3 °C und eine
Schmelzfarbe von APHA 170.
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Referenzbeispiel 2
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Ein
Gefäß zur thermischen
Behandlung wurde zwischen den Dehydratisierungsreaktor und die Destillationssäule, verwendet
im Vergleichsbeispiel 4, gestellt. Die gleiche Prozedur wie die
im Vergleichsbeispiel 4 wurde in dem Dehydratisierungsreaktor durchgeführt. Dann
wurden in dem Gefäß zur thermischen
Behandlung die Dehydratisierung und die thermische Behandlung unter
den Bedingungen eines reduzierten Drucks von 8 000 Pa (60 Torr),
270 °C und
einer Verweilzeit von 4 Stunden durchgeführt. Das Dehydratisierungsverhältnis von
Trimellithsäure aus
dem Gefäß zur thermischen
Behandlung lag bei 99,7 %.
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Dann
wurde die Destillation in gleicher Weise wie im Vergleichsbeispiel
8 durchgeführt.
Trimellithsäureanhydrid,
das aus der Destillationssäule
destilliert wurde, besaß eine
Reinheit von 99,2 %, einen Schmelzpunkt von 167,5 °C und eine
Schmelzfarbe von AHPA 100. Selbst wenn das Rohmaterial eine geringe
Reinheit besaß,
wurde Trimellithsäureanhydrid,
die bezüglich
der Produktqualität
verbessert war, durch die thermische Behandlung erhalten.
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Vergleichsbeispiel 5
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Ein
Gefäß zur thermischen
Behandlung wurde zwischen den Dehydratisierungsreaktor und die Destillationssäule, verwendet
im Vergleichsbeispiel 4, gestellt. In dem Dehydratisierungsreaktor
wurde die gleiche rohe Trimellithsäure, wie jene im Vergleichsbeispiel
4 verwendete, kontinuierlich mit einer Rate von 150 Teilen pro Stunde
zugeführt
und unter Wärme
unter den Bedingungen von 70 000 Pa (500 Torr), 235 °C und einer
Verweilzeit von 3,5 Stunden dehydratisiert. In dem Gefäß zur thermischen
Behandlung wurden die Dehydratisierung und die thermische Behandlung
unter den Bedingungen eines reduzierten Drucks von 70 000 Pa (500
Torr), 270 °C und
einer Verweilzeit von 3 Stunden durchgeführt. Das Dehydratisierungsverhältnis von
Trimellithsäure aus
dem Gefäß zur thermischen
Behandlung lag bei 96,0 %.
-
Dann
wurde die Destillation in gleicher Weise wie im Vergleichsbeispiel
4 durchgeführt.
Aus der Destillationssäule
abdestilliertes Trimellithsäureanhydrid
besaß eine
Reinheit von 98,8 %, einen Schmelzpunkt von 167,3 °C und eine
Schmelzfarbe von APHA 160. Es ist ersichtlich, dass, wenn das Gefäß zur thermischen
Behandlung einen geringen Grad an reduziertem Druck besitzt, und
wenn das Dehydratisierungsverhältnis
gering ist, dass Trimellithsäureanhydrid
nicht bezüglich
der Produktqualität
verbessert wird, selbst wenn die thermische Behandlung durchgeführt wird.