DE69908933T2

DE69908933T2 - Verfahren zur reindarstellung von isophthalsäure durch kristallisation

Info

Publication number: DE69908933T2
Application number: DE69908933T
Authority: DE
Inventors: Fu-Ming Lee; Wiston Lamshing; Wright Randi WYTCHERLEY
Original assignee: GTC Technology Inc
Current assignee: GTC Technology Inc
Priority date: 1998-05-06
Filing date: 1999-04-20
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2019-04-21
Also published as: KR100552261B1; WO1999057090A1; EP1075458B1; US6140534A; TW514635B; CA2331805A1; ES2201713T3; IL139499A0; ID28144A; AU3865199A; CN1308601A; DE69908933D1; CN1231447C; KR20010043372A; TR200100161T2; RU2208606C2; BR9910225A; EP1075458A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen des Oxidationsreaktorabstroms, der ein Gemisch aus Isophthalsäure und kleineren Mengen 3-Carboxybenzaldehyd (3-CBA), m-Toluylsäure und anderen geringfügigen Verunreinigungen enthält, so dass man eine gereinigte Isophthalsäure in einem integrierten Verfahren erhält. Isophthalsäure eignet sich in Copolymerisationsverfahren zur Herstellung von Fasern, Folien, Kunststoffflaschen und Polyesterharzstrukturen, die oft durch andere Materialien verstärkt sind, wie Glasfasern.
WO-9640612 lehrt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reinigen roher Terephthalsäure, wodurch man eine flüssige Dispersion erhält, die Verunreinigungen enthält, wie nicht umgesetzte Ausgangsmaterialien, Lösungsmittel, Produkte von Nebenreaktionen und/oder andere ungewünschte Materialien.
In US 2 949 483 wird ein Verfahren zur Reinigung von bei der Herstellung von faser- und fadenbildenden Polyestern und Copolyestern verwendeten aromatischen Dicarbonsäuren mittels Umkristallisation aus organischen Lösungsmitteln beschrieben.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren bereitgestellt zum Reinigen von roher Isophthalsäure (IPA) aus einer flüssigen Dispersion davon, die auch Verunreinigungen, wie nicht umgesetzte Ausgangsmaterialien, Lösungsmittel, Produkte von Nebenreaktionen und/oder andere ungewünschte Materialien, enthält, umfassend: Filtrieren der Dispersion, so dass man einen rohen IPA-Filterkuchen erhält; Lösen des Filterkuchens in einem polaren organischen Lösungsmittel bei einer erhöhten Temperatur zwischen 50 und 200°C, so dass man eine Lösung erhält; Kristallisieren der gereinigten IPA aus der Lösung in dem polaren organischen Lösungsmittel durch Senken der Temperatur oder Senken des Drucks in dem Maße, dass das Lösungsmittel aus der IPA der Lösung schnellverdampft wird; Trennen der kristallisierten gereinigten IPA aus der Lösung; Waschen des gereinigten IPA-Kuchens mit einem reinen oder IPA-gesättigten Lösungsmit tel, so dass man die Mutterlauge und die Farbkörper verdrängt; und erneutes Lösen oder Tränken des gewaschenen IPA-Kuchens in Wasser bei erhöhten Temperaturen.
Das Verfahren betrifft vorzugsweise rohe Isophthalsäure, die durch Oxidation von Metaxylol hergestellt wird. Der Oxidationsschritt erzeugt nicht nur Isophthalsäure, sondern durch unvollständige Oxidation auch 3-CBA, m-Toluylsäure und andere Spurenmengen Säure- und Aldehyd-Isomere. Das im Oxidationsschritt erzeugte Produkt ist eine flüssige Dispersion, die nicht-umgesetzte Ausgangsmaterialien, Lösungsmittel, sofern überhaupt welche verwendet wurden, insbesondere die gerade erwähnten Produkte von Nebenreaktionen und andere Materialien enthält, die in der gesuchten gereinigten Isophthalsäure nicht gewünscht sind.
Der Reaktorabstrom wird einer Reihe von Kristallisatoren zugeführt, so dass die Isophthalsäure-Kristalle beim Eindampfen des Reaktions-Lösungsmittels, vorzugsweise Essigsäure, aufgrund von Druckminderungen wachsen können. Der Schlamm aus dem letzten Kristallisator wird filtriert und gewaschen. Die filtrierten Kristalle werden dann getrocknet, damit das Lösungsmittel bis zu einer Menge von weniger als 0,25% in den rohen IPA-Kristallen entfernt wird. Die Mutterlauge aus der Filtration wird zur Lösungsmittel-Dehydratisierungseinheit geleitet, so dass das Lösungsmittel (Essigsäure) aus dem Wasser gewonnen und zum Oxidationsmittel zurückgeführt werden kann.
Die Erfindung betrifft auch Schritte, die die erfindungsgemäßen Lösungsmittel in jeder Kristallisations- und Waschstufe und beim endgültigen Wässern zurückgewinnen und zurückführen. Es werden auch Schritte unternommen, die die Abgabe jeglicher zweifelhafter Materialien an die Umgebung genau kontrollieren.
Bei einem wichtigen Aspekt beruht die Erfindung auf Entdeckungen bezüglich der Lösungsmittel, welche die Reinigung von rohem IPA über Kristallisations- und Trennungsschritte bewerkstelligen sollen. Diese Entdeckungen lassen sich auf verschiedene Weise wie folgt zusammenfassen.
Das polare organische Lösungsmittel wirkt als selektives Kristallisations-Lösungsmittel, wobei (a) die Verunreinigungen, die man von der IPA trennen möchte, bei im Wesentlichen jeder Temperatur im gewünschten Bereich der Temperaturen, bei denen das IPA-haltige Lösungsmittel zum Einsatz kommen soll, relativ löslicher als IPA sind, und (b) IPA bei einer erhöhten Temperatur löslicher ist und bei einer niedrigeren oder tieferen Temperatur weniger löslich ist. Die Wirkung polarer organischer Lösungsmittel als "selektive Kristallisations-Lösungsmittel" wird nachstehend eingehender beschrieben und ist in 1 gezeigt.
Das primäre bevorzugte selektive Kristallisations-Lösungsmittel ist N-Methylpyrrolidon (NMP), und zwar wegen verschiedener nachstehend erörterter Gründe und wegen seiner besseren Leistung. Es ist nicht-wässrig, thermisch stabil, nicht toxisch (umweltsicher), nicht korrodierend, und kommerziell verfügbar. Seine Löslichkeits-Temperatur-Kurve zeigt der 1 zufolge, dass IPA in NMP bei erhöhten Temperaturen gelöst werden kann und bei niedrigeren Temperaturen aus NMP gefällt oder kristallisiert werden kann. Die Haupt-Verunreinigungen, wie CBA (angegeben durch 4-CBA) und Toluylsäure (angegeben durch p-Toluylsäure), haben bei sämtlichen Temperaturen eine viel höhere Löslichkeit in NMP als IPA. Durch Senken der Temperatur neigt daher nur IPA dazu, aus der Lösung zu kristallisieren oder auszufallen, so dass gereinigte IPA-Kristalle erhalten werden.
NMP ist zwar das am stärksten bevorzugte selektive Kristallisations-Lösungsmittel, es ist jedoch selbstverständlich, dass erfindungsgemäß andere bevorzugte selektive Kristallisations-Lösungsmittel zur Reinigung von roher IPA aus verschiedenen polaren organischen Lösungsmitteln ausgewählt werden können, einschließlich aber nicht eingeschränkt auf N,N-Dimethylacetamid, N,N-Dimethylformamid, N-Formylpiperidin, N-Alkyl-2-pyrrolidon (wie N-Ethylpyrrolidon), N-Mercaptoalkyl-2-pyrrolidon (wie N-Mercaptoethyl-2-pyrrolidon), N-Alkyl-2-thiopyrrolidon (wie N-Methyl-2-thiopyrrolidon), N-Hydroxyalkyl-2-pyrrolidon (wie N-Hydroxyethyl-2-pyrrolidon), Morpholine (wie Morpholin, und N-Formylmorpholin), Carbitole, C₁- bis C₁₂-Alkohole, Ether, Amine, Amide, Ester, und Gemische davon.
Zur Entfernung des restlichen Lösungsmittels, das in den Kristallen des fertigen IPA-Produktes eingeschlossen ist, werden die gewaschenen IPA-Kristalle vorzugsweise zu einer Hochtemperatur-Wässerungsvorrichtung geleitet, wo Wasser zum partiellen oder vollständigen Lösen der IPA-Kristalle verwendet wird. Werden die IPA-Kristalle wiederum gefällt oder sonst wie aus der Wässerungsflüssigkeit getrennt, bleibt das restliche Lösungsmittel hinter dem Wasser. Außer Wasser (das bevorzugt ist), lassen sich andere Lösungsmittel zum Verdrängen des selektiven Kristallisations-Lösungsmittels verwenden, wie Methanol, Methylethylketon, und Aceton. Der gereinigte IPA-Kuchen wird vorzugsweise in Wasser bei Temperaturen zwischen etwa 150 und etwa 280°C gewässert oder erneut gelöst, damit man die letzte Spurenmenge des Kristallisations-Lösungsmittels entfernt, und man die angestrebte IPA-Teilchengröße und -Form erhält.
Die nachstehenden Beispiele veranschaulichen die Prinzipien und Eigenschaften der Erfindung.
BEISPIEL 1
Reinigung von roher IPA durch Kühlkristallisation
350 g NMP (Lösungsmittel), 207,9 g Isophthalsäure (IPA) , 2,1 g 3-CBA und 0, 21 g m-Toluylsäure wurden in einen Kristallisator mit Heizmantel, Thermoelement, Kühler und Überkopfrührer gegeben. Das Gemisch wurde unter Rühren auf 125°C erhitzt, bis die Feststoffe vollständig gelöst waren, und die Lösung wurde dann etwa 1 Std. lang bei 125°C gehalten, bevor gekühlt wurde. Die Lösung wurde in 2 bis 4 Std. langsam auf 40°C gekühlt, so dass die IPA-Kristalle wachsen konnten. Der Schlamm wurde dann aus dem Kristallisator entnommen und bei 45 bis 50°C filtriert. Der Filterkuchen (210 g) wurde mit 630 g NMP-Lösung, die mit IPA gesättigt war (die Lösung enthielt 25 g IPA pro 100 g NMP), gespült, so dass die eingeschlossene Mutter lauge aus dem Kuchen entfernt wurde. Zum Spülen kann sauberes NMP verwendet werden, jedoch wird vorzugsweise IPA-gesättigtes NMP verwendet, damit die Verluste aufgrund des Kuchenwaschens minimiert werden. Eine Hälfte des gespülten Kuchens wurde wiederum bei Raumtemperatur mit der gleichen Menge gesättigter NMP-Lösung (11 g IPA pro 100 g NMP) gespült. Neben reiner oder gesättigter NMP lassen sich andere Lösungsmittel zum Waschen einsetzen, wie u. a. p-Xylol Methanol, Aceton und Methylethylketon.
Die gespülten Kristalle wurden getrocknet und durch Gaschromatographie auf ihre Zusammensetzung analysiert, und die Ergebnisse sind nachstehend zusammengefasst:
In Lauf 1 bei einer einstufigen Kristallisation wurde 3-CBA im Wesentlichen von 1,00% auf 39 ppm gesenkt und m-Toluylsäure wurde von 0,10% auf weniger als 2 ppm (experimentelle Nachweisgrenze) gesenkt. In Lauf 2 bei einer einstufigen Kristallisation wurde 3-CBA von 1% auf 27 ppm gesenkt und m-Toluylsäure von 0,10% auf weniger als 2 ppm gesenkt. Es wurde daher geschlossen, dass nur eine einstufige Kristallisation mit NMP als Lösungsmittel zur Reinigung der rohen IPA (mit bis zu 1% 3-CBA und 0,1% m- Toluylsäure) in ein IPA-Produkt mit weniger als 40 ppm 3-CBA und 2 ppm m-Toluylsäure erforderlich ist.
Die Temperatur der Lösung wird vorzugsweise auf etwa 5 bis etwa 100°C, und besonders bevorzugt auf etwa 10 bis etwa 45°C gesenkt.
BEISPIEL 2
Trennung von IPA aus 4-CBA und p-Toluylsäure
Das experimentelle Verfahren von Beispiel 1 wurde mit 4-CBA anstelle von 3-CBA und p-Toluylsäure anstelle von m-Toluylsäure wiederholt. Dieses Experiment wurde durchgeführt, damit sichergestellt wurde, dass kleine Mengen anderer Verunreinigungsisomere in roher IPA, wie 4-CBA und p-Toluylsäure, keine Probleme beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von gereinigter IPA hervorrufen. Die Gaschromatographie-Analyse des gereinigten IPA ist nachstehend angegeben. Die einstufige Kristallisation mit NMP als Lösungsmittel wurde wiederum zur Reinigung verwendet.
Die Produktanalyse zeigte wiederum, dass 4-CBA (1,00%) und p-Toluylsäure (0,10%) über eine einstufige Kristallisation mit NMP als Lösungsmittel effizient auf ppm-Mengen gesenkt werden konnte.

Claims

Verfahren zum Reinigen von roher Isophthalsäure (IPA) aus einer flüssigen Dispersion davon, die auch Verunreinigungen enthält, ausgewählt aus nicht umgesetzten Ausgangsmaterialien, Lösungsmittel, Produkten von Nebenreaktionen und/oder anderen unerwünschten Materia-lien, umfassend: Filtern der Dispersion, so dass man einen rohen IPA-Filterkuchen erhält; Lösen des Filterkuchens in einem polaren organischen Lösungsmittel bei einer erhöhten Temperatur zwischen 50 und 200°C, so dass man eine Lösung erhält; Kristallisieren der gereinigten IPA aus der Lösung in dem polaren organischen Lösungsmittel durch Senken der Temperatur oder Senken des Drucks in dem Maße, dass das Lösungsmittel aus der IPA der Lösung schnellverdampft wird; Trennen der kristallisierten gereinigten IPA aus der Lösung; Waschen des gereinigten IPA-Kuchens mit einem reinen oder IPA-gesättigten Lösungsmittel, so dass man die Mutterlauge und die Farbkörper verdrängt; und erneutes Lösen oder Tränken des gewaschenen IPA-Kuchens in Wasser bei erhöhten Temperaturen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die flüssige IPA-Dispersion hergestellt wird durch Oxidieren von Metaxylen in einem Reaktions-Lösungsmittel, so dass man die flüssige IPA-Dispersion in dem Reaktions-Lösungsmittel erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Lösungsmittel, in dem das Metaxylen oxidiert wird, Essigsäure ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die flüssige Dispersion hergestellt wird durch Zufuhr eines Abstroms aus dem Oxidationsschritt zu einer Reihe von Kristallisatoren, so dass Isophthalsäurekristalle wachsen können, indem das Reaktions-Lösungsmittel eingedampft wird und die Kristalle abfiltriert werden, damit man den rohen IPA-Filterkuchen erhält, und der rohe IPA-Filterkuchen getrocknet wird, damit man das Reaktions-Lösungsmittel entfernt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Mutterlauge aus dem Filtrationsschritt dehydratisiert wird, so dass man das Lösungsmittel erhält und es in den Oxidationsschritt zurückschickt.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Dispersion 3-Carboxybenzaldehyd (3-CBA) und m-Toluylsäure enthält.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Temperatur der Lösung auf 5 bis 100°C, vorzugsweise 10 bis 45°C, gesenkt wird.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das polare organische Lösungsmittel ausgewählt ist aus N,N-Dimethylacetamid, N,N-Dimethylformamid, N-Formylpiperidin, N-Alkyl-2-pyrrolidonen, N-Mercaptoalkyl-2-pyrrolidonen, N-Alkyl-2-thiopyrrolidonen, N-Hydroxyalkyl-2-pyrrolidonen, Morpholinen, N-Formylmorpholin, Carbitolen, C₁- bis C₁₂-Alkoholen, Ethern, Aminen, Amiden und Estern sowie deren Gemischen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das polare organische Lösungsmittel N-Methylpyrrolidon (NMP) ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das polare organische Lösungsmittel ausgewählt ist aus N-Ethylpyrro lidon, N-Methyl-2-thiopyrrolidon, N-Hydroxyethyl-2-pyrrolidon und N-Mercaptoethyl-2-pyrrolidon.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Waschschritt des Filterkuchens ein Wasch-Lösungsmittel verwendet, ausgewählt aus reinem oder IPA-gesättigtem NMP, p-Xylol, Methanol, Aceton und Methylethylketon.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, zudem umfassend den Schritt Verdrängen des selektiven Kristallisations-Lösungsmittels nach dem Kristallisationsschritt mit einem Verdrängungs-Lösungsmittel, ausgewählt aus Wasser, Methanol, Methylethylketon und Aceton.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das erneute Lösen oder Tränken des gereinigten IPA-Kuchens in Wasser bei Temperaturen zwischen 180 und 280°C erfolgt, so dass man die letzte Spurenmenge Kristallisations-Lösungsmittel entfernt und damit man die gewünschten IPA-Teilchengrößen und -Form erhält.