EP1828101A1 - Verfahren zur herstellung von n,n-dimethylacetamid (dmac) - Google Patents

Verfahren zur herstellung von n,n-dimethylacetamid (dmac)

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Publication number
EP1828101A1
EP1828101A1 EP05814359A EP05814359A EP1828101A1 EP 1828101 A1 EP1828101 A1 EP 1828101A1 EP 05814359 A EP05814359 A EP 05814359A EP 05814359 A EP05814359 A EP 05814359A EP 1828101 A1 EP1828101 A1 EP 1828101A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
column
dmac
meoac
reaction
methanol
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05814359A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Horst Grafmans
Steffen Maas
Alexander Weck
Heinz RÜTTER
Michael Schulz
Karl-Heinz Ross
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BASF SE
Original Assignee
BASF SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BASF SE filed Critical BASF SE
Publication of EP1828101A1 publication Critical patent/EP1828101A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C231/00—Preparation of carboxylic acid amides
    • C07C231/02—Preparation of carboxylic acid amides from carboxylic acids or from esters, anhydrides, or halides thereof by reaction with ammonia or amines

Definitions

  • the present invention relates to a process for the preparation of N, N-dimethylacetamide (DMAC) by continuous reaction of methyl acetate (MeOAc) with dimethylamine (DMA) in the presence of a basic catalyst.
  • DMAC N, N-dimethylacetamide
  • DMAC finds use as a polar solvent, e.g. for polymers and for gases, as stripper, extractant, catalyst and crystallization aid.
  • polar solvent e.g. for polymers and for gases
  • stripper extractant
  • catalyst catalyst
  • crystallization aid e.g. for polymers and for gases
  • DMAC because of its high boiling temperature, is used for special binder-based coatings of polymers such as polymers. Polyamides and polyurethanes.
  • DMAC is also used to make fibers and films and as a reaction medium. DMAC is used in the spinning of Spandex® fibers as an excipient and then at least partially recovered.
  • DMAC can be prepared from acetic acid and dimethylamine, e.g. according to FR-A-1, 406,279.
  • Carboxylic acid amides are also accessible by aminolysis of corresponding carboxylic acid esters, cf. e.g. , Organikum ', VEB German publishing house of the sciences, 1963, pages 374-375.
  • CA-A-1 073 467 and CA-A-1 073 468 (both General Electric Comp.) Describe the preparation of diols and N, N-dialkylamides by reacting carboxylic acid diesters with dialkylamines.
  • Example 1 a "20% methanol-methyl acetate azeotropic" for the reaction at 155 - 16O 0 F (68.4 - 71, 2 0 C) is used.
  • JP-A-02 160749 (Lion Akzo KK) relates, according to Patent Abstracts of Japan, the reaction of aliphatic Carbonklad with ammonia or an amine such as Mo nomethylamin, ethylenediamine, diethylenetriamine, in the presence of an "alkali catalyst” at 50 to 180 0 C, in particular 80 to 160 0 C, and in the pressure range of normal pressure to 9.81 bar (10 kg »cm 2 -G).
  • NaOMe sodium methoxide
  • German patent applications Nos. 102004030616.8 of 24.06.04 and DE-A-10 315 214 of BASF AG relate to processes for the purification of DMAC.
  • the present invention has for its object to provide an improved economical, selective, energy and resource-saving process for the preparation of N, N-dimethylacetamide (DMAC).
  • DMAC N, N-dimethylacetamide
  • the process should provide DMAC in high yield and space-time yield and in high purity (e.g., free or quasi-free of acetic acid, high color quality).
  • DMAC N, N-dimethylacetamide
  • MeOAc methyl acetate
  • DMA dimethylamine
  • MeOAc as a methanolic solution and per mole of MeOAc in the range from 0.0002 to 0.09 mol of catalyst is used and the reaction is carried out at a temperature in the range of 90 to 14O 0 C and at an absolute pressure in the range of 10 to 30 bar.
  • DMAC dimethylamine
  • MeOAc methyl acetate
  • Per mole of methyl acetate are preferably in the range of 0.2 to 2.0 mol, especially 0.5 to 1, 5 mol, very particularly 0.8 to 1, 2 mol, for example 0.9 to 1, 1 mol or 1, 0 to 1, 05 mol, dimethylamine (DMA) used.
  • the DMA used preferably has a purity of ⁇ 99% by weight, in particular ⁇ 99.4% by weight, and is, for example, in the range from 99.5 to 99.8% by weight.
  • the methanolic MeOAc solution preferably has a concentration in the range of 65 to 90 wt .-%, particularly preferably 70 to 85 wt .-%, in particular 75 to 82 wt .-%, MeOAc on.
  • an appropriate by-product stream which is used in the production of polyTHF polytetrahydrofuran
  • polyTHF polytetrahydrofuran
  • the methanolic MeOAc solution preferably has the following contents:
  • MeOAc 65 to 90 wt .-%, preferably 70 to 85 wt .-%, in particular 75 to
  • Methanol 10 to 30% by weight, preferably 14.8 to 25% by weight, in particular 17.6 to 22% by weight,
  • Dimethyl ether 0 to 2 wt .-%, preferably 0.1 to 1, 5 wt .-%, in particular 0.2 to
  • THF 1, 2 wt .-%, THF: 0 to 4 wt .-%, preferably 0.1 to 3.5 wt .-%, in particular 0.2 to
  • 1, 5 wt .-%, and H 2 O 0 to 0.1 wt .-%, preferably 0 to 0.01 wt .-%, in particular 0 to
  • the methanolic MeOAc solution consists of MeOAc, MeOH, dimethyl ether, THF and water in the amounts indicated above.
  • the continuous reaction is carried out at an absolute pressure in the range of 10 to 30 bar, especially 12 to 25 bar, e.g. 15 to 20 bar, carried out.
  • the reaction temperature is in the range of 90 to 14O 0 C, preferably 95-130 0 C 1, in particular from 97 to 12O 0 C, especially 98-110 0 C, for example 100 to 105 0 C.
  • the reaction is particularly preferably carried out in a jet loop reactor.
  • the jet loop reactor is preferably equipped with a plug-in tube and bottom nozzle.
  • DMA is preferably added together with the catalyst through the pumped propulsion jet and the MeOAc through the jacket jet.
  • the main reactor e.g. the jet loop reactor
  • a post-reactor e.g. a flow tube or a cascaded residence time tank, downstream.
  • the basic catalyst used is preferably an alkali metal hydroxide, alkaline earth metal hydroxide, alkali metal alcoholate, alkaline earth metal alcoholate,
  • the alkali metal is Li, Na, K, Rb or Cs, especially Na or
  • the alkaline earth metal is Be, Mg, Ca, Sr or Ba, in particular Mg or Ca.
  • the alkoxide is preferably a d- 4 alcoholate, in particular thanolat metal.
  • the particular aliphatic amine is preferably a C 3-12
  • Alkylamine e.g. Triethylamine, tri-n-propylamine, tri-n-butylamine, dimethylethylamine,
  • Very particularly preferred catalyst in the process according to the invention is sodium methoxide (NaOMe).
  • the catalyst is homogeneous and / or suspended in the reaction mixture.
  • the catalyst or the catalyst mixture is advantageously used as a solution and / or suspension in a solvent or suspending agent.
  • Preferred solvents and / or suspending agents are water and alcohols (eg C 1-4 alcohols, such as methanol, ethanol, n-propanol, n-butanol) or mixtures thereof.
  • the catalyst or catalyst mixture is added to the o.g. preferred amounts are preferably used as 1 to 35 wt .-%, in particular 5 to 30 wt .-% solution or suspension.
  • a catalyst NaOMe in the o.g. preferred amounts as methanolic solution, in particular as 1 to 35 wt .-% solution, especially as 25 to 30 wt .-% solution used.
  • the reaction of MeOAc in the process of the invention is preferably in the presence of less than 1 wt .-%, particularly less than 0.5 wt .-%, especially in the range of 0 to 0.3 wt .-%, water, respectively based on the weight of the two feedstocks MeOAc and DMA (in total).
  • the removal of the reaction heat of the reaction preferably takes place via an external heat exchanger.
  • the vapor generated in the external heat exchanger e.g. 1, 5-bar steam, used in a synthesis plant for methylamines from methanol and ammonia.
  • the liquid reactor discharge from the synthesis stage is in the range from 45 to 74.5% by weight, especially 50 to 70% by weight, DMAC, in the range from 25 to 45% by weight, especially 29 to 40 Wt .-%, methanol and a total of 0.5 to 6 wt .-%, especially 1 to 5 wt .-%, DMA, methyl acetate, catalyst (eg sodium methoxide), if necessary, catalyst solvent / -suspensionsstoff and by-products.
  • DMAC in the range from 25 to 45% by weight, especially 29 to 40 Wt .-%, methanol and a total of 0.5 to 6 wt .-%, especially 1 to 5 wt .-%, DMA, methyl acetate, catalyst (eg sodium methoxide), if necessary, catalyst solvent / -suspensionsstoff and by-products.
  • tetrahydrofuran (THF) and / or dimethyl ether may be such by-products.
  • the liquid reactor discharge can be released directly into a bubble of a distillation column.
  • the effluent is advantageously water or an aqueous or anhydrous protic acid such as sulfuric acid, methanesulfonic acid, carboxylic acid (eg Ci -4 carboxylic acid), particularly phosphoric acid, preferably in an amount that a complete turnover of the basic catalyst used for the corresponding acid and the corresponding Alkali metal, alkaline earth metal or ammonium salt of the protonic acid ensures added. That is to say that the basic catalyst used and present in the reactor effluent is completely neutralized by reaction with H + .
  • an aqueous or anhydrous protic acid such as sulfuric acid, methanesulfonic acid, carboxylic acid (eg Ci -4 carboxylic acid), particularly phosphoric acid
  • the organic product mixture is preferably separated from existing salts by evaporation (at normal pressure or in vacuo, e.g., in a reboiler), e.g. until a precipitated salt significantly reduces the heat exchanger performance and leads to encrustations.
  • the bubble for the reactor discharge is then preferably changed and the residue of the old bubble evaporated as far as possible.
  • the precipitated solid salt residue can be dissolved in water and disposed of as a solution in a sewage treatment plant.
  • the solids-removed and partially or totally condensed reactor effluent is worked up by distillation, e.g. in one, two, three, four or more, possibly interconnected, columns.
  • a column A preferably 0.8 to 1.2 bar, of methanol and optionally other low boilers (DMA, water, THF, methyl acetate, and the like) are removed overhead.
  • DMA low boilers
  • a possibly aqueous methanol stream which may contain DMA, enriched, which is for example advantageously recycled for use in a methylamine synthesis plant (in particular for DMA production).
  • the bottom product of column A is fed to a column B.
  • Pure DMAC ⁇ 99.5% by weight, in particular> 99.7% by weight, very particularly preferably> 99.8% by weight, eg in the range of ⁇ 99.9 to 99.99% by weight
  • % preferably via a liquid side draw, which is preferably in the reinforcing part, separated.
  • the head effluent of column B containing DMAC (e.g.> 98 wt% DMAC, especially 98.5 to 99.5 wt% DMAC) is preferably recycled to column A.
  • the bottom product of column B is separated again in a column C under normal pressure, the head discharge containing DMAC and methanol (eg about 94% by weight of DMAC and about 6% by weight of methanol) preferably also being recycled to column A. is and the bottom product of the column C (high boilers, DMAC and methanol added) for disposal, eg Combustion, passes.
  • the third column C significantly reduces the amount of residue.
  • the distillative purification of DMAC can also be carried out according to one of the processes of the two German patent applications No. 102004030616.8 of 24.06.04 and DE-A-10 315 214 (both BASF AG).
  • the process can advantageously also be carried out in a plant which was originally designed for the production of N, N-dimethylformamide (DMF) from carbon monoxide (CO) and DMA.
  • DMF N, N-dimethylformamide
  • the DMAC space-time yields are in the range of 0.1 to 0.85 kg DMAC / (liter reactor volume • h), eg 0.2 to 0.5 kg DMAC / (liter reactor volume • h).
  • the process according to the invention gives DMAC having a purity of> 99.5% by weight, in particular ⁇ 99.7% by weight, very particularly ⁇ 99.8% by weight, for example in the range of> 99.9 to 99, 99% by weight, (method and conditions for determination of purity see below), a water content ⁇ 200 ppm, eg in the range from 50 to 150 ppm, (according to DIN 51777), and a Pt / Co color number ⁇ 10, especially ⁇ 8, eg in the range from 1 to 6, (according to DIN ISO 6271).
  • the acid content (calculated as acetic acid) of the DMAC is in particular ⁇ 80 ppm, more particularly ⁇ 70 ppm, e.g. in the range of 5 to 60 ppm, (according to DIN 53402).
  • the reaction took place in a loop reactor with an average residence time (VWZ) of 1 h and sodium methoxide (0.48 g / h) in methanolic solution (30% strength by weight) as homogeneous catalyst.
  • VWZ average residence time
  • sodium methoxide (0.48 g / h) in methanolic solution (30% strength by weight) as homogeneous catalyst.
  • the heat was removed via an external heat exchanger.
  • the energy dissipated in the external heat exchanger can generate 1, 5-bar steam.
  • the liquid effluent from the synthesis step consisted of 57.7% by weight of DMAC, 34.2% by weight of methanol, 5.0% by weight of methyl acetate and a total of 3.1% by weight of DMA, tetrahydrofuran, sodium methoxide and by-products ,
  • Example 3 All settings from example 1 have been adopted. However, the water content of the feed stream was 550 ppm. After a short time, blockages occurred in the reactor due to precipitated sodium acetate and the experiment had to be stopped. Example 3
  • the reaction took place in a loop reactor with an average VWZ of 1 h and sodium methoxide (0.56 g / h) in methanolic solution (30% by weight) as a homogeneous catalyst.
  • the heat was removed via an external heat exchanger.
  • the energy dissipated in the external heat exchanger can generate 1, 5-bar steam.
  • the liquid discharge from the synthesis stage consisted of 53.9 wt .-% DMAC, 36.3 wt .-% methanol, 3.9 wt .-% of methyl acetate and a total of 5.9 wt .-% DMA, tetrahydrofuran, sodium methoxide and by-products ,
  • This discharge was conveyed in a straight pass through a tubular reactor at 12O 0 C, 20 bar and a mean VWZ of 1 h.
  • the effluent consisted of 58.3 wt% DMAC, 37.3 wt% methanol, 1.1 wt% methyl acetate and a total of 3.3 wt% DMA, tetrahydrofuran, sodium methoxide and by-products.
  • a reaction effluent according to Example 3 was continuously mixed with 85% strength phosphoric acid for the stoichiometric formation of Na 2 HPO 4 .
  • 400 g / h of the condensed mixture were fed continuously to a distillation column and at a bottom temperature of 175 ° C, a high-boiling (218 g / h) with 99.2 wt .-% DMAC and 0 , 8 wt .-% by-products deducted.
  • this stream was further worked up to obtain 198 g / h DMAC with 99.9% purity from a side draw.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung von N,N-Dimethylacetamid (DMAC) durch kontinuierliche Umsetzung von Methylacetat (MeOAc) mit Dimethylamin (DMA) in Gegenwart eines basischen Katalysators, wobei MeOAc als methanolische Lösung und pro Mol MeOAc im Bereich von 0,0002 bis 0,09 Mol Katalysator eingesetzt wird und man die Umsetzung bei einer Temperatur im Bereich von 90 bis 140°C und bei einem Absolutdruck im Bereich von 10 bis 30 bar durchführt.

Description

Verfahren zur Herstellung von N,N-Dimethylacetamid (DMAC)
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von N,N-Dimethyl- acetamid (DMAC) durch kontinuierliche Umsetzung von Methylacetat (MeOAc) mit Dimethylamin (DMA) in Gegenwart eines basischen Katalysators.
DMAC findet Verwendung als polares Lösungsmittel, z.B. für Polymere und für Gase, als Abbeizmittel, Extraktionsmittel, Katalysator und Kristallisationshilfsmittel. In der Lackindustrie wird DMAC wegen seiner hohen Siedetemperatur für spezielle Beschich- tungsstoffe auf der Bindemittel-Basis von Polymeren, wie z.B. Polyamiden und PoIy- urethanen, eingesetzt. DMAC wird weiterhin zur Herstellung von Fasern und Folien und als Reaktionsmedium verwendet. DMAC wird beim Verspinnen von Spandex®- Fasern als Hilfsstoff eingesetzt und anschließend zumindest teilweise zurückgewonnen.
DMAC kann aus Essigsäure und Dimethylamin hergestellt werden, z.B. gemäß FR-A-1 , 406,279.
Carbonsäureamide sind auch durch Aminolyse von entsprechenden Carbonsäureestern zugänglich, vgl. z.B. ,Organikum', VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, 1963, Seiten 374-375.
Der Artikel von J. P. Guthrie in J. Am. Chem. Soc. 96, Seiten 3608-15 (1974), betrifft reaktionskinetische und thermodynamische Aspekte u.a. der Aminolyse von Carbonsäureestern.
CA-A-1 073 467 und CA-A-1 073 468 (beide General Electric Comp.) beschreiben die Herstellung von Diolen und N,N-Dialkylamiden durch Umsetzung von Carbonsäurediol- estern mit Dialkylaminen.
US-A-4,258,200 (Air Products) lehrt die Herstellung von DMAC aus Methylacetat und DMA in Gegenwart von Cobalt-Katalysatoren.
Gemäß Beispiel 1 wird ein „20 % methanol-methylacetat azeotrope" zur Umsetzung bei 155 - 16O0F (68,4 - 71 ,20C) eingesetzt. JP-A-02 160749 (Lion Akzo KK) betrifft gemäß den Patent Abstracts of Japan die Reaktion von aliphatischen Carbonsäureestern mit Ammoniak oder einem Amin, wie Mo- nomethylamin, Ethylendiamin, Diethylentriamin, in Gegenwart eines „alkali catalyst" bei 50 bis 1800C, insbesondere 80 bis 1600C, und im Druckbereich von Normaldruck bis 9,81 bar (10 kg » cm-2 - G).
Es werden 0,1 bis 10 Mol.%, insbesondere 1 bis 5 Mol.%, bezogen auf den eingesetzten Carbonsäureester, Natriummethanolat (NaOMe) als Katalysator eingesetzt.
Derwent Abstract 84-016399/03 (SU-A-1 004 357; Dnepr Chem. Techn. Inst.) be- schreibt die Herstellung von DMAC oder Dimethylformamid (DMF) durch Umsetzung eines 5-20 %igen Überschusses an entsprechendem Carbonsäuremethylester in Methanol mit DMA bei 50 - 15O0C und anschließendem Recycling von nicht abreagiertem Ester und Methanol in die Reaktionsstufe.
Im Beispiel wird eine Lösung von 0,4 kg Methylformiat in 0,2 kg Methanol / h kontinu- ierlich mit 0,2 kg dampfförmigen DMA / h zu DMF umgesetzt.
Die beiden deutschen Patentanmeldungen Nr. 102004030616.8 vom 24.06.04 und DE-A-10 315 214 von BASF AG betreffen Verfahren zur Reinigung von DMAC.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes wirtschaftliches, selektives, energie- und ressourcensparendes Verfahren zur Herstellung von N,N-Dimethylacetamid (DMAC) aufzufinden. Das Verfahren sollte DMAC in hoher Ausbeute und Raum-Zeit-Ausbeute und in hoher Reinheit (z.B. frei oder quasi frei von Essigsäure, hohe Farbqualität) liefern.
Demgemäß wurde ein Verfahren zur Herstellung von N,N-Dimethylacetamid (DMAC) durch kontinuierliche Umsetzung von Methylacetat (MeOAc) mit Dimethylamin (DMA) in Gegenwart eines basischen Katalysators gefunden, welches dadurch gekennzeichnet, dass MeOAc als methanolische Lösung und pro Mol MeOAc im Bereich von 0,0002 bis 0,09 Mol Katalysator eingesetzt wird und man die Umsetzung bei einer Temperatur im Bereich von 90 bis 14O0C und bei einem Absolutdruck im Bereich von 10 bis 30 bar durchführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich wie folgt ausführen:
Zur DMAC-Synthese wird Dimethylamin (DMA) mit einer methanolischen Lösung von Methylacetat (MeOAc), bei der es sich insbesondere um einen Nebensstrom der Po- lyTHF-Herstellung handeln kann, kontinuierlich umgesetzt.
Pro Mol Methylacetat werden bevorzugt im Bereich von 0,2 bis 2,0 Mol, besonders 0,5 bis 1 ,5 Mol, ganz besonders 0,8 bis 1 ,2 Mol, z.B. 0,9 bis 1 ,1 Mol oder 1 ,0 bis 1 ,05 Mol, Dimethylamin (DMA) eingesetzt. Das eingesetzte DMA weist bevorzugt eine Reinheit von ≥ 99 Gew.-%, insbesondere ≥ 99,4 Gew.-%, auf und liegt z.B. im Bereich von 99,5 bis 99,8 Gew.-%.
Die methanolische MeOAc-Lösung weist bevorzugt eine Konzentration im Bereich von 65 bis 90 Gew.-%, besonders bevorzugt 70 bis 85 Gew.-%, insbesondere 75 bis 82 Gew.-%, MeOAc auf.
Als methanolische MeOAc-Lösung wird in einer besonderen Ausführungsform der Er- findung ein entsprechender Nebenproduktstrom, der bei der Produktion von PoIyTHF (Polytetrahydrofuran), z.B. nach dem zweistufigen BASF- Verfahren gemäß EP-A-3112, DE-A-197 58296 und/oder DE-A-198 17 113, anfällt, eingesetzt.
Diese methanolische MeOAc-Lösung als entsprechender Nebenproduktstrom fällt bei der destillativen Aufarbeitung z.B. als Methylacetat/Methanol-Azeotrop (Siedepunkt: 540C / 1013 mbar) an, da bei der Umesterung von PolyTHF-Diacetat (= PoIy-(1 ,4- butandiol)-bis-(acetat)) mit Methanol zu PoIyTHF stöchiometrische Mengen an MeOAc entstehen.
Bevorzugt weist die methanolische MeOAc-Lösung folgende Gehalte auf:
MeOAc: 65 bis 90 Gew.-%, bevorzugt 70 bis 85 Gew.-%, insbesondere 75 bis
82 Gew.-%,
Methanol: 10 bis 30 Gew.-%, bevorzugt 14,8 bis 25 Gew.-%, insbesondere 17,6 bis 22 Gew.-%,
Dimethylether: 0 bis 2 Gew.-%, bevorzugt 0,1 bis 1 ,5 Gew.-%, insbesondere 0,2 bis
1 ,2 Gew.-%, THF: 0 bis 4 Gew.-%, bevorzugt 0,1 bis 3,5 Gew.-%, insbesondere 0,2 bis
1 ,5 Gew.-%, und H2O: 0 bis 0,1 Gew.-%, bevorzugt 0 bis 0,01 Gew.-%, insbesondere 0 bis
0,003 Gew.-%.
Insbesondere besteht die methanolische MeOAc-Lösung aus MeOAc, MeOH, Dimethylether, THF und Wasser in den oben angegebenen Mengen.
Die kontinuierliche Umsetzung wird bei einem Absolutdruck im Bereich von 10 bis 30 bar, besonders 12 bis 25 bar, z.B. 15 bis 20 bar, durchgeführt.
Die Reaktionstemperatur liegt im Bereich von 90 bis 14O0C, bevorzugt 95 bis 1300C1 insbesondere 97 bis 12O0C, ganz besonders 98 bis 1100C, z.B. 100 bis 1050C. Als Reaktoren für die erfindungsgemäße Umsetzung kommen insbesondere rückvermischende Reaktoren wie beispielsweise Rührkesselreaktoren oder Strahlschlaufenreaktoren, nicht-rückvermischende Reaktoren wie Rührkesselkaskaden oder Rohrreaktoren und Sonderbauformen wie Reaktionskolonnen mit und ohne innen oder außenlie- genden VWZ-Volumina (VWZ = Verweilzeit) in Betracht, wobei eine innen und außenliegender Wärmeabfuhr möglich ist.
Die Umsetzung erfolgt besonders bevorzugt in einem Strahlschlaufenreaktor. Der Strahlschlaufenreaktor ist bevorzugt mit einem Einsteckrohr und unten liegender Düse ausgerüstet. Bevorzugt wird dabei DMA zusammen mit dem Katalysator durch den umgepumpten Treibstrahl und das MeOAc durch den Mantelstrahl zugegeben.
Zur Vervollständigung des Umsatzes wird dem Hauptreaktor, z.B. dem Strahlschlaufenreaktor, besonders bevorzugt ein Nachreaktor, z.B. ein Strömungsrohr oder ein kaskadierter Verweilzeitbehälter, nachgeschaltet.
Die genannten Reaktortypen sind dem Fachmann z.B. aus Ulimanns Enzyklopädie der Technischen Chemie, 4. Auflage, Band 13, S. 135 ff., und P.N. Rylander, "Hydroge- nation and Dehydrogenation" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5th ed. on CD-ROM bekannt.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird als basischer Katalysator bevorzugt ein Alkali- metallhydroxid, Erdalkalimetallhydroxid, Alkalimetallalkoholat, Erdalkalimetallalkoholat,
Alkalimetallcarbonat, Erdalkalimetallcarbonat, Alkalimetallhydrogencarbonat, Erdalka- limetallhydrogencarbonat und/oder ein Amin, insbesondere tertiäres Amin, eingesetzt.
Bei dem Alkalimetall handelt es sich um Li, Na, K, Rb oder Cs, insbesondere Na oder
K.
Bei dem Erdalkalimetall handelt es sich um Be, Mg, Ca, Sr oder Ba, insbesondere Mg oder Ca. Bei dem Alkoholat handelt es sich bevorzugt um ein d-4-Alkoholat, insbesondere Me- thanolat.
Bei dem insbesondere aliphatischen Amin handelt es sich bevorzugt um ein C3-12-
Alkylamin, wie z.B. Triethylamin, Tri-n-propylamin, Tri-n-butylamin, Dimethylethylamin,
Diethylmethyiamin, N-Methyl-piperidin, Triethylendiamin (TEDA).
Im erfindungsgemäßen Verfahren kommen keine Cobalt-Katalysatoren gemäß
US-A-4,258,200 zum Einsatz.
Ganz besonders bevorzugter Katalysator im erfindungsgemäßen Verfahren ist Natri- ummethanolat (NaOMe).
Der Katalysator liegt im Reaktionsgemisch homogen und/oder suspendiert vor. Im kontinuierlichen Verfahren werden pro Mol eingesetztem Methylacetat im Bereich von 0,0002 bis 0,09 Mol, bevorzugt 0,002 bis 0,05 Mol, insbesondere 0,003 bis 0,02 Mol, des Katalysators bzw. der Katalysatormischung eingesetzt.
Der Katalysator oder die Katalysatormischung wird vorteilhaft als Lösung und/oder Suspension in einem Lösungs- oder Suspensionsmittel eingesetzt. Bevorzugte Lösungs- und/oder Suspensionsmittel sind Wasser und Alkohole (z.B. Ci-4- Alkohole, wie Methanol, Ethanol, n-Propanol, n-Butanol) oder Mischungen hiervon.
Bevorzugt ist im Falle eines Alkalimetallalkoholats als Katalysator das Alkalimetall- alkoholat in dem Alkohol, der dem Alkoholat durch Protonierung entspricht, gelöst.
Der Katalysator oder die Katalysatormischung wird in den o.g. bevorzugten Mengen bevorzugt als 1 bis 35 Gew.-%ige, insbesondere 5 bis 30 Gew.-%ige, Lösung oder Suspension eingesetzt.
Besonders vorteilhaft wird als Katalysator NaOMe in den o.g. bevorzugten Mengen als methanolische Lösung, insbesondere als 1 bis 35 Gew.-%ige Lösung, ganz besonders als 25 bis 30 Gew.-%ige Lösung, eingesetzt.
Die Umsetzung des MeOAc im erfindungsgemäßen Verfahren wird bevorzugt in Gegenwart von weniger als 1 Gew.-%, besonders weniger als 0,5 Gew.-%, ganz besonders im Bereich von 0 bis 0,3 Gew.-%, Wasser, jeweils bezogen auf das Gewicht der beiden Einsatzstoffe MeOAc und DMA (in Summe), durchgeführt.
Die Abfuhr der Reaktionswärme der Umsetzung erfolgt bevorzugt über einen externen Wärmetauscher. Besonders vorteilhaft wird der im externen Wärmetauscher erzeugte Dampf, z.B. 1 ,5-bar-Dampf, in einer Syntheseanlage für Methylamine aus Methanol und Ammoniak genutzt.
Im erfindungsgemäßen Verfahren besteht der flüssige Reaktoraustrag aus der Synthesestufe aus im Bereich von 45 bis 74,5 Gew.-%, besonders 50 bis 70 Gew.-%, DMAC, im Bereich von 25 bis 45 Gew.-%, besonders 29 bis 40 Gew.-%, Methanol und insgesamt 0,5 bis 6 Gew.-%, besonders 1 bis 5 Gew.-%, DMA, Methylacetat, Katalysator (z.B. Natriummethanolat), ggf. Katalysatorlösungsmittel/-suspensionsmittel und Nebenprodukte.
Durch den Einsatz von methanolischer MeOAc-Lösung, die bei der Produktion von PoIy-THF anfällt, können Tetrahydrofuran (THF) und/oder Dimethylether solche Nebenprodukte sein. Zur weiteren Aufarbeitung kann der flüssige Reaktoraustrag direkt in eine Blase einer Destillationskolonne entspannt werden.
In einer besonderen Ausführungsform wird in zwei alternierend betriebene Destillati- onsblasen entspannt.
Dem Austrag wird vorteilhaft Wasser oder eine wässrige oder wasserfreie Protonensäure, wie Schwefelsäure, Methansulfonsäure, Carbonsäure (z.B. Ci-4-Carbonsäure), insbesondere Phosphorsäure, bevorzugt in einer Menge die einen vollständigen Um- satz des eingesetzten basischen Katalysators zur korrespondierenden Säure und zum entsprechenden Alkalimetall-, Erdalkalimetall- oder Ammonium-Salz der Protonensäure gewährleistet, zugesetzt. D.h. bevorzugt wird der eingesetzte und im Reaktoraustrag vorhandene basische Katalysator durch Umsetzung mit H+ vollständig neutralisiert.
Dies ist vorteilhaft, da der basische Katalysator, wie z.B. Natriummethanolat, nach der Ausgasung von restlichem DMA die Rückspaltung von DMAC katalysieren würde.
Das organische Produktgemisch wird bevorzugt durch Verdampfen (bei Normaldruck oder im Vakuum, z.B. in einem Aufkocher) von vorhandenen Salzen abgetrennt, z.B. bis ein ausfallendes Salz die Wärmetauscherleistung deutlich reduziert und zu Verkrustungen führt.
Die Blase für den Reaktoraustrag wird dann bevorzugt gewechselt und der Rückstand der alten Blase möglichst weit eingedampft. Der ausgefallene feste Salzrückstand kann in Wasser aufgelöst und als Lösung in eine Kläranlage entsorgt werden.
Der vom Feststoff abgedampfte und partiell- oder total-kondensierte Reaktoraustrag wird destillativ aufgearbeitet, z.B. in einer, zwei, drei, vier oder mehr, ggf. miteinander verschaltenen, Kolonnen.
Bevorzugt wird in drei kontinuierlich betriebenen Destillationskolonnen aufgearbeitet.
Dabei werden zunächst in einer Kolonne A bei bevorzugt 0,8 bis 1 ,2 bar Methanol und ggf. andere Leichtsieder (DMA, Wasser, THF, Methylacetat u. a.) über Kopf abge- trennt.
In der bevorzugt nachgeschalteten Destillationskolonne D zur Leichtsiederaufreinigung wird ein ggf. wässriger Methanolstrom, der DMA enthalten kann, angereichert, der z.B. vorteilhaft zum Einsatz in eine Methylamine-Syntheseanlage (insbesondere zur DMA- Herstellung) rückgeführt wird. Der Sumpfaustrag der Kolonne A wird einer Kolonne B zugeführt. Bei bevorzugt 100- 500 mbar abs. wird hier reines DMAC (≥ 99,5 Gew.-%, insbesondere > 99,7 Gew.-%, ganz besonders > 99,8 Gew.-%, z.B. im Bereich von ≥ 99,9 bis 99,99 Gew.-%), bevorzugt über einen flüssigen Seitenabzug, der sich bevorzugt im Verstärkungsteil befindet, abgetrennt.
Der Kopfaustrag der Kolonne B, enthaltend DMAC (z.B. > 98 Gew.-% DMAC, insbesondere 98,5 bis 99,5 Gew.-% DMAC), wird bevorzugt in die Kolonne A zurückgeführt.
Der Sumpfaustrag der Kolonne B wird in einer Kolonne C bei bevorzugt Normaldruck nochmals aufgetrennt, wobei der Kopfaustrag, enthaltend DMAC und Methanol (z.B. ca. 94 Gew.-% DMAC und ca. 6 Gew.-% Methanol) bevorzugt ebenfalls zur Kolonne A zurückgeführt wird und der Sumpfaustrag der Kolonne C (Hochsieder, DMAC und zugesetztes Methanol) zur Entsorgung, z.B. Verbrennung, gelangt. Durch die dritte Ko- lonne C wird die Rückstandsmenge deutlich reduziert.
Die destillative Reinigung von DMAC kann auch gemäß einem der Verfahren der beiden deutschen Patentanmeldungen Nr. 102004030616.8 vom 24.06.04 und DE-A-10 315 214 (beide BASF AG) erfolgen.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass das Verfahren vorteilhaft auch in einer Anlage durchgeführt werden kann, die ursprünglich für die Herstellung von N,N-Dimethyl- formamid (DMF) aus Kohlenmonoxid (CO) und DMA konzipiert ist.
Durch geringfügige Modifikationen/Anlageergänzungen (wie z.B. Nachreaktor, Tank für DMAC und/oder betreffend die Kolonnenverschaltung) kann so in der DMF-Anlage, wie sie z.B. in K. Weissermel, H.-J. Arpe, Industrielle Organische Chemie, Wiley-VCH, 5. Auflage 1998, Seite 49, oder allgemein und prinzipiell in JP-A2-110 92 434 beschrieben ist, vorteilhaft sowohl DMF als auch DMAC, z.B. im Wechselbetrieb, hergestellt werden. D.h. die Erfindung ermöglicht auch die alternative oder alternierende Produktion von DMAC in einer DMF-Anlage.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden DMAC-Ausbeuten im Bereich von ≥ 88 %, insbesondere ≥ 95 %, ganz besonders ≥ 99 %, z.B. 99,5 bis 99,9 %, (jeweils bezogen auf eingesetztes MeOAc), bei MeOAc-U msätzen im Bereich von ≥ 90 %, insbesondere ≥ 96 %, ganz besonders ≥ 99 %, z.B. 99,5 bis 100 %, erzielt.
Die DMAC-Raum-Zeit-Ausbeuten liegen im Bereich von 0,1 bis 0,85 kg DMAC / (Liter Reaktorvolumen • h), z.B. 0,2 bis 0,5 kg DMAC / (Liter Reaktorvolumen • h). Das erfindungsgemäße Verfahren liefert DMAC mit einer Reinheit von > 99,5 Gew.-%, insbesondere ≥ 99,7 Gew.-%, ganz besonders ≥ 99,8 Gew.-%, z.B. im Bereich von > 99,9 bis 99,99 Gew.-%, (Methode und Bedingungen zur Reinheitsbestimmung s.u.), einem Wassergehalt ≤ 200 ppm, z.B. im Bereich von 50 bis 150 ppm, (nach DIN 51777), und einer Pt/Co-Farbzahl ≤ 10, besonders < 8, z.B. im Bereich von 1 bis 6, (nach DIN ISO 6271).
Der Säuregehalt (berechnet als Essigsäure) des DMAC liegt insbesondere bei ≤ 80 ppm, ganz besonders bei ≤ 70 ppm, z.B. im Bereich von 5 bis 60 ppm, (nach DIN 53402).
Alle ppm-Angaben in diesem Dokument beziehen sich auf das Gewicht (Gew.-ppm).
Beispiele
Beispiel 1
Zur einstufigen DMAC-Synthese wurden 45,0 g/h Dimethylamin (DMA) mit 95,5 g/h methanolischem Methylacetat (77,5 Gew.-%ig), welches zuvor als Nebenproduktstrom bei der Produktion von PoIy-THF gemäß EP-A-3112, DE-A-197 58 296 und/oder DE-A-198 17 113 anfiel (THF-Gehalt: 1 ,5 Gew.-%), bei 20 bar und 12O0C umgesetzt. Der Wassergehalt im Zulauf (DMA + methanolisches Methylacetat) betrug 109 ppm.
Die Reaktion erfolgte in einem Schlaufenreaktor mit einer mittleren Verweilzeit (VWZ) von 1 h und Natriummethanolat (0,48 g/h) in methanolischer Lösung (30 Gew.-%ig) als homogenem Katalysator. Die Wärmeabfuhr erfolgte über einen externen Wärmetauscher. Die im externen Wärmetauscher abgeführte Energie kann 1 ,5-bar-Dampf erzeugen.
Der flüssige Austrag aus der Synthesestufe bestand aus 57,7 Gew.-% DMAC, 34,2 Gew.-% Methanol, 5,0 Gew.-% Methylacetat und insgesamt 3,1 Gew.-% DMA, Tetrahydrofuran, Natriummethanolat und Nebenprodukte.
Beispiel 2
Es wurden alle Einstellungen aus Beispiel 1 übernommen. Allerdings betrug der Wassergehalt des Zulaufstroms 550 ppm. Nach kurzer Zeit kam es im Reaktor durch aus- fallendes Natriumacetat zu Verstopfungen und der Versuch musste abgebrochen werden. Beispiel 3
Zur zweistufigen DMAC-Synthese wurden 45,2 g/h Dimethylamin (DMA) mit 92,5 g/h methanolischem Methylacetat (78,8 Gew.-%ig), welches zuvor als Nebenproduktstrom bei der Produktion von PoIy-THF gemäß EP-A-3112, DE-A-197 58 296 und/oder DE-A-198 17 113 anfiel (THF-Gehalt: 1 ,0 Gew.-%), bei 20 bar und 12O0C umgesetzt.
Die Reaktion erfolgte in einem Schlaufenreaktor mit einer mittleren VWZ von 1 h und Natriummethanolat (0,56 g/h) in methanolischer Lösung (30 Gew.-%ig) als homogenem Katalysator. Die Wärmeabfuhr erfolgte über einen externen Wärmetauscher. Die im externen Wärmetauscher abgeführte Energie kann 1 ,5-bar-Dampf erzeugen.
Der flüssige Austrag aus der Synthesestufe bestand aus 53,9 Gew.-% DMAC, 36,3 Gew.-% Methanol, 3,9 Gew.-% Methylacetat und insgesamt 5,9 Gew.-% DMA, Tetrahydrofuran, Natriummethanolat und Nebenprodukte.
Dieser Austrag wurde im geraden Durchgang durch einen Rohrreaktor bei 12O0C, 20 bar und einer mittleren VWZ von 1 h gefördert. Der Austrag bestand aus 58,3 Gew.-% DMAC, 37,3 Gew.-% Methanol, 1,1 Gew.-% Methylacetat und insgesamt 3,3 Gew.-% DMA, Tetrahydrofuran, Natriummethanolat und Nebenprodukte.
Beispiel 4
Einem Reaktionsaustrag nach Beispiel 3 wurde kontinuierlich 10 Gew.-% überstöchio- metrisch zum Katalysator H2O zugesetzt, um das Natriummethanolat zu zersetzen. In einer kontinuierlichen Abdampf blase wurden bei 135°C alle flüchtigen Inhaltsstoffe (1 ,8 kg/h) abdestilliert. Der sich innerhalb von 20 Betriebsstunden angesammelte und bis zur Trockene eingedampfte salzartige Rückstand (245 g) im Sumpf der Blase wur- de in 1 ,5 kg H2O gelöst und rückstandsfrei aus der Blase ins behandlungsbedürftige Abwasser (bbA) abgeführt.
Beispiel 5
Ein Reaktionsaustrag nach Beispiel 3 wurde kontinuierlich mit 85 %iger Phosphorsäure zur stöchiometrischen Bildung von Na2HPO4 versetzt. Nach erfolgter Katalysatorzersetzung und Abdampfung der flüchtigen Inhaltsstoffe gemäß Beispiel 4 wurden 400 g/h des kondensierten Gemisches kontinuierlich einer Destillationskolonne zugeführt und bei einer Sumpftemperatur von 175°C ein Schwersiederstrom (218 g/h) mit 99,2 Gew.-% DMAC und 0,8 Gew.-% Nebenprodukte abgezogen. In einer nachfolgenden kontinuierlichen Destillation wurde dieser Strom weiter aufgearbeitet, wobei aus einem Seitenabzug 198 g/h DMAC mit einer Reinheit von 99,9 % erhalten wurde.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von N.N-Dimethylacetamid (DMAC) durch kontinuierliche Umsetzung von Methylacetat (MeOAc) mit Dimethylamin (DMA) in Gegen- wart eines basischen Katalysators, dadurch gekennzeichnet, dass MeOAc als methanolische Lösung und pro Mol MeOAc im Bereich von 0,0002 bis 0,09 Mol Katalysator eingesetzt wird und man die Umsetzung bei einer Temperatur im Bereich von 90 bis 14O0C und bei einem Absolutdruck im Bereich von 10 bis 30 bar durchführt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass man die Umsetzung bei einer Temperatur im Bereich von 95 bis 1300C durchführt.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man die Umsetzung bei einem Absolutdruck im Bereich von 12 bis 25 bar durchführt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass MeOAc als methanolische Lösung, die bei der Herstellung von PoIyTHF durch Umesterung von PoIyTH F-Diacetat mit Methanol als Nebenprodukt anfällt, eingesetzt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die methanolische MeOAc-Lösung 70 bis 85 Gew.-% MeOAc, 14,8 bis
25 Gew.-% Methanol, 0,1 bis 1 ,5 Gew.-% Dimethylether, 0,1 bis 3,5 Gew.-% Tetrahydrofuran (THF) und 0 bis 0,01 Gew.-% Wasser enthält.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die methanolische MeOAc-Lösung 75 bis 82 Gew.-% MeOAc, 17,6 bis 22 Gew.-% Methanol, 0,2 bis 1 ,2 Gew.-% Dimethylether, 0,2 bis 1 ,5 Gew.-% Tetrahydrofuran (THF) und 0 bis 0,003 Gew.-% Wasser enthält.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Katalysator Natriummethanolat eingesetzt wird.
8. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator als methanolische Lösung eingesetzt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass pro Mol Methylacetat im Bereich von 0,002 bis 0,05 Mol Katalysator einge- setzt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzung in einem Strahlschlaufenreaktor durchgeführt wird.
11. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlschlaufenreaktor ein Einsteckrohr und eine unten liegende Düse aufweist.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Umsetzung und vor der destillativen Aufarbeitung der im Reaktor- austrag vorhandene basische Katalysator durch Umsetzung mit einer Protonensäure neutralisiert oder mit Wasser zersetzt wird.
13. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Protonensäure um Phosphorsäure handelt.
14. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Umsetzung, nach der Neutralisation mit einer Protonensäure und vor der destillativen Aufarbeitung das organische Produktgemisch durch Verdampfen von vorhandenen Salzen abgetrennt wird.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kontinuierliche destillative Aufarbeitung derart erfolgt, dass zunächst in einer Kolonne A Methanol und gegebenenfalls andere Leichtsieder über Kopf abgetrennt werden und der Sumpfaustrag der Kolonne A einer Kolonne B zuge- führt wird, in der DMAC mit einer Reinheit von ≥ 99,7 Gew.-% über einen Seitenabzug abgetrennt wird.
16. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kolonne B das DMAC mit einer Reinheit von > 99,7 Gew.-% über einen flüssigen Seitenabzug, der sich im Verstärkungsteil der Kolonne befindet, abgetrennt wird.
17. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopfaustrag der Kolonne B, enthaltend DMAC, in die Kolonne A zurückgeführt wird.
18. Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sumpfaustrag der Kolonne B in einer Kolonne C aufgetrennt wird, wobei der Kopfaustrag, enthaltend DMAC und Methanol, zur Kolonne A zu- rückgeführt wird.
19. Verfahren nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopfaustrag der Kolonne A, enthaltend Methanol, in einer Kolonne D aufgereinigt und in einer Syntheseanlage zur Herstellung von Methylaminen aus Methanol und Ammoniak eingesetzt wird.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung von DMAC mit einer Reinheit von ≥ 99,7 Gew.-%, einem Wassergehalt ≤ 200 ppm und einer Pt/Co-Farbzahl ≤ 10.
21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung von DMAC mit einem Säuregehalt (berechnet als Essigsäure) von ≤ 80 ppm.
22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es in einer Anlage durchgeführt wird, in der auch N,N-Dimethylformamid (DMF) aus Kohlenmonoxid (CO) und DMA hergestellt werden kann.
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