ES2201713T3 - Procedimiento para purificar acido isoftalico mediante cristalizacion. - Google Patents
Procedimiento para purificar acido isoftalico mediante cristalizacion.Info
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Abstract
Un método para purificar ácido isoftálico (IPA) en bruto, partiendo de una dispersión líquida del mismo, que también contiene impurezas menores seleccionadas de materiales de partida sin reaccionar, disolvente, productos de reacciones secundarias y/u otros materiales no deseados, que comprende: filtrar dicha dispersión para formar una torta de filtración de IPA en bruto; disolver dicha torta de filtración en un disolvente orgánico polar a una temperatura elevada, comprendida entre 50 y 200°C para formar una solución; cristalizar el IPA purificado partiendo de dicha solución en el citado disolvente orgánico polar, reduciendo la temperatura o bien, reduciendo la presión lo suficiente como para evaporar instantáneamente el disolvente de dicho IPA de la citada solución; separar el mencionado IPA cristalizado purificado de dicha solución; lavar la torta de IPA purificada con un disolvente limpio o saturado con IPA para desplazar el agua madre y los cuerpos de color; y volver a disolver o sumergir la torta de IPA lavada en agua, a temperaturas elevadas.
Description
Procedimiento para purificar ácido isoftálico
mediante cristalización.
La presente invención se refiere a un método para
purificar el efluente del reactor de oxidación que contiene la
mezcla de ácido isoftálico, como así también, pequeñas cantidades de
3-carboxibenzaldehído (3-CBA), ácido
m-toluico y otras impurezas menores, para producir
un ácido isoftálico purificado en un procedimiento integrado. El
ácido isoftálico es útil en los procedimientos de copolimerización
para la producción de fibras, películas, botellas plásticas y
estructuras de resinas de poliéster, a menudo reforzadas con otros
materiales, tales como fibra de vidrio.
El documento de patente
WO-9640612 describe un método y aparato para
purificar ácido tereftálico en bruto, con el propósito de formar una
dispersión líquida que contiene impurezas menores seleccionadas de
materiales de partida sin reaccionar, solventes, productos de
reacciones secundarias y/u otros materiales no deseados.
En el documento de patente de EE.UU. 2.949.483 se
describe un método para purificar los ácidos dicarboxílicos
aromáticos usados en la fabricación de copoliésteres y poliésteres
formadores de fibras y filamentos, por medio de la recristalización,
partiendo de disolventes orgánicos.
De acuerdo con la presente invención se
proporciona un método para purificar el ácido isoftálico (IPA) en
bruto a partir de una dispersión líquida del mismo que también
contiene impurezas menores seleccionadas de materiales de partida
sin reaccionar, disolvente, productos de reacciones secundarias y/u
otros materiales no deseados, que comprende: filtrar dicha
dispersión para formar una torta de filtración de IPA en bruto;
disolver dicha torta de filtración en un disolvente orgánico polar,
a una temperatura elevada comprendida entre 50 y 200ºC para formar
una solución; cristalizar el IPA purificado de dicha solución en el
mencionado disolvente orgánico polar reduciendo la temperatura o
bien, reduciendo la presión lo suficiente como para evaporar
instantáneamente el solvente de dicho IPA de la citada solución;
separar el mencionado IPA purificado cristalizado de dicha solución;
lavar la torta de IPA purificada con un disolvente saturado limpio o
de IPA para desplazar el agua madre y los cuerpos de color; y volver
a disolver o sumergir la torta de IPA lavada en agua a temperaturas
elevadas.
El método se refiere preferiblemente al ácido
isoftálico en bruto producido por la oxidación del metaxileno. La
etapa de oxidación no sólo produce el ácido isoftálico, sino que
además, por oxidación incompleta, genera 3-CBA,
ácido m-toluico y otras cantidades traza de
isómeros de aldehído y ácido. El producto que se genera en la etapa
de oxidación es una dispersión líquida que contiene materiales de
partida sin reaccionar, disolventes, si se hubiera usado alguno, los
productos de reacciones secundarias, particularmente, aquéllos que
acaban de mencionarse y otros materiales que no se desean en el
ácido isoftálico purificado buscado.
El efluente de reactor se introduce en una serie
de cristalizadores para permitir que los cristales de ácido
isoftálico se desarrollen por evaporación del disolvente de reacción
-preferiblemente, ácido acético- a través de reducciones de presión.
La suspensión producida desde el último cristalizador se filtra y se
lava. Los cristales filtrados luego se secan para eliminar el
disolvente a un nivel inferior a 0,25% en los cristales IPA en
bruto. El agua madre resultante de la filtración se introduce en la
unidad de deshidratación de disolventes para recuperar el disolvente
(ácido acético) del agua, para reciclarlo al oxidante.
La invención también contempla las etapas de
reobtener y reciclar los disolventes de la invención, en cada fase
de la cristalización y lavado, e inmersión final. También se
implementan medidas para controlar estrictamente la emisión al medio
ambiente de cualesquier materiales objetables.
En un aspecto importante, la presente invención
se basa en los hallazgos referidos a los disolventes que son
eficaces para producir la purificación del IPA en bruto a través de
las etapas de cristalización y separación. Estos hallazgos se pueden
resumir de varias maneras, según se detalla a continuación.
El disolvente orgánico polar actúa como un
disolvente de cristalización selectivo en el que: (a) las impurezas
menores que hay que separar del IPA son relativamente más solubles
que el IPA, a sustancialmente todas las temperaturas comprendidas en
el intervalo deseado de temperaturas al que debe manipularse el
disolvente que contiene el IPA, y (b) el IPA es más soluble a una
temperatura elevada y menos soluble a una temperatura menor o
reducida. La acción de los disolventes orgánicos polares como
"disolventes de cristalización selectivos" se describe en forma
más detallada más adelante y se muestra en la Figura 1.
De acuerdo con la invención, el disolvente de
cristalización selectivo básico preferido es N-metil
pirrolidona (NMP), por las diversas razones que explicaremos a
continuación y por su rendimiento superior. No es acuoso, es
térmicamente estable, no tóxico (seguro para el medio ambiente), no
corrosivo y está comercialmente disponible. Según se muestra en la
Figura 1, su curva de solubilidad en función de la temperatura
indica que el IPA puede disolverse en NMP a temperaturas elevadas y
precipitarse o cristalizarse a partir de la NMP a temperaturas
inferiores. Las principales impurezas menores -tales como el CBA
(indicado como 4-CBA) y el ácido toluico (indicado
como ácido p-toluico)- tienen una solubilidad mucho
mayor en NMP que el IPA, a todas las temperaturas. Por lo tanto, al
bajar la temperatura, sólo el IPA tiende a cristalizarse o
precipitar desde la solución para formar cristales de IPA
purificados.
\newpage
Aunque la NMP es el disolvente de cristalización
selectivo que más se prefiere de todos, debe entenderse que de
acuerdo con la presente invención, se pueden seleccionar otros
disolventes de cristalización selectivos preferidos para la
purificación del IPA en bruto, entre diversos disolventes orgánicos
polares, los cuales incluyen, aunque sin limitarse a ellos:
N,N-dimetil-acetamida,
N,N-dimetil-formamida,
N-formil-piperidina,
N-alquil-2-pirrolidona
(tal como N-etil pirrolidona),
N-mercaptoalquil-2-pirrolidona
(tal como
N-mercaptoetil-2-pirrolidona),
N-alquil-2-tiopirrolidona
(tal como
N-metil-2-tiopirrolidona),
N-hidroxialquil-2-pirrolidona
(tal como
N-hidroxietil-2-pirrolidona),
las morfolinas (tales como morfolina y N-formil-
morfolina), los carbitoles, alcoholes C_{1} a C_{12}, los
éteres, las aminas, las amidas, los ésteres y las mezclas de los
mismos.
Para eliminar el disolvente residual que queda
atrapado en los cristales del producto de IPA final, los cristales
de IPA lavados se introducen, preferiblemente, en un recipiente de
inmersión ("soaker"), a alta temperatura donde se usa agua para
disolver los cristales de IPA, ya fuera en forma total o parcial.
Cuando los cristales de IPA vuelven a precipitar o se separan de
algún otro modo del agua de inmersión, el disolvente residual se
queda en el agua. Además del agua (que se prefiere), es posible
utilizar otros disolventes para desplazar el disolvente de
cristalización selectivo incluso el metanol,
metil-éter-cetona y acetona. Se prefiere sumergir o
volver a disolver la torta de IPA purificada en agua a temperaturas
comprendidas entre aproximadamente 150º y aproximadamente 280ºC para
eliminar la cantidad traza final de disolvente de cristalización y
para obtener la forma y el tamaño deseados de partículas de IPA.
Los siguientes ejemplos ilustran los principios y
características de la invención.
350 g de NMP (disolvente), 207,98 de ácido
isoftálico (IPA), 2,1 g de 3-CBA y 0,21 g de ácido
m-toluico se incorporaron en un cristalizador
equipado con un manto de calentamiento, una termocupla, un
condensador y un agitador aéreo. La mezcla se calentó a 125ºC hasta
que los sólidos se disolvieron por completo bajo agitación y la
solución se mantuvo a 125ºC durante aproximadamente una hora antes
de que comenzara la refrigeración. La solución se enfrió lentamente
hasta los 40ºC, en el lapso de dos a cuatro horas para permitir el
desarrollo de los cristales de IPA. Luego, la suspensión se retiró
del cristalizador y se filtró a una temperatura de 45 a 50ºC. La
torta filtrada (210 g) se enjuagó con 630 g de solución de NMP
saturada con IPA (la solución contenía 25 g de IPA por cada 100 g de
NMP) para separar el agua madre atrapada de la torta. Se puede usar
NMP limpia para el enjuague, aunque se prefiere utilizar NMP
saturada con IPA a fin de minimizar las pérdidas debido al lavajo de
la torta. Una mitad de la torta enjuagada volvió a enjuagarse a
temperatura ambiente, con una cantidad igual de solución de NMP
saturada (11 g de IPA por cada 100 g de NMP). Además de la NMP
limpia o saturada, se pueden usar otros solventes para el lavado,
incluso p-xileno, metanol, acetona y
metil-etil-cetona.
Los cristales enjuagados se secaron y analizaron
por cromatografía gaseosa para determinar su composición y los
resultados se resumen a continuación:
| Composición de alimentación | Composición de los cristales | ||||
| del producto | |||||
| Ensayo No. | % de 3-CBA | % de ácido | % de | % de 3-CBA | % de ácido |
| m-toluico | disolvente | m-toluico | |||
| 1a | 1,00 | 0,10 | 58,3 | 0,0139 | < 2ppm |
| 1b | 1,00 | 0,10 | 58,5 | 0,0039 | < 2ppm |
| 2a | 1,00 | 0,10 | 58,5 | 0,0038 | < 2ppm |
| 2b | 1,00 | 0,10 | 58,8 | 0,0027 | < 2ppm |
Notas
(a) El ensayo 2 fue una duplicación del ensayo
1.
(b) "a" fue el análisis de los cristales
enjuagados con NMP saturada en una relación de 3:1, a 40ºC; y
"b" fue el análisis del cristal de "a" con un enjuague
adicional a temperatura ambiente, en una relación de 1:1.
En el ensayo 1, con la cristalización de una sola
fase, el 3-CBA se redujo sustancialmente, de 1,00% a
39 ppm y el ácido m-toluico se redujo de 0,10% a
menos de 2 ppm (límite de detección experimental). En el ensayo 2,
con cristalización de una sola fase, el 3-CBA se
redujo de 1,00% a 27 ppm y el ácido m-toluico se
redujo de 0,10% a menos de 2 ppm. Por lo tanto, se llegó a la
conclusión que sólo se requiere una cristalización de una sola fase
usando NMP como disolvente para purificar el IPA en bruto (que
contiene hasta 1% de 3-CBA y 0,1% de ácido
m-toluico) y convertirlo en un producto IPA con
menos de 40 ppm de 3-CBA y 2 ppm de ácido
m-toluico.
\newpage
Se prefiere que la temperatura de la solución se
reduzca a un intervalo de temperaturas comprendido entre 5 y 100ºC
aproximadamente y, especialmente, se prefiere que se reduzca a un
intervalo de temperaturas comprendido entre 10 y 45ºC
aproximadamente.
El procedimiento experimental del Ejemplo 1 se
repitió reemplazando el 3-CBA por
4-CBA y reemplazando el ácido
m-toluico por ácido p-toluico. Este
experimento se llevó a cabo para asegurarse de que la pequeña
cantidad de otros isómeros de impurezas en el IPA en bruto -tales
como 4-CBA y ácido p-toluico- no
ocasionara ningún problema en el procedimiento de esta invención
para producir el IPA purificado. El análisis por cromatografía
gaseosa del IPA purificado se presenta a continuación. Una vez más
se utilizó la cristalización de una sola fase con NMP como
disolvente para la purificación.
| Composición de alimentación | Composición de los | |||
| cristales del producto | ||||
| Ensayo No. | % de 4-CBA | % de ácido | % de 4-CBA | % de ácido |
| p-toluico | p-toluico | |||
| 1 | 1,00 | 0,00 | 0,0015 | 0,0000 |
| 2 | 0,99 | 0,10 | 0,0035 | 0,0007 |
| 3 | 1,00 | 0,10 | 0,0029 | 0,0008 |
| 4 | 1,00 | 0,10 | 0,0064 | 0,0009 |
| 5 | 1,00 | 0,10 | 0,0039 | 0,0015 |
Nota: todos los cristales del producto se
enjuagaron con NMP saturada a 40ºC, en una relación de disolvente a
sólido de
3:1.
Una vez más, el análisis del producto demostró
que el 4-CBA (1,00%) y el ácido
p-toluico (0,10%) pueden reducirse a un nivel de ppm
eficazmente, mediante la cristalización de una sola fase, usando NMP
como disolvente.
Claims (13)
1. Un método para purificar ácido isoftálico
(IPA) en bruto, partiendo de una dispersión líquida del mismo, que
también contiene impurezas menores seleccionadas de materiales de
partida sin reaccionar, disolvente, productos de reacciones
secundarias y/u otros materiales no deseados, que comprende:
filtrar dicha dispersión para formar una torta de
filtración de IPA en bruto;
disolver dicha torta de filtración en un
disolvente orgánico polar a una temperatura elevada, comprendida
entre 50 y 200ºC para formar una solución;
cristalizar el IPA purificado partiendo de dicha
solución en el citado disolvente orgánico polar, reduciendo la
temperatura o bien, reduciendo la presión lo suficiente como para
evaporar instantáneamente el disolvente de dicho IPA de la citada
solución;
separar el mencionado IPA cristalizado purificado
de dicha solución;
lavar la torta de IPA purificada con un
disolvente limpio o saturado con IPA para desplazar el agua madre y
los cuerpos de color; y
volver a disolver o sumergir la torta de IPA
lavada en agua, a temperaturas elevadas.
2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1,
en el que la dispersión líquida de IPA se prepara oxidando
metaxileno en un disolvente de reacción para producir la dispersión
líquida de IPA en dicho disolvente de reacción.
3. Un método de acuerdo con la reivindicación 2,
en el que el disolvente en el cual se oxida dicho metaxileno es
ácido acético.
4. Un método de acuerdo con la reivindicación 2,
en el que dicha dispersión líquida se forma introduciendo el
efluente proveniente de la citada etapa de oxidación en una serie de
cristalizadores, para permitir el desarrollo de cristales de ácido
isoftálico mediante la evaporación del disolvente de reacción y
filtrando dichos cristales para formar la citada torta de filtración
de IPA en bruto, y secando dicha torta de filtración de IPA en
bruto para eliminar el disolvente de reacción.
5. Un método de acuerdo con la reivindicación 4,
en el que el agua madre proveniente de dicha etapa de filtrado se
deshidrata para recuperar el disolvente y reciclarlo a la mencionada
etapa de oxidación.
6. Un método de acuerdo con cualquier
reivindicación precedente, en el que la citada dispersión contiene
3-carboxibenzaldehído (3-CBA) y
ácido m-toluico.
7. Un método de acuerdo con cualquier
reivindicación precedente, en el que la temperatura de dicha
solución se reduce a temperaturas de entre 5 y 100ºC,
preferiblemente, de entre 10 y 45ºC.
8. Un método de acuerdo con cualquier
reivindicación precedente, en el que dicho disolvente orgánico polar
se selecciona del grupo que consiste en: N,N-dimetil
acetamida, N,N-dimetil-formamida,
N-formil-piperidina,
N-alquil-2-pirrolidonas,
N-mercaptoalquil-2-pirrolidonas,
N-alquil-2-tiopirrolidonas,
N-hidroxialquil-2-pirrolidonas,
morfolinas, N-formil-morfolina,
carbitoles, alcoholes C_{1} a C_{12}, éteres, aminas, amidas y
ésteres y mezclas de los mismos.
9. Un método de acuerdo con la reivindicación 8,
en el que dicho disolvente orgánico polar es N-metil
pirrolidona (NMP).
10. Un método de acuerdo con la reivindicación 8,
en el que dicho disolvente orgánico polar se selecciona entre
N-etil-pirrolidona,
N-metil-2-tiopirrolidona,
N-hidroxietil-2-pirrolidona
y
N-mercaptoetil-2-pirrolidona.
11. Un método de acuerdo con cualquier
reivindicación precedente, en el que la etapa de lavado de dicha
torta de filtración utiliza un disolvente de lavado que se
selecciona del grupo que consiste en NMP limpia o saturada con IPA,
p-xileno, metanol, acetona, y
metil-etil-cetona.
12. Un método de acuerdo con cualquier
reivindicación precedente y que comprende, además, la etapa de
desplazar dicho disolvente de cristalización selectivo después de la
etapa de cristalización con un disolvente de desplazamiento
seleccionado del grupo que consiste en agua, metanol,
metil-etil-cetona y acetona.
\newpage
13. Un método de acuerdo con cualquier
reivindicación precedente, en el que dicha redisolución o inmersión
de la torta de IPA purificada en agua se lleva a cabo a temperaturas
comprendidas entre 180 y 280ºC, para eliminar la cantidad traza
final de disolvente de cristalización y para obtener la forma y los
tamaños deseados de partículas de IPA.
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