ES2298683T3 - Procedimiento para la produccion de alquilenglicoles usando catalizadores homogeneos. - Google Patents

Procedimiento para la produccion de alquilenglicoles usando catalizadores homogeneos. Download PDF

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Abstract

Un procedimiento para la fabricación de alquilenglicol, comprendiendo el procedimiento: someter una mezcla de reacción a condiciones de reacción adecuadas para de este modo formar un producto de reacción, en el que la mezcla de reacción comprende óxido de alquileno, agua y un catalizador soluble, en el que el producto de reacción comprende alquilenglicol, agua, el catalizador soluble y al menos un subproducto de la reacción, y en el que el catalizador soluble tiene una solubilidad en monoetilenglicol que excede del 5 por ciento en peso; separar el producto de reacción en una corriente de producto de alquilenglicol y una primera corriente de reciclo, en el que la corriente de producto de alquilenglicol comprende alquilenglicol, y en el que la primera corriente de reciclo comprende el catalizador soluble y al menos un subproducto de la reacción; y combinar la primera corriente de reciclo con la mezcla de reacción.

Description

Procedimiento para la producción de alquilenglicoles usando catalizadores homogéneos.
Esta invención se refiere a un procedimiento para la fabricación de alquilenglicol mediante reacción de un óxido de alquileno con agua en la presencia de un catalizador homogéneo. Otro aspecto de la invención se refiere a un procedimiento para la fabricación de un producto de alquilenglicol mediante hidratación de óxido de alquileno en la presencia de un catalizador soluble que tiene unas características de solubilidad que permiten la separación del producto de alquilenglicol del catalizador soluble.
Los alquilenglicoles, y en particular los monoalquilenglicoles, son de un interés comercial contrastado. Por ejemplo, los monoalquilenglicoles, se están usando en las composiciones anticongelantes, como disolventes y como materiales base en la producción de poli(tereftalatos de alquileno) por ejemplo para la fabricación de fibras o de botellas.
Se conoce la producción de alquilenglicoles mediante la hidrólisis en fase líquida de óxido de alquileno. La hidrólisis se efectúa sin un catalizador mediante la adición de un gran exceso de agua, por ejemplo 20 a 25 moles de agua por mol de óxido de alquileno, o con un exceso más pequeño de agua en un sistema catalítico. La reacción se considera que es una reacción de sustitución nucleofílica, en la que tiene lugar la apertura del anillo de óxido de etileno, actuando el agua como el agente nucleófilo. Debido a que el monoalquilenglicol formado en primer lugar actúa también como un agente nucleófilo, como una regla, se forma una mezcla de monoalquilenglicol, dialquilenglicol y alquilenglicoles superiores. Con el fin de incrementar la selectividad a monoalquilenglicol, es necesario suprimir la reacción secundaria entre el producto primario y el óxido de alquileno, la cual compite con la hidrólisis del óxido de alquileno.
Un medio eficaz para la supresión de la reacción secundaria es incrementar la cantidad relativa de agua presente en la mezcla de reacción. Aunque esta medida mejora la selectividad hacia la producción del monoalquilenglicol, ello crea un problema debido a que se tienen que separar grandes cantidades de agua para recuperar el producto.
Se han realizado considerables esfuerzos para encontrar una alternativa para el incremento de la selectividad de la reacción sin tener que usar un gran exceso de agua. Usualmente estos esfuerzos se han centrado en la selección de catalizadores de hidrólisis más activos. El uso de los catalizadores homogéneos puede ser particularmente beneficioso en la hidratación del óxido de alquileno si los mismos se pueden separar fácilmente del producto de reacción. Sin embargo, el uso de catalizadores en los sistemas de reacción homogéneos generalmente plantean un problema cuando el producto de la reacción se separa por destilación debido a la baja solubilidad de los compuestos del catalizador en el producto de glicol. La baja solubilidad del catalizador puede dar lugar a la precipitación del mismo durante la separación del producto de reacción.
Una etapa importante en la fabricación de alquilenglicol mediante la hidrólisis de óxido de alquileno es la separación del agua, el catalizador y los subproductos de la reacción del producto de reacción de alquilenglicol. Resulta así necesario que el catalizador homogéneo usado en un procedimiento tal tenga unas propiedades que permitan la separación fácil del alquilenglicol de los otros componentes del producto de la reacción.
De acuerdo con esto, existe una necesidad para el desarrollo de un procedimiento que use un catalizador de hidratación del óxido de alquileno activo pero selectivo que tenga unas características de solubilidad que permitan la fácil separación del producto de reacción de alquilenglicol y de los otros componentes del producto de la reacción, para su uso de nuevo en la reacción de hidratación.
Otros aspectos, objetos, y las diversas ventajas de la invención serán evidentes a la luz de la descripción siguiente.
La invención se refiere a un procedimiento para la fabricación de monoalquilenglicol. En este procedimiento, una mezcla de reacción, que comprende óxido de alquileno, agua y un catalizador soluble, se somete a unas condiciones de reacción adecuadas para la formación de un producto de reacción que comprende monoalquilenglicol, agua, el catalizador soluble, y, generalmente, subproductos de la reacción tales como los alquilenglicoles superiores. El catalizador soluble tiene una solubilidad en el monoetilenglicol que excede del 5 por ciento en peso. El producto de la reacción se separa en una corriente de producto de monoalquilenglicol, que comprende monoalquilenglicol, y una corriente de reciclo que comprende el catalizador soluble y el subproducto de la reacción. La corriente de reciclo se usa de nuevo mediante la combinación de la misma con la mezcla de reacción.
La Figura 1 es una representación esquemática de una realización del procedimiento de la invención para la fabricación de monoalquilenglicol mediante la hidrólisis de un óxido de alquileno usando un catalizador soluble.
El procedimiento de la invención incluye la hidrólisis de óxido de alquileno en un sistema de reacción líquido homogéneo que usa un compuesto catalítico soluble que tiene unas propiedades de solubilidad que permiten su separación de un producto de reacción sin dar lugar a los problemas asociados a menudo con el uso de otros compuestos catalíticos para la hidrólisis del óxido de alquileno que son menos solubles. Por lo tanto, una característica importante del procedimiento de la invención reside en el uso de un compuesto catalítico para la hidrólisis de un óxido de alquileno que tiene buenas propiedades catalíticas, tales como las de proporcionar una elevada conversión del óxido de alquileno y selectividad a la formación del monoalquilenglicol, pero que tiene las necesarias características de solubilidad que permitan la separación del producto de reacción de monoalquilenglicol del catalizador de la hidrólisis. El catalizador de la hidrólisis separado se puede usar de nuevo en la hidrólisis de óxido de alquileno.
El catalizador de la hidrólisis de óxido de alquileno de la invención es un catalizador de hidrólisis de elevada actividad que proporciona un elevada velocidad de reacción y de conversión de la sustancia reaccionante de óxido de alquileno con una buena selectividad a la formación del monoalquilenglicol, proporcionando, por lo tanto, un rendimiento mínimo de subproductos no deseables tales como los alquilenglicoles superiores tales como los dialquilenglicoles, trialquilenglicoles y poli(alquilenglicoles).
Es importante para conseguir los beneficios de la invención que el catalizador de la hidrólisis del óxido de alquileno tenga una elevada solubilidad en el producto de reacción de la hidrólisis y en la mezcla de producto de reacción de monoalquilenglicol con el fin de minimizar la precipitación del catalizador de la hidrólisis del óxido de alquileno durante la separación del producto de reacción. Así, la solubilidad del catalizador de la hidrólisis del óxido de alquileno en monoalquilenglicol excede del 5 por ciento en peso. La solubilidad preferida del catalizador soluble en monoalquilenglicol excede del 6 por ciento en peso y, lo más preferiblemente, la solubilidad excede del 8 por ciento en peso.
Cuando se hace referencia a la solubilidad del catalizador de la hidrólisis de óxido de alquileno, o al catalizador soluble, la expresión porcentaje en peso significa la relación del peso total del catalizador soluble que puede estar disuelto en un peso dado de un alquilenglicol especificado, tal como el etilenglicol, que incluye el monoetilenglicol y el dietilenglicol, a una temperatura de 25ºC, para formar una disolución saturada dividido por el peso dado del alquilenglicol especificado.
Cualquier sal de bicarbonato, sal de carboxilato o sal de metalato, por ejemplo, una sal de molibdato, que tenga las características de solubilidad descritas anteriormente y que sea eficaz como un catalizador de la hidrólisis del óxido de alquileno, se puede usar en el procedimiento de la invención. Las sales de bicarbonato posibles incluyen bicarbonato de sodio, bicarbonato de potasio, bicarbonato de fosfonio, bicarbonato de colina y bicarbonato de amonio; pero, entre estas, las sales de bicarbonato preferidas son el bicarbonato de potasio, bicarbonato de fosfonio, y el bicarbonato de amonio. La sal de bicarbonato la más preferida es el bicarbonato de potasio. Las sales de carboxilato posibles incluyen el formiato de potasio, formiato de bario, y formiato de plomo. El molibdato de potasio es una posible sal de molibdato que se puede usar como un catalizador.
Se prefiere que la reacción de la hidrólisis de óxido de alquileno proceda como una reacción en fase líquida homogénea dentro de una zona de reacción bajo condiciones de reacción de hidrólisis adecuadas. Así, una mezcla de reacción se puede introducir en una zona de reacción dentro de la cual la mezcla de reacción se somete a unas condiciones de reacción adecuadas para formar un producto de reacción que contiene el alquilenglicol, preferiblemente monoalquilenglicol, que corresponde al óxido de alquileno de la mezcla de reacción.
La mezcla de reacción que se introduce dentro de la zona de reacción comprende la sustancia reaccionante de óxido de alquileno, agua y el catalizador soluble en las proporciones que son eficaces para la producción del producto de reacción del monoalquilenglicol que se obtiene. Generalmente, es deseable usar una cantidad de agua lo más próxima a la cantidad estequiométrica, basado en el óxido de alquileno, ya que es práctico considerar la selectividad a monoalquilenglicol que se puede obtener a partir del compuesto de catalizador soluble en particular usado. Pero, generalmente, la cantidad de agua usada en la mezcla de reacción puede exceder de los requerimientos estequiométricos de tal manera que la cantidad de agua en la mezcla de reacción esté en el intervalo desde 1 a 15 moles de agua por mol de óxido de alquileno. Se prefiere que la cantidad de agua presente en la mezcla de reacción esté en el intervalo desde 1 a 6 moles de agua por mol de óxido de alquileno.
En lo que se refiere a la concentración del catalizador soluble en la mezcla de reacción, es generalmente deseable que la concentración de catalizador soluble en la mezcla de reacción sea una concentración eficaz para catalizar la reacción de hidrólisis del óxido alquileno y que preferiblemente proporcione una conversión elevada del óxido de alquileno con una elevada selectividad a la formación del monoalquilenglicol correspondiente. Lo que se quiere significar por conversión elevada del óxido de alquileno es la reacción del mismo según se determina por la cantidad de óxido de alquileno en la mezcla de reacción que no está presente en el producto de reacción retirado de la zona de reacción. El porcentaje de conversión se determina por la relación de la cantidad de óxido de alquileno reaccionada dividida por la cantidad de óxido de alquileno originalmente presente en la mezcla de reacción, multiplicada por 100. La conversión de óxido de alquileno es generalmente superior al 90 por ciento, pero preferiblemente es superior al 95 por ciento y, lo más preferiblemente, es superior al 98 por ciento.
Como se advirtió, se prefiere también que el catalizador soluble proporcione una elevada selectividad del óxido de alquileno convertido a la formación de su monoalquilenglicol correspondiente. Generalmente, la selectividad excede del 90 por ciento, pero preferiblemente, la selectividad excede del 95 por ciento, y lo más preferiblemente, del 98 por ciento. El porcentaje de selectividad, según se usa en la presente invención se define como la relación del número total de moles óxido de alquileno convertido transformado en su monoalquilenglicol correspondiente dividido por el número total de moles de óxido de alquileno convertido, multiplicada esta relación por 100. Debido a la elevada selectividad proporcionada por el catalizador soluble del procedimiento de la invención, se minimiza la cantidad de subproductos de reacción, tales como los alquilenglicoles superiores, que se obtienen a partir de la reacción secundaria entre el monoalquilenglicol y el óxido de alquileno. La reacción secundaria es una reacción competitiva con la reacción de hidrólisis del óxido de alquileno.
La concentración de catalizador soluble en la mezcla de reacción es tal que ella proporcione los beneficios antes mencionados y puede estar en el intervalo hasta su limite de solubilidad en la mezcla de reacción y en las corrientes de reciclo del procedimiento. La concentración del catalizador soluble, sin embargo, está mejor en el intervalo desde 0,01 por ciento en peso a 10 por ciento en peso basado en el peso total de la mezcla de reacción. Preferiblemente, la concentración de catalizador en la mezcla de reacción está en el intervalo desde 0,1 por ciento en peso a 8 por ciento en peso, y, lo más preferiblemente, desde 1 por ciento en peso a 6 por ciento en peso.
Los óxidos de alquileno usados en las mezclas de reacción del procedimiento de la invención tienen su definición convencional, es decir, ellos son compuestos que tienen un grupo óxido (epoxi) vecinal en sus moléculas.
Particularmente adecuados son los óxidos de alquileno de la fórmula general:
1
en la que R^{1} a R^{4} independientemente representan un átomo de hidrógeno o un grupo alquilo, opcionalmente sustituido, que tiene desde 1 a 6 átomos de carbono. Cualquier grupo alquilo, representado por R^{1}, R^{2}, R^{3}, y/o R^{4} tiene preferiblemente desde 1 a 3 átomos de carbono. Como sustituyentes, pueden estar presentes restos inactivos, tales como grupos hidroxi. Preferiblemente, R^{1}, R^{2}, y R^{3} representan átomos de hidrógeno y R^{4} representa un grupo alquilo C_{1}-C_{3} sin sustituir y, más preferiblemente R^{1}, R^{2}, R^{3} y R^{4} representan todos ellos átomos de hidrógeno.
Los ejemplos de óxidos de alquileno adecuados por lo tanto incluyen el óxido de etileno, óxido de propileno, 1,2-epoxi-butano, 2,3-epoxi-butano y glicidol. El óxido de etileno y el óxido de propileno son de particular importancia comercial. El óxido de alquileno preferido es el óxido de etileno.
La etapa de reacción de la invención se puede realizar en una operación en continuo o por cargas. Sin embargo, para las realizaciones en gran escala se prefiere operar la zona de reacción del procedimiento de manera continua.
La zona de reacción se puede mantener bajo condiciones isotérmicas, adiabáticas o híbridas. Se puede usar cualquier medio de reactor adecuado conocido por las personas especializadas en la técnica para definir la zona de reacción y proporcionar las condiciones de la zona de reacción isotérmica, adiabática o híbrida deseada. Para conseguir las condiciones isotérmicas de la zona de reacción, se prefiere usar un medio de reactor isotérmico generalmente del tipo de reactor de casco y tubo. Un reactor de casco y tubo incluye típicamente múltiples tubos contenidos dentro de un casco. Se prefiere que la mezcla de reacción pase a través del lado del tubo del reactor de casco y tubo y que el agente de refrigeración pase a través del lado del casco del reactor de casco y tubo. Para conseguir las condiciones adiabáticas de la zona de reacción, no se produce un enfriamiento sustancial de la reacción de hidrólisis. Preferiblemente, el producto de reacción del medio de reactor adiabático se hace pasar a un cambiador de calor independiente que define una zona de transferencia de calor y proporciona medios para separar la energía térmica del producto de reacción. En ciertas circunstancias, puede ser ventajoso el uso de un reactor de reciclo por medio del cual al menos una parte del producto de reacción se recicla y se retorna como una alimentación al reactor de reciclo.
Las condiciones de reacción mantenidas dentro de la zona de reacción del procedimiento de esta invención son tales que existe una elevada conversión de óxido de alquileno hidratado a su correspondiente monoalquilenglicol. La temperatura de reacción está generalmente en el intervalo desde 50ºC a 200ºC, preferiblemente, desde 80ºC a 160ºC, y lo más preferiblemente, desde 90ºC a 150ºC. La presión de reacción está generalmente en el intervalo desde 100 kPa a 10.000 kPa, preferiblemente desde 150 kPa a 2.500 kPa y, lo más preferiblemente, desde 200 kPa a 2.000 kPa.
Una ventaja del procedimiento de la invención es la producción de un producto de reacción que tiene una baja concentración de subproductos de reacción tales como los dialquilenglicoles, trialquilenglicoles, y poli(alquilenglicoles). Esto se debe parcialmente al comportamiento de los catalizadores solubles de la invención que proporcionan una elevada selectividad a la formación de monoalquilenglicol. Cuando el óxido de alquileno de la mezcla de reacción es óxido de etileno, los subproductos de reacción típicos incluyen el dietilenglicol y el trietilenglicol.
La cantidad de subproductos de reacción formados en la zona de reacción puede ascender a un 10 por ciento en peso, basado en el monoalquilenglicol del producto de reacción, o incluso más elevado dependiendo de la relación molar de agua a óxido de alquileno en la mezcla de reacción. Se prefiere que la cantidad de subproductos de reacción formados en la zona de reacción sea tan baja como sea posible y, así, inferior al 5 por ciento en peso, preferiblemente, inferior al 3 por ciento en peso y, lo más preferiblemente, inferior al 1 por ciento en peso basado en el monoalquilenglicol contenido en el producto de reacción.
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Debido al uso del catalizador soluble de elevada actividad y a las condiciones de reacción favorables tales como la temperatura de reacción y el tiempo de residencia, se convierte sustancialmente todo el óxido de alquileno en la mezcla de reacción proporcionando así un producto de reacción que tiene generalmente una concentración baja de óxido de alquileno sin reaccionar. El producto de reacción puede tener una concentración de óxido de alquileno de menos del 3 por ciento en peso del peso total del producto de reacción y, más típicamente, la concentración de óxido de alquileno es inferior al 2 por ciento en peso.
Debido a que se usa generalmente una cantidad en exceso de agua en la reacción de la hidrólisis, la cantidad de agua en el producto de reacción puede estar en el intervalo desde 10 a 90 por ciento en peso, pero más típicamente desde 20 a 80 por ciento en peso y, lo más típicamente desde 30 a 70 por ciento en peso. La concentración de alquilenglicol en el producto de reacción puede estar en el intervalo desde 10 a 90 por ciento en peso, más típicamente, desde 20 a 80 por ciento en peso y, lo más típicamente, desde 30 a 70 por ciento en peso.
Para separar el monoalquilenglicol del producto de reacción para dar una corriente de producto de monoalquilenglicol, el producto de reacción se introduce preferiblemente en un sistema de separación que proporciona medios para separar el producto de reacción en una corriente producto de monoalquilenglicol que comprende monoalquilenglicol y una primera corriente de reciclo que comprende al menos una parte, y puede incluir sustancialmente todo, del catalizador soluble del producto de reacción y al menos una parte de los subproductos de reacción del producto de reacción.
Es un aspecto preferido de la invención que el sistema de separación proporcionar además la separación del producto de reacción en una segunda corriente de reciclo que comprende agua. El catalizador soluble de la primera corriente de reciclo y el agua de la segunda corriente de reciclo se pueden usar de nuevo en la reacción de hidrólisis mediante la combinación de las mismas con la mezcla de reacción que se alimenta a la zona de reacción del sistema del procedimiento.
La corriente producto de monoalquilenglicol es generalmente una corriente de elevada pureza siendo la concentración de monoalquilenglicol de al menos un 90 por ciento en peso del peso total de la corriente producto de monoalquilenglicol. Preferiblemente, sin embargo, la concentración de monoalquilenglicol es de al menos un 95 por ciento de la corriente producto de monoalquilenglicol y, lo más preferiblemente, la concentración es de al menos un 98 por ciento en peso.
Es deseable recuperar tanta cantidad del monoalquilenglicol del producto de reacción como lo permita el procedimiento de fabricación global, pero, generalmente, se puede recuperar al menos un 40 ó incluso al menos un 50 por ciento en peso del monoalquilenglicol del producto de reacción por paso a través de las etapas de reacción y de separación del procedimiento de fabricación global de monoalquilenglicol para de este modo proporcionar la corriente producto de monoalquilenglicol. El monoalquilenglicol no recuperado por paso se puede reciclar a la zona de reacción bien con la primera corriente de reciclo, o con la segunda corriente de reciclo, o con ambas. Así, una parte la más importante del monoalquilenglicol del producto de reacción se recupera finalmente con la corriente producto de monoalquilenglicol que excede generalmente del 95 por ciento en peso, o que excede incluso del 98 por ciento en peso del monoalquilenglicol producido de la zona de reacción.
La primera corriente de reciclo incluye la mayor parte de los subproductos de la reacción y del monoalquilenglicol no recuperado con la corriente producto de monoalquilenglicol. La primera corriente de reciclo puede tener una concentración de monoalquilenglicol en el intervalo desde 0 ó superiores a 90 por ciento en peso y una concentración de los subproductos de reacción en el intervalo desde 10 a 100 por ciento en peso del peso total de la primera corriente de reciclo.
Un problema que se encuentra en el uso de muchos de los sistemas catalíticos homogéneos en la fabricación de monoalquilenglicoles es la precipitación del catalizador durante la separación del producto de monoalquilenglicol de los otros componentes del producto de reacción. Mediante el uso del catalizador soluble en particular que se describe en la presente invención, se minimizan los problemas asociados con la precipitación del catalizador durante la separación del producto de reacción.
En la operación del procedimiento de la invención, la cantidad de mono alquilenglicol y superiores que se reciclan a la zona de reacción se puede optimizar con respecto a la concentración del catalizador soluble en la alimentación a la zona de reacción y los limites de solubilidad del catalizador soluble en la primera corriente de reciclo. El catalizador soluble será típicamente más soluble en la alimentación a la zona de reacción que en la primera corriente de reciclo debido a la cantidad relativamente más elevada de agua presente en la misma. Mediante el incremento de la cantidad relativa de alquilenglicol (debido a la separación de agua y de monoalquilenglicol) reciclado a la zona de reacción, la concentración de catalizador soluble en la corriente de reciclo se reduce minimizando de este modo el potencial para la precipitación del catalizador soluble durante la destilación y reciclo. Sin embargo, con el reciclo incrementado de alquilenglicol la selectividad de la reacción disminuye vía la formación de los alquilenglicoles superiores. El uso de concentraciones de catalizador soluble más elevadas en la alimentación a la zona de reacción puede mejorar la selectividad de la reacción, pero ello puede requerir el uso de un catalizador soluble de solubilidad más elevada, o un incremento en el reciclo de alquilenglicol vía la primera corriente de reciclo, para evitar la
precipitación.
Mientras que el agua, el catalizador soluble y los subproductos de la reacción se separan del producto de reacción y se pueden usar de nuevo mediante combinación de los mismos con la mezcla de reacción, la etapa de separación puede dar lugar a que algo del catalizador soluble se descomponga. En el caso en el que el catalizador soluble sea una sal de bicarbonato, las temperaturas elevadas asociadas con la separación por destilación del producto de reacción puede dar lugar a la descomposición de una parte de la sal de bicarbonato en compuestos de carbonato. Ello puede, así, ser beneficioso para convertir los carbonatos que están contenidos en la primera corriente de reciclo en bicarbonatos mediante el uso de una etapa de puesta en contacto con dióxido de carbono por medio de la cual la primera corriente de reciclo se pone en contacto con el dióxido de carbono bajo condiciones de puesta en contacto y de conversión adecuadas. Los medios típicos para la puesta en contacto de la primera corriente de reciclo con una sustancia reaccionante en fase gas (CO_{2}) pueden incluir, por ejemplo, columnas de borboteo con rociado de gas, reactores de recirculación de depósito agitado diseñados para la dispersión del gas, equipo usado para la absorción de gas que incluye torres de relleno o de platos con alimentación de líquido en contracorriente, lavadores de gases tipo Venturi o lavadores de gases por pulverización de líquido.
Una alternativa al uso de la etapa de puesta en contacto con dióxido de carbono es reducir o incluso eliminar la descomposición de las sales de bicarbonato que se produce en la etapa de separación. La descomposición de la sal de bicarbonato se puede reducir mediante el uso de medios de separación tales como un evaporador de película continua, un evaporador de película descendente u otros medios de separación que definan una zona de separación y proporcionen medios para un tiempo de contacto breve y para una temperatura de separación más baja que los métodos alternativos de destilación de tal manera que se minimice o evite la degradación térmica de la sal de bicarbonato.
Como consecuencia del reciclo de los subproductos de reacción contenidos en la primera corriente de reciclo puede existir una acumulación en la primera corriente de reciclo a niveles no deseables. Es necesario así separar una parte de la corriente de reciclo, preferiblemente mediante el uso de una corriente de purga, del sistema del procedimiento con el fin de mantener la concentración de los subproductos de reacción en la primera corriente de reciclo en niveles aceptables.
En referencia ahora a la Figura 1, se muestra en ella una representación esquemática simplificada del sistema de procedimiento 10, que pone de ejemplo un procedimiento para la fabricación de monoalquilenglicol en el que un catalizador soluble se recicla a la zona de reacción después de la destilación para recuperar el producto de monoalquilenglicol, de acuerdo con la invención. Se forma una mezcla de reacción que comprende óxido de alquileno, agua, y un catalizador soluble para su introducción por medio del conducto 12 en el reactor 14. El reactor 14 define una zona de reacción, operada bajo condiciones de reacción adecuadas, y proporciona medios para hacer reaccionar el óxido de alquileno y el agua de la mezcla de reacción para de este modo formar monoalquilenglicol. La mezcla de reacción se puede preparar con anterioridad a su introducción en la reacción 14 mediante la introducción de óxido de alquileno a través del conducto 16, agua a través del conducto 18 y el catalizador de nuevo aporte a través del conducto 20 al mezclador 22. El mezclador 22 define una zona de mezcla, que opera bajo condiciones de mezcla adecuadas, y proporciona medios para la mezcla de los componentes de la mezcla de reacción.
El reactor 14 está diseñado y dimensionado de manera apropiada de tal manera que proporcione las condiciones de puesta en contacto y de tiempo de residencia necesarias para dar lugar a un producto de reacción según se describe en la presente invención. El producto de reacción se retira del reactor 14 a través del conducto 24 como un efluente del reactor que se hace pasar al sistema de separación 26. El sistema de separación 26 define una zona de separación y proporciona medios para la separación del producto de reacción en múltiples corrientes las cuales incluyen una corriente producto de monoalquilenglicol, una primera corriente de reciclo y una segunda corriente de reciclo.
Se prefiere que el sistema de separación 26 incluya una unidad de destilación 28 y una unidad de destilación bajo vacío 30. El producto de reacción que pasa a través del conducto 24 se alimenta a la unidad de destilación 28. La unidad de destilación 28 define una zona de separación por destilación y proporciona medios para separar el agua y otros subproductos o componentes volátiles posibles del producto de reacción. El agua separada se hace pasar desde la unidad de destilación 28 a través del conducto 32 como segunda corriente de reciclo que comprende agua. Una parte del agua y de los subproductos o componentes volátiles (si están presentes) se pueden purgar, o someter a etapas de separación posteriores, para una segunda corriente de reciclo que está sustancialmente libre de componentes no reactivos y volátiles. El producto de fondos de la unidad de destilación 28, que comprende el monoalquilenglicol, el catalizador soluble y los subproductos de reacción, se hacen pasar desde la unidad de destilación 28 a través del conducto 34 y se alimentan a la unidad de destilación bajo vacío 30. La unidad de destilación bajo vacío 30 define una zona de separación por destilación bajo vacío y proporciona los medios para la separación del monoalquilenglicol del producto de fondos del catalizador soluble y de los subproductos de reacción. El monoalquilenglicol separado se hace pasar como una corriente producto desde la unidad de destilación bajo vacío 30 por medio del conducto 36. Los fondos de la unidad de destilación bajo vacío 30 comprenden preferiblemente el catalizador soluble recuperado y los subproductos de reacción pero pueden comprender también monoalquilenglicol o agua, o ambos. Ellos pueden contener además catalizador soluble descompuesto. Los fondos de la unidad de destilación bajo vacío 30 se hacen pasar desde la unidad de destilación bajo vacío 30 a través del conducto 38 como una primera corriente de reciclo.
El sistema del procedimiento 10 se puede purgar de la acumulación de subproducto de reacción mediante el uso de una corriente de purga. Una parte de la primera corriente de reciclo que se hace pasar a través del conducto 38 se puede separar como una corriente de purga a través del conducto 40 pasando la parte restante de la primera corriente de reciclo por medio del conducto 42 a la columna de puesta en contacto 44. La columna de puesta en contacto 44 define una zona de puesta en contacto y proporciona los medios para la puesta en contacto de dióxido de carbono con la primera corriente de reciclo para de este modo convertir al menos una parte del catalizador soluble descompuesto en la primera corriente de reciclo de vuelta a su forma sin descomponer original. El gas de dióxido de carbono se introduce dentro de la columna de puesta en contacto 44 a través del conducto 46 y el dióxido de carbono tratado, la primera corriente de reciclo se hace pasar desde la columna de puesta en contacto 44 a través del conducto 48 al mezclador 22 por medio de lo cual la primera corriente de reciclo se añade a la mezcla de reacción para su uso de nuevo. Adicionalmente, la segunda corriente de reciclo, que comprende agua, se hace pasar a través del conducto 32 al mezclador 22 para ser añadida a la mezcla de reacción para su uso de nuevo.
La reacción de hidrólisis es típicamente una reacción exotérmica. Para controlar la temperatura de la zona de reacción definida por el reactor 14 se puede usar un agente de refrigeración para separar el calor, mediante cambio de calor indirecto, de la zona de reacción. El agente de refrigeración se hace pasar a los serpentines de refrigeración 50 del reactor 14 a través del conducto 52 y se separa del mismo a través del conducto 54. Como una alternativa, el control de la temperatura de la zona de reacción se puede efectuar mediante el enfriamiento de las alimentaciones a la zona de reacción con anterioridad a su introducción en el reactor 14.
Los ejemplos siguientes pretenden ilustrar ciertas de las ventajas de la presente invención y no pretenden limitar de manera indebida el alcance de la invención.
Ejemplo I
Este Ejemplo I describe el procedimiento experimental usado para determinar las cinéticas y las selectividades de reacción de un sistema de reacción de hidrólisis de óxido de etileno para una reacción térmica, una reacción catalizada por una resina, y dos reacciones catalizadas por un sistema catalítico soluble. Este Ejemplo I presenta también datos comparativos que muestran los beneficios de usar un sistema catalítico soluble frente al uso de bien un catalizador del tipo resina o sin catalizador. Es decir, una reacción térmica.
Los experimentos por cargas se efectuaron usando un autoclave de tapa de rosca de acero inoxidable de 100 ml ("miniclave") equipado con válvulas de liberación de la presión y calentado con un baño de aceite. Los contenidos del reactor miniclave se mezclaron usando una barra de agitación de Teflón.
Para las reacciones catalizadas, el reactor miniclave se cargó en primer lugar con el catalizador y se purgó con nitrógeno, y a continuación se llenó con nominalmente desde 50-70 ml de una mezcla de óxido de etileno (EO) en agua/etilenglicol (EG). La dosificación del EO en la mezcla de agua/EG se efectuó de manera segura bajo presión de nitrógeno usando un sistema de suministro de vidrio provisto de un visor. El reactor miniclave cargado se llenó a continuación hasta el tope con presión de nitrógeno a 5000 kPa para un manejo seguro del EO, y se colocó en el baño de aceite para su calentamiento e iniciación de la reacción. El uso de un pequeño tubo de inmersión de diámetro interior de 0,158 cm. permitió la toma de muestra en diferentes tiempos durante las reacciones para su análisis mediante cromatografía de gas para evaluar las cinéticas de las reacciones. Para la reacción térmica, se usó el mismo procedimiento antes mencionado con la excepción de que no se cargó catalizador al reactor miniclave.
La Tabla 1 presenta los resultados de efectuar cinco reacciones de hidrólisis del óxido de etileno diferentes, que incluyen: (1) una reacción térmica; (2) una reacción catalizada por una resina que usa un catalizador de resina de cambio de ion en la forma de bicarbonato (Amberjet 4200/bicarbonato); (3) una reacción catalizada por bicarbonato de potasio a una concentración de catalizador más baja; (4) una reacción catalizada por bicarbonato de potasio a una concentración de catalizador más elevada; y (5) una reacción catalizada por bicarbonato de sodio. Los datos muestran el porcentaje en peso de óxido de etileno, de etilenglicol y de dietilenglicol (subproducto no deseado) en la mezcla de reacción al comienzo de las operaciones de reacción y en diversos otros momentos durante las operaciones de reacción, según se determina mediante el análisis por cromatografía de gas.
También se muestran la conversión de óxido de etileno, la selectividad molar a la formación del producto de reacción de monoetilenglicol (MEG) deseado, la constante de velocidad de reacción de primer orden global para la mezcla de reacción, y una constante de velocidad "catalítica" calculada como la velocidad de primer orden por encima de la esperada de la reacción térmica, normalizada por la concentración de catalizador presente. Bajo estas condiciones, el dietilenglicol era el subproducto más importante que se formaba.
Los datos demuestran que todas las reacciones catalizadas exhibían mejores velocidades de conversión de óxido de etileno, y mejor selectividad a una conversión dada de óxido de etileno, que la reacción térmica. Los catalizadores solubles exhibían un comportamiento comparable al del catalizador de resina, con relación a las concentraciones de catalizador empleadas. Se advierte que el catalizador soluble a una concentración elevada proporciona una mejora de la selectividad de cinco veces o más en comparación con la reacción térmica. La reacción catalizada por bicarbonato de potasio soluble proporciona un comportamiento comparable con el de la reacción catalizada por bicarbonato de sodio, tanto en lo que respecta a la velocidad como a la selectividad.
2
Ejemplo II
Este Ejemplo II se presenta para comparar las solubilidades del bicarbonato de potasio y del bicarbonato de sodio en un material líquido que se obtiene a partir de la separación sustancial de agua y monoetilenglicol de un producto de reacción de la hidrólisis de óxido de etileno. El material líquido es representativo de la fracción de fondos de un sistema de destilación para la separación de un efluente de la reacción de hidrólisis de óxido de etileno en un producto de etilenglicol y un producto de reciclo de los fondos.
Los productos acuosos procedentes de las operaciones cinéticas por cargas de bicarbonato de sodio (Muestra E) y de bicarbonato de potasio (Muestra D) se destilaron en una columna de destilación de pequeño recorrido de loza de Bantam, para separar el agua y recuperar aquella parte del monoetilenglicol (MEG) obtenida en la reacción. El objetivo era determinar si sería posible recuperar 1/2 del MEG final como producto (la cantidad obtenida en la reacción directa), y reciclar el MEG restante con el catalizador como una fase soluble. La separación de agua se efectuó a la presión atmosférica, mientras que se aplicó un vacío (200 mg de Hg de presión absoluta ó 0,26 atmósferas) para la separación del MEG a una temperatura de los fondos de 140-160ºC.
La Tabla 2 presenta los resultados de efectuar la destilación del producto. Se observó una prolífica precipitación del catalizador de bicarbonato de sodio cuando se destiló la muestra E; sin embargo, por otra parte, el sistema de catalizador de bicarbonato de potasio permaneció soluble en el residuo de fondos final.
TABLA 2
3
Estos resultados muestran que el MEG se puede recuperar a partir de un efluente de reacción de la hidrólisis de óxido de etileno estando el catalizador de carbonato de potasio soluble en el producto del reactor restante lo que permite de este modo su reciclo sin ninguna precipitación del bicarbonato de potasio.
Ejemplo III
Este Ejemplo III proporciona comparaciones adicionales de las solubilidades del bicarbonato de potasio y del bicarbonato de sodio.
Los estudios de solubilidad se efectuaron vía el uso de viales en un calentador en bloques. Los resultados de los estudios de las solubilidades del bicarbonato de potasio y del bicarbonato de sodio se presentan en la Tabla 3. El bicarbonato y el carbonato de potasio se encontraron que eran completamente solubles en MEG puro (en exceso del 15 por ciento en peso), como se requiere para el procedimiento de reciclo por destilación. Se observó que el bicarbonato de sodio era sustancialmente menos soluble que el bicarbonato de potasio.
TABLA 3
4
Los experimentos 6 y 7 implican el calentamiento de bien carbonato de potasio en exceso o de carbonato de sodio en exceso en MEG durante la noche con agitación, seguido de la valoración del material sobrenadante para observar la cantidad de sal soluble. La solubilidad del carbonato de K era 10 veces superior a la solubilidad del carbonato de Na. Puesto que una parte del bicarbonato se puede descomponer a carbonato bajo las condiciones de reciclo por destilación, la solubilidad de las sales de carbonato es importante para la operación eficaz de un procedimiento de hidrólisis del óxido de etileno que usa un sistema catalítico homogéneo. Los resultados actuales indican que una concentración de reciclo de 17% en peso de la sal en forma de K en los fondos de destilación de MEG se puede usar con seguridad para el diseño del procedimiento, independientemente de que sea un carbonato o un bicarbonato el anión.
Ejemplo IV
Este Ejemplo IV describe el procedimiento experimental usado para medir las solubilidades de las sales de bicarbonato de sodio, potasio y amonio en los alquilenglicoles de bien el monoetilenglicol (MEG) o de dietilenglicol (DEG). Se presentan en este Ejemplo IV las solubilidades medidas de las sales de bicarbonato antes mencionadas en el alquilenglicol pertinente.
La solubilidad de la sal de bicarbonato en particular se midió mediante en primer lugar mediante el llenado de un vial con 7 gramos de un alquilenglicol (bien monoetilenglicol o dietilenglicol) y 3 gramos de una sal de bicarbonato (bien bicarbonato de sodio, bicarbonato de potasio, o bicarbonato de amonio) y mantenerlo en rotación durante 18 horas. Después de la rotación se separan las muestras con material sobrenadante, se filtran vía un filtro de jeringuilla de 0,5 micrómetros, y se valoran para determinar su contenido en bicarbonato soluble. La Tabla 4 presenta los resultados de estas medidas de la solubilidad.
TABLA 4 Solubilidad de las sales de bicarbonato bien en MEG o en DEG
5
Como se puede observar a partir de los datos presentados en la Tabla 4, el bicarbonato de amonio tiene una mayor solubilidad tanto en MEG como en DEG que el bicarbonato de potasio, y el bicarbonato de potasio tiene una mayor solubilidad tanto en MEG como en DEG que el bicarbonato de sodio. Es de advertir también que los bicarbonatos son más solubles en MEG que en DEG. El dietilenglicol es un subproducto típico de una reacción de hidratación de óxido de etileno y se puede esperar que sea un componente sustancial de una corriente de reciclo de catalizador soluble en un procedimiento de fabricación de alquilenglicol. Es de advertir que las solubilidades del bicarbonato de potasio y del bicarbonato de amonio en DEG exceden del 4 por ciento en peso lo que hace a los mismos catalizadores solubles particularmente buenos para la hidratación del óxido de alquileno. Es de advertir también que las solubilidades del bicarbonato de potasio y del bicarbonato de amonio en MEG exceden del 5 por ciento en peso e incluso del 8 por ciento en peso.
Ejemplo V
Este Ejemplo V demuestra el reciclo del catalizador soluble y el uso de dióxido de carbono para reformular el catalizador de bicarbonato que es degradado a la forma de carbonato durante la recuperación por destilación del producto de óxido de alquileno.
Un reactor por cargas agitado de 500 ml se cargó con una mezcla de 15% de MEG en agua que contiene 7,1% en peso de catalizador soluble de bicarbonato de potasio. La mezcla se calentó bajo atmósfera de N_{2} (7000 kPa) a 80ºC, antes de la adición de 18 gramos de óxido de etileno. La conversión era del 99,1% después de 4 horas, lo que corresponde a una constante de velocidad (ajustada a 90ºC) de 2,7 l/h/ (equivalente/L) para la reacción catalizada, con respecto a la reacción térmica.
La mezcla se destiló en una columna de destilación por cargas para separar el agua y una parte del producto de MEG, con una temperatura máxima de los fondos de 136ºC, durante un período de 6,5 horas. No se observaron precipitaciones en los fondos producidos mientras que se calentaban a la temperatura de destilación. Una fracción de fondos final que contiene MEG y DEG (dietilenglicol) comercial produjo 36,6 gramos.
La valoración de la fracción de fondos indicó un 91% de retención de catalizador de carbonato o bicarbonato de potasio. Las pequeñas pérdidas de catalizador se pueden atribuir a la toma de muestra para el análisis. El 93% del bicarbonato se había degradado a carbonato vía la pérdida de dióxido de carbono durante la destilación.
La mezcla de fondos que contiene el catalizador degradado se mezcló con una cantidad de agua requerida para un segundo ciclo de reacción, y se roció con dióxido de carbono durante una hora a la temperatura ambiente (22ºC). La valoración reveló una regeneración virtualmente completa de bicarbonato, con un 97,5% en la forma de bicarbonato frente a 2,5% en la forma de carbonato.
244 gramos de la mezcla de reciclo diluida en agua se reciclaron al reactor para una segunda reacción, efectuada a 90ºC, y que implica también la adición de 18 gramos de óxido de etileno. Se obtuvo una conversión de 99,3% en sólo 3 horas, para una constante de la velocidad catalítica calculada de 3,0 l/h/(equivalente/L). La valoración de la mezcla de reacción indicó que el 96,0% del catalizador permanecía en la forma de bicarbonato, lo que indica una degradación del catalizador insignificante durante la reacción. La selectividad de la reacción a MEG era del 96%, lo que indica un reciclo con éxito y una regeneración del catalizador selectivo de bicarbonato.
Las constantes de velocidad para el experimento de demostración del reciclo se comparan favorablemente con los resultados a escala más pequeña informados en la Tabla 1 del Ejemplo I anterior.
Ejemplo VI
Este Ejemplo VI se presenta para comparar las solubilidades del bicarbonato de potasio y del bicarbonato de sodio en bien monoetilenglicol (MEG) o dietilenglicol (DEG) en una condición de temperatura elevada y las cantidades relativas de descomposición del bicarbonato en dicha condición de temperatura.
Las solubilidades de las sales de bicarbonato de sodio y de potasio se examinaron a 90ºC mediante calentamiento en exceso de sólido con bien MEG o DEG en un calentador de bloques, con agitación periódica, seguido de valoración de una muestra del material sobrenadante con HCl 0,1 N.
La Tabla 5 presenta los resultados de las medidas de la solubilidad y la medida de la descomposición del bicarbonato a carbonato.
TABLA 5 Solubilidad del bicarbonato a 90ºC
6
Los resultados presentados en la Tabla 5 para las sales de bicarbonato muestran una solubilidad potenciada para el bicarbonato de potasio, con respecto al bicarbonato de sodio, con una pequeña cantidad de descomposición del bicarbonato a carbonato vía la pérdida de CO_{2} durante el experimento.
Ejemplo VII
Este Ejemplo VII se presenta para comparar las solubilidades del carbonato de potasio y del carbonato de sodio bien en monoetilenglicol (MEG) o en dietilenglicol (DEG).
Las solubilidades del carbonato de sodio y del carbonato de potasio tanto en MEG como en DEG se examinaron a 90ºC mediante calentamiento en exceso de sólido con bien MEG o DEG en un calentador de bloques, con agitación periódica, seguido de valoración de una muestra del material sobrenadante con HCl 0,1 N. La Tabla 6 presenta los resultados de las medidas de solubilidad.
TABLA 6 Solubilidad del carbonato a 90ºC
7
Los resultados presentados en la Tabla 6 muestran que el carbonato de potasio tiene una solubilidad sustancialmente más elevada bien en MEG o DEG que el carbonato de sodio.
Ejemplo VIII
Este Ejemplo VIII se propone para demostrar la eficacia de ciertos catalizadores solubles en catalizar la hidrólisis del óxido de etileno (EO) a monoetilenglicol (MEG).
Se efectuaron unas series independientes de experimentos con un autoclave de 550 ml lleno con bicarbonato de sodio (0,1 mol de HCO_{3}^{-}), agua (100 g; 5,55 mol) y EO (44 g; 1 mol) y se calentó durante 5 minutos a 60ºC a 1500 kPa de presión de gas. La mezcla de reacción se mantuvo bajo continua agitación durante 6-7 horas a la temperatura de reacción. A diversos intervalos de tiempo, se tomaron muestras para su análisis. Para estudiar conversiones más elevadas algunas reacciones se efectuaron a temperaturas más elevadas.
Se evaluaron las sales de bicarbonato homogéneas siguientes: bicarbonato de sodio (NaHCO_{3}); bicarbonato de colina (HO-CH_{2}-CH_{2}-N^{+} (CH_{3})_{3} . HCO_{3}^{-}); e hidróxido de tetrametil amonio (TMAH) ((CH_{3})_{4}-N^{+} . OH^{-}), bajo CO_{2} el OH^{-} se convierte en bicarbonato (HCO_{3}^{-}).
Para efectuar una comparación adecuada, varios de los experimentos se efectuaron bajo presión de CO_{2}; puesto que, el dióxido de carbono era necesario para convertir el catalizador de TMAH en su forma de bicarbonato. Un experimento adicional se realizó con bicarbonato de colina bajo nitrógeno, para estudiar posibles diferencias.
Los resultados experimentales en términos de conversión de EO y de selectividad a EMG en aproximadamente 2, 4 y 5 horas se compilan en la Tabla 7. Para comparación, se incluyen también los resultados de una conversión de EO a glicoles efectuada sin catalizador. Además, se proporciona una medida de la actividad del catalizador, según se informaba en la Tabla 1.
8
Los datos presentados en la Tabla 7 muestran que el comportamiento en términos de selectividad a EMG a conversiones similares de EO para todos los catalizadores homogéneos es virtualmente idéntico (> 95% a > 50% de conversión de EO) y significativamente mejor que para la reacción térmica sin catalizar. Muestra también que el comportamiento en términos de actividad catalítica (basada en la conversión de EO) presenta alguna variación para las sales homogéneas de bicarbonato ensayadas. Las conversiones de EO para todas las reacciones catalizadas son significativamente más elevadas que para la reacción térmica sin catalizar.
El aislamiento después de la reacción del producto de MEG de la mezcla de reacción se estudió brevemente mediante separación por evaporación del agua en exceso. Se observó que el catalizador de bicarbonato de sodio llegaba a ser insoluble en la fase de fondos restantes. Por contraste, la evaporación del agua de la mezcla de reacción que se origina a partir de una reacción catalizada por bicarbonato de colina dio lugar a una mezcla homogénea de catalizador/glicol. Esta mezcla se puede en principio purificar adicionalmente mediante destilación del MEG con reciclo del catalizador a solubilidad incrementada.

Claims (7)

1. Un procedimiento para la fabricación de alquilenglicol, comprendiendo el procedimiento:
someter una mezcla de reacción a condiciones de reacción adecuadas para de este modo formar un producto de reacción, en el que la mezcla de reacción comprende óxido de alquileno, agua y un catalizador soluble, en el que el producto de reacción comprende alquilenglicol, agua, el catalizador soluble y al menos un subproducto de la reacción, y en el que el catalizador soluble tiene una solubilidad en monoetilenglicol que excede del 5 por ciento en peso;
separar el producto de reacción en una corriente de producto de alquilenglicol y una primera corriente de reciclo, en el que la corriente de producto de alquilenglicol comprende alquilenglicol, y en el que la primera corriente de reciclo comprende el catalizador soluble y al menos un subproducto de la reacción; y
combinar la primera corriente de reciclo con la mezcla de reacción.
2. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además:
separar el producto de reacción en una segunda corriente de reciclo que comprende agua.
3. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2 que comprende además:
poner en contacto la primera corriente de reciclo con un gas que comprende dióxido de carbono.
4. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2 ó 3 que comprende además:
combinar la segunda corriente de reciclo con la mezcla de reacción.
5. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-4, que comprende además:
Producir una corriente de purga que comprende al menos una parte de la primera corriente de reciclo.
6. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en el que la primera corriente de reciclo comprende además catalizador soluble descompuesto.
7. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en el que el catalizador soluble es una sal seleccionada del grupo de sales de bicarbonato, sales de carboxilato y sales de metalato.
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