JP2019172665A - 不飽和カルボン酸エステルの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
「アクリル酸類」と称する)は、重合開始剤の添加が無くとも自然に重合を開始する易重合性化合物である。意図しない重合による固形物の堆積が製造設備内で進行すると、閉塞等により該設備の運転停止を強いられる為、重合閉塞の回避又は少なくとも低減が必要である。対策として例えば、操作温度の低下による重合性低下を目的とした減圧下での蒸留操作、重合を引き起こすラジカルの捕捉を目的とした重合防止剤の添加、重合物による閉塞の緩和を目的とした平均滞留時間が短く滞留部の少ない装置内部構造の採用、等が挙げられる。非特許文献1には、重合防止のため、アクリル酸類の蒸留を減圧下で行うことや、重合防止剤としてハイドロキノンやフェノチアジンを添加する方法が示されている。
より現実的な方法と言える。
本発明はこのような知見に基づいて達成されたものであり、以下を要旨とする。
不飽和カルボン酸及びアルコールを該反応器の入口より該反応器へ連続的に供給し、該反応器内で反応液流体とするステップ、及び気化した有機溶媒を、該反応器の入口又はその近傍より該反応器内へ連続的に供給するステップ、を含む不飽和カルボン酸エステルの製造方法。
[2]前記有機溶媒が脂肪族炭化水素又は芳香族炭化水素である、[1]に記載の不飽和カルボン酸エステルの製造方法。
[3]前記有機溶媒の大気圧下における沸点が、前記不飽和カルボン酸の大気圧下における沸点より低い、[1]又は[2]に記載の不飽和カルボン酸エステルの製造方法。
[4]前記有機溶媒がトルエンである、[1]乃至[3]のいずれかに記載の不飽和カルボン酸エステルの製造方法。
[5]前記反応器が縦型反応器であり、反応液流体がダウンフローである、[1]乃至[4]のいずれかに記載の不飽和カルボン酸エステルの製造方法。
[6]前記反応器から排出されるエステル化反応物を液相と気相に分離するステップ、
該液相を、前記反応器の下流に別途設置された反応器(A)の入口より反応器(A)に連続的に供給し、該反応器(A)内で反応液流体とするステップ、及び
該気相からガス状の有機溶媒を回収し、回収したガス状の有機溶媒を該反応器(A)の
入口又はその近傍より該反応器(A)へ連続的に供給するステップ、を含む、[1]乃至[5]のいずれかに記載の不飽和カルボン酸エステルの製造方法。
[7]前記反応器から排出されるエステル化反応物を液相と気相に分離するステップ、
該分離した液相を精製し、不飽和カルボン酸エステルを得るステップ、及び
該分離した気相からガス状の有機溶媒を回収し、回収したガス状の有機溶媒を、前記反応器の入口またはその近傍より前記反応器へ連続的に供給するステップ、を含む、[1]乃至[6]のいずれかに記載の不飽和カルボン酸エステルの製造方法。
気化した有機溶媒を該反応器の入口又はその近傍より該反応器へ連続的に供給するステップ、及び
該反応器の内圧が少なくとも30分継続して、所定圧力の±5%以内となったのちに、不飽和カルボン酸及びアルコールを該反応器の入口より該反応器へ連続的に供給するステップ、を含む不飽和カルボン酸エステルの製造方法。
[9]前記反応器の内温が少なくとも30分間継続して、振れ幅が0.5℃以下となったのちに、前記不飽和カルボン酸及びアルコールを該反応器の入口より該反応器へ連続的に供給するステップ、を含む[8]に記載の不飽和カルボン酸エステルの製造方法。
される。多管型反応器(R1)には各反応管の外周部を循環する熱媒(f4)が供給され、また該熱媒(f4)は反応器(R1)から排出され、これにより反応器内の温度を制御する。反応器内が気液混相状態となるよう圧力を調整し、反応器出口の反応流体は、液流(f2)とガス流(f3)に分離される。
反応器(R11)は固体触媒(C11)の充填された槽と、熱媒(f14)が流動する経路を外周部に有する、ジャケット型の反応器であり、縦方向に流体が移動するダウンフローの反応器である。
積極的に熱媒から反応流体へ熱の供給を行う多管型反応器(R1)とは異なり、反応器
(R11)における熱媒は、反応流体から外気への放熱防止が目的であり、大きな熱量は必要としない。故に、熱媒を反応器(R11)へ導入する代わりに、電気ヒーターや蒸気トレースなどの加温手段を用いることも出来る。なお、反応器(R11)の槽内の固体触媒や反応流体が局所的に過熱されるのを防ぐため、電気ヒーターや蒸気トレース配管は槽外壁面に直接触れないよう、間に断熱材等を配置するのが好ましい。
反応流体とは、共有液(f11)及び有機溶媒(f16)に加え、反応生成物であるアクリル酸エステルなどの不飽和カルボン酸エステル、及び反応副生成物の水などを含む、反応器中での混合流体であり、液体と気体の双方が混在し得る。
固体触媒としては、単位空間当たりの触媒濃度が高く、粒径分布が狭い点で、ポーラス型のイオン交換樹脂が好ましく、物理的強度や価格の点からモンモリロナイト等酸性白土を熱酸処理した活性白土が好ましい。エステル製造プラントの規模が大きく、運転期間も3ヶ月〜数年と長い場合では、ポーラス型イオン交換樹脂が経済性に優れる。反対にプラント規模が小さく、運転期間も1週間〜数ヶ月程度と短く、また製造品目の変更に伴う触媒の更新頻度が高い場合では、活性白土が経済性や作業負荷の点で優れる。
用いる有機溶媒は、再利用する上で分離回収が容易であり、化学的に安定性の高い脂肪族炭化水素又は芳香族炭化水素が好ましい。有機溶媒の沸点が低すぎると、反応副生水との熱交換が進みにくく、経済的でない。反対に沸点が高過ぎると、プロセス液中の未反応アクリル酸とも熱交換してアクリル酸を蒸発させてしまうため、蒸発したアクリル酸に由来する重合閉塞が起こり易くなる。更に気相中ではエステル化反応が進行しない為、アクリル酸の反応転化率も下がる可能性がある。これらを鑑み、有機溶媒の沸点は、アクリル酸の沸点より低いことが好ましく、70℃〜130℃がより好ましく、80℃〜120℃がさらに好ましい。
反応温度は、高いほど反応速度が上がる点で好ましいが、重合反応とこれに伴う閉塞も
起こり易くなる為、過度の昇温は避ける必要がある。適切な反応温度はエステルの種類により異なるが、概ね60℃〜120℃の範囲であり、好ましくは70℃〜110℃の範囲である。
反応圧力は用いる有機溶媒の種類に依存するが、反応温度における水の蒸気圧に対して0.2倍〜1.0倍が目安である。反応器出口の反応流体は、アクリル酸エステルを主成分とする液流(f12)と有機溶媒及び反応副生水を主成分とするガス流(f13)に分離される。
また、別の形態としては、気化した有機溶媒を反応器へ連続的に供給し、前記反応器の内温が少なくとも30分間継続して、好ましくは45分以上継続して、より好ましくは60分以上継続して、振れ幅が0.5℃以下、好ましくは0.4℃以下、より好ましくは0.3℃以下となったのちに、前記不飽和カルボン酸及びアルコールを、該反応器の入口より該反応器へ連続的に供給してもよい。
なお、反応器の内温は触媒層の温度としてもよい。また、反応器の内圧は、例えば入口部や出口部の圧力であってよい。
中間連結部(R21C)では、多孔板(J21)より下流の側面から、新たに有機溶媒蒸気(f26B)が供給される。多孔板(J21)上に形成された液深により、追加供給された有機溶媒蒸気(f26B)は1段目反応部(R21B)やガス流の抜出配管(f23A)へ流入することなく、プロセス液と共に2段目反応部(R21D)に供給される。
有機溶媒蒸気(f26B)の流入防止策として、多孔板(J21)の代わりにSトラップ等の管トラップを用いることも可能である。しかしながら、トラップ内にアクリル酸類の滞留部を生じること、トラップ出口のプロセス液を2段目反応部(R21D)全体に分散させる為のディストリビューターが必要となること、等々の点で多孔板がより好ましい。
固体触媒(C22)で反応を終えたプロセス流体は、反応器の下部鏡部(R21E)で、未凝縮の有機溶媒と反応副生水を主とするガス流(f23B)と、アクリル酸エステル及び凝縮した有機溶媒を主とする液流(f22)と、に分離される。
反応器の中間連結部(R21C)で抜き出された有機溶媒を含むガス流(f23A)は、凝縮した後図示しない貯液槽で水層と溶媒層に分離し、該溶媒層から回収した有機溶媒を再度気化し、有機溶媒蒸気(f26B)として2段目の反応器の入口部に供給してもよい。本形態では、中間連結部(R21C)が1段目反応器の出口部、且つ2段目反応器の入口部を構成する。
図3の反応器を複数、直列に接続した仕様とすることも出来る。この場合、複数の反応器を垂直方向に重ねることも可能だが、施工や保全の点から、複数反応器を同じ高さに配置し、反応器下部より得られた反応液を送液ポンプで次の反応器上部に送ることが好ましい。送液ポンプにより高い吐出圧が得られる為、2段目以降の反応器においても、供給液の均一分散にシャワーノズルや噴霧ノズルの使用が可能となる。
なお、多段式反応器や、複数の反応器直列に接続した形態においては、反応後の流体から回収した有機溶媒を、反応原料と共に反応に供する有機溶媒として使用してもよく、上流の反応器に循環させてもよく、更に下流の反応器へと供給してもよい。
3段式反応器(R31)の底部より得られた反応流体は、一旦貯液槽(V32)に集められた後、軽沸分離蒸留塔(D31)へ送られる。軽沸分離蒸留塔(D31)の塔頂より有機溶媒や原料アルコール、原料アクリル酸等を主成分とするストリームが得られ、3段式反応器(R31)に循環される。これとは異なり、軽沸分離蒸留塔(D31)の塔頂以外の濃縮部からサイドカットすることで、有機溶媒を主とする塔頂留出ストリームと、原料アルコール等を主とするサイドカットストリームを得、塔頂留出ストリームはタンク(T33)へ循環し、サイドカットストリームは3段式反応器(R31)へ循環することも出来る(図示せず)。軽沸分離蒸留塔(D31)の塔底より得られたアクリル酸エステルを主とするストリームは精製蒸留塔(D32)へ送られ、塔頂より精製アクリル酸エステルが得られる。また、精製や有価物回収の為に、蒸留塔や抽出装置を任意に追加することも可能である。
圧力バルブ(図示無し)により制御される。運転開始時の系内窒素置換及及び運転継続時の真空系における爆発組成回避の為、微量の窒素が(f43)から供給される。
(固体触媒の脱水)
固体触媒としてポーラス型強酸性イオン交換樹脂であるPK216(H型、三菱ケミカル)を用いた。該樹脂をテトラヒドロフランに浸けた後、ガラス製カラムに詰め、トルエンを通液させることで、含有される水分の除去を行った。
同様の実験を繰り返す中で、熱電対の位置を変えて触媒層内の温度を確認したが、層内温度はほぼ一定であった。
実施例1と同様にして、但し入口部ガラス装置(G43)内の圧力を40kPaに調整してエステル化反応を行った。触媒層内の温度は約85℃で一定となり、アクリル酸の反応転化率は74.8%であった。
実施例1と同様にして、但しトルエン蒸気流通によるイオン交換樹脂の脱水後、入口部ガラス装置(G43)内の圧力を約65kPaに上げ、溶媒トルエンが90℃〜95℃の液滴として供給されるように変更してエステル化反応を行ったところ、触媒層内が気液混
層流であることは目視で確認出来たが、反応転化率は50%に満たなかった。触媒層の入口部と出口部の温度は93℃程度であったが、熱電対を動かして確認したところ、入口側で60℃未満の箇所が確認された。
実施例1と同様にして、トルエン蒸気流通によるイオン交換樹脂の脱水、及び、これに次ぐ原料アクリル酸と等モルの2−エチルヘキサノール、及びハイドロキノンの供給を行い、原料供給を2時間継続し、エステル化反応を行った。この時のアクリル酸の反応転化率は80.4%であった。
次いで、入口部ガラス装置(G43)内の圧力を50kPaに保ったままエステル化反応を継続し、溶媒送液ポンプ(P41)のトルエン流量を徐々に下げ、1時間を要してゼロとした。目視により、触媒層内における液比率の増大が確認された。触媒層内の液保持量が変化した為、定常状態に近づくまでは、反応器の出口流量が安定せず、反応転化率の算出は出来なかった。トルエンの供給がゼロとなってから4時間後、反応器出口から排出されるトルエンは0.3g/時間未満となり、アクリル酸の反応転化率は約35%まで低下した。
D31 軽沸分離蒸留塔
D32 精製蒸留塔
E1 ヒーター
E11、E31 蒸発器
E32〜35、E37 凝縮器
E36、E38 リボイラ
E41 溶媒蒸発用ヒーター
G41 溶媒用容器
G42 混合液用容器
G43 入口部ガラス装置
G44 反応部ガラス装置
G45 出口部ガラス装置
J21 多孔板
P31〜P39 送液ポンプ
P41 溶媒送液ポンプ
P42 混合液送液ポンプ
PI41、PI42 ノズル
R1 多管型反応器
R11 反応器
R21A 上部鏡部
R21B 1段目反応部
R21C 中間連結部
R21D 2段目反応部
R21E 下部鏡部
R31 3段式反応器
T31、T32、T33 タンク
TI41 熱電対
V31〜V34 貯液槽
f1、f11、f21 供給液
f2、f12、f22 液流
f3、f13、f23B ガス流
f4、f14、f51 熱媒
f16 有機溶媒
f26A、f26B 有機溶媒蒸気
f23A 有機溶媒及び反応副生水からなるガス流
f43 窒素
f45 プロセス液
f46 凝縮液
f47 真空ライン
f53 冷水
Claims (9)
- 固体触媒が充填された反応器を用いた、不飽和カルボン酸とアルコールとのエステル化反応による不飽和カルボン酸エステルの製造方法であって、
不飽和カルボン酸及びアルコールを該反応器の入口より該反応器へ連続的に供給し、該反応器内で反応液流体とするステップ、及び気化した有機溶媒を、該反応器の入口又はその近傍より該反応器内へ連続的に供給するステップ、を含む不飽和カルボン酸エステルの製造方法。 - 前記有機溶媒が脂肪族炭化水素又は芳香族炭化水素である、請求項1に記載の不飽和カルボン酸エステルの製造方法。
- 前記有機溶媒の大気圧下における沸点が、前記不飽和カルボン酸の大気圧下における沸点より低い、請求項1又は2に記載の不飽和カルボン酸エステルの製造方法。
- 前記有機溶媒がトルエンである、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の不飽和カルボン酸エステルの製造方法。
- 前記反応器が縦型反応器であり、反応液流体がダウンフローである、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の不飽和カルボン酸エステルの製造方法。
- 前記反応器から排出されるエステル化反応物を液相と気相に分離するステップ、
該液相を、前記反応器の下流に別途設置された反応器(A)の入口より反応器(A)に連続的に供給し、該反応器(A)内で反応液流体とするステップ、及び
該気相からガス状の有機溶媒を回収し、回収したガス状の有機溶媒を該反応器(A)の入口又はその近傍より該反応器(A)へ連続的に供給するステップ、を含む、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の不飽和カルボン酸エステルの製造方法。 - 前記反応器から排出されるエステル化反応物を液相と気相に分離するステップ、
該分離した液相を精製し、不飽和カルボン酸エステルを得るステップ、及び
該分離した気相からガス状の有機溶媒を回収し、回収したガス状の有機溶媒を、前記反応器の入口またはその近傍より前記反応器へ連続的に供給するステップ、を含む、請求項1乃至6のいずれか1項に記載の不飽和カルボン酸エステルの製造方法。 - 固体触媒が充填された反応器を用い、不飽和カルボン酸とアルコールとのエステル化反応による不飽和カルボン酸エステルの製造方法であって、
気化した有機溶媒を該反応器の入口又はその近傍より該反応器へ連続的に供給するステップ、及び
該反応器の内圧が少なくとも30分継続して、所定圧力の±5%以内となったのちに、不飽和カルボン酸及びアルコールを該反応器の入口より該反応器へ連続的に供給するステップ、を含む不飽和カルボン酸エステルの製造方法。 - 前記反応器の内温が少なくとも30分間継続して、振れ幅が0.5℃以下となったのちに、前記不飽和カルボン酸及びアルコールを該反応器の入口より該反応器へ連続的に供給するステップ、を含む請求項8に記載の不飽和カルボン酸エステルの製造方法。
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