JP2020502139A - トリメチロールプロパンの製造方法 - Google Patents

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Abstract

本明細書は、ジメチロールブタナール(DMB)を金属触媒及びアルコール溶媒下で水素化反応させてトリメチロールプロパン(TMP)を製造するステップを含み、前記水素化反応の時、ジメチロールブタナールを基準にアルコール溶媒の重量比が2ないし10であるトリメチロールプロパンの製造方法に関する。

Description

本願は、2017年10月23日付にて韓国特許庁に提出された韓国特許出願第10−2017−0137495号の出願日の利益を主張し、その内容はすべて本明細書に組み込まれる。
本明細書は、トリメチロールプロパンの製造方法に関する。
トリメチロールプロパン(trimethylolpropane, TMP)は、多様な方法で製造されることができ、そのうち一つは下記のようにCannizzaro反応を通じて行われる。
この場合、アルカリ金属塩基を用いて製造されるが、ギ酸塩(formate)が副産物として1当量、一緒に生成されて、効率的ではない。
トリメチロールプロパンは、常温で白色結晶物質であり、アルキド樹脂、飽和ポリエステル、合成潤滑油、ポリウレタン樹脂、及び可塑剤の分野等の多様な分野において原料物質として広く使用される。したがって、産業的に重要な原料物質であるトリメチロールプロパンを経済的な方法で生産するための研究が持続的に行われている。
本明細書は、トリメチロールプロパンの製造方法を提供する。
本明細書の一実施態様は、
ジメチロールブタナール(DMB)を金属触媒及びアルコール溶媒下で水素化反応させてトリメチロールプロパン(TMP)を製造するステップを含み、
上記水素化反応の時、ジメチロールブタナールを基準にアルコール溶媒の重量比が2ないし10であるトリメチロールプロパンの製造方法を提供する。
本明細書の一実施態様に係るトリメチロールプロパンの製造方法を通じて、高収率なトリメチロールプロパンを得ることができる。
本明細書の一実施態様に係るトリメチロールプロパンの製造方法を実施するための工程図である。 本明細書のもう一つの実施態様に係るトリメチロールプロパンの製造方法を実施するための工程図である。 本明細書の実施例1、2及び比較例1に係るTMP収率及びDMB転換率を示すグラフである。 本明細書の実施例1、2及び比較例1に係る触媒層の温度プロファイル(profile)を示すグラフである。 本明細書の実施例1、2及び比較例1、3に係るΔTを示すグラフである。
以下、本明細書についてより詳細に説明する。
本明細書において、「収率(%)」は、水素化反応の生成物であるトリメチロールプロパンの重量を、水素化反応の原料であるジメチロールブタナールの重量で割った値と定義される。例えば、収率は、下記の式で表されることができる。
収率(%)=ΔTMP/反応物DMB×100
本明細書において、「転換率(%)」は、反応物が生成物に転換する割合を言い、例えば、DMB転換率は下記の式で定義されることができる。
DMB転換率(%)=100×(1−生成物DMB/反応物DMB)
本明細書において、「選択度(%)」は、TMP変化量をDMBの変化量で割った値と定義される。例えば、選択度は、下記の式で表されることができる。
選択度(%)=ΔTMP/ΔDMB×100=収率×100/転換率
本明細書の一実施態様は、ジメチロールブタナール(DMB)を金属触媒及びアルコール溶媒下で水素化反応させてトリメチロールプロパン(TMP)を製造するステップを含み、上記水素化反応の時、ジメチロールブタナールを基準にアルコール溶媒の重量比が2ないし10であるトリメチロールプロパンの製造方法を提供する。
本明細書の一実施態様によれば、アルドール縮合反応後に分離したDMBを水素化反応の時、アルコール溶媒を添加して原料中のアルコール溶媒/DMB比を調節することで、反応熱を除去し、水素化反応性を向上することができる。
特に、水素化反応原料中のアルコール溶媒が少なければ、反応熱の制御が難しく、適正水準以上になれば、DMB転換率及びTMP収率が低下し、触媒の寿命も短縮される。よって、本出願の発明者らは、反応熱の制御と水素化反応性を考慮するとき、DMBを水素化反応させてTMPを製造する過程で、ジメチロールブタナールを基準にアルコール溶媒の重量比(アルコール溶媒/DMB)が2ないし10であるとき、TMP収率を極大化できることを見出した。
本明細書の一実施態様によれば、水素化反応時のアルコール溶媒は、炭素数2ないし10のアルコール溶媒であってもよい。具体的に、炭素数6ないし8のアルコール溶媒であってもよく、好ましくは炭素数8のアルコール溶媒であってもよい。
本明細書の一実施態様によれば、アルコール溶媒は、2−エチルヘキサノール(2−ethyl hexanol, 2−EH)であってもよい。
本明細書の一実施態様によれば、水素化反応の時、ジメチロールブタナールを基準にアルコール溶媒の重量比(アルコール溶媒/DMB(g/g))は、2ないし10であってもよい。好ましくは2ないし8であってもよい。より好ましくは3ないし7であってもよい。
具体的に、ジメチロールブタナールを基準にアルコール溶媒の重量比が2未満と小さくなれば、反応器の温度変化(delta T, ΔT)が80℃以上へと高くなり、反応熱の制御が難しくなる。この場合、反応熱とヒーティング(heating)熱とが合されて暴走反応につながるおそれがあり、除熱のためのサーキュレーター(Circulator)の容量が大きくならなければならない。これは結局、商業化時に投資費用の負担につながるという短所がある。一方で、ジメチロールブタナールを基準にアルコール溶媒の重量比が10超過と高くなれば、DMBが触媒層に滞留する時間が短くなって、DMB転換率とTMP収率が顕著に低下する。また、触媒の最大活性区間を示すホットスポット(hotspot)区間も、重量比(アルコール溶媒/DMB)が高くなるにつれて触媒層の後方に押されるようになって、結局、触媒寿命にも影響を及ぼすことになる。
本明細書の一実施態様によれば、金属触媒は、銅(Cu)系金属触媒であってもよい。銅系金属触媒として、CuOの含量が10重量%ないし40重量%、SiO2の含量が55重量%ないし85重量%、BaOの含量が5重量%で反応して得られた触媒を使用することができる。この場合、水素化反応のためには、H2と熱を用いた前処理過程を必ず経なければならない。銅系金属触媒は、水素化反応に用いられる触媒であれば、制限されない。
本明細書の一実施態様によれば、トリメチロールプロパンの製造方法に使用される反応器は、水素化反応に使用される反応器であり、限定しないが、好ましくはFBR(Fixed Bed Reactor)であってもよく、より好ましくはL/D(反応区域(bed)の高さ(L)を直径(D)で割った値)が20ないし40であるFBR(Fixed Bed Reactor)であってもよい。
本明細書の一実施態様によれば、水素化反応の反応温度は、80℃ないし160℃であってもよく、好ましくは100℃ないし140℃であってもよく、より好ましくは110℃ないし130℃であってもよい。
本明細書の一実施態様によれば、水素化反応の反応圧力は、20barないし70barであってもよい。好ましくは25barないし50barであってもよい。
本明細書の一実施態様によれば、水素化反応の時、ジメチロールブタナールを基準に水素(H2)のモル比が、1ないし3であってもよい。好ましくは1ないし2であってもよい。
本明細書の一実施態様によれば、トリメチロールプロパンを製造するステップは、トリメチロールプロパンを98%以上の収率で製造することができる。具体的に、トリメチロールプロパンを98.3%以上の収率で製造することができる。上述した水素化反応の反応条件、特定のアルコール溶媒、アルコール溶媒とDMBとの重量比等を調節して、高収率なトリメチロールプロパンの製造が可能である。
本明細書の一実施態様によれば、トリメチロールプロパンの製造方法は、トリメチロールプロパンを水素化反応によって製造した後、精製するステップをさらに含むことができる。
本明細書の一実施態様に係るトリメチロールプロパンの製造方法は、(A)n−ブチルアルデヒド(n−BAL)とホルムアルデヒド(FA)とをアルキルアミン触媒下にアルドール縮合反応させて、ジメチロールブタナール(DMB)混合生成物を製造するステップ;及び(B)上記ジメチロールブタナール混合生成物からジメチロールブタナールを分離するステップをさらに含むことができる。
特に、TMPを製造するCannizzaro反応の場合、n−BALから反応を通じてTMPが生成されながら、ギ酸塩が副産物として一緒に生成される。しかし、本明細書に係るトリメチロールプロパンの製造方法においては、アルドール縮合反応後、DMBを分離した後、水素化工程を経てTMPが生成されるので、副産物が生成されない。
本明細書の一実施態様によれば、上記(A)ステップのアルドール縮合反応の時、反応物の含量は、n−ブチルアルデヒド100重量部を基準にホルムアルデヒド200重量部ないし500重量部、及びアルキルアミン触媒1重量部ないし30重量部であり、より好ましくはn−ブチルアルデヒド100重量部を基準にホルムアルデヒド250重量部ないし400重量部、及びアルキルアミン触媒10重量部ないし20重量部であってもよい。
また、本明細書の一実施態様によれば、上記(A)ステップにおいて、アルキルアミン触媒は、炭素数3ないし20のアルキルアミンであり、具体的にトリメチルアミン(trimethylamine)、トリエチルアミン(triethylamine, TEA)、トリブチルアミン(tributylamine)等が使用されることができ、好ましくはトリエチルアミンが使用されることができる。
本明細書の一実施態様によれば、上記(A)ステップにおいて、反応温度は20℃ないし70℃が好ましく、より好ましくは25℃ないし50℃であってもよい。反応時間は、90分ないし200分が好ましい。
また、本明細書の一実施態様によれば、上記(A)ステップのジメチロールブタナール混合生成物を製造するステップは、アルドール縮合反応と同時に撹拌するステップが行われることができる。すなわち、反応と撹拌とが同時に行われることができる。このとき、撹拌温度は20℃ないし70℃であってもよく、より好ましくは25℃ないし50℃であってもよい。撹拌速度は、150rpmないし350rpmであってもよく、より好ましくは200rpmないし300rpmであってもよい。
本明細書の一実施態様によれば、上記(A)ステップの結果得られたジメチロールブタナール混合生成物は、DMB、TMP、FA及び水が含まれることができる。このとき、ジメチロールブタナール混合生成物に含まれるDMBとTMPとの重量比は、2:1ないし6:1であってもよく、より好ましくは3:1ないし4:1であってもよい。生成物には水が含まれることができる。
本明細書の一実施態様によれば、上記(B)ステップのジメチロールブタナールを分離するステップは、蒸留または抽出方式を使用することができるが、これに限定されるものではない。
本明細書の一実施態様によれば、上記(B)ステップのジメチロールブタナールを分離するステップの後、ジメチロールブタナールを精製するステップをさらに含むことができる。
また、本明細書の一実施態様によれば、上記(B)ステップのジメチロールブタナールを分離するステップにおいて抽出方式を使用する場合、抽出装置としては逆流型(Counter−current type)の抽出装置が使用されることができ、2以上の段数を含む多段抽出であってもよいが、これに限定されるものではない。
本明細書の一実施態様によれば、上記(B)ステップのジメチロールブタナールを分離するステップにおいて抽出方式を使用する場合、抽出温度は、20℃ないし75℃が好ましく、具体的には25℃ないし70℃が好ましく、より具体的には50℃ないし70℃が好ましい。また、抽出時間は、30分ないし90分が好ましい。
本明細書の一実施態様に係るトリメチロールプロパンの製造過程を下記に概略に示す。
図1は、本明細書の一実施態様に係るトリメチロールプロパンの製造方法を実施するための装置及び配管構成の例示的な工程図である。
図1によれば、ジメチロールブタナールは配管11を通じて、アルコール溶媒は配管12を通じてそれぞれ反応原料1に投入される。このとき、アルコール溶媒は、炭素数2ないし10のアルコール溶媒であってもよく、好ましくは炭素数8のアルコール溶媒であってもよく、より好ましくは2−エチルヘキサノールであってもよい。上記ジメチロールブタナールは、アルドール縮合反応の後、一連の分離過程を経て得ることができる。上記一連の分離過程は、抽出であってもよい。
次に、水素化反応原料1は、配管13を通じて加熱器3で予熱(pre−heating)されて、配管14を通じて反応器4に供給され、水素貯蔵タンク2から水素化反応に必要な水素(H2)も配管15を通じて反応器4に供給される。このとき、反応器4には、固定層として銅系金属触媒が充填されている。上記反応器4は、水素化反応に使用される反応器であり、限定しないが、好ましくはL/D(反応区域(bed)の高さ(L)を直径(D)で割った値)が20ないし40であるFBR(Fixed Bed Reactor)であってもよい。
上記反応器(4)は、入口と出口にアルミナボールが中間の触媒層を支持しており、12個の温度センサーが一定の間隔で差し込まれていて、温度プロファイル(profile)を示すようになる。触媒層の入口温度を水素化反応温度として反応温度を80℃ないし160℃に設定し、反応圧力は20barないし70barに設定する。水素化反応時のH2/DMB(mol/mol)は1ないし3、WHSV(Weight Hourly Space Velocity)=0.3h-1ないし0.7h-1の条件に設定する。このとき、反応器4に注入される水素化反応物中のDMBを基準にアルコール溶媒の重量比は2ないし10の条件に設定して、水素化反応を行う。
次に、反応器4で水素化反応によって生成されたTMPは、配管16を通じて排出されて、熱交換器5を通じて冷却(cooling)され、さらに配管17を通じて熱交換器5から排出される。その後、冷却されたTMPは、ポンプ6によって配管18を通じて貯蔵槽7に貯蔵される。
図2は、本明細書のもう一つの実施態様に係るトリメチロールプロパンの製造方法を実施するための装置及び配管構成の例示的な工程図である。
図2によれば、貯蔵槽7には、未反応のDMBを含む生成物の一部が少量流入することができる。この場合、未反応のDMBの転換及び水素化反応の反応熱を制御するために、貯蔵槽7にある未反応のDMBを含む生成物の一部が配管19を通じて反応器4に流入して、再循環されることができる。
上記のように、本明細書の一実施態様によれば、TMP製造方法のうち、DMBを水素化反応させてTMPを製造する過程において、最適な水素化反応溶媒(アルコール溶媒)を選定し、DMBとアルコール溶媒との重量比を調節することにより、TMPの収率を極大化することができる。
以下、本明細書を具体的に説明するために、実施例を挙げて詳細に説明する。ところが、本明細書に係る実施例は、種々の異なる形態に変形されることができ、本明細書の範囲が以下に記述する実施例に限定されるものとは解釈されない。本明細書の実施例は、当業界における平均的な知識を有する者に本明細書をより完全に説明するために提供されるものである。
<実施例>
<製造例1>
10Lのジャケット型(jacket type)反応器において、FA/n−BAL=4のモル比で反応したアルドール縮合反応生成物から、抽出を通じてジメチロールブタナール(DMB)を製造した。
<実施例1>
製造例1で得たDMBに2−エチルヘキサノール(2−EH)を添加して水素化原料を調製した。
その後、銅系金属触媒が充填されているL/D(反応区域の高さ(L)を直径(D)で割った値)が30であるFBR(Fixed Bed Reactor)に調製された原料を投入して、水素化反応によってTMPを製造した。
このとき、DMBを基準に2−EHの重量比(2−EH/DMB)は4だった。水素化反応時に添加される水素のモル数は、H2/DMB(mol/mol)=1.5とし、 WHSV(Weight Hourly Space Velocity)=0.3h-1に設定した。反応器の入口と出口にはアルミナボールが中間の触媒層を支持しており、12個の温度センサーが一定の間隔で差し込まれて温度プロファイル(profile)を示した。触媒層の入口温度を反応温度として120℃で実験し、反応圧力は30barに設定した。
<実施例2>
実施例1において、DMBを基準に2−EHの重量比(2−EH/DMB)は6であることを除き、実施例1と同一の方法でTMPを製造した。
<実施例3>
実施例1において、DMBを基準に2−EHの重量比(2−EH/DMB)は10であることを除き、実施例1と同一の方法でTMPを製造した。
<比較例1>
実施例1において、DMBを基準に2−EHの重量比(2−EH/DMB)は12であることを除き、実施例1と同一の方法でTMPを製造した。
<比較例2>
実施例1において、2−エチルヘキサノールの代わりに1−ヘキサノール(1−hexanol)を使用し、DMBを基準に1−ヘキサノールの重量比(1−ヘキサノール/DMB)は4であることを除き、実施例1と同一の方法でTMPを製造した。
上記実施例1ないし3、及び比較例1及び2によって得たTMP収率、DMB転換率、及びTMP選択度を下記式を通じて計算し、触媒層の温度プロファイルによる温度変化(delta T、ΔT=Tout−Tin、すなわち反応熱を意味する。)を測定した結果を下記表1に記載する。
上記実施例1、2及び比較例1によるTMP収率及びDMB転換率を図3に、触媒層の温度プロファイルを図4に、ΔTを図5に示す。
TMP収率(%)=ΔTMP/反応物DMB×100
DMB転換率(%)=100×(1−生成物DMB/反応物DMB)
TMP選択度(%)=ΔTMP/ΔDMB×100=収率×100/転換率
<比較例3>
実施例1において、DMBを基準に2−EHの重量比(2−EH/DMB)は1であることを除き、実施例1と同一の方法でTMPを製造した。
但し、TMP収率、DMB転換率、及びTMP選択度が100%と仮定し、計算値を通じてΔT(℃)は92.0℃という結果を得て、これを通じて反応熱を予測した。
Delta T(ΔT(℃))は、下記式(1)及び式(2)を通じて計算した。Q値は反応温度による反応速度の実験値に基づいてアレニウスの式(Arrhenius equation)である式(2)を用いて計算した。
[式(1)]
Q=ΣCpi*mi*△Ti
(Q:反応熱、i:各組成成分、Cp:各組成成分の熱容量値、m:水素化反応の生成物各組成の質量(mass)値)
[式(2)]
r=A*e-Ea/RT
(r:反応速度、T:絶対温度、R:気体定数、A:頻度係数または頻度因子、Ea:活性化エネルギで、ここではQ値と同一)
実施例1ないし3、及び比較例1ないし3によれば、ジメチロールブタナール(DMB)を銅系金属触媒及び2−EH下で水素化反応させてトリメチロールプロパン(TMP)を製造するとき、DMBを基準に2−EHの重量比が2ないし10である場合、高収率なTMPを得ることができた。
また、触媒層の温度プロファイル及びΔTによれば、2−EH/DMBが4ない10の場合、反応熱の制御が容易になって、2−EH/DMBが1以下のときと比べると、相対的に熱交換器の容量が小さくて投資費用の負担が低減できることを確認した。
比較例3(2−EH/DMB=1)の場合、TMP収率、DMB転換率、及びTMP選択度を100%と仮定して計算値を通じて反応熱を予測したが、ΔT(delta T)値が大きくなると、発生する熱によって、TMP収率及びTMP選択度が低くなる傾向性を示す。比較例3の計算されたΔTは92.0℃であって、実施例1ないし3に比べて顕著に高いので、TMP収率及びTMP選択度が実施例1ないし3よりも低くなることを十分予想することができる。
結果として、アルドール縮合反応後、分離したDMBを水素化反応の時、2−EHを添加して原料中の2−EH/DMB比を調節することにより、反応熱を除去し、水素化反応性を向上して、TMP収率を極大化できることを確認することができた。
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明の範囲内で様々に変形して実施することが可能であり、これもまた発明の範疇に属する。
1:反応原料
2:水素貯蔵タンク
3:加熱器
4:反応器
5:熱交換器
6:ポンプ
7:貯蔵槽
11、12、13、14、15、16、17、18、19:配管

Claims (9)

  1. ジメチロールブタナール(DMB)を金属触媒及びアルコール溶媒下で水素化反応させてトリメチロールプロパン(TMP)を製造するステップを含み、
    前記水素化反応の時、ジメチロールブタナールを基準にアルコール溶媒の重量比が2ないし10であるトリメチロールプロパンの製造方法。
  2. 前記アルコール溶媒は、炭素数2ないし10のアルコール溶媒である、請求項1に記載のトリメチロールプロパンの製造方法。
  3. 前記金属触媒は、銅系金属触媒である、請求項1に記載のトリメチロールプロパンの製造方法。
  4. 前記水素化反応の反応温度は、80℃ないし160℃である、請求項1に記載のトリメチロールプロパンの製造方法。
  5. 前記水素化反応の反応圧力は、20barないし70barである、請求項1に記載のトリメチロールプロパンの製造方法。
  6. 前記アルコール溶媒は、2−エチルヘキサノール(2−ethyl hexanol)である、請求項1に記載のトリメチロールプロパンの製造方法。
  7. 前記水素化反応の時、ジメチロールブタナールを基準に水素(H2)のモル比が1ないし3である、請求項1に記載のトリメチロールプロパンの製造方法。
  8. 前記トリメチロールプロパンを製造するステップは、トリメチロールプロパンを98%以上の収率で製造するものである、請求項1に記載のトリメチロールプロパンの製造方法。
  9. (A)n−ブチルアルデヒド(n−BAL)とホルムアルデヒド(FA)とをアルキルアミン触媒下にアルドール縮合反応させて、ジメチロールブタナール(DMB)混合生成物を製造するステップ;及び
    (B)前記ジメチロールブタナール混合生成物からジメチロールブタナールを分離するステップをさらに含む、請求項1ないし8のいずれか一項に記載のトリメチロールプロパンの製造方法。
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