JP2023086457A - Method for producing ethylene carbonate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、エチレンカーボネートの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for producing ethylene carbonate.
エチレンカーボネートは、各種高分子化合物の溶媒、各種化学反応の反応溶媒、リチウムイオン二次電池の電解液溶媒、抽剤、発泡剤及び潤滑油安定剤などとして使用されている。
エチレンカーボネートは、通常、エチレンオキシドと二酸化炭素とを高温高圧で反応させることにより合成される。このため、エチレンカーボネート中には、これらの合成原料に由来するエチレングリコール及びジエチレングリコール等のジオール類が含まれている。また、合成の際に使用した触媒成分や微量の水分も含まれている。水分はエチレンカーボネートとさらに反応して、エチレングリコールを生成する。
Ethylene carbonate is used as a solvent for various polymer compounds, a reaction solvent for various chemical reactions, an electrolyte solvent for lithium ion secondary batteries, an extractant, a foaming agent, a lubricating oil stabilizer, and the like.
Ethylene carbonate is usually synthesized by reacting ethylene oxide and carbon dioxide at high temperature and high pressure. Therefore, ethylene carbonate contains diols such as ethylene glycol and diethylene glycol derived from these synthetic raw materials. It also contains the catalyst components used in the synthesis and a small amount of water. Moisture further reacts with ethylene carbonate to produce ethylene glycol.
各種溶媒等として使用されるエチレンカーボネートは、不純物を極力含有していないことが好ましい。
従来、エチレンカーボネートの精製方法としては、蒸留法、晶析法などの各種の方法が提案されている。
Ethylene carbonate used as various solvents and the like preferably contains as few impurities as possible.
Conventionally, various methods such as a distillation method and a crystallization method have been proposed as methods for purifying ethylene carbonate.
蒸留法は、工業的に最も汎用的に実施されている精製方法である。しかしながら、エチレンカーボネートは沸点が246℃(常圧)と高いため、蒸留法によりエチレンカーボネートの精製を行うと、たとえ減圧で蒸留を行っても熱劣化が起こり、エチレンカーボネートがジオールや水分と反応して高分子量化しやすい。また、高分子量化したエチレンカーボネートの一部の結合が切れて、ジオールに戻ってしまうために、蒸留を行っても、エチレンカーボネート中にジオールが約100ppm残留してしまう場合がある。さらに、蒸留法は、当該物質の蒸発潜熱分のエネルギーが必要な上に、還流比も大きくしなければならない。従って、顕熱除去による冷却のみで済む晶析法と比較して、消費エネルギーが非常に大きい。
特にトリブチルメチルホスホニウムヨージド(以下、「TBPMI」と称する場合がある)/K2CO3等の触媒存在下で蒸留を行うと、エチレンカーボネートの分解が促進され、収率が大幅に悪化する。加えて、エチレングリコールが含まれる場合では、エチレングリコールとエチレンカーボネートが共沸し、蒸留分離が困難となる。
Distillation is the most widely used purification method industrially. However, since the boiling point of ethylene carbonate is as high as 246°C (at normal pressure), when ethylene carbonate is purified by distillation, even if the distillation is carried out under reduced pressure, thermal deterioration occurs, and ethylene carbonate reacts with diols and moisture. It is easy to increase the molecular weight. In addition, since some bonds of ethylene carbonate having a high molecular weight are broken and returned to diol, about 100 ppm of diol may remain in ethylene carbonate even after distillation. Furthermore, the distillation method requires energy for the latent heat of vaporization of the substance, and also requires a large reflux ratio. Therefore, the energy consumption is very large compared to the crystallization method which requires only cooling by removing sensible heat.
In particular, distillation in the presence of a catalyst such as tributylmethylphosphonium iodide (hereinafter sometimes referred to as “TBPMI”)/K 2 CO 3 accelerates the decomposition of ethylene carbonate and greatly deteriorates the yield. In addition, when ethylene glycol is contained, ethylene glycol and ethylene carbonate azeotrope, making distillation separation difficult.
晶析法は、目的成分を結晶化させる際に、その温度で結晶化しない不純物成分が結晶中には入り込まないことを利用する精製方法である。晶析法は、冷却による晶析と微加温による溶解の操作のみで精製できるため、副反応による劣化が起こりにくく、消費エネルギーが少ない。
特許文献1には、本文献記載の晶析法を適用すると、99.999%以上の高純度エチレンカーボネートが取得できることが開示されている。
しかしながら、特許文献1の方法でこのような高純度のエチレンカーボネートを得るためには、多段晶析や溶融精製といった方法を採用する必要があり、純度向上のために長時間かつ煩雑な操作が必要となる。よって、この方法により生産量を増やすことは容易ではなく経済性に欠ける。
The crystallization method is a purification method that utilizes the fact that impurity components that do not crystallize at that temperature do not enter the crystal when the target component is crystallized. In the crystallization method, purification can be performed only by the operation of crystallization by cooling and dissolution by slight heating, so deterioration due to side reactions is unlikely to occur and energy consumption is small.
Patent Document 1 discloses that high-purity ethylene carbonate of 99.999% or more can be obtained by applying the crystallization method described in this document.
However, in order to obtain such high-purity ethylene carbonate by the method of Patent Document 1, it is necessary to adopt a method such as multi-stage crystallization or melt refining, and a long and complicated operation is required to improve the purity. becomes. Therefore, increasing the production volume by this method is not easy and lacks economic efficiency.
本発明は、上記問題点を解決した、低エネルギーで簡易な操作且つ高生産性が期待できるエチレンカーボネートの製造方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for producing ethylene carbonate which solves the above-mentioned problems and is expected to have low energy consumption, simple operation, and high productivity.
本発明者は、上記課題に鑑み鋭意検討を行った結果、エチレンカーボネートを合成し、一次晶析を行った粗結晶を特定の溶媒で洗浄することにより、簡易に不純物を除去できることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち本発明は以下に存する。
As a result of intensive studies in view of the above problems, the present inventor found that impurities can be easily removed by washing crude crystals obtained by synthesizing ethylene carbonate and performing primary crystallization with a specific solvent. perfected the invention.
That is, the present invention resides in the following.
[1]エチレングリコール類を含むエチレンカーボネート結晶と、エチレングリコール類の沸点よりも低い溶媒とを接触させることを含む、エチレンカーボネートの製造方法。
[2]前記エチレンカーボネート結晶が、水分、第4級ホスホニウム塩、アルカリ金属塩、及びアルカリ土類金属塩から選択される少なくとも1種を含むものである、上記[1]のエチレンカーボネートの製造方法。
[3]前記エチレングリコール類がモノエチレングリコール及び/又はジエチレングリコールである、上記[1]又は[2]のエチレンカーボネートの製造方法。
[4] 前記溶媒が親水性である上記[1]~[3]のいずれかのエチレンカーボネートの製造方法。
[5] 前記エチレングリコール類を含むエチレンカーボネート結晶もしくは前記溶媒が水を含むものであり、前記接触前の前記溶媒の温度を36℃以下、前記エチレンカーボネート結晶と前記溶媒を接触させた後の終点での液温を0℃以上に維持することを含む、上記[1]~[4]のいずれかのエチレンカーボネートの製造方法。
[1] A method for producing ethylene carbonate, comprising contacting ethylene carbonate crystals containing ethylene glycols with a solvent having a boiling point lower than that of the ethylene glycols.
[2] The method for producing ethylene carbonate according to [1] above, wherein the ethylene carbonate crystals contain at least one selected from water, quaternary phosphonium salts, alkali metal salts, and alkaline earth metal salts.
[3] The method for producing ethylene carbonate according to [1] or [2] above, wherein the ethylene glycol is monoethylene glycol and/or diethylene glycol.
[4] The method for producing ethylene carbonate according to any one of [1] to [3] above, wherein the solvent is hydrophilic.
[5] The ethylene carbonate crystals containing ethylene glycols or the solvent contains water, the temperature of the solvent before the contact is 36°C or less, and the end point after the ethylene carbonate crystals and the solvent are brought into contact. The method for producing ethylene carbonate according to any one of [1] to [4] above, which comprises maintaining the liquid temperature at 0° C. or higher.
本発明によれば、簡易な操作でエチレンカーボネートの純度を向上させることができ、低エネルギー且つ高生産性にてエチレンカーボネートの製造が可能となる。
本発明によれば、エチレンカーボネートと共沸し、分離困難なエチレングリコール類を簡便な方法で除去でき、さらに電解液用途等においてより純度向上させたい場合、蒸留法を組み合わせて高純度化することも可能となる。
また、エチレンカーボネートよりも低沸点の溶媒を使用することで、蒸留に必要なエネルギーも下げることができ、場合によっては、減圧乾燥や風乾で高純度化が可能である。
加えて、第4級ホスホニウム塩、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩等の触媒が含まれる場合、蒸留法ではエチレンカーボネートを蒸留してトップから留出、もしくはサイドカットして触媒とエチレンカーボネートを分離する必要があるが、本発明によれば、エチレングリコール類と共に触媒も同時に低減できるため、エチレンカーボネートを蒸留除去する必要が無くなり、更に低エネルギーでの高純度化が可能となる。
さらに、本発明では、選択した溶媒、例えばエチレンカーボネートの溶解度が高い水やアルコールにより、一部のエチレンカーボネートは溶解し、回収率が低下する場合があるが、エチレングリコールの製造(例えば特開平9-208509号公報参照)やジアルキルカーボネートやジオール類の製造(例えば特開平4-198141号公報参照)に再利用することで、溶媒に溶解したエチレンカーボネートは無駄なく利用することができる。
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the purity of ethylene carbonate can be improved by simple operation, and it becomes possible to manufacture ethylene carbonate with low energy and high productivity.
According to the present invention, ethylene glycols, which are azeotropically distilled with ethylene carbonate and are difficult to separate, can be removed by a simple method, and when it is desired to further improve the purity in applications such as electrolyte solutions, distillation can be combined to achieve high purification. is also possible.
In addition, by using a solvent with a boiling point lower than that of ethylene carbonate, the energy required for distillation can be reduced, and in some cases, high purification can be achieved by drying under reduced pressure or air drying.
In addition, when a catalyst such as a quaternary phosphonium salt, an alkali metal salt, or an alkaline earth metal salt is contained, in the distillation method, ethylene carbonate is distilled from the top, or side-cut to separate the catalyst and ethylene carbonate. However, according to the present invention, since the catalyst can be reduced together with the ethylene glycols, there is no need to remove the ethylene carbonate by distillation, and high purification can be achieved with low energy.
Furthermore, in the present invention, a part of ethylene carbonate may be dissolved by the selected solvent, such as water or alcohol in which ethylene carbonate has high solubility, and the recovery rate may decrease. -208509) or in the production of dialkyl carbonates and diols (see, for example, JP-A-4-198141), the ethylene carbonate dissolved in the solvent can be used without waste.
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明するが、以下に記載する構成要件の説明は、本発明の実施形態の一例であり、本発明はこれらの内容に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。 Embodiments of the present invention will be described in detail below, but the description of the constituent elements described below is an example of the embodiments of the present invention, and the present invention is not limited to these contents. Various modifications can be made within the scope of the gist.
本発明のエチレンカーボネートの製造方法は、エチレングリコール類を含むエチレンカーボネート結晶(以下、「粗エチレンカーボネート結晶」と称す場合がある。)と、エチレングリコール類の沸点よりも低い溶媒(以下、「洗浄溶媒」と称す場合がある。)とを接触させること(以下、この工程を「本発明の精製工程」と称す場合がある。)を含む、エチレンカーボネートの製造方法、である。 The method for producing ethylene carbonate of the present invention comprises ethylene carbonate crystals containing ethylene glycols (hereinafter sometimes referred to as "crude ethylene carbonate crystals") and a solvent having a boiling point lower than that of the ethylene glycols (hereinafter, "washing (hereinafter, this step may be referred to as the “refining step of the present invention”).
<粗エチレンカーボネート結晶>
本発明において精製対象となるエチレングリコール類を含む粗エチレンカーボネート結晶は、以下の方法により調製することができる。
まず、触媒の存在下、二酸化炭素とエチレンオキシドとを反応させてエチレンカーボネートを生成させる。
このカーボネート化反応で用いられる触媒としては、アルカリ金属の臭化物又はヨウ化物(例えば、特公昭38-23175号公報に記載のもの)等のアルカリ金属塩、アルカリ土類金属のハロゲン化物(例えば、米国特許第2,667,497号明細書に記載のもの)等のアルカリ土類金属塩、アルキルアミン、第四級アンモニウム塩(例えば、米国特許第2,773,070号明細書に記載のもの)、有機スズ又はゲルマニウム若しくはテルル化合物(例えば、特開昭57-183784号公報に記載のもの)、ハロゲン化有機ホスホニウム塩(例えば、特開昭58-126884号公報に記載のもの)など第4級ホスホニウム塩といった公知のものの中から適宜選択して用いればよい。
<Crude ethylene carbonate crystal>
Crude ethylene carbonate crystals containing ethylene glycols to be purified in the present invention can be prepared by the following method.
First, carbon dioxide and ethylene oxide are reacted in the presence of a catalyst to produce ethylene carbonate.
The catalyst used in this carbonate reaction includes alkali metal salts such as alkali metal bromides and iodides (for example, those described in JP-B-38-23175), alkaline earth metal halides (for example, US Pat. alkaline earth metal salts such as those described in U.S. Pat. No. 2,667,497), alkylamines, quaternary ammonium salts (e.g., those described in U.S. Pat. No. 2,773,070) , organic tin or germanium or tellurium compounds (for example, those described in JP-A-57-183784), quaternary halogenated organic phosphonium salts (for example, those described in JP-A-58-126884) It may be used by appropriately selecting from known ones such as phosphonium salts.
なかでも、アルカリ金属の臭化物またはヨウ化物、あるいはホスホニウム塩を用いるのが好ましい。好ましい例として、ヨウ化カリウム、臭化カリウム、4級ホスホニウムヨージドあるいは4級ホスホニウムブロマイド、例えば、トリブチルメチルホスホニウムヨージド(TBPMI)、トリフェニルメチルホスホニウムヨージド、トリフェニルプロピルホスホニウムヨージド、トリフェニルベンジルホスホニウムヨージド、トリブチルメチルホスホニウムヨージドあるいはこれらのブロマイド等が挙げられる。
また、ホスホニウム塩にアルカリ金属炭酸塩を形成する化合物を併用することもできる。アルカリ金属炭酸塩はカーボネート化反応においてエチレングリコール、エチレンカーボネート以外の副生物が生成するのを抑制するので好ましい。アルカリ金属としては、溶解度の大きいカリウム塩が好ましい。触媒を併用する場合の好ましい例としては、特開2000-128814号公報に記載のとおりである。
Among them, it is preferable to use a bromide or iodide of an alkali metal, or a phosphonium salt. Preferred examples include potassium iodide, potassium bromide, quaternary phosphonium iodide or quaternary phosphonium bromide, such as tributylmethylphosphonium iodide (TBPMI), triphenylmethylphosphonium iodide, triphenylpropylphosphonium iodide, triphenyl benzylphosphonium iodide, tributylmethylphosphonium iodide, bromides thereof, and the like.
A compound that forms an alkali metal carbonate with the phosphonium salt can also be used in combination. Alkali metal carbonates are preferred because they suppress the production of by-products other than ethylene glycol and ethylene carbonate in the carbonation reaction. As the alkali metal, a potassium salt having a high solubility is preferable. A preferred example of combined use of a catalyst is as described in JP-A-2000-128814.
本発明に係るカーボネート化反応の原料として使用されるエチレンオキシドは、市販されている純度の高いエチレンオキシドを使用してもかまわないが、例えば、Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry,5thEd.,volA10,p117以下に記載されているように、原料のエチレン及び酸素並びに希釈ガスであるメタンを主成分とするガスを、銀触媒が充填された多管式の反応器に通過させることで反応を行わせ合成したものを、例えば、下述のとおり精製して用いることもできる。通常、エチレンのエチレンオキシドへの選択率は80%程度であり、残りの20%程度は完全酸化反応により炭酸ガス及び水になる。上記反応器から流出した酸化反応ガスは、生成したエチレンオキシド及び未反応エチレン、並びに炭酸ガス、酸素、希釈ガス等から構成されている。生成したエチレンオキシドは水を吸収液とする吸収塔で液相中に吸収させる。吸収液中に吸収されたエチレンオキシドは、エチレンオキシド放散塔において放散されて、塔頂から高濃度のエチレンオキシドの水溶液として回収され、さらに蒸留塔で脱水精製を行う。また、上記で塔頂から得られた高濃度のエチレンオキシドの水溶液を直接原料として用いることもできる。 Commercially available high-purity ethylene oxide may be used as the ethylene oxide used as a raw material for the carbonation reaction according to the present invention. For example, Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5th Ed. As described above, a gas composed mainly of ethylene and oxygen as raw materials and methane as a diluent gas is passed through a multi-tubular reactor filled with a silver catalyst to react and synthesize. , for example, can also be used after being purified as described below. Normally, the selectivity of ethylene to ethylene oxide is about 80%, and the remaining about 20% becomes carbon dioxide gas and water by complete oxidation reaction. The oxidizing reaction gas discharged from the reactor consists of the produced ethylene oxide, unreacted ethylene, carbon dioxide gas, oxygen, diluent gas and the like. The produced ethylene oxide is absorbed into the liquid phase in an absorption tower using water as an absorption liquid. The ethylene oxide absorbed in the absorbing liquid is stripped in the ethylene oxide stripping column, recovered from the top of the column as a highly concentrated aqueous solution of ethylene oxide, and further dehydrated and purified in the distillation column. Alternatively, the high-concentration ethylene oxide aqueous solution obtained from the top of the column can be used directly as a raw material.
カーボネート化反応は任意の装置を用いて行うことができる。一例として、途中に除熱用の熱交換器及び循環用のポンプを備えた液循環導管を有する気泡塔を用いて塔内の反応液を、液循環導管を経て循環させることにより反応温度を制御し、塔底より原料のエチレンオキシド、二酸化炭素、及び触媒を連続的に供給し連続的に反応を行わせることができる。また、特開平11-269110号公報に開示されているような、エジェクター型ノズルを備えた反応器を用いるのも好ましい。反応温度は通常70~200℃であるが、100℃~170℃が好ましい。 Carbonation reaction can be carried out using any device. As an example, the reaction temperature is controlled by circulating the reaction liquid in the column through the liquid circulation conduit using a bubble column having a liquid circulation conduit equipped with a heat removal heat exchanger and a circulation pump in the middle. Then, the raw materials ethylene oxide, carbon dioxide, and the catalyst are continuously supplied from the bottom of the column, and the reaction can be carried out continuously. It is also preferable to use a reactor equipped with an ejector nozzle as disclosed in JP-A-11-269110. The reaction temperature is usually 70 to 200°C, preferably 100 to 170°C.
また、反応圧力は通常0.6~5.0MPaであるが、1.0~3.0MPaが好ましい。本発明に係るカーボネート化反応には水を添加してもよく、水の存在下においては、エチレンオキシドはエチレンカーボネートだけでなく、エチレングリコールにも転化される。よって、カーボネート化反応液には、必ずエチレングリコールが混在する。エチレンオキシドに対して等モル以下の二酸化炭素の供給量でも反応は容易に進行する。通常はエチレンオキシドに対する二酸化炭素の供給モル比は5以下であり、好ましくは0.5~3.0である。 The reaction pressure is usually 0.6-5.0 MPa, preferably 1.0-3.0 MPa. Water may be added to the carbonation reaction according to the present invention, and in the presence of water, ethylene oxide is converted not only to ethylene carbonate but also to ethylene glycol. Therefore, ethylene glycol is always mixed in the carbonate-forming reaction solution. The reaction proceeds easily even when the amount of carbon dioxide supplied is equimolar or less with respect to ethylene oxide. The feed molar ratio of carbon dioxide to ethylene oxide is usually 5 or less, preferably 0.5 to 3.0.
また、エチレンオキシドに対する水の供給モル比は通常は10以下であり、好ましくは0.5~5.0である。なお、気泡塔で、エチレンオキシドを完全に反応させるのは非効率なので、気泡塔の後に、管型反応器を配し、液中のエチレンオキシドを更に反応させるのも好ましい。このとき、上記触媒の添加量は、エチレンオキシドに対してモル比で1/1000~1/20、好ましくは1/200~1/50である。カーボネート化反応で得られた反応液の一部は、本発明の精製工程に送られ、残りを、好ましくは、後述する触媒回収操作を行った後、後述する着色成分除去操作を行ってカーボネート化反応器へ循環させることもできるし、触媒回収操作と着色成分除去操作は別の操作として行ってもよい。触媒の劣化を防ぐため行われる触媒回収操作は、例えば、特開2004-262767号公報、特開2004-284976号公報、あるいは特開2004-292384号公報等に記載の方法が挙げられる。着色成分除去操作としては、国際公開第2011/065528号に記載の方法が挙げられる。 Also, the molar ratio of water supplied to ethylene oxide is usually 10 or less, preferably 0.5 to 5.0. Since it is inefficient to completely react ethylene oxide in a bubble column, it is also preferable to arrange a tubular reactor after the bubble column to further react ethylene oxide in the liquid. At this time, the amount of the catalyst added is 1/1000 to 1/20, preferably 1/200 to 1/50, in terms of molar ratio to ethylene oxide. A part of the reaction solution obtained by the carbonate-forming reaction is sent to the purification step of the present invention, and the remainder is preferably subjected to a catalyst recovery operation described later, followed by a coloring component removal operation described later to carbonate. It can be circulated to the reactor, or the catalyst recovery operation and the coloring component removal operation may be carried out as separate operations. Examples of the catalyst recovery operation performed to prevent deterioration of the catalyst include the methods described in JP-A-2004-262767, JP-A-2004-284976, JP-A-2004-292384, and the like. The coloring component removing operation includes the method described in International Publication No. 2011/065528.
次に、カーボネート化反応液からエチレンカーボネートを晶析により分離する。一般的にはカーボネート化反応液を冷却することにより、粗エチレンカーボネート結晶(本発明で精製対象とする「エチレングリコール類を含むエチレンカーボネート結晶」)を析出させ、これを分離回収する。ここで分離方法としては、特に制限はないが、遠心分離、減圧ろ過、加圧ろ過等の手法が挙げられる。 Next, ethylene carbonate is separated from the carbonation reaction solution by crystallization. Generally, by cooling the carbonate-forming reaction solution, crude ethylene carbonate crystals (“ethylene carbonate crystals containing ethylene glycols” to be purified in the present invention) are precipitated and separated and recovered. The separation method here is not particularly limited, but methods such as centrifugation, vacuum filtration, and pressure filtration can be used.
通常、上記のようにして得られる粗エチレンカーボネート結晶の組成は、エチレンカーボネート純度85~95質量%程度で、エチレングリコール類を3~10質量%含み、また水を2~5質量%、前述の触媒成分を0.001~0.5質量%程度含有する粗エチレンカーボネート結晶である。
また、エチレングリコール類としては、通常、モノエチレングリコール及び/又はジエチレングリコールが含まれうる。これは、上述の通り、カーボネート化反応では水を添加してもよく、水の存在下においては、エチレンオキシドはエチレングリコールにも転化されるからである。また、カーボネート化反応液中のエチレングリコールの存在比が高い場合は、カーボネート化反応時に微量エチレンオキシドとエチレングリコールが反応してジエチレングリコールにも転化するからである。
Generally, the composition of the crude ethylene carbonate crystals obtained as described above has an ethylene carbonate purity of about 85 to 95% by mass, contains 3 to 10% by mass of ethylene glycols, and contains 2 to 5% by mass of water. It is a crude ethylene carbonate crystal containing about 0.001 to 0.5% by mass of a catalyst component.
Ethylene glycols may also typically include monoethylene glycol and/or diethylene glycol. This is because, as mentioned above, water may be added in the carbonation reaction and in the presence of water ethylene oxide is also converted to ethylene glycol. Also, when the abundance ratio of ethylene glycol in the carbonation reaction solution is high, a trace amount of ethylene oxide reacts with ethylene glycol during the carbonation reaction to convert to diethylene glycol.
<精製工程>
本発明では、上記のようにして得られた粗エチレンカーボネート結晶と、エチレングリコール類の沸点よりも沸点が低い溶媒とを接触させて精製する。この精製工程により、純度94質量%以上、好ましくは98質量%以上の精製エチレンカーボネート結晶を得ることができる。
この精製工程を経た後、さらに精製を行う場合は、本精製工程によりエチレングリコール類や触媒が低減されているため、エチレングリコール類とエチレンカーボネートの共沸による分離不能や触媒による分解を防止することができる。
<Purification process>
In the present invention, the crude ethylene carbonate crystals obtained as described above are brought into contact with a solvent having a boiling point lower than that of the ethylene glycols for purification. Purified ethylene carbonate crystals having a purity of 94% by mass or more, preferably 98% by mass or more can be obtained by this purification step.
When further purification is performed after this purification process, the ethylene glycol and the catalyst are reduced by this purification process, so it is necessary to prevent the inability to separate the ethylene glycol and ethylene carbonate due to azeotropy and the decomposition by the catalyst. can be done.
精製工程で用いる洗浄溶媒の沸点がエチレングリコール類の沸点以上であるとエチレンカーボネートの沸点に近くなり、更に高純度に精製する場合に蒸留での分離が困難かつ、分離に大きなエネルギーが必要である。このため、本発明では、粗エチレンカーボネート結晶に含まれるエチレングリコール類の沸点よりも沸点が低い洗浄溶媒を用いる。洗浄溶媒の沸点はエチレングリコール類の沸点よりも低ければよく、その沸点差には特に制限はないが、エチレングリコール類の沸点よりも50℃以上、特に100℃以上低い溶媒を用いることが好ましい。洗浄溶媒の沸点の下限については、洗浄精製および保管時に温度管理が容易な点で40℃以上が好ましい。 If the boiling point of the washing solvent used in the refining process is higher than the boiling point of ethylene glycols, the boiling point will be close to that of ethylene carbonate, and separation by distillation will be difficult and a large amount of energy will be required for further purification to a higher degree of purity. . Therefore, in the present invention, a washing solvent having a boiling point lower than that of the ethylene glycols contained in the crude ethylene carbonate crystals is used. The boiling point of the washing solvent should be lower than the boiling point of the ethylene glycols, and the difference in boiling points is not particularly limited. The lower limit of the boiling point of the washing solvent is preferably 40° C. or higher from the viewpoint of easy temperature control during washing purification and storage.
本発明の精製工程で用いるエチレングリコール類よりも沸点が低い洗浄溶媒として、具体的には水、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ヘプタン、ベンゼン、ノルマルヘキサン、シクロヘキサン、トルエン、ジエチルエーテル、キシレン等が挙げられる。これらの溶媒は単独又は組み合わせて使用してもよい。中でもエチレングリコール類やトリブチルホスホニウムヨージド、炭酸カリウム、ヨウ化カリウム等の触媒と親和性の高い溶媒を選択することが好ましい。好ましくは、親水性の溶媒であって、より好ましくは、水、メタノール又はエタノールである。 Specific examples of the washing solvent having a lower boiling point than the ethylene glycol used in the purification process of the present invention include water, methanol, ethanol, propanol, butanol, heptane, benzene, normal hexane, cyclohexane, toluene, diethyl ether, and xylene. mentioned. These solvents may be used alone or in combination. Among them, it is preferable to select a solvent having a high affinity with the catalyst such as ethylene glycols, tributylphosphonium iodide, potassium carbonate, potassium iodide and the like. Preferably, it is a hydrophilic solvent, more preferably water, methanol or ethanol.
粗エチレンカーボネート結晶と洗浄溶媒との接触方法としては、例えば、前述の遠心分離後、さらに溶媒と接触させながら遠心分離を行う方法、ろ過により回収された粗エチレンカーボネート結晶にさらに溶媒を添加してろ過を継続する方法などが挙げられる。なお、前記カーボネート化反応後のカーボネート化反応液からの粗エチレンカーボネート結晶の分離操作と洗浄溶媒との接触操作は、断続的又は連続的に行うことが可能である。 As a method for contacting the crude ethylene carbonate crystals with the washing solvent, for example, after the above-described centrifugation, centrifugation is performed while contacting with the solvent, and a solvent is further added to the crude ethylene carbonate crystals recovered by filtration. A method of continuing filtration and the like can be mentioned. The separation operation of the crude ethylene carbonate crystals from the carbonate-forming reaction solution after the carbonate-forming reaction and the contacting operation with the washing solvent can be performed intermittently or continuously.
使用する洗浄溶媒量は、選択した溶媒のエチレンカーボネートに対する溶解度を基準に設定することが好ましい。通常、結晶重量の1.5倍以下が好ましい。
シクロヘキサン等の疎水性溶剤の場合、低温であれば、エチレンカーボネートが殆ど溶解しないため、結晶重量の10倍程度の溶媒量で処理することも可能である。
精製工程で用いる洗浄溶媒量が多過ぎるとエチレンカーボネートの回収率が低下する。一方で、洗浄溶媒量が少な過ぎると十分な精製効果が得られないため、洗浄溶媒の使用量は特に限定されないが、粗エチレンカーボネート結晶重量の0.5倍以上であることが好ましい。
The amount of washing solvent used is preferably set based on the solubility of the selected solvent in ethylene carbonate. Usually, 1.5 times or less of the crystal weight is preferable.
In the case of a hydrophobic solvent such as cyclohexane, since ethylene carbonate hardly dissolves at low temperatures, it is possible to treat with a solvent amount of about 10 times the weight of the crystals.
If the amount of washing solvent used in the purification step is too large, the recovery rate of ethylene carbonate decreases. On the other hand, if the amount of the washing solvent is too small, a sufficient purification effect cannot be obtained, so the amount of the washing solvent used is not particularly limited, but it is preferably 0.5 times or more the weight of the crude ethylene carbonate crystals.
接触温度については、エチレンカーボネートの融点が36℃であることから、それ以下であることが好ましい。また、エチレンカーボネートの回収率の向上の観点から、上記の通り少量の洗浄溶媒を用いて低温で処理するこが好ましい。
一方で、エチレンカーボネートは溶解時に吸熱するため、水を含む系の場合は接触後の溶媒の温度が0℃以上になるように接触開始温度を決定するのが望ましい。Niccolo Peruzzi, et al., J. Phys. Chem. B 2012, 116,14398-14405.によると、理論的にはエチレンカーボネート溶解時に13.3kJ/molのエンタルピー変化(吸熱)が起きる。これは水0.8質量部に0.2質量部のエチレンカーボネートを一気に溶解させた時、11℃温度が下がることを示している。実際には瞬時にエチレンカーボネートが溶解することはなく、温度低下は限定的だが、溶媒の接触開始温度によっては粗エチレンカーボネート結晶および溶媒が0℃以下まで下がり、水が凍結して精製エチレンカーボネート結晶に残る可能性がある。温度低下は溶媒の種類や溶媒と粗エチレンカーボネート結晶の割合、接触方法によっても異なるため、本発明では洗浄溶媒と粗エチレンカーボネート結晶とを接触させた後の終点、即ち、精製工程終了時の液温を水の融点である0℃以上に維持することで水が凍結することを防ぐことが好ましい。
Since the melting point of ethylene carbonate is 36° C., the contact temperature is preferably 36° C. or less. In addition, from the viewpoint of improving the recovery rate of ethylene carbonate, it is preferable to use a small amount of washing solvent and perform the treatment at a low temperature as described above.
On the other hand, since ethylene carbonate absorbs heat when dissolved, in the case of a system containing water, it is desirable to determine the contact start temperature so that the temperature of the solvent after contact is 0° C. or higher. According to Niccolo Peruzzi, et al., J. Phys. Chem. B 2012, 116, 14398-14405, theoretically, an enthalpy change (endotherm) of 13.3 kJ/mol occurs when ethylene carbonate is dissolved. This indicates that the temperature drops by 11° C. when 0.2 parts by mass of ethylene carbonate is dissolved in 0.8 parts by mass of water at once. In reality, ethylene carbonate does not dissolve instantaneously, and the temperature drop is limited. may remain in Since the temperature drop varies depending on the type of solvent, the ratio of the solvent and the crude ethylene carbonate crystals, and the contact method, in the present invention, the end point after contacting the washing solvent and the crude ethylene carbonate crystals, that is, the liquid at the end of the purification process It is preferable to prevent the water from freezing by maintaining the temperature above 0° C., which is the melting point of water.
粗エチレンカーボネート結晶と洗浄溶媒との接触時間は、最終的に得られる精製エチレンカーボネート結晶の純度と回収率により決定すれば良い。本発明においては、洗浄溶媒との接触により低減対象となるのは、TBPMI、K2CO3、及びKI等の触媒成分が溶解したエチレングリコールと水である。それらは、粗エチレンカーボネート結晶の表面に液の状態で存在するため、粗エチレンカーボネート結晶と洗浄溶媒を接触させるだけでよい。
この観点から、本発明に係る洗浄操作は、連続的にろ過操作を行いながら粗エチレンカーボネート結晶に対して洗浄溶媒を通液する方法が好ましい。
The contact time between the crude ethylene carbonate crystals and the washing solvent may be determined according to the purity and recovery rate of the finally obtained purified ethylene carbonate crystals. In the present invention, ethylene glycol and water in which catalyst components such as TBPMI, K 2 CO 3 and KI are dissolved are subject to reduction by contact with the cleaning solvent. Since they are present in a liquid state on the surface of the crude ethylene carbonate crystals, it is only necessary to bring the crude ethylene carbonate crystals into contact with the washing solvent.
From this point of view, the washing operation according to the present invention is preferably a method in which the washing solvent is passed through the crude ethylene carbonate crystals while continuously performing the filtration operation.
接触完了は、得られる精製エチレンカーボネート結晶の純度、接触に使用した洗浄溶媒中のエチレングリコール量等を測定することにより、所望の精製エチレンカーボネート結晶が得られるように適宜設定することができる。
また接触による不純物の分離効率を予め算出しておけば、接触させる洗浄溶媒量を基準に洗浄完了を設定することも可能である。
The completion of the contact can be appropriately set by measuring the purity of the purified ethylene carbonate crystals obtained, the amount of ethylene glycol in the washing solvent used for the contact, and the like so that the desired purified ethylene carbonate crystals can be obtained.
Further, if the separation efficiency of impurities by contact is calculated in advance, it is possible to set the completion of cleaning based on the amount of cleaning solvent to be brought into contact.
上記のごとく、本発明によれば、簡易な操作でエチレンカーボネートの純度を向上させることができる。さらに高純度のエチレンカーボネートを取得する場合は、晶析を繰り返す。具体的には、例えば、特開平7-89905号公報に記載のように、冷却された垂直管の壁に結晶を析出させた後、加温することにより、結晶の一部を融解させ、これを流下させ分離することにより純度を上げた結晶を回収する方法を用いることができる。また、連続式の晶析法としては、向流接触法も知られている(特開2007-284427号公報、及び英国特許第1086028号公報、分離技術 第35巻6号45~49ページ(2005年)などに記載)。向流接触法はエチレンカーボネート結晶と液体が接触することによりエチレンカーボネートの純度を上げる方法である。 As described above, according to the present invention, the purity of ethylene carbonate can be improved with a simple operation. To obtain ethylene carbonate of higher purity, the crystallization is repeated. Specifically, for example, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-89905, crystals are deposited on the wall of a cooled vertical tube, and then heated to partially melt the crystals. can be used for recovering crystals with increased purity by flowing down and separating. In addition, as a continuous crystallization method, a countercurrent contact method is also known (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-284427 and British Patent No. 1086028, Separation Technology Vol. 35, No. 6, pp. 45-49 (2005 year), etc.). The countercurrent contact method is a method of increasing the purity of ethylene carbonate by bringing ethylene carbonate crystals into contact with a liquid.
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。 EXAMPLES The present invention will be described more specifically with reference to examples below.
[実施例1]
エチレンカーボネート/モノエチレングリコール/水/TBPMI/K2CO3を含む粗エチレンカーボネート液を、20℃から5℃に、約7.5℃/hの降温速度で降温して晶析させ、3000rpmで遠心分離し、粗エチレンカーボネート結晶を回収した。この粗エチレンカーボネート結晶について、以下の方法で組成を分析し、結果を表1に示した。
[Example 1]
A crude ethylene carbonate solution containing ethylene carbonate/monoethylene glycol/water/TBPMI/K 2 CO 3 was cooled from 20°C to 5°C at a cooling rate of about 7.5°C/h to crystallize and crystallized at 3000 rpm. After centrifugation, crude ethylene carbonate crystals were recovered. The composition of this crude ethylene carbonate crystal was analyzed by the following method, and the results are shown in Table 1.
表1に示す洗浄溶媒60gと撹拌子を入れた管瓶を水浴で5℃まで下げ、ここへ粗エチレンカーボネート結晶40gを加え、1時間撹拌した後遠心分離で固液分離を行い、得られた結晶(精製エチレンカーボネート結晶)の重量を測定して回収率(洗浄前の粗エチレンカーボネート結晶40gに対する洗浄後固液分離された精製エチレンカーボネートの重量の割合)を算出すると共に、組成を分析した。 A tube containing 60 g of the washing solvent shown in Table 1 and a stirrer was cooled to 5°C in a water bath, 40 g of crude ethylene carbonate crystals were added thereto, stirred for 1 hour, and then solid-liquid separated by centrifugation to obtain a The weight of the crystals (purified ethylene carbonate crystals) was measured to calculate the recovery rate (ratio of the weight of the purified ethylene carbonate after solid-liquid separation after washing to 40 g of crude ethylene carbonate crystals before washing), and the composition was analyzed.
粗エチレンカーボネート結晶及び精製エチレンカーボネート結晶の組成は以下のようにして分析した。
エチレンカーボネート、モノエチレングリコール純度は、島津製作所製GC-2025(DB-WAX ETRカラム)を用いてガスクロマトグラフィ法で測定し、以下の方法で測定した水分、TBPMI濃度、K2CO3濃度を差し引きして面積百分率で表示した。
水分はカールフィッシャー水分計で測定した。
水以外の洗浄溶媒は島津製作所製GC-2025(DB-WAXETRカラム)を用いてガスクロマトグラフ法で測定した。
TBPMIはヨウ素をメトローム社製Eco IC(TSKgel SuperIC-AZカラム)を用いてイオンクロマトグラフ法で測定し、検量線法で定量した。
K2CO3はカリウム濃度をメトローム社製883Basic IC plus(Metrosep C6カラム)を用いて同様にイオンクロマトグラフィ法で測定し、検量線法で定量した。
なお、合計が100%に達しない部分はGC上の微量不純物によるものである。
結果を表1に示す。
表1中の略字は以下の通りである。
EC:エチレンカーボネート
MEG:モノエチレングリコール
また、用いた洗浄溶媒とモノエチレングリコールの沸点は以下の通りであり、いずれの洗浄溶媒もモノエチレングリコールの沸点よりも沸点が低いものである。
モノエチレングリコール:197.6℃
水:100℃
メタノール:64.7℃
エタノール:78.3℃
シクロヘキサン:80.7℃
The compositions of crude ethylene carbonate crystals and purified ethylene carbonate crystals were analyzed as follows.
Purities of ethylene carbonate and monoethylene glycol were measured by gas chromatography using GC-2025 (DB-WAX ETR column) manufactured by Shimadzu Corporation, and water content, TBPMI concentration, and K 2 CO 3 concentration measured by the following methods were subtracted. and expressed as area percentage.
Moisture was measured with a Karl Fischer moisture meter.
Washing solvents other than water were measured by gas chromatography using Shimadzu GC-2025 (DB-WAXETR column).
For TBPMI, iodine was measured by ion chromatography using Metrohm's Eco IC (TSKgel SuperIC-AZ column) and quantified by a calibration curve method.
The potassium concentration of K 2 CO 3 was similarly measured by ion chromatography using Metrohm's 883 Basic IC plus (Metrosep C6 column) and quantified by the calibration curve method.
The part where the total does not reach 100% is due to trace impurities on GC.
Table 1 shows the results.
Abbreviations in Table 1 are as follows.
EC: ethylene carbonate MEG: monoethylene glycol The boiling points of the washing solvents and monoethylene glycol used are as follows, and all washing solvents have lower boiling points than the boiling point of monoethylene glycol.
Monoethylene glycol: 197.6°C
Water: 100°C
Methanol: 64.7°C
Ethanol: 78.3°C
Cyclohexane: 80.7°C
表1より、エチレングリコール類よりも沸点が低い溶媒を用いることで、簡易な操作で粗エチレンカーボネート結晶中のエチレングリコール類を分離除去することができることが分かる。
なお、シクロヘキサンのような疎水性の溶媒はエチレンカーボネートを溶解しないが、同様にエチレングリコール、水、触媒とも混和せず、十分に洗浄できない結果が得られた。そのため、洗浄溶媒としては、親水性の溶媒が適していると考えられる。
また、洗浄後は、精製エチレンカーボネート結晶の表面に液が4~5%ほど残存し、水洗浄の場合は5%程度水分が結晶に残るが、メタノール、エタノールを用いた場合は1%程度しか残っていないことから、これらの溶媒は、遠心分離等の過程で分析前に大半が気化していると考えられる。
また、水での洗浄に関しては、エチレンカーボネートの純度は向上していないが、共沸成分であるモノエチレングリコールが減少しているため、その後の精製工程での分離精製が容易になると推察される。
From Table 1, it can be seen that ethylene glycols in crude ethylene carbonate crystals can be separated and removed by a simple operation by using a solvent having a boiling point lower than that of ethylene glycols.
Hydrophobic solvents such as cyclohexane do not dissolve ethylene carbonate, but they are also not miscible with ethylene glycol, water, and the catalyst, resulting in insufficient washing. Therefore, it is considered that a hydrophilic solvent is suitable as a washing solvent.
After washing, about 4 to 5% liquid remains on the surface of the purified ethylene carbonate crystals, and about 5% water remains on the crystals when washed with water, but only about 1% when methanol or ethanol is used. Since none remained, most of these solvents are considered to have evaporated before analysis during the process of centrifugation or the like.
As for washing with water, although the purity of ethylene carbonate is not improved, monoethylene glycol, which is an azeotropic component, is reduced. .
Claims (5)
The ethylene carbonate crystals containing ethylene glycols or the solvent contains water, the temperature of the solvent before the contact is 36 ° C. or less, and the liquid at the end point after contacting the ethylene carbonate crystals with the solvent The method for producing ethylene carbonate according to any one of claims 1 to 4, comprising maintaining the temperature at 0°C or higher.
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