JP3698459B2 - 水溶液から強酸を回収する方法 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、水溶液から強酸を回収すること、そして特に強酸を蒸留によってその水溶液から無水の形で回収する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
強酸は、化学工業において多種の炭化水素変換プロセスにおける有用な触媒として使用される。一例として、フッ化水素および硫酸は、高品質のガソリンを生産するための炭化水素のアルキル化において多量に使用される。アルキル化法における触媒として過フッ素化されたスルホン酸を使用することが近年文献に記載されている。
【0003】
強酸を触媒として用いる方法において環境保護上の要請を満たしそしてそのプロセスの経済性を改善するためには、回収しうる量の使用済み酸を含有するプロセス排出物流から酸を回収しそれを再使用することが望ましい。
【0004】
簡単な回収方法は、使用済み酸を水性相中に抽出しそして次いで蒸留または蒸発によって水を除去することからなるであろう。
しかしながら、水と酸との間の強い相互作用のゆえに、酸の希薄水溶液の蒸留は、酸をその水和物の形(hudrated form )で回収する結果になる。この酸水和物は触媒的には不活性であり、従って回収された酸水和物をその無水物の形
(anhudrous form)に更に処理することが必要である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
強酸の水溶液に弱塩基を添加し、水を蒸発させ、続いて蒸留することによって無水の形で酸を回収しうることがこの度発見された。
【0006】
理論上から説明すると、弱塩基は、酸のプロトンとの相互作用によって競合し水分子が単に酸と結合している場合よりもより揮発性になり、したがって水を除去した後に、酸と塩基が混合した相から酸を無水の状態で留去することが
可能になる。
【0007】
【課題を解決するための手段】
この知見に従って、酸をその水和化された形で含有する水溶液からこの酸を無水の形で回収する方法において、
上記の溶液にこの酸の可溶性塩の形の弱塩基を添加するかまたはこの溶液に弱塩基を添加して上記の塩を形成することによって得られた、
上記酸の水和物および上記酸の塩を含有する溶液を濃縮して実質的に水を含まない酸と塩の混合物を得、そして最後に、
上記酸と塩の混合物から酸をその無水の形で留去する、
各工程よりなることを特徴とする方法を提供する。
【0008】
前記の理論上の説明に基づいて、この方法において使用するための適当な弱塩基は、酸水和物と相互作用しうるものから選択される。
適当な塩基には、アルキルアンモニウム、ピリジン、ピロリジンおよび/またはアルキル置換ピリジンおよびピロリジン、およびトリアルキルアミンの塩のような、回収されるべき酸のセシウム塩が包含される。
【0009】
本発明は、前記のように、とくにパラフイン系炭化水素供給原料のアルキル化において触媒活性を有する酸の回収に有用である。それらの方法においては、アルキル化触媒としてフッ化水素が使用される。過フッ素化された硫酸によって触媒作用されるアルキル化法は、更に米国特許第5,220,095号から知られている。公知のアルキル化法においては、アルキル化反応排出物流から水で単に抽出しそしてこの水性抽出物を上記の回収法に従って処理する場合には、かなりの経済上ならびに環境上の利益が得られる。
【0010】
従って、本発明は更に、上記方法の実用上の応用として、酸触媒の存在下に炭化水素供給原料をアルキル化するにあたり、
使用済み酸触媒を含有するアルキル化反応排出物流を水で抽出し;
この水性抽出物に前記酸触媒の弱塩基塩を添加し;
塩含有抽出物を濃縮し;
この濃縮された抽出物から酸を留去し;そしてこの酸をアルキル化工程に再循環させる、
各工程よりなることを特徴とする改良方法をも提供する。
【0011】
上記の酸回収方法における酸の濃縮および留去の工程は、通常は蒸発塔内で減圧において酸水和物と塩混合物から過剰の水を除去し、そして次いでこの混合物を無水の形の酸の回収のために蒸留塔に再循環させることによって実施されうる。酸と塩の混合物の残りの量は、次に蒸留塔から蒸発塔に再循環されてもよい。
【0012】
あるいは、酸と塩の混合物の溶液を、水が連続的に上記混合物から蒸発する温度または圧力において高温の表面上に通すことによって連続蒸留法またはフラッシュ蒸留法において酸はその無水の形で回収されうる。次の工程において、脱水された混合物は、更に高温の表面上に、より高い温度および/またはより低い圧力において通され、そして連続的に留去され、一方塩基は第一の工程に再循環される。
【0013】
【実施例】
以下の実施例においては、本発明の特定の具体化例がより詳細に記載される。
例1
トリフルオロメタンスルホン酸(CF3 SO3 H)150g(1.00mol)を水溶液を形成させるために氷の上に注いだ。この溶液にトリエチルアミン55.5g(0.55mol)を添加し、そして過剰の水を90℃の温度および約50mbarの圧力において蒸発させた。蒸発された溶液は、11.2%の水分を有する塩/酸混合物230gを含有していた。
【0014】
この混合物220g(トリエチルアンモニウムトリフレート0.53mol+CF3 SO3 H 0.43mol+水1.37molに相当)を1.5〜2.0mbarにおいて油浴から蒸留した。この混合物は、65℃の浴温度において沸騰し始めた。留出物は、室温においては凝縮され得なかったが、−196℃において冷却トラップにおいて捕集された。水24.4gが冷却トラップにおいて捕集された。190〜220℃の浴温度においては、最初に95℃において凝縮する留出物が回収される。初留分として水4%を含有するCF3 SO3 Hよりなる留出物7.68g(酸0.05mol)が95〜90℃の凝縮温度において回収された。凝縮温度は、次第に44℃まで低下し、水0.36%を含有する実質的に無水の酸32.2g(0.21mol)CF3 SO3 Hよりなる留出物の第2の留分が得られた。蒸留の残部は、水0.1%以下を含有する塩/酸混合物154.2gよりなるものであった。
例2
トリメチルアンモニウムトリフレート21.2g(0.10mol)を、CF3 SO3 H・H2 O(トリフルオロメタンスルホン酸一水化物)25.7gにおいて蒸留した。例1において記載されているように、水の前留出物(1.63g、0.09mol)および2種の留分が回収された。初留分は、6.4%の水分を有する酸15.84g(水0.056mol+トリフルオロメタンスルホン酸0.10mol)を含有していた。第2の留分は、水0.2%以下を含有する酸5.1g(トリフルオロメタンスルホン酸0.033mol)よりなる。
例3
トリエチルアンモニウムトリフレート19.87g(79mmol)をトリフルオロメタンスルホン酸水和物10.34g(62mmol)と混合し、そして油浴から2mbarの圧力において蒸留した。油浴が90℃に達した時に混合物は、沸騰し、そして留出物は、室温において凝縮しなかった。留出物は、−195℃において冷却トラップにおいて捕集された。冷却トラップにおいて水1.03g(57mmol)が見出された。
【0015】
210〜222℃の浴温度において、42〜46℃で凝縮する留出物3.72gが回収された。この留出物は、<0.1%の水を含有するトリフルオロメタンスルホン酸3.72g(24mmol)を含有していた。蒸留フラスコ内に残留するものは、トリエチルアンモニウムトリフレート66.8%(111mmol)を含有する酸/塩混合物24.72gであった。
例4
テトラエチルアンモニウムトリフレートからの蒸留。
【0016】
氷浴中で冷却された20%テトラエチルアンモニウムヒドロオキシド(Et4 N+ OH- ) 74.64g(0.10mol)を含有するフラスコに、トリフルオロメタンスルホン酸37.62g(0.25mol)が添加され、その結果テトラエチルアンモニウムトリフレート0.1molおよびトリフルオロメタンスルホン酸0.15molの水溶液が得られた。
【0017】
水15.9%(w/w)を含有する混合物60.95gを残して水は、ほとんど蒸発せしめられた。
上記混合物57.05gを前記と同様に蒸留し、トリフルオロメタンスルホン酸0.14gを含有する水性前留出物8.9gおよび2種の留分が得られた。第1の留分は、3.3%の水分を有するトリフルオロメタンスルホン酸2.50gよりなり、そして第2留分は、0.84%の水分を有するトリフルオロメタンスルホン酸9.01gよりなるものであった。
例5
メチル- ピロリジン塩からのトリフルオロメタンスルホン酸の蒸留。
トリフルオロメタンスルホン酸44.53g(0.297mol)、水9.65g(0.536mol)およびメチルピロリジン8.43g(0.103mol)の混合物を前記と同様に蒸留した。冷却トラップにおいて捕集された水性前留出物7.6gが得られた。トリフルオロメタンスルホン酸13.5g(0.09mol)に相当する、水分12.4%(w/w)を有するトリフルオロメタンスルホン酸を含有する第1の留分15.4gおよび0.80%(w/w)の水分を有するトリフルオロメタンスルホン酸10.0g(トリフルオロメタンスルホン酸0.066molに相当)よりなる第2の留分が回収された。
例6
ペンタフルオロエタンスルホン酸のトリエチルアミン塩からの酸の蒸留。
【0018】
C2 F5 SO3 H39.86g(0.199mol)中水3.77g(0.21mol)に、トリエチルアミン10.64g(0.105mol)を添加し、その結果Et3 NH+ C2 F5 SO3 - 0.105mol、C2 F5 SO3 H
0.094molおよび水0.21molの混合物が得られた。この混合物を前記と同様に蒸留し、水性前留出物3.28g(冷却トラップにおいて)およびC2 F5 SO3 H 0.067molに相当する0.4%の水分を有する酸13.47gが得られた。
例7
トリフルオロメタンスルホン酸のセシウム塩からの酸の蒸留。
【0019】
トリフルオロメタンスルホン酸29.65gを50%(w/w)CsOH33.05g(CsOH0.110mol、水0.92mol)に添加して、部分的に結晶した混合物を形成させた。この混合物を前記と同様に減圧下に蒸留し、そして6.4%(w/w)の水分を有する酸5.84gを回収した。
例8
トリフルオロメタンスルホン酸のピリジン塩からの酸の蒸留。
【0020】
CF3 SO3 H30.33g(0.20mol)中の水4.4g(0.24mol)にピリジン9.6g(0.121mol)を添加した。得られたピリジントリフレートを含む混合物を前記と同様に蒸留し、0.9%の水分を有する酸6.76g(トリフルオロメタンスルホン酸に相当)を回収した。
例9
トリフルオロメタンスルホン酸の、イソブタンアルキル化法における副生成物として形成されたその酸の可溶性油状物(ASO)からの回収。
【0021】
トリフルオロメタンスルホン酸を触媒として用いたアルキル化法において、副生成物として形成されたASO/酸混合物中のトリフルオロメタンスルホン酸(約60%(w/w)のトリフルオロメタンスルホン酸)を、水で抽出して、トリフルオロメタンスルホン酸24.4%(w/w)を含有する水溶液を生成させた。
【0022】
アルキル化反応器から取出された酸可溶性油状物の抽出によって得られたトリフルオロメタンスルホン酸水溶液55.05g(13.4g、0.090mol)を、例8からのピリジン塩の残部に添加した(7.4%(w/w)または2.2g(0.015mol)のトリフルオロメタンスルホン酸含量)。得られた混合物の蒸留の結果、0.9%(w/w)の水分を有するトリフルオロメタンスルホン酸8.5gを含有する留分が回収された。
例10
トリエチルアンモニウムトリフレートからのペンタフルオロエタンスルホン酸の蒸留
C2 F5 SO3 H18.78g(0.094mol)、Et3 NH+ CF3 SO3 - 26.20g(0.104mol)および水4.09g(0.227mol)の混合物を前記と同様に蒸留した。生成留出物8.54gが回収された。この留出物は、10:9の重量比のC2 F5 SO3 HとCF3 SO3 Hとの混合物に水1.4%(w/w)を含有していた。
例11
フラッシュ蒸留。
【0023】
この例においては、酸と塩基の混合物から、この混合物を水が連続的に蒸発される条件下において高温の表面上を通過させることによってフラッシュ蒸留により水が除去された。
ガラス製螺旋体の形の高温の表面の外側をドデカンの凝縮蒸気によって215℃に加熱した。螺旋体内部の圧力を25mbarに調整した。
【0024】
トリエチルアンモニウムトリフレート62%(w/w)、トリフルオロメタンスルホン酸29%(w/w)および水9%(w/w)を含有する供給原料混合物を1.88g/minの速度で供給し、そして脱水された酸混合物を上記螺旋体の出口においてコレクター内に捕集した。混合物は、水0.21%(w/w)およびトリフルオロメタンスルホン酸25%を含有していた。酸の残部は、螺旋体の入口に接続された生成物コレクター内の水性留出物中に見出された。
例12
酸の回収。
【0025】
例11の方法に類似する方法において、ガラス製螺旋体の加熱面の外側を、ドデカンの凝縮蒸気によって215℃に加熱し、そしてこの螺旋体の内部の圧力を1mbarに調整した。トリエチルアンモニウムトリフレート65%(w/w)、トリフルオロメタンスルホン酸35%(w/w)および水0.3%(w/w)を含有する供給原料混合物を1.97g/minの速度で供給し、そして酸を73%の回収率に相当する0.5g/minの速度で生成物コレクター内で捕集した。
例13
同時的水ストリッピングおよび酸回収。
【0026】
この例において使用された装置を図1に示す。それは、直列に接続された2基の蒸留ユニットからなる。第1のユニット2は、水のストリッピングに使用され、ユニット2は、蒸発器4からの凝縮n- デカンで加熱された。(174℃)ユニット2は、25〜30mbarの圧力下に保たれた。第2のユニット20は、酸回収ユニットとして使用されそして蒸発器40からの凝縮n- ドデカンによって加熱され(216℃)、そして2.5〜3mbarの圧力に保たれた。
【0027】
例11と同じ組成を有する供給原料混合物を管路6から第1のユニット内に1.8g/minの割合で供給した。第1のユニットにおいては、混合物は、外側を凝縮n- デカンによって加熱されているガラス製螺旋体8に通された。螺旋体8を通すことによって、混合物から水がストリッピングされ、そして水で冷却された(9)コレクター10内で回収された。螺旋体8を出た実質的に水を含有しない混合物を管路12を経てユニット20内のガラス製螺旋体80内に導入した。螺旋体80を通過する際に、酸は、その脱水された形において酸塩混合物からストリッピングされ、そして水で冷却された(90)酸コレクター100内で0.25g/minの割合で回収された。残りの酸塩混合物は、管路120を経て螺旋体80の出口でユニット20から取出された。
例14
例14は、例13に類似する方法で実施されたが、ただし酸回収ユニット20は、凝縮テトラデカンによって加熱され(252℃)、一方ユニット2は凝縮デカンによって加熱された(174℃)。
【0028】
例1と同じ組成を有する供給原料混合物は、第1のユニットに2.8g/minの速度で供給され、そして回収された酸は、第2のユニットの酸コレクター内で0.59g/minの速度で回収された。回収された酸の水含有量は、3.0%(w/w)であった。
例15
アルキル化法からの酸油状物(ASO)の再生。
【0029】
トリフルオロメタンスルホン酸を触媒として用いたアルキル化法における副生成物として形成されたASO/酸混合物中のトリフルオロメタンスルホン酸(約60%(w/w)のトリフルオロメタンスルホン酸)を水で抽出して、24.4%(w/w)のトリフルオロメタンスルホン酸を含有する水溶液を得た。
【0030】
この溶液の112.2g(TfOH27.4g、0.18mol)を大気圧において水71.8gを煮沸除去することによって、酸が40.4gの濃縮物として残留した(算出された酸含量:67.7%(w/w))。この濃縮物を例14と同様にして実施された前回の酸回収実験からの塩混合物71.4g(酸含量:6.7%(w/w))と混合した。
【0031】
この酸回収例においては、ユニット2は、凝縮ウンデカン(196℃)によって加熱され、そしてユニット20は、凝縮テトラデカンによって加熱された(252℃)。一緒にされた混合物は、上方のユニット2に1.8g/minの割合で供給され、そして2.0%(w/w)の水分を有する酸が9.4g/minの速度で回収された。回収された酸塩基混合物は、7.4%(w/w)のトリフルオロメタンスルホン酸を含有していた。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による方法を実施するために例13において使用された装置を示す工程系統図である。
【符号の説明】
2 第1のユニット
4 蒸発器
6 供給原料混合物用管路
8 螺旋体
9 水冷却器
10 コレクター
12 管路
20 第2のユニット
80 螺旋体
90 水冷却器
100 酸コレクター
120 管路
Claims (11)
- 酸をその水和化された形で含有する水溶液からこの酸を無水の形で回収する方法において、
上記の溶液にこの酸の可溶性塩の形の弱塩基を添加するかまたはこの溶液に弱塩基を添加して上記の塩を形成することによって得られた、
上記酸の水和物および上記酸の塩を含有する溶液を濃縮して実質的に水を含まない酸と塩の混合物を得、そして最後に、
上記酸と塩の混合物から酸をその無水の形で留去する、
各工程よりなることを特徴とする上記酸をその無水の形で回収する方法。 - 弱塩基と酸の塩がトリアルキルアミンとの塩よりなる請求項1に記載の方法。
- トリアルキルアミンがトリメチルおよび/またはトリエチルアミンである請求項2に記載の方法。
- 弱塩基と酸の塩がピリジンおよび/またはアルキルピリジンとの塩よりなる請求項1に記載の方法。
- 弱塩基と酸との塩がピロリジンおよび/またはアルキルピロリジンとの塩よりなる請求項1に記載の方法。
- 蒸留段階における酸と塩の混合物の残量が塩添加段階に再循環される請求項1に記載の方法。
- 酸の水和物および酸の塩を含有する溶液を濃縮して実質的に水を含有しない酸と塩の混合物を得る工程を、上記溶液を高められた温度および/または減圧において高温の表面上を通しそして上記溶液から水を連続的に蒸発させることによって連続的に実施する請求項1に記載のよる方法。
- 上記酸と塩の混合物を高められた温度および/または減圧において高温の表面上に通すことによって酸をその無水の形で留出せしめる請求項1に記載の方法。
- 水和化された形での酸を含有する水溶液が、酸触媒の存在下に炭化水素供給原料をアルキル化する方法において使用済み酸触媒を含有するアルキル化反応排出物流を水で抽出して得られた水性抽出物である請求項1に記載の方法。
- 酸触媒の塩の添加に先立って水性抽出物を濃縮する追加的工程を包含する請求項9に記載の方法。
- 上記水性抽出物に上記触媒の塩を添加し、上記塩含有抽出物から水を蒸発させそして濃縮された抽出物を得、この濃縮抽出物から酸を留去し、そしてこの酸をアルキル化工程に再循環させる各工程を含む請求項9および請求項10にそれぞれ記載の方法。
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