JP4245275B2 - 接触蒸留技術を使用したmibkの製造 - Google Patents
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Description
発明の背景
発明の分野
本発明は、重要な工業溶剤であるメチルイソブチルケトンの製造に関する。本発明は特に、メチルイソブチルケトンを製造する方法に関する。本発明によればメチルイソブチルケトンを製造する方法が得られ、この方法は、アセトンと水素とを処理帯域中に導入することと;処理帯域中、水素の存在下で、アセトンに接触蒸留を施して、少なくとも幾らかのアセトンをメチルイソブチルケトンに転化することと;処理帯域からメチルイソブチルケトンを取り出すことと;を含む。
【0002】
発明の要約
接触蒸留は、単一の処理帯域中で、蒸留と同時にまたは蒸留と組み合わせて化学反応を達成することを含む。本発明においては、処理帯域中で以下の反応が起きてメチルイソブチルケトン(MIBK)を生成する:
水素化:
二量化/脱水反応(1)は、従来の稼働条件下では平衡によって非常に制限される(extremely equilibrium limited)。
【0003】
処理帯域は従って、(i)アセトンをメシチルオキシドに転化するためのアセトンの二量化/脱水反応、すなわち反応(1)と、メシチルオキシドをメチルイソブチルケトンに転化するための水素化反応、すなわち反応(2)とが触媒の存在下で起きる少なくとも1つの反応帯域と、(ii)反応帯域から生じた反応生成物及び/または未反応の反応体の蒸留が起きかつ反応帯域に隣接する少なくとも1つの蒸留帯域と、を備える。
【0004】
本触媒は好ましくは二元機能性である。従って本触媒は、二量化/脱水反応すなわち反応(1)と水素化反応すなわち反応(2)とを促進または触媒できる。性質が酸性である本触媒の二量化/脱水機能(反応(1))は、イオン交換樹脂の例えばジビニルベンゼンに基づく陽イオン交換樹脂、スチレンに基づく陽イオン交換樹脂、Amberlyst(商標)樹脂、若くはその他同様なもの;ゼオライト、またはアルミナによって与えることができ、好ましくは陽イオン交換樹脂による。樹脂類は温度制限を有するので、反応帯域中の温度条件は約135℃を超えるべきではない。水素化機能は金属によって与えることができ、好ましくは元素周期表のVIII族及びIB族の金属の、例えばニッケル、パラジウムまたは銅による。
【0005】
処理帯域は一般的に塔によって与えられる。本触媒は粒子状形態としてよく、また、反応帯域中に位置する充填床の形態で配設してよい。触媒床は、アセトンが塔に入る箇所またはレベルよりも上に位置してよい。適切な充填蒸留媒体の例えばラシヒリング、または蒸留装置若くは設備を次に、塔中の触媒床よりも下に及び/またはよりも上に、すなわち蒸留帯域中に設ける。
【0006】
塔の圧力においてアセトンがその沸点にあるように、塔内部の温度と圧力とを選択する。すなわち、塔内部の温度を圧力によって制御する。アセトンの沸点の圧力による変化は、例えばPRO IIという商標でSimulation Sciences, Inc.から入手可能なシミュレーションパッケージ等のシミュレーションパッケージのような周知の源から得られる。塔の中の温度条件は好ましくは50℃〜160℃、より好ましくは100℃〜135℃である。こうした温度条件下で、アセトンをその沸点に維持するのに必要な圧力は15barを超えない。
【0007】
塔の中への水素の導入は好ましくは、アセトンよりも低いレベルであるがリボイラーよりも上である。
メチルイソブチルケトン、任意の他の副産物、及び凝縮したアセトンを、反応帯域の底部に移動させることができ、こうした成分を、塔または反応帯域の底部に位置する再沸騰段中で再沸騰させる。メチルイソブチルケトンと任意の他の副産物とはアセトンよりも高い沸点を有し、従って再沸騰によって大幅に蒸発せず、生成物の留分または流れとして除去できる。
【0008】
いかなる未反応の蒸発したアセトンも、塔の頂部から取り出し、凝縮し、還流として触媒床においてまたはそれよりも上で塔に戻してよい。
本発明の1実施例においては、本方法は連続法であり、再沸騰段のすぐ上の塔の底部にアセトンを導入することと、生成物の留分または流れを再沸騰段から連続的に取り出すこととを有する。
【0009】
しかしながら本発明の別の実施例においては、本方法はバッチ法としてよく、アセトンを最初に再沸騰段中に導入することを有する。この方法は次に、再沸騰段中で所望の生成物の仕様が実現した時に終了してよく、その後メチルイソブチルケトン含有生成物の留分を再沸騰段から取り出す。
【0010】
好適な実施例の説明
本発明をここから、例として添付の線図と下文で述べる限定するものではない実施例とに関連して説明する。
【0011】
図1を参照すると、参照符号10は全体として、メチルイソブチルケトンを製造するための、本発明の1実施例による方法を示す。
方法10は、4つの帯域14、16、18及び20を内部に有する接触蒸留塔12を含み、帯域14は最下部に位置し、帯域20は最上部に位置する。帯域14、16、及び20は蒸留帯域であり、蒸留充填材の例えばラシヒリングを充填してある。帯域18は反応帯域であり、充填触媒床を含む。床18中の触媒は粒子状形態であり、Amberlyst樹脂、ゼオライト類またはアルミナ等の二量化/脱水機能を有する粒子状触媒成分と、ニッケル、パラジウムまたは銅等の水素化機能を有する粒子状触媒成分との組合せまたは混合物である。
【0012】
アセトン供給ライン24は帯域16に至り、一方、水素供給ライン22は帯域14に至る。
リボイラー26は塔12の下端に位置し、適切な加熱手段28の例えば蒸気加熱コイルまたは電気加熱要素と、リボイラー26から延び出る生成物取り出しライン30とが取り付けられている。
【0013】
蒸気取り出しライン32は、塔12の頂部から延び出て凝縮器34に至り、凝縮器34は、適切な冷却または凝縮手段36の例えば冷却水供給と、塔12の帯域20に戻る戻りラインまたは還流ライン38とを備える。水素取り出しライン40は還流ライン38から延び出ており、ライン40中に取り付けた背圧調整器(図示せず)を通していかなる過剰の水素も取り出す。
【0014】
触媒床は、帯域18中に位置する代わりに、アセトン供給ライン24と水素供給ライン22とが触媒床よりも下に位置するならば、塔12の別の帯域中に位置できることは了解されるはずである。
【0015】
使用に際しては、液体アセトンを、アセトン供給ライン24を通して塔12の帯域16に供給する。同時に水素ガスを、水素供給ライン22を通して塔14の帯域16に導入する。
【0016】
塔12内部の温度を圧力によって制御する。例えばPRO IIという商標でSimulation Sciences, Inc.から入手可能なシミュレーションパッケージ等のシミュレーションパッケージから得ることができるようなアセトンの沸点の圧力による変化を用いて選択した圧力条件下で、アセトンがその沸点にあるように、圧力と温度との条件を選択する。従って、蒸留塔12中の温度を100℃〜135℃の領域に維持でき、その場合、アセトンをその沸点に保つように圧力を適合させる。当然リボイラー26は、入ってくるアセトンを蒸発させ、蒸発した状態に維持するのに役立つ。
【0017】
ガス状の水素と蒸発したアセトンとは従って塔12を上昇し、反応帯域18中の触媒床内部で反応する。最初にメシチルオキシド(MSO)を、上文で説明した反応(1)に従って形成する。次にメシチルオキシドを、上文で説明した反応(2)に従って水素化してメチルイソブチルケトン(MIBK)にする。
【0018】
形成されたメチルイソブチルケトンと任意の他の副産物とはアセトン供給物よりも高い沸点を有し、従ってリボイラー26中に落下し、リボイラー26から生成物取り出しライン30に沿って除去される。
【0019】
未反応のアセトンを塔12の頂部において還流するために、フローライン32に沿って取り出し、凝縮器34中で凝縮させ、フローライン38に沿って塔の頂部に戻す。反応(1)、(2)、及び(3)において軽沸点成分(light boiling component)は形成されず、従って、塔12から取り出す塔頂留出物はない。すなわち、塔12を全還流下で稼働させる。いかなる未反応の水素もフローライン40に沿って取り出す。
【0020】
メチルイソブチルケトン生成物は従って、単一の接触蒸留塔12を使用して1段階で形成される。
必要ならば、すなわち使用する触媒の選択率によっては、形成された任意の副産物は、フローライン30によって通じる下流の別の蒸留塔(図示せず)中でメチルイソブチルケトンから分離してよい。
【0021】
図2を参照すると、参照符号50は全体として、メチルイソブチルケトンを製造するための、本発明の別の実施例による方法を示す。
方法50のうち、図1に関連して上文で説明した方法10の部分と同じかまたは同様の部分は同じ参照符号を用いて示す。
【0022】
方法50は塔52を含む。塔52は塔12と同様であるが、3つの帯域54、56、及び58のみを有し、帯域54は最下部に位置し、帯域58は最上部に位置する。蒸留媒体の例えばラシヒリングを蒸留帯域54、58中に入れ、一方、触媒床を反応帯域56中に設ける。水素供給ライン22は、帯域54の下部に至る。
【0023】
方法50はバッチ法であり、塔52に至るアセトン供給ラインは無い。しかしながら、1バッチ分のアセトンを最初にリボイラー26中に導入する。
リボイラー26を電気的に加熱するので、加熱手段28は電気加熱要素の形態である。
【0024】
使用に際しては、リボイラー26中で蒸発したアセトンと水素ガスとは、帯域56中の触媒床を通って上方へ向かって移動する。未反応のアセトンを、フローライン32を通して出し、凝縮器34中で凝縮させ、フローライン38を通して塔の頂部に戻す。未反応の水素をフローライン40に沿って取り出す。
【0025】
形成されたより高沸点のメチルイソブチルケトン生成物と任意の他の副生物とはリボイラー26中に落下する。リボイラー26の内容物を定期的に分析する。アセトンの沸騰に有利であるように塔内部の圧力条件を適合させてあるので、より高沸点の生成物はリボイラー中で沸騰して塔52を上昇することができない。リボイラー26中に存在するアセトンのみが沸騰して蒸発し、従って塔52を上昇する。このようにして、もはやアセトンが反応に利用できなくなる時まで、ますます多くのメチルイソブチルケトンと他の副生物とがリボイラー26中に蓄積する。利用できるアセトンを全て使用し終わった時に、フローライン32に沿って移動する成分は無くなるので凝縮負荷(condenser duty)はゼロに低下し、この時点において反応は終了し、メチルイソブチルケトン生成物をフローライン30に沿って取り出す。
【0026】
アセトンの二量化/脱水反応、すなわち反応(1)は、特定の反応条件下では平衡によって非常に制限されることと、従って、接触蒸留技術から利益を得る可能性があると思われることとを示すために、実施例1を次の通りに行った:
実施例1
平衡値に近い転化データを得るように、アセトンの二量化/脱水反応(反応(1))を、バッチオートクレーブ中で48時間にわたって実行した。100mlのアセトンと10mlの粒子状の0.05%Pd/Amberlyst Rhom & Haas 15触媒を、オートクレーブすなわち反応器中に充填した。反応器を次に窒素を用いて2回パージし、その後窒素を用いて5barに加圧した。それに続いて反応器を、110℃、攪拌機速度200rpmで48時間加熱した。冷却後に、反応器の内容物をガスクロマトグラフィー(GC)によって分析し、このランから得られた結果を表1に与える。
【0027】
表1から明らかなように、アセトンの転化は10%未満であり、アセトンの二量化反応は、与えられた反応条件下では平衡によって非常に制限されることと、接触蒸留技術から利益を得る可能性があることとが示される。
【0028】
接触蒸留は、実施例1の平衡によって制限されるアセトンの二量化反応の転化を増大させるという利点を有することが意外にも見い出された。このために実施例2において、実質的に図3に従いしかし水素供給物を有しないバッチ式接触蒸留塔を使用した。
【0029】
実施例2
100mlの粒子状の0.05%Pd/Amberlyst 15触媒をバッチ蒸留塔52の反応帯域56中に充填し、残りの帯域すなわち区画54及び58に6mmのラシヒリング蒸留充填材を充填した。1lのアセトンを塔のリボイラー中に充填した。塔を次に、窒素を使用して5barに加圧した。リボイラーの加熱を開始し、リボイラーの試料をGC分析のために定期的に採取した。
【0030】
このランから得られたデータを下記の表2に提出する。接触蒸留を使用した際には、実施例1におけるように同様の反応条件下で従来のバッチ反応器を使用した際に得られた転化よりも、はるかに高い転化が得られる。この実施例の結果によって、接触蒸留技術は、平衡によって制限されるアセトンの二量化反応の転化を増大させるという利点を有することが明確に証明される。
【0031】
実施例3において実施例1を繰り返したが、ただし、窒素の代わりに水素を使用してオートクレーブを加圧した。
【0032】
実施例3
反応条件は従って、実施例1において説明したものと同じだった。しかしながら、窒素の代わりに水素を使用して、オートクレーブを48時間にわたって5barに加圧した。
【0033】
このランの結果を表3に与える。窒素の代わりに水素を使用した際には、アセトンの転化ははるかに高く、というのはメシチルオキシドは水素化されてメチルイソブチルケトンになり、これは、生成物すなわちメチルイソブチルケトン側の方へ平衡を押す助けとなるからである。アセトンの転化は、しかしながら、水素の無い状態で接触蒸留技術を使用した際(表2)よりも依然として低い。加えて、水素の存在下でさえも、形成された他の生成物が依然として多くある。こうした他の生成物は、MSOへのさらなる反応から生じる副産物であり、例えばホロン、イソホロン、メシチレン等である。
【0034】
この後、実施例4において実施例2を繰り返したが、ただし、水素供給物を使用した、すなわち、水素を使用して塔を加圧した。
【0035】
実施例4
実施例2において使用したものと同じバッチ接触蒸留塔中で反応を実行したが、水素を使用して塔を加圧した。水素は、触媒すなわち反応帯域を流量7ノルマルリットル毎時(normal liter per hour)で通過した。結果を表4に与える。この結果は、接触蒸留はアセトンの転化を向上することを示す。しかしながら、形成されたメシチルオキシドが全て水素化されてメチルイソブチルケトンになるわけではなく、これは、このランにおいて使用した低圧条件(5bar)下で使用した低水素流量が原因である。
【0036】
実施例5において実施例4を繰り返したが、ただし、より高い水素流量を使用した。
【0037】
実施例5
アセトンの二量化を従って実施例4におけるように実行した。水素流量を12ノルマルリットル毎時に増大させた。結果を表5に示す。水素流量の増大に伴って、より多くのメチルイソブチルケトンがメシチルオキシドの水素化によって形成される;しかしながら、形成されたメシチルオキシドが全て転化されてメチルイソブチルケトンになるわけではない。このことは、このランにおいて使用した5barという低圧条件下ではより高い水素流量が望ましいか、または、水素流量12ノルマルリットル毎時を維持しながら圧力を5barを超えて増大させる必要があることを示す。
【0038】
実施例6において、圧力を5barに維持し、水素流量をなおさらに増大させた。
【0039】
実施例6
アセトンの二量化を実施例5におけるように実行した。水素流量を55ノルマルリットル毎時に増大させた。結果を表6に示す。水素流量の増大に伴って、より多くのメチルイソブチルケトンがメシチルオキシドの水素化によって形成される。表5及び表6から、水素流量を12から55ノルマルリットル毎時に増大させた場合により少ない副産物が形成されることが明らかであり、メシチルオキシド中間体から副産物が形成されることを示す。
【0040】
【図面の簡単な説明】
【図1】 メチルイソブチルケトンを製造するための、本発明の1実施例による方法を概略的にかつ簡略化した流れ図形態で示す。
【図2】 メチルイソブチルケトンを製造するための、本発明の別の実施例による方法を概略的にかつ簡略化した流れ図形態で示す。
Claims (21)
- アセトンと水素とを処理帯域中に導入することと;
該処理帯域中、前記水素の存在下で、前記アセトンに接触蒸留を施して、少なくとも幾らかの前記アセトンをメチルイソブチルケトンに転化することと;
前記処理帯域からメチルイソブチルケトンを取り出すことと;
を含む、メチルイソブチルケトンを製造する方法。 - 前記処理帯域は、(i)前記アセトンをメシチルオキシドに転化するための前記アセトンの二量化/脱水反応と、該メシチルオキシドを前記メチルイソブチルケトンに転化するための水素化反応とが触媒の存在下で起きる少なくとも1つの反応帯域と、(ii)該反応帯域から生じた反応生成物及び/または未反応の反応体の蒸留が起きかつ前記反応帯域に隣接する少なくとも1つの蒸留帯域と、を備える、請求項1に記載の方法。
- 前記触媒は二元機能性なので、前記二量化/脱水反応と前記水素化反応とを促進または触媒する、請求項2に記載の方法。
- 前記触媒は、(i)前記二量化/脱水反応を促進または触媒するためのイオン交換樹脂、ゼオライトまたはアルミナと、(ii)前記水素化反応を促進または触媒するためのニッケル、パラジウムまたは銅と、を含む、請求項3に記載の方法。
- 前記処理帯域は塔によって提供され、前記触媒は粒子状形態であり、かつ、前記反応帯域中に位置する充填床の形態で、前記アセトンの前記塔の中への導入が達成される箇所またはレベルよりも上において提供され、充填蒸留媒体は、前記蒸留帯域中の触媒床よりも下に及び/またはよりも上に前記塔中に設けられる、請求項2〜4のいずれか1項に記載の方法。
- 前記塔内部の温度と圧力とは、前記塔の圧力において前記アセトンがその沸点にあるようなものである、請求項5に記載の方法。
- 前記塔の中への前記水素の導入は、前記アセトンのレベルよりも低いレベルであり、前記触媒床よりも下である、請求項5または6に記載の方法。
- 前記メチルイソブチルケトンと、形成された任意の他の副産物と、凝縮したアセトンとを、前記反応帯域の底部に移動させることと;こうした成分を、再沸騰段中で再沸騰させることと;アセトンよりも高い沸点を有し、従って再沸騰によって大幅に蒸発しない前記メチルイソブチルケトンと任意の他の副産物とを、生成物の留分または流れとして除去することと;を含む、請求項7に記載の方法。
- いかなる未反応の蒸発したアセトンも前記塔の頂部から取り出すことと;取り出され蒸発したアセトンを凝縮することと;凝縮したアセトンを還流として、前記触媒床においてまたはそれよりも上で前記塔に戻すことと;を含む、請求項8に記載の方法。
- 前記再沸騰段のすぐ上の前記塔の底部に前記アセトンを導入することと、前記生成物の留分または流れを前記再沸騰段から連続的に取り出すことと、を有する連続法である、請求項8または9に記載の方法。
- 最初に前記アセトンの前記再沸騰段中への導入が達成されるバッチ法であり、その後メチルイソブチルケトン含有生成物の留分は前記再沸騰段から取り出される、請求項8または9に記載の方法。
- (a)二元機能触媒を反応帯域中に含む接触蒸留塔に、アセトンと水素とを充填する工程と;
(b)前記反応帯域中で同時に;
(i)前記アセトンと水素とを反応させて、未反応のアセトンと未反応の水素とメチルイソブチルケトンを含む反応生成物とを含む反応混合物を生成し、
(ii)メチルイソブチルケトンを含む前記反応生成物を、前記未反応のアセトンと未反応の水素とから分離する工程と;
(c)前記反応帯域よりも下の箇所において、前記反応生成物を前記接触蒸留塔から取り出す工程と;
(d)前記反応帯域よりも上の箇所において、未反応のアセトンと未反応の水素とを前記接触蒸留塔から取り出す工程と;
を含む、メチルイソブチルケトンの製造方法。 - 前記二元機能触媒は、VII族またはIB族水素化金属と組合せた酸性イオン交換樹脂を含む、請求項12に記載の方法。
- 前記触媒は、陽イオン交換樹脂表面の0.05重量%Pdを含む、請求項13に記載の方法。
- 前記二元機能触媒は、VIII族またはIB族水素化金属と組合せたゼオライトを含む、請求項12に記載の方法。
- 前記未反応のアセトンと未反応の水素とは、オーバーヘッドとして前記接触蒸留塔から取り出される、請求項12に記載の方法。
- 前記オーバーヘッドは冷却されて、前記未反応のアセトンを凝縮し、実質的に全ての前記アセトンはオーバーヘッドとして前記接触蒸留塔に戻る、請求項16に記載の方法。
- 前記反応生成物は、ボトムとして前記接触蒸留塔から取り出される、請求項12に記載の方法。
- 前記反応生成物はメチルイソブチルケトンとメシチルオキシドとを含む、請求項12に記載の方法。
- 前記反応生成物はさらに処理されて、前記メチルイソブチルケトンを前記メシチルオキシドから分離する、請求項19に記載の方法。
- (a)イオン交換樹脂表面の0.05重量%Pdを含む触媒を反応帯域中に含む接触蒸留塔に、アセトンと水素とを充填する工程と;
(b)前記反応帯域中で同時に;
(i)前記アセトンと水素とを反応させて、未反応のアセトン、未反応の水素、並びにメチルイソブチルケトン及びメシチルオキシドを含む反応生成物を含む反応混合物を生成し、
(ii)メチルイソブチルケトンとメシチルオキシドとを含む前記反応生成物を、前記未反応のアセトンと未反応の水素とから分離する工程と;
(c)前記反応生成物をボトムとして前記接触蒸留塔から取り出す工程と;
(d)未反応のアセトンと未反応の水素とをオーバーヘッドとして前記接触蒸留塔から取り出す工程と;
(e)前記オーバーヘッドを冷却して、前記未反応のアセトンを凝縮する工程と;
(f)実質的に全ての前記アセトンを還流として前記接触蒸留塔に戻す工程と;
(g)前記メチルイソブチルケトンを、前記反応生成物の残りの部分から分離する工程と;
を含む、メチルイソブチルケトンの製造方法。
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