JP5168216B2 - 酸化反応器および芳香族ポリカルボン酸の製造法 - Google Patents
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Description
中での液相空気酸化について、従来の完全混合式でポリメチルベンズアルデヒドを酸化する場合、一番酸化されやすい官能基であるホルミル基は、選択性良くポリメチル安息香酸にすることは難しく、高沸点化合物が生成する等の不具合が生じ、最終的に芳香族ポリカルボン酸を効率良く製造できない問題点に注目し鋭意研究を重ねた結果、2枚の仕切り円板(1)により反応器内部空間を区画(A)、区画(B)、および区画(C)に分画し、区画(A)には触媒と溶媒の仕込み口(5)を備え、区画(B)には原料の仕込み口(6)を備え、区画(C)には分子状酸素の仕込み口(7)と反応液抜き出し口(8)を備えていることを特徴とする液相酸化用の反応器である。
[A]反応器本体と、
該反応器本体の周囲にジャケット(18)を有し、該反応器本体の内部に、中心攪拌式の撹拌軸(4)を有し、該撹拌軸(4)に2個の攪拌翼(2)が連結されてあり、かつ、該撹拌軸(4)の底部にロータリーアトマイザー(3)が連結されており、該反応器の内部空間を2枚の仕切り円板(1)により、区画(A)、区画(B)および区画(C)の3区画に分画し、区画(A)には触媒と溶媒の仕込み口(5)を備え、区画(B)には原料の仕込み口(6)を備え、区画(C)には分子状酸素の仕込み口(7)と反応液抜き出し口(8)を備えていることを特徴とする液相酸化用の反応器。
[B]仕切り円板(1)の下面と酸化反応器の最底面との縦方向の距離が、0.9×D〜1.5×D(mm)(Dは酸化反応器の内径(mm))、仕切り円板(1)の下面と酸化反応器の最底面との縦方向の距離が2.1×D〜2.8×D(mm)(Dは前記と同じ)である[A]に記載の反応器。
[C]前記撹拌軸(4)と2枚の仕切り円板(1)との横方向距離(クリアランス)が、共に0.01×D〜0.04×D(mm)(Dは前記と同じ)である[A]に記載の反応器。
[D]前記反応器の内面と2枚の仕切り円板(1)との横方向距離(クリアランス)が、共に0.01×D〜0.04×D(mm)(Dは前記と同じ)である[A]に記載の反応器。
[E]前記ロータリーアトマイザー(3)は、中心攪拌式の攪拌軸(4)との連結により回転し、かつ、分子状酸素の仕込み口(7)の上方に位置している[A]に記載の反応器。
[F]前記ジャケット(18)が、反応器の加温手段の機能を有する請求項1に記載の反応器。
[G]ポリメチルベンズアルデヒドを液相酸化反応により、芳香族ポリカルボン酸を製造する製造方法において、反応器が[A]〜[F]のいずれか1項に記載の液相酸化用の反応器であることを特徴とする芳香族ポリカルボン酸の製造法。
[H]芳香族ポリカルボン酸がトリメリット酸またはピロメリット酸である[G]に記載の高純度芳香族ポリカルボン酸の製造法。
従来の完全混合式酸化反応器に比べ、3個の区画を有する酸化反応器を用いた場合、分画式酸化反応と、触媒および溶媒を反応器上部から導入し、反応液を反応器下部から抜き出すことで押し出し式酸化反応が可能となり、原料のホルミル基が最適に酸化する事と目的物への選択的反応が最適に進むことで、高沸点物質および中間体の生成が減少し、その結果、高収率かつ、副生成物の少ない高品質の高純度芳香族ポリカルボン酸を工業的に製造できる酸化反応器を見いだし本発明に到達した。
酸化反応器下部の構造が、簡単であるが内圧に弱い平鏡板構造と若干複雑ではあるが内圧に強い半だ円体形鏡構造の2タイプを基準とする。すなわち、酸化反応器最低面の0Dは、平鏡板構造の場合は反応器低板の内面、半だ円体形鏡構造は下部タンジェンシャルライン(TL)の位置とする。下部タンジェンシャルラインとは、反応器の直胴部と下部半だ円体形鏡部の境界線のことを言う。
本発明の酸化反応器は、反応器本体と、該反応器本体の周囲にジャケット(18)を有し、該反応器本体の内部に、中心攪拌式の撹拌軸(4)を有し、該撹拌軸(4)に2個の攪拌翼(2)が連結されてあり、かつ、該撹拌軸(4)の底部にロータリーアトマイザー(3)が連結されてあり、該反応器の内部空間を2枚の仕切り円板(1)により、区画(A)、区画(B)および区画(C)の3区画に分け、区画(A)には触媒と溶媒の仕込み口(5)を備え、区画(B)には原料の仕込み口(6)を備え、区画(C)には分子状酸素の仕込み口(7)と反応液抜き出し口(8)を備えている液相酸化用の反応器である。
[1]反応器の最底面(0D)から上側の距離に、仕切り円板P−1(但し、P−1=0.9×D〜1.5×D、Dは酸化反応器の内径(mm)。)及び、仕切り円板P−2(但し、P−2=2.1×D〜2.8×D、Dは前記と同じ。)を設ける。仕切り円板は、攪拌軸との間にクリアランスα1(α1=0.01×D〜0.04×D、Dは前記と同じ。)を持たせ、反応器胴側との間にクリアランスα2(α2=0.01×D〜0.04×D、Dは前記と同じ。)を持たせる分画式酸化反応器の構造とする。
[2]反応器の最底面(0D)から上側の距離に、分子状酸素の吹き込み手段としてロータリーアトマイザーを特定範囲位置R−1(但し、R−1=0.3×D〜0.8×D、Dは前記と同じ。)を設けた分割式酸化反応器の構造とする。
[3]酸化反応器の最底面(0D)から上側の距離に、攪拌翼を特定範囲位置C−1と
C−2(但し、C−1=1.4×D〜3.0×D、C−2=2.7×D〜3.3×D、Dは前記と同じ。)を設けた中心攪拌式の酸化反応器である。
[4]酸化反応器の最底面(0D)から上側の距離に、特定範囲位置N−1からローターアトマイザーの下部に空気を導入し、特定範囲位置N−2から原料のポリメチルベンズアルデヒドを導入し、特定範囲位置N−3から触媒と溶媒を導入する。(但し、N−1=0.3×D〜0.8×D、N−2=1.4×D〜3.0×D、N−3=2.7×D〜3.3×D、Dは前記と同じ。)生成した酸化反応液は酸化反応器の最底部(0D)より抜き出す。
[5]仕切り円板を設けて分画酸化及び適度な押し出し流れ酸化反応を可能とし、ロー
タリーアトマイザーを用いて高度に分散された分子状酸素の吹き込みを可能とし、空気導入位置、原料導入位置、触媒と溶媒の導入位置の最適化を図ることで、高収率の芳香族ポリカルボン酸の製造法を特徴とする。
例えば、下部より入った空気を集め水平方向に出す空気収集、吹き出し駒(図11)とその空気を噴霧させる空気拡散筒(図10)を組み合わせたものが図8となる。更に詳細には、空気収集、吹き出し駒は円錐台形の上面垂直方向に円柱を付けた様な格好で、例えるなら三角フラスコの様な形状をしている。その中は空洞部になっており、円柱部の空洞(図11)の(20)の攪拌軸の差し込み口は攪拌軸の直径と合っている。また駒の垂直方向中央付近には、空気が抜ける吹き出し口(図11)の(15)を有している。従って下部の空気収集口(図11)の(16)から入った空気はその空洞部を経由して水平方向に抜け、垂直方向上部には抜けない。抜き出た空気は空気拡散筒へ送られるが、空気拡散筒の上面は円周方向から中心に向かいある幅を有する上板(図8)の(11)を有する。従ってすぐには垂直方向には抜けず、回転の遠心力によりスリットを経由して噴霧状となって抜ける。
例えば2,4-ジメチルベンズアルデヒドを水溶媒で連続式に液相空気酸化する際に、仕切り円板を設けた分画酸化式反応および、空気送入口をロータリーアトマイザーとしない従来の完全混合式の酸化反応器を用いると高沸点化合物の収率が10%程度になる。しかし、仕切り円板を設け分画式酸化反応および、空気送入手段としてロータリーアトマイザー設けて分子状酸素の吹き込みおよび、原料供給口を反応器最底面から上側に距離d(mm)(但しd=1.2×D〜2.5×D(mm))だけ離れた位置に開口させた塔型反応器を用いることにより高沸点化合物の収率が5%以下の収率に減少する。
<反応器A(図12)>
内径(D)80mm、高さ(H)450mmのジルコニウム製耐圧円筒容器で、反応器の最底面から上側に98mmと196mmの位置に、攪拌軸側と側面側に各々2mmのクリアランスを持たせた仕切り円板(直径76mm、軸廻りの空間部が直径16mmであるドーナツ状の円盤)を設け、中心攪拌式の攪拌軸に反応器の最底面から49mm上の位置に外径35mm、高さ20mmのローターを有するロータリーアトマイザーと開口している空気供給ノズル、反応器の最底面から147mmと245mmの位置にタービン翼、反応器の最底面から上側に147mmだけ離れた位置に開口している原料供給ノズル、反応器の最底面から上側に245mmの位置に開口している触媒と溶媒の供給ノズルを備えた分画酸化式反応器。
<反応器B(図13)>
内径80mm、高さ450mmのジルコニウム製耐圧円筒容器で、反応器の最底面から上側に98mmと196mmの位置に、攪拌軸側と側面側に各々2mmのクリアランスを持たせた仕切り円板(直径76mm、軸廻りの空間部が直径16mmであるドーナツ状の円盤)を設け、中心攪拌式の攪拌軸に反応器の最底面から49mm上の位置に外径35mm、高さ20mmのローターを有するロータリーアトマイザーと開口している空気供給口、反応器の最底面から147mmの位置にタービン翼と245mmの位置にパドル翼、反応器の最底面から上側に147mmだけ離れた位置に開口している原料供給口、反応器の最底面から上側に245mmの位置に開口している触媒と溶媒の供給口を備えた分画酸化式反応器。
<反応器C(図14)>
内径80mm、高さ450mmのジルコニウム製耐圧円筒容器で、反応器の最底面から上に49mmの位置に開口した空気供給ノズルとタービン翼、反応器最底面から147mmと245mmの位置にタービン翼、反応器の最底面から上側に147mmだけ離れた位置に開口している原料供給口と触媒と溶媒の供給口を備えた塔型完全混合式反応器。
機種:Agilent 6890N(Agilent Technologies社製)
使用カラム:DB−1(Agilent Technologies社製)
分析条件:Injection Temp 300℃
Detector Temp 300℃
カラム温度:100℃、3分保持→5℃/分で280℃まで昇温→280℃、35分保持
検出器:水素炎イオン化検出器(FID)
分析方法:耐熱ガラス試験管に反応液1gを採取し(精評する)、メタノール3gを加えて希釈し、更に塩酸トリエチルアミン3gとリン酸トリメチル10mlを加える。その混合液を180℃で、40分間加熱することによりメチルエステル化処理する。処理液を冷却して室温としたのち、その液にクロロホルム20mlを加え、更にGC分析の内部標準物質であるトリフェニルメタン0.1gを加えて(精評する)均一に溶解させる。このクロロホルム溶液に水200mlを加えて液−液分配処理を行い(2回)、静置して得られたクロロホルム層をGC装置にて分析する。
反応器Aに還流冷却器、攪拌装置、加熱装置及び原料送入口、触媒液送入口、底部空気吹き込み口、反応物排出口を備えた内容積2Lのジルコニウム製酸化反応器を接続した連続2段式反応器を用いて2,4-ジメチルベンズアルデヒドの液相空気酸化を行った。
ポリッシャー付純水製造装置で得られた水1422質量部、臭化水素酸水溶液(試薬:和光純薬工業株式会社製、HBr47.0〜49.0質量%)37.4質量部、MnBr2・4H2O(試薬:三津和薬品株式会社製)30.5質量部をこの比率で混合し、触媒液Aを調製した(臭化物イオン濃度2.3重量%、マンガンイオン濃度0.39重量%)。また、水55.7質量部および臭化水素酸水溶液(試薬:和光純薬工業株式会社製、HBr47.0〜49.0質量%)4.3質量部をこの比率で混合し、触媒液Bを調製した(臭化物イオン濃度3.4重量%)。
1段目の反応器に触媒液Aを1490g仕込み、2段目の反応器に触媒液Aを1000g仕込んだ。各反応器のガス導入口から窒素を圧入し、1MPaに昇圧した。また、加熱装置でそれぞれ220℃まで昇温し、反応中は該温度を維持した。
ついで1段目反応器に2,4-ジメチルベンズアルデヒドを200g/hの割合で、触媒液A(反応器仕込み液と同一組成)を750g/hの割合で別々に供給した。2,4-ジメチルベンズアルデヒドの供給と同時にロータリーアトマイザーのローターを回転させ底部ガス吹き込み口から空気の送入を開始し反応器よりの排ガス中の酸素を2.5%に保つように流量を制御した。ついで1段目反応器中の液面を一定に保ちつつ、1段目反応器より2段目反応器への液移送を開始し、同時に2段目反応器に触媒液Bを60g/hの割合で供給し、ガス導入口から空気の送入を開始し反応器よりの排ガス中の酸素濃度を4.5容量%に保つように流量を制御した。2段目反応器中の液面を一定に保つように2段目反応器より反応生成物を抜き出した。この間、反応器の圧力は1段目が3.2MPa、2段目が2.9MPaに保った。水溶媒の量は2,4-ジメチルベンズアルデヒドに対し重量比で3.9倍であり、第2段階への臭化物イオン供給量は臭化物イオン全供給量の10.5%であった。反応器中の組成が定常になった後、得られた反応生成液をメチルエステル化した後、GC分析を行った。その結果、モル比でトリメリット酸の収率は91.6%、高沸点化合物の収率は4.8%であった。結果を表1に示す。
反応器Aに還流冷却器、攪拌装置、加熱装置及び原料送入口、触媒液送入口、底部空気吹き込み口、反応物排出口を備えた内容積2Lのジルコニウム製酸化反応器を接続した連続2段式反応器を用いて2,4,5-トリメチルベンズアルデヒドの液相空気酸化を行った。
ポリッシャー付純水製造装置で得られた水1433質量部、臭化水素酸水溶液(試薬:和光純薬工業株式会社製、HBr47.0〜49.0質量%)32.7質量部、MnBr2・4H2O(試薬:三津和薬品株式会社製)34.5質量部および50質量%FeBr3水溶液(試薬:三津和薬品株式会社製、Fe含有量として9.4質量%)0.21質量部をこの比率で混合し、触媒液Aを調製した(臭化物イオン濃度2.3重量%、マンガンイオン濃度0.44重量%、鉄イオン濃度13ppm)。また、水55.7質量部および臭化水素酸水溶液(試薬:和光純薬工業株式会社製、HBr47.0〜49.0質量%)4.3質量部をこの比率で混合し、触媒液Bを調製した(臭化物イオン濃度3.4重量%)。
1段目の反応器に触媒液Aを1500g仕込み、2段目の反応器に触媒液Aを1000g仕込んだ。各反応器のガス導入口から窒素を圧入し、1MPaに昇圧した。また、加熱装置でそれぞれ220℃まで昇温し、反応中は該温度を維持した。
ついで1段目反応器に2,4,5−トリメチルベンズアルデヒドを145g/hの割合で、触媒液A(反応器仕込み液と同一組成)を800g/hの割合で別々に供給した以外は実施例1と同様に反応を行った。水溶媒の量は2,4,5−トリメチルベンズアルデヒドに対し重量比で5.8倍であり、第2段階への臭化物イオン供給量は臭化物イオン全供給量の10.0%であった。反応器中の組成が定常になった後、得られた反応生成液をメチルエステル化した後、GC分析を行った。その結果、モル比でピロメリット酸の収率は81.8%、高沸点化合物の収率は4.2%であった。結果を表2に示す。
反応器Aの代わりに反応器Bを用いた以外は実施例1と同様に反応を行い、反応生成物をGC分析した。その結果、モル比でトリメリット酸は90.2%、高沸点化合物は5.9%の収率で得られた。結果を表1に示す。
反応器Aの代わりに反応器Bを用いた以外は実施例2と同様に反応を行い、反応生成物をGC分析した。その結果、モル比でピロメリット酸は81.2%、高沸点化合物は4.8%の収率で得られた。結果を表2に示す。
反応器Aの代わりに反応器Cを用いた以外は実施例1と同様に反応を行い、反応生成物をGC分析した。その結果、モル比でトリメリット酸は85.3%、高沸点化合物は9.6%の収率で得られた。結果を表1に示す。
反応器Aの代わりに反応器Cを用いた以外は実施例2と同様に反応を行い、反応生成物をGC分析した。その結果、モル比でピロメリット酸は74.1%、高沸点化合物は9.7%の収率で得られた。結果を表2に示す。
B…… 区画(B)(P−1とP−2の間)
C…… 区画(C)(反応器最底面とP−1の間)
1…… 仕切り円板(下がP−1、上がP−2)
2…… 攪拌翼
3…… ロータリーアトマイザー
4…… 中心攪拌式の攪拌軸
5…… 触媒と溶媒の仕込み口
6…… 原料仕込み口
7…… 空気吹き込み口
8…… 反応液抜き出し口
9…… 反応液液面
10…… 空気収集、吹き出し駒
11…… 上板
12…… 下板
13…… 空気拡散筒
14…… スリット
15…… 空気噴出し口
16…… 空気収集口
17…… タービン翼
18…… ジャケット
19…… パドル翼
20……回転差し込み口
Claims (8)
- 反応器本体と、
該反応器本体の周囲にジャケット(18)を有し、該反応器本体の内部に、中心攪拌式の撹拌軸(4)を有し、該撹拌軸(4)に2個の攪拌翼(2)が連結されてあり、かつ、該撹拌軸(4)の底部にロータリーアトマイザー(3)が連結されており、該反応器の内部空間を2枚の仕切り円板(1)により、区画(A)、区画(B)および区画(C)の3区画に分画し、区画(A)には触媒と溶媒の仕込み口(5)を備え、区画(B)には原料の仕込み口(6)を備え、区画(C)には分子状酸素の仕込み口(7)と反応液抜き出し口(8)を備えていることを特徴とする液相酸化用の反応器。 - 仕切り円板(1)の下面と反応器の最底面との縦方向の距離が、0.9×D〜1.5×D(mm)(Dは反応器の内径(mm))、仕切り円板(1)の下面と酸化反応器の最底面との縦方向の距離が2.1×D〜2.8×D(mm)(Dは前記と同じ)である請求項1に記載の反応器。
- 前記撹拌軸(4)の端面と2枚の仕切り円板(1)の端面との横方向の距離(クリアランス)が、共に0.01×D〜0.04×D(mm)(Dは前記と同じ)である請求項1に記載の反応器。
- 前記反応器の内面の端面と2枚の仕切り円板(1)の端面との横方向の距離(クリアランス)が、共に0.01×D〜0.04×D(mm)(Dは前記と同じ)である請求項1に記載の反応器。
- 前記ロータリーアトマイザー(3)は、中心攪拌式の撹拌軸(4)との連結により回転し、かつ、分子状酸素の仕込み口(7)の上方に位置している請求項1に記載の反応器。
- 前記ジャケット(18)が、反応器の加温または保温の手段の機能を有する請求項1に記載の反応器。
- ポリメチルベンズアルデヒドを原料とする液相酸化反応により、芳香族ポリカルボン酸を製造する製造方法において、請求項1〜6のいずれか1項に記載の液相酸化用の反応器を使用することを特徴とする芳香族ポリカルボン酸の製造法。
- 芳香族ポリカルボン酸がトリメリット酸またはピロメリット酸である請求項7に記載の芳香族ポリカルボン酸の製造法。
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