JP6424698B2 - テトラヒドロフランの製造方法 - Google Patents
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Description
テトラヒドロフランの工業的な製造方法としては、従来より様々な製造法が知られており、例えば、特許文献1には、1,4−ブタンジオールの酢酸エステルと水とを、固体酸触媒の存在する固定床反応器内で反応させテトラヒドロフランを得る方法が記載されている。また、特許文献2や特許文献3には、1,4−ブタンジオール溶液を反応槽に供給し、スルホン酸を用いて1,4−ブタンジオールの脱水環化反応を行うことによりテトラヒドロフランを製造する際に、該反応器内の気相部から生成物であるテトラヒドロフランおよび副生物の水を含むガスを反応器外部の熱交換器に導入し、該熱交換器出口から得られる凝縮液の一部を該反応槽の気相部に供給しながら、残りの凝縮液を反応槽外に抜き出すことによりテトラヒドロフランを製造する方法が記載されている。
また、特許文献4ではテトラヒドロフランを製造する過程で生成する固形物の生成を抑え、安定的にテトラヒドロフランを製造する方法が記載されている。
[1]1,4−ブタンジオールの脱水環化反応を行うことにより生成物としてテトラヒドロフランを得る、テトラヒドロフランの製造方法において、以下の工程A及び工程Bを含むことを特徴とするテトラヒドロフランの製造方法。
工程A:固体酸を有する反応器Aに1,4−ブタンジオールを供給し、該1,4−ブタンジオールの一部を脱水環化反応によりテトラヒドロフランに変換し、テトラヒドロフランを含む1,4−ブタンジオールを得る工程
工程B:工程Aで得られるテトラヒドロフランを含む1,4−ブタンジオールを反応器Aとは異なる反応器Bに供給し、酸触媒存在下、反応器B内で1,4−ブタンジオールの脱水環化反応を行うことによりテトラヒドロフランを得て、該反応器B内の気相部に存在するテトラヒドロフラン及び水を含むガスを反応器B外へ抜き出し、該ガスからテトラヒドロフランを得る工程
[2]前記反応器Bに供給されるテトラヒドロフランを含む1,4−ブタンジオール中のジブチレングリコールの濃度が0.01重量%以上5重量%以下である[1]に記載のテトラヒドロフランの製造方法。
[3]前記反応器Bに供給されるテトラヒドロフランを含む1,4−ブタンジオール中の、トリブチレングリコール濃度が0.01重量%以上3重量%以下である[1]又は[2]に記載のテトラヒドロフラン製造方法。
[4]前記反応器Bに供給される前記テトラヒドロフランを含む1,4−ブタンジオール中のテトラヒドロフランの濃度が1重量%以上50重量%以下である[1]〜[3]のいずれか1項に記載のテトラヒドロフラン製造方法。
[5]前記反応器B内の温度が80℃から250℃である、[1]〜[4]のいずれか1項に記載のテトラヒドロフラン製造方法。
[6]前記工程Bにおける前記酸触媒がパラトルエンスルホン酸である、[1]〜[5]のいずれかに記載のテトラヒドロフラン製造方法。
[7]前記工程Aにおける前記固体酸が陽イオン交換樹脂である、[1]〜[6]のいずれか1項に記載のテトラヒドロフラン製造方法。
そして、テトラヒドロフランを製造する際、従来は反応器に耐食性、耐熱性に優れたハステロイ(登録商標)等の高価な材料を使用する必要があったが、本発明の製造方法を用いることで、反応器容量の削減や反応器材質に従来材よりも安価な材質を使用することができるようになり建設費を削減することができる。
尚、本発明において、「ポリマー」とは後述のガスクロマトグラフを用いた方法によって測定された分子量500以上の化合物を意味し、「オリゴマー」とは1,4−ブタンジオールの2〜5量体を意味する。
工程A:固体酸を有する反応器Aに1,4−ブタンジオール(以下、1,4BGと記載することがある。)を供給し、該1,4−ブタンジオールの一部を脱水環化反応によりテトラヒドロフランに変換し、テトラヒドロフランを含む1,4−ブタンジオールを得る工程。
工程B:工程Aで得られるテトラヒドロフランを含む1,4−ブタンジオールを反応器Bに供給し、酸触媒存在下、反応器B内で1,4−ブタンジオールの脱水環化反応を行うことによりテトラヒドロフランを得て、該反応器B内の気相部に存在するテトラヒドロフラン及び水を含むガスを反応器B外へ抜き出し、該ガスからテトラヒドロフランを得る工程。
そして上記ポリマーは1,4BG中の2−(4−ヒドロキシブトキシ)テトラヒドロフラン(以下、BGTFと記載することがある。)又は1,4BGに由来しており、1,4BGの脱水環化反応中にポリマーとして副生すると推測されている。1,4BGとBGTFは沸点が近く、蒸留による分離が困難である。
また、1,4BG由来のオリゴマーの解重合反応は脱水を伴うため、反応器内のオリゴマー濃度は反応器内液相中の水分量に影響すると推測されている。
そこで、工程Aで得られたTHFを含む1,4BG反応液を酸触媒存在下で、脱水環化反応を行うことによりTHFを得て、反応器内の気相部に存在するTHFと水を含む気体を系外に抜き出すことで、反応器中の水濃度が低くなり、反応器中の1,4BG由来のポリマー及びオリゴマーの解重合反応が促進され、1,4BG由来のポリマー及びオリゴマーの濃度を軽減することが出来たと考えられる。即ち、工程Aの後に工程Bの処理を行うことで、BGTFに由来するポリマーと1,4BGに由来するポリマー及びオリゴマーの濃度を従来よりも低減することができる
本発明で使用する原料の1,4BGは、公知の方法により得ることができる。例えばブタジエンのジアセトキシ化により得た1,4−ジアセトキシ−2−ブテンを水素化、加水分解を行って得た1,4BGを使用することができる。或いは無水マレイン酸の水素化により得た1,4BG、レッペ法によりアセチレンから誘導した1,4BG、プロピレンの酸化を経由して得られる1,4BG、発酵法により得た1,4BGなどが使用可能である
。これら公知技術で製造した1,4BGには製法由来の副生物として、2−(4−ヒドロキシブトキシ)テトラヒドロフラン、1−アセトキシ−4−ヒドロキシブタン、1,4BGの脱水二量体や三量体、ガンマブチロラクトン、2−メチル−1,3−プロパンジオールなどの不純物が含まれていることがあるが、本発明で使用する原料の1,4BGには、これらの不純物が含まれていてもよい。
<製造方法>
本発明のテトラヒドロフランの製造方法において、工程Aで用いる固体酸触媒は、1,4BGをTHFに変換できるものであれば、特に限定されるものではないが、具体的には陽イオン交換樹脂やヘテロポリ酸、カーボン系固体酸、ゼオライト系固体酸などが挙げられる。これらの中で脱水環化反応時にポリマーやオリゴマーが生成しにくいという観点から好ましくは陽イオン交換樹脂、ヘテロポリ酸、ゼオライト系固体酸、より好ましくは陽イオン交換樹脂、更に好ましくはスルホン酸型強酸性イオン交換樹脂である。
反応器Aから得られるTHFを含む1,4BG中のジブチレングリコールの濃度は、0.01重量%以上、5重量%以下が好ましく、より好ましくは0.1重量%以上、4重量%以下、更に好ましくは0.5重量%以上、3重量%以下である。またTHFを含む1,4BG中のトリブチレングリコールの濃度としては、好ましくは0.01重量%以上、3重量%以下であり、より好ましくは0.1重量%以上、2重量%以下の範囲であり、特に好ましくは0.2重量%以上、1.5重量%以下の範囲である。
工程Aで得られるTHFを含む1,4BG中のジブチレングリコール及び又はトリブチレングリコールの濃度が高すぎると、その後の工程で1,4BGのポリマーの生成量が多くなり連続反応が継続できない恐れがある。工程Aで得られるTHFを含む1,4BG中のジブチレングリコール及び又はトリブチレングリコールの濃度が低すぎることによる反応への影響は無いが、工程Aで得られるTHFを含む1,4BG中のジブチレングリコール及び又はトリブチレングリコールを低くするためには、反応速度を低下させたり除去工程を追加する必要があり、テトラヒドロフランの生産性が悪化する傾向にある。
要があり、長時間連続的に反応してTHFを製造することが困難となり、本発明の十分な効果が得られない傾向にある。工程Aと工程Bの間にその他の工程が含まれたとしても、反応器BにTHFを含む1,4BGを供給する際は、上記のTHF濃度範囲であることが好ましい。
より好ましくは1時間から7時間の範囲であり、更に好ましくは1時間から3時間の範囲である。滞留時間が短かすぎるとTHFの製造量が低下する傾向にあり、滞留時間が長すぎると必要な反応器の容量が大きくなりすぎ、設備建設のための経済性が悪化する傾向にある。
<工程B>
されたTHFおよび水を含むガスが存在するが、このガスを反応器Bから抜き出し、熱交換器に導入し、熱交換器内で凝縮液化され、THFおよび水を含む凝縮液を得る。上記熱交換器は、反応器Bから生じる留出物を凝縮液化させる装置であり、該凝縮液化は、冷却液である外部流体と留出物とを熱交換させることにより行われる。尚、THF及び水を含むガスには、本発明の効果を阻害しない程度であれば、水溶液の形態で仕込まれる原料からの生成水、必要に応じて生成水と共沸させるために用いられる脱水溶剤なども含んでいてもよい。
尚、ガスクロマトグラフ分析(以下GC分析と記載することがある)、水分分析、ゲル・パーミエイション・クロマトグラフィー(以下GPC分析と記載することがある)は以下装置、条件にて行った。
[水分分析]
分析装置:微量水分測定装置CA−21型(三菱化学株式会社製)
[GC分析]
分析装置:ガスクロマトグラフGC−2014(株式会社島津製作所製)
カラム:DB−1(Agilent Technologies製)
30(m)×0.25(mm) ×1.00(μm)
分析条件:全流量:128.2ml/min、パージ量:3.0ml/min、カラム流量:1.29ml/min、線速度:29.9cm/sec、スプリット比:100、インジェクション温度:240℃、ディテクション温度:240℃、カラム温度:50℃(7min)→5 ℃/min→220℃(20min)、キャリアガス:ヘリウム
[GPC分析]
分析装置:TOSOH HLC−8220GPC(株式会社東ソー社製)
カラム:TSKgel SuperHZM−N(7.8mmID×30.0cmL)
分析条件:THF溶媒、溶媒流速:0.35mL/min、カラム温度:40℃、サンプル注入量:10μL、質量校正にはPolymer Laboratories製ポリテトラヒドロフランキャリブレーションキットを使用し、分子量500以上の化合物がGC分析で検出されないことを確認した。
工程A:2−(4−ヒドロキシブトキシ)テトラヒドロフランを3000重量ppm含む1,4−ブタンジオールを、反応温度85℃、フィード流量30cc/hr、滞留時間3時間の条件で強酸性イオン交換樹脂SK1BH(三菱化学社製)90gを充填した反応器(反応器A)へ流通させ、1,4−ブタンジオールが44.6重量%、40.5重量%のテトラヒドロフランを含む1,4−ブタンジオールを得た。また、そのテトラヒドロフランを含む1,4−ブタンジオール中のジブチレングリコール濃度は2.3重量%であり、トリブチレングリコールの濃度は0.14重量%であった。
工程B:工程Aにて得たテトラヒドロフランを含む1,4−ブタンジオール150gを、ガラス製の200cc反応器Bに仕込み、0.2重量%のパラトルエンスルホン酸存在下、140℃に加熱し、脱水環化反応により残りの1,4−ブタンジオールをテトラヒドロフランに変換してTHFを製造した。
その際、反応器にはパラトルエンスルホン酸12ppmを含む工程Aにて得たテトラヒドロフランを含む1,4−ブタンジオールを連続的に15.2cc/hrでフィードした。反応にて生成したTHFと水を含むガスを反応器Bの気相部から抜出し、抜き出したガスを冷却器で凝縮し得られる凝縮液は生成液として反応槽フラスコ外にある貯槽に抜き出した。11.7kgのTHFを製造した時点で、反応器Bの液相部をガスクロマトグラフ
(GC)分析を行った結果、GCで検出されない分子量500以上のポリマー濃度は26.5重量%であり、生成したジブチレングリコールの重量は0.01kgであった。
工程A:実施例1と同様に実施した。
工程B:工程Aにて得たテトラヒドロフランを含む1,4−ブタンジオール150gを、ガラス製の200cc反応器Bに仕込み、0.2重量%のパラトルエンスルホン酸存在下、150℃に加熱し、脱水環化反応によりテトラヒドロフランを製造した。その際、反応器にはパラトルエンスルホン酸12ppmを含む前記テトラヒドロフランを含む1,4−ブタンジオールを連続的に37.9cc/hrでフィードした。反応にて生成したTHFと水を含むガスを反応器Bの気相部から抜き出し、冷却器で凝縮し得られる凝縮液は生成液として反応槽フラスコ外にある貯槽に抜き出した。12.2kgのTHFを製造した
時点で、反応器Bの液相部をGC分析を行った結果、GCで検出されない分子量500以上のポリマー濃度は30.8重量%であり、生成したジブチレングリコールの重量は0.01kgであった。
尚、工程A、Bにおける温度、滞留時間、触媒量を前記条件と同様とした場合、単位時間あたり1kgのTHFを製造するために必要な工程Bの反応器容量を算出すると2.2Lであった。
工程B:2−(4−ヒドロキシブトキシ)テトラヒドロフランを3000重量ppm含む1,4−ブタンジオール50gを、ガラス製の200cc反応器Bに仕込み、0.2重量%のパラトルエンスルホン酸存在下、150℃に加熱し、脱水環化反応によりテトラヒドロフランを製造した。その際、反応器にはパラトルエンスルホン酸12ppmを含む前記1,4−ブタンジオールを連続的に14.0cc/hrでフィードした。
反応にて生成したTHFと水を含むガスを反応器Bから抜き出し、冷却器で凝縮し得られる凝縮液は生成液として反応槽フラスコ外にある貯槽に抜き出した。12.5kgのT
HFを製造した時点で、反応器Bの液相部のGC分析を行った結果、GCで検出されない分子量500以上のポリマー濃度は32.9重量%であった。
尚、温度、触媒量を前記条件と同様とした場合、単位時間あたり1kgのTHFを製造するために必要な工程Bの反応器容量は3.5Lであった。
工程B:2−(4−ヒドロキシブトキシ)テトラヒドロフランを3000重量ppm含む1,4−ブタンジオール50gを、ガラス製の200cc反応器Bに仕込み、0.2重量%のパラトルエンスルホン酸存在下、150℃に加熱し、脱水環化反応によりテトラヒドロフランを製造した。その際、反応器にはパラトルエンスルホン酸12ppmを含む前記1,4−ブタンジオールを連続的に14.0cc/hrでフィードした。反応にて生成したTHFと水を含むガスを反応器Bから抜き出し、冷却器で凝縮し得られる凝縮液は生成液として反応槽フラスコ外にある貯槽に抜き出した。5.8kgのTHFを製造した時
点での反応器Bの液相部のGC分析の結果、1,4−ブタンジオール71.8重量%、テトラヒドロフラン3.9重量%、ジブチレングリコール3.9重量%、水4.5重量%であった。
工程A:工程Bの反応液を原料に用いて、実施例の工程Aと同様に実施した。反応液のGC分析を行った結果、組成は1,4−ブタンジオール47.3重量%、テトラヒドロフラン23.0重量%、ジブチレングリコール4.1重量%、水9.2重量%であった。工程Bと合わせてテトラヒドロフランを11.7kg製造した場合に生成したジブチレングリコールの重量は1.0kgであった。
また、実施例2と比較例1を対比すると反応器B液相中のポリマー成分が削減されている。
また、実施例1、2と比較例2を対比すると、実施例はテトラヒドロフラン製造量に対するジブチレングリコールの生成量が少なく、原料ロスが少なくテトラヒドロフランを製造することができた。
Claims (7)
- 1,4−ブタンジオールの脱水環化反応を行うことにより生成物としてテトラヒドロフランを得る、テトラヒドロフランの製造方法において、以下の工程A及び工程Bを含むことを特徴とするテトラヒドロフランの製造方法。
工程A:固体酸を有する反応器Aに1,4−ブタンジオールを供給し、該1,4−ブタンジオールの一部を脱水環化反応によりテトラヒドロフランに変換し、テトラヒドロフランを含む1,4−ブタンジオールを得る工程
工程B:工程Aで得られるテトラヒドロフランを含む1,4−ブタンジオールを反応器Aとは異なる反応器Bに供給し、酸触媒存在下、反応器B内で1,4−ブタンジオールの脱水環化反応を行うことによりテトラヒドロフランを得て、該反応器B内の気相部に存在するテトラヒドロフラン及び水を含むガスを反応器B外へ抜き出し、該ガスからテトラヒドロフランを得る工程 - 前記反応器Bに供給されるテトラヒドロフランを含む1,4−ブタンジオール中のジブチレングリコールの濃度が0.01重量%以上5重量%以下である請求項1に記載のテトラヒドロフランの製造方法。
- 前記反応器Bに供給されるテトラヒドロフランを含む1,4−ブタンジオール中の、トリブチレングリコール濃度が0.01重量%以上3重量%以下である請求項1又は2に記載のテトラヒドロフラン製造方法。
- 前記反応器Bに供給される前記テトラヒドロフランを含む1,4−ブタンジオール中のテトラヒドロフランの濃度が1重量%以上50重量%以下である請求項1〜3のいずれか1項に記載のテトラヒドロフラン製造方法。
- 前記反応器B内の温度が80℃から250℃である、請求項1〜4のいずれか1項に記載のテトラヒドロフラン製造方法。
- 前記工程Bにおける前記酸触媒がパラトルエンスルホン酸である、請求項1〜5のいずれかに記載のテトラヒドロフラン製造方法。
- 前記工程Aにおける前記固体酸が陽イオン交換樹脂である、請求項1〜6のいずれか1項に記載のテトラヒドロフラン製造方法。
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