JPH0515785A - 反応蒸留用固体酸触媒 - Google Patents

反応蒸留用固体酸触媒

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JPH0515785A
JPH0515785A JP16956691A JP16956691A JPH0515785A JP H0515785 A JPH0515785 A JP H0515785A JP 16956691 A JP16956691 A JP 16956691A JP 16956691 A JP16956691 A JP 16956691A JP H0515785 A JPH0515785 A JP H0515785A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 蒸留塔内において、有機反応と有機生成物の
分離とを同時に、且つ効率良く行わせるための反応蒸留
用固体酸触媒。 【構成】 有機重合体を成型加工することにより、反応
蒸留塔内での原料流体との接触面積が大きく、蒸気の円
滑な流通を可能とするのに十分な空隙を有し、その空隙
が触媒層に均一に分布する形状である基体を得、この得
られた基体に電離性放射線を照射した後に、グラフト重
合を用いてスルフォン酸基を導入したことを特徴とする
反応蒸留用固体酸触媒。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は有機反応と反応生成物の
分離を同時に、効率よく、蒸留塔内で行わせるための反
応蒸留用固体酸触媒に関する。
【0002】
【従来の技術】反応蒸留では反応生成物を沸点差を利用
して連続的に反応系外に排出させることができるから、
平衡常数の小さい反応でも高い反応率を得ることができ
る。又、未反応物の蒸留分離、リサイクルに要する熱エ
ネルギーも節約でき、設備費の低減にもつながる有用な
化学操作である。
【0003】鉱酸を用いる反応蒸留は古くから知られて
おり、例えば昭和46年刊の「最近蒸留工学」(平田光穂
編著、日刊工業新開社刊)にも幾つかの事例の紹介がみ
られる。しかし、硫酸に代表されるような液体酸触媒
は、反応生成物や未反応原料からの分離、再利用が困
難、従って反応時間の制御も困難、関連機器に耐蝕性材
料を使用しなければならない、又環境保護のため廃酸処
理が必要、というような不都合が伴う。
【0004】一方固体酸触媒として最も普通的に用いら
れるのは、アンバーリスト15、アンバーリスト15
W、アンバーライト120Bなどのイオン交換樹脂であ
る。これらは前に記した液体酸の場合の如き欠陥を持た
ず、蒸留を伴わない反応には多用されている。反応蒸留
触媒としての利用も提案されているが、これらイオン交
換樹脂の粒径は0.2〜0.9mm程度であって、その
まゝ蒸留塔内に充填することができない。何故なら、反
応蒸留触媒は触媒機能を果すのみならず、蒸留塔充填材
として蒸気の流通、液体の流通が円滑に行われるよう充
分な空隙を有していなければならないからである。
【0005】このイオン交換樹脂を用いて、なおかつ気
液両相の流通を可能にするため、従来技術では様々な工
夫がなされている。例えばイオン交換樹脂又はその粉末
を不活性な熱可塑性樹脂と混合成型する方法(U.S.
Pat.3,965,039)、多孔質の容器にイオン
交換樹脂を封入する方法(U.S.Pat.3,31
7,593)、不活性織布で数多くの平列なポケットを
持つベルト用のものを作り、このポケットにイオン交換
樹脂を封入し、空隙を持たせるためのシート様補助材と
共に円筒状に巻いたものを蒸留塔に充填する方法(U.
S.Pat.4,302,356)などがあるが、いず
れも反応原料と触媒能を持つイオン交換基との接触が著
しく妨げられ、イオン交換基の利用効率が悪く、優れた
反応蒸留用触媒とはいえない。
【0006】又、蒸留塔内の柵段にイオン交換樹脂をそ
のまゝの形で充填するが、蒸気の流通は別に設けた配管
でこのイオン交換樹脂の層をバイパスさせる方法(特公
昭50−28,934)、これとは逆に蒸留塔から液体
のみを取り出してイオン交換樹脂の層を通過せしめた
後、蒸留塔に戻す方法(特公昭46−3041)なども
ある。これらは触媒と接触するのが液相部分のみであ
り、反応蒸留と呼ぶに値するか否かさえ問題である。
【0007】上記の如き不合理は、従来からのイオン交
換樹脂を用いる限り、その形状故に、避けられないこと
である。
【0008】イオン交換繊維を用いる反応蒸留触媒、
(例えば特開昭57−7259)は従来のイオン交換樹
脂を使用する際の欠陥を有しない優れた機能を発揮す
る。しかし、繊維及び織布等の繊維加工品は柔軟で、反
応液を吸収して変形し、反応蒸留塔の蒸気の流通を妨げ
るので、何等かの成型を必要とする。スルフォン酸基を
付与した繊維は原料繊維に比して物理的強度に劣り、補
助部材を用いると否とに拘らず成型時に問題を生ずる
し、又スルフォン酸は強酸であるから直接人体との接触
は好ましくないばかりか成型作業用機械の金属部に腐蝕
を生ずる。
【0009】スルフォン酸基導入以前に成型することは
可能であるが、従来法によるスルフォン基の導入工程は
極めて苛酷な条件下で実施されるから、極めて限定され
た補助部材しか成型に用いることができない。例えば特
公昭56−18139によれば架橋、スルフォン化にそ
れぞれ高温の濃硫酸、クロロスルフォン酸と数時間反応
させねばならず、特殊な耐蝕性材料の使用を余儀なくさ
れ経済的に好ましくない。一方、繊維原料のみによる成
型は不可能ではないが、形状に制約を受け、単位重量当
りの濡れ面積が大きいという繊維の優位性を活かすこと
が困難である。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】従来技術によるもので
は満たし得なかった要件、すなわち:反応蒸留塔内の原
料流体との接触面積が大きく、蒸気の円滑な流通を可能
とする十分な空隙を持ち、その空隙が触媒層に均一に分
布し、かつ安価に製造できること:を同時に満足させる
新規な反応蒸留用固体酸触媒を提供することが本発明の
目的である。
【0011】即ち、反応蒸留用固体酸触媒は反応蒸留塔
に充填されたとき、塔内の気液両流体に対する接触面積
が大きく、両流体の円滑な流通を可能とする十分な空隙
を持ち、かつその空隙が触媒層に均一に分布しているこ
とが必要である。
【0012】従来技術によれば、成型が可能な有機重合
体はスルフォン化に耐えられず、一方、スルフォン化に
耐えさせるべく架橋を施した有機重合体は著しくその熱
可塑性を失い、成型が不可能であるため、上記の必要条
件を満足する固体酸触媒は製造できなかった。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明は前項に記した要
件を満たす反応蒸留用固体酸触媒として、請求項に記載
した、成型加工した有機重合体に電離性放射線を照射し
たのち、グラフト重合を用いてスルフォン酸基を導入し
たことを特徴とする反応蒸留用固体酸触媒を解決手段と
して提供するものである。
【0014】
【作用】以下に本発明を詳細に説明する。
【0015】本発明において反応蒸留用固体酸触媒(以
下反応蒸留触媒という)は成型加工した有機重合体(以
下基材という)に電離性放射線を照射したのちグラフト
重合(以下放射線グラフト重合という)を用いてスルフ
ォン酸基を導入することで製造される。
【0016】本発明に用いる基材の材質としてはポリエ
チレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィンやハロゲ
ン化ポリオレフィン系のものが好適であるが、これらに
限定されるものではない。基材の形状は使用する基材が
射出成型、押出成型など従来用いられている成型方法に
よって得られる如何なる形状のものであってもよい。繊
維状、線状、或いはこれらを織布、不織布、ヒモ、網
状、更にはこれらと射出成型したものとの複合成型品で
あってもよい。
【0017】しかし、使用目的が蒸留塔充填材であると
同時に触媒機能を果たすことにあるから、重量当りの濡
れ面積は大きい方がよい。従って、球状やブロック状は
好ましい形状とはいえない。不活性な蒸留塔充填材とし
て用いられているサドル型、ラシヒリング、テラレット
なども基材として使用できるが、周辺にヒダを持たせた
中空円筒、コイル状、立体織りネットを円柱状に巻いた
ものなどはより好ましい形状である。又、糸をボビンに
巻いたもの、繊維トウを束ねたもの、織布や不織布をネ
ットと共に円柱状にしたもの、などのように複数の基材
の組合わせにより成型したものでもよい。
【0018】運転時の静荷重や振動に耐えるための物理
的強度も反応蒸留触媒として重要な要素であるが、その
ための形状によって後工程の放射線グラフト重合やスル
フォン化が影響を受けることはない。
【0019】本発明の従来技術に優る最も大きな点は上
記の如く、現在用いられている単独のプラスチック成型
技術、及び複数のプラスチック成型技術の組合せによっ
て得られる如何なる形状のものに対しても触媒能である
スルフォン酸基を付与できることである。
【0020】こうして得られた基材を照射する電離性放
射線としては、α,β,γ線、紫外線、電子線があり、
限定されるものではないがγ線、電子線が望ましい。照
射線量は5Mrad〜30Mrad、好ましくは10M
rad〜25Mradである。過少な照射ではグラフト
重合に必要なだけのラジカルの生成量が得られず、過剰
な照射は不経済であるばかりか、基材ポリマーを部分的
に破壊することがある。
【0021】照射により生成せしめたラジカルは−10
℃で20日保存しても照射直後の約85%、−20℃な
ら90%以上が残存するから、照射工程とグラフト重合
以降の工程を同一場所で行う必要はない。従って、分業
化、専門化、放射線取扱業務のプロセスの簡略化が可能
になる。照射を受けた基材へのグラフト重合は基材とモ
ノマーとを気相、又は液相で接触させるだけでよく、従
来用いられているイオン交換樹脂等の重合に於いて使用
される危険な過酸化物の如き重合開始剤を全く使用する
必要がなく、安全である。モノマーとの接触時間は基材
の形状により異なる。繊維を用いている場合は10〜2
0分、厚みのある基材の場合でも2時間で十分である。
気相重合か液相重合かは基材の形状、使用するモノマー
の種類、重合に用いる設備、によっていずれかを選択し
てよい。
【0022】モノマーはスルフォン酸基を有もの、例え
ばスチレンスルフォン酸、重合後に容易にスルフォン酸
基を導入できるスチレン、メタクリル酸グリシジルなど
があるが、これらに限定されるものではない。又、モノ
マーはそれぞれ単独で用いる必要はなく、反応に際して
選択性を持たせるなどの目的で架橋を必要とする場合は
ジビニルベンゼン、ジメタクリル酸エチレングリコール
等の架橋剤を併用することもできる。従来のイオン交換
樹脂は物理的強度を得るために架橋は必須であって、そ
のために反応時に反応原料の酸点への拡散、反応生成物
の触媒からの離脱が妨げられるという難点があったが、
本発明による反応蒸留触媒では物理的耐久性は基材に依
存するから、実質的に非架橋であっても強度に関する懸
念は全くなく、高い反応速度が得られる。この高反応性
も本発明による反応蒸留触媒の大きな利点である。
【0023】スルフォン酸基を持たないモノマーをグラ
フト重合した場合、重合後に公知の手段によってスルフ
ォン化を行う。例えばメタクリル酸グリシジルの場合は
亜硫酸ソーダ水溶液と反応させた後、塩酸、硫酸などで
ナトリウムを水素にイオン交換させる。
【0024】スチレンをグラフト重合する場合はクロロ
スルフォン酸、発煙硫酸、濃硫酸を用いるが、従来のイ
オン交換樹脂、イオン交換繊維と異なり濃硫酸を使用し
ても室温又はそれ以下の温度で1〜20分の反応という
穏やかな条件でスルフォン酸基を付与することができ
る。
【0025】以下に、本発明による方法の実施例を説明
する。
【0026】
【実施例】外径3.0mm、肉厚0.1mm、長さ約3
mmのポリエチレン中空円筒を押出成型で製造し、加速
電子線を20Mrad照射したのち、スチレンの30%
ベンゼン溶液中でグラフト重合した。グラフト率は10
2%であった。
【0027】このグラフト重合体を5℃の濃硫酸中で1
0分間反応させスルフォン化し、反応蒸留触媒を得た。
イオン交換容量は乾燥重量1グラム当り3ミリ当量であ
った。
【0028】反応蒸留塔は内径25mmのジャケット付
カラムを用い、下部800mm高さまで4mmφのガラ
ス製ヘリックスを充填し回収部とし、その上部800m
m高さに上記の反応蒸留触媒を充填し、反応部とした。
充填量は乾燥重量で62グラムであった。
【0029】酢酸メチル1モル、メタノール0.4モル
の割合の混合液を毎時70グラムの割合で反応部の下端
から、水を毎時70グラムの割合で反応部の上端から、
いずれも65℃に加温して供給した。その間ジャケット
には65℃の温水を循環し、スチル中の液は85℃に加
熱して全還流で運転した。
【0030】安定な混合物に達してからの加水分解率は
平均95%であった。
【0031】比較例 内径25mmのジャケット付カラムに水湿潤状態のアン
バーリスト15Wを乾燥重量62グラム相当分充填した
ところ、その容積は148mlであった。酢酸メチル1
モル、メタノール0.4モルの割合の混合液に、この混
合液と同重量の水を混合し、液とカラムの温度を50℃
に保持しながらカラムに通液した。通液速度の低下に伴
い反応率は上昇したが、通液速度が1時間当たり150
mlの時55%に達し、更に流速を低下させても反応率
は一定であった。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 【請求項1】 有機重合体を成型加工することにより、
    反応蒸留塔内での原料流体との接触面積が大きく、蒸気
    の円滑な流通を可能とするのに十分な空隙を有し、その
    空隙が触媒層に均一に分布する形状である基体を得、こ
    の得られた基体に電離性放射線を照射した後、グラフト
    重合を用いてスルフォン酸基を導入したことを特徴とす
    る反応蒸留用固体酸触媒。
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