KR102202293B1 - 알데히드의 촉매화 알돌 축합 방법 - Google Patents

알데히드의 촉매화 알돌 축합 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 특히 α,β-불포화 알데히드를 다상 반응기에서 제조하기 위한, 알데히드의 촉매화 알돌 축합 방법에 관한 것이다.

Description

알데히드의 촉매화 알돌 축합 방법 {METHOD FOR THE CATALYTIC ALDOL CONDENSATION OF ALDEHYDES}
본 발명은 특히 α,β-불포화 알데히드를 다상 반응기에서 제조하기 위한, 알데히드의 촉매화 알돌 축합 방법에 관한 것이다.
불포화 알데히드는 다수의 유기 화합물을 제조하기 위한 출발 물질이며, 다수의 응용에서 사용된다. 이것은 특히 수소화되어 포화 알콜을 생성할 수 있고, 이번에는 이것이 가소제, 세제 또는 용매의 제조를 위한 출발 물질로서 제공된다. 또한, 불포화 알데히드는 선택적인 수소화에 의해서 포화 알데히드로 전환될 수 있고, 후속 산화에 의해서 카르복실산으로 전환될 수 있다.
불포화 알데히드는 포화 알데히드를 알돌 축합시키고, 물을 제거함으로써 산업적으로 제조된다. 중요한 알돌 축합은 n-부티르알데히드를 반응시키고 물을 제거하여 2-에틸헥센알을 형성하거나 또는 n-발레르알데히드를 반응시키고 물을 제거하여 2-프로필헵텐알을 형성하는 것이다. 출발 물질에는 선형 알데히드뿐만 아니라 분지형 알데히드가 포함될 수 있으며, 그것은 그 자체와 알돌 축합되거나, 다른 분지형 알데히드와 알돌 축합되거나, 선형 알데히드와 알돌 축합될 수 있다. 마찬가지로, 상이한 수의 탄소 원자를 갖는 알데히드가 알돌 반응에서 서로와 축합될 수 있다. 알돌 축합에 의해서 수득된 알데히드 2-에틸헥센알 및 2-프로필헵텐알 (또는 그들의 이성질체 혼합물)의 두 수소화 생성물은 2-에틸헥산올 및 2-프로필헵탄올 (또는 그들의 이성질체 혼합물)이고, 특히 가소제 알콜로서 큰 규모로 사용된다.
알돌 축합용 촉매로서, 물 중에 용해된 염기, 종종 NaOH가 일반적으로 사용되고, 수성 염기는 유기 출발 물질/생성물 혼합물 이외에, 제2 액체 상을 형성한다. 반응 중에 해방된 반응수는 더 무거운 수성 상 중에 축적된다. 유기 출발 물질 및 생성물은 더 가벼운 유기 상을 형성한다. 알돌 축합의 반응 온도는 전형적으로 80 내지 180℃ 범위이다. 반응은 일반적으로 초대기압 하에 수행되며, 이것은 기체 상의 존재 하에서, 수성 상 및 유기 상의 증기압의 합에 상응하고, 전형적으로 10 bar 미만이다. 반응 동안 열이 방출되고, 공정으로부터 제거되어야 한다. 알돌 축합은 전형적으로 목적하는 생성물에 대해서 높은 선택성 (> 95%)으로 진행된다. 중요한 부반응은 고온에서 비등하는 부산물의 형성이다. 추가로 가능한 부반응은 칸니자로(Cannizzaro) 반응인데, 이것은 또한 촉매의 소모를 유발한다.
알돌 축합에서 사용되는 촉매는 본질적으로 수성 상 중에 존재하기 때문에, 반응 역시 주로 수성 상 중에서 수행된다. 따라서, 충분히 신속한 반응을 성취하기 위해서, 출발 물질 역시 수성 상 중에 쉽게 용해되어야 한다. 6개를 초과하는 탄소 원자를 갖는 알데히드의 경우에는 더 이상 그렇지 않아서, 용매 및/또는 가용화제가 없이는 더 이상 경제적으로 종종 작동하지 않는다.
알돌 축합을 위해서 사용가능한 반응 부피는 수성 상의 부피에 의해서 설정된다. 따라서, 반응기를 최대 가능한 수성 상 비율로 작동시키는 것이 바람직하다. 연속적인 반응의 경우, 반응기를 떠난 수성 상은 통상적으로 이러한 이유로 인해서 상 분리 후에 반응기로 재순환된다. 그러한 작동 모드는 예를 들어, EP 1106596 A2에 기재되어 있다. 형성된 반응수에 의한 수성 상의 희석으로 인해서, 수성 상의 일부는 공정으로부터 연속적으로 방출되어야 하고, 촉매가 대체되어야 한다.
두 액체 상 간의 충분하게 양호한 물질 전달을 보장하기 위해서, 적절하게 큰 상 계면이 또한 반응기에서 사용가능해야 한다. 이것은 전형적으로는 분산 장치에 의해서 혼합 에너지를 도입함으로써 성취된다. 그러나, 이러한 혼합 에너지는 너무 크지는 않아야 하는데, 그 이유는 그렇지 않다면 두 상의 안정한 에멀젼이 형성될 수 있고, 따라서 반응 혼합물이 반응기를 떠난 후, 그러한 에멀젼은 단순한 방법, 예를 들어 단순한 중력 분리기에 의해서 완전히 분리될 수 없기 때문이다.
지금까지 알데히드의 알돌 축합을 수행하기 위해서 다양한 유형의 반응기가 사용되어 왔다. 알돌 축합은 예를 들어, 두 액체 상이 분산되는 교반 반응기에서 수행될 수 있다. 그러한 방법은 예를 들어, DE 927626 및 WO 1993/20034에 기재되어 있다. 그러한 방법의 단점은 기계적으로 민감한 회전 부품을 사용하는 것이다. 또한, 구조적으로 복잡한 내부 열 교환기 관을 통해서 반응열을 제거하는 것이 필요하다.
US 5,434,313에는 n-부티르알데히드의 알돌 축합을 위해서 일련의 3개의 혼합 회로를 사용하는 것이 기재되어 있다. 혼합 에너지는 혼합 회로의 3개의 펌프에 의해서 제공된다. 체류 시간을 증가시키기 위해서, 용기는 제2 회로 및 제3 회로 각각에 통합되어 있다. 이러한 반응 시스템이 단점은 관의 설치를 위해서 많은 비용이 발생되며, 많은 수의 순환 펌프가 필요하다는 것이다.
또한, US 5,434,313에는 관 반응기에서 알돌 축합을 수행하는 것이 기재되어 있다. 두 액체 상의 보다 양호한 분산을 성취하기 위해서, 정적 혼합 부재 또는 패킹(packing)이 제공된다. 열의 제거는 관 벽을 통해서 진행된다. 이러한 개념의 단점은 긴 관 길이가 필요하고, 열이 제거되는 방식이 복잡하다는 것이다.
EP 1106596 A2에는 마찬가지로 혼합 부재가 장치된 관 반응기를 사용하는 것이 제안되어 있다. 관 반응기로부터의 방출물은 두 액체 상의 분리를 위해서 상 분리기로 공급된다. 수성 상 부분은 그 중에 용해된 촉매와 함께 반응기로 재순환되고, 나머지는 공정으로부터 방출된다. 이러한 작동 모드의 결과, 과량의 수성 상이 반응기에 존재하고, 유기 상은 수성 상 중의 분산액으로서 존재한다. 반응열은 외부 열 교환기에 의해서 재순환된 수성 상으로부터 제거된다. 유기 상의 충분한 분산을 성취하기 위해서, 사용된 관 반응기에서 높은 유동 속도가 필요하고, 이것은 비교적 큰 압력 강하로 이어진다. 이러한 반응기 개념의 이점은 유기 출발 물질의 역혼합-부재(backmixing-free) 반응이다. 그러나, 이것은 긴 관 길이가 필요하고, 관련하여 다수의 혼합 부재가 필요한 등의 다수의 단점과 연관된다. 또한, 유기 상을 분산시키기 위해서 높은 에너지 투입량이 필요하고, 이것은 더 큰 펌프를 사용할 것을 요구하기 때문에 더 높은 전력 소모가 요구된다. 제시된 패킹 부재, 예를 들어 술저(Sulzer)로부터의 SMV2 및 VFF에 대한 전형적인 압력 강하는 150 mbar/m이다. EP 1106596 A2에 기재된 방법의 경우 그로부터 액체 부피 m3 당 50 내지 80 kW의 전형적인 전력 투입량이 계산될 수 있다.
본 발명의 목적은 2-상 액체 반응 혼합물 중에서의 개선된 촉매화 알돌 축합 방법을 제공하는 것이다. 이것은 높은 선택성으로 불포화 알돌 축합 생성물 (불포화 알데히드)을 형성하기 위한 알데히드의 알돌 축합에 적합해야 한다. 특히, 본 발명의 목적은
- 작은 반응기 구조를 갖고,
- 수성 상이 외부 분리기로부터 반응기로 재순환되지 않는 단순한 방식으로, 다량의 수성 상이 반응기에서 설정될 수 있고,
- 열의 제거가 단순한 방식으로 수행되고,
- 매우 낮은 에너지 투입량을 사용하여 유기 상의 만족스러운 분산이 성취될 수 있는, 촉매화 알돌 축합 방법을 제공하는 것이다.
놀랍게도, 언급된 목적은 두 액체 상의 반응 및 합체가 하나의 장치에서 조합되는 경우 효과적으로 성취될 수 있다는 것을 발견하였다. 이러한 목적을 위해서, 장치의 상부 부분의, 유동이 상향 방향으로 천천히 일어나는 비혼합 유리 구역(disengagement zone)에 의해서 더 무거운 수성 상의 침강이 가능해진다. 그 결과, 그러한 수성 상은 그 아래의 혼합되는 반응 구역에서 축적된다.
발명의 개요
본 발명은 반응 구역 및 반응 구역의 바로 위에 위치한 유리 구역을 갖는 반응기에서 적어도 1종의 알데히드를 2-상 액체 반응 혼합물 중에서 촉매화 알돌 축합시키는 방법을 제공하며, 연속적인 촉매-포함 수성 상 중에 분산된 알데히드-포함 상이 생성되고, 2-상 반응 혼합물의 스트림이 반응 구역으로부터 유리 구역으로 상승되고, 합체되고, 유리 구역의 상부 영역에서 연속적인 유기 상이 형성된다.
본 발명은 반응 구역 및 반응 구역의 바로 위에 위치한 유리 구역을 갖는 반응기를 포함하는 장치의 2-상 액체 반응 혼합물의 반응을 위한 용도를 추가로 제공하며, 여기서 반응 구역은 연속적인 수성 상 중에 분산된 유기 상을 생성하기 위한 장비를 갖고, 유리 구역은 2-상 반응 혼합물의 합체 및 유리 구역의 상부 영역에서의 연속적인 유기 상의 형성을 허용한다.
본 발명의 목적을 위해서, 용어 "수성 상"은 주성분으로서 물을 포함하는 상을 지칭한다. 반응 혼합물 중에 포함된 유기 화합물이 물과 약간 혼화성이면, 따라서 수성 상은 용해된 유기 화합물의 일부를 포함할 수 있다. 상응하게, 용어 "유기 상"은 본 발명의 목적을 위해서 유기 화합물, 예를 들어 알돌 축합을 위해서 사용되는 알데히드 및 알돌 축합의 생성물을 주성분으로서 포함하는 상을 지칭한다.
본 발명의 방법은 반응 구역 및 유리 구역이 단일 반응 용기에 위치되는 것이 가능하다.
본 발명의 방법은 바람직하게는 연속적으로 수행된다.
촉매-포함 수성 상은 주로 물을 포함한다. 바람직한 경우, 수성 상은 추가로 적어도 하나의 수-혼화성 유기 용매를 포함할 수 있다. 사용될 수 있는 유기 용매는 예를 들어, 프로판디올, 글리세롤, 디에틸렌 글리콜 및 디메틸포름아미드이다.
수성 상 중에서 물 및 유기 용매의 비율은 바람직하게는 수성 상의 총 중량을 기준으로 바람직하게는 적어도 60 중량%, 특히 바람직하게는 적어도 80 중량%이다.
바람직한 실시양태에서, 수성 상은 임의의 첨가된 유기 용매를 포함하지 않는다. 본 발명의 목적을 위해서, 수성 상 중에 용해된 알데히드 출발 물질, 알돌 축합의 생성물 및 전형적인 반응 불순물의 양은 첨가된 유기 용매로서 간주되지 않는다. 이때, 수성 상 중의 물의 비율은 수성 상의 총 중량을 기준으로 바람직하게는 적어도 60 중량%, 특히 바람직하게는 적어도 80 중량%이다.
수성 상은 임의로는 상 이동제(phase transfer agent), 표면활성제, 또는 친양쪽성 시약 또는 계면활성제를 포함할 수 있다.
본 발명의 방법을 위해서 바람직한 촉매는 수용성 염기성 화합물, 예컨대 알칼리 금속 또는 알칼리토금속 화합물 형태의 수산화물, 탄산수소염, 탄산염, 카르복실산염 또는 그들의 혼합물이다. 알칼리 금속 수산화물, 예컨대 수산화나트륨을 사용하는 것이 바람직하다.
반응 구역에서 연속적인 수성 상 중의 촉매의 농도는 바람직하게는 0.1 내지 15 중량%, 특히 바람직하게는 0.2 내지 5 중량%, 특별하게는 1 내지 3 중량% 범위이다.
본 발명의 방법은 축합 반응할 수 있는 알데히드 또는 알데히드 혼합물의 반응에 적합하다. 단지 1종의 알데히드가 사용되는 경우, 이것은 CO 기 옆의 동일한 탄소 상에 2개의 α-수소 원자를 가져야 한다. 2종 이상의 상이한 알데히드가 사용되는 경우, 알데히드 중 적어도 하나는 동일한 탄소 원자 상에 2개의 α-수소 원자를 가져야 한다.
본 발명의 목적에 적합한 알데히드는 1 내지 15개의 탄소 원자, 바람직하게는 3 내지 15개의 탄소 원자, 특히 바람직하게는 4 내지 6개의 탄소 원자를 갖는 알데히드이다.
2개의 α-수소 원자를 갖는 적합한 알데히드는 예를 들어, 아세트알데히드, 프로판알, n-부티르알데히드, n-발레르알데히드, 3-메틸부티르알데히드, n-헥산알, 3-메틸펜탄알, 4-메틸펜탄알, n-헵탄알, n-옥탄알, n-노난알 및 n-데칸알이다. 이러한 알데히드는 또한 단일축합(homocondensation)에 적합하다.
하나의 α-수소 원자를 갖는 적합한 알데히드는 예를 들어, 이소부티르알데히드, 2-메틸부티르알데히드, 2-메틸펜탄알, 2-에틸헥산알, 시클로헥실알데히드이다.
본 발명의 목적에 바람직한 출발 물질은 n-부티르알데히드, n-발레르알데히드, n-부티르알데히드와 이소부티르알데히드의 혼합물, n-발레르알데히드와 2-메틸부티르알데히드 및/또는 3-메틸부티르알데히드의 혼합물이다. C4- 및 C5-알데히드의 혼합물을 사용하는 것이 마찬가지로 가능하다. 이러한 알데히드는 예를 들어, 올레핀의 히드로포르밀화에 의해서 제조될 수 있다.
1종을 초과하는 알데히드 또는 알데히드 혼합물이 사용되는 경우, 개별 성분은 촉매 용액의 스트림에 별도로 공급될 수 있다. 모든 출발 물질을 공급하기 전에, 그들을 혼합하고, 그들을 함께 공급하는 것이 마찬가지로 가능하다. 또한, 알데히드는 용액으로서 사용될 수 있다. 사용될 수 있는 용매는 촉매 용액 중에 약간 용해성인 불활성 액체, 예를 들어 탄화수소, 예컨대 펜탄, 헥산, 리그로인, 시클로헥산 또는 톨루엔이다.
반응 구역
본 발명에 따라서, 수성 상은 반응 구역에서 2-상 반응 혼합물의 연속적인 상을 형성한다. 반응 구역에서 수성 상의 부피비는 반응 구역에서 2-상 반응 혼합물의 총 부피를 기준으로 바람직하게는 적어도 70%, 특히 바람직하게는 적어도 80%이다.
따라서, 본 발명의 방법에서, 반응 구역에서 수성 상의 비율은 일반적으로 유리 구역을 갖지 않는 동일한 반응 전환율의 선행 기술의 혼합 반응기에서보다 실질적으로 크다. 후자에서는, 수성 스트림이 외부에서 도입되지 않고 연속적인 유기 상이 반응 구역에서 설정될 것이고, 그러한 연속적인 유기 상은 반응의 전환율 및 선택성에 부정적인 결과를 가질 것이다.
반응 구역에서 수성 상의 부피비는 특히 유리 구역의 적절한 설계 (예를 들어, 임의의 내부 부재 및/또는 패킹의 부피, 유형 및 정도)에 의해서 설정될 수 있어서 수성 상은 반응 구역에서 연속적인 상을 나타낸다.
반응 구역은 바람직하게는 역혼합된다. 특히, 수성 상에 대해서 그리고 유기 상에 대해서 유체 역학적으로 역혼합되는 반응 구역이 사용된다 (즉, 반응 구역의 모든 지점에서 수성 상의 농도 및 유기 상의 농도는 거의 동일하다). 혼합은 반응 구역을 거시적으로 혼합하고, 유기 상을 연속적인 수성 상 중의 작은 소적으로서 분산시킨다. 반응 구역에서의 역혼합이 방법의 선택성에 이로운 효과를 갖는다는 것을 발견하였다. 역혼합의 결과, 출발 물질의 정상 상태 농도가 낮아져서, 고온 비등 축합 생성물이 더 적게 형성된다. 마찬가지로, 순환된 역혼합된 시스템으로부터의 반응열의 제거가 더 간단해 지는데, 그 이유는 예를 들어, 외부 열 교환기를 사용하는 것이 가능하기 때문이다.
본 발명의 방법의 구체적인 실시양태에서, 반응 구역에 공급되는 적어도 하나의 스트림 및/또는 외부 회로 (순환 스트림)에서 운반되는 반응 구역으로부터의 적어도 하나의 스트림이 역혼합을 위해 사용된다.
적합한 혼합 장비는 예를 들어, 동적 혼합기 (즉, 혼합 부재가 이동식 부품을 포함하는 혼합기) 및 정적 혼합기 (즉, 특히 인-라인 원칙(in-line principle)에 따라서 작동하는, 내부에 이동식 부품이 없는 혼합기)이다. 혼합 노즐, 교반기, 혼합 펌프, 정적 혼합 부재, 램덤 패킹 부재 층 등으로부터 선택된 적어도 하나의 혼합 장비를 사용하는 것이 바람직하다. 적합한 유형의 교반기에는 예를 들어, 프로펠러 교반기, 임펠러 교반기, 디스크 교반기, 블레이드 교반기, 앵커 교반기, 인클라인드 블레이드(inclined blade) 교반기, 크로스트-빔(crossed-beam) 교반기, 나선형 교반기, 교반 스크류 등이 포함된다.
반응 구역에서 연속적인 촉매-포함 수성 상 중에 분산된 알데히드-포함 상을 생성하기 위해서 적어도 하나의 혼합 노즐을 사용하는 것이 바람직하다. 여기에서, 노즐의 혼합 전력에 의해서 단지 낮은 전력 투입이 바람직하게 수행된다. 반응기에 도입되는 총 혼합 전력은 바람직하게는 액체 부피 m3 당 0.5 kW 이하, 특히 바람직하게는 액체 부피 m3 당 0.3 kW 이하이다. 이것은 상기에 기재된 바와 같이, 혼합 전력이 50 내지 80 kW/m3이고, 102배 정도 더 큰 것인 EP 1 106 596에 기재된 방법과 실질적으로 상이하다.
반응 구역은 바람직하게는 루프 반응기 또는 교반 용기로서 구성된다. 적합한 루프 반응기는 예를 들어, 자유 제트 반응기, 제트 루프 반응기, 제트 노즐 반응기 등이다.
바람직한 실시양태에서, 반응 구역은 자유 제트 반응기로서 구성된다. 자유 제트 반응기 및 그의 설계는 예를 들어 문헌 [K. H. Tebel, H.-O. May, Chem.-Ing.-Tech. 60 (1988), No. 11, pp. 912-913] 및 그 문헌에 인용된 참고 문헌에 기재되어 있으며, 그들은 본 발명에 참고로 포함된다.
알데히드는 바람직하게는 혼합 장비의 높은 국지적 혼합 에너지 영역 내의 반응 구역, 예를 들어 교반기의 교반기 블레이드에 근접하게 또는 혼합 노즐의 노즐 선단(tip)에 도입된다. 이것이 수성 반응 구역에서 알데히드의 양호한 분산 및 혼합을 보장한다.
알데히드의 도입 및 혼합은, 그것이 2-유체 노즐을 통해서 도입되는 경우 특히 이롭게 진행된다. 적합한 2-유체 노즐의 개략도는 문헌 [Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5th Edition, Volume B 4, page 280, Figure 6, A]에서 찾아볼 수 있으며, 그 문헌에서는 "2-상 제트 노즐"로서 지칭된다. 관련 문헌에는 기체 상 및 액체 상으로 구성된 2-상 스트림이 기재되어 있다. 그러나, 도시된 노즐은 본 발명의 방법에서 액체/액체 2-상 스트림을 위해서 사용될 수 있다. 따라서, 바람직하게는, 도면에서 "액체"로 표시된 곳에 수성 상이 도입되고, 도면에서 "기체"로 표시된 고리형 공간에 유기 상이 공급된다.
대안으로서, 알데히드를 외부 회로 (순환 스트림)에서 운반되는 반응 구역으로부터의 스트림에 공급하는 것이 가능하다.
알데히드 이외에, 촉매가 또한 반응 구역에 공급되어야 한다. 촉매는 바람직하게는 외부 회로 (순환 스트림)에서 운반되는 반응 구역으로부터의 스트림에 도입된다. 따라서, 촉매의 도입은 바람직하게는 순환 스트림에 포함된 이송 장비의 흡입부 (업스트림) 상에서 수행된다. 촉매가 예를 들어, 순환 펌프의 흡입부 상에서 첨가되는 경우, 펌프에서 양호한 혼합이 이롭게 수행된다. 촉매는 일반적으로 농축된 수용액의 형태로 도입된다.
본 발명의 방법의 바람직한 실시양태에서, 반응 구역은 자유 제트 반응기로서 구성된다. 여기서, 반응 혼합물의 일부가 반응 구역으로부터 배출되어, 반응 구역의 상부 영역의 노즐을 통해서 복귀된다. 반응 구역의 하부 영역에서, 특히 바닥 단부에서 반응 혼합물의 일부를 배출시키는 것이 바람직하다. 이것은 반응 구역에서의 순환 흐름을 발생시킨다. 2-유체 혼합 노즐이 노즐로서 바람직하게 사용된다. 반응 구역으로의 순환 스트림의 도입 및 알데히드의 도입은 바람직하게는 2-유체 혼합 노즐을 통해서 수행된다. 노즐은 바람직하게는 반응 구역에서 축 방향으로 하향하는 방향이다. 바람직한 실시양태에서, 충돌판(impingement plate)이 반응 구역의 하단부에 존재한다.
유용한 실시양태에서, 알돌 축합에서 방출된 반응열은 통합된 열 교환기에 의해서 반응 구역에서 직접 제거될 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 회로에 통합된 외부 열 교환기가 열 제거를 위해서 사용된다.
이러한 경우 열의 제거는 반응기로부터 반응기에 이어진 회로에 통합된 외부 열 교환기를 통해서 경제적으로 수행될 수 있다. 순환된 스트림은 바람직하게는 동시에 노즐의 구동 제트를 제공하여, 장치의 혼합을 보장한다. 외부 회로의 순환 펌프는 반응 구역의 하부 영역으로부터의 수성 상을 우세하게 펌핑하고, 그 결과 단순한 침강에 의해서 더 이상 응고될 수 없는 안정한 에멀젼 형성의 위험이 최소화된다.
유리 구역
유리 구역에서, 상 반전이 진행되며, 즉, 반응 구역에서 연속적인 수성 상 및 분산 유기 상으로 구성된 에멀젼이 반전되어 유리 구역에서 연속적인 유기 상 및 분산 수성 상으로 구성된 에멀젼을 형성한다.
유리 구역의 단면적은 상 분리가 진행될 수 있고, 수성 상이 향류로 존재할 수 있기에 충분히 커야 한다. 따라서, 유리 구역이 위치한 장치의 부분의 직경은 반응 구역이 위치한 장치의 부분의 직경과 상이할 수 있다.
유리 구역에서 두 액체 상의 상향 공탑 속도는 바람직하게는 10 mm/s 미만이어야 한다. 그것은 특히 바람직하게는 5 mm/s 미만이어야 한다. 보고된 속도는 내부 부재 및/또는 패킹을 사용한 경우에도 빈 관을 기준으로 계산된다.
바람직한 실시양태에서, 유리 구역은 내부 부재 및/또는 패킹을 포함한다. 패킹은 (정렬된) 패킹의 형태 또는 랜덤 패킹 부재 층으로서 사용될 수 있다. 그것은 유리 구역에서 두 상의 더 양호한 합체가 성취되게 한다.
내부 부재의 예는 필터 플레이트, 배플(baffle), 컬럼 트레이, 천공판 또는 혼합 장비로서도 사용되는 다른 장비이다. 추가로 적합한 내부 부재는 다관형 반응기를 형성하기 위한 복수의 좁은 평행 튜브이다. 구조화된 혼합기 패킹 또는 데미스터(demister) 패킹이 특히 바람직하다. 적합한 패킹 부재는 예를 들어 라시히 링(Raschig ring), 새들(saddle), 폴 링(Pall ring), 텔러렛(Tellerette), 와이어 메시 링 또는 제직 와이어 메시이다. 강철이 패킹 및 패킹 부재를 위한 바람직한 재료인 것을 발견하였는데, 그 이유는 그것의 표면 특성으로 인해서 합체를 특히 양호하게 촉진시키기 때문이다.
방출은 바람직하게는 유리 구역의 상부 영역에서 연속적인 유기 상으로부터 수행된다.
유용한 실시양태에서, 유리 구역으로부터의 방출물은 알돌 축합 생성물이 풍부한 분획을 단리하기 위해서 후처리에 적용될 수 있다.
유리 구역으로부터의 방출물은 바람직하게는 적어도 하나의 추가의 반응기에서 반응에 적용된다. 이것은 알돌 축합 생성물(들)로의 전환을 추가로 증가시킨다. 특히, 추가의 반응은 단지 하나의 추가의 반응기에서 수행된다.
추가의 반응은 바람직하게는 플러그 유동 특징을 갖는 적어도 하나의 반응기, 즉 유동 방향에서의 역혼합이 매우 적은 반응기를 사용하여 수행된다. 바람직한 변형에서, 이러한 반응기는 관형이다. 역혼합을 방지하고, 반응에 비교적 큰 표면적을 제공하기 위해서, 반응기는 바람직하게는 내부 부재, 즉, 정렬된 패킹, 예를 들어 시트 금속 또는 제직 패킹, 및/또는 비정렬된 패킹 부재 층을 포함한다. 패킹 및 패킹 부재는 바람직하게는 강철로 구성된다. 플러그 유동 특징을 갖는 반응기는 별개의 장치로서 구성될 수 있다. 구체적인 실시양태에서, 플러그 유동 특징을 갖는 반응기는 역혼합 방식으로 작동되는 제1 반응기 바로 위에 배열된다.
추가의 반응을 위해 사용되는 반응기는 바람직하게는 단열적으로 작동된다. 바람직한 실시양태에서, 추가의 반응을 위해 사용되는 반응기는 정렬된 패킹, 예를 들어 시트 금속 또는 메시 패킹, 및/또는 비정렬된 패킹 부재 층을 포함한다. 패킹 및 패킹 부재는 바람직하게는 강철로 구성된다.
본 발명의 목적을 위해서, 용어 "단열"은 물리화학적 의미라기보다는 공학적 의미로서 사용된다. 단열 반응 조건은 반응에서 방출된 열이 반응기 내의 반응 혼합물에 의해서 수용되고, 냉각 장비에 의한 냉각이 수행되지 않는 작동 모드를 지칭한다. 따라서, 반응열은 반응기로부터 반응 혼합물로 방출되고, 잔류하는 비율을 제외하고는, 그것은 자연적인 열 전도 및 열 방사에 의해서 반응기로부터 주변으로 발산된다.
본 발명의 방법에 의해서 반응 방출물에서 높은 최종 전환율이 성취될 수 있다. 반응 방출물은 유리 구역으로부터의 방출물이거나 또는 존재한다면 알돌 축합을 위해서 사용되는 유동 방향에서의 마지막 반응기로부터의 방출물이다. 본 발명의 방법에 의해서 수득된 전환율은 알돌 축합을 위해서 사용되는 선형 알데히드의 총 중량을 기준으로 바람직하게는 적어도 95 중량%, 바람직하게는 적어도 97 중량%이다.
생성물 혼합물이 유리 구역 또는 후반 반응기로부터 방출된 후, 이것은 냉각, 예를 들어 다운스트림 열 교환기에 적용될 수 있다.
액체 반응 방출물은 바람직하게는 액체-액체 분리 용기에서 촉매 상 및 생성물 상으로 분리된다. 이것은 다양한 구조 유형의 침강 용기 또는 원심 분리기에 의해서 수행될 수 있다.
알돌 축합에서 형성된 반응수는 촉매 용액을 희석하기 때문에, 방법으로부터 연속적으로 제거되야 한다. 본 발명의 방법에서, 물의 제거는 바람직하게는 유리 구역으로부터의 액체 방출 또는 존재한다면 (유동 방향에서의 마지막) 후반 반응기로부터의 액체 방출과 배타적으로 수행된다. 액체-액체 분리 후 수득된 촉매 수성 상은 방법으로부터 폐수로서 방출될 수 있다. 대안적인 실시양태에서, 분리된 촉매 수성 상은 임의로는 소량 방출되고, 새로운 촉매 용액에 의해서 상응하게 대체된 후에 알돌 축합에 또한 재순환될 수 있다.
촉매 상이 분리된 후 수득된 생성물은 공지된 방법, 예를 들어 증류에 의해서 정제될 수 있다.
본 발명의 방법에 의해서 제조된 알돌 축합 생성물은 이롭게는 수소화에 의해서 포화 알콜을 제조하는 데 사용될 수 있다. 이러한 방식으로 수득된 포화 알콜은 예를 들어, 가소제, 세제 또는 용매를 제조하는 데 사용된다. 불포화 C8- 및 C10-알데히드가 가소제 알콜을 위한 전구체로서 특히 유용하다. 또한, 알돌 축합 생성물은 선택적인 수소화에 의해서 포화 알데히드로 전환될 수 있고, 그것은 후속 산화에 의해서 카르복실산으로 전환될 수 있으며, 즉 카르복실산의 제조를 위해서 사용될 수 있다. 또한, 불포화 알데히드는 그의 반응성으로 인해서 다수의 합성에서 사용된다. 포화 알데히드 및 불포화 알데히드의 추가 사용 분야는 향제로서의 용도이다.
도면의 설명
본 발명을 도 1 및 2를 참고로 하기에 설명한다.
참조 부호의 목록
(1) 알데히드용 공급 라인
(2) 2-유체 노즐
(3) 역혼합되는 반응 구역
(4) 순환 스트림
(5) 순환 펌프
(6) 외부 열 교환기
(7) 촉매 용액용 공급 라인
(8) 충돌판
(9) 유리 구역
(10) 반응기 방출물
(11) 후반 반응기
본 발명의 가능한 일 실시양태가 예시의 목적으로 도 1에 도시되어 있다. 알데히드 공급물(1)이 2-유체 노즐(2)을 통해서 반응기의 역혼합되는 반응 구역(3)으로 안내된다. 반응 구역의 혼합 및 유기 상의 분산은 노즐의 구동 제트의 도입된 운동량(momentum)에 의해서 수행된다. 반응기의 하부 영역에서 배출되고, 순환 펌프(5)에 의해서 미리 압축되고, 외부 열 교환기(6)를 통해서 운반되어 반응열이 제거된 순환 스트림(4)이 구동 제트로서 기능한다. 농축된 촉매 용액(7)이 순환 스트림에 도입된다. 유기 소적의 침전을 돕기 위해서 반응기의 바닥에 충돌판(8)이 제공될 수 있다. 반응 구역은 용해된 촉매가 존재하는 수성 상으로 주로 충전된다. 반응 출발 물질 및 반응 생성물을 포함하는 유기 소적이 그 내부에 분산된다. 유기 소적의 합체 및 수성 상의 침강은 유리 구역(9)에서 일어난다. 이것은 합체를 촉진시키는 정렬된 패킹 또는 랜덤 패킹 부재로 충전될 수 있다. 또한, 나머지 전환이 여기에서 수행되며, 즉, 유리 구역은 또한 후반 반응기로서 기능한다. 특히, 보다 느리게 반응하는 분지형 알데히드 이성질체가 여기에서 반응될 수 있다. 유리 구역 내에서 또는 반응기의 출구에서, 상 반전이 진행되며, 즉 수성 소적이 분산된 연속적인 유기 상이 형성된다. 반응기 산출물(10)이 반응기의 상부에서 배출된다. 그것은 유기 상을 주로 포함한다. 수성 상은 용해된 촉매 및 또한 반응수 그리고 촉매 스트림을 통해서 도입된 물을 포함한다.
본 발명의 가능한 추가 실시양태가 도 2에 도시되어 있다. 거기에는, 더 높은 전환율을 성취하기 위해서 후반 반응기(11)가 유리 구역으로부터의 생성물 출구의 다운스트림에 설치되어 있다. 후반 반응기는 축 방향 역혼합을 최소화하기 위해서 정렬된 패킹 또는 랜덤 패킹 부재가 제공된 주 반응기의 유리 구역 (도 1의 (9))과 유사할 수 있고, 이것은 더 높은 반응 전환율로 이어지고, 두 상의 합체를 촉진시킨다.
실시예 1:
도 2와 유사한 장치를 사용하였다. 제1 반응기는 높이가 5.6 m이고, 하부 부분의 직경이 0.8 m였다. 이러한 하부 부분은 높이가 2.0 m이고, 직경이 1.1 m인 제2 부분과 겹쳐져 있었다. 하부 부분을 노즐에 의해서 혼합하였다. 상부 부분에, 1 m3의 패킹 부재 (V2A 강철 (1.4541)로 구성되고, 직경이 35 mm인 폴 링)를 설치하였다. 제2 반응기는 높이가 16.3 m이고, 직경이 0.5 m였으며, 3.0 m3의 패킹 부재 (V2A 강철 (1.4541)로 구성되고, 직경이 35 mm인 폴 링)로 충전되어 있었다. 플랜트에 알데히드 혼합물 (n-발레르알데히드 88.8%; 2-메틸부탄알 9.8%; 3-메틸부탄알 0.2%, 나머지는 용해된 부탄 및 부텐)을 8.4 t/h로 연속적으로 공급하였다. 20 t/h를 펌핑되는 회로를 통해서 운반하였다. 2-유체 노즐은 내경이 26.7 mm였고, 0.45 bar의 압력 강하를 생성하였다. 구체적인 전력 투입량은 0.09 kW/m3이다. 제1 반응기 내의 패킹에서 3.2 mm/s의 공탑 속도가 수득된다. 20% 수산화나트륨 용액을 첨가하여 수성 상 중의 수산화나트륨 농도를 2.5 중량%에서 유지시켰다. 두 반응기에서 Pe = 6 bar의 압력 및 145℃의 온도를 설정하였다.
방출물의 조성을 GC 분석에 의해서 측정하였다.
Figure 112015061491607-pct00001
개별 성분의 전환율을 측정하였다.
Figure 112015061491607-pct00002
실시예 2:
도 1과 유사한 장치를 사용하였다. 반응기는 직경이 1.5 m였고, 높이가 14 m였다. 하부 부분을 노즐에 의해서 혼합하였다. 상부 부분에는, 스테인레스강 (304 L)으로 구성된 구조화 패킹 8 m가 설치되어 있다. 플랜트에 알데히드 혼합물 (n-부티르알데히드 99.85%; 이소부티르알데히드 0.07%, 나머지는 용해된 프로판 및 프로텐)을 25 t/h로 연속적으로 공급하였다. 135 t/h를 펌핑되는 회로를 통해서 운반하였다. 2-유체 노즐은 내경이 50 mm였고, 2.2 bar의 압력 강하를 생성하였다. 구체적인 전력 투입량은 0.75 kW/m3이다. 반응기 내의 패킹에서 6 mm/s의 공탑 속도가 수득된다. 25% 수산화나트륨 용액을 첨가하여 수성 상 중의 수산화나트륨 농도를 4.0 중량%에서 유지시켰다. 반응기에서 Pe = 2.75 bar의 압력 및 90℃의 온도를 설정하였다.
방출물의 조성을 GC 분석에 의해서 측정하였다.
Figure 112015061491607-pct00003
개별 성분의 전환율을 측정하였고, 하기와 같았다.
Figure 112015061491607-pct00004

Claims (19)

  1. 반응 구역 및 반응 구역의 바로 위에 위치한 유리 구역(disengagement zone)을 갖는 반응기에서 적어도 1종의 알데히드를 2-상 액체 반응 혼합물 중에서 촉매화 알돌 축합시키는 방법이며, 반응 구역은 역혼합되고, 반응 구역에서 연속적인 촉매-포함 수성 상 중에 분산된 알데히드-포함 상이 생성되고, 2-상 반응 혼합물의 스트림이 반응 구역으로부터 유리 구역으로 상승되고, 2-상 반응 혼합물이 유리 구역에서 합체되고, 유리 구역의 상부 영역에서 연속적인 유기 상이 형성되는 것인 방법.
  2. 제1항에 있어서, 반응 구역 및 유리 구역이 단일 반응 용기에 위치하는 것인 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 반응 구역에서의 수성 상의 부피비가 반응 구역에서의 2-상 반응 혼합물의 총 부피를 기준으로 적어도 70%, 또는 적어도 80%인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 반응 구역에 공급되는 적어도 하나의 스트림 및/또는 외부 회로 (순환 스트림)에서 이송되는 반응 구역으로부터의 적어도 하나의 스트림이 역혼합을 위해 사용되는 것인 방법.
  5. 제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 반응 구역이 루프 반응기 또는 교반 용기로서 구성된 것인 방법.
  6. 제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 반응 구역이 자유 제트 반응기로서 구성된 것인 방법.
  7. 제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 알데히드가 반응 구역의 상부 영역에 도입되는 것인 방법.
  8. 제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 혼합 노즐이 사용되어 반응 구역에서 연속적인 촉매-포함 수성 상 중에 분산된 알데히드-포함 상을 생성하는 것인 방법.
  9. 제8항에 있어서, 반응기에 도입되는 총 혼합 출력이 액체 부피 m3 당 0.5 kW 이하, 또는 액체 부피 m3 당 0.3 kW 이하인 방법.
  10. 제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 알데히드가 2-유체 노즐을 통해 도입되는 것인 방법.
  11. 제10항에 있어서, 알데히드 및 외부 회로 (순환 스트림)에서 이송되는 반응 구역으로부터의 스트림이 2-유체 노즐에 도입되는 것인 방법.
  12. 제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 유리 구역 및 반응 구역이 관형이고, 유리 구역이 반응 구역보다 더 큰 직경을 갖는 것인 방법.
  13. 제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 유리 구역이 그 내부에 배열된 내부 부재 및/또는 패킹 부재를 포함하는 것인 방법.
  14. 제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 방출물이 유리 구역의 상부 영역에서 연속적인 유기 상으로부터 배출되는 것인 방법.
  15. 제14항에 있어서, 유리 구역으로부터의 방출물이 적어도 하나의 반응기에서 추가의 반응에 적용되는 것인 방법.
  16. 제15항에 있어서, 적어도 하나의 단열적으로 작동되는 반응기가 추가의 반응을 위해 사용되는 것인 방법.
  17. 제16항에 있어서, 추가의 반응을 위해 사용되는 반응기가 내부 부재 및/또는 패킹 부재를 포함하는 것인 방법.
  18. 삭제
  19. 삭제
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