KR102639233B1 - 불균일 촉매를 사용하여 산화적 에스터화에 의해 메틸 메타크릴레이트를 제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

메타크롤레인 및 메탄올로부터 메틸 메타크릴레이트를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은 반응기에서 메타크롤레인, 메탄올 및 산소를 포함하는 혼합물을 지지체 및 귀금속을 포함하는 불균일 촉매의 촉매 층과 접촉시키는 단계를 포함하며, 여기서, 염기는 10분 이하에서 95% 균질성에 도달하는 시간을 유지하면서 반응기에 첨가되는 방법.

Description

불균일 촉매를 사용하여 산화적 에스터화에 의해 메틸 메타크릴레이트를 제조하는 방법
본 발명은 불균일 촉매를 사용하여 메타크롤레인 및 메탄올로부터 메틸 메타크릴레이트를 제조하는 방법에 관한 것이다.
메틸 메타크릴레이트는 반응 혼합물의 pH 감소가 유해한 것으로 알려진 산화적 에스터화 반응에 의해 생성되어왔다. 선행기술에 따르면 pH를 높이기 위해 반응기에 염기를 첨가하면 촉매 수명이 증가하고 선택성이 감소될 수 있다는 것이 보고되었다. 이러한 문제점에 대한 해결책은 염기를 별도의 용기에서 반응 혼합물의 또는 반응물의 일부로 혼합하는 것이었으며, 예컨대 미국 특허 공개 제2016/0251301호를 참조한다. 그러나, 개선된 선택성을 제공할 수 있는 효율적인 공정이 필요하다.
본 발명은 메타크롤레인 및 메탄올로부터 메틸 메타크릴레이트를 제조하는 방법에 관한 것으로서; 상기 방법은 반응기에서 메타크롤레인, 메탄올 및 산소를 포함하는 혼합물을 지지체 및 귀금속을 포함하는 불균일 촉매의 촉매 층과 접촉시키는 단계를 포함하며, 여기서, 염기는 10분 이하에서 95% 균질성에 도달하는 시간을 유지하면서 반응기에 첨가된다.
달리 명시되지 않는 한, 모든 백분율 조성은 중량 백분율(중량%)이고, 모든 온도는 ℃이다. 귀금속은 금, 백금, 이리듐, 오스뮴, 은, 팔라듐, 로듐, 및 루테늄 중 임의의 하나이다. 하나 이상의 귀금속이 촉매에 존재할 수 있으며, 이 경우 한계는 모든 귀금속 총계에 적용된다. "촉매 중심"은 촉매 입자의 중심, 즉, 모든 좌표 방향에서 모든 지점의 평균 위치이다. 직경은 촉매 중심을 통과하는 임의의 선형 수치이고 평균 직경은 가능한 모든 직경의 산술 평균이다. 종횡비는 가장 긴 직경 대 가장 짧은 직경의 비율이다.
바람직한 염기는 알칼리 금속 수산화물 및 C1-C4 알콕시드, 바람직하게는 소듐 및 포타슘 수산화물 및 소듐 또는 포타슘 메톡시드 또는 에톡시드, 바람직하게는 소듐 수산화물 또는 소듐 메톡시드를 포함한다. 바람직하게는, 염기는 용액으로서, 바람직하게는 메탄올, 에탄올 또는 물; 바람직하게는 메탄올 또는 물로 첨가된다. 바람직하게는, 알콕시드는 메탄올 또는 에탄올로 첨가된다.
95% 균질성에 도달하는 시간은 난류에서 교반 반응기에 대한 다음의 수학식에 의해 계산된다:
여기서, T는 내부 반응기 직경이고, H는 액체 높이이고, D는 임펠러 직경이고, Np는 임펠러의 특성 전력 수이고 N은 RPM인 임펠러 속도이다.
혼합 시간은 몇 가지 기술을 통해 측정될 수 있다. 투명한 액체 및 용기의 경우, 혼합 시간은 염료 주입 또는 탈색 기술을 사용하여 추정될 수 있으며, 95% 혼합 시간은 자동화된 영상 처리 알고리즘을 사용하여 계산된다. 불투명한 액체 또는 용기의 경우, 각각 전도성, 열, 또는 pH 프로브를 이용하는 다른 기술이 각각 전도성 용액, 열, 또는 산/염기의 주입과 함께 조합되어 이용될 수 있다. 기술의 상세한 논의가 Brown et al, 2004, D.A.R. Brown, P.N. Jones, J.C. Middleton; Experimental methods, Part A: measuring tools and techniques for mixing and flow visualization studies; E.L. Paul, V.A. Atiemo-Obeng, S.M. Kresta (Eds.), Handbook of Industrial Mixing, Wiley-Interscience, Hoboken, NJ (2004), pp. 145-202에 의해 제공되어 있다.
바람직하게는, θ 95는 6분 이하, 바람직하게는 4분 이하, 바람직하게는 2분 이하, 바람직하게는 1분 이하이다. 바람직하게는, 반응기는 연속 교반 탱크 반응기이다. 바람직한 구현예에서, 반응기는 제트 혼합 용기이다.
바람직하게는, 촉매 층을 통한 액체의 공탑 속도는 0.1 내지 100 mm/s; 바람직하게는 적어도 1 mm/s, 바람직하게는 적어도 2 mm/s, 바람직하게는 적어도 3 mm/s, 바람직하게는 적어도 5 mm/s; 바람직하게는 20 mm/s 이하, 바람직하게는 15 mm/s 이하, 바람직하게는 12 mm/s 이하, 바람직하게는 10 mm/s 이하이다. 바람직하게는, 반응기는 하나의 샤프트 상에 적어도 하나의 임펠러, 바람직하게는 적어도 2개의 임펠러를 갖는다. 바람직하게는, 임펠러의 선단 속도는 0.1 내지 10 m/s; 바람직하게는 적어도 0.2 m/s, 바람직하게는 적어도 0.5 m/s, 바람직하게는 적어도 1 m/s, 바람직하게는 적어도 2 m/s; 바람직하게는 8 m/s 이하, 바람직하게는 6 m/s 이하이다. 바람직하게는, 특정 에너지 소산 ε은 0 내지 2 W/kg; 바람직하게는 적어도 0.5 W/kg, 바람직하게는 적어도 1.0 W/kg; 바람직하게는 1.8 W/kg 이하, 바람직하게는 1.6 W/kg 이하이다. 바람직하게는, 반응기에 대한 H/T는 적어도 1.2, 바람직하게는 적어도 1.3, 바람직하게는 적어도 1.4; 바람직하게는 2.2 이하, 바람직하게는 2.0 이하, 바람직하게는 1.8 이하이다.
바람직하게는, 반응기 배출구에서의 산소 농도는 0.5 내지 7.5 mol%; 바람직하게는 적어도 1 mol%; 바람직하게는 6 mol% 이하, 바람직하게는 5 mol% 이하이다.
바람직하게는, 지지체는 산화물 물질의 입자이고; 바람직하게는 γ-, δ-, 또는 θ-알루미나, 실리카, 마그네시아, 티타니아, 지르코니아, 하프니아, 바나디아, 니오븀 산화물, 탄탈룸 산화물, 세리아, 이트리아, 란타늄 산화물 또는 이들의 조합이다. 바람직하게는, 귀금속을 포함하는 촉매의 일부에서, 지지체는 10 m2/g 초과, 바람직하게는 30 m2/g 초과, 바람직하게는 50 m2/g 초과, 바람직하게는 100 m2/g 초과, 바람직하게는 120 m2/g 초과의 표면적을 갖는다. 귀금속을 거의 또는 전혀 포함하지 않는 촉매의 일부에서, 지지체는 50 m2/g 미만, 바람직하게는 20 m2/g 미만의 표면적을 가질 수 있다.
바람직하게는, 촉매 입자의 종횡비는 10:1 이하, 바람직하게는 5:1 이하, 바람직하게는 3:1 이하, 바람직하게는 2:1 이하, 바람직하게는 1.5:1 이하, 바람직하게는 1.1:1 이하이다. 촉매 입자의 바람직한 형태는 구형, 실린더, 직사각형 고체, 고리, 다엽 형태 (예컨대, 클로버 잎 단면), 다수의 구멍을 갖는 형태 및 "수레바퀴", 바람직하게는 구형을 포함한다. 불규칙한 형태가 또한 사용될 수 있다.
바람직하게는, 귀금속의 적어도 90 중량%는 촉매 부피(즉, 평균 촉매 입자의 부피)의 외부 70%, 바람직하게는 촉매 부피의 외부 60%, 바람직하게는 외부 50%, 바람직하게는 외부 40%, 바람직하게는 외부 35%, 바람직하게는 외부 30%, 바람직하게는 외부 25%에 있다. 바람직하게는, 임의의 입자 형태의 외부 부피는 외부 표면에 수직인 선을 따라 측정된, 이의 내부 표면으로부터 이의 외부 표면(입자의 표면)까지 일정한 거리를 갖는 부피에 대해 계산된다. 예컨대, 구형 입자의 경우, 부피의 외부 x%는 외부 표면이 입자의 표면이고 부피가 전체 구의 부피의 x%인 구형 쉘이다. 바람직하게는, 귀금속의 적어도 95 중량%, 바람직하게는 적어도 97 중량%, 바람직하게는 적어도 99 중량%는 촉매의 외부 부피에 있다. 바람직하게는, 귀금속의 적어도 90 중량% (바람직하게는 적어도 95 중량%, 바람직하게는 적어도 97 중량%, 바람직하게는 적어도 99 중량%)가 촉매 직경의 30% 이하, 바람직하게는 25% 이하, 바람직하게는 20% 이하, 바람직하게는 15% 이하, 바람직하게는 10% 이하, 바람직하게는 8% 이하인 표면으로부터의 거리 이내에 있다. 표면으로부터의 거리는 표면에 수직인 선을 따라 측정된다.
바람직하게는, 귀금속은 금 또는 팔라듐, 바람직하게는 금이다.
바람직하게는, 촉매 입자의 평균 직경은 적어도 200 마이크론, 바람직하게는 적어도 300 마이크론, 바람직하게는 적어도 400 마이크론, 바람직하게는 적어도 500 마이크론, 바람직하게는 적어도 600 마이크론, 바람직하게는 적어도 700 마이크론, 바람직하게는 적어도 800 마이크론; 바람직하게는 30 mm 이하, 바람직하게는 20 mm 이하, 바람직하게는 10 mm 이하, 바람직하게는 5 mm 이하, 바람직하게는 4 mm 이하이다. 지지체의 평균 직경 및 최종 촉매 입자의 평균 직경은 유의하게 상이하지 않다.
바람직하게는, 촉매는 지지체의 존재 하에 귀금속 염의 수용액으로부터 귀금속을 침전시킴으로써 제조된다. 본 발명의 일 구현예에서, 촉매는 다공성 무기 산화물에 적합한 귀금속 전구체 염의 수용액을 첨가하여 공극을 용액으로 채우고 이어서 물을 건조시켜 제거하는 초기 습윤에 의해 제조된다. 바람직한 귀금속 염은 테트라클로로아우르산, 금 티오설페이트, 아우로티오말레이트, 금 수산화물, 팔라듐 니트레이트, 팔라듐 클로라이드 및 팔라듐 아세테이트를 포함한다. 생성된 물질은 이어서 하소, 환원, 또는 귀금속 염을 금속 또는 금속 산화물로 분해하기 위해 당업자에게 공지된 다른 처리에 의해 완성된 촉매로 전환된다. 바람직하게는, 적어도 하나의 히드록실 또는 카복실산 치환체를 포함하는 C2-C18 티올이 용액에 존재한다. 바람직하게는, 적어도 하나의 히드록실 또는 카복실산 치환체를 포함하는 C2-C18 티올은 2 내지 12개의 탄소 원자, 바람직하게는 2 내지 8개, 바람직하게는 3 내지 6개의 탄소 원자를 갖는다. 바람직하게는 티올 화합물은 4개 이하의 총 히드록실 및 카복실산 기, 바람직하게는 3개 이하, 바람직하게는 2개 이하의 총 히드록실 및 카복실산 기를 포함한다. 바람직하게는, 티올 화합물은 2개 이하의 티올 기, 바람직하게는 1개 이하의 티올 기를 갖는다. 티올 화합물이 카복실산 치환체를 포함하는 경우, 이들은 산 형태, 공액 염기 형태 또는 이들의 혼합물로 존재할 수 있다. 티올 성분은 또한 이의 티올 (산) 형태 또는 이의 공액 염기 (티올레이트) 형태로 존재할 수 있다. 특히 바람직한 티올 화합물은 이들의 공액 염기를 포함하여, 티오말산, 3-머캅토프로피온산, 티오글리콜산, 2-머캅토에탄올 및 1-티오글리세롤을 포함한다.
본 발명의 일 구현예에서, 촉매는 다공성 무기 산화물이 적합한 귀금속 전구체 염을 함유하는 수용액에 침지되고 그 염이 이어서 용액의 pH를 조정함으로써 무기 산화물의 표면과 상호작용하게 되는 침착 침전에 의해 생성된다. 생성된 처리된 고체는 이어서 회수되고(예컨대, 여과에 의해) 이어서 하소, 환원, 또는 귀금속 염을 금속 또는 금속 산화물로 분해하기 위해 당업자에게 공지된 다른 전처리에 의해 완성된 촉매로 전환된다.
본 발명은 촉매 층을 함유하는 산화적 에스터화 반응기(OER)에서 메타크롤레인을 메탄올로 처리하는 단계를 포함하는 메틸 메타크릴레이트(MMA)를 생산하는 공정에서 유용하다. 촉매 층은 촉매 입자를 포함하고 OER 내에 위치하여 액체 흐름이 촉매 층과 반응기 벽 사이에서 발생할 수 있다. OER은 메타크롤레인, 메탄올 및 MMA를 포함하는 액체 상 및 산소를 포함하는 기체 상을 추가로 포함한다. 액체 상은 부산물, 예컨대, 메타크롤레인 다이메틸 아세탈 (MDA) 및 메틸 이소부티레이트 (MIB)를 추가로 포함할 수 있다. 바람직하게는, 액체 상은 40 내지 120℃; 바람직하게는 적어도 50℃, 바람직하게는 적어도 60℃; 바람직하게는 110℃ 이하, 바람직하게는 100℃ 이하의 온도에 있다. 바람직하게는, 촉매 층은 0 내지 2000 psig(101 내지 14 MPa); 바람직하게는 2000 kPa 이하, 바람직하게는 1500 kPa 이하이다. 바람직하게는, 촉매 층의 pH는 4 내지 10; 바람직하게는 적어도 5, 바람직하게는 적어도 5.5; 바람직하게는 9 이하, 바람직하게는 8 이하, 바람직하게는 7.5 이하이다. 바람직하게는, 촉매 층은 관형 연속 반응기 또는 연속 교반 탱크 반응기 내에 있다. 바람직하게는, 촉매 층은 산소 기체를 추가로 포함한다.
촉매 층에 있는 촉매 입자는 전형적으로 고체 벽 및 스크린 또는 촉매 지지체 그리드에 의해 제자리에 유지된다. 일부 구성에서, 스크린 또는 그리드는 촉매 층의 반대쪽 단부에 있고 고체 벽은 측면에 있지만, 일부 구성에서 촉매 층은 스크린에 의해 완전히 둘러싸일 수 있다. 촉매 층의 바람직한 형태는 실린더, 직사각형 고체 및 실린더 쉘; 바람직하게는 실린더를 포함한다. 바람직하게는, 반응기는 액체가 촉매 층을 통해 흐르도록 위치된 촉매 층을 포함한다. 바람직하게는, 촉매 층은 관형 연속 반응기 또는 연속 교반 탱크 반응기(CSTR)에 있고; 바람직하게는 관형 연속 반응기에 있으며; 바람직하게는 층은 실린더형이다. 촉매 층이 CSTR에 있는 경우, 바람직하게는, 반응기는 내부 및 외부(즉, 높이에 수직인 이의 단면은 연속 폐쇄 곡선임)를 갖는 수직 고체 파티션인 스택을 포함하여, 액체의 흐름이 스택의 한 측면(내부 또는 외부)에서 위쪽으로 흐르고 다른 측면에서 아래쪽으로 흐른다. 바람직한 구현예에서, 촉매 층은 스택과 반응기 벽 사이에 위치한 실질적으로 실린더형 쉘의 형태이다. 스택은 실린더형 쉘(실린더형 구멍을 갖는 실린더), 직사각형 쉘 또는 보다 복잡한 형태, 예컨대, 단부에서 측면을 바깥쪽으로 (반응기 벽을 향하여) 플레어링함으로써 실린더형 쉘로부터 유래된 형태 또는 실린더형 쉘의 외부 또는 내부 표면을 갖지만 가변 두께를 생성하기 위해 다른 표면 상에 테이퍼링된 형태일 수 있으며; 바람직하게는 높이에 수직인 스택의 단면은 2개 이상의 동심원으로 구성된다. 바람직하게는, 스택은 반응기의 중앙에 위치한다. 바람직하게는, 스택은 반응기 벽에 대해 고정되어 있다. 바람직하게는, 스택의 긴 치수는 반응기의 긴 치수의 30 내지 80%, 바람직하게는 40 내지 75%이다. 바람직하게는, 스택의 최대 단면 직경은 반응기 직경의 40 내지 90%, 바람직하게는 적어도 45%, 바람직하게는 적어도 50%, 바람직하게는 85% 이하, 바람직하게는 80% 이하이다. 바람직한 구현예에서, 반응기는 연속 교반 탱크 반응기(CSTR)이고, 스택의 높이는 반응기 높이의 30 내지 80%; 바람직하게는 적어도 40%, 바람직하게는 75% 이하, 바람직하게는 70% 이하이다. CSTR에서, 바람직하게는 촉매 층의 높이는 스택의 높이의 30 내지 90%, 바람직하게는 적어도 40%, 바람직하게는 80% 이하이다. 바람직하게는, 촉매 층의 측면은 스택과 접촉하고 있다. 바람직하게는, CSTR은 스택과 반응기 벽 사이의 촉매 층으로 구성되며, 액체는 스택 내에서 아래로 그리고 촉매 층을 통해 위로 흐른다. 바람직하게는, 기체 반응물 및 불활성(산소, 질소, 이산화탄소)은 촉매 층을 통해 위로 상승한다.
바람직하게는, 반응기의 내용물은 적어도 하나의 혼합 장치에 의해 또는 제트 혼합에 의해 혼합된다. 바람직하게는, 혼합 장치는 임펠러이다. 바람직하게는, 액체 흐름은 스택을 통해 위쪽으로 그리고 스택 외부 아래쪽으로(스택과 반응기 벽 사이) 흐른다. 바람직하게는, 임펠러는 촉매 층 중심을 통과하는 샤프트 상에 있다. 본 발명의 바람직한 구현예에서, 반응기는 CSTR이고 염기는 반응기의 상부로부터 첨가된다.
OER은 전형적으로 메타크릴산 및 미반응 메탄올과 함께 MMA를 생성한다. 바람직하게는, 메탄올 및 메타크롤레인은 1:10 내지 100:1, 바람직하게는 1:2 내지 20:1, 바람직하게는 1:1 내지 10:1의 메탄올:메타크롤레인 몰 비로 촉매 층을 함유하는 반응기에 공급된다. 바람직하게는, 촉매 층은 촉매 위 및/또는 아래에 불활성 물질을 추가로 포함한다. 바람직한 불활성 물질은, 예컨대, 알루미나, 점토, 유리, 실리카 카바이드 및 석영을 포함한다. 바람직하게는, 불활성 물질은 촉매의 평균 직경 이상의 평균 직경을 갖는다. 바람직하게는, 반응 생성물은 메탄올 및 메타크롤레인이 풍부한 오버헤드 스트림을 제공하는 메탄올 회수 증류 컬럼에 공급되고; 바람직하게는 상기 스트림은 OER로 재순환된다. 메탄올 회수 증류 컬럼으로부터의 바닥 스트림은 MMA, MDA, 메타크릴산, 염 및 물을 포함한다. 본 발명의 일 구현예에서, MDA는 MMA, MDA, 메타크릴산, 염 및 물을 포함하는 배지에서 가수분해된다. MDA는 메탄올 회수 증류 컬럼으로부터의 바닥 스트림에서 가수분해될 수 있으며; 상기 스트림은 MMA, MDA, 메타크릴산, 염 및 물을 포함한다. 또 다른 구현예에서, MDA는 메탄올 회수 바닥 스트림으로부터 분리된 유기 상에서 가수분해된다. MDA 가수분해에 충분한 물이 존재하도록 하기 위해 유기 상에 물을 첨가할 필요가 있을 수 있으며; 이들 양은 유기 상의 조성으로부터 용이하게 결정될 수 있다. MDA 가수분해 반응기의 생성물은 상 분리되고 유기 상은 하나 이상의 증류 컬럼을 통과하여 MMA 생성물 및 경질 및/또는 중질 부산물을 생성한다. 또 다른 구현예에서, 가수분해는 증류 컬럼 자체 내에서 수행될 수 있다. 바람직하게는, 반응기 배출구에서의 산소 농도는 적어도 1 부피%, 바람직하게는 적어도 2 부피%, 바람직하게는 적어도 3 부피%; 바람직하게는 7 부피% 이하, 이하 바람직하게는 6.5 부피% 이하, 바람직하게는 6 부피% 이하이다. 바람직하게는, 반응기를 통한 액체의 공탑 속도는 1 내지 50 mm/s, 바람직하게는 적어도 2 mm/s, 바람직하게는 적어도 3 mm/s, 바람직하게는 적어도 4 mm/s, 바람직하게는 적어도 5 mm/s; 바람직하게는 20 mm/s 이하, 바람직하게는 15 mm/s 이하이다.
산화적 에스터화를 위한 고정 층 반응기의 하나의 바람직한 구현예는 촉매의 고정 층을 함유하고 기체 및 액체 공급물 둘 모두가 하향 방향으로 반응기를 통과하는 세류 층 반응기이다. 세류 흐름에서, 기체 상은 연속 유동 상이다. 따라서, 고정 층 위의 반응기 상단의 구역은 각각의 증기압에서 질소, 산소, 및 휘발성 액체 성분의 기상 혼합물로 채워질 것이다. 전형적인 작동 온도 및 압력(50-90℃ 및 60-300 psig) 하에서, 이러한 증기 혼합물은 기체 공급물이 공기인 경우 가연성 외피 내부에 있다. 따라서, 폭연을 개시하기 위해 점화원만이 요구될 것이며, 이는 1차 격리의 상실로 이어지고 근처의 물리적 인프라 및 인원에 해를 끼칠 수 있다. 공정 안전 고려 사항을 해결하기 위해, 가연성 헤드스페이스 분위기를 피하면서 세류 층 반응기를 작동시키는 수단은 증기 헤드스페이스의 산소 농도가 제한 산소 농도(limiting oxygen concentration, LOC) 미만이 되도록 충분히 낮은 산소 몰 분율을 함유하는 기체 공급물로 작동시키는 것이다.
LOC에 대한 지식은 연료 혼합물, 온도 및 우려 압력에 대해 필요하다. 온도 및 압력이 증가함에 따라 LOC가 감소하고, 메탄올이 다른 두 가지 중요한 연료 (메타크롤레인 및 메틸 메타크릴레이트)보다 낮은 LOC를 제공하기 때문에, 보수적인 설계는 최고 예상 작동 온도 및 압력에서 LOC 미만의 조성을 보장하는 공급 산소 대 질소 비율을 선택한다. 예컨대, 최대 100℃ 및 275 psig (1990 kPa)에서 작동하는 반응기의 경우, 질소의 공급 산소 농도는 7.4 mol%를 초과하지 않아야 한다.
실시예
실시예 #1: 다중-구역 관형 반응기
짧은 전면의 실리카 카바이드 및 10 g의 촉매를 함유한 3/8" (9.6 mm) 스테인레스 스틸 관형 반응기로 이루어진 촉매 구역 다음에 피치 블레이드 터빈이 있는 150 mL 액체 부피 교반 용기로 이루어진 혼합 구역으로 이루어진 촉매 구역, 이어서 짧은 전면의 실리카 카바이드 및 10 g의 촉매를 함유한 3/8" (9.6 mm) 스테인레스 스틸 관형 반응기로 이루어진 제2의 촉매 구역에 20 중량% 메타크롤레인, 200 ppm 억제제, 및 메탄올 균형을 공급하는 일련의 실행을 수행하였다. 촉매는 Norpro 1mm 직경 고 표면적 알루미나 구형 지지체 상에서 1.5 중량% Au로 구성하였다. 배출 기체 내에 대략 5 mol% 산소를 갖기에 충분한 제1 촉매 구역에 공기를 공급하였고, 질소에 8 mol% 산소를 함유하는 기체를 4 mol% 내지 5 mol% 산소의 배출 기체를 갖기에 충분한 제2 구역에 공급하였다. 반응기를 60℃ 및 160 psig(1200 kPa)에서 작동시켰다. 촉매 구역 1의 출구에서의 pH는 대략 6.3이었다. 반응기의 생성물을 액체-증기-분리기로 보냈고, 증기를 액체 복귀와 함께 응축기로 보냈다. 결과가 아래 표에 설명되어 있다. 일부의 경우 메탄올 중의 소듐 메톡시드로 구성된 염기를 혼합 구역에 첨가하였다. 일부의 경우 혼합 구역을 600 RPM으로 교반하고 다른 경우에는 교반하지 않았다. 생성물 MMA는 메타크롤레인 반응물에서 유래된 생성물 중 MMA의 백분율이다. 생성물 부가물은 메타크롤레인 반응물에서 유래된 생성물 중 마이클 부가물의 백분율이다. 공간-시간 수율은 Kg 촉매 시간 당 mol MMA이다.
실시예 #2: 슬러리 촉매 연속 교반 탱크 반응기
20 중량% 메타크롤레인, 200ppm 억제제, 및 메탄올 균형을 슬러리 촉매로 이루어진 연속 교반 탱크 반응기(CSTR)에 공급하는 일련의 실행을 수행하였다. 촉매는 알루미나 지지체 물질인 Puralox 5/90 상에 5 중량% 팔라듐, 2 중량% 비스무스, 및 1 중량% 안티모니로 구성하였다. 20 g의 촉매를 교반 용기에서 150 mL의 액체에 로딩하였다. 반응기의 교반 속도를 변경하고 마이클 부가물의 생성물을 측정하였다. 반응기에 공기를 공급하고 배출구의 산소를 측정하였다. 배출구의 산소는 모든 경우 대략 1 mol%였다. 반응기를 80℃ 및 60 psig에서 작동시켰다. 반응기 출구의 pH는 메탄올 중의 1 중량% 소듐 메톡시드의 첨가에 의해 유지되는 대략 6.5였다. 반응기의 배출 가스는 응축기로 보내지고 액체는 반응기로 되돌아온다. 결과가 아래 표에 설명되어 있다. MMA에 대한 생성물 분포는 메타크롤레인 반응물에서 유래한 생성물 중 MMA의 백분율이다. 마이클 부가물의 생성물 분포는 메타크롤레인 반응물에서 유래한 생성물 중 부가물의 백분율이다. 공간-시간 수율은 Kg 촉매 시간 당 mol MMA이다. 특징적인 혼합 시간은 4 내지 7번 실행에서 1분 미만으로 추정된다.
결론
다중-구역 반응기에서 얻은 데이터는 반응기에 염기를 첨가하기 위해, 혼합 구역에서의 특징적인 혼합 시간은 MMA로의 생성물 분포에 의해 본원에서 측정된 바와 같이 일반적으로 마이클 부가물의 형성을 감소시키고 선택성을 증가시키는 중요한 파라미터임을 나타낸다. 혼합 영역에서의 높은 특징적인 혼합 시간이 600 RPM에서 보다 적절한 혼합에 이용될 때 마이클 부가물 형성은 대략 두 배가 되었다.
교반 탱크 반응기에서 얻은 데이터는 감소된 특징적인 혼합 시간에 의해 마이클 부가물 형성이 상당히 감소될 수 있음을 나타낸다.

Claims (10)

  1. 메타크롤레인 및 메탄올로부터 메틸 메타크릴레이트를 제조하는 방법으로서,
    교반 반응기 내의 난류에서 메타크롤레인, 메탄올 및 산소를 포함하는 혼합물을 지지체 및 귀금속을 포함하는 불균일 촉매의 촉매 층과 접촉시키는 단계를 포함하며,
    여기서, 95% 균질성에 도달하는 시간을 10분 이하로 유지하면서 염기가 상기 반응기에 첨가되며,
    여기서 상기 "95% 균질성"이란 상기 반응기 내의 액체의 95%가 균질한 상태를 의미하고,
    상기 95% 균질성에 도달하는 시간(θ 95)은 다음의 수학식에 의해 계산되는,
    방법:

    여기서, T는 내부 반응기 직경이고, H는 액체 높이이고, D는 임펠러 직경이고, Np는 임펠러의 특성 전력 수이고, N은 RPM인 임펠러 속도이다.
  2. 제1항에 있어서, 반응기가 연속 교반 탱크 반응기인 방법.
  3. 제2항에 있어서, 반응기가 0.1 내지 10 m/s의 팁 속도를 갖는 적어도 하나의 임펠러를 포함하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 촉매 층이 40 내지 120℃의 온도에 있는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 촉매 층의 pH가 4 내지 8인 방법.
  6. ◈청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제5항에 있어서, 촉매가 200 마이크론 내지 10 mm의 평균 직경을 갖는 방법.
  7. ◈청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제6항에 있어서, 촉매 층이 한 방향으로 촉매 층을 통한 액체 유동을 허용하는 고체 배플에 의해 둘러싸여 있는 방법.
  8. ◈청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제7항에 있어서, 고체 배플의 높이가 반응기의 높이의 30 내지 90%인 방법.
  9. ◈청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제8항에 있어서, 95% 균질성에 도달하는 시간이 4분 이하인 방법.
  10. ◈청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제9항에 있어서, 귀금속이 금 및 팔라듐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
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