KR20120081171A - 반응 혼합 펌프에 의한 α,β-불포화 알데히드의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 충전된 알데히드의 촉매적 알돌 축합을 연속-유동 반응기 내에서 수성 염기의 존재하에 수행하는, α,β-불포화 알데히드의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 특히 경제적인 방법으로 수행할 수 있는 알데히드의 알돌화 방법을 제공하는 것이다. 상기 목적은, 반응 혼합 펌프를 반응기로서 사용함으로써 달성된다.

Description

반응 혼합 펌프에 의한 α,β-불포화 알데히드의 제조 방법 {Producing α,β-unsaturated aldehydes by means of a reaction mixing pump}
본 발명은 수성 염기의 존재하에 출발 알데히드의 촉매적 알돌 축합을, 반응기 전체를 통해 연속 유동이 발생하는 반응기 내에서 수행하는, α,β-불포화 알데히드의 제조 방법에 관한 것이다.
상기 방법은 WO 2004/065342 A1로부터 공지되어 있다.
불포화 알데히드는, 이의 반응성 때문에, 많은 유기 화합물의 제조를 위한 출발 물질이다. 이의 선택적 수소화는, 마찬가지로 많은 합성의 기본인 상응하는 포화 알데히드를 제공한다. 알데히드의 산화는 공업적으로 이용되는 카복실산을 유도한다. 알데히드의 수소화는 가소제 및 세제의 제조시 사용되는 포화 알코올을 유도한다.
2-에틸헥센알을 형성하기 위해, 물의 동시 제거를 동반한 n-부티르알데히드의 알돌 반응이 세계적으로 대규모로 수행되는데, 그 이유는, 수소화 생성물(예를 들면, 2-에틸헥산올)이 가소제 알코올로서 다량 사용되기 때문이다. 촉매로서, 물에 용해된 염기가 일반적으로 사용된다. 백분율 범위로 NaOH 함량을 갖는 수성 수산화나트륨을 사용하는 것이 통상적이다. 상기 반응은 80 내지 150℃의 온도 범위, 5bar 미만의 압력, 및 1 내지 20의 수성 촉매상에 대한 유기 상의 상 비로 자주 수행된다(참조: Hydrocarbon Processing, October 1980, Section 2, pages 93-102). 이 반응은, 예를 들면, 교반 용기(참조: DE 19 06 850, DE 927 626)에서, 역류로 작동되는 충전탑에서(참조: G. Duembgen, D. Neubauer, Chemie-Ing.-Techn., 41, 974 (1969)), 또는 유관(flow tube)에서(참조: GB 761 203) 수행될 수 있다. 이들 공정 모두는 2-에틸헥센알을 98.5%의 전환율에서 98% 이하의 선택도로 제공한다. 단점은, 비교적 고온에서, 사용된 n-부티르알데히드의 일부가 카니차로 반응(cannizzaro reaction)의 결과로 인해 비가역적으로 손실된다는 것이다. 카니차로 반응에서 형성된 부티르산은 상기 염기성 촉매를 중화시킨다. 따라서, 다량의 유기 물질을 함유하는 촉매 용액의 일부는 계속 방출하고, 새로운 촉매로 대체해야 한다.
n-부티르알데히드와 유사한 방법으로, n-펜탄알(n-발레르알데히드)은 불포화 C10-알데히드-2-프로필-헵텐알로 전환될 수 있다. C5-알데히드의 알돌 축합은, 열을 제거하기 위해 내부 열 교환기가 장착된 교반 반응기에서 수행할 수 있다. 상기 반응을 수행하는 이러한 방법은, 예를 들면, WO 93/20034 A1에 기재되어 있으며, 상기 반응기 내의 빌트-인 열 교환기로 인해, 움직이는 부분 때문에, 제작 및 유지하기에 기계적으로 예민하고 복잡하다.
알데히드의 알돌 축합의 특성은, 사실상 비혼화성인 2개의 액체 상들(유기 알데히드 상, 수성 촉매 상)의 반응의 참여이다. 따라서, 높은 전환율 및 선택도를 달성하기 위해, 서로 비혼화성인 2개의 액체 상들은, 이들 상 사이의 물질 전달(mass transfer) 한계를 극복하기 위해, 반응 과정에서 서로 밀접하게 접촉시킬 필요가 있다. 따라서, 이들 2개 상 사이에 매우 큰 물질 전달 영역이, 적합한 공정 공학 조치에 의해 생성되어야 한다.
WO 93/20034 A1에 제공된 선행 기술 분야에 따르면, 유기 알데히드 함유 상 및 수성 촉매 상 사이의 물질 전달은, 강력한 교반에 의한 교반 용기를 사용하는 경우 및 난류에 의한 관 반응기(tube reactor)를 사용하는 경우에 보장된다.
그러나, 교반 용기에서의 교반은 상기 교반기를 구동하기 위한 기계적 에너지의 주입이 필요하다. 생산 경비를 감소시키기 위해서는, 총 에너지 소비의 감소를 위해 반응을 매우 효율적으로 유지하는데 필요한 기계적 교반 작업을 도입하는 것이 바람직하다.
알돌화를, 관, 및 고정된 난류-생성 부재(turbulence-generating element)를 갖는 세그먼트로 이루어진 반응기에서 수행할 수 있음이 WO 2004/065342 A1로부터 공지되어 있다. 원심분리 펌프는 반응 혼합물이 관을 통해 순환될 수 있도록 하고, 그 결과 난류-생성 부재에서 난류가 생성된다. 반응 액체의 난류는 이의 상들의 난류 혼합을 유도하여, 이는 이들 사이의 물질 전달이 가능해진다. 여기에 기술된 장치는 루프 반응기(loop reactor)일 것이다. 이러한 알돌화 반응기의 난류-생성 효과가 회전 교반기를 갖는 반응기의 난류-생성 효과보다 양호한 지를 나타내는 비교 실시예는 제시되어 있지 않다.
어떤 경우, WO 2004/065342 A1에 기재된 바와 같은, 원심분리 펌프 밖으로 배열된 고정된 난류-생성 부재를 갖는 알돌화 반응기의 구조는 큰 홀드업(holdup)의 단점을 갖는다. 가동시 반응기 전체를 통해 유동이 발생하는 장치의 홀드업은 펌프가 차단된 플랜트의 휴지 상태인 장치에 잔류하는 유체 용적이다. WO 2004/065342 A1에 기재된 알돌화 반응기의 홀드업은, 일정 용적의 라인(liens), 일정 용적의 난류-생성 섹터, 및 펌프 하우징으로 구성된다.
이들의 작은 홀드업 덕분에, 반응 혼합 펌프는 반응성 및 독성 반응물들의 연속 반응을 위한 반응기로서 매력적이다.
본 명세서에서 사용된 의미에서 볼 때 반응 혼합 펌프는 다음을 포함한다:
a) 고정된 펌프 하우징,
b) 상기 펌프 하우징 내에서 회전할 수 있도록 설치된 임펠러로서, 상기 임펠러의 원주 방향으로 개방되는 복수의 방사상으로 연장된 혼합 챔버들을 갖는 임펠러,
c) 상기 혼합 챔버들을 둘러싸고, 상기 임펠러의 원주를 따라 상기 펌프 하우징 내에 연장된 혼합 채널,
d) 반응 출발 물질용의 적어도 하나의 주입구 및 반응 생성물용의 하나의 배출구로서, 주입구 및 배출구가 상기 혼합 채널에 의해 유체가 유동할 수 있도록 연결된 주입구 및 배출구, 및
e) 상기 임펠러가 회전될 수 있도록 하는 모터.
반응 혼합 펌프에 의한 반응의 수행에 대한 다음의 보고서가 지금까지 제시되었다:
● 문헌[참조: Fink, Dieter and Wolfert, Andreas: Pumpen, die mitmischen. Chemie Technik, July 2007, pages 52-54]에 기재된 포스겐 반응.
● DE 102008008841 A1에 기재된 폴리카보네이트 제조.
● WO 97/43254에 기재된 슈도이오노넨의 상응하는 이오노넨으로의 전환. 그러나, 이는 산성 조건하에 폐환되며, 알칼리성 조건하에서는 알돌 축합되지 않는다.
그러나, 반응 혼합 펌프에 의한 알돌화의 수행은 지금까지 공지되지 않았다.
선행 기술 분야의 측면에서, 본 발명의 목적은 특히 경제적으로 작동될 수 있는 알데히드의 알돌화 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은 반응기로서의 반응 혼합 펌프를 사용하여 달성한다.
따라서, 본 발명은 수성 염기의 존재하에 출발 알데히드의 촉매적 알돌 축합이, 반응기 전체를 통해 연속 유동이 발생하는 반응기 내에서 수행되고, 이때 상기 반응기는 반응 혼합 펌프인, α,β-불포화 알데히드의 제조 방법을 제공한다. 여기서 상기 펌프는 알칼리, 알데히드 및 생성물을 운반하는 수단으로서 작용하며, 동시에 반응기로서도 작용한다.
반응 혼합 펌프에 의한 알돌 축합의 수행은 상기 공정의 경제성에 대한 기대를 놀라운 정도로 초과한다. 이는, 상기 반응 혼합 펌프가 상기 공정의 경제성과 관련된 3가지 인자들에 대해 긍정적인 영향으로 동시에 실행된다는 사실에 기인할 수 있는데, 먼저, 반응 혼합 펌프의 비교적 작은 홀드업을 언급할 수 있으며, 이는 투자 자본의 사 비율(dead proportion)을 감소시킨다. 더욱이, 상기 반응 혼합 펌프의 특정 기계적 에너지 소비가 저감되는데, 이는, 난류의 효과적인 생성이 달성되기 때문이다. 마지막으로, 놀랍게도 선택도가 개선되는데, 즉, 바람직하지 못한 부산물이 적게 형성되면서 제조되는 α,β-불포화 알데히드의 수율이 더욱 양호하다. 특히, 후자의 효과는 예측할 수 없었다.
종합적으로, 본 발명의 공정의 이점은, 통상적인 반응기를 갖는 플랜트에 비해, 단일 통과로 α,β-불포화 알데히드의 높은 수율, 및 조악한 α,β-불포화 알데히드 혼합물(증류 전 혼합물)의 제조를 위한 서브-플랜트의 작은 공간 요건, 및 보다 적은 자본 투자이다.
본 발명의 유리한 양태들은 첨부된 종속항들에 제시되어 있으며, 이제 이어지는 설명 및 실시예로부터 유도할 수 있다.
출발 물질
본 발명의 공정은 축합 반응을 수행할 수 있는 알데히드 또는 알데히드 혼합물의 반응에 적합하다. 하나의 알데히드만이 사용되는 경우, 이는, CO 그룹에 인접한 동일한 탄소 원자 상에 2개의 α-수소 원자를 가져야 한다. 2개 이상의 상이한 알데히드가 사용되는 경우, 알데히드들 중의 적어도 하나는 동일한 탄소 원자 상에 2개의 α-수소 원자를 가져야 한다.
상기 정의에 따라 2개의 α-수소 원자를 갖는 알데히드는, 예를 들면, 아세트알데히드, 프로판알, n-부티르알데히드, n-발레르알데히드, 3-메틸부티르알데히드, n-헥산알, 3-메틸펜탄알, 4-메틸펜탄알, n-헵탄알, n-옥탄알, n-노난알, n-데칸알이다. 이들은 또한 단독축합(homocondensation)에 적합하다.
상기 정의에 따라 1개의 α-수소 원자를 갖는 알데히드는의 예는 이소부티르알데히드, 2-메틸부티르알데히드, 2-메틸펜탄알, 2-에틸헥산알, 사이클로헥실알데히드이다. α-수소 원자를 갖지 않는 알데히드의 예는 벤즈알데히드, 2,2-디메틸프로판알 및 포름알데히드이다. 2개의 마지막으로 명명된 그룹의 알데히드는 2개의 α-수소 원자를 갖는 알데히드에 의해서만 알돌 축합을 수행할 수 있다.
본 발명의 공정을 위한 바람직한 출발 알데히드는 n-부티르알데히드, n-발레르알데히드, n-부티르알데히드와 이소부티르알데히드의 혼합물, 2-메틸부티르알데히드 또는 3-메틸부티르알데히드와 n-발레르알데히드와의 혼합물 또는 상응하는 3-성분 혼합물이다. 특히, 90질량% 초과의 n-펜탄알, 매우 특히 바람직하게는 95질량% 초과의 n-펜탄알을 함유하는 C5-알데히드 혼합물을 사용한다. 마찬가지로, C4-알데히드 및 C5-알데히드의 혼합물이 사용될 수 있다. 이들 알데히드는, 예를 들면, 올레핀의 하이드로포밀화에 의해 제조할 수 있다.
하나 이상의 알데히드 또는 알데히드 혼합물이 사용되는 경우, 개별적인 성분들은 바람직하게는 펌프에 촉매 용액의 스트림 중으로 별도로 공급할 수 있다. 마찬가지로, 도입 전에 모든 출발 물질들을 혼합하여 이들을 함께 공급할 수 있다. 더욱이, 상기 알데히드는 용액으로서 사용될 수 있다. 용매로서, 촉매 용액에서 용해도가 거의 없는 불활성 액체, 예를 들면, 탄화수소(펜탄, 사이클로헥산, 톨루엔)를 사용할 수 있다.
본 발명의 공정에서의 촉매로서, 수용성의 염기성 화합물, 예를 들면, 이들의 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 화합물의 형태인 수산화물, 탄산수소염, 탄산염, 카복실레이트 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 수산화나트륨과 같은 알칼리 금속 수산화물이 바람직하게 제시된다.
연속 상에서의 촉매의 농도는 0.1 내지 15질량%, 특히 0.3 내지 5질량% 범위이다.
본 발명의 공정에 의해 펜탄알이 데센알로 전환되는 경우, 바람직하게는 수산화나트륨이 촉매로서 사용된다. 소량의 수산화나트륨은 배출되는 반응수와 함께 배출된다. 수산화나트륨의 손실을 보충하기 위해, 새로운 수산화나트륨이 도입된다. 이때 재순환 알칼리와 함께 상기 새로운 수산화나트륨은 반응 혼합 펌프로 공급되는 공정 알칼리를 형성한다. 상기 재순환 알칼리는 카복실산, 주로 펜탄산의 나트륨 염과 함께 수산화나트륨을 함유한다. 카복실산 염은 필수적으로 카니차로 반응에 의해 형성된다.
본 발명의 공정에서, 데센알의 제조시 반응기 주입구에서의 공정 알칼리의 나트륨 함량은 0.60 내지 1.75질량%, 특히 1.1 내지 1.20질량%이다. 공정 알칼리의 나트륨 농도를 조절하기 위해, 농도가 2.5질량% 초과인 새로운 수산화나트륨 용액을 재순환 알칼리로 도입한다. 반응 시스템으로 적은 물을 도입하기 위해, 비교적 고농도의 수산화나트륨 용액을 사용하는 것이 바람직하게는 제시된다. 본 발명의 공정에서, 농도가 5 내지 30질량%, 예를 들면, 10질량%의 범위인 수산화나트륨 용액이 바람직하게는 사용된다.
반응 혼합 펌프
반응 혼합 펌프는 출발 물질(들), 생성물들 및 촉매 용액의 운반에 사용되고, 또한 알돌 축합에 의해 불포화 알데히드의 제조를 위한 본 발명의 공정에서 반응을 수행하기 위해 사용된다. 상기 반응 혼합 펌프는, 광의의 의미에서, 펌프의 혼합 챔버의 원주 벽(circumferential wall)의 출발 물질 및 촉매 용액을 위한 복수의 주입구(운반 채널), 및 반응 혼합물을 배출구를 갖는, 주변부 휠 펌프(peripheral wheel pump)이다. 이들 장치는 펌프, 효과적인 혼합기, 및 반응기의 특성을 갖는다. 이들 장치 중 일부에 냉각기 및/또는 가열기가 제공되거나, 또 다른 방법으로 자동 온도조절됨으로써, 상기 장치 내에서 반응이 원하는 온도에서 수행될 수 있도록 한다.
반응 혼합 펌프의 구조 및 기능적 원리가 기술적 문헌(참조: D. Fink, A. Woelfert, Chemie Technik, July 2007, pages 52-54)에 기술되어 있다.
통상의 반응 혼합 펌프(반응 혼합기)는 드라이브, 펌프 하우징 및 혼합 로터(임펠러)로 필수적으로 이루어진다. 임펠러는 모터, 바람직하게는 자기 커플링을 통해 구동된다. 임펠러의 양쪽 면에 방사상으로 배열된 챔버(운반 셀), 각각의 주입구(운반 채널) 및 배플은 반응 혼합 펌프의 통상적인 운반 및 혼합 거동을 유도한다. 혼합 챔버의 말단 면들에서 환형 채널과 함께 혼합 로터 상의 운반 셀은 압력 셀(pressure cell)을 형성하며, 상기 셀은 주변부 휠에서 통상적이다. 운반 및 반응 공간에서의 두드러진 난류는, 상호 작용에 의해, 압력 셀의 더 빨리 움직이는 액체 성분의, 액체 스트림(이는 운반 채널의 영역에서 더 느리게 유동한다)과의 연속적인 교환, 및 이에 따른 액체들의 강력한 혼합을 유도한다. 이 혼합은 배출구를 통해 계속 배출되는 균질하고 안정한 혼합물을 생성한다. 상기 반응 펌프의 두드러진 모멘텀 교환(momentum exchange) 및 혼합 효과는, 알데히드의 알돌 축합을 수행하기 위해 본 발명에 사용된다.
본 발명의 공정의 예로 예시된 바와 같이, 반응 펌프의 사용은, 고도로 화학적으로 반응성인 성분이 반응을 위해 혼합되고 균질하게 분포되는 경우에 특히 바람직하다. 반응 조건 및 공정 공학적 경계 조건에 따라, 반응 혼합기에 특별한 장치가 장착될 수 있다. 따라서, 예를 들면, 펌프 헤드는, 출발 물질의 점도 및 반응성에 따라 또는 반응 시간에 따라, 추가의 체류 챔버 및 예비혼합 챔버가 장착될 수 있거나, 중간체를 운반 공간으로 재순환시키기 위한 추가의 주입구가 장착될 수 있다.
반응 조건
본 발명에 따라, 알돌 축합은 50 내지 160℃의 온도 범위에서 수행한다. 펜탄알을 데센알로 전환시키는 경우, 반응 온도는 100 내지 150℃의 범위, 특히 110 내지 140℃의 범위, 매우 특히 바람직하게는 120 내지 140℃의 범위이다.
반응 혼합 펌프 중의 반응 압력은, 공정 알칼리 및 유기 물질(출발 물질, 생성물 및 임의로 용매) 둘 다 각각의 경우에 액체 상으로서 존재하도록 적어도 높아야 한다. 펜텐알의 데센알로의 전환시, 반응 혼합 펌프의 압력은 0.1 내지 2㎫, 특히 0.3 내지 1㎫, 매우 특히 바람직하게는 0.3 내지 0.5㎫이다.
펌프 주입구에서의 출발 물질에 대한 공정 알칼리의 비[㎏/㎏]는 5 내지 500의 범위, 특히 20 내지 400의 범위이다. 펜탄알의 데센알로의 전환시, 상기 비는 10 내지 300, 특히 40 내지 240이다.
본 발명의 공정에서, 반응 혼합 펌프 중의 액체(유기 상 및 수성 상)의 평균 체류 시간은, 상기 2개 상들이 동일한 속도로 유동한다는 가정하에, 0.05 내지 3초의 범위, 특히 0.1 내지 2초의 범위이다. 펜탄알의 데센알로의 전환시, 평균 체류 시간은 바람직하게는 0.1 내지 1.5초, 특히 0.1 내지 1초, 매우 특히 바람직하게는 0.2 내지 5초이다.
후처리
펌프로부터의 배출물은 냉각시키고, 유기 상은 알칼리 상으로부터 분리한다. 상 분리는 20 내지 130℃의 온도 범위에서 수행한다.
펜탄알로부터 형성된 데센알 혼합물을 분리하는 경우, 상 분리는 60 내지 130℃의 범위, 특히 70 내지 120℃의 범위, 매우 특히 바람직하게는 90 내지 110℃의 온도 범위에서 수행한다.
가벼운 유기 상으로부터 무거운 수성 상을 분리하기 위해, 중력만을 이용하는 상 분리를 가능하게 할 수 있는 분리기를 사용할 수 있다. 상기 중력 분리기에 또한, 분리 성능을 개선하기 위해 응집-촉진 내부장치(coalescence-promoting internals)를 제공할 수 있다. 내부장치의 사용은 응집 및 침강 공정을 가속화한다. 응집 보조제로서, 예를 들면, 플레이트, 충전 부재, 메쉬 충전물 또는 섬유층 침전기(fiber bed precipitator)를 사용할 수 있다. 중력 분리기는 필수적으로 수평인 용기로서 또는 수직형 용기로서 구성될 수 있다.
중력 분리기에 대한 대안으로서, 액-액 분리를 위해 원심분리 원리에 따라 작동하는 분리기를 사용할 수 있다. 무거운 상은 회전 드럼에서 원심력에 의해 분리된다.
본 발명의 공정에서, 무거운 수성 상을 분리하기 위해, 중력 분리기, 바람직하게는 내부장치가 있는 필수적으로 수평인 용기로서 구성된 중력 분리기가 바람직하게는 제공된다.
분리된 알칼리 상의 일부는 반응수의 제거를 위해 배출되고, 나머지 부분은 반응기로 재순환된다. 부산물로서 (나트륨염으로서) 형성된 카복실산 및 수산화나트륨의 일부는 또한 배출 스트림에 의해 분리된다. 이 스트림은 수처리(warer treatment) 플랜트를 통과할 수 있다. 그러나, 이 스트림은 또한, 예를 들면 DE 198 49 922 및 DE 198 49 924에 기술된 바와 같이, 후처리되어, 이중 일부가 공정으로 재순환될 수 있다.
유기 상이 알돌 축합 생성물 및 소량의 미반응 출발 물질 뿐만 아니라 다른 부산물(예를 들면, 카복실산 염, 수산화나트륨 및 용해된 물)을 함유하는 경우, 미량의 염기 및 카복실산 염의 일부는 워터 스크럽(water scrub)에 의해 제거할 수 있다. 여기서 수득된 물 추출물은 새로운 알칼리의 형성을 위해 사용될 수 있다(도 1 및 2에 제시되지 않음).
유기 상은 증류에 의해 후처리될 수 있다. 여기서 분리된 출발 물질은 반응 혼합 펌프로 부분적으로 재순환될 수 있다.
생성된 α,β-불포화 알데히드는 카복실산의 제조를 위해(올레핀 이중 결합의 수소화 및 알데히드 그룹의 산화) 또는 1급 알코올의 제조를 위해(전체 수소화에 의해) 사용될 수 있다.
1급 알코올의 제조시, 조악한 혼합물은 또한 임의로 수소화될 수 있고, 수소화 후 분별증류를 수행할 수 있다.
본 발명에서 추가의 옵션은 반응기로부터 떠난 후 및 상 분리 전에 반응 혼합물을 플래시 증류하는 것이다. 이때, 뜨거운 반응 혼합물은 용기에서 감압된다.
물과 주로 출발 물질의 혼합물이 증류물로서 수득되며, 이는 완전히 또는 부분적으로 반응기로 재순환시킬 수 있다(증류물의 분리 및 유기 증류물 일부의 재순환은 도 2에 제시되어 있지 않다). 상기 공정이, 예를 들면 DE 199 56 410에 기술되어 있다.
공정 변형태
본 발명은 도 1 및 도 2를 참조로 하기에 보다 상세히 기술된다.
본 발명의 공정이 수행될 수 있는 양태의 블록 다이아그램이 도 1에 제시되어 있다. 출발 물질로서의 출발 알데히드(1), 및 재순환 알칼리(6)와 새로운 알칼리(7)를 포함하는 촉매적 활성 공정 알칼리로서의 수성 상(8)을 반응 혼합 펌프(RMP: reaction mixing pump)에 의해 빨아들인다. 알돌 축합이 상기 반응 혼합 펌프(RMP)에서 일어난다. 상기 펌프로부터의 배출물(2)을, 분리 용기(3)에서, 목적 생성물을 함유하는 유기 상(4)으로 분리하고, 이 부분의 알칼리 상(5)은 배출하고, 나머지 부분(6)은 상기 반응 혼합 펌프(RMP)로 재순환시킨다.
도 2는 본 발명의 공정의 추가 양태를 나타낸 것이다. 도 2의 공정 변형태는, 상기 펌프로부터의 배출물(2)을 장치(9)에서 플래시 증류시키며, 이때 주로 반응하지 않은 출발 물질인, 저비등물의 일부(10)는 상 분리 전에 용기(3)에서 분리함다는 점에서, 도 1과 상이하다.
실시예
하기 실시예는 상세한 설명 및 특허청구범위에 의해 정의된 본 발명의 범위를 제한하지 않으면서 본 발명을 예시하는 것이다.
실험 장치
본 발명의 공정에 따르는 C5-알데히드의 알돌 축합은, 도 1에 제시된 공정 변형태에 도식적으로 상응하는 실험 플랜트에서 수행한다.
연속 촉매상(재순환 알칼리)(6) 및 (7)(새로운 수산화나트륨 용액)은 주입구를 통해 반응 혼합 펌프 모델 HR060(제조원: Fink)으로 공급하여 재순환시킨다. C5-알데히드(n-펜탄알)는 상기 반응 펌프상의 제2 주입구를 통해 라인(1)로부터 혼합한다. 상기 반응 펌프의 다운스트림에서 수득된 액체 스트림(생성물 및 촉매 상)은 라인(2)를 통해 상 분리 용기(3)로 전달한다. 이때, 수성 촉매 상(하부 상)은 분리되고, 라인(6)을 통해 상기 회로로 반송된다. 반응 생성물을 함유하는 유기 상(상부 상)은 라인(4)를 통해 제거될 수 있다. 형성된 반응수는 라인(5)를 통해 계속 배출할 수 있다. 반응수의 배출로 인한 수산화나트륨의 손실을 보충하기 위해, 10% 강도의 새로운 수산화나트륨 용액을 라인(7)을 통해 계속 도입한다. 반응열은 상기 반응기의 외부에 위치한 열 교환기(도 1에 제시되지 않음)를 통해 제거한다. 본 발명에 따르지 않는 펜탄알의 비교용 알돌 축합을 수행하기 위해, 실시예 1에 기술된 바와 같이, 교반 반응기가 반응 혼합 펌프 대신에 반응기로서 사용된다.
실시예 1 및 2를 수반한 표들은, 이들 표의 상부에 C5-알데히드 축합의 반응 조건을 나타낸 것이다. 각각의 실시예에 대한 이들 표의 아래 부분에서, 생성물 조성은 마찬가지로 GC 분석으로부터 질량%로 제시되었다. 확실히 하기 위해, 개별적인 C10-알데히드 및 C10-하이드록시알칸(알돌)의 이성체들 사이에 구분은 하지 않았다. 이들 값은 "2-프로필헵텐알" 및 "C10-알돌"로서 요약되어 있다. 알돌화의 부산물, 예를 들면, 3 또는 4개의 C5-알데히드의 알돌 반응(부가 및 축합)으로부터 형성된 삼합체 및 사합체가 마찬가지로 "고비점 물질(high boilers)/기타물질(miscellaneous)"로서 요약되어 있다.
실시예 1 (비교 실시예 )
교반 반응기에서의 n-펜탄알로부터의 2-프로필헵텐알의 제조
2-프로필헵텐알은, 교반기 축(stirrer shaft)에 설치된 4-블레이드 교반기가 장착된, 10개의 혼합 챔버가 있는 추출 칼럼(용적 2.1ℓ)의 형태인 교반 반응기에서 n-펜탄알을 축합시킴으로써 제조하였다. 연속 촉매 상(2% 강도의 수산화나트륨 용액)은 순환 펌프에 의해 순환시켰다. 출발 물질 n-발레르알데히드를 100ℓ 드럼(출발 물질 저장소)으로부터 취하여, 반응기 주입구의 NaOH 회로 업스트림으로 얇은 모세관을 통해 계속 펌핑하였다. 생성물 상 및 수성 촉매 상의 혼합물을, 상기 반응기의 다운스트림의 상 분리 용기로 공급하였다. 상기 상 분리 용기에서, 유기 생성물 상은 80℃에서 촉매 상으로부터 분리하였다. 상기 생성물 상을 분리한 후, 수성 상은 NaOH 회로로 도입하였다.
촉매 순환(2.0% 강도의 수성 NaOH)는 모든 실험에서 80ℓ/h이었다. 출발 물질 n-펜탄알은, NaOH 회로에서, 수성 상에 대한 유기 상의 상 비(PR) 1:10에 상응하는, 8ℓ/h의 처리량으로 공급한다. 출발 물질은 99.12질량%의 n-펜탄알을 함유하였고, 또한 0.70질량%의 고비점 물질/기타물질을 포함한 0.88질량%의 2차 성분을 함유하였다.
하기 표 1은 2000rpm(단위: revolutions per minute/rpm)의 교반기 속도로 3개 온도 110℃, 120℃, 130℃ 및 4bar의 압력에서의 n-펜탄알의 알돌화 결과를 나타낸 것이다. 정상 상태에서 3개의 시간(hr) 후의 연속 작동시 다음의 결과가 수득되었다.
Figure pct00001
상기 표로부터 알 수 있는 바와 같이, n-펜탄알 전환율은 반응 온도가 증가함에 따라 증가된다. 95%를 초과하는 n-펜탄알 전환율을 달성하기 위해, 120℃보다 높은 반응 온도가 상기 선택된 반응 조건하에 필요하다.
실시예 2 (본 발명에 따름)
반응 혼합 펌프에서의 n-펜탄알로부터의 2-프로필헵텐알의 제조
하기 실시예는, 반응 혼합 펌프에서의 n-펜탄알의 축합에 의한 2-프로필헵텐알의 제조를 기술한다. 가열 하우징 및 약 15㎖의 펌프 스트록(pump stroke)을 갖는 반응 펌프 모델 HR060(제조원: Fink)이 반응 혼합기로서 사용되었다.
연속 촉매 상(2% 강도의 수산화나트륨 용액)을 주입구를 통해 반응 혼합 펌프로 도입하였다. 출발 물질 n-발레르알데히드를 100ℓ 드럼(출발 물질 저장소)으로부터 취하여, 상기 반응 펌프의 혼합 챔버로 제2 주입구를 통해 계속 펌핑시켰다. 생성물 상 및 수성 촉매 상의 혼합물은 배출구를 통해 반응 펌프로부터 배출하고, 스테인리스 스틸 라인(2m 길이, 12㎜ 내경)을 통해 상 분리 용기로 전달하였다. 상기 상 분리 용기에서, 유기 생성물 상은 80℃에서 촉매 상으로부터 분리하였다. 상기 생성물 상을 분리한 후, 수성 상을 NaOH 회로로 도입하였다.
160ℓ/h의 촉매 순환(2.0% 강도의 수성 NaOH)은 모든 실험 세팅시 일정하게 유지하였다. 출발 물질 n-펜탄알은 수성 상에 대한 유기 상의 상 비(PR) 1:80에 상응하는, 2ℓ/h의 처리량으로 공급하였다. 상기 출발 물질은 98.82질량%의 n-펜탄알을 함유하였고, 또한 0.07질량%의 n-펜탄올, 0.53질량%의 2-프로필펩텐알 및 0.58질량%의 고비점 물질/기타물질을 포함한 1.18질량%의 2차 성분을 함유하였다.
하기 표 2는 3개의 반응 온도 110℃, 120℃ 및 130℃ 및 5bar의 압력에서의 n-펜탄알의 알돌화 결과를 나타낸 것이다. 정상 상태에서 3개의 시간(hr) 후의 연속 작동시 다음의 결과가 수득되었다.
Figure pct00002
상기 표로부터 알 수 있는 바와 같이, 94% 초과의 높은 n-펜탄알 전환율 및 97% 초과의 2-프로필헵텐알 선택도는 낮은 반응 용적에도 불구하고, 120℃보다 높은 온도에서 선택된 반응 조건하에 n-펜탄알의 알돌화를 위한 반응 펌프를 사용하는 경우에 달성된다.
실시예 3 (본 발명에 따름)
반응 혼합 펌프에서의 n-펜탄알로부터의 2-프로필헵텐알의 제조
하기 실시예는 약 1ℓ/h의 펜탄알 처리량 및 1:160의 상 비에서의 2-프로필헵텐알의 제조를 기술하고 있다. 비교 실시예 2, n-펜탄알 처리량은 다른 동일한 반응 조건하에 절반으로 줄었다.
표 3은 3개의 반응 온도 110℃, 120℃, 130℃ 및 5bar의 압력에서의 알돌화의 실험 결과를 보고하고 있다. 정상 상태에서 3개의 시간(hr) 후의 연속 작동시 다음의 결과가 수득되었다.
Figure pct00003
상기 표로부터 알 수 있는 바와 같이, n-펜탄알 전환율은, n-펜탄알 처리량을 감소시킴으로써, 실시예 2에 비해 개선될 수 있다. 이 방법에서, 98% 초과의 선택도에서의 약 97%의 높은 n-펜탄알 전환율은 반응 온도 120℃ 및 130℃에서 달성된다.
실시예 4 (본 발명에 따름)
반응 혼합 펌프에서의 n-펜탄알로부터의 2-프로필헵텐알의 제조
하기 실시예는 알돌화의 전환율 및 선택도에 끼치는, 일정한 펜탄알 처리량에서의 NaOH 순환의 증가의 영향을 기술하고 있다. 이를 위해, 촉매 순환은 120℃ 및 5bar에서 2ℓ/h의 펜탄알 처리량에서 80 내지 240ℓ/h의 범위로 변화시켰다.
표 4는 3개의 순환 세팅 80ℓ/h, 160ℓ/h 및 240ℓ/h에 대한 일정한 알데히드 처리량에서의 알돌화의 실험 결과를 나타낸 것이다. 정상 상태에서 3개의 시간(hr) 후의 연속 작동시 하기의 결과가 수득되었다.
Figure pct00004
상기 표로부터 알 수 있는 바와 같이, 1:40으로부터 1:80 및 1:120으로의 상 비의 증가에 상응하는, 80ℓ/h로부터 160 및 240ℓ/h로의 순환의 증가는, 93.4%로부터 97.7%로의 n-펜탄알 전환율의 상당한 증가를 유도한다.

Claims (15)

  1. 수성 염기의 존재하에 출발 알데히드의 촉매적 알돌 축합을, 반응기 전체를 통해 연속 유동이 발생하는 반응기 내에서 수행하는, α,β-불포화 알데히드의 제조 방법으로서, 상기 반응기가 반응 혼합 펌프임을 특징으로 하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반응 혼합 펌프가 다음의 피쳐(feature)들을 가짐을 특징으로 하는, 방법:
    a) 고정된 펌프 하우징,
    b) 상기 펌프 하우징 내에서 회전할 수 있도록 설치된 임펠러로서, 상기 임펠러의 원주 방향으로 개방되는 복수의 방사상으로 연장된 혼합 챔버들을 갖는 임펠러,
    c) 상기 혼합 챔버들을 둘러싸고, 상기 임펠러의 원주를 따라 상기 펌프 하우징 내에 연장된 혼합 채널,
    d) 반응 출발 물질용의 적어도 하나의 주입구 및 반응 생성물용의 하나의 배출구로서, 주입구 및 배출구가 상기 혼합 채널에 의해 유체가 유동할 수 있도록 연결된 주입구 및 배출구, 및
    e) 상기 임펠러가 회전될 수 있도록 하는 모터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 임펠러가 회전하는 경우, 반응 출발 물질로서의 상기 출발 알데히드 및 상기 수성 상은 하나의 조인트 주입구(joint inlet) 또는 개별 주입구들을 통해 상기 혼합 채널로 이동하고, 상기 알돌 축합이 상기 혼합 채널 내에서 일어나며, 반응 생성물로서의 α,β-불포화 알데히드가 상기 배출구를 통해 상기 혼합 채널에서 제거됨을 특징으로 하는, 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 알돌 축합이 상기 혼합 채널 내에서만 일어남을 특징으로 하는, 방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 임펠러가, 상기 혼합 채널을 따라 상기 반응물의 평균 유속보다 큰 원주 속도로 회전함을 특징으로 하는, 방법.
  6. 제3항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합 채널의 온도가 50 내지 180℃의 범위로 유지됨을 특징으로 하는, 방법.
  7. 제3항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 주입구에서 출발 알데히드에 대한 수성 염기의 비가 20 내지 400의 범위임을 특징으로 하는, 방법.
  8. 제3항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 반응 혼합 펌프에서의 체류 시간이 0.1 내지 2초임을 특징으로 하는, 방법.
  9. 제3항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서, 펜탄알을 데센알로 전환시킴을 특징으로 하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서, 적어도 90질량%의 n-펜탄알 함량을 갖는 C5-알데히드 혼합물이 사용됨을 특징으로 하는, 방법.
  11. 제10항에 있어서, 적어도 95질량%의 n-펜탄알 함량을 갖는 C5-알데히드 혼합물이 사용됨을 특징으로 하는, 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 혼합 채널의 온도가 110 내지 140℃의 범위임을 특징으로 하는, 방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 주입구에서 출발 알데히드에 대한 수성 염기의 비가 40 내지 240의 범위임을 특징으로 하는, 방법.
  14. 제9항에 있어서, 상기 반응 혼합 펌프에서의 체류 시간이 0.1 내지 1.5초임을 특징으로 하는, 방법.
  15. 제9항에 있어서, 상기 배출구를 통해 상기 반응 혼합 펌프로부터 배출되는 펌프 배출물을 70 내지 120℃의 온도 범위에서 상 분리함을 특징으로 하는, 방법.
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