KR20160084381A - 폴리올 에스테르 제조시 사이드-스트림으로부터 폴리올 에스테르-풍부 생성물 스트림을 수득하는 방법 - Google Patents

폴리올 에스테르 제조시 사이드-스트림으로부터 폴리올 에스테르-풍부 생성물 스트림을 수득하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폴리올 에스테르 제조시 사이드-스트림으로부터 폴리올 에스테르-풍부 생성물 스트림을 수득하는 방법에 관한 것이며, 이 방법에서, 폴리올을 탄소수 3 내지 20의 선형 또는 분지형 지방족 모노카복실산과 반응시키고, 형성되는 물은 제거하며, 반응하지 않은 출발 화합물을 분리한 후, 스팀 처리가 수행되고 이로부터 휘발성 사이드-스트림이 형성되고, 추가 스팀 처리에 의해, 폴리올 에스테르-풍부 생성물 스트림이 잔류물로서 수득된다.

Description

폴리올 에스테르 제조시 사이드-스트림으로부터 폴리올 에스테르-풍부 생성물 스트림을 수득하는 방법{METHOD FOR OBTAINING POLYOL ESTERS-ENRICHED PRODUCT STREAMS FROM THE SIDE-STREAMS IN POLYOL ESTER PRODUCTION}
본 발명은 폴리올 에스테르 제조로부터의 2차 스트림으로부터 폴리올 에스테르가 풍부한 생성물 스트림을 수득하는 방법에 관한 것이다.
폴리올 에스테르로도 불리는, 다가 알콜의 에스테르는 예를 들면, 가소제 또는 윤활제로서, 산업계에서의 광범위한 다양한 용도가 밝혀져 있다. 적합한 출발 물질의 선택으로 물리적 특성, 예를 들면, 비점 또는 점도가 조절될 수 있고, 화학적 특성, 예를 들면, 내가수분해성(hydrolysis resistance) 또는 산화 분해에 대한 안정성이 고려되도록 할 수 있다. 폴리올 에스테르는 또한 특정한 성능 문제의 해결책에 맞추어질 수도 있다. 폴리올 에스테르의 용도에 대한 상세한 개요는 예를 들면, 문헌[참조: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5th edition, 1985, VCH Verlagsgesellschaft, vol. A1, pages 305-319; 1990, vol. A15, pages 438-440, Kirk Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology, 3rd edition, John Wiley & Sons, 1978, vol. 1, pages 778-787; 1981, vol. 14, pages 496-498]에서 찾을 수 있다.
윤활제로서의 폴리올 에스테르의 용도는 산업적으로 매우 중요하고, 폴리올 에스테르는 특히 광유계 윤활제가 조건 세트만을 불완전하게 충족시키는 사용 분야에 사용된다. 폴리올 에스테르는 특히 터빈 엔진 및 기기 오일로서 사용된다. 윤활제 적용을 위한 폴리올 에스테르는 종종 알콜 성분으로서, 1,3-프로판디올, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 1,2-헥산디올, 1,6-헥산디올, 네오펜틸 글리콜, 트리메틸올프로판, 펜타에리트리톨, 2,2,4-트리메틸펜탄-1,3-디올, 글리세롤 또는 TCD 알콜 DM으로도 공지된, 3(4),8(9)-디하이드록시메틸트리사이클로[5.2.1.02,6]데칸을 기재로 한다.
폴리올 에스테르는 또한 가소제로서 상당한 정도로 사용된다. 가소제는 플라스틱, 피복재, 밀봉재 및 고무 제품에서 다양한 용도가 밝혀져 있다. 이들은 바람직하게는 이들의 용해 및 팽윤 능력에 의하여, 화학적으로 반응하지 않고 고중합체성 열가소성 물질과 물리적으로 상호작용한다. 이는 균질한 시스템을 형성하고, 이의 열가소성 범위는 원래의 중합체와 비교하여 더 낮은 온도로 이동하며, 하나의 결과는 이의 기계적 특성이 최적화된다는, 예를 들면, 변형능, 탄성 및 강도가 증가하고, 경도가 감소된다는 것이다.
특정한 종류의 폴리올 에스테르(이는 줄여서 G 에스테르라고 칭함)는 알콜 성분으로서 디올 또는 에테르 디올, 예를 들면, 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 테트라에틸렌 글리콜, 1,2-프로필렌 글리콜 또는 고급 프로필렌 글리콜을 함유한다. 이들은 상이한 방식으로 제조할 수 있다. 알콜과 산의 반응 외에, 임의로 산성 촉매의 존재하에, 디올과 산 할라이드와의 반응, 카복실산 에스테르와 디올과의 에스테르 교환 및 카복실산으로의 에틸렌 옥사이드의 부가(에톡실화)를 포함한, 추가의 공정이 실제로 사용되어 G 에스테르를 수득한다. 산업적 제조에서, 디올과 카복실산과의 직접 반응 및 카복실산의 에톡실화만이 제조 공정으로서 달성되게 되었으며, 통상적으로 디올과 산과의 에스테르화가 바람직하다. 이는 당해 공정이 통상적인 화학 장치가 특별히 복잡하지 않고도 수행될 수 있고, 화학적으로 균질한 생성물을 수득하기 때문이다. 이와 비교하여, 에톡실화는 막대하고 비용이 많이 드는 기술 장치를 필요로 한다.
알콜과 카복실산과의 직접 에스테르화는 유기 화학에서의 기본 조작들 중의 하나이다. 반응 속도를 증가시키기 위하여, 전환은 통상적으로 촉매의 존재하에 수행한다. 과량의 반응물들 중의 하나의 사용 및/또는 반응 동안 형성된 물의 제거로, 평형이 질량 작용 법칙에 따라 반응 생성물, 즉 에스테르 쪽으로 이동하는 것이 보장되며, 이는 고수율이 달성됨을 의미한다.
또한 에틸렌 글리콜과 지방산과의 에스테르를 포함하는, 다가 알콜의 에스테르의 제조 및 선택된 대표적인 당해 화합물 종류의 특성에 대한 포괄적인 정보는 문헌[참조: Goldsmith, Polyhydric Alcohol Esters of Fatty Acids, Chem. Rev. 33, 257 ff. (1943)]에서 찾을 수 있다. 예를 들면, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜 및 폴리에틸렌 글리콜의 에스테르는 130 내지 230℃의 온도에서 2.5 내지 8시간의 반응 시간에 걸쳐 제조한다. 다가 알콜의 에스테르화에 대하여 언급된 적합한 촉매는 무기산, 산성염, 유기 설폰산, 아세틸 클로라이드, 금속 또는 양쪽성 금속 산화물이다. 반응수(water of reaction)는 비말동반제(entraining agent), 예를 들면, 톨루엔 또는 크실렌의 도움으로 또는 불활성 기체, 예를 들면, 이산화탄소 또는 질소를 도입함으로써 제거한다.
폴리에틸렌 글리콜의 지방산 에스테르의 제조 및 특성은 문헌[참조: Johnson (edit.), Fatty Acids in Industry (1989) Chapter 9, Polyoxyethylene Esters of Fatty Acids]에 논의되어 있으며, 일련의 제조 힌트가 제시되어 있다. 보다 높은 디에스테르 농도는 카복실산 대 글리콜의 몰 비 증가에 의하여 달성된다. 반응수의 적합한 제거 수단은 수 불혼화성 용매의 존재하의 공비 증류, 불활성 기체로 통과시키면서 가열, 또는 건조제의 존재하에 감압하의 반응 수행이다. 촉매의 첨가가 필요 없는 경우, 보다 긴 반응 시간 및 보다 높은 반응 온도를 필요로 한다. 두 반응 조건 모두 촉매의 사용에 의하여 보다 약하게 만들 수 있다. 황산 외에, 유기산, 예를 들면, p-톨루엔설폰산 및 폴리스티렌 유형의 양이온 교환제가 바람직한 촉매이다. 주석 또는 철과 같은 금속 분말의 사용이 또한 기재되어 있다. US 제2,628,249호로부터의 교시에 따라, 황산 또는 설폰산을 사용한 촉매작용의 경우의 색상 문제는 활성탄의 존재하에 작업하는 경우 완화될 수 있다.
폴리올 에스테르를 제조하는 데 사용되는 추가의 금속 촉매는 또한 예를 들면, US 제5,324,853 A1호에 따라, 티탄, 지르코늄 또는 주석의 알콕사이드, 카복실레이트 또는 킬레이트이다. 이러한 금속 촉매는 일반적으로 180℃ 초과의 높은 에스테르화 온도에서만 이들의 전체 활성을 달성하므로, 고온 촉매로서 고려될 수 있다. 이들은 종종 에스테르화 반응의 개시시가 아니라, 반응 혼합물이 이미 가열되어 부분적으로 반응하고 물이 제거된 후 첨가한다. 통상적인 황산 촉매와 비교하여 필요한 상대적으로 높은 반응 온도 및 상대적으로 긴 반응 시간에도 불구하고, 이러한 금속 화합물을 사용한 촉매 작용의 경우 상대적으로 낮은 색수(color number)를 갖는 조(crude) 에스테르가 수득된다. 통상적인 에스테르화 촉매는 예를 들면, 테트라이소프로필 오르토티타네이트, 테트라부틸 오르토티타네이트, 테트라부틸 지르코네이트 또는 주석(II) 2-에틸헥사노에이트이다.
폴리올 에스테르를 제조하기 위한 추가의 방법이 예를 들면, DE 제10 2009 048 771 A1호, DE 제10 2009 048 772 A1호, 및 DE 제10 2009 048 775 A1호에 논의되어 있다. 이 방법에서는 수득된 조 에스테르를 후처리하는 동안 스팀 처리시킨다.
폴리올 에스테르의 색수를 향상시키기 위해, 퍼옥사이드 화합물과의 처리가 에스테르화 단계 후 수득된 조 에스테르의 후처리 공정 동안 수행될 수 있음이 마찬가지로 공지되어 있다(DE 제 10 2009 048 773 A1호). 폴리올 에스테르의 색상을 엷어지게 하기 위해 오존 또는 오존-함유 기체를 사용하는 유사한 방법이 DE 10 2009 048 774 A1호에 기재되어 있다. 두 방법 모두의 공통점은 산화 처리에 이어서, 추가의 중간 단계 없이 스팀 처리가 바로 후속된다는 점이다. 유리하게는, 상기 스팀 처리 동안 과량의 퍼옥사이드 또는 오존-함유 화합물이 파괴되고 도입된 물이 제거된다.
하지만, 조 에스테르의 스팀 처리에서 제거된 스트림은 많은 추가의 2차 성분과 함께 상당한 양의 원하는 폴리올 에스테르를 포함한다. 일반적으로, 2차 스트림으로도 여겨질 수 있고, 유기 성분에 기초하는, 스팀 처리 동안 제거되는 상기 스트림은, 모노에스테르의 중량 기준으로 1% 내지 30%, 폴리올 에스테르의 중량 기준으로 40% 내지 80%, 및 중량 기준으로 100%가 되게 하는 나머지로서의 출발 카복실산 및 이의 에스테르와 같은 2차 성분, 저비점 물질, 및 고비점 물질을 포함한다.
스팀과 함께 제거된 2차 스트림에서 폴리올 에스테르의 함량이 비교적 높기 때문에, 폴리올 에스테르 제조로부터의 상기 2차 스트림으로부터 폴리올 에스테르가 풍부한 생성물 스트림을 회수하기 위한 공정이 필요하고, 폴리올 에스테르 제조 공정으로 이를 재순환시킬 필요가 있다. 폴리올 에스테르의 이러한 추가적인 양의 회수는 전체적인 반응의 원료 효율을 향상시키고, 값비싼 설비 투자 없이 동일한 플랜트 구성을 갖는 생산 플랜트의 능력을 뚜렷하게 증가시킨다.
그러므로, 본 발명은, 폴리올 에스테르 제조로부터의 2차 스트림으로부터 폴리올 에스테르가 풍부한 생성물 스트림을 수득하는 방법으로서,
a) 형성되는 물을 제거하면서, 폴리올을 탄소수 3 내지 20의 선형 또는 분지형 지방족 모노카복실산과 반응시키는 단계;
b) 형성된 조 에스테르로부터 비전환 출발 화합물들을 제거하는 단계;
c) 휘발성 2차 스트림을 형성하기 위해 단계 b)에서 수득된 조 에스테르를 스팀으로 처리하는 단계; 및
d) 단계 c)에서 수득된 휘발성 2차 스트림을 제거하는 단계를 포함하고,
단계 d)에서 수득된 휘발성 2차 스트림을 수성 상 및 유기 상으로 분리하고, 제거한 유기 상을 추가 스팀 처리하여, 폴리올 에스테르가 풍부한 생성물 스트림을 잔류물로서 수득하는 것을 특징으로 하는 방법으로 구성된다.
놀랍게도, 조 에스테르의 스팀 처리 후에 수득되고 제거된 상기 휘발성 2차 스트림을 추가 스팀 처리로 처리하여, 이 과정에서 원하는 폴리올 에스테르의 함량이 농축될 수 있다는 것이 밝혀졌다.
조 에스테르 처리로부터의 상기 휘발성 2차 스트림은 제거되어 2차 스트림이 수성 상 및 유기 상으로 분리되는 응축 용기로 전달된다. 상기 유기 상은 바람직한 폴리올 에스테르 뿐만 아니라, 폴리올 및 모노카복실산 출발 화합물, 모노에스테르, 및 분해생성물(특히 에테르 디올의 에스테르화의 경우)을 포함한다. 일반적으로, 상기 폴리올 에스테르의 함량은 휘발성 2차 스트림을 포함하는 제거된 유기 상에서, 중량 기준으로 40% 내지 80%이다.
폴리올 에스테르 함량의 농축을 위하여, 물-함유 2차 스트림으로부터 제거된 상기 유기 상을, 예를 들면, 스팀의 도입에 의해 간단한 형태로 이루어질 수 있는 추가의 스팀 처리를 다시 시킬 수 있다. 상기 공정 동안, 폴리올 또는 모노 카복실산 출발 화합물과 같은 저비점 화합물, 및 모노에스테르는 제거된다. 상기 추가적인 스팀 처리의 조건은, 한편으로는 휘발성 성분의 충분한 제거를 달성하기 위해, 한편으로는 열응력의 결과로서 색수의 너무 큰 상승을 피하기 위해, 알맞은 제어된 방식으로 맞춰질 수 있다. 상기 추가 스팀 처리는 일반적으로 표준 압력에서 수행하지만, 예를 들면, 400hPa까지의 약간의 감압의 사용도 배제하지는 않는다. 조작은 120 내지 260℃의 범위내, 바람직하게는 150 내지 220℃의 범위내의 온도에서 폴리올 에스테르 함량이 만족스러울 때까지, 일반적으로 1 내지 10시간, 바람직하게는 1 내지 5시간 동안 이루어진다. 적합하게는, 예를 들면, 120℃의 온도에서 스팀 처리를 시작하고 하거나 또는 둘 이상의 단계에서 처리 온도를 단계적으로 상승시키는 계획된 온도 프로파일이 사용된다. 임의로, 동시에 상기 압력은 표준 압력으로부터 단계적으로 진행하여 감소될 수 있다. 특정 단계에서 달성되는 온도 및 압력 조건, 단계의 수 및 단위 시간당 각각의 온도 증가 또는 압력 감소율은 넓은 범위에 걸쳐 변화될 수 있고, 휘발성 성분의 잔류 함량 및 특정 값의 색수를 위한 요건에 의하여 좌우된다. 더 강한 스팀 처리가 수행될수록, 휘발성 성분의 잔류 함량이 감소될 수 있는 정도가 더 커지지만, 색수 하락의 위험이 더 커진다. 그러므로, 처리된 2차 스트림에서 바람직한 폴리올 에스테르 함량과 색수 사이의 허용되는 절충을 달성하기 위해, 추가의 스팀 처리를 위한 조건은 정확하게 맞춰줘야 한다.
예를 들면, 표준 압력에서, 150℃로 시작하는, 추가의 스팀 처리는 첫번째로 1시간 동안 수행될 수 있고, 이어서 온도는 180℃로 상승될 수 있고, 상기 온도에서 처리가 추가로 1시간 동안 이루어질 수 있고, 이어서 200℃로 온도를 상승시킨 후 추가로 2시간의 기간 이상 수행되어 완성될 수 있다.
본 발명의 방법의 한 구성에서, 스팀 처리는 흡착제의 존재하에 수행된다. 이는 실험실 및 산업용 플랜트 둘 다에서 화학적 실시에 통상적으로 사용되는 다공성 고 표면적 고체 물질 사용을 수반한다. 이러한 물질의 예는 고 표면적 폴리규산, 예를 들면, 실리카 겔(실리카 크세로겔), 키셀구어(kieselguhr), 고 표면적 알루미늄 및 알루미늄 수화물, 광물 물질, 예를 들면, 점토 또는 탄산염 또는 활성탄이다. 활성탄이 특히 유용한 것으로 밝혀졌다. 일반적으로, 흡착제는 제거된 유기 상에 미세하게 현탁되고, 제거된 유기 상은 강한 교반에 의하여 또는 스팀을 도입하여 교반된다. 이로부터 수성 상과 흡착제 사이의 긴밀한 접촉이 달성된다. 흡착제의 양은 실질적으로 자유롭게, 따라서 개별적 요건에 따라 맞취질 수 있다. 액체 반응 혼합물 100중량부를 기준으로 하여, 흡착제 0.1 내지 5중량부, 바람직하게는 0.1 내지 1.5중량부를 사용하는 것이 유용하다. 수성 상 100중량부를 기준으로 하여, 흡착제 0.1 내지 5중량부, 바람직하게는 0.5 내지 1.5중량부를 사용하는 것이 유용하다는 것이 밝혀져 있다. 후속적으로 상기 흡착제는 통상적인 여과 장치에서, 표준 온도 또는 120℃ 이하의 온도에서, 임의로 셀룰로스, 실리카 겔, 키셀구어, 목재분과 같은 통상적인 여과 조제의 존재하에서 여과된다.
후처리된 폴리올 에스테르는 추가의 스팀 처리에서 액체 잔류물로서 수득되고, 일반적으로 액체 잔류물 기준으로, 80중량% 이상, 바람직하게는 90중량% 이상의 함량 값의 생성물을 함유한다. 따라서 후속적으로, 회수된 상기 폴리올 에스테르를 상기 제조 방법으로 재순환시킨다.
필요한 경우, 회수된 폴리올 에스테르의 색수는 산화제 처리에 이어 즉시 후속되는 스팀 처리에 의하여, 예를들면, DE 제10 2009 048 773 A1호에 기재된 과산화수소 수용액 처리에 의해, 또는 DE 제10 2009 048 774 A1호로 부터 공지된 방법에 의한 오존 또는 오존-함유 기체 처리에 의해 낮출 수 있다.
폴리올과 지방족 모노카복실산 출발 화합물 간의 반응은, 사용되는 물질에 따라, 약 120 내지 180℃ 범위 내에서 설정되고, 후속적으로 상이한 방법으로 완료되도록 수행할 수 있다.
본 발명의 방법의 한 구성에서, 반응수 제거를 용이하게 하기 위하여, 먼저 가열하고, 실온 내지 최대 280℃, 바람직하게는 250℃ 이하의 온도에서 진행하고, 온도는 일정하게 유지시키면서, 표준 압력으로부터 단계적으로 진행하여 압력을 저하시킴을 수반한다. 한 스테이지든, 두 스테이지 이상이든, 압력 스테이지의 선택 및 특정 스테이지에서 달성되는 압력의 선택은 넓은 범위에 걸쳐 변화할 수 있고 특정한 조건에 매칭될 수 있다. 예를 들면, 제1 스테이지에서, 압력은 먼저 표준 압력으로부터 진행하여 600hPa까지 저하시킬 수 있고, 이어서 반응은 300hPa의 압력에서 완료되도록 수행하였다. 당해 압력 수치는 적합하게 준수되는 가이드 값이다.
압력의 변화 뿐만 아니라, 온도가 일정 압력에서 단계적으로, 통상적으로 280℃의 최대 온도까지 증가하도록, 에스테르화 반응 동안 실온으로부터 진행하여 1개의 스테이지 또는 2개 이상의 스테이지에서 온도를 변경시키는 것도 가능하다. 그러나, 단계적으로 온도를 상승시켜 최대 280℃로 가열하고, 또한 단계적으로 압력을 저하시키는 것이 적합한 것으로 밝혀졌다. 예를 들면, 제1 스테이지에서 실온으로부터 진행된 에스테르화 반응은 190℃ 이하의 온도에서 수행할 수 있다. 반응수의 제거를 촉진시키기 위하여, 600hPa까지의 감압이 또한 적용된다. 190℃의 온도 레벨의 달성 후, 압력을 다시 한번 300hPa까지 저하시키고, 에스테르화 반응은 230℃ 이하의 온도에서 완료되도록 수행한다. 이러한 온도 및 압력 수치는 적합하게 충족시키는 가이드 값이다. 특정 스테이지에서 달성되는 온도 및 압력 조건, 스테이지의 수 및 단위 시간당 각각의 온도 증가 또는 압력 감소율은 넓은 범위에 걸쳐 변화될 수 있고, 출발 화합물과 반응 생성물의 물리적 특성에 따라 매치될 수 있으며, 제1 스테이지의 온도 및 압력 조건은 표준 압력 및 실온으로부터 진행하여 달성된다. 온도를 2개의 스테이지에서 증가시키고 압력을 2개의 스테이지에서 낮추는 것이 특히 적합한 것으로 밝혀졌다.
달성되는 압력의 하한은 출발 화합물과 형성된 반응 생성물의 물리적 특성, 예를 들면, 비점 및 증기압에 좌우되고, 또한 플랜트 장치에 의하여 고정된다. 표준 압력으로부터 진행하여, 당해 한계 내에서 압력을 단계별로 감소시키면서 단계적으로 작업하는 것이 가능하다. 온도 상한, 통상적으로 280℃는 그중에서도 색상에 손상을 줄 수 있는 분해 생성물의 형성을 피하기 위하여 준수되어야 한다. 온도 스테이지들의 하한은 반응 속도에 의하여 결정되며, 이는 허용 기간 내에 에스테르화 반응을 종결시키기에 여전히 충분히 높아야 한다. 당해 한계 내에서, 온도를 스테이지 별로 상승시키면서 단계적으로 작업하는 것이 가능하다.
에스테르화는 화학양론적 양의 폴리올 및 지방족 모노카복실산으로 시작될 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 일반적으로 사용되는 폴리올보다 저비점을 갖고 조 에스테르의 후속적 후처리에서 간단한 방식으로 증류에 의해 제거할 수 있는 폴리올을, 과량의 모노카복실산과 반응시킬 수 있다. 상기 지방족 모노카복실산은 상기 폴리올 중의 에스테르화될 하이드록실 그룹 1몰당, 10 내지 50% 몰 과량, 바람직하게는 20 내지 40% 몰 과량으로 사용된다.
형성된 반응수는 에스테르화 반응 동안 과량의 모노카복실산과 함께 반응 용기로부터 증류되어 다운스트림 상 분리기로 통과하며, 여기서 모노카복실산과 물이 이들의 용해도 특성에 따라 분리된다. 반응 용기와 상 분리기 사이에는 1 내지 25, 바람직하게는 2 내지 10, 특히 3 내지 6의 이론 단수를 갖는 분별 증류컬럼을 또한 설치할 수 있다. 여기서, 물-풍부 분획은 상기 컬럼의 상부를 통하여 상 분리기로 들어가고, 모노카복실산-풍부 분획은 상기 컬럼의 하부를 통하여 반응 용기로 흘러 들어온다.
사용된 모노카복실산은 또한 반응 조건하에 물과의 공비혼합물을 형성하고, 비말동반제로서 반응수를 제거할 수 있는 경우가 있을 수 있다. 반응 공정에 이어 물이 발생될 수 있다. 분리된 물은 공정으로부터 제거하고, 그 동안 모노카복실산은 상 분리기로부터 유동하여 반응 용기로 되돌아온다. 공비제의 기능을 한다고 추정되는, 추가의 유기 용매, 예를 들면, 헥산, 1-헥센, 사이클로헥산, 톨루엔, 크실렌 또는 크실렌 이성체 혼합물의 부가가 배제되지 않지만, 이는 몇 개의 예외적인 경우로 제한된다. 공비제는 에스테르화 반응 개시시 또는 상대적으로 고온에 도달한 후 가능한 한 일찍 첨가할 수 있다. 물의 이론적 예상량이 수득되거나, 예를 들면, DIN 53240에 따라 측정된 하이드록실가가 고정된 값 미만으로 떨어질 때, 반응은 종료되고, 반응 혼합물의 후처리는 시작된다.
폴리올과 지방족 모노카복실산의 반응은 촉매의 사용 없이 수행될 수 있다. 이 다른 형태의 반응은 원하지 않은 폴리올 에스테르 오염을 초래할 수 있는 반응물 중 불순물의 공급을 피할 수 있는 것에 이점을 갖고 있다. 하지만 이 경우 일반적으로 보다 높은 반응 온도의 관찰을 필요로 한다. 이 방법만이 충분하게, 예를 들면, 경제적으로 허용가능한 속도로 전환을 진행하는 것을 보장할 수 있기 때문이다. 흔히, 지방족 모노카복실산이 유리하게는 과량으로 사용되고, 이는 폴리올의 반응 성분임과 동시에 촉매 활성일 수 있어, 에스테르화 반응은 자체 촉매 작용으로 진행될 수 있다.
하지만, 반응을 용이하게 하고, 반응 속도를 증가시키는 촉매의 사용은 언제나 피할 수 있는 것은 아니다. 브뢴스테드 산과 같은 표준 에스테르화 촉매, 예를 들면, 황산, 메탄설폰산, 및 파라-톨루엔설폰산, 특히 고체 또는 액체 형태로 사용될 수 있는, 원소 주기율표의 4족 내지 14족의 원소 하나 이상을 함유하는 루이스산이 유용한 것으로 밝혀져 있다. 본 발명과 관련하여 용어 "루이스산"은, 예를 들면 문헌 [참조: Rompp's Chemie-Lexikon, 8th edition, Franck'sche Verlagshandlung 1983, Volume 3, H-L]에서 설명되는 바와 같이, 전자쌍 갭을 갖는 원소 또는 화합물에 대한 일반적인 표준 정의를 의미하는 것으로 이해된다. 에스테르화 반응에서 촉매로 사용될 수 있는 특히 적합한 루이스 산은, 미분된 형태의 원소 또는 바람직하게는 화합물의 형태로 사용되는, 티탄, 지르코늄, 하프늄, 철, 아연, 붕소, 알루미늄 또는 주석을 포함한다. 적합한 화합물은, 예를 들면 산화주석(II), 산화주석(IV), 주석 카복실레이트, 예를 들면 주석(II) 2-에틸헥사노에이트, 주석(II) 옥살레이트, 주석(II) 아세테이트 또는 주석(IV) 아세테이트, 주석(IV) 알콕사이드, 예를 들면 테트라메틸 스타네이트, 테트라에틸 스타네이트, 테트라프로필 스타네이트, 테트라이소프로필 스타네이트 또는 테트라이소부틸 스타네이트 또는 유기주석 화합물, 예를 들면 부틸틴 말레에이트 또는 디부틸틴 디라우레이트이다. 적합한 티탄 화합물은 알콕사이드, 예를 들면 테트라메틸 오르토티타네이트, 테트라에틸 오르토티타네이트, 테트라프로필 오르토티타네이트, 테트라이소프로필 오르토티타네이트, 테트라부틸 오르토티타네이트, 테트라이소부틸 오르토티타네이트, 테트라펜틸 오르토티타네이트 또는 테트라(2-에틸헥실) 오르토티타네이트; 아실레이트, 예를 들면 하이드록시티탄 아세테이트, 하이드록시티탄 부티레이트 또는 하이드록시티탄 펜타노에이트; 카복실레이트, 예를 들면 티탄(IV) 아세테이트, 티탄(IV) 프로피오네이트, 티탄(IV) 부티레이트, 티탄(IV) 펜타노에이트, 또는 티탄(IV) 2-에틸헥사노에이트; 또는 킬레이트, 예를 들면 테트라에틸렌 글리콜 티타네이트 또는 테트라프로필렌 글리콜 티타네이트를 포함한다. 또한, 상응하는 지르코늄 또는 하프늄 화합물, 예를 들면 테트라메틸 오르토지르코네이트, 테트라에틸 오르토지르코네이트, 테트라프로필 오르토지르코네이트, 테트라이소프로필 오르토-지르코네이트, 테트라부틸 오르토지르코네이트, 테트라이소부틸 오르토지르코네이트, 테트라펜틸 오르토지르코네이트 또는 테트라(2-에틸헥실) 오르토지르코네이트를 성공적으로 사용할 수 있다.
마찬가지로, 붕산 및 붕산 에스테르, 예를 들면 트리메틸 보레이트, 트리에틸 보레이트, 트리프로필 보레이트, 트리이소프로필 보레이트, 트리부틸 보레이트 또는 트리이소부틸 보레이트가 적합하다.
마찬가지로, 산화알루미늄, 수산화알루미늄, 알루미늄 카복실레이트, 예를 들면 알루미늄 아세테이트 또는 알루미늄 스테아레이트, 또는 알루미늄 알콕사이드, 예를 들면 알루미늄 트리부톡사이드, 알루미늄 트리-2급-부톡사이드, 알루미늄 트리-3급-부톡사이드 또는 알루미늄 트리이소프로폭사이드가 적합하다.
또한, 촉매로서 산화아연, 황산아연 및 아연 카복실레이트, 예를 들면 아연 아세테이트 디하이드레이트 또는 아연 스테아레이트, 및 철(II) 아세테이트 또는 철(III) 하이드록사이드 옥사이드를 사용할 수 있다.
촉매는 출발시와 같이 초기에, 또는 단지 후속적으로 승온에서 안전성 수치의 관측과 함께, 예를 들면 반응수의 제거가 시작될 때, 반응 혼합물에 첨가될 수 있다. 상기 촉매는 하나의 분량으로 또는 여러개의 분량으로 첨가될 수 있다. 에스테르화 반응의 종료 무렵 다른 잔존량의 촉매를 첨가하는 것이 특히 권장된다.
첨가되는 에스테르화 촉매의 양은, 부족하게 첨가되는 출발 화합물에 기초하여, 적합하게는 폴리올에 기초하여, 1 x 10-5 내지 20몰%, 바람직하게는 0.01 내지 5몰%, 특히 0.01 내지 2몰%이다. 더욱 많은 양의 촉매의 경우, 폴리올 에스테르의 개열 반응이 예상될 것이다.
특히, 에테르 디올, 예를 들면 트리에틸렌 글리콜 또는 테트라에틸렌 글리콜에 기초하여 폴리올 에스테르를 제조하는 경우, 반응 말기에 높은 촉매 농도를 사용하는 경우 및 유리 하이드록실 그룹의 마지막 잔기의 전환 시기에, 에테르 쇄의 절단이 증가하는 위험이 있기 때문에, 이러한 경우 적용되는 반응 온도 또는 압력을 조절해야 한다. 선택되는 촉매 농도가 높을수록 일반적으로 적용되는 반응 온도 또는 압력은 낮게 선택되어야 하며, 최적 온도 및 압력 프로파일이 사용되어야 한다.
본 발명의 방법의 한 구성에서, 에스테르화는 흡착제의 존재하에 수행될 수있다. 이는 실험실 및 산업 플랜트 모두에서 화학적 실시에 통상적으로 사용되는 다공성의 고표면적 고체 물질의 사용을 포함한다. 이러한 물질의 예는 고표면적 폴리규산, 예를 들면 실리카겔(실리카 크세로겔), 규조토, 고표면적 알루미나 및 알루미나 하이드레이트, 무기 물질, 예를 들면 점토 또는 카보네이트 또는 활성탄이다. 활성탄이 특히 유용한 것으로 밝혀졌다. 일반적으로, 흡착제는 반응 용액 중에 미세하게 현탁되며, 이는 격렬한 교반 및 불활성 기체의 도입에 의해 진탕된다. 이로써 수성 상과 흡착제간의 긴밀한 접촉이 달성된다. 흡착제의 양은 실질적으로 자유롭게, 따라서 개별 요구조건에 따라서 설정될 수 있다. 액체 반응 혼합물 100 중량부에 기초하는 경우, 흡착제를 0.1 내지 5 중량부, 바람직하게는 0.5 내지 1.5 중량부 사용하는 것이 유용하다는 것이 밝혀져 있다.
반응이 끝난 후 수득되는 반응 혼합물은, 목적하는 반응 생성물로서의 폴리올 에스테르뿐만 아니라, 본 발명에 따른 방법의 바람직한 양상에 따라 모노카복실산을 과량으로 사용하는 경우, 임의의 비전환된 출발 물질, 더욱 특히 지방족 모노카복실산을 여전히 과량으로 포함한다. 통상적으로, 과량으로 존재하는 비전환된 출발 화합물은 적절히 감압을 적용하여 먼저 증류 제거시킨다. 조작이 고체 에스테르화 촉매, 예를 들면, 산화주석(II), 산화아연, 또는 철(III) 하이드록사이드 옥사이드의 첨가로 이루어지는 경우, 상기 고체는 추가의 후처리 동안 에스테르화 반응이 끝난 후에 제거된다. 에스테르화 촉매가 에스테르화 반응 종료 후에도 여전히 반응 혼합물에 녹아 있는 액체 화합물, 예를 들면, 테트라이소프로필 오르토티타네이트 또는 테트라부틸 오르토티타네이트로 첨가되는 경우, 이러한 화합물들은 추가의 후처리 동안, 예를 들면 물 또는 스팀 처리에 의해 난용성 전환생성물로 전환되고, 이들은 이어 여과하여 제거할 수 있다.
필요하다면, 고체 및 모든 흡착제는, 에스테르화가 흡착제 존재 하에 수행되는 경우, 조 에스테르를 여과하여 제거할 수 있다. 여과는 표준 온도 또는 표준 압력 또는 120℃의 온도 이하, 임의로 표준 여과 조제, 예를 들면 셀룰로스, 실리카 겔, 키셀구어, 목재분의 존재 하에서 통상적인 여과 장치로 이루어질 수 있다.
다음으로는 예를 들면, 조 생성물에 스팀을 도입하는 간단한 방식으로 이루어질 수 있는 스팀 처리가 후속된다. 상기 스팀 처리는 여과 단계가 스팀 처리 전에 수행되거나 안 되거나 함에 따르는 고체의 존재 또는 부재하에 이루어질 수 있다. 상기 스팀 처리는 색수 및 조 에스테르의 색 안정성 또한 향상시킬 수 있다.
스팀 처리는 일반적으로 표준압에서 수행하지만, 적합하게는 400hPa까지의 약간의 감압의 사용도 배제하지는 않는다. 스팀 처리는 120 내지 260℃, 바람직하게는 150 내지 220℃, 특히 170 내지 200℃의 온도에서 일반적으로 수행하고, 또한 각각의 경우에 제조되는 폴리올 에스테르의 물리적 특성에 의하여 좌우되기도 한다.
스팀 처리의 공정 단계에서, 폴리올 에스테르와 첨가된 산화 또는 환원 화합물과의 혼합물을 스팀 처리에 필요한 온도까지 가열하기 위하여, 작업 온도에 도달될 때까지 가열 기간 동안 매우 약하게 진행하는 것이 적합한 것으로 밝혀졌다.
스팀 처리의 기간은 정규 시험에 의하여 결정될 수 있고, 이는 0.5 내지 10시간, 바람직하게는 1 내지 5시간의 기간에 걸쳐 수행한다. 과도하게 긴 스팀 처리는 폴리올 에스테르의 색수의 불필요한 증가를 유도하고, 따라서 피해야 한다. 또한, 산성 화합물을 제공하는 폴리올 에스테르의 증가된 분해 반응이 관찰되며, 당해 산성 화합물의 함량은 예를 들면, DIN EN ISO 3682/ASTM D 1613에 따라 측정되는 중화가 또는 산가 상승에서 명백하다.
조 에스테르의 색수에 의해 요구되는 경우, 색상을 엷어지게 하기 위해, 수행되는 임의의 여과 이후에 조 에스테르의 스팀 처리 직전에 산화 화합물로의 처리가 임의로 후속될 수 있다. 적합한 산화 화합물은 퍼옥사이드 화합물 또는 오존 및 오존-함유 기체이다. 10중량% 초과, 바람직하게는 30 내지 50중량%의 과산화수소 함량을 갖는 과산화수소 수용액이 특히 적합하다. 통상적으로, 퍼옥사이드 화합물은 처리될 조 에스테르의 총량 기준으로 0.05 내지 1.0중량%, 바람직하게는 0.08 내지 0.3중량%인 활성 함량으로 첨가된다. 과도하게 높은 활성 농도의 경우, 폴리올 에스테르의 제어되지 않는 분해 반응이 예상되어 진다.
퍼옥사이드 화합물로의 처리는 일반적으로 70 내지 160℃, 바람직하게는 100 내지 120℃에서, 0.5 내지 3시간의 처리 기간 동안 수행된다. 과도하게 긴 처리 시간의 경우, 존재하는 물 및 산화제로 인하여 에스테르의 분해 및 폴리올 에스테르 구조의 조절되지 않는 분해가 증가된다.
오존 또는 오존-함유 기체가 색상을 엷어지게 하는데에 활용되는 경우, 오존은 폴리올 에스테르 1리터당, 0.01 내지 5g, 바람직하게는 0.2 내지 0.8g의 양으로 사용한다. 오존의 보다 많은 양은 폴리올 에스테르 구조의 증가된 분해 반응 개시로 인하여 권할만하지 않다. 오존이 다른 기체, 바람직하게는 산소와 혼합물로 사용되는 경우, 오존 농도는 적합하게는 기체 혼합물 1㎥당 오존 2 내지 200g, 바람직하게는 10 내지 100g이다. 오존 처리는 일반적으로 20 내지 100℃, 바람직하게는 30 내지 80℃에서, 20 내지 90분의 기간 동안 수행된다.
적합한 각각의 산화 화합물 처리 조건은 특정 폴리올 에스테르에 맞추어져야 한다.
산화 화합물을 사용한 각각의 처리 조건은 한편으로는 최적의 탈색을 달성하지만, 다른 한편으로는 실질적으로 폴리올 에스테르의 분해 반응을 피하기 위하여 특정 폴리올 에스테르에 맞추어야 한다. 특히 에테르 디올, 예를 들면, 트리에틸렌 글리콜 또는 테트라에틸렌 글리콜을 기재로 한 폴리올 에스테르의 경우, 환원 화합물을 사용한 처리에서의 조건, 예를 들면, 온도, 접촉 시간 및 활성 농도가 각각의 특정 폴리올 에스테르에 대하여 제어되지 않을 때, 에테르 구조의 분해 증가가 개시될 수 있다.
산화제로의 처리 직후, 조 에스테르는 중간 단계 없이 스팀으로 처리시키며, 이는, 예를 들면, 스팀을 조 생성물로 도입하여 간단한 형태로 수행될 수 있다. 스팀 처리의 한 가지 이점은 과도한 산화 화합물이 이 과정에서 파괴되고, 출발 물질의 잔류물을 스팀으로 제거할 수 있다는 점이다. 상대적으로 과량인 여전히 존재하는 물은 스팀 처리에 의해 사라진다. 동시에 이 조치는 조 에스테르의 색수 또는 색 안정성을 향상시킬 수 있다.
산화제 처리 직후에 후속되는 스팀 처리 조건은 모든 여과 수행 후 조 에스테르의 스팀 처리를 위한 상술한 조건과 상응한다. 이와 관련해서, 너무 짧은 처리 기간의 경우 과량의 산화 화합물 및 형성된 미량의 유기 퍼옥사이드의 파괴가 완료되지 못하고, 바람직한 폴리올 에스테르는 ASTM E 298에 따라 측정된, 여전히 과도하게 높은 불필요한 퍼옥사이드가를 갖는다. 처리 기간이 매우 짧을 때, 폴리올 에스테르의 색수에 영향을 미치는 작은 이점만이 관찰되는 경우이다.
산화 화합물로의 처리의 경우에서와 같이, 직후의 스팀 처리에서의 조건, 예를 들면, 온도, 압력 및 기간 역시, 폴리올 에스테르의 색수에 관한 최적의 결과를 달성하고 출발 물질, 물 및 퍼옥사이드 미량의 잔류 함량을 최소화하는 동시에, 분해 반응을 억제하기 위하여, 각각의 특정 폴리올 에스테르에 대하여 제어하여야 하는 경우이다. 특히 에테르 디올, 예를 들면, 트리에틸렌 글리콜 또는 테트라에틸렌 글리콜을 기제로 한 폴리올 에스테르의 경우, 스팀 처리에서의 조건은 에테르 쇄의 불필요한 분해를 방지하기 위하여 특정 폴리올 에스테르에 정확하게 맞추어야 한다.
수득된 잔류물은 보다 엷은 색상의 폴리올 에스테르이고, 이는 이어서 예를 들면 고온에서 불활성 기체를 생성물에 통과시킴에 의해 건조된다. 스팀은 또한 건조 조작에 도움을 주기 위해 추가적으로 도입시킬 수 있다. 승온에서 감압을 동시에 적용시키고, 필요한 경우 불활성 기체를 생성물에 통과시키는 것도 가능하다. 불활성 기체의 작용 없이도, 승온에서만 또는 저압에서만 작동시키는 것이 가능하다. 특정한 건조 조건, 예를 들면, 온도, 압력 및 기간은 간단한 예비 시험에 의하여 결정될 수 있다. 조작은 일반적으로 80 내지 250℃, 바람직하게는 100 내지 180℃의 온도 범위에서, 0.2 내지 500hPa, 바람직하게는 1 내지 200hPa, 특히 1 내지 20hPa의 압력에서 수행한다. 임의로 스팀의 도입과 함께하는 건조는 출발 성분의 잔류물 예를 들면, 모노카복실산, 및 물을 제거한다. 깨끗한 폴리올 에스테르가 건조 동안 반응 용기의 잔류물로서 남는다. 밝은 색상의 폴리올 에스테르가 얻어지고, 이는 또한 다른 특정 값, 예를 들면 물 함량, 잔류 산 함량, 잔류 모노에스테르 함량, 및 에스테르화가 촉매로 진행된 경우의 잔류 촉매 성분도 만족시킨다.
스팀 처리로부터의 휘발성 2차 스트림은 제거되고 응축된다. 응축물은 수성 상 및 유기 상으로 분리된다. 후속적으로, 일반적으로 40중량% 내지 80중량%의 폴리올 에스테르 함량을 갖는 유기 상을 상술한 추가의 스팀 처리를 시킨다. 각 경우의 액체 잔류물을 기준으로 일반적으로 80중량% 초과, 바람직하게는 90중량% 초과된 폴리올 에스테르 함량을 갖는 응축된 잔류물이 수득되고, 폴리올 에스테르 제조를 위한 제조 공정으로 재순환된다. 추가적으로 휘발성 2차 스트림으로부터 회수되는 폴리올 에스테르의 양은 추가의 설비 투자 없이 생산 플랜트의 용량 및 원료 효율을 증가시킬 수 있다.
본 발명에 따른 방법에 출발 물질로서 사용되는 다가 알코올 또는 폴리올은 화학식 I을 충족시킨다.
[화학식 I]
R(OH)n
상기 화학식 I에서,
R은 탄소수 2 내지 20, 바람직하게는 2 내지 10의 지방족 또는 지환족 탄화수소 라디칼이고,
n은 2 내지 8의 정수, 바람직하게는 2, 3, 4, 5 또는 6이다.
마찬가지로, 적합한 폴리올은 화학식 II의 화합물이다.
[화학식 II]
H-(-O-[-CR1R2-]m-)o-OH
상기 화학식 II에서,
R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 5의 알킬 라디칼, 바람직하게는 메틸, 에틸 또는 프로필, 또는 탄소수 1 내지 5의 하이드록시알킬 라디칼, 바람직하게는 하이드록시메틸 라디칼이고,
m은 1 내지 10의 정수, 바람직하게는 1 내지 8의 정수, 특히 1, 2, 3 또는 4이고,
o는 2 내지 15의 정수, 바람직하게는 2 내지 8의 정수, 특히 2, 3, 4 또는 5이다.
본 발명에 따른 방법에 의해 연한 색상의 폴리올로 전환될 수 있는 적합한 폴리올은, 예를 들면 프로판-1,3-디올, 부탄-1,3-디올, 부탄-1,4-디올, 네오펜틸 글리콜, 2,2-디메틸올부탄, 트리메틸올에탄, 트리메틸올프로판, 디트리메틸올프로판, 트리메틸올부탄, 2,2,4-트리메틸펜탄-1,3-디올, 헥산-1,2-디올, 헥산-1,6-디올, 펜타에리트리톨 또는 디펜타에리트리톨 또는 3(4),8(9)-디하이드록시메틸트리사이클로[5.2.1.02,6]데칸이다.
유용한 추가의 폴리올은 에틸렌 글리콜 및 1,2-프로필렌 글리콜, 및 이의 올리고머, 특히 에테르 디올 디-, 트리- 및 테트라에틸렌 글리콜 또는 디프로필렌 글리콜, 트리프로필렌 글리콜 또는 테트라프로필렌 글리콜을 포함한다. 에틸렌 글리콜 및 프로필렌 글리콜은 산업적으로 생성되는 화학물질이다. 이의 제조를 위한 기제 물질은 에틸렌 옥사이드 및 프로필렌 옥사이드이며, 이들로부터 가압하에 물과 함께 가열함으로써 1,2-에틸렌 글리콜 및 1,2-프로필렌 글리콜이 수득된다. 디에틸렌 글리콜은 에틸렌 글리콜로부터 에톡실화에 의해 수득된다. 트리에틸렌 글리콜은, 테트라에틸렌 글리콜과 같이, 에틸렌 글리콜을 제조하기 위한 에틸렌 옥사이드의 가수분해시 부산물로서 수득된다. 두 화합물 모두는 에틸렌 글리콜을 에틸렌 옥사이드와 반응시킴으로써 합성될 수도 있다. 디프로필렌 글리콜, 트리프로필렌 글리콜, 테트라프로필렌 글리콜 및 더욱 높은 프로폭실화 생성물은 프로필렌 옥사이드를 1,2-프로필렌 글리콜에 다수 첨가함으로써 수득될 수 있다.
본 발명의 방법에서 연한 색상의 폴리올 에스테르를 수득하기 위해서, 분자 내에 3 내지 20개의 탄소 원자를 갖는 선형 또는 분지형의 지방족 모노카복실산이 사용된다. 비록 많은 경우에 포화된 산이 바람직하지만, 가소제 또는 윤활제가 사용되는 특정 분야에 따라, 에스테르 합성을 위한 반응 성분으로서 불포화된 카복실산도 사용될 수 있다. 폴리올 에스테르의 성분으로서 모노카복실산의 예는 프로피온산, n-부티르산, 이소부티르산, n-펜탄산, 2-메틸부티르산, 3-메틸부티르산, 2-메틸펜탄산, n-헥산산, 2-에틸부티르산, n-헵탄산, 2-메틸헥산산, 사이클로헥산-카복실산, 2-에틸헥산산, n-노난산, 2-메틸옥탄산, 이소노난산, 3,5,5-트리메틸헥산산, 2-프로필헵탄산, 2-메틸운데칸산, 이소운데칸카복실산, 트리사이클로데칸카복실산 및 이소트리데칸카복실산이다. 상기 신규한 본 발명의 방법은 모노에틸렌 글리콜, 또는 올리고머성 에틸렌 글리콜 및 1,2-프로필렌 글리콜, 또는 올리고머성 프로필렌 글리콜의 C4- 내지 C13- 또는 C5- 내지 C10-모노카복실산과의 폴리올 에스테르의 제조, 및 부탄-1,3-디올, 네오펜틸 글리콜, 2,2,4-트리메틸펜탄-1,3-디올, 트리메틸올프로판, 디트리메틸올프로판, 펜타에리트리톨 또는 3(4),8(9)-디-하이드록시메틸트리사이클로[5.2.1.02,6]데칸에 기초한 폴리올 에스테르의 제조에 특히 유용한 것으로 밝혀졌다.
에틸렌 글리콜 및 이의 올리고머의 폴리올 에스테르는 모든 일반적인 고중합성 열가소성 물질에 대한 가소제로서 매우 적합하다. 이들은 다층 또는 복합 유리의 생성을 위한 중간층으로서 글리콜 에스테르와 혼합하여 사용되는 폴리비닐 부티랄에 대한 첨가제로서 특히 유용한 것으로 밝혀졌다. 마찬가지로, 이들은 코팅재로서 다양한 용도를 갖는 중합체의 수성 분산액 중의 유착제(coalescence agent) 또는 필름-형성 보조제로서 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 제조방법에 의해, 적은 냄새 또는 낮은 촉매 불순물과 같은 필요한 품질 요건도 만족시키는 뛰어난 색상 특성을 갖는 폴리올 에스테르의 수득을 단순한 방식으로 증가시킬 수 있게 한다. 본 발명의 방법은 트리에틸렌 글리콜 디-2-에틸헥사노에이트(3G8 에스테르), 테트라에틸렌 글리콜 디-n-헵타노에이트(4G7 에스테르), 트리에틸렌 글리콜 디-2-에틸부티레이트(3G6 에스테르), 트리에틸렌 글리콜 디-n-헵타노에이트(3G7 에스테르) 또는 테트라에틸렌 글리콜 디-2-에틸헥사노에이트(4G8 에스테르)의 제조에 특히 적합하다.
본 발명의 방법은 화학 기술에 대하여 통상적인 반응 장치에서 연속식 또는 배치식(batchwise)으로 수행할 수 있다. 유용한 장치는 다단 교반 탱크의 형태를 포함하는 교반 탱크 또는 반응 관인 것으로 밝혀졌으며, 배치식 반응 체제가 바람직하게 주어진다.
하기의 실시예에서 본 발명의 방법을 상세하게 설명한다.
실시예:
2차 스트림으로부터 트리에틸렌 글리콜 디-2-에틸헥사노에이트의 회수를 위한 실험을 위해서 사용된 트리에틸렌 글리콜을 기준으로, 0.025몰%의 촉매로서의 테트라이소프로필 오르토티타네이트, 및 반응 혼합물을 기준으로 0.4중량%의 활성탄을 첨가하고, 트리에틸렌 글리콜을 2.4몰 양의 헥산산으로 에스테르화시켜 수득된 조 트리에틸렌 글리콜 디-2에틸헥사노에이트를 사용했다.
조 트리에틸렌 글리콜 디-2-에틸헥사노에이트의 후처리를 위해, 과량의 2-에틸헥산산을 증류하여 제거한다. 티탄 촉매는 스팀 증류에 의해 난용성 전환 생성물로 전환되고 고체는 조 에스테르로 여과되어 나온다. 30%의 과산화수소 수용액을 0.1중량% 무수 과산화수소의 양으로 첨가한 후에 혼합물을 120℃에서 1시간동안 교반한다. 후속되는 스팀 증류를 표준압하에 200℃의 온도에서 1시간의 기간동안 수행했다.
실시예 1:
과산화수소 처리 후에 수득된 휘발성 스팀 증류물을 응축시키고, 구분되는 유기 상을 수성 상으로부터 분리시킨다. 분리된 유기 상 또는 2차 스트림을 실시예에 따른 추가의 스팀 처리를 시킨다. 기체 크로마토그래피로 측정한 트리에틸렌 글리콜 디-2-에틸헥사노에이트 함량(중량%) 및 추가의 스팀 처리를 위한 조건이 하기 표 1에 정렬되어 있다.
표 1: 트리에틸렌 글리콜 디-2-에틸헥사노에이트(3G8 에스테르)의 제조시에 수득된 수성 휘발성 스팀 증류(2차 스트림)의 스팀 처리
Figure pct00001
표 1에서의 수치는 트리에틸렌 글리콜 디-2-에틸헥사노에이트 함량의 강한 온도 의존성을 보여준다. 저비점 성분을 매우 빠르게 제거하기 위해, 보다 높은 온도를 가한다. 하지만 보다 높은 온도에서 색수 또한 현저하게 상승한다. 알맞은 온도 프로파일이 작동한다면, 고함량의 트리에틸렌 글리콜 디-2-에틸헥사노에이트 및 보다 낮은 색수를 달성하는 것이 가능하다.
실시예 2:
달성가능한 트리에틸렌 글리콜 디-2-에틸헥사노에이트 함량 및 이를 위해 필요한 기간은 2차 스트림의 조성에 크게 의존한다. 실시예 1과 비교하여 2차 스트림에서의 보다 낮은 트리에틸렌 글리콜 디-2-에틸헥사노에이트 함량으로부터 출발하면, 동일한 온도 및 기간을 사용하여 달성가능한 폴리올 에스테르 함량도 마찬가지로 낮아진다. 만족스러운 폴리올 에스테르 함량 및 만족스러운 색수를 달성하기 위해, 스팀 처리를 온도와 기간 측면에서 조절해야한다. DE 제10 2009 048773호로부터 공지된 방법과 상응하도록, 폴리올 에스테르의 양을 기준으로 무수 0.1중량%의 양의 30중량%의 과산화수소 용액을 사용하여 1시간의 기간 동안, 120℃의 온도에서 후속 처리하여 색수를 명백하게 감소시키는 것이 가능하다.
표 2: 달성가능한 트리에틸렌 글리콜 디-2-에틸헥사노에이트 함량(기체 크로마토그래피로 측정한 3G8 에스테르 함량)의, 2차 스트림의 조성 및 과산화 수소(30% 수용액, 폴리올 에스테르를 기준으로 무수 1중량%)로의 후처리(1시간; 120℃)에 대한 의존성
Figure pct00002

Claims (18)

  1. 폴리올 에스테르 제조로부터의 2차 스트림으로부터 폴리올 에스테르가 풍부한 생성물 스트림을 수득하는 방법으로서,
    a) 형성되는 물을 제거하면서, 폴리올을 탄소수 3 내지 20의 선형 또는 분지형 지방족 모노카복실산과 반응시키는 단계;
    b) 형성된 조 에스테르로부터 비전환 출발 화합물들을 제거하는 단계;
    c) 휘발성 2차 스트림을 형성하기 위해 단계 b)에서 수득된 조 에스테르를 스팀으로 처리하는 단계; 및
    d) 단계 c)에서 수득된 휘발성 2차 스트림을 제거하는 단계를 포함하고,
    단계 d)에서 수득된 휘발성 2차 스트림을 수성 상 및 유기 상으로 분리하고, 제거한 유기 상을 추가 스팀 처리하여, 폴리올 에스테르가 풍부한 생성물 스트림을 잔류물로서 수득하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 추가 스팀 처리는 120 내지 260℃, 바람직하게는 150 내지 220℃의 온도에서, 1 내지 10시간, 바람직하게는 1 내지 5시간의 기간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 추가 스팀 처리는 스테이지별로 온도가 상승하는 스테이지들로 수행되는 것을 특징으로 하는, 방법
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추가 스팀 처리는 흡착제의 존재 하에 수행되는 것을 특징으로 하는, 방법
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추가 스팀 처리에 이어 과산화수소 처리가 후속되고, 이러한 후속 처리 직후에 다른 스팀 처리가 후속되는 것을 특징으로 하는, 방법
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조 에스테르는 단계 c) 직전에 산화 화합물(oxidizing compound)로 처리되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  7. 제6항에 있어서, 사용되는 상기 산화 화합물은 퍼옥사이드 화합물, 오존 또는 오존-함유 기체임을 특징으로 하는, 방법.
  8. 제7항에 있어서, 사용되는 상기 퍼옥사이드 화합물은 과산화수소임을 특징으로 하는, 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 a)에서 상기 폴리올이 촉매 존재하에 상기 모노카복실산과 반응하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서, 사용되는 상기 촉매는 원소로서의 또는 화합물 형태의 티탄, 지르코늄, 하프늄, 철, 아연, 붕소, 알루미늄 또는 주석임을 특징으로 하는, 방법
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 a)에서 상기 폴리올이 흡착제 존재 하에 상기 모노카복실산과 반응하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 사용되는 상기 흡착제는 실리카 겔, 키셀구어(kieselguhr), 알루미나, 알루미나 수화물, 점토, 탄산염 또는 활성탄임을 특징으로 하는, 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 사용되는 상기 폴리올은 하기 화학식 I의 화합물임을 특징으로 하는, 방법.
    [화학식 I]
    R(OH)n
    상기 화학식 I에서,
    R은 탄소수 2 내지 20, 바람직하게는 탄소수 2 내지 10의 지방족 또는 지환족 탄화수소 라디칼이고,
    n은 2 내지 8의 정수, 바람직하게는 2, 3, 4, 5 또는 6이다.
  14. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 사용되는 상기 폴리올은 하기 화학식 II의 화합물임을 특징으로 하는, 방법.
    [화학식 II]
    H-(-O-[-CR1R2-]m-)o-OH
    상기 화학식 II에서,
    R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 5의 알킬 라디칼, 바람직하게는 메틸, 에틸 또는 프로필, 또는 탄소수 1 내지 5의 하이드록시알킬 라디칼, 바람직하게는 하이드록시메틸 라디칼이고,
    m은 1 내지 10의 정수, 바람직하게는 1 내지 8의 정수, 특히 1, 2, 3 또는 4이고,
    o는 2 내지 15의 정수, 바람직하게는 2 내지 8의 정수, 특히 2, 3, 4 또는 5이다.
  15. 제13항에 있어서, 사용되는 상기 폴리올은 프로판-1,2-디올, 프로판-1,3-디올, 부탄-1,3-디올, 부탄-1,4-디올, 네오펜틸 글리콜, 2,2-디메틸올부탄, 트리메틸올에탄, 트리메틸올프로판, 트리메틸올부탄, 2,2,4-트리메틸펜탄-1,3-디올, 헥산-1,2-디올, 헥산-1,6-디올, 펜타에리트리톨 또는 에틸렌 글리콜 또는 3(4),8(9)-디하이드록시메틸트리사이클로[5.2.1.02,6]데칸임을 특징으로 하는, 방법.
  16. 제14항에 있어서, 사용되는 상기 폴리올은 디트리메틸올프로판, 디펜타에리트리톨, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 테트라에틸렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 트리프로필렌 글리콜 또는 테트라프로필렌 글리콜임을 특징으로 하는, 방법.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 전환되는 상기 지방족 모노카복실산은 프로피온산, n-부티르산, 이소부티르산, n-펜탄산, 2-메틸부티르산, 3-메틸부티르산, 2-메틸펜탄산, n-헥산산, 2-에틸부티르산, n-헵탄산, 2-메틸헥산산, 2-에틸헥산산, n-노난산, 2-메틸옥탄산, 이소노난산, 3,5,5-트리메틸헥산산, 또는 2-프로필헵탄산임을 특징으로 하는, 방법.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 트리에틸렌 글리콜, 디-2-에틸헥사노에이트, 테트라에틸렌 글리콜 디-n-헵타노에이트, 트리에틸렌 글리콜 디-2-에틸부티레이트, 트리에틸렌 글리콜 디-n-헵타노에이트 또는 테트라에틸렌 글리콜 디-2-에틸헥사노에이트를 제조하기 위한, 방법.
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