KR20210084530A

KR20210084530A - 하이드록시에틸피페라진의 생산

Info

Publication number: KR20210084530A
Application number: KR1020217015516A
Authority: KR
Inventors: 아만다 엠. 굿맨; 지안핑 젱; 배리 아처; 크리스토프 알. 라로쉐
Original assignee: 다우 글로벌 테크놀로지스 엘엘씨
Priority date: 2018-10-30
Filing date: 2019-10-23
Publication date: 2021-07-07
Also published as: JP2022505786A; SG11202104260RA; CA3117727A1; EA202191113A1; EP3873886B1; US20210395211A1; CN113056458A; ZA202102897B; BR112021008346A2; WO2020092082A1; AU2019373072A1; EP3873886A1; MX2021004833A

Abstract

실시형태는 순수 피페라진, 재생 피페라진, 및 에틸렌 옥시드를 반응기에 공급하여 미정제 하이드록시에틸피페라진을 형성하는 단계가 포함되는 하이드록시에틸피페라진의 연속 생산 방법에 관한 것이며, 여기서 반응기는 연속 교반 탱크 반응기 또는 플러그 흐름 반응기이다. 방법에는 미정제 하이드록시에틸피페라진을 반응기로부터 적어도 하나의 증류 칼럼이 포함되는 증류 시스템으로 연속 공급하는 단계가 추가로 포함되며, 증류 시스템은 적어도 재생 피페라진 스트림 및 하이드록시에틸피페라진 스트림을 생산하고, 재생 피페라진 스트림에는 반응기로 공급되어 미정제 하이드록시에틸피페라진을 형성하는 재생 피페라진이 포함되고, 하이드록시에틸피페라진 스트림에는 하이드록시에틸피페라진 스트림의 총 중량을 기준으로 적어도 60 wt%의 하이드록시에틸피페라진이 포함된다.

Description

하이드록시에틸피페라진의 생산

실시형태는 하이드록시에틸피페라진의 제조 방법 및 이러한 방법에 따라 제조되는 하이드록시에틸피페라진 산물에 관한 것이다.

피페라진("PIP")은 2개의 질소 원자를 함유하는 6원 고리가 포함되는 유기 화합물이다. 피페라진은 1,2-디클로로에탄 또는 에탄올아민의 암모니아화에서 공동-산물로서 형성될 수 있다. 하이드록시에틸피페라진("HEP")은 하이드록시에틸기가 추가로 포함되는 피페라진이며, 1-(2-하이드록시에틸)피페라진으로 나타낼 수 있다. 예를 들어, 하이드록시에틸피페라진은 하기 구조를 가질 수 있다:

하이드록시에틸피페라진은 피페라진의 에톡실화 반응에 의해(예를 들어, 사전-형성된 피페라진과 에틸렌 옥시드의 반응에 의해) 형성될 수 있다. 하이드록시에틸피페라진의 제조 방법은 하이드록시에틸피페라진 및 디하이드록시에틸피페라진("DiHEP")을 둘 다 생산할 수 있다. 생성 산물은 혼합물로서 유용할 수도 있고 또는 산물 스트림을 정제하는 추가적인 가공 단계를 이용하여 요망되는 산물을 형성할 수도 있다. 또한, 상기 방법은 또 다른 피페라진 산물에 비해 하나의 피페라진 산물의 생산을 선호하도록 변형될 수 있다. 예를 들어, 에틸렌 옥시드 대 피페라진의 높은 몰 비는 디하이드록시에틸피페라진의 생산이 우세하고 하이드록시에틸피페라진의 수율을 감소시킬 수 있도록 허용하며, 이는 고순도의 하이드록시에틸피페라진을 생산하고자 추구하는 경우 선호되지 않는다. 또한, 에틸렌 옥시드 대 피페라진의 낮은 몰비는 상당량의 미반응 피페라진을 생성할 수 있고, 상업적 규모에서 미반응 피페라진의 분리는 피페라진이 실온에서 고화됨에 따라 어려울 수 있다. 이와 같이, 에틸렌 옥시드 대 피페라진의 높은 및 더 낮은 몰 비와 연관된 이들 우려사항을 최소화하기 위해, 에틸렌 옥시드 대 피페라진 몰 비의 연속 모니터링을 허용하는 하이드록시에틸피페라진의 생산 방법을 이용할 필요성이 존재한다.

국제 공개 번호 WO/2017/011283은 (i) 제1 위치에서 피페라진의 공급 스트림을 반응성 증류 칼럼 내로 공급하는 단계, 및 (ii) 하나 이상의 제2 위치에서 C₂ 내지 C₈ 알킬렌 옥시드의 공급 스트림을 반응성 증류 칼럼 내로 공급하는 단계가 포함되는 하이드록시 알킬 피페라진 화합물의 생산 방법을 개시한다. 반응성 증류의 사용은 모노-하이드록시에틸 피페라진을 선호하고/하거나 별도의 다단계 증류에 대한 필요성을 제거할 수 있지만, 상업적 규모로 다량의 하이드록시에틸피페라진을 비용-효과적으로 생산하는 능력을 추가로 구현하기 위해 연속 방법에서 표준 설비를 이용하는 대안적 방법이 추구된다.

실시형태는 순수 피페라진, 재생 피페라진, 및 에틸렌 옥시드를 반응기에 공급하여 미정제 하이드록시에틸피페라진을 형성하는 단계가 포함되는 하이드록시에틸피페라진의 연속 생산 방법에 의해 구현될 수 있고, 여기서 반응기는 연속 교반 탱크 반응기 또는 플러그 흐름 반응기이다. 방법에는 미정제 하이드록시에틸피페라진을 반응기로부터 적어도 하나의 증류 칼럼이 포함되는 증류 시스템으로 연속 공급하는 단계가 추가로 포함되며, 증류 시스템은 적어도 재생 피페라진 스트림 및 하이드록시에틸피페라진 스트림을 생산하고, 재생 피페라진 스트림에는 반응기로 공급되어 미정제 하이드록시에틸피페라진을 형성하는 재생 피페라진이 포함되고, 하이드록시에틸피페라진 스트림에는 하이드록시에틸피페라진 스트림의 총 중량을 기준으로 적어도 60 wt%의 하이드록시에틸피페라진이 포함된다.

실시형태의 특징은 하기와 같은 첨부되는 도면을 참조하여 이의 예시적 구현예를 상세히 기재함으로써 당업자에게 보다 자명해질 것이다:
도 1은 작용예 1 및 2에 있어서, 하이드록시에틸피페라진을 생산하기 위한 재생 스트림을 이용하는 예시적인 연속 반응 증류 방법에 대한 방법 흐름 다이어그램을 예시한다; 그리고
도 2는 비교예 A에 있어서, 하이드록시에틸피페라진을 생산하기 위한 재생 스트림 없이 증류 방법을 이용하는 반-배치 반응에 대한 방법 흐름 다이어그램을 예시한다.

분리 방법 후 피페라진을 반응기로 다시 재생시키는 증류 방법과 커플링된 반응기로 피페라진의 재생 스트림을 이용하는 하이드록시에틸피페라진(본원에서 HEP로도 나타냄)의 연속 생산 방법이 제안된다. 반응기는 연속 교반 탱크 반응기 또는 플러그 흐름 반응기이다. 연속 방법은 반응기에서 에틸렌 옥시드 대 피페라진의 낮은 몰 비로 작동하고 미반응 피페라진을 반응기로 다시 재생시킬 것이다. 반응기 및 재생 스트림을 이용하는 연속 방법은 높은 피페라진 전환율 및 상업적 규모의 하이드록시에틸피페라진 생산에 있어서, 예를 들어 디하이드록시에틸피페라진(본원에서 DiHEP로도 나타냄)에 비해, 높은 선택성을 예상치 못하게 초래할 수 있다. 또한, 연속 방법은 실시간 조정을 위한 옵션을 가지며, 반응기 내 에틸렌 옥시드 대 피페라진 비의 연속 모니터링을 허용할 것이다.

연속 교반 탱크 반응기(본원에서 그리고 업계에서 CSTR로도 나타냄)는 탱크 내로의 반응물 및 밖으로의 산물의 연속 흐름 및 연속 진탕과 함께 항정 상태로 수행되는 진탕기를 갖는 탱크 반응기를 의미한다. 플러그 흐름 반응기(본원에서 그리고 업계에서 PFR로도 나타냄)는 하나의 긴 관 반응기 또는 여러 짧은 관 반응기로서 배열되는 관형 반응기로서 반응물의 관형 반응기의 입구 내로의 및 산물의 관형 반응기의 출구 밖으로의 연속 흐름과 함께 항정 상태로 수행되는 반응기를 의미한다(출구 말단은 입구로서의 관의 반대 말단에 있음). 플러그 흐름 반응기에는 흐름 장애물이 포함될 수 있다.

높은 피페라진 전환율은 피페라진에 대한 전환율이 0.70 초과(예를 들어, 0.75 초과, 0.80 초과, 0.85 초과, 0.90 초과, 0.95 초과, 0.96 초과 등)임을 의미한다.

높은 선택성은 반응기로 공급되는 순수 피페라진(도 1에서의 스트림 PIP-IN 내)의 몰 대비 하이드록시에틸피페라진(스트림 HEP Out 내)의 몰 수율이 적어도 50%이며 순수 피페라진의 몰 대비 디하이드록시에틸피페라진의 몰 수율이 50% 미만임을 의미한다. 예를 들어, HEP의 수율은 55% 내지 100%(예를 들어, 60% 내지 100%, 65% 내지 100%, 60% 내지 99%, 60% 내지 95%, 65% 내지 85% 등)일 수 있다. 반응기로 공급되는 순수 피페라진(스트림 Pip In 내)의 몰 대비 DiHEP의 몰 수율은 0% 내지 45%(예를 들어, 0% 내지 40%, 0% 내지 35%, 1% 내지 40%, 5% 내지 40%, 15% 내지 35% 등)일 수 있다.

도 1을 참조하여, 재생 피페라진을 형성하기 위해 산물 스트림으로부터 미반응 피페라진을 분리하는 증류 방법으로 연속 반응(예를 들어, 적어도 순수 피페라진 및 재생 피페라진의 연속 공급 및 선택적으로 에틸렌 옥시드의 연속 공급)을 이용하는 예시적인 방법 흐름 다이어그램을 나타낸다. 방법에는 촉매, 예컨대 에톡실화 촉매(예를 들어, 붕소 기반 촉매)를 첨가하는 단계가 추가로 포함될 수 있다.

특히, 도 1에 나타낸 바와 같이, 에틸렌 옥시드(EO-IN) 및 피페라진(PIP-IN)에 대한 원료 연속 스트림이 연속 반응기(예를 들어, 연속 교반 탱크 반응기 또는 플러그 흐름 반응기)로 공급된다. 미정제 하이드록시에틸피페라진(CHEP)인 반응기 산물은 미반응 피페라진, 하이드록시에틸피페라진, 디하이드록시에틸피페라진, 및 물이 포함되는 혼합물이다. 반응기 산물은 분리 방법을 위해 증류 시스템(예를 들어, 적어도 하나의 증류 칼럼이 포함되는, DIST)으로 연속 공급된다. 더 많은 물 스트림(WATER-IN) 중 하나가, 예를 들어, 하나 이상의 스트림의 희석을 위해 및/또는 하나 이상의 스트림의 동결점을 조정하기 위해, 증류 시스템에 도입될 수 있다. 증류 시스템에서, 적어도 3개의 스트림이 생성될 수 있다. 특히, 하이드록시에틸피페라진 산물 스트림(HEP-OT), 디하이드록시에틸피페라진 산물 스트림(DIHEP-OT), 및 재생 피페라진 스트림(PIP-RX). 하이드록시에틸피페라진 산물 스트림은 최종 산물 스트림일 수 있고/있거나 추가 가공되어 최종 산물을 형성할 수 있다. 디하이드록시에틸피페라진 산물 스트림은 최종 산물 스트림일 수 있고, 추가 가공되어 최종 산물을 형성할 수 있고, 그리고/또는 폐기될 수 있다. 재생 피페라진 스트림은, 예를 들어, 반응기에 대한 재생 피페라진의 연속 공급물로서, 반응기에 다시 공급된다.

도 2를 참조하여, 증류 방법과 함께 비교 반-배치 반응 방법을 이용하는 방법 흐름 다이어그램을 나타낸다. 그러나, 증류 시스템으로부터의 미반응 피페라진은 반-배치 반응기로 다시 재생되지 않는다. 반-배치 반응기는 내부로의 피페라진의 최초 충전(PIP-IN) 및 에틸렌 옥시드의 연속 공급(EO-IN)을 받고 성분이 반-배치 반응기에서 소화되도록 한 후 미정제 하이드록시에틸피페라진(CHEP)이 반응기에서 배출되어 분리 방법을 위해 증류 시스템(DIST)으로 공급된다. 물 스트림(WATER-IN)은 증류 시스템으로 도입될 수 있다. 증류 시스템에서 3개의 스트림이 생성된다. 특히, 하이드록시에틸피페라진 산물 스트림(HEP-OT), 디하이드록시에틸피페라진 산물 스트림(DIHEP-OT), 및 반응기로 다시 재생되지 않는 피페라진 스트림(PIP-RX). 특히, 상기 방법에서 피페라진 스트림(PIP-RX)은 반-배치 반응기에 다시 연속 공급되지 않아 상업적 규모로 높은 피페라진 전환율 및 하이드록시에틸피페라진 생산에 대한 높은 선택성을 수여받는 것을 보조한다.

하이드록시에틸피페라진의 제조를 위한 생산 시스템

하이드록시에틸피페라진의 연속 제조 방법에는 (i) 신선 피페라진의 스트림을 반응기(예를 들어, 연속 교반 탱크 또는 플러그 흐름) 내로 연속 공급하는 단계, (ii) 에틸렌 옥시드의 공급 스트림을 반응기 내로 연속 공급하는 단계, (iii) 재생 피페라진의 스트림을 반응기 내로 연속 공급하는 단계, (iv) 반응기 내 피페라진 및 에틸렌 옥시드의 반응을 연속 수행하여 미정제 하이드록시에틸피페라진 산물을 형성하는 단계, (v) 미정제 하이드록시에틸피페라진 산물을 적어도 하나의 증류 칼럼이 포함되는 증류 시스템으로 공급하는 단계, 및 (vi) 증류 시스템에서 재생 피페라진 스트림을 생산하는 단계가 포함될 수 있다. 연속은 물질이 일정 시기 동안(예를 들어, 적어도 1시간 동안) 연속 가공되는 방법을 의미하는 것으로 이해되며, 이는 물질이 단계적으로 가공되는 배치 또는 반-배치 방법과 대조적이다.

증류 시스템에는 적어도 하나의 증류 칼럼이 포함될 수 있다. 2개 이상의 증류 칼럼이 사용되는 경우, 증류 칼럼은 시리즈로 및/또는 병렬로 연결될 수 있다. 하나의 증류 칼럼이 사용되는 경우, 증류 칼럼에는 이론적 상부 스트림 및 하부 스트림이 각각의 섹션에서 생산되는 2개 이상의 증류 칼럼의 이론적 사용과 유사하게 작동하도록 배열되는 다수의 증류 섹션이 포함될 수 있다.

예를 들어, 증류 시스템에는 2개 이상의 증류 섹션/칼럼이 포함되며, 제1 증류 섹션/칼럼은 반응기로부터 미정제 하이드록시에틸피페라진 산물 스트림을 받을 수 있다. 제1 증류 섹션/칼럼은 물 및 피페라진이 포함되는 상부 스트림을 생산할 수 있고, 이어서 이 스트림이 사용되어 반응기로 다시 공급될 재생 피페라진을 형성한다. 또한, 제1 증류 섹션/칼럼은 하이드록시에틸피페라진 및 디하이드록시에틸피페라진이 포함되는 하부 스트림을 생산할 수 있다. 이와 같이, 증류 시스템의 제1 증류 섹션/칼럼에서, 재생 피페라진 스트림은 디하이드록시에틸피페라진 스트림 및 하이드록시에틸피페라진 스트림이 서로 분리되기 전에 분리될 수 있다.

제2 증류 섹션/칼럼은 물을 피페라진으로부터 분리하기 위해 제1 증류 섹션/칼럼의 상부 스트림을 받을 수 있다. 제2 증류 섹션/칼럼의 상부 스트림에는 물이 포함될 수 있고 하부 스트림에는 재생 피페라진 스트림을 형성하기 위해 사용될 피페라진이 포함될 수 있다. 제2 증류 섹션/칼럼의 하부 스트림은 반응기 내로 다시 공급되기 전에 피페라진 농도를 조정하기 위해 증류 시스템 밖으로 추가 조정될 수 있다. 제2 증류 섹션/칼럼의 상부 스트림은 폐수일 수 있고/있거나 사용을 위해 추가 가공될 수 있다.

제3 증류 섹션/칼럼은 디하이드록시에틸피페라진으로부터 하이드록시에틸피페라진을 분리하기 위해 제1 증류 섹션/칼럼의 하부 스트림을 받을 수 있다. 제3 증류 섹션/칼럼의 상부 스트림에는 하이드록시에틸피페라진이 포함될 수 있고 하부 스트림에는 디하이드록시에틸피페라진이 포함될 수 있다. 추가적인 증류 섹션/칼럼이, 예를 들어, 재생 피페라진, 하이드록시에틸피페라진 및/또는 디하이드록시에틸피페라진 산물 스트림을 추가 정제하기 위해, 증류 시스템에 포함될 수 있다.

증류 시스템을 떠나는 하이드록시에틸피페라진 산물 스트림은 적어도 60 wt%(적어도 70 wt%, 적어도 80 wt%, 적어도 90 wt%, 적어도 95 wt% 등)의 HEP 순도를 가질 수 있다. 증류 시스템을 떠나는 디하이드록시에틸피페라진 산물 스트림은 적어도 35 wt%(적어도 40 wt%, 적어도 50 wt%, 적어도 60 wt%, 적어도 70 wt%, 적어도 80 wt% 등)의 DiHEP 순도를 가질 수 있고 선택적으로 하나 이상의 용매로 추가 희석될 수 있다.

반응기에 첨가되는 에틸렌 옥시드 대 (반응기 내로의 신선 피페라진 공급물로부터의) 순수 피페라진의 몰 비는 1.01 초과(예를 들어, 1.02 초과, 1.05 초과, 1.10 초과, 1.15 초과, 1.20 초과, 1.22 초과 등)일 수 있다. 에틸렌 옥시드 대 순수 피페라진의 몰 비는 4.00 미만(예를 들어, 3.50 미만, 3.00 미만, 2.50 미만, 2.00 미만, 1.99 미만, 1.50 미만 등)일 수 있다. 에틸렌 옥시드 대 반응기에 첨가되는 순수 피페라진 및 재생 피페라진을 포함하는 총 피페라진의 몰 비는 1.01 미만(1.00 미만, 0.90 미만, 0.85 미만, 0.80 미만, 0.75 미만, 0.70 미만) 및 0.01 초과(예를 들어 0.05 초과, 0.10 초과, 0.20 초과, 0.30 초과, 0.40 초과, 0.50 초과, 0.60 초과 등)일 수 있다. 예를 들어, 몰 비는 0.01 내지 1.00일 수 있다.

증류 시스템으로부터의 하이드록시에틸피페라진 산물 스트림에는 하이드록시에틸피페라진 스트림의 총 중량을 기준으로 적어도 60 wt% 하이드록시에틸피페라진이 포함된다. 예를 들어, 60 wt% 내지 100 wt%(예를 들어, 65 wt% 내지 100 wt%, 70 wt% 내지 100 wt%, 80 wt% 내지 100 wt%, 85 wt% 내지 100 wt%, 90 wt% 내지 100 wt%, 95 wt% 내지 100 wt%, 97 wt% 내지 100 wt%, 98 wt% 내지 100 wt%, 99 wt% 내지 100 wt% 등)가 하이드록시에틸피페라진이며, 나머지는 미정제 하이드록시에틸피페라진으로부터의 다른 성분이다.

디하이드록시에틸피페라진 산물 스트림에는 디하이드록시에틸피페라진 스트림의 총 중량을 기준으로 적어도 35 wt% 디하이드록시에틸피페라진이 포함된다. 예를 들어, 35 wt% 내지 100 wt%(예를 들어, 40 wt% 내지 100 wt%, 50 wt% 내지 100 wt%, 60 wt% 내지 100 wt%, 70 wt% 내지 100 wt%, 80 wt% 내지 100 wt%, 90 wt% 내지 100 wt%, 91 wt% 내지 100 wt% 등)가 디하이드록시에틸피페라진이며, 나머지는 미정제 하이드록시에틸피페라진의 다른 성분이다. 디하이드록시에틸피페라진 산물 스트림은 증류 시스템을 떠난 후 물로 추가 희석될 수 있다. 추가 희석된 디하이드록시에틸피페라진 산물 스트림에는 5 wt% 내지 80 wt%(예를 들어, 10 wt% 내지 70 wt%, 20 wt% 내지 60 wt%, 30 wt% 내지 55 wt%, 35 wt% 내지 50 wt%, 40 wt% 내지 45 wt% 등)의 디하이드록시에틸피페라진이 포함될 수 있다.

재생 피페라진 스트림의 조성은, 예를 들어, 증류 시스템을 떠난 후 및 재생 피페라진으로서 반응기 내로 공급되기 전에, 물을 첨가하거나 제거함으로써, 조정될 수 있다. 예를 들어, 재생 피페라진 스트림은 반응기 내로의 신선 피페라진 공급물과 동일하거나 유사한 피페라진 대 용매 비율을 가질 수 있다. 예를 들어, 반응기로의 신선 피페라진 공급물에는 하나 이상의 용매(예를 들어, 적어도 물) 중 30 wt% 내지 99 wt%(예를 들어, 40 wt% 내지 98 wt%, 50 wt% 내지 97 wt%, 55 wt% 내지 96 wt%, 60 wt% 내지 95 wt%, 50 wt% 내지 90 wt%, 60 wt% 내지 90 wt%, 50 wt% 내지 85 wt%, 60 wt% 내지 85 wt%, 50 wt% 내지 80 wt%, 60 wt% 내지 80 wt%, 50 wt% 내지 70 wt%, 60 wt% 내지 70 wt% 등)의 피페라진이 포함될 수 있다. 유사하게, 반응기로의 재생 피페라진 공급물에는 하나 이상의 용매(예를 들어, 적어도 물) 중 30 wt% 내지 99 wt%(예를 들어, 40 wt% 내지 98 wt%, 50 wt% 내지 97 wt%, 55 wt% 내지 96 wt%, 60 wt% 내지 95 wt%, 50 wt% 내지 90 wt%, 60 wt% 내지 90 wt%, 50 wt% 내지 85 wt%, 60 wt% 내지 85 wt%, 50 wt% 내지 80 wt%, 60 wt% 내지 80 wt%, 50 wt% 내지 70 wt%, 60 wt% 내지 70 wt% 등)의 피페라진이 포함될 수 있다.

반응물, 예컨대 신선 피페라진 및 에틸렌 옥시드는 거의 상온, 예를 들어 20 내지 25℃에서 반응기로 공급될 수 있다. 재생 피페라진은 냉각될 수 있고(예를 들어, 80℃ 초과의 초기 온도로부터) 거의 상온, 예를 들어, 20 내지 25℃에서 반응기로 공급될 수 있다. 또한, 신선 피페라진, 에틸렌 옥시드, 및 재생 피페라진은 대기압 초과의 압력, 예를 들어, 138 kPa 내지 689 kPa, 138 kPa 내지 552 kPa, 207 kPa 내지 483 kPa 등에서 반응기에 공급될 수 있다. 하이드록시에틸피페라진 산물 스트림은 승온에서, 예를 들어 60℃ 초과의 온도에서(예를 들어, 65℃ 내지 150℃, 80℃ 내지 120℃, 80℃ 내지 110℃ 등에서) 증류 시스템을 떠날 수 있다.

하이드록시에틸피페라진을 위한 적용

피페라진 화합물은 플라스틱, 수지 및 다른 산업용 작업 산물의 생산을 포함하는 임의의 수의 실제적 적용을 갖는다. 피페라진은 또한 다양한 최종 용도 적용, 예컨대 강화 오일 및 기체 회수, 살충제, 자동차액, 및 약품에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 하이드록시에틸피페라진은 오일 및 기체 스트림에서 종종 확인되는 다양한 오염물질의 흡수에서 사용될 수 있다. 예시적인 오염물질에는 이산화탄소, 황화수소, 및 다른 황 오염물질이 포함된다. 예를 들어, 하이드록시에틸피페라진은 오염물질을 흡수하는 화학적 용매로서 사용될 수 있다.

실시예

예시적 작용예, 비교예, 및 작용예 및 비교예에 대해 보고된 결과에서 사용되는 정보에 관해 근사 특성, 특징, 파라미터 등이 아래에서 제공된다.

사용되는 하기 물질에는 에틸렌 옥시드(EO), 피페라진(PIP), 및 68 wt% 피페라진, 및 용매로서 나머지 물이 잔여량의 다른 불순물과 함께 포함되는 피페라진 용액이 포함된다.

작용예 1 및 2는 도 1에 나타낸 바와 같이, 하이드록시에틸피페라진을 생산하기 위한 재생 스트림과 함께 연속 반응기 및 다중칼럼 증류 방법을 이용한다. 작용예 1은 연속 교반 탱크 반응기(CSTR)의 사용에 기반하며 작용예 2는 플러그 흐름 반응기(PFR)의 사용에 기반한다. 비교예 A는 도 2에 나타낸 바와 같이, 하이드록시에틸피페라진을 생산하기 위해 반-배치 반응기로 다시 재생 스트림 공급물을 사용하지 않는 다중-칼럼 증류 방법으로 통상적인 반-배치 반응기를 이용한다.

아래에서, 표 1에서의 데이터는 건조 기준으로(즉, 피페라진 용액의 일부로서 공급물 중 물을 제외하고) 순수 피페라진의 양을 기준으로 제공되며 에틸렌 옥시드 샘플에 100 wt%의 EO가 포함되는 것으로 가정한다. HEP 산물 스트림 HEP-OT는, 증류 시스템을 떠날 때 대략 99.3 wt%의 순도를 갖는 것으로 가정되며, 나머지는 불순물이다. DiHEP 산물 스트림 DIHEP-OT는, 대략 43.7 wt%의 순도를 갖는 것으로 가정되며, 나머지는 물 및 불순물이다. 시뮬레이션을 위해, DiHEP 산물 스트림은 43.7 wt% 순도로 수중 희석될 것으로 가정되며, 실제로 희석용 물은 증류 시스템을 나온 후 DiHEP 산물 스트림에 첨가될 수 있다. 표 1의 데이터는 동일한 양의 HEP 산물(즉 47.6 Mlb)의 생산을 기준으로 하며, 증류 시스템은 3개 시스템에 있어서 동일한 것으로 가정한다.

피페라진 전환은 재생 피페라진을 포함하지 않고, 순수 피페라진의 공급물을 기준으로 하는 피페라진의 전환으로서 측정된다. 산물 수율에 관해, HEP 수율은 반응기로 공급되는 피페라진의 몰 대비 생산되는 HEP의 몰로서 정의된다. 또한, DiHEP 수율은 반응기로 공급되는 피페라진의 몰 대비 생산되는 DiHEP의 몰로서 정의된다. 전반적 몰 선택성 HEP 대 DiHEP는 생산된 DiHEP의 몰 대비 생산된 HEP의 몰이다.

표 1을 참조하여, 재생 피페라진 스트림의 사용은 더 높은 피페라진 전환율 및 HEP 산물 스트림에 대한 전반적 수율을 예상치 못하게 생성하면서, HEP 산물 스트림에 대한 순도 손상 없이 순수 피페라진에 대한 더 낮은 공급 요건을 허용할 수 있는 것으로 나타났다. 또한, 작용예 1의 경우, 재생 스트림과 함께 CSTR의 사용은 비교예 A에서의 통상적인 반-배치 방법에 비해 전반적 수율에 대한 상당한 개선 및 필적하는 HEP 대 DiHEP 선택성을 허용할 수 있음이 확인된다. 작용예 2의 경우, PFR의 사용은 비교예에서의 통상적인 반-배치 방법 및 작용예 1의 CSTR 반응기 둘 다에 비해 전반적인 수율 및 HEP 대 DiHEP 선택성 및 전반적 수율 모두에 대해 상당한 개선을 허용할 수 있음이 확인된다.

표 1에 대한 데이터는 상업적으로 이용 가능한 시뮬레이션 소프트웨어, ASPENPLUS™ 버전 8.6(Aspen Technology에서 이용 가능함)을 사용하여 제조된다. 물리적 특성은 데이터 회귀로부터 개발된다. 반응기 모듈 Plug(PFR 반응기의 경우), RCSTR(CSTR 반응기의 경우), 및 강력 증류 모듈 RADFRAC가 Aspen 내에서 사용된다. 증류 방법에는 다중 칼럼이 포함된다. 각각의 칼럼은 요망되는 산물 분리 순도를 달성하기 위해 트레이 또는 패킹으로 충분히 스테이지화된다. 공정 압력은 진공 하일 수 있다. 실시예에 있어서, 하기 3개 칼럼이 증류 방법에 포함된다:

1) 진공(51 kPa) 하의 17개 스테이지 단위가 PIP 및 물을 반응 미정제물로부터 분리하기 위해 구성되며,

2) 고진공(0.5 kPa) 하의 17개 스테이지 단위가 DIHEP로부터 HEP 분리를 위해 구성되고,

3) 대기압 하의 12개 스테이지 단위가 PIP 분리를 위해 구성된다.

증류 시스템은 보통 110℃에서 제어되는 상부 온도를 갖는 제1 칼럼의 리보일러 효율에 의해 제한된다. 요망되는 순도를 갖는 HEP의 동일한 양을 생산하기 위해, 원료, 전환, 산물 수율 및 선택성이 실시예에 대해 비교된다. 모든 실시예에서, 증류 효율은 공정한 비교를 위해 1.52 kJ/hr에서 제1 칼럼에 대해 동일하게 유지된다. Aspen 모델로부터의 스트림은 각각의 작용예 1 및 2 그리고 비교예 A에 대해, 표 2, 표 3, 및 표 4에 보고된다.

작용예 1 및 2에 있어서, 시뮬레이션에서 사용되는 파라미터는 각각 하기 표 2 및 3에 있다. 표 2 및 3을 참조하여, EO In은 반응기 내로의 에틸렌 옥시드 공급물을 나타내며 PIP는 반응기 내로의 순수 피페라진 공급물을 나타낸다. PIP Rx는 이것이 반응기에 들어감에 따라 스트림이 되도록, 대략 68 wt%의 피페라진의 농도를 갖도록 물로 희석된 재생 피페라진 스트림을 나타낸다. HEP Out은 99 wt% 초과의 순도를 갖는 증류 시스템 밖으로의 하이드록시에틸피페라진 스트림을 나타낸다. DiHEP Out은 43.7 wt% 순도를 갖도록 물로 희석되는 증류 시스템 밖으로의 디하이드록시에틸피페라진 스트림을 나타낸다. HEP Out 압력은 디하이드록시에틸피페라진으로부터 하이드록시에틸피페라진을 분리하는 증류 칼럼의 압력을 나타낸다. DiHEP Out 압력은 DiHEP 스트림이 43.7% 순도로의 희석 전에 펌핑되는 압력을 나타낸다.

작용예 2에 있어서, 시뮬레이션에서 사용되는 파라미터를 하기 표 3에 나타낸다.

비교예 A에 있어서, 시뮬레이션에서 사용되는 파라미터를 하기 표 4에 나타낸다. CHEP Out은 반응기를 떠나 증류 시스템으로 들어가는 미정제 하이드록시에틸피페라진 스트림을 나타낸다. PIP Rx는 증류 시스템을 떠나는 피페라진 스트림을 나타내며, 이는 비교예 A에 있어서, 반응기로 다시 재생되지 않는다. HEP Out은 증류 시스템 밖으로의 하이드록시에틸피페라진 스트림을 나타내며 DiHEP Out은 43.7 wt% 순도를 갖도록 물로 희석됨에 따라 증류 시스템 밖으로의 디하이드록시에틸피페라진 스트림을 나타낸다.

또한, 비교예 A에 있어서, 시뮬레이션을 위해 사용되는 반배치 반응 파라미터는 하기 표 5에 있다.

Claims

하이드록시에틸피페라진의 연속 생산 방법으로서,
순수 피페라진, 재생 피페라진, 및 에틸렌 옥시드를 반응기에 공급하여 미정제 하이드록시에틸피페라진을 형성하는 단계로서, 반응기는 연속 교반 탱크 반응기 또는 플러그 흐름 반응기인, 단계; 및
미정제 하이드록시에틸피페라진을 반응기로부터 적어도 하나의 증류 칼럼이 포함되는 증류 시스템으로 연속 공급하는 단계로서, 증류 시스템은 적어도 재생 피페라진 스트림 및 하이드록시에틸피페라진 스트림을 생산하며, 재생 피페라진 스트림에는 미정제 하이드록시에틸피페라진을 형성하기 위해 반응기로 공급되는 재생 피페라진이 포함되고 하이드록시에틸피페라진 스트림에는 하이드록시에틸피페라진 스트림의 총 중량을 기준으로 적어도 60 wt%의 하이드록시에틸피페라진이 포함되는, 단계를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 반응기에 첨가되는 에틸렌 옥시드 대 순수 피페라진의 몰 비가 1.01 초과인, 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 에틸렌 옥시드 대 순수 피페라진 및 재생 피페라진을 포함하는 총 피페라진의 몰 비가 0.10 내지 1.01인, 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 재생 피페라진에 30 wt% 내지 99 wt%의 피페라진이 포함되는, 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 증류 시스템에 3개의 증류 칼럼이 포함되며, 제1 증류 칼럼은 반응기로부터 미정제 하이드록시에틸피페라진을 받고, 제2 증류 칼럼은 제1 증류 칼럼의 상부 스트림을 받고 물을 피페라진과 분리하며, 제3 증류 칼럼은 제1 증류 칼럼으로부터 하부 스트림을 받고 하이드록시에틸피페라진을 디하이드록시에틸피페라진과 분리하는, 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 증류 시스템이 디하이드록시에틸피페라진 스트림의 총 중량을 기준으로 적어도 35 wt% 디하이드록시에틸피페라진이 포함되는 디하이드록시에틸피페라진 스트림을 추가로 생산하는, 방법.
제6항에 있어서, 디하이드록시에틸피페라진 스트림 및 하이드록시에틸피페라진 스트림이 서로 분리되기 전에 증류 시스템에서 재생 피페라진 스트림이 먼저 분리되는, 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 물로 희석된 재생 피페라진 스트림이 반응기로 직접 연속 공급되는, 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 반응기가 플러그 흐름 반응기인, 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조되는 하이드록시에틸피페라진 산물.