PL239873B1 - Sposób otrzymywania nadkwasu n-dekanowego - Google Patents

Description

PL 239 873 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania nadkwasu n-dekanowego z kwasu n-dekanowego w obecności stężonego kwasu siarkowego i nadtlenku wodoru.

Nadkwasy organiczne, do których należy nadkwas n-dekanowy, są istotnym surowcem wykorzystywanym w różnych procesach chemicznych jako utleniacze, przykładowo w procesie otrzymywania ε-kaprolaktonu z cykloheksanonu. Znane w reakcjach utleniania Baeyera-Villigera jest wykorzystanie nadtlenokwasów organicznych, do których jako najefektywniejszych, należy kwas nadtlenooctowy i kwas m -chloronadtlenobenzoesowy. Wytwarzanie nad kwasów organicznych odbywa się z wykorzystaniem właściwości stężonego kwasu siarkowego, tworzącego właściwe środowisko reakcyjne dla reakcji odpowiedniego kwasu i nadtlenku wodoru, jako środka utleniającego kwas do nadkwasu.

Przykładowo, w procesie ujawnionym w patencie US 2,813,885 przedstawiono proces otrzymywania nadkwasów tłuszczowych polegający na wymieszaniu składnika tłuszczowego wybranego z grupy zawierającej nasycone kwasy tłuszczowe o liczbie atomów węgla w cząsteczce od 2 do 18, estrów metylowych nasyconych kwasów tłuszczowych o liczbie atomów węgla w cząsteczce od 2 do 24, oraz ich mieszanin, z co najmniej jednym równoważnikiem molowym stężonego kwasu siarkowego, następnie, utrzymując mieszanie i temperaturę mieszaniny poniżej 40°C, dodaje się do tej mieszaniny, nadtlenek wodoru o stężeniu od 30% do 65% i po przereagowaniu tej mieszaniny z nadtlenkiem wodoru do uzyskania odpowiedniego nadkwasu tłuszczowego, wyodrębnienia się nadkwas tłuszczowy z mieszaniny poreakcyjnej. Korzystnie, w procesie prowadzonym zgodnie z wynalazkiem, rozpuszcza się kwas tłuszczowy w kwasie siarkowym, schładza do około 10°C, powoli dodaje nadtlenku wodoru z efektywnym chłodzeniem i mieszaniem - przy utrzymywaniu temperatury poniżej 30°C. Mieszaninę reakcyjną utrzymuje się w temperaturze pokojowej przez okres 1-2 godzin, po czym rozcieńcza dużą ilością zimnej wody i rekrystalizuje uzyskany w ten sposób surowy nadkwas z odpowiedniego rozpuszczalnika, na przykład eteru naftowego lub eteru dietylowego. Resztkowy kwas tłuszczowy jest łatwy do oddzielenia od nadkwasu, ponieważ z reguły kwasy tłuszczowe są lepiej rozpuszczalne w rozpuszczalnikach niepolarnych niż nadkwasy.

W patencie US 3,079,411 przedstawiono natomiast sposób wytwarzania nadkwasów z kwasów alifatycznych zawierających grupy funkcyjne wrażliwe na kwas siarkowy, w szczególności kwasów tłuszczowych zawierających od 6 do 22 atomów węgla. Sposób polega na otrzymywaniu nadkwasów karboksylowych w środowisku kwasu metanosulfonowego, etanosulfonowego, lub ich mieszanin. Kwas metanosulfonowy jest znacznie lepszym rozpuszczalnikiem niepolarnych, długołańcuchowych kwasów tłuszczowych i umożliwia uzyskanie wysokich wydajności reakcji również dla tych kwasów karboksylowych, które są słabo rozpuszczalne w kwasie siarkowym. Sposobem według tego wynalazku kwas laurynowy rozpuszcza się w kwasie metanosulfonowym, po czym utrzymując temperaturę mieszaniny reakcyjnej w zakresie od 10 do 60°C, korzystnie 30-40°C, dodaje się nadtlenek wodoru o stężeniu około 50%, korzystnie 70%, następnie mieszaninę reakcyjną schładza się do 10-15°C, odfiltrowuje się z niej, placek filtracyjny, który przemywa się kilkukrotnie wodą i suszy. W tak prowadzonym procesie można uzyskać nadkwas laurynowy o czystości 99% z wydajnością 97%.

Nadkwas w postaci analitycznie czystej otrzymuje się na drodze krystalizacji z eteru naftowego.

W patencie US 4,172,086 przedstawiono sposób syntezy nadkwasu z jednoczesną ekstrakcją produktu do fazy organicznej, przy czym rozpuszczalnik organiczny jest dodawany do mieszaniny reakcyjnej przed rozpoczęciem dozowania nadtlenku wodoru. Surowcem wyjściowym są kwasy dikarboksylowe. Istotą sposobu jest prowadzenie reakcji w obecności mocnego kwasu wybranego z grupy składającej się oleum, kwasu siarkowego, kwasu trifluorometanosulfonowego, kwasu toluenosulfonowego w ilości od 1,3 do około 5 moli na mol kwasu karboksylowego zawartego w mieszaninie reakcyjnej, oraz w obecności wystarczającej ilości silnie zdyspergowanego, niemieszającego się z wodą, inertnego rozpuszczalnika nadkwasu karboksylowego, w celu selektywnego, ciągłego usuwania powstającego w procesie nadkwasu karboksylowego. Kwas dodekanodiowy miesza się z chlorkiem metylenu, dodaje się kwas siarkowy o stężeniu 100%, dozuje się nadtlenek wodoru. Mieszaninę reakcyjną ogrzewa się następnie do temperatury wrzenia (41 °C) i utrzymuje się w tych warunkach przez 30 minut. Po tym czasie do reaktora wprowadza się zimną wodę. Pod ciśnieniem atmosferycznym oddestylowuje się rozpuszczalnik, a z fazy wodnej filtruje się kryształy produktu końcowego, następnie przemywa się je i suszy. Otrzymuje się dinadtlenokwas dodekanodiowy o czystości 99,0% z wydajnością 96%.

W amerykańskim patencie 4,244,884 przedstawiono ciągły proces syntezy nadkwasu karboksylowego prowadzony w środowisku kwasu siarkowego, z jednoczesną regeneracją strumienia roztworu

PL 239 873 B1 utleniacza w kwasie siarkowym. Proces syntezy nadkwasu karboksylowego o liczbie atomów węgla w cząsteczce od około 6 do około 20 i zawierającego co najmniej jedno ugrupowanie nadtlenokwasowe, składa się z następujących etapów:

a) wytworzenie zawiesiny reakcyjnej zawierającej fazę ciekłą i fazę stałą,

i) faza ciekła składa się z 60-80% stężonego kwasu siarkowego, 2,5-12,5% nadtlenku wodoru oraz 7,5-37,5% wody, ii) faza stała składa się z nadtlenokwasu karboksylowego o liczbie atomów węgla w cząsteczce od około 6 do około 20 oraz z kwasu karboksylowego będącego substratem do otrzymania nadtlenokwasu karboksylowego,

b) usuwanie z reaktora w sposób ciągły pierwszej porcji zawiesiny i rozdzielenie jej na strumień filtratu oraz placek filtracyjny,

c) zmieszanie strumienia filtratu z wodnym roztworem nadtlenku wodoru w ilości wystarczającej do utrzymania ilości nadtlenku wodoru i wody w reaktorze, tworząc, tym samym pierwszy strumień nawrotowy,

d) chłodzenie pierwszego strumienia nawrotowego i wprowadzanie go do reaktora,

e) usuwanie z reaktora w sposób ciągły drugiej porcji zawiesiny,

f) zmieszanie drugiej porcji zawiesiny z ilościami kwasu karboksylowego będącego substratem do otrzymania nadtlenokwasu karboksylowego oraz kwasu siarkowego wystarczającymi do utrzymania ilości kwasu karboksylowego i kwasu siarkowego w reaktorze, tworząc tym samym drugi strumień nawrotowy,

g) chłodzenie drugiego strumienia nawrotowego i wprowadzanie go do reaktora,

h) przemywaniu placka filtracyjnego w celu otrzymania produktu - nadtlenokwasu, w wyniku czego otrzymuje się w sposób ciągły produkt - nadtlenokwas i usuwa go z reaktora, przy czym skład i temperaturę zawiesiny utrzymuje się w granicach podanych w punkcie a).

Wytwarzanie nadtlenokwasów organicznych zgodnie ze znanym stanem techniki ma ograniczenia procesowe wynikające z faktu, że wykorzystywany w procesie kwas siarkowy ulega w trakcie trwania procesu znaczącemu rozcieńczeniu co w efekcie powoduje, że traktowany jest on jako odpad trudny do dalszego zagospodarowania. Także fakt, że w procesach tych konieczne jest wyodrębnianie surowego nadtlenokwasu z odpowiedniego rozpuszczalnika, na przykład eteru naftowego lub eteru dietylowego powoduje, że rozwiązania te nie są procesowo korzystne - powstają duże ilości roztworów wymagających dalszej obróbki, utylizacji. Stąd dotychczasowe metody trudno jest wykorzystywać na skalę przemysłową, a konieczność zagospodarowanie odpadów procesowych powoduje, że są one z punktu widzenia ekonomicznego niekorzystne.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu otrzymywania nadkwasu n-dekanowego z kwasu n-dekanowego o czystości umożliwiającej wykorzystanie go w zbilansowanym ekonomicznie procesie produkcji ε-kaprolaktonu

Istota sposobu otrzymywania nadkwasu n-dekanowego z kwasu n-dekanowego, który rozpuszcza się w stężonym kwasie siarkowym, a następnie utleniania nadtlenkiem wodoru i uzyskany osad zawierający nadkwas przemywa wodą i suszy, według wynalazku polega na tym, że kwas n-dekanowy rozpuszczany jest w kwasie siarkowym o stężeniu od 95 do 98%, przy zachowaniu stężenia masowego kwasu n-dekanowego w kwasie siarkowym od 36 do 53% wagowych, następnie mieszanina reakcyjna schładzana jest do temperatury nie wyższej niż 10°C, po czym do roztworu wprowadzany jest nadtlenek wodoru o stężeniu od 36 do 60%, przy zachowaniu stosunku molowego nadtlenku wodoru do kwasu n-dekanowego od 0,94:1 do 1,81:1 moli i temperatury reakcji nie przekraczającej 30°C. Mieszanina poreakcyjna jest później mieszana, korzystnie w sposób ciągły przez okres od 40 do 60 minut, a następnie, przy zachowaniu mieszania, do mieszaniny poreakcyjnej wprowadzana jest woda, korzystnie w jednej porcji, z zachowaniem stężenia końcowego kwasu siarkowego użytego do rozpuszczenia kwasu n-dekanowego nie niższego niż 12% wagowych i temperatury procesu nie przekraczającej 43°C, aż do pełnego stopienia osadu nadkwasu n-dekanowego. Z powstałej emulsji krystalizuje się stopioną fazę organiczną przy zachowaniu zakresu temperatury krystalizacji od 30 do 43°C, aż do całkowitego wykrystalizowanie fazy organicznej. Powstały osad jest odfiltrowywany i poddawany dalszej obróbce, korzystnie przemywany jest wodą do odczynu obojętnego, a następnie suszony, korzystnie pod próżnią. Korzystnie, wprowadzając wodę do mieszaniny poreakcyjnej, doprowadza się do procesu dodatkowo ciepło, przy zachowaniu temperatury mieszaniny nie przekraczającej 43°C, aż do całkowitego stopienia osadu nadkwasu n-dekanowego.

PL 239 873 B1

Korzystnie proces krystalizacji prowadzi się z równoczesnym odbiorem ciepła z procesu, przy zachowaniu zakresu temperatury krystalizacji od 30 do 43°C, aż do całkowitego wykrystalizowania fazy organicznej.

W sposobie według wynalazku, co istotne, do stopienia osadu nadkwasu n -dekanowego wykorzystuje się głównie ciepło hydratacji stężonego kwasu siarkowego, co pozwala na prowadzenie procesu otrzymywania ε-kaprolaktonu w sposób energooszczędny. Dodatkowo, osad ten, w kontakcie z rozcieńczonym kwasem siarkowym rozkłada się wyraźnie wolniej, aniżeli w przypadku kontaktu ze stężonym kwasem siarkowym, stąd odzysk części organicznej zawartej w mieszaninie poreakcyjnej wynosi praktycznie 100%, a uzyskany nadkwas n-dekanowy jest bardziej stabilny. Jakość produktu jak i wydajność sposobu otrzymywania nadkwasu n-dekanowego według wynalazku jest bardzo wysoka.

Dzięki prowadzeniu procesu zgodnie z wynalazkiem, nadkwas powstający w roztworze poreakcyjnym tworzy w nim górną warstwę (organiczną), łatwo separującą się od rozcieńczonego kwasu siarkowego, a jego usunięcie z reaktora nie stanowi w przemysłowym procesie istotnej trudności. W podobny sposób, gdy zgodnie z wynalazkiem przemywa się warstwę organiczną wodą o temperaturze niższej od temperatury topnienia nadkwasu n-dekanowego i powstaje zawiesina - można ją w prosty sposób dalej obrabiać. Nie powstaje kłopotliwy osad, który przywierając do ścian reaktora powodowałby, że konieczne są dodatkowe czynności procesowe do usuwania osadu z reaktora.

W sposobie według wynalazku ujawniony został więc proces nie tylko energetycznie opłacalny ale również wydajny i prosty procesowo, ekonomiczny.

Sposób otrzymywania nadkwasu n-dekanowego według wynalazku przedstawiono w poniższych przykładach wykonania.

P r z y k ł a d 1

W termostatowanym reaktorze płaszczowym, wyposażonym w mieszadło, rozpuszcza się 34,50 g (0,20 mola) kwasu n-dekanowego w 60,08 g kwasu siarkowego o stężeniu 95% wagowych. Stężenie kwasu n-dekanowego w kwasie siarkowym wynosi 36% wagowych. Uzyskany roztwór schładza się do temperatury 10°C. Następnie, przy intensywnym mieszaniu, wkrapla się 20,42 g (0,36 mola; 1,8 równoważnika kwasu n-dekanowego) nadtlenku wodoru o stężeniu 60% wagowych z taką szybkością aby w trakcie dozowania temperatura roztworu reakcyjnego wynosiła powyżej 24°C, lecz nie przekraczała 29°C. Czas dozowania nadtlenku wodoru wyniósł 10 minut. Po zakończeniu dozowania mieszaninę poreakcyjną miesza się jeszcze przez 50 minut.

Następnie, przy intensywnym mieszaniu, do reaktora wprowadza się w jednej porcji 211,87 g wody i dogrzewa, podnosząc temperaturę płaszcza tak, by temperatura mieszaniny w reaktorze osiągnęła 37°C. W tej temperaturze miesza się uzyskany roztwór, aż do całkowitego stopienia osadu nadkwasu, po czym z powstałej emulsji krystalizuje się nadkwas poprzez ciągły odbiór ciepła z układu. Po całkowitym wykrystalizowaniu nadkwasu, powstałą zawiesinę odfiltrowuje się, a placek filtracyjny przemywa wodą do odczynu obojętnego. Następnie placek filtracyjny suszy się pod próżnią.

Otrzymuje się 37,16 g (0,20 mola, 99% wydajności teoretycznej) nadkwasu n-dekanowego o czystości 89%, wyrażonej jako stosunek oznaczonej liczby nadtlenkowej do teoretycznej liczby nadtlenkowej. Stężenie odpadowego kwasu siarkowego wynosi 22% wagowych.

P r z y k ł a d 2

W termostatowanym reaktorze płaszczowym, wyposażonym w mieszadło, rozpuszcza się 34,50 g (0,20 mola) kwasu n-dekanowego w 30,07 g kwasu siarkowego o stężeniu 95% wagowych. Stężenie kwasu n-dekanowego w kwasie siarkowym wynosi 53% wagowych. Uzyskany roztwór schładza się do temperatury 10°C. Następnie, przy intensywnym mieszaniu wkrapla się 15,9 g (0,28 mola; 1,4 równoważnika kwasu, n-dekanowego) nadtlenku wodoru o stężeniu 60% wagowych z taką szybkością aby w trakcie dozowania temperatura roztworu reakcyjnego wynosiła powyżej 24°C, lecz nie przekraczała 29°C. Czas dozowania wyniósł 10 minut. Po zakończeniu dozowania mieszaninę reakcyjną miesza się jeszcze przez 50 minut.

Następnie przy intensywnym mieszaniu do reaktora wprowadza się w jednej porcji 199,99 g wody i podgrzewa, podnosząc temperaturę płaszcza tak, by temperatura mieszaniny w reaktorze osiągnęła 37°C. W tej temperaturze miesza się uzyskany roztwór aż do całkowitego stopienia osadu nadkwasu, po czym z powstałej emulsji krystalizuje się nadkwas poprzez ciągły odbiór ciepła z układu. Po całkowitym wykrystalizowaniu nadkwasu powstałą zawiesinę odfiltrowuje się, a placek filtracyjny przemywa wodą do odczynu obojętnego. Następnie placek filtracyjny suszy się pod próżnią.

Claims (7)

1. PL 239 873 B1

   Otrzymuje się 36,88 g (0,20 mola, 98% wydajności teoretycznej) nadkwasu n-dekanowego o czystości 84%, wyrażonej jako stosunek oznaczonej liczby nadtlenkowej do teoretycznej liczby nadtlenkowej. Stężenie odpadowego kwasu siarkowego wynosi 12% wagowych.

   P r z y k ł a d 3

   W termostatowanym reaktorze płaszczowym wyposażonym w mieszadło, rozpuszcza się 34,50 g (0,20 mola) kwasu n-dekanowego w 30,07 g kwasu siarkowego o stężeniu 95% wagowych. Stężenie kwasu n- dekanowego w kwasie siarkowym wynosi 53% wagowych. Uzyskany roztwór schładza się do temperatury 10°C. Następnie, przy intensywnym mieszaniu wkrapla się 12,47 g (0,22 mola; 1,1 równoważnika kwasu n-dekanowego) nadtlenku wodoru o stężeniu 60% wagowych z taką szybkością aby w trakcie dozowania temperatura roztworu reakcyjnego wynosiła powyżej 23°C, lecz nie przekraczała 30°C. Czas dozowania nadtlenku wodoru wyniósł 10 minut. Po zakończeniu dozowania mieszaninę reakcyjną miesza się jeszcze przez 50 minut.

   Następnie, przy intensywnym mieszaniu, do reaktora wprowadza się 201,69 g wody i podgrzewa podnosząc temperaturę płaszcza tak, by temperatura mieszaniny w reaktorze osiągnęła 37°C. W tej temperaturze miesza się roztwór, aż do całkowitego stopienia osadu nadkwasu, po czym z powstałej emulsji krystalizuje się nadkwas poprzez ciągły odbiór ciepła z układu. Po całkowitym wykrystalizowaniu nadkwasu powstałą zawiesinę odfiltrowuje się, a placek filtracyjny przemywa wodą do odczynu obojętnego. Następnie placek filtracyjny suszy się pod próżnią.

   Otrzymuje się 35,41 g (0,19 mola, 94% wydajności teoretycznej) nadkwasu n-dekanowego o czystości 86%, wyrażonej jako stosunek oznaczonej liczby nadtlenkowej do teoretycznej liczby nadtlenkowej. Stężenie odpadowego kwasu siarkowego wynosi 12% wagowych.

   Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób otrzymywania nadkwasu n-dekanowego z kwasu n-dekanowego, który rozpuszcza się w stężonym kwasie siarkowym, a następnie utlenia nadtlenkiem wodoru i uzyskany osad zawierający nadkwas przemywa wodą i suszy, znamienny tym, że kwas n-dekanowy rozpuszczany jest w kwasie siarkowym o stężeniu od 95 do 98%, przy zachowaniu stężenia masowego kwasu n-dekanowego w kwasie siarkowym od 36 do 53% wagowych, następnie mieszanina reakcyjna schładzana jest do temperatury nie wyższej niż 10°C, po czym do roztworu wprowadzany jest nadtlenek wodoru o stężeniu od 36 do 60%, przy zachowaniu stosunku molowego nadtlenku wodoru do kwasu n-dekanowego od 0,94:1 do 1,81:1 moli i temperatury reakcji nie przekraczającej 30°C, dalej mieszanina poreakcyjna jest najpierw mieszana, później, przy zachowaniu mieszania, do mieszaniny poreakcyjnej wprowadzana jest woda, z zachowaniem stężenia końcowego kwasu siarkowego użytego do rozpuszczenia kwasu n -dekanowego nie niższego niż 12% wagowych i temperatury procesu nie przekraczającej 43°C, aż do pełnego stopienia osadu nadkwasu n-dekanowego, następnie z powstałej emulsji krystalizuje się stopioną fazę organiczną przy zachowaniu zakresu temperatury krystalizacji od 30 do 43°C, aż do całkowitego wykrystalizowanie fazy organicznej, a powstały osad jest odfiltrowywany i poddawany dalszej obróbce.
2. 2. Sposób według zastrz. 1 znamienny tym, że mieszanina poreakcyjna jest mieszana przed dodaniem wody w sposób ciągły, przez okres od 40 do 60 minut.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do mieszaniny poreakcyjnej woda wprowadzana jest w jednej porcji.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym że wprowadzając wodę do mieszaniny poreakcyjnej, doprowadza się dodatkowo ciepło do procesu, przy zachowaniu temperatury mieszaniny nie przekraczającej 43°C, aż do całkowitego stopienia osadu nadkwasu n-dekanowego.
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym że proces krystalizacji prowadzi się z równoczesnym odbiorem ciepła z procesu, przy zachowaniu zakresu temperatury krystalizacji od 30 do 43°C aż do całkowitego wykrystalizowania fazy organicznej.
6. 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że odfiltrowany osad przemywany jest wodą aż do uzyskania odczynu obojętnego i suszony.
7. 7. Sposób według zastrz. 1 albo 6, znamienny tym, że odfiltrowany osad jest suszony pod próżnią.