TWI422572B - 連續製備不飽和羧酸酐的方法 - Google Patents

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Description

連續製備不飽和羧酸酐的方法
本發明係揭示一種連續製造不飽和羧酸酐的方法,特別是不飽和羧酸與低分子量脂族羧酸酐之反應。
德國專利DE-A-3510035號揭示一種連續製造不飽和羧酸酐之方法,其係藉在蒸餾塔中間部份使乙酸酐與不飽和羧酸進行酸催化轉酐化反應。為了達到完全轉化,乙酸酐係以超過每莫耳羧酸0.1至0.5莫耳的過量來使用,在此情況下該塔頂端處將獲得乙酸與乙酸酐之混合物,也就是說,純乙酸無法獲得。
此外,所生成之產物會被觸媒污染,因此觸媒必須在另一製程步驟中除去。
美國專利US-A-4,857,239號揭示一種製造甲基丙烯酸酐之方法,其中甲基丙烯酸對乙酸酐之莫耳比為2.1至3,且使聚合抑制劑加入於蒸餾塔內。根據實施例,該方法係逐批次的。另一缺點是以過量方式使用反應物得不到效用。
美國專利US-A-2003/0018217號揭示製造甲基丙烯酸酐之逐批次方法,其中甲基丙烯酸對乙酸酐之最初莫耳比較佳地為9至11。所形成之乙酸立刻除去,所釋出之反應器內含物係以乙酸酐稀釋。為了防止聚合作用,是將抑制劑加入於反應器及塔內。大量副產物會形成且不能完全除去。
因此,本發明之目標係提供連續製造不飽和羧酸酐的改良方法,其中避免反應物中之一者化學計量過量,但仍然達成反應物之完全轉化,且同時所生成之不飽和酸酐及羧酸也是以高純度獲得。此外,在所有區域中應可大大地防止聚合作用且反應之時空產量應會增加。
本發明提供一種連續製造通式I之不飽和羧酸酐的方法R-C(O)-O-C(O)-R (I),(其中R表示具有2至12個碳原子之不飽和有機基)該方法係藉由在具有上部、中部及下部區域的精餾塔中以通式II之羧酸使脂族羧酸酐進行轉酐化作用R-COOH (II)(其中R係如上文之定義),其特徵為a)最初地將惰性之沸騰油放入該塔底部,b)依化學計量比率將反應物送入反應區中,c)在該塔頂端提取以副產物方式生成之羧酸,d)將未轉化之反應物再循環至反應區內,及e)通式I之產物係經由側取(較佳地在中部與下部塔區域之間)而獲得。
這些技術特徵達到反應物之完全轉化且同時獲得高純度之產物,及在所有區域中實質地防止聚合作用,因為尤其所生成之不飽和酸酐在塔底部的長逗留時間被排除。
適用於根據本發明之方法的羧酸具有2至12個碳原子之不飽和有機基,以2至6個碳原子為較佳,2至4個碳原子特別佳。適當之烯基為乙烯基、烯丙基、2-甲基-2-丙烯基、2-丁烯基、2-戊烯基、2-癸烯基、1-十一碳烯基及9,12-十八碳二烯基。特別佳者為乙烯基和烯丙基。
特別佳的羧酸包括(甲基)丙烯酸。(甲基)丙烯酸一詞在此技術範圍中已為人知悉,且需明瞭的是不僅表示丙烯酸及甲基丙烯酸同時也表示這些酸之衍生物。這些衍生物包括β-甲基丙烯酸(丁烯酸、巴豆酸)、α,β-二甲基丙烯酸、β-乙基丙烯酸、α-氯基丙烯酸、α-氰基丙烯酸、1-(三氟甲基)丙烯酸及β,β-二甲基丙烯酸。較佳者為丙烯酸(丙烯酸)及甲基丙烯酸(2-甲基-丙烯酸)。
用於根據本發明之方法的適當羧酸酐在此技術範圍中也同樣為人知悉。較佳的化合物具有通式III R’-C(O)-O-(O)-R’(III),其中R’為C1 -至C4 -烷基。較佳者係使用乙酸酐。
關於根據本發明之方法,所用之沸騰油係高沸點惰性物質,其經過長時間仍具熱安定性且其沸點高於該反應所涉及之組份的沸點,以便確保在不會聚合下蒸餾除去所生成之酸酐。雖然為了減少在該所生成之酸酐上的熱應力,沸騰油之沸點也不應太高。
一般而言,沸騰油在標準氣壓(1013毫巴)下的沸點溫度係從200至400℃,特別是從240至290℃。
適當之沸騰油包括具有12至20個碳原子的相對長鏈非支鏈烷烴、芳族化合物如狄菲爾(Diphyl)(75%二苯醚及25%聯苯之共熔混合物)、經烷基取代之苯酚或萘化合物、環丁碸(四氫噻吩1,1-二氧化物)或這些物質之混合物。
適當之實例為下列所示之沸騰油:
特別佳者係使用2,6-二-第三-丁基-對-甲酚、2,6-二-第三-丁基苯酚、環丁碸、狄菲爾或這些物質之混合物,極佳者是環丁碸。
根據本發明,可瞭解化學計量比率係表示羧酸對羧酸酐的莫耳比為1.9至2.1:1。
關於根據本發明之轉酐化反應,可使用在上部、中部及下部區域中各別具有5至15個分離階段的任何精餾塔。上部區域中分離階段之數目較佳地為10至15個,而在中部及下部區域中為8至13個。在本發明中,分離階段之數目係表示板塔中塔盤數目乘以盤效率,或在具有結構填料之塔或具有無規填料之塔的情況中係表示理論板數。
具有塔盤之精餾塔的實例包括那些諸如泡帽塔盤、篩板、隧道-泡帽塔盤、浮閥塔板、裂縫塔盤、裂縫式篩板、泡帽式篩板、噴嘴塔盤、離心式塔盤者;對具有無規填料之精餾塔而言,包括那些拉氏環、辛陶圈、Pall環、Berl鞍狀填料、Intalox鞍狀填料;對具有結構填料之精餾塔而言,包括那些Mellapak(Sulzer公司)、Rombopak(Kehni公司)、Montz-Pak(Montz公司)及具有觸媒包之結構填料,如Katapak(Sulzer公司)。
同樣地,可使用具有塔盤區、無規填料區及/或結構填料區之組合的精餾塔。
較佳者係使用具有無規填料及/或結構填料用於該3個區域的精餾塔。
精餾塔可由適於此目的之材料製造。此包括不鏽鋼及惰性材料。
該裝置具有至少一個在下文稱為反應區或反應器的區域,其中較佳地供應至少一種觸媒。此反應器可位於精餾塔內部及/或外面。然而,此反應器較佳地係以分開區域安排在精餾塔外面,這些較佳具體實施例之一將於圖1中詳細解說。
反應較佳地係在30至120℃範圍內的溫度下進行,以40至100℃特別佳,特別是50至80℃。反應溫度視所設定之系統壓力而定。在反應器安排在該塔內的情況下,反應較佳地係在5至100毫巴(絕對)壓力範圍內進行,特別是10至50毫巴(絕對),而以20至40毫巴(絕對)特別佳。
若反應區(2)位於該塔外面,則可選擇與該塔內之壓力和溫度不同的壓力和溫度條件。將反應器之反應參數獨立地設定為該塔內之操作條件將較為有利。
轉酐化之反應時間視反應溫度而定;單程時反應器內之逗留時間較佳地為0.5至15分鐘,以1至5分鐘特別佳。
在來自乙酸酐與(甲基)丙烯酸的(甲基)丙烯酸酐製備中,反應溫度較佳地係40至100℃,以50至90℃特別佳,70至85℃極佳。
除了反應物之外,反應混合物可包含另外的組份,如溶劑、觸媒及聚合抑制劑。
較佳者係在反應區內使用不勻相觸媒。特別適當的不勻相觸媒為酸性固定床觸媒,特別是酸性離子交換劑。
特定言之,特別適當之酸性離子交換劑包括陽離子交換樹脂,例如含有磺酸之苯乙烯-二乙烯基苯聚合物。適當之陽離子交換樹脂可商業上自Rohm&Haas公司以商品名Amberlyst、Dow公司以商品名Dowex及Lanxess公司以商品名Lewatit取得。
觸媒之公升單位的數量較佳地從1/10高至2倍,以1/5至1/2特別佳,新近生成之不飽和羧酸酐的量是以公升/小時為單位。
可優先使用之聚合抑制劑包括3-(3,5-二-第三-丁基-4-羥苯基)丙酸十八烷酯、啡噻、氫醌、氫醌一甲基醚、4-羥基-2,2,6,6-四甲基N-六氫吡啶基氧基(TEMPOL)、2,4-二甲基-6-第三-丁基苯酚、2,6-二-第三-丁基苯酚、2,6-二-第三-丁基-4-甲基苯酚、經對位-取代之苯二胺如N,N’-二苯基-對-苯二胺、1,4-苯醌、2,6-二-第三-丁基-α-(二甲胺基)-對-甲酚、2,5-二-第三-丁基氫醌、或這些安定劑中二或多種之混合物。極佳者是啡噻
抑制劑可計量送入在反應器上端的進料中及/或精餾塔內,較佳者係在該塔頂端處進入。
根據本發明,轉酐化作用係在裝置中進行,其中反應物之進料流係導入精餾塔之反應區中,該精餾塔具有主要為未轉化之反應物及式R-C(O)-O-C(O)-R’之中間產物的反應器循環流,其中R及R’各別如上文之定義。為了防止易於聚合之標靶產物的長逗留時間,上述之惰性沸騰油係存在於該塔底部。作為標靶產物之不飽和羧酸酐較佳地係自中部與下部區域之間以氣體形式取出,同時新近形成之羧酸係在該塔頂端以最低沸點之反應組份取出。舉例之,未轉化之反應物及所生成之中間產物係藉由泵再循環到反應區內。
高沸溶物如添加之抑制劑可藉由慣用方法自底部卸除,例如藉由薄膜蒸發器或執行類似功能之裝置,蒸發之物質將再循環至精餾塔中並卸下非蒸發之高沸溶物。
若使用觸媒,則可提供於精餾塔的各區域中,較佳地係在中部區域。
再者,觸媒也可供應在該裝置的分開區域中,即反應區或反應器(此區域係與該裝置之另外區域相連接)。觸媒區的此一分開排列較為人喜歡,且反應物可連續通過該觸媒區。此舉將連續地生成不飽和羧酸酐(如(甲基)丙烯酸酐)及新形成的羧酸(如乙酸)。
將(甲基)丙烯酸(=(M)AA)及乙酸酐(=Ac2 O)進料流送入位於精餾塔(2)外面之反應器(3),精餾塔(2)具有主要由未轉化之反應物及所生成之(甲基)丙烯酸乙醯酯中間產物所組成的循環流(1)。
反應物之溫度可藉由進料中之熱交換器(4)來調節。
反應器較佳地為係一包含固定床觸媒之流動管反應器。
將離開反應器之流(5)送入精餾塔(2)中,較佳地係在來自該塔之上部區域(2a)的回流管流下方。在塔(2)中首先進行進一步的反應,其次進行各組份的分離。為了防止聚合作用,較佳地係在該塔頂端處計量放入抑制劑。
在上部區域(2a)中,低沸點乙酸係自中間物沸溶物(反應物、中間產物)中除去並在頂端提取。在該塔之中部區域(2b)中,進行中間物沸溶物與(甲基)丙烯酸酐(=(M)AAH)的分離,且(M)AAH較佳地係在中部與下部之間以氣體形態取出。在該塔之下部區域(2c)中,(M)AAH則與存在於底部之沸騰油(6)分離。在底部之高沸溶物可藉由慣用方法(7)除去,例如藉由薄膜蒸發器或執行類似功能之裝置,蒸發物質係再循環至精餾塔中並將非蒸發的高沸溶物卸下。
源自上部區域(2a)中之液體流係全部從塔中取出,並以再循環流(1)方式與進料流一起送入反應器中。
本發明將參考實施例而於下文詳細解說。
實施例1:甲基丙烯酸酐之製備
為了藉由使甲基丙烯酸與乙酸酐反應以製備甲基丙烯酸酐,可設立根據圖1之試驗設備。精餾塔(2)具有總共約35個分離階段(上部區域(2a)中有15個,中部區域(2b)內有12個及之下部區域(2c)中有8個)。連接管接頭與底部時,此塔為5.5公尺高,內直徑為100公釐,並裝備有Sulzer CY填料(區域2a及2b)及Montz BSH 400填料(區域2c)。所用之聚合抑制劑是啡噻。塔頂端之壓力為20毫巴。在穩態條件下建立164℃(底部)至23℃(塔頂)之溫度曲線。塔頂端處的乙酸卸除及甲基丙烯酸酐之側取(在區域2b與及2c之間)以及底部蒸發器之熱流輸出係藉由在特定區域中調整適當之溫度而受到控制。
在精餾塔底部使用6公斤環丁碸作為沸騰油(6)。
反應係在外部反應器(3)中進行。所用之不勻相固態觸媒為450毫升之酸性離子交換劑Lwatit K2431(取自Lanxess公司)。反應溫度為76℃。來自該塔之循環流(1)約16公斤/小時,其主要係由未轉化之反應物及甲基丙烯酸乙醯酯中間產物所組成,此循環流(1)係與甲基丙烯酸及乙酸酐的新鮮進料一起返回到反應器中。
新鮮地且連續地將1750公克/小時之乙酸酐及2951公克/小時之甲基丙烯酸計量送入。
在塔頂端處可獲得2038公克/小時之乙酸。在側流提取處可收回2616公克/小時之純度99.7%(GC分析)的甲基丙烯酸酐。甲基丙烯酸酐之產量以所用之乙酸酐及甲基丙烯酸計為99%。
實施例2:丙烯酸酐之製備
為了藉由使丙烯酸與乙酸酐反應以製備丙烯酸酐,係使用如實施例1中解說的試驗設備。
塔頂端之壓力、反應溫度及循環流實質上和實施例1所報導的數值相同。同樣地也使用相同的反應器排列、相同之聚合抑制劑、相同之觸媒(形式及數量)及相同之沸騰油(形式及數量)。在穩態條件下建立167℃(底部)至23℃(塔頂)之溫度曲線。
連續且新鮮地將1500公克/小時之乙酸酐及2118公克/小時之丙烯酸計量送入。
在塔頂端處可獲得1712公克/小時之乙酸。在側流提取處可收回1797公克/小時之純度99.7%(GC分析)的丙烯酸酐。丙烯酸酐之產量以所用之乙酸酐及丙烯酸計為97%。
1...循環流
2...精餾塔
2a...上部區域
2b...中部區域
2c...下部區域
3...反應器
4...熱交換器
5...離開反應器之流
6...沸騰油
7...高沸溶物藉由慣用方法除去
圖1係顯示根據本發明之較佳具體實施例。
1...循環流
2...精餾塔
2a...上部區域
2b...中部區域
2c...下部區域
3...反應器
4...熱交換器
5...離開反應器之流
6...沸騰油
7...高沸溶物藉由慣用方法除去

Claims (11)

  1. 一種連續製備通式(I)之不飽和羧酸酐的方法,R-C(O)-O-C(O)-R (I)(其中R表示具有2至12個碳原子之不飽和有機基)該方法係藉由在具有上部、中部及下部區域的精餾塔中以通式(II)之羧酸使脂族羧酸酐進行轉酐化作用R-COOH (II)(其中R係如上文之定義),其特徵為a)最初地將惰性之沸騰油放入該塔底部,b)依化學計量比率將反應物送入反應區中,c)在該塔頂端提取以副產物方式生成之羧酸,d)將未轉化之反應物再循環至該反應區內,及e)通式(I)之產物係經由側取而獲得。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法,其中在反應區使用不勻相觸媒。
  3. 如申請專利範圍第2項之方法,其中使用酸性固定床觸媒。
  4. 如申請專利範圍第2或3項之方法,其中使用陽離子交換劑作為觸媒。
  5. 如申請專利範圍第1或2項之方法,其中該反應區 係在該塔外面。
  6. 如申請專利範圍第1或2項之方法,其中該通式I之不飽和羧酸酐係藉由使乙酸酐與(甲基)丙烯酸進行轉酐化而製備之(甲基)丙烯酸酐。
  7. 如申請專利範圍第1或2項之方法,其中該所用之沸騰油係具有沸點比涉及該反應之各組份之沸點還高的高沸點惰性物質。
  8. 如申請專利範圍第1或2項之方法,其中該所用之沸騰油係2,6-二-第三-丁基-對-甲酚、2,6-二-第三-丁基苯酚、環丁碸或狄菲爾(Diphyl)或彼等之混合物。
  9. 如申請專利範圍第1或2項之方法,其中該所用之沸騰油係環丁碸。
  10. 如申請專利範圍第1或2項之方法,其中高沸點組份係自該塔底部卸下,及蒸發物質係再循環至該塔中。
  11. 如申請專利範圍第1項之方法,其中通式(I)之產物係在該中部與下部塔區域之間而獲得。
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