TWI444362B - 非均勻相共沸蒸餾方法 - Google Patents

Description

非均勻相共沸蒸餾方法

本發明為一種非均勻相共沸蒸餾方法，特別是一種甲基丙烯酸甲酯、甲醇、水等物質所構成之混合物的非均勻相共沸蒸餾方法。

工業界用來生產甲基丙烯酸甲酯(methyl methacrylate,MMA)的反應段出料通常是一種由甲基丙烯酸甲酯、甲醇(Methanol)以及水等所組成的三元混合物。由於水和甲基丙烯酸甲酯在常壓下會形成共沸物，因此無法利用傳統的蒸餾方法來分離水和甲基丙烯酸甲酯，而必須利用共沸蒸餾的方式。

傳統用來餾出甲基丙烯酸甲酯的作法必須使用三個蒸餾塔，如第1圖所示。蒸餾塔11、12、13的內部結構包含多個塔板，塔板數目愈多，便愈能細分出各種不同組成的餾出物。本說明書統一以具有38板的蒸餾塔做說明。

待蒸餾的混合物(FF)通常係於第26板的位置輸送入蒸餾塔11中，蒸餾塔11之第1板通常設置有冷凝器14，位於第2板的氣相餾出物會送入位於第1板的冷凝器14冷凝，冷凝後的餾出物(A1)除了可直接取出為塔頂產物外，也將其中一部分再次輸送入第2板中蒸餾，以提高餾出物(A1)中甲醇的純度，當製程達穩定狀態時，餾出物(A1)係包含93 mol%的甲醇以及7 mol%的甲基丙烯酸甲酯，且幾乎不含水。

蒸餾塔11之第37板的液相餾出物會送入位於第38板的再沸器15中，其中一部分液相再沸成氣相後會再次輸入第37板中蒸餾，第38板的液相餾出物(B1)可直接輸送至分相槽16進行分相程序而得到第一相(C1)和第二相(C2)。其中第一相(C1)包含17.6 mol%的水、31.5 mol%的甲醇、以及50.9 mol%的甲基丙烯酸甲酯，第二相(C2)包含51.5 mol%的水、41 mol%的甲醇、以及7.5 mol%的甲基丙烯酸甲酯。

前述第一相(C1)進一步輸送入蒸餾塔12中，位於蒸餾塔12之塔頂的餾出物(A2)包含25.6 mol%的水、46 mol%的甲醇、28.4 mol%的甲基丙烯酸甲酯；位於蒸餾塔12之塔底的餾出物(B2)則包含0.04 mol%的水、0.06 mol%的甲醇、以及99.9 mol%甲基丙烯酸甲酯。

前述第二相(C2)進一步輸送入蒸餾塔13中，位於蒸餾塔13之塔頂的餾出物(A3)包含43.5 mol%的水、47.8 mol%的甲醇、以及8.7 mol%的甲基丙烯酸甲酯，餾出物(A3)進一步透過管線與混合物進料(FF)混合而輸送入蒸餾塔11中進行蒸餾。位於蒸餾塔13的塔底的餾出物(B3)則接近是純水，水的含量達99.5 mol%，且幾乎不含甲基丙烯酸甲酯與甲醇。

綜上，習知技術必須利用三個蒸餾塔，同時必須經過多道繁雜的製程步驟方可得到純度達99.9 mol%的甲基丙烯酸甲酯及純度99 mol%以上的水，因此具有製程繁雜、設備成本昂貴以及廠房占地過廣等問題。

有鑑於此，本發明提出一種非均勻相共沸蒸餾方法，僅需使用單一個蒸餾塔，所述蒸餾塔包含第一蒸餾區與第二蒸餾區，第一蒸餾區位於第二蒸餾區上方，茲說明本發明所提出之非均勻相共沸蒸餾方法如下。

提供一混合物，所述混合物包含甲基丙烯酸甲酯、甲醇與水；輸送混合物至蒸餾塔的第一蒸餾區，亦即混合物係自第一蒸餾區進料；以65℃至106℃之蒸餾溫度對混合物進行蒸餾；抽取位於第一蒸餾區之末端之液相流體；冷卻此液相流體而形成富水相溶液與富有機相溶液；輸送富有機相溶液迴流至蒸餾塔的第一蒸餾區之末端中。

前述進料之混合物係包含15 mol%至20 mol%的甲基丙烯酸甲酯，67 mol%至72 mol%的甲醇，以及10 mol%至15 mol%的水。

前述富水相溶液包含99 mol%以上的水，富有機相溶液則是包含91 mol%以上的甲基丙烯酸甲酯。

上述蒸餾塔的板數可以在37到39之間，此時混合物進料的位置係位於蒸餾塔之第23板至第25板的範圍中；而抽取液相流體的位置係在第一蒸餾區的末端，亦即蒸餾塔之第34板至第36板的範圍中。第一蒸餾區的頂端係為蒸餾塔的塔頂，而第二蒸餾區係包含由抽取液相流體的位置下端至蒸餾塔的塔底之間的板數。蒸餾塔的板數愈多，自然可更加細分餾出物的組成比例，進而提高產物的純度。

因此，本發明解決了習知技術所具有的種種問題，以下茲進一步以具體實施例說明如下。

請參照第2圖，為甲基丙烯酸甲酯、甲醇與水之殘餘曲線圖(Residue Curve Map,RCM)，其中，甲醇與甲基丙烯酸甲酯之共沸點為64.41℃，甲基丙烯酸甲酯與水的共沸點為81.62℃。此殘餘曲線圖中包含兩液相區，以下實施例即是抽取組成成份落入兩液相區之餾出物，再將所抽取出的餾出物降溫，使其形成富有機相溶液與富水相溶液。然後再透過槓桿律(lever rule)預測富有機相溶液與富水相溶液的流率，及由兩液相的液液平衡線(tie line)預測其個別所含之水和甲基丙烯酸甲酯的濃度。

請參照第3圖本發明之非均勻相共沸蒸餾方法管線配置圖，茲詳述本發明所提出的非均勻相共沸蒸餾方法如下：混合物(FF)包含甲基丙烯酸甲酯、甲醇與水，係作為進料之用。本步驟所提供之混合物(FF)包含17.7 mol%的甲基丙烯酸甲酯，69.8 mol%的甲醇，以及12.5 mol%的水。

蒸餾塔31的塔板的數量係在37至39之間，混合物(FF)進料的位置係位於蒸餾塔的第23板至第25板的範圍中，蒸餾塔31的塔底溫度保持在106℃，塔頂溫度保持在65℃，並以此蒸餾溫度對混合物(FF)進行蒸餾。蒸餾過程中，愈靠近蒸餾塔31的底端的蒸餾殘餘物，其沸點愈高；愈靠近蒸餾塔的頂端的蒸餾殘餘物，其沸點愈低。

如第3圖所示，自蒸餾塔31側向所抽取的液相流體(M1)，係位於第34板至第36板的範圍中，亦即位於蒸餾塔31之第一蒸餾區311之末端。此液相流體(M1)以冷凝器37冷凝至45℃至55℃之間，例如50℃，然後再輸送至分相槽36中進行分相處理，分相槽37的溫度同樣係維持在50℃。

分相過程中，會形成富水相溶液(Q1)以及富有機相溶液(P1)，其中富水相溶液(Q1)包含99 mol%以上的水，富有機相溶液(P1)包含91 mol%以上的甲基丙烯酸甲酯。

此富有機相溶液(P1)進一步迴流到蒸餾塔31的第一蒸餾區311之末端繼續蒸餾程序。以具有38板的蒸餾塔31為例，第一蒸餾區311之末端係位於第34板至第36板的範圍中，富有機相溶液(P1)迴流到蒸餾塔31的位置同於抽取液相流體(M1)的位置。

蒸餾塔31之第2板的氣相流體係以設置之冷凝器34冷凝，冷凝後的餾出物除了可直接取出為塔頂產物(G1)外，也可將其中一部分再次輸送入第2板中蒸餾，以提高塔頂產物(G1)中甲醇的純度，此塔頂產物(G1)包含92.5 mol%以上的甲醇以及0.01 mol%以下的水。

蒸餾塔31之第37板的液相餾出物會送入位於第38板的再沸器35中，其中一部分液相餾出物會再沸成氣相後再次輸入第37板中蒸餾，第38板的液相餾出物(H1)包含99.5 mol%以上的甲基丙烯酸甲酯以及0.5 mol%以下的水。

本說明書所揭露的非均勻相共沸蒸餾方法僅使用單一個蒸餾槽31、單一個分相槽36以及單一道迴流程序，當蒸餾程序達到穩定狀態時，便可在蒸餾塔31之第38板的液相餾出物(H1)得到純度達99.5 mol%以上，甚至99.9 mol%的甲基丙烯酸甲酯。由於本說明書所揭露的非均勻相共沸蒸餾方法僅使用單一個蒸餾塔便可生產出純度達99.5 mol%以上，甚至99.9 mol%以上的甲基丙烯酸甲酯，因此可大幅改善習知技術所具有之製程繁雜、設備成本昂貴以及廠房占地過廣等問題。

根據估算，使用單一蒸餾塔的非均勻相共沸蒸餾方法可較傳統三蒸餾塔式的蒸餾方法節省21.4%的總年度成本(total annual cost,TAC)。

雖然本發明已以前述實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改。如上述的解釋，都可以作各型式的修正與變化，而不會破壞此發明的精神。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

11、12、13．．．蒸餾塔

14．．．冷凝器

15、17、18．．．再沸器

16．．．分相槽

31．．．蒸餾塔

311．．．第一蒸餾區

312．．．第二蒸餾區

34、37．．．冷凝器

35．．．再沸器

36．．．分相槽

第1圖為習知技術示意圖。

第2圖為甲基丙烯酸甲酯、甲醇與水的蒸餾殘餘曲線圖(Residue Curve Map)。

第3圖為本發明之非均勻相共沸蒸餾方法管線配置圖。

31．．．蒸餾塔

311．．．第一蒸餾區

312．．．第二蒸餾區

34、37．．．冷凝器

35．．．再沸器

36．．．分相槽

Claims (11)

1. 一種非均勻相共沸蒸餾方法，適用於一蒸餾塔，該蒸餾塔包含一第一蒸餾區與一第二蒸餾區，該第一蒸餾區位於該第二蒸餾區上方，該非均勻相共沸蒸餾方法包含：提供一混合物，該混合物包含實質上15mol%至20mol%的甲基丙烯酸甲酯、實質上67mol%至72mol%的甲醇與實質上10mol%至15mol%的水；該混合物自該第一蒸餾區進料；以65℃至106℃之蒸餾溫度蒸餾該混合物；抽取位於該第一蒸餾區之末端之一液相流體；冷卻該液相流體而形成一富水相溶液與一富有機相溶液；及輸送該富有機相溶液回至該第一蒸餾區之末端。
2. 如申請專利範圍第1項之非均勻相共沸蒸餾方法，其中該混合物包含17.7mol%的甲基丙烯酸甲酯，69.8mol%的甲醇，以及12.5mol%的水。
3. 如申請專利範圍第1項之非均勻相共沸蒸餾方法，於冷卻該液相流體之步驟中，係冷卻至45℃至55℃之間。
4. 如申請專利範圍第1項之非均勻相共沸蒸餾方法，其中該富水相溶液包含99mol%以上的水，該富有機相溶液包含91mol%以上的甲基丙烯酸甲酯。
5. 如申請專利範圍第1項之非均勻相共沸蒸餾方法，其中該第一 蒸餾區包含該蒸餾塔的塔頂，位於該蒸餾塔的塔頂的餾出物包含92.5mol%以上的甲醇以及0.01mol%以下的水。
6. 如申請專利範圍第1項之非均勻相共沸蒸餾方法，其中該第二蒸餾區包含該蒸餾塔的塔底，位於該蒸餾塔的塔底的餾出物包含99.5mol%以上的甲基丙烯酸甲酯。
7. 如申請專利範圍第1項之非均勻相共沸蒸餾方法，其中該蒸餾塔包含37至39個塔板。
8. 如申請專利範圍第1項之非均勻相共沸蒸餾方法，該混合物進料的位置係位於該蒸餾塔之第23板至第25板的範圍中。
9. 如申請專利範圍第1項之非均勻相共沸蒸餾方法，抽取該液相流體的位置係位於該蒸餾塔之第34板至第36板的範圍中。
10. 如申請專利範圍第1項之非均勻相共沸蒸餾方法，該第一蒸餾區的頂端係為該蒸餾塔的塔頂。
11. 如申請專利範圍第1項之非均勻相共沸蒸餾方法，該第二蒸餾區係包含由抽取該液相流體的位置下端至該蒸餾塔的塔底之間的板數。