WO2019034577A1 - Verfahren zur kontinuierlichen herstellung von acrylsäure-n-butylester oder acrylsäure-isobutylester - Google Patents

Verfahren zur kontinuierlichen herstellung von acrylsäure-n-butylester oder acrylsäure-isobutylester Download PDF

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WO2019034577A1
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acrylic acid
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Tim BLASCHKE
Christian Raith
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    • C07C67/58—Separation; Purification; Stabilisation; Use of additives by liquid-liquid treatment
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    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C69/00—Esters of carboxylic acids; Esters of carbonic or haloformic acids
    • C07C69/52—Esters of acyclic unsaturated carboxylic acids having the esterified carboxyl group bound to an acyclic carbon atom
    • C07C69/533—Monocarboxylic acid esters having only one carbon-to-carbon double bond
    • C07C69/54—Acrylic acid esters; Methacrylic acid esters

Definitions

  • 3-hydroxypropionic acid can first be esterified with an alcohol in a first step and then the resulting 3-hydroxypropionic acid ester can be dehydrated to the corresponding alkyl acrylate in a subsequent step.
  • 3-hydroxy-propionic acid may also first be dehydrated in a first step and then, in a subsequent step, the resulting acrylic acid esterified with an alcohol.
  • WO 03/082795 A2 (Cargill, Inc.) describes in Example 13 (page 14) a one-pot synthesis of n-butyl acrylate starting from aqueous 3-hydroxypropionic acid and n-butanol (catalyst: H 2 SO 4). The process takes place in three steps: first the water is completely distilled off, then n-butanol is separated off in a distillation apparatus and finally, after the temperature and pressure have fallen, the product n-butyl acrylate is distilled off. The yield is only 37%.
  • WO 2015/036218 A1 (BASF SE) describes a process for the dehydration of aqueous 3-hydroxypropionic acid to acrylic acid.
  • esterification of acrylic acid with an alcohol can be carried out in particular by the processes according to DE 196 04 267 A1 (BASF AG) or EP 765 859 A1 (BASF AG):
  • DE 196 04 267 A1 discloses a process for the continuous preparation of alkyl esters of (meth) acrylic acid wherein the work-up is carried out in two interconnected rectification units.
  • EP 765 859 A1 teaches a process for the continuous production of alkyl acrylates in which the reaction zone consists of a cascade of at least two reaction areas connected in series.
  • EP 1 182 189 B1 (Rohm and Haas Company) relates to a process for the continuous recovery of n-butyl acrylate from an esterification reaction mixture.
  • WO 2012/071158 A1 (Rohm and Haas Company) describes a special distillation process for C 1-4 -alkyl (meth) acrylates, in which the vaporized reactor contents are passed directly into a column.
  • 3-hydroxypropionic acid is via glucose through fermentation, where the glucose is derived from renewable raw materials such as corn. will win.
  • the production of 3-hydroxypropionic acid by fermentation is described, for example, in WO 2012/074818 A2 (Novozymes, Inc.).
  • the manufacturing process should also be particularly easy to implement and perform and also be particularly economical.
  • acetate-free acrylic acid butyl ester By using 3-hydroxypropionic acid, a virtually acetate-free acrylic acid butyl ester can be prepared.
  • the 3-hydroxypropionic acid used is bio-based 3-hydroxypropionic acid.
  • bio-based 3-hydroxy-propionic acid is meant one prepared from renewable resources.
  • bio-based 3-hydroxypropionic acid was prepared by fermentation, in particular from glucose, xylose, arabinose, sucrose, fructose, cellulose, glucose oligomers and / or glycerol by fermentation, especially with subsequent purification.
  • glucose xylose, arabinose
  • sucrose fructose
  • cellulose glucose oligomers
  • glycerol glucose oligomers
  • subsequent purification e.g., WO 2012/074818 A2 (Novozymes, Inc.) the production of bio-based 3-hydroxy Propionic acid (short: Bio-3-hydroxy-propionic acid, even shorter: Bio-HPS) from sugars known as glucose by fermentation and subsequent purification.
  • the aqueous bio-3-hydroxypropionic acid thus produced contains, for example, in addition to water, essentially the following constituents:
  • 0 to 0.15% by weight especially 0.0 to 0.05% by weight, e.g. 0.005 to 0.10% by weight, acetic acid,
  • the molar use ratio of butanol R-OH to 3-hydroxy-propionic acid > 1 and is further preferably below 5.
  • Particularly advantageous is a molar use ratio of butanol R-OH to 3-hydroxy-propionic acid in the range of 1: 1 to 3: 1.
  • Very particularly preferred is a molar use ratio in the range of 1, 1: 1 to 1, 8: 1.
  • the dehydrating and simultaneously esterifying conditions are preferably characterized in that a catalytically effective amount of an acid is present.
  • the content of catalytically active acid in the reactor based on the reaction mixture contained therein, 0.1 to 20 wt .-%, especially 5 to 15 wt .-%, more particularly 7 to 10 wt. %.
  • Preferred acids are mineral acids, such as sulfuric acid, phosphoric acid, and organic sulfonic acid.
  • organic sulfonic acids methanesulfonic acid, benzenesulfonic acid, dodecylbenzenesulfonic acid and / or p-toluenesulfonic acid are preferred.
  • organic (organic) sulfonic acid (s) and mineral acid (s), e.g. Sulfuric acid, are used. It is particularly preferred to use sulfuric acid and / or organic sulfonic acid (s) as the esterification and dehydration catalyst (s).
  • the reaction of the reactants, that is, the educts 3-hydroxypropionic acid and butanol R-OH, in the reactor is preferably carried out at a temperature in the range of 80 to 170 ° C, especially in the range of 100 to 155 ° C, more particularly in the range of 120 to 140 ° C.
  • the residence time of the reactants, ie the educts 3-hydroxypropionic acid and butanol R-OH, in the reactor is preferably 1 to 20, more preferably 2 to 8, hours.
  • the residence time is understood to be the time which lingers the bottoms removal amount (4) in the liquid volume of the reaction vessel (1).
  • the directly attached column offers the advantage of directly transporting the vapor (5) formed in the reactor (1) directly into the reactor (1) without additional pipelines into the rectification column (6) and the liquid (7) flowing in the column.
  • reaction vessel (1) and rectification column (6) with corresponding piping for supplying the vapors into the column and the flow of the liquid flowing through the rectification column into the reaction vessel.
  • a separate arrangement of the reaction vessel (1) and rectification column (6) with corresponding piping for supplying the vapors into the column and the flow of the liquid flowing through the rectification column into the reaction vessel.
  • Such an embodiment with an indirectly applied column is also encompassed by the term "reactor with rectification column”.
  • the rectification column (6) is of a known type and has the usual internals.
  • column internals in principle all common internals are considered, for example trays, packings and / or fillings.
  • the soils bubble-cap trays, sieve trays, valve trays, Thormann trays and / or dual-flow trays are preferred, among the trays are those with rings, spirals, calipers, Raschig, Intos or Pall rings, Berl or Intalox saddles or Braided preferred.
  • Particularly preferred are dual-flow trays.
  • the effectiveness of such internals within the rectification column should preferably be at least five theoretical stages, e.g. in the range of 6 to 40 theoretical stages; It is particularly preferable to provide a separation capacity of 10 to 30 theoretical stages.
  • the pressure at the top of the rectification column (6) is preferably in the range from 0.2 to 5.0 bar, especially in the range from 0.3 to 3.0 bar, more particularly in the range from 0.5 to 1, 2 bar.
  • the separation into an aqueous phase and an organic phase preferably takes place by means of a phase separator.
  • a phase separator In such an apparatus, two liquids that are not homogeneously miscible can be separated by their difference in density.
  • At least part of the resulting aqueous phase which also contains butanol R-OH in addition to water and possibly further components in traces, is discharged. From 10 to 80% by weight, more particularly from 20 to 70% by weight, of the resulting aqueous phase are particularly preferably discharged. The remainder is in each case, preferably in the rectification column (6), recycled.
  • a portion of the resulting organic phase is also recycled, preferably to the rectification column.
  • the other part is discharged and fed to a distillative separation.
  • the distillative separation of the discharged organic phase comprising the acrylic acid butyrate and the butanol (R-OH) is preferably carried out in such a way that the butanol is removed overhead in a downstream rectification column (as described, for example, in EP 765 859 A1 (BASF AG)).
  • the so separated butanol is returned to the reactor (see below). Conveniently, the return is continuous, with or without intermediate container.
  • the resulting bottom liquid of this rectification column consists essentially of the butyl acrylate and small amounts of high boilers and stabilizer used (for example, so-called process stabilizer, for example phenothiazine (PTZ) in particular).
  • PTZ phenothiazine
  • a stabilizer for example, in particular MeHQ
  • the bottoms liquid of this rectification column containing the higher-boiling by-products is expediently preferably recycled to the reactor, preferably continuously, with or without intermediate tank.
  • a particular embodiment (also described in EP 765 859 A1 (BASF AG)) is that the butyl acrylate is removed from the rectification column for the recovery of butanol by a side draw after removal of any entrained liquid droplets and condensed to the pure ester. During condensation, a stabilizer (the so-called storage stabilizer, for example p-methoxy-phenol (MeHQ)) is added to it.
  • a stabilizer the so-called storage stabilizer, for example p-methoxy-phenol (MeHQ)
  • the bottoms discharge from the butanol rectification column in the main case consisting of butyl acrylate
  • the butanol obtained after the separation is particularly advantageously recycled at least partially to the reaction in the reactor.
  • the process according to the invention is particularly preferably used for the preparation of n-butyl acrylate, in which aqueous, particularly bio-based, 3-hydroxypropionic acid is reacted in the presence of the alcohol n-butanol.
  • n-butyl acrylate with in particular a purity of> 99.0 wt .-%, further particularly a 99.5 wt .-%, and a content of n-butyl acetate of ⁇ 1000 ppm, further more of ⁇ 100 ppm.
  • the content of acrylic acid is ⁇ 100 ppm, for example 5 to 80 ppm.
  • iso-butyl acrylate in particular having a purity of> 99.0% by weight, more particularly aa 99.5% by weight, and a content of iso-butyl Butyl acetate of ⁇ 1000 ppm, more particularly of ⁇ 100 ppm.
  • the content of acrylic acid is ⁇ 100 ppm, for example 5 to 80 ppm.
  • the butyl acrylate formed is preferably stabilized by suitable polymerization inhibitors in order to avoid undesired polymerization. That is, the process of the present invention is preferably carried out in the presence of effective amounts of one or more stabilizers.
  • Suitable stabilizers are, in principle, all polymerization inhibitors which are suitable for stabilizing acrylic acid and acrylic acid esters in, for example, methylene chloride.
  • DE 10 2005 053 982 A1 (BASF AG) and DE 102 58 329 A1 (BASF AG) are recommended.
  • Suitable stabilizers can be, for example, N-oxides (nitroxyl or N-oxyl radicals, ie compounds which have at least one> N-0 group), such as, for example, 4-hydroxy-2, 2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxyl (4HT) or 4-oxo-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxyl, phenols and naphthols such as p-methoxyphenol, p- Aminophenol, p-nitrosophenol, 2-tert.
  • N-oxides nitroxyl or N-oxyl radicals, ie compounds which have at least one> N-0 group
  • 4HT 4-hydroxy-2, 2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxyl
  • 4-oxo-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxyl 4-oxo-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxyl
  • phenols and naphthols such as
  • aromatic amines e.g. ⁇ , ⁇ -diphenylamine
  • phenylenediamines e.g. ⁇ , ⁇ '-dialkyl-p-phenylenediamine
  • alkyl radicals may be the same or different and each
  • Diphenyl sulfide or phenothiazine metal salts, e.g. Cerium (III) acetate or cerium (III) ethylhexanoate, but also various copper salts, such as Cu (II) dialkyldithiocarbamates, e.g. the
  • Cu (II) dibutyldithiocarbamate and also Cu (II) oxinate (oxine 4-hydroxyquinoline), in addition manganese salts such as the Mn (II) diacetate or mixtures thereof.
  • the stabilization is preferably carried out with phenothiazine (PTZ), p-methoxyphenol (MeHQ), hydroquinone, hydroquinone monomethyl ether, 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxyl, 4-oxo-2,2,6 , 6-tetramethylpiperidine-N-oxyl, 2,6-tert-butyl-4-methylphenol or mixtures thereof.
  • phenothiazine (PTZ) and / or p-methoxyphenol (MeHQ) and / or 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxyl (4HT) as the polymerization inhibitor.
  • the inhibitors can be added as pure substance, it is advantageous to add the inhibitor dissolved in a solvent as a solution which can be dosed in a simple and reproducible manner, inhibitor mixtures in principle also being possible in a single solution.
  • a liquid already present in the acrylate synthesis process or the mixture of substances in the column is used as the solvent.
  • Particularly preferred for use as a solvent is the acrylate product (ie the butyl acrylate) itself, water or one of the synthetic starting materials for the acrylate (eg the butanol R-OH).
  • the inventive method is advantageously carried out with special measures for controlling certain parameters. This process control preferably takes place as follows:
  • This reflux ratio of the streams 13 to 15 is preferably in the range of 0.1 to 1.0.
  • the reaction volume decisive for the conversion in the bottom (1) of the column should preferably be kept constant or almost constant (+/- 10% by volume). This can be achieved by a constant or nearly constant (+/- 10 vol.%) Liquid level in the reaction vessel, a constant or nearly constant (+/- 10 vol.%) Liquid stream (4) from the reaction volume (1) is discharged.
  • the bottoms removal amount (4) should preferably be in a specific ratio to the feed (3), preferably in a ratio of the streams 4 to 3 in the range from 0.01 to 0.30.
  • the aqueous reflux ensures that the high-boiling point n- or isobutyl acrylate and the corresponding butanol (R-OH) can be distilled off due to the formation of a low-boiling azeotrope.
  • the organic reflux ensures that the concentration of the acrylic acid formed in the reactor (1) remains below the concentration of, in particular, 100 ppm.
  • This control strategy leads to a particularly stable operation in the reaction vessel (1) and in the rectification column (6).
  • At least one stabilizer (stabilizer 1) is present, which dissolves in effective proportions both in the aqueous and in the organic phase.
  • a stabilizer in particular 4HT, is added above the uppermost theoretical separation stage of the column (6) (17).
  • At least one stabilizer which dissolves in effective proportions both in the aqueous and in the organic phase is preferably introduced into the phase separator (12) which collects the condensate (1 1) ( 18) and / or in the line of a Quenchnikanks (19) and / or at the top of the condenser (9) added.
  • This stabilizer is preferably the same as stabilizer 1 (especially 4HT).
  • the preferably configured Quenchniklauf ie, the liquid recycle stream of a portion of the condensate, eg 10 to 50
  • One hundredth of the condensate in the condenser (9) has the function that the naturally stabilizer-free vapors (8) are particularly sufficiently stabilized when condensing in the condenser (9).
  • effective amounts of stabilizer are in total particularly at -10 ppm by weight, for example in the range of 10 to 1000 ppm by weight. If a particular stabilizer employed in the respective liquid phase does not completely dissolve, it is present in a correspondingly suspended state.
  • this a priori barely or not effective particulate stabilizer portion by its action as a stabilizer depot can offer advantages, such as in the case of chemical degradation of dissolved stabilizer, whereby its effectiveness is deteriorated , further, then freshly effective stabilizer from the suspended portion additionally goes into solution, which can also occur phase-spanning at suitable intimate contact of the liquid phases and can be influenced by the size distribution of the particles.
  • the stabilizers can be used in particular as a solution in a suitable solvent, especially as listed above, for example the alcohol used in the process, water, the corresponding butyl acrylate, for example in each case as 1-5 wt .-% solution (eg via the lines 17 and 18, Figure 2).
  • Stabilizers 2 and 3 may each be used in particular as a solution in a suitable solvent, especially as listed above, e.g. the butyl acrylate correspondingly formed in the process or 3HPA or butanol (R-OH) used in the educts used (for example via line 20, Figure 2).
  • an oxygen-containing gas is additionally used in the process according to the invention for the polymerization inhibition.
  • Particularly suitable for this purpose are air / nitrogen mixtures, e.g. with an oxygen content of 4 to 9 vol .-%.
  • an oxygen-containing gas is used for polymerization inhibition, this is preferably fed at the lower end of the evaporator (2) or at the lower end of the reaction space (1) (compare 21 in FIG.
  • the container 1 (the reactor) is first filled with an appropriate amount of a corresponding reaction mixture containing the butyl acrylate, in particular bottom product from a previous production campaign, or the corresponding butyl acrylate. Then the sump is heated to operating temperature (reaction temperature) and the feeds of 3HPA, butanol and catalyst put into operation.
  • Figure 1 shows an embodiment of the inventive method to obtain the mixture containing the acrylic acid alkyl ester and the alcohol.
  • a mixture of aqueous 3-hydroxypropionic acid (3HPA), and butanol (R-OH) and p-toluenesulfonic acid as esterification catalyst are fed via a feed line 3.
  • the gaseous reaction product is fed from the top of the reactor 1 via a line 5 to a rectification column 6.
  • the provided at the lower part of the reactor 1 line 4 is used to dispose of remaining residues.
  • the vapor mixture flowing continuously from the reaction zone into the rectification column 6 is rectified there, and the aqueous azeotrope, which consists predominantly of acrylate, alcohol and water and contains the target ester to be formed from the top of this rectification column 6 via the line 8, becomes a condenser 9 , which is optionally supplemented by an aftercooler, supplied and partially condensed therein.
  • the uncondensed portion of the condenser 9 contains the low-boiling impurities and is withdrawn in vapor form as stream 10.
  • the condensate flows via a line 1 1 in a liquid-liquid phase separator 12.
  • the azeotrope separates into an aqueous and an organic phase.
  • the aqueous phase which consists mainly of water and some alcohol and acrylate, is partially fed via line 15 to the top of the rectification column 6 in order to effect the rectification separation as well as the azeotrope formation of the vapors rising there.
  • Another part is taken via line 16 for stripping alcohol.
  • organic reflux is introduced via the line 13 into the top of the rectification column 6 in order to push back the acrylic acid.
  • the liquid 7 is partially evaporated in an evaporator 2 and returned via the pipe 5 into the column.
  • a partial stream 4 containing the higher-boiling impurities is withdrawn.
  • the evaporator 2 can be designed as a heatable container, as a natural circulation evaporator or as a forced circulation evaporator, in the latter case, a circulation pump for the liquid flow 4 is additionally required.
  • a forced circulation flash evaporator is used, since no vaporization takes place on the heated surfaces with this type.
  • the driving style is illustrated by the data from a thermodynamic simulation of an overall plant for the production of butyl acrylate.
  • thermodynamic simulation of the process was performed with the software Aspen Plus® (short: Aspen).
  • Aspen is a comprehensive simulation software used to model, simulate, and optimize chemical processes and equipment in the industry.
  • Aspen has extensive model databases to model the basic operations as well as substance databases for the material properties of many different substances.
  • the properties of mixtures are calculated by Aspen using different thermodynamic models from the substance data of pure substances.
  • thermodynamic simulation of the overall system led to the following results:
  • an oxygen-containing gas is fed to the reactor 1: nitrogen: 9.5 l / h
  • the aqueous 3-hydroxypropionic acid has the following composition:
  • the reaction is carried out at a temperature of 150 ° C, a pressure of 1 bar and a residence time of 2 h.
  • the organic phase has the following composition:
  • n-butyl acrylate 70% by weight
  • Acrylic acid ⁇ 0.01% by weight
  • n-butyl acetate ⁇ 0.01% by weight
  • the aqueous phase has the following composition:
  • n-butyl acrylate 2% by weight
  • Acrylic acid ⁇ 0.01% by weight
  • n-butyl acetate ⁇ 0.01% by weight
  • the residue has the following composition:
  • n-butyl acrylate 16% by weight
  • n-butyl acetate ⁇ 0.01% by weight
  • MeHQ ⁇ 0.1% by weight
  • the organic phase can then be worked up to give the pure product n-butyl acrylate by the known process steps (in particular according to EP 765 859 A1 (BASF AG), see above page 8).
  • the pure product has the following composition:
  • n-butanol ⁇ 0.01% by weight
  • n-butyl acrylate > 99.5% by weight
  • Acrylic acid ⁇ 0.01% by weight
  • n-butyl acetate ⁇ 0.01% by weight
  • the example exemplifies the advantageous properties with respect to the low n-butyl acetate content in the pure product.

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Abstract

Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung eines Acrylsäurebutylesters H2C=CH-C(=O)OR, mit R = n-Butyl oder iso-Butyl, wobeiman wässrige 3-Hydroxy-propionsäure unter dehydratisierenden und veresternden Bedingungen in Gegenwart des entsprechenden Butanols R-OH in einem Reaktor mit Rektifikationskolonne umsetzt und gebildeten Acrylsäurebutylester, unumgesetztes Butanol sowie eingesetztes und gebildetes Wasser als ternäres Azeotrop über Kopf abdestilliert, nach Scheidung in eine jeweils flüssige wässrige und organische Phase die wässrige und die organische Phase jeweils zumindest teilweise ausschleust und die organische Phase, enthaltend den Acrylsäurebutylester und das Butanol, destillativ auftrennt.

Description

Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Acrylsäure-n-butylester oder Acrylsäure-iso- butylester
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung eines Acrylsaurebutylesters H2C=CH-C(=0)OR, mit R = n-Butyl oder iso-Butyl.
Verfahren zur Herstellung von Acrylsaurealkylestern aus 3-Hydroxy-propionsäure sind bekannt. Prinzipiell kann 3-Hydroxy-propionsäure zunächst in einem ersten Schritt mit einem Alkohol verestert und dann in einem nachfolgenden Schritt der resultierende 3-Hydroxy- propionsäureester zum entsprechenden Acrylsäurealkylester dehydratisiert werden. Alternativ kann 3-Hydroxy-propionsäure auch zunächst in einem ersten Schritt dehydratisiert werden und dann in einem nachfolgenden Schritt die resultierende Acrylsäure mit einem Alkohol verestert werden.
WO 03/082795 A2 (Cargill, Inc.) beschreibt in Beispiel 13 (Seite 14) eine Eintopf-Synthese von n-Butylacrylat ausgehend von wässriger 3-Hydroxypropionsäure und n-Butanol (Katalysator: H2SO4). Das Verfahren erfolgt in drei Schritten: zunächst wird das Wasser vollständigt abdestil- liert, dann wird in einer Destillationsapparatur n-Butanol abgetrennt und schließlich, nach Temperatur- und Druckerniedrigung, aus dem Rückstand das Produkt n-Butylacrylat abdestilliert. Die Ausbeute beträgt lediglich 37 %.
WO 2015/036218 A1 (BASF SE) beschreibt ein Verfahren zur Dehydratisierung von wässriger 3-Hydroxy-propionsäure zu Acrylsäure.
Die Veresterung von Acrylsäure mit einem Alkohol kann insbesondere nach den Verfahren gemäß DE 196 04 267 A1 (BASF AG) oder EP 765 859 A1 (BASF AG) erfolgen:
DE 196 04 267 A1 offenbart ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Alkylestern der (Meth)acrylsäure wobei die Aufarbeitung in zwei miteinander verschalteten Rektifikationseinheiten erfolgt.
EP 765 859 A1 lehrt ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Acrylsäurealkylestern bei dem die Reaktionszone aus einer Kaskade von mindestens zwei hintereinandergeschalteten Reaktionsbereichen besteht.
EP 1 182 189 B1 (Rohm and Haas Company) betrifft ein Verfahren zum fortlaufenden Wiedergewinnen von n-Butylacrylat aus einem Veresterungsreaktionsgemisch.
WO 2012/071 158 A1 (Rohm and Haas Company) beschreibt ein spezielles Destillationsverfah- ren für Ci-4-Alkyl(meth)acrylate, wobei der verdampfte Reaktorinhalt direkt in eine Kolonne geleitet wird.
Ein möglicher Weg zur Herstellung von 3-Hydroxypropionsäure verläuft über Glukose durch Fermentation, wobei die Glukose aus nachwachsenden Rohstoffen wie zum Beispiel Mais ge- wonnen wird. Die Herstellung von 3-Hydroxypropionsäure durch Fermentation wird beispielsweise in WO 2012/074818 A2 (Novozymes, Inc.) beschrieben.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, unter Überwindung von Nachteilen des Stands der Technik, ein verbessertes wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung von Acrylsäure- n-butylester und Acrylsäure-iso-butylester bereitzustellen. Das Herstellverfahren sollte zudem besonders einfach zu realisieren und durchzuführen und zudem besonders wirtschaftlich sein.
Demgemäß wurde ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung eines Acrylsäurealkylesters H2C=CH-C(=0)OR, mit R = n-Butyl oder iso-Butyl, gefunden, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass man wässrige 3-Hydroxy-propionsäure unter dehydratisierenden und veresternden Bedingungen in Gegenwart des entsprechenden Butanols R-OH in einem Reaktor mit Rektifikationskolonne umsetzt und gebildeten Acrylsaurebutylester, unumgesetztes Butanol sowie eingesetztes und gebildetes Wasser als ternäres Azeotrop über Kopf abdestilliert, nach Scheidung in eine jeweils flüssige wässrige und organische Phase die wässrige und die organische Phase jeweils zumindest teilweise ausschleust und die organische Phase, enthaltend den Acrylsäure- butylester und das Butanol, destillativ auftrennt.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren u.a. folgende Vorteile erzielt werden:
Durch den Einsatz von 3-Hydroxy-propionsäure kann ein nahezu Acetat-freier Acrylsäure- butylester hergestellt werden. Unter ,Acetat' ist hier n-Butyl- bzw. iso-Butylacetat [HsC-C(=0)- OR] zu verstehen.
In den konventionellen Anlagen zur Herstellung von Acrylsäure (als Zwischenstufe für die an- schließende Veresterung) muss die bei der Reaktion neben der gebildeten Acrylsäure ebenfalls entstehende Essigsäure aufwendig abgetrennt werden, um eine Acetatbildung bei der anschließenden Veresterung mit dem Alkohol zu vermeiden.
Weiterhin wird in einer besonderen Ausgestaltung durch ein verbessertes Regelkonzept (s.u.) eine nochmals höhere Ausbeute an Acrylsäurebutylester bei niedrigerem Energieverbrauch und nochmals verbesserter Qualität (insb. Reinheit) erzeugt.
Darüber hinaus werden in besonderen Ausgestaltungen weiter erhöhte Ausbeuten und/oder Produktreinheiten durch eine besondere Anfahrstrategie (s.u.) und/oder ein besonderes Stabilisierungskonzept (s.u.) erzielt. In einer bevorzugten Verfahrenvariante handelt es sich bei der eingesetzten 3-Hydroxy- propionsäure um biobasierte 3-Hydroxy-propionsäure.
Unter "biobasierter 3-Hydroxy-propionsäure" ist eine solche zu verstehen, die ausgehend von nachwachsenden Rohstoffen hergestellt wurde.
Weiter bevorzugt ist, dass die biobasierte 3-Hydroxy-propionsäure durch Fermentation, insb. aus Glukose, Xylose, Arabinose, Sukrose, Fruktose, Cellulose, Glukose-Oligomere und/oder Glycerin durch Fermentation, besonders mit anschließender Reinigung, hergestellt wurde. Z.B. ist aus WO 2012/074818 A2 (Novozymes, Inc.) die Herstellung von biobasierter 3-Hydroxy- Propionsäure (kurz: Bio-3-Hydroxy-propionsäure, noch kürzer: Bio-HPS) aus Zuckern wie Glukose durch Fermentation und anschließender Reinigung bekannt.
Die so erzeugte wässrige Bio-3-Hydroxy-propionsäure enthält beispielsweise neben Wasser im Wesentlichen folgende Bestandteile:
35 bis 70 Gew.-% 3-Hydroxy-propionsäure.
0 bis 20 Gew.-% oligomere 3-Hydroxy-propionsäure,
0 bis 10 Gew.-% Acrylsäure,
0 bis 1 Gew.-% oligomere Acrylsäure
0,01 bis 0,1 Gew.-% Glykolsäure,
0,01 bis 0,1 Gew.-% 2-Hydroxy-propionsäure,
0,005 bis 0,05 Gew.-% Ameisensäure,
0 bis 0,15 Gew.-%, besonders 0,0 bis 0,05 Gew.-%, z.B. 0,005 bis 0,10 Gew.-%, Essigsäure,
0,005 bis 0,05 Gew.-% Bernsteinsäure,
0,005 bis 0,05 Gew.-% Fumarsäure,
0,0001 bis 0,01 Gew.-% Formaldehyd,
0,0001 bis 0,01 Gew.-% Acetaldehyd,
0,0001 bis 0,01 Gew.-% Methanol und
0,0001 bis 0,01 Gew.-% Ethanol.
Bevorzugt beträgt das molare Einsatzverhältnis von Butanol R-OH zu 3-Hydroxy-propionsäure > 1 und liegt weiterhin bevorzugt unterhalb von 5. Besonders vorteilhaft ist ein molares Einsatzverhältnis von Butanol R-OH zu 3-Hydroxy-propionsäure im Bereich von 1 : 1 bis 3 : 1 . Ganz besonders bevorzugt ist ein molares Einsatzverhältnis im Bereich von 1 ,1 : 1 bis 1 ,8 : 1 .
Die dehydratisierenden und gleichzeitig veresternden Bedingungen sind bevorzugt dadurch gekennzeichnet, dass eine katalytisch wirksame Menge einer Säure zugegen ist. Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung beträgt der Gehalt an katalytisch wirksamer Säure im Reaktor, bezogen auf das darin enthaltene Reaktionsgemisch, 0,1 bis 20 Gew.-%, besonders 5 bis 15 Gew.-%, weiter besonders 7 bis 10 Gew.-%. Bevorzugte Säuren sind Mineralsäuren, wie Schwefelsäure, Phosphorsäure, sowie organische Sulfonsäure. Untern den organischen Sul- fonsäuren sind Methansulfonsäure, Benzolsulfonsäure, Dodecylbenzolsulfonsäure und/oder p- Toluolsulfonsäure bevorzugt. Auch kann ein Gemisch aus organischer(organischen) Sulfonsäu- re(n) und Mineralsäure(n), z.B. Schwefelsäure, eingesetzt werden. Besonders bevorzugt ist es, als Veresterungs- und Dehydratisierungskatalysator(en) Schwefelsäure und/oder organische Sulfonsäure(n) einzusetzen.
Die Umsetzung der Reaktanden, also der Edukte 3-Hydroxy-propionsäure und Butanol R-OH, im Reaktor erfolgt bevorzugt bei einer Temperatur im Bereich von 80 bis 170 °C, besonders im Bereich von 100 bis 155 °C, weiter besonders im Bereich von 120 bis 140 °C. Die Verweilzeit der Reaktanden, also der Edukte 3-Hydroxy-propionsäure und Butanol R-OH, im Reaktor beträgt bevorzugt 1 bis 20, weiter bevorzugt 2 bis 8, Stunden. Unter der Verweilzeit versteht man die Zeit, welche die Sumpfabzugsmenge (4) in dem Flüssigkeitsvolumen des Reaktionsbehälters (1 ) verweilt.
Im einfachsten Fall ist die Rektifikationskolonne (6) direkt auf den Reaktionsbehälter (1 ) (Reaktionsbehälter = Reaktor) aufgesetzt, wobei in der Regel die aus dem Reaktionsbehälter aufsteigenden Brüden (5) zu den in die Rektifikationskolonne geführten Rücklaufmengen (13; 15) im Gegenstrom geführt werden.
Die direkt aufgesetzte Kolonne bietet den Vorteil, die im Reaktor (1 ) entstehenden Brüden (5) unmittelbar ohne zusätzliche Rohrleitungen in die Rektifikationskolonne (6) und die in der Kolonne ablaufende Flüssigkeit (7) direkt in den Reaktor (1 ) zu befördern.
Es ist jedoch auch eine getrennte Anordnung von Reaktionsbehälter (1 ) und Rektifikationskolonne (6) möglich, mit entsprechenden Rohrleitungen zur Zuführung der Brüden in die Kolonne sowie zum Ablauf der durch die Rektifikationskolonne strömenden Flüssigkeit in den Reaktionsbehälter. Auch solch eine Ausführungsform mit indirekt aufgesetzter Kolonne ist vom Begriff .Reaktor mit Rektifikationskolonne' umfasst.
Die Rektifikationskolonne (6) ist von an sich bekannter Bauart und weist die üblichen Einbauten auf. Als Kolonneneinbauten kommen prinzipiell alle gängigen Einbauten in Betracht, beispiels- weise Böden, Packungen und/oder Schüttungen. Unter den Böden sind Glockenböden, Siebböden, Ventilböden, Thormannböden und/oder Dual-Flow-Böden bevorzugt, unter den Schüttungen sind solche mit Ringen, Wendeln, Sattelkörpern, Raschig-, Intos- oder Pall-Ringen, Berl- oder Intalox-Sätteln oder Geflechten bevorzugt. Besonders bevorzugt sind Dual-Flow-Böden. Die Wirksamkeit derartiger Einbauten innerhalb der Rektifikationskolonne sollte bevorzugt we- nigstens fünf theoretischen Stufen, z.B. im Bereich von 6 bis 40 theoretischen Stufen, entsprechen; besonders bevorzugt ist eine Trennleistung von 10 bis 30 theoretischen Stufen vorzusehen.
Im erfindungsgemäßen Verfahren liegt der Druck am Kopf der Rektifikationskolonne (6) bevor- zugt im Bereich von 0,2 bis 5,0 bar, besonders im Bereich von 0,3 bis 3,0 bar, weiter besonders im Bereich von 0,5 bis 1 ,2 bar.
Bevorzugt erfolgt die Scheidung in eine wässrige und eine organische Phase mittels eines Pha- senscheiders. In einem solchen Apparat können zwei nicht miteinander homogen mischbare Flüssigkeiten durch deren Dichteunterschied getrennt werden. Zumindest ein Teil der anfallenden wässrigen Phase, die neben Wasser auch noch Butanol R-OH und in Spuren ggf. weitere Komponenten enthält, wird ausgeschleust. Besonders bevorzugt werden 10 bis 80 Gew.-%, weiter besonders 20 bis 70 Gew.-%, der anfallenden wässrigen Phase ausgeschleust. Der Rest wird jeweils, bevorzugt in die Rektifikationskolonne (6), zurückgeführt.
Bevorzugt wird ein Teil der anfallenen organischen Phase ebenfalls, bevorzugt in die Rektifikationskolonne, zurückgeführt. Besonders werden 0 bis 80 Gew.-%, z.B. 1 bis 75 Gew.-%, weiter besonders 5 bis 50 Gew.-% der organischen Phase, bevorzugt in die Rektifikationskolonne, zurückgeführt. Der andere Teil wird ausgeschleust, und einer destillativen Auftrennung zugeführt.
Die destillative Auftrennung der ausgeschleusten organischen Phase enthaltend den Acrylsäu- rebutylester und das Butanol (R-OH) erfolgt bevorzugt derart, dass in einer nachgeschalteten Rektifikationskolonne das Butanol über Kopf abgetrennt wird (wie z.B. in EP 765 859 A1 (BASF AG) beschrieben). Vorzugsweise führt man das so abgetrennte Butanol in den Reaktor zurück (s.u.). Zweckmäßigerweise erfolgt die Rückführung kontinuierlich, mit oder ohne Zwischenbehälter.
Die resultierende Sumpfflüssigkeit dieser Rektifikationskolonne besteht im Wesentlichen aus dem Acrylsäurebutylester sowie geringen Mengen an Schwersiedern und eingesetztem Stabilisator (z.B. sog. Prozessstabilisator; z.B. insbesondere Phenothiazin (PTZ)).
In einer weiteren nachgeschalteten Rektifikationskolonne wird der Acrylsäurebutylester üblicherweise über Kopf abgetrennt. Bei der Kondensation wird bevorzugt ein Stabilisator (sog. Lagerstabilisator; z.B. insbesondere MeHQ) zugegeben. Die die schwerer siedenden Neben- produkte enthaltende Sumpfflüssigkeit dieser Rektifikationskolonne wird zweckmäßigerweise bevorzugt in den Reaktor zurückgeführt, vorzugsweise kontinuierlich, mit oder ohne Zwischenbehälter.
Eine besondere Ausführungsform (ebenfalls beschrieben in EP 765 859 A1 (BASF AG)) besteht darin, dass der Acrylsäurebutylester aus der Rektifikationskolonne zur Rückgewinnung von Butanol durch einen Seitenabzug nach Abscheidung eventuell mitgerissener Flüssigkeitströpfchen entnommen und zum Reinester kondensiert wird. Bei der Kondensation wird diesem ein Stabilisator (der sog. Lagerstabilisator; z.B. insbesondere p-Methoxy-phenol (MeHQ)) zugegeben. In diesem Ausführungsfall wird der Sumpfaustrag der Butanol-Rektifikationskolonne (in der Haupt- sache bestehend aus Acrylsäurebutylester) vorzugsweise zurück in den Reaktor geführt.
Das nach der Auftrennung erhaltene Butanol wird besonders vorteilhaft zumindest teilweise zur Umsetzung in den Reaktor zurückgeführt. Bevorzugt werden 5 bis 100 Gew.-%, weiter bevorzugt 80 bis 100 Gew.-%, des Alkohols zurückgeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird besonders bevorzugt zur Herstellung von Acrylsäure-n- butylester, wobei man wässrige, besonders biobasierte, 3-Hydroxy-propionsäure in Gegenwart des Alkohols n-Butanol umsetzt, eingesetzt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann Acrylsäure-n-butylester mit insbesondere einer Reinheit von > 99,0 Gew.-%, weiter besonders ä 99,5 Gew.-%, und einem Gehalt an n- Butylacetat von < 1000 ppm, weiter besonders von < 100 ppm, hergestellt werden. Insbesondere beträgt der Gehalt an Acrylsäure < 100 ppm, z.B. 5 bis 80 ppm. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann Acrylsäure-iso-butylester mit insbesondere einer Reinheit von > 99,0 Gew.-%, weiter besonders ä 99,5 Gew.-%, und einem Gehalt an iso- Butylacetat von < 1000 ppm, weiter besonders von < 100 ppm, hergestellt werden. Insbesondere beträgt der Gehalt an Acrylsäure < 100 ppm, z.B. 5 bis 80 ppm.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird der gebildete Acrylsäurebutylester bevorzugt durch geeignete Polymerisationsinhibitoren stabilisiert, um eine ungewünschte Polymerisation zu ver- meiden. D.h., das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt in Gegenwart wirksamer Mengen eines Stabilisators oder mehrerer Stabilisatoren durchgeführt. Als Stabilisatoren eignen sich prinzipiell alle Polymerisationsinhibitoren, die zur Stabilisierung von Acrylsäure und Acryl- säureestern in z.B. DE 10 2005 053 982 A1 (BASF AG) und DE 102 58 329 A1 (BASF AG) empfohlen werden.
Geeignete Stabilisatoren können beispielsweise N-Oxide (Nitroxyl- oder N-Oxyl-Radikale, also Verbindungen, die wenigstens eine >N-0-Gruppe aufweisen), wie z.B. 4-Hydroxy-2, 2,6,6- tetramethylpiperidin-N-oxyl (4HT) oder 4-Oxo-2,2, 6, 6-tetramethylpiperidin-N-oxyl, Phenole und Naphthole, wie p-Methoxyphenol, p-Aminophenol, p-Nitrosophenol, 2-tert. -Butylphenol, 4-tert- Butylphenol, 2,4-Di-tert.-butylphenol, 2-Methyl-4-tert.-butylphenol, 2,6-tert.-Butyl-4-methylphenol oder 4-tert.-Butyl-2,6-dimethylphenol, Chinone, wie z.B. Hydrochinon oder Hydrochinonmono- methylether, aromatische Amine, wie z.B. Ν,Ν-Diphenylamin, Phenylendiamine, wie z.B. Ν,Ν'- Dialkyl-p-phenylendiamin, wobei die Alkylreste gleich oder verschieden sein können und jeweils unabhängig voneinander 1 bis 4 Kohlenstoffatome aufweisen und geradkettig oder verzweigt sein können, wie z.B. N,N'-Dimethyl-p-phenylendiamin oder N,N'-Diethyl-p-phenylendiamin, Hydroxylamine, wie z.B. Ν,Ν-Diethylhydroxylamin, Imine, wie z.B. Methylethylimin oder Methylenviolett, Sulfonamide, wie z.B. N-Methyl-4-toluolsulfonamid oder N-tert.-Butyl-4- toluolsulfonamid, Oxime, wie Aldoxime, Ketoxime oder Amidoxime, wie z.B. Diethylketoxim, Methylethylketoxim oder Salicyladoxim, phosphorhaltige Verbindungen, wie z.B. Triphenylp- hosphin, Triphenylphosphit oder Triethylphosphit, schwefelhaltige Verbindungen wie z.B.
Diphenylsulfid oder Phenothiazin, Metallsalze, wie z.B. Cer(lll)acetat oder Cer(lll)ethylhexanoat, aber auch verschiedene Kupfersalze etwa Cu(ll)dialkyldithiocarbamate wie z.B. das
Cu(ll)dibutyldithiocarbamat und auch Cu(ll)oxinat (Oxin = 4-Hydroxychinolin), zudem Mangansalze wie z.B das Mn(ll)diacetat oder Gemische davon, sein.
Bevorzugt erfolgt die Stabilisierung mit Phenothiazin (PTZ), p-Methoxyphenol (MeHQ), Hydro- chinon, Hydrochinonmonomethylether, 4-Hydroxy-2,2, 6, 6-tetramethylpiperidin-N-oxyl, 4-Oxo- 2,2, 6, 6-tetramethylpiperidin-N-oxyl, 2,6-tert.-Butyl-4-methylphenol oder Gemischen davon. Ganz besonders bevorzugt wird Phenothiazin (PTZ) und/oder p-Methoxyphenol (MeHQ) und/oder 4-Hydroxy-2,2, 6, 6-tetramethylpiperidin-N-oxyl (4HT) als Polymerisationsinhibitor verwendet.
Auch wenn die Inhibitoren als Reinsubstanz zugegeben werden können, ist es von Vorteil, den Inhibitor gelöst in einem Lösungsmittel als einfach und reproduzierbar zu dosierende Lösung zuzugeben, wobei grundsätzlich auch Inhibitormischungen in einer einzelnen Lösung möglich sind. Bevorzugt wird eine im Acrylatsyntheseverfahren bzw. dem Stoffgemisch in der Kolonne bereits vorhandene Flüssigkeit als Lösungsmittel verwendet. Besonders bevorzugt für die Wahl als Lösungsmittel ist das Acrylatprodukt (also der Acrylsäurebutylester) selbst, Wasser oder einer der Syntheseeinsatzstoffe für das Acrylat (z.B. das Butanol R-OH). Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhaft mit besonderen Maßnahmen zur Kontrolle bestimmter Parameter durchgeführt. Diese Prozesskontrolle erfolgt bevorzugt wie folgt:
Für die Produktion von spezifikationsgerechtem Acrylsäurebutylester, also einem Produkt mit hoher Reinheit, ist die Abtrennung von Acrylsäure vom Acrylsäurebutylester in der Rektifikati- onskolonne (6) von entscheidender Bedeutung.
Dabei hat sich als vorteilhaft erwiesen, ein definiertes Verhältnis zwischen dem organischen (13) und dem wässrigen Rücklauf (15) einzustellen. Dieses Rücklaufverhältnis der Ströme 13 zu 15 liegt bevorzugt im Bereich von 0,1 - 1 ,0.
Weiterhin sollte das für den Umsatz ausschlaggebende Reaktionsvolumen im Sumpf (1 ) der Kolonne (oder eigenständigem Reaktionsbehälter bei indirekt aufgesetzter Kolonne) bevorzugt konstant oder nahezu konstant (+/- 10 Vol.%) gehalten werden. Dies lässt sich zu einem dadurch erreichen, dass bei konstantem oder nahezu konstantem (+/- 10 Vol.%) Flüssigkeitsstand im Reaktionsbehälter ein konstanter oder nahezu konstanter (+/- 10 Vol.%) Flüssigkeitsstrom (4) aus dem Reaktionsvolumen (1 ) ausgeschleust wird. Außerdem sollte bevorzugt die Sumpfabzugsmenge (4) in einem bestimmten Verhältnis zum Zulauf (3) stehen, bevorzugt in einem Verhältnis der Ströme 4 zu 3 im Bereich von 0,01 - 0,30.
Eine zweite Maßnahme ist eine Qualitätskontrolle bezüglich des Acrylsäuregehaltes im organischen Destillat (14). Da das Flüssigkeitsvolumen in dem Reaktionsraum (1 ) stark auf die wäss- rige Rücklaufmenge (15) reagiert, wird der Flüssigkeitsstand im Reaktor (1 ) bevorzugt mittels der Rücklaufmenge (= Rückführmenge) der wässrigen Phase (15) geregelt. Der wässrige Rücklauf gewährleistet, dass die Schwersieder n- bzw. iso-Butylacrylat und das entsprechende Bu- tanol (R-OH) aufgrund der Bildung eines Leichtsiederazeotrops abdestilliert werden können. Der organische Rücklauf gewährleistet, dass die Konzentration der im Reaktor (1 ) entstandenen Acrylsäure unter der Konzentration von insbesondere 100 ppm bleibt.
Durch die Steuerung der Menge des organischen Rücklaufs (13) können mehrere Effekte kombiniert werden: Reinigen durch Destillieren, Erhöhung der Verweilzeit im Reaktionsraum, Erhöhung der Konzentration an Butanol (R-OH) im Reaktionsraum (1 ).
Diese Regelstrategie führt zu einem besonders stabilen Betrieb im Reaktionsbehälter (1 ) und in der Rektifikationskolonne (6).
In einer bevorzugten Ausführungsform (vgl. Figur 2) ist im erfindungsgemäßen Verfahren in der Rektifikationskolonne (6) mindestens ein Stabilisator (Stabilisator 1 ) zugegen, der sich in wirksamen Anteilen sowohl in der wässrigen als auch in der organischen Phase löst. Besonders wird ein solcher Stabilisator, wie insbesondere 4HT, oberhalb der obersten theoretischen Trennstufe der Kolonne (6) zugegeben (17). Dadurch ist die gesamte Rektifikationskolonne (6) mit dem Stabilisator stabilisiert.
Weiterhin (vgl. Figur 2) wird im erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt mindestens ein Stabilisator, der sich in wirksamen Anteilen sowohl in der wässrigen als auch in der organischen Phase löst, in den Phasenscheider (12), der das Kondensat (1 1 ) auffängt, (18) und/oder in die Leitung eines Quenchkreislaufs (19) und/oder am Kopf des Kondensators (9) zugegeben. Dieser Stabilisator gleicht bevorzugt dem Stabilisator 1 (insb. 4HT). Der bevorzugt eingerichtete Quenchkreislauf (d.h. der flüssige Rückführstrom eines Teils des Kondensats, z.B. 10 bis 50 Gewichtshundertstel des Kondensats, in den Kondensator (9)) hat die Funktion, dass die natürlicherweise stabilisatorfreien Brüden (8) beim Kondensieren im Kondensator (9) besonders ausreichend stabilisiert sind. In der jeweiligen Phase in Lösung befindliche wirksame Stabilisatormengen liegen insgesamt besonders bei ä 10 Gew.-ppm, z.B. im Bereich von 10 bis 1000 Gew.-ppm. Wenn sich ein betreffend eingesetzter Stabilisator in der jeweiligen flüssigen Phase nicht vollständig löst, ist er entsprechend suspendiert zugegen. Bei Vorhandensein eines Stabilisators als Suspension in der oder den flüssigen Phasen kann dieser ä priori kaum oder nicht wirksame partikuläre Stabilisatoranteil durch seine Wirkung als Stabilisator-Depot Vorteile bieten, da z.B. im Falle des chemischen Abbaus von gelöstem Stabilisator, wodurch dessen Wirk- samkeit verschlechtert wird, weiterer, dann frisch wirksamer Stabilisator aus dem suspendierten Anteil zusätzlich in Lösung geht, was bei geeignet innigem Kontakt der flüssigen Phasen auch phasen-übergreifend eintreten kann und über die Grössenverteilung der Partikel beeinflussbar ist. Die Stabilisatoren können jeweils insbesondere als Lösung in einem geeigneten Lösungsmittel, besonders wie oben aufgeführt, z.B. dem im Verfahren verwendeten Alkohol, Wasser, dem entsprechenden Acrylsäurebutylester, z.B. jeweils als 1 - 5 Gew.-%ige Lösung, eingesetzt werden (z.B. über die Leitungen 17 bzw. 18, Figur 2).
In den Reaktionsbehälter (1 ) wird vorteilhaft ein Stabilisator 2 (20), insbesondere PTZ, der für höhere Temperaturen geeignet ist, und ein Stabilisator 3 (20) (insbesondere MeHQ) der aufgrund seines höheren Dampfdruckes auch noch den Übergangsbereich zwischen Reaktions- räum und Kolonnenunterteil stabilisiert, zugegeben.
Die Stabilisatoren 2 und 3 können jeweils insbesondere als Lösung in einem geeigneten Lösungsmittel, besonders wie oben aufgeführt, z.B. dem im Verfahren entsprechend gebildeten Acrylsäurebutylester oder in den verwendeten Edukten 3HPA oder Butanol (R-OH) eingesetzt werden (z.B. über die Leitung 20, Figur 2).
Vorteilhaft wird im erfindungsgemäßen Verfahren zusätzlich ein Sauerstoff-haltiges Gas zur Polymerisationsinhibierung eingesetzt. Besonders geeignet sind hierzu Luft/Stickstoff- Gemische, z.B. mit einem Sauerstoffgehalt von 4 bis 9 Vol.-%.
Wird ein Sauerstoff-haltiges Gas zur Polymerisationsinhibierung eingesetzt, so wird dies vorzugsweise am unteren Ende des Verdampfers (2) oder am unteren Ende des Reaktionsraumes (1 ) zugeführt (vgl. 21 in Figur 2).
Das Anfahren des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassend die Umsetzung im Reaktionsbehälter (1 ) und die Destillation in der Kolonne (6) kann problembehaftet sein, da insbesondere Änderungen der Rücklaufmengen der beiden Ströme 13 und 15 sich stark unterschiedlich auf das Gesamtsystem auswirken.
Änderungen der Menge des wässrigen Rücklaufs (15) wirken sich relativ schnell auf die gebildete Dampfmenge und Änderungen der Menge des organischen Rücklaufs (13) wirken sich relativ langsam auf die Acrylsäurekonzentration im Kopf der Kolonne aus. Aber beide Rücklaufmengen sind nicht unabhängig voneinander. Erfindungsgemäß wurde erkannt: Wenn die genauen Rücklaufmengen nicht gut aufeinander abgestimmt sind, dann kann die Verdampfung zum Erliegen kommen, oder die Kolonne (6) kommt aufgrund zu hoher Dampfmenge zum Flu- ten. Es ist dann sehr schwierig, das System wieder in den normalen Betriebszustand zu bekommen.
Vorteilhaft wird daher zum Anfahren der Behälter 1 (der Reaktor) zunächst mit entsprechender Menge eines entsprechenden Reaktionsgemisches enthaltend den Acrylsäurebutylester, insbe- sondere Sumpfprodukt aus einer vorhergehenden Produktionskampagne, oder des entsprechenden Acrylsäurebutylesters befüllt. Dann wird der Sumpf auf Betriebstemperatur (Umsetzungstemperatur) erhitzt und die Zuläufe aus 3HPA, Butanol und Katalysator in Betrieb genommen.
Alle Druckangaben beziehen sich auf den Absolutdruck.
Alle ppm-Angaben beziehen sich auf das Gewicht.
Beispiele Beispiel 1 a
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren bis zur Gewinnung des Gemisches enthaltend den Acrylsäurealkylester und den Alkohol.
Die Figur 1 zeigt einen Reaktionsbehälter 1 (= Reaktor), eine Rektifikationskolonne 6 mit trennwirksamen Einbauten. Über eine Zuführungsleitung 3 wird ein Gemisch aus wässriger 3- Hydroxy-propionsäure (3HPA), und Butanol (R-OH) sowie p-Toluolsulfonsäure als Vereste- rungskatalysator zugeführt. Das gasförmige Reaktionsprodukt wird vom Kopf des Reaktors 1 über eine Leitung 5 einer Rektifikationskolonne 6 zugeführt. Die am unteren Teil des Reaktors 1 vorgesehene Leitung 4 dient der Entsorgung verbliebener Rückstände.
Das aus der Reaktionszone kontinuierlich in die Rektifikationskolonne 6 strömende Dampfgemisch wird dort rektifiziert, und das vom Kopf dieser Rektifikationskolonne 6 über die Leitung 8 abströmend, den zu bildenden Zielester enthaltende wässrige Azeotrop, das überwiegend aus Acrylat, Alkohol und Wasser besteht, wird einem Kondensator 9, der gegebenenfalls durch einen Nachkühler ergänzt wird, zugeführt und darin teilweise kondensiert. Der nicht kondensierte Anteil aus dem Kondensator 9 enthält die niedersiedenden Verunreinigungen und wird dampfförmig als Strom 10 abgezogen.
Das Kondensat strömt über eine Leitung 1 1 in einen Flüssig-Flüssig-Phasenscheider 12. Dort scheidet sich das Azeotrop in eine wässrige und in eine organische Phase. Die wässrige Phase, die hauptsächlich aus Wasser und etwas Alkohol und Acrylat besteht, wird teilweise über die Leitung 15 dem Kopf der Rektifikationskolonne 6 zugeführt, um die rektifikatorische Trennung wie auch die Azeotropbildung der dort aufsteigenden Dämpfe zu bewirken. Ein weiterer Teil wird über Leitung 16 zur Abstrippung von Alkohol entnommen. Aus dem Abscheider 12 wird organischer Rücklauf über die Leitung 13 in den Kopf der Rektifikationskolonne 6 eingeführt, um die Acrylsäure zurückzudrängen. Am unteren Kolonnenende wird die Flüssigkeit 7 in einem Verdampfer 2 teilweise verdampft und über die Rohrleitung 5 in die Kolonne zurückgeführt. Ein Teilstrom 4, der die höhersiedenden Verunreinigungen enthält, wird abgezogen. Der Verdampfer 2 kann als beheizbarer Behälter, als Naturumlaufverdampfer oder als Zwangsumlaufverdampfer ausgebildet sein, im letzte- ren Fall ist zusätzlich eine Umlaufpumpe für den Flüssigkeitsstrom 4 erforderlich. Besonders vorteilhaft hinsichtlich der Vermeidung unerwünschter Polymerisationsreaktionen ist ein Zwangsumlaufentspannungsverdampfer einzusetzen, da mit dieser Bauart keine Verdampfung an den beheizten Flächen stattfindet.
Beispiel 1 b
Die Fahrweise wird anhand der Daten aus einer thermodynamischen Simulation einer Gesamtanlage zur Herstellung von Butylacrylat dargestellt.
Die thermodynamische Simulation des Prozesses wurde mit der Software Aspen Plus® (kurz: Aspen) durchgeführt. Aspen ist eine umfangreiche Simulationssoftware, die zur Modellierung, Simulation und Optimierung chemischer Verfahren und Anlagen in der Industrie eingesetzt wird Aspen verfügt über umfangreiche Modell-Datenbanken zur Modellierung der Basisoperationen sowie über Stoffdatenbanken für die Stoffeigenschaften vieler verschiedener Substanzen. Die Eigenschaften von Mischungen werden von Aspen mit Hilfe von unterschiedlichen thermodynamischen Modellen aus den Stoffdaten der reinen Substanzen berechnet.
Die thermodynamische Simulation der Gesamtanlage führte zu folgenden Ergebnissen:
Über eine Zuführungsleitung 3 wird folgendes Gemisch dem Reaktor 1 zugeführt:
wässrige 3-Hydroxy-propionsäure (3HPA): 1000 g/h
n-Butanol: 953 g/h
p-Toluolsulfonsäure: 4 g/h
Über eine Zuführungsleitung 20 wird folgendes Gemisch dem Reaktor 1 zugeführt:
n-Butanol: 9,8 g/h
MeHQ: 0,1 g/h
PTZ: 0,1 g/h
Über eine Zuführungsleitung 21 wird ein Sauerstoff-haltiges Gas dem Reaktor 1 zugeführt: Stickstoff: 9,5 l/h
Sauerstoff: 0,5 l/h
Die wässrige 3-Hydroxy-propionsäure hat folgende Zusammensetzung:
Wasser: 20 Gew.-%
3-Hydroxy-propionsäure: 80 Gew.-%
Essigsäure: < 0,01 Gew.-% Über eine Zuführungsleitung 18 wird folgendes Gemisch dem Phasenscheider 12 zugeführt:
Wasser: 9,9 g/h
4HT: 0,1 g/h
Die Umsetzung wird bei einer Temperatur von 150 °C, einem Druck von 1 bar und einer Verweilzeit von 2 h durchgeführt.
Aus dem Flüssig-Flüssig-Phasenscheider 12 werden 217 g/h der organischen Phase als Rück- lauf über die Leitung 13 zur Kolonne 6 zurückgefahren und 1444 g/h über die Leitung 14 als organisches Destillat abgezogen.
Die organische Phase hat folgende Zusammensetzung:
Wasser: 7 Gew.-%
n-Butanol: 23 Gew.-%
n-Butylacrylat: 70 Gew.-%
Acrylsäure: < 0,01 Gew.-%
n-Butylacetat: < 0,01 Gew.-%
4HT: < 0,01 Gew.-% Aus dem Flüssig-Flüssig-Phasenscheider 12 werden 425 g/h der wässrigen Phase als Rücklauf über die Leitung 15 zur Kolonne 6 zurückgefahren und 425 g/h über die Leitung 16 als wässri- ges Destillat abgezogen.
Die wässrige Phase hat folgende Zusammensetzung:
Wasser: 95 Gew.-%
n-Butanol: 3 Gew.-%
n-Butylacrylat: 2 Gew.-%
Acrylsäure: < 0,01 Gew.-%
n-Butylacetat: < 0,01 Gew.-%
4HT: < 0,01 Gew.-%
Am unteren Teil des Reaktors wird über die Leitung 4 108 g/h als flüssiger Rückstand abgezogen.
Der Rückstand hat folgende Zusammensetzung:
Wasser: 1 Gew.-%
n-Butanol: 3 Gew.-%
n-Butylacrylat: 16 Gew.-%
Acrylsäure: 3 Gew.-%
n-Butylacetat: < 0,01 Gew.-%
Schwersieder: 77 Gew.-%
MeHQ: < 0,1 Gew.-%
PTZ: < 0,1 Gew.-% 4HT: < 0,01 Gew.-%
Die organische Phase kann dann nach den bekannten Verfahrensschritten (insbesondere gemäß EP 765 859 A1 (BASF AG), vgl. oben Seite 8) zum Reinprodukt n-Butylacrylat aufgearbei- tet werden.
Das Reinprodukt hat folgende Zusammensetzung:
Wasser: < 0,01 Gew.-%
n-Butanol: < 0,01 Gew.-%
n-Butylacrylat: > 99,5 Gew.-%
Acrylsäure: < 0,01 Gew.-%
n-Butylacetat: < 0,01 Gew.-%
Das Beispiel belegt beispielhaft die vorteilhaften Eigenschaften bezüglich des geringen n- Butylacetatgehaltes im Reinprodukt.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung eines Acrylsäurebutylesters H2C=CH- C(=0)OR, mit R = n-Butyl oder iso-Butyl, dadurch gekennzeichnet, dass man wässrige 3- Hydroxy-propionsäure unter dehydratisierenden und veresternden Bedingungen in Gegenwart des entsprechenden Butanols R-OH in einem Reaktor mit Rektifikationskolonne umsetzt und gebildeten Acrylsäurebutylester, unumgesetztes Butanol sowie eingesetztes und gebildetes Wasser als ternäres Azeotrop über Kopf abdestilliert, nach Scheidung in eine jeweils flüssige wässrige und organische Phase die wässrige und die organische Phase jeweils zumindest teilweise ausschleust und die organische Phase, enthaltend den
Acrylsäurebutylester und das Butanol, destillativ auftrennt.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der eingesetzten 3-Hydroxy-propionsäure um biobasierte 3-Hydroxy-propionsäure handelt.
3. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die biobasierte 3-Hydroxy-propionsäure durch Fermentation hergestellt wurde.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das molare Einsatzverhältnis von Butanol R-OH zu 3-Hydroxy-propionsäure ä 1 beträgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dehydratisierenden und veresternden Bedingungen dadurch gekennzeichnet sind, dass eine katalytisch wirksame Menge einer Säure zugegen ist.
6. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Säure um Schwefelsäure und/oder eine organische Sulfonsäure handelt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzung im Reaktor bei einer Temperatur im Bereich von 80 bis 170 °C erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweilzeit der Reaktanden im Reaktor im Bereich von 1 bis 20 Stunden liegt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rektifikationskolonne ä 5 theoretische Stufen aufweist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck am Kopf der Rektifikationskolonne im Bereich von 0,2 bis 5,0 bar (absolut) liegt.
1 1 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die destillative Auftrennung der organischen Phase, enthaltend den Acrylsäurebutylester und das Butanol, derart erfolgt, dass in einer Rektifikationskolonne das Butanol abdestilliert und aus der resultierenden Sumpfflüssigkeit in einer weiteren Rektifikationskolonne der Acrylsäurebutylester abdestilliert wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das nach der Auftrennung erhaltene Butanol zumindest teilweise zur Umsetzung in den Reaktor zurückgeführt wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung von Acrylsäure-n- butylester, wobei man 3-Hydroxy-propionsäure in Gegenwart von n-Butanol umsetzt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Herstellung von Acrylsäure-iso- butylester, wobei man 3-Hydroxy-propionsäure in Gegenwart von iso-Butanol umsetzt.
15. Verfahren nach Anspruch 13 zur Herstellung von Acrylsäure-n-butylester mit einer Reinheit > 99,0 Gew.-% und einem Gehalt an n-Butylacetat von < 1000 Gew.-ppm.
16. Verfahren nach Anspruch 14 zur Herstellung von Acrylsäure-iso-butylester mit einer Reinheit > 99,0 Gew.-% und einem Gehalt an iso-Butylacetat von < 1000 Gew.-ppm.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man die Umsetzung in Gegenwart wirksamer Mengen eines Stabilisators oder mehrerer Stabilisatoren durchführt.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsstand im Reaktor mittels der Rücklaufmenge der wässrigen Phase geregelt wird.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Anfahren des Verfahrens der entsprechende Acrylsäurebutylester oder ein entsprechendes Reaktionsgemisch enthaltend den Acrylsäurebutylester im Reaktor vorgelegt wird.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl in der Rektifikationskolonne als auch in der nach der Abdestillation resultierenden organischen Phase jeweils mindestens ein Stabilisator zugegen ist, der sich in wirksamen Anteilen sowohl in der wässrigen als auch in der organischen Phase löst.
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