WO2023169810A1 - Process for producing alpha-hydroxyisobutyric acid methyl ester, and its use in the electronics industry - Google Patents

Process for producing alpha-hydroxyisobutyric acid methyl ester, and its use in the electronics industry Download PDF

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WO2023169810A1
WO2023169810A1 PCT/EP2023/054167 EP2023054167W WO2023169810A1 WO 2023169810 A1 WO2023169810 A1 WO 2023169810A1 EP 2023054167 W EP2023054167 W EP 2023054167W WO 2023169810 A1 WO2023169810 A1 WO 2023169810A1
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rectification
reaction
alpha
acid
stream
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PCT/EP2023/054167
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Inventor
Steffen Krill
Patrick WINGS
Florian Klasovsky
Sven HEIDEL
Matthias Grömping
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Röhm Gmbh
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    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C51/00Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides
    • C07C51/06Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides from carboxylic acid amides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C67/00Preparation of carboxylic acid esters
    • C07C67/18Preparation of carboxylic acid esters by conversion of a group containing nitrogen into an ester group
    • C07C67/20Preparation of carboxylic acid esters by conversion of a group containing nitrogen into an ester group from amides or lactams
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C67/00Preparation of carboxylic acid esters
    • C07C67/48Separation; Purification; Stabilisation; Use of additives
    • C07C67/52Separation; Purification; Stabilisation; Use of additives by change in the physical state, e.g. crystallisation
    • C07C67/54Separation; Purification; Stabilisation; Use of additives by change in the physical state, e.g. crystallisation by distillation

Definitions

  • the present invention relates to a process for producing alkyl methacrylates (AMA), in particular methyl methacrylate (MMA), and alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl esters (2-HIBSA), in particular alpha-hydroxyisobutyric acid methyl ester (2-HIBSM) and/or methacrylic acid (MAS) with improved yield, comprising the process steps amidation, conversion, hydrolysis/esterification and workup.
  • 2-HIBSM can be isolated and discharged in a purity suitable for use in the electronics industry.
  • the acetone cyanohydrin (ACH) obtained from them is first subjected to amidation using sulfuric acid.
  • the subsequent conversion includes the conversion of the sulfuric acid reaction mixture obtained in the amidation, which contains a high proportion of alpha-sulfoxyisobutyric acid amide (2-SIBA), into a sulfuric acid reaction mixture containing methacrylic acid amide (MASA).
  • SIBA alpha-sulfoxyisobutyric acid amide
  • MASA methacrylic acid amide
  • this is converted with water and alcohol to form a sulfuric acid stream containing MMA and MAS, which contains controllable amounts of alpha-hydroxyisobutyric acid (2-HIBS) and alpha-hydroxyisobutyric acid methyl ester (2-HIBSM).
  • the hydrolysis as well as the esterification and the subsequent processing according to the invention, on the one hand the amount of the valuable product 2-HIBSM supplied via waste streams for thermal recycling can be reduced and, moreover, its isolation and material recycling can be made possible.
  • the invention therefore contributes significantly to a production process for MMA, 2-HIBSM and/or MAS with high atom economy.
  • Methyl methacrylate is used in large quantities to produce polymers and copolymers with other polymerizable compounds. Furthermore, methyl methacrylate is an important building block for various special esters, based on the chemical base substance methacrylic acid (MAS), which can be produced by transesterification of MMA with the corresponding alcohol or are accessible by condensation of methyl acrylic acid and an alcohol. This results in great interest in the simplest, most economical and environmentally friendly manufacturing processes possible for this raw material.
  • MAS methacrylic acid
  • KR 20200085010 describes cleaning solutions that are used to remove photoresist residues in the production of electronic components. Such cleaning solutions can typically also contain 20% to 80% 2-HIBSM in addition to other alkoxy-substituted esters and / or substituted pyrrolidones and are characterized due to a high level of purity, especially due to the absence of foreign metals, which interfere with electronic applications. Further applications of 2-HIBSM as a solvent for paints and resins in the electronics sector are described, for example, in JP 2020077642. Other alkyl esters of alpha-hydroxyisobutyric acid are also used in the commercial production of electronic components. CN 106952745 describes the production of ruthenium oxide-based high-performance capacitors, in which alpha-hydroxyisobutyric acid ethyl ester is used as a solvent.
  • CMOS complementary metal oxide semiconductors
  • the unexposed parts of the so-called photoresist used are typically removed either by plasma etching or by wet chemical processing using specially developed organic solvents.
  • trace metals such as sodium (Na) or iron (Fe)
  • the main source of which is, in addition to the machines and apparatus used for component production, such as the walls of the high-temperature plasma etching chambers Solvents themselves are.
  • wet processing using so-called stripper solvents has been identified as the main Na contamination route in the production of CMOS components.
  • the positive sodium ions at the Si-SiC>2 interface induce a negative charge in the silicon substrate, which reduces the positive gate bias voltage required to generate channel current at a given drain voltage.
  • Sodium ion densities as low as 10 10 / cm 2 can cause threshold voltage shifts of a few tenths of a volt in metal-oxide-semiconductor field effect transistors (MOSFETs) with a gate thickness of about 1000 ⁇ .
  • MOSFETs metal-oxide-semiconductor field effect transistors
  • N-channel devices are generally more sensitive to contamination, particularly sodium, than p-channel transistors.
  • Other contaminants, such as iron, in dissolved or particulate form, result in degradation or failure of the integrity of the gate oxide.
  • This method according to EP 04 650 69 includes post-cleaning etching of oxide layers with selective etching agents, for example glycol-based.
  • This cleaning process is expensive and time-consuming in terms of chemical consumption and time.
  • Another strategy to minimize Na contamination involves complexing the Na contaminations with ligands such as crown ethers, polyalcohols, and other clathrates.
  • ligands such as crown ethers, polyalcohols, and other clathrates.
  • these organic ligands can be carcinogenic and pose a health risk, so extreme care should be taken in product formulation and application.
  • US 2018/273465 A1 describes a process for the purification of carboxylic acid esters, for example methyl hydroxyisobutyrate, whereby anionic impurities and metal ion impurities such as Ag, Al, Au, Ca, Cr, Cu, Fe, K, Mg, Na, Sn, and Zn, can be removed by treatment with anion and cation exchangers. It is described that a highly pure carboxylic acid ester with a proportion of metallic impurities of less than 1 ppb and a proportion of anionic impurities of less than 1 ppm can be obtained.
  • propene as a basic raw material was also intensively investigated, with the steps of hydrocarbonylation, for example to produce isobutyric acid, and dehydrogenative oxidation to produce methacrylic acid in moderate yields.
  • acetone is mixed with hydrocyanic acid (HCN) is converted into the central intermediate acetone cyanohydrin (ACH).
  • HCN hydrocyanic acid
  • ACH central intermediate acetone cyanohydrin
  • ACH is hydrolyzed using sulfuric acid to form alpha-hydroxyisobutyric acid amide (2-HIBA) and its sulfate ester (SIBA).
  • This substep is referred to in the relevant literature as amidation or hydrolysis, since the nitrile group of ACH is formally converted into an amide function.
  • 2-HIBA, SIBA and MASA already formed in the amidation are then thermally converted into MASA and smaller amounts of MAS in the sulfuric acid reaction mixture.
  • This sub-step is referred to in the relevant literature as conversion, whereby the sulfoxy group of SIBA is formally converted into an olefinic double bond function in the sense of a ß-elimination, with MASA emerging from SIBA and formally free sulfuric acid being released again.
  • the sulfuric acid MASA solution obtained after conversion can then be mixed with methanol and water to produce MMA through an esterification reaction.
  • the sulfuric acid MASA solution obtained after the conversion can be reacted with water to form methacrylic acid (MAS) in a hydrolysis.
  • 2-HIBA present in addition to MASA is typically partially converted to alpha-hydroxyisobutyric acid methyl ester (2-HIBSM), but also partially hydrolyzed to alpha-hydroxyisobutyric acid (2-HIBS).
  • 2-HIBA present in addition to MASA is typically partially converted to alpha-hydroxyisobutyric acid methyl ester (2-HIBSM), but also partially hydrolyzed to alpha-hydroxyisobutyric acid (2-HIBS).
  • MMA yields of a maximum of 90 to 93% relative to ACH can be achieved in the overall process across all stages with optimal reaction control.
  • MMA is obtained in monomer quality at the top of a pure distillation column. Accordingly, methacrylic acid and HIBSM are enriched in the bottom of this column. This bottom mixture is usually returned to the esterification reactor in order to convert and isolate part of the methacrylic acid into the valuable material MMA.
  • HIBSM undergoes hydrolysis to form high-boiling acids such as methoxyisobutyric acid (MIBS) and hydroxyisobutyric acid (HIBS).
  • MIBS methoxyisobutyric acid
  • HIBS hydroxyisobutyric acid
  • the basic process for producing MAS has essentially similar characteristics to that for producing MMA.
  • amidation and conversion are often fundamentally similar or identical, with the highest possible MASA yield from ACH being desired in both cases.
  • the reaction in the form of hydrolysis of MASA typically leads to crude MAS mixtures.
  • the reaction, more precisely esterification, of the MASA-containing reaction mixture in the presence of water and alcohol, in particular methanol leads to alkyl methacrylates, in particular in the case of methanol to MMA.
  • the person skilled in the art is aware that for the selective production of MAS, higher molar proportions of water must be made available than is the case for the production of MMA.
  • methanol is first reacted homogeneously with CO under pressure in the presence of a strong catalyst base, such as sodium methoxide, to form methyl formate.
  • a strong catalyst base such as sodium methoxide
  • methyl formate now exchanges the amide function in a transamidation reaction with alpha-hydroxyisobutyric acid amide.
  • the thermodynamically favored formamide is formed, which in turn can serve as a starting material for the production of HCN, and alpha-hydroxyisobutyric acid methyl ester 2-HIBSM.
  • the conversion here is 85% with selectivities of 98%.
  • Formamide is split at low pressure and a temperature between 450 and 580 °C at a heterogeneous contact consisting of iron or aluminum phosphate with various dopants to produce hydrogen cyanide and water.
  • the yield of HCN is 94%. Both HCN and water are returned to the MMA process cycle.
  • the MGC process achieves high yields and selectivities.
  • the raw material costs are particularly advantageous due to the regeneration of ammonia.
  • the process complexity is reflected in comparatively high energy costs, especially in the steam and coolant consumption.
  • ammonia released is also recovered quantitatively and can be recycled as a starting material in an HCN process. This step is also very efficient with a selectivity greater than 98%.
  • Further central steps are the catalytic cross-transesterification of methacrylic acid with 2-HIBSM to MMA and alpha-hydroxyisobutyric acid (2-HIBS), as described, for example, in EP 18 885 03 or DE 102005023976.
  • the methacrylic acid itself is produced by catalytic dehydration of the resulting alpha-hydroxyisobutyric acid.
  • EP 04,298.00 describes the reaction of 2-HIBSM or a mixture of 2-HIBSM and a corresponding alpha- or beta-alkoxy ester in the gas phase in the presence of methanol as a co-feed on a heterogeneous catalyst consisting of a crystalline aluminosilicate and a mixed doping of an alkali metal element on the one hand and a noble metal on the other.
  • a heterogeneous catalyst consisting of a crystalline aluminosilicate and a mixed doping of an alkali metal element on the one hand and a noble metal on the other.
  • MAS starting from 2-HIBS is described, for example, in US 3,487,101, where the production of various methacrylic acid derivatives, in particular methacrylic acid and methacrylic acid esters, starting from alpha-hydroxyisobutyric acid in the liquid phase, is characterized in that the conversion of 2-HIBS to methacrylic acid in the presence of a dissolved basic catalyst at high temperatures between 180 and 320 ° C in the presence of high-boiling esters such as dimethyl phthalate and internal anhydrides such as phthalic anhydride.
  • high-boiling esters such as dimethyl phthalate and internal anhydrides
  • phthalic anhydride internal anhydrides
  • DE 1191367 relates to the production of methacrylic acid starting from 2-HIBS in the liquid phase, characterized in that the conversion of 2-HIBS to MAS in the presence of polymerization inhibitors (such as copper powder) in the presence of a catalyst mixture consisting of metal halides and alkali halides at high temperatures between 180 and 220 °C is carried out.
  • polymerization inhibitors such as copper powder
  • MAS selectivities of over 99% are achieved.
  • catalyst mixtures of zinc bromide and lithium bromide It is generally known that the use of halide-containing catalysts at high temperatures places drastic demands on the materials to be used and that these problems with regard to the halogenated carryover by-products in the distillate also occur in subsequent parts of the system.
  • EP 04 878 53 describes the production of MAS starting from ACH, characterized in that in the first step ACH is reacted with water at moderate temperatures in the presence of a heterogeneous hydrolysis catalyst and in the second step 2-HIBA is reacted with methyl formate or methanol/carbon monoxide to form formamide and alpha-hydroxyisobutyric acid methyl ester, and in the third step 2-HIBSM is saponified with water in the presence of a heterogeneous ion exchanger to form 2-HIBS, and finally in the fourth step 2-HIBS is dehydrated by being in the liquid phase at high temperatures in the presence of a soluble alkali salt can react.
  • the MAS production ex 2-HIBS is described at high conversions of around 99% with more or less quantitative selectivities.
  • DE 1768253 describes a process for producing MAS by dehydrating 2-HIBS, which is characterized in that 2-HIBS is produced in the liquid phase at a temperature of at least 160 ° C in the presence of a dehydration catalyst consisting of a metal salt of 2 -HIBS exists, implements.
  • the alkaline ones are particularly suitable in this case.
  • alkaline earth metal salts of 2-HIBS which are prepared in situ in a 2-HIBS melt by reacting suitable metal salts.
  • MAS yields of up to 95% based on 2-HIBS are described here, with the feed of the continuous process consisting of 2-HIBS and approx. 1.5% by weight of HIBS alkali metal salt.
  • EP 04 636 76 teaches a process for producing 2-HIBSM, according to which a 2-hydroxyiminomethyl ester hydrochloride is first formed from 2-hydroxyisobutyronitrile, methanol and anhydrous hydrogen chloride and is reacted with water to form the target product in a subsequent step.
  • Both processes are based on starting materials, some of which only occur in very small traces in the process streams of the ACH-sulfo process (e.g. HIBS) and each require at least one further synthesis and purification step to get to the desired target product.
  • HIBS ACH-sulfo process
  • 2-HIBS or 2-HIBSA can be produced starting from acetone cyanohydrin (ACH) by saponifying the nitrile function in the presence of mineral acids.
  • ACH acetone cyanohydrin
  • the prior art describes processes in which ACH is amidated and hydrolyzed in the presence of water, with the hydroxy function in the molecule being retained at least in the first steps of the reaction. See, for example, WO 2005/077878, JP H04 193845 or JP S57 131736.
  • JP S6361932 describes that ACH is saponified to alpha-hydroxyisobutyric acid in a two-stage process, whereby 1 mol of ACH is first reacted in the presence of 0.2 to 1.0 mol of water and 0.5 to 2 equivalents of sulfuric acid and the corresponding Amide salts are formed.
  • ACH is saponified to alpha-hydroxyisobutyric acid in a two-stage process, whereby 1 mol of ACH is first reacted in the presence of 0.2 to 1.0 mol of water and 0.5 to 2 equivalents of sulfuric acid and the corresponding Amide salts are formed.
  • massive problems arise with the stirrability of the amidation mixture due to the high viscosity of the reaction mixtures, especially towards the end of the reaction time.
  • the reaction slows down drastically and side reactions occur, in particular the fragmentation of ACH into the starting materials acetone and hydrogen cyanide, which further react under the reaction conditions to form secondary products.
  • the viscosity of the reaction mixture can be controlled according to the specifications of the patent publication mentioned and the corresponding reaction mixtures can be stirred due to the decreasing viscosity, but here too the side reactions increase drastically even at moderate temperatures, which ultimately results in only moderate yields (see comparative examples).
  • 2-HIBSM produced in this way is not suitable for use as a cleaning agent in the electronics industry.
  • the procedure described, for example, in JP 2926375 for the production of largely chlorine- and metal-free esters of 2-HIBS, first completely hydrolyzing ACH in the presence of phosphoric acid and then reacting it with alcohols to the corresponding esters within 8 hours at 70 ° C, is uneconomical due to the long process times described and the subsequent necessary distillation in the thin-film evaporator.
  • An analogous process is described, for example, in JP 3336077.
  • 2-HIBSM which is suitable as a solvent for the electronics industry, as a by-product of MMA production
  • the processes described so far have the disadvantage of forming a high salt load.
  • 2-HIBSM is obtained after the reaction of ACH with sulfuric acid and subsequent esterification with methanol by first neutralizing the entire reaction mixture with bases and removing both the MMA formed as the main product and the 2-HIBSM formed as a by-product by distillation and be separated from each other. Significant amounts of sulfates are formed.
  • the present invention was primarily based on the object of overcoming the disadvantages mentioned above and of providing an economical and simple process for the production of methyl methacrylate and / or methacrylic acid, which is achieved through the simultaneous production of high-purity, metal-free alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl esters, especially alpha-hydroxyisobutyric acid methyl esters (2-HIBSM).
  • this alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester is obtained in such a quality and purity that it is suitable for use in electronic applications. This particularly applies to product quality that is characterized by a low trace content of critical metals.
  • the maximum should be the provision of up to 5 kt of 2-HIBSM per 95 kt of MMA.
  • Another task of the process was to increase the efficiency of the manufacturing process for MMA through the targeted removal of the valuable product 2-HIBSM.
  • the alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester (2-HIBSA) which is obtained as a by-product of the production of methacrylic acid alkyl ester, is removed from the esterification process by at least one distillation step.
  • the 2-HIBSA obtained in this way is characterized by its high purity.
  • the other components contained in the distillation, 2-HIBS, methacrylic acid (MAS) and mainly alkyl methacrylate (AMA - in the case of using methanol, methyl methacrylate / MMA), are returned to the esterification process. There, after conversion to 2-HIBSA, they are fed back into the distillative discharge of 2-HIBSA or converted into AMA and purified.
  • a process step a As is generally known from the prior art, acetone cyanohydrin and sulfuric acid are first reacted and a first reaction mixture containing alpha-sulfoxyisobutyric acid amide and methacrylic acid amide is obtained.
  • step b The first reaction mixture is then converted. This conversion includes in particular heating to a temperature in the range from 130 to 200 ° C, whereby a second reaction mixture containing predominantly methacrylic acid amide, alpha-hydroxyisobutyric acid amide and sulfuric acid is obtained.
  • step c the second reaction mixture is reacted with water and alcohol in a third reaction stage, i.e. esterified.
  • a third reaction mixture is obtained which contains methacrylic acid, alkyl methacrylate, alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester and formic acid.
  • a subsequent process step d The products alkyl methacrylate and alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester are isolated from the third reaction mixture.
  • this isolation includes at least two distillation steps and optionally in particular at least one phase separation.
  • the end product alkyl methacrylate is condensed as the top product of a final rectification I and is preferably obtained directly in a commercially usable purity, i.e. corresponding to a general monomer specification.
  • the alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester is in turn isolated in a further stream and optionally further processed.
  • a bottom product from rectification I which in particular contains further alkyl methacrylate, methacrylic acid and alkyl hydroxyisobutyrate as well as one or more polymerization inhibitors, is fed to at least one further rectification II or IV.
  • the alcohol is in process step c. preferably methanol, correspondingly in the case of the alkyl methacrylate preferably around MMA and in the case of the alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester around alpha-hydroxyisobutyric acid methyl ester.
  • the formulations stream, phase or fraction containing a starting material, product and/or by-product are to be understood as meaning that the compound(s) mentioned is (are) contained in the respective stream, for example the majority of the educt, product and/or by-product in the corresponding stream.
  • other components can be included. The naming of the components often serves to clarify the respective process step.
  • vapors or “vapor stream” refers to a gaseous process stream, for example a gaseous top stream of a distillation column.
  • adiabatic or “adiabatic” means that no or only negligible heat exchange with the environment takes place.
  • rectification describes a specific distillation column, which is characterized by the fact that the column has at least two or more theoretical separation stages and optionally includes a stripping section and a rectification section.
  • the column can optionally be equipped with internals and/or fills to improve the mass and heat transfer between the gas and liquid phases.
  • additional alkyl methacrylate is preferably obtained at the top of rectification II and at the same time a fraction enriched in methacrylic acid and alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester is obtained in a lower section and/or in the bottom of rectification II.
  • a methacrylic acid-enriched fraction is obtained in rectification II, which is fed to a further rectification III, in which alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester is removed as a liquid condensate in highly pure form.
  • a bottom stream containing methacrylic acid and inhibitor is removed, which is at least partially fed to or returned to reaction step c).
  • a bottom stream containing methacrylic acid and inhibitor is taken from rectification I and passed into rectification II, after which a further bottom stream is taken from rectification II, which in turn is fed to rectification III, the hydroxyisobutyric acid alkyl ester, preferably hydroxyisobutyric acid methyl ester 2-HIBSA , is obtained in highly pure form as the top distillate of this rectification III and at the same time a bottom stream containing methacrylic acid and inhibitor is removed from the bottom of the rectification III, which can be at least partially fed to reaction step c).
  • a bottom stream containing methacrylic acid and hydroxyisobutyric acid alkyl esters, which may also contain inhibitors is removed from rectification I and passed into rectification IV.
  • rectification IV replaces rectifications II and III of the first embodiment in just one column.
  • the 2-HIBSA is then produced in highly pure form as a liquid condensate in the side stream.
  • further alkyl methacrylate is obtained, which can at least partially also be fed to rectification I.
  • a bottom stream containing methacrylic acid and inhibitor is removed from rectification I and passed into a rectification IV, with hydroxyisobutyric acid alkyl ester, preferably hydroxyisobutyric acid methyl ester (2-HIBSA), being taken in highly pure form as a side stream of this rectification IV and at the same time at the bottom of rectification IV a bottom stream containing methacrylic acid and inhibitor is removed, which is at least partially fed to reaction step c).
  • hydroxyisobutyric acid alkyl ester preferably hydroxyisobutyric acid methyl ester (2-HIBSA
  • a bottom stream containing methacrylic acid and inhibitor will be removed.
  • This bottom stream can then preferably be at least partially fed to process step c).
  • process step a it is an amidation, in particular the reaction of acetone cyanohydrin (ACH) and sulfuric acid in one or more reactors I at a temperature in the range from 70 to 130 ° C, preferably 70 to 120 ° C, the first Reaction mixture containing alpha-sulfoxyisobutyric acid amide and methacrylic acid amide is obtained.
  • ACH acetone cyanohydrin
  • the sulfuric acid used in the first reaction stage preferably has a concentration in the range from 98.0 to 100.5% by weight, preferably from 98.0 to 100.0% by weight and particularly preferably from 99.0 to 99.9% by weight.
  • the specified concentration of the sulfuric acid used relates to the total mass of the sulfuric acid feed stream to the first reaction stage.
  • the water content of material streams for example sulfuric acid feed streams
  • the water content of material streams can be determined by mass balances, by measuring the density or speed of sound, by gas chromatography, by Karl Fischer titration or by using HPLC.
  • the ACH used can be produced using known technical processes. See, for example, Ullmann's Encyclopedia of Technical Chemistry, 4th edition, volume 7. Typically, hydrogen cyanide and acetone are converted into ACH in an exothermic reaction in the presence of a basic catalyst, for example an amine. Such a process step is described, for example, in DE 102006058250 and DE 102006059511.
  • the main products formed during the amidation of ACH and sulfuric acid are alpha-hydroxyisobutyric acid amide (2-HIBA) or its hydrogen sulfate (2-HIBA H2SO4), sulfuric acid esters of 2-HIBA (alpha-sulfoxyisobutyric acid amide, 2-SIBA) or its hydrogen sulfate (2 -SIBA H2SO4) and methacrylamide hydrogen sulfate (MASA H2SO4) as a solution in excess sulfuric acid.
  • 2-HIBA alpha-hydroxyisobutyric acid amide
  • 2-SIBA H2SO4 sulfuric acid esters of 2-HIBA (alpha-sulfoxyisobutyric acid amide, 2-SIBA) or its hydrogen sulfate (2 -SIBA H2SO4)
  • methacrylamide hydrogen sulfate MASA H2SO4
  • the first reaction stage is preferably operated with an excess of sulfuric acid.
  • Sulfuric acid serves, among other things, as a solvent.
  • the sulfuric acid serves as a reactant, in particular for the formation of the intermediate product 2-SIBA, and as a catalyst for the reaction.
  • the excess sulfuric acid can serve in particular to keep the viscosity of the reaction mixture low, which can ensure a faster removal of reaction heat and a lower temperature of the reaction mixture. This can bring about significant yield advantages in particular. Although viscosity and dissolving power are improved with more sulfuric acid, which ultimately also brings with it a general increase in selectivity, the amount of sulfuric acid used is ultimately limited for economic reasons, since the resulting amount of waste acid has to be recycled or further processed.
  • the reaction mixture of acetone cyanohydrin (ACH) and sulfuric acid in the first reaction mixture has a total amount of water in the range from 0.1 to 20 mol%, in particular from 0.4 to 10 mol%. This information is based on that total ACH supplied to the first reaction stage.
  • acetone cyanohydrin (ACH) is used in the first reaction stage, with the ACH or the supplied ACH material streams having an acetone content of less than or equal to 10,000 ppm, based on the total amount of ACH supplied to the first reaction stage of less than or equal to 1000 ppm.
  • the ACH used or the ACH material streams supplied preferably has an ACH content of greater than or equal to 98% by weight, particularly preferably greater than or equal to 98.5% by weight, particularly preferably greater than or equal to 99% by weight.
  • the supplied ACH material stream additionally contains 0.1 to 1.0% by weight, usually 0.2 to 1.0% by weight, of acetone and 0.1 to 1.5% by weight, usually 0.3 up to 1% by weight, or from 0.1 to 10 mol%, in particular 0.4 to 5 mol%, of water.
  • any reactor known to those skilled in the art for carrying out hydrolysis reactions can be used to carry out the amidation in the first reaction stage.
  • this are stirred tank reactors and loop reactors or combinations of said reactors.
  • several reactors, possibly connected in parallel, but preferably in series, can be used.
  • one reactor or 2 to 5 reactors connected in series are used; a sequential arrangement of 2 to 3 reactors is preferably used.
  • Molar ratios of sulfuric acid to ACH in a range from 1.2 to 2.0, preferably from 1.25 to 1.6, particularly preferably from 1.4 to 1.45 are preferably used.
  • Two or more reactors I are preferably used in the first reaction stage, with in such an embodiment sulfuric acid and ACH in the first reactor I in a molar ratio of sulfuric acid to ACH in the range from 1.6 to 3, preferably from 1.7 to 2. 6 and particularly preferably from 1.8 to 2.3 can be used.
  • sulfuric acid and ACH in the last reactor I for example in the second of two reactors I, in a molar ratio of sulfuric acid to ACH in the range 1.2 to 2.0, preferably from 1.2 to 1.8 and particularly preferably used from 1.3 to 1.7.
  • a molar ratio of 1.25 to 1.6 proves to be the optimal compromise between the achievable yield and sulfuric acid consumption, which can ultimately be evaluated from an economic optimization perspective. More sulfuric acid increases the costs for this feedstock and the effort involved in disposing of the resulting waste acid mixture, but the yield based on ACH can also be slightly increased again.
  • the reaction of acetone cyanohydrin with sulfuric acid in the first reaction stage is exothermic. It is therefore advantageous to largely or at least partially remove the resulting heat of reaction, for example with the help of suitable heat exchangers, in order to obtain an improved yield. Since the viscosity of the reaction mixture increases sharply as the temperature drops, making circulation, flow and heat exchange in the reactors I more difficult, excessive cooling is generally to be avoided. In addition, at low temperatures in the first reaction mixture, partial or complete crystallization of ingredients on the heat exchangers can occur, resulting in abrasion, for example in the pump housings, pipelines and the heat exchanger pipes of the reactors I and in extreme cases can lead to the system being switched off.
  • cooling media can be used to cool the reactor circuits.
  • the use of cooling water is advantageous.
  • the cooling medium, in particular the cooling water has a temperature below the selected process conditions.
  • the cooling medium, in particular the cooling water advantageously has a temperature in the range from 20 to 90 °C, preferably from 50 to 90 °C and particularly preferably from 60 to 70 °C.
  • the heat exchanger is typically operated with a hot water secondary circuit. Temperature differences in the product-side inlet/outlet of the apparatus of approximately 1 to 20° C., in particular 2 to 7° C., are preferred.
  • the reaction of ACH and sulfuric acid in one or more reactors I takes place at a temperature in the range from 70 to 130 ° C, preferably from 75 to 120 ° C, particularly preferably from 85 to 110 ° C. If several reactors are used for the amidation, the temperatures of the various reactors can be the same or different. With regard to different stoichiometry in the reactors, it is preferred to operate the first reactor with a higher excess of sulfuric acid colder than the subsequent reactor or reactors.
  • the amidation is often carried out in the first reaction stage in reactor I or in several reactors I at normal pressure.
  • process step a be carried out batchwise and/or continuously.
  • the first reaction stage is preferably carried out continuously, for example in one or more loop reactors. Suitable reactors and processes are described, for example, in WO 2013/143812.
  • the first reaction stage can advantageously be carried out in a cascade of two or more loop reactors.
  • the implementation of the first reaction stage takes place in one or more, preferably exactly two, loop reactors, the respective reaction mixture being reacted at a circulation ratio, i.e. the ratio of circulation volume flow to feed volume flow, in the range from 5 to 90, preferably 10 to 70
  • stirred or pumped continuous stirred tank reactors in particular CSTR reactors, or a combination of CSTR apparatus and loop reactors can be used.
  • the residence time in the respective reactor is designed so that the time is sufficient to maximize the yield of 2-HIBA, 2-SIBA, MAS and MASA.
  • the static residence time in the reactors I in particular in the loop reactors I, is in the range from 5 to 35 minutes, preferably from 8 to 20 minutes.
  • a suitable loop reactor preferably has the following elements:
  • the mixers are often designed as static mixers.
  • the ACH can be added at any point in one or different reactors I. However, it has proven to be advantageous if the ACH is added at a well-mixed point.
  • the ACH is preferably added to a mixing element, for example a mixer with moving parts or a static mixer.
  • the sulfuric acid can in principle be added at any point in one or more reactors I.
  • the sulfuric acid is preferably added before the ACH is added.
  • the sulfuric acid is particularly preferably added on the suction side of the respective reactor pump. This can often improve the pumpability of the gas-containing reaction mixture.
  • the reactors I each preferably comprise at least one gas separator.
  • the product stream in particular the first reaction mixture, can be continuously removed via the gas separator, and on the other hand, gaseous by-products can be separated and discharged here.
  • the gaseous byproduct that forms is mainly carbon monoxide.
  • the exhaust gas stream from the reactors I is preferably combined with the exhaust gas from the buffer container/separator I.
  • the first reaction stage comprises the reaction of acetone cyanohydrin (ACH) and sulfuric acid in at least two separate reaction zones, preferably in at least two separate reactors, particularly preferably in at least two loop reactors.
  • ACH acetone cyanohydrin
  • the reaction of acetone cyanohydrin (ACH) and sulfuric acid preferably takes place in such a way that the reaction volume is distributed over at least two reaction zones and the total amount of ACH is metered separately into the different reaction zones.
  • the amount of ACH fed to the first reactor or reaction zone is greater than or equal to the amounts of ACH fed to the subsequent reactors or reaction zones.
  • the total amount of ACH is divided between the first reactor I and a second reactor I in the mass ratio of the first reactor I to the second reactor I in the range from 70 to 30 to 80 to 20, preferably from about 75 to 25.
  • the molar ratio of added sulfuric acid to ACH in the first reactor or in the first reaction zone is preferably greater than the corresponding molar ratio in optionally subsequent reactors or in the subsequent reaction zones.
  • each loop reactor comprises at least one pump, a heat exchanger cooled with water as a medium, a gas separation device, at least one exhaust gas line connected to the gas separation device, and at least one feed line for ACH in liquid form.
  • the at least two loop reactors are preferably interconnected in such a way that the entire resulting reaction mixture from the first reactor is fed into the subsequent reactors and the reaction mixture in the subsequent reactors is mixed with further liquid ACH and optionally further amounts of sulfuric acid.
  • the first loop reactor is typically operated at a circulation ratio, i.e. a ratio of circulation volume flow to feed volume flow, in a range from 5 to 110, preferably from 10 to 90, particularly preferably from 10 to 70.
  • the circulation ratio is preferably in a range from 5 to 100, preferably from 10 to 90, particularly preferably from 10 to 70.
  • a first reaction mixture which contains 5 to 35% by weight of alpha-sulfoxyisobutyric acid amide (2-SIBA), 5 to 25% by weight of methacrylamide (MASA) and less than 5% by weight of alpha-hydroxyisobutyric acid amide (2-H IBA), each based on the entire reaction mixture , dissolved in sulfuric acid reaction matrix.
  • This first reaction mixture is preferably conveyed into the second reaction stage with the aid of a discharge pump with a constantly regulated mass flow.
  • the constantly regulated mass flow enables, in particular, precise control of the static residence time of the reaction mixture in process step (b), the conversion.
  • the first reaction mixture resulting from process step a is preferred. conveyed in a constantly regulated mass flow by means of a discharge pump, starting from at least one reactor I through at least one reactor II.
  • process step b This is a so-called conversion, i.e. converting the first reaction mixture.
  • This process step includes b. first heating to a temperature in the range from 130 to 200 ° C, preferably from 130 to 170 ° C, particularly preferably from 140 to 165 ° C in one or more reactors II.
  • This reactor II or these reactors II can also be used as a heat conversion apparatus or conversion reactors.
  • a second reaction mixture containing predominantly methacrylic acid amide (MASA) and sulfuric acid is obtained.
  • the second reaction mixture obtained in reaction step b) preferably has an alpha-hydroxyisobutyramide content of 0.1 to 2.0% by weight.
  • the residence time of the reaction mixture in reactor II is generally in a range from 2 to 15 minutes, preferably from 2 to 10 minutes.
  • the specified residence time refers to the entire conversion reactor (reactor II).
  • the residence times in all conversion reactors are within the specified ranges.
  • the residence time in a preferably implemented preheater segment of the conversion reactor is preferably 0.1 to 5 minutes, particularly preferably 0.2 to 2 minutes.
  • heating takes place in process step b. in one or more reactors II, preferably at least one reactor II comprising a preheater segment which can be heated by means of a heating medium that is spatially separated from the reaction mixture.
  • the reaction mixture is additionally heated by 10 to 100 °C, preferably by 15 to 80 °C.
  • the temperature increase of 10 to 100 ° C is to be understood as meaning that a corresponding temperature increase takes place starting from the original temperature of the first reaction mixture supplied when it enters the respective preheater segment.
  • the first Reaction mixture is a sulfuric acid solution containing 2-SIBA, 2-HIBA and MASA, predominantly in the form of the hydrogen sulfates.
  • the heating in process step b., the conversion preferably takes place over the shortest possible period of time.
  • the heating takes place in the form of remaining in the preheater segment of the reactor II over a period of 0.1 to 14 minutes, preferably 0.1 to 5 minutes, particularly preferably 0.2 to 2 minutes.
  • the heating of the first reaction mixture from the reactors I is usually carried out for a shorter time than the conversion in the almost adiabatic elements themselves.
  • the conversion takes place at a temperature in a range between 130 and 200 °C, preferably between 130 and 170 °C and particularly preferably between 140 and 170 °C.
  • the total residence time in reactor II or several reactors II, usually connected in series, is preferably in a range from 2 to 15 minutes, preferably from 2 to 10 minutes.
  • the conversion can in principle be carried out in known reactors, which enable the temperatures mentioned to be achieved in the periods mentioned.
  • the energy can be supplied in a known manner, for example using steam, hot water, suitable heat transfer media, electrical energy or electromagnetic radiation, such as microwave radiation.
  • the conversion is preferably carried out in the second reaction stage in one or more heat conversion apparatus.
  • the still hot second reaction mixture emerging from the conversion is cooled before entering the subsequent reaction step c, the esterification, in order to ensure a defined residence time of the reaction mixture leaving the last conversion reactor at high temperatures and yield-reducing subsequent reactions of the valuable products MAS and MAS formed in the conversion to stop MASA.
  • Gaseous by-products are preferably at least partially separated off from the second reaction mixture.
  • the cooled and degassed second reaction mixture is completely passed into reaction stage c, the esterification or hydrolysis.
  • the exhaust gas obtained after the conversion is completely or partially discharged from the process.
  • the exhaust gas obtained after the conversion, together with the exhaust gases from the reactor(s) I for the amidation reaction be completely or partially fed into a column (in the figures (E)) for the separation of high boilers in process step c ., i.e. esterification or hydrolysis.
  • cooling media can be used to cool the second reaction mixture.
  • the use of cooling water is advantageous.
  • the cooling medium, in particular the cooling water advantageously has a temperature in a range from 30 to 120 °C, preferably from 50 to 110 °C and particularly preferably from 60 to 100 °C.
  • the exit temperature of the cooled reaction mixture leaving the cooler and thus the entry temperature into the subsequent reaction step of process step c. is preferably below the maximum temperature occurring in the conversion reactor, typically in a range from 70 to 110 ° C.
  • the process step involves esterification or hydrolysis.
  • the method according to the invention comprises in method step c. the reaction of the second reaction mixture, containing predominantly MASA, with water and optionally an alcohol, in particular methanol, in one or more reactors III.
  • a third reaction mixture containing methacrylic acid and/or methyl methacrylate is obtained.
  • the second reaction mixture containing predominantly MASA
  • water and an alcohol in particular with methanol
  • a third reaction mixture containing an alkyl methacrylate, in the case of methanol, methyl methacrylate (MMA).
  • an alkyl methacrylate in the case of methanol, methyl methacrylate (MMA).
  • the second reaction mixture containing predominantly MASA, is reacted with water, giving a third reaction mixture containing methacrylic acid.
  • the conditions for the hydrolysis of methylacrylamide to methacrylic acid and the process for large-scale processing Scales are known to those skilled in the art and are described, for example, in DE 102008000787 and EP 2292580.
  • the reaction in the process step in the form of esterification or hydrolysis is preferably carried out in one or more suitable reactors, for example in heated kettles.
  • suitable reactors for example in heated kettles.
  • boilers heated with steam can be used.
  • the esterification takes place in two or more, for example three or four, successive kettles. This approach is also known as a boiler cascade.
  • the esterification is carried out at temperatures in a range from 100 to 180 ° C, preferably from 100 to 150 ° C and at pressures of up to 7 bara, preferably at pressures up to 2 bara.
  • the reaction is preferably carried out using sulfuric acid as a catalyst.
  • the reaction of the second reaction mixture preferably takes place with an excess of water and optionally alcohol.
  • the addition of the second reaction mixture, containing predominantly methacrylamide, and the addition of alcohol are preferably carried out in such a way that a molar ratio of methacrylamide to alcohol results in a range from 1 to 1.0 to 1 to 1.6.
  • the reaction in the third reaction stage takes place in two or more reactors III, with a molar ratio of methacrylamide to alcohol in the first reactor III in the range from 1 to 0.7 to 1 to 1.4, preferably from 1 to 1.0 to 1 to 1.4, and in the second and the possible subsequent reactors III there is a molar ratio of methacrylamide to alcohol in the range from 1 to 1.05 to 1 to 1.3.
  • the alcohol fed into the third reaction stage is preferably composed of alcohol freshly fed into the process (fresh alcohol) and alcohol which is contained in recycled streams, i.e. recycling streams, of the process according to the invention. It is also possible to use methanol in the process according to the invention, which is contained in recycling streams from downstream downstream processes.
  • water is added to the reactor III or to the reactors III of the third reaction stage in such a way that the concentration of water is in the range from 10 to 30% by weight, preferably from 15 to 25% by weight, based on the total reaction mixture in the reactor III, lies.
  • the water supplied to the third reaction stage regardless of whether it is an esterification or a hydrolysis, can come from any source and contain various organic compounds, provided that no compounds are present which would disadvantage the esterification or the subsequent process stages influence.
  • the water fed into the third reaction stage preferably comes from recycled streams (recycling streams) of the process according to the invention, for example from the purification of the methyl methacrylate or methacrylic acid. It is also possible Fresh water, in particular fully desalinated water or well water, in process step c. to supply.
  • the preferred esterification with methanol typically produces a third reaction mixture containing methyl methacrylate (MMA), methyl alpha-hydroxyisobutyrate (2-HIBSM) and other by-products described above, as well as significant amounts of water and unreacted methanol.
  • MMA methyl methacrylate
  • 2-HIBSM methyl alpha-hydroxyisobutyrate
  • the esterification takes place in two or more, in particular three or four, successive boilers in the form of a so-called boiler cascade, with the liquid overflow and the gaseous products being fed from the first boiler into the second boiler.
  • possible subsequent boilers are handled in a similar manner. In particular, such a driving style can reduce the formation of foam in the boilers.
  • Alcohol can also be added to the second kettle and any subsequent kettles. The amount of alcohol added is preferably at least 10% by weight smaller compared to the previous boiler.
  • the concentrations of water in the different boilers can typically differ from one another.
  • the temperature of the second reaction mixture fed into the first vessel is in the range from 100 to 180 ° C.
  • the temperature in the first boiler is in the range of 90 to 180 °C and the temperature in the second and possible subsequent boilers is in the range of 100 to 150 °C.
  • MMA as an ester arising from MASA and 2-HIBSM as an ester arising from 2-HIBA are condensed at the top of a distillation column (E) upstream of rectification I.
  • This condensate breaks down into two liquid phases, whereby the upper organic phase containing MMA and 2-HIBSM can be fed to rectification I after the low boilers have been separated off.
  • MMA is condensed as alkyl methacrylate at the top of a distillation column upstream of rectification I, the condensate breaking down into two liquid phases, the upper organic phase containing MMA as alkyl methacrylate and 2-HIBSM as hydroxyisobutyric acid alkyl ester after removal of low boilers is fed to rectification I.
  • process step d it involves the isolation of the products alkyl methacrylate and alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester from the third reaction mixture.
  • This process step includes in particular at least two distillative steps and optionally at least one phase separation, the end product alkyl methacrylate being condensed as the top product of a rectification I and the alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester being isolated in a further stream and optionally further processed.
  • others known to those skilled in the art can Separation steps are used. Examples of this are, in particular, rectification, extraction, stripping and/or phase separation steps.
  • the workup preferably includes the prepurification of the third reaction mixture, which is obtained in the esterification.
  • the prepurification includes at least one distillation step, at least one phase separation step and at least one extraction step.
  • the pre-cleaning preferably comprises at least one, preferably at least two, distillation steps.
  • an MMA raw product is obtained in the pre-cleaning, which has a purity in the range of at least 85% by weight.
  • the workup preferably includes the fine cleaning of the raw product, the fine cleaning comprising at least one, preferably at least two, distillation steps. Particular preference is given to obtaining an MMA raw product in the fine cleaning which has a purity of at least 99.0% by weight.
  • the workup includes the separation of methacrylic acid (MAS) from the third reaction mixture.
  • Methacrylic acid is also formed when in process step c. is an esterification. Details of the processing to obtain MAS are well known and described, for example, in DE 102008000787.
  • the workup of the third reaction mixtures includes, for example, a suitable sequence of separation operations, preferably selected from rectification, extraction, stripping and/or phase separation steps.
  • Process streams can preferably be recycled into the upstream process steps which still contain intermediate products such as 2-HIBSM or 2-HIBS that can be converted into the target product.
  • the process streams containing 2-HIBSM are processed in a sequence of separation operations in such a way that a 2-HIBSM pure stream is obtained.
  • the appropriate choice of operating parameters for the separation operations should preferably ensure that methyl methacrylate that has already been formed does not decompose into by-products in a value-reducing manner.
  • the vaporizable part of the third reaction mixture in particular after esterification with methanol, is removed in gaseous form as vapors from the reactors III (marked as D in the figures, for example) and is subjected to further workup, for example a distillation step (in the Fig. marked as E, for example).
  • the vaporizable part of the resulting reaction mixture can be removed in each boiler as a vapor stream and passed on to further workup.
  • only the vaporizable part of the reaction mixture formed in the last two boilers is removed as a third reaction mixture in the form of a vapor stream and fed into further workup.
  • the bottom stream obtained during the distillation is returned to the reactor or reactors III.
  • the MMA-rich condensate from the column (E) described is fed to a liquid/liquid phase separation (marked as F in the figures, for example) with the addition of fresh water to remove high boilers.
  • the methanol-containing aqueous phase from the phase separation (F) is preferably fed again to the reactor or reactors III (D).
  • the organic phase from the phase separation (F) is then advantageously fed to a further column (in particular a low boiler column, marked for example as G in the figures) for the separation of low boilers, whereby an exhaust gas can be removed at the same time.
  • the low boilers are washed with further fresh water, for example in an extraction/phase separation (marked as H in the figures, for example).
  • One or more stabilizers can advantageously be added to various streams of the process according to the invention in order to prevent or reduce polymerization of the methyl methacrylate and/or the methacrylic acid.
  • a stabilizer may be added to the third reaction mixture obtained after esterification.
  • Phenothiazine and other adequately acting stabilizers are preferably used in the amidation and conversion part; Phenolic compounds, quinones and catechols are used in the esterification or processing part.
  • amine-N-oxides such as TEMPOL or combinations of the stabilizer systems mentioned, are used.
  • a waste stream consisting essentially of dilute sulfuric acid is preferably removed from the reactor or reactors III, i.e. the esterification or hydrolysis. This waste stream is typically removed from the process. This waste stream is preferably fed, in particular together with one or more aqueous waste streams from the process according to the invention, to a process for regenerating sulfuric acid or a process for obtaining ammonium sulfate.
  • process step e which particularly characterizes the present invention. it is an isolation of the process product alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester, a bottom product of rectification I from process step d., which in particular further alkyl methacrylate, methacrylic acid and alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester as well as one or has several polymerization inhibitors, is fed to at least one further rectification, either a rectification II or a rectification IV.
  • additional alkyl methacrylate is obtained at the top of rectification II.
  • a fraction enriched in methacrylic acid and alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester is obtained, which is fed to a further rectification III.
  • the alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester is finally removed as a liquid condensate in highly pure form.
  • a bottom stream containing methacrylic acid and inhibitor is preferably removed, which can be at least partially fed to or returned to reaction step c).
  • Rectification II is preferably carried out at a pressure of 1 to 200 mbar and a maximum bottom temperature of 105 ° C.
  • the bottom stream from rectification I is preferably used as the feed stream from rectification II.
  • This stream generally has 20 to 90% by weight of alkyl methacrylate, preferably methyl methacrylate, 1 to 20% by weight of methacrylic acid and 1 to 20% by weight of hydroxyisobutyric acid alkyl ester, preferably alpha-hydroxyisobutyric acid methyl ester.
  • the top product of rectification II preferably has a methyl methacrylate content of at least 95% by weight, preferably at least 99% by weight, particularly preferably 99.5% by weight. This is either added as a pure monomer according to the Rectification I specification or removed directly from the process as a product.
  • the bottom stream from rectification III in turn preferably has an alpha-hydroxyisobutyric acid content of 0.01 to 5.0% by weight.
  • This bottom stream is preferred in order to increase the overall yield of the process, then at least partially to reaction step c. supplied. Further alpha-hydroxyisobutyric acid methyl ester is produced here by reaction with methanol.
  • rectification III is operated at a pressure of 1 to 200 mbar, a maximum bottom temperature of 105 ° C and optionally at a lower pressure and an identical or lower bottom temperature than rectification II.
  • Rectifications II, III and IV are particularly preferably carried out at a pressure of 1 to 200 mbar and a maximum bottom temperature of 105 ° C.
  • the top stream of rectification III in turn preferably has, in addition to the main component 2-HIBSM, a formic acid content of between 100 ppm and 5.0% by weight. Furthermore, the product condensed at the top of rectification III with a purity of at least 90% is preferably treated in an additional distillation column. This further distillation column is characterized by the fact that internals, packing and container materials are at least partially made of non-metallic materials such as polymers or mineral materials such as glass or are coated with these over the entire surface.
  • the bottom product of rectification I is fed to a rectification IV, which is a sidestream column.
  • the 2-HIBSA, in particular 2-HIBSM, pure product is obtained as a sidestream product, and a further column, as in the other embodiment, rectification III, is not necessary.
  • rectification IV replaces rectifications II and III of the first embodiment in just one column.
  • a bottom stream containing methacrylic acid and inhibitor is simultaneously removed from this rectification IV, which is preferably at least partially fed to or returned to reaction step c).
  • the bottom stream from rectification I is preferably used as the feed stream from rectification IV.
  • This stream has 20 to 90% by weight of methyl methacrylate, 1 to 20% by weight of methacrylic acid and 1 to 20% by weight of alpha-hydroxyisobutyric acid methyl ester.
  • Rectification IV is preferably operated at a pressure of 1 to 200 mbar, a maximum bottom temperature of 105 ° C and optionally at a lower pressure and an identical or lower bottom temperature than column II in the alternative first embodiment.
  • the bottom stream from rectification IV in turn preferably has an alpha-hydroxyisobutyric acid content of 0.01 to 5.0% by weight.
  • This bottom stream is preferred in order to increase the overall yield of the process, then at least partially to reaction step c. supplied.
  • further 2-hydroxyisobutyric acid methyl ester is produced by reaction with methanol.
  • the side stream of rectification IV preferably has a formic acid content of between 100 ppm and 5.0% by weight.
  • hydroxyisobutyric acid alkyl ester preferably hydroxyisobutyric acid methyl ester 2-HIBSM
  • process step e., of alkyl methacrylate, preferably methyl methacrylate, and methacrylic acid as well as phenolic and N-oxide-containing Process inhibitors are isolated and purified in such a way that the hydroxyisobutyric acid alkyl ester, preferably hydroxyisobutyric acid methyl ester 2-HIBSM, is one Content (or a purity) of at least 60% by weight, preferably greater than 90% by weight and particularly preferably greater than 98% by weight.
  • the separation and recycling of intermediate products described in various places involves energy expenditure and it would therefore be advantageous if these steps could be minimized.
  • This can be done in such a way that the smallest possible proportions of these intermediate products are produced in the upstream process steps.
  • the most complete conversion possible, in particular from 2-HIBA to MASA, in the conversion, i.e. in process step b. has an advantageous effect on the entire production process.
  • the method according to the invention aims at the highest possible overall selectivity of the target products MMA and HIBSM, which are also based on the intermediate product HIBA.
  • the process according to the invention comprises in the third reaction stage and thus in process step c. the esterification of MASA to MMA. Therefore, the most complete conversion of 2-HIBA and 2-SIBA to MASA is crucial for a high yield of the entire process.
  • the efficiency of the process according to the invention can thus be determined as the difference between the yield after the amidation process step and the yield after the conversion process step.
  • the yield after the amidation process step results from the measured amounts of 2-HIBA, 2-SIBA, MAS and MASA.
  • the yield after thermal conversion results from the measured amounts of MAS and MASA.
  • alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester obtained or recoverable by means of the process according to the invention is part of the present invention.
  • This is characterized in particular by the fact that the content of ions of semimetals and metals in the end products purified according to the invention does not exceed a value of 1 ppm by weight and is less than 5 ppm by weight in total.
  • Examples of such ions that can be present in the product are, in particular, those of the elements Si, Na, Fe, Co, Mn or Cr.
  • alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester in particular alpha-hydroxyisobutyric acid methyl ester
  • This alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester used according to the invention is characterized in that it has a content of at least 90% by weight, preferably greater than 95% by weight and particularly preferably greater than 98% by weight of alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester, preferably alpha-hydroxyisobutyric acid methyl ester and a cumulative content of metal and semi-metal ions less than 5 ppm by weight.
  • the alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester can be produced using the method according to the invention described and is used in the production of electronic components or assemblies. Description of the characters
  • Figure 1 describes the reaction network for the formation of methacrylic acid and/or methyl methacrylate starting from methane and ammonia as well as acetone.
  • methane methane
  • NH3 ammonia
  • hydrogen cyanide can be produced using the BMA process (hydrocyanic acid from methane and ammonia) using catalytic dehydrogenation (CH4 + NH3 —> HCN + 3 H2) (variant 1).
  • hydrogen cyanide can be produced using the Andrussow process starting from methane and ammonia with the addition of oxygen (CH4 + NH3 + 1.5 O2 —> HCN + 3 H2O) (variant 2).
  • acetone cyanohydrin (ACH) is produced with the addition of a basic catalyst, such as diethylamine Et2NH or alkali metal hydroxides.
  • a basic catalyst such as diethylamine Et2NH or alkali metal hydroxides.
  • the hydroxy group of acetone cyanohydrin is subsequently esterified with sulfuric acid, initially obtaining alpha-sulfoxyisobutyronitrile (2-SIBN).
  • the nitrile group of alpha-sulfoxyisobutyronitrile (2-SIBN) can be saponified in the next step under the action of sulfuric acid and water, giving alpha-sulfoxyisobutyronitrile hydrogen sulfate (2-SIBA H2SO4).
  • MAN methacrylonitrile
  • SIBN alpha-sulfoxyisobutyramide hydrogen sulfate
  • 2-HIBA H2SO4 alpha-hydroxyisobutyramide hydrogen sulfate
  • 2-HIBA H2SO4 alpha-hydroxyisobutyramide hydrogen sulfate
  • methacrylamide hydrogen sulfate (MASA H2SO4) is formed with the elimination of sulfuric acid (conversion).
  • the slow conversion of 2-HIBA or 2-HIBS to MAS or MASA can also take place as an elimination reaction with the elimination of NH4HSO4 or water.
  • methacrylamide hydrogen sulfate (MASA H2SO4) can be converted to methacrylic acid (MAS) by hydrolysis or to methyl methacrylate (MMA) by esterification with methanol (MeOH).
  • Figure 2 thus shows a flow diagram of a preferred embodiment of the process according to the invention for producing MMA and simultaneous isolation of 2-HIBSM.
  • FIG. 3 C3 process with sidestream column for the isolation of 2-HIBSM
  • Figure 3 shows another variant of the process with optimized isolation of 2-HIBSM.
  • Figure 4 thus shows the state of the art process for producing MMA using the C3 process, without isolating 2-HIBSM.
  • 2-SIBA alpha-sulfoxyisobutyramide also known as sulfoxyisobutyramide or sulfoxyisobutyramide
  • Azeotrope (mixture of MMA and methanol)
  • Example 1 Inventive process for isolating 2-HIBSM from the C3 MMA process using a 2-column system
  • the loop reactor (A) was operated with a circulation volume flow of 400 m 3 /h, which was operated constantly at around 98 ° C and 990 mbar (a) under a slight negative pressure.
  • Feed stream (1 a) was fed continuously and mixed in to the reactor circuit (A) described at a temperature of approximately 20 ° C.
  • Reactor (B) was constructed analogously to reactor (A) and was operated under the same process conditions.
  • the ACH stream (1 b) was then introduced into the reaction mixture of the second reactor (B).
  • the H2SO4/ACH mass ratio in the reaction mixture was 1.63 kg/kg.
  • the exhaust gas (4b) formed by the side reaction was also separated from the reaction mixture using a gas separator.
  • a 98 ° C hot reaction mixture (5) consisting of alpha-sulfoxyisobutyric acid amide (2-SIBA), methacrylamide (MASA) and alpha-hydroxyisobutyric acid amide (2-HIBA), dissolved in sulfuric acid reaction matrix, was then added to the flow of the amidation reactors (A, B). receive. This mixture was then subjected to a conversion step (C). In this, the reaction mixture was heated to 155 ° C in a short time, then thermally converted in a residence time section and further waste gas (4c) was then separated off.
  • SIBA alpha-sulfoxyisobutyric acid amide
  • MASA methacrylamide
  • 2-HIBA alpha-hydroxyisobutyric acid amide
  • the reaction mixture (6) enriched with methacrylamide leaving the conversion (C) was then fed to the esterification reaction (D).
  • the mass flow obtained was 35,340 kg/h, the composition of which is given in Table 1.
  • the methacrylamide-containing stream (6) contained alpha-hydroxyisobutyric acid amide (2-HIBA) as an important byproduct. Its concentration is shown in Table 1.
  • the liquid reaction mixture (6) which was hot at over 150 ° C, was then fed to an esterification (D), the feed being carried out in a free flow into a reactor cascade consisting of 3 jacket-heated and approximately ideally mixed reactor vessels.
  • Material stream (6) was in process step (D) with a total of 3890 kg/h methanol (7), 1200 kg/h MMA/MeOH mixture (8), 3561 kg/h direct steam (9), 145 kg/h MAS and 2-HIBS -containing external feed as well as 4350 kg/h of demineralised water (15a, 15b) at approx. 100-140°C and a slight overpressure of 50-150 mbar(g).
  • Substance mixture (8) consisted on average of 25% by weight Methyl methacrylate and 74% by weight of methanol and water and was fed to the esterification to utilize methanol and methyl methacrylate.
  • the vapor stream (12) represented a heteroazeotropic composition containing MMA, water, MeOH, MAS, acetone, 2-HIBSM and 2-HIBS.
  • Vapor stream (11) was then subjected to countercurrent distillation by introducing the vaporous stream (11) and the gaseous stream (4) into the bottom region of a column (E). At the top of the column (E), complete condensation took place in condensers which were operated with cooling water and cold water. The two-phase distillates were combined and a partial stream was returned to the washing column (E).
  • a liquid distillate stream (14) and a liquid bottom stream (12) were obtained at the top of the column (E).
  • the bottom stream (12) was continuously recycled into the esterification reaction (D).
  • the two-phase distillate stream (14) was then fed to phase separation step (F).
  • phase separation step (F) By treating with water (15a) in a liquid/liquid countercurrent extraction, an organic, light phase (17) containing MMA, water, methanol, acetone, MAS, 2-HIBSM, 2-HIBS as well as other heavy and Low boilers and a heavy, aqueous phase (16) containing water, methanol, MMA, acetone are obtained.
  • Stream (16) was continuously recycled into the esterification reaction (D).
  • Amounts and composition of material streams (16 and (17) are summarized in Table 2.
  • Stream (17) was then subjected to distillative processing (G).
  • material stream (17) was fed to the top region of a low boiler column (G) operated in a vacuum (300 mbar), which was indirectly heated with heating steam.
  • a condensed vapor stream (18) enriched in low boilers was separated from a bottom stream (19) enriched with methyl methacrylate, MAS, 2-HIBSM and 2-HIBS.
  • the vapor stream (18) contained MMA, water, acetone and other low boilers.
  • Table 1 The amounts and compositions are summarized in Table 1.
  • the process exhaust gas (20) obtained on the gas side after the post-condensation was continuously discharged from the process.
  • the heteroazeotropic distillate (18) obtained after the main condensation was subjected to liquid/liquid phase separation (H) for further processing.
  • deionized water (15b) was added to the distillate stream (18) in the phase separator (H), so that an organic phase (18a) and an aqueous phase (18b) were obtained.
  • the light, organic phase (18a) was continuously circulated as reflux to the top of the column (H), while the aqueous phase (18b) with a by-product portion of acetone was fed to the next process step. Amounts and compositions are described in Table 3.
  • Stream (18b) was then divided into stream (18c) and stream (18d) at a fixed mass ratio of 55/45. 55% of stream (18b) was recycled directly into the esterification reaction (D) as (18c). 45% of material stream (18b) was removed from the process (18d) and typically sent for incineration.
  • the bottom product (19) obtained in the low boiler column (G) was mixed with a condensed, MMA-rich fraction (24) from rectification II (J) and then fed to rectification I (I).
  • Stream (21) had a composition of MMA, MAS, 2-HIBS and 2-HIBSM according to Table 1.
  • Rectification I (I) was operated at 180 mbar(a) and had an amplification and stripping section.
  • Stream (21) was fed into the middle of rectification I (I), whereby, depending on the equilibrium that was established, it was separated into a pure distillate phase (23) and a bottom stream (22) enriched in high boilers.
  • the composition of the high-purity top product (23) is given in Table 1.
  • Rectification II (J) was operated at 50 mbar(a) and had an amplification and stripping section.
  • Material stream (22) was fed into the middle of rectification II (J), whereby it condensed into an MMA-rich mixture in accordance with the equilibrium that was established Distillate phase (24) and a bottom stream (25) enriched with MAS, HIBSM and HIBS were separated.
  • bottom stream (25) was then fed to rectification III (K).
  • Rectification III (K) was operated at 30 mbar(a) and had an amplification and stripping section.
  • Material stream (25) was fed into the middle of the rectification III (K), which, depending on the equilibrium that was established, was converted into a 2-HIBSM-rich top product (26), the composition and quantity of which is shown in Table 1, as well as a MAS and 2-HIBS-enriched bottom stream (28) was separated.
  • Stream (26) was isolated as a product stream, while bottom stream (28) was continuously fed to the esterification reaction (D).
  • the exhaust gas (27) from the distillation was removed from the process.
  • Example 2 Inventive process for isolating 2-HIBSM from the C3 MMA process using a 2-column system and optimized process parameters in the amidation for increased formation of 2-HIBSM
  • methyl methacrylate comprising the reaction of acetone cyanohydrin with sulfuric acid in the amidation/conversion (A, B, C), the subsequent esterification (D) with methanol as well as the distillative and extractive workup (E, F, G, H, I ) of the methyl methacrylate product, as well as the distillative isolation of 2-HIBSM (J, K) were carried out using the embodiment according to Figure 1 as described above (Example 1).
  • the methacrylamide-containing stream (6) contained alpha-hydroxyisobutyric acid amide (2-HIBA) in increased concentration as an important by-product.
  • concentration level obtained is shown in Table 1.
  • the liquid reaction mixture (6) which was hot at over 150° C., was then fed to an esterification (D).
  • the esters MMA and 2-HIBSM that formed were isolated using thermal separation processes, analogous to Example 1 according to the invention.
  • Example 3 Inventive process for isolating 2-HIBSM from the C3 MMA process using a 1-column system with liquid side draw
  • methyl methacrylate comprising the reaction of acetone cyanohydrin with sulfuric acid in the amidation/conversion (A, B, C), the subsequent esterification (D) with methanol as well as the distillative and extractive workup (E, F, G, H, I ) of the methyl methacrylate product, as well as the distillative isolation of 2-HIBSM (J, K) were carried out using the embodiment according to Figure 3.
  • Rectification IV (L) was operated at 35 mbar(a) and had two amplification parts and one stripping part.
  • Material stream (22) was fed into rectification IV (L) above the stripping section, whereby, depending on the equilibrium that was established, it was divided into an MMA-rich, condensed distillate phase (24), a MAS-rich bottom fraction (28) and a >90 % 2-HIBSM containing liquid side stream (26) was separated.
  • the 2-HIBSM product stream (26) was withdrawn from the column as a liquid stream below the upper rectification section.
  • the 2-HIBA content of the amide product stream (6) can be adjusted so that more 2-HIBA can be formed and thus more 2-HIBSM can be discharged without any loss of MMA yield.
  • the 2-HIBA content can be increased on the one hand by specifically adjusting the water content in the sulfuric acid used and on the other hand by adjusting the conversion temperature in process step (C).
  • Comparative example V1 State of the art process (according to US 4,529,816) for the partial recycling of 2-HIBSM from the workup of the C3 MMA process and subsequent dehydration to MMA in the amidation
  • an amide mixture obtained in the amidation was subjected to conversion at 133 ° C and temporarily stored in a storage container at 90-100 ° C (see Fig. 5).
  • the amide mixture obtained was then mixed in a static mixer (with a 2-HIBSM-containing material stream from the thermal processing (E, F, G, H).
  • the composition of the material streams can be found in Table 3.
  • the amide mixture (30) was mixed with stream 6 in a mass ratio of 4.4:1 kg/kg and reacted in a static mixer at approximately 137-140° C. and in a plug-shaped flow with a residence time of approximately 5.8 seconds brought.
  • methyl methacrylate comprising the reaction of acetone cyanohydrin with sulfuric acid in the amidation/conversion (A, B, C), the subsequent esterification (D) with methanol as well as the distillative and extractive workup (E, F, G, H, I ) of the methyl methacrylate product was carried out using the embodiment according to Figure 4.
  • Example 1 Process settings that deviate from Example 1 according to the invention are described below, with selected process parameters being shown in Table 2.
  • the amidation and esterification were carried out analogously to Example 1 with the feed streams shown in Table 2.
  • no isolation of 2-HIBSM was carried out during thermal processing.
  • the comparative example V2 was scaled with regard to the feed streams in accordance with the information in the prior art patent in order to achieve comparability.
  • HCOOH Formic acid
  • the removal of HCOOH in the 2-HIBSM insulation product according to the invention makes it possible to significantly reduce the HCOOH content in the MMA product stream and thus significantly reduce the costs for changing the molecular sieve filter.

Abstract

The present invention relates to a process for producing alkyl methacrylates (AMA), in particular methyl methacrylate (MMA), and alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl esters (2-HIBSA), in particular alpha-hydroxyisobutyric acid methyl esters (2-HIBSM) and/or methacrylic acid (MAS) with improved yields, comprising the process steps of amidation, conversion, hydrolysis/esterfication and reprocessing. According to the invention, in particular 2-HIBSM can be isolated and extracted with a level of purity suitable for use in the electronics industry.

Description

Verfahren zur Herstellung von alpha-Hydroxyisobuttersäuremethylester und dessen Anwendung in der Elektronik-Industrie Process for the production of alpha-hydroxyisobutyric acid methyl ester and its application in the electronics industry
Gebiet der Erfindung Field of invention
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Alkylmethacrylaten (AMA), insbesondere Methylmethacrylat (MMA), und alpha-Hydroxyisobuttersäurealkylestern (2-HIBSA), insbesondere alpha-Hydroxyisobuttersäuremethylester (2-HIBSM) und / oder Methacrylsäure (MAS) mit verbesserter Ausbeute, umfassend die Verfahrensschritte Amidierung, Konvertierung, Hydrolyse/Veresterung und Aufarbeitung. Dabei kann insbesondere 2-HIBSM in für die Anwendung in der Elektronikindustrie geeigneter Reinheit isoliert und ausgeschleust werden.The present invention relates to a process for producing alkyl methacrylates (AMA), in particular methyl methacrylate (MMA), and alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl esters (2-HIBSA), in particular alpha-hydroxyisobutyric acid methyl ester (2-HIBSM) and/or methacrylic acid (MAS) with improved yield, comprising the process steps amidation, conversion, hydrolysis/esterification and workup. In particular, 2-HIBSM can be isolated and discharged in a purity suitable for use in the electronics industry.
Ausgehend von Blausäure und Aceton wird das daraus gewonnene Acetoncyanhydrin (ACH) zunächst mithilfe von Schwefelsäure einer Amidierung unterzogen. Die sich anschließende Konvertierung umfasst die Umsetzung der in der Amidierung erhaltenen schwefelsauren Reaktionsmischung, welche einen hohen Anteil an alpha-Sulfoxyisobuttersäureamid (2-SIBA) enthält, zu einer schwefelsauren, Methacrylsäureamid (MASA) enthaltenden Reaktionsmischung. Diese wird im abschließenden Hydrolyse-ZVeresterungs-Schritt mit Wasser und Alkohol zu einem schwefelsauren MMA- und MAS-haltigen Strom umgesetzt, der steuerbare Mengen an alpha- Hydroxyisobuttersäure (2-HIBS) und alpha-Hydroxyisobuttersäuremethylester (2-HIBSM) enthält. Durch die erfindungsgemäße Ausführung der Hydrolyse sowie der Veresterung und der nachfolgenden Aufarbeitung kann einerseits die über Abfallströme einer thermischen Verwertung zugeführte Menge des Wertprodukts 2-HIBSM verringert und darüber hinaus dessen Isolierung und stoffliche Verwertung ermöglicht werden. Die Erfindung trägt somit wesentlich zu einem Herstellverfahren für MMA, 2-HIBSM und / oder MAS mit hoher Atomökonomie bei. Starting from hydrogen cyanide and acetone, the acetone cyanohydrin (ACH) obtained from them is first subjected to amidation using sulfuric acid. The subsequent conversion includes the conversion of the sulfuric acid reaction mixture obtained in the amidation, which contains a high proportion of alpha-sulfoxyisobutyric acid amide (2-SIBA), into a sulfuric acid reaction mixture containing methacrylic acid amide (MASA). In the final hydrolysis-esterification step, this is converted with water and alcohol to form a sulfuric acid stream containing MMA and MAS, which contains controllable amounts of alpha-hydroxyisobutyric acid (2-HIBS) and alpha-hydroxyisobutyric acid methyl ester (2-HIBSM). By carrying out the hydrolysis as well as the esterification and the subsequent processing according to the invention, on the one hand the amount of the valuable product 2-HIBSM supplied via waste streams for thermal recycling can be reduced and, moreover, its isolation and material recycling can be made possible. The invention therefore contributes significantly to a production process for MMA, 2-HIBSM and/or MAS with high atom economy.
Stand der Technik State of the art
Methylmethacrylat (MMA) wird in großen Mengen zur Herstellung von Polymeren und Copolymeren mit anderen polymerisierbaren Verbindungen eingesetzt. Weiterhin ist Methylmethacrylat ein wichtiger Baustein für verschiedene Spezialester, basierend auf dem chemischen Grundkörper Methacrylsäure (MAS), die durch Umesterung vom MMA mit dem entsprechenden Alkohol hergestellt werden können oder durch Kondensation von Methylacrylsäure und einem Alkohol zugänglich sind. Hieraus ergibt sich ein großes Interesse an möglichst einfachen, wirtschaftlichen und umweltschonenden Herstellungsverfahren für diesen Ausgangsstoff. Methyl methacrylate (MMA) is used in large quantities to produce polymers and copolymers with other polymerizable compounds. Furthermore, methyl methacrylate is an important building block for various special esters, based on the chemical base substance methacrylic acid (MAS), which can be produced by transesterification of MMA with the corresponding alcohol or are accessible by condensation of methyl acrylic acid and an alcohol. This results in great interest in the simplest, most economical and environmentally friendly manufacturing processes possible for this raw material.
Alpha-Hydroxyisobuttersäurealkylester finden seit langem in stetig steigendem Maße als Speziallösemittel Verwendung. So beschreibt die KR 20200085010 Reinigungslösungen, die zur Entfernung von Fotolackresten bei der Fertigung von elektronischen Bauteilen verwendet werden. Solche Reinigungslösungen können typischerweise neben anderen Alkoxy-substituierten Estern und / oder substituierten Pyrrolidonen auch 20% bis 80% 2-HIBSM enthalten und zeichnen sich durch eine hohe Reinheit, insbesondere durch die Abwesenheit von Fremdmetallen aus, die elektronischen Anwendungen stören. Weitere Anwendungen von 2-HIBSM als Lösemittel für Lacke und Harze im Elektronikbereich werden beispielsweise in der JP 2020077642 beschrieben. Auch andere Alkylester der alpha-Hydroxyisobuttersäure finden Einsatz in der kommerziellen Fertigung elektronischer Bauteile. So beschreibt die CN 106952745 die Herstellung von Rutheniumoxid- basierten Hochleistungskondensatoren, bei der alpha-Hydroxyisobuttersäureethylester als Lösemittel verwendet wird. Alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl esters have long been increasingly used as special solvents. KR 20200085010 describes cleaning solutions that are used to remove photoresist residues in the production of electronic components. Such cleaning solutions can typically also contain 20% to 80% 2-HIBSM in addition to other alkoxy-substituted esters and / or substituted pyrrolidones and are characterized due to a high level of purity, especially due to the absence of foreign metals, which interfere with electronic applications. Further applications of 2-HIBSM as a solvent for paints and resins in the electronics sector are described, for example, in JP 2020077642. Other alkyl esters of alpha-hydroxyisobutyric acid are also used in the commercial production of electronic components. CN 106952745 describes the production of ruthenium oxide-based high-performance capacitors, in which alpha-hydroxyisobutyric acid ethyl ester is used as a solvent.
Bedingt durch die Empfindlichkeit elektronischer (Halbleiter-)Bauteile gegenüber Verunreinigungen, insbesondere Dotierungsmetallen, ist insbesondere die hohe Reinheit von Elektronik-Chemikalien von entscheidender Bedeutung. In der Patentliteratur sind zahlreiche Verfahren veröffentlicht worden, die die Entfernung von Spurenverunreinigungen aus Lösemitteln beschreiben. Due to the sensitivity of electronic (semiconductor) components to impurities, especially doping metals, the high purity of electronic chemicals is particularly important. Numerous processes have been published in the patent literature that describe the removal of trace contaminants from solvents.
Die Herstellung von komplementären Metalloxidhalbleitern (CMOS) umfasst eine Vielzahl unterschiedlicher Schritte, bei denen Kontaktmuster aus dünnsten Metallschichten photolithographisch definiert werden. Nach der Lithografie werden die unbelichteten Teile des dabei verwendeten sogenannten Photoresists typischerweise entweder durch Plasmaätzen oder durch nasschemische Bearbeitung mithilfe speziell entwickelter organischer Lösungsmittel entfernt. Während des Ablösens des Resists sind viele Bauteilschichten anfällig für Kontamination durch Spurenmetalle wie Natrium (Na) oder Eisen (Fe), deren Hauptquelle neben den zur Bauteilherstellung verwendeten Maschinen und Apparaten, wie z.B. die Wände der Hochtemperatur-Plasmaätz-Kammern, vor allem die verwendeten Lösemittel selbst sind. Insbesondere die Nassbearbeitung durch sogenannte Stripper-Lösemittel wurde als der hauptsächliche Na-Kontaminationsweg bei der Herstellung von CMOS-Bauteilen identifiziert. The production of complementary metal oxide semiconductors (CMOS) involves a variety of different steps in which contact patterns made of the thinnest metal layers are defined photolithographically. After lithography, the unexposed parts of the so-called photoresist used are typically removed either by plasma etching or by wet chemical processing using specially developed organic solvents. During the removal of the resist, many component layers are susceptible to contamination by trace metals such as sodium (Na) or iron (Fe), the main source of which is, in addition to the machines and apparatus used for component production, such as the walls of the high-temperature plasma etching chambers Solvents themselves are. In particular, wet processing using so-called stripper solvents has been identified as the main Na contamination route in the production of CMOS components.
Metallverunreinigungen, insbesondere mit Natrium, sind für die Gerätetechnologie kritisch, da Natriumionen durch ihre Mobilität zu einer Verschlechterung der elektronischen Stabilität von Bauteilen führen. Zum Beispiel induzieren die positiven Natriumionen an der Si-SiC>2-Grenzfläche eine negative Ladung im Siliziumsubstrat, was die positive Gate-Vorspannung, die erforderlich ist, um einen Kanalstrom bei einer gegebenen Drain-Spannung zu erzeugen, verringert. Natriumionen- Dichten von nur 1010 / cm2 können in Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) mit einer Gate-Dicke von etwa 1000 Ä Schwellenspannungs-Verschiebungen von einigen Zehntel Volt verursachen. n-Kanal-Bauteile sind im Allgemeinen empfindlicher auf Verunreinigung insbesondere mit Natrium als p-Kanal-Transistoren. Andere Verunreinigungen, wie z.B. mit Eisen, in gelöster oder partikulärer Form, führen zu einer Verschlechterung oder einem Versagen der Integrität des Gate-Oxids. Metal contamination, especially sodium, is critical for device technology because sodium ions' mobility leads to a deterioration in the electronic stability of components. For example, the positive sodium ions at the Si-SiC>2 interface induce a negative charge in the silicon substrate, which reduces the positive gate bias voltage required to generate channel current at a given drain voltage. Sodium ion densities as low as 10 10 / cm 2 can cause threshold voltage shifts of a few tenths of a volt in metal-oxide-semiconductor field effect transistors (MOSFETs) with a gate thickness of about 1000 Å. N-channel devices are generally more sensitive to contamination, particularly sodium, than p-channel transistors. Other contaminants, such as iron, in dissolved or particulate form, result in degradation or failure of the integrity of the gate oxide.
Bei den Schritten der Bildung von Metallkanälen und Verbindungsstrukturen, insbesondere während der Metallisierungsschritte bzw. des sogenannten Back-End-Prozesses, werden zur Bauteil-Reinigung verschiedene Lösungsmittel verwendet, die typischerweise organischer Natur sind. Während der Back-End-Reinigungsprozesse sind dielektrische und metallische Schichten wie TiN besonders anfällig für Verunreinigungen durch Spuren von Alkali- und Erdalkaliionen, z.B. Na+, K+ und Ca2+. Die Kontaminationsgefahr wird dadurch verschärft, dass die Lösemittel, die in den Back-End-Reinigungsprozessen verwendet werden, normalerweise etwa 10 bis 15 ppb, d.h. 0,6 bis 6,0 x 1015 Alkalimetallionen pro Milliliter Lösungsmittel enthalten. Durch die hohen Absorptionsraten verbleiben im Allgemeinen die meisten Metallionen im Lösungsmittel auf den Wafern. In the steps of forming metal channels and connection structures, especially during the metallization steps or the so-called back-end process, various solvents, which are typically organic in nature, are used to clean the component. During back-end cleaning processes, dielectric and metallic layers such as TiN are particularly susceptible to contamination by trace amounts of alkali and alkaline earth ions, e.g. Na + , K + and Ca 2+ . The risk of contamination is exacerbated by the fact that the solvents in the Back-end cleaning processes typically contain about 10 to 15 ppb, i.e. 0.6 to 6.0 x 10 15 alkali metal ions per milliliter of solvent. Due to the high absorption rates, most of the metal ions in the solvent generally remain on the wafers.
Um eine Na-Kontamination zu verhindern oder zu minimieren, kann eine zweistufige Reinigung angewandt werden. Dieses Verfahren gemäß EP 04 650 69 beinhaltet ein Nachreinigungsätzen von Oxidschichten mit selektiven Ätzmitteln, beispielsweise auf Glykol-Basis. Dieser Reinigungsprozess ist jedoch hinsichtlich Chemikalienverbrauch und Zeitaufwand teuer und aufwändig. Eine andere Strategie zur Minimierung der Na-Kontamination beinhaltet das Komplexieren der Na-Kontaminationen mit Liganden wie Kronenethern, Polyalkoholen und anderen Clathraten. Diese organischen Liganden können jedoch krebserregend sein und ein Gesundheitsrisiko darstellen, so dass bei der Produktformulierung und -anwendung äußerste Sorgfalt geboten ist. To prevent or minimize Na contamination, two-stage cleaning can be used. This method according to EP 04 650 69 includes post-cleaning etching of oxide layers with selective etching agents, for example glycol-based. However, this cleaning process is expensive and time-consuming in terms of chemical consumption and time. Another strategy to minimize Na contamination involves complexing the Na contaminations with ligands such as crown ethers, polyalcohols, and other clathrates. However, these organic ligands can be carcinogenic and pose a health risk, so extreme care should be taken in product formulation and application.
Alternativ sind Verfahren publiziert, um die zur Reinigung verwendeten Lösemittel vor Applikation von (Erd-)Alkali-Kontaminationen zu befreien. Die US 6,133,158 beispielsweise lehrt die Entfernung von Natriumionen durch die Behandlung von Lösemitteln mit Titanoxid-haltigen Absorptionsmitteln, sogenannten Opfer-Körpern. Zur Vermeidung eines solchen zusätzlichen Reinigungsschritts ist es wünschenswert, die entsprechenden Lösemittel in vereinfachten Herstellverfahren mit anforderungsgemäßer Reinheit bereitstellen zu können. Ebenso beschreibt US 2018/273465 A1 ein Verfahren zur Aufreinigung von Carbonsäure-Estern, beispielsweise Methyl-Hydroxyisobutyrat, wobei anionische Verunreinigungen und Metallionen-Verunreinigungen, wie Ag, AI, Au, Ca, Cr, Cu, Fe, K, Mg, Na, Sn, und Zn, durch Behandlung mit Anionen- und Kationen-Austauschern entfernt werden. Es wird beschrieben, dass ein hochreiner Carbonsäure- Ester mit einem Anteil an metallischen Verunreinigungen von kleiner 1 ppb und einem Anteil an anionischen Verunreinigungen von kleiner 1 ppm erhalten werden kann. Alternatively, methods have been published to remove (earth) alkali contamination from the solvents used for cleaning before application. US 6,133,158, for example, teaches the removal of sodium ions by treating solvents with absorbents containing titanium oxide, so-called sacrificial bodies. To avoid such an additional cleaning step, it is desirable to be able to provide the corresponding solvents with the required purity in simplified manufacturing processes. Likewise, US 2018/273465 A1 describes a process for the purification of carboxylic acid esters, for example methyl hydroxyisobutyrate, whereby anionic impurities and metal ion impurities such as Ag, Al, Au, Ca, Cr, Cu, Fe, K, Mg, Na, Sn, and Zn, can be removed by treatment with anion and cation exchangers. It is described that a highly pure carboxylic acid ester with a proportion of metallic impurities of less than 1 ppb and a proportion of anionic impurities of less than 1 ppm can be obtained.
MMA wird heute mittels diverser Verfahren, die von C2- C3- oder C4-Bausteinen ausgehen, hergestellt. Der allgemeine Stand der Technik ist im Wesentlichen in aktuellen Reviews und Übersichtsartikeln beschrieben: Today, MMA is produced using various processes that start with C2, C3 or C4 building blocks. The general state of the art is essentially described in current reviews and overview articles:
“Trends and Future of Monomer-MMA Technologies”, K. Nagai & T. Ui, Sumitomo Chemical Co., Ltd.; Basic Chemicals Research Laboratory, http://www.sumitomo-chem.co.jp/ english/rd/report/files/docs/20040200_30a.pdf (aufgerufen am 10.03.2022), 2005, und “Trends and Future of Monomer-MMA Technologies”, K. Nagai & T. Ui, Sumitomo Chemical Co., Ltd.; Basic Chemicals Research Laboratory, http://www.sumitomo-chem.co.jp/english/rd/report/files/docs/20040200_30a.pdf (accessed March 10, 2022), 2005, and
„Viele Wege führen zum Methacrylsäuremethylester“, S. Krill, A. Ruehling, H. Offermans, Chem. Unserer Zeit, 2019, 53; © 2019 Wiley- VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim “Many paths lead to methyl methacrylate,” S. Krill, A. Ruehling, H. Offermans, Chem. Unserer Zeit, 2019, 53; © 2019 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
Intensiv untersucht wurde darüber hinaus die Verwendung von Propen als Basisrohstoff, wobei man über die Stufen Hydrocarbonylierung z.B. zur Isobuttersäure und dehydrierender Oxidation in moderaten Ausbeuten zur Methacrylsäure gelangt. The use of propene as a basic raw material was also intensively investigated, with the steps of hydrocarbonylation, for example to produce isobutyric acid, and dehydrogenative oxidation to produce methacrylic acid in moderate yields.
Ein weltweit verbreitetes, kommerzielles Verfahren basiert auf Aceton als Grundstoff, und wird meist als C3-Prozess oder ACH-Sulfo-Prozess bezeichnet. Hierbei wird Aceton mit Blausäure (HCN) zum zentralen Zwischenprodukt Acetoncyanhydrin (ACH) umgesetzt. Dieses Zwischenprodukt wird isoliert und für die folgenden Prozessschritte zur Herstellung von MAS und/oder MMA eingesetzt. A commercial process used worldwide is based on acetone as a raw material and is usually referred to as the C3 process or ACH-sulfo process. Acetone is mixed with hydrocyanic acid (HCN) is converted into the central intermediate acetone cyanohydrin (ACH). This intermediate product is isolated and used for the following process steps to produce MAS and/or MMA.
Ein typischer Prozess zur Herstellung von MMA ausgehend von ACH nach dem klassischen Schwefelsäure-basierten Verfahren ist beispielsweise in US 4,529,816 beschrieben. In einer Vielzahl weiterer Dokumente wird beschrieben, wie die verschiedenen Aspekte der Reaktionsteilschritte verbessert und optimiert werden können, wobei letztlich die Gesamtausbeute an den gewünschten Monomeren MAS und MMA erhöht werden soll. A typical process for producing MMA starting from ACH using the classic sulfuric acid-based process is described, for example, in US 4,529,816. A number of other documents describe how the various aspects of the partial reaction steps can be improved and optimized, with the ultimate aim of increasing the overall yield of the desired monomers MAS and MMA.
Beim ACH-Sulfo-Prozess wird ACH mit Hilfe von Schwefelsäure unter Bildung von alpha- Hydroxyisobuttersäureamid (2-HIBA) und seines Sulfatesters (SIBA) hydrolysiert. Dieser Teilschritt wird in der einschlägigen Literatur als Amidierung oder auch Hydrolyse bezeichnet, da die Nitril- Gruppe des ACH formal in eine Amid-Funktion umgewandelt wird. In the ACH-sulfo process, ACH is hydrolyzed using sulfuric acid to form alpha-hydroxyisobutyric acid amide (2-HIBA) and its sulfate ester (SIBA). This substep is referred to in the relevant literature as amidation or hydrolysis, since the nitrile group of ACH is formally converted into an amide function.
2-HIBA, SIBA und bereits in der Amidierung gebildetes MASA werden anschließend thermisch in MASA und kleinere Mengen an MAS in der schwefelsauren Reaktionsmischung umgewandelt. Dieser Teilschritt wird in der einschlägigen Literatur als Konvertierung bezeichnet, wobei die Sulfoxygruppe des SIBA im Sinne einer ß-Eliminierung formal in eine olefinische Doppelbindungsfunktion umgewandelt wird, wobei MASA aus SIBA hervorgeht und formal freie Schwefelsäure wieder freigesetzt wird. 2-HIBA, SIBA and MASA already formed in the amidation are then thermally converted into MASA and smaller amounts of MAS in the sulfuric acid reaction mixture. This sub-step is referred to in the relevant literature as conversion, whereby the sulfoxy group of SIBA is formally converted into an olefinic double bond function in the sense of a ß-elimination, with MASA emerging from SIBA and formally free sulfuric acid being released again.
Je nach Wassergehalt in der verwendeten Schwefelsäure stellt sich auch ein Anteil von HIBA neben SIBA in der Amidierungsmischung ein. Verwendet man beispielsweise eine 97 gew%ige Schwefelsäure (1 ,5 Äquivalente H2SO4 bzgl. ACH), so entstehen bereits um die 25 Gew% 2-HIBA, die nicht mehr selektiv und vollständig in der Konvertierung zu MASA umgesetzt werden können. Durch den relativ hohen Wasseranteil in der Amidierung bei Temperaturen von 90°C bis 110 C bedingt sich also ein relativ hoher Anteil an 2-HIBA, der durch konventionelle Konvertierung nur relativ unselektiv zum Zielintermediat MASA x H2SO4 umgewandelt werden kann. Bei mehr oder weniger vollständigem SIBA x H2SO4-Umsatz verläuft der Konvertierungsschritt mit einer MASA x H2SO4-Ausbeute von ca. 94% bis 95%. Zuzüglich der Verluste in der Amidierung durch die oben beschriebenen Nebenreaktionen stehen damit für die anschließende Veresterung zum als Produkt gewünschten Methylmethacrylat (MMA) nur zwischen 90% bis 92% MASA (bzgl. ACH) zur Verfügung. Es zeigen sich also prinzipiell zwei wesentliche Zusammenhänge, nämlich dass durch den Wassergehalt der verwendeten Schwefelsäure der Anteil an 2-HIBA in der Amidierung und der Konvertierung beeinflusst wird, und dass 2-HIBA gegenüber 2-SIBA eine andere, grundsätzlich langsamere Umwandlungskinetik zu MASA im Vergleich mit 2-SIBA hat. Hierbei ist zu beachten, dass auch andere Wasserquellen, nämlich der Wassergehalt der eingesetzten Blausäure (bis 0,1 Gew%) sowie des eingesetzten Acetons (bis 0,4 Gew%), die 2-HIBA Bildung beeinflussen. Depending on the water content in the sulfuric acid used, there is also a proportion of HIBA in addition to SIBA in the amidation mixture. For example, if you use 97% by weight sulfuric acid (1.5 equivalents of H2SO4 relative to ACH), around 25% by weight of 2-HIBA is already formed, which can no longer be selectively and completely converted into MASA. The relatively high proportion of water in the amidation at temperatures of 90 ° C to 110 C results in a relatively high proportion of 2-HIBA, which can only be converted relatively unselectively to the target intermediate MASA x H2SO4 by conventional conversion. With more or less complete SIBA x H2SO4 conversion, the conversion step proceeds with a MASA x H2SO4 yield of approximately 94% to 95%. In addition to the losses in the amidation due to the side reactions described above, only between 90% to 92% MASA (relative to ACH) is available for the subsequent esterification to the desired product, methyl methacrylate (MMA). In principle, there are two important connections, namely that the proportion of 2-HIBA in the amidation and conversion is influenced by the water content of the sulfuric acid used, and that 2-HIBA has different, fundamentally slower conversion kinetics to MASA compared to 2-SIBA Comparison with 2-SIBA has. It should be noted that other water sources, namely the water content of the hydrocyanic acid used (up to 0.1% by weight) and the acetone used (up to 0.4% by weight), also influence the 2-HIBA formation.
Als Nebenprodukte in diesem Verfahrensschritt werden bedingt durch die drastischen Reaktionsbedingungen erhebliche Mengen an Kondensations- und Additionsprodukten der Intermediate miteinander gebildet. Die nach Konvertierung erhaltene schwefelsaure MASA-Lösung kann dann mit Methanol und Wasser versetzt werden, um durch eine Veresterungsreaktion MMA herzustellen. Alternativ hierzu kann die nach der Konvertierung erhaltene schwefelsaure MASA-Lösung mit Wasser zur Methacrylsäure (MAS) in einer Hydrolyse umgesetzt werden. Neben MASA vorhandenes 2-HIBA wird hierbei typischerweise teilweise zu alpha-Hydroxyisobuttersäuremethylester (2-HIBSM) umgesetzt, zum Teil aber auch zu alpha-Hydroxyisobuttersäure (2-HIBS) hydrolysiert. Bei mehr oder weniger vollständigem MASA x H2SC>4-Umsatz verläuft die Veresterung im optimalen Fall mit einer MMA-Ausbeute von ca. 98% bis 99% bezüglich eingesetztem MASA (summarische Selektivität von MAS + MMA). Zuzüglich der Verluste in der Amidierung und der Konvertierung durch die oben beschriebenen Nebenreaktionen können damit im Gesamtprozess über alle Stufen MMA Ausbeuten von maximal 90 bis 93% bezüglich ACH bei optimaler Reaktionsführung erreicht werden. Due to the drastic reaction conditions, significant amounts of condensation and addition products of the intermediates are formed as by-products in this process step. The sulfuric acid MASA solution obtained after conversion can then be mixed with methanol and water to produce MMA through an esterification reaction. Alternatively, the sulfuric acid MASA solution obtained after the conversion can be reacted with water to form methacrylic acid (MAS) in a hydrolysis. 2-HIBA present in addition to MASA is typically partially converted to alpha-hydroxyisobutyric acid methyl ester (2-HIBSM), but also partially hydrolyzed to alpha-hydroxyisobutyric acid (2-HIBS). With more or less complete MASA x H2SC>4 conversion, the esterification occurs in the optimal case with an MMA yield of approx. 98% to 99% based on the MASA used (summary selectivity of MAS + MMA). In addition to the losses in amidation and conversion due to the side reactions described above, MMA yields of a maximum of 90 to 93% relative to ACH can be achieved in the overall process across all stages with optimal reaction control.
Prinzipiell ist gemäß Stand der Technik bekannt, dass MMA in einer Monomerqualität am Kopf einer Reindestillationskolonne erhalten wird. Dementsprechend wird im Sumpf dieser Kolonne Methacrylsäure und HIBSM angereichert. Üblicherweise wird dieses Sumpf-Gemisch in den Veresterungs-Reaktor zurückgeführt, um einen Teil der Methacrylsäure in den Wertstoff MMA umzuwandeln und zu isolieren. Im herkömmlichen Verfahren unterliegt HIBSM dabei einer Hydrolyse zu schwersiedenden Säuren wie Methoxyisobuttersäure (MIBS) und Hydroxyisobuttersäure (HIBS). Im Resultat ist man so nicht in der Lage, HIBSM vollständig im Isolierungskreislauf der MMA-Anlage zu erhalten. Die Hydrolyseprodukte HIBS und MIBS gelangen bei dieser Verfahrensausführung schlussendlich in einer Abfallsäure und werden letztlich verbrannt. In principle, it is known according to the prior art that MMA is obtained in monomer quality at the top of a pure distillation column. Accordingly, methacrylic acid and HIBSM are enriched in the bottom of this column. This bottom mixture is usually returned to the esterification reactor in order to convert and isolate part of the methacrylic acid into the valuable material MMA. In the conventional process, HIBSM undergoes hydrolysis to form high-boiling acids such as methoxyisobutyric acid (MIBS) and hydroxyisobutyric acid (HIBS). As a result, it is not possible to completely retain HIBSM in the insulation circuit of the MMA system. In this process, the hydrolysis products HIBS and MIBS ultimately end up in waste acid and are ultimately burned.
Das grundsätzliche Verfahren zur Herstellung von MAS hat im Wesentlichen ähnliche Merkmale wie das zur Herstellung von MMA. Bei der MAS-Herstellung und der MMA-Herstellung sind oftmals Amidierung und Konvertierung grundsätzlich ähnlich oder identisch, wobei in beiden Fällen eine möglichst hohe MASA-Ausbeute aus ACH gewünscht ist. Wenn die MASA-haltige Reaktionsmischung ohne Alkohol nur mit Wasser umgesetzt wird, führt die Reaktion in Form einer Hydrolyse von MASA typischerweise zu MAS-Rohgemischen. Dagegen führt die Umsetzung, genauer Veresterung der MASA-haltigen Reaktionsmischung in Gegenwart von Wasser und Alkohol, insbesondere Methanol zu Alkylmethacrylaten, insbesondere im Falle von Methanol zu MMA. Dem Fachmann ist in diesem Zusammenhang bekannt, dass für die selektive Herstellung von MAS höhere Stoffmengenanteile an Wasser zur Verfügung gestellt werden müssen, als dies bei der MMA-Herstellung der Fall ist. The basic process for producing MAS has essentially similar characteristics to that for producing MMA. In MAS production and MMA production, amidation and conversion are often fundamentally similar or identical, with the highest possible MASA yield from ACH being desired in both cases. If the MASA-containing reaction mixture is reacted only with water without alcohol, the reaction in the form of hydrolysis of MASA typically leads to crude MAS mixtures. In contrast, the reaction, more precisely esterification, of the MASA-containing reaction mixture in the presence of water and alcohol, in particular methanol, leads to alkyl methacrylates, in particular in the case of methanol to MMA. In this context, the person skilled in the art is aware that for the selective production of MAS, higher molar proportions of water must be made available than is the case for the production of MMA.
Neben dem klassischen ACH-Sulfo-Prozess sind andere Prozessvarianten beschrieben, die ohne die Verwendung von Schwefelsäure auskommen, wie z.B. der seit Mitte der 1980er Jahre entwickelte und in den 1990er Jahren umgesetzte, mehrstufige Mitsubishi-Gas-Chemical-Prozess (MGC). Dieser Prozess geht zwar von Aceton und HCN aus, vermeidet aber die Verwendung von Schwefelsäure und somit die SAR-Teilanlage (SAR = Sulfuric Acid Recovery) zu deren Wiedergewinnung. Auch die Bildung von Ammoniumsulfat als Nebenprodukt ist somit obsolet. In der ersten Stufe des MGC-Prozesses erfolgt die Addition von Blausäure an Aceton zum ACH. Danach wird z.B. gemäß EP 04 878 53 mittels eines Mangandioxid-Katalysators das ACH zum alpha-Hydroxyisobuttersäureamid (2-HIBA) hydratisiert. In addition to the classic ACH-Sulfo process, other process variants are described that do not require the use of sulfuric acid, such as the multi-stage Mitsubishi Gas Chemical Process (MGC), which was developed in the mid-1980s and implemented in the 1990s. Although this process is based on acetone and HCN, it avoids the use of sulfuric acid and thus the SAR sub-system (SAR = Sulfuric Acid Recovery) for its recovery. The formation of ammonium sulfate as a by-product is therefore obsolete. In the first stage of the MGC process, hydrogen cyanide is added to acetone to form ACH. Then, for example according to EP 04 878 53, the ACH is hydrated to alpha-hydroxyisobutyric acid amide (2-HIBA) using a manganese dioxide catalyst.
Im folgenden Schritt wird z.B. gemäß DE 34 366 08 zunächst Methanol in Gegenwart einer starken Katalysatorbase, wie z.B. Natriummethoxid homogen mit CO unter Druck zu Methylformiat umgesetzt. Methylformiat tauscht nun, als aktivierter Ester, in einer Transamidierungsreaktion mit alpha-Hydroxyisobuttersäureamid die Amidfunktion aus. Es entsteht das thermodynamisch begünstigte Formamid, welches seinerseits als Ausgangsmaterial für die Erzeugung von HCN dienen kann, und alpha-Hydroxyisobuttersäuremethylester 2-HIBSM. Wie z.B. in US 5,312,966 beschrieben, beträgt der Umsatz hier 85% bei Selektivitäten von 98%. In the following step, for example according to DE 34 366 08, methanol is first reacted homogeneously with CO under pressure in the presence of a strong catalyst base, such as sodium methoxide, to form methyl formate. As an activated ester, methyl formate now exchanges the amide function in a transamidation reaction with alpha-hydroxyisobutyric acid amide. The thermodynamically favored formamide is formed, which in turn can serve as a starting material for the production of HCN, and alpha-hydroxyisobutyric acid methyl ester 2-HIBSM. As described, for example, in US 5,312,966, the conversion here is 85% with selectivities of 98%.
Die beiden Produkte werden getrennt und separat weiterverarbeitet. Formamid wird bei niedrigem Druck und einer Temperatur zwischen 450 und 580 °C an einem heterogenen Kontakt bestehend aus Eisen oder Aluminiumphosphat mit diversen Dotierungen zu Blausäure und Wasser gespalten. Die Ausbeute zu HCN beträgt 94%. Sowohl HCN als auch das Wasser werden in den Kreislauf des MMA-Verfahrens zurückgeführt. The two products are separated and processed separately. Formamide is split at low pressure and a temperature between 450 and 580 °C at a heterogeneous contact consisting of iron or aluminum phosphate with various dopants to produce hydrogen cyanide and water. The yield of HCN is 94%. Both HCN and water are returned to the MMA process cycle.
Durch die Kreislaufführung sinkt der Bedarf an Blausäure drastisch. Wie in US 5,075,493, US 5,371 ,273 oder US 5,739,379 beschrieben, wird 2-HIBSM separat in der Gasphase an einem heterogenen Zeolith-Kontakt in Anwesenheit von Methanol zum MMA dehydratisiert, wobei hohe Ausbeuten von über 90% erreicht werden. Als Nebenprodukt entsteht in diesem Schritt Methacrylsäure. The circulation reduces the need for hydrogen cyanide drastically. As described in US 5,075,493, US 5,371,273 or US 5,739,379, 2-HIBSM is dehydrated separately in the gas phase on a heterogeneous zeolite contact in the presence of methanol to give MMA, with high yields of over 90% being achieved. Methacrylic acid is formed as a byproduct in this step.
Insgesamt erzielt das MGC-Verfahren hohe Ausbeuten und Selektivitäten. Insbesondere durch die Regenerierung des Ammoniaks sind die Rohstoffkosten vorteilhaft. Die Prozesskomplexität schlägt sich in allerdings in vergleichsweise hohen Energiekosten nieder, speziell in den Dampf- und Kühlmittelve rbräuchen. Overall, the MGC process achieves high yields and selectivities. The raw material costs are particularly advantageous due to the regeneration of ammonia. However, the process complexity is reflected in comparatively high energy costs, especially in the steam and coolant consumption.
Die für den konventionellen ACH-Sulfo-Prozess charakteristische Verwendung großer Mengen Schwefelsäure wird daneben noch in anderen C3-basierten Verfahren vermieden. Bei dem so genannten Aveneer-Verfahren wird Blausäure zunächst ebenfalls zu ACH umgesetzt. Dabei kann die Blausäure zuvor z.B. nach dem Andrussow-, BMA- oder BF-Verfahren gewonnen werden (BMA = Blausäure aus Methan und Ammoniak, BF = Biaussäure aus Formamid). Das ACH wird im ersten Schritt mit Wasser an einem modifizierten Braunstein-Kontakt gemäß DE 102008044218 in nahezu quantitativen Ausbeuten zu 2-HIBA hydratisiert. Dieses wird gemäß EP 20 439 94 anschließend mit Methanol zum alpha-Hydroxyisobuttersäuremethylester (2-HIBSM) umgesetzt. Das freiwerdende Ammoniak wird hierbei ebenfalls quantitativ wiedergewonnen und kann als Ausgangsstoff in ein HCN-Verfahren recycliert werden. Auch dieser Schritt ist mit einer Selektivität größer 98% sehr effizient. Weitere zentrale Schritte sind die katalytische Kreuzumesterung von Methacrylsäure mit 2-HIBSM zu MMA und alpha-Hydroxyisobuttersäure (2-HIBS), wie sie z.B. in EP 18 885 03 oder DE 102005023976 beschrieben ist. Die Methacrylsäure selbst wird durch katalytische Dehydratisierung der anfallenden alpha-Hydroxyisobuttersäure erzeugt. In der US 4,529,816 ist die Aufkonzentrierung von 2-HIBSM als Nebenprodukt der Umsetzung von ACH mit Schwefelsäure beschrieben, wobei ein 2-HIBSM-haltiger Strom aus der Isolierung in Gegenwart hoher Mengen hochkonzentrierter Schwefelsäure dehydratisiert werden. Das Verfahren bewirkt eine Erhöhung der MMA-Ausbeute durch Konvertierung von 2-HIBSM. 2-HIBSM wird hierbei nach den Reaktionsschritten Konvertierung und Veresterung von MMA in mindestens einer Destillation abgetrennt und zusammen mit dem Amidierungsgemisch, welches über 30 Gew% Methacrylamid enthält, dehydratisiert. The use of large amounts of sulfuric acid, which is characteristic of the conventional ACH-sulfo process, is also avoided in other C3-based processes. In the so-called Aveneer process, hydrogen cyanide is first converted into ACH. The hydrogen cyanide can be obtained beforehand, for example using the Andrussow, BMA or BF process (BMA = hydrogen cyanide from methane and ammonia, BF = biaustic acid from formamide). In the first step, the ACH is hydrated with water on a modified brownstone contact according to DE 102008044218 in almost quantitative yields to form 2-HIBA. According to EP 20 439 94, this is then reacted with methanol to give methyl alpha-hydroxyisobutyrate (2-HIBSM). The ammonia released is also recovered quantitatively and can be recycled as a starting material in an HCN process. This step is also very efficient with a selectivity greater than 98%. Further central steps are the catalytic cross-transesterification of methacrylic acid with 2-HIBSM to MMA and alpha-hydroxyisobutyric acid (2-HIBS), as described, for example, in EP 18 885 03 or DE 102005023976. The methacrylic acid itself is produced by catalytic dehydration of the resulting alpha-hydroxyisobutyric acid. US 4,529,816 describes the concentration of 2-HIBSM as a by-product of the reaction of ACH with sulfuric acid, with a 2-HIBSM-containing stream from the isolation being dehydrated in the presence of large amounts of highly concentrated sulfuric acid. The process causes an increase in MMA yield by converting 2-HIBSM. After the conversion and esterification reaction steps, 2-HIBSM is separated from MMA in at least one distillation and dehydrated together with the amidation mixture, which contains over 30% by weight of methacrylamide.
In diesem Zusammenhang ist in der US 5,393,918 ein zu US 4,529,816 sehr ähnlicher Prozess beschrieben. 2-HIBSM wird als Nebenprodukt der MMA-Bildung gemäß den Schritten des ACH- Sulfo-Verfahrens in einer aufkonzentrierten Form erhalten und in Gegenwart von Wasser und einem C1- bis 012-Alkoholen, bevorzugt Methanol, zur Erhöhung der MMA-Ausbeute dehydratisiert. Gemäß dieser Lehre findet die Dehydratisierung an einem heterogenen Kontakt in der Gasphase statt. Dies ist das wesentliche Unterscheidungsmerkmal von US 5,393,918 gegenüber der US 4,529,816. In this context, a process very similar to US 4,529,816 is described in US 5,393,918. 2-HIBSM is obtained as a byproduct of MMA formation according to the steps of the ACH-Sulfo process in a concentrated form and is dehydrated in the presence of water and a C1 to 012 alcohol, preferably methanol, to increase the MMA yield. According to this teaching, dehydration takes place at a heterogeneous contact in the gas phase. This is the main distinguishing feature of US 5,393,918 compared to US 4,529,816.
Sowohl die MAS-Herstellung als auch die Produktion von MMA werden in Anlagenkomplexen betrieben, die oftmals bis zu mehrere 100.000 Tonnen an Produkt pro Jahr herstellen. Insofern können bereits geringfügige Verbesserungen der Ausbeute zu signifikanten Einsparungen führen. Ein nicht zu unterschätzender Nebeneffekt für den ökologischen Footprint der Verfahren liegt zudem in der Betrachtung der Abfallstoffe bei diesen Verfahren. In der Regel werden erhebliche Mengen an Abfallsäure erzeugt, die oftmals mit hohem energetischem Aufwand wieder regeneriert werden müssen, um die Schwefelsäure als Ausgangsstoff zurückzugewinnen. Die in der Abfallsäure enthaltenen Anteile an 2-HIBS, 2-HIBSM und deren Folgeprodukte werden dabei zu CO2 umgewandelt und gehen als Wertstoffe verloren. Zudem müssen teerartige Verunreinigungen in der Abfallsäure in der Regel von Zeit zu Zeit teilweise manuell entfernt und aufwändig entsorgt werden, was insbesondere hohe Ansprüche an Technik und Arbeitssicherheit stellt. Both MAS production and MMA production are carried out in plant complexes that often produce up to several 100,000 tons of product per year. In this respect, even minor improvements in yield can lead to significant savings. A side effect for the ecological footprint of the processes that should not be underestimated is the consideration of the waste materials from these processes. As a rule, considerable amounts of waste acid are generated, which often have to be regenerated again with great energy expenditure in order to recover the sulfuric acid as a starting material. The portions of 2-HIBS, 2-HIBSM and their derivatives contained in the waste acid are converted into CO2 and lost as valuable materials. In addition, tar-like impurities in the waste acid usually have to be removed manually from time to time and disposed of at great expense, which places high demands on technology and occupational safety.
Einige Ansätze zur Verwertung und Umwandlung von 2-HIBSM durch Dehydratisierung zu Methylmethacrylat sind beschrieben: Some approaches for the utilization and conversion of 2-HIBSM by dehydration to methyl methacrylate are described:
Beispielsweise ist in der EP 04,298,00 die Umsetzung von 2-HIBSM oder einer Mischung aus 2- HIBSM und eines entsprechenden alpha- oder beta-Alkoxyesters in der Gasphase in Gegenwart von Methanol als Co-Feed an einem heterogenen Katalysator bestehend aus einem kristallinen Alumosilikat und einer Misch-Dotierung aus einem Alkalimetallelement einerseits und einem Edelmetall andererseits, beschrieben. Trotz anfänglich hoher Werte für Umsatz und Selektivität des Katalysators, kommt es mit zunehmender Reaktionszeit zu einer recht drastischen Deaktivierung des Katalysators, die mit absinkenden Ausbeuten einhergeht. For example, EP 04,298.00 describes the reaction of 2-HIBSM or a mixture of 2-HIBSM and a corresponding alpha- or beta-alkoxy ester in the gas phase in the presence of methanol as a co-feed on a heterogeneous catalyst consisting of a crystalline aluminosilicate and a mixed doping of an alkali metal element on the one hand and a noble metal on the other. Despite initially high values for conversion and selectivity of the catalyst, as the reaction time increases, the catalyst is deactivated quite drastically, which is accompanied by falling yields.
Einen ähnlichen Ansatz wird in der EP 09 419 84 verfolgt, gemäß der die Gasphasen- Dehydratisierung von HIBSM als Teilschritt einer MMA-Synthese in Gegenwart eines heterogenen Katalysators bestehend aus einem Alkalimetallsalz der Phosphorsäure auf SiÜ2 beschrieben wird. Insgesamt ist aber dieses vielstufige Verfahren kompliziert, erfordert in Teilschritten erhöhte Drücke und damit teures Equipment und liefert nur unbefriedigende Ausbeuten. Neben den oben dargestellten Arbeiten zur Dehydratisierung von 2-HIBSM und verwandter Ester zu den entsprechenden alpha, beta-ungesättigten Methacrylsäureverbindungen in der Gasphase gibt es auch Vorschläge zur Durchführung der Reaktion in flüssiger Phase, wie beispielsweise in US 3,487,101 ausgeführt. A similar approach is followed in EP 09 419 84, according to which the gas phase dehydration of HIBSM is described as a substep of an MMA synthesis in the presence of a heterogeneous catalyst consisting of an alkali metal salt of phosphoric acid on SiO2. Overall, however, this multi-stage process is complicated, requires increased pressures in partial steps and therefore expensive equipment, and only delivers unsatisfactory yields. In addition to the work presented above on the dehydration of 2-HIBSM and related esters to the corresponding alpha, beta-unsaturated methacrylic acid compounds in the gas phase, there are also suggestions for carrying out the reaction in the liquid phase, as set out, for example, in US 3,487,101.
Die Herstellung von MAS ausgehend von 2-HIBS wird zum Beispiel in US 3,487,101 beschrieben, wo die Herstellung diverser Methacrylsäurederivate, insbesondere Methacrylsäure und Methacrylsäureester, ausgehend von alpha-Hydroxyisobuttersäure in der Flüssigphase, dadurch gekennzeichnet ist, dass die Umsetzung von 2-HIBS zu Methacrylsäure in Gegenwart eines gelösten basischen Katalysators bei hohen Temperaturen zwischen 180 und 320 °C in Gegenwart hochsiedender Ester wie z.B. Phthalsäuredimethylester und inneren Anhydriden wie z.B. Phthalsäureanhydrid durchgeführt wird. Hier werden bei HIBS Umsätzen größer 90% MAS- Selektivitäten um 98% erreicht. Über die Langzeitstabilität der flüssigen Katalysatorlösung insbesondere der Erschöpfung des eingesetzten Anhydrids werden keine Angaben gemacht.The production of MAS starting from 2-HIBS is described, for example, in US 3,487,101, where the production of various methacrylic acid derivatives, in particular methacrylic acid and methacrylic acid esters, starting from alpha-hydroxyisobutyric acid in the liquid phase, is characterized in that the conversion of 2-HIBS to methacrylic acid in the presence of a dissolved basic catalyst at high temperatures between 180 and 320 ° C in the presence of high-boiling esters such as dimethyl phthalate and internal anhydrides such as phthalic anhydride. Here, with HIBS sales greater than 90%, MAS selectivities of around 98% are achieved. No information is given about the long-term stability of the liquid catalyst solution, particularly the exhaustion of the anhydride used.
DE 1191367 betrifft die Herstellung von Methacrylsäure ausgehend von 2-HIBS in der Flüssigphase, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzung von 2-HIBS zu MAS in Gegenwart von Polymerisationsinhibitoren (wie z.B. Kupferpulver) in Gegenwart eines Katalysatorgemischs bestehend aus Metallhalogeniden und Alkalihalogeniden bei hohen Temperaturen zwischen 180 und 220 °C durchgeführt wird. Hier werden bei 2-HIBS-Umsätzen größer 90 % MAS-Selektivitäten von über 99 % erreicht. Die besten Ergebnisse werden mit Katalysatormischungen aus Zinkbromid und Lithiumbromid erreicht. Es ist allgemein bekannt, dass die Verwendung halogenid-haltiger Katalysatoren bei hohen Temperaturen drastische Forderungen an die zu verwendenden Werkstoffe stellt und diese Probleme bezüglich der im Destillat befindlichen, halogenierten verschleppten Nebenprodukte auch in nachfolgenden Anlagenteilen auftreten. DE 1191367 relates to the production of methacrylic acid starting from 2-HIBS in the liquid phase, characterized in that the conversion of 2-HIBS to MAS in the presence of polymerization inhibitors (such as copper powder) in the presence of a catalyst mixture consisting of metal halides and alkali halides at high temperatures between 180 and 220 °C is carried out. Here, with 2-HIBS conversions greater than 90%, MAS selectivities of over 99% are achieved. The best results are achieved with catalyst mixtures of zinc bromide and lithium bromide. It is generally known that the use of halide-containing catalysts at high temperatures places drastic demands on the materials to be used and that these problems with regard to the halogenated carryover by-products in the distillate also occur in subsequent parts of the system.
EP 04 878 53 beschreibt die Herstellung von MAS ausgehend von ACH, dadurch gekennzeichnet, dass man im ersten Schritt ACH mit Wasser bei moderaten Temperaturen in Gegenwart eines heterogenen Hydrolysekatalysators umsetzt und man im zweiten Schritt 2-HIBA mit Methylformiat oder Methanol/Kohlenmonoxid unter Entstehung von Formamid und alpha- Hydroxyisobuttersäuremethylester umsetzt, und man im dritten Schritt 2-HIBSM in Gegenwart eines heterogenen Ionenaustauschers mit Wasser zu 2-HIBS verseift, und man schließlich im vierten Schritt 2-HIBS dehydratisiert, indem man in flüssiger Phase bei hohen Temperaturen in Gegenwart eines löslichen Alkalisalzes reagieren lässt. Die MAS-Herstellung ex 2-HIBS wird bei hohen Umsätzen um 99% mit mehr oder weniger quantitativen Selektivitäten beschrieben. Die Vielzahl der notwendigen Reaktionsschritte und die Notwendigkeit der Zwischenisolierung einzelner Intermediate, insbesondere auch die Durchführung einzelner Prozessschritte bei erhöhtem Druck, machen das Verfahren kompliziert und damit letztlich unwirtschaftlich. EP 04 878 53 describes the production of MAS starting from ACH, characterized in that in the first step ACH is reacted with water at moderate temperatures in the presence of a heterogeneous hydrolysis catalyst and in the second step 2-HIBA is reacted with methyl formate or methanol/carbon monoxide to form formamide and alpha-hydroxyisobutyric acid methyl ester, and in the third step 2-HIBSM is saponified with water in the presence of a heterogeneous ion exchanger to form 2-HIBS, and finally in the fourth step 2-HIBS is dehydrated by being in the liquid phase at high temperatures in the presence of a soluble alkali salt can react. The MAS production ex 2-HIBS is described at high conversions of around 99% with more or less quantitative selectivities. The large number of necessary reaction steps and the need for intermediate isolation of individual intermediates, in particular the implementation of individual process steps at increased pressure, make the process complicated and ultimately uneconomical.
In DE 1768253 ist ein Verfahren zur Herstellung von MAS durch Dehydratisierung von 2-HIBS beschrieben, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass man 2-HIBS in flüssiger Phase bei einer Temperatur von wenigstens 160 °C in Gegenwart eines Dehydratisierungskatalysators, der aus einem Metallsalz von 2-HIBS besteht, umsetzt. Besonders geeignet sind in diesem Fall die Alkali- und Erdalkalisalze von 2-HIBS, die in einer 2-HIBS-Schmelze durch Umsetzung geeigneter Metallsalze in situ hergestellt werden. Hier werden MAS-Ausbeuten von bis zu 95% ausgehend von 2-HIBS beschrieben, wobei der Feed der kontinuierlichen Verfahrensweise aus 2-HIBS und ca. 1 ,5 Gew% HIBS-Alkalisalz besteht. DE 1768253 describes a process for producing MAS by dehydrating 2-HIBS, which is characterized in that 2-HIBS is produced in the liquid phase at a temperature of at least 160 ° C in the presence of a dehydration catalyst consisting of a metal salt of 2 -HIBS exists, implements. The alkaline ones are particularly suitable in this case. and alkaline earth metal salts of 2-HIBS, which are prepared in situ in a 2-HIBS melt by reacting suitable metal salts. MAS yields of up to 95% based on 2-HIBS are described here, with the feed of the continuous process consisting of 2-HIBS and approx. 1.5% by weight of HIBS alkali metal salt.
Ein wirtschaftliches Verfahren zur Isolierung von 2-HIBS und deren Umsetzung zu MAS ist in EP 17 160 93 beschrieben. Es enthält jedoch keine Hinweise auf die Isolierung und Ausschleusung von 2-HIBSA. An economical process for isolating 2-HIBS and converting it into MAS is described in EP 17 160 93. However, it does not contain any information on the isolation and excretion of 2-HIBSA.
Kommerzielle Verfahren zur gezielten Herstellung von 2-HIBSA sind in einer Vielzahl von Veröffentlichungen dargelegt. In der US 3,536,750 ist z.B. eine Vorgehensweise zur Gewinnung von 2-HIBSM durch Oxidation von Methylisobutyrat beschrieben. Commercial processes for the targeted production of 2-HIBSA are presented in a large number of publications. For example, US 3,536,750 describes a procedure for obtaining 2-HIBSM by oxidizing methyl isobutyrate.
Die EP 04 636 76 lehrt ein Verfahren zur Herstellung von 2-HIBSM, wonach zunächst ausgehend von 2-Hydroxyisobutyronitril, Methanol und wasserfreiem Chlorwasserstoff ein 2-Hydroxy- iminomethylester-Hydrochlorid gebildet und in einem nachfolgenden Schritt mit Wasser zum Zielprodukt umgesetzt wird. EP 04 636 76 teaches a process for producing 2-HIBSM, according to which a 2-hydroxyiminomethyl ester hydrochloride is first formed from 2-hydroxyisobutyronitrile, methanol and anhydrous hydrogen chloride and is reacted with water to form the target product in a subsequent step.
Beide Verfahren gehen von Edukten aus, der teilweise nur in sehr geringen Spuren in den Prozeßströmen des ACH-Sulfo-Verfahrens auftreten (z.B. HIBS) und benötigen je mindestens einen weiteren Synthese- und Aufreinigungsschritt, um zum gewünschten Zielprodukt zu gelangen. Both processes are based on starting materials, some of which only occur in very small traces in the process streams of the ACH-sulfo process (e.g. HIBS) and each require at least one further synthesis and purification step to get to the desired target product.
Es ist außerdem bekannt, dass 2-HIBS bzw. 2-HIBSA ausgehend von Acetoncyanhydrin (ACH) durch Verseifung der Nitrilfunktion in Gegenwart von Mineralsäuren hergestellt werden können. Im Stand der Technik werden Verfahren beschrieben, bei denen ACH in Gegenwart von Wasser amidiert und hydrolysiert wird, wobei die Hydroxy-Funktion im Molekülverbund zumindest in den ersten Schritten der Umsetzung erhalten bleibt. Siehe dazu z.B. WO 2005/077878, JP H04 193845 oder JP S57 131736. It is also known that 2-HIBS or 2-HIBSA can be produced starting from acetone cyanohydrin (ACH) by saponifying the nitrile function in the presence of mineral acids. The prior art describes processes in which ACH is amidated and hydrolyzed in the presence of water, with the hydroxy function in the molecule being retained at least in the first steps of the reaction. See, for example, WO 2005/077878, JP H04 193845 or JP S57 131736.
Beispielsweise wird in JP S6361932 beschrieben, dass ACH in einem zweistufigen Prozess zur alpha-Hydroxyisobuttersäure verseift wird, wobei 1 mol ACH zunächst in Gegenwart von 0,2 bis 1 ,0 mol Wasser und 0,5 bis 2 Äquivalenten Schwefelsäure umgesetzt wird und die entsprechenden Amidsalze gebildet werden. Bereits in diesem Schritt treten bei Verwendung geringer Wasser und Schwefelsäurekonzentrationen, die zum Erhalt hoher Ausbeuten, kurzer Reaktionszeiten und geringer Abfall-Prozesssäuremengen notwendig sind, massive Probleme mit der Rührbarkeit des Amidierungsgemischs durch hohe Viskosität der Reaktionsansätze, insbesondere gegen Ende der Reaktionszeit auf. Erhöht man die molare Wassermenge zur Gewährleistung einer niedrigen Viskosität, so verlangsamt sich die Reaktion drastisch und es treten Nebenreaktionen auf, insbesondere die Fragmentierung von ACH in die Edukte Aceton und Blausäure, die unter den Reaktionsbedingungen zu Folgeprodukten weiterreagieren. Auch bei Erhöhung der Temperatur lässt sich nach den Vorgaben der genannten Patentveröffentlichung die Viskosität des Reaktionsgemischs zwar beherrschen und die entsprechenden Reaktionsansätze werden durch die sinkende Viskosität zwar rührbar, aber auch hier nehmen bereits bei moderaten Temperaturen die Nebenreaktionen drastisch zu, was sich letztlich in nur mäßigen Ausbeuten äußert (siehe Vergleichsbeispiele). Arbeitet man bei niedrigen Temperaturen von z.B. unter 50 °C, die eine selektive Reaktionsführung gewährleisten würden, so kommt es gegen Ende der Reaktionszeit durch die Erhöhung der Konzentration der unter den Reaktionsbedingungen schwer löslichen Amidsalze zunächst zur Bildung einer schwer rührbaren Suspension und schließlich zur vollständigen Verfestigung des Reaktionsansatzes. Im zweiten Schritt der gleichen Patentveröffentlichung wird Wasser zur Amidierungslösung gegeben und bei höheren Temperaturen als der Amidierungstemperatur hydrolysiert, wobei sich aus den nach der Amidierung gebildeten Amidsalzen unter Freisetzung von Ammoniumhydrogensulfat alpha- Hydroxyisobuttersäure bildet. For example, JP S6361932 describes that ACH is saponified to alpha-hydroxyisobutyric acid in a two-stage process, whereby 1 mol of ACH is first reacted in the presence of 0.2 to 1.0 mol of water and 0.5 to 2 equivalents of sulfuric acid and the corresponding Amide salts are formed. Already in this step, when using low concentrations of water and sulfuric acid, which are necessary to obtain high yields, short reaction times and small amounts of waste process acid, massive problems arise with the stirrability of the amidation mixture due to the high viscosity of the reaction mixtures, especially towards the end of the reaction time. If the molar amount of water is increased to ensure a low viscosity, the reaction slows down drastically and side reactions occur, in particular the fragmentation of ACH into the starting materials acetone and hydrogen cyanide, which further react under the reaction conditions to form secondary products. Even when the temperature is increased, the viscosity of the reaction mixture can be controlled according to the specifications of the patent publication mentioned and the corresponding reaction mixtures can be stirred due to the decreasing viscosity, but here too the side reactions increase drastically even at moderate temperatures, which ultimately results in only moderate yields (see comparative examples). If you work at low temperatures, for example below 50 ° C, which would ensure a selective reaction, towards the end of the reaction time the increase in the concentration of the amide salts, which are poorly soluble under the reaction conditions, initially leads to the formation of a suspension that is difficult to stir and finally to complete solidification of the reaction approach. In the second step of the same patent publication, water is added to the amidation solution and hydrolyzed at temperatures higher than the amidation temperature, whereby alpha-hydroxyisobutyric acid is formed from the amide salts formed after the amidation with the release of ammonium hydrogen sulfate.
Wesentlich für die Wirtschaftlichkeit eines technischen Prozesses ist neben der selektiven Darstellung des Zielprodukts 2-HIBS in der Reaktion auch die Isolierung aus der Reaktionsmatrix bzw. die Abtrennung von 2-HIBS von der verbleibenden Prozesssäure. In JPS 57131736 wird diese Problematik behandelt, indem die nach der Reaktion zwischen ACH, Schwefelsäure und Wasser durch hydrolytische Spaltung erhaltene 2-HIBS und saures Ammoniumhydrogensulfat enthaltende Reaktionslösung mit einem Extraktionsmittel behandelt wird, wobei die 2-HIBS in das Extraktionsmittel übergeht und das saure Ammonsulfat in der wässrigen Phase zurückbleibt. Nach diesem Verfahren wird vor der Extraktion die noch freie Schwefelsäure im Reaktionsmedium durch Behandlung mit einem alkalischen Medium neutralisiert, um den Extraktionsgrad von HIBS in die organische Extraktionsphase zu erhöhen. Die notwendige Neutralisation ist mit einem erheblichen Mehraufwand an aminischer oder mineralischer Base verbunden und damit mit erheblichen Abfallmengen an entsprechenden Salzen, die nicht ökologisch und wirtschaftlich entsorgt werden können. In addition to the selective production of the target product 2-HIBS in the reaction, the isolation from the reaction matrix or the separation of 2-HIBS from the remaining process acid is essential for the economic viability of a technical process. In JPS 57131736, this problem is dealt with by treating the reaction solution containing 2-HIBS and acid ammonium hydrogen sulfate obtained by hydrolytic cleavage after the reaction between ACH, sulfuric acid and water with an extractant, whereby the 2-HIBS passes into the extractant and the acid ammonium sulfate remains in the aqueous phase. According to this process, before the extraction, the still free sulfuric acid in the reaction medium is neutralized by treatment with an alkaline medium in order to increase the degree of extraction of HIBS into the organic extraction phase. The necessary neutralization is associated with a considerable additional expenditure of amine or mineral base and thus with considerable waste quantities of corresponding salts that cannot be disposed of ecologically and economically.
Die Vorschläge zu einer alternativen Amidierung in Gegenwart von Wasser führen, je nachdem, ob in Gegenwart von Methanol oder ohne Methanol durchgeführt, entweder zur Entstehung von alpha- Hydroxyisobuttersäuremethylester (2-HIBSM) oder zur Entstehung von alpha- Hydroxyisobuttersäure (2-HIBS). Beispielsweise erfolgt gemäß JP S57 131736 die Umsetzung von 1 mol ACH mit 0,8 bis 1 ,25 Äquivalenten Schwefelsäure in Gegenwart von weniger als 0,8 Äquivalenten Wasser unterhalb 60 °C und anschließend die Umsetzung mit mehr als 1 ,2 Äquivalenten Methanol zum 2-HIBSM bei Temperaturen von größer als 55 °C. The proposals for an alternative amidation in the presence of water lead, depending on whether carried out in the presence of methanol or without methanol, either to the formation of alpha-hydroxyisobutyric acid methyl ester (2-HIBSM) or to the formation of alpha-hydroxyisobutyric acid (2-HIBS). For example, according to JP S57 131736, the reaction of 1 mol of ACH with 0.8 to 1.25 equivalents of sulfuric acid in the presence of less than 0.8 equivalents of water takes place below 60 ° C and then the reaction with more than 1.2 equivalents of methanol for the 2nd -HIBSM at temperatures greater than 55°C.
Eine weitere Alternative der Herstellung von Estern der 2-HIBS, insbesondere 2-HIBSM, ausgehend von ACH wird in JPH 04193845 beschrieben. Demnach wird 1 mol ACH mit 0,8 bis 1 ,25 Äquivalenten Schwefelsäure in Gegenwart von weniger als 0,8 Äquivalenten Wasser unterhalb 60°C zunächst amidiert und anschließend bei Temperaturen größer 55 °C mit mehr als 1 ,2 Äquivalenten Alkohol, insbesondere Methanol, zum 2-HIBSM oder entsprechenden Estern umgesetzt. Auf die Anwesenheit von viskositätserniedrigenden Medien, die stabil gegenüber der Reaktionsmatrix sind, wird hier nicht eingegangen. Die Nachteile und Probleme dieses Verfahrens sind wiederum die technische Umsetzung durch außerordentliche Viskositätsbildung am Ende der Reaktion. Andere Verfahren beschreiben die gezielte Herstellung von 2-HIBSM mit HCl aus ACH. Aufgrund der verfahrensbedingt hohen Verunreinigung mit Chlor- bzw. Metallverbindungen ist ein solchermaßen hergestelltes 2-HIBSM nicht für den Einsatz als Reinigungsmittel in der Elektronikindustrie geeignet. Die beispielsweise in JP 2926375 beschriebene Vorgehensweise zur Herstellung von weitgehend Chlor- und Metall-freien Estern der 2-HIBS, zunächst ACH vollständig in Gegenwart von Phosphorsäure zu hydrolysieren und anschließend innerhalb von 8 h bei 70 °C mit Alkoholen zu den entsprechenden Estern umzusetzen, ist aufgrund der beschriebenen langen Prozesszeiten sowie der abschließend notwendigen Destillation im Dünnschichtverdampfer unwirtschaftlich. Ein analoges Verfahren ist z.B. in der JP 3336077 beschrieben. Another alternative for the production of esters of 2-HIBS, in particular 2-HIBSM, starting from ACH is described in JPH 04193845. Accordingly, 1 mol of ACH is first amidated with 0.8 to 1.25 equivalents of sulfuric acid in the presence of less than 0.8 equivalents of water below 60 ° C and then at temperatures above 55 ° C with more than 1.2 equivalents of alcohol, in particular methanol , converted to 2-HIBSM or corresponding esters. The presence of viscosity-reducing media that are stable to the reaction matrix is not discussed here. The disadvantages and problems of this process are again the technical implementation due to the formation of extraordinary viscosity at the end of the reaction. Other methods describe the targeted production of 2-HIBSM with HCl from ACH. Due to the high level of contamination with chlorine or metal compounds resulting from the process, 2-HIBSM produced in this way is not suitable for use as a cleaning agent in the electronics industry. The procedure described, for example, in JP 2926375 for the production of largely chlorine- and metal-free esters of 2-HIBS, first completely hydrolyzing ACH in the presence of phosphoric acid and then reacting it with alcohols to the corresponding esters within 8 hours at 70 ° C, is uneconomical due to the long process times described and the subsequent necessary distillation in the thin-film evaporator. An analogous process is described, for example, in JP 3336077.
Die oben genannten Verfahren ermöglichen zwar die Bereitstellung von 2-HIBS bzw. 2-HIBSA. Jedoch können unter den genannten Bedingungen im selben Prozess nicht gleichzeitig Methacrylsäure bzw. deren Ester gewonnen werden, so dass hierfür eine eigene Produktionsanlage benötigt wird. Die Verfahren eröffnen zudem keine Möglichkeit, die im MMA- bzw. MAS-Herstellprozess anfallenden 2-HIBS- bzw. 2-HIBSA-haltigen Fraktionen gewinnbringend zu nutzen. Des Weiteren genügt ein gemäß der genannten Verfahren hergestelltes 2-HIBSA nicht den Reinheits-Anforderungen, die eine Anwendung in der Elektronik-Industrie stellt. The above-mentioned procedures enable the provision of 2-HIBS or 2-HIBSA. However, under the conditions mentioned, methacrylic acid or its esters cannot be obtained at the same time in the same process, so a separate production facility is required for this. The processes also do not open up the possibility of profitably using the 2-HIBS or 2-HIBSA-containing fractions that arise in the MMA or MAS production process. Furthermore, 2-HIBSA produced according to the processes mentioned does not meet the purity requirements required for use in the electronics industry.
Die Herstellung von als Lösemittel für die Elektronik-Industrie geeignetem 2-HIBSM als Nebenprodukt der MMA-Gewinnung ist zwar bekannt, weist jedoch nach den bislang beschriebenen Verfahren den Nachteil der Bildung einer hohen Salzfracht auf. So wird gemäß JPH 0899934 2-HIBSM nach der Umsetzung von ACH mit Schwefelsäure und nachfolgender Veresterung mit Methanol dadurch gewonnen, dass die gesamte Reaktionsmischung zunächst mit Basen neutralisiert und sowohl das als Hauptprodukt gebildete MMA als auch das als Nebenprodukt gebildete 2-HIBSM destillativ entfernt und voneinander getrennt werden. Es werden hierbei erhebliche Mengen an Sulfaten gebildet. Although the production of 2-HIBSM, which is suitable as a solvent for the electronics industry, as a by-product of MMA production is known, the processes described so far have the disadvantage of forming a high salt load. According to JPH 0899934, 2-HIBSM is obtained after the reaction of ACH with sulfuric acid and subsequent esterification with methanol by first neutralizing the entire reaction mixture with bases and removing both the MMA formed as the main product and the 2-HIBSM formed as a by-product by distillation and be separated from each other. Significant amounts of sulfates are formed.
Somit besteht weiterhin Bedarf an einem kommerziellen Verfahren, das die flexible Gewinnung von alpha-Hydroxyisobuttersäurealkylestern hoher Reinheit bei gleichzeitiger Steigerung der Atomökonomie bei der Herstellung von Alkylmethacrylaten und / oder Methacrylsäure gestattet. There is therefore still a need for a commercial process that allows the flexible production of high-purity alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl esters while simultaneously increasing the atom economy in the production of alkyl methacrylates and / or methacrylic acid.
Aufgabe Task
Der vorliegenden Erfindung lag in Hinblick auf den beschriebenen Stand der Technik somit primär die Aufgabe zugrunde, die oben genannten Nachteile zu überwinden und ein wirtschaftliches und einfaches Verfahren zur Herstellung von Methylmethacrylat und / oder Methacrylsäure bereitzustellen, das sich durch die gleichzeitige Gewinnung von hochreinem, metallfreien alpha- Hydroxyisobuttersäurealkylester, insbesondere alpha-Hydroxyisobuttersäuremethylester (2- HIBSM), auszeichnet. In view of the prior art described, the present invention was primarily based on the object of overcoming the disadvantages mentioned above and of providing an economical and simple process for the production of methyl methacrylate and / or methacrylic acid, which is achieved through the simultaneous production of high-purity, metal-free alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl esters, especially alpha-hydroxyisobutyric acid methyl esters (2-HIBSM).
Dabei war es insbesondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dass dieser alpha- Hydroxyisobuttersäurealkylester in einer derartigen Qualität und Reinheit erhalten wird, dass dieser sich zum Einsatz in elektronischen Anwendungen eignet. Dies betrifft insbesondere eine Produktqualität, die sich durch einen niedrigen Spurengehalt von kritischen Metallen auszeichnet.It was a particular object of the present invention that this alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester is obtained in such a quality and purity that it is suitable for use in electronic applications. This particularly applies to product quality that is characterized by a low trace content of critical metals.
Weiterhin war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das erfindungsgemäße Verfahren derart zu verbessern, dass es zudem eine flexible Einstellung der Produktionsmenge von 2-HIBSM erlaubt. Dabei soll z.B. als Maximum die Bereitstellung von bis zu 5 kt 2-HIBSM pro 95 kt MMA ermöglicht werden. Furthermore, it was an object of the present invention to improve the method according to the invention in such a way that it also allows flexible adjustment of the production quantity of 2-HIBSM. For example, the maximum should be the provision of up to 5 kt of 2-HIBSM per 95 kt of MMA.
Eine weitere Aufgabe des Verfahrens war es, durch die gezielte Ausschleusung des Wertprodukts 2-HIBSM die Effizienz des Herstellverfahren für MMA zu steigern. Another task of the process was to increase the efficiency of the manufacturing process for MMA through the targeted removal of the valuable product 2-HIBSM.
Zudem war es Aufgabe der Erfindung, eine einfache und effiziente Ausschleusung von Ameisensäure bzw. Methylformiat aus dem Herstellprozess für MMA bzw. 2-HIBSM zu gewährleisten. Hierdurch soll die Verwendbarkeit kostenintensiver Absorberbetten zur Abtrennung von Ameisensäure bzw. Methylformiat, zeitlich verlängert bzw. im Idealfall überflüssig gemacht werden. In addition, it was the object of the invention to ensure a simple and efficient removal of formic acid or methyl formate from the manufacturing process for MMA or 2-HIBSM. This is intended to extend the usability of cost-intensive absorber beds for the separation of formic acid or methyl formate or, ideally, to make them unnecessary.
Weitere nicht explizit genannte Aufgaben können sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen, den Beispielen oder dem Gesamtzusammenhang der Erfindung ergeben. Further tasks not explicitly mentioned may arise from the description, the claims, the examples or the overall context of the invention.
Lösung Solution
Die Aufgaben wurde dadurch gelöst, dass im erfindungsgemäßen Verfahren der als Nebenprodukt der Herstellung von Methacrylsäurealkylester anfallende alpha-Hydroxyisobuttersäurealkylester (2- HIBSA) durch mindestens einen destillativen Schritt aus dem Veresterungsprozess entfernt wird. Der solchermaßen gewonnene 2-HIBSA zeichnet sich durch eine hohe Reinheit aus. Die weiteren in der Destillation enthaltenen Komponenten 2-HIBS, Methacrylsäure (MAS) und hauptsächlich Alkylmethacrylat (AMA - im Falle der Verwendung von Methanol Methylmethacrylat / MMA) enthaltenden Teilströme werden in den Veresterungsprozess zurückgeführt. Dort werden sie nach Umwandlung zu 2-HIBSA erneut der destillativen Ausschleusung von 2-HIBSA zugeführt oder zu AMA umgesetzt und aufgereinigt. The tasks were solved in that in the process according to the invention, the alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester (2-HIBSA), which is obtained as a by-product of the production of methacrylic acid alkyl ester, is removed from the esterification process by at least one distillation step. The 2-HIBSA obtained in this way is characterized by its high purity. The other components contained in the distillation, 2-HIBS, methacrylic acid (MAS) and mainly alkyl methacrylate (AMA - in the case of using methanol, methyl methacrylate / MMA), are returned to the esterification process. There, after conversion to 2-HIBSA, they are fed back into the distillative discharge of 2-HIBSA or converted into AMA and purified.
Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Alkylmethacrylat und alpha-Hydroxyisobuttersäurealkylester durch das Vorliegen folgender Verfahrensschritte gekennzeichnet: In particular, the process according to the invention for producing alkyl methacrylate and alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl esters is characterized by the presence of the following process steps:
In einem Verfahrensschritt a. werden, wie allgemein aus dem Stand der Technik bekannt, zunächst Acetoncyanhydrin und Schwefelsäure ungesetzt und dabei eine erste Reaktionsmischung, enthaltend alpha-Sulfoxyisobuttersäureamid und Methacrylsäureamid, erhalten. In a process step a. As is generally known from the prior art, acetone cyanohydrin and sulfuric acid are first reacted and a first reaction mixture containing alpha-sulfoxyisobutyric acid amide and methacrylic acid amide is obtained.
In einem grundsätzlich gleichsam gut beschriebenen Verfahrensschritt b. erfolgt darauf das Konvertieren der ersten Reaktionsmischung. Dieses Konvertieren umfasst insbesondere das Erhitzen auf eine Temperatur im Bereich von 130 bis 200 °C, wobei eine zweite Reaktionsmischung, enthaltend überwiegend Methacrylsäureamid, alpha- Hydroxyisobuttersäureamid und Schwefelsäure, erhalten wird. In einem darauf durchgeführten Verfahrensschritt c. wird die zweite Reaktionsmischung mit Wasser und Alkohol in einer dritten Reaktionsstufe umgesetzt, also verestert. Dabei wird eine dritte Reaktionsmischung erhalten, die Methacrylsäure, Alkylmethacrylat, alpha- Hydroxyisobuttersäurealkylester und Ameisensäure enthält. In a fundamentally well-described process step b. The first reaction mixture is then converted. This conversion includes in particular heating to a temperature in the range from 130 to 200 ° C, whereby a second reaction mixture containing predominantly methacrylic acid amide, alpha-hydroxyisobutyric acid amide and sulfuric acid is obtained. In a subsequent process step c. the second reaction mixture is reacted with water and alcohol in a third reaction stage, i.e. esterified. A third reaction mixture is obtained which contains methacrylic acid, alkyl methacrylate, alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester and formic acid.
In einem anschließenden Verfahrensschritt d. erfolgt eine Isolierung der Produkte Alkylmethacrylat und alpha-Hydroxyisobuttersäurealkylester aus der dritten Reaktionsmischung. Diese Isolierung umfasst neben optionalen weiteren Schritten mindestens zwei destillative Schritte und optional insbesondere mindestens eine Phasentrennung. Dabei wird das Endprodukt Alkylmethacrylat als Kopfprodukt einer finalen Rektifikation I kondensiert und dabei bevorzugt direkt in einer kommerziell nutzbaren Reinheit, also einer allgemeinen Monomerspezifikation entsprechend, gewonnen. Der alpha-Hydroxyisobuttersäurealkylester wiederum wird in einem weiteren Strom isoliert und optional weiter aufgearbeitet. In a subsequent process step d. The products alkyl methacrylate and alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester are isolated from the third reaction mixture. In addition to optional further steps, this isolation includes at least two distillation steps and optionally in particular at least one phase separation. The end product alkyl methacrylate is condensed as the top product of a final rectification I and is preferably obtained directly in a commercially usable purity, i.e. corresponding to a general monomer specification. The alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester is in turn isolated in a further stream and optionally further processed.
In einem Verfahrensschritt e. wird schließlich ein Sumpfprodukt der Rektifikation I, welches insbesondere weiteres Alkylmethacrylat, Methacrylsäure und Hydroxyisobuttersäurealkylester sowie ein oder mehrere Polymerisationsinhibitoren aufweist, mindestens einer weiteren Rektifikation II oder IV zugeführt. In a process step e. Finally, a bottom product from rectification I, which in particular contains further alkyl methacrylate, methacrylic acid and alkyl hydroxyisobutyrate as well as one or more polymerization inhibitors, is fed to at least one further rectification II or IV.
Erfindungsgemäß handelt es sich bei dem Alkohol in Verfahrensschritt c. bevorzugt um Methanol, entsprechend bei dem Alkylmethacrylat bevorzugt um MMA und bei dem alpha- Hydroxyisobuttersäurealkylester um alpha-Hydroxyisobuttersäuremethylester. According to the invention, the alcohol is in process step c. preferably methanol, correspondingly in the case of the alkyl methacrylate preferably around MMA and in the case of the alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester around alpha-hydroxyisobutyric acid methyl ester.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung beschreiben Angaben in „%“ oder „ppm“, wenn nicht anders angegeben oder aus dem Zusammenhang als abweichend ersichtlich Angaben in Gew% bzw. in Gew-ppm. For the purposes of the present invention, information in “%” or “ppm” describes information in% by weight or in ppm by weight, unless stated otherwise or as otherwise apparent from the context.
Die Formulierungen Strom, Phase oder Fraktion enthaltend ein Edukt, Produkt und/oder Nebenprodukt ist im Sinne der Erfindung so zu verstehen, dass die genannte(n) Verbindung(en) in dem jeweiligen Strom enthalten ist (sind), beispielsweise ist der überwiegende Anteil des Edukts, Produkts und/oder Nebenprodukts in dem entsprechenden Strom zu finden. Grundsätzlich können neben den genannten Verbindungen weitere Bestandteile enthalten sein. Oftmals dient die Nennung der Bestandteile der Verdeutlichung des jeweiligen Verfahrensschritts. For the purposes of the invention, the formulations stream, phase or fraction containing a starting material, product and/or by-product are to be understood as meaning that the compound(s) mentioned is (are) contained in the respective stream, for example the majority of the educt, product and/or by-product in the corresponding stream. In principle, in addition to the compounds mentioned, other components can be included. The naming of the components often serves to clarify the respective process step.
Der Ausdruck „Brüden“ oder „Brüdenstrom“ bezeichnet im Sinne der Erfindung einen gasförmigen Verfahrensstrom, beispielsweise einen gasförmigen Kopfstrom einer Destillationskolonne. For the purposes of the invention, the term “vapors” or “vapor stream” refers to a gaseous process stream, for example a gaseous top stream of a distillation column.
Im Sinne der Erfindung meint der Ausdruck „adiabatisch“ oder „adiabat“, dass gar kein bzw. nur ein vernachlässigbarer Wärmeaustausch mit der Umgebung stattfindet. In the sense of the invention, the term “adiabatic” or “adiabatic” means that no or only negligible heat exchange with the environment takes place.
Der Begriff Rektifikation beschreibt eine spezifische Destillationskolonne, die sich dadurch auszeichnet, dass die Kolonne mindestens zwei oder mehrere theoretische Trennstufen aufweist und optional einen Abtriebs- und einen Verstärkungsteil umfasst. Die Kolonne kann zur Verbesserung des Stoff- und Wärmeübergangs zwischen der Gas- und Flüssigphase optional mit Einbauten und / oder Schüttungen ausgestattet sein. Bevorzugt wird in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung am Kopf der Rektifikation II weiteres Alkylmethacrylat gewonnen und gleichzeitig in einem unteren Abschnitt und/oder im Sumpf der Rektifikation II eine an Methacrylsäure und alpha- Hydroxyisobuttersäurealkylester angereicherte Fraktion erhalten. Weiterhin wird in der Rektifikation II eine Methacrylsäure-angereicherte Fraktion erhalten, die einer weiteren Rektifikation III zugeführt wird, in der alpha-Hydroxyisobuttersäurealkylester als flüssiges Kondensat in hochreiner Form entnommen wird. The term rectification describes a specific distillation column, which is characterized by the fact that the column has at least two or more theoretical separation stages and optionally includes a stripping section and a rectification section. The column can optionally be equipped with internals and/or fills to improve the mass and heat transfer between the gas and liquid phases. In a first embodiment of the present invention, additional alkyl methacrylate is preferably obtained at the top of rectification II and at the same time a fraction enriched in methacrylic acid and alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester is obtained in a lower section and/or in the bottom of rectification II. Furthermore, a methacrylic acid-enriched fraction is obtained in rectification II, which is fed to a further rectification III, in which alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester is removed as a liquid condensate in highly pure form.
Weiterhin bevorzugt wird in dieser ersten Ausführungsform der Rektifikation III ein Methacrylsäure- und Inhibitor-haltiger Sumpfstrom entnommen, der dem Reaktionsschritt c) zumindest teilweise zu- bzw. zurückgeführt wird. Further preferably, in this first embodiment of rectification III, a bottom stream containing methacrylic acid and inhibitor is removed, which is at least partially fed to or returned to reaction step c).
Besonders bevorzugt wird der Rektifikation I ein Methacrylsäure- und Inhibitor-haltiger Sumpfstrom entnommen und in die Rektifikation II geleitet, wobei danach der Rektifikation II ein weiterer Sumpfstrom entnommen wird, der wiederum einer Rektifikation III zugeführt wird, wobei der Hydroxyisobuttersäurealkylester, bevorzugt Hydroxyisobuttersäuremethylester 2-HIBSA, in hochreiner Form als Kopfdestillat dieser Rektifikation III gewonnen wird und zugleich am Sumpf der Rektifikation III ein Methacrylsäure- und Inhibitor-haltiger Sumpfstrom entnommen wird, der dem Reaktionsschritt c) zumindest teilweise zugeführt werden kann. Particularly preferably, a bottom stream containing methacrylic acid and inhibitor is taken from rectification I and passed into rectification II, after which a further bottom stream is taken from rectification II, which in turn is fed to rectification III, the hydroxyisobutyric acid alkyl ester, preferably hydroxyisobutyric acid methyl ester 2-HIBSA , is obtained in highly pure form as the top distillate of this rectification III and at the same time a bottom stream containing methacrylic acid and inhibitor is removed from the bottom of the rectification III, which can be at least partially fed to reaction step c).
In einer alternativen zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Rektifikation I ein Methacrylsäure- und Hydroxyisobuttersäurealkylester haltiger Sumpfstrom, der auch Inhibitoren enthalten kann, entnommen und in eine Rektifikation IV geleitet. In einer solchen Ausführungsform ersetzt die Rektifikation IV die Rektifikationen II und III der ersten Ausführungsform in nur einer Kolonne. Aus dieser Rektifikation IV wird dann das 2-HIBSA in hochreiner Form als flüssiges Kondensat im Seitenstrom. Am Kopf der Rektifikation IV wird weiteres Alkylmethacrylat erhalten, das zumindest teilweise ebenfalls der Rektifikation I zugeführt werden kann. In an alternative second embodiment of the present invention, a bottom stream containing methacrylic acid and hydroxyisobutyric acid alkyl esters, which may also contain inhibitors, is removed from rectification I and passed into rectification IV. In such an embodiment, rectification IV replaces rectifications II and III of the first embodiment in just one column. From this rectification IV, the 2-HIBSA is then produced in highly pure form as a liquid condensate in the side stream. At the top of rectification IV, further alkyl methacrylate is obtained, which can at least partially also be fed to rectification I.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Rektifikation I ein Methacrylsäure- und Inhibitorhaltiger Sumpfstrom entnommen und in eine Rektifikation IV geleitet, wobei Hydroxyisobuttersäurealkylester, bevorzugt Hydroxyisobuttersäuremethylester (2-HIBSA), in hochreiner Form als Seitenstrom dieser Rektifikation IV entnommen wird und zugleich am Sumpf der Rektifikation IV ein Methacrylsäure- und Inhibitor-haltiger Sumpfstrom entnommen wird, der dem Reaktionsschritt c) zumindest teilweise zugeführt wird. In a preferred embodiment, a bottom stream containing methacrylic acid and inhibitor is removed from rectification I and passed into a rectification IV, with hydroxyisobutyric acid alkyl ester, preferably hydroxyisobutyric acid methyl ester (2-HIBSA), being taken in highly pure form as a side stream of this rectification IV and at the same time at the bottom of rectification IV a bottom stream containing methacrylic acid and inhibitor is removed, which is at least partially fed to reaction step c).
Dabei wird zugleich ein Methacrylsäure- und Inhibitor-haltiger Sumpfstrom entnommen werden. Dieser Sumpfstrom kann dann bevorzugt dem Verfahrenssschritt c) zumindest teilweise zugeführt werden. At the same time, a bottom stream containing methacrylic acid and inhibitor will be removed. This bottom stream can then preferably be at least partially fed to process step c).
Zu Verfahrensschritt a. Regarding process step a.
Bei Verfahrensschritt a. handelt es sich um eine Amidierung, insbesondere die Umsetzung von Acetoncyanhydrin (ACH) und Schwefelsäure in ein oder mehreren Reaktoren I bei einer Temperatur im Bereich von 70 bis 130 °C, bevorzugt 70 bis 120 °C, wobei die erste Reaktionsmischung, enthaltend alpha-Sulfoxyisobuttersäureamid und Methacrylsäureamid, erhalten wird. In process step a. it is an amidation, in particular the reaction of acetone cyanohydrin (ACH) and sulfuric acid in one or more reactors I at a temperature in the range from 70 to 130 ° C, preferably 70 to 120 ° C, the first Reaction mixture containing alpha-sulfoxyisobutyric acid amide and methacrylic acid amide is obtained.
Bevorzugt weist die in der ersten Reaktionsstufe eingesetzte Schwefelsäure eine Konzentration im Bereich von 98,0 bis 100,5 Gew%, bevorzugt 98,0 bis 100,0 Gew% und besonders bevorzugt von 99,0 bis 99,9 Gew% auf. Insbesondere bezieht sich die angegebene Konzentration der eingesetzten Schwefelsäure auf die Gesamtmasse des Schwefelsäure-Zuleitungsstroms zur ersten Reaktionsstufe. The sulfuric acid used in the first reaction stage preferably has a concentration in the range from 98.0 to 100.5% by weight, preferably from 98.0 to 100.0% by weight and particularly preferably from 99.0 to 99.9% by weight. In particular, the specified concentration of the sulfuric acid used relates to the total mass of the sulfuric acid feed stream to the first reaction stage.
Dem Fachmann sind grundsätzlich Methoden zur Bestimmung des Wassergehaltes von Stoffströmen, beispielsweise von Schwefelsäure-Zuleitungsströmen, bekannt. Beispielsweise kann der Wassergehalt von Stoffströmen durch Massenbilanzen, durch Messung der Dichte oder Schallgeschwindigkeit, gaschromatographisch, durch Karl-Fischer-Titration oder durch mittels HPLC ermittelt werden. Methods for determining the water content of material streams, for example sulfuric acid feed streams, are generally known to those skilled in the art. For example, the water content of material streams can be determined by mass balances, by measuring the density or speed of sound, by gas chromatography, by Karl Fischer titration or by using HPLC.
Das eingesetzte ACH kann mittels bekannter technischer Verfahren hergestellt werden. Siehe dazu beispielsweise Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, 4. Auflage, Band 7. Typischerweise werden Blausäure und Aceton in Gegenwart eines basischen Katalysators, z.B. eines Amins, in einer exothermen Reaktion zu ACH umgesetzt. Eine solche Verfahrensstufe ist beispielsweise in DE 102006058250 und DE 102006059511 beschrieben. The ACH used can be produced using known technical processes. See, for example, Ullmann's Encyclopedia of Technical Chemistry, 4th edition, volume 7. Typically, hydrogen cyanide and acetone are converted into ACH in an exothermic reaction in the presence of a basic catalyst, for example an amine. Such a process step is described, for example, in DE 102006058250 and DE 102006059511.
Typischerweise entstehen bei der Amidierung von ACH und Schwefelsäure als Hauptprodukte alpha-Hydroxyisobuttersäureamid (2-HIBA) bzw. dessen Hydrogensulfat (2-HIBA H2SO4), Schwefelsäureester von 2-HIBA (alpha-Sulfoxyisobuttersäureamid, 2-SIBA) bzw. dessen Hydrogensulfat (2-SIBA H2SO4) und Methacrylsäureamid-Hydrogensulfat (MASA H2SO4) als Lösung in überschüssiger Schwefelsäure. Es ist dem Fachmann bekannt, dass die Anteile der genannten Komponenten in der Reaktionsmischung variabel sind und von den Reaktionsbedingungen abhängen. Typically, the main products formed during the amidation of ACH and sulfuric acid are alpha-hydroxyisobutyric acid amide (2-HIBA) or its hydrogen sulfate (2-HIBA H2SO4), sulfuric acid esters of 2-HIBA (alpha-sulfoxyisobutyric acid amide, 2-SIBA) or its hydrogen sulfate (2 -SIBA H2SO4) and methacrylamide hydrogen sulfate (MASA H2SO4) as a solution in excess sulfuric acid. It is known to those skilled in the art that the proportions of the components mentioned in the reaction mixture are variable and depend on the reaction conditions.
Bevorzugt wird die erste Reaktionsstufe mit einem Überschuss an Schwefelsäure betreiben. Die Schwefelsäure dient dabei unter anderem als Lösemittel. Gleichzeitig dient die Schwefelsäure als Reaktant, insbesondere für die Formierung des Zwischenprodukts 2-SIBA und als Katalysator der Umsetzung. Der Schwefelsäure-Überschuss kann insbesondere dazu dienen, die Viskosität der Reaktionsmischung niedrig zu halten, wodurch eine schnellere Abfuhr von Reaktionswärme und eine niedrigere Temperatur der Reaktionsmischung gewährleistet werden können. Dies kann insbesondere deutliche Ausbeutevorteile mit sich bringen. Obwohl Viskosität und Lösevermögen mit mehr Schwefelsäure verbessert werden, was letztlich auch eine allgemeine Selektivitätserhöhung mit sich bringt, ist letztlich die Menge der eingesetzten Schwefelsäure aus wirtschaftlichen Gründen nach oben hin beschränkt, da die resultierende Abfallsäuremenge recycliert oder weiterverarbeitet werden muss. The first reaction stage is preferably operated with an excess of sulfuric acid. Sulfuric acid serves, among other things, as a solvent. At the same time, the sulfuric acid serves as a reactant, in particular for the formation of the intermediate product 2-SIBA, and as a catalyst for the reaction. The excess sulfuric acid can serve in particular to keep the viscosity of the reaction mixture low, which can ensure a faster removal of reaction heat and a lower temperature of the reaction mixture. This can bring about significant yield advantages in particular. Although viscosity and dissolving power are improved with more sulfuric acid, which ultimately also brings with it a general increase in selectivity, the amount of sulfuric acid used is ultimately limited for economic reasons, since the resulting amount of waste acid has to be recycled or further processed.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Reaktionsmischung aus Acetoncyanhydrin (ACH) und Schwefelsäure in der ersten Reaktionsmischung eine Gesamtwassermenge im Bereich von 0,1 bis 20 mol%, insbesondere von 0,4 bis 10 mol%, auf. Diese Angaben sind dabei auf das gesamte der ersten Reaktionsstufe zugeführte ACH bezogen. In der Regel wird in der ersten Reaktionsstufe Acetoncyanhydrin (ACH) eingesetzt, wobei das ACH bzw. die zugeführten ACH- Stoffströme bezogen auf die Gesamtmenge an ACH, die der ersten Reaktionsstufe zugeführt wird, einen Aceton-Gehalt von kleiner oder gleich 10000 ppm, bevorzugt von kleiner oder gleich 1000 ppm aufweisen. Bevorzugt weist das eingesetzte ACH, bzw. die zugeführten ACH-Stoffströme einen ACH-Anteil von größer oder gleich 98 Gew%, besonders bevorzugt größer oder gleich 98,5 Gew%, insbesondere bevorzugt größer oder gleich 99 Gew%, auf. Typischerweise enthält der zugeführte ACH-Stoffstrom zusätzlich 0,1 bis 1 ,0 Gew%, in der Regel 0,2 bis 1 ,0 Gew%, Aceton, und 0,1 bis 1 ,5 Gew%, in der Regel 0,3 bis 1 Gew%, bzw. von 0,1 bis 10 mol%, insbesondere 0,4 bis 5 mol% Wasser. In a preferred embodiment, the reaction mixture of acetone cyanohydrin (ACH) and sulfuric acid in the first reaction mixture has a total amount of water in the range from 0.1 to 20 mol%, in particular from 0.4 to 10 mol%. This information is based on that total ACH supplied to the first reaction stage. As a rule, acetone cyanohydrin (ACH) is used in the first reaction stage, with the ACH or the supplied ACH material streams having an acetone content of less than or equal to 10,000 ppm, based on the total amount of ACH supplied to the first reaction stage of less than or equal to 1000 ppm. The ACH used or the ACH material streams supplied preferably has an ACH content of greater than or equal to 98% by weight, particularly preferably greater than or equal to 98.5% by weight, particularly preferably greater than or equal to 99% by weight. Typically, the supplied ACH material stream additionally contains 0.1 to 1.0% by weight, usually 0.2 to 1.0% by weight, of acetone and 0.1 to 1.5% by weight, usually 0.3 up to 1% by weight, or from 0.1 to 10 mol%, in particular 0.4 to 5 mol%, of water.
Für die Durchführung der Amidierung in der ersten Reaktionsstufe kann grundsätzlich jeder dem Fachmann für die Durchführung von Hydrolysereaktionen bekannte Reaktor verwendet werden. Beispiele dafür sind Rührkessel-Reaktoren und Schlaufenreaktoren beziehungsweise Kombinationen besagter Reaktoren. Alternativ können mehrere, ggf. parallel, bevorzugt jedoch in Reihe geschaltete Reaktoren verwendet werden. In einer möglichen Ausführungsform werden dabei ein Reaktor oder 2 bis 5 in Reihe geschaltete Reaktoren verwendet, bevorzugt wird eine sequenzielle Anordnung von 2 bis 3 Reaktoren verwendet. In principle, any reactor known to those skilled in the art for carrying out hydrolysis reactions can be used to carry out the amidation in the first reaction stage. Examples of this are stirred tank reactors and loop reactors or combinations of said reactors. Alternatively, several reactors, possibly connected in parallel, but preferably in series, can be used. In one possible embodiment, one reactor or 2 to 5 reactors connected in series are used; a sequential arrangement of 2 to 3 reactors is preferably used.
Bevorzugt werden molare Verhältnisse von Schwefelsäure zu ACH in einem Bereich von 1 ,2 bis 2,0, bevorzugt von 1 ,25 bis 1 ,6, besonders bevorzugt von 1 ,4 bis 1 ,45 eingesetzt. Bevorzugt werden zwei oder mehrere Reaktoren I in der ersten Reaktionsstufe verwendet, wobei in einer solchen Ausführung Schwefelsäure und ACH im ersten Reaktor I in einem molaren Verhältnis von Schwefelsäure zu ACH im Bereich von 1 ,6 bis 3, bevorzugt von 1 ,7 bis 2,6 und besonders bevorzugt von 1 ,8 bis 2,3 eingesetzt werden. Weiterhin werden in einer solchen Ausführung Schwefelsäure und ACH im letzten Reaktor I, also beispielsweise im zweiten von zwei Reaktoren I in einem molaren Verhältnis von Schwefelsäure zu ACH im Bereich 1 ,2 bis 2,0, bevorzugt von 1 ,2 bis 1 ,8 und insbesondere bevorzugt von 1 ,3 bis 1 ,7 eingesetzt. Als optimaler Kompromiss zwischen erzielbarer Ausbeute und Schwefelsäureverbrauch erweist sich ein molares Verhältnis von 1 ,25 bis 1 ,6, was letztlich unter wirtschaftlichen Optimierungsaspekten bewertet werden kann. Mehr Schwefelsäure erhöht die Kosten für diesen Einsatzstoff und den Aufwand für die Entsorgung der resultierenden Abfallsäuremischung, allerdings kann auch die auf ACH bezogene Ausbeute noch einmal leicht erhöht werden. Molar ratios of sulfuric acid to ACH in a range from 1.2 to 2.0, preferably from 1.25 to 1.6, particularly preferably from 1.4 to 1.45 are preferably used. Two or more reactors I are preferably used in the first reaction stage, with in such an embodiment sulfuric acid and ACH in the first reactor I in a molar ratio of sulfuric acid to ACH in the range from 1.6 to 3, preferably from 1.7 to 2. 6 and particularly preferably from 1.8 to 2.3 can be used. Furthermore, in such an embodiment, sulfuric acid and ACH in the last reactor I, for example in the second of two reactors I, in a molar ratio of sulfuric acid to ACH in the range 1.2 to 2.0, preferably from 1.2 to 1.8 and particularly preferably used from 1.3 to 1.7. A molar ratio of 1.25 to 1.6 proves to be the optimal compromise between the achievable yield and sulfuric acid consumption, which can ultimately be evaluated from an economic optimization perspective. More sulfuric acid increases the costs for this feedstock and the effort involved in disposing of the resulting waste acid mixture, but the yield based on ACH can also be slightly increased again.
Die Umsetzung von Acetoncyanhydrin mit Schwefelsäure in der ersten Reaktionsstufe ist exotherm. Daher ist es vorteilhaft, die anfallende Reaktionswärme weitgehend oder zumindest teilweise, beispielsweise mit Hilfe geeigneter Wärmetauscher, abzuführen, um eine verbesserte Ausbeute zu erhalten. Da mit sinkender Temperatur die Viskosität der Reaktionsmischung stark ansteigt und so Zirkulation, Durchfluss und Wärmeaustausch in den Reaktoren I erschwert sind, ist eine zu starke Abkühlung allerdings in der Regel zu vermeiden. Darüber hinaus kann es bei niedrigen Temperaturen in der ersten Reaktionsmischung zu einer partiellen oder vollständigen Kristallisation von Inhaltsstoffen an den Wärmetauschern kommen, was zu Abrasion, beispielsweise in den Pumpengehäusen, Rohrleitungen und den Wärmetauscher-Rohren der Reaktoren I und im Extremfall zur Abschaltung der Anlage führen kann. The reaction of acetone cyanohydrin with sulfuric acid in the first reaction stage is exothermic. It is therefore advantageous to largely or at least partially remove the resulting heat of reaction, for example with the help of suitable heat exchangers, in order to obtain an improved yield. Since the viscosity of the reaction mixture increases sharply as the temperature drops, making circulation, flow and heat exchange in the reactors I more difficult, excessive cooling is generally to be avoided. In addition, at low temperatures in the first reaction mixture, partial or complete crystallization of ingredients on the heat exchangers can occur, resulting in abrasion, for example in the pump housings, pipelines and the heat exchanger pipes of the reactors I and in extreme cases can lead to the system being switched off.
Zur Kühlung der Reaktorkreisläufe können grundsätzlich bekannte und geeignete Kühlmedien eingesetzt werden. Vorteilhaft ist der Einsatz von Kühlwasser. Typischerweise weist das Kühlmedium, insbesondere das Kühlwasser, eine Temperatur unterhalb der gewählten Verfahrensbedingungen auf. Vorteilhaft weist das Kühlmedium, insbesondere das Kühlwasser, eine Temperatur im Bereich von 20 bis 90 °C, bevorzugt von 50 bis 90 °C und besonders bevorzugt von 60 bis 70 °C auf. In principle, known and suitable cooling media can be used to cool the reactor circuits. The use of cooling water is advantageous. Typically, the cooling medium, in particular the cooling water, has a temperature below the selected process conditions. The cooling medium, in particular the cooling water, advantageously has a temperature in the range from 20 to 90 °C, preferably from 50 to 90 °C and particularly preferably from 60 to 70 °C.
Zur Vermeidung von Unterschreitung des Kristallisationspunktes von Methacrylamid wird der Wärmetauscher typischerweise mit einem Warmwasser-Sekundärkreislauf betrieben. Hierbei sind Temperaturdifferenzen im produktseitigen Ein-/Austritt des Apparates von etwa 1 bis 20° C, insbesondere 2 bis 7°C bevorzugt. To avoid falling below the crystallization point of methacrylamide, the heat exchanger is typically operated with a hot water secondary circuit. Temperature differences in the product-side inlet/outlet of the apparatus of approximately 1 to 20° C., in particular 2 to 7° C., are preferred.
Die Umsetzung von ACH und Schwefelsäure in ein oder mehreren Reaktoren I erfolgt bei einer Temperatur im Bereich von 70 bis 130 °C, bevorzugt von 75 bis 120 °C, besonders bevorzugt von 85 bis 110 °C. Wenn mehrere Reaktoren für die Amidierung eingesetzt werden, können die Temperaturen der diversen Reaktoren gleich oder unterschiedlich sein. Mit Blick auf unterschiedliche Stöchiometrien in den Reaktoren ist es bevorzugt, den ersten Reaktor mit höherem Schwefelsäure-Überschuss kälter zu betreiben als den oder die nachfolgenden Reaktoren. Oftmals wird die Amidierung in der erste Reaktionsstufe im Reaktor I oder in mehreren Reaktoren I bei Normaldruck durchgeführt. The reaction of ACH and sulfuric acid in one or more reactors I takes place at a temperature in the range from 70 to 130 ° C, preferably from 75 to 120 ° C, particularly preferably from 85 to 110 ° C. If several reactors are used for the amidation, the temperatures of the various reactors can be the same or different. With regard to different stoichiometry in the reactors, it is preferred to operate the first reactor with a higher excess of sulfuric acid colder than the subsequent reactor or reactors. The amidation is often carried out in the first reaction stage in reactor I or in several reactors I at normal pressure.
Typischerweise kann Verfahrensschritt a. batchweise und/oder kontinuierlich durchgeführt werden. Bevorzugt wird die erste Reaktionsstufe kontinuierlich, beispielsweise in einem oder in mehreren Schlaufenreaktoren, durchgeführt. Geeignete Reaktoren und Verfahren sind beispielsweise in WO 2013/143812 beschrieben. Vorteilhaft kann die erste Reaktionsstufe in einer Kaskade von zwei oder mehreren Schlaufenreaktoren durchgeführt werden. Insbesondere bevorzugt erfolgt die Umsetzung der ersten Reaktionsstufe in einem oder in mehreren, bevorzugt genau zwei Schlaufenreaktoren, wobei die jeweilige Reaktionsmischung bei einem Kreislaufverhältnis, also dem (Verhältnis aus Umwälzvolumenstrom zu Zulaufvolumenstrom, im Bereich von 5 bis 90, bevorzugt 10 bis 70 zur Reaktion gebracht werden. Alternativ können gerührte oder umgepumpte kontinuierliche Rührkessel-Reaktoren, insbesondere CSTR-Reaktoren, bzw. eine Kombination von CSTR Apparaten und Schlaufenreaktoren verwendet werden. Typically, process step a. be carried out batchwise and/or continuously. The first reaction stage is preferably carried out continuously, for example in one or more loop reactors. Suitable reactors and processes are described, for example, in WO 2013/143812. The first reaction stage can advantageously be carried out in a cascade of two or more loop reactors. Particularly preferably, the implementation of the first reaction stage takes place in one or more, preferably exactly two, loop reactors, the respective reaction mixture being reacted at a circulation ratio, i.e. the ratio of circulation volume flow to feed volume flow, in the range from 5 to 90, preferably 10 to 70 Alternatively, stirred or pumped continuous stirred tank reactors, in particular CSTR reactors, or a combination of CSTR apparatus and loop reactors can be used.
Die Verweilzeit im jeweiligen Reaktor wird so ausgelegt, dass die Zeit ausreicht, um die Ausbeute von 2-HIBA, 2-SIBA, MAS und MASA zu maximieren. Typischerweise liegt die statische Verweilzeit in den Reaktoren I, insbesondere in den Schlaufenreaktoren I, in Summe im Bereich von 5 bis 35 Minuten, bevorzugt von 8 bis 20 Minuten. The residence time in the respective reactor is designed so that the time is sufficient to maximize the yield of 2-HIBA, 2-SIBA, MAS and MASA. Typically, the static residence time in the reactors I, in particular in the loop reactors I, is in the range from 5 to 35 minutes, preferably from 8 to 20 minutes.
Ein geeigneter Schlaufenreaktor weist bevorzugt die folgenden Elemente auf: A suitable loop reactor preferably has the following elements:
- eine oder mehrere Zugabestellen für ACH - one or more addition points for ACH
- eine oder mehrere Zugabestellen für Schwefelsäure - einen oder mehrere Gasabscheider - one or more addition points for sulfuric acid - one or more gas separators
- einen oder mehrere Wärmetauscher - one or more heat exchangers
- einen oder mehrere Mischer - one or more mixers
- mindestens eine Pumpe. - at least one pump.
Die Mischer sind dabei häufig als statische Mischer ausgeführt. The mixers are often designed as static mixers.
Die Zugabe des ACH kann grundsätzlich an beliebiger Stelle in den einen oder in verschiedene Reaktoren I erfolgen. Es hat sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, wenn die Zugabe des ACH an einer gut durchmischten Stelle erfolgt. Bevorzugt erfolgt die Zugabe des ACH in ein Mischelement, beispielsweise in einen Mischer mit beweglichen Teilen oder in einen statischen Mischer. In principle, the ACH can be added at any point in one or different reactors I. However, it has proven to be advantageous if the ACH is added at a well-mixed point. The ACH is preferably added to a mixing element, for example a mixer with moving parts or a static mixer.
Die Zugabe der Schwefelsäure kann grundsätzlich an beliebiger Stelle in den einen oder in mehreren Reaktoren I erfolgen. Bevorzugt erfolgt die Zugabe der Schwefelsäure vor der Zugabe des ACH. Besonders bevorzugt erfolgt die Zugabe der Schwefelsäure auf der Saugseite der jeweiligen Reaktorpumpe. Oftmals kann hierdurch die Pumpfähigkeit der gashaltigen Reaktionsmischung verbessert werden. The sulfuric acid can in principle be added at any point in one or more reactors I. The sulfuric acid is preferably added before the ACH is added. The sulfuric acid is particularly preferably added on the suction side of the respective reactor pump. This can often improve the pumpability of the gas-containing reaction mixture.
Die Reaktoren I umfassen bevorzugt jeweils mindestens einen Gasabscheider. Typischerweise kann über den Gasabscheider einerseits kontinuierlich Produktstrom, insbesondere die erste Reaktionsmischung entnommen werden, andererseits lassen sich hier gasförmige Nebenprodukte abtrennen und ausschleusen. Typischerweise bildet sich als gasförmiges Nebenprodukt hauptsächlich Kohlenstoffmonoxid. Bevorzugt wird der Abgasstrom der Reaktoren I mit dem Abgas aus dem Pufferbehälter/Abscheider I zusammengeführt. The reactors I each preferably comprise at least one gas separator. Typically, on the one hand, the product stream, in particular the first reaction mixture, can be continuously removed via the gas separator, and on the other hand, gaseous by-products can be separated and discharged here. Typically, the gaseous byproduct that forms is mainly carbon monoxide. The exhaust gas stream from the reactors I is preferably combined with the exhaust gas from the buffer container/separator I.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erste Reaktionsstufe die Umsetzung von Acetoncyanhydrin (ACH) und Schwefelsäure in mindestens zwei getrennten Reaktionszonen, bevorzugt in mindestens zwei getrennten Reaktoren, besonders bevorzugt in mindestens zwei Schlaufenreaktoren. In a preferred embodiment, the first reaction stage comprises the reaction of acetone cyanohydrin (ACH) and sulfuric acid in at least two separate reaction zones, preferably in at least two separate reactors, particularly preferably in at least two loop reactors.
Bevorzugt erfolgt die Umsetzung von Acetoncyanhydrin (ACH) und Schwefelsäure in der Art, dass das Reaktionsvolumen auf mindestens zwei Reaktionszonen verteilt ist und die Gesamtmenge an ACH in die verschiedenen Reaktionszonen separat dosiert wird. Bevorzugt ist die Menge an ACH, die dem ersten Reaktor oder der ersten Reaktionszone zugeführt wird, größer oder gleich der Mengen an ACH, die den nachfolgenden Reaktoren oder den nachfolgenden Reaktionszonen zugeführt werden. The reaction of acetone cyanohydrin (ACH) and sulfuric acid preferably takes place in such a way that the reaction volume is distributed over at least two reaction zones and the total amount of ACH is metered separately into the different reaction zones. Preferably, the amount of ACH fed to the first reactor or reaction zone is greater than or equal to the amounts of ACH fed to the subsequent reactors or reaction zones.
Vorzugsweise werden 50 bis 90 Gew%, bevorzugt 60 bis 75 Gew%, des gesamten Volumenstroms an zugeführtem ACH, in den ersten Reaktor eingeleitet. Die verbleibende Menge an zugeführtem ACH wird in den zweiten Reaktor und gegebenenfalls in weitere Reaktoren geleitet. Preferably 50 to 90% by weight, preferably 60 to 75% by weight, of the total volume flow of ACH supplied is introduced into the first reactor. The remaining amount of ACH supplied is passed into the second reactor and, if necessary, into further reactors.
Typischerweise erfolgt eine Aufteilung der Gesamtmenge an ACH auf den ersten Reaktor I und einen zweiten Reaktor I im Massenverhältnis erster Reaktor I zu zweiter Reaktor I im Bereich von 70 zu 30 bis 80 zu 20, bevorzugt von etwa 75 zu 25. Bevorzugt ist das molare Verhältnis von zugegebener Schwefelsäure zu ACH im ersten Reaktor oder in der ersten Reaktionszone größer als das entsprechende molare Verhältnis in optional nachfolgenden Reaktoren oder in den nachfolgenden Reaktionszonen. Typically, the total amount of ACH is divided between the first reactor I and a second reactor I in the mass ratio of the first reactor I to the second reactor I in the range from 70 to 30 to 80 to 20, preferably from about 75 to 25. The molar ratio of added sulfuric acid to ACH in the first reactor or in the first reaction zone is preferably greater than the corresponding molar ratio in optionally subsequent reactors or in the subsequent reaction zones.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Umsetzung in der ersten Reaktionsstufe in zwei oder mehreren Schlaufenreaktoren, wobei die Gesamtmenge an ACH in den ersten und mindestens einen weiteren Schlaufenreaktor dosiert wird. Insbesondere bevorzugt umfasst jeder Schlaufenreaktor mindestens eine Pumpe, einen mit Wasser als Medium gekühlten Wärmetauscher, eine Gastrennvorrichtung, mindestens eine Abgasleitung, verbunden mit der Gastrennvorrichtung, und mindestens eine Zuführleitung für ACH in flüssiger Form. Bevorzugt sind die mindestens zwei Schlaufenreaktoren derart miteinander verschaltet, dass die gesamte resultierende Reaktionsmischung des ersten Reaktors in die nachfolgenden Reaktoren geführt wird und die Reaktionsmischung in den nachfolgenden Reaktoren mit weiterem flüssigen ACH und optional weiteren Schwefelsäuremengen versetzt wird. In a particularly preferred embodiment, the reaction in the first reaction stage takes place in two or more loop reactors, the total amount of ACH being metered into the first and at least one further loop reactor. Particularly preferably, each loop reactor comprises at least one pump, a heat exchanger cooled with water as a medium, a gas separation device, at least one exhaust gas line connected to the gas separation device, and at least one feed line for ACH in liquid form. The at least two loop reactors are preferably interconnected in such a way that the entire resulting reaction mixture from the first reactor is fed into the subsequent reactors and the reaction mixture in the subsequent reactors is mixed with further liquid ACH and optionally further amounts of sulfuric acid.
Der erste Schlaufenreaktor wird typischerweise bei einem Kreislaufverhältnis, also einem Verhältnis aus Umwälzvolumenstrom zu Zulaufvolumenstrom, in einem Bereich von 5 bis 110, bevorzugt bei 10 bis 90, besonders bevorzugt bei 10 bis 70 betrieben. In einem nachfolgenden Schlaufenreaktor liegt das Kreislaufverhältnis vorzugsweise in einem Bereich von 5 bis 100, bevorzugt von 10 bis 90, besonders bevorzugt von 10 bis 70. The first loop reactor is typically operated at a circulation ratio, i.e. a ratio of circulation volume flow to feed volume flow, in a range from 5 to 110, preferably from 10 to 90, particularly preferably from 10 to 70. In a subsequent loop reactor, the circulation ratio is preferably in a range from 5 to 100, preferably from 10 to 90, particularly preferably from 10 to 70.
Typischerweise wird nach der Verfahrensschritt a. eine erste Reaktionsmischung erhalten, welche 5 bis 35 Gew% alpha-Sulfoxyisobuttersäureamid (2-SIBA), 5 bis 25 Gew% Methacrylamid (MASA) sowie kleiner 5 Gew% alpha-Hydroxyisobuttersäureamid (2-H IBA), jeweils bezogen auf die gesamte Reaktionsmischung, gelöst in schwefelsaurer Reaktionsmatrix, enthält. Diese erste Reaktionsmischung wird bevorzugt mit Hilfe einer Austragspumpe mit einem konstant geregelten Massenstrom in die zweite Reaktionsstufe gefördert. Der konstant geregelte Massenstrom ermöglicht insbesondere eine genaue Kontrolle der statischen Verweilzeit der Reaktionsmischung in Verfahrensschritt (b), der Konvertierung. Bevorzugt wird dabei die erste Reaktionsmischung resultierend aus der Verfahrensschritt a. in einem konstant geregeltem Massenstrom mittels einer Austragspumpe, ausgehend von mindestens einem Reaktor I durch mindestens einen Reaktor II, gefördert. Typically, after process step a. a first reaction mixture is obtained which contains 5 to 35% by weight of alpha-sulfoxyisobutyric acid amide (2-SIBA), 5 to 25% by weight of methacrylamide (MASA) and less than 5% by weight of alpha-hydroxyisobutyric acid amide (2-H IBA), each based on the entire reaction mixture , dissolved in sulfuric acid reaction matrix. This first reaction mixture is preferably conveyed into the second reaction stage with the aid of a discharge pump with a constantly regulated mass flow. The constantly regulated mass flow enables, in particular, precise control of the static residence time of the reaction mixture in process step (b), the conversion. The first reaction mixture resulting from process step a is preferred. conveyed in a constantly regulated mass flow by means of a discharge pump, starting from at least one reactor I through at least one reactor II.
Zu Verfahrensschritt b. Regarding process step b.
Bei Verfahrensschritt b. handelt es sich um eine so genannte Konvertierung, also das Konvertieren der ersten Reaktionsmischung. Dabei umfasst dieser Verfahrensschritt b. zunächst das Erhitzen auf eine Temperatur im Bereich von 130 bis 200 °C, bevorzugt von 130 bis 170 °C, besonders bevorzugt von 140 bis 165 °C in einem oder mehreren Reaktoren II. Dieser Reaktor II bzw. diese Reaktoren II können auch als Wärmeumwandlungsapparatur bzw. Konvertierungsreaktoren bezeichnet werden. Aus diesem Verfahrensschritt b. wird eine zweite Reaktionsmischung, enthaltend überwiegend Methacrylsäureamid (MASA) und Schwefelsäure, erhalten. Bevorzugt weist die im Reaktionsschritt b) erhaltene zweite Reaktionsmischung einen alpha- Hydroxyisobuttersäureamid-Gehalt von 0,1 bis 2,0 Gew% auf. In process step b. This is a so-called conversion, i.e. converting the first reaction mixture. This process step includes b. first heating to a temperature in the range from 130 to 200 ° C, preferably from 130 to 170 ° C, particularly preferably from 140 to 165 ° C in one or more reactors II. This reactor II or these reactors II can also be used as a heat conversion apparatus or conversion reactors. From this process step b. A second reaction mixture containing predominantly methacrylic acid amide (MASA) and sulfuric acid is obtained. The second reaction mixture obtained in reaction step b) preferably has an alpha-hydroxyisobutyramide content of 0.1 to 2.0% by weight.
Erfindungsgemäß liegt bei der Konvertierung die Verweilzeit der Reaktionsmischung in Reaktor II in der Regel in einem Bereich von 2 bis 15 min, bevorzugt von 2 bis 10 min. Typischerweise bezieht sich die angegebene Verweilzeit auf den gesamten Konvertierungsreaktor (Reaktor II). Typischerweise liegen die Verweilzeiten in allen Konvertierungsreaktoren in den angegebenen Bereichen. Bevorzugt beträgt die Verweilzeit dabei in einem bevorzugt realisierten Vorheizer- Segment des Konvertierungsreaktors 0,1 bis 5 min, besonders bevorzugt 0,2 bis 2 min. According to the invention, during the conversion, the residence time of the reaction mixture in reactor II is generally in a range from 2 to 15 minutes, preferably from 2 to 10 minutes. Typically, the specified residence time refers to the entire conversion reactor (reactor II). Typically, the residence times in all conversion reactors are within the specified ranges. The residence time in a preferably implemented preheater segment of the conversion reactor is preferably 0.1 to 5 minutes, particularly preferably 0.2 to 2 minutes.
Bei der Konvertierung erfolgt das Erhitzen in Verfahrensschritt b. in einem oder mehreren Reaktoren II, wobei bevorzugt mindestens ein Reaktor II ein Vorheizersegment umfasst, welches mittels eines räumlich von der Reaktionsmischung getrennten Heizmediums aufgeheizt werden kann. Dabei wird die Reaktionsmischung um 10 bis 100 °C, bevorzugt um 15 bis 80 °C zusätzlich erhitzt. Typischerweise ist die Temperaturerhöhung um 10 bis 100 °C so zu verstehen, dass eine von der Ursprungstemperatur der zugeleiteten ersten Reaktionsmischung bei Eintritt in das jeweilige Vorheizer-Segment ausgehend entsprechende Temperaturerhöhung erfolgt. During the conversion, heating takes place in process step b. in one or more reactors II, preferably at least one reactor II comprising a preheater segment which can be heated by means of a heating medium that is spatially separated from the reaction mixture. The reaction mixture is additionally heated by 10 to 100 °C, preferably by 15 to 80 °C. Typically, the temperature increase of 10 to 100 ° C is to be understood as meaning that a corresponding temperature increase takes place starting from the original temperature of the first reaction mixture supplied when it enters the respective preheater segment.
Typischerweise wird während der Konvertierung beim Erhitzen der ersten Reaktionsmischung auf eine Temperatur im Bereich von 130 bis 200 °C die Menge an MASA bzw. MASA H2SO4 durch Dehydratisierung des 2-HIBA bzw. durch Schwefelsäure-Eliminierung aus 2-SIBA erhöht, wobei die erste Reaktionsmischung eine schwefelsaure Lösung enthaltend 2-SIBA, 2-HIBA und MASA, überwiegend jeweils in Form der Hydrogensulfate, darstellt. Typically, during the conversion when heating the first reaction mixture to a temperature in the range of 130 to 200 ° C, the amount of MASA or MASA H2SO4 is increased by dehydration of the 2-HIBA or by sulfuric acid elimination from 2-SIBA, the first Reaction mixture is a sulfuric acid solution containing 2-SIBA, 2-HIBA and MASA, predominantly in the form of the hydrogen sulfates.
Bevorzugt erfolgt das Erhitzen in Verfahrensschritt b., der Konvertierung über einen möglichst kurzen Zeitraum. Insbesondere erfolgt das Erhitzen in Form des Verweilens im Vorheizersegment des Reaktors II über einen Zeitraum von 0,1 bis 14 Minuten, bevorzugt von 0,1 bis 5 Minuten, besonders bevorzugt von 0,2 bis 2 Minuten. Üblicherweise wird das Erhitzen des ersten Reaktionsgemisches aus den Reaktoren I kürzer durchgeführt als die Konvertierung in den nahezu adiabaten Elementen selbst. The heating in process step b., the conversion, preferably takes place over the shortest possible period of time. In particular, the heating takes place in the form of remaining in the preheater segment of the reactor II over a period of 0.1 to 14 minutes, preferably 0.1 to 5 minutes, particularly preferably 0.2 to 2 minutes. The heating of the first reaction mixture from the reactors I is usually carried out for a shorter time than the conversion in the almost adiabatic elements themselves.
Insbesondere bevorzugt erfolgt die Konvertierung bei einer Temperatur in einem Bereich zwischen 130 und 200 °C, bevorzugt zwischen 130 und 170 °C und besonders bevorzugt zwischen 140 und 170 °C. Die gesamte Verweilzeit in Reaktor II bzw. mehreren, in der Regel in Reihe geschalteten Reaktoren II liegt dabei bevorzugt in einem Bereich von 2 bis 15 min, bevorzugt von 2 bis 10 min.Particularly preferably, the conversion takes place at a temperature in a range between 130 and 200 °C, preferably between 130 and 170 °C and particularly preferably between 140 and 170 °C. The total residence time in reactor II or several reactors II, usually connected in series, is preferably in a range from 2 to 15 minutes, preferably from 2 to 10 minutes.
Die Konvertierung kann grundsätzlich in bekannten Reaktoren durchgeführt werden, welche die Erzielung auf die genannten Temperaturen in den genannten Zeiträumen ermöglichen. Die Energiezufuhr kann hierbei in bekannter Weise, beispielsweise mittels Wasserdampfs, Heißwasser, geeigneten Wärmeträgern, elektrischer Energie oder elektromagnetischer Strahlung, wie Mikrowellenstrahlung, erfolgen. Bevorzugt wird die Konvertierung in der zweiten Reaktionsstufe in einem oder mehreren Wärmeumwandlungsapparaturen durchgeführt. Die aus der Konvertierung austretende, noch heiße zweite Reaktionsmischung wird vor Eintritt in den nachfolgenden Reaktionsschritt c, der Veresterung, gekühlt, um eine definierte Verweilzeit der den letzten Konvertierungsreaktor verlassenden Reaktionsmischung bei hohen Temperaturen zu gewährleisten und ausbeutevermindernde Folgereaktionen der in der Konvertierung gebildeten Wertprodukte MAS und MASA zu unterbinden. Dabei werden bevorzugt gasförmige Nebenprodukte zumindest teilweise von der zweiten Reaktionsmischung abgetrennt. Typischerweise wird die gekühlte und entgaste zweite Reaktionsmischung vollständig in die Reaktionsstufe c, die Veresterung bzw. Hydrolyse geführt. Bevorzugt wird das Abgas, welches nach der Konvertierung erhalten wird, vollständig oder teilweise aus dem Verfahren ausgeschleust. Weiterhin bevorzugt wird das Abgas, welches nach der Konvertierung erhalten wird, zusammen mit den Abgasen aus dem bzw. den Reaktor(en) I zur Amidierungsreaktion vollständig oder teilweise in eine Kolonne (in den Figuren (E)) zur Abtrennung von Schwersiedern des Verfahrensschritts c., also der Veresterung bzw. Hydrolyse geführt. The conversion can in principle be carried out in known reactors, which enable the temperatures mentioned to be achieved in the periods mentioned. The energy can be supplied in a known manner, for example using steam, hot water, suitable heat transfer media, electrical energy or electromagnetic radiation, such as microwave radiation. The conversion is preferably carried out in the second reaction stage in one or more heat conversion apparatus. The still hot second reaction mixture emerging from the conversion is cooled before entering the subsequent reaction step c, the esterification, in order to ensure a defined residence time of the reaction mixture leaving the last conversion reactor at high temperatures and yield-reducing subsequent reactions of the valuable products MAS and MAS formed in the conversion to stop MASA. Gaseous by-products are preferably at least partially separated off from the second reaction mixture. Typically, the cooled and degassed second reaction mixture is completely passed into reaction stage c, the esterification or hydrolysis. Preferably, the exhaust gas obtained after the conversion is completely or partially discharged from the process. Furthermore, it is preferred that the exhaust gas obtained after the conversion, together with the exhaust gases from the reactor(s) I for the amidation reaction, be completely or partially fed into a column (in the figures (E)) for the separation of high boilers in process step c ., i.e. esterification or hydrolysis.
Zur Kühlung der zweiten Reaktionsmischung können grundsätzlich bekannte und geeignete Kühlmedien eingesetzt werden. Vorteilhaft ist der Einsatz von Kühlwasser. Vorteilhaft weist das Kühlmedium, insbesondere das Kühlwasser, eine Temperatur in einem Bereich von 30 bis 120 °C, bevorzugt von 50 bis 110 °C und besonders bevorzugt von 60 bis 100 °C auf. Die Austrittstemperatur der den Kühler verlassenden gekühlten Reaktionsmischung und somit die Eintrittstemperatur in den nachfolgenden Reaktionsschritt des Verfahrensschritts c. liegt bevorzugt unterhalb der maximalen im Konvertierungsreaktor auftretenden Temperatur, typischerweise in einem Bereich von 70 bis 110 °C. In principle, known and suitable cooling media can be used to cool the second reaction mixture. The use of cooling water is advantageous. The cooling medium, in particular the cooling water, advantageously has a temperature in a range from 30 to 120 °C, preferably from 50 to 110 °C and particularly preferably from 60 to 100 °C. The exit temperature of the cooled reaction mixture leaving the cooler and thus the entry temperature into the subsequent reaction step of process step c. is preferably below the maximum temperature occurring in the conversion reactor, typically in a range from 70 to 110 ° C.
Zu Verfahrensschritt c. Regarding process step c.
Bei Verfahrensschritt handelt es sich um eine Veresterung bzw. Hydrolyse. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst in Verfahrensschritt c. die Umsetzung der zweiten Reaktionsmischung, enthaltend überwiegend MASA, mit Wasser und optional einem Alkohol, insbesondere Methanol, in ein oder mehreren Reaktoren III. Dabei wird eine dritte Reaktionsmischung, enthaltend Methacrylsäure und/oder Methylmethacrylat, erhalten. The process step involves esterification or hydrolysis. The method according to the invention comprises in method step c. the reaction of the second reaction mixture, containing predominantly MASA, with water and optionally an alcohol, in particular methanol, in one or more reactors III. A third reaction mixture containing methacrylic acid and/or methyl methacrylate is obtained.
In einer bevorzugten Ausführungsform, bei der es sich um eine Veresterung handelt, erfolgt die Umsetzung der zweiten Reaktionsmischung, enthaltend überwiegend MASA, mit Wasser und einem Alkohol, insbesondere mit Methanol, wobei eine dritte Reaktionsmischung, enthaltend ein Alkylmethacrylat, im Falle von Methanol Methylmethacrylat (MMA), erhalten wird. Die Bedingungen der Veresterung im großtechnischen Maßstab sind dem Fachmann bekannt und beispielsweise in US 5,393,918 beschrieben. In a preferred embodiment, which involves an esterification, the second reaction mixture, containing predominantly MASA, is reacted with water and an alcohol, in particular with methanol, with a third reaction mixture containing an alkyl methacrylate, in the case of methanol, methyl methacrylate ( MMA). The conditions of esterification on an industrial scale are known to those skilled in the art and are described, for example, in US 5,393,918.
In einer alternativen Ausführungsform der Hydrolyse erfolgt die Umsetzung der zweiten Reaktionsmischung, enthaltend überwiegend MASA, mit Wasser, wobei eine dritte Reaktionsmischung, enthaltend Methacrylsäure, erhalten wird. Die Bedingungen der Hydrolyse von Methylacrylamid zu Methacrylsäure und die Verfahren zur Aufbereitung im großtechnischen Maßstab sind dem Fachmann bekannt und beispielsweise in DE 102008000787 und EP 2292580 beschrieben. In an alternative embodiment of the hydrolysis, the second reaction mixture, containing predominantly MASA, is reacted with water, giving a third reaction mixture containing methacrylic acid. The conditions for the hydrolysis of methylacrylamide to methacrylic acid and the process for large-scale processing Scales are known to those skilled in the art and are described, for example, in DE 102008000787 and EP 2292580.
Die Umsetzung in Verfahrensschritt in Form einer Veresterung oder einer Hydrolyse wird bevorzugt in einem oder mehreren geeigneten Reaktoren, beispielsweise in beheizten Kesseln durchgeführt. Insbesondere können mit Wasserdampf beheizte Kessel verwendet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Veresterung in zwei oder mehreren, beispielsweise drei oder vier, aufeinander folgenden Kesseln. Dieser Ansatz wird auch als Kesselkaskade bezeichnet. The reaction in the process step in the form of esterification or hydrolysis is preferably carried out in one or more suitable reactors, for example in heated kettles. In particular, boilers heated with steam can be used. In a preferred embodiment, the esterification takes place in two or more, for example three or four, successive kettles. This approach is also known as a boiler cascade.
Typischerweise wird die Veresterung bei Temperaturen in einem Bereich von 100 bis 180 °C, bevorzugt von 100 bis 150 °C und bei Drücken von bis zu 7 bara, bevorzugt bei Drücken bis zu 2 bara durchgeführt. Bevorzugt wird die Reaktion unter Verwendung von Schwefelsäure als Katalysator durchgeführt. Typically, the esterification is carried out at temperatures in a range from 100 to 180 ° C, preferably from 100 to 150 ° C and at pressures of up to 7 bara, preferably at pressures up to 2 bara. The reaction is preferably carried out using sulfuric acid as a catalyst.
Bevorzugt erfolgt die Umsetzung der zweiten Reaktionsmischung mit einem Überschuss an Wasser und optional Alkohol. Die Zugabe der zweiten Reaktionsmischung, enthaltend überwiegend Methacrylamid, und die Zugabe von Alkohol erfolgen bevorzugt in der Art, dass sich ein molares Verhältnis von Methacrylamid zu Alkohol in einem Bereich von 1 zu 1 ,0 bis 1 zu 1 ,6 ergibt. The reaction of the second reaction mixture preferably takes place with an excess of water and optionally alcohol. The addition of the second reaction mixture, containing predominantly methacrylamide, and the addition of alcohol are preferably carried out in such a way that a molar ratio of methacrylamide to alcohol results in a range from 1 to 1.0 to 1 to 1.6.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Umsetzung in der dritten Reaktionsstufe in zwei oder mehreren Reaktoren III, wobei sich im ersten Reaktor III ein molares Verhältnis von Methacrylamid zu Alkohol im Bereich von 1 zu 0,7 bis 1 zu 1 ,4, bevorzugt von 1 zu 1 .0 bis 1 zu 1 .4 ergibt, und wobei sich im zweiten und den möglichen nachfolgenden Reaktoren III ein molares Verhältnis von Methacrylamid zu Alkohol im Bereich von 1 zu 1 ,05 bis 1 zu 1 ,3 ergibt. In a preferred embodiment, the reaction in the third reaction stage takes place in two or more reactors III, with a molar ratio of methacrylamide to alcohol in the first reactor III in the range from 1 to 0.7 to 1 to 1.4, preferably from 1 to 1.0 to 1 to 1.4, and in the second and the possible subsequent reactors III there is a molar ratio of methacrylamide to alcohol in the range from 1 to 1.05 to 1 to 1.3.
Bevorzugt setzt sich der in die dritte Reaktionsstufe zugeführte Alkohol zusammen aus frisch ins Verfahren zugeführtem Alkohol (Frischalkohol) und aus Alkohol, welcher in zurückgeführten Strömen, also Recyclingströmen des erfindungsgemäßen Verfahrens enthalten ist. Es ist zudem möglich, Methanol im erfindungsgemäßen Verfahren zu verwenden, welcher in Recyclingströmen aus nachgeschalteten Downstream-Prozessen enthalten ist. The alcohol fed into the third reaction stage is preferably composed of alcohol freshly fed into the process (fresh alcohol) and alcohol which is contained in recycled streams, i.e. recycling streams, of the process according to the invention. It is also possible to use methanol in the process according to the invention, which is contained in recycling streams from downstream downstream processes.
Typischerweise erfolgt die Zugabe an Wasser in den Reaktor III oder in die Reaktoren III der dritten Reaktionsstufe derart, dass die Konzentration an Wasser im Bereich von 10 bis 30 Gew%, bevorzugt von 15 bis 25 Gew%, bezogen jeweils auf die gesamte Reaktionsmischung im Reaktor III, liegt. Typically, water is added to the reactor III or to the reactors III of the third reaction stage in such a way that the concentration of water is in the range from 10 to 30% by weight, preferably from 15 to 25% by weight, based on the total reaction mixture in the reactor III, lies.
Grundsätzlich kann das in die dritte Reaktionsstufe, unabhängig davon, ob es sich um eine Veresterung oder um eine Hydrolyse handelt, zugeführte Wasser aus einer beliebigen Quelle stammen und verschiedene organische Verbindungen enthalten, sofern keine Verbindungen enthalten sind, welche die Veresterung oder die nachfolgenden Verfahrensstufen nachteilig beeinflussen. Bevorzugt stammt das in die dritte Reaktionsstufe zugeführte Wasser aus zurückgeführten Strömen (Recyclingströmen) des erfindungsgemäßen Verfahrens, beispielsweise aus der Aufreinigung des Methylmethacrylats oder der Methacrylsäure. Es ist zudem möglich Frischwasser, insbesondere vollentsalztes Wasser oder Brunnenwasser, in Verfahrensschritt c. zuzuführen. In principle, the water supplied to the third reaction stage, regardless of whether it is an esterification or a hydrolysis, can come from any source and contain various organic compounds, provided that no compounds are present which would disadvantage the esterification or the subsequent process stages influence. The water fed into the third reaction stage preferably comes from recycled streams (recycling streams) of the process according to the invention, for example from the purification of the methyl methacrylate or methacrylic acid. It is also possible Fresh water, in particular fully desalinated water or well water, in process step c. to supply.
Die bevorzugte Veresterung mit Methanol liefert typischerweise eine dritte Reaktionsmischung enthaltend Methylmethacrylat (MMA), alpha-Hydroxyisobuttersäuremethylester (2-HIBSM) und weitere oben beschriebene Nebenprodukte sowie signifikante Mengen Wasser und nicht umgesetztes Methanol. The preferred esterification with methanol typically produces a third reaction mixture containing methyl methacrylate (MMA), methyl alpha-hydroxyisobutyrate (2-HIBSM) and other by-products described above, as well as significant amounts of water and unreacted methanol.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Veresterung in zwei oder mehreren, insbesondere drei oder vier aufeinander folgenden Kesseln in Form einer so genannten Kesselkaskade, wobei der flüssige Überlauf und die gasförmigen Produkte aus dem ersten Kessel in den zweiten Kessel geführt werden. Typischerweise wird mit möglichen nachfolgenden Kesseln in entsprechender Weise verfahren. Insbesondere kann durch eine solche Fahrweise die Schaumbildung in den Kesseln reduziert werden. Im zweiten Kessel und in den möglichen nachfolgenden Kesseln kann ebenfalls eine Zugabe von Alkohol erfolgen. Bevorzugt ist hierbei die Menge an zugegeben Alkohol um mindestens 10 Gew% kleiner im Vergleich zum vorhergehenden Kessel. Die Konzentrationen an Wasser in den verschiedenen Kesseln können sich typischerweise voneinander unterscheiden. Typischerweise beträgt die Temperatur der in den ersten Kessel eingespeisten zweiten Reaktionsmischung im Bereich von 100 bis 180 °C. Typischerweise liegt die Temperatur im ersten Kessel im Bereich von 90 bis 180 °C und die Temperatur im zweiten und in den möglichen nachfolgenden Kesseln im Bereich von 100 bis 150 °C. In a preferred embodiment, the esterification takes place in two or more, in particular three or four, successive boilers in the form of a so-called boiler cascade, with the liquid overflow and the gaseous products being fed from the first boiler into the second boiler. Typically, possible subsequent boilers are handled in a similar manner. In particular, such a driving style can reduce the formation of foam in the boilers. Alcohol can also be added to the second kettle and any subsequent kettles. The amount of alcohol added is preferably at least 10% by weight smaller compared to the previous boiler. The concentrations of water in the different boilers can typically differ from one another. Typically, the temperature of the second reaction mixture fed into the first vessel is in the range from 100 to 180 ° C. Typically, the temperature in the first boiler is in the range of 90 to 180 °C and the temperature in the second and possible subsequent boilers is in the range of 100 to 150 °C.
In einer besonderen Ausführungsform des vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Reaktionsschritt c. MMA als Ester entstehend aus MASA und 2-HIBSM als Ester entstehend aus 2- HIBA am Kopf einer der Rektifikation I vorgeschalteten Destillationskolonne (E) kondensiert. Dabei zerfällt dieses Kondensat in zwei flüssige Phasen, wobei die obere organische Phase enthaltend MMA und 2-HIBSM nach Abtrennung von Leichtsiedern der Rektifikation I zugeführt werden kann.In a particular embodiment of the present process according to the invention, in reaction step c. MMA as an ester arising from MASA and 2-HIBSM as an ester arising from 2-HIBA are condensed at the top of a distillation column (E) upstream of rectification I. This condensate breaks down into two liquid phases, whereby the upper organic phase containing MMA and 2-HIBSM can be fed to rectification I after the low boilers have been separated off.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird im Reaktionsschritt c) MMA als Alkylmethacrylat am Kopf einer der Rektifikation I vorgeschalteten Destillationskolonne kondensiert, wobei das Kondensat in zwei flüssige Phasen zerfällt, wobei die obere organische Phase enthaltend MMA als Alkylmethacrylat und 2-HIBSM als Hydroxyisobuttersäurealkylester nach Abtrennung von Leichtsiedern der Rektifikation I zugeführt wird. In a preferred embodiment, in reaction step c), MMA is condensed as alkyl methacrylate at the top of a distillation column upstream of rectification I, the condensate breaking down into two liquid phases, the upper organic phase containing MMA as alkyl methacrylate and 2-HIBSM as hydroxyisobutyric acid alkyl ester after removal of low boilers is fed to rectification I.
Zu Verfahrensschritt d. Regarding process step d.
Bei Verfahrensschritt d. handelt es sich um die Isolierung der Produkte Alkylmethacrylat und alpha- Hydroxyisobuttersäurealkylester aus der dritten Reaktionsmischung. Dabei umfasst dieser Verfahrensschritt insbesondere mindestens zwei destillative Schritte und optional mindestens eine Phasentrennung, wobei das Endprodukt Alkylmethacrylat als Kopfprodukt einer Rektifikation I kondensiert wird und der alpha-Hydroxyisobuttersäurealkylester in einem weiteren Strom isoliert und optional weiter aufgearbeitet wird. Darüber hinaus können weitere dem Fachmann bekannte Trennschritte zum Einsatz kommen. Beispiele dafür sind insbesondere Rektifikations-, Extraktions-, Strippungs- und/oder Phasentrennschritte. In process step d. it involves the isolation of the products alkyl methacrylate and alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester from the third reaction mixture. This process step includes in particular at least two distillative steps and optionally at least one phase separation, the end product alkyl methacrylate being condensed as the top product of a rectification I and the alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester being isolated in a further stream and optionally further processed. In addition, others known to those skilled in the art can Separation steps are used. Examples of this are, in particular, rectification, extraction, stripping and/or phase separation steps.
Bevorzugt umfasst die Aufarbeitung die Vorreinigung der dritten Reaktionsmischung, welche in der Veresterung erhalten wird. Insbesondere umfasst die Vorreinigung mindestens einen Destillationsschritt, mindestens einen Phasentrennungsschritt und mindestens einen Extraktionsschritt. Des Weiteren bevorzugt umfasst die Vorreinigung mindestens einen, bevorzugt mindestens zwei Destillationsschritte. Insbesondere wird in der Vorreinigung ein M MA- Roh produkt erhalten, welches eine Reinheit im Bereich von mindestens 85 Gew% aufweist. The workup preferably includes the prepurification of the third reaction mixture, which is obtained in the esterification. In particular, the prepurification includes at least one distillation step, at least one phase separation step and at least one extraction step. Furthermore, the pre-cleaning preferably comprises at least one, preferably at least two, distillation steps. In particular, an MMA raw product is obtained in the pre-cleaning, which has a purity in the range of at least 85% by weight.
Bevorzugt umfasst die Aufarbeitung die Feinreinigung des Rohproduktes, wobei die Feinreinigung mindestens einen, bevorzugt mindestens zwei Destillationsschritte umfasst. Insbesondere bevorzugt wird in der Feinreinigung ein MMA-Rohprodukt erhalten, welches eine Reinheit von mindestens 99,0 Gew% aufweist. The workup preferably includes the fine cleaning of the raw product, the fine cleaning comprising at least one, preferably at least two, distillation steps. Particular preference is given to obtaining an MMA raw product in the fine cleaning which has a purity of at least 99.0% by weight.
In einerweiteren Ausführungsform umfasst die Aufarbeitung die Abtrennung von Methacrylsäure (MAS) aus der dritten Reaktionsmischung. Methacrylsäure wird auch gebildet, wenn es sich bei Verfahrensschritt c. um eine Veresterung handelt. Einzelheiten zur Aufarbeitung zur Gewinnung von MAS sind gut bekannt und beispielsweise in DE 102008000787 beschrieben. In a further embodiment, the workup includes the separation of methacrylic acid (MAS) from the third reaction mixture. Methacrylic acid is also formed when in process step c. is an esterification. Details of the processing to obtain MAS are well known and described, for example, in DE 102008000787.
Die Aufarbeitung der dritten Reaktionsmischungen umfasst beispielsweise eine geeignete Sequenz von Trennoperationen, bevorzugt ausgewählt aus Rektifikations-, Extraktions-, Strippungs- und/oder Phasentrennschritten. Bevorzugt können Verfahrensströme in die vorgeschalteten Prozessschritte rückgeführt werden, die noch zum Zielprodukt umwandelbare Zwischenprodukte wie 2-HIBSM oder 2-HIBS enthalten. Besonders bevorzugt werden die 2-HIBSM enthaltenden Verfahrensströme in einer Sequenz von Trennoperationen so aufgearbeitet, dass ein 2-HIBSM- Reinstrom erhalten wird. Zudem sollte bevorzugt durch die geeignete Wahl der Betriebsparameter der Trennoperationen sichergestellt werden, dass bereits gebildetes Methylmethacrylat nicht in wertmindernder Weise in Nebenprodukte zerfällt. The workup of the third reaction mixtures includes, for example, a suitable sequence of separation operations, preferably selected from rectification, extraction, stripping and/or phase separation steps. Process streams can preferably be recycled into the upstream process steps which still contain intermediate products such as 2-HIBSM or 2-HIBS that can be converted into the target product. Particularly preferably, the process streams containing 2-HIBSM are processed in a sequence of separation operations in such a way that a 2-HIBSM pure stream is obtained. In addition, the appropriate choice of operating parameters for the separation operations should preferably ensure that methyl methacrylate that has already been formed does not decompose into by-products in a value-reducing manner.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der verdampfbare Teil der dritten Reaktionsmischung, insbesondere nach einer Veresterung mit Methanol, in gasförmiger Form als Brüden aus den Reaktoren III (in den Fig. beispielsweise als D gekennzeichnet) abgeführt und der weiteren Aufarbeitung, beispielsweise einem Destillationsschritt (in den Fig. beispielsweise als E gekennzeichnet), zugeführt. Wenn bevorzugt eine Kaskade aus mehreren Reaktoren III, z.B. mehreren Kesseln, verwendet wird, kann in jedem Kessel der verdampfbare Teil der entstehenden Reaktionsmischung als Brüdenstrom abgeführt und in die weitere Aufarbeitung geführt werden. Bevorzugt wird lediglich der in den letzten beiden Kesseln entstehende verdampfbare Teil der Reaktionsmischung als dritte Reaktionsmischung in Form eines Brüdenstroms abgeführt und in die weitere Aufarbeitung geführt. Der bei der Destillation erhaltene Sumpfstrom wird in den oder die Reaktoren III zurückgeführt. Das MMA-reiche Kondensat aus der beschriebenen Kolonne (E) wird zur Abtrennung von Schwersiedern einer Flüssig/Flüssig-Phasentrennung (in den Fig. beispielsweise als F gekennzeichnet) unter Zufuhr von Frischwasser zugeführt. Die methanolhaltige wässrige Phase aus der Phasentrennung (F) wird bevorzugt erneut dem oder den Reaktoren III (D) zugeführt. Die organische Phase aus der Phasentrennung (F) wird anschließend vorteilhafterweise zur Abtrennung von Leichtsiedern einer weiteren Kolonne (insbesondere eine Leichtsiederkolonne, die in den Fig. beispielsweise als G gekennzeichnet) zugeführt, wobei zugleich ein Abgas abgeführt werden kann. Die Leichtsiederwerden beispielsweise in einer Extraktion/Phasentrennung (in den Fig. beispielsweise als H gekennzeichnet) mit weiterem Frischwasser gewaschen. Dies erfolgt bei einer solchen Durchführung des Verfahrens unter Erhalt einer organischen Phase, die in die Leichtsiederkolonne (G) zurückgeführt wird. Das an Leichtsiedern abgereicherte Sumpfprodukt wird in der Rektifikation I (in den Fig. beispielsweise als I gekennzeichnet) aufgereinigt. Dies erfolgt in diesem Fall unter Erhalt eines MMA-Reinprodukts am Kopf der Kolonne. Der als Sumpfprodukt der Rektifikation I (I) verbleibende Strom kann gemäß Stand der Technik in den oder die Reaktoren III (D) zurückgeführt werden, wobei der im Strom enthaltene alpha- Hydroxyisobuttersäuremethylester in der Veresterung zu MMA bzw. zu hochsiedenden Nebenprodukten umgesetzt wird (Die hier beschriebene Ausführung des Verfahrens ist nicht in den unten folgenden Schemata dargestellt). In a preferred embodiment, the vaporizable part of the third reaction mixture, in particular after esterification with methanol, is removed in gaseous form as vapors from the reactors III (marked as D in the figures, for example) and is subjected to further workup, for example a distillation step (in the Fig. marked as E, for example). If a cascade of several reactors III, for example several boilers, is preferably used, the vaporizable part of the resulting reaction mixture can be removed in each boiler as a vapor stream and passed on to further workup. Preferably, only the vaporizable part of the reaction mixture formed in the last two boilers is removed as a third reaction mixture in the form of a vapor stream and fed into further workup. The bottom stream obtained during the distillation is returned to the reactor or reactors III. The MMA-rich condensate from the column (E) described is fed to a liquid/liquid phase separation (marked as F in the figures, for example) with the addition of fresh water to remove high boilers. The methanol-containing aqueous phase from the phase separation (F) is preferably fed again to the reactor or reactors III (D). The organic phase from the phase separation (F) is then advantageously fed to a further column (in particular a low boiler column, marked for example as G in the figures) for the separation of low boilers, whereby an exhaust gas can be removed at the same time. The low boilers are washed with further fresh water, for example in an extraction/phase separation (marked as H in the figures, for example). When the process is carried out in this way, an organic phase is obtained, which is returned to the low boiler column (G). The bottom product, which is depleted in low boilers, is purified in rectification I (marked as I in the figures, for example). In this case, this takes place while obtaining a pure MMA product at the top of the column. According to the prior art, the stream remaining as the bottom product of rectification I (I) can be recycled into the reactor or reactors III (D), the alpha-hydroxyisobutyric acid methyl ester contained in the stream being converted in the esterification to MMA or to high-boiling by-products (Die The execution of the method described here is not shown in the diagrams below).
Vorteilhaft können ein oder mehrere Stabilisatoren in verschiedenen Stoffströmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zugesetzt werden, um eine Polymerisation des Methylmethacrylat und/oder der Methacrylsäure zu verhindern oder zu reduzieren. Beispielsweise kann ein Stabilisator zu der dritten Reaktionsmischung, erhalten nach der Veresterung, zugegeben werden. Bevorzugt wird im Amidierungs- und Konvertierungsteil Phenothiazin und andere adäquat wirkende Stabilisatoren eingesetzt; im Veresterungs- bzw. Aufarbeitungsteil werden phenolische Verbindungen, Chinone und Katechole eingesetzt. Daneben kommen Amin-N-Oxide, wie z.B. TEMPOL bzw. Kombinationen der genannten Stabilisatorsysteme zum Einsatz. One or more stabilizers can advantageously be added to various streams of the process according to the invention in order to prevent or reduce polymerization of the methyl methacrylate and/or the methacrylic acid. For example, a stabilizer may be added to the third reaction mixture obtained after esterification. Phenothiazine and other adequately acting stabilizers are preferably used in the amidation and conversion part; Phenolic compounds, quinones and catechols are used in the esterification or processing part. In addition, amine-N-oxides, such as TEMPOL or combinations of the stabilizer systems mentioned, are used.
Aus dem oder den Reaktoren III, also der Veresterung bzw. der Hydrolyse, wird bevorzugt ein Abfallstrom, bestehend im Wesentlichen aus verdünnter Schwefelsäure, abgeführt. Dieser Abfallstrom wird typischerweise aus dem Verfahren ausgeschleust. Bevorzugt wird dieser Abfallstrom, insbesondere zusammen mit einem oder mehreren wässrigen Abfallströmen des erfindungsgemäßen Verfahrens, einem Verfahren zur Regenerierung von Schwefelsäure oder einem Verfahren zur Gewinnung von Ammoniumsulfat zugeführt. A waste stream consisting essentially of dilute sulfuric acid is preferably removed from the reactor or reactors III, i.e. the esterification or hydrolysis. This waste stream is typically removed from the process. This waste stream is preferably fed, in particular together with one or more aqueous waste streams from the process according to the invention, to a process for regenerating sulfuric acid or a process for obtaining ammonium sulfate.
Zu Verfahrensschritt e. Regarding process step e.
Bei dem insbesondere die vorliegende Erfindung kennzeichnenden Verfahrensschritt e. handelt es sich um eine Isolierung des Verfahrensproduktes alpha-Hydroxyisobuttersäurealkylester, wobei ein Sumpfprodukt der Rektifikation I aus Verfahrensschritt d., welches insbesondere weiteres Alkylmethacrylat, Methacrylsäure und alpha-Hydroxyisobuttersäurealkylester sowie ein oder mehrere Polymerisationsinhibitoren aufweist, mindestens einerweiteren Rektifikation, entweder einer Rektifikation II oder einer Rektifikation IV, zugeführt wird. In process step e, which particularly characterizes the present invention. it is an isolation of the process product alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester, a bottom product of rectification I from process step d., which in particular further alkyl methacrylate, methacrylic acid and alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester as well as one or has several polymerization inhibitors, is fed to at least one further rectification, either a rectification II or a rectification IV.
Wie bereits ausgeführt gibt es dabei insbesondere zwei Ausführungsformen dieses Verfahrensschritts e., die als gleichwertig bevorzugt zu betrachten sind. As already stated, there are in particular two embodiments of this method step e., which are to be viewed as equally preferred.
Zur ersten Ausführungsform des Verfahrensschritts e. Regarding the first embodiment of method step e.
In der ersten Ausführungsform wird am Kopf der Rektifikation II weiteres Alkylmethacrylat gewonnen. Gleichzeitig wird in einem unteren Abschnitt und/oder im Sumpf der Rektifikation II eine an Methacrylsäure und alpha-Hydroxyisobuttersäurealkylester angereicherte Fraktion erhalten, die einerweiteren Rektifikation III zugeführt wird. In dieser Rektifikation III wird schließlich der alpha- Hydroxyisobuttersäurealkylester als flüssiges Kondensat in hochreiner Form entnommen. In the first embodiment, additional alkyl methacrylate is obtained at the top of rectification II. At the same time, in a lower section and/or in the bottom of rectification II, a fraction enriched in methacrylic acid and alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester is obtained, which is fed to a further rectification III. In this rectification III, the alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester is finally removed as a liquid condensate in highly pure form.
Weiterhin bevorzugt wird in dieser ersten Ausführungsform der Rektifikation III ein Methacrylsäure- und Inhibitor-haltiger Sumpfstrom entnommen, der dem Reaktionsschritt c) zumindest teilweise zu- bzw. zurückgeführt werden kann. Furthermore, in this first embodiment of rectification III, a bottom stream containing methacrylic acid and inhibitor is preferably removed, which can be at least partially fed to or returned to reaction step c).
Bevorzugt wird die Rektifikation II bei einem Druck von 1 bis 200 mbar und einer maximalen Sumpftemperatur von 105 °C durchgeführt. Rectification II is preferably carried out at a pressure of 1 to 200 mbar and a maximum bottom temperature of 105 ° C.
Weiterhin bevorzugt wird der Sumpfstrom der Rektifikation I als Feedstrom der Rektifikation II verwendet. Dabei weist dieser Strom in der Regel 20 bis 90 Gew% Alkylmethacrylat, bevorzugt Methylmethacrylat, 1 bis 20 Gew% Methacrylsäure und 1 bis 20 Gew% Hydroxyisobuttersäurealkylester, bevorzugt alpha-Hydroxyisobuttersäuremethylester, auf. Furthermore, the bottom stream from rectification I is preferably used as the feed stream from rectification II. This stream generally has 20 to 90% by weight of alkyl methacrylate, preferably methyl methacrylate, 1 to 20% by weight of methacrylic acid and 1 to 20% by weight of hydroxyisobutyric acid alkyl ester, preferably alpha-hydroxyisobutyric acid methyl ester.
Bevorzugt hat das Kopfprodukt der Rektifikation II einen Gehalt an Methylmethacrylat von mindestens 95 Gew%, bevorzugt mind. 99 Gew%, besonders bevorzugt 99,5 Gew%. Dabei wird dieses entweder als reines Monomer gemäß der Spezifikation der Rektifikation I zugeführt oder direkt als Produkt aus dem Prozess entnommen. The top product of rectification II preferably has a methyl methacrylate content of at least 95% by weight, preferably at least 99% by weight, particularly preferably 99.5% by weight. This is either added as a pure monomer according to the Rectification I specification or removed directly from the process as a product.
Der Sumpfstrom der Rektifikation III wiederum weist bevorzugt einen Gehalt an alpha- Hydroxyisobuttersäure von 0,01 bis 5,0 Gew% auf. Dieser Sumpfstrom wird bevorzugt, um die Gesamtausbeute des Verfahrens zu steigern, anschließend zumindest teilweise dem Reaktionsschritt c. zugeführt. Dabei wird hier durch Umsetzung mit Methanol weiterer alpha- Hydroxyisobuttersäuremethylester erzeugt. The bottom stream from rectification III in turn preferably has an alpha-hydroxyisobutyric acid content of 0.01 to 5.0% by weight. This bottom stream is preferred in order to increase the overall yield of the process, then at least partially to reaction step c. supplied. Further alpha-hydroxyisobutyric acid methyl ester is produced here by reaction with methanol.
In der Regel wird in dieser Ausführungsform die Rektifikation III bei einem Druck von 1 bis 200 mbar, einer maximalen Sumpftemperatur von 105 °C und optional bei einem niedrigeren Druck und einer identischen oder niedrigeren Sumpftemperatur als die Rektifikation II betrieben. As a rule, in this embodiment, rectification III is operated at a pressure of 1 to 200 mbar, a maximum bottom temperature of 105 ° C and optionally at a lower pressure and an identical or lower bottom temperature than rectification II.
Besonders bevorzugt werden die Rektifikationen II, III und IV bei einem Druck von 1 bis 200 mbar und einer maximalen Sumpftemperatur von 105 °C durchgeführt. Rectifications II, III and IV are particularly preferably carried out at a pressure of 1 to 200 mbar and a maximum bottom temperature of 105 ° C.
Der Kopfstrom der Rektifikation III wiederum weist bevorzugt neben dem Hauptbestandteil 2- HIBSM einen Gehalt an Ameisensäure zwischen 100 ppm und 5,0 Gew% auf. Weiterhin bevorzugt wird das am Kopf der Rektifikation III kondensierte Produkt mit einer Reinheit von mindestens 90% in einer zusätzlichen Destillationskolonne behandelt. Dabei zeichnet sich diese weitere Destillationskolonne dadurch aus, dass Einbauten, Füllkörper und Behältermaterialien mindestens teilweise aus nichtmetallischen Werkstoffen wie Polymeren oder mineralischen Materialien, wie z.B. Glas gefertigt oder mit diesen flächendeckend beschichtet sind. The top stream of rectification III in turn preferably has, in addition to the main component 2-HIBSM, a formic acid content of between 100 ppm and 5.0% by weight. Furthermore, the product condensed at the top of rectification III with a purity of at least 90% is preferably treated in an additional distillation column. This further distillation column is characterized by the fact that internals, packing and container materials are at least partially made of non-metallic materials such as polymers or mineral materials such as glass or are coated with these over the entire surface.
Zur zweiten Ausführungsform des Verfahrensschritts e. Regarding the second embodiment of method step e.
In der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Sumpfprodukt der Rektifikation I einer Rektifikation IV, bei der es sich um eine Seitenstromkolonne handelt, zugeführt. Bei dieser Ausführung wird also das 2-HIBSA-, insbesondere 2-HIBSM-Reinprodukt als Seitenstromprodukt erhalten, und eine weitere Kolonne, wie in der anderen Ausführungsform die Rektifikation III, ist nicht nötig. In einer solchen Ausführungsform ersetzt also die Rektifikation IV die Rektifikationen II und III der ersten Ausführungsform in nur einer Kolonne. In the second embodiment of the present invention, the bottom product of rectification I is fed to a rectification IV, which is a sidestream column. In this embodiment, the 2-HIBSA, in particular 2-HIBSM, pure product is obtained as a sidestream product, and a further column, as in the other embodiment, rectification III, is not necessary. In such an embodiment, rectification IV replaces rectifications II and III of the first embodiment in just one column.
Weiterhin wird aus dieser Rektifikation IV zugleich ein Methacrylsäure- und Inhibitor-haltiger Sumpfstrom entnommen, der bevorzugt dem Reaktionsschritt c) zumindest teilweise zu- bzw. zurückgeführt wird. Furthermore, a bottom stream containing methacrylic acid and inhibitor is simultaneously removed from this rectification IV, which is preferably at least partially fed to or returned to reaction step c).
Bevorzugt wird der Sumpfstrom der Rektifikation I als Feedstrom der Rektifikation IV verwendet. Dabei weist dieser Strom 20 bis 90 Gew% Methylmethacrylat, 1 bis 20 Gew% Methacrylsäure und 1 bis 20 Gew% alpha-Hydroxyisobuttersäuremethylester auf. The bottom stream from rectification I is preferably used as the feed stream from rectification IV. This stream has 20 to 90% by weight of methyl methacrylate, 1 to 20% by weight of methacrylic acid and 1 to 20% by weight of alpha-hydroxyisobutyric acid methyl ester.
Bevorzugt wird die Rektifikation IV bei einem Druck von 1 bis 200 mbar, einer maximalen Sumpftemperatur von 105 °C und optional bei einem niedrigeren Druck und einer identischen oder niedrigeren Sumpftemperatur als die Kolonne II in der alternativen ersten Ausführungsform betrieben. Rectification IV is preferably operated at a pressure of 1 to 200 mbar, a maximum bottom temperature of 105 ° C and optionally at a lower pressure and an identical or lower bottom temperature than column II in the alternative first embodiment.
Der Sumpfstrom der Rektifikation IV wiederum weist bevorzugt einen Gehalt an alpha- Hydroxyisobuttersäure von 0,01 bis 5,0 Gew% auf. Dieser Sumpfstrom wird bevorzugt, um die Gesamtausbeute des Verfahrens zu steigern, anschließend zumindest teilweise dem Reaktionsschritt c. zugeführt. Dabei wird hier durch Umsetzung mit Methanol weiterer 2- Hydroxyisobuttersäuremethylester erzeugt. The bottom stream from rectification IV in turn preferably has an alpha-hydroxyisobutyric acid content of 0.01 to 5.0% by weight. This bottom stream is preferred in order to increase the overall yield of the process, then at least partially to reaction step c. supplied. Here, further 2-hydroxyisobutyric acid methyl ester is produced by reaction with methanol.
Der Seitenstrom der Rektifikation IV weist zusätzlich zu dem Hauptbestandteil 2-HIBSM bevorzugt einen Gehalt an Ameisensäure zwischen 100 ppm und 5,0 Gew% auf. In addition to the main component 2-HIBSM, the side stream of rectification IV preferably has a formic acid content of between 100 ppm and 5.0% by weight.
Insgesamt wird das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt derart durchgeführt, dass Hydroxyisobuttersäurealkylester, bevorzugt Hydroxyisobuttersäuremethylester 2-HIBSM, durch Rektifikation und Abtrennung, bevorzugt unabhängig von der gewählten Ausführungsform des Verfahrensschrittes e., von Alkylmethacrylat, bevorzugt Methylmethacrylat, und Methacrylsäure sowie phenolischen und N-Oxid-haltigen Prozessinhibitoren derart isoliert und gereinigt wird, dass der Hydroxyisobuttersäurealkylester, bevorzugt Hydroxyisobuttersäuremethylester 2-HIBSM, einen Gehalt (bzw. eine Reinheit) von mindestens 60 Gew%, bevorzugt größer 90 Gew% und besonders bevorzugt größer 98 Gew% aufweist. Overall, the process according to the invention is preferably carried out in such a way that hydroxyisobutyric acid alkyl ester, preferably hydroxyisobutyric acid methyl ester 2-HIBSM, by rectification and separation, preferably independently of the selected embodiment of process step e., of alkyl methacrylate, preferably methyl methacrylate, and methacrylic acid as well as phenolic and N-oxide-containing Process inhibitors are isolated and purified in such a way that the hydroxyisobutyric acid alkyl ester, preferably hydroxyisobutyric acid methyl ester 2-HIBSM, is one Content (or a purity) of at least 60% by weight, preferably greater than 90% by weight and particularly preferably greater than 98% by weight.
Insgesamt kann über das erfindungsgemäße Verfahren jedoch festgehalten werden, dass die an verschiedenen Stellen beschriebene Trennung sowie Rückführung von Zwischenprodukten mit einem Energieaufwand verbunden ist und daher es vorteilhaft wäre, wenn diese Schritte minimiert werden könnten. Dies kann derart erfolgen, dass in den vorgelagerten Prozessschritten möglichst geringe Anteile dieser Zwischenprodukte erzeugt werden. Somit wirkt sich in der Regel eine möglichst vollständige Umwandlung insbesondere von 2-HIBA zu MASA in der Konvertierung, also in Verfahrensschritt b., vorteilhaft auf den gesamten Produktionsprozess aus. Insgesamt zielt das erfindungsgemäße Verfahren auf eine möglichst hohe summarische Selektivität der Zielprodukte MMA und HIBSM, denen gleichermaßen das Zwischenprodukt HIBA zugrunde liegt. Overall, however, it can be stated about the method according to the invention that the separation and recycling of intermediate products described in various places involves energy expenditure and it would therefore be advantageous if these steps could be minimized. This can be done in such a way that the smallest possible proportions of these intermediate products are produced in the upstream process steps. As a rule, the most complete conversion possible, in particular from 2-HIBA to MASA, in the conversion, i.e. in process step b., has an advantageous effect on the entire production process. Overall, the method according to the invention aims at the highest possible overall selectivity of the target products MMA and HIBSM, which are also based on the intermediate product HIBA.
Dazu kann auch folgendes ergänzt werden: In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren in der dritten Reaktionsstufe und damit in Verfahrensschritt c. die Veresterung von MASA zu MMA. Daher ist eine möglichst vollständige Umwandlung von 2-HIBA und 2-SIBA zu MASA entscheidend für eine hohe Ausbeute des gesamten Verfahrens. Die Effizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens kann somit ermittelt werden als Differenz der Ausbeute nach dem Verfahrensschritt der Amidierung und der Ausbeute nach dem Verfahrensschritt der Konvertierung. Die Ausbeute nach dem Verfahrensschritt der Amidierung ergibt sich aus den gemessenen Mengen an 2-HIBA, 2-SIBA, MAS und MASA. Die Ausbeute nach der thermischen Umwandlung ergibt sich aus den gemessenen Mengen an MAS und MASA.The following can also be added to this: In a preferred embodiment, the process according to the invention comprises in the third reaction stage and thus in process step c. the esterification of MASA to MMA. Therefore, the most complete conversion of 2-HIBA and 2-SIBA to MASA is crucial for a high yield of the entire process. The efficiency of the process according to the invention can thus be determined as the difference between the yield after the amidation process step and the yield after the conversion process step. The yield after the amidation process step results from the measured amounts of 2-HIBA, 2-SIBA, MAS and MASA. The yield after thermal conversion results from the measured amounts of MAS and MASA.
Weiterhin ist der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gewonnene bzw. gewinnbare alpha- Hydroxyisobuttersäurealkylester, insbesondere alpha-Hydroxyisobuttersäure-methylester Bestandteil der vorliegenden Erfindung. Dieser zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der Gehalt an Ionen von Halbmetallen und Metallen in den erfindungsgemäß aufgereinigten Endprodukten jeweils einen Wert von 1 Gew-ppm nicht überschreitet und in Summe kleiner 5 Gew- ppm ist. Beispiele für solche Ionen, die in dem Produkt vorliegen können, sind insbesondere solche der Elemente Si, Na, Fe, Co, Mn oder Cr. Furthermore, the alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester obtained or recoverable by means of the process according to the invention, in particular alpha-hydroxyisobutyric acid methyl ester, is part of the present invention. This is characterized in particular by the fact that the content of ions of semimetals and metals in the end products purified according to the invention does not exceed a value of 1 ppm by weight and is less than 5 ppm by weight in total. Examples of such ions that can be present in the product are, in particular, those of the elements Si, Na, Fe, Co, Mn or Cr.
Weiterhin ist die Verwendung von alpha-Hydroxyisobuttersäurealkylester, insbesondere alpha- Hydroxyisobuttersäuremethylester Bestandteil der vorliegenden Erfindung. Dieser erfindungsgemäß verwendete alpha-Hydroxyisobuttersäurealkylester zeichnet sich dadurch aus, dass dieser einen Gehalt von mindestens 90 Gew%, bevorzugt größer 95 Gew% und besonders bevorzugt größer 98 Gew% alpha-Hydroxyisobuttersäurealkylester, bevorzugt alpha- Hydroxyisobuttersäuremethylester und einen kumulierten Gehalt an Metall- und Halbmetallionen kleiner 5 Gew-ppm aufweist. Dabei ist der alpha-Hydroxyisobuttersäurealkylester herstellbar mittels des beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens und wird in der Fertigung von elektronischen Bauteilen oder Baugruppen eingesetzt. Beschreibung der Figuren Furthermore, the use of alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester, in particular alpha-hydroxyisobutyric acid methyl ester, is part of the present invention. This alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester used according to the invention is characterized in that it has a content of at least 90% by weight, preferably greater than 95% by weight and particularly preferably greater than 98% by weight of alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester, preferably alpha-hydroxyisobutyric acid methyl ester and a cumulative content of metal and semi-metal ions less than 5 ppm by weight. The alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester can be produced using the method according to the invention described and is used in the production of electronic components or assemblies. Description of the characters
Figur 1 : Reaktionsnetzwerk Figure 1: Reaction network
Figur 1 beschreibt das Reaktionsnetzwerk der Bildung von Methacrylsäure und/oder Methylmethacrylat ausgehend von Methan und Ammoniak sowie Aceton. Ausgehend von Methan (CH4) und Ammoniak (NH3) kann über das BMA-Verfahren (Blausäure aus Methan und Ammoniak) mittels katalytischer Dehydrierung Blausäure hergestellt werden (CH4 + NH3 —> HCN + 3 H2) (Variante 1). Figure 1 describes the reaction network for the formation of methacrylic acid and/or methyl methacrylate starting from methane and ammonia as well as acetone. Starting from methane (CH4) and ammonia (NH3), hydrogen cyanide can be produced using the BMA process (hydrocyanic acid from methane and ammonia) using catalytic dehydrogenation (CH4 + NH3 —> HCN + 3 H2) (variant 1).
Alternativ kann über das Andrussow-Verfahren ausgehend von Methan und Ammoniak, unter Zugabe von Sauerstoff, Blausäure hergestellt werden (CH4 + NH3 + 1 ,5 O2 —> HCN + 3 H2O) (Variante 2). Alternatively, hydrogen cyanide can be produced using the Andrussow process starting from methane and ammonia with the addition of oxygen (CH4 + NH3 + 1.5 O2 —> HCN + 3 H2O) (variant 2).
Weitere dem Fachmann bekannte Quellen für Blausäure für die Herstellung von Acetoncyanhydrin sind Acrylnitril-Prozesse, bei deren Propylen-Ammonoxidation auch 5-15% Blausäure entstehen, relativ zum Hauptprodukt Acrylnitril, sowie das sogenannte Formamidverfahren, wobei Formamid in der Gasphase unter Dehydratisierung zu HCN umgesetzt wird. Other sources of hydrogen cyanide known to those skilled in the art for the production of acetone cyanohydrin are acrylonitrile processes, in which propylene ammoxidation also produces 5-15% hydrogen cyanide, relative to the main product acrylonitrile, and the so-called formamide process, in which formamide is converted into HCN in the gas phase with dehydration becomes.
Im nächsten Schritt wird ausgehend von Aceton und Blausäure, unter Zugabe eines basischen Katalysators, wie z.B. Diethylamin Et2NH oder Alkalihydroxide, Acetoncyanhydrin (ACH) hergestellt. Die Hydroxygruppe des Acetoncyanhydrins wird im Folgenden mit Schwefelsäure verestert, wobei zunächst alpha-Sulfoxyisobutyronitril (2-SIBN) erhalten wird. Die Nitrilgruppe des alpha-Sulfoxyisobutyronitrils (2-SIBN) kann im nächsten Schritt unter Einwirkung von Schwefelsäure und Wasser verseift werden, wobei alpha-Sulfoxyisobuttersäureamid- Hydrogensulfat (2-SIBA H2SO4) erhalten wird. Als Nebenreaktion kann die Bildung von Methacrylnitril (MAN) unter Eliminierung von Schwefelsäure aus SIBN erfolgen, alpha- Sulfoxyisobuttersäureamid-Hydrogensulfat (2-SIBA H2SO4) kann zudem teilweise zum alpha- Hydroxyisobuttersäureamid-hydrogensulfat (alpha-Hydroxyisobutyramid-hydrogensulfat, 2- HIBA H2SO4) hydrolysiert werden. Ebenfalls ist die Rückreaktion zum Schwefelsäureester 2- SIBA H2SO4 möglich. Als Nebenprodukt kann alpha-Hydroxyisobuttersäure (2-HIBS) durch weitere Hydrolyse von 2-HIBA H2SO4 gebildet werden. In the next step, starting from acetone and hydrogen cyanide, acetone cyanohydrin (ACH) is produced with the addition of a basic catalyst, such as diethylamine Et2NH or alkali metal hydroxides. The hydroxy group of acetone cyanohydrin is subsequently esterified with sulfuric acid, initially obtaining alpha-sulfoxyisobutyronitrile (2-SIBN). The nitrile group of alpha-sulfoxyisobutyronitrile (2-SIBN) can be saponified in the next step under the action of sulfuric acid and water, giving alpha-sulfoxyisobutyronitrile hydrogen sulfate (2-SIBA H2SO4). As a side reaction, the formation of methacrylonitrile (MAN) can occur with the elimination of sulfuric acid from SIBN; alpha-sulfoxyisobutyramide hydrogen sulfate (2-SIBA H2SO4) can also partially form alpha-hydroxyisobutyramide hydrogen sulfate (alpha-hydroxyisobutyramide hydrogen sulfate, 2-HIBA H2SO4). be hydrolyzed. The reverse reaction to the sulfuric acid ester 2-SIBA H2SO4 is also possible. As a byproduct, alpha-hydroxyisobutyric acid (2-HIBS) can be formed by further hydrolysis of 2-HIBA H2SO4.
Ausgehend von 2-SIBA H2SO4 wird unter Eliminierung von Schwefelsäure Methacrylamid- hydrogensulfat (MASA H2SO4) gebildet (Konvertierung). Ebenfalls kann die langsame Umsetzung von 2-HIBA oder 2-HIBS zu MAS oder MASA als Eliminierungsreaktion unter Abspaltung von NH4HSO4 oder Wasser ablaufen. Nachfolgend kann Methacrylamid-hydrogensulfat (MASA H2SO4) durch Hydrolyse zu Methacrylsäure (MAS) oder durch Veresterung mit Methanol (MeOH) zu Methylmethacrylat (MMA) umgewandelt werden. Wird alpha-Hydroxyisobuttersäure (2-HIBS) in die Veresterung mitgeschleppt, kann es zu alpha-Hydroxyisobuttersäuremethylester (2-HIBSM) umgesetzt werden; zum gleichen Reaktionsprodukt führt die Umsetzung von 2-HIBA mit Methanol. Figur 2: C3-Prozess mit 2-Kolonnensystem zur Isolierung von 2-HIBSM Starting from 2-SIBA H2SO4, methacrylamide hydrogen sulfate (MASA H2SO4) is formed with the elimination of sulfuric acid (conversion). The slow conversion of 2-HIBA or 2-HIBS to MAS or MASA can also take place as an elimination reaction with the elimination of NH4HSO4 or water. Subsequently, methacrylamide hydrogen sulfate (MASA H2SO4) can be converted to methacrylic acid (MAS) by hydrolysis or to methyl methacrylate (MMA) by esterification with methanol (MeOH). If alpha-hydroxyisobutyric acid (2-HIBS) is carried into the esterification, it can be converted to alpha-hydroxyisobutyric acid methyl ester (2-HIBSM); The reaction of 2-HIBA with methanol leads to the same reaction product. Figure 2: C3 process with 2-column system for isolation of 2-HIBSM
Figur 2 zeigt somit ein Fließschema einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von MMA und gleichzeitiger Isolierung von 2-HIBSM. Figure 2 thus shows a flow diagram of a preferred embodiment of the process according to the invention for producing MMA and simultaneous isolation of 2-HIBSM.
Figur 3: C3-Prozess mit Seitenstromkolonne zur Isolierung von 2-HIBSM Figur 3 zeigt somit eine weitere Variante des Prozesses mit optimierter Isolierung von 2-HIBSM. Figure 3: C3 process with sidestream column for the isolation of 2-HIBSM Figure 3 shows another variant of the process with optimized isolation of 2-HIBSM.
Figur 4: Stand der Technik C3-Prozess ohne 2-HIBSM-lsolierung Figure 4: State of the art C3 process without 2-HIBSM insulation
Figur 4 zeigt somit den Stand der Technik Prozess zur Herstellung von MMA nach dem C3- Verfahren, ohne eine Isolierung von 2-HIBSM. Figure 4 thus shows the state of the art process for producing MMA using the C3 process, without isolating 2-HIBSM.
Figur 5: C3-Verfahren mit unterschiedlicher Rückführung von isolierten Rücklaufströmen gemäß Stand der Technik Prozess Figure 5: C3 method with different feedback of isolated return streams according to the prior art process
Figur 5 zeigt somit das C3-Verfahren mit unterschiedlichen Rückführungen von isolierten Rücklaufströmen gemäß Stand der Technik Prozess. 5 thus shows the C3 process with different returns of isolated return streams according to the prior art process.
Bezugszeichenliste Die Bezugszeichen in den Figuren und Beschreibungen haben die folgenden Bedeutungen:List of reference symbols The reference symbols in the figures and descriptions have the following meanings:
Abkürzungen Abbreviations
2-HIBA alpha-Hydroxyisobuttersäureamid; alpha-Hydroxyisobutyramid 2-HIBA alpha-hydroxyisobutyric acid amide; alpha-hydroxyisobutyramide
2-HIBA H2SO4 alpha-Hydroxyisobuttersäureamid-Hydrogensulfat, alpha- Hydroxyisobutyramid-Hydrogensulfat 2-HIBA H2SO4 alpha-hydroxyisobutyramide hydrogen sulfate, alpha-hydroxyisobutyramide hydrogen sulfate
2-HIBS alpha-Hydroxyisobuttersäure 2-HIBS alpha-hydroxyisobutyric acid
2-HIBSA alpha-Hydroxyisobuttersäurealkylester 2-HIBSA alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester
2-HIBSM alpha-Hydroxyisobuttersäuremethylester 2-HIBSM alpha-hydroxyisobutyric acid methyl ester
2-SIBA alpha-Sulfoxyisobuttersäureamid, auch als Sulfoxyisobuttersäureamid oder Sulfoxyisobutyramid bezeichnet 2-SIBA alpha-sulfoxyisobutyramide, also known as sulfoxyisobutyramide or sulfoxyisobutyramide
2-SIBA H2SO4 alpha-Sulfoxyisobuttersäureamid-Hydrogensulfat, auch als Sulfoxyisobuttersäureamid-Hydrogensulfat bezeichnet2-SIBA H2SO4 alpha-sulfoxyisobutyric acid amide hydrogen sulfate, also called sulfoxyisobutyric acid amide hydrogen sulfate
2-SIBN alpha-Sulfoxy-isobuttersäurenitril, auch als Sulfoxyisobutyronitril bezeichnet2-SIBN alpha-sulfoxyisobutyronitrile, also known as sulfoxyisobutyronitrile
ACH Acetoncyanhydrin; ACH acetone cyanohydrin;
AMA Alkylmethacrylate AMA alkyl methacrylates
MAL Methacrolein MAL methacrolein
MAN Methacrylnitril MAN methacrylonitrile
MAS Methacrylsäure MAS methacrylic acid
MASA Methacrylsäureamid / Methacrylamid MASA methacrylic acid amide / methacrylamide
MASA H2SO4 Methacrylsäureamid-Hydrogensulfat MMA Methylmethacrylat MASA H2SO4 methacrylic acid amide hydrogen sulfate MMA methyl methacrylate
MP Methylpropionat MP methyl propionate
PA Propionaldehyd PA propionaldehyde
Apparate Apparatus
(A) Amidierungsreaktor 1 Reaktor I(A) Amidation reactor 1 Reactor I
(B) Amidierungsreaktor 2 Reaktor I(B) Amidation reactor 2 reactor I
(C) Konvertierungsreaktor Reaktor II(C) Conversion reactor reactor II
(D) Veresterungs-Reaktorkaskade mit Reaktor III nachgeschalteter Nachverdampfung (D) Esterification reactor cascade with post-evaporation downstream from reactor III
(E) Waschkolonne zur Abtrennung von Schwersiedern (E) Washing column for removing high boilers
(F) Flüssig/Flüssig-Phasentrennung (F) Liquid/liquid phase separation
(G) Leichtsiederkolonne mit Vakuumeinheit (G) Low boiler column with vacuum unit
(H) Phasentrennung (H) Phase separation
(I) Rektifikation I (I) Rectification I
(J) Rektifikation II (J) Rectification II
(K) Rektifikation III (K) Rectification III
(L) Rektifikation IV (L) Rectification IV
Stoffströme material flows
(la) Acetoncyanhydrin-Zuführung zu Reaktor 1 (la) Acetone cyanohydrin feed to reactor 1
(l b) Acetoncyanhydrin-Zuführung zu Reaktor 2 (l b) Acetone cyanohydrin feed to reactor 2
(2) Schwefelsäure-Zuführung zu Reaktor 1 (2) Sulfuric acid feed to reactor 1
(3) Austrag Amidierungsreaktor 1 , vor Zwischenkonvertierung (flüssig)(3) Output from amidation reactor 1, before intermediate conversion (liquid)
(4a) Abgas Amidierungsreaktor 1 (4a) Exhaust gas amidation reactor 1
(4b) Abgas Amidierungsreaktor 2 (4b) Exhaust gas amidation reactor 2
(4c)Abgas Konverter (4c)Exhaust gas converter
(4) Amidabgas (4) Amide exhaust
(6) Reaktionsgemisch nach Konvertierung (6) Reaction mixture after conversion
(7) Methanol (7) Methanol
(8) Azeotrop (Gemisch aus MMA und Methanol) (8) Azeotrope (mixture of MMA and methanol)
(9) Direktdampf (4 barg) (9) Direct steam (4 barg)
(10) MAS/2-HIBS haltiger Stoffstrom (Fremdzulauf) (10) MAS/2-HIBS containing material stream (external feed)
(11) Brüden der Veresterungskaskade (11) Vapors from the esterification cascade
(12) Sumpfablauf der Kolonne (E) (12) Bottom outlet of the column (E)
(13) Veresterungsabgas nach Kondensation (13) Esterification exhaust gas after condensation
(14) Destillat der Destillation (E) (14) Distillate of distillation (E)
(15a/b) VE-Wasser (15a/b) DI water
(16) Wässrige Phase (Extrakt) der Extraktion (17) Organische Phase der Extraktion (Raffinat) (16) Aqueous phase (extract) of the extraction (17) Organic phase of extraction (raffinate)
(18) Leichtsieder-Destillat (18) Low boiler distillate
(18a) Organische Phase aus der Leichtsieder-Destillat-Extraktion (18a) Organic phase from the low boiler distillate extraction
(18b) Wässrige Phase aus der Leichtsieder-Destillat-Extraktion (18b) Aqueous phase from the low boiler distillate extraction
(18c) zurückgeführte wässrige Phase aus der Leichtsieder-Destillat-Extraktion(18c) recycled aqueous phase from the low boiler distillate extraction
(18d) ausgeschleuste wässrige Phase aus der Leichtsieder-Destillat-Extraktion (18d) discharged aqueous phase from the low boiler distillate extraction
(19) Leichtsiederfreies Sumpfprodukt (19) Bottom product free of low boilers
(20) Abgas der Verfahrensstufen (G, H, I) (20) Exhaust gas from the process stages (G, H, I)
(21) Leichtsiederfreies Roh-MMA (21) Low boiler-free raw MMA
(22) Sumpfprodukt der MMA-Reinkolonne Phase I (22) Bottom product of the MMA pure column phase I
(2-HIBSM angereichert) (2-HIBSM enriched)
(23) MMA-Reinprodukt (23) MMA pure product
(24) 2-HIBSM abgereichertes Kopfprodukt Phase II (24) 2-HIBSM depleted overhead product phase II
(25) 2-HIBSM/MAS/2-HIBS haltiger Zulauf Phase III(25) 2-HIBSM/MAS/2-HIBS containing feed phase III
(26) 2-HIBSM-Produkt Phase V(26) 2-HIBSM product phase V
(27) Abgas 2-HIBSM-Destillation (J, K, bzw. L) (27) Exhaust gas 2-HIBSM distillation (J, K, or L)
(28) MAS-haltiges Sumpfprodukt (Recyclestrom) Phase VI (28) MAS-containing bottom product (recycle stream) phase VI
(29) Spaltsäure (29) Fission acid
(30) 2-HIBSM haltiger Mischstrom (30) Mixed stream containing 2-HIBSM
Beispiele Examples
Beispiel 1 : Erfindunqsqemäßer Prozess zur Isolierung von 2-HIBSM aus dem C3 MMA Verfahren mit Hilfe eines 2-Kolonnensystems Example 1: Inventive process for isolating 2-HIBSM from the C3 MMA process using a 2-column system
Die allgemeine Durchführung des Verfahrens zur Herstellung von MMA sowie der Isolierung von 2- HIBSM erfolgte anhand der Ausführungsform nach Figur 1 und ist im Folgenden beschrieben, wobei die Ergebnisse in den Tabellen 1 , 2 und 3 dargestellt sind. The general implementation of the process for the production of MMA and the isolation of 2-HIBSM was carried out using the embodiment according to FIG. 1 and is described below, with the results being shown in Tables 1, 2 and 3.
13500 kg/h Acetoncyanhydrin (1), mit einer Zusammensetzung von 98,8 % Acetoncyanhydrin, 0,3 % Aceton, 0,6 % Wasser sowie freier Schwefelsäure wurde im Massenverhältnis von 75/25 aufgeteilt, sodass ein Strom (1a) mit 10125 kg/h und ein Strom (1 b) mit 3375 kg/h erhalten wurde. Zulaufstrom (1a) wurde anschließend auf den ersten Amidierungsreaktor (A) aufgegeben. 13,500 kg/h of acetone cyanohydrin (1), with a composition of 98.8% acetone cyanohydrin, 0.3% acetone, 0.6% water and free sulfuric acid, was divided in a mass ratio of 75/25, resulting in a stream (1a) with 10,125 kg/h and a stream (1 b) at 3375 kg/h was obtained. Feed stream (1a) was then fed into the first amidation reactor (A).
Der Schlaufenreaktor (A) wurde mit einem Umwälzvolumenstrom von 400 m3/h betrieben, welcher bei etwa 98°C und 990 mbar(a) im leichten Unterdrück konstant gefahren wurde. The loop reactor (A) was operated with a circulation volume flow of 400 m 3 /h, which was operated constantly at around 98 ° C and 990 mbar (a) under a slight negative pressure.
Zulaufstrom (1 a) wurde kontinuierlich und mit einer Temperatur von etwa 20°C dem beschriebenen Reaktorkreislauf (A) zugeführt und eingemischt. Feed stream (1 a) was fed continuously and mixed in to the reactor circuit (A) described at a temperature of approximately 20 ° C.
Die für die Umsetzung des Reaktionsgemischs in den Reaktoren (A) und (B) notwendige Schwefelsäuremenge (2), welche eine Konzentration gemäß Tabelle 4 aufwies, wurde im Masseverhältnis 1 ,63/1 [kg/kg] zur Gesamtmenge ACH (1) dem Reaktor (A) zugeführt. Hierdurch ergab sich in Reaktor (A) ein Schwefelsäureüberschuss (Schwefelsäure/ACH Verhältnis von 2-2,5 kg/kg). Der zugeführte Schwefelsäure Massenstrom betrug ca. 22080 kg/h. The amount of sulfuric acid (2) necessary for the reaction of the reaction mixture in the reactors (A) and (B), which had a concentration according to Table 4, was in a mass ratio of 1.63/1 [kg/kg] to the total amount of ACH (1). Reactor (A) fed. Through this There was an excess of sulfuric acid in reactor (A) (sulfuric acid/ACH ratio of 2-2.5 kg/kg). The sulfuric acid mass flow supplied was approximately 22,080 kg/h.
Das im Reaktor erhaltene Anrührgemisch (3), enthaltend alpha-Sulfoxyisobuttersäureamid, Methacrylamid und Schwefelsäure, wurde anschließend über eine bei 125°C betriebene Zwischenerhitzung, mit ca. 3 min Verweilzeit, in den 2. Amidierungsreaktor (B) überführt, während das in Reaktor (A) abgetrennte Abgas (4a) in Richtung des Folgeprozesses (E) geleitet wurde.The mixing mixture (3) obtained in the reactor, containing alpha-sulfoxyisobutyric acid amide, methacrylamide and sulfuric acid, was then transferred to the second amidation reactor (B) via intermediate heating operated at 125 ° C, with a residence time of approx. 3 minutes, while in the reactor (A) separated exhaust gas (4a) was directed in the direction of the subsequent process (E).
Reaktor (B) war analog zu Reaktor (A) aufgebaut und wurde bei den gleichen Prozessbedingungen betrieben. Der ACH Strom (1 b), wurde anschließend in die Reaktionsmischung des zweiten Reaktors (B) aufgegeben. Das sich in der Reaktionsmischung einstellende Massenverhältnis H2SO4/ACH betrug 1 ,63 kg/kg. Reactor (B) was constructed analogously to reactor (A) and was operated under the same process conditions. The ACH stream (1 b) was then introduced into the reaction mixture of the second reactor (B). The H2SO4/ACH mass ratio in the reaction mixture was 1.63 kg/kg.
Das durch Nebenreaktion gebildete Abgas (4b) wurde ebenfalls von der Reaktionsmischung mittels eines Gasabscheiders abgetrennt. The exhaust gas (4b) formed by the side reaction was also separated from the reaction mixture using a gas separator.
Im Ablauf der Amidierungsreaktoren (A, B) wurde anschließend ein 98°C heißes Reaktionsgemisch (5), bestehend aus alpha-Sulfoxyisobuttersäureamid (2-SIBA), Methacrylamid (MASA) sowie alpha-Hydroxyisobuttersäureamid (2-HIBA), gelöst in schwefelsaurer Reaktionsmatrix erhalten. Dieses Gemisch wurde anschließend einem Konvertierungsschritt (C) unterzogen. In diesem wurde das Reaktionsgemisch in kurzer Zeit auf 155°C erhitzt, anschließend in einer Verweilzeitstrecke thermisch umgewandelt und anschließendes weiteres Abgas (4c) abgeschieden. A 98 ° C hot reaction mixture (5), consisting of alpha-sulfoxyisobutyric acid amide (2-SIBA), methacrylamide (MASA) and alpha-hydroxyisobutyric acid amide (2-HIBA), dissolved in sulfuric acid reaction matrix, was then added to the flow of the amidation reactors (A, B). receive. This mixture was then subjected to a conversion step (C). In this, the reaction mixture was heated to 155 ° C in a short time, then thermally converted in a residence time section and further waste gas (4c) was then separated off.
Die Abgase der Amidierung (4a), (4b), und (4c) wurden anschließend zusammengeführt und in Form von Abgasstrom (4), welcher etwa 240 m3/h betrug, der Waschkolonne (E) zugeführt. The exhaust gases from the amidation (4a), (4b), and (4c) were then combined and fed to the washing column (E) in the form of exhaust gas stream (4), which was approximately 240 m 3 /h.
Das die Konvertierung (C) verlassende, mit Methacrylamid angereicherte Reaktionsgemisch (6), wurde anschließend der Veresterungsreaktion (D) zugeführt. Der erhaltene Massenstrom betrug 35340 kg/h, dessen Zusammensetzung in Tabelle 1 angegeben ist. The reaction mixture (6) enriched with methacrylamide leaving the conversion (C) was then fed to the esterification reaction (D). The mass flow obtained was 35,340 kg/h, the composition of which is given in Table 1.
Die erhaltene Menge an umsetzbaren Edukten (MASA+MAS), welche anschließend einer Veresterung (D) zugeführt wurde, betrug: 12420 kg/h, was einer Amidierungs-Ausbeute (MASA+MAS), bezogen auf die eingesetzte Acetoncyanhydrin-Qualität, von 93,1 % entsprach.The amount of convertible starting materials (MASA+MAS) obtained, which was then fed to an esterification (D), was: 12,420 kg/h, which corresponds to an amidation yield (MASA+MAS), based on the acetone cyanohydrin quality used, of 93 .1% corresponded.
Der Methacrylamid-haltige Stoffstrom (6) enthielt neben den genannten Hauptkomponenten, als wichtiges Nebenprodukt alpha-Hydroxyisobuttersäureamid (2-HIBA). Dessen Konzentration ist in Tabelle 1 ausgewiesen. In addition to the main components mentioned, the methacrylamide-containing stream (6) contained alpha-hydroxyisobutyric acid amide (2-HIBA) as an important byproduct. Its concentration is shown in Table 1.
Die flüssige und über 150°C heiße Reaktionsmischung (6) wurde anschließend einer Veresterung (D) zugeführt, wobei die Zuführung in eine Reaktorkaskade, bestehend aus 3 mantelbeheizten und annähernd ideal durchmischten Reaktorkesseln durch freien Ablauf erfolgte. The liquid reaction mixture (6), which was hot at over 150 ° C, was then fed to an esterification (D), the feed being carried out in a free flow into a reactor cascade consisting of 3 jacket-heated and approximately ideally mixed reactor vessels.
Stoffstrom (6) wurde im Verfahrensschritt (D) mit insgesamt 3890 kg/h Methanol (7), 1200 kg/h MMA/MeOH Gemisch (8), 3561 kg/h Direktdampf (9), 145kg/h MAS und 2-HIBS-haltigem Fremdzulauf sowie 4350 kg/h VE- Wasser (15a, 15b) bei ca. 100-140°C und leichtem Überdruck von 50-150 mbar(g) zur Reaktion gebracht. Stoffgemisch (8) bestand im Mittel aus 25 Gew.-% Methylmethacrylat und 74 Gew.-% Methanol sowie Wasser und wurde zur Verwertung von Methanol und Methylmethacrylat der Veresterung zugeführt. Material stream (6) was in process step (D) with a total of 3890 kg/h methanol (7), 1200 kg/h MMA/MeOH mixture (8), 3561 kg/h direct steam (9), 145 kg/h MAS and 2-HIBS -containing external feed as well as 4350 kg/h of demineralised water (15a, 15b) at approx. 100-140°C and a slight overpressure of 50-150 mbar(g). Substance mixture (8) consisted on average of 25% by weight Methyl methacrylate and 74% by weight of methanol and water and was fed to the esterification to utilize methanol and methyl methacrylate.
Durch geeignete Verschaltung der Eduktströme (6), (7), (8); (9), (10), (15a), (15b) und der Kreislaufströme (12), (16), (18c), (27), (28a) in der Veresterung (D) wurde erreicht, dass in jedem der Veresterungskessel ein lokaler, stöchiometrischer Überschuss von Methanol und Wasser bezogen auf die zu Methylmethacrylat umsetzbaren Stoffe Methacrylamid sowie Methacrylsäure vorlag. By appropriately interconnecting the educt streams (6), (7), (8); (9), (10), (15a), (15b) and the circulation streams (12), (16), (18c), (27), (28a) in the esterification (D) it was achieved that in each of the Esterification boiler there was a local, stoichiometric excess of methanol and water based on the substances methacrylamide and methacrylic acid that can be converted into methyl methacrylate.
In einer Nebenreaktion der Veresterung wurde die zugeführte Menge des alpha- Hydroxyisobuttersäureamids (2-HIBA) nahezu quantitativ zu alpha-Hydroxyisobuttersäure (2-HIBS) und darauffolgend durch Reaktion mit Methanol zu alpha-Hydroxyisobuttersäuremethylester (2- HIBSM) umgewandelt. Auf diese Weise wurden in (D) die in Tabelle 1 angegebenen Mengen alpha-Hydroxyisobuttersäuremethylester (2-HIBSM) gebildet. In a side reaction of the esterification, the supplied amount of alpha-hydroxyisobutyric acid amide (2-HIBA) was converted almost quantitatively to alpha-hydroxyisobutyric acid (2-HIBS) and subsequently converted into alpha-hydroxyisobutyric acid methyl ester (2-HIBSM) by reaction with methanol. In this way, the amounts of alpha-hydroxyisobutyric acid methyl ester (2-HIBSM) given in Table 1 were formed in (D).
Am Austritt der Reaktoreinheit (D) wurde außerdem eine mit Direktdampf betriebene Nachverdampfung betrieben, welche den Anteil an Monomeren im Säuregemisch (29) auf einen Gehalt von < 0,1 % MMA, < 0,1 % MAS, < 0,1 % MASA reduzierte, während der Wassergehalt des ablaufenden Säuregemischs (29) konstant gehalten wurde. At the outlet of the reactor unit (D), post-evaporation operated with direct steam was also carried out, which reduced the proportion of monomers in the acid mixture (29) to a content of <0.1% MMA, <0.1% MAS, <0.1% MASA reduced, while the water content of the draining acid mixture (29) was kept constant.
Das bei der Veresterungsreaktion gebildete Roh-Produkt sowie das über (8) eingetragene Methylmethacrylat (MMA) wurde kontinuierlich in Form eines Brüdenstroms (11) der Veresterungskaskade (D) entzogen. Gemäß Dampf/Flüssig-Gleichgewicht der Reaktionsmischungen stellte der Brüdenstrom (12) eine heteroazeotrope Zusammensetzung, enthaltend MMA, Wasser, MeOH, MAS, Aceton, 2-HIBSM und 2-HIBS, dar. The crude product formed in the esterification reaction and the methyl methacrylate (MMA) introduced via (8) were continuously removed from the esterification cascade (D) in the form of a vapor stream (11). According to the vapor/liquid equilibrium of the reaction mixtures, the vapor stream (12) represented a heteroazeotropic composition containing MMA, water, MeOH, MAS, acetone, 2-HIBSM and 2-HIBS.
Zusätzlich zum Brüdenstrom (11) wurde auch der Abgasstrom der Amidierung (4) dem Sumpf der Waschkolonne (E) zugeführt. Brüdenstrom (11) wurde anschließend einer Gegenstrom-Destillation unterzogen, indem der dampfförmige Strom (11) sowie der gasförmige Strom (4) im Sumpfbereich einer Kolonne (E) aufgegeben wurden. Am Kopf der Kolonne (E) wurde in Kondensatoren, welche mit Kühlwasser und Kaltwasser betrieben wurden, vollständig kondensiert. Die zweiphasigen Destillate wurden vereinigt und ein Teilstrom als Rücklauf in Waschkolonne (E) geführt. In addition to the vapor stream (11), the exhaust gas stream from the amidation (4) was also fed to the bottom of the washing column (E). Vapor stream (11) was then subjected to countercurrent distillation by introducing the vaporous stream (11) and the gaseous stream (4) into the bottom region of a column (E). At the top of the column (E), complete condensation took place in condensers which were operated with cooling water and cold water. The two-phase distillates were combined and a partial stream was returned to the washing column (E).
Das hinter der Kondensation erhaltene Abgas (13), welches unter anderem durch die Zuführung von Stoffstrom (4) generiert wurde, wurde entfernt und einer Verbrennung zugeführt. The exhaust gas (13) obtained after the condensation, which was generated, among other things, by supplying material stream (4), was removed and sent for combustion.
Entsprechend des Rücklaufverhältnisses wurden am Kopf der Kolonne (E) ein flüssiger Destillatstrom (14) sowie ein flüssiger Sumpfstrom (12) erhalten. Der Sumpfstrom (12) wurde kontinuierlich in die Veresterungsreaktion (D) zurückgeführt. Der zweiphasige Destillatstrom (14) wurde anschließend Phasentrennungsschritt (F) zugeführt. Durch Behandlung mit Wasser (15a) in einer flüssig/flüssig Gegenstromextraktion, wurde in diesem Verfahrensschritt eine organische, leichte Phase (17), enthaltend MMA, Wasser, Methanol, Aceton, MAS, 2-HIBSM, 2-HIBS sowie weitere Schwer- und Leichtsieder sowie eine schwere, wässrige Phase (16) enthaltend Wasser, Methanol, MMA, Aceton erhalten. Stoffstrom (16) wurde kontinuierlich in die Veresterungsreaktion (D) zurückgeführt. Mengen und Zusammensetzung von Stroffstrom (16 und (17) sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Depending on the reflux ratio, a liquid distillate stream (14) and a liquid bottom stream (12) were obtained at the top of the column (E). The bottom stream (12) was continuously recycled into the esterification reaction (D). The two-phase distillate stream (14) was then fed to phase separation step (F). By treating with water (15a) in a liquid/liquid countercurrent extraction, an organic, light phase (17) containing MMA, water, methanol, acetone, MAS, 2-HIBSM, 2-HIBS as well as other heavy and Low boilers and a heavy, aqueous phase (16) containing water, methanol, MMA, acetone are obtained. Stream (16) was continuously recycled into the esterification reaction (D). Amounts and composition of material streams (16 and (17) are summarized in Table 2.
Stoffstrom (17) wurde anschließend einer destillativen Aufbereitung (G) unterzogen. Zur Entfernung von Schwer- und Leichtsiedern wurde Stoffstrom (17) dem Kopfbereich einer im Vakuum (300 mbara) betriebenen Leichtsiederkolonne (G) zugeführt, welche mit Heizdampf indirekt beheizt wurde. Es wurde ein Leichtsieder-angereicherter, kondensierter Brüdenstrom (18) vom einem mit Methylmethacrylat, MAS, 2-HIBSM und 2-HIBS angereicherten Sumpfstrom (19) abgetrennt. Der Brüdenstrom (18) enthielt MMA, Wasser, Aceton und weitere Leichtsieder. Die Mengen und Zusammensetzungen sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Stream (17) was then subjected to distillative processing (G). To remove high and low boilers, material stream (17) was fed to the top region of a low boiler column (G) operated in a vacuum (300 mbar), which was indirectly heated with heating steam. A condensed vapor stream (18) enriched in low boilers was separated from a bottom stream (19) enriched with methyl methacrylate, MAS, 2-HIBSM and 2-HIBS. The vapor stream (18) contained MMA, water, acetone and other low boilers. The amounts and compositions are summarized in Table 1.
Das gasseitig, hinter der Nachkondensation erhaltene Prozessabgas (20) wurde kontinuierlich aus dem Prozess ausgeschleust. The process exhaust gas (20) obtained on the gas side after the post-condensation was continuously discharged from the process.
Das nach der Hauptkondensation erhaltene heteroazeotrope Destillat (18) wurde zur weiteren Verarbeitung einer flüssig/flüssig Phasentrennung (H) unterzogen. The heteroazeotropic distillate (18) obtained after the main condensation was subjected to liquid/liquid phase separation (H) for further processing.
Zur Verbesserung der Phasentrennung wurde dem Destillatstroms (18) im Phasentrenner (H) deionisiertes Wasser (15b) zugeführt, so dass eine organische Phase (18a) und eine wässrige Phase (18b) erhalten wurden. Die leichte, organische Phase (18a) wurde hierbei kontinuierlich als Rücklauf auf den Kopf der Kolonne (H) im Kreis geführt, während die wässrige Phase (18b) mit einem Nebenproduktanteil an Aceton dem nächsten Prozessschritt zugeführt wurde. Mengen und Zusammensetzungen sind in Tabelle 3 beschrieben. To improve phase separation, deionized water (15b) was added to the distillate stream (18) in the phase separator (H), so that an organic phase (18a) and an aqueous phase (18b) were obtained. The light, organic phase (18a) was continuously circulated as reflux to the top of the column (H), while the aqueous phase (18b) with a by-product portion of acetone was fed to the next process step. Amounts and compositions are described in Table 3.
Stoffstrom (18b) wurde anschließend in einem festen Massenverhältnis von 55/45 in Stoffstrom (18c) sowie Stoffstrom (18d) aufgeteilt. 55% von Stoffstrom (18b) wurden als (18c) direkt in die Veresterungsreaktion (D) zurückgeführt. 45% von Stoffstrom (18b) wurden aus dem Prozess ausgeschleust (18d) und typischerweise einer Verbrennung zugeführt. Stream (18b) was then divided into stream (18c) and stream (18d) at a fixed mass ratio of 55/45. 55% of stream (18b) was recycled directly into the esterification reaction (D) as (18c). 45% of material stream (18b) was removed from the process (18d) and typically sent for incineration.
Das in der Leichtsiederkolonne (G) erhaltene Sumpfprodukt (19), wurde zur weiteren Aufreinigung mit einer kondensierten, MMA reichen Fraktion (24), entstammend aus der Rektifikation II (J), vermischt und anschließend der Rektifikation I (I) zugeführt. Stoffstrom (21) wies eine Zusammensetzung an MMA, MAS, 2-HIBS und 2-HIBSM entsprechend Tabelle 1 auf. For further purification, the bottom product (19) obtained in the low boiler column (G) was mixed with a condensed, MMA-rich fraction (24) from rectification II (J) and then fed to rectification I (I). Stream (21) had a composition of MMA, MAS, 2-HIBS and 2-HIBSM according to Table 1.
Die Rektifikation I (I) wurde bei 180 mbar(a) betrieben und wies einen Verstärkungs- sowie Abtriebsteil auf. Stoffstrom (21) wurde mittig auf die Rektifikation I (I) aufgegeben, wobei dieser, entsprechend des sich einstellenden Gleichgewichtes, in eine reine Destillatphase (23) sowie einen Schwersieder-angereicherten Sumpfstrom (22) aufgetrennt wurde. Die Zusammensetzung des hochreinen Kopfproduktes (23) ist in Tabelle 1 angegeben. Rectification I (I) was operated at 180 mbar(a) and had an amplification and stripping section. Stream (21) was fed into the middle of rectification I (I), whereby, depending on the equilibrium that was established, it was separated into a pure distillate phase (23) and a bottom stream (22) enriched in high boilers. The composition of the high-purity top product (23) is given in Table 1.
Der Sumpfstrom (22), welcher MMA, MAS, HIBS und HIBSM enthielt, wurde zur Isolierung von HIBSM dem Destillationsschritt Rektifikation II (J) zugeführt. The bottom stream (22), which contained MMA, MAS, HIBS and HIBSM, was fed to the rectification distillation step II (J) to isolate HIBSM.
Die Rektifikation II (J) wurde bei 50 mbar(a) betrieben und wies einen Verstärkungs- sowie Abtriebsteil auf. Stoffstrom (22) wurde mittig auf die Rektifikation II (J) aufgegeben, wobei dieser, entsprechend des sich einstellenden Gleichgewichtes, in eine MMA-reiche, kondensierte Destillatphase (24) sowie einen MAS, HIBSM und HIBS angereicherten Sumpfstrom (25) aufgetrennt wurde. Rectification II (J) was operated at 50 mbar(a) and had an amplification and stripping section. Material stream (22) was fed into the middle of rectification II (J), whereby it condensed into an MMA-rich mixture in accordance with the equilibrium that was established Distillate phase (24) and a bottom stream (25) enriched with MAS, HIBSM and HIBS were separated.
Destillat (24) wurde kontinuierlich mit Stoffstrom (19) vermischt und in Rektifikation I (I) weiterverarbeitet. Distillate (24) was continuously mixed with stream (19) and further processed in rectification I (I).
Zur Isolierung von 2-HIBSM wurde Sumpfstrom (25) anschließend Rektifikation III (K) zugeführt. Die Rektifikation III (K) wurde bei 30 mbar(a) betrieben und wies einen Verstärkungs- sowie Abtriebsteil auf. Stoffstrom (25) wurde mittig auf die Rektifkation III (K) aufgegeben, wobei dieser, entsprechend des sich einstellenden Gleichgewichtes, in ein 2-HIBSM-reiches Kopfprodukt (26), dessen Zusammensetzung und Menge in Tabelle 1 dargestellt ist, sowie einen MAS und 2-HIBS angereicherten Sumpfstrom (28) aufgetrennt wurde. To isolate 2-HIBSM, bottom stream (25) was then fed to rectification III (K). Rectification III (K) was operated at 30 mbar(a) and had an amplification and stripping section. Material stream (25) was fed into the middle of the rectification III (K), which, depending on the equilibrium that was established, was converted into a 2-HIBSM-rich top product (26), the composition and quantity of which is shown in Table 1, as well as a MAS and 2-HIBS-enriched bottom stream (28) was separated.
Stoffstrom (26) wurde als Produktstrom isoliert, während Sumpfstrom (28) kontinuierlich der Veresterungsreaktion (D) zugeführt wurde. Das Abgas (27) der Destillation wurde aus dem Prozess ausgeschleust. Stream (26) was isolated as a product stream, while bottom stream (28) was continuously fed to the esterification reaction (D). The exhaust gas (27) from the distillation was removed from the process.
Beispiel 2: Erfindunqsqemäßer Prozess zur Isolierung von 2-HIBSM aus dem C3 MMA Verfahren mit Hilfe eines 2-Kolonnensystems und optimierter Prozessparameter in der Amidierung zur vermehrten Bildung von 2-HIBSM Example 2: Inventive process for isolating 2-HIBSM from the C3 MMA process using a 2-column system and optimized process parameters in the amidation for increased formation of 2-HIBSM
Die Herstellung von Methylmethacrylat, umfassend die Umsetzung von Acetoncyan hydrin mit Schwefelsäure in der Amidierung / Konvertierung (A, B, C), der anschließenden Veresterung (D) mit Methanol sowie der destillativen und extraktiven Aufarbeitung (E, F, G, H, I) des Methylmethacrylat-Produktes, sowie die destillative Isolierung von 2-HIBSM (J, K) erfolgte anhand der Ausführungsform nach Figur 1 wie oben beschrieben (Beispiel 1). The production of methyl methacrylate, comprising the reaction of acetone cyanohydrin with sulfuric acid in the amidation/conversion (A, B, C), the subsequent esterification (D) with methanol as well as the distillative and extractive workup (E, F, G, H, I ) of the methyl methacrylate product, as well as the distillative isolation of 2-HIBSM (J, K) were carried out using the embodiment according to Figure 1 as described above (Example 1).
Abweichende Prozesseinstellungen sind nachfolgend beschrieben, wobei ausgewählte Prozessparameter in Tabelle 4 ausgewiesen sind. Different process settings are described below, with selected process parameters shown in Table 4.
Die für die Umsetzung des Reaktionsgemischs in den Reaktoren (A) und (B) notwendige Schwefelsäuremenge (2), welche eine Konzentration von gemäß Tabelle 4 aufwies, wurde im Masseverhältnis 1 ,63/1 [kg/kg] zur Gesamtmenge ACH (1) dem Reaktor (A) zugeführt. Hierdurch ergab sich in Reaktor (A) ein Schwefelsäureüberschuss (Schwefelsäure/ACH Verhältnis von 2-2,5 kg/kg). Der zugeführte Schwefelsäure Massenstrom betrug ca. 22080 kg/h. The amount of sulfuric acid (2) necessary for the reaction of the reaction mixture in the reactors (A) and (B), which had a concentration of according to Table 4, was in a mass ratio of 1.63/1 [kg/kg] to the total amount of ACH (1). fed to the reactor (A). This resulted in an excess of sulfuric acid in reactor (A) (sulfuric acid/ACH ratio of 2-2.5 kg/kg). The sulfuric acid mass flow supplied was approximately 22,080 kg/h.
Im Ablauf des Amidierungsreaktors (B) wurde ein 98°C heißes Reaktionsgemisch (5), bestehend aus alpha-Sulfoxyisobuttersäureamid (2-SIBA), Methacrylamid (MASA) sowie alpha- Hydroxyisobuttersäureamid (2-HIBA), gelöst in schwefelsaurer Reaktionsmatrix erhalten. Dieses Gemisch wurde anschließend, einem Konvertierungsschritt (C) unterzogen. In diesem wurde das Reaktionsgemisch in kurzer Zeit auf eine Temperatur gemäß Tabelle 1 erhitzt, anschließend in einer Verweilzeitstrecke thermisch umgewandelt und gebildetes Abgas (4c) abgeschieden. Das die Konvertierung (C) verlassende, mit Methacrylamid angereicherte Reaktionsgemisch (6), wurde anschließend der Veresterungsreaktion (D) zugeführt. Der erhaltene Massenstrom sowie dessen Zusammensetzung ist in Tabelle 1 angegeben. In the course of the amidation reactor (B), a 98 ° C hot reaction mixture (5), consisting of alpha-sulfoxyisobutyric acid amide (2-SIBA), methacrylamide (MASA) and alpha-hydroxyisobutyric acid amide (2-HIBA), dissolved in sulfuric acid reaction matrix, was obtained. This mixture was then subjected to a conversion step (C). In this, the reaction mixture was heated in a short time to a temperature according to Table 1, then thermally converted in a residence time section and the waste gas (4c) formed was separated. The reaction mixture (6) enriched with methacrylamide leaving the conversion (C) was then fed to the esterification reaction (D). The mass flow obtained and its composition are given in Table 1.
Der Methacrylamid-haltige Stoffstrom (6) enthielt neben den genannten Hauptkomponenten, als wichtiges Nebenprodukt alpha-Hydroxyisobuttersäureamid (2-HIBA) in erhöhter Konzentration. Das erhaltene Konzentrationsniveau ist in Tabelle 1 ausgewiesen. In addition to the main components mentioned, the methacrylamide-containing stream (6) contained alpha-hydroxyisobutyric acid amide (2-HIBA) in increased concentration as an important by-product. The concentration level obtained is shown in Table 1.
Die flüssige und über 150°C heiße Reaktionsmischung (6) wurde anschließend einer Veresterung (D) zugeführt. Die sich bildenden Ester MMA sowie 2-HIBSM wurde, analog zu erfindungsgemäßem Beispiel 1 , mittels thermischer Trennverfahren isoliert. The liquid reaction mixture (6), which was hot at over 150° C., was then fed to an esterification (D). The esters MMA and 2-HIBSM that formed were isolated using thermal separation processes, analogous to Example 1 according to the invention.
Beispiel 3: Erfindunqsqemäßer Prozess zur Isolierung von 2-HIBSM aus dem C3 MMA Verfahren mit Hilfe eines 1 -Kolonnensystems mit flüssigem Seitenabzuq Example 3: Inventive process for isolating 2-HIBSM from the C3 MMA process using a 1-column system with liquid side draw
Die Herstellung von Methylmethacrylat, umfassend die Umsetzung von Acetoncyan hydrin mit Schwefelsäure in der Amidierung / Konvertierung (A, B, C), der anschließenden Veresterung (D) mit Methanol sowie der destillativen und extraktiven Aufarbeitung (E, F, G, H, I) des Methylmethacrylat-Produktes, sowie die destillative Isolierung von 2-HIBSM (J, K) erfolgte anhand der Ausführungsform nach Figur 3. The production of methyl methacrylate, comprising the reaction of acetone cyanohydrin with sulfuric acid in the amidation/conversion (A, B, C), the subsequent esterification (D) with methanol as well as the distillative and extractive workup (E, F, G, H, I ) of the methyl methacrylate product, as well as the distillative isolation of 2-HIBSM (J, K) were carried out using the embodiment according to Figure 3.
Abweichend vom Prozess, beschrieben in Beispiel 1 , wurde der in Rektifikation I (I) gewonnene und mit 2-HIBSM angereicherte Stoffstrom (22) der mittleren Sektion einer Seitenstrom-Kolonne Rektifikation IV (L) zugeführt. Deviating from the process described in Example 1, the stream (22) obtained in rectification I (I) and enriched with 2-HIBSM was fed to the middle section of a side stream column rectification IV (L).
Die Rektifikation IV (L) wurde bei 35 mbar(a) betrieben und wies zwei Verstärkungsteile sowie einen Abtriebsteil auf. Stoffstrom (22) wurde oberhalb der Abtriebssektion auf die Rektifikation IV (L) aufgegeben, wobei dieser, entsprechend des sich einstellenden Gleichgewichtes, in eine MMA- reiche, kondensierte Destillatphase (24), eine MAS-reiche Sumpffraktion (28) sowie einen >90% 2- HIBSM beinhaltenden flüssigen Seitenstrom (26) aufgetrennt wurde. Rectification IV (L) was operated at 35 mbar(a) and had two amplification parts and one stripping part. Material stream (22) was fed into rectification IV (L) above the stripping section, whereby, depending on the equilibrium that was established, it was divided into an MMA-rich, condensed distillate phase (24), a MAS-rich bottom fraction (28) and a >90 % 2-HIBSM containing liquid side stream (26) was separated.
Der 2-HIBSM-Produktstrom (26) wurde unterhalb des oberen Verstärkungsteils als Flüssigkeitsstrom der Kolonne entzogen. The 2-HIBSM product stream (26) was withdrawn from the column as a liquid stream below the upper rectification section.
Destillat (24) wurde kontinuierlich mit Stoffstrom (19) vermischt und in Rektifikation I (I) recycelt.Distillate (24) was continuously mixed with stream (19) and recycled in rectification I (I).
Relevante Zusammensetzungen und Stoffströme sind in Tabelle 1 ausgewiesen. Relevant compositions and material flows are shown in Table 1.
Tabelle 1 : Gegenüberstellung erfindungsgemäßer Beispiele B1 , B2, B3
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Table 1: Comparison of examples B1, B2, B3 according to the invention
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*) Durchschnittskonzentration ermittelt aus 8 repräsentativen HPLC-Analysen (gern. Tabelle 1 , 2 und 3) *) Average concentration determined from 8 representative HPLC analyzes (see tables 1, 2 and 3)
Erläuterungen zu Tabelle 1 : Anhand von Tabelle 2 wird deutlich, dass es auf wirtschaftliche Art und Weise gelingt, 2-HIBSM aus dem C3-Prozess auszuschleusen, indem im Aufarbeitungsschritt des Verfahrens ein zusätzlicher Trennschritt implementiert wird. Explanations for Table 1: Based on Table 2 it becomes clear that it is possible to remove 2-HIBSM from the C3 process in an economical manner by implementing an additional separation step in the processing step of the process.
Bei leicht reduzierter Qualität des isolierten 2-HIBSM-Stromes kann weiterhin gezeigt werden (vgl. hierzu Beispiel B1 und B3), dass ohne signifikanten MMA-Ausbeuteverlust auch mit nur einer Trennkolonne die gewünschte, zusätzliche Trennoperation durchgeführt werden kann. With slightly reduced quality of the isolated 2-HIBSM stream, it can also be shown (cf. Examples B1 and B3) that the desired additional separation operation can be carried out without a significant loss of MMA yield even with just one separation column.
Darüber hinaus kann durch gezielte Parametrierung der Amidierung/Konvertierung der 2-HIBA- Gehalt des Amid-Produktstroms (6) so eingestellt werden, dass ohne MMA-Ausbeuteverlust, mehr 2-HIBA gebildet und damit auch mehr 2-HIBSM ausgeschleust werden kann. In addition, through targeted parameterization of the amidation/conversion, the 2-HIBA content of the amide product stream (6) can be adjusted so that more 2-HIBA can be formed and thus more 2-HIBSM can be discharged without any loss of MMA yield.
Die Erhöhung des 2-HIBA-Gehaltes gelingt hierbei einerseits durch gezielte Anpassung des Wasseranteils in der eingesetzten Schwefelsäure sowie andererseits durch Anpassung der Konvertierungstemperatur im Prozessschritt (C). The 2-HIBA content can be increased on the one hand by specifically adjusting the water content in the sulfuric acid used and on the other hand by adjusting the conversion temperature in process step (C).
Tabelle 2: Gegenüberstellung des Vergleichsbeispiels V1 mit dem erfindungsgemäßen Beispiel B1 Das nachfolgende Vergleichsbeispiel V1 wurde gemäß den Angaben im der Stand der Technik Patent US 4,529,816 hinsichtlich der Zulaufströme skaliert, um Vergleichbarkeit herzustellen. Stoffstrom (30) bezieht sich auf Figur 5 gemäß Stand der Technik (US4529816).
Figure imgf000041_0001
*) Isolierstrom einer Kolonne, nicht näher spezifiziert
Table 2: Comparison of comparative example V1 with example B1 according to the invention The following comparative example V1 was scaled with regard to the feed flows in accordance with the information in the prior art patent US 4,529,816 in order to achieve comparability. Material flow (30) refers to Figure 5 according to the prior art (US4529816).
Figure imgf000041_0001
*) Insulating current of a column, not specified
**) Wert nicht angegeben **) Value not specified
Erläuterungen zu Tabelle 2: Explanations to Table 2:
Es wird anhand von Tabelle 2 deutlich, dass das beanspruchte Verfahren, beschrieben in US 4,529,816, an einer anderen Stelle als das erfindungsgemäße Verfahren, einen 2-HIBSM haltigenIt is clear from Table 2 that the claimed process, described in US 4,529,816, in a different place than the process according to the invention, contains a 2-HIBSM
Strom isoliert sowie diesen an einer anderen Stelle, nämlich zwischen Amidierung und Veresterung, zurückführt, um das darin enthaltene 2-HIBSM einer Dehydratisierung zu unterwerfen. Im erfindungsgemäßen Verfahren hingegen, wird reines 2-HIBSM isoliert und ausgeschleust sowie ein MAS haltiger Rückführstrom in der Veresterung zu MMA umgesetzt. Die abweichende Isolierung des 2-HIBSM-haltigen Stromes in der Aufarbeitung gemäß des Stand der Technik Verfahrens (US 4,529,816) ist daran zu erkennen, dass der erhaltene Stoffstrom einen hohen Wasseranteil besitzt (ca. 3%): Das lässt vermuten, dass dieser einer Phasentrennung entnommen wird, was im erfindungsgemäßen Prozess nicht der Fall ist. Im erfindungsgemäßen Prozess wird der 2-HIBSM-Strom wasserfrei gewonnen und weiterer Aufarbeitung zugeführt. Der spezifisch deutlich höhere, 2-HIBSM-haltige Rückführstrom im Stand der Technik Prozess, zeigt zusätzlich die vollkommen unterschiedliche Art der Kreislaufstromführung. Dadurch, dass im erfindungsgemäßen Prozess 2-HIBSM ausgeschleust wird, ist beispielsweise Kreislaufstrom 29 deutlich kleiner, als es im Stand der Technik Prozess der Fall ist. Isolates the current and returns it to another point, namely between amidation and esterification, in order to subject the 2-HIBSM contained therein to dehydration. In the process according to the invention, however, pure 2-HIBSM is isolated and discharged and a recycle stream containing MAS is converted into MMA in the esterification. The different isolation of the 2-HIBSM-containing stream in the processing according to the prior art process (US 4,529,816) can be seen from the fact that the material stream obtained has a high water content (approx. 3%): This suggests that this one Phase separation is removed, which is not the case in the process according to the invention. In the process according to the invention, the 2-HIBSM stream is obtained anhydrous and sent for further processing. The specifically significantly higher 2-HIBSM-containing recycle stream in the prior art process also shows the completely different type of circulation flow. Because 2-HIBSM is discharged in the process according to the invention, circulation stream 29, for example, is significantly smaller than is the case in the prior art process.
Verqleichsbeispiel V1 : Stand der Technik Prozess (gemäß US 4,529,816) zur teilweisen Rückführung von 2-HIBSM aus der Aufarbeitung des C3 MMA Verfahrens und anschließender Dehydratisierung zu MMA in der Amidierung Comparative example V1: State of the art process (according to US 4,529,816) for the partial recycling of 2-HIBSM from the workup of the C3 MMA process and subsequent dehydration to MMA in the amidation
Gemäß dem oben benannten Patent, wurde ein in der Amidierung gewonnenes Amidgemisch bei 133°C einer Konvertierung unterzogen und in einem Vorlagebehälter bei 90-100°C zwischengelagert (siehe Fig. 5). According to the patent mentioned above, an amide mixture obtained in the amidation was subjected to conversion at 133 ° C and temporarily stored in a storage container at 90-100 ° C (see Fig. 5).
Anschließend wurde das erhaltene Amidgemisch in einem statischen Mischer (mit einem 2-HIBSM- haltigen Stoffstrom, entstammend aus der thermischen Aufarbeitung (E, F, G, H), vermischt. Die Zusammensetzung der Stoffströme ist Tabelle 3 zu entnehmen. The amide mixture obtained was then mixed in a static mixer (with a 2-HIBSM-containing material stream from the thermal processing (E, F, G, H). The composition of the material streams can be found in Table 3.
Das Amidgemisch (30) wurde mit Stoffstrom 6 im Massenverhältnis 4,4:1 kg/kg gemischt und bei ca. 137-140°C und in einer pfropfenförmigen Strömung, bei ca. 5,8 Sekunden Verweilzeit, in einem statischen Mischer zur Reaktion gebracht. The amide mixture (30) was mixed with stream 6 in a mass ratio of 4.4:1 kg/kg and reacted in a static mixer at approximately 137-140° C. and in a plug-shaped flow with a residence time of approximately 5.8 seconds brought.
Der Umsatz von 2-HIBSM zu MMA betrug ca. 54,1%. Das resultierende Stoffgemisch wurde anschließend der Veresterungsreaktion zugeführt. The conversion of 2-HIBSM to MMA was approximately 54.1%. The resulting mixture of substances was then fed to the esterification reaction.
Vergleichsbeispiel V2: Stand der Technik Prozess C3 MMA Verfahren Comparative example V2: State of the art process C3 MMA process
Die Herstellung von Methylmethacrylat, umfassend die Umsetzung von Acetoncyan hydrin mit Schwefelsäure in der Amidierung / Konvertierung (A, B, C), der anschließenden Veresterung (D) mit Methanol sowie der destillativen und extraktiven Aufarbeitung (E, F, G, H, I) des Methylmethacrylat-Produktes, erfolgte anhand der Ausführungsform nach Figur 4. The production of methyl methacrylate, comprising the reaction of acetone cyanohydrin with sulfuric acid in the amidation/conversion (A, B, C), the subsequent esterification (D) with methanol as well as the distillative and extractive workup (E, F, G, H, I ) of the methyl methacrylate product was carried out using the embodiment according to Figure 4.
Vom erfindungsgemäßen Beispiel 1 abweichende Prozesseinstellungen, sind nachfolgend beschrieben, wobei ausgewählte Prozessparameter in Tabelle 2 ausgewiesen sind. Die Amidierung und Veresterung, wurde analog zu Beispiel 1 mit den in Tabelle 2 ausgewiesenen Zulaufströmen betrieben. In der thermischen Aufarbeitung wurde allerdings keine Isolierung von 2- HIBSM durchgeführt. Process settings that deviate from Example 1 according to the invention are described below, with selected process parameters being shown in Table 2. The amidation and esterification were carried out analogously to Example 1 with the feed streams shown in Table 2. However, no isolation of 2-HIBSM was carried out during thermal processing.
Tabelle 3: Gegenüberstellung des Vergleichsbeispiels V2 mit dem erfindungsgemäßen Beispiel B1 Table 3: Comparison of comparative example V2 with example B1 according to the invention
Das Vergleichsbeispiel V2 wurde gemäß den Angaben im der Stand der Technik Patent hinsichtlich der Feedströme skaliert, um Vergleichbarkeit herzustellen.
Figure imgf000042_0001
Figure imgf000043_0001
The comparative example V2 was scaled with regard to the feed streams in accordance with the information in the prior art patent in order to achieve comparability.
Figure imgf000042_0001
Figure imgf000043_0001
*) Nicht vorhanden *) Unavailable
Erläuterungen zu Tabelle 3: Explanations to Table 3:
Es wird anhand von Tabelle 3 deutlich, dass durch die Verfahrensführung des erfindungsgemäßen Beispiels B1 , neben der Gewinnung von 2-HIBSM als Produktstrom, ebenfalls der Anreicherungsgrad von Ameisensäure im MMA-Produktstrom, im Vergleich zum Vergleichsbeispiel V2, deutlich reduziert werden kann. It is clear from Table 3 that by carrying out the process of example B1 according to the invention, in addition to obtaining 2-HIBSM as a product stream, the degree of enrichment of formic acid in the MMA product stream can also be significantly reduced compared to comparative example C2.
Ameisensäure (HCOOH) stellt eine störende Nebenkomponente im MMA-Produktstrom dar und muss im Stand der Technik C3-Prozess, mittels Molsieb-Filter aus dem MMA-Produktstrom partiell entfernt, um den HCOOH-Gehalt zu moderieren. Formic acid (HCOOH) is a disruptive secondary component in the MMA product stream and must be partially removed from the MMA product stream using a molecular sieve filter in the state-of-the-art C3 process in order to moderate the HCOOH content.
Wie aus Tabelle 3 hervorgeht, gelingt durch die erfindungsgemäße Ausschleusung von HCOOH im 2-HIBSM-lsolierprodukt den HCOOH-Anteil im MMA-Produktstrom deutlich zu senken und damit die Kosten für den Molsieb-Filterwechsel deutlich zu reduzieren. As can be seen from Table 3, the removal of HCOOH in the 2-HIBSM insulation product according to the invention makes it possible to significantly reduce the HCOOH content in the MMA product stream and thus significantly reduce the costs for changing the molecular sieve filter.

Claims

Ansprüche Expectations
1 . Verfahren zur Herstellung von Alkylmethacrylat und alpha-Hydroxyisobuttersäurealkylester, umfassend die Verfahrensschritte: a. Umsetzung von Acetoncyan hydrin und Schwefelsäure zu einer ersten Reaktionsmischung enthaltend alpha-Sulfoxyisobuttersäureamid und Methacrylsäureamid, b. Konvertieren der ersten Reaktionsmischung, umfassend das Erhitzen auf eine Temperatur im Bereich von 130 bis 200 °C, wobei eine zweite Reaktionsmischung, enthaltend überwiegend Methacrylsäureamid, alpha-Hydroxyisobuttersäureamid und Schwefelsäure, erhalten wird, c. Umsetzung der zweiten Reaktionsmischung mit Wasser und Alkohol in einer dritten Reaktionsstufe, wobei eine dritte Reaktionsmischung, enthaltend Methacrylsäure, Alkylmethacrylat, alpha-Hydroxyisobuttersäurealkylester und Ameisensäure erhalten wird, d. Isolierung der Produkte Alkylmethacrylat und alpha- Hydroxyisobuttersäurealkylester aus der dritten Reaktionsmischung, umfassend mindestens zwei destillative Schritte und optional mindestens eine Phasentrennung, wobei das Endprodukt Alkylmethacrylat als Kopfprodukt einer Rektifikation I kondensiert wird und der alpha- Hydroxyisobuttersäurealkylester in einem weiteren Strom isoliert und optional weiter aufgearbeitet wird, wobei in einem Verfahrensschritt e. ein Sumpfprodukt der Rektifikation I enthaltend Alkylmethacrylat, Methacrylsäure und Hydroxyisobuttersäurealkylester sowie ein oder mehrere Polymerisationsinhibitoren mindestens einerweiteren Rektifikation II oder IV zugeführt werden. 1 . Process for the production of alkyl methacrylate and alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl esters, comprising the process steps: a. Reaction of acetone cyanhydrin and sulfuric acid to a first reaction mixture containing alpha-sulfoxyisobutyric acid amide and methacrylic acid amide, b. Converting the first reaction mixture, comprising heating to a temperature in the range of 130 to 200 ° C, obtaining a second reaction mixture containing predominantly methacrylic acid amide, alpha-hydroxyisobutyric acid amide and sulfuric acid, c. Reaction of the second reaction mixture with water and alcohol in a third reaction stage, whereby a third reaction mixture containing methacrylic acid, alkyl methacrylate, alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester and formic acid is obtained, i.e. Isolation of the products alkyl methacrylate and alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester from the third reaction mixture, comprising at least two distillative steps and optionally at least one phase separation, the end product alkyl methacrylate being condensed as the top product of a rectification I and the alpha-hydroxyisobutyric acid alkyl ester being isolated in a further stream and optionally further processed , whereby in a process step e. a bottom product of rectification I containing alkyl methacrylate, methacrylic acid and alkyl hydroxyisobutyrate and one or more polymerization inhibitors are fed to at least one further rectification II or IV.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass am Kopf der Rektifikation II weiteres Alkylmethacrylat gewonnen wird und in einem unteren Abschnitt und/oder im Sumpf der Rektifikation II eine an Methacrylsäure und Hydroxyisobuttersäurealkylester angereicherte Fraktion erhalten wird, die einer weiteren Rektifikation III zugeführt wird, in der Hydroxyisobuttersäurealkylester als flüssiges Kondensat in hochreiner Form entnommen wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that further alkyl methacrylate is obtained at the top of rectification II and in a lower section and / or in the bottom of rectification II a fraction enriched in methacrylic acid and hydroxyisobutyric acid alkyl ester is obtained, which is fed to further rectification III , in which hydroxyisobutyric acid alkyl ester is removed as a liquid condensate in highly pure form.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass am Kopf der Rektifikation I Alkylmethacrylat gewonnen wird und in einem unteren Abschnitt und/oder im Sumpf der Rektifikation I eine an Methacrylsäure und Hydroxyisobuttersäurealkylester angereicherte Fraktion erhalten wird, die einerweiteren Rektifikation IV zugeführt wird, in der Hydroxyisobuttersäurealkylester als flüssiges Kondensat im Seitenstrom in hochreiner Form entnommen wird und am Kopf der Rektifikation IV weiteres Alkylmethacrylat erhalten wird, das zumindest teilweise ebenfalls der Rektifikation I zugeführt wird. 3. The method according to claim 1, characterized in that alkyl methacrylate is obtained at the top of rectification I and in a lower section and / or in the bottom of rectification I a fraction enriched in methacrylic acid and hydroxyisobutyric acid alkyl ester is obtained, which is fed to a further rectification IV, in the hydroxyisobutyric acid alkyl ester is removed as a liquid condensate in the side stream in highly pure form and further alkyl methacrylate is obtained at the top of rectification IV, which is at least partially also fed to rectification I.
4. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rektifikation III ein Methacrylsäure- und Inhibitor-haltiger Sumpfstrom entnommen wird, der dem Reaktionsschritt c) zumindest teilweise zugeführt wird. 4. The method according to claim 2, characterized in that a bottom stream containing methacrylic acid and inhibitor is removed from the rectification III and is at least partially fed to reaction step c).
5. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rektifikation IV ein Methacrylsäure- und Inhibitor-haltiger Sumpfstrom entnommen wird, der dem Reaktionsschritt c) zumindest teilweise zugeführt wird. 5. The method according to claim 3, characterized in that a bottom stream containing methacrylic acid and inhibitor is removed from the rectification IV and is at least partially fed to reaction step c).
6. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rektifikation I ein Methacrylsäure- und Inhibitor-haltiger Sumpfstrom entnommen wird und in eine Rektifikation II geleitet wird, und dass der Rektifikation II ein weiterer Sumpfstrom entnommen wird, der einer Rektifikation III zugeführt wird, wobei Hydroxyisobuttersäuremethylester (2-HIBSA) als Hydroxyisobuttersäurealkylester in hochreiner Form als Kopfdestillat dieser Rektifikation III entnommen wird und zugleich am Sumpf der Rektifikation III ein Methacrylsäure- und Inhibitorhaltiger Sumpfstrom entnommen wird, der dem Reaktionsschritt c) zumindest teilweise zugeführt wird. 6. The method according to claim 2, characterized in that a bottom stream containing methacrylic acid and inhibitor is taken from rectification I and passed into a rectification II, and that a further bottom stream is taken from rectification II, which is fed to a rectification III, whereby hydroxyisobutyric acid methyl ester (2-HIBSA) is taken as hydroxyisobutyric acid alkyl ester in highly pure form as the top distillate of this rectification III and at the same time a bottom stream containing methacrylic acid and inhibitor is taken from the bottom of rectification III and is at least partially fed to reaction step c).
7. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rektifikation I ein Methacrylsäure- und Inhibitor-haltiger Sumpfstrom entnommen wird und in eine Rektifikation IV geleitet wird, und dass Hydroxyisobuttersäuremethylester (2-HIBSA) als Hydroxyisobuttersäurealkylester in hochreiner Form als Seitenstrom dieser Rektifikation IV entnommen wird und zugleich am Sumpf der Rektifikation IV ein Methacrylsäure- und Inhibitorhaltiger Sumpfstrom entnommen wird, der dem Reaktionsschritt c) zumindest teilweise zugeführt wird. 7. The method according to claim 3, characterized in that a bottom stream containing methacrylic acid and inhibitor is removed from rectification I and passed into a rectification IV, and that methyl hydroxyisobutyrate (2-HIBSA) as hydroxyisobutyric acid alkyl ester in highly pure form as a side stream of this rectification IV is removed and at the same time a bottom stream containing methacrylic acid and inhibitor is removed from the bottom of rectification IV, which is at least partially fed to reaction step c).
8. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rektifikationen II, III und IV bei einem Druck von 1 bis 200 mbar und einer maximalen Sumpftemperatur von 105 °C durchgeführt werden. 8. The method according to at least one of claims 1 to 7, characterized in that the rectifications II, III and IV are carried out at a pressure of 1 to 200 mbar and a maximum bottom temperature of 105 ° C.
9. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sumpfstrom der Rektifikation I als Feedstrom der Rektifikation II oder IV verwendet wird und dabei 20 bis 90 Gew% Methylmethacrylat als Alkylmethacrylat, 1 bis 20 Gew% Methacrylsäure und 1 bis 20 Gew% alpha-Hydroxyisobuttersäuremethylester als Hydroxyisobuttersäurealkylester aufweist. 9. The method according to at least one of claims 1 to 8, characterized in that the bottom stream of rectification I is used as a feed stream of rectification II or IV and contains 20 to 90% by weight of methyl methacrylate as alkyl methacrylate, 1 to 20% by weight of methacrylic acid and 1 to 20% by weight of alpha-hydroxyisobutyric acid methyl ester as hydroxyisobutyric acid alkyl ester.
10. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sumpfstrom der Rektifikation III einen Gehalt an alpha-Hydroxyisobuttersäure von 0,01 bis 5,0 Gew% aufweist und dieser Sumpfstrom zumindest teilweise der dritten Reaktionsstufe c zugeführt wird, wobei durch Umsetzung mit Methanol weiterer alpha- Hydroxyisobuttersäuremethylester erzeugt wird. 10. The method according to at least one of claims 1 to 9, characterized in that the bottom stream of the rectification III has an alpha-hydroxyisobutyric acid content of 0.01 to 5.0% by weight and this bottom stream is at least partially fed to the third reaction stage c, further alpha-hydroxyisobutyric acid methyl ester is produced by reaction with methanol.
11. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Hydroxyisobuttersäuremethylester (2-HIBSM) als Hydroxyisobuttersäurealkylester durch Rektifikation und Abtrennung von Methylmethacrylat als Alkylmethacrylat und Methacrylsäure sowie phenolischen und N-Oxid-haltigen Prozessinhibitoren derart isoliert und gereinigt wird, dass das 2-HIBSM einen Gehalt von mindestens 60 Gew.-% aufweist. Verfahren gemäß Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kopfstrom der Rektifikation III oder der Seitenstrom der Rektifikation IV neben dem Hauptbestandteil 2-HIBSM einen Gehalt an Ameisensäure zwischen 100 ppm und 5,0 Gew.-% aufweist. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rektifikation III bei einem Druck von 1 bis 200 mbar, einer maximalen Sumpftemperatur von 105 °C und optional bei einem niedrigeren Druck und einer identischen oder niedrigeren Sumpftemperatur als die Rektifikation II betrieben wird. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rektifikation IV bei einem Druck von 1 bis 200 mbar, einer maximalen Sumpftemperatur von 105 °C und optional bei einem niedrigeren Druck und einer identischen oder niedrigeren Sumpftemperatur als die Kolonne II betrieben wird. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die im Reaktionsschritt b) erhaltene zweite Reaktionsmischung einen alpha- Hydroxyisobuttersäureamid-Gehalt von 0,1 bis 2,0 Gew.-% aufweist. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Reaktionsschritt c) MMA als Alkylmethacrylat am Kopf einer der Rektifikation I vorgeschalteten Destillationskolonne kondensiert wird, wobei das Kondensat in zwei flüssige Phasen zerfällt, wobei die obere organische Phase enthaltend MMA als Alkylmethacrylat und 2-HIBSM als Hydroxyisobuttersäurealkylester nach Abtrennung von Leichtsiedern der Rektifikation I zugeführt wird. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das am Kopf der Rektifikation III kondensierte Produkt mit einer Reinheit von mindestens 90% in einer zusätzlichen Destillationskolonne behandelt wird, wobei Einbauten, Füllkörper und Behältermaterialien mindestens teilweise aus nichtmetallischen Werkstoffen wie Polymeren oder mineralischen Materialien gefertigt oder mit diesen flächendeckend beschichtet sind. 11. The method according to at least one of claims 1 to 10, characterized in that hydroxyisobutyric acid methyl ester (2-HIBSM) as hydroxyisobutyric acid alkyl ester by rectification and separation of methyl methacrylate as alkyl methacrylate and methacrylic acid as well as phenolic and N-oxide-containing process inhibitors is isolated and purified in such a way that the 2-HIBSM has a content of at least 60% by weight. Method according to claim 11, characterized in that the top stream of rectification III or the side stream of rectification IV has, in addition to the main component 2-HIBSM, a formic acid content of between 100 ppm and 5.0% by weight. Method according to claim 6, characterized in that the rectification III is operated at a pressure of 1 to 200 mbar, a maximum bottom temperature of 105 ° C and optionally at a lower pressure and an identical or lower bottom temperature than the rectification II. Process according to claim 7, characterized in that the rectification IV is operated at a pressure of 1 to 200 mbar, a maximum bottom temperature of 105 ° C and optionally at a lower pressure and an identical or lower bottom temperature than column II. Process according to at least one of claims 1 to 14, characterized in that the second reaction mixture obtained in reaction step b) has an alpha-hydroxyisobutyramide content of 0.1 to 2.0% by weight. Process according to at least one of claims 1 to 15, characterized in that in reaction step c) MMA is condensed as alkyl methacrylate at the top of a distillation column upstream of rectification I, the condensate breaking down into two liquid phases, the upper organic phase containing MMA as alkyl methacrylate and 2-HIBSM is fed to rectification I as hydroxyisobutyric acid alkyl ester after removal of low boilers. Method according to claim 6, characterized in that the product condensed at the top of rectification III with a purity of at least 90% is treated in an additional distillation column, with internals, packing and container materials being at least partially made of non-metallic materials such as polymers or mineral materials or with these are coated over the entire surface.
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