СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОГО ПОЛУЧЕНИЯ АНГИДРИДОВ НЕНАСЫЩЕННОЙ КАРБОНОВОЙ КИСЛОТЫ
METHOD FOR CONTINUOUS PRODUCTION OF UNSATURATED CARBOXYLIC ACID ANHYDRIDES

Изобретение относится к способу непрерывного получения ангидридов ненасыщенной карбоновой кислоты, в частности реакции ненасыщенной карбоновой кислоты с ангидридом низкомолекулярной алифатической карбоновой кислоты.
В немецкой заявке на патент DE 3510035 описывают способ непрерывного получения ангидридов ненасыщенной карбоновой кислоты путем катализируемой кислотой реакции переангидридизации ангидрида уксусной кислоты с ненасыщенной карбоновой кислотой в средней части дистилляционной колонны. Для достижения полного превращения применяют ангидрид уксусной кислоты в избытке от 0,1 до 0,5 моль на моль карбоновой кислоты, причем затем в верхней части колонны получают смесь из уксусной кислоты и ангидрида уксусной кислоты, таким образом не получают никакой чистой уксусной кислоты.
Более того, образуется продукт, загрязненный катализатором, который можно удалить только на следующей стадии способа.
В заявке США 4857239 описывают способ получения ангидрида метакриловой кислоты, причем молярное соотношение метакриловой кислоты к ангидриду уксусной кислоты составляет от 2,1 до 3, и в дистилляционную колонну добавляют ингибитор полимеризации. Согласно примерам способ является непрерывным. В добавление к этому недостатком является то, что эдукт, применяемый в избытке, получают неиспользуемым.
В заявке США 2003/0018217 описывают периодический способ получения ангидрида метакриловой кислоты, причем первоначальное молярное соотношение метакриловой кислоты к ангидриду уксусной кислоты предпочтительно составляет от 9 до 11. Возникшую уксусную кислоту тотчас отводят, и освобожденное содержание реактора наполняют ангидридом уксусной кислоты. Для предотвращения полимеризации в реактор и в колонну добавляют ингибиторы. Образуются много побочных продуктов, которые нельзя полностью удалять.
Теперь задачей является предоставить улучшенный способ непрерывного получения ангидридов ненасыщенной карбоновой кислоты, при котором предотвращают стехиометрический избыток одного из эдуктов, несмотря на это, достигают полного превращения эдуктов и одновременно получают ненасыщенный ангидрид и образованную карбоновую кислоту в высокой чистоте. Более того, в значительной мере необходимо предотвратить полимеризацию во всех областях и повысить выход пространство-время реакции.
Предметом изобретения является способ непрерывного получения ненасыщенных ангидридов карбоновой кислоты общей формулы (I)
в которой R означает ненасыщенный органический остаток, имеющий от 2 до 12 атомов углерода,
путем переангидридизации ангидрида алифатической карбоновой кислоты с карбоновой кислотой общей формулы II
в которой значение R такое, как указано выше,
в ректификационной колонне с верхней, средней и нижней областью, отличающийся тем, что
a) в куб колонны помещают инертное кипящее масло,
b) эдукты в стехиометрическом соотношении подают в реакционную область,
c) в верхней части колонны извлекают карбоновую кислоту, возникающую в качестве побочного продукта,
d) непревращенные эдукты возвращают в реакционную область и
e) продукт формулы (I) получают через боковой вывод, предпочтительно между средней и нижней областью колонны.
Путем данных технических мероприятий достигают того, что получают полное превращение эдуктов и одновременно высокую чистоту продуктов и в значительной мере предотвращают полимеризацию во всех областях, так как в том числе исключается длительное время обработки образованных ненасыщенных ангидридов в нижней части колонны.
Карбоновые кислоты, пригодные для предложенного согласно изобретению способа, имеют ненасыщенный органический остаток, имеющий от 2 до 12, предпочтительно от 2 до 6, особенно предпочтительно от 2 до 4 атомов углерода. Подходящими группами алкенила являются группы винила, аллила, 2-метил-2-пропена, 2-бутенила, 2-пентенила, 2-деценила, 1-ундеценила и 9,12-октадекадиенила. Особенно предпочтительными являются винил и группы аллила.
К особенно предпочтительным карбоновым кислотам принадлежат в том числе (мет)акриловые кислоты. Понятие (мет)акриловые кислоты известно в широком кругу специалистов в данной области, причем под этим наряду с акриловой кислотой и метакриловой кислотой также понимают производные данных кислот. К данным производным принадлежат в том числе β-метилакриловая кислота (бутеновая кислота, кротоновая кислота), α,β-диметилакриловая кислота, β-этилакриловая кислота, α-хлоракриловая кислота, α-цианакриловая кислота, 1-(трифторметил)акриловая кислота, а также β,β-диметилакриловая кислота. Предпочтительными являются акриловая кислота (пропеновая кислота) и метакриловая кислота (2-метилпропеновая кислота).
Подходящие ангидриды карбоновой кислоты для предложенного согласно изобретению способа также известны в широком кругу специалистов в данной области. Предпочтительные соединения имеют общую формулу III  в которой R' представляет остаток алкила, имеющий от 1 до 4 атомов углерода. Предпочтительно применяют ангидрид уксусной кислоты.
Для предложенного согласно изобретению способа в качестве кипящего масла применяют высококипящее, инертное термически стабильное в течение длительного времени вещество с температурой кипения выше, чем температура кипения компонентов, участвующих в реакции, чтобы обеспечить дистилляционное отделение образованного ангидрида кислоты без полимеризации. Однако температура кипения кипящего масла не должна быть слишком высокой, чтобы сократить термическую нагрузку образованного ангидрида кислот.
В общем температура кипения кипящего масла при нормальном давлении (1013 мбар) находится от 200 до 400°C, в частности при от 240 до 290°C.
Подходящими кипящими маслами являются, в том числе многоцепочечные неразветвленные парафины, имеющие от 12 до 20 атомов углерода, ароматические соединения, такие как дифил (эвтектическая смесь из 75% оксида бутенила и 25% бифенила), алкилзамещенные фенолы или соединения нафталина, сульфолан (тетрагидро-тиофен-1,1-диоксид) или смеси из них.
Подходящими примерами являются далее приведенные кипящие масла:
Особенно предпочтительно применяют 2,6-ди-трет-бутил-пара-крезол, 2,6-ди-трет-бутил-фенол, сульфолан, дифил или смеси из них, в высшей степени предпочтительно применяют сульфолан.
Согласно изобретению под стехиометрическим соотношением понимают молярное соотношение от 1,9 до 2,1:1 карбоновой кислоты к ангидриду карбоновой кислоты.
Для реакции переангидридизации согласно предложенному изобретению можно применять любую ректификационную колонну, которая в верхней, средней и нижней области имеет по 5-15 разделительных каскадов. Предпочтительно число разделительных каскадов в верхней области составляет 10-15 и в средней и нижней области 8-13. Число разделительных ступеней в предложенном изобретении означает число тарелок в нижней части колонны, умноженное на коэффициент массопередачи тарелки или число теоретических разделительных каскадов в случае насадочной колонны или колонны с наполнителями.
Примеры ректификационной колонны с тарелками включают такие, как, например, колпачковые тарелки, сетчатые тарелки, туннельные тарелки, клапанные тарелки, щелевые тарелки, сетчатые-щелевые тарелки, сетчатые-колпачковые тарелки, дюзовые тарелки, центробежные тарелки, для ректификационной колонны с наполнителями, такими как, например, кольца Рашига, кольца Лессинга, кольца Паля, седла Берля, седла Инталокс и для ректификационной колонны с насадками, такими как, например, типа Меллапак (Sulzer), Ромбопак (Kühni), Montz-Pak (Montz) и насадками с карманами с катализатором, например, Катапак (Sulzer).
Также можно применять ректификационную колонну с комбинациями из областей тарелок, из областей наполнителей и/или из областей с насадками.
Предпочтительно применяют ректификационную колонну с наполнителями и/или насадками для 3 областей.
Ректификационную колонну также можно изготовить из каждого подходящего для этого материала. К ним принадлежат в том числе высококачественная сталь, а также инертные материалы.
Аппаратура имеет, по меньшей мере, одну область, названную далее реакционной областью или реактором, в котором предпочтительно предусмотрен, по меньшей мере, один катализатор. Данный реактор может находиться внутри и/или снаружи ректификационной колонны. Тем не менее, предпочтительно данный реактор располагают снаружи ректификационной колонны в отдельной области, причем данные предпочтительные варианты осуществления более подробно поясняют на фигуре 1.
Реакцию проводят предпочтительно при температурах в области от 30 до 120°С, особенно предпочтительно при от 40 до 100°С, в частности при от 50 до 80°C. Причем реакционная температура зависит от установленного системного давления. При расположении реактора внутри колонны реакцию проводят предпочтительно в области давлений от 5 до 100 мбар (абсолютном), в частности при от 10 до 50 мбар (абсолютном) и особенно предпочтительно при от 20 до 40 мбар (абсолютном).
Если реактор находится внутри колонны, там можно выбрать другие соотношения давления и температуры, чем в колонне. Это предпочтительно потому, что реакционные параметры реактора можно установить независимо от условий эксплуатации в колонне.
Продолжительность реакции переангидридизации зависит от реакционной температуры; время обработки в реакторе при однократном прохождении составляет предпочтительно от 0,5 до 15 минут и особенно предпочтительно от 1 до 5 минут.
При получении ангидрида (мет)акриловой кислоты из ангидрида уксусной кислоты и (мет)акриловой кислоты реакционная температура составляет предпочтительно от 40 до 100°C, особенно предпочтительно от 50 до 90°C и в высшей степени предпочтительно от 70 до 85°С.
Реакционная смесь наряду с реагентами может включать следующие составляющие, такие как, например, растворитель, катализаторы и ингибиторы полимеризации.
Предпочтительно в реакционной области применяют гетерогенные катализаторы. В качестве гетерогенных катализаторов особенно пригодными являются кислотные неподвижные слои катализаторов, в частности кислотные ионообменники.
К особенно пригодным кислотным ионообменникам принадлежат в частности катионообменные смолы, такие как, например, полимеры стиролдивинилбензола, содержащие группы сульфоновой кислоты. Подходящие катионообменные смолы могут быть коммерчески доступны у фирмы Rohm&Haas под торговым названием Amberlysr, фирмы Dow под торговым названием Dowex и фирмы Lanxess под торговым названием Lewatit.
Количество катализатора в литрах составляет предпочтительно 1/10 до 2-кратного, особенно предпочтительно от 1/5 до 1,2, к производимому количеству в снова образованном ангидриде ненасыщенной карбоновой кислоты в л/ч.
К предпочтительно применяемым ингибиторам полимеризации принадлежат в том числе октадецил-3-(3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксифенил)-пропионат, фенотиазин, гидрохинон, простой гидрохинонмонометиловый эфир, 4-гидрокси-2,2,6,6-тетраметилпиперидинооксил (темпол), 2,4-диметил-6-трет-бутилфенол, 2,6-дитрет-бутилфенол, 2,5-дитрет-бутил-4-метилфенол, пара-замещенные фенилендиамины, такие как, например, N,N'-дифенил-p-фенилендиамин, 1,4-бензохинон, 2,6-ди-трет-бутил-альфа-(диметиламино)-p-крезол, 2,5-ди-трет-бутилгидрохинон или смеси из двух или нескольких данных стабилизаторов. В высшей степени предпочтительным является фенотриазин.
Добавление ингибитора может происходить в притоке перед реактором и/или в ректификационной колонне, предпочтительно в ее верхней части.
Согласно изобретению переангидридизация происходит в аппаратуре, причем потоки притока эдуктов с циркулирующим потоком реактора, который состоит преимущественно из непревращенных эдуктов, а также с промежуточным потоком формулы R-C(O)-O-C(O)-R', причем R и R' имеют вышеназванные значения, подают в реакционную область ректификационной колонны. В кубе колонны находится вышеназванное инертное кипящее масло для того, чтобы избежать длительного времени обработки способного к полимеризации конечного продукта. Ангидрид ненасыщенной карбоновой кислоты в виде конечного продукта отгоняют предпочтительно в газообразной форме между средней и нижней областью, в то время как в верхней части колонны отгоняют снова образованную карбоновую кислоту в виде самого легкокипящего реакционного компонента. Непревращенные эдукты и образованные промежуточные продукты возвращают в реакционную область, например, с помощью насоса.
Из куба колонны высококипящие фракции, такие как добавленные ингибиторы, можно выводить путем обычных методов, например, через пленочный выпарной аппарат или аппарат, выполняющий подобные задания, который возвращает выпаренные вещества в ректификационную колонну и не выводит высококипящие фракции.
Если применяют катализатор, то его можно предусмотреть в каждой области ректификационной колонны, предпочтительно в средней области.
Далее катализатор можно предоставить в отдельную область аппаратуры, реакционную область или реактор, причем данная область соединена со следующей областью аппаратуры. Данное отдельное расположение области катализатора является предпочтительным, причем эдукты постоянно можно проводить через область катализатора. В результате этого непрерывно возникает ангидрид ненасыщенной карбоновой кислоты, например, ангидрид (мет)акриловой кислоты, а также снова образованная карбоновая кислота, например уксусная кислота.
2
Предпочтительный вариант осуществления предложенного согласно изобретению способа схематически представляют на фигуре 1. Приточный поток (мет)акриловой кислоты (=(M(AK)) и ангидрида уксусной кислоты (=AcO) с циркуляционным потоком (1), который преимущественно состоит из непревращенных эдуктов, а также образованный промежуточный продукт ацетил(мет)акрилата подают в реактор (3), расположенный вне ректификационной колонны (2).
Причем температуру реагентов можно устанавливать через теплообменник (4) в механизме подачи.
Реактор предпочтительно является проточным трубчатым реактором, который содержит неподвижный катализатор.
Отходящий поток из реактора (5) подают в ректификационную колонну (2), предпочтительно внутри циркуляционного потока из верхней области (2a) колонны. В колонне (2) происходит с одной стороны следующая реакция и с другой стороны разделение компонентов. Для предотвращения полимеризации добавляют ингибитор предпочтительно в верхнюю часть колонны.
В верхней области (2a) легкокипящую уксусную кислоту отделяют от среднекипящих продуктов (эдуктов, промежуточного продукта) и отгоняют в верхней части. В средней области (2b) колонны происходит разделение среднекипящих продуктов от ангидрида (мет)акриловой кислоты (=(M)ААГ), причем между средней и нижней частью (M)ААГ предпочтительно отгоняют в газообразной форме. В нижней области (2c) колонны (M)ААГ отделяют от кипящего масла (6), находящегося в нижней части колонны. Высококипящую фракцию, находящуюся в нижней части колонны, можно выводить посредством обычных методов (7), например, через пленочный выпарной аппарат или аппарат, выполняющий подобные задания, который возвращает выпаренные вещества в ректификационную колонну и не выводит высококипящие фракции.
Поток жидкости, полученный в верхней области (2a), полностью отгоняют из колонны и в виде циркуляционного потока (1) вместе с приточным потоком подают в реактор.
Далее предложенное изобретение более подробно поясняют с помощью примеров.
Пример 1: получение ангидрида метакриловой кислоты
Для получения ангидрида метакриловой кислоты путем реакции метакриловой кислоты и ангидрида уксусной кислоты собирают экспериментальную установку согласно фигуре 1. Ректификационная колонна (2) имеет в целом около 35 разделительных каскадов (15 в верхней области (2a), 12 в средней области (2b) и 8 в нижней области (2c)). Данная колонна была высотой 5,5 м с соединительными деталями и нижней частью, имеющей внутренний диаметр 100 мм и оснащенной насадками фирмы Sulzer, тип CY (область 2a и 2b) и фирмы Montz, тип BSH 400 (область 2c). В качестве ингибитора полимеризации применяют фенотиазин. Давление в верхней части колонны составляет 20 мбар. При стационарных условиях устанавливается профиль температур 164°C (нижняя часть) до 23°C (верхняя часть колонны). Выводы уксусной кислоты в верхней части колонны и ангидрида метакриловой кислоты в боковом отводе (между областью 2b и 2c), а также мощность греющего пара нижнего выпарного аппарата регулируют путем установления подходящих температур в соответствующих областях.
В нижней части ректификационной колонны применяют 6 кг сульфолана в виде кипящего масла (6). В качестве выпарного аппарата применяют выпарной аппарат с падающей пленкой.
Реакцию проводят в реакторе (3), находящемся снаружи. В качестве гетерогенного неподвижного катализатора применяют 450 мл кислотного ионообменника Lewatit К2431 фирмы Lanxess. Реакционная температура составляет 76°C. Циркуляционный поток (1), пришедший от колонны, около 16 кг/ч, который в первую очередь состоит из не превращенных эдуктов и промежуточного продукта ацетилметакрилата, попадает назад в реактор со свежей подачей метакриловой кислоты и ангидрида уксусной кислоты.
Непрерывно снова дозируют 1750 г/ч ангидрида уксусной кислоты и 2951 г/ч метакриловой кислоты.
В верхней части колонны получают 2038 г/ч уксусной кислоты. У вывода потока из средней части извлекают 2616 г/ч ангидрида метакриловой кислоты с чистотой 99,7% (Газовая Хроматография-анализ). Выход ангидрида метакриловой кислоты составляет 99%, в расчете на применяемый ангидрид уксусной кислоты или применяемую метакриловую кислоту.
Пример 2: получение ангидрида акриловой кислоты
Для получения ангидрида акриловой кислоты путем реакции акриловой кислоты применяют одинаковую экспериментальную установку, как пояснено в примере 1.
Давление в верхней части колонны, реакционная температура и циркуляционный поток имеют практически идентичные значения, как указано в примере 1. Также применяют одинаковое расположение реактора, одинаковый ингибитор полимеризации, одинаковый катализатор (вид и количество) и одинаковое кипящее масло (вид и количество). При стационарных условиях устанавливается профиль температур 167°С (нижняя часть) до 23°С (верхняя часть колонны).
Непрерывно снова дозируют 1500 г/ч ангидрида уксусной кислоты и 2118 г/ч акриловой кислоты.
В верхней части колонны получают 1712 г/ч уксусной кислоты. У вывода потока из средней части извлекают 1797 г/ч ангидрида акриловой кислоты с чистотой 99,7% (ГХ-анализ). Выход ангидрида акриловой кислоты в расчете на применяемый ангидрид уксусной кислоты или применяемую акриловую кислоту составляет 97%.