СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГИДРОКСИЭТИЛПИПЕРАЗИНОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ
METHOD OF PRODUCING HYDROXYETHYL PIPERAZINE COMPOUNDS

Область техники
Настоящее изобретение относится к улучшенному способу получения гидроксиэтилпиперазиновых соединений, особенно моно-гидроксиэтилпиперазина. Указанный способ относится к этоксилированию пиперазина алкиленоксидом, предпочтительно этиленоксидом, с использованием реакционной дистилляции для повышения выхода моно-гидроксиэтилпиперазина относительно ди-гидроксиэтилпиперазина.
Уровень техники
Гидроксиэтилпиперазиновые соединения обычно получают посредством взаимодействия избытка этиленоксида с пиперазином. Одна из трудностей заключается в том, что помимо получения моно-гидроксиэтилпиперазина, этоксилирование пиперазина приводит к образованию ди-гидроксиэтилпиперазина в качестве побочного продукта наряду с непрореагировавшим этиленоксидом и/или пиперазином. Независимо от применения периодического или непрерывного процесса, полученную реакционную смесь необходимо разделять посредством многостадийной дистилляции для отделения требуемого гидроксиэтилпиперазинового соединения от побочных продуктов, например, см. патент США 6013801.
Реакционная дистилляция хорошо известна, например, см. патент США 5368691, и обычно благоприятна для вывода из реакции азеотропа и доведения реакции до конца. Например, см. патент США 4435595, где описано получение метилацетата, заявку на патент США № 2013/0197266, где описано получение этилацетата, заявку на патент США № 2013/0310598, где описано получение олигомеров сложного гликолятного эфира, заявку на патент США № 2014/03787712, где описан алканолиз простых полиэфирполиолов до сложных полиэфирполиолов, и заявку на патент США № 2014/0364655, где описано получение аллиловых спиртов.
Необходимо обеспечить способ получения гидроксиэтилпиперазиновых соединений, который способствует получению моно-гидроксиэтилпиперазина и/или исключает необходимость в отдельной многостадийной дистилляции.
Сущность изобретения
В настоящем изобретении предложен способ получения гидроксиалкилпиперазиновых соединений, предпочтительно гидроксиэтилпиперазиновых соединений, предпочтительно 1-(2-гидроксиэтил)пиперазина, 1,4-бис(2-гидроксиэтил)пиперазина и их смесей, включающий стадии: i) подачи сырьевого потока пиперазина в первом положении в колонну реакционной дистилляции, имеющую верхнюю часть, среднюю часть и нижнюю часть, ii) подачи сырьевого потока алкиленоксида, предпочтительно этиленоксида, в одно или более вторых положениях в колонну реакционной дистилляции, iii) осуществления реакции пиперазина и алкиленоксида, предпочтительно этиленоксида, в реакционной зоне колонны реакционной дистилляции, iv) удаления верхнего потока, содержащего непрореагировавший пиперазин, из верхней части колонны реакционной дистилляции, v) удаления кубового продукта, содержащего гидроксиэтилпиперазиновые соединения, из нижней части колонны реакционной дистилляции.
В одном из вариантов реализации способа, описанного выше, первое положение подачи сырьевого потока пиперазина находится в верхней части колонны реакционной дистилляции, а второе положение подачи сырьевого потока алкиленоксида, предпочтительно этиленоксида, находится в колонне реакционной дистилляции ниже первого положения.
В одном из вариантов реализации способов, описанных выше, сырьевой алкиленоксид, предпочтительно этиленоксид, подают в колонну реакционной дистилляции в нескольких положениях.
В другом варианте реализации способы, описанные выше, дополнительно включают стадии: vi) пропускания удаленного верхнего потока, содержащего непрореагировавший пиперазин, через конденсатор, vii) конденсации непрореагировавшего пиперазина из верхнего потока и viii) возврата в цикл непрореагировавшего пиперазина в колонну реакционной дистилляции в третьем положении, которое находится над вторым положением подачи алкиленоксида, предпочтительно этиленоксида.
В другом варианте реализации способы, описанные выше, дополнительно включают стадии: ix) пропускания по меньшей мере части кубового продукта через ребойлер, x) выпаривания части кубового продукта и xi) добавления выпаренной части обратно в нижнюю часть колонны реакционной дистилляции.
В одном из вариантов реализации способов, описанных выше, в колонне реакционной дистилляции нет катализатора.
В одном из вариантов реализации способов, описанных выше, в колонне реакционной дистилляции присутствует один или более катализаторов.
В одном из вариантов реализации способов, описанных выше, давление в колонне реакционной дистилляции равно атмосферному давлению или выше него.
В одном из вариантов реализации способов, описанных выше, колонна реакционной дистилляции содержит одну или более ступеней.
В одном из вариантов реализации способов, описанных выше, предпочтительные температуры верхней, средней и нижней части колонны реакционной дистилляции составляют: верхняя часть: 140°C – 160°C, средняя часть: 160°C – 200°C, и нижняя часть: 200°C – 250°C.
Краткое описание графических материалов
На фиг. 1 представлена система с двумя сырьевыми потоками для получения гидроксиэтилпиперазиновых соединений в соответствии с настоящим изобретением с применением колонны реакционной дистилляции.
Подробное описание изобретения
Задача настоящего изобретения заключается в получении гидроксиалкилпиперазиновых соединений, предпочтительно гидроксиэтилпиперазиновых соединений, более предпочтительно моно-гидроксиэтилпиперазина, т.е. 1-(2-гидроксиэтил)пиперазина, способом, упрощающим процесс очистки. Дополнительная задача настоящего изобретения заключается в улучшении выхода моно-гидроксиэтилпиперазина относительно количества ди-гидроксиэтилпиперазина, например, 1,4-бис(2-гидроксиэтил)пиперазина и других побочных продуктов. Другая задача настоящего изобретения заключается в том, что указанная реакция может быть осуществлена непрерывно во избежание проблем, связанных с проведением реакции периодическим способом.
2
8
Было обнаружено, что указанные задачи могут быть решены посредством взаимодействия алкиленоксида, например, C – C алкиленоксида, предпочтительно пропиленоксида, более предпочтительно этиленоксида, и пиперазина в процессе реакционной дистилляции.
При химической обработке химическая реакция и очистка требуемых продуктов посредством дистилляции могут быть осуществлены последовательно. Характеристики такой структуры химического процесса могут быть улучшены посредством интеграции реакции и дистилляции в одно многофункциональное технологическое звено. Такую концепцию интеграции называют «реакционной дистилляцией». Преимуществами такой интеграции являются возможность преодоления ограничений химического равновесия, возможность достижения более высокой селективности, возможность использования тепла реакции in situ для дистилляции, возможность исключения использования вспомогательных растворителей и/или возможность более простого разделения азеотропных и/или смесей соединений с близкими температурами кипения. Применение такого подхода может обеспечивать повышение эффективности процесса и снижение общих капитальных затрат.
Система реакционной дистилляции содержит по меньшей мере один сепаратор (например, дистилляционную колонну), содержащий верхнюю, среднюю и нижнюю часть, причем сепаратор или колонна содержит реакционную зону, в которой протекает реакция. В целом, подходящие сепараторы могут включать любое технологическое оборудование, подходящее для разделения по меньшей мере одного входящего потока на множество выходящих потоков, имеющих различных составы, состояния, температуры и/или давления. Например, сепаратор может представлять собой колонну, содержащую или не содержащую множество ступеней, т.е. тарелок, насадок или комплексной внутренней структуры какого-либо другого типа. Примеры таких колонн включают скрубберы, отпарные колонны, абсорберы, адсорберы, насадочные колонны и дистилляционные колонны, содержащие клапанные, ситчатые или другие типы тарелок. В таких колоннах могут быть использованы затворы сливных отверстий, сливные стаканы, отражательные перегородки, элементы температурного контроля и/или элементы контроля давления. В таких колоннах также может быть использована какая-либо комбинация обратных конденсаторов и/или ребойлеров, включая конденсаторы и ребойлеры промежуточной ступени. В одном из вариантов реализации система реакционной дистилляции, описанная в настоящем документе, может содержать дистилляционную колонну без какого-либо катализатора. В другом варианте реализации система реакционной дистилляции, описанная в настоящем документе, может содержать дистилляционную колонну, содержащую по меньшей мере один катализатор, расположенный в ней.
В одном из вариантов реализации настоящего изобретения колонна реакционной дистилляции имеет две питающие линии. Пиперазин подают в первом положении, которое находится в верхней (или вершинной) части колонны, а этиленоксид подают в одном или более вторых положениях, которые находятся в нижней (или кубовой) части колонны. Схематическое изображение колонны реакционной дистилляции с двумя питающими линиями для способа согласно настоящему изобретению представлено на фиг. 1. Указанная система содержит колонну 1 реакционной дистилляции, имеющую реакционную зону, конденсатор 14 и ребойлер 15. В изображенной системе сырьевой поток 2 пиперазина подают в верхней части или вблизи верхней части колонны 1 реакционной дистилляции, а сырьевой поток 3 этиленоксида подают ниже сырьевого потока 2 пиперазина в нескольких положениях, например, 3a, и/или 3b, и/или 3c. Вследствие разницы температуры кипения пиперазина и этиленоксида, пиперазин движется в сторону нижней части колонны 1 реакционной дистилляции, а этиленоксид движется в сторону верхней части колонны 1 реакционной дистилляции, обеспечивая противоточный контакт между указанными двумя соединениями. Непрореагировавший пиперазин и/или этиленоксид может двигаться вверх, выходя из верхней части 4 колонны 1 реакционной дистилляции, и пиперазин может быть конденсирован в конденсаторе 14 для возврата в цикл 10 и/или для регенерации 12, а этиленоксид подвергают регенерации или возврату в цикл 16. Гидроксиэтилпиперазиновый продукт реакции или кубовый продукт движется вниз, выходя из нижней части 5 колонны 1 реакционной дистилляции, где его получают в виде продуктов 13 из ребойлера 15.
Дистиллят, выводимый в верхней части колонны 1 реакционной дистилляции, пропускают через конденсатор 14, и отделяют этиленоксид от низкокипящих компонентов, т.е. пиперазина. Этиленоксид может быть выведен из системы в качестве потока 16 головного продукта. Конденсированные низкокипящие компоненты или по меньшей мере некоторая их часть может быть возвращена в цикл 10 в колонну 1 реакционной дистилляции для дальнейшего проведения реакции и/или разделения.
Кубовый продукт или его часть может быть пропущена через ребойлер 15, где часть кубового продукта выпаривают и добавляют обратно в нижнюю часть колонны 1 реакционной перегонки. Остальная часть кубового продукта может выходить из системы в виде потока 13 продукта. Поток 13 продукта содержит моно-гидроксиэтилпиперазин, образованный в колонне 1 реакционной дистилляции, вместе с любыми побочными продуктами, т.е. ди-гидроксиэтилпиперазином и т.д., образованными в результате реакции. Соотношения возврата флегмы и повторного кипения в колонне реакционной дистилляции поддерживают для оптимизации количества моно-гидроксиэтилпиперазина в кубовом продукте. В одном из вариантов реализации поток 13 кубового продукта может содержать более 50%, более 60%, более 70%, более 80%, более 85%, более 90% или более 95% моно-гидроксиэтилпиперазина по массе.
В одном из вариантов реализации возвратный поток 10 пиперазина подают в колонну реакционной дистилляции в третьем положении, которое находится над вторым положением подачи сырьевого потока 2 пиперазина.
В одном из вариантов реализации возвратный поток 10 пиперазина подают в колонну реакционной дистилляции в третьем положении, которое находится на том же уровне, например, ступени, что и первое положение подачи сырьевого потока 2 пиперазина.
В одном из вариантов реализации возвратный поток 10 пиперазина подают в колонну реакционной дистилляции в третьем положении, которое находится ниже первого положения подачи сырьевого потока 2 пиперазина, но выше второго положения подачи сырьевого потока 3 этиленоксида.
Колонна 1 реакционной дистилляции для способа согласно настоящему изобретению может содержать одну или более ступеней. Количество ступеней не имеет конкретного ограничения, при условии получения дистиллята с непрореагировавшим пиперазином и этиленоксидом, а также кубового продукта, содержащего гидроксиэтилпиперазиновые соединения. Предпочтительно, существует одна или более ступеней, более предпочтительно 2 или более ступеней, более предпочтительно 3 или более ступеней, и еще более предпочтительно 4 или более ступеней. Предпочтительно, существует 30 или менее ступеней, более предпочтительно 20 или менее ступеней, более предпочтительно 15 или менее ступеней, и еще более предпочтительно 10 или менее ступеней.
В одном из вариантов реализации способа согласно настоящему изобретению колонна реакционной дистилляции не содержит катализатора, другими словами, в колонне реакционной дистилляции отсутствует катализатор.
В одном из вариантов реализации способа согласно настоящему изобретению колонна реакционной дистилляции содержит один или более катализаторов, другими словами, в колонне реакционной дистилляции находится один или более катализаторов. При наличии катализатора, может быть использован любой подходящий катализатор этоксилирования, известный специалистам в данной области техники. Катализатор может быть гомогенным или гетерогенным. Предпочтительный катализатор представляет собой гетерогенный катализатор, например, воду, ионообменные смолы, цеолиты, глины, смешанные оксиды металлов и другие твердые катализаторы этоксилирования, известные специалистам в данной области техники.
В одном из вариантов реализации способа согласно настоящему изобретению колонну 1 реакционной дистилляции эксплуатируют при давлении, равном атмосферному давлению, или выше него.
В другом варианте реализации способа согласно настоящему изобретению колонну 1 реакционной дистилляции эксплуатируют при положительном давлении, предпочтительно 1,05 бар абсолютного давления, более предпочтительно 1,1 бар абсолютного давления и еще более предпочтительно 1,2 бар абсолютного давления.
В одном из вариантов реализации способа согласно настоящему изобретению молярное отношение сырьевого пиперазина к сырьевому этиленоксиду составляет 4 к 1, предпочтительно 3 к 1, предпочтительно 2 к 1 и более предпочтительно 1 к 1.
В одном из вариантов реализации предпочтительные температуры верхней, средней и нижней части колонны реакционной дистилляции составляют: верхняя часть: 140°C – 160°C, средняя часть: 160°C – 200°C, и нижняя часть: 200°C – 250°C.
Предпочтительно, температура конденсатора составляет от 110°С до 145°С, более предпочтительно от 120°С до 130°С и еще более предпочтительно от 125°С до 130°С.
Пример
TM
Способ согласно настоящему изобретению математически моделировали с помощью имеющегося в продаже программного обеспечения, ASPENPLUS версии 8.6. Физические свойства получали на основании регрессии данных. Указанный способ математически моделировали, используя точный модуль дистилляции торговой марки RADFRAC Aspen. Указанный блок обеспечивает точное разделение, а также возможность определения реакций на ступенях колонны. Указанные реакции могут представлять собой равновесные реакции или кинетически контролируемые реакции, как в случае настоящей заявки.
Дистилляционная колонна обеспечивает способ противоточного контакта, ступень за ступенью, жидкости, проходящей вниз по колонне и паров, поднимающихся через устройство, причем указанные пары и жидкость приводят в тесный контакт с жидкостью. Это может быть осуществлено с помощью тарелок или насадок, но в данном случае для моделирования использовали тарелки. Абсолютные единицы, использованные в данном моделировании, не обязательно отражают промышленные реалии, а скорее отражают иллюстрацию описанной концепции и практической осуществимости описанной концепции.
Для моделирования использовали технологическую конфигурацию, представленную на фиг. 1, и она иллюстрирует блок RADFRAC с сырьевым потоком пиперазина, подаваемым в верхней секции колонны. Этиленоксид, который показан как поступающий из общего источника с последующим разделением на множество потоков, подают на ступени, расположенные между отверстием подачи пиперазина и нижней частью колонны.
Таблица 1 представляет собой технологическую таблицу для способа, описанного на фиг. 1. В иллюстративном варианте реализации использовали установку с 10 ступенями. Ступень 1 представляет собой конденсатор, а ступень 10 представляет собой ребойлер. Пиперазин (PIP) подавали выше ступени 5. Этиленоксид (EO) подавали ниже ступеней 5, 7 и 9. Пиперазин подавали в верхней части или вблизи верхней части колонны, а EO подавали в нижней части или вблизи нижней части колонны. EO распределяли, чтобы снизить его концентрацию для оптимизации количества образовавшегося 1-(2-гидроксиэтил)пиперазина (HEP) относительно 1,4-бис(2-гидроксиэтил)пиперазина (DIHEP).
Таблица 1
PIP-подача
EO-верх
EO-середина
EO-куб
Верх-продукт
Куб-продукт
Молярный поток, кмоль/ч
PIP
6,965657
0
0
0
2,320443
0,7814593
HEP
0
0
0
0
0,000195303
3,189589
EO
0
2,594268
1,945701
0
0,00224344
3,59E-09
DIHEP
0
0
0
0
3,65E-08
0,673971
Молярная доля
PIP
1
0
0
0
0,9989501
0,168236
HEP
0
0
0
0
8,41E-05
0,6866686
EO
0
1
1
0
0,000965798
7,72E-10
DIHEP
0
0
0
0
1,57E-08
0,1450954
Массовый поток, кг/ч
PIP
600
0
0
0
199,8757
67,31247
HEP
0
0
0
0
0,0254264
415,2527
EO
0
114,2857
85,71429
0
0,0988303
1,58E-07
DIHEP
0
0
0
0
6,37E-06
117,4349
Массовая доля
PIP
1
0
0
0,9993787
0,1121874
HEP
0
0
0
0,000127132
0,6920878
EO
0
1
1
0,000494152
2,63E-10
DIHEP
0
0
0
3,18E-08
0,1957248
Полный поток, кмоль/ч
6,965657
2,594268
1,945701
0
2,322882
4,645019
Полный поток, кг/ч
600
114,2857
85,71429
0
200
600
Полный поток, м<sup>3</sup>/ч
0,662639
0,1315219
0,0986414
0
0,2335851
0,6788775
Температура, °C
100
20
20
147,7994
212,3477
В таблице 2 представлены результаты реакционной дистилляции по ступеням в единицах килограмм моль в час. Реагенты, PIP и EO, показаны как образующиеся с отрицательными значениями. Продукты, HEP и DIHEP, показаны как образующиеся в результате реакции по мере распределения PIP в колонне и прохождения EO вверх по колонне.
Таблица 2
Ступень
PIP
EO
HEP
DIHEP
1
0
0
0
0
2
-0,07847
-0,07898
0,07796
0,00051
3
-0,17904
-0,18282
0,175263
0,003777
4
-0,57152
-0,60335
0,539694
0,031827
5
-1,59848
-1,8574
1,339548
0,258928
6
-0,35293
-0,42151
0,284341
0,068584
7
-1,07262
-1,37917
0,76608
0,306543
8
-0,01064
-0,01435
0,006919
0,003718
9
-6,39E-05
-0,00015
-2,12E-05
8,50E-05
10
0
0
0
0