СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЕРНО-КИСЛОГО МЕТАКРИЛАМИДА Российский патент 2007 года по МПК C07C231/06 C07C233/09 B01F3/00 

Настоящее изобретение относится к способу получения сернокислого метакриламида из ацетонцианогидрина и к устройству для осуществления этого способа.

Сернокислый метакриламид или метакриламидсульфат [СН₂=С(СН₃)-CONH₂, Н₂SO₄] является промежуточным продуктом, который дает метилметакрилат при реакции с метанолом и водой.

Получение сернокислого метакриламида из ацетонцианогидрина и концентрированной серной кислоты является известной практикой.

Этот способ, в целом, включает реакцию ацетонцианогидрина с концентрированной серной кислотой с образованием α-гидроксиизобутирамида и α-гидроксиизобутирамидсульфата. Эти два соединения нагревают для получения сернокислого метакриламида.

Подобный способ получения является предметом патента Франции № 1529440, в котором описан способ, включающий стадию добавления ацетонцианогидрина, в котором ацетонцианогидрин смешивают с серной кислотой, используя мольное отношение серная кислота/ацетонцианогидрин как минимум, равное 1,5, стадию, полученную выше смесь подвергают дегидратации нагреванием, затем ацетонцианогидрин добавляют в реакционную среду так, чтобы снова иметь мольное отношение серная кислота/цианогидрин более 1, и, наконец, реакционную смесь снова подвергают дегидратации нагреванием.

Европейская патентная заявка №226724 относится к процессу получения метакриламида из ацетонцианогидрина и концентрированной серной кислоты, в котором двухфазную жидкую смесь, состоящую из инертного линейного насыщенного углеводорода, содержащего от 5 до 7 атомов углерода и ацетонцианогидрина добавляют в серную кислоту.

Европейская патентная заявка №999200 относится к аппарату и способу высокопродуктивного получения метилметакрилата или метакриловой кислоты, в котором для термического преобразования используют реактор крекинга поршневого типа.

В переводе статьи А.А.Мичурина, Е.А.Сивенкова, Е.Н.Зильбермана и Т.И.Третьяковой, опубликованной в российском Журнале Прикладной Химии, том 47, №6, стр. 1347-1351, в июне 1974, озаглавленной «Various reactions occurring in the synthesis methyl methacrylat from acetone cyanohydrin and oleum [Различные реакции, встречающиеся в синтезе метилметакрилата из ацетонцианогидрина и олеума]» продемонстрировано, что реакция ацетонцианогидрина с серной кислотой для получения с<-гидроксиизобутирамидсульфата дает лучшие результаты, когда она проводится с мольным отношением цианогидрин/олеум 1/2 в присутствие олеума, содержащего от 5 до 10% триоксида серы. Однако для ограничения побочных реакций в процессе последующей стадии сушки, рекомендуется использовать олеум, содержащий 0-3% триоксида серы.

Цель настоящего изобретения является способ получения сернокислого метакриламида, который имеет высокий выход даже при небольшом избытке серной кислоты, т.е. когда общее мольное отношение серная кислота/ацетонцианогидрин является низким.

Способ в соответствии с данным изобретением включает следующие стадии:

a) стадию смешивания, в которой ацетонцианогидрин смешивают с серной кислотой, свободной от триоксида серы;

b) стадию сушки, в которой смесь, полученную выше, подвергают дегидратации нагреванием;

c) стадию дальнейшего добавления ацетонцианогидрина, в которой добавляют еще ацетонцианогидрин без добавления дополнительной серной кислоты и при перемешивании;

d) еще одну стадию сушки, в которой смесь подвергают дальнейшей дегидратации нагреванием;

e) необязательно, одна или более дополнительные стадии дальнейшего добавления ацетонцианогидрина после дополнительной стадии сушки;

f) необязательно, финальная стадия сушки;

и характеризуется тем, что триоксид серы также добавляют на стадии с), и/или сразу после этой стадии с), и/или, когда необходимо, в одной или более дополнительных стадий дальнейшего добавления е), и/или сразу после этой стадии (или этих стадий) е).

Таким образом, такой способ имеет преимущество уменьшения числа и продолжительности побочных реакций. К тому же, он позволяет использовать начальные реагенты, которые не обязательно являются безводными.

Предметом настоящего изобретения, также, является устройство для осуществления способа в соответствии с изобретением.

Другие характеристики и преимущества изобретения станут ясны при чтении описания, которое следует ниже, и которое дано со ссылками на чертежи, в которых:

- Фигура 1 - схема, представляющая установку, которую использовали для осуществления способа по данному изобретению;

- Фигура 2 - график, представляющий изменения выхода, как функцию мольного соотношения серная кислота/ацетонцианогидрин для способа по данному изобретению и способа по предшествующему уровню техники.

Подробное описание изобретения

Изобретение основано на том открытии, что при добавлении триоксида серы в те моменты способа, которые уже богаты метакриламидом, возможно почти мгновенно химически превратить α-гидроксиизобутирамид в α-гидроксиизобутирамидсульфат, и последний быстро превращается в метакриламид в процессе последующей сушки в печи.

Таким образом, добавление триоксида серы можно осуществлять на стадии с), т.е. после стадии предварительной сушки, в тот момент, когда мольное отношение МО серная кислота/ацетонцианогидрин высоко, или, в качестве альтернативы, сразу после стадии с), т.е. в конце добавления ацетонцианогидрина, т.е. когда указанное мольное отношение МО является низким.

Предпочтительно, триоксид серы добавляют только во время стадии с).

В соответствии с изобретением, нет необходимости работать с безводными реагентами. Возможно использовать серную кислоту с титром, близким к 100%, без необходимости какого-либо точно определенного титра. К тому же, может быть приемлемым ацетонцианогидрин посредственного качества. Возможно, например, использовать ацетонцианогидрин, содержащий от 500 до нескольких тысяч миллионных долей воды.

Триоксид серы может быть в форме олеума, который облегчает его внесение.

Олеум, как правило, содержит более 10 и предпочтительно более 15% по весу триоксида серы.

Это может выгодно соответствовать промышленному олеуму, например, с титром 104,5% (эквивалентно H₂SO₄, содержащей около 20% по весу свободного триоксида серы), полученному в стандартной секции регенерации кислоты производства метилметакрилата. Это неожиданно, так как в уровне техники, особенно в вышеупомянутой российской публикации, использование олеума ведет к препятствующим побочным реакциям.

Количество добавляемого олеума составляет меньше 10% по весу, по отношению к общей загрузке ацетонцианогидрина и серной кислоты. Предпочтительно, чтобы оно было между 3% и 5% по весу по отношению к этой общей загрузке.

Таким образом, подобное вносимое содержание олеума остается совместимым с низким мольным отношением МО и не создает каких-либо проблем вязкости и кристаллизации, именно потому, что олеум добавляют после стадии предварительной сушки, т.е. в момент, когда уже существует порция α-гидроксиизобутирамидсульфата, превращенная в метакриламид.

Более того, в момент добавления олеума не образуется никакой заслуживающей внимания экзотермичности, в отличие от предшествующей практики, когда олеум добавляли прямо в ацетонцианогидрин.

Кроме того, не наблюдалось никакой кристаллизации, которая могла бы быть вследствие подъема содержания α-гидроксиизобутирамидсульфата, которая обычно происходит, когда олеум добавляют перед предварительной сушкой.

В соответствии с изобретением триоксид серы, как правило, добавляют в небольшом дефиците по отношению к α-гидроксиизобутирамиду, который превращается в α-гидроксиизобутирамидсульфат. Этот дефицит может соответствовать мольному отношению триоксид серы/α-гидроксиизобутирамид менее 1 и порядка 0,8-0,9.

В результате, в реакционной среде больше нет свободного триоксида серы (выпуск стадии с). Эта ситуация имеет преимущество ограничения побочных реакций, связанных с триоксидом серы, в особенности образования диметилакриламида, сультона и полимеров.

В соответствии с изобретением, мольное отношение на стадии с), как правило, меньше, чем 1,7 и предпочтительно между 1,15 и 1,35.

Что касается установки, используемой для проведения процесса по данному изобретению, она обычно включает последовательно:

- первый реактор перемешивания Ra,

- первый реактор сушки Rb,

- второй реактор перемешивания Rc, включающий средства для добавления ацетонцианогидрина,

- второй реактор сушки Rd,

- необязательно, один или более дополнительные реакторы перемешивания, за которыми следует дополнительный реактор сушки и

- необязательно, финальный реактор сушки Rc,

и она отличается от традиционной установки тем, что также содержит средства для добавления триоксида серы в реактор Rc и/или в выпуск этого реактора, и/или, когда необходимо, в один или более дополнительных реакторов перемешивания, и/или в выпуск этого дополнительного реактора(реакторов).

В случае, когда установка включает дополнительные реакторы перемешивания, за каждым из этих реакторов следует дополнительный реактор сушки.

Фигура 1 представляет собой диаграмму, иллюстрирующую упрощенную установку, которую можно использовать для проведения способа по данному изобретению.

Способ по данному изобретению как правило проводят в непрерывном режиме, который можно описать следующим образом.

Серная кислота вводится по трубопроводу 1, а ацетонцианогидрин - по трубопроводам 2 и 6. Стадия с) происходит в реакторе Ra.

Смесь, полученную в реакторе Ra, вводят по трубопроводу 4 в реактор Rb, где происходит стадия предварительной сушки b).

Промежуточный продукт, полученный на стадии b), затем вводят по трубопроводу 5 в реактор Re, где он смешивается со свежим ацетонцианогидрином, поступающим по трубопроводу 6, когда нужно, с олеумом, поступающим по трубопроводу 7.

Смесь, полученная в реакторе Rc, затем вводят в реактор Rb по трубопроводу 9.

При необходимости олеум добавляют по трубопроводу 8 в смесь, выходящую из реактора Rc.

Сушку стадии а) осуществляют в реакторе Rd.

При необходимости реактор Rd может быть необязательно соединен с реактором финальной сушки Rc.

После сушки метакриламидсульфат удаляется из реактора Rd или, когда необходимо, из реактора Rc и используется для производства метилметакрилата или метакриловой кислоты.

Реакторы перемешивания обычно работают при температуре между 85 и 105°С, предпочтительно, между 90 и 95°С.

Реакторы сушки обычно работают при температуре между 120 и 145°С, предпочтительно между 120 и 140°С.

В соответствии с предпочтительным вариантом данного изобретения, как минимум один из реакторов Rb, Rd или, необязательно, Rc является поршневым реактором.

Примеры.

Последующие примеры иллюстрируют данное изобретение, не ограничивая, однако, его рамок.

Все тесты проводили на установке, показанной на Фигуре 1.

Реактор Ra был реактором с термостатируемой рубашкой и мешалкой (с объемом около 270 мл).

Реактор Rb был поршневым реактором с электроподогревом (с объемом около 60 мл).

Реактор Rc был реактором с термостатируемой рубашкой и мешалкой (с объемом около 300 мл).

Реактор Rd был поршневым реактором с электроподогревом (с объемом около 36 мл).

Поршневой реактор с защитной рубашкой Rc (не показан) (с объемом около 240 мл) присоединяли к выпуску реактора Rd.

Основные характеристики тестов были следующими:

- реакция проходила непрерывно в две стадии, плюс финальная сушка;

- ацетонцианогидрин распределяли в две стадии (постадийная подача ацетонцианогидрина);

- мольное отношение МО регулировали варьируя количество ацетонцианогидрина, введенного в реактор Rc;

- расход 100% серной кислоты поддерживали постоянным на выпуске Ra (около 570 г/ч), а расход ацетонцианогидрина регулировали в соответствии с финальным МО, требуемым в выпуске поршневого реактора Re;

- титры серной кислоты измеряли потенциометрически (анализ с гидроксидом натрия);

- содержание образовавшегося продукта измеряли при помощи ЖХВР [жидкостная хроматография высокого разрешения].

Тест 1 (сравнительный).

В этом тесте отношение МО в реакторе Re было 1,60; ацетонцианогидрин распределяли следующим образом: 70% в реакторе Ra и 30% в реакторе Re.

Другие условия подобраны в следующей таблице.

 РеакторRaRbRcRdReМО2,271,61,6Температура °С9012090135Время пребывания, мин385302,524

Тест 2 (изобретение)

В этом тесте отношение МО в реакторе Re было 1,50; ацетонцианогидрин распределяли следующим образом: 70% в реакторе Ra и 30% в реакторе Rc.

Олеум с титром 104,5% вводили со скоростью 45 г/час по трубопроводу 7 в реакторе Re.

Другие условия подобраны в следующей таблице.

 РеакторRaRbReRdReМО2,131,51,5Температура °С9012090135Время пребывания, мин385302,524

Тест 3 (сравнительный), 3а (изобретение) и 3b (изобретение).

В этих тестах отношение МО в реакторе Rc было 1,30; ацетонцианогидрин распределяли следующим образом: 70% в реакторе Ra и 30% в реакторе Rc.

В тесте 3а олеум с титром 104,5% также вводили со скоростью 45 г/ч по трубопроводу 8 в выпуск реактора Rc.

В тесте 3b, олеум с титром 104,5% вводили со скоростью 45 г/ч только по трубопроводу 7 в реактор Re.

Другие условия подобраны в следующей таблице.

 РеакторRaRbRcRdReМО1,841,301,30Температура °С9012090135-140Время пребывания, мин385302,524

Тест 4 (сравнительный), 4а (изобретение).

В этих тестах отношение МО в реакторе Rc было 1,20; ацетонцианогидрин распределяли следующим образом: 60% в реакторе Ra и 40% в реакторе Rc.

В тесте 4а олеум с титром 104,5% также вводили со скоростью 45 г/ч по трубопроводу 7 в реактор Rc.

Другие условия подобраны в следующей таблице.

 РеакторRaRbRcRdReМО1,991,201,20Температура °С9012095140Время пребывания, мин385302,524

Тест 5 (сравнительный), 5а (изобретение).

В этих тестах отношение МО в реакторе Rc было 1,10; ацетонцианогидрин распределяли следующим образом: 60% в реакторе Ra и 40% в реакторе Rc.

В тесте 5а олеум с титром 104,5% также вводили со скоростью 49 г/ч по трубопроводу 7 в реактор Rc.

Другие условия подобраны в следующей таблице.

 РеакторRaRbRcRdReМО1,831,101,10Температура °С9012095140Время пребывания, мин385302,524

Результаты.

Выходы метакриламида, полученные во всех проведенных тестах, были подсчитаны.

Результаты представлены в следующей таблице.

ТестыМООлеум% выхода11,60нет91,521,50да92,2431,30нет91,043а1,30да91,453b1,30да91,5941,20нет90,054а1,20да90,3451,10нет87,315а1,10да87,34

Кривая в Фигуре 2 показывает изменения в выходе, как функцию мольного отношения МО в реакторе Rc.

Изобретение относится к способу получения сернокислого метакриламида из ацетонцианогидрина. Процесс включает стадию смешивания, на которой ацетонцианогидрин смешивают с серной кислотой, свободной от триоксида серы; стадию сушки, на которой смесь, полученную выше, подвергают дегидратации нагреванием; стадию добавления ацетонцианогидрина, на которой добавляют еще ацетонцианогидрин в реакционную среду без добавления дополнительной серной кислоты и при перемешивании, причем триоксид серы вводят на этой стадии и/или сразу после нее; еще одну стадию сушки, на которой смесь подвергают дальнейшей дегидратации нагреванием. При этом в процессе используют 100%-ную серную кислоту и ацетонцианогидрин, содержащий 500-1000 млн.д. воды. Технический результат - повышение выхода продукта и уменьшение побочных продуктов, использование в процессе необязательно безводных исходных реагентов. 8 з.п. ф-лы, 2 ил., 6 табл.

1. Способ получения серно-кислого метакриламида, включающий

a) стадию смешивания, на которой ацетонцианогидрин смешивают с серной кислотой, свободной от триоксида серы;

b) стадию сушки, на которой смесь, полученную выше, подвергают дегидратации нагреванием;

c) стадию добавления ацетонцианогидрина, на которой добавляют еще ацетонцианогидрин в реакционную среду без добавления дополнительной серной кислоты и при перемешивании;

d) еще одну стадию сушки, на которой смесь подвергают дальнейшей дегидратации нагреванием;

отличающийся тем, что используют 100%-ную серную кислоту, ацетонцианогидрин, содержащий 500-1000 млн.д. воды, причем триоксид серы вводят на стадии с), и/или сразу после этой стадии с).