JP3837966B2 - Process for producing polytetramethylene ether glycol - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポリテトラメチレンエーテルグリコール(以下、PTMGと略記することがある)の製造方法に関する。詳しくは、PTMGのジ酢酸エステル(以下、PTMEと略記することがある)をアルカリ金属触媒の存在下に低級脂肪族アルコールによりエステル交換してPTMGを製造する方法の改良に関する。
PTMGは、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂等のソフトセグメントとして用いられ、ロール等の工業製品、また靴底、スパンデックスのような衣料用弾性繊維等に加工されて広く生活に利用されている。
【0002】
【従来の技術】
PTMGの製造方法については、従来からいろいろな方法が開示されている。その中でも、テトラヒドロフラン(以下、THFと略記することがある)を固体酸触媒及びカルボン酸無水物、例えば無水酢酸の存在下に開環重合させてPTMEを得、次いでこのPTMEを塩基性触媒の存在下に低級アルコール、例えばメタノールによりエステル交換してPTMGを得る方法が廃棄物が少なく、優れた方法である。
【0003】
固体酸触媒としては、超強酸性イオン交換樹脂(特公昭61−11969号公報)、漂白土(特公昭62−19452号公報)、ゼオライト(特開平7−228684号公報)等が提案されている。固体酸触媒は、懸濁床、固定床のいずれでも使用でき、固定床流通反応で用いると触媒の分離操作を別途行う必要がなく、特に好ましい。
【0004】
PTMEのエステル交換反応については、通常、塩基性触媒、例えばナトリウムメトキシドの存在下に低級アルコール、例えばメタノールによりエステル交換を行い、PTMGを製造する。
エステル交換反応は、平衡反応であるので、末端が全て水酸基のPTMGを得るには、何らかの形で生成する低級アルコールの酢酸エステルを除去しながら実施する必要がある。その方法としては、蒸留設備を設けた回分反応器によって実施する方法もあるが、大量の製品を得るためには設備が大きくなり、実用的ではない。連続式にエステル交換する方法が望ましく、蒸留設備を備えた反応器を使用する方法も考えられるが、設備が高価である。これに対して、蒸留塔内で、反応と分離を同時に行う反応蒸留は設備が小さくて済むので有利である。
【0005】
PTMEよりPTMGを製造する反応蒸留については、例えばWO97/23559号公報に提案されている。
この方法は、PTME、触媒及び低級アルコールの混合物を、蒸留塔の中部より供給し、エステル交換と同時に生成する酢酸メチルを除去し、更に、蒸留塔下部より、加熱メタノール蒸気を供給し反応を完結させるものである。
しかしながら、この方法においては、蒸留塔に供給されるPTMEの量が多いので反応を完結させるためには、蒸留塔が大きくなるという問題がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、エステル交換の際、十分な転化率を得るためには、回分式反応器の場合には、反応器を大きくするとか、或いは複数の反応器を並列に用いる必要があり、また、反応蒸留塔の場合には、蒸留塔が大きくなるという問題点がある。
本発明は、エステル交換法により、PTMEからPTMGを製造する際に、十分な転化率を得、且つ反応装置を小さくすることができる方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、かかる事情に鑑み鋭意検討した結果、PTMEをアルカリ金属又はアルカリ土類金属触媒の存在下、低級脂肪族アルコールによりエステル交換してPTMGを製造する方法において、反応を二段で行う、即ち、先ず反応器にてエステル交換反応を平衡組成の近く迄行い、次いで得られた反応混合物を反応蒸留塔に供給して、残りの反応を行うことにより、反応蒸留塔への負荷が減少し、蒸留塔を小さくすることができ、且つPTMEの転化率が向上し、未反応物も少なく、副生物も効率よく除去することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【0008】
即ち、本発明の要旨は、ポリテトラメチレンエーテルグリコールのジ酢酸エステルをアルカリ金属又はアルカリ土類金属の水酸化物又はアルコキシドの存在下、低級脂肪族アルコールによりエステル交換してポリテトラメチレンエーテルグリコールを製造する方法において、
a.反応器にポリテトラメチレンエーテルグリコールのジ酢酸エステル、低級脂肪族アルコール及びアルカリ金属又はアルカリ土類金属の水酸化物又はアルコキシドを仕込み、ポリテトラメチレンエーテルグリコールのジ酢酸エステルの平衡転化率の85%以上となるようにエステル交換せしめ、次いで
b.得られた反応混合物を反応蒸留塔に供給し、塔頂より未反応の低級脂肪族アルコール及び生成した低級脂肪族アルコールの酢酸エステルを留出せしめ、且つ塔底よりポリテトラメチレンエーテルグリコールの低級脂肪族アルコール溶液を缶出せしめつつ、更にエステル交換を行う、
ことを特徴とするポリテトラメチレンエーテルグリコールの製造方法にある。
【0009】
なお、本発明においては、反応及び、蒸留を大気圧以上の加圧条件下で実施することによって反応温度を上げ、反応速度を大きくし、用いる触媒量を低減させると同時に、反応器、蒸留塔を小さなものにすることが出来る。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
(a.第1段反応)
本発明に用いられる原料のPTMEについては、通常、THFを無水酢酸の存在下、酸触媒を用いて開環重合させて得られる。酸触媒としては、超強酸性イオン交換樹脂、活性白土、ゼオライト、シリカアルミナのような固体酸が用いられる。固体酸は分離が容易であり、固定床流通反応に好適である。
【0011】
反応条件については、目的とするPTMGの分子量や酸触媒の種類により異なるが、通常、無水酢酸及び触媒は、反応液中の濃度が、それぞれ0.5〜30重量%及び0.1〜30重量%となるように用いて、反応温度、通常20〜80℃の範囲で、反応時間、通常0.5〜10時間の範囲で重合が行われ、THFと無水酢酸とのモル比を調整することにより、生成ポリマーの分子量を調整することができる。得られた重合反応液は、未反応のTHF及び無水酢酸を含んでいるので、これらを常圧又は減圧下で留去させて、PTMEを得る。留去したTHF及び無水酢酸は、必要に応じて精製して再利用することができる。
【0012】
得られたPTMEは、低級脂肪族アルコールと混合し、エステル交換触媒の存在下にエステル交換させてPTMGに変換する。エステル交換反応の反応速度は、アルコール濃度に依存するので、アルコールが多い方が進行しやすく、また、エステル交換反応は平衡があるので、生成する低級脂肪族アルコールのカルボン酸エステルを適宜除去しながら行うのが好ましい。
低級脂肪族アルコールとしては、炭素数1〜4のアルコールが用いられるが、特にメタノールが好ましい。メタノールは分子量が小さく、同じ重量でもPTMEとのモルが大きく取れること、生成した酢酸メチルとの比揮発度が他のものに比べ大きいことから好適に用いられる。
【0013】
アルコールとPTMEとの比は、重量比で1:1〜1:3が好適である。アルコールが少ないと粘度が高く、反応が遅くなり、逆に多過ぎると装置が大きくなり、しかも過剰のアルコールの除去のためにコストアップとなる。また、原料アルコールは副生する低級アルコールのカルボン酸エステルと共沸物を形成し、反応系から除去されることがあるので、原料アルコールを適宜補給してもよい。
【0014】
エステル交換触媒としては、通常、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属、カルシウム、バリウム等のアルカリ土類金属等の水酸化物又はアルコキシドが用いられるが、これらの中、アルカリ金属の水酸化物又はアルコキシドが好ましく、アルカリ金属のアルコキシドがより好ましく、中でもナトリウムのアルコキシドは反応速度が大きく、アルコールに対する溶解度も大きく、取扱いも容易で好適に用いられる。ナトリウムメトキシドが特に好ましい。
以下、PTMEのエステル交換反応をアルコールとしてメタノールを用い、触媒としてナトリウムメトキシドを用いた場合について説明する。
【0015】
この場合、PTME、メタノール及びナトリウムメトキシドの混合物を反応器内で反応させ、エステル交換を実施するが、反応速度は温度が高いほど、触媒が多いほど大きく、また平衡はメタノールが多いほどPTMGに寄っている。しかしながら、温度が高いと、メタノールの蒸気圧が高くなって反応が高圧になり反応器に耐圧が必要となり、又、メタノールや触媒が多いと後工程で除去するのに大きな設備と、用役を必要とする。従って、本発明を実施するに当っては、蒸留塔の前に設置した反応器で、PTMEに対して、20〜300モル倍、好ましくは50〜100モル倍のメタノール、ナトリウムメトキシドを溶液中に0.005〜1重量%、好ましくは0.01〜0.5重量%を用い、0.5〜5MPa、好ましくは1〜3MPa、温度100〜250℃でエステル交換が実施される。
【0016】
この場合、PTMEは平衡転化率の85%以上、好ましくは87〜99%反応させればよい。余り高い転化率迄反応させようとすると、多量の触媒を用いて後の触媒処理に負荷がかかったり、温度、圧力等の反応条件が厳しくなったり、滞留時間が長くなるなどするので、効率的ではない。なお、平衡転化率とは、その反応条件下において、エステル化反応が平衡に達したときの転化率を指す。
また、反応の進行は化学分析或いは赤外分析等の常法により、反応系に残留するエステル分を分析することにより点検することができる。
【0017】
反応器は連続で使用できるもので有れば良く、撹拌槽、循環式反応槽、チューブ型反応器等が用いられる。槽型反応器では主流通方向とは逆に液の一部が動く逆混合が存在するので流れがピストン流に近い反応型式が好適であり、チューブ型反応器を用いるのが設備が簡単で且つ反応効率も良いので好適に用いられる。チューブ型反応器では、滞留時間4〜10分で平衡組成或いは平衡組成に近い状態までエステル交換を実施するだけであるので、生成した酢酸メチルを分離する為の設備は必要ない。
反応器から抜き出される混合物の組成は、例えば、PTME50重量%、メタノール50重量%、触媒0.01重量%を用いた場合、2MPa、160℃の条件で平衡組成は、PTME0.5重量%、PTMG47.5重量%、酢酸メチル3.6重量%、メタノール48.5重量%となる。
【0018】
(b.第2段反応)
ここで生成した混合物は、蒸留塔に送られ酢酸メチルを除去すると同時に、未反応のPTMEを更にエステル交換しPTMGとする。
蒸留塔は、反応器よりも低い圧力で運転される。理由の一つは、反応器の圧力を利用して、特別な設備無しに原料を供給できることであるが、メタノールと酢酸メチルの分離は圧力が低い方が効率的であることにも依る。しかし、圧力を余り低下させると蒸留塔の温度が下がり、エステル交換速度が小さくなり好ましくない。従って、蒸留塔は0.5〜2MPa、好ましくは1〜1.5MPa、温度100〜170℃で運転される。なお、滞留時間は、10〜30分である。
【0019】
蒸留塔内では分離と反応が同時に起こるので、仕込段より下部、蒸留塔回収部では、反応のための時間が必要である。従って、蒸留塔の型式としては、回収部は液のホルードアップを大きく取れる棚段が好ましく、泡鐘トレイ、多孔板トレイ、バルブトレイ等が用いられる。泡鐘トレイは安定操作範囲が広いが構造が複雑なためコスト高となり、一方多孔板トレイは構造が簡単で圧力損失が小さいが安定操作範囲が狭い等の欠点を有するため、双方の利点を有するバブルトレイが好適である。仕込み段より上部、蒸留塔濃縮部は、特段の工夫が不要で通常の蒸留設備が使用でき、前述の棚段例えばシーブトレイ等のトレイ或いはラシヒリングやボールリング等の不規則充填物や圧力損失の少ない規則充填物が精留部に使用出来る。還流比は、用いるPTMEとメタノールのモル比、及び濃縮段の段数によって変化するが、通常0.5〜20の還流比が用いられる。過大な還流比は、トレイ上の液の触媒濃度を低下させ、反応速度が小さくなると同時に、トレイ上での滞留時間が短くなるのでエステル交換反応には不利である。蒸留は、濃縮部1〜10段、回収部5〜30段、還流比1〜10で好適に実施される。
【0020】
塔底液は、PTMGとメタノールの混合物になるが、PTMGの濃度を高くすると粘度が上がり、リボイラーのサーモサイホンが働かなくなるので、30〜70%、好ましくは40〜50%の濃度が好適である。また、粘度の上昇に伴って、リボイラー中の液の流動が悪くなるので必要に応じてポンプによって、リボイラー内の液を流動させることも好ましい。
かくして留出した、酢酸メチル及びメタノールはメタノール回収塔に送られ、酢酸メチル及びメタノールの共沸混合物を塔頂から留出させ、メタノールは塔底より回収しPTMEのエステル交換の原料として使用される。この時回収されるメタノールの純度は、95%程度以上で有れば問題なく使用できる。
【0021】
塔底から抜き出されたPTMG及びメタノールの混合物は、中和或いは吸着等の通常の方法で触媒を除去した後、蒸留塔で更にメタノールを除去した後、5Torr以下の高真空下で運転される薄膜蒸発器によって完全にメタノールが除かれPTMGとされ、留出したメタノールはエステル交換の原料として用いることが出来る。
通常、工業的には上記の方法で数平均分子量500〜3000のPTMGが得られ、ポリウレタン弾性繊維やポリウレタンエラストマー或いはポリエステルエラストマーの原料として使われる。
【0022】
【実施例】
以下実施例によって本発明を詳細に説明するが、本発明はその要旨を越えない限り、実施例に限定されるものではない。
(原料の調製)
THF100部、無水酢酸5.6部、酢酸0.2部をジルコニアシリカ触媒3.5部と共に40℃で5時間反応させた。反応物は濾過により触媒を除去した後、常圧の回分蒸留で未反応物の大部分を留去し、次いで10Torrの減圧で回分蒸留し無水酢酸、酢酸の残留分を留去し、更に減圧下で窒素を少量導入して揮発分を除去し、GPCで測定した分子量2100のPTMEを37部得た。残留する無水酢酸及び酢酸は、それぞれ0.001重量%、0.0005重量%であった。これを三回繰り返し、原料を製造した。
エステル交換反応液の組成は、下記分析法に従い実施した。
前処理として塩基性触媒を失活させるために1N塩酸を用い、中和当量の1.2倍に相当する1N塩酸を敷液として準備した後サンプリングを行った。
【0023】
(酢酸メチル、メタノール含量分析)
ガスクロマトグラフィー:サンプリング液を1ml容器に採取し自動注入による絶対検量により定量した。
GC装置:島津GC−14A
カラム:GL Science製 NEUTRABOND−1 サイズ0.32mmφ×60m 液膜厚df=0.4μm
カラム温度:50℃定温
気化室温度:320℃
検出器温度:320℃
検出器:FID
【0024】
(PTME残留量分析)
赤外分析:サンプリング液をロータリーエバポレータを用い、100Pa真空留去により酢酸メチル及びメタノールを痕跡量になるまで留去する。留去残渣液は、反応生成物のPTMGと未反応PTMEの混合物であり、残渣秤取重量の4倍重量に当るクロロホルムで希釈溶解する。希釈調製液を液体測定用セルに注入しPTMEのカルボニル基の特性吸収νC=0 1732cm-1の吸光度を求め、別途標品にて作成した検量線からPTME残留量を求めた。
【0025】
実施例1
PTME50重量%、ナトリウムメトキシド100ppmを含むメタノール溶液50kg/hrを、第1反応器として、内温160℃、圧力1.85MPaのチューブ型反応器(内径20mm、長さ20m)を通過させた。チューブ型反応器出口組成を分析したところ、PTME0.5重量%、PTMG47.5重量%、酢酸メチル3.6重量%、メタノール48.5重量%を示した。チューブ型反応器を通過させた液は、引き続いて、上部にボールリングを充填した理論段5段の精留部を持ち、仕込み段下部に5段の泡鐘トレイを持った上部直径0.20m、下部直径0.5mの1MPa加圧蒸留塔に仕込み、還流比4で運転した。塔頂より酢酸メチル17%、メタノール83%からなる留出液を7kg/hrで抜き出し、塔底よりPTMG55重量%、メタノール44重量%、酢酸メチル1重量%からなる缶出液を抜き出した。缶出液は冷却後、1重量%の水を加え、スルホン酸型強酸性イオン交換樹脂(三菱化学(株)SK1BH)を充填した塔に導入し溶存するNaイオンを除去し、溶媒を蒸留により留去しPTMGとした。得られたPTMGの平均分子量は1965であり、PTMEの残留量を赤外分析で実施したところ0.5重量%であった。
【0026】
比較例1
実施例1において、第1反応器であるチューブ型反応器を経由せず、直接蒸留塔に導入する以外は実施例1と同じ条件によって運転を行った。得られたPTMG中のPTMEの残留量を赤外分析で実施したところ10.2重量%であった。
【0027】
比較例2
実施例1において、蒸留塔仕込み段下部を15段の泡鐘トレイに増設し、第1反応器であるチューブ型反応器を経由せず、直接蒸留塔に導入する以外は実施例1と同じ条件によって運転を行った。得られたPTMG中のPTMEの残留量を赤外分析で実施したところ1.8%重量であった。
【0028】
【発明の効果】
本発明によれば、PTMEをアルカリ金属又はアルカリ土類金属触媒の存在下、低級脂肪族アルコールによりエステル交換してPTMGを製造する方法において、反応蒸留塔の負荷を減らし、蒸留塔自体を小さくすることができ、且つPTMEの転化率が向上し、未反応物を少なく、副生物を効率よく除去することができる。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing polytetramethylene ether glycol (hereinafter sometimes abbreviated as PTMG). More specifically, the present invention relates to an improvement in a method for producing PTMG by transesterification of PTMG diacetate (hereinafter sometimes abbreviated as PTME) with a lower aliphatic alcohol in the presence of an alkali metal catalyst.
PTMG is used as a soft segment such as polyester resin and polyurethane resin, and is widely used in daily life after being processed into industrial products such as rolls and elastic fibers for clothing such as shoe soles and spandex.
[0002]
[Prior art]
Various methods for manufacturing PTMG have been disclosed. Among them, tetrahydrofuran (hereinafter sometimes abbreviated as THF) is subjected to ring-opening polymerization in the presence of a solid acid catalyst and a carboxylic acid anhydride such as acetic anhydride to obtain PTME, and then this PTME is present in the presence of a basic catalyst. A method for obtaining PTMG by transesterification with a lower alcohol such as methanol is an excellent method with little waste.
[0003]
As the solid acid catalyst, super strong acid ion exchange resin (Japanese Patent Publication No. 61-111969), bleaching earth (Japanese Patent Publication No. 62-19452), zeolite (Japanese Patent Laid-Open No. 7-228684) and the like have been proposed. . The solid acid catalyst can be used in either a suspended bed or a fixed bed, and when used in a fixed bed flow reaction, it is not particularly necessary to perform a separate operation for the catalyst, which is particularly preferable.
[0004]
Regarding the transesterification of PTME, PTMG is usually produced by transesterification with a lower alcohol such as methanol in the presence of a basic catalyst such as sodium methoxide.
Since the transesterification reaction is an equilibrium reaction, in order to obtain PTMG having all hydroxyl groups at the ends, it is necessary to carry out the process while removing the acetic acid ester of the lower alcohol produced in some form. As a method therefor, there is a method in which a batch reactor equipped with a distillation facility is used. However, in order to obtain a large amount of products, the facility becomes large, which is not practical. A continuous transesterification method is desirable, and a method using a reactor equipped with distillation equipment is also conceivable, but the equipment is expensive. On the other hand, the reactive distillation in which the reaction and the separation are simultaneously performed in the distillation column is advantageous because the equipment is small.
[0005]
The reactive distillation for producing PTMG from PTME is proposed in, for example, WO 97/23559.
In this method, a mixture of PTME, catalyst and lower alcohol is supplied from the center of the distillation column to remove methyl acetate generated simultaneously with the transesterification, and heated methanol vapor is supplied from the bottom of the distillation column to complete the reaction. It is something to be made.
However, in this method, since the amount of PTME supplied to the distillation column is large, there is a problem that the distillation column becomes large in order to complete the reaction.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in order to obtain a sufficient conversion rate in the transesterification, in the case of a batch reactor, it is necessary to enlarge the reactor or to use a plurality of reactors in parallel. In the case of a reactive distillation column, there is a problem that the distillation column becomes large.
An object of this invention is to provide the method of obtaining sufficient conversion, and making a reactor small, when manufacturing PTMG from PTME by transesterification.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies in view of such circumstances, the present inventors have conducted a two-stage reaction in a process for producing PTMG by transesterifying PTME with a lower aliphatic alcohol in the presence of an alkali metal or alkaline earth metal catalyst. In other words, the transesterification reaction is first performed in the reactor to near the equilibrium composition, and then the reaction mixture obtained is supplied to the reactive distillation column, and the remaining reaction is performed, so that the load on the reactive distillation column is increased. It has been found that the distillation column can be reduced, the conversion rate of PTME can be improved, the amount of unreacted substances can be reduced, and by-products can be efficiently removed, and the present invention has been completed.
[0008]
That is, the gist of the present invention is that polytetramethylene ether glycol diacetate is transesterified with a lower aliphatic alcohol in the presence of an alkali metal or alkaline earth metal hydroxide or alkoxide to obtain polytetramethylene ether glycol. In the manufacturing method,
a. The reactor is charged with polytetramethylene ether glycol diacetate, lower aliphatic alcohol and alkali metal or alkaline earth metal hydroxide or alkoxide, and 85% of the equilibrium conversion of polytetramethylene ether glycol diacetate Transesterified to obtain the above, and then b. The obtained reaction mixture was supplied to a reactive distillation column, unreacted lower aliphatic alcohol and acetic acid ester of the generated lower aliphatic alcohol were distilled from the top of the column, and the lower fat of polytetramethylene ether glycol was distilled from the bottom of the column. Further transesterification while allowing the group alcohol solution to come out,
It is in the manufacturing method of the polytetramethylene ether glycol characterized by the above-mentioned.
[0009]
In the present invention, by carrying out the reaction and distillation under a pressurized condition of atmospheric pressure or higher, the reaction temperature is increased, the reaction rate is increased, and the amount of catalyst used is reduced. Can be made small.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
(A. First stage reaction)
The raw material PTME used in the present invention is usually obtained by subjecting THF to ring-opening polymerization using an acid catalyst in the presence of acetic anhydride. As the acid catalyst, a solid acid such as super strong acid ion exchange resin, activated clay, zeolite, silica alumina is used. Solid acids are easy to separate and are suitable for fixed bed flow reactions.
[0011]
About reaction conditions, although it changes with the molecular weight of the target PTMG, and the kind of acid catalyst, normally, acetic anhydride and a catalyst are 0.5-30 weight% and 0.1-30 weight respectively in the reaction liquid. %, The reaction temperature is usually in the range of 20 to 80 ° C., the reaction time is usually in the range of 0.5 to 10 hours, and the molar ratio of THF and acetic anhydride is adjusted. Thus, the molecular weight of the produced polymer can be adjusted. Since the obtained polymerization reaction liquid contains unreacted THF and acetic anhydride, these are distilled off under normal pressure or reduced pressure to obtain PTME. The THF and acetic anhydride distilled off can be purified and reused as necessary.
[0012]
The obtained PTME is mixed with a lower aliphatic alcohol, transesterified in the presence of a transesterification catalyst, and converted to PTMG. Since the reaction rate of the transesterification reaction depends on the alcohol concentration, the more alcohol there is, the easier the progress, and the transesterification reaction has an equilibrium, so that the carboxylic acid ester of the lower aliphatic alcohol to be produced is removed appropriately. It is preferred to do so.
As the lower aliphatic alcohol, an alcohol having 1 to 4 carbon atoms is used, and methanol is particularly preferable. Methanol is preferably used because it has a small molecular weight, allows a large mole with PTME even at the same weight, and has a higher relative volatility with the produced methyl acetate than other compounds.
[0013]
The ratio of alcohol to PTME is preferably 1: 1 to 1: 3 by weight. If the amount of alcohol is small, the viscosity is high and the reaction is slow. On the other hand, if the amount is too large, the apparatus becomes large, and the cost increases due to the removal of excess alcohol. Further, since the raw material alcohol forms an azeotrope with the by-product lower alcohol carboxylic acid ester and may be removed from the reaction system, the raw material alcohol may be appropriately replenished.
[0014]
As transesterification catalysts, hydroxides or alkoxides of alkali metals such as sodium and potassium, alkaline earth metals such as calcium and barium are usually used. Among these, alkali metal hydroxides or alkoxides are used. Alkali metal alkoxides are preferred, and sodium alkoxides are preferred because of their high reaction rate, high solubility in alcohol, easy handling, and the like. Sodium methoxide is particularly preferred.
Hereinafter, the case where methanol is used as the alcohol and sodium methoxide is used as the catalyst in the transesterification reaction of PTME will be described.
[0015]
In this case, a mixture of PTME, methanol and sodium methoxide is reacted in the reactor and transesterification is carried out, but the reaction rate is higher as the temperature is higher, the catalyst is higher, and the equilibrium is increased to PTMG as the methanol is higher. It is close. However, if the temperature is high, the vapor pressure of methanol becomes high, the reaction becomes high pressure, and the reactor needs to have a pressure resistance, and if there are a lot of methanol and catalyst, a large facility and utility are required for removal in a later process. I need. Therefore, in practicing the present invention, 20 to 300 mol times, preferably 50 to 100 mol times of methanol and sodium methoxide are added in a solution in a reactor installed in front of the distillation column. The transesterification is performed at 0.5 to 5 MPa, preferably 1 to 3 MPa, and a temperature of 100 to 250 ° C. using 0.005 to 1 wt%, preferably 0.01 to 0.5 wt%.
[0016]
In this case, PTME may be reacted at 85% or more, preferably 87 to 99% of the equilibrium conversion rate. If the reaction is carried out to a very high conversion rate, a large amount of catalyst is used, and the subsequent catalyst treatment is burdened, the reaction conditions such as temperature and pressure become severe, and the residence time becomes long. is not. The equilibrium conversion rate refers to the conversion rate when the esterification reaction reaches equilibrium under the reaction conditions.
The progress of the reaction can be checked by analyzing the ester content remaining in the reaction system by a conventional method such as chemical analysis or infrared analysis.
[0017]
The reactor should just be what can be used continuously, and a stirring tank, a circulation type reaction tank, a tube type reactor, etc. are used. In the tank reactor, there is reverse mixing in which part of the liquid moves in the direction opposite to the main flow direction. Therefore, the reaction type in which the flow is close to the piston flow is suitable, and the use of the tube type reactor is simple and Since reaction efficiency is also good, it is used suitably. In the tube type reactor, the transesterification is carried out only to the equilibrium composition or a state close to the equilibrium composition in a residence time of 4 to 10 minutes, so that no equipment for separating the produced methyl acetate is required.
The composition of the mixture withdrawn from the reactor is, for example, PTME 50% by weight, methanol 50% by weight, catalyst 0.01% by weight, the equilibrium composition under the conditions of 2 MPa, 160 ° C., PTME 0.5% by weight, PTMG 47.5 wt%, methyl acetate 3.6 wt%, methanol 48.5 wt%.
[0018]
(B. Second stage reaction)
The mixture produced here is sent to a distillation column to remove methyl acetate, and at the same time, unreacted PTME is further transesterified to form PTMG.
The distillation column is operated at a lower pressure than the reactor. One reason is that the raw material can be supplied without special equipment using the pressure of the reactor, but the separation of methanol and methyl acetate also depends on the lower pressure. However, if the pressure is lowered too much, the temperature of the distillation column is lowered, and the transesterification rate is decreased, which is not preferable. Accordingly, the distillation column is operated at 0.5 to 2 MPa, preferably 1 to 1.5 MPa, and a temperature of 100 to 170 ° C. The residence time is 10 to 30 minutes.
[0019]
Since separation and reaction occur simultaneously in the distillation column, time is required for the reaction in the lower part of the charging stage and in the distillation column recovery part. Accordingly, as the type of distillation column, the recovery section is preferably a shelf that can greatly hold up the liquid, and a bubble tray, a perforated plate tray, a valve tray, or the like is used. The bubble tray has a wide stable operation range but is expensive due to its complicated structure, while the perforated plate tray has the disadvantages of simple structure and low pressure loss but narrow stable operation range. A bubble tray is preferred. Above the preparation stage, the distillation column concentrating section does not require any special devices and can be used with ordinary distillation equipment. The aforementioned shelf, for example, a tray such as a sieve tray, or irregular packing such as a Raschig ring or a ball ring, and low pressure loss. Regular packing can be used in the rectification section. The reflux ratio varies depending on the molar ratio of PTME and methanol used and the number of concentration stages, but a reflux ratio of 0.5 to 20 is usually used. An excessive reflux ratio is disadvantageous for the transesterification because the catalyst concentration of the liquid on the tray is lowered, the reaction rate is reduced, and the residence time on the tray is shortened. Distillation is suitably carried out with a concentration unit of 1 to 10 stages, a recovery unit of 5 to 30 stages, and a reflux ratio of 1 to 10.
[0020]
The tower bottom liquid is a mixture of PTMG and methanol, but if the concentration of PTMG is increased, the viscosity increases and the reboiler thermosyphon does not work, so a concentration of 30 to 70%, preferably 40 to 50% is suitable. . Moreover, since the flow of the liquid in the reboiler becomes worse as the viscosity increases, it is also preferable to flow the liquid in the reboiler with a pump as necessary.
The methyl acetate and methanol thus distilled are sent to a methanol recovery tower, and an azeotropic mixture of methyl acetate and methanol is distilled from the top of the tower. The methanol is recovered from the bottom and used as a raw material for transesterification of PTME. . If the purity of methanol recovered at this time is about 95% or more, it can be used without any problem.
[0021]
The mixture of PTMG and methanol extracted from the bottom of the column is operated under a high vacuum of 5 Torr or less after removing the catalyst by a conventional method such as neutralization or adsorption, and further removing methanol in the distillation column. Methanol is completely removed by a thin film evaporator to form PTMG, and the distilled methanol can be used as a raw material for transesterification.
Usually, industrially, PTMG having a number average molecular weight of 500 to 3000 is obtained by the above-mentioned method and used as a raw material for polyurethane elastic fiber, polyurethane elastomer or polyester elastomer.
[0022]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples. However, the present invention is not limited to the examples unless it exceeds the gist.
(Preparation of raw materials)
100 parts of THF, 5.6 parts of acetic anhydride, and 0.2 part of acetic acid were reacted with 3.5 parts of zirconia silica catalyst at 40 ° C. for 5 hours. After removing the catalyst by filtering the reaction product, most of the unreacted product is distilled off by batch distillation at normal pressure, and then batch distillation is carried out at a reduced pressure of 10 Torr to distill off the remaining acetic anhydride and acetic acid. A small amount of nitrogen was introduced below to remove volatile matter, and 37 parts of PTME having a molecular weight of 2100 measured by GPC was obtained. The remaining acetic anhydride and acetic acid were 0.001 wt% and 0.0005 wt%, respectively. This was repeated three times to produce a raw material.
The composition of the transesterification reaction solution was carried out according to the following analysis method.
In order to deactivate the basic catalyst as a pretreatment, 1N hydrochloric acid was used, and 1N hydrochloric acid corresponding to 1.2 times the neutralization equivalent was prepared as a coating solution, and then sampling was performed.
[0023]
(Methyl acetate, methanol content analysis)
Gas chromatography: The sampling solution was collected in a 1 ml container and quantified by absolute calibration by automatic injection.
GC device: Shimadzu GC-14A
Column: NEUTRABOND-1 manufactured by GL Science Size 0.32 mmφ × 60 m Liquid film thickness df = 0.4 μm
Column temperature: 50 ° C Constant temperature Vaporization chamber temperature: 320 ° C
Detector temperature: 320 ° C
Detector: FID
[0024]
(PTME residual amount analysis)
Infrared analysis: Methyl acetate and methanol are distilled off to a trace amount by 100 Pa vacuum distillation of the sampling solution using a rotary evaporator. The distillation residue liquid is a mixture of the reaction product PTMG and unreacted PTME, which is diluted and dissolved with chloroform equivalent to 4 times the weight of the residue weighed. The diluted preparation solution was poured into a liquid measurement cell, and the absorbance of the carbonyl group characteristic absorption νC = 0 1732 cm −1 of PTME was determined. The PTME residual amount was determined from a calibration curve prepared separately.
[0025]
Example 1
A 50 kg / hr methanol solution containing 50 wt% PTME and 100 ppm sodium methoxide was passed through a tube reactor (inner diameter 20 mm, length 20 m) having an internal temperature of 160 ° C. and a pressure of 1.85 MPa as the first reactor. Analysis of the tube reactor outlet composition showed PTME 0.5 wt%, PTMG 47.5 wt%, methyl acetate 3.6 wt%, and methanol 48.5 wt%. The liquid passed through the tube reactor has an upper diameter of 0.20 m, which has a rectifying section of five theoretical stages filled with a ball ring at the upper part and a five-stage bubble tray at the lower part of the charging stage. The mixture was charged into a 1 MPa pressure distillation tower having a lower diameter of 0.5 m and operated at a reflux ratio of 4. A distillate consisting of 17% methyl acetate and 83% methanol was extracted from the top of the column at 7 kg / hr, and a bottoms consisting of 55% by weight PTMG, 44% by weight methanol and 1% by weight methyl acetate was extracted from the bottom of the column. After cooling the bottoms, 1% by weight of water is added and introduced into a column packed with a sulfonic acid type strongly acidic ion exchange resin (Mitsubishi Chemical Corporation SK1BH) to remove dissolved Na ions, and the solvent is distilled off. Distilled off to obtain PTMG. The average molecular weight of the obtained PTMG was 1965, and the residual amount of PTME was 0.5% by weight as a result of infrared analysis.
[0026]
Comparative Example 1
In Example 1, the operation was performed under the same conditions as in Example 1 except that the first reactor was not directly passed through the tube reactor and was directly introduced into the distillation column. When the residual amount of PTME in the obtained PTMG was measured by infrared analysis, it was 10.2% by weight.
[0027]
Comparative Example 2
In Example 1, the same conditions as in Example 1 except that the lower part of the distillation column preparation stage is added to the 15-stage bubble bell tray and introduced directly into the distillation column without passing through the tube reactor as the first reactor. Drove by. When the residual amount of PTME in the obtained PTMG was measured by infrared analysis, it was 1.8% by weight.
[0028]
【The invention's effect】
According to the present invention, in a process for producing PTMG by transesterifying PTME with a lower aliphatic alcohol in the presence of an alkali metal or alkaline earth metal catalyst, the load on the reactive distillation column is reduced and the distillation column itself is made smaller. And the conversion rate of PTME is improved, the amount of unreacted substances is reduced, and by-products can be efficiently removed.
Claims (9)
a.反応器にポリテトラメチレンエーテルグリコールのジ酢酸エステル、低級脂肪族アルコール及びアルカリ金属又はアルカリ土類金属の水酸化物又はアルコキシドを仕込み、ポリテトラメチレンエーテルグリコールのジ酢酸エステルの平衡転化率の85%以上となるようにエステル交換せしめ、次いで
b.得られた反応混合物を反応蒸留塔に供給し、塔頂より未反応の低級脂肪族アルコール及び生成した低級脂肪族アルコールの酢酸エステルを留出せしめ、且つ塔底よりポリテトラメチレンエーテルグリコールの低級脂肪族アルコール溶液を缶出せしめつつ、更にエステル交換を行う、ことを特徴とするポリテトラメチレンエーテルグリコールの製造方法。In the method for producing polytetramethylene ether glycol by transesterifying a diacetate of polytetramethylene ether glycol with a lower aliphatic alcohol in the presence of an alkali metal or alkaline earth metal hydroxide or alkoxide,
a. The reactor is charged with polytetramethylene ether glycol diacetate, lower aliphatic alcohol and alkali metal or alkaline earth metal hydroxide or alkoxide, and 85% of the equilibrium conversion of polytetramethylene ether glycol diacetate Transesterified to obtain the above, and then b. The obtained reaction mixture was supplied to a reactive distillation column, unreacted lower aliphatic alcohol and acetic acid ester of the generated lower aliphatic alcohol were distilled from the top of the column, and the lower fat of polytetramethylene ether glycol was distilled from the bottom of the column. A process for producing polytetramethylene ether glycol, wherein the transesterification is further carried out while the aromatic alcohol solution is taken out.
a.チューブ型反応器に、ポリテトラメチレンエーテルグリコールのジ酢酸エステル、並びにこれに対して20〜300モル倍のメタノール、及びアルカリ金属又はアルカリ土類金属の水酸化物又はアルコキシドを連続的に供給し、0.5〜5MPa、100〜250℃でエステル交換させて、ポリテトラメチレンエーテルグリコールのジ酢酸エステルの平衡転化率の85%以上のエステル交換率に達した反応混合物を取得し、
b.得られた反応混合物を反応蒸留塔に供給し、塔頂を0.5〜2MPa、100〜170℃に維持して、塔頂よりメタノール及び酢酸メチルを留出させ、且つ塔底よりポリテトラメチレンエーテルグリコールのメタノール溶液を缶出せしめつつ、更にエステル交換を行う、ことを特徴とするポリテトラメチレンエーテルグリコールの製造方法。In a method for producing polytetramethylene ether glycol by transesterifying diacetate of polytetramethylene ether glycol with methanol in the presence of an alkali metal or alkaline earth metal hydroxide or alkoxide,
a. To the tube reactor, polytetramethylene ether glycol diacetate, and 20 to 300 moles of methanol, and alkali metal or alkaline earth metal hydroxide or alkoxide are continuously fed, Transesterification was performed at 0.5 to 5 MPa at 100 to 250 ° C. to obtain a reaction mixture that reached a transesterification rate of 85% or more of the equilibrium conversion of polytetramethylene ether glycol diacetate,
b. The obtained reaction mixture was supplied to a reactive distillation column, the top of the column was maintained at 0.5 to 2 MPa, 100 to 170 ° C., methanol and methyl acetate were distilled from the top of the column, and polytetramethylene was distilled from the bottom of the column. A process for producing polytetramethylene ether glycol, wherein transesterification is further performed while a methanol solution of ether glycol is taken out.
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