CN1069890C - 1,3-丙二醇提纯方法 - Google Patents

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Abstract

介绍一种提纯含碳酰1,3-丙二醇组分的方法,该法包括:a)在酸性水介质中配制所述1,3-丙二醇组分溶液;b)加足量的碱至该水介质,得pH大于7的碱性溶液;c)在足以馏出其中大部分1,3-丙二醇条件下加热该碱性溶液,所得馏后1,3-丙二醇组分中碳酰含量较其原初为低。本发明方法制得的纯化1,3-丙二醇可用作低色度聚酯的生产原料。

Description

1,3-丙二醇提纯方法
本发明涉及1,3-丙二醇的制备方法。具体而言,本发明涉及从含碳酰杂质的反应产物混合物中回收1,3-丙二醇。
1,3-丙二醇(PDO)为重要的化工原料,用于生产聚对苯二酸丙二醇酯(PPT),这种聚酯可制造薄膜和纤维。PDO可以环氧乙烷为原料,在钴催化作用下使其羰基化,再经加氢制得;另一方法是,在酸催化剂作用下使丙烯醛水解,然后加氢。通常,PDO制备中的粗产物中含400ppm以上碳酰副产物(包括缩醛)。PDO中碳酰杂质含量高,则相应在地在PPT制备中产生丙烯醛,故由PPT抽出纤维的色感差。遗憾的是,以部分蒸馏进行PDO提纯并不适宜。例如,US-A-5334778号表明,馏出物中仍含3000~10000ppm碳酰杂质。为降低碳酰含量,业已开发了多种其它方法,如汽提、溶剂萃取、化学处理以及固体聚乙烯醇处理(见US-A-4105701号),但仍旧以蒸馏提纯为最简单、冼选的方法。
故此,本发明旨在提供一种提纯PDO的方法。就某种意义而言,本发明的目标是提出一种降低PDO中碳酰含量并减少PPT缩聚聚合中丙烯醛副产物量的方法。
依照本发明,提纯含碳酰1,3-丙二醇组分的方法包括:
a)于pH≤7的水介质中配制1,3-丙二醇的组分溶液;
b)在所得酸性溶液中加足量的碱,制成pH≥7的碱性溶液;
c)加热碱性溶液直至馏出其中大部分水;且
d)继续加热直至所余溶液中大部分1,3-丙二醇也得以馏出,则所得1,3-丙二醇组分中碳酰含量较之原初含碳酰1,3-丙二醇组分为低。
经本发明方法提纯后的PDO可用作低色度聚醋的生产原料。
本发明方法中涉及含碳酰PDO组分的酸水溶液配制。碳酰组分的污染源有缩醛、醛或酮。一般,原有或加入的水量足以保证水溶液中含5%~95%(重量)水,优选值10%~80%,更优选为20%~70%(重量)的水。PDO溶液浓度稍高有利于减少后续的提纯次数及降低设备尺寸,但不利处是除去杂质所需时间延长。较低浓度的溶液纯化时间较短,但设备尺寸大,且由于需除去大量的水,故效率不高。水优选用蒸馏水或去离子水。
PDO水溶液中需加入酸。该酸在水溶液中的pKa值小于6,优选值小于4。该酸可为有机或无机酸。酸优选高沸点者(大于100℃),以避免溶液在喷射或真空状态下酸的逸失。举例而言,适宜的酸包括:羧酸,其中优选C2以上者,诸如琥珀酸、丙酸、己酸、氯乙酸或苯甲酸;磺酸,尤其是芳基磺酸如对-甲苯磺酸;氢卤酸;磷酸,包括正磷酸和偏磷酸;以及在水中可生成酸或羟基的化合物,诸如三氧化硫,五氧化磷,羧酸酐,Lewis酸如氯化铝。优选磺酸和磷酸。酸也可为非溶解态,如酸性离子交换聚合树脂,酸性钒土或酸性粘土,在这种情况下,最好在蒸馏水溶液前先通过过滤或其它适宜方式将固体酸除去。另外,还可采用适选酸的混合物。一般,可使用硫酸和硝酸一类的氧化性酸,但会导致不期望的副反应。不宜使用含重金属或卤素的酸,这是由于,重金属或卤离子沾污对PDO的质量可能产生不利作用。
加入水溶液中酸的用量应足以保证pH值小于7,优选小于5,更优选为小于4。通常pH水平介乎2~6之间。酸性低则较酸性高(pH低)时反应时间更长。但酸量过大并无必要,这会增加反应的成本且可能导致不期望副反应发生。若采用不溶性酸,溶液的pH值相对较高,即近于7。如初始PDO混合液为酸性,则通常无必要再加酸配制溶液。
本发明可供选择但实施效果较佳的一种方法是,借助向PDO的酸性水溶液鼓入气体以除去挥发性杂质。所述气体优选惰性气,如氮、氩及氦,其中氮为优选。鼓气速率影响挥发物的脱除效率,一般以每升PDO溶液每分钟鼓入0.01~10升为宜。另一方法是减压,或其与鼓气并用,以利除去挥发性杂质。在后一实施方案中,操作压力通常小于90KPa且优选操作压力约略在10~90KPa(100~900mbar)范围。
作为优选,酸处理应伴以对水介质进行搅拌。
从PDO溶液中脱除的挥发性杂质通过适宜方式回收,如合适的洗气罐或通入苛性碱溶液中。
酸处理时的温度也影响杂质脱除速率,一般选在0~100℃范围,优选值5~60℃。温度高于50℃,也即接近或超过丙烯醛的沸点,可促进酸处理中生成的挥发性杂质如丙烯醛的脱除。虽则采用高的温度,尤其是在短时内,但高温也会招致不期望的副反应,特别是酸催化反应。
处理时间长短与其它反应条件有关,如杂质含量、预期PDO纯度、水及酸的用量、鼓气(或真空)脱除效率及反应温度。一般在优选反应条件下,酸处理时间至少30分钟,通常为1~24小时,优选值小于6小时。
经酸处理后,加碱调整水溶液的pH值大于7,优选pH值为8或更高。碱的用量按照中和第一步中所存酸的计量比确定,但碱过量是有利的,尤其当初始PDO混合物中含酸性组分时更是如此。碱优选采用碱金属或碱土金属的氢氧化物,碳酸盐及碳酸氢盐,其中氢氧化钠和氢氧化钾为宜。加碱会使PDO变黄。对以不溶性酸(如酸性树脂)进行酸处理的PDO溶液,宜在所述酸已经物理方法(过滤或其它适宜方式)除去后再加入碱。
其后,初始水溶液经蒸馏除去水。蒸馏在常压下进行,但在减压条件下(10~100kPa,合100~600mbar)最为有效。蒸馏设备可选用蒸馏塔、分馏塔等。
水及其它低沸点组分去除后,PDO再自塔顶馏出。作为优选,蒸馏温度介于100~160℃间,并采用减压蒸馏(一般小于20kPa)以免PDO过热。蒸馏后,在中和时产生的黄色物脱除,也即,馏出物为水样透明状,而残余物为深色。
本法的每一步均可单独进行,方式为间歇、半间歇、半连续或连续不限。
举例而言,提纯后的PDO可用于生产凝聚态聚合物及共聚物,尤宜用在以PDO和对苯二甲酸缩聚聚合制造聚对苯二甲酸丙二醇酯的场合。
实施例1
本例及后叙各例中,碳酰分析均按ASTM E411-70的方法进行。在该法中,所有碳酰(包括缩醛及自由羰基)转化为2,4-亚硝基苯腙衍生物,后者以比色法计量,如比则确定总碳酰值。碳酰值以ppm给出,C=0为基。
取带磁搅拌烧瓶一个,内加250gPDO(碳酰含量665ppm)及250ml去离子水,得pH值约4.5~5的溶液。向该溶液加磷酸(0.23g,85wt%),调整pH至约3~3.5,随后于室温下(23℃)搅拌5小时。取样表明该溶液碳酰含量217ppm。其后,加氢氧化钠溶液(1N,8.5ml)中和并调整所述溶液pH至约10~10.5。用20cm的Vigreux塔蒸馏所得的碱性反应溶液,除去水及少量PDO(总去除量262g),而大部分PDO在约124℃(油浴温度15~157℃),3kPa(30mbar)下馏出并提纯为水样透明的PDO。提纯后的PDO(203g)中含碳酰245ppm。残余物(约29g)为棕黄色,含碳酰685ppm。
实施例2
取带磁搅拌烧瓶一个,内加750ml商用PDO(两次分析样平均碳酰含量365ppm)、750ml纯化水(EM Omnisolve高纯液相色谱级)以及0.6g对-甲苯磺酸一水合物。溶液于室温下搅拌,并以约每分钟0.4升的速率鼓入氮气泡细流。氮气出口浸没于烧瓶底部,系玻璃鼓气管,尖端为烧结玻璃。5小时后,向混合物中加0.16g磷酸(85wt%)。总计88小时后,加14ml、1N的氢氧化钠溶液,这使得反应混合物变成微黄色,如此则制得碱性溶液。将该碱性溶液移至蒸馏烧瓶,在减压下(40kPa,合400mbar)以125~130℃油浴加热,以除去水。4小时后,收集得约701g水馏出物。在3小时中,逐步将压力由40kPa(400mbar)降至约11kPa(110mbar),并在后一压力下保持一段时间直至再收得28g水馏出物。其后,在11kPa(410mbar)压力下提升油浴温度至约150~150℃,再降低压力直至在8~9kPa(80~90mbar)下PDO达于稳态蒸馏。弃去先期得到的100ml馏出物,收集中期提纯的水样透明PDO。蒸馏釜所剩为黄色残余物(约80g)。气相色谱(GC)显示提纯的PDO中几乎无丙烯醛,比色分析表明碳酰量为128ppm。
按馏出物的重量及分析,收集的丙烯醛及烯丙醇的量如表1所示。反应后PDO的色度按ASTM方法D-1209测量,用样35ml,结果一并示于表1。表1中也包括商用PDO的级别,其间在组成上差异甚大,其中样品C1因纯度极低,对其只进行了蒸馏。
表1
    PDO 碳酰(ppm) 丙烯醛(mg) 烯丙醇(mg)     色度c
    C1b     1100     11.6     27     250-300
    C2     365     4.2     20     100
    C3     365     3.1     22     NDd
实施例2     128     2.9     26     5-10
    C4     112     0.3     10     50
a:平均值,以C=0为基。
b:只经蒸馏。
c:Pt-Co定标。
d:ND为未测定之意。
由表1可见,较之含碳酰量较高的未提纯商用PDO而言,经实施例2提纯的PDO生成的丙烯醛量少。还可看出,仅止蒸馏(如C1)并不能自然产生足够纯的PDO。与酸同时加热后的PDO的色度最浅,如实施例中的提纯PDO,甚而较碳酰含量更低、未经处理的PDO还浅。
实施例3
取带磁搅拌烧瓶一个,内加800g商用PDO(碳酰分析平均365ppm),200g水以及0.5g对-甲苯磺酸一水合物。搅拌后的混合物同实施例2中一样在室温下鼓气17小时,在鼓气下再于热板上和缓加热3小时使温度升至41~66℃,然后再冷却至室温。总计25小时后,加约7ml浓度1N的氢化钠溶液,使pH值介于7~8间。PDO溶液缓缓变黄。同实施例2,反应溶液于140℃浴温、常压下蒸馏,再于120℃、约40kPa(400mbar)蒸馏,其后降压至约11Pa(110mbar),再于150℃、约6~7kPa(60~70mbar)下蒸馏。分析表明,大部分水除去后蒸馏釜中PDO内碳酰值为216ppm,在最终蒸馏后的水样透明PDO(455g)中该值为178ppm。
实施例4
在本实验中,PDO与对苯二甲酸聚合生成聚酯。在一个附设蒸馏塔、冷凝器及收集容器的600ml不锈钢压力反应器内,加133.2g所示的PDO(见表2,用量1.75摩尔)以及207.7g对苯二甲酸。反应器用氮气加压至345~552kPa(50~80psi),释压5次脱气,再加压至138kPa(20psi)并加热至150℃。在先期两小时内,压力保持在接近345kPa(50psi),其后,以每小时69kPa(10psi)的幅度降压。总计6小时后,释放至无任何压力并开始收集水馏分,称重并用气相色谱(Gc)分析。将熔融低聚物倾至盘中并冷却。低聚物的黄度指标按ASTM D-1925标准以一台Gardner Colorgard System105测量反射度计得。结果示于表2。
  表2
水馏分
    PDO   馏分(g) 丙烯醛(ppm) 烯丙醇(%)   PPT色度
    C1b     47.3     4390     1.2     13
    C2     45.2     2120     0.8     6.6
实施例3     48.9     1320     0.7     -0.5
实施例2     45.9     1460     0.8     -0.6
    C3     44.7     1170     0.8     4.7
a:平均值,以C=0为基。
b:只经蒸馏。
c:黄度指标。
由表2可见,经实施例2及3纯化后的PDO相应水馏分中丙烯醛含量较其它碳酰分析值较高的PDO为低,且其相应的低聚PPT产物的黄度指标也较其它碳酰含量较低的商用PDO低。
实施例5
利用本发明方法进行PDO大规模生产步骤如下:
3971(100加仑)反应器内加含碳酰杂质212ppm(平均)的178.9kg(394.3磅)PDO以及125kg(275磅)去离子水,再加38.6g、85wt%的磷酸及143.7g对苯二甲酸一水化合物的混合物。加酸后反应器内混合物的pH降至2.6。在常温、常压下加氢氧化钠溶液(1N,131.5ml)并调整pH至约3.1。通过一根倾斜并延伸至反应器底部的管在653kPa(80psig)下鼓入氮气,气流量1.93~2.68m3/h(72~100scfh)。液体表面为均匀分布的氮气泡所遮盖。溶液由搅拌器充分搅拌。
鼓气两小时后,在短时内将反应器从32℃加热至70℃,其后再冷却至45℃,在该温度下鼓入其余的氮气。
6小时后,溶液取样结果为约60ppm碳酰。鼓气持续总计51小时。关闭氮气后,加1810ml浓度1N的氢化钠溶液调整溶液pH至8.2。真空下蒸去水。混合物初始沸点在40.7kPa(305mmHg)下为85℃。水馏出物平均pH值为4.5。除去87kg(191.9磅)水后,PDO溶液的pH值约为7.8。水馏分中PDO的量约为3kg(6.6磅)。PDO/水馏分减压至约11.3kPa(85mmHg)压力下蒸馏,其沸点约为153℃,馏出PDO/水的量为15.4kg(34磅)。其后,减压至约87kPa(65mmHg)下蒸馏PDO。先期半小时的馏分作为拔头,其浓度约为98wt%PDO,在87kPa(65mmHg)下的沸点约146℃。3小时后,进一步降压至73kPa(55mmHg)以馏出其余PDO。收集的PDO中间馏分总量为128.4kg(283磅),其中平均碳酰值128.4ppm。约有3kg(6.5磅)深色残液残留于反应器底部。

Claims (10)

1.提纯含碳酰1,3-丙二醇组分的方法,该法包括:
a)于pH小于7的水介质中配制所述1,3-丙二醇组分的溶液;
b)加足量的碱至该水介质中,得pH大于7的碱性溶液;
c)加热碱性溶液直至馏出其中大部分水;且
d)继续加热直至所余溶液中大部分1,3-丙二醇也得以馏出,则所得馏后1,3-丙二醇组分中碳酰含量较之原初含碳酰1,3-丙二醇组分为低。
2.权利要求1的方法,其中步骤a)包括向所述1,3-丙二醇组分水溶液中加入一种选自下列一组的酸:含C在C2以上的羧酸,磺酸,氢卤酸,磷酸,路易斯酸,酸性离子交换聚合树脂,酸性钒土及酸性粘土。
3.权利要求1的方法,其中步骤a)的溶液含对-甲苯磺酸及磷酸中的至少一种。
4.权利要求1的方法,其中步骤(a)的溶液pH值小于4。
5.权利要求1的方法,其中步骤a)在鼓气下进行,气体选自氮、氩及氦中之一。
6.权利要求1的方法,其中步骤a)的持续时间为1~6小时。
7.权利要求6的方法,其中步骤a)的溶液保持在5~60温度范围。
8.权利要求1的方法,其中步骤a)的溶液含20%~70%重量的水。
9.权利要求1的方法,其中步骤b)中加入的碱选自氢氧化钠和氢氧化钾。
10.权利要求1的方法,其中步骤a)在压力小于90KPa下进行。
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