生产异戊烯醇的方法与流程

异戊烯醇或3-甲基-3-丁烯-1-醇是药物和芳香化合物的重要中间体，全球年产量达几千吨。异戊烯醇在工业上通过使甲醛与异丁烯(2-甲基丙烯)反应而合成。该方法例如描述于de10064751a1中。

尽管异丁烯在标准温度和压力下呈气态，但甲醛通常作为水溶液提供。使气体与液体反应要求相对复杂的反应器设置以确保两相之间存在高产率反应所必要量级的表面积。在两相反应中，反应参与物高度可能发生局部过饱和。不利的是，高浓度的甲醛导致形成不希望的副产物—甲酸酯和/或多元醇，据信它们进一步反应而结焦。

此外，如gb1205397所述要求高温以在甲醛和异丁烯的未催化反应中获得高异戊烯醇产率。然而，已知甲醛在高温下更易氧化成甲酸，导致工艺效率降低。ru2403969c2描述了一种制备异戊二烯的方法，其中使异丁烯、甲醛和酸催化剂在超临界异丁烯压力下反应。wo2008/037693a1描述了一种生产柠檬醛的方法，其中该方法的第一步包括由异丁烯和甲醛在例如超临界条件下反应得到异戊烯醇。

本发明面临的问题可见于提供一种其中以高选择性得到异戊烯醇的方法。

该问题通过提供一种生产异戊烯醇的方法解决，该方法包括：

-通过多个平行操作的喷嘴将甲醛源和异丁烯混合并注入反应器中并使甲醛源和异丁烯在超临界条件下反应；其中该反应器包括垂直放置的容器、侧壁、上部和下部；并且其中将甲醛源和异丁烯注入设置在上部的反应器混合室中并将包含甲醛和/或异丁烯和/或异戊烯醇的流体从该混合室送入设置在下部的后反应室中；以及优选

-在该混合室中提供在各喷嘴之下基本同心排列的通流管，其中通流管提供在通流管之内的降液管和在通流管之外的升气管，从而使通过喷嘴注入的甲醛源和异丁烯在降液管中通常向下移动，包含甲醛和/或异丁烯和/或异戊烯醇的流体则在升气管中在通常向上的方向上转向，并且使该流体与注入的甲醛源和异丁烯返混。

进一步提供了一种包括如下的反应器：

-垂直放置的容器，侧壁，上部和下部，将设置在上部的反应器混合室和设置在下部的后反应室分隔的多孔板；

-多个将流体以基本向下的方向注入该混合室中的喷嘴；

-在该混合室中的各喷嘴之下基本同心排列的通流管，其中通流管提供在通流管之内的降液管和在通流管之外的升气管，从而使通过喷嘴注入的流体在降液管中通常向下移动，已反应流体则在升气管中在通常向上的方向上转向，并且使该流体与注入的流体返混；和

-在后反应室中的流体出口。

适用的话，关于本发明方法的下列讨论意欲也涉及本发明反应器，反之亦然。

当物质或物质混合物经受超过该物质或混合物的热力学临界点的温度和压力时存在超临界条件。在该状态下，液相和气相之间不存在区别并且该流体被称为稠密气体，其中饱和蒸气和饱和液体状态相同。已经发现在超临界条件下，异丁烯对甲醛的反应性高到足以允许甚至在没有外来溶剂或催化剂存在下的平稳反应。这导致副产物量降低。

据认为超临界异丁烯用作增溶至少部分甲醛源和/或将甲醛从甲醛源提取出来的超临界溶剂。这允许甲醛与异丁烯有效混合，减轻通常与混合多个相有关的问题。例如，可以避免甲醛的局部过饱和。因此，尽管理想的是包括甲醛源和异丁烯在内的整个反应混合物在超临界区或接近超临界区变成均匀单相，但还设想部分甲醛源作为第二液相存在。再有，在该反应中形成的异戊烯醇可以溶于接近超临界或超临界反应混合物中或者导致形成分开的液相。

反应组分的相图对本领域熟练技术人员而言是易得的。此外，化合物或混合物的临界点可以通过计算或以试验方法得到该化合物或混合物的相图而确定。从上面可以明显看出要求该方法的压力和温度足以至少将异丁烯维持在超临界状态。异丁烯的临界温度tc和压力pc为tc＝417.9k和pc＝40.00巴(tsonopoulos，c.；ambrose，d.，vapor-liquidcriticalpropertiesofelementsandcompounds.6.unsaturatedaliphatichydrocarbons，j.chem.eng.data，1996，41，645-656)。

为了实现超临界条件，优选使甲醛和异丁烯在至少220℃，例如在220-290℃范围内的温度和至少200巴的绝对压力下，更优选在至少250℃，例如在250-280℃范围内的温度和至少220巴的绝对压力下，最优选在至少260℃，例如在260-275℃范围内的温度和至少250巴的绝对压力下反应。本文所述所有压力是绝对压力，除非另有说明。

因为该方法涉及生产和回收异戊烯醇，应理解的是需要避免有助于所得异戊烯醇进一步反应的反应条件。

例如，布朗斯台德酸化合物，如布朗斯台德酸催化剂的存在可能诱发从异戊烯醇消除水，得到异戊二烯和水。因此优选本发明方法在基本不含诱发异戊烯醇进一步反应的化合物，如布朗斯台德酸化合物下进行。当然，这不涉及该方法的原料和产物。

因此，该方法通常在小于0.5mol％，优选小于0.1mol％，更优选小于0.01mol％，最优选小于0.001mol％能够诱发异戊烯醇进一步反应的化合物，尤其是布朗斯台德酸化合物存在下进行。布朗斯台德酸化合物应理解为ph值小于7的任何化合物，这在25℃和1绝对巴下测量。

优选使摩尔过量的异丁烯与甲醛反应。术语“摩尔过量的异丁烯”应理解为指异丁烯相对于甲醛摩尔过量。这导致反应混合物中相对低的甲醛浓度，从而降低甲醛局部过饱和的可能性。因此，所得副产物的量降低。此外，发现异丁烯与甲醛的摩尔比越大，反应混合物形成多个相的倾向越低。

在优选实施方案中，在超临界条件下异丁烯与甲醛的摩尔比为至少7:1，尤其优选至少10:1，最优选至少12:1，例如至少12.5:1。

甲醛可以作为液体，例如作为低聚甲醛溶液提供。优选甲醛源是甲醛水溶液。当甲醛作为水溶液提供时，该溶液优选基于甲醛水溶液的总重量包含至少15重量％，更优选至少25重量％，最优选至少35重量％，例如至少45重量％或至少50重量％甲醛。

在一个实施方案中，该方法在布朗斯台德碱化合物存在下进行。该布朗斯台德碱化合物可以用于中和可能存在于原料中或者可能在该方法过程中在副反应中形成的酸。

合适布朗斯台德碱化合物的实例是碱金属和碱土金属的氢氧化物、碳酸盐和碳酸氢盐，氨或有机胺，以及比甲酸弱的酸的盐。特别有利的是使用氨或有机胺，如乙胺、三甲胺、六亚甲基四胺(乌洛托品)、苯胺、吡啶或哌啶。显示缓冲作用的物质，如六亚甲基四胺(乌洛托品)特别合适。

该布朗斯台德碱化合物基于反应混合物的总重量有利地以0.001-10重量％，特别是0.01-1重量％的量存在。有利的是使用弱碱并且为了避免可能在强碱性范围内发生的次级反应，确保反应物的起始混合物在加入该布朗斯台德碱化合物之后具有的ph值在20℃和1绝对巴下测定为7-11，有利的是7-10，特别是7.5-9。若使用无水原料，则起始混合物的ph值在用相等重量的水稀释之后测定。

可以在一个或多个合适位置将该布朗斯台德碱化合物供入该反应器中。当甲醛源为甲醛水溶液时，该布朗斯台德碱化合物优选以溶于甲醛水溶液中的形式而供入该反应器中。在另一实施方案中，该布朗斯台德碱化合物作为水溶液分开供入该反应器中。

本发明方法可以有利地在不存在外来溶剂下或者在仅存在少量外来溶剂下进行，这允许一种更为有效的方法，因为更少或没有外来溶剂需要与产物分离并再循环。外来溶剂在该上下文中当然应理解为不包括不可避免地由甲醛源和异丁烯本身引入的组分。

在一个实施方案中，使甲醛源和异丁烯在基本不存在外来溶剂下，尤其是在基本不存在非水外来溶剂下反应。这意味着在甲醛源和异丁烯的反应过程中存在的外来溶剂总量基于反应混合物总重量优选小于5.0重量％，更优选小于3.5重量％，最优选小于1.5重量％，例如小于1.0重量％或小于0.5重量％。

在另一实施方案中，使甲醛源和异丁烯在外来溶剂存在下，尤其是在非水外来溶剂，如烃、醚、酯或醇存在下反应。优选该外来溶剂是醚或醇。

醚优选选自二烷基醚，如乙醚、二异丙醚、乙基丁基醚和甲基叔丁基醚(mtbe)；以及环状醚，如二烷。尤其优选的醚是甲基叔丁基醚(mtbe)。

醇优选选自c3-c10醇，例如直链和支链脂族醇，如正丙醇、异丙醇、正丁醇、叔丁醇、异丁醇、仲丁醇、正戊醇、异戊醇、叔戊醇、己醇、甲基-2-丁醇、3-甲基-3-戊醇、2-乙基己醇、庚醇、辛醇、壬醇和癸醇；环脂族醇如环己醇、甲基环己醇、环戊醇；脂环族醇；以及芳族醇如苄醇。

优选的c3-c10醇是异丙醇、异丁醇、仲丁醇、叔丁醇、异戊醇和叔戊醇。更优选的c3-c10醇是异丁醇和叔丁醇。尤其优选的c3-c10醇是叔丁醇。

该外来溶剂也可以是有机溶剂的混合物。

外来溶剂存在的总量可以在2-20摩尔/摩尔甲醛，更优选3-10摩尔/摩尔甲醛范围内。

在优选实施方案中，甲醛源和异丁烯在基本不存在催化剂下反应。这意味着在甲醛和异丁烯反应过程中存在的非均相和均相催化剂二者的总量基于反应混合物的总重量优选小于1.0重量％，更优选小于0.5重量％，最优选小于0.1重量％，例如小于0.05重量％或小于0.01重量％。使甲醛和异丁烯在基本不存在催化剂下反应允许一种商业上有利的方法以及反应产物的简化后处理，因为所得异戊烯醇不必与催化剂和废催化剂分离。

充分的流体混合对于所要求保护的方法是重要的。该方法涉及通过多个平行操作的喷嘴将甲醛源和异丁烯混合并注入反应器中。优选该多个喷嘴排列在反应器的盖中。为了允许高度混合和避免死区域，喷嘴应与盖齐平。

在注入和混合反应器内容物时，甲醛源和异丁烯在超临界区形成均匀单相。异丁烯在其注入反应器中之前是超临界流体或者在注入反应器中之前是接近其超临界状态的液化相或气相。

甲醛源和异丁烯通过多个平行操作的喷嘴注入。多个喷嘴的平行排列与单一喷嘴相比允许物料通过量增加，同时保持反应混合物的充分流体混合。优选多个喷嘴排列在中心喷嘴周围。例如，三个或更多个喷嘴，如4、5或最优选6个喷嘴排列在中心喷嘴周围。优选三个或更多个喷嘴，如4、5或最优选6个喷嘴同心排列在中心喷嘴周围。

喷嘴可以是单组分或双组分喷嘴。在单组分喷嘴中，仅经由该喷嘴注入一种流体。单组分喷嘴呈现的优点是具有简单结构。在双组分喷嘴中，两种流体经由该喷嘴分开注入并且仅在离开该喷嘴之后混合。

在优选实施方案中，喷嘴是双组分喷嘴。该双组分喷嘴例如可以设计为提供环绕异丁烯射流的环状甲醛源射流。这两种射流的注入速度可以相同或不同。优选注入速度不同，以提供高度湍流并因此提供高度混合。

尤其优选将双组分喷嘴设计为提供环绕中心异丁烯射流的环状甲醛源射流并且这两种射流的注入速度不同。在该实施方案中，甲醛源射流对于中心异丁烯射流和反应器中的反应混合物二者具有大剪切表面，这允许甲醛与异丁烯的有利快速混合。

在优选实施方案中，异丁烯的注入速度与甲醛的注入速度之比在4:1-6:1，优选4.5:1-5.5:1，如5:1范围内。例如，异丁烯的注入速度可以为约70-100m/s，优选80-90m/s。甲醛源的注入速度可以为约10-30m/s，优选15-20m/s。

在优选实施方案中，将异丁烯在双组分喷嘴之外预热，例如经由电热器和/或在换热器中，并将甲醛源在该喷嘴中在与加热的异丁烯热接触时加热。在注入该反应器中时，甲醛源在与反应混合物直接接触时被进一步加热。因此，通过控制加热的异丁烯的温度，可以影响反应混合物的温度。电热器和换热器优选位于该反应器外部。在一个实施方案中，将甲醛源在于该喷嘴中加热之前稍微预热，例如预热至60-100℃，如75-90℃，例如约80℃或约85℃的温度。仅在紧临注入反应器中之前将甲醛源加热至更高温度避免形成副产物和降低工艺效率。

尽管希望甲醛源和异丁烯的初始快速和强力混合，但可能有利的是在有限返混的条件下继续和完成该反应。因此，该反应器包括垂直放置的容器、侧壁、上部和下部。将甲醛源和异丁烯注入设置在上部的反应器混合室并将包含甲醛和/或异丁烯和/或异戊烯醇的流体从该混合室送入设置在下部的后反应室中。在后反应室中返混是有限的。

一种增强混合室中的混合的方式是通过使用通流管。在通流管混合系统中两端敞开的通常呈圆柱形的管垂直设置在容器内部，产生在该通流管内部的圆柱形空间和在该通流管外部的空间。

根据本发明，通流管基本同心排列在各喷嘴之下，其中通流管提供在通流管之内的降液管和在通流管之外的升气管，从而使通过喷嘴注入的甲醛源和异丁烯在降液管中通常向下移动，包含甲醛和/或异丁烯和/或异戊烯醇的流体则在升气管中在通常向上的方向上转向，并且使该流体与注入的甲醛源和异丁烯返混。将部分流体从该混合室送入后反应室。

通流管延伸到混合室的上部并允许升气管和降液管之间经由通流管的上端流体流动连通；以及延伸到混合室的下部并提供升气管和降液管之间经由通流管的下端流体流动连通。经由例如一个或多个横梁或十字梁将通流管固定于该反应器中。有利的是，将通流管固定于该反应器中的装置使通流管稳定化，同时提供最小的流动阻力。例如，优选将通流管固定于该反应器中的装置的体积尽可能小。

为了允许流体流动在整个混合区中均匀分布，可以调节反应器侧壁和通流管之间的间距。例如，当反应器侧壁和通流管之间的间隔太大时，大部分流体可能沿着壁流动，仅少量流体流过该反应器的中心部分。这可能导致升气管内的不均匀混合度。因此，喷嘴以及相应地通流管的定位直接影响反应器中的混合效率。

反应器侧壁和通流管之间的最佳间距取决于多个参数，如反应体积、通流管长度和反应器的循环比。优选的是该间距允许循环反应混合物以基本均匀的速率从所有侧引入通流管上端。

在另一优选实施方案中，在通流管的壁(或侧区)中提供开孔。开孔允许流体通过通流管壁横向流动而不穿过通流管的各端。开孔因此有利地降低流体流进入通流管时的压力损失。此外，开孔引起湍流并且因此改善该反应器的混合效率。

开孔可以是具有包括矩形和圆形在内的许多不同形状的穿孔并且具有的尺寸和位置允许所需程度的通过通流管壁的横向流动而不显著降低流体通过通流管的轴向流动。从易于制造角度看，开孔优选为狭缝。在本发明的更宽实施方案中，开孔的具体形状和结构(pattern)并不特别受限并且最可能根据制造容易性(或成本)选择。包括矩形、正方形、圆形和椭圆形在内的简单几何形状是一些优选实例。开孔可以包括增强湍流的几何改变，如尖刺。

开孔的定位也不特别受限制，但是取决于制造方法切口纵列或阵列可能比随机位置更有用。此外，开孔(例如切去截面的纵列和/或阵列)可以完全位于通流管四周或者可以仅位于其一部分，例如大约其60％、50％或25％上。优选开孔位于通流管壁的上部。

开孔的尺寸和数目也可以显著改变。在本发明的一些实施方案中，可以有许多更小的开孔，或者同样容易地可以存在更少的更大开孔以产生相同量的过流面积(openarea)。

已经发现通过在通流管之上，优选每一个通流管之上提供偏转装置带来进一步改进。偏转装置适当地在通流管之上居中。偏转装置设计为经由该偏转装置将在升气管中向上移动的流体以向下的方向偏转。

该偏转装置适当地包括相对于通流管上端呈凹面的表面。在优选实施方案中，该偏转装置具有部分环形表面。尤其优选的是该偏转装置以在平行于环形方向的平面中对开的环面上部分的形状提供。该形状允许在升气管中向上移动的流体尤其有效地偏转。该偏转装置可以允许甲醛源和异丁烯的注入料流稳定化。当在升气管中向上移动的流体的流速横跨反应器横截面不均匀时这是尤其相关的，所述不均匀可能导致甲醛源和异丁烯的注入料流偏心。若未被注意的话，该偏心可能引起循环速率降低。

在优选实施方案中，该偏转装置的形状构成在平行于环形方向的平面中对开的环面上部分，其中环面在其高度的至少50％，如其高度的至少55％或65％处对开。因此，环面上部分与环面下部分的尺寸相同或者比其小。在另一优选实施方案中，该偏转装置的形状构成在平行于环形方向的平面中对开的环面上部分，其中环面在其高度的至多85％，例如其高度的80％处对开。在这些范围中，偏转装置的入口呈一定角度而尤其适合流体偏转。

优选该偏转装置不连接于反应器盖，而是排列得使反应器盖和该偏转装置之间的间隙足够大而足以避免存在死区域。例如，反应器盖和该偏转装置之间的间隙为至少15mm，如至少20mm。在优选实施方案中，偏转装置连接于它们排列在其上的通流管。

该混合室可以看作内部环管反应器。混合可以就循环比量化，后者定义为通过混合管的总质量流量除以进料质量流速。循环比越高，混合室中甲醛浓度越均匀并且由于局部甲醛过饱和得到的副产物量越低。在循环比大于10:1下，该系统有利地接近连续搅拌釜反应器(cstr)行为。优选循环比为至少15:1，优选大于20:1。

使部分流体从混合室送入后反应室中。在该后反应室中，返混是有限的。优选将返混限制到在后反应室中的停留时间分布大约为活塞流反应器的停留时间分布的程度。停留时间分布控制所需反应和不希望的其他反应之间的动态平衡并且因此控制最大产率点。当在后反应室中的停留时间分布大约为活塞流反应器的停留时间分布时，甲醛和异丁烯的转化率提高。

调节混合室体积与后反应室体积之比也可能影响停留时间分布并且因此影响反应产率。优选混合室体积与后反应室体积之比为1:20-1:1，优选1:10-1:3。

在一个实施方案中，多孔板将混合室与后反应室分隔。该多孔板的设计并不特别受限制。优选该多孔板是具有规则分布于其面积上的穿孔的平板。穿孔的尺寸和形状取决于反应器尺寸和反应体积。在一个实施方案中，该多孔板包括例如直径为10-50mm，如15-35mm，例如25mm的圆形穿孔。

为了避免流体在多孔板和反应器壁之间通过，而不是通过该板的穿孔，可以使用密封件。例如，可以将金属密封件连接于该多孔板的边缘。

后反应室可以包括限制返混的内件，后者通常降低反应混合物的循环并且允许流体流动接近层流。为此可以使用不同内件。

在一个实施方案中，后反应室包括至少一个多孔板。在该实施方案中，后反应室包括在各板之间和在板和反应器底部之间具有限定反应体积的区段(或“隔室”)。随着连续区段数目增加，后反应室的停留时间分布有利地接近活塞流反应器的停留时间分布。后反应室中的区段数目例如为2-25，如10-22或13-18，例如15或16个区段。

后反应室中的多孔板可以与如上所述将混合室与后反应室分隔的多孔板相同。

在通过后反应室之后，反应混合物通过流体出口从反应器引出并且可以进行进一步加工。进一步加工通常包括一种方法如蒸馏、分离或其他提纯，如闪蒸出未反应的异丁烯，以及任选子方法如使反应混合物通过换热器以改进工艺效率。在优选实施方案中，其他加工包括将反应混合物供入高压分离器和逆流换热器。

由于避免了死区的改进流体力学性能，该反应器可以在长时间内，如几个月内连续操作。在反应器操作过程中，不希望的副产物如焦炭可能积聚，尤其是在后反应室中。若这个发生，则性能变差并且压力损失增加到妨碍操作的程度。由于这些原因，需要周期性除去积聚的副产物。这些有利地在反应器未操作时除去。

在合适的清洁操作中，将清洁喷嘴引入反应器中，尤其是引入后反应室中，并且将加压液体供给该清洁喷嘴。通过逐渐提高和/或降低该清洁喷嘴并通过在反应器内部，尤其是在后反应室中旋转清洁喷嘴，除去积聚的副产物。

具体而言，一种适合清洁反应器的方法可以包括下列步骤：

-从反应器盖取出喷嘴以提供第一开孔；

-通过该第一开孔引入固定件如粗绳、细绳或缆绳；

-在将混合室与后反应室分隔的多孔板中提供第二开孔；

-使固定件通过该第二开孔；

-在后反应室中，优选在后反应室底部提供第三开孔；

-通过该第三开孔引入适合高压清洁的喷嘴，其中该喷嘴连接于流体输送软管，优选输水胶管；

-将该喷嘴固定于固定件；

-对该喷嘴和开孔施加流体压力，优选水压，以提供喷嘴射流；以及

-借助固定件在后反应室内提起和降低喷嘴。

该喷嘴射流从后反应室的内壁除去残留物。该喷嘴通常在操作过程中由于施加的流体压力而旋转。反应器的后反应室中的流体出口可以构成该第三开孔。

本发明通过附图详细说明。

图1是适合进行本发明方法的反应器的侧视示意图。

根据图1，该反应器包括通过多孔板(103)分隔的混合室(101)和后反应室(102)。经由多个喷嘴(104)将甲醛源和异丁烯注入混合室(101)。混合室(101)包括基本同心排列在各喷嘴之下的通流管(105)。通流管壁包括狭缝(106)。进一步以在平行于环形方向的平面中对开的环面上部分的形状提供偏转装置(107)。反应器的下部为简洁起见未完全示出并且可以包括其他多孔板。

该反应器的设计使得当甲醛源和异丁烯通过喷嘴(104)注入时通流管(105)提供在通流管(105)之内的降液管和在通流管(105)之外的升气管。偏转装置(107)的设计使得在升气管中向上移动的流体以向下的方向偏转，以使该流体与注入的甲醛源和异丁烯返混。

该反应器包括在后反应室中的流体出口(图1未示出)，包含异戊烯醇的反应产物通过该流体出口从反应器引出并且可以进行进一步加工。

图2为图1的反应器盖和反应器侧视图沿着其示于图1中的剖面的仰视示意图。

根据图2，对反应器(201)的盖提供多个喷嘴(202)，在这种情况下是7个喷嘴。6个喷嘴围绕中央喷嘴同心排列。

图3为图1所示偏转装置的俯视示意图。