专利名称：：用于连续进行的平衡反应的装置和方法
技术领域：
：本发明涉及用于连续进行平衡反应的装置和方法。技术背景如果多种不同的产物要在一个设备中进行生产的话，几乎惟有使用间歇操作的设备。相反，连续操作的设备相对于间歇方法提供一些显著的优点。调控的费用更低，人员要求更低，产物品质更好而且波动更小，设备能力提高，因为省去贯穿单个生产步骤的顺序操作(进料、反应、分离除去低沸点物质、分离产物、排空)。在平衡反应的情况下，为了使平衡可以朝着期望的方向移动，已经开发出特殊的方法。大多数反应方程式是热焓低的平衡反应。例如在US3836576中，作为均相催化，在相应的醇钛酸酯的存在下进行反应。为了抑制不期望的聚合反应，将抑制剂(例如氢醌单甲醚)加入到反应混合物中。为使反应的平衡位置朝产物方向移动以及从而为了提高反应速率，将反应中释放出的低沸点醇通过蒸馏从反应混合物中除去而且借助于蒸馏塔进一步与其他反应组分分离。作为选择地，在反应性蒸馏的情况下，在反应空间内就已发生分离。反应性蒸馏在EP09689"中得到描述。然而，文献(如US3887609)主要描述间歇方法，特别是采用新型催化剂体系的此类方法。GB841416描述了具有包含折流板的下游反应器的搅拌容器，反应混合物导过所述折流板。这里，在搅拌容器中预先混合原料并开始反应。为了进一步反应，可以将反应混合物引入下游反应器中。然而，为了获得更好的结果，推荐螺旋状反应器以便例如改善传热。GB841416中所述的折流板的布置导致产生固定的不再可变的反应体积。另外，可能在折流板处形成死区，其导致不期望的聚合反应。另外，包含例如催化剂的悬浮液可能较差地输送。另一问题是返混。这对于产物品质有不利影响。EP0968995描述在反应塔中连续制备甲基丙烯酸烷基酯。这里，酯交换反应直接在蒸馏塔中发生。由此，实现与常规的间歇酯交换方法相比更高的反应速率、更高的转化率和选择性以及更好的能量利用。然而，没有指出用于循环未反应的原料以及获取经过纯化的产物的工艺步骤。此外，反应与物料分离的联合导致对多产物设备方面的灵活性的显著限制。这样不得不以对于产物特定的方式来设计该设备。
发明内容本发明的目的在于开发一种方法，其使得可以在连续方法中达到在高时空收率的同时所用原料的几乎完全转化，特别是难以从产物料流中分离出来的原料。另一目的在于提供适合进行所述方法的装置，其也确保没有不合格品(verschnittfrei)的产物转换。通过从平衡反应连续制备产物的方法达到了该目的，该方法的特征在于将原料通过精馏塔或直接地供入分段反应器(所谓分室反应器)，通过将原料引入所述分室反应器的单个区段中来调节温度，合适的话通过添加催化剂使反应加速，以及将产物混合物与未反应的原料和催化剂一起排出。同时，也可以将副产物从该过程中排出。因而还提供从平衡反应连续制备产物的方法，其特征在于，对于(曱基)丙烯酸酯与醇或胺的反应，将原料通过精馏塔或直接地供入分室反应器，通过如下方式进行通过将(甲基)丙烯酸酯引入单个区段中来调节温度，合适的话通过添加催化剂使反应加速，以及将产物混合物与未反应的原料和催化剂一起排出。措辞"(曱基)丙烯酸酯"这里既是指甲基丙烯酸酯如甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯等，又是指丙烯酸酯如丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯等。已经令人惊讶地发现与常规反应性蒸馏相比明显更大的灵活性，因为可以使物料分离与反应相互隔离。另外，本发明的方法还使自由选择催化剂变成可能，例如，使用多相催化剂。令人惊讶地发现，通过将一种原料节流，用另一种原料冲洗反应器以及随后转换到新的原料，可以实现没有不合格品的产物转换。在(甲基)丙烯酸酯与醇或胺的反应中，通过将原料醇或胺流节流，用(曱基)丙烯酸酯冲洗反应器以及随后转换到新的原料醇或新的原料胺，可以优选地实现没有不合格品的产物转换。量加入单个区段中来调节温度。在(甲基)丙烯酸酯与醇或胺的反应中，可以优选将(曱基)丙烯酸酯作为侧料流从精馏塔中取出并以目标方式计量加入单个区段中来调节温度。在作为基础的反应方程式之一中，通过(甲基)丙烯酸甲酯(A)与醇(B)或胺(E)的连续反应释放甲醇(D)而制成(甲基)丙烯酸酯(C)或(曱基)丙烯酰胺(F):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中R^H或CH3，R2、f是相同或不同的具有2-100个碳原子的线性、支化或环状的烷基，或芳基或者合适的话，烷氧基。当伯胺用作原料时，f是氢。可能的醇R力H例如是乙醇、丙醇或异丙醇、丁醇或异丁醇、戊醇、环己醇或己醇、庚醇、辛醇或异辛醇及2_乙基己醇，还有二醇和三醇。此外，可以使用异冰片、苄醇、四氢糠醛、烯丙醇、乙二醇、3，3，5-三甲基环己醇、苯基乙醇、1，3-丁二醇、1，4-丁二醇、乙二醇、三羟甲基丙烷、各种聚乙二醇、叔丁基氨基乙醇、二乙基氨基乙醇、乙基三甘醇、丁基二甘醇、曱基三甘醇或异亚丙基甘油作为醇。用作原料的醇可以含有其他官能团。用作原料的胺除了伯氨基或仲氨基以外可以含有其他官能团。具有两个或更多个伯氨基或仲氨基的胺产生相应的二(甲基)丙烯酰胺、三(甲基)丙烯酰胺或更高级的(甲基)丙烯酰胺。所述胺还可以含有一个或多个叔氨基、羟基、硫醇基、醚基或硫醚基。例如，存在的羟基可以通过酯交换与另一分子的(曱基)丙烯酸酯反应。优选使用通式H2N-R-NR，R"的叔氨基烷基胺作为胺，其中R优选是具有2-4个碳原子的直链或支链，R，和R"是相同或不同的具有1-8个碳原子、优选1-4个碳原子的烷基，或者与叔氮原子一起源于哌啶子基、吗啉代基或哌噪基。特别优选使用Y-二甲基氨基丙胺。除了所述反应以外，其他平衡反应，如酯化，也可以用作基础。另外，特别有利的是通过改变反应体积以及同时调整原料流来简单调整生产效率。不存在如常规方法中存在的，例如GB84"16中所述的固定大小的反应体积。借助于液面下方区段壁上的开口来实现反应体积的变化。在区段壁上的钻孔优选用于将原料/产物输送入相邻的区段中。这些开口可以位于区段壁上的任何位置，优选下部三分之一处。优选将它们交替排列以便确保各区段中的最佳充分混合。因此原料/产物料流不必须通过隔板(Abtrennungen)输送。由此本发明的装置对于反应空间的尺寸没有限制性影响。令人惊讶地发现，可以防止各区段之间的返混现象。实验测定的浓度曲线几乎完全与计算出的理想的容器级联的浓度曲线一致。因而，返混仅在区段内发生。这样的方法是快速而没有不合格品的产物转换的先决条件。此外，这样可以实现高转化率。另外，可以省去单个区段中搅拌器的使用。通过原料流的精确计量加入可以控制反应器中的温度。可以将原料以预热形式加入。在特别优选的实施方案中，采用经温度调节的(曱基)丙烯酸酯分布。将(曱基)丙烯酸酯计量加入单个区段中。与产物最佳匹配的温度曲线导致达到最可能的反应速率以及从而产生高的时空收率。经温度调节的计量加入导致反应器控制和设备操作相当大的简化。恒定的温度曲线产生恒定的生产条件，这对于产物品质具有积极影响。与側部料流取出相结合，可以增加可用于温度调节的例如甲基丙烯酸曱酯的量。有利地通过精馏塔引入原料醇或原料胺。这样，在分室反应器中的反应之前可以将原料中存在的杂质如水分离出来。令人惊讶地发现，可以借助于本发明的装置以简单和价廉的方式实现大的容器数。反应器的分段导致该反应器分成许多小的区段。每一区段与下一区段由分段壁分开，从而表现为单独的反应器。在反应器内接连排列许多相当于小反应器的区段具有许多优点。采用区段的数目可以例如控制转化率。通过增加区段数可以提高时空收率并且最终的转化率保持不变。为了尽可能完全转化，使用多个区段。与其相反，在期望低转化率的产物的情况下可以减少区段数。例如当产物倾向于聚合时就是如此。这样，可以在低的单位体积投资下实现定制的反应控制方式。一种特定的实施方案使得区段尺寸可以改变。例如在催化反应的情况下，由于催化剂会被从精馏塔流入第一区段的回流过快地冲至下一区段中，因此在反应器内区段尺寸有利地减小。对于其他反应，相同的区段尺寸又可能是有利的。区段壁可以由各种材料制成。根据所用原料/产物而定，对于区段壁和反应器可以使用诸如玻璃、钢、陶瓷等材料。金属板(折流板)由于它们易于加工而对于区段壁是特别有利的。折流板不是以不透气方式与反应器壁相连。折流板有利地这样高，以便仍然可以在它们的上方从区段中取出气体，通到精馏塔。本发明的装置具有使死区最小化的几何形状。这样几乎完全排除不期望的原料和产物的聚合反应。本发明的装置可以借助于常规调温设备如夹套加热来进行加热或冷却。在特别优选的实施方案中，分室反应器装有加热盘管。这使得最佳的供热变成可能。可以使加热盘管穿过单个区段或穿过所有区段。快速汽化的原料的计量加入由于蒸气泡的形成而产生很好的充分混合。需要时，将新鲜原料引入单个段中来调节温度。这里优选引入可以容易地分离出来的原料(如(甲基)丙烯酸酯)。作为选择，也可以使用常规温度调节设备。例如，也可以使分室反应器在高于常压的压力下操作。本发明的装置还包含精馏塔。有利地使用其分离效率不依赖该塔通过量的塔。这使得可变的汽化效率成为可能。该塔特别有利地容许用于温度调节的原料以几乎纯的形式取出。结果，可以减少从该塔至反应器(第一区段)的回流以及从而可以减小沖洗作用。此外，反应器第一区段中的反应温度可以在更宽范围内调节，从而可以获得更好的温度曲线匹配。已经发现，多数用于酯类生产的多相催化剂可以用最小的费用从反应混合物中除去。在本发明的装置中，催化剂与反应混合物一起输送通过反应器并在末端与产物一起排出并滤出。在均相催化反应的情'除去催;剂。未反;的原料可以通过蒸條(i、薄;蒸发器;从产物混合物中分离除去以及适当的话重新送入工艺中。令人惊讶地发现，采用本发明的装置可以实现快速产物转换而没有不合格品。原料醇或胺进料的节流或切断使得能够用(甲基)丙烯酸酯冲洗反应器。结果，仅还有一种原料保留在反应器中。排放出的所得产物浓度的降低可以通过各种工艺参数例如在线分析、温度的测量来监控。然后可以直接进行转换至新的原料醇或新的原料胺。结果，使产物转换的成本和时间消耗最小化。令人惊讶地发现，通过本发明的方法可以制备特别纯的产物。在一些平衡反应中，迈克尔(Michael)加成产物作为副产物形成。例如通过(曱基)丙烯酸甲酯与醇在释放甲醇下的连续反应制成(甲基)丙烯酸酯。通常在产物中发现1.25-1.6%的迈克尔加成产物。借助于本发明的方法，使迈克尔加成产物的比例降低至小于1%，优选<0.5%。本发明的装置有利地具有2-10°的倾斜度。这使物料从一个区段至下一区段的输送简化。另外，泵是不必要的。本发明方法的特定实施方案容许(甲基)丙烯酸酯与要求高的醇或胺转化率的各种醇或胺的连续反应。由本发明的方法制成的(甲基)丙烯酸酯和(曱基)丙烯酰胺具有非常低的难分离原料的残留量。可以将醇或胺用于所述反应。另外，在本发明的方法中使不期望的进一步反应(例如聚合)最小化。也可以用各种催化剂制备单酯、二酯、三酯或更高级的酯。可以借助于下游的薄膜蒸发器进一步纯化粗产物。在通过均相催化的可蒸馏产物的制备中，可以通过蒸馏，例如借助于薄膜蒸发器将产物与催化剂分开，而且可以再循环至该工艺中。图1显示所述分室反应器的特别优选的实施方案。图1的图例1醇或胺进料2催化剂进料3蒸汽供给4冷凝物排出5空气引入6精馏塔7分室反应器8具有冷却水入口和出口的冷凝器9(甲基)丙烯酸甲酯作为侧料流取出10甲醇/(曱基)丙烯酸曱酯共沸混合物的排出11(甲基)丙烯酸曱酯进料管线12粗制的酯排出13(曱基)丙烯酸甲酯的緩沖容器14稳定剂加入具体实施方式由下列实施例来进一步描述本发明的方法和装置，但不受其限制。所述的实施例在以下描述的半工业化试验设备中进行。该试验设备的构成与图1中示意性显示的实施方案相对应。作为反应装置7，使用分段反应器(分室反应器)，其借助于通过盘管的水蒸汽加热，没有进行机械搅拌而且具有可变的填充体积。该分室反应器经由余汽管线与安装在上方的蒸馏塔6相连。该精馏塔(顶部压力-l巴绝对值)具有金属丝网填充物。塔分成两个区域。在上部区段中，塔顶产物富含低沸点反应产物10，其通常作为共沸混合物得到，其中用于温度调节的原料同时以几乎纯的形式经由侧部料流取出9获得。下部区段用于从醇/胺1中除去低沸点杂质(催化剂毒物)以及防止高沸点物质到达上部区段。也可以任选地将醇/胺直接供入反应器中。作为侧料流9取出的原料经由緩冲容器13以经温度调节的方式供应至单个区段中以便在反应器中设定期望的温度曲线。如果作为侧料流取出的量不足的话，另外借助于新鲜原料ll自动实现温度调节。为了抑制聚合反应，将空气计量加入单个区段中5。此外，将溶解于原料中的阻聚剂n在塔顶或直接地引入反应器中。对于反应必要的催化剂2以在原料中的溶液形式引入第一区段中。下列实施例标定至100升的反应体积。借助于气相色谱测定料流的组成(腿A含量、醇含量、MeOH含量和产物酯含量)。实施例1曱基丙烯酸2-乙基己酯的连续生产为了曱基丙烯酸2-乙基己酯的连续生产，将2.2kg/h在甲基丙烯酸曱酯中的10wt。/。原钛酸四-2-乙基己酯(催化剂)溶液(2)计量加入反应器7的第一区段中。另外，将44kg/h原料醇2-乙基己醇1连续地计量加入塔6中。将原料甲基丙烯酸甲酯(醒A)以经温度调节的方式从緩冲容器13计量加入反应器的该区段中，该容器根据需要间歇地装入曱基丙烯酸曱酯(醒A)11。酯交换在反应器6中在常压和沸点温度下进行。反应中形成的低沸点副产物甲醇(MeOH)作为塔顶的MMA/MeOH共沸混合物10除去。如下述表所示规定反应器中的温度而且通过有目标的MMA计量加入在单个区段中调节<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>82kg/h所得来自反应器的输出料流12具有下列组成80.2面积%的曱基丙烯酸2-乙基己酯，0.9面积％的2-乙基己醇，18.8面积％的MMA，0.1面积％的副产物。在计算出的98.3%醇转化率下，基于甲基丙烯酸2-乙基己酯的时空收率因而是682kg/(Wh)。基于2-乙基己醇的选择性因此几乎是100%。考虑到通过MMA/MeOH共沸混合物的MMA损失，基于甲基丙烯酸甲酯的选择性同样几乎是100%。为了防止聚合，将0.851/h稳定剂溶液(MMA中的1.25wt。/。氢醌单甲醚)连续加入到来自蒸馏塔6的总馏出物料流中。通过两级蒸馏后处理来自反应器的输出料流。所得最终产物具有下列组成98.5面积％的甲基丙烯酸2-乙基己酯，1.1面积％的2-乙基己醇，0.3面积％的MMA，0.1面积％的副产物。实施例2通过均相催化连续生产甲基丙烯酸酯13.5(ME-13.5):(来自ShellChemicalLP公司的Neodol25的曱基丙烯酸酯)为了Neodol25的甲基丙烯酸酯(ME-13.5)的连续生产，将2.0kg/h具有10wt。/。原钛酸四异丙酯含量的固A/催化剂进料2计量加入反应器7的第一区段中。另外，将50kg/h用料Neodo1251连续地计量加入塔6的下部区段中。将原料甲基丙烯酸甲酯(MMA)以经温度调节的方式从緩沖容器13计量加入反应器的该区段中，该容器根据需要间歇地装入"新鲜"MMA11。酯交换在反应器6中在常压和沸点温度下进行。反应中形成的低沸点副产物曱醇(Me0H)作为塔顶的MMA/Me0H混合物(共沸混合物形成)IO除去。由经温度调节的MMA计量加入，确立下表中所示的温度曲线<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>80kg/h所得来自反应器的输出料流12具有下列组成83.1面积y。的ME-13.5，0.3面积°/。的Neodol25，15，2面积％的MMA，1.4面积％的副产物(Neodol含有约0.8%不能反应的组分)。在计算出的99.5%醇转化率下，基于ME-13.5的反应器时空收率因而是665kg/(m3h)。基于Neodol25的选择性因此几乎是100°/。。考虑到通过醒A/MeOH馏出物的醒A损失，基于曱基丙烯酸甲酯的选择性同样几乎是100%。为了防止聚合，将2.41/h稳定剂溶液(画A中的0.25wt。/。氢醌单甲醚)连续加入到来自蒸馏塔6的总馏出物料流中。粗产物12极其富含酯交换产物而且借助于薄膜蒸发器进行真空蒸馏(120毫巴)来除去未反应的原料。通过添加稀硫酸从该蒸馏的塔底产物中沉淀催化剂，该塔底产物仍然被催化剂以及少量的阻聚剂和高沸点副产物污染。然后通过添加碳酸钠溶液来中和该酸。在进一步的蒸发步骤中，在真空(120毫巴)下除去残余的MMA以及由沉淀加入的水。最后，经由过滤除去沉淀的催化剂，在此得到纯的产物。所得最终产物具有下列组成97.8面积％的ME-13.5，0.5面积％的Neodol25,0.1面积％的MMA，1.6面积°/。的副产物(Neodol含有约0.8%不能反应的组分)。实施例3通过多相催化连续生产甲基丙烯酸酯13.5(ME-13.5):(来自ShellChemicalLP的Neodol25的甲基丙烯酸酯)为了Neodol25的甲基丙烯酸酯(ME-13.5)的连续生产，将0.4kg/h具有2.3wt。/。氢氧化锂含量的MMA/催化剂进料2计量加入反应器7的第一分室中。另外，将37kg/h用料Neodol251连续地计量加入塔6的下部区段中。将原料甲基丙烯酸甲酯(醒A)以经温度调节的方式从緩沖容器13计量加入反应器的该区段中，该容器根据需要间歇地装入"新鲜"醒All。酯交换在反应器6中在常压和沸点温度下进行。反应中形成的低沸点副产物曱醇(MeOH)作为塔顶的MMA/MeOH混合物(共沸混合物形成)10除去。由经温度调节的MMA计量加入，确立下表中所示的温度曲线<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>59kg/h所得来自反应器的输出料流12具有下列組成82.9面积0/o的ME-13.5，0.3面积％的Neodol25，15.1面积°/。的MMA，1.7面积％的副产物(Neodol含有约0.8°/。不能反应的组分)。在计算出的99.5%醇转化率下，基于ME-13.5的反应器时空收率因而是492kg/(m3h)。基于Neodol25的选择性因此几乎是100%。考虑到通过MMA/MeOH馏出物的MMA损失，基于曱基丙烯酸甲酯的选择性同样几乎是100%。为了防止聚合，将1.51/h稳定剂溶液(醒A中的0.25wt。/。氢醌单甲醚)连续加入到来自蒸馏塔6的总馏出物料流中。粗产物极其富含酯交换产物而且借助于薄膜蒸发器进行真空蒸馏(120毫巴)来除去未反应的原料。经由过滤从塔底产物中除去催化剂，在此得到纯的产物。所得最终产物具有下列组成96.6面积％的ME-13.5，0.4面积％的Neodo125,1.0面积％的MMA,2.0面积°/。的副产物(Neodol含有约0.8%不能反应的组分)。权利要求1.从平衡反应连续制备产物的方法，其特征在于将原料通过精馏塔或直接地供入分室反应器中，通过将原料引入所述分室反应器的单个区段中来调节温度，任选地通过添加催化剂使所述反应加速，以及将产物混合物与未反应的原料和催化剂一起排出。2.权利要求l的方法，其特征在于通过将一种原料节流，用另一种原料沖洗所述反应器以及随后转换到新的原料，实现没有不合格品的产物转换。3.权利要求l的方法，其特征在于将原料作为侧料流从所述精馏塔中排出而且以有目标的方式计量加入而在单个段中调节温度。4.权利要求1的从平衡反应连续制备产物的方法，其特征在于，对于(甲基)丙烯酸酯与醇或胺的反应，将所述原料通过精馏塔或直接地供入分室反应器中，通过将(甲基)丙烯酸酯引入单个段中来调节温度，任选地通过添加催化剂使所述反应加速，以及将所述产物混合物与未反应的原料和催化剂一起排出。5.权利要求4的方法，其特征在于通过将所述原料醇或胺流节流，用(甲基)丙烯酸酯沖洗所述反应器以及随后转换到新的原料醇或新的原料胺，实现没有不合格品的产物转换。6.权利要求4的方法，其特征在于将(曱基)丙烯酸酯作为侧料流从所述精馏塔中排出而且以有目标的方式计量加入而在单个区段中调节温度。7.权利要求l的方法，其特征在于在下游提供纯化步骤。8.权利要求7的方法，其特征在于在所述分室反应器的下游提供用于从所述产物混合物中分离出所述催化剂的蒸馏工艺、过滤工艺或沉淀和过滤工艺。9.权利要求l的方法，其特征在于所述原料经过预热。10.权利要求l的方法，其特征在于将未反应的原料再循环。11.用于从平衡反应连续制备产物的装置，其特征在于将具有区段壁和所述区段壁上的开口的分室反应器分成不同尺寸的区段，以及精馏塔，通过该精馏塔可以计量加入原料，还有用于分离出催化剂的下游后处理步骤。12.权利要求11的用于从平衡反应连续制备产物的装置，其特征在于所述分段壁在金属板的整个面积上具有开口。13.权利要求11的用于从平衡反应连续制备产物的装置，其特征在于所述分段壁在金属板的下部三分之一上具有开口。14.根据权利要求4制备的(甲基)丙烯酸酯和(甲基)丙烯酰胺，其特征在于残余的醇或胺含量是<2%。15.根据权利要求4制备的(甲基)丙烯酸酯和(甲基)丙烯酰胺，其特征在于残余的醇或胺含量是<0.5%。16.根据权利要求4制备的(甲基)丙烯酸酯和(甲基)丙烯酰胺，其特征在于迈克尔加成产物的含量是<1%。17.根据权利要求4制备的(甲基)丙烯酸酯和(甲基)丙烯酰胺，其特征在于迈克尔加成产物的含量是<0.5%。全文摘要本发明涉及用于连续进行平衡反应的装置和方法。文档编号B01J19/00GK101218020SQ200680025225公开日2008年7月9日申请日期2006年8月16日优先权日2005年9月13日发明者D·萨尔奇内利,H·西格特申请人:赢创罗姆有限责任公司