CH408895A - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung reiner Kondensationsprodukte des Acetons - Google Patents

Description

  
 



  Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung reiner Kondensationsprodukte des Acetons
Es ist bekannt, dass man aus Aceton durch Kondensation in Gegenwart von Alkali verschiedene technisch wertvolle Produkte wie z. B. Mesityloxyd und Isophoron gewinnen kann. Für das Verfahren bestehen hierbei eine Reihe von unterschiedlichen Wegen. So kann man beispielsweise das Aceton bei erhöhten Temperaturen dampfförmig oder bei entsprechenden Drücken auch flüssig über   feste    Katalysatoren leiten. Andererseits ist es möglich, nicht nur das Aceton, sondern auch den alkalischen Katalysator flüssig einzusetzen. Die Katalysatormengen können hierbei in weiten Grenzen schwanken. Bei   grösc    seren Alkalimengen bedeutet das, dass sich zwei flüssige Phasen ausbilden.

   Wird die Alkalimenge sehr niedrig bemessen, so kann man auch bei entsprechender Dosierung des Wassers in homogener Phase arbeiten, wobei z. B. die Löslichkeitsverhältnisse durch Zusatz eines aliphatischen Alkohols, wie insbesondere Äthanol oder Methanol, verbessert werden können. Je nach den Umständen gelangt man zu verschiedenen Umsatzraten wie auch zu verschiedener Zusammensetzung der Kondensationsprodukte.



   Allen diesen Verfahren ist gemeinsam die mehr oder weniger grosse Schwierigkeit und der Aufwand für die Gewinnung reiner Endprodukte, z. B. von reinem Isophoron, durch die nachgeschalteten Aufarbeitungsverfahren, wie beispielsweise Destillation.



  Für die Aufarbeitung ergeben sich im Verhältnis zur eigentlichen Reaktion, der Kondensation des Acetons, sehr hohe Aufwendungen technischer und energetischer Art. Beispielsweise führt die destillative Behandlung des bei der üblichen Kondensation gewonnenen Produktes zwangsläufig nur zu einem technischen Erzeugnis, welches mit erheblichen Mengen an Phoron, Xylitonen usw. verunreinigt ist, die durch Nachdestillation nicht befriedigend abgetrennt werden können, deren Anwesenheit aber selbst in niedrigster Konzentration die Qualität des Erzeugnisses herabsetzt und dessen Anwendungsbereich in der Weiterverarbeitung zumindest aber von Fall zu Fall in Frage stellt. Man ist daher gezwungen, das so gewonnene Rohisophoron umständlichen Reinigungsprozessen zu unterwerfen, wie z.

   B. thermischen oder katalytischen Behandlungen, oder aber bestimmte   Entfärbungsmittel    anzuwenden, ohne dass hierbei   hiureichend    reine Produkte zu erhalten sind.



   Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht nun in einer für die Herstellung der genannten Kondensationsprodukte des Acetons neuartigen Verknüpfung von chemischen und physikalischen Prinzipien, dergestalt, dass man in nur einem System die für die Herstellung und Reinigung der Produkte notwendigen Massnahmen zusammenfasst, d. h.



  Kondensation,   Destillation    und Reinigung vereinigt.



  Dabei sind die physikalischen Bedingungen (z. B.



  Temperaturen und die davon abhängigen Drücke) jeweils auf die chemischen Notwendigkeiten, d. h. auf die für die Kondensation des Acetons und die qualitätsmässige Verbesserung des   Kondensationsproduk    tes erforderlichen Bedingungen abzustimmen.



   Das erfindungsgemässe Verfahren besteht darin, dass das in einem als Druckdestillationskolonne ausgebildeten Reaktionssystem enthaltene Aceton und in einem Lösungsmittel (Wasser, Alkohol) gelöste Alkali unter den zur Gewinnung des jeweils gewünschten Kondensationsproduktes erforderlichen Bedingungen in der Weise   destillativ    zur Einwirkung gebracht wird, dass man die alkalische Phase an einer im oberen Teil der Kolonne gelegenen Stelle und unterhalb dieser Einspeisung Aceton in die Kolonne einführt, so dass sich zwischen diesen beiden Einspeisungsstellen eine Reaktionszone bildet, in der das  nach oben verdampfende Aceton mit dem nach unten sinkenden alkalihaltigen Wasser im Gegenstrom zu den gewünschten Kondensationsprodukten umgesetzt wird, während oberhalb dieser Reaktionszone lediglich eine Abtrennung des Acetons vom alkalihaltigen Wasser,

   und unterhalb der Reaktionszone eine Reinigung der in den unteren Teil der Kolonne gesunkenen höhersiedenden Kondensationsprodukte des Acetons erfolgt.



   Im Falle der Gewinnung von Isophoron ist eine erhöhte Reaktionstemperatur im Bereich von etwa 150 bis   250" notwendig.    Die Aufrechterhaltung dieser Temperaturen geschieht durch Wahl entsprechender Drücke.



   In einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens kann der zur Verflüssigung des Acetons erforderliche, sich am Kopf der Kolonne befindliche Kondensator zur Dampfgewinnung ausgenutzt werden. Auf diese Weise wird praktisch der höher gespannte Dampf für die Sumpfheizung in einen gesättigten Dampf niedrigeren Druckes transformiert, so dass für den gesamten Prozess von Kondensation, Destillation und Reinigung im Gegensatz zur üblichen Fahrweise nennenswerte Energiemengen nicht verloren gehen.



   Bei der vorliegenden Erfindung werden die Aceton-, Alkali- und Wassermengen zweckmässig so aufeinander abgestimmt, dass man innerhalb der Reaktionszone eine homogene Phase erhält. Das bedeutet, dass nur verhältnismässig niedrige Alkalimengen zum Einsatz gelangen, die im allgemeinen unterhalb 0,1 Gew.   O/o,    bezogen auf das gesamte Reaktionsgemisch liegen. Ausgezeichnete Effekte erzielt man bereits mit Alkalimengen von etwa 0,02 0/0. Die Wassermenge liegt regelmässig unter 20 Gew.   Oio,    bezogen auf die gesamte Flüssigkeit. Es ist aber durchaus möglich, wesentlich höhere Wassermengen von z. B. bis zu 50   O/o    und mehr einzusetzen, beispielsweise etwa 60   0/0.    Man erhält in diesen Fällen zwar eine Erniedrigung der Umsatzrate.

   Andererseits wird aber überraschenderweise die   Zusammen    setzung der gebildeten Kondensationsprodukte noch weiter in günstigem Sinne   beeinflusst,    so dass man nach einfacher destillativer Aufarbeitung zu Endprodukten hervorragender Qualität gelangt, die praktisch frei von verfärbenden und verschmutzenden Eigenschaften sind.



   Die Löslichkeits- und Umsatzverhältnisse des Reaktionsgemisches und die Reaktionsbedingungen lassen sich weiterhin in bekannter Weise sehr vorteilhaft dadurch beeinflussen, dass man anstelle von oder neben Wasser dem Reaktionsgemisch einen aliphatischen Alkohol, wie Methanol oder Äthanol zusetzt.



   Grundsätzlich ist das erfindungsgemässe Verfahren jedoch nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene Arbeiten in homogener Phase. Es kann selbstverständlich auch mit höheren Alkalimengen entsprechend den bisher bekannten Verfahren, wie auch mit erhöhten Wassermengen gearbeitet werden.



   Im einzelnen kann das Verfahren wie folgt ausgeführt werden. Das vorzugsweise als Destillationskolonne ausgeführte System wird in drei Zonen, die sich von unten nach oben in eine Reinigungszone, eine Kondensationszone und eine Trennzone gliedern, aufgeteilt, und zwar dadurch, dass vom oberen Ende der Reaktionszone her die Ein- bzw. Rückführung des katalysatorhaltigen Wassers und am unteren Teil der Reaktionszone die Rückführung eines Teiles des am Kopf der Kolonne kondensierten Acetons erfolgt.



  Auf Grund des generellen Destillationsverhaltens fliesst das Wasser nach unten, während das Aceton in entgegengesetzter Richtung über sukzessive Verdampfung und Verflüssigung nach oben geht.



   Es wird also davon ausgegangen, dass man das Gefäss zunächst als Destillationssystem betrachtet, wo in bekannter Weise durch Fraktionierung eine Trennung in leichter und schwerer siedende Bestandteile erfolgt, d. h. im besonderen Falle zunächst eine Trennung in Aceton und Wasser. Durch bestimmte Massnahmen der Rückführung von Aceton sowie der Einschleusung katalysatorhaltigen Wassers wird diesem Destillationsgeschehen je nach Massgabe physikalischer und katalytischer Bedingungen die gewünschte chemische Reaktion überlagert.

   Das kann so geschehen, dass ein Teil des am Kopf der Säule niedergeschlagenen Acetons in den Unterteil der Kolonne, also den Beginn des Kondensationsteiles, d. h. den Unterteil der Reaktionszone, zurückgeführt wird, während katalysatorhaltiges Wasser entweder frisch oder aus dem Sumpf der Kolonne stammend oberhalb der Acetoneinschleusung in den Oberteil der Reaktionszone zugeführt wird. Auf diese Art und Weise wird der Bereich zwischen der Aceton- und Wasserzufuhr ausserdem zu einem chemischen System, wo nun - brauchbare Bedingungen zur Kondensation des Acetons   vorausgesetzt - dessen    Umsetzung zu dem gewünschten Produkt, beispielsweise Isophoron, vor sich gehen kann.



   Auf Grund allgemeiner Destillationsphänomene ist das Aceton gezwungen, in für die Destillation charakteristischer Weise unter sukzessiver Verdampfung und Verflüssigung nach oben zu steigen, während das Wasser als schwerere Komponente nach unten fallen muss. Durch Berührung des Acetons mit dem wässrigen Katalysator im Gegenstrom entstehen nun je nach den Umständen die Kondensationspro  dukte,    welche ebenso wie das Wasser auf Grund ihrer geringeren Flüchtigkeit gegenüber Aceton nach unten   abfliessen.    Hierbei ergibt sich überraschenderweise, dass durch die bei solchen Reaktionen bisher nicht   verwirklichte    Anwendung des Gegenstromes ein gegenüber der konventionellen Gleichstromfahrweise günstigeres Verhältnis in der Zusammensetzung der Reaktionsprodukte,

   insbesondere zwischen Isophoron und   Oberkondensaten,    neben immer höherem Gesamtumsatz erreicht wird. Oberhalb der eigentlichen Reaktionszone findet die unter Druck erfolgende destillative Trennung von im wesentlichen Wasser und Aceton statt. Dies wird dadurch gewähr  leistet, dass ein entsprechender Teil des am Kopf kondensierten Acetons in den direkten Rückfluss geht.



   Unterhalb des Acetoneinlaufs gelangt man in der Reinigungszone sehr rasch zu einem acetonfreien Gemisch von Wasser und den Kondensationsprodukten des Acetons. Im Falle der Herstellung von Isophoron sind dies neben Isophoron beispielsweise Mesityloxyd und   Überkondensate    neben den die übliche Destillation erheblich störenden Beimischungen von Phoron, B-Isophoron, Xylitonen und ähnlichen Verbindungen. Durch die Anwesenheit von Alkali in Verbindung mit der für die Reaktion notwendigen Temperatur gehen nun, wie gefunden wurde, Vorgänge vor sich in Form von chemischem und thermischem Abbau, insbesondere in Form von Hydrolyse, die im Verlauf der Reaktion unter Beseitigung störender Verunreinigungen letzten Endes zu einem z.

   B. im wesentlichen aus Isophoron und diesmal höchstsiedenden, vom Isophoron leicht abtrennbaren und nicht mehr unter den Aufarbeitungsbedingungen sich zersetzenden   Überkondensaten    bestehendem Gemisch führt. Unter anderem wird Mesityloxyd restlos in Aceton umgewandelt, ein Vorgang, der schon bei etwa 1400 eintritt und unter den angewandten Bedingungen in kürzester Zeit beendigt wird. Das Phoron geht sowohl in Aceton als auch unter Ringschluss in Isophoron über. Die hierfür benötigten Temperaturen liegen um 170 bis 2000.



  Schliesslich werden insbesondere die dem Isophoron nahestehenden Xylitone in Aceton und Isophoron aufgespalten bei etwa 200 bis 2200, die neben Phoron die Aufarbeitung am empfindlichsten stören.



  Ebenso werden auch noch Anteile der höher kondensierten Bestandteile zu wieder verwertbaren, leichter siedenden Verbindungen abgebaut. Auf diese Art und Weise tritt ein weiterer Gewinn an Isophoron bzw. zu Isophoron kondensierbaren Substanzen ein.



  Die besondere Wirkung der Reinigungszone wird dadurch verstärkt, dass die jeweils gebildeten leichteren Bestandteile, im besonderen Aceton, sofort entfernt werden, woraus kinetische wie gleichgewichtsmässige Vorteile entstehen.



   Der Sumpf setzt sich aus zwei flüssigen Phasen zusammen, einer organischen und einer wässrigen alkalihaltigen. Die obere, d. h. organische Phase, wird nach   Anfallmenge    abgezogen und kann nun in einfachster Weise auf destillativem Wege zum jeweiligen Reinprodukt verarbeitet werden, das praktisch frei von Verunreinigungen erhalten wird. Die wässrige
Phase wird ohne Zwischenentspannung in den oberen Teil der Reaktionszone kontinuierlich zurückgeführt.



  Der durch die Kondensation anfallende Mehrbetrag an   Wasser - z. B.    bilden sich pro Mol Isophoron
2 Mol Wasser - wird aus dem System entfernt. Die hierbei auftretende Verdünnung an Alkali, ebenso wie die durch eventuelle Neutralisationseffekte verbrauchten Mengen Alkali werden durch Ergänzung kompensiert, ebenso die durch die Kondensation verbrauchte Menge Aceton. Auf diese Weise findet auch eine natürliche Reinigung des Wassers statt.



   Beispiel
Die apparative Ausgestaltung des Verfahrens wird im nachstehenden Beispiel durch jeweiligen Bezug auf die beigefügte Schemazeichnung näher erläutert. In den drucktragend ausgebildeten Destillationsreaktor 1 von 8000 mm Länge und einem Säulendurchmesser von 100 mm mit einer Blase 2 von 301 Inhalt und einem aufgesetzten Kondensator 3, welcher direkt als Dampferzeuger benutzt wird, wird durch Leitung 4 über Pumpe 5 Frischaceton eingeführt, das den für die Gewinnung von Isophoron und höheren Kondensationsprodukten verbrauchten Acetonmengen entspricht. Die Leitung 4 befindet sich im unteren Teil der Kolonne. Die stündliche Leistung beträgt 2,8 kg Acetoneinspeisung.

   Die für die Reaktionszone vorgesehene Temperatur von 2100 wird dadurch erreicht, dass der als Dampferzeuger ausgebildete Kondensator 3 unter einem Druck von 15,6 ata gehalten wird, wobei sich gleichzeitig in der Kolonne ein dem Aceton bei   200     entsprechender Druck von 27 ata einstellt. Auf diese Weise erhält man innerhalb des Reaktors einen stetigen Temperaturgradienten von 2000 im Kopf bis zu   231     im Sumpf. Die Leistung der Sumpfheizschlange 6 ist so bemessen, dass stündlich 25 kg Aceton im Kondensator niedergeschlagen werden. Davon gelangen   10 kg    in den direkten Rückfluss, während die restlichen 15 kg über Leitung 7 abfliessen und zusammen mit Frisch aceton in den unteren Bereich des Reaktors zurückgeschleust werden.



   Im stationären Betrieb ist der Sumpf zweiphasig, bestehend aus einer wässrigen und einer organischen Schicht. Aus der wässrigen Schicht werden über Pumpe 8 durch Leitung 9 6 kg Alkalilösung in den oberen Teil des Reaktors gegeben, um den notwendi gen Alkaligehalt des Reaktionsmediums von 0,03   O/o,    bezogen auf die   Gesamtflüssigkeit,    aufrechtzuerhalten, wobei das Alkali völlig in gelöster Form vorliegt.



  Aus der organischen Phase des Sumpfes werden stündlich   2,1 kg    eines praktisch mesityloxyd- und phoronfreien Kondensationsproduktes über Leistung
10 abgezogen. Die in diesem Produkt enthaltenen Xylitone sind durch den hydrolytischen   Einfluss    in der Reinigungszone auf solch ein Minimum reduziert, dass sie ebenfalls die nachfolgende destillative Aufarbeitung des Kondensationsproduktes (im Schema nicht dargestellt) nicht stören. Im abgezogenen Produkt beträgt das Gewichtsverhältnis von Isophoron zu den kondensierten Rückstände  etwa 91:9 (gegen über etwa   80:20,    die man nach den bisher üblichen
Verfahren etwa als besten Wert erhalten kann).



   Nach der in üblicher Weise stattfindenden destillativen Aufarbeitung erhält man ein wasserklares und von Nebenprodukten freies Isophoron, das eine sehr grosse Stabilität gegenüber oxydativen Einflüssen aufweist und auch nach längerem Stehen keinerlei Verfärbung zeigt. Das Produkt kann vorteilhaft als   Lösungsmittel verwendet werden oder auch einer weiteren Verarbeitung auf chemischem Wege zugeführt werden. Durch die beschriebene Besonderheit bei der Einspeisung der Alkalilösung und des Acetons erfolgt eine Aufteilung der Kolonne in drei funktionell unterschiedliche Zonen, nämlich die in der Schemazeichnung mit 1 bezeichnete Destillationszone, die mit 2 bezeichnete Kondensationszone und die mit 3 bezeichnete Reinigungszone.   

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH I Verfahren zur Herstellung reiner Kondensationsprodukte des Acetons, insbesondere von reinem Isophoron, durch Behandlung des Acetons mit Alkali, dadurch gekennzeichnet, dass man in einem als Druckdestillationskolonne ausgebildeten Reaktionssystem Aceton und in einem Lösungsmittel gelöstes Alkali unter den zur Gewinnung des gewünschten Kondensationsproduktes erforderlichen Bedingungen in der Weise destilliert, dass man das alkalihaltige Wasser an einer im oberen Teil den Kolonne gelegenen Stelle und unterhalb dieser Einspeisung Aceton in die Kolonne einführt, so dass sich zwischen diesen beiden Einspeisungssteilen eine Reaktionszone bildet, in der das nach oben strömende Aceton mit dem nach unten sinkenden alkalihaltigen Wasser im Gegenstrom zu den gewünschten Kondensationsprodukten umgesetzt wird,

   während oberhalb dieser Reaktionszone lediglich eine Abtrennung des alkalihaltigen Wassers und unterhalb der Reaktionszone eine Reinigung der in den unteren Teil der Kolonne gesunkenen höhersiedenden Kondensationsprodukte des Acetons erfolgt.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung von Isophoron der Druck in der Kolonne so eingestellt wird, dass in der Reaktionszone Temperaturen im Bereich von 150-250 herrschen.

   2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass man Alkalimengen von unter 0,1 Gew. O/o, bezogen auf die gesamte Flüssigkeit, einsetzt.

   3. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass man Wassermengen von nicht mehr als 20 Gew.O/o, bezogen auf die gesamte Flüs sigkeit, einsetzt.

   4. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass man zur Erzielung besonders reiner Produkte Wassermengen bis zu 50 Gew. O/o und mehr, bezogen auf die gesamte Flüssigkeit, einsetzt.

   PATENTANSPRUCH II Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (1) als Druckdestillationskolonne ausgebildet ist, die in ihrem oberen Teil mit Leitungen (9) zur Zuführung der Alkalilösung und in einem darunter liegenden Teil mit Leitungen (4) zur Zuführung von Aceton sowie an ihrem Kopf mit einem Kondensator (3) versehen ist.

   UNTERANSPRUCH 5. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (3) als Dampferzeuger ausgebiLdet ist.