ES2871114T3 - Nuevo procedimiento para obtener ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la fabricación de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico que comprende al menos las siguientes etapas sucesivas: 1) mezcla de acrilonitrilo con al menos un compuesto que aporta SO3 a una temperatura comprendida entre -80 y 30 °C durante al menos 1 segundo para obtener una mezcla sulfonante, 2) puesta en contacto y mezcla de isobutileno y la mezcla sulfonante con una relación molar de SO3:isobutileno comprendida entre 0,2:1 y 2:1 y una relación molar de acrilonitrilo:isobutileno comprendida entre 3:1 y 60:1, a una temperatura comprendida entre -40 y 100 °C durante un tiempo comprendido entre 10 segundos y 300 minutos para obtener una mezcla de reacción, 3) separación sólido/líquido de la mezcla de reacción y aislamiento de las partículas sólidas contenidas en la mezcla de reacción en forma de una composición 1 en la que las partículas sólidas representan del 50 al 99% en peso de la composición 1, 4) mezcla de la composición 1 al final de la etapa 3) con una solución acuosa A durante al menos 10 minutos a una temperatura comprendida entre -20 y 70 °C para obtener una suspensión 1 de cristales de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico, 5) separación sólido/líquido de la suspensión 1 y aislamiento de los cristales en forma de una composición 2 en la que los cristales representan entre el 40 y el 99% en peso de la composición 2.
Description
DESCRIPCIÓN
Nuevo procedimiento para obtener ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico
Campo de la invención
El campo de la invención se refiere a un nuevo procedimiento para la obtención de ácido
2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico. Más específicamente, el objeto de la presente invención es un procedimiento para la fabricación de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico, que consiste en hacer reaccionar entre sí acrilonitrilo, ácido sulfúrico fumante e isobutileno.
Estado de la técnica anterior
El ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico es muy utilizado como aditivo en fibras acrílicas, o como materia prima para la obtención de polímeros utilizados como dispersante, hidrogel o espesante en diversos sectores como la industria del petróleo, construcción, tratamiento de aguas (desalación de agua de mar, industria de minerales, etc.) o cosméticos.
La reacción llevada a cabo en el procedimiento para preparar ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico sigue el esquema de reacción siguiente, en el que el acrilonitrilo está presente en exceso para ser tanto el disolvente de la reacción como un reactivo. El acrilonitrilo se pone en contacto con ácido sulfúrico fumante (óleo) e isobutileno.
El ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico no es soluble en el disolvente de acrilonitrilo, por lo tanto, el producto de reacción es una suspensión de 30 cristales en el disolvente de reacción. Por el contrario, el ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico es soluble en agua.
A modo de ejemplo, los documentos US 6.448.347 y CN 102351744 describen un procedimiento para la fabricación de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico en modo continuo.
El ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico se separa posteriormente del acrilonitrilo, habitualmente mediante filtración, y puede purificarse adicionalmente mediante varios métodos conocidos. De hecho, la purificación es necesaria porque un bajo nivel de impurezas presentes en el ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico afecta fuertemente su polimerización, y más particularmente el peso molecular y la tasa de insolubles en agua de los polímeros y copolímeros resultantes del mismo.
Así, en el documento WO 2009/072480 que se refiere a un procedimiento para fabricar ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico (ATBS), se explica que las impurezas del tipo ácido 2-metil-2-propenil-1-sulfónico (IBSA) y el ácido 2-metiliden-1,3-propilendisulfónico (IBDSA) afectan fuertemente la polimerización por encima de cierta concentración.
El documento US 4.337.215 describe un método para purificar el ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico por recristalización en ácido acético, por disolución en caliente y cristalización por rampa de enfriamiento. A pesar de la buena pureza del ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico obtenido, el procedimiento, cuyo rendimiento es limitado, implica múltiples etapas de disolución/enfriamiento y requiere un tratamiento del ácido acético usado para regenerar por destilación antes de su posterior reutilización en un nuevo lote para la recristalización del ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico.
Es necesario secar el ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico para disminuir la cantidad de acrilonitrilo y acrilamida que queda en el cristal. Estos 2 compuestos tienen una clasificación como cancerígenos, mutagénicos o tóxicos para la reproducción (CMR), por lo que es necesario realizar una filtración eficaz para escurrir mejor el acrilonitrilo, y luego secar para obtener contenidos de acrilonitrilo y acrilamida que son débiles.
El documento CN 103664709 describe un procedimiento de preparación de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico que permite prescindir de esta larga y costosa etapa de secado. La etapa de secado se sustituye por una etapa de lavado con ácido acético glacial en el que ATBS no es soluble. Aunque este procedimiento acorta el tiempo de síntesis del ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico, el consumo de disolvente y la energía térmica necesarios para la purificación por recristalización siguen siendo importantes.
Como se describe en el artículo titulado “On the Ritter synthesis of N-tert-butylacrylamide, reaction between
tert-butylalcohol and acrylonitrile in non-aqueous System”, publicado en “Iranian J. of Polymer Science and Technology Vol 4 No 1, p. 42-49, 1995”, autora Demetra Dragan, el rendimiento del ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico está vinculado a la proporción de SO3 libre en el medio de síntesis. Sin estar ligado a ninguna teoría, cuanto más sulfonante el medio, más selectiva es la reacción hacia el ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico en detrimento de la N-terc-butilacrilamida.
Existen muchos métodos para obtener ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico. Sin embargo, parece aceptado que es importante poder mejorar el procedimiento de producción reduciendo la cantidad de disolvente utilizado y eliminando la etapa de secado, o reduciendo la cantidad de energía térmica utilizada, manteniendo una buena calidad de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico en cuanto a su nivel de impurezas, sus capacidades de polimerizarse en forma de polímeros de alto peso molecular o incluso a nivel de compuestos cancerígenos, mutagénicos o tóxicos para la reproducción.
Presentación de la invención
El objeto de la presente invención es un procedimiento de fabricación de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico que comprende al menos las siguientes etapas sucesivas:
1) mezcla de acrilonitrilo con al menos un compuesto que aporta SO3 a una temperatura comprendida entre -80 y 30 °C durante al menos 1 segundo para obtener una mezcla sulfonante,
2) contacto y mezcla de isobutileno y la mezcla sulfonante con una relación molar de SO3 : isobutileno comprendida entre 0,2:1 y 2:1 y una relación molar de acrilonitrilo:isobutileno comprendido entre 3:1 y 60:1, a una temperatura comprendida entre -40 y 100 °C durante un tiempo comprendido entre 10 segundos y 300 minutos para obtener una mezcla de reacción,
3) separación sólido/líquido de la mezcla de reacción y aislamiento de las partículas sólidas contenidas en la mezcla de reacción en forma de una composición 1 en la que las partículas sólidas representan del 50 al 99% en peso de la composición 1,
4) mezcla de la composición 1 con una solución acuosa A durante al menos 10 minutos a una temperatura comprendida entre -20 y 70 °C para obtener una suspensión 1 de cristales de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico,
5) separación sólido/líquido de la suspensión 1 y aislamiento de los cristales en forma de una composición 2 en la que los cristales representan entre el 40 y el 99% en peso de la composición 2.
Por “etapas sucesivas” se designan etapas que se suceden cronológicamente. En otras palabras, las etapas sucesivas se realizan en el orden indicado y no se pueden revertir. Por otro lado, una o más etapas intermedias pueden intercalarse, opcionalmente, entre dos etapas sucesivas.
En la descripción de la invención, los intervalos de valores incluyen los límites. Por ejemplo, el intervalo de valores “entre -40 °C y 80 °C” incluye valores de -40 °C y 80 °C. Por otro lado, la descripción divulga todas las posibles combinaciones entre los límites de los diferentes intervalos de valores. Por ejemplo, la descripción de los intervalos de -80 a 30 °C, ventajosamente de -40 °C a 10 °C incluye notablemente los intervalos de -80 °C a 10 °C, 10 °C a 30 °C, -80 °C a -40 °C o -40 °C a 30 °C.
Etapa 1
El compuesto que aporta SO3 es generalmente ácido sulfúrico fumante, usado en una concentración comprendida entre el 100% y el 113,5%. Por ejemplo, el 113,5% de ácido sulfúrico fumante comprende un 60% en peso de SO3. De acuerdo con otra realización, el compuesto que aporta SO3 y el agua también se pueden añadir por separado. Las formas alfa, beta o gamma de SO3 pueden usarse indistintamente en la presente invención. El agua también puede provenir de ácido sulfúrico con una concentración inferior al 100% de H2SO4.
En otra realización particular, el SO3 se puede mezclar con ácido sulfúrico.
En el contexto de la presente invención, el acrilonitrilo se puede utilizar en su forma anhidra o en forma de solución acuosa, contribuyendo así al equilibrio hídrico de esta etapa.
En el caso de que se utilice acrilonitrilo en forma acuosa, la reacción entre el agua contenida en el acrilonitrilo y el compuesto SO3 produce ácido sulfúrico con una concentración equivalente del 96-103%.
% de H2SO4 efectivo: representa el nivel de ácido sulfúrico resultante de la mezcla de acrilonitrilo con al menos un compuesto que aporta SO3
móle0 : masa de óleo
% de H2SO4óleo: concentración de óleo, expresada como % de H2SO4.
mSO3 : masa de SO3
% de H2SO4SO3 : concentración de SO3 , expresada como % de H2SO4.
IT1H2SO4 : masa de ácido sulfúrico
% de H2SO4: concentración de ácido sulfúrico, expresada como % de H2SO4
tiacn: masa de acrilonitrilo
% de MC: porcentaje de agua en peso contenida en acrilonitrilo
mdiSOlvente i = masa de disolvente i
% de MCi = porcentaje de agua en peso contenida en el disolvente i
Por lo general, la concentración de óleo no se expresa como “% de H2SO4” sino como un porcentaje de SO3 libre. En este caso, se aplica la fórmula siguiente para convertir el porcentaje de SO3 en peso al porcentaje de % de H2SO4.
% de H2SO4: concentración de ácido sulfúrico, expresada como % de H2SO4
Mh2o: masa molar de agua
Mso3: masa molar de SO3
% de SO3 : porcentaje en peso de SO3 libre en el óleo.
En el caso particular de que el SO3 se utilice en forma gaseosa (puro o diluido en un gas portador), el % de SO3 es del 100%, por lo que el % de H2SO4 correspondiente es del 122,5%.
En una realización particular, la etapa 1) comprende mezclar acrilonitrilo con al menos un compuesto que aporta SO3 en un disolvente 1.
De manera no limitativa, el disolvente 1 se elige de anhídrido acético, ácidos carboxílicos como ácido acético, nitrilos, alcoholes, aminas, alcanos, amidas, éteres, compuestos aromáticos, ácidos alquilsulfónicos y la fase líquida resultante de la separación líquido/sólido de la etapa 3). Preferiblemente, la etapa 1) contiene como disolvente 1 solo acrilonitrilo. Durante esta etapa, la temperatura de mezcla está comprendida entre -80 y 30 °C, preferiblemente comprendida entre -80 y 20 °C, preferiblemente comprendida entre -40 y 10 °C.
El tiempo de mezcla está ventajosamente comprendido entre 1 segundo y 600 minutos, preferiblemente entre 5 segundos y 120 minutos.
La mezcla de los reactivos de la etapa 1) se puede lograr mediante diversas tecnologías. A modo de ejemplo no limitativo, se pueden citar reactores con agitador, reactores de bucle, mezcladores estáticos, microrreactores, reactores de pistón.
Etapa 2
Durante esta etapa, se puede introducir isobutileno en la mezcla sulfonante en forma gaseosa, puro o diluido con un gas neutro (por ejemplo, nitrógeno o argón), o como un gas licuado, o disuelto en un disolvente 2. Preferiblemente, el isobutileno es introducido disuelto en el disolvente 2. Preferiblemente, este disolvente 2 es acrilonitrilo o la fase líquida resultante de la separación líquido/sólido de la etapa 3).
La reacción de introducción de isobutileno se puede llevar a cabo a presión atmosférica o alternativamente a una presión más alta, por ejemplo, de hasta 50 bares relativos.
El isobutileno se puede fabricar de acuerdo con varios métodos conocidos por los expertos en la técnica. A modo de ejemplo y sin limitación, el isobutileno puede obtenerse por deshidratación de terc-butanol o de isobutanol, por deshidrogenación de isobutano, por isomerización de but-1-eno o but-2-eno, por fermentación de glucosa o residuos de derivados lignocelulósicos utilizando microorganismos o por craqueo de metil-terc-butil éter (MTBE).
La relación molar SO3 :isobutileno está comprendida entre 0,2:1 y 2:1, preferiblemente entre 0,4:1 y 1,5:1, más preferiblemente entre 0,7: 1 y 1,2: 1.
La relación molar entre el compuesto SO3 y el isobutileno se define como sigue:
mIB: masa de isobutileno
Mib: masa molar de isobutileno
SO3 : número de moles de SO3
IB: número de moles de isobutileno
Mh2so4: masa molar de H2SO4
Los otros parámetros móleo, % de H2SO4óleo, mH2SO4, % de H2SO4, mSO3, % de H2SO4SO3 son los mismos que los descritos con anterioridad.
La relación molar de acriloniltrilo:isobutileno está comprendida entre 3:1 y 60:1, preferiblemente entre 4:1 y 40:1, más preferiblemente entre 6:1 y 20:1.
La temperatura está comprendida entre -40 y 100 °C, preferiblemente entre -40 y 80 °C, más preferiblemente entre -20 y 70 °C.
El tiempo de mezcla entre isobutileno y la mezcla sulfonante de la etapa 1) está comprendido entre 10 segundos y 300 minutos, preferiblemente entre 1 minuto y 120 minutos.
La mezcla de los reactivos de la etapa 2) se puede lograr mediante diversas tecnologías. A modo de ejemplo y de forma no limitativa, se pueden citar reactores con agitadores, reactores de bucle, mezcladores estáticos, microrreactores, reactores de pistón.
Al introducir isobutileno en la etapa 2), las partículas sólidas de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico se forman y precipitan porque no son solubles en la mezcla sulfonante resultante de la etapa 1). Por consiguiente, el producto de reacción está en forma de una suspensión de partículas sólidas en la mezcla de reacción.
La mezcla de reacción, al final de la etapa 2), tiene un contenido de sólidos en peso ventajosamente comprendido entre el 5 y el 40%, más preferiblemente entre el 10 y el 35% e incluso más preferiblemente entre el 15 y el 30%. El contenido de sólidos se define De acuerdo con la siguiente expresión:
Ma t b s : masa molar del ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico
IT1H2O: masa de agua
Los otros parámetros midisolvente i, ms o 3 , móleo, t ih 2s o 4, tia c n , miB, M ib son los mismos que los descritos con anterioridad. La mezcla de reacción se puede iniciar inmediatamente en la etapa 3) o se puede almacenar temporalmente. El almacenamiento temporal de la mezcla de reacción puede realizarse a una temperatura ventajosamente por debajo de 50 °C, más preferiblemente por debajo de 25 °C.
De acuerdo con una realización particular, se puede añadir agua a la mezcla de reacción para consumir el SO3 libre que no se consumió durante la reacción. El agua se puede añadir en forma pura o en forma de solución acuosa que contenga sales o compuestos solubles o miscibles. A modo de ejemplo y sin limitación, el agua se puede introducir en forma de una solución que comprende acrilonitrilo y/o ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico y/o un alcohol que comprende de 1 a 4 carbonos y/o un ácido inorgánico.
Etapa 3
Las partículas de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico obtenidas al final de la etapa 2) se aíslan mediante separación líquido/sólido. A modo de ejemplo y en forma no limitativa, se puede citar el uso de una centrífuga vertical u horizontal, de un decantador, de un filtro prensa, de un filtro de banda, de un filtro de discos, de un filtro de empuje o
de un filtro de tambor rotativo. La separación líquido/sólido también se puede realizar mediante decantación por gravedad.
En una realización particular, la mezcla de reacción se puede concentrar en partículas de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico por evaporación de los disolventes 1 y 2 antes de la etapa de separación sólido/líquido.
De acuerdo con un modo de realización particular de la invención, la fase líquida resultante de la separación puede utilizarse como disolvente 1 y/o 2 en las etapas 1) y 2). Esta fase líquida se puede utilizar con o sin purificación previa. Como técnicas de depuración de la fase líquida, se puede citar, a modo de ejemplo, la destilación fraccionada, la evaporación, la pervaporación, la neutralización con base orgánica o inorgánica y la extracción líquido/líquido.
Preferiblemente, después de la etapa de separación líquido/sólido, las partículas de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico no se secan.
En la práctica, las partículas de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico de la mezcla de reacción obtenida al final de la etapa 2) se aíslan en forma de una composición 1 en la que las partículas de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico representa del 50 al 99%, preferiblemente del 50 al 97%, más preferiblemente del 60 al 95%, más preferiblemente del 70 al 90% en peso de la composición 1.
En general, en la descripción, el nivel de partículas sólidas en la composición 1 representa la relación entre el peso total de partículas de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico y el peso total de la composición 1. El resto de la composición 1 puede estar compuesto de agua, acrilonitrilo, isobutileno, ácido sulfúrico o cualquier otro compuesto utilizado durante el procedimiento, o impurezas formadas durante la síntesis.
En esta etapa, la composición 1 a base de partículas de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico puede contener acrilonitrilo.
De acuerdo con una realización particular de la invención, la composición 1 puede lavarse con un disolvente 3, preferiblemente una solución de acrilonitrilo (húmeda o anhidra). Ventajosamente, la cantidad de disolvente de lavado 3 utilizada varía generalmente entre 0,5 y 10 equivalentes en peso con respecto a la cantidad de partículas sólidas de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico aisladas.
Etapa 4
El producto de reacción de la composición 1 mezclado con la solución acuosa A está en forma de suspensión, denominada suspensión 1. En otras palabras, en la etapa 4), parte del producto de reacción (partículas solubilizadas) de la composición 1 se solubiliza en la solución acuosa A y una parte no se solubiliza, lo que conduce a la formación de la suspensión 1. En la práctica, cuando se mezcla la composición 1 con la solución acuosa A, la fase acuosa se satura con el producto de reacción (partículas sólidas solubilizadas). Por lo tanto, todo el producto de reacción (partículas sólidas) no se puede disolver. Así, en ningún momento durante la etapa 4) se observa una solución desprovista de partículas sólidas ya que la fase acuosa está saturada y las partículas sólidas de la composición 1 permanecen en estado sólido, a diferencia de una etapa de recristalización.
Gracias a la etapa 4), se consume menos disolvente y menos energía térmica en comparación con una etapa de recristalización como la descrita en el documento US 4.337.215 al que se refiere el documento CN 103664709. En efecto, durante una recristalización, los cristales se solubilizan y luego se recristalizan. La disolución de cristales disuelve las impurezas presentes en los cristales. La recristalización permite no volver a atrapar estas impurezas en los cristales. La etapa 4) De acuerdo con la invención no es comparable a la recristalización, ya que las partículas sólidas no se disuelven todas simultáneamente, formándose una suspensión 1.
La mezcla de la composición 1 con una solución acuosa A se puede realizar mediante diversas tecnologías. A modo de ejemplos no limitativos, se pueden citar reactores con agitadores, reactores de bucle, mezcladores estáticos, microrreactores, reactores de pistón.
No existe limitación en cuanto al orden de adición entre la composición 1 y la solución acuosa A. La composición 1 se puede introducir primero y luego la solución acuosa A, o viceversa.
En otra forma de realización, la composición 1 y la solución acuosa A se pueden introducir simultáneamente.
La relación en peso de la solución acuosa A mezclada con la composición 1 de la etapa 3) está ventajosamente comprendida entre 0,05:1 y 1:1 (solución acuosa A/composición 1), más preferiblemente entre 0,15:1 y 0,9:1.
Ventajosamente, la solución acuosa A puede comprender hasta un 20% en peso de disolvente 4 orgánico, preferiblemente del 0 al 15% en peso de disolvente 4 orgánico, más preferiblemente del 2 al 10% en peso de
disolvente 4 orgánico.
De acuerdo con una realización particular de la invención, la solución acuosa A puede comprender al menos un 80% en peso de agua y hasta un 20% en peso de disolvente 4 orgánico, preferentemente del 85% al 100% en peso de agua y del 0% al 15% en peso de disolvente 4 orgánico, más preferiblemente del 90% al 98% en peso de agua y del 2% al 10% en peso de disolvente 4 orgánico.
El disolvente 4 orgánico se selecciona ventajosamente de los ácidos carboxílicos que comprenden de 1 a 8 carbonos, las amidas que comprenden de 1 a 8 carbonos, los alcoholes que comprenden de 1 a 8 carbonos, las cetonas que comprenden de 1 a 8 carbonos, los éteres que comprenden de 1 a 8 carbonos, los éteres que comprenden de 1 a 8 carbonos, los alcanos que comprenden de 1 a 8 carbonos, los hidrocarburos halogenados que comprenden de 1 a 8 carbonos, los nitrilos que comprenden de 1 a 8 carbonos o mezclas de los mismos. Preferiblemente, el disolvente 4 se selecciona de acrilonitrilo, isopropanol, ácido acético y mezclas de los mismos. Preferiblemente, el disolvente 4 es acrilonitrilo.
De acuerdo con otra realización particular de la invención, la solución acuosa A puede comprender al menos el 80% en peso de agua y hasta el 20% en peso de ácido inorgánico, preferiblemente del 80% al 99% en peso de agua y del 1% al 20% en peso de ácido inorgánico, más preferiblemente del 85% al 98% en peso de agua y del 2% al 15% en peso de ácido inorgánico. Preferiblemente, el ácido inorgánico es ácido sulfúrico.
La solución acuosa A también puede incluir un disolvente 4 orgánico y un ácido inorgánico.
De acuerdo con una realización particular, la solución acuosa A puede comprender hasta un 55% en peso de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico.
De acuerdo con una realización particular de la invención, el mezclado en la etapa 4) puede realizarse bajo una presión absoluta menor o igual a 1 bar. Esta presión permite separar todo o parte del disolvente 4 y/o del ácido inorgánico y/o del agua eventualmente presente en la suspensión 1. Esta presión se puede utilizar durante toda la duración de la mezcla o parcialmente.
El tiempo de mezcla entre la solución acuosa A y la composición 1 está ventajosamente comprendido entre 10 y 720 minutos, más preferiblemente entre 30 y 600 minutos.
La temperatura durante la puesta en contacto y durante el mezclado, entre la solución acuosa A y la composición 1, está comprendida entre -20 °C y 70 °C, preferiblemente entre -20 °C y 50 °C, más preferiblemente entre 5 °C y 50 °C e incluso más preferiblemente entre 10 °C y 40 °C. De acuerdo con otra realización particular, la temperatura puede estar comprendida entre 5 °C y 70 °C.
Por tanto, la temperatura es menor que en el procedimiento descrito en el documento CN 103664709. De hecho, es importante que el producto de reacción de la composición 1 no se disuelva completamente en la solución acuosa A, a diferencia de la etapa de recristalización del documento CN 103664709.
Así, durante la etapa 4), un experto en la técnica sabrá adaptar la temperatura en función del porcentaje en masa de partículas sólidas de composición 1, para obtener una suspensión: suspensión 1.
La suspensión 1, después de la mezcla, tiene un contenido de cristales no solubilizados ventajosamente comprendido entre el 10 y el 85%, preferiblemente entre el 20 y el 40% en peso.
Etapa 5
Los cristales de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico contenidos en la suspensión 1 y obtenidos al final de la etapa 4) se aíslan mediante una etapa de separación líquido/sólido y se encuentran en forma de composición 2. A modo de ejemplos y de manera no limitativa, se puede citar el uso de una centrífuga, un decantador, un filtro prensa, un filtro de banda, un filtro de discos, un filtro de vacío cerrado, un filtro de presión cerrado o un filtro de tambor rotativo. Preferiblemente, la separación líquido/sólido se realiza utilizando una centrífuga o un filtro cerrado de tipo nucha. Los cristales obtenidos después de esta etapa de separación sólido/líquido pueden usarse como tales o secarse. A modo de ejemplos no limitativos, se puede citar el uso de todas las tecnologías de secado por convección, conducción o radiación (secador de lecho fluidizado, lecho atravesado, secado sobre cinta transportadora, secado por microondas, secado por radiación de alta frecuencia, infrarrojos, secado por atomización).
La operación de secado se puede realizar a presión atmosférica o al vacío.
La operación de secado se puede realizar de forma discontinua (por lotes) o en forma continua.
Preferiblemente, después de la etapa de separación líquido/sólido, los cristales no se secan.
La composición aislada 2 tiene un contenido de cristales de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico comprendido entre el 40 y el 99%, preferiblemente entre el 60 y el 99%, más preferiblemente entre el 60 y el 98% en peso. El resto de la composición consiste principalmente en agua.
Por otro lado, la fase líquida obtenida tras la separación líquido/sólido contiene principalmente agua y ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico en saturación, y principalmente disolvente orgánico 1 y/o 2 y/o 3 y/o 4 o ácido inorgánico. De acuerdo con una realización particular de la invención, esta fase líquida después de la separación se puede utilizar total o parcialmente en la solución acuosa A en la etapa 4).
Etapa 6
En una etapa opcional 6), la composición 2 que contiene los cristales obtenidos al final de la etapa 5) se lava con una solución de lavado.
La solución de lavado es una solución acuosa que puede comprender hasta un 20% en peso de disolvente 4 orgánico. Preferiblemente, la solución de lavado comprende al menos el 80% en peso de agua y hasta el 20% en peso de disolvente 4 orgánico, más preferiblemente del 80% al 99% en peso de agua y del 1% al 20% en peso de disolvente 4 orgánico, e incluso más preferiblemente del 85% al 98% en peso de agua y del 2% al 15% en peso de disolvente 4 orgánico.
Como ya se dijo, el disolvente 4 orgánico se selecciona ventajosamente de los ácidos que comprenden de 1 a 8 carbonos, las amidas que comprenden de 1 a 8 carbonos, los alcoholes que comprenden de 1 a 8 carbonos, las cetonas que comprenden de 1 a 8 carbonos, los éteres que comprenden de 1 a 8 carbonos, los éteres que comprenden de 1 a 8 carbonos, los alcanos que comprenden de 1 a 8 carbonos, los hidrocarburos halogenados que comprenden de 1 a 8 carbonos, los nitrilos que comprenden de 1 a 8 carbonos o mezclas de los mismos. Preferiblemente, el disolvente 4 se selecciona de acrilonitrilo, isopropanol, ácido acético o mezclas de los mismos. Preferiblemente, el disolvente 4 es acrilonitrilo.
De acuerdo con una realización particular de la invención, el lavado de la composición 2 obtenida al final de la etapa 5) se puede llevar a cabo pulverizando la solución de lavado sobre dicha composición 2.
De acuerdo con otra realización particular de la invención, el lavado de la composición 2 obtenida al final de la etapa 5) se puede realizar suspendiendo la composición 2 en la solución de lavado.
La relación en peso entre la solución de lavado acuosa y la composición 2 obtenida al final de la etapa 5) está comprendida ventajosamente entre 0,05:1 y 10:1 (solución de lavado acuosa/composición 2), y más preferiblemente entre 0,1:1 y 5:1.
Los cristales de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico obtenidos al final de esta sexta etapa opcional se aíslan ventajosamente de la solución de lavado, por ejemplo, mediante una etapa de separación líquido/sólido, en forma de una composición 3. A modo de ejemplo y de manera no limitativa, se puede citar el uso de una centrífuga vertical u horizontal, de un decantador, de un filtro prensa, de un filtro de banda, de un filtro de discos, filtro de empuje, filtro de vacío cerrado, filtro cerrado a presión, atomizador, secador bicónico o filtro de tambor rotativo. La separación líquido/sólido también se puede realizar por decantación por gravedad.
De acuerdo con una forma de realización particular de la invención, la solución de lavado recuperada se puede volver a utilizar total o parcialmente en la etapa 6), con o sin una etapa de tratamiento previo.
De acuerdo con una forma de realización particular, la solución de lavado puede comprender hasta un 55% en peso de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico.
De acuerdo con una realización particular de la invención, la solución de lavado recuperada se puede utilizar total o parcialmente en la solución acuosa A en la etapa 4), con o sin una etapa de tratamiento previo.
Etapa 7
En una etapa opcional 7), se seca la composición 3 obtenida al final de la etapa 6). A modo de ejemplos y de manera no limitativa, se puede citar el uso de todas las tecnologías de secado por convección, conducción o radiación (secador de lecho fluidizado, lecho atravesado, secado sobre cinta transportadora, secado por microondas, secado por radiación de alta frecuencia, infrarrojos, secado por atomización).
La operación de secado se puede realizar a presión atmosférica o al vacío.
La operación de secado se puede realizar en forma discontinua (por lotes) o en forma continua.
Durante el procedimiento de fabricación, y cualquiera que sea la etapa, es posible introducir al menos un inhibidor de polimerización. Este último se puede elegir de manera no limitativa entre hidroquinona, parametoxifenol, fenotiazina, 2,2,6,6-tetrametilpiperidin-1-il)oxilo, 4-hidroxi-2,2,6,6-tetrametilpiperidin-1-oxilo, derivados de fenilendiamina o mezclas de los mismos.
Preferiblemente, el inhibidor es parametoxifenol.
La cantidad de inhibidor introducido con respecto a la cantidad de partículas incluidas en la composición 1 obtenidas al final de la etapa 3) se encuentra ventajosamente comprendida entre el 0,001% y el 5% en peso, preferiblemente entre el 0,01% y el 1% en peso.
El inhibidor puede introducirse durante cualquiera de las etapas del procedimiento, como por ejemplo, utilizando acrilonitrilo estabilizado con parametoxifenol. Preferiblemente, se introduce en una cantidad adicional durante la etapa 4), más preferiblemente el inhibidor es parte de la solución acuosa A introducida en la etapa 4).
El procedimiento se puede realizar en forma continua o discontinua (por lotes).
La invención y las ventajas resultantes de la misma se desprenderán mejor de los siguientes ejemplos dados con el fin de ilustrar la invención y no de manera limitativa.
Ejemplos de realización de la invención
Protocolo para la preparación de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico
Ejemplo 1
Se añaden 1522 gramos de acrilonitrilo que contiene 0,4% en peso de agua y 180 gramos de ácido sulfúrico fumante que contiene 104% de H2SO4 (18% de óleo) a un reactor agitado de 2000 ml que tiene una camisa doble. La mezcla sulfonante así obtenida se agita durante 1 hora y se enfría mediante la camisa del reactor que mantiene la temperatura de la mezcla sulfonante a -20 °C.
Se añaden 97 gramos de isobutileno a la mezcla sulfonante anterior a un caudal de 1,6 gramos/minuto. La temperatura de la mezcla de reacción así obtenida se controla a 45 °C durante la introducción de isobutileno. Las partículas de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico precipitaron de la mezcla de reacción y el nivel de sólidos fue de aproximadamente 20% en peso.
La mezcla de reacción se filtra a través de un filtro tipo Büchner, la composición 1 obtenida contiene un 70% de partículas.
Se añaden 100 g de agua, que representan la solución acuosa A, a un reactor de 500 ml agitado. La composición 1 recuperada en el filtro Büchner se añade al reactor para obtener una suspensión 1. La temperatura se controla a temperatura ambiente, es decir, a 25 °C.
Después de 4 horas de suspensión, la suspensión 1 obtenida se filtra a través de un filtro tipo Büchner. La composición 2 obtenida no se seca y se recuperan 148 g de ATBS. El rendimiento es del 40% respecto del isobutileno.
Se recuperan 322 gramos de líquido que contiene agua, acrilonitrilo, ácido sulfúrico y ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico.
Ejemplo 2
Las condiciones para obtener la composición 1 son idénticas a las del ejemplo 1.
Se añaden 100 g del líquido obtenido al final del Ejemplo 1, que representa la solución acuosa A, a un reactor agitado de 500 ml. Se añade al reactor la composición 1 no secada en el filtro Büchner. La temperatura se controla a temperatura ambiente, es decir, a 25 °C.
Después de 3 horas de suspensión, la suspensión 1 obtenida se filtra a través de un filtro tipo Büchner. La composición 2 obtenida no se seca y se recuperan 340 g de ATBS. El rendimiento es del 91% respecto del isobutileno.
Se recuperan 138 gramos de líquido que contiene agua, acrilonitrilo, ácido sulfúrico y ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico.
Ejemplo 3
En un reactor agitado de 2000 ml que tiene una camisa doble, se añaden 1215 gramos de acrilonitrilo que contiene 0,2% en peso de agua, 130 gramos de ácido sulfúrico (98% de concentración) y 130 gramos de ácido sulfúrico fumante titulando 105,62% de H2SO4 (25% de óleo). La mezcla sulfonante así obtenida se agita durante 1 hora y se enfría mediante la camisa del reactor que mantiene la mezcla sulfonante a -20 °C.
Se añaden 135 gramos de isobutileno a la mezcla sulfonante anterior, a razón de 1 gramo/minuto. La temperatura de la mezcla de reacción así obtenida se controla a 40 °C durante la introducción de isobutileno. Las partículas de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico precipitaron de la mezcla de reacción y el nivel de sólidos fue de aproximadamente el 30% en peso.
La mezcla de reacción se filtra a través de un filtro tipo Büchner, la composición 1 obtenida contiene 70% de cristales. Se añaden 120 g de agua, que representan la solución acuosa A, a un reactor de 1000 ml agitado. La composición 1 recuperada en el filtro Büchner se añade al reactor para obtener una suspensión 1. La temperatura se controla a temperatura ambiente, es decir, a 25 °C.
Después de 3 horas de suspensión, la suspensión 1 obtenida se filtra a través de un filtro tipo Büchner. La composición 2 obtenida no se seca y se recuperan 250 g de ATBS. El rendimiento es del 50% respecto del isobutileno.
Se recuperan 386 gramos de líquido que contiene agua, acrilonitrilo, ácido sulfúrico y ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico.
Ejemplo 4
En un reactor agitado de 2000 ml con doble camisa, se añaden 1215 gramos de acrilonitrilo que contiene 0,3% en peso de agua, 100 gramos de ácido sulfúrico (concentración 96%) y 130 gramos de ácido sulfúrico fumante titulando 105,18% de H2SO4 (23% de óleo). La mezcla sulfonante así obtenida se agita durante 10 minutos y se enfría mediante la camisa del reactor que mantiene la mezcla sulfonante a -20 °C.
Se añaden 125 gramos de isobutileno a la mezcla sulfonante anterior, a razón de 1 gramo/minuto. La temperatura de la mezcla de reacción así obtenida se controla a 40 °C al introducir isobutileno. Las partículas de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico precipitaron de la mezcla de reacción y el nivel de sólidos fue de aproximadamente el 30% en peso.
La mezcla de reacción se filtra a través de un filtro tipo Büchner, la composición 1 obtenida contiene 70% de cristales. Se añaden 110 g de agua, que representan la solución acuosa A, a un reactor agitado de 500 ml. La composición 1 recuperada en el filtro Büchner se añade al reactor para obtener una suspensión 1. La temperatura se controla a temperatura ambiente, es decir, a 25 °C.
Después de 3 horas de suspensión, la suspensión 1 obtenida se filtra a través de un filtro tipo Büchner. La composición 2 obtenida no se seca y se recuperan 235 gramos de ATBS. El rendimiento es del 49% respecto del isobutileno. Se recuperan 354 gramos de líquido que contiene agua, acrilonitrilo, ácido sulfúrico y ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico.
Claims (15)
1. Procedimiento para la fabricación de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico que comprende al menos las siguientes etapas sucesivas:
1) mezcla de acrilonitrilo con al menos un compuesto que aporta SO3 a una temperatura comprendida entre -80 y 30 °C durante al menos 1 segundo para obtener una mezcla sulfonante,
2) puesta en contacto y mezcla de isobutileno y la mezcla sulfonante con una relación molar de SO3 :isobutileno comprendida entre 0,2:1 y 2:1 y una relación molar de acrilonitrilo:isobutileno comprendida entre 3:1 y 60:1, a una temperatura comprendida entre -40 y 100 °C durante un tiempo comprendido entre 10 segundos y 300 minutos para obtener una mezcla de reacción,
3) separación sólido/líquido de la mezcla de reacción y aislamiento de las partículas sólidas contenidas en la mezcla de reacción en forma de una composición 1 en la que las partículas sólidas representan del 50 al 99% en peso de la composición 1,
4) mezcla de la composición 1 al final de la etapa 3) con una solución acuosa A durante al menos 10 minutos a una temperatura comprendida entre -20 y 70 °C para obtener una suspensión 1 de cristales de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico,
5) separación sólido/líquido de la suspensión 1 y aislamiento de los cristales en forma de una composición 2 en la que los cristales representan entre el 40 y el 99% en peso de la composición 2.
2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el compuesto que aporta SO3 es ácido sulfúrico fumante, utilizado a una concentración comprendida entre el 100% y el 113,5%.
3. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la etapa 1) comprende la mezcla de acrilonitrilo con un compuesto que aporta SO3 en un disolvente 1, seleccionado ventajosamente del grupo que comprende anhídrido acético, ácidos carboxílicos como ácido acético, nitrilos, alcoholes, aminas, alcanos, amidas, éteres, compuestos aromáticos, ácidos alquilsulfónicos y la fase líquida resultante de la separación líquido/sólido de la etapa 3).
4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque el disolvente 1 es acrilonitrilo.
5. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el isobutileno se introduce, durante la etapa 2), disuelto en un disolvente 2, preferiblemente acrilonitrilo o la fase líquida resultante de la separación líquida/sólido de la etapa 3).
6. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la relación molar de SO3 :isobutileno de la etapa 2) está comprendida entre 0,4:1 y 1,5:1, preferiblemente entre 0,7:1 y 1,2:1.
7. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 6, caracterizado porque la mezcla de reacción se concentra en partículas de ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico por evaporación de los disolventes 1 y 2 antes de la etapa de separación sólido/líquido.
8. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la relación en peso de la solución acuosa A mezclada, durante la etapa 4), con la composición 1 de la etapa 3) está comprendida entre 0,05:1 y 1:1, más preferiblemente entre 0,15:1 y 0,9:1.
9. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la composición 1 se lava con un disolvente 3, preferiblemente una solución de acrilonitrilo.
10. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la solución acuosa A de la etapa 4) comprende hasta un 20% de un disolvente 4 orgánico, preferentemente del 0 al 15% de disolvente 4 orgánico, más preferentemente del 2 al 10% de disolvente 4 orgánico.
11. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque el disolvente 4 orgánico es acrilonitrilo.
12. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la solución acuosa A de la etapa 4) comprende al menos el 80% en peso de agua y hasta un 20% en peso de ácido inorgánico, preferentemente entre el 80% y el 99% en peso de agua y del 1% al 20% en peso de ácido inorgánico, más preferiblemente entre el 85% y el 98% en peso de agua y del 2% al 15% en peso de ácido inorgánico.
13. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque el ácido inorgánico es ácido sulfúrico.
14. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la fase líquida obtenida al final de la etapa 5) de separación sólido/líquido de la suspensión 1 se utiliza total o parcialmente como solución acuosa A en la etapa 4).
15. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la composición 2 de la etapa 5) se lava utilizando una solución de lavado, ventajosamente una solución acuosa que comprende hasta un 20% de disolvente 4 orgánico.
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