WO2002074718A2 - Ionische flüssigkeiten als selektive zusatzstoffe für die trennung engsiedender oder azeotroper gemische - Google Patents

Ionische flüssigkeiten als selektive zusatzstoffe für die trennung engsiedender oder azeotroper gemische Download PDF

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D3/00—Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/34—Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping with one or more auxiliary substances
    • B01D3/40—Extractive distillation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D3/00—Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/34—Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping with one or more auxiliary substances
    • B01D3/36—Azeotropic distillation

Definitions

  • Ionic liquids as selective additives for the separation of narrow-boiling or azeotropic mixtures
  • the invention relates to a process and a method for separating narrow-boiling or azeotropic mixtures using ionic liquids as selective additives in the rectification.
  • the separation effort for a binary liquid mixture consisting of components i and j during rectification is reflected in the so-called separation factor ⁇ , the ratio of the distribution coefficients of components i and j.
  • separation factor ⁇ the ratio of the distribution coefficients of components i and j.
  • the separation factor when using the separation factor, it should be noted that it can be greater or less than 1, depending on whether the distribution coefficient of the low boiler is in the numerator or in the denominator. Normally, the low boiler is applied in the meter so that the separation factor is greater than 1.
  • a procedure which is frequently practiced in industry for separating narrow-boiling - here a separation factor of approximately less than 1.2 is understood - or azeotropic systems is the addition of a selective additive, the so-called entrainer, in an extractive rectification.
  • a suitable additive is influenced by selective interactions with one or more of the mixture components, the separation factor, so that the separation of the narrow-boiling or azeotropic-boiling mixture components becomes.
  • the top and bottom components obtained by the action of the entrainer are the target components of the column.
  • a measure of the intensity of the interactions of the entrainer with one or more of the mixture components is the so-called selectivity.
  • the selectivity is defined as the ratio of the limit activity coefficient of component i to the limit activity coefficient of component j, components i and j im Entrainers are infinitely diluted [Schult, CJ et. al. ; Infinite-dilution activity coefficients for several solutes in hexadecane and in n-methyl-2-pyrrolidone (NMP): experimental measurements and UNIFAC predictions; Fluid Phase Equilibria 179 (2001) pp. 117-129].
  • NMP n-methyl-2-pyrrolidone
  • the surprisingly found suitability of some ionic liquids for the separation of azeotropic and / or narrow-boiling mixtures is shown below on the basis of the entrainment selectivity and the separation factor.
  • the activity coefficients at infinite dilution, which are decisive for the entrainment selectivity, can be determined by several methods, preferably using Ga ⁇ liquid chromatography (GLC or GLPC) [Schult, C. J. et.
  • the entrainer is advantageously essentially in the liquid phase within the column. Increased amounts would possibly lead to an increase in the column diameter, but always require an increase in the pressure loss of the vapor phase in the column and thus also a greater exergy loss. An increase in the amount of entrainers therefore leads to increased investment and operating costs.
  • the larger separation factor leads to a purer product or with a given column length and purity of the top product, the larger separation factor leads to a lower reflux ratio and thus to an energy saving.
  • an increased amount of entrainer and a higher separation factor leads to an investment cost saving through a shortened column length. This gives the planning engineer a hand in minimizing the investment or operating costs (energy costs) due to the location-specific conditions.
  • the invention relates to a process and a method in which a novel class of substances, ionic liquids, is used for separating narrow-boiling or azeotropic liquid mixtures, since these ionic liquids are surprisingly superior to conventional additives.
  • the superiority can be read directly from the selectivity and separation factor.
  • the separation factor at the azeotropic point is more different from one than when using a conventional additive in the same amounts.
  • Ionic liquids are understood to be those as defined by Wasserscheid and Keim in Angewandte Chemie 2000, 112, 3926-3945.
  • the ionic liquids group of substances represents a new type of solvent.
  • ionic liquids are salts which melt at relatively low temperatures and have a non-molecular, ionic character. They are liquid even at relatively low temperatures of less than 200 ° C., preferably less than 150 ° C., particularly preferably less than 100 ° C., and are relatively low-viscosity in the process. They have very good solubilities for a large number of organic, inorganic and polymeric substances.
  • ionic liquids are liquid at much lower temperatures (usually below 200 ° C) and often have a melting point below 0 ° C, in individual cases down to -96 ° C, which is important for the industrial implementation of extractive rectification is.
  • ionic liquids are usually non-flammable, non-corrosive and not very viscous and are characterized by an immeasurable vapor pressure.
  • ionic liquids are those compounds which have at least one positive and at least one negative charge, but are overall charge-neutral and have a melting point below 200 ° C., preferably below 100, particularly preferably below 50 ° C.
  • the ionic liquids can also have several positive or negative charges, for example 1 to 5, preferably 1 to 4, particularly preferably 1 to 3, very particularly preferably 1 to 2, but in particular each have a positive and negative charge.
  • the charges can be located at different localized or delocalized regions within a molecule, that is to say betaine-like, or can be distributed over a separate anion and cation.
  • Preferred ionic liquids are those which are composed of at least one cation and at least one anion. Cation and anion can, as stated above, be charged one or more times, preferably simply.
  • Preferred as a cation are ammonium or phosphonium ions, or those cations which contain at least one five- to six-membered heterocycle which has at least one phosphorus or nitrogen atom and optionally an oxygen or sulfur atom, particularly preferably those compounds which have at least one five to contain six-membered heterocycle which has one, two or three nitrogen atoms and one sulfur or one oxygen atom, very particularly preferably those with one or two nitrogen atoms.
  • Particularly preferred ionic liquids are those which have a molecular weight below 1000 g / mol, very particularly preferably below 350 g / mol.
  • R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 and R 7 independently of one another each Ci - Ci 8 ⁇ alkyl, optionally by one or more oxygen and / or sulfur atoms and / or one or more substituted or unsubstituted imino - Ci ⁇ alkyl, C 6 - C ⁇ 2 aryl, C 5 - C ⁇ 2 cycloalkyl or a five- to six-membered, oxygen-, nitrogen- and / or sulfur atoms up imply facing heterocycle or two of them together a form an unsaturated, saturated or aromatic ring which may be interrupted by one or more oxygen and / or sulfur atoms and / or one or more substituted or unsubstituted imino groups, the radicals mentioned being each by functional groups, aryl, alkyl, aryloxy,
  • Alkyloxy, halogen, heteroatoms and / or heterocycles can be substituted.
  • R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 and R 6 can additionally mean hydrogen.
  • R 7 can also mean Ci - C ⁇ 8 alkyloyl (alkylcarbonyl), Ci - Ci ⁇ - alkyloxycarbonyl, C 5 - C ⁇ -cycloalkylcarbonyl or C ⁇ - C ⁇ -aryloyl (arylcarbonyl). where the radicals mentioned can each be substituted by functional groups, aryl, alkyl, aryloxy, alkyloxy, halogen, heteroatoms and / or heterocycles.
  • alkyloyl alkylcarbonyl
  • Ci - Ci ⁇ - alkyloxycarbonyl Ci - Ci ⁇ - alkyloxycarbonyl
  • Ci - Cis-alkyl optionally substituted by functional groups, aryl, alkyl, aryloxy, alkyloxy, halogen, heteroatoms and / or heterocycles, for example methyl, ethyl, propyl, isopropyl, n-butyl, sec-butyl, tert.
  • C - Ci 8 _A alkyl optionally interrupted by one or more oxygen and / or sulfur atoms and / or one or more substituted or unsubstituted imino groups, for example 5-hydroxy-3-oxapentyl, 8-hydroxy-3, 6-dioxa-octyl , ll-hydroxy-3, 6, 9-trioxa-undecyl, 7-hydroxy-4-oxa-heptyl, ll-hydroxy-4, 8-dioxa-undecyl, 15-hydroxy-4, 8, 12-trioxa-penta - decyl, 9-hydroxy-5-oxa-nonyl, 14-hydroxy-5, 10-oxa-tetradecyl, 5-methoxy-3-oxa-pentyl, 8-methoxy-3, 6-dioxa-octyl, 11-methoxy - 3,6,9-trioxa-undecyl, 7-methoxy-4-ox
  • radicals can jointly mean 1,3-propylene, 1,4-butylene, 2-oxa-1,3-propylene,
  • the number of oxygen and / or sulfur atoms and / or imino groups is not restricted. As a rule it is not more than 5 in the rest, preferably not more than 4 and very particularly preferably not more than 3.
  • Substituted and unsubstituted imino groups can be, for example, imino, methylimino, iso-propylimino, n-butylimino or tert-butylimino.
  • aryl optionally substituted by functional groups, aryl, alkyl, aryloxy, alkyloxy, halogen, heteroatoms and / or heterocycles C 6 - C ⁇ 2 aryl, for example phenyl, tolyl, xylyl, ⁇ -naphthyl, ß-naphthyl, 4-diphenylyl, chlorophenyl, dichlorophenyl , Trichlorophenyl, difluorophenyl, methylphenyl, dimethylphenyl, trimethylphenyl, ethylphenyl, diethylphenyl, i-propylphenyl, tert-butylphenyl, dodecylphenyl, methoxyphenyl, dimethoxyphenyl, ethoxyphenyl, hexyloxyphenyl, methylnaphthylthyl, isopropylphenyl, isopropy
  • cyclopentyl optionally substituted by functional groups, aryl, alkyl, aryloxy, alkyloxy, halogen, heteroatoms and / or heterocycles C 5 -C 10 -cycloalkyl, for example cyclopentyl, cyclohexyl, cyclooctyl, cyclododecyl, methylcyclopentyl, dimethylcyclopentyl, methylcyclohexyl, dimethylcyclohexyl, diethyl clohexyl, methoxycyclohexyl, dimethoxycyclohexyl, diethoxycyclohexyl, butylthiocyclohexyl, chlorocyclohexyl, dichlorocyclohexyl, dichlorocyclopentyl and a saturated or unsaturated bicyclic system such as, for example, norbornyl or norbornenyl,
  • a five- to six-membered heterocycle containing oxygen, nitrogen and / or sulfur atoms for example furyl, thiophenyl, pyrryl, pyridyl, indolyl, benzoxazolyl, dioxolyl, dioxyl, benzimidazolyl, benzothiazolyl, dimethylpyridyl, methylquinolyl, dimoxypyridyl, dimethylpyridyl, dimethylpyridyl Difluoropyridyl, methylthiophenyl, isopropylthiophenyl or tert-butylthiophenyl and
  • Ci to C-alkyl, for example methyl, ethyl, propyl, isopropyl, n-butyl, sec-butyl or tert-butyl.
  • Ci - Ci ⁇ -alkyloyl can be, for example, acetyl, propionyl, n-butyloyl, sec-butyloyl, tert-butyloyl, 2-ethylhexylcarbonyl, decanoyl, dodecanoyl, chloroacetyl, trichloroacetyl or trifluoroacetyl.
  • Ci - C ⁇ 8 - alkyl ⁇ xycarbonyl can be, for example, methyloxycarbonyl, ethyloxycarbonyl, propyloxycarbonyl, isopropyloxycarbonyl, n-butyloxycarbonyl, sec-butyloxycarbonyl, tert. -Butyloxycarbonyl, hexyloxycarbonyl, 2-ethylhexyloxycarbonyl or benzyloxycarbonyl.
  • C 5 -C 2 -cycloalkylcarbonyl can be, for example, cyclopentylcarbonyl, cyclohexylcarbonyl or cyclododecylcarbonyl.
  • C ⁇ - C ⁇ aryloyl (arylcarbonyl) can be, for example, benzoyl, toluyl, xyloyl, ⁇ -naphthoyl, ß-naphthoyl, chlorobenzoyl, dichlorobenzoyl, trichlorobenzoyl or trimethylbenzoyl.
  • R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 and R 6 are preferably, independently of one another, hydrogen, methyl, ethyl, n-butyl, 2-hydroxyethyl, 2-cyanoethyl, 2- (methoxycarbonyl) ethyl, 2 - (Ethoxycarbonyl) ethyl, 2- (n-butoxycarbonyl) ethyl, dirnethylamino, diethylamino and chlorine.
  • R 7 is preferably methyl, ethyl, n-butyl, 2-hydroxyethyl, 2-cyanoethyl, 2- (methoxycarbonyl) ethyl, 2- (ethoxycarbonyl) ethyl, 2- (n-butoxycarbonyl) ethyl, acetyl, Propionyl, t-butyryl, methoxycarbonyl, ethoxycarbonyl or n-butoxycarbonyl.
  • Particularly preferred pyridinium ions (Ia) are those in which one of the radicals R 1 to R 5 is methyl, ethyl or chlorine, R 7 is acetyl, methyl, ethyl or n-butyl and all others are hydrogen, or R 3 is dimethylamino, R 7 Acetyl, methyl, ethyl or n-butyl and all others are hydrogen or R 7 is acetyl, methyl, ethyl or n-butyl and all others are hydrogen or R 2 is carboxy or carboxamide, R 7 is acetyl, methyl, ethyl or n-butyl and all others are hydrogen or R 1 and R 2 or R 2 and R 3 are 1, 4-buta-l, 3-dienylene, R 7 acetyl, methyl, ethyl or n-butyl and all others are hydrogen.
  • Particularly preferred pyridazinium ions (Ib) are those in which one of the radicals R 1 to R 4 is methyl or ethyl, R 7 acetyl, methyl, ethyl or n-butyl and all other hydrogen or R 7 acetyl, methyl, ethyl or n-butyl , and all others are hydrogen.
  • Particularly preferred pyrimidinium ions (Ic) are those in which R 2 to R 4 are hydrogen or methyl, R 7 is acetyl, methyl, ethyl or n-butyl and R 1 is hydrogen, methyl or ethyl, or R 2 and R 4 are methyl , R 3 is hydrogen and R 1 is hydrogen, methyl or ethyl and R 7 is acetyl, methyl, ethyl or n-butyl.
  • Particularly preferred pyrazinium ions (Id) are those in which R 1 to R 4 are all methyl and
  • R 7 is acetyl, methyl, ethyl or n-butyl or R 7 acetyl, methyl, ethyl or n-butyl and all others are hydrogen.
  • Particularly preferred imidazolium ions (le) are those in which are independent of one another
  • R 1 is selected from methyl, ethyl, n-propyl, n-butyl, n-pentyl, n-octyl, n-decyl, n-dodecyl, 2-hydroxyethyl or 2-cyanoethyl,
  • R 7 acetyl, methyl, ethyl or n-butyl and
  • R 2 to R 4 are independently hydrogen, methyl or ethyl.
  • Particularly preferred 1H-pyrazolium ions (If) are those in which are independent of one another
  • R 1 are selected from hydrogen, methyl or ethyl
  • R 2 , R 3 and R 4 are selected from hydrogen or methyl
  • R 7 are selected from acetyl, methyl, ethyl or n-butyl.
  • Particularly preferred 3H-pyrazolium ions (Ig) are those in which are independent of one another
  • R 1 under hydrogen, methyl or ethyl
  • R 2 , R 3 and R 4 under hydrogen or methyl and R 7 are selected from acetyl, methyl, ethyl or n-butyl.
  • Particularly preferred 4H-pyrazolium ions (Ih) are those in which are independent of one another
  • R 1 to R 4 under hydrogen or methyl
  • R 7 are selected from acetyl, methyl, ethyl or n-butyl.
  • Particularly preferred 1-pyrazolinium ions (Ii) are those in which are independent of one another
  • R 1 to R 6 under hydrogen or methyl
  • R 7 are selected from acetyl, methyl, ethyl or n-butyl.
  • Particularly preferred 2-pyrazolinium ions (Ij) are those in which are independent of one another
  • R 1 is selected from hydrogen, methyl, ethyl or phenyl, R 7 from acetyl, methyl, ethyl or n-butyl and R 2 to R 6 are selected from hydrogen or methyl.
  • Particularly preferred 3-pyrazolinium ions (Ik) are those in which are independent of one another
  • R 1 or R 2 under hydrogen, methyl, ethyl or phenyl, R 7 under acetyl, methyl, ethyl or n-butyl and R 3 to R 6 under hydrogen or methyl
  • imidazolinium ions (II) are those in which are independent of one another
  • R 1 or R 2 under hydrogen, methyl, ethyl, n-butyl or phenyl, R 7 under acetyl, methyl, ethyl or n-butyl and
  • R 3 or R 4 under hydrogen, methyl or ethyl
  • imidazolinium ions (Im) are those in which are independent of one another
  • R 1 or R 2 under hydrogen, methyl or ethyl, R 7 under acetyl, methyl, ethyl or n-butyl and R 3 to R 6 under hydrogen or methyl are selected.
  • imidazolinium ions are those in which are independent of one another
  • R 1 , R 2 or R 3 under hydrogen, methyl or ethyl, R 7 acetyl, methyl, ethyl or n-butyl and R 4 to R 6 under hydrogen or methyl
  • Particularly preferred thiazolium ions (Io) or oxazolium ions (Ip) are those in which they are independent of one another
  • R 1 under hydrogen, methyl, ethyl or phenyl
  • R 7 under acetyl, methyl, ethyl or n-butyl
  • R 2 or R 3 under hydrogen or methyl
  • Particularly preferred 1, 2, 4-triazolium ions (Iq) and (Ir) are those in which are independent of one another
  • R 1 or R 2 under hydrogen, methyl, ethyl or phenyl
  • R 7 under acetyl, methyl, ethyl or n-butyl
  • R 3 under hydrogen, methyl or phenyl
  • Particularly preferred 1, 2, 3-triazolium ions (Is) and (It) are those in which are independent of one another
  • R 1 are selected from hydrogen, methyl or ethyl, R 7 from acetyl, methyl, ethyl or n-butyl and R 2 or R 3 are selected from hydrogen or methyl or
  • R 2 and R 3 are 1, 4-buta-l, 3-dienylene and all others are hydrogen.
  • Particularly preferred pyrrolidinium ions (Iu) are those in which they are independent of one another
  • R 1 and R 7 are selected from acetyl, methyl, ethyl or n-butyl and
  • R 2 , R 3 , R 4 and R 5 are hydrogen.
  • ammonium ions (Iv) are those in which are independent of one another R 7 under acetyl, methyl, ethyl or n-butyl and
  • R 1 , R 2 , and R 3 under methyl, ethyl, n-butyl, 2-hydroxyethyl,
  • Particularly preferred phosphonium ions (Iw) are those in which are independent of one another
  • R 7 under acetyl, methyl, ethyl or n-butyl and R 1 , R 2 , and R 3 under phenyl, phenoxy, ethoxy and n-butoxy
  • ammonium, phosphonium, pyridinium and imidazolium ions are preferred.
  • Particularly preferred cations are 1,2-dimethylpyridinium, l-methyl-2-ethylpyridinium, l-methyl-2-ethyl-6-methylpyridinium, N-methylpyridinium, l-butyl-2-methylpyridinium, l-butyl 2-ethylpyridinium, l-butyl-2-ethyl-6-methylpyridinium, N-butylpyridinium, l-butyl-4-methylpyridinium, 1, 3-dimethylimidazolium, 1, 2, 3-trimethylimidazolium, ln-butyl-3- methylimidazolium, 1,3,4, 5-tetramethylimidazolium, 1,3, 4-trimethylimidazolium, 2, 3-dimethylimidazolium, l-butyl-2, 3-dimethylimidazolium, 3,4-dimethylimidazolium, 2-ethyl-3, -dimethylimidazolium
  • L-Butyl-4-methylpyridinium, 1-n-butyl-3-ethylimidazolium and l-n-butyl-3-ethylimidazolium are particularly preferred.
  • Preferred anions are halides, F “, CI”, Br ⁇ , I " , acetate CH 3 COO-, trifluoroacetate CF 3 C00", triflate CF 3 S0 3 ", sulfate S0 4 2 ⁇ , hydrogen sulfate HS0 4 ", methyl sulfate CH 3 OS0 3 -, ethyl sulfate C 2 H 5 OS0 3 -, sulfite S0 3 2- , hydrogen sulfite HS0 3 -, aluminum chlorides A1C1 " , Al 2 Cl", AI 3 CI 10 ", aluminum tribromide AlBr " , nitrite N0 2 ⁇ , nitrate NO 3 -, copper chloride CuCl _ , phosphate P0 3 , hydrogen phosphate HPO 4 2 -, dihydrogen phosphate H 2 P0 4 ", carbonate CO 3 2 ", hydrogen carbonate HCO 3 " .
  • Tetrafluoroborate BF 4 ⁇ , hexafluorophosphate PF 6 -, bis (trifluoromethylsulfonyl) imide (CF 3 S0) 2 N-, tosylate p-CH 3 C 6 H 4 S0 3 - are particularly preferred.
  • ionic liquids those whose salts have an ET (30) value of> 20, preferably of> 30, particularly preferably of> 40 are very particularly preferred.
  • the E ⁇ (30) value is a measure of the polarity and is described by C. Reichardt in Reichardt, Christian Solvent Effects in Organic Chemistry Weinheim: VCH, 10 1979. - XI, (Monographs in Modern Chemistry; 3), ISBN 3 -527-25793-4 page 241.
  • the change in the separation factor by the entrainer can be determined by several methods, preferably by the head space
  • Suitable ionic liquids are those which, in a total concentration in the liquid of 5 to 90 mol%, preferably 25 to 10 mol%, lead to a change in the separation factor of the target components from one another that is different from one. This change can be determined in the head space analysis described.
  • the ionic liquid acting as the entrainer is selected so that
  • the attraction forces between the molecules of the ionic liquid should be approximately as great as between the molecules of the feed.
  • Ionic forces, dipole-dipole forces, induction forces, dispersion forces and hydrogen bonds occur as intermolecular forces, cf. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (1993), Vol. A24, pp. 438-439.
  • These forces can be adjusted in ionic liquids by varying the cations. In this way the solubility properties can be regulated. For example, by increasing the chain length of the alkyl radical on an alkyl methyl imidazolium tetrafluoroborate, the hydrophobicity and thus the miscibility with water is reduced.
  • FIG. 1 An embodiment of the extractive rectification in a process is illustrated in Fig. 1.
  • "2" is the inflow of the entrainer into a countercurrent rectification column. Since the entrainer has a low but remarkable volatility with regard to the head product (stream 7) in conventional processes, the separating elements "1" must be used to separate the head product and the entrainer.
  • the separating elements "3" and “5" effect the desired separation between the top and bottom product under the action of the entrainer, stream “4" is the feed of the components to be separated (feed), stream “6” is the bottom product and the entrainer.
  • Separating elements can be, for example, bottoms, ordered or non-ordered packing elements.
  • the process according to the invention has the advantage that, as mentioned, the vapor pressure of the pure ionic liquid and thus also its partial pressure in the mixture with the top product are approximately zero.
  • the separating elements "1" can thus be omitted in the method according to the invention.
  • the ionic fluid is preferably added in the rectifying section near the top of the column, particularly preferably in the top 3 stages, very particularly preferably in the top stage below the condenser.
  • Another advantage of the process according to the invention with ionic liquid as entrainer is that various separation operations can be used to separate the entrainer from the bottom product.
  • Advantageous embodiments are:
  • Regeneration of the entrainer by simple evaporation Since the steam pressure of the pure entrainer and thus also its partial pressure in the mixture with the bottom product are approximately zero, an evaporation process can be operated continuously or discontinuously without further separating elements. Thin-film evaporators such as falling film or rotor evaporators are particularly suitable for continuous evaporation. In the case of discontinuous concentration, two evaporator stages have to be operated alternately, so that regenerated ionic liquid can be fed continuously to the extractive rectification column.
  • ionic fluids as entrainers in extractive rectification is particularly suitable for the following applications, among others.
  • azeotropes amines / water, THF / water, ami sensic acid / water, alcohols / water, acetone / methanol, acetates / water, acrylates / water or narrow-boiling mixtures: acetic acid / water, C4 hydrocarbons, C3 hydrocarbons, alkanes / alkenes.
  • the process according to the invention represents a significant improvement over the literature processes of conventional extractive rectification for the following reasons:
  • Ionic liquids are more selective than conventional entrainers. They enable by their comparatively large
  • the separating elements "1" lead to a separation of the entrainer from the top product, but the separation is never complete. It is not possible to discharge portions of ionic liquid via the vapor phase without the separating elements "1" due to their extremely low volatility.
  • the additive therefore interacts more strongly with butene than with butane.
  • the strong influence of the ionic liquid OMIM-BF 4 on the phase equilibrium of the binary system butene-butane shows the suitability of OMIM-BF 4 as an entrainer when alkanes and alkenes are separated.
  • the separation factor which was measured by gas-liquid chromatography at infinite dilution of cyclohexanol and cyclohexanone in the ionic liquids ethyl-methyl-imidazolium tetrafluoroborate (EMIM-BF 4 ) and ethyl-methyl-imidazolium hexafluorophosphate (EMIM-PF 6 ), is for EMIM-BF 1.66 at 142 ° C and for EMIM-PF 6 1.61 at 140.8 ° C. Both ionic liquids increase the separation factor in the cyclohexanol - cyclohexanone separation system and are therefore suitable as entrainers.
  • EMIM-BF 4 ethyl-methyl-imidazolium tetrafluoroborate
  • EMIM-PF 6 ethyl-methyl-imidazolium hexafluorophosphate
  • the azeotrope of ethanol-water is around 95. It is precisely in this area that the entrainer works even with a 10 mol% proportion in the liquid phase.
  • a higher separation factor is achieved in the edge area without an entrainer than with an entrainer is not a disadvantage since
  • Table 2 shows the influence of the entrainer l-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate on the binary system tetrahydrofuran (THF) -water at 70 ° C. and a molar liquid concentration of the entrainer of 50 mol%.
  • Table 2 Separation factor ⁇ of the homoazeotropic system tetrahydrofuran (THF) -water at 70 ° C with and without ionic liquid l-ethyl-3-methyl-imidazolium tetrafluoroborate.
  • Table 2a shows the influence of the entrainer l-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluorotosylate on the binary system tetrahydrofuran (THF) -water at a pressure of 1 bar and a molar liquid concentration of the entrainer of 50 mol%.
  • Table 2a Separation factor ⁇ of the tetrahydrofuran (THF) -water system at 1 bar with ionic liquid l-ethyl-3-methyl-imidazolium tetrafluorotosilate. Measurement results here were not measured with head space chromatography, but with an equilibrium apparatus. Here, too, there is a significant increase in the separation factor compared to the binary system (see Table 2) and thus the suitability of the ionic fluid as an entrainer.
  • THF tetrahydrofuran
  • Table 3 shows the influence of the entrainer l-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate on the binary system propanol-water at 85 ° C. and a molar liquid concentration of the entrainer of 50 mol%.
  • Table 3 Separation factor ⁇ of the homoazeotropic propanol-water system at 85 ° C with and without ionic liquid l-ethyl-3-methyl-i idazolium tetrafluoroborate.
  • Table 4 Separation factor ⁇ of the homoazeotropic system isopropanol-water at 90 ° C with and without ionic liquid l-ethyl-3-methyl-imidazolium tetrafluoroborate.
  • Tables 1 to 4 show a clear difference between the binary phase compositions and the ternary phase equilibrium compositions which occur after the addition of the non-volatile entrainer 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate according to the invention.
  • the ionic liquid has advantageously influenced the separation factor through selective interactions with the more polar system component, water.
  • Table 1 ethanol-water systems
  • Table 2 tetrahydrofuran-water
  • Table 5 shows that for the same entrainer concentration, the influence on the vapor-liquid phase equilibrium and thus the efficiency in the case of the ionic liquid is significantly greater, particularly in the azeotropic range.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung von engsiedenden, homo- und heteroazeotropen Gemischen unter Verwendung von ionischen Flüssigkeiten. Durch die Selektivität und das ungewöhnliche Eigenschaftsprofil der ionischen Flüssigkeiten ist das Verfahren aus Kostengesichtspunkten und exergetischen Aspekten der konventionellen Extraktivrektifikation überlegen.

Description

Ionische Flüssigkeiten als selektive Zusatzstoffe für die Trennung engsiedender oder azeotroper Gemische
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Prozeß und ein Verfahren zur Trennung von engsiedenden oder azeotropen Gemischen unter Verwendung ionischer Flüssigkeiten als selektive Zusatzstoffe bei der Rektifikation.
In der Industrie treten eine Vielzahl von Flüssigmischungen auf, die sich nicht durch konventionelle Rektifikation, sondern vorzugsweise durch Extraktivrektifikation [Stichlmair, S. und Fair, J. , Distillation, ISBN 0-471-25241-7, Seite 241 ff] trennen lassen. Dieser Sachverhalt ist in dem ähnlichen Siedeverhalten der Gemischkomponenten begründet, das heißt in ihrer Eigenschaft, sich bei einem definiertem Druck und einer definierten Temperatur im nahezu gleichen oder gleichen molaren Konzentrationsverhältnis auf die Dampf- und Flüssigphase zu verteilen.
Der Trennaufwand für eine binäre -aus den Komponenten i und j bestehende- Flüssigmischung bei der Rektifikation spiegelt sich im sogenannten Trennfaktor ^ , dem Verhältnis der Verteilungskoeffi- zienten der Komponenten i und j, wider. Je näher der Trennfaktor dem Wert eins. kommt, desto aufwendiger wird die Trennung der Gemischkomponenten mittels konventioneller Rektifikation, da entweder die Trennstufenanzahl der Rektifikationskolonne und/oder das Rücklaufverhältnis im Kolonnenkopf vergrößert werden muß. Nimmt der Trennfaktor den Wert eins an, so liegt ein azeotroper Punkt vor, und die weitere Aufkonzentrierung der Gemischkomponenten ist auch durch eine Erhöhung der Trennstufenzahl oder des Rücklaufverhältnisses nicht mehr möglich. Generell ist bei der Verwendung des Trennfaktors zu beachten, dass er größer oder kleiner 1 sein kann, je nachdem ob der Verteilungskoeffizient des Leichtsieders im Zähler oder im Nenner steht. Normalerweise wird der Leicht- sieder im Zähler aufgetragen, so dass der Trennfaktor größer 1 ist.
Ein in der Industrie häufig praktiziertes Vorgehen zur Trennung engsiedender -hierbei wird ein Trennfaktor etwa kleiner 1,2 verstanden- oder azeotroper Systeme stellt die Zugabe eines selektiven Zusatzstoffes, des sogenannten Entrainers, in einer Extrak- tiv-Rektifikation dar. Ein geeigneter Zusatzstoff beeinflußt durch selektive Wechselwirkungen mit einer oder mehreren der Gemischkomponenten den Trennfaktor, so daß die Auftrennung der engsiedenden oder azeotrop-siedenden Gemischkomponenten ermöglicht wird. Bei der Extraktiv-Rektifikation sind die durch die Wirkung des Entrainers erhaltenen Kopf- und Sumpfkomponenten die Zielkomponenten der Kolonne .
Ein Gütemaß für die Intensität der Wechselwirkungen des Entrainers mit einer oder mehreren der Gemischkomponenten stellt die sogenannte Selektivität dar. Die Selektivität ist definiert als das Verhältnis aus Grenzaktivitätskoeffizient der Komponente i zu Grenzaktivitäts-koeffizient der Komponente j , wobei die Komponen- ten i und j im Entrainer unendlich verdünnt vorliegen [Schult, C. J. et. al . ; Infinite-dilution activity coefficients for several solutes in hexadecane and in n-methyl-2-pyrrolidone (NMP) : expe- rimental measurements and UNIFAC predictions; Fluid Phase Equili- bria 179 (2001) S.117-129]. Wie von Schult et. al . dargelegt, führt eine höhere Entrainer-Selektivität zu einer höheren relativen Flüchtigkeit, einem kleineren Rücklaufverhältnis und somit zu niedrigeren Trennkosten. Wie weiter hinten offenbart ist eine möglichst hohe Selektivität z. B. größer 1,3, bevorzugt größer 2,0. angestrebt.
Im folgenden wird die überraschenderweise gefundene Eignung einiger ionischer Flüssigkeiten für die Trennung azeotroper und/oder engsiedender Gemische anhand der Entrainer-Selektivität sowie des Trennfaktors gezeigt. Die für die Entrainer-Selektivität maßgeb- liehen Aktivitätskoeffizienten bei unendlicher Verdünnung können nach mehreren Methoden bestimmt werden, bevorzugt unter Verwendung der Gaε-Flüssig-Chromatographie (GLC oder GLPC) [Schult, C. J. et. al.; Infinite-dilution activity coefficients for several solutes in hexadecane and in n-methyl-2-pyrrolidone (NMP) : experimental measurements and UNIFAC predictions; Fluid Phase Equilibria 179 (2001) S.117-129] sowie der in letzterer Veröffentlichung von Schult et. al . verwendeten Gleichungen (4) und (6) .
Aus Kostengründen ist man bestrebt, die einzusetzende Zusatz- stoffmenge zu minimieren. Der Entrainer befindet sich vorteilhaft im wesentlichen in der flüssigen Phase innerhalb der Kolonne. Erhöhte Mengen würden gegebenenfalls zu einer Vergrößerung des Kolonnendurchmessers führen, bedingen jedoch immer eine Erhöhung des Druckverlustes der Dampfphase in der Kolonne und damit auch einen größeren Exergieverlust . Eine Erhöhung der Entrainermenge führt daher zu erhöhten Invest- und Betriebskosten.
Bei gegebener Kolonnenlänge und gleichem Rücklaufverhältnis führt der größere Trennfaktor zu einem reineren Produkt oder bei gegebener Kolonnenlänge und Reinheit des Kopfproduktes führt der größere Trennfaktor zu einem geringeren Rücklaufverhältnis und damit zu einer Energieersparnis. Bei gegebener Reinheit und gegebenem Rücklaufverhältnis führt eine erhöhte Entrainermenge und ein höherer Trennfaktor zu einer Investkostenersparnis durch eine verkürzte Kolonnenlänge. Damit hat es der planende Ingenieur in der Hand, aufgrund Standort-spezifischer Gegebenheiten die Invest- oder Betriebskosten (Energiekosten) zu minimieren.
Die Erfindung betrifft einen Prozeß und ein Verfahren, bei dem eine neuartige Substanzklasse, die ionischen Flüssigkeiten, zur Trennung engsiedender oder azeotroper Flüssigmischungen eingesetzt wird, da diese ionischen Flüssigkeiten überraschenderweise den konventionellen Zusatzstoffen überlegen sind. Die Überlegenheit kann direkt an Selektivität und Trennfaktor abgelesen werden. Bei Verwendung einer geeigneten ionischen Flüssigkeit ist der Trennfaktor am azeotropen Punkt stärker verschieden von eins als bei Verwendung eines konventionellen Zusatzstoffes in gleichen Mengen.
Unter ionischen Flüssigkeiten werden solche verstanden, wie sie von Wasserscheid und Keim in der Angewandten Chemie 2000, 112, 3926-3945 definiert sind. Die Stoffgruppe der ionischen Flüssigkeiten stellt ein neuartiges Lösungsmittel dar. Wie in der genannten Druckschrift aufgeführt handelt es sich bei ionischen Flüssigkeiten um bei relativ niedrigen Temperaturen schmelzende Salze mit nichtmolekularem, ionischen Charakter. Sie sind bereits bei relativ niedrigen Temperaturen kleiner 200°C, bevorzugt kleiner 150°C, besonders bevorzugt kleiner 100°C flüssig und dabei relativ niedrigviskos. Sie besitzen sehr gute Löslichkeiten für eine große Anzahl organischer, anorganischer und polymerer Sub- stanzen.
Ionische Flüssigkeiten sind im Vergleich zu ionischen Salzen bei wesentlich geringeren Temperaturen (in der Regel unterhalb von 200°C) flüssig und besitzen häufig einen Schmelzpunkt unterhalb von 0°C, im Einzelfall bis -96°C, was wichtig für die industrielle Umsetzung der Extraktivrektifikation ist.
Darüber hinaus sind ionische Flüssigkeiten in der Regel nicht brennbar, nicht korrosiv und wenig viskos und zeichnen sich durch einen nicht meßbaren Dampfdruck aus.
Als ionische Flüssigkeiten werden erfindungsgemäß solche Verbindungen bezeichnet, die mindestens eine positive und mindestens eine negative Ladung aufweisen, insgesamt jedoch ladungs- neutral sind, und einen Schmelzpunkt unter 200°C aufweisen, bevorzugt unter 100, besonders bevorzugt unter 50°C. Die Ionischen Flüssigkeiten können auch mehrere positive oder negative Ladungen aufweisen, beispielsweise 1 bis 5, bevorzugt 1 bis 4, besonders bevorzugt 1 bis 3, ganz besonders bevorzugt 1 bis 2, insbesondere jedoch je eine positive und negative Ladung. Die Ladungen können sich an verschiedenen lokalisierten oder delokalisierten Bereichen innerhalb eines Moleküls befinden, also betainartig, oder auf je ein getrenntes Anion und Kation verteilt sein. Bevorzugt sind solche Ionischen Flüssigkeiten, die aus mindestens einem Kation und mindestens einem Anion aufgebaut sind. Kation und Anion können, wie oben ausgeführt, ein oder mehrfach, bevorzugt einfach geladen sein.
Selbstverständlich sind auch Gemische verschiedener ionischer Flüssigkeiten denkbar.
Bevorzugt als Kation sind Ammonium- oder Phosphoniumionen, oder solche Kationen, die mindestens einen fünf- bis sechsgliedrigen Heterocyclus enthalten, der mindestens ein Phosphor- oder Stickstoffatom sowie gegebenenfalls ein Sauerstoff- oder Schwefelatom aufweist, besonders bevorzugt solche Verbindungen, die mindestens einen fünf- bis sechsgliedrigen Heterocyclus enthalten, der ein, zwei oder drei Stickstoffatome und ein Schwefel- oder ein Sauerstoffatom aufweist, ganz besonders bevorzugt solche mit ein oder zwei Stickstoffatomen.
Besonders bevorzugte Ionische Flüssigkeiten sind solche, die ein Molgewicht unter 1000 g/mol aufweisen, ganz besonders bevorzugt unter 350 g/mol.
Weiterhin sind solche Kationen bevorzugt, die ausgewählt sind aus den Verbindungen der Formeln (Ia) bis (Iw) ,
Figure imgf000005_0001
(a) (b) (c)
Figure imgf000006_0001
(d) (e) (f)
Figure imgf000006_0002
(g) (h) (i)
Figure imgf000006_0003
(k) (I)
Figure imgf000006_0004
(m) (n) (o)
Figure imgf000006_0005
(P) (q) (r)
Figure imgf000007_0001
Figure imgf000007_0002
R2 R2
(v) (w) sowie Oligo- bzw. Polymere, die diese Strukturen enthalten,
worin
R1, R2, R3 , R4, R5, R6 und R7 unabhängig voneinander jeweils Ci - Ci8~Alkyl, gegebenenfalls durch ein oder mehrere Sauerstoff- und/ oder Schwefelatome und/oder ein oder mehrere substituierte oder unsubstituierte Iminogruppen unterbrochenes C - Ciβ-Alkyl, C6 - Cι2-Aryl, C5 - Cχ2-Cycloalkyl oder einen fünf- bis sechsgliedrigen, Sauerstoff-, Stickstoff- und/oder Schwefelatome auf- weisenden Heterocyclus bedeuten oder zwei von ihnen gemeinsam einen ungesättigten, gesättigten oder aromatischen und gegebenenfalls durch ein oder mehrere Sauerstoff- und/oder Schwefelatome und/oder ein oder mehrere substituierte oder unsubstituierte Iminogruppen unterbrochenen Ring bilden, wobei die genannten Re- ste jeweils durch funktioneile Gruppen, Aryl, Alkyl, Aryloxy,
Alkyloxy, Halogen, Heteroatome und/oder Heterocyclen substituiert sein können.
R1, R2, R3, R4, R5 und R6 können zusätzlich dazu Wasserstoff bedeu- ten.
R7 kann darüberhinaus Ci - Cχ8-Alkyloyl (Alkylcarbonyl) , Ci - Ciβ- Alkyloxycarbonyl, C5 - Cι-Cycloalkylcarbonyl oder Cε - Cι -Aryloyl (Arylcarbonyl) bedeuten, . wobei die genannten Reste jeweils durch funktioneile Gruppen, Aryl, Alkyl, Aryloxy, Alkyloxy, Halogen, Heteroatome und/oder Heterocyclen substituiert sein können. Darin bedeuten
gegebenenfalls durch funktioneile Gruppen, Aryl, Alkyl, Aryloxy, Alkyloxy, Halogen, Heteroatome und/oder Heterocyclen substituier- tes Ci - Cis-Alkyl beispielsweise Methyl, Ethyl, Propyl, Iso- propyl , n-Butyl , sec-Butyl , tert . -Butyl , Pentyl , Hexyl , Heptyl , Octyl, 2-Etylhexyl, 2 , 4 , 4-Trimethylpentyl , Decyl, Dodecyl, Tetra- decyl, Hetadecyl, Octadecyl, 1 , 1-Dimethylpropyl , 1, 1-Dimethyl- butyl, 1, 1, 3 , 3-Tetramethylbutyl, Benzyl , 1-Phenylethyl, 2-Phenyl- ethyl, α, -Dimethylbenzyl , Benzhydryl, p-Tolylmethyl, 1- (p-B tyl- phenyl) -ethyl, p-Chlorbenzyl, 2 , 4-Dichlorbenzyl , p-Methoxybenzyl , m-Ethoxybenzyl , 2-Cyanoethyl, 2-Cyanopropyl, 2-Methoxycarbone- thyl, 2-Ethoxycarbonylethyl, 2-Butoxycarbonylpropyl, 1 , 2-Di- (methoxycarbonyl) -ethyl , 2-Methoxyethyl , 2-Ethoxyethyl , 2-Butoxyethyl, Diethoxymethyl, Diethoxyethyl, 1, 3-Dioxolan-2-yl, ,3-Dioxan-2-yl, 2-Methyl-l, 3-dioxolan-2-yl, 4-Methyl-l, 3- dioxolan-2-yl, 2-Isopropoxyethyl, 2-Butoxypropyl, 2-0ctyloxye- thyl, Chlormethyl, 2-Chlorethyl, Trichlormethyl, Trifluormethyl, 1, l-Dimethyl-2-chlorethyl , 2-Methoxyisopropyl , 2-Ethoxyethyl, Butylthiomethyl, 2-Dodecylthioethyl, 2-Phenylthioethyl,
2 , 2, 2-Trifluorethyl, 2-Hydroxyethyl, 2-Hydroxypropyl, 3-Hydroxy- propyl, 4-Hydroxybutyl, 6-Hydroxyhexyl, 2-Aminoethyl, 2-Amino- propyl, 3-Aminopropyl , 4-Aminobutyl, 6-Aminohexy1 , 2-Methylamino- ethyl, 2-Methylaminopropyl, 3-Methylaminopropyl, 4-Methylaminobu- tyl, 6-Methylaminohexyl, 2-Dimethylaminoethyl, 2-Dirnethylaminopropyl, 3-Dimethylaminopropyl, 4-Dimethylaminobutyl , 6-Dimethyla- minohexyl, 2-Hydroxy-2 , 2-dimethylethyl, 2-Phenoxyethyl, 2-Phen- oxypropyl, 3-Phenoxypropyl, 4-Phenoxybutyl, 6-Phenoxyhexyl, 2-Methoxyethyl, 2-Methoxypropyl, 3-Methoxypropyl, 4-Methoxybutyl, 6-Methoxyhexyl, 2-Ethoxyethyl, 2-Ethoxypropyl, 3-Ethoxypropyl , 4-Ethoxybutyl oder 6-Ethoxyhexyl und,
gegebenenfalls durch ein oder mehrere Sauerstoff- und/oder Schwefelatome und/oder ein oder mehrere substituierte oder unsubstituierte Iminogruppen unterbrochenes C - Ci8 _Alkyl beispielsweise 5-Hydroxy-3-oxa-pentyl , 8-Hydroxy-3 , 6-dioxa-octyl , ll-Hydroxy-3 , 6 , 9-trioxa-undecyl , 7-Hydroxy-4-oxa-heptyl , ll-Hydroxy-4 , 8-dioxa-undecyl , 15-Hydroxy-4 , 8 , 12-trioxa-penta- decyl, 9-Hydroxy-5-oxa-nonyl, 14-Hydroxy-5 , 10-oxa-tetradecyl, 5-Methoxy-3-oxa-pentyl, 8-Methoxy-3 , 6-dioxa-octyl, 11-Methoxy- 3,6, 9-trioxa-undecyl , 7-Methoxy-4-oxa-heptyl , ll-Methoxy-4 , 8-dio- xa-undecyl , 15-Methoxy-4, 8, 12-trioxa-pentadecyl, 9-Methoxy-5-oxa- nonyl, 14-Methoxy-5, 10-oxa-tetradecyl, 5-Ethoxy-3-oxa-pentyl, 8-Ethoxy-3 , 6-dioxa-octyl , ll-Ethoxy-3 , 6 , 9-trioxa-undecyl , 7-Ethoxy-4-oxa-heptyl, ll-Ethoxy-4 , 8-dioxa-undecyl , 15-Ethoxy-4 , 8 , 12-trioxa-pentadecyl , 9-Ethoxy-5-oxa-nonyl oder 14-Ethoxy-5 , 10-oxa-tetradecyl .
Bilden zwei Reste einen Ring, so können diese Reste gemeinsam be- deuten 1 , 3-Propylen, 1,4-Butylen, 2-Oxa-l , 3-propylen,
1-Oxa-l, 3-propylen, 2-0xa-l, 3-propylen, 1-Oxa-l, 3-propenylen, 1-Aza-l , 3-propenylen, l-Cι-C -Alkyl-l-aza-l , 3-propenylen, 1, 4-Buta-l, 3-dienylen, 1-Aza-l, 4-buta-l , 3-dienylen oder 2-Aza-l, 4-buta-l, 3-dienylen.
Die Anzahl der Sauerstoff- und/oder Schwefelatome und/oder Iminogruppen ist nicht beschränkt. In der Regel beträgt sie nicht mehr als 5 in dem Rest, bevorzugt nicht mehr als 4 und ganz besonders bevorzugt nicht mehr als 3.
Weiterhin befinden sich zwischen zwei Heteroatomen in der Regel mindestens ein Kohlenstoffatom, bevorzugt mindestens zwei.
Substituierte und unsubstituierte Iminogruppen können beispiels- weise Imino-, Methylimino-, iso-Propylimino, n-Butylimino oder tert-Butylimino sein.
Weiterhin bedeuten
funktioneile Gruppen Carboxy, Carboxamid, Hydroxy,
Di- (Cι-C -Alkyl) -amino, Cι-C4-Alkyloxycarbonyl, Cyano oder Cχ-C -Alkyloxy,
gegebenenfalls durch funktionelle Gruppen, Aryl, Alkyl, Aryloxy, Alkyloxy, Halogen, Heteroatome und/oder Heterocyclen substituiertes C6 - Cχ2-Aryl beispielsweise Phenyl, Tolyl, Xylyl, α-Naphthyl, ß-Naphthyl, 4-Diphenylyl, Chlorphenyl, Dichlorphenyl, Trichlor- phenyl, Difluorphenyl, Methylphenyl , Dimethylphenyl , Trimethyl- phenyl, Ethylphenyl, Diethylphenyl, i so-Propylphenyl , tert.-Bu- tylphenyl, Dodecylphenyl, Methoxyphenyl, Dimethoxyphenyl, Ethoxy- phenyl, Hexy1oxyphenyl , Methylnaphthyl , Isopropylnaphthyl, Chlor- naphthyl, Ethoxynaphthyl , 2 , 6-Dimethylphenyl, 2 , 4, 6-Trimethyl- phenyl, 2 , 6-Dimethoxyphenyl, 2, 6-Dichlorphenyl, 4-Bromphenyl, 2- oder 4-Nitrophenyl, 2,4- oder 2 , 6-Dinitrophenyl, 4-Dimethylamino- phenyl, 4-Acetylphenyl , Methoxyethylphenyl oder Ethoxymethylphe- nyl,
gegebenenfalls durch funktioneile Gruppen, Aryl, Alkyl, Aryloxy, Alkyloxy, Halogen, Heteroatome und/oder Heterocyclen substituier- tes C5 - Cι -Cycloalkyl beispielsweise Cyclopentyl, Cyclohexyl, Cyclooctyl, Cyclododecyl, Methylcyclopentyl, Dimethylcyclopentyl, Methylcyclohexyl, Dimethylcyclohexyl , Diethylcyclohexyl, Butylcy- clohexyl, Methoxycyclohexyl, Dimethoxycyclohexyl, Diethoxycyclo- hexyl , Butylthiocyclohexyl, Chlorcyclohexyl , Dichlorcyclohexyl, Dichlorcyclopentyl sowie ein gesättigtes oder ungesättigtes bicyclisches System wie z.B. Norbornyl oder Norbornenyl,
ein fünf- bis sechsgliedriger, Sauerstoff-, Stickstoff- und/oder Schwefelatome aufweisender Heterocyclus beispielsweise Furyl, Thiophenyl, Pyrryl, Pyridyl, Indolyl, Benzoxazolyl , Dioxolyl, Dioxyl, Benzimidazolyl, Benzthiazolyl, Dimethylpyridyl, Methyl- chinolyl, Dimethylpyrryl, Methoxyfuryl , Dimethoxypyridyl, Diflu- orpyridyl, Methylthiophenyl, Isopropylthiophenyl oder tert.-Bu- tylthiophenyl und
Ci bis C-Alkyl beispielsweise Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, n-Butyl, sec-Butyl oder tert.-Butyl.
Ci - Ciβ-Alkyloyl (Alkylcarbonyl) kann beispielsweise sein Acetyl, Propionyl, n-Butyloyl, sec-Butyloyl , tert .-Butyloyl, 2-Etylhexyl- carbonyl, Decanoyl, Dodecanoyl, Chloracetyl, Trichloracetyl oder Trifluoracetyl.
Ci - Cχ8- Alkylόxycarbonyl kann beispielsweise sein Methyloxycar- bonyl, Ethyloxycarbonyl, Propyloxycarbonyl, Isopropyloxycarbonyl, n-Butyloxycarbonyl , sec-Butyloxycarbonyl , tert. -Butyloxycarbonyl, Hexyloxycarbonyl, 2-Etylhexyloxycarbonyl oder Benzyloxycarbonyl .
C5 - Cι2-Cycloalkylcarbonyl kann beispielsweise sein Cyclopentyl- carbonyl, Cyclohexylcarbonyl oder Cyclododecylcarbonyl .
CÖ - Cχ-Aryloyl (Arylcarbonyl) kann beispielsweise sein Benzoyl, Toluyl, Xyloyl, α-Naphthoyl, ß-Naphthoyl, Chlorbenzoyl , Dichlor- benzoyl, Trichlorbenzoyl oder Trimethylbenzoyl .
Bevorzugt sind R1, R2, R3 , R4, R5 und R6 unabhängig voneinander Wasserstoff, Methyl, Ethyl, n-Butyl, 2-Hydroxyethyl , 2-Cyano- ethyl , 2- (Methoxycarbonyl) -ethyl , 2- (Ethoxycarbonyl) -ethyl , 2- (n- Butoxycarbonyl) -ethyl, Dirnethylamino, Diethylamino und Chlor.
Bevorzugt ist R7 Methyl, Ethyl, n-Butyl, 2-Hydroxyethyl, 2-Cyano- ethyl, 2- (Methoxycarbonyl) -ethyl, 2- (Ethoxycarbonyl) -ethyl, 2-(n- Butoxycarbonyl) -ethyl, Acetyl, Propionyl, t-Butyryl, Methoxycarbonyl , Ethoxycarbonyl oder n-Butoxycarbonyl .
Besonders bevorzugte Pyridiniumionen (Ia) sind solche, bei denen einer der Reste R1 bis R5 Methyl, Ethyl oder Chlor ist, R7 Acetyl, Methyl, Ethyl oder n-Butyl und alle anderen Wasserstoff sind, oder R3 Dimethylamino, R7 Acetyl, Methyl, Ethyl oder n-Butyl und alle anderen Wasserstoff sind oder R7 Acetyl, Methyl, Ethyl oder n-Butyl und alle anderen Wasserstoff sind oder R2 Carboxy oder Carboxamid, R7 Acetyl, Methyl, Ethyl oder n-Butyl und alle anderen Wasserstoff oder R1 und R2 oder R2 und R3 1, 4-Buta-l, 3-dienylen, R7 Acetyl, Methyl, Ethyl oder n-Butyl und alle anderen Wasserstoff sind.
Besonders bevorzugte Pyridaziniumionen (Ib) sind solche, bei denen einer der Reste R1 bis R4 Methyl oder Ethyl, R7 Acetyl, Methyl, Ethyl oder n-Butyl und alle anderen Wasserstoff oder R7 Acetyl, Methyl, Ethyl oder n-Butyl, und alle anderen Wasserstoff sind.
Besonders bevorzugte Pyrimidiniumionen (Ic) sind solche, bei de- nen R2 bis R4 Wasserstoff oder Methyl, R7 Acetyl, Methyl, Ethyl oder n-Butyl und R1 Wasserstoff, Methyl oder Ethyl ist, oder R2 und R4 Methyl, R3 Wasserstoff und R1 Wasserstoff, Methyl oder Ethyl und R7 Acetyl, Methyl, Ethyl oder n-Butyl ist.
Besonders bevorzugte Pyraziniumionen (Id) sind solche, bei denen R1 bis R4 alle Methyl und
R7 Acetyl, Methyl, Ethyl oder n-Butyl oder R7 Acetyl, Methyl, Ethyl oder n-Butyl und alle anderen Wasserstoff sind.
Besonders bevorzugte Imidazoliumionen (le) sind solche, bei denen unabhängig voneinander
R1 ausgewählt ist unter Methyl, Ethyl, n-Propyl, n-Butyl, n-Pen- tyl, n-Octyl, n-Decyl, n-Dodecyl, 2-Hydroxyethyl oder 2-Cyano- ethyl,
R7 Acetyl , Methyl , Ethyl oder n-Butyl und
R2 bis R4 unabhängig voneinander Wasserstoff, Methyl oder Ethyl bedeuten.
Besonders bevorzugte lH-Pyrazoliumionen (If) sind solche, bei denen unabhängig voneinander
R1 unter Wasserstoff, Methyl oder Ethyl, R2, R3 und R4 unter Wasserstoff oder Methyl und R7 unter Acetyl, Methyl, Ethyl oder n-Butyl ausgewählt sind.
Besonders bevorzugte 3H-Pyrazoliumionen (Ig) sind solche, bei denen unabhängig voneinander
R1 unter Wasserstoff, Methyl oder Ethyl,
R2, R3 und R4 unter Wasserstoff oder Methyl und R7 unter Acetyl, Methyl, Ethyl oder n-Butyl ausgewählt sind.
Besonders bevorzugte 4H-Pyrazoliumionen (Ih) sind solche, bei denen unabhängig voneinander
R1 bis R4 unter Wasserstoff oder Methyl und
R7 unter Acetyl, Methyl, Ethyl oder n-Butyl ausgewählt sind.
Besonders bevorzugte 1-Pyrazoliniumionen (Ii) sind solche, bei denen unabhängig voneinander
R1 bis R6 unter Wasserstoff oder Methyl und
R7 unter Acetyl, Methyl, Ethyl oder n-Butyl ausgewählt sind.
Besonders bevorzugte 2-Pyrazoliniumionen (Ij) sind solche, bei denen unabhängig voneinander
R1 unter Wasserstoff, Methyl, Ethyl oder Phenyl, R7 unter Acetyl , Methyl , Ethyl oder n-Butyl und R2 bis R6 unter Wasserstoff oder Methyl ausgewählt sind.
Besonders bevorzugte 3-Pyrazoliniumionen (Ik) sind solche, bei denen unabhängig voneinander
R1 oder R2 unter Wasserstoff, Methyl, Ethyl oder Phenyl, R7 unter Acetyl, Methyl, Ethyl oder n-Butyl und R3 bis R6 unter Wasserstoff oder Methyl
ausgewählt sind.
Besonders bevorzugte Imidazoliniumionen (II) sind solche, bei denen unabhängig voneinander
R1 oder R2 unter Wasserstoff, Methyl, Ethyl, n-Butyl oder Phenyl, R7 unter Acetyl, Methyl, Ethyl oder n-Butyl und
R3 oder R4 unter Wasserstoff, Methyl oder Ethyl und
R5 oder R6 unter Wasserstoff oder Methyl
ausgewählt sind.
Besonders bevorzugte Imidazoliniumionen (Im) sind solche, bei denen unabhängig voneinander
R1 oder R2 unter Wasserstoff, Methyl oder Ethyl, R7 unter Acetyl, Methyl, Ethyl oder n-Butyl und R3 bis R6 unter Wasserstoff oder Methyl ausgewählt sind.
Besonders bevorzugte Imidazoliniumionen (In) sind solche, bei denen unabhängig voneinander
R1, R2 oder R3 unter Wasserstoff, Methyl oder Ethyl, R7 Acetyl , Methyl , Ethyl oder n-Butyl und R4 bis R6 unter Wasserstoff oder Methyl
ausgewählt sind.
Besonders bevorzugte Thiazoliumionen (Io) oder Oxazoliumionen (Ip) sind solche, bei denen unabhängig voneinander
R1 unter Wasserstoff, Methyl, Ethyl oder Phenyl, R7 unter Acetyl, Methyl, Ethyl oder n-Butyl und R2 oder R3 unter Wasserstoff oder Methyl
ausgewählt sind.
Besonders bevorzugte 1, 2 , 4-Triazoliumionen (Iq) und (Ir) sind solche, bei denen unabhängig voneinander
R1 oder R2 unter Wasserstoff, Methyl, Ethyl oder Phenyl, R7 unter Acetyl, Methyl, Ethyl oder n-Butyl und R3 unter Wasserstoff, Methyl oder Phenyl
ausgewählt sind.
Besonders bevorzugte 1, 2 , 3-Triazoliumionen (Is) und (It) sind solche, bei denen unabhängig voneinander
R1 unter Wasserstoff, Methyl oder Ethyl, R7 unter Acetyl, Methyl, Ethyl oder n-Butyl und R2 oder R3 unter Wasserstoff oder Methyl ausgewählt sind oder
R2 und R3 1, 4-Buta-l, 3-dienylen und alle anderen Wasserstoff sind.
Besonders bevorzugte Pyrrolidiniumionen (Iu) sind solche, bei denen unabhängig voneinander
R1 und R7 unter Acetyl, Methyl, Ethyl oder n-Butyl ausgewählt sind und
R2, R3, R4 und R5 Wasserstoff bedeuten.
Besonders bevorzugte Ammoniumionen (Iv) sind solche, bei denen unabhängig voneinander R7 unter Acetyl, Methyl, Ethyl oder n-Butyl und
R1, R2, und R3 unter Methyl, Ethyl, n-Butyl, 2-Hydroxyethyl ,
Benzyl oder Phenyl ausgewählt sind.
Besonders bevorzugte Phosphoniumionen (Iw) sind solche, bei denen unabhängig voneinander
R7 unter Acetyl , Methyl , Ethyl oder n-Butyl und R1, R2, und R3 unter Phenyl, Phenoxy, Ethoxy und n-Butoxy
ausgewählt sind.
Unter diesen sind die Ammonium-, Phosphonium- , Pyridinium- und Imidazoliumionen bevorzugt.
Ganz besonders bevorzugt sind als Kationen 1, 2-Dimethyl- pyridinium, l-Methyl-2-ethylpyridinium, l-Methyl-2-ethyl-6- methylpyridinium, N-Methylpyridinium, l-Butyl-2-methylpyridinium, l-Butyl-2-ethylpyridinium, l-Butyl-2-ethyl-6-methylpyridinium, N- Butylpyridinium, l-Butyl-4-methylpyridinium, 1, 3-Dimethylimidazo- lium, 1, 2 , 3-Trimethylimidazolium, l-n-Butyl-3-methylimidazolium, 1,3,4, 5-Tetramethylimidazolium, 1,3, 4-Trimethylimidazolium, 2, 3-Dimethylimidazolium, l-Butyl-2 , 3-dimethylimidazolium, 3,4-Di- methylimidazolium, 2-Ethyl-3 , -dimethylimidazolium, 3-Methyl-2- ethylimidazol, 3-Butyl-l-methylimidazolium, 3-Butyl-l-ethylimida- zolium, 3-Butyl-l, 2-dimethylimidazolium, 1, 3-Di-n-Butylimidazo- lium, 3-Butyl-l, 4, 5-Trimethylimidazolium, 3-Butyl-l , 4-Dimethyli- midazolium, 3-Butyl-2-methylimidazolium, 1, 3-Dibutyl-2-methylimi- dazolium, 3-Butyl-4-methylimidazolium, 3-Butyl-2-ethyl-4-methyli- midazolium und 3-Butyl-2-ethylimidazolium, l-Methyl-3-0ctylimidazolium, l-Decyl-3-Methylimidazolium.
Insbesondere bevorzugt sind l-Butyl-4-methylpyridinium, 1-n-Bu- tyl-3- ethylimidazolium und l-n-Butyl-3-ethylimidazolium.
Als Anionen sind prinzipiell alle Anionen denkbar.
Bevorzugt als Anionen sind Halogenide, F", CI", Br~, I", Acetat CH3COO-, Trifluoracetat CF3C00", Triflat CF3S03", Sulfat S04 2~, Hydrogensulfat HS04", Methylsulfat CH3OS03-, Ethylsulfat C2H5OS03-, Sulfit S03 2-, Hydrogensulfit HS03-, Aluminiumchloride A1C1 ", Al2Cl ", AI3CI10", Aluminiumtribromid AlBr ", Nitrit N02 ~, Nitrat NO3-, Kupferchlorid CuCl _, Phosphat P03-, Hydrogenphosphat HPO4 2-, Dihydrogenphosphat H2P04", Carbonat CO3 2", Hydrogencarbonat HCO3 ". Besonders bevorzugt sind Tetrafluoroborat BF4 ~, Hexafluorophosphat PF6-, Bis (trifluormethylsulfonyl) imid (CF3S0 )2N-, Tosylat p-CH3C6H4S03-.
5 Unter den Ionischen Flüssigkeiten sind solche ganz besonders bevorzugt, deren Salze einen ET (30) -Wert von > 20, bevorzugt von >30, besonders bevorzugt von > 40 aufweisen. Der Eτ(30)-Wert ist ein Maß für die Polarität und wird von C. Reichardt in Reichardt, Christian Solvent Effects in Organic Chemiεtry Weinheim : VCH, 10 1979. - XI, (Monographs in Modern Chemistry ; 3), ISBN 3-527-25793-4 Seite 241 beschrieben.
Die Änderung des Trennfaktors durch den Entrainer kann nach mehreren Methoden bestimmt werden, bevorzugt nach der Head-Space-
15 Analyse, wie publiziert durch Hachenberg und Schmidt in Verfahrenstechnik, 8(1974), 12 auf den Seiten 343-347. Bei der Bestimmung der Wirkung des Entrainers auf das zu trennende Gemisch (der Feed) wird allgemein auf Entrainer-freier Basis gearbeitet, das heißt, daß die Konzentration des Entrainers in der flüssigen
20 Mischung zwar notiert aber in der prozentualen Konzentrationsangabe der Zielkomponenten nicht berücksichtigt wird.
Geeignet sind solche ionischen Flüssigkeiten, die in einer Gesamtkonzentration in der Flüssigkeit von 5 bis 90 Mol%, bevor- 25 zugt 10 bis 70 Mol%, zu einer Veränderung des Trennfaktors der Zielkomponenten untereinander verschieden von eins führen. Diese Veränderung kann in der beschriebenen Head-Space-Analyse festgestellt werden.
30 Die als Entrainer fungierende ionische Flüssigkeit wird so ausgewählt, daß
sie eine möglichst hohe Selektivität aufweist sie sich in dem zu trennenden Stoffgemisch zu mindestens
35 5mol% homogen löst, sie keine chemische Reaktion unter Aufbruch von kovalenten Bindungen mit einer der Komponenten des zu trennenden Stoff- gemischs eingeht, die Komponenten des Sumpfproduktes durch Verdampfung infolge
40 von Wärmezufuhr und/oder Druckabsenkung oder Rektifikation oder Extraktion oder Strippung mit Inertgas oder Überführung in eine feste Phase kostengünstig vom Entrainer abgetrennt werden können.
5 In der Rektifikationskolonne wird sich keine konstante Konzentration des Ionischen Fluids über der gesamten Höhe der Kolonne einstellen lassen. Es wird sich vielmehr im Verstärkungsteil di- rekt unterhalb der Zugabestelle des Ionischen Fluids eine höhere Konzentration einstellen im Vergleich zum Abtriebsteil unterhalb des Feedzulaufes . Der quantifizierte Wert von 5 - 90 mol% sollte direkt auf dem Zulaufboden des Ionischen Fluids gemessen werden. Damit wäre eine geeignete Konzentration im Verstärkungsteil, also dort, wo das Azeotrop zu brechen ist, sichergestellt.
Um eine gute Löslichkeit der ionischen Flüssigkeit in dem zu trennenden Gemisch zu erhalten, sollten die Attraktionskräfte zwischen den Molekülen der ionischen Flüssigkeit in etwa genauso groß sein wie zwischen den Molekülen des Feeds . Als intermolekulare Kräfte treten dabei Ionenkräfte, Dipol-Dipol-Kräfte, Induktionskräfte, Dispersionskräfte und Wasserstoff-Brückenbindungen auf, vgl. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (1993), Vol. A24, S. 438-439. Die Einstellung dieser Kräfte ist bei den ionischen Flüssigkeiten durch die Variation der Kationen möglich. Auf diese Weise können die Löslichkeitseigenschaften reguliert werden. So nimmt z.B. durch eine Verlängerung der Kettenlänge des Alkylrestes an einem Alkyl-Methyl-Imidazolium-Tetrafluoroborat die hydrophobie zu und damit die Mischbarkeit mit Wasser ab. Besonders gegenüber Aliphaten ist diese Einstellung der Solvations- stärke wirksam, vgl. H. Waffenschmidt, Dissertation, RWTH Aachen, 2000. Auch das Anion besitzt einen Einfluß auf die Löslichkeitseigenschaften. Kriterien für die Abschätzung des Löslichkeitsver- haltens einer ionischen Flüssigkeit sind die Dielektrizitätskonstante der ionischen Flüssigkeit und des Feeds und die Polarität des Gemisches .
Eine Ausführungsform der Extraktiv-Rektifikation in einem Verfah- ren wird durch die Abb. 1 verdeutlicht. "2" ist der Zufluß des Entrainers in eine Gegenstrom-Rektifikationskolonne. Da in herkömmlichen Verfahren der Entrainer eine geringe, aber bemerkenswerte Flüchtigkeit bezüglich des KopfProduktes (Strom 7) besitzt, müssen zur Trennung zwischen Kopfprodukt und Entrainer die Tren- nelemente "1" verwendet werden. Die Trennelemente "3" und "5" bewirken die gewünschte Trennung zwischen Kopf- und Sumpfprodukt unter Wirkung des Entrainers, Strom "4" ist der Zulauf der zu trennenden Komponenten (Feed) , Strom "6" ist Sumpfprodukt und der Entrainer. Trennelemente können beispielsweise Böden, geordnete oder nicht geordnete Füllkörper sein.
Der erfindungsgemäße Prozeß hat den Vorteil, daß -wie erwähnt- der Dampfdruck der reinen ionischen Flüssigkeit und damit auch ihr Partialdruck in der Mischung mit dem Kopfprodukt annähernd gleich null sind. Damit können im erfindungsgemäßen Verfahren die Trennelemente "1" entfallen. Das Ionische Fluid wird bevorzugt im Verstärkungsteil nahe am Kopf der Kolonne, besonders bevorzugt in den obersten 3 Stufen, ganz besonders bevorzugt in der obersten Stufe unterhalb des Kondensators zugegeben.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Prozesses mit ionischen Flüssigkeit als Entrainer ist, daß zur Abtrennung des Entrainers vom Sumpfprόdukt verschiedene Trennoperationen angewendet werden können. Vorteilhafte Ausführungsformen sind:
Regenerierung des Entrainers durch einfache Verdampfung. Da der Dampfdruck des reinen Entrainers und damit auch sein Partialdruck in der Mischung mit dem Sumpfprodukt annähernd gleich null sind, kann ein Eindampfungsprozeß ohne weitere Trennelemente kontinuierlich oder diskontinuierlich betrieben werden. Für das kontinuierliche Eindampfen sind Dünnschichtverdampfer wie Fallfilm- oder Rotorverdampfer besonders geeignet. Bei der diskontinuierlichen Aufkonzentrierung sind zwei Verdampferstufen im Wechsel zu fahren, so daß der Extraktiv- Rektifikationskolonne fortwährend regenerierte ionische Flüssigkeit zugeführt werden kann.
Regenerierung des Entrainers durch eine Abtriebskolonne Da der Dampfdruck des reinen Entrainers und damit auch sein Partialdruck in der Mischung mit dem Sumpfprodukt gleich null sind, kann der Entrainer durch reine Verdampfung nicht vollständig im Gegenstromprozeß vom Sumpfprodukt befreit werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird heißes Gas in einer Strippkolonne im Gegenstrom zu einer Mischung aus Sumpfprodukt und Entrainer geführt. Viele ionische Flüssigkeiten zeichnen sich durch Kristallisa- tions- bzw. Glasübergangstemperaturen aus, die deutlich unter 0°C liegen. In diesen Fällen ist eine besonders einfache, kostengünstige Abtrennung und Rückführung der ionischen Flüssigkeit durch Ausfällen in eine feste Phase möglich. Dann wird das Sumpfprodukt in fester Form erhalten, während der Entrainer als reiner Stoff in die Extraktiv-Rektifikation zurückgeführt werden kann. Das Ausfällen kann nach den Lehren der Kühlungskristallisation, Verdampfungskristallisation oder Vakuum-Kristallisation durchgeführt werden. Liegt der Ge- frierpunkt des Entrainers oberhalb des Gefrierpunktes des
Sumpfproduktes, wird in einer Variante dieses Verfahrens als feste Phase der Entrainer und als flüssige Phase das Sumpfprodukt erhalten. .
Der Einsatz von Ionischen Fluiden als Entrainer in der Extraktiv- Rektifikation ist unter anderem für die folgenden Anwendungen besonders geeignet. z.B. Azeotrope: Amine/Wasser, THF/Wasser, Amei- sensäure/Wasser, Alkohole/Wasser, Aceton/Methanol, Acetate/Was- ser, Acrylate/Wasser oder engsiedende Gemische: Essigsäure/Wasser, C4-Kohlenwasserstoffe, C3-Kohlenwasserstoffe, Alkane/Alkene.
Das erfindungsgemäße Verfahren stellt aus folgenden Gründen eine wesentliche Verbesserung zu den Literaturverfahren der konventionellen Extraktivrektifikation dar:
Ionische Flüssigkeiten sind selektiver als herkömmliche En- trainer. Sie ermöglichen durch ihre vergleichsweise große
Selektivität, daß im Vergleich zur konventionellen Extraktivrektifikation ein geringerer Massenstrom an Entrainer der Extraktiv-Rektifikation zugeführt und/oder die Trennstufenanzahl in der Extraktiv- Rektifikationskolonne verringert wer- den kann.
Durch den äußerst niedrigen Dampfdruck des Entrainers können verschiedene Trennoperationen zur Abtrennung des Entrainers vom Sumpfprodukt verwendet werden, die im Vergleich zur zweiten Rektifikationskolonne bei der konventionellen Extrakti- vrektifikation einen Vorteil bezüglich Betriebs- und Invest- kosten ermöglichen.
Die Trennelemente "1" führen in der konventionellen Extraktiv-Rektifikation zu einer Trennung des Entrainers vom Kopfprodukt, die Trennung ist aber nie vollständig. Ein Austrag von Anteilen an ionischer Flüssigkeit über die Dampfphase ohne die Trennelemente "1" ist aufgrund ihrer äußerst geringen Flüchtigkeit nicht möglich.
Investkosten werden durch Wegfall der Trennelemente "1" reduziert.
Im folgenden soll der erfindungsgemäße Prozeß durch Beispiele erläutert werden.
Beispiel 1
Trennsystem : Buten-Butan
Das System Buten -Butan ist laut Literatur [Gmehling, J und On- ken, U und Arlt,W , Vapor-Liquid Equilibrium Data Collection, De- chema Data Series, Vol. I Part 6a S. 17] engsiedend. Der Trennfaktor, der mittels Gas-Flüssig-Chromatographie (GLC) bei unendlicher Verdünnung von Butan und Buten in der ionischen Flüssigkeit Oktyl-Methyl-Imidazolium Tetrafluoroborat (OMIM - BF4) bei 70°C gemessen wurde, beträgt 0,74. Die Berechnung des Trennfaktors in Abhängigkeit vom Aktivitätskoeffizienten wurde von Gmehling und Brehm [Gmehling, J. und Brehm, A. , Grundoperationen, ISBN 3-13-687401-3, Kapitel 3] publiziert.
Der Zusatzstoff geht somit stärkere Wechselwirkungen mit dem Buten als mit dem Butan ein. Durch den gezeigten starken Einfluß der ionischen Flüssigkeit OMIM- BF4 auf das Phasengleichgewicht des binären Systems Buten-Butan ist die Eignung von OMIM - BF4 als Entrainer bei Trennung von Alkanen und Alkenen gezeigt.
Beispiel 2
Trennsystem : Cyclohexanol-Cyclohexanon
Das System Cyclohexanol-Cyclohexanon ist laut Literatur [Gmehling, J und Onken, U und Arlt,W , Vapor-Liquid Equilibrium Data Collection, Dechema Data Series, Vol. I Part 2b S. 403] engsiedend.
Der Trennfaktor, der mittels Gas-Flüssig-Chromatographie bei unendlicher Verdünnung von Cyclohexanol und Cyclohexanon in den ionischen Flüssigkeiten Ethyl-Methyl-Imidazolium Tetrafluoroborat (EMIM-BF4) und Ethyl-Methyl-Imidazolium Hexafluorophosphat (EMIM- PF6) gemessen wurde, beträgt für EMIM-BF 1,66 bei 142°C und für EMIM-PF6 1,61 bei 140, 8°C. Beide ionischen Flüssigkeiten bewirken eine Erhöhung des Trennfaktors im Trennsystem Cyclohexanol - Cyclohexanon und sind somit als Entrainer geeignet.
Beispiel 3
Trennsystem: Aceton-Methanol
Das System Aceton-Methanol bildet laut Literatur [Gmehling, J und Onken, U und Arlt,W , Vapor-Liquid Equilibrium Data Collection, Dechema Data Series, Vol. I Part 2a S. 75] ein Azeotrop. Der Trennfaktor eines Gemisches aus einem Keton und einem Alkohol, hier Aceton - Methanol, wurde mittels GLC in unendlicher Verdünnung in den ionischen Flüssigkeiten EMIM-BF4, OMIM-BF4, MMIM- CH3S04, EMIM-(CF3S02)2N und EMIM-PF6 bestimmt. Es ergaben sich Trennfaktoren für EMIM-BF4 von 2,51 bei 70°C, OMIM-BF4 von 3,15 bei 70°C, MMIM-CH3S04 von 1,3 bei 70,5°C, EMIM- (CF3S02) 2N von 0,5 bei 84,6°C und EMIM-PF6 von 0,67 bei 70°C. Hieran ist zu erkennen, daß nicht nur einzelne ionische Flüssigkeiten als Entrainer geei- gnet sind. Vielmehr eignen sich viele Vertreter der neuartigen Substanzklasse der ionischen Flüssigkeiten zu einer Verwendung als Entrainer.
Im folgenden soll der erfindungsgemäße Prozeß durch weitere Bei- spiele unter Nutzung der Head-Space-Analyse erläutert werden.
Beispiel 4
Einfluß der ionischen Flüssigkeit l-Ethyl-3-methyl-imidazolium tetrafluoroborat auf das homoazeotrope binäre System Ethanol-Was- ser .
In Tabelle 1 ist der Einfluß des Zusatzstoffes (Entrainer) l-Ethyl-3-methyl-imidazolium tetrafluoroborat auf das binäre Sy- stem Ethanol Wasser bei Φ=70°C und einer molaren Flüssigkonzentration des Entrainers von 10 mol% und 50 mol% dargestellt.
Figure imgf000020_0002
Tabelle 1: Trennfaktor α des binären, homoazeotropen Systems
Ethanol-Wasser bei 70°C und unterschiedlichen Mengen der ionischen Flüssigkeit l-Ethyl-3-methyl-imidazolium tetrafluoroborat
Das Azeotrop Ethanol-Wasser liegt bei etwa
Figure imgf000020_0001
95. Genau in diesem Bereich wirkt der Entrainer selbst bei 10 mol% Anteil in der flüssigen Phase. Die Tatsache, daß in diesem und in den folgenden Beispielen im Randbereich ohne Entrainer ein höherer Trennfaktor erreicht wird als mit Entrainer ist nicht von Nachteil, da
eine Vorkonzentrierung ohne Entrainer vorgenommen werden kann. b) Trennfaktoren etwa >5 praktisch keinen Einfluß auf die Betriebs- und Investkosten haben.
Beispiel 5
Einfluß der ionischen Flüssigkeit l-Ethyl-3-methyl-imidazolium tetrafluoroborat auf das homoazeotrope binäre System Tetrahydro- furan-Wasser .
In Tabelle 2 ist der Einfluß des Entrainers l-Ethyl-3-methyl-imi- dazolium tetrafluoroborat auf das binäre System Tetrahydro- furan(THF) -Wasser bei 70°C und einer molaren Flüssigkonzentration des Entrainers von 50 Mol% dargestellt.
Figure imgf000021_0001
Tabelle 2: Trennfaktor α des homoazeotropen Systems Tetrahydro- furan (THF) -Wasser bei 70°C mit und ohne ionische Flüssigkeit l-Ethyl-3-methyl-imidazolium tetrafluoroborat.
Das Azeotrop bei XTHF zwischen 0,8 und 0,9 wird eindrucksvoll entfernt .
Beispiel 5a
Einfluß der ionischen Flüssigkeit 1-Ethy1-3-methyl-imidazolium tetrafluorotosylat auf das homoazeotrope binäre System Tetrahy- drofuran-Wasser .
In Tabelle 2a ist der Einfluß des Entrainers l-Ethyl-3-methyl- imidazolium tetrafluorotosylat auf das binäre System Tetrahydro- furan (THF) -Wasser bei einem Druck von 1 bar und einer molaren Flüssigkonzentration des Entrainers von 50 Mol% dargestellt.
Figure imgf000022_0001
Tabelle 2a: Trennfaktor α des Systems Tetrahydrofüran (THF) -Wasser bei 1 bar mit ionischer Flüssigkeit l-Ethyl-3-methyl-imidazolium tetrafluorotosilat . Messergebnisse sind hier nicht mit Head-Space-Chromatographie, sondern mit einer Gleichgewichtsapparatur vermessen worden. Auch hier ist eine deutliche Erhöhung des Trennfaktors gegenüber dem binären System (siehe Tabelle 2) und damit die Eignung des ionischen Fluids als Entrainer zu erkennen.
Beispiel 6
Einfluß der ionischen Flüssigkeit l-Ethyl-3-methyl-imidazolium tetrafluoroborat auf das homoazeotrope binäre System Propanol- Wasser .
In Tabelle 3 ist der Einfluß des Entrainers l-Ethyl-3-methyl-imi- dazolium tetrafluoroborat auf das binäre System Propanol-Wasser bei 85°C und einer molaren Flüssigkonzentration des Entrainers von 50 Mol% dargestellt.
Figure imgf000022_0002
Tabelle 3 : Trennfaktor α des homoazeotropen Systems Propanol-Was- ser bei 85°C mit und ohne ionischen Flüssigkeit l-Ethyl-3-methyl- i idazolium tetrafluoroborat.
Beispiel 7
Einfluß der ionischen Flüssigkeit l-Ethyl-3-methyl-imidazolium tetrafluoroborat auf das homoazeotrope binäre System Isopropanol- Wasser . In Tabelle 4 ist der Einfluß des Entrainers 1-Ethyl-3-methyl-imidazolium tetrafluoroborat auf das binäre System Isopropanol-Was- ser bei 90°C und einer molaren Flüsεigkonzentration des Entrainers von 50 Mol% dargestellt.
Figure imgf000023_0001
Tabelle 4: Trennfaktor α des homoazeotropen Systems Isopropanol- Wasser bei 90°C mit und ohne ionische Flüssigkeit l-Ethyl-3-me- thyl-imidazolium tetrafluoroborat.
In den Tabellen 1 bis 4 ist ein deutlicher Unterschied zwischen den binären Phasenzusammensetzungen und den -nach Zugabe des erfindungsgemäßen, nichtflüchtigen Entrainers 1-Ethyl-3-methyl- imidazolium tetrafluoroborat sich einstellenden- ternären Phasengleichgewichtszusammensetzungen erkennbar. Die ionische Flüssigkeit hat durch selektive Wechselwirkungen mit der polareren Systemkomponente, dem Wasser, den Trennfaktor vorteilhaft beeinflußt. Darüber hinaus ist deutlich erkennbar, daß in den Systemen Ethanol-Wasser (Tabelle 1) und Tetrahydrofuran-Wasser (Tabelle 2) der Einfluß der ionischen Flüssigkeit auf das Dampf-Flüssig-Pha- sengleichgewicht so groß ist, daß der azeotrope Punkt aufgebrochen wurde, das heißt nicht mehr auftritt.
Beispiel 8
Vorteil eines der erfindungsgemäßen Entrainer gegenüber konventionellen Entrainem am Beispiel der Trennung von Ethanol-Wasser
In Tabelle 5 ist für das System Ethanol-Wasser der Einfluß der beiden Entrainer l-Ethyl-3-methyl-imidazolium tetrafluoroborat und Ethandiol auf das Dampf-Flüssig-Phasengleichgewi'cht bei 70°C für die Entrainerkonzentration von 50 Mol% dargestellt.
Figure imgf000023_0002
Figure imgf000024_0001
Tabelle 5 : Gegenüberstellung der Trennfaktoren α im System Ethanol-Wasser bei 70°C für den konventionellen Entrainer Ethandiol und den erfindungsgemäßen Entrainer l-Ethyl-3-methyl-imidazolium tetrafluoroborat
Aus Tabelle 5 geht hervor, daß für die gleiche Entrainerkonzentration der Einfluß auf das Dampf-Flüssig-Phasengleichgewicht und damit der Nutzeffekt im Fall der ionischen Flüssigkeit ins- besondere im azeotropen Bereich deutlich größer ist.

Claims

Patentansprüche
1. Prozeß zur Trennung von Flüssigkeiten oder kondensierbaren Gasen im kondensierten Zustand, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Entrainer benutzt wird, der eine ionische Flüssigkeit ist und eine Veränderung des Trennfaktors der zu trennenden Komponenten abweichend von eins bewirkt, - die ionische Flüssigkeit in einer Gesamtkonzentration von 5 bis 90 Mol%, bevorzugt 10 bis 70 Mol% in der flüssigen Phase vorliegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennung durch Extraktiv-Rektifikation in einer Kolonne durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
die unter den Bedingungen des Anspruchs 1 leichtsiedende Komponente oder Komponenten am Kopf der Kolonne erhalten werden, während alle anderen Komponenten als Sumpfprodukt zusammen mit dem Entrainer am Sumpf der Kolonne anfallen, das Flüssiggemisch am Sumpf der Kolonne (Sumpfprodukt und Entrainer) so aufgearbeitet wird, daß der Entrainer wiedergewonnen werden kann und die Komponenten des Su pf- Produktes als weitere Fraktion anfallen, die Kolonne im Gegenstrom betrieben wird, oberhalb des Feeds der zu trennenden Komponenten der Entrainer in die Kolonne zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Abtrennung des Sumpfproduktes vom Entrainer durch Eindampfung in Verdampfern oder in Rektifikationskolonnen erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufarbeitung des Gemischs aus Sumpfprodukt und Entrainer durch Ausfällen des Bestandteiles erfolgt, der den höheren Gefrierpunkt hat.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtrennung des Sumpf roduktes vom Entrainer durch Trocknung erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtrennung des Sumpfproduktes vom Entrainer durch Extraktion erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß keine Trennelemente oberhalb des Zulaufes des Entrainers in die Ex- traktiv-Rektifikation benötigt werden.
5 8. Prozeß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feed ein Wasser-enthaltendes System ist, das neben Wasser
Alkohole mit einer Kohlenstoffzahl zwischen 1 und 12, bevorzugt zwischen 1 und 8, besonders bevorzugt zwischen 10 1 und 5 , organische Säuren, vorzugsweise Alkansäuren,
Ketone,
Furane
15 enthält und eine Abtrennung des Wassers von den übrigen Stoffen erreicht wird.
9. Prozeß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feed Alkane und Alkene mit einer Kohlenstoffzahl zwischen 3 und
20 12, bevorzugt zwischen 4 und 10 enthält und eine Trennung zwischen Alkanen und Alkenen erreicht wird.
10. Prozeß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feed aromatische und aliphatische Kohlenwasserstoffe enthält und
25 eine Trennung zwischen Aromaten und Aliphaten erreicht wird.
11. Prozeß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feed Ketone und alicyclische Verbindungen enthält und die Ketone von den alicyclischen Komponenten getrennt werden.
30
12. Prozeß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feed Amide und Säuren, bevorzugt Carbonsäuren, enthält und die Amide von den Säuren getrennt werden.
35 13. Prozeß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feed Alkohole und Alkane enthält und die Alkane von den Alkoholen getrennt werden.
14. Prozeß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feed 40 Alkohole und Aromaten enthält und die Alkohole von den Aromaten getrennt werden.
15. Prozeß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feed Ketone und Alkohole enthält und die Ketone von den Alkoholen
45 getrennt werden.
16. Prozeß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feed Acetate und Ketone enthält und die Acetate von den Ketonen getrennt werden.
5 17. Prozeß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feed Ether und Alkane enthält und die Ether von den Alkanen getrennt werden.
18. Prozeß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feed
10 Ether und Alkene enthält und die Ether von den Alkenen getrennt werden.
19. Prozeß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feed Sulfide und Ketone enthält und die Sulfide von den Ketonen
15 getrennt werden.
20. Prozeß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feed Halogenkohlenwasserstoffe und Ketone enthält und die Halogen- kohlenwaεserstoffe von den Ketonen getrennt werden.
20
21. Prozeß nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Feed cyclische Ketone und / oder cyclische Alkohole enthält und das diese voneinander getrennt werden.
25 22. Prozeß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Anion der als Entrainer verwendeten ionischen Flüssigkeit ein Me- tall-Halogenid ist.
23. Prozeß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als 30 Entrainer verwendete ionische Flüssigkeit ein Anion wie das
Nitrat-Anion oder das Tetrachloroaluminat-Anion oder das Te- trafluoroborat-Anion oder das Heptachlorodialuminat-Anion oder das Hexafluorophosphast-Anion oder das Methylsulfat-An- ion oder reine Halogenid-Anionen hat. 35
24. Prozeß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als Entrainer verwendete ionische Flüssigkeit ein Kation wie das Imidazolium-Kation oder das Pyridinium-Kation oder das Ammonium-Kation oder das Phosphonium-Kation hat.
40
25. Prozeß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mischungen von ionischen Flüssigkeiten als Entrainer benutzt werden .
45
26. Verfahren, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozess nach Anspruch 1 und 8 bis 25 durchgeführt wird und nach Anspruch 2 bis 7 umgesetzt wird.
27. Produkte, die nach Anspruch 1 bis 26 getrennt werden.
28. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtrennung des Sumpfproduktes vom Entrainer durch Strippung mit einem Inertgas erfolgt.
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