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JP2005500378A - ジアルキルカーボネートの製造方法、並びにジアリールカーボネート及びポリカーボネートの製造におけるその用途 - Google Patents

ジアルキルカーボネートの製造方法、並びにジアリールカーボネート及びポリカーボネートの製造におけるその用途 Download PDF

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JP2005500378A
JP2005500378A JP2003521187A JP2003521187A JP2005500378A JP 2005500378 A JP2005500378 A JP 2005500378A JP 2003521187 A JP2003521187 A JP 2003521187A JP 2003521187 A JP2003521187 A JP 2003521187A JP 2005500378 A JP2005500378 A JP 2005500378A
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Abstract

【課題】
ジアルキルカーボネート製造プロセスにおいて、塩酸以外追加の腐蝕源を見極め、これを取り除く。
【解決手段】
ジアルキルカーボネート製造装置の下流部分の予想外の腐蝕の原因が、徐々に分解して塩酸を生じるアルキルクロロホルメート不純物であることが判明した。ジアルキルカーボネート合成用の改良された方法及び装置では、装置の耐食性上流部分内でアルキルクロロホルメート不純物を物理的に除去するか又は化学的に分解することによって、腐蝕が低減する。
【選択図】図1

Description

【技術分野】
【0001】
本発明は、ジアルキルカーボネートの製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
ポリカーボネート樹脂は、その物理的性質及び光学的性質が高く評価される有用な材料である。ポリカーボネート樹脂の製造法には界面法と溶融法がある。界面法では、例えばSikdarの米国特許第4360659号に記載されているように、溶媒存在下でビスフェノールをホスゲンと反応させる。溶融法では、例えばFoxの米国特許第3153008号に記載されているように、ビスフェノールをジアリールカーボネートと反応させる。溶融法は、ホスゲンも溶媒も使用しなくて済むので現在のところ好ましい。
【0003】
ポリカーボネート合成に溶融法を用いるには、ジアリールカーボネートの効率的な工業生産プロセスが必要とされる。幾つかのジアリールカーボネート製造方法が知られている。かかる方法の一例は、Illuminati他の米国特許第4182726号に記載されている。この方法では、ジアルキルカーボネートをアリールヒドロキシドと反応させてジアリールカーボネートを製造する(反応式I参照)。
【0004】
【化1】
Figure 2005500378
【0005】
米国特許第4182726号には、ジアリールカーボネートを二価フェノールと反応させるとポリカーボネートを製造できることも記載されている(反応式II参照)。
【0006】
【化2】
Figure 2005500378
【0007】
ジアルキルカーボネートの好ましい製造方法を以下の反応式IIIに示すが、これは、例えばRivetti他の米国特許第5527943号並びにRomano他の同第4218391号及び同第4318862号に記載されている。
【0008】
【化3】
Figure 2005500378
【0009】
米国特許第5527943号(以下‘943特許という。)には、反応式(III)によるジアルキルカーボネート合成プロセスの公知の欠点も記載されている。すなわち、このプロセスでは副生物として水が生成する。また、塩素と銅の望ましいモル比を維持するため、塩酸(HCl)を連続的に反応混合物に添加することがある。従って、反応容器からの排出流には通例HCl、CuCl触媒及び水が認められる。塩酸及び塩化銅は水の存在下で腐食性が非常に高いので、このプロセスでジアルキルカーボネートを合成する化学プラントの反応セクションには、ガラスライニング容器のような耐食性材料で作られた装置を使用しなければならない。耐食性装置は高価であるので、プラントでの使用量をできるだけ減らすことが望まれる。
【0010】
反応式IIIによる典型的なジアルキルカーボネート合成プラントには、原料をジアルキルカーボネートに転化する反応セクションと、未反応モノマー及び副生物からジアルキルカーボネートを単離する分離セクションと、水を除去してジアルキルカーボネートをさらに単離する精製セクションの3つのセクションが含まれることがある。‘943特許には、反応セクション直後のプロセス流からHClを除去することによって、耐食性装置の所要量を最小限にできることが教示されている。これによって、プラントの分離セクション及び精製セクションに高価な耐食性材料を使用する必要がなくなる。‘943特許には、反応で生成した気液混合物をプロセス流体のいずれかからなる液流に暴露することによって、HCl及び存在する可能性のあるハロゲン化銅塩を反応セクション直後の流れから除去することができることも示唆されている。また、‘943特許には、HClの除去前に混合物を再加熱する必要がないように、反応器からの気体状混合物が酸除去セクション前に全く又は無視できる程度にしか凝縮しないように、用いる作業条件を調節するのが好ましいと記載されている(第3欄17〜30行参照)。
【0011】
以上の点から、分離セクション及び精製セクションでの腐蝕を避けるため反応セクション後の流れからHCl及びハロゲン化銅塩を除去するプラントを構築するのが望ましいとされていた。しかし、‘943特許に記載されたものと同様の技術、つまり、向流共沸流体を用いたカラムでの気化原料の処理によって反応混合物からHCl及び銅塩を除去する技術では、下流の分離セクション及び精製セクションでの腐蝕を防ぐことはできなかった。
【特許文献1】
米国特許第4360659号
【特許文献2】
米国特許第3153008号
【特許文献3】
米国特許第4182726号
【特許文献4】
米国特許第5527943号
【特許文献5】
米国特許第4218391号
【特許文献6】
米国特許第4318862号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
そこで、追加の腐蝕源を見極めてこれを取り除くジアルキルカーボネート製造プロセスが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【0013】
従来技術の上記その他の欠点及び短所は、アルカノールと酸素と一酸化炭素と触媒を反応させて、ジアルキルカーボネートとアルキルクロロホルメートと塩酸と水と二酸化炭素と一酸化炭素を含む混合物を生じさせ、この混合物からアルキルクロロホルメートを除去することを含んでなるジアルキルカーボネートの製造方法によって軽減される。
【0014】
鋭意研究を行った結果、本発明者らは、ジアルキルカーボネートの合成では、厄介な腐蝕をもたらすアルキルクロロホルメートが副生物として生成するおそれがあることを見出した。例えば、メタノールと一酸化炭素と酸素とのジメチルカーボネート(以下「DMC」という。)生成反応では、メチルクロロホルメート(以下「MCF」という。)が副生物として生成しかねない。MCFはHCl除去カラムを通過して分離及び精製セクションに入り込み、そこでメタノール及び/又は水と徐々に反応して腐食性HClを生成させるおそれがある。そこで、分離及び精製セクション前にMCFを除去する段階が必要であるとの結論を得た。
【0015】
ジアルキルカーボネートの製造装置を始めとする他の実施形態については後述する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
一実施形態は、アルカノールと酸素と一酸化炭素と触媒を反応させて、ジアルキルカーボネートとアルキルクロロホルメートと塩酸と水と二酸化炭素と一酸化炭素を含む混合物を生じさせ、この混合物からアルキルクロロホルメートを除去することを含む方法である。
【0017】
この方法で用いるアルカノールに特に制限はない。適当なアルカノールには、第一、第二及び第三C1〜C12アルカノールがあるが、第一C1〜C6アルカノールが好ましい。特に好ましいアルカノールには、メタノールがある。
【0018】
酸素はいかなる形態で供給してもよいが、気体の形態が好ましい。適当な酸素源には、例えば、空気、及び約95重量%以上の分子状酸素、好ましくは約99重量%以上の分子状酸素を有する酸素含有ガスがある。適当な酸素含有ガスは、例えば、Air Products社から市販されている。
【0019】
一酸化炭素は、約90重量%以上、好ましくは約95重量%以上、さらに好ましくは約99重量%以上の一酸化炭素を有するガスとして供給される。適当な一酸化炭素含有ガスは、例えば、Air Products社から市販されている。
【0020】
適当な触媒には、鉄、銅、ニッケル、コバルト、亜鉛、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、カドミウム、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、金、水銀など、さらにはこれらの金属を1種以上含む組合せを含むものがある。好ましい触媒は銅を含むものである。特に好ましい触媒は銅と塩素イオンを約0.5〜約1.5のモル比で含む。この範囲内で、約0.8以上のモル比が好ましい。同じくこの範囲内で、約1.2以下のモル比が好ましい。特に好ましい触媒には、塩化第一銅(CuCl)及び塩化第二銅(CuCl2)があるが、塩化第一銅が特に好ましい。プロセスの実施中、塩酸(HCl)の添加によって適当な塩素イオン濃度を維持し得る。
【0021】
図1に、反応セクション20と分離セクション30と精製セクション40とが連結されたジアルキルカーボネートプラント10を示す。図1を参照すると、アルカノールと酸素と一酸化炭素の触媒反応は単一の反応器50で実施してもよいし、2以上の反応器50で実施してもよい。この段階の実施条件は、ジアルキルカーボネートの分解を最小限としつつジアルキルカーボネートの収率が最大となるように選択すべきである。好ましくは、反応は単一の反応器50において約50〜約250℃の温度で実施される。この範囲内で、温度は好ましくは約100℃以上である。同じくこの範囲内で、温度は好ましくは約150℃以下である。反応器50は好ましくは約15〜約35ゲージバール(barg)の圧力に保たれる。この範囲内で、約20barg以上の圧力が好ましい。同じくこの範囲内で、約28barg以下の圧力が好ましい。二反応器系の場合、触媒を槽間で再循環してもよい。触媒濃度は妥当な収率が得られるように十分高くすべきであるが、反応器50内での触媒の固化や装置の目詰まりを引き起こす濃度未満に保つべきである。反応体のアルカノールと酸素と一酸化炭素は好ましくはそれぞれ(約0.5〜約0.7):(約0.04〜約0.06):(約0.8〜約1.2)のモル比で添加される。アルカノール:酸素:一酸化炭素の特に好ましいモル比は(約0.6):(約0.05):(約1)である。
【0022】
反応体に対する触媒の使用量はその触媒の種類に依存する。例えば、触媒がCuClからなる場合、特に好ましい触媒濃度は反応混合物1リットル当たり約140〜約180グラムである。運転中、触媒は最初に触媒槽60から加えることができる。好ましくは、反応中Cu:Clモル比を1.0近くに維持するのに十分なHClを塩酸槽70から反応器50に添加する。好ましくは、HCl濃度を連続的に測定し、HClの添加によって制御する。供給HClと全供給液との典型的な質量比は約6×10-4〜約8×10-4である。
【0023】
この反応で、ジアルキルカーボネートとアルキルクロロホルメートと塩酸と水と二酸化炭素と一酸化炭素を含む混合物が生成する。この混合物は残留メタノール及び酸素だけでなく、各種塩化アルキル及びジアルキルエーテルのような副生物を含んでいることもある。混合物は通例ガス/蒸気形態で反応器50から回収される。「蒸気」という用語は、上記混合物の気体状有機成分(例えば、蒸発したジアルキルカーボネート、アルコール、アルキルクロロホルメートなど)及び水蒸気をいう。すなわち、「蒸気」という用語は、1気圧における沸点が−50℃以上の流体をいう。これに対して、「ガス」という用語は、気体状の酸素、二酸化炭素、一酸化炭素、及び適宜存在し得る窒素を意味する。すなわち、「ガス」という用語は、1気圧における沸点が−50℃未満の流体をいう。蒸気は、少なくとも部分的に凝縮器80で凝縮してもよく、第一の気液分離器90に供給される。この装置は、適宜、単一の気液分離器を用いてもよいし、複数(2以上、好ましくは約5以下)の気液分離器を用いてもよい。第一の気液分離器90は、反応器50の圧力の約10%以内、さらに好ましくは約1%以内の圧力に保たれる。第一の気液分離器90から流出するガスは、例えば過剰の一酸化炭素を再使用するため、再循環してもよい。混合物は第二の気液分離器100に送ってもよく、第二の分離器は好ましくは反応器50の圧力の約20%未満の圧力(例えば、好ましくは3ゲージバール未満、さらに好ましくは約0.2ゲージバール)を有していて、好ましくは混合物中の残留ガスの約90重量%以上、さらに好ましくは95重量%以上を分離する。特に好ましい実施形態では、混合物から実質的にすべてのガスを除去する。第二の気液分離器100から除去された流出ガスも再循環することができる。混合物中の蒸気は、第一の気液分離器90に導入される前に、また第一の気液分離器90と第二の気液分離器100の間で、部分的に凝縮した形態(すなわち、約10%以上凝縮)、さらに好ましくは完全に凝縮した形態(すなわち、約90%以上凝縮)であるのが好ましい。
【0024】
図1に示す実施形態では、第二の気液分離器100から排出される混合物は単一の液相である。第二の気液分離器100の後、混合物は流路110を通過するが、この流路110で混合物からアルキルクロロホルメートが除去される。なお、ある化学種に関して「除去する」及び「除去」という用語は、混合物中のその化学種の濃度を低減するあらゆる化学的又は物理的プロセスを包含する。アルキルクロロホルメートはいかなる方法で凝縮物から除去してもよい。好ましい方法を幾つか挙げると、加熱、加圧、滞留時間の延長、極性溶媒の添加、吸着、膜分離(例えば、気液膜分離)、浸透気化、イオン交換樹脂に流すこと、化学量論試薬への暴露、触媒への暴露など、さらにこれらの技術の1以上を含む組合せがある。好ましい実施形態では、アルキルクロロホルメートは、水との反応(反応式IV参照)又はアルカノールとの反応(反応式V参照)によって混合物から除去される。
【0025】
【化4】
Figure 2005500378
【0026】
また、イオン交換樹脂は設置及び作業が高価であるので、混合物をイオン交換樹脂に流さずにアルキルクロロホルメートを除去するのが好ましいこともある。アルキルクロロホルメートの好ましくは約50パーセント以上、さらに好ましくは約90パーセント以上、さらに一段と好ましくは約95パーセント以上、さらに好ましくは約99パーセント以上を混合物から除去する。一実施形態では、混合物中のアルキルクロロホルメート濃度を好ましくは約500ppm未満、さらに好ましくは約100ppm未満、さらに一段と好ましくは約30ppm未満に低下させる。これらの実施形態のいずれにおいても、ジアルキルカーボネートの除去量は、好ましくは約10%未満、さらに好ましくは約5%未満、さらに一段と好ましくは約1%未満とする。なお、本方法では「ジアルキルカーボネートの約10%未満が除去」されてもよいと記載するが、ジアルキルカーボネートの濃度は低下させる必要はなく、むしろ増大させてもよい。例えば、反応式Vのアルキルクロロホルメートとメタノールとのジアルキルカーボネート生成反応が、他の反応によるジアルキルカーボネートの分解よりも速く進行すれば、ジアルキルカーボネートの濃度は増大する。
【0027】
温度、滞留時間、水濃度、メタノール濃度及び塩酸濃度を始めとする要因を様々に変化させたジメチルカーボネートプロセスの広範な反応速度論の研究の結果、本発明者らは、メチルクロロホルメートの分解速度が次の式(1)で与えられることを見出した。
【0028】
【数1】
Figure 2005500378
【0029】
式中、rMCFは単位体積当たりのメチルクロロホルメート(MCF)のモル数の変化速度であり、[H2O]、[MeOH]、及び[MCF]はそれぞれ単位体積当たりのモル数で表した水、メタノール、及びメチルクロロホルメートの瞬間濃度であり、k1及びk2はそれぞれ以下の式(2)及び(3)に従って温度と共に変化する速度定数である。
【0030】
【数2】
Figure 2005500378
【0031】
【数3】
Figure 2005500378
【0032】
式中、k1 0=2.09×109mL/mol−min、k2 0=4.14×1010mL/mol−minであり、Tはケルビン温度(K)である。
【0033】
多くの場合、水の濃度、メタノールの濃度及び溶液の密度は基本的に一定であると仮定できる。これらの一般的反応速度論的制限の範囲内で、各種プロセス及び装置のタイプについて様々な反応速度論的表現形式を用いることができる。本願で提供する関連化学反応及び速度定数の知識があれば、そうした表現形式は当業者が容易に導くことができる。例えば、回分式プロセスでは、メチルクロロホルメートの分解速度は次の式(4)で示すように滞留時間の関数として表すことができる。
【0034】
【数4】
Figure 2005500378
【0035】
式中、tは分単位で表した滞留時間である。滞留時間tは、平均分子が流路110内で費やす合計時間と定義し得る。回分式プロセスでは、次の式(5)におけるパラメーターXの値が約0.9未満となるように、水濃度([H2O])、メタノール濃度([MeOH])、温度(T)及び滞留時間(t)を含む条件に混合物を維持することによって、約50%以上のメチルクロロホルメートを除去できる。
【0036】
【数5】
Figure 2005500378
【0037】
式中、水の濃度及びメタノールの濃度はモル/ミリリットル単位で表され、温度はケルビン単位で表され、滞留時間は分単位で表される。Xの値は好ましくは約0.5未満、さらに好ましくは約0.2未満、一段と好ましくは約0.1未満、さらに一段と好ましくは約0.05未満、さらに好ましくは約0.01未満である。水の濃度は約0.1〜約50モル/リットル(mol/L)とし得る。この範囲内で、水の濃度は好ましくは約0.5mol/L以上、さらに好ましくは約1mol/L以上である。同じくこの範囲内で、水の濃度は好ましくは約30mol/L以下、さらに好ましくは約20mol/L以下、さらに一段と好ましくは約10mol/L以下、さらに好ましくは約5mol/L以下である。メタノールの濃度は約1〜約25mol/Lとし得る。この範囲内で、メタノールの濃度は好ましくは約5mol/L以上、さらに好ましくは約10mol/L以上である。同じくこの範囲内で、メタノールの濃度は好ましくは約20mol/L以下、さらに好ましくは約18mol/L以下である。滞留時間は約0.5〜約10時間とし得る。この範囲内で、滞留時間は好ましくは約1時間以上、さらに好ましくは約2時間以上である。同じくこの範囲内で、滞留時間は好ましくは約8時間以下、さらに好ましくは約6時間以下である。温度は約30〜約130℃とし得る。この範囲内で、温度は好ましくは約40℃以上、さらに好ましくは約50℃以上、さらに一段と好ましくは約60℃以上である。同じくこの範囲内で、温度は好ましくは約110℃以下、さらに好ましくは約100℃以下、さらに一段と好ましくは約90℃以下である。
【0038】
理想的な定常状態プラグフロー反応器の限界内で、混合物が一定の密度であると仮定すれば、メチルクロロホルメートの分解速度は式(3)で表すことができる。tは滞留時間(分)を表す。
【0039】
理想的な定常状態連続攪拌槽反応器(CSTR)については、メチルクロロホルメートの濃度は次の式(6)で与えられる。
【0040】
【数6】
Figure 2005500378
【0041】
式中、[MCF]t=0はモル/ミリリットル単位で表したメチルクロロホルメートの初期濃度であり、tは分単位の滞留時間であり、kは次の式(7)で与えられる。
【0042】
【数7】
Figure 2005500378
【0043】
式中、k1、k2、[H2O]及び[MeOH]は上記で定義した通りである。
【0044】
その他、回分式反応器に関する実施形態では、混合物からのアルキルクロロホルメートの除去は、次の式(8)で算出されるパラメーターZの値が約5×10-6未満、好ましくは約1×10-6未満、さらに好ましくは約5×10-7未満、さらに一段と好ましくは約5×10-8未満となるように、メチルクロロホルメートの初期濃度([MCF]t=0)、水の濃度([H2O])、メタノールの濃度([MeOH])、温度(T)及び滞留時間(t)を含む条件下に混合物を維持することを含む。
【0045】
【数8】
Figure 2005500378
【0046】
式中、メチルクロロホルメートの初期濃度、水の濃度及びメタノールの濃度はモル/ミリリットル単位で表され、温度はケルビン単位で表され、滞留時間は分単位で表される。この式における温度、滞留時間、メタノール濃度及び水濃度は上記の通りである。メチルクロロホルメートの初期濃度は反応器条件に依存するが、通例約5×10-3〜約5×10-1モル/リットルである。この範囲内で、メチルクロロホルメートの初期濃度は約1×10-2モル/リットル以上とし得る。同じくこの範囲内で、メチルクロロホルメートの初期濃度は約1×10-1モル/リットル以下とし得る。
【0047】
回分式反応器に関する好ましい実施形態では、アルキルクロロホルメートの除去は、次の式(9)で算出されるパラメーターXの値が約0.9未満となり、式(10)で算出されるパラメーターYの値が約0.9以上の値となるように、初期ジメチルカーボネート濃度([DMC]t=0)、初期水濃度([H2O]t=0)、初期メタノール濃度([MeOH]t=0)、初期塩酸濃度([HCl]t=0)、温度(T)及び滞留時間(t)を含む条件に混合物を付すことを含む。
【0048】
【数9】
Figure 2005500378
【0049】
【数10】
Figure 2005500378
【0050】
式中、初期ジメチルカーボネート濃度、初期水濃度、初期メタノール濃度、及び初期塩酸濃度はモル/ミリリットル単位で表され、温度はケルビン単位で表され、滞留時間は分単位で表される。Yの値は好ましくは約0.95以上、さらに好ましくは約0.99以上である。反応混合物中の水、メタノール、塩酸及びジメチルカーボネートの初期濃度を求めるのに適した分析技術は当技術分野で周知である。「初期濃度」という用語は、アルキルクロロホルメートを意図的に除去する前の化学種の濃度をいう。水及びメタノールの初期濃度は上述の水及びメタノールの濃度と同じである(典型的な反応条件下では、水及びメタノールの濃度は高く、アルキルクロロホルメートの除去の間基本的に一定である。)。初期ジメチルカーボネート濃度は約0.5〜約10mol/Lとし得る。この範囲内で、初期ジメチルカーボネート濃度は好ましくは約1mol/L以上、さらに好ましくは約2mol/L以上である。同じくこの範囲内で、初期ジメチルカーボネート濃度は好ましくは約8mol/L以下、さらに好ましくは約6mol/L以下である。混合物中のHCl濃度は、用いる触媒の種類と濃度に依存する。初期塩酸濃度は触媒の種類と量に依存するが、通例約1×10-3〜約2×10-1モル/リットルである。この範囲内で、初期塩酸濃度は好ましくは約5×10-3以上、さらに好ましくは約1×10-2mol/L以上である。同じくこの範囲内で、初期塩酸濃度は好ましくは約1×10-1以下、さらに好ましくは約7×10-2mol/L以下である。
【0051】
本方法は、例えば、回分法、半回分法又は連続法で実施し得る。
【0052】
図1に示す実施形態では、混合物を第一の熱交換器140に通して混合物の温度を約30〜約130℃に調節する。この範囲内で、温度は好ましくは約40℃以上、さらに好ましくは約50℃以上である。同じくこの範囲内で、温度は好ましくは約80℃以下、さらに好ましくは約70℃以下である。「熱交換器」という用語は、典型的には、熱エネルギー源(例えば、スチーム)と低温の化学反応流との熱交換によって化学反応流を加熱するための周知の装置をいうが、その他のタイプの同様のヒーター(例えば、電気ヒーター)も包含される。凝縮物は流路110へと進むが、この流路110は、ジアルキルカーボネートの分解を最小限に抑制しつつアルキルクロロホルメートの分解を最大にする条件下で混合物の滞留時間を延ばす働きをする。好ましくは、凝縮物は流路110内で完全に凝縮したまま残る。このプロセスで用いる条件下では少なくとも何種類かのアルキルクロロホルメート(例えば、メチルクロロホルメート)は液相よりも蒸気相の方が安定であるので、凝縮物を完全に凝縮した状態に保つのが望ましい。
【0053】
流路110内の滞留時間及び温度は、下流での腐蝕を防ぐためアルキルクロロホルメートを十分に除去するのに足るものとするのが好ましいが、所望のジアルキルカーボネート生成物の生産性及び収率の不必要な低下を招くほど過度にすべきではない。図2に、比較プロセスの代表的なプロセス図の略図を示す。このプロセスでは、混合物は第一の気液分離器90から直接第一の熱交換器140へと流れ、次いで酸除去カラム160に流れる。流路110の3通りの実施形態を図3、図4及び図5に示す。好ましい実施形態では、アルキルクロロホルメートの約50%以上、さらに好ましくは80%以上が除去される。特に好ましい実施形態では、アルキルクロロホルメート濃度は、アルキルクロロホルメート除去後の混合物の総重量を基準にして約500重量ppm未満、さらに好ましくは約100重量ppm未満、さらに一段と好ましくは約30重量ppm未満に低下する。流路110は、好ましくは、反応器50と酸除去カラム160の間の合計滞留時間が約0.5〜約10時間となるように選択される。この範囲内で、滞留時間は好ましくは約1時間以上、さらに好ましくは約2時間以上である。同じくこの範囲内で、滞留時間は好ましくは約8時間以下、さらに好ましくは約7時間以下である。
【0054】
図3に示す実施形態では、流路110は2つの保持容器120を有する。これらの保持容器120は、例えば、混合物を約55℃の温度に約2時間維持し得る。好ましくは、各保持容器120は、5未満、好ましくは約2未満の長さ対容積比(L/V)を有する。この図では、2つの保持容器120を示したが、流路110内の保持容器120の数に特に制限はない。2以上の保持容器120を使用するのが好ましく、3、4、5、6又はそれ以上の保持容器120を有する構成も好ましい。
【0055】
図4に示す別の実施形態では、流路110は4つの保持容器120を有する。これらの保持容器120は、例えば、混合物を約70℃の温度に約4時間維持し得る。好ましくは、各保持容器120は、5未満、好ましくは約2未満の長さ対容積比(L/V)を有する。
【0056】
図5に示すさらに別の実施形態では、流路110はL/V比が5以上、好ましくは約10以上の部分を有する。便宜上、この部分は管状部分130ということができる。かかるL/V>5の管状部分130は、流路110を流れる混合物のプラグフローを促して、アルキルクロロホルメート除去のための滞留時間を効率的に利用できる。この実施形態では、混合物は、流路110内で費やす合計滞留時間の約50%以上、さらに好ましくは流路110内で費やす合計滞留時間の約80%以上の期間、L/V>5の1以上の狭い部分に存在するのが好ましい。
【0057】
再び図1を参照すると、流路110を出た後混合物は、適宜、混合物の少なくとも一部を気化させるため第二の熱交換器150に通してもよい。第二の熱交換器150は10分未満の滞留時間を有し得る。この気化段階は、凝縮混合物に加わる圧力を低下させる(例えば、凝縮物を比較的低圧に保った酸除去カラム160に通す)ことによって、熱交換器を用いずに実施することもできる。気化した混合物は、適宜、HCl除去処理してもよく、好ましくは酸除去カラム160に注入される。酸除去カラム160は、除去しなければ下流の腐蝕を起こしかねない随伴触媒(CuClなど)の除去にも役立つ。酸除去カラム160において、気化した凝縮物は、好ましくは、向流液体ライン170によってカラム上方(例えば、上方から1/3の地点)に供給される向流液と遭遇させてもよい。向流液は残留HClその他の反応体をトラップするが、これを酸除去カラム160の底部から取り出して反応器50に再循環すればよい。ジアルキルカーボネート混合物は酸カラム160の頂部から取り出し、適宜、共沸カラム180に通してもよい。図6に示すように、イオン交換樹脂床190を、酸除去カラム160の後その他酸除去カラム160の下流の任意の地点に適宜設けてもよい。精製セクション40でジアルキルカーボネート生成物流から水を除去し後で適宜イオン交換樹脂床190を設けるのが好都合なこともある。好ましい実施形態では、本装置はイオン交換樹脂床190を含まない。
【0058】
好ましい実施形態では、本方法では、混合物中の塩酸濃度を、塩酸除去後の組成物全体を基準にして約1×10-3mol/L未満、さらに好ましくは約5×10-4mol/L未満、さらに一段と好ましくは約1×10-4mol/L未満に低下させる。
【0059】
好ましい実施形態では、分離セクション30のうち共沸カラム180よりも下流の部分、及び精製セクション40は耐食性である必要はない。共沸カラム180よりも上流の装置は好ましくは耐食性であり、例えばガラスライニングしたものでもよい。「耐食性」という用語は、比較的短期間(例えば、6ヶ月)実質的に腐蝕を起こさずに約50〜約135℃の温度で反応混合物中500ppmのHCl含量に耐え得る材料を意味する。ガラスライニング容器、貴金属(例えば、タンタル)ライニング容器、及びHASTELLOY(登録商標)やCHROMALLOY(登録商標)のような特殊鋼は耐食性材料と考えられるが、耐食性を高めるための改質処理を行っていない通常のステンレス鋼は耐食性とはみなさない。共沸カラム180は、少なくとも部分的に耐食性金属から製造することができる。好ましい実施形態では、共沸カラム180の底部は耐食性鋼から製造し得るが、カラムの頂部は通常のステンレス鋼であってもよい。
【0060】
図1及び図3〜6に示す実施形態の装置では、アルキルクロロホルメートは流路110内で除去される。
【0061】
図7に示す別の実施形態の装置では、混合物は、アルキルクロロホルメートの除去に十分な滞留時間十分な温度で気液分離容器90及び100内に存在する。換言すれば、流路110は気液分離容器90及び100を備える。例えば、混合物は水及びメタノールとの反応によって実質的に分解されるように気液分離容器内で凝縮相に留まる。この実施形態では、第一の熱交換器140及び保持容器120は不要である。
【0062】
図8に示すさらに別の実施形態では、アルキルクロロホルメートは、気液分離容器90及び100の前の流路110内で除去される。この実施形態では、気液分離容器90及び100の上流で、アルキルクロロホルメートを除去するための上記技術のいずれかを用いればよい。
【0063】
図9に示す別の実施形態の装置では、アルキルクロロホルメートの除去前に混合物から塩酸を除去してもよい。この実施形態では、アルキルクロロホルメートは液相ではなく蒸気で除去し得る。例えば、図9を参照すると、流路110は共沸カラム180の後にあってもよく、例えば、共沸カラム蒸気流出ライン210に挿入してもよい。この実施形態では、図3に示す第一の熱交換器140及び保持容器120を省略してもよい。この実施形態では、流路110は好ましくは蒸気相からアルキルクロロホルメートを除去するのに適した装置(例えば、イオン交換樹脂、吸収床、蒸気相膜など)からなるものでよく、アルキルクロロホルメートを凝縮させる必要はない。
【0064】
ある好ましい実施形態は、アルカノールと酸素と一酸化炭素と触媒を反応させて、ジアルキルカーボネートとアルキルクロロホルメートと塩酸と水と二酸化炭素と一酸化炭素を含む混合物を生じさせ、この混合物を約1〜約10時間の滞留時間約50〜約80℃の温度で流路110に通すことを含んでなるジアルキルカーボネートの製造方法である。
【0065】
別の好ましい実施形態は、アルカノールと酸素と一酸化炭素と触媒を反応させて、ジアルキルカーボネートとアルキルクロロホルメートと塩酸と水と二酸化炭素と一酸化炭素を含む混合物を生成させる手段と、この混合物からアルキルクロロホルメートを除去する手段とを含んでなるジアルキルカーボネートの製造装置である。
【0066】
別の好ましい実施形態は、アルカノールと酸素と一酸化炭素と触媒を反応させて、ジアルキルカーボネートとアルキルクロロホルメートと塩酸と水と二酸化炭素を含む混合物を生成させる反応器と、アルキルクロロホルメートを除去する流路110とを含んでなるジアルキルカーボネートの製造装置である。
【0067】
本方法で製造されるジアルキルカーボネートはジアリールカーボネートの製造に有用である。例えば、ジアルキルカーボネートとアリールヒドロキシドとの反応(反応式I参照)によってジアリールカーボネートを製造できる。ジアリールカーボネートを二価フェノールと反応させればポリカーボネートを製造することができる(反応式II参照)。例えば、本方法で製造したジメチルカーボネートをフェノキシドと反応させてジフェニルカーボネートを生成させ、次にこれをビスフェノールAと反応させればポリカーボネートを製造することができる。
【実施例】
【0068】
以下の非限定な実施例によって、本発明をさらに説明する。
【0069】
実施例1
図2に模式的に示すプラントを建設し、これを稼働してジメチルカーボネートを製造した。共沸カラム180内及びその下流で腐蝕損傷が観察された。広範な実験の結果、この腐蝕損傷は酸分離カラムを通り抜けたメチルクロロホルメートに起因するとの結論を得た。具体的には、共沸カラム180内でメチルクロロホルメートが300重量ppmの濃度で存在していることが判明した。
【0070】
実施例2〜5
4通りの異なる条件下でメチルクロロホルメートの分解動力学を検討した。試料中のメチルクロロホルメートの測定手順は次の通りであった。実施例2では、32ミリリットル(mL)のジメチルカーボネート、50mgのビフェニル内部標準を含有する10mLのジメチルカーボネート、63mLのメタノール及び5mlの水を、温度計、凝縮器及び試料採取口を備えた250mLのフラスコに加えた。(メタノール/水溶液の代わりにトルエンを使用してもよい)。得られた均一な溶液を油浴に入れて、溶液の温度を50℃の恒温に保った。時間ゼロで、81.7マイクロリットルの純メチルクロロホルメートを溶液に加えた(重量基準で1000ppm)。様々な時間間隔で試料を採取し、試料中のメチルクロロホルメートをジイソブチルアミンと反応させてメチルクロロホルメートをN,N′−ジイソブチルメチルカルバメートに転化することによって失活させた。次に、標準硝酸銀溶液を用いた滴定によってN,N′−ジイソブチルメチルカルバメート量を分析してイオン性塩化物の存在量を定量した。元の試料のイオン性塩化物を分析することによて、メチルクロロホルメートの量を求めることができた。誘導体化に際して1当量のメチルクロロホルメート毎に1当量のイオン性塩化物が放出されるので、塩化物濃度の差がメチルクロロホルメートの濃度に等しい。また、内部標準を用いたN,N′−ジイソブチルメチルカルバメートの直接分析にガスクロマトグラフィーを用いることもできる。
【0071】
以下の表Iに、様々な条件について、50℃で観察された分解速度定数(k)を示す。実施例2は上述の事例に該当する。実施例3では、実際の反応混合物中に概ね存在する塩酸を加えた。実施例4では、少量の重炭酸ナトリウムの影響を試験した。実施例5では、ジメチルカーボネートとメタノール比を一定に保ったが、水の量を5%から10%に増した。結果を表Iにまとめる。
【0072】
【表1】
Figure 2005500378
【0073】
時間に対するメチルクロロホルメート濃度の対数プロットは直線であり、擬1次反応速度モデルに合致した。この挙動は塩酸存在下でも観察され、この方法は個々の試料中のメチルクロロホルメート濃度の測定に用いることができる。実施例2と実施例5を対比すると、水分量が2倍異なる試料を分析しても速度係数kにはわずかな変化しか観察されないことが分かる。実施例2と実施例3を対比すると、意外にも、観察されたメチルクロロホルメートの分解速度にHClの添加が影響しなかったことが分かる。実施例2と実施例4を対比すると、少量の塩基でも10倍以上反応速度を増大させたことが分かる。ただし、実際問題として、強い塩基性条件はジメチルカーボネートの分解速度も増大しかねないので、かかる条件は避けるのが望ましいと思われる。
【0074】
実施例6、比較例1
これらの実験は、プラントの下流部での反応によってHClを生成しかねないメチルクロロホルメートの濃度の低減に流路110が有効であることを示す。図1を参照すると、第一の熱交換器140及び2つの保持容器120をもつ構成(すなわち、図3に相当する構成)を有するジメチルカーボネートプラントの異なる箇所でプロセス流体の試料を採取して2つの試料を得た。第一の試料(比較例1)は第一の熱交換器140の直前で採取した。第二の試料(実施例6)は第二の保持容器120の後(すなわち、流路110の後)で採取した。各試料を研究室に送り、その塩化物含量を試料採取からの経過時間の関数として求めた。結果を表IIに示す。実施例6のデータは塩素イオンレベルがほぼ一定しており、メチルクロロホルメートのような不安定塩化物生成化学種が試料中に存在しないことを示している。対照的に、比較例1のデータは塩化物レベルが経時的に増大することを示しており、初期試料中にメチルクロロホルメートが存在し、時間経過と共に分解して追加の塩素イオンを生じることを示している。このように、データは総合的に、流路110が存在しないと、プラントの下流部(酸除去カラム160の後)でかなりの塩化物が生成し、腐蝕を起こすおそれがあるのに対して、流路110が存在すると、酸除去カラム160の前でアルキルクロロホルメートの塩素イオンへの分解に有効で、下流での腐蝕が防止されることを示している。
【0075】
【表2】
Figure 2005500378
【0076】
実施例7、比較例2
比較例2では、図2に模式的に示すジメチルカーボネートプラントを、以下の表IIIに記載の条件に従って運転した。このプラントは、第一の熱交換器140と流路110がないことを除いては、図1に詳細に示したものと同様である。共沸カラム180内及びその下流で腐蝕が観察された。次に、このプラントを変更して第一の熱交換器140を設け、さらに2つの保持容器120を加えて滞留時間を増大させた(すなわち、図3の構成)。図10に、共沸カラム180の底部から採取した試料で観察された残留イオン性塩化物の経時的測定値を、図2と図3の構成を対比して示す。残留塩化物は、前述の通り硝酸銀溶液を用いた滴定によって測定した。図2の構成のデータは塩化物の平均が671ppmで、標準偏差が370ppmであるが、図3の構成のデータは塩化物の平均が35ppmで、標準偏差が25ppmである。すなわち、これらのデータは、図2の構成に比べ、図3の構成では塩化物レベルが劇的に低下することを示している。こうした低下は、70℃で4時間の滞留時間が得られるように4つの保持容器120を用いた図4及び図6の構成では一段と大きくなると予測される。図11は、図3の構成の流路110に出入するメチルクロロホルメート濃度の測定値を示す。換言すれば、図11において「+」で表され、「相0への供給MCF」と表示したデータ点は流路110に流入する混合物についての測定値に該当し、平均値は930重量ppm(ppmw)、標準偏差は412ppmwである。また、「■」で表され、「相0から出るMCF」と表示したデータ点は流路110から排出される混合物についての測定値に該当し、平均値は45ppmw、標準偏差は77ppmwである。これらのデータは、明らかに、図3の装置がプロセス流のメチルクロロホルメート濃度を劇的に低下させるのに有効であることを示している。
【0077】
【表3】
Figure 2005500378
【0078】
【表4】
Figure 2005500378
【0079】
以上、好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、当業者には、本発明の技術的範囲から逸脱せずに、様々な変更を加えたり、その構成要素を均等物で置換できることが明らかであろう。さらに、本発明の要旨から逸脱せずに、特定の状況や材料を本発明の教示に適合させるべく多数の改変を加えることもできる。したがって、本発明は、本発明を実施する最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。
【0080】
本明細書中で特に定義を設けていない場合、本明細書中の技術用語の解釈はGrant and Hach’s Chemical Dictionary、5th ed.、McGraw−Hill、Inc.に従う。
【0081】
本明細書中で引用した特許その他の文献の開示内容は援用によって本明細書の開示内容の一部をなす。
【図面の簡単な説明】
【0082】
【図1】第一の実施形態の装置の線図である。
【図2】腐蝕を起こし易い比較装置の簡略化した線図である。
【図3】流路110が2つの保持容器120を備える実施形態の装置の簡略化した線図である。
【図4】流路110が4つの保持容器120を備える実施形態の装置の簡略化した線図である。
【図5】流路110が管状部分130を備える実施形態の装置の簡略化した線図である。
【図6】イオン交換樹脂床190を備える実施形態の装置の簡略化した線図である。
【図7】流路110が第一の気液分離器90及び第二の気液分離器100を備える実施形態の装置の簡略化した線図である。
【図8】流路110が第一の気液分離器90の前にある実施形態の装置の簡略化した線図である。
【図9】流路110が共沸カラム180の後にある実施形態の装置の簡略化した線図である。
【図10】共沸カラム180底部の塩化物濃度を装置のタイプ(図2及び図3)及び時間の関数としてプロットしたグラフである。
【図11】図3に対応する装置について、流路110に出入するメチルクロロホルメート濃度を時間の関数としてプロットしたグラフである。
【符号の説明】
【0083】
10 ジアルキルカーボネートプラント
20 反応セクション
30 分離セクション
40 精製セクション
50 反応器
60 触媒槽
80 凝縮器
90 第一の気液分離器
100 第二の気液分離器
110 流路
120 保持容器
130 管状部分
140 第一の熱交換器
150 第二の熱交換器
160 酸除去カラム
180 共沸カラム
190 イオン交換樹脂床

Claims (42)

  1. アルカノールと酸素と一酸化炭素と触媒を反応させて、ジアルキルカーボネートとアルキルクロロホルメートと塩酸と水と二酸化炭素と一酸化炭素を含む混合物を生じさせ、
    上記混合物からアルキルクロロホルメートを除去する
    ことを含んでなるジアルキルカーボネートの製造方法。
  2. アルカノールがC1〜C12アルカノールを含む、請求項1記載の方法。
  3. アルカノールがC1〜C6第一アルカノールを含む、請求項1記載の方法。
  4. アルカノールがメタノールを含む、請求項1記載の方法。
  5. アルカノールと酸素と一酸化炭素を(アルカノール約0.5〜約0.7):(酸素約0.04〜約0.06):(一酸化炭素約0.8〜約1.2)のモル比で反応させる、請求項1記載の方法。
  6. 前記触媒が、鉄、銅、ニッケル、コバルト、亜鉛、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、カドミウム、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、金、水銀、及び以上の金属を1種以上含む組合せからなる群から選択される金属を含む、請求項1記載の方法。
  7. 前記触媒が銅を含む、請求項1記載の方法。
  8. 前記触媒が塩素イオンを含む、請求項1記載の方法。
  9. 前記触媒がモル比約0.5〜約1.5の塩素イオンと銅を含む、請求項1記載の方法。
  10. 反応が単一の反応器50で実施される、請求項1記載の方法。
  11. 反応が耐食性反応器50で実施される、請求項1記載の方法。
  12. さらに、混合物から二酸化炭素及び一酸化炭素を除去することを含む、請求項1記載の方法。
  13. 二酸化炭素の約90%以上及び一酸化炭素の約90%以上を混合物から除去する、請求項12記載の方法。
  14. 二酸化炭素及び一酸化炭素の除去が、混合物を複数の気液分離容器に通すことを含む、請求項12記載の方法。
  15. 反応を第一の圧力で行い、複数の気液分離容器が、第一の圧力の約10%以内の圧力を有する第一の気液分離容器、及び第一の圧力の約20%未満の圧力を有する第二の気液分離容器を含んでなる、請求項14記載の方法。
  16. アルキルクロロホルメートの約80%以上を混合物から除去する、請求項1記載の方法。
  17. アルキルクロロホルメートの約90%以上を混合物から除去する、請求項1記載の方法。
  18. アルキルクロロホルメートの約95%以上を混合物から除去する、請求項1記載の方法。
  19. アルキルクロロホルメートの約99%以上を混合物から除去する、請求項1記載の方法。
  20. アルキルクロロホルメートの除去が、約5%未満のジアルキルカーボネートを除去することを含む、請求項1記載の方法。
  21. アルキルクロロホルメートの除去が、約1%未満のジアルキルカーボネートを除去することを含む、請求項1記載の方法。
  22. アルキルクロロホルメートの除去が、アルキルクロロホルメートの濃度を約500重量ppm未満に低下させることを含む、請求項1記載の方法。
  23. アルキルクロロホルメートの除去が、アルキルクロロホルメートの濃度を約100重量ppm未満に低下させることを含む、請求項1記載の方法。
  24. アルキルクロロホルメートの除去が、アルキルクロロホルメートの濃度を約30重量ppm未満に低下させることを含む、請求項1記載の方法。
  25. アルキルクロロホルメートの除去が、加熱、加圧、滞留時間の延長、極性溶媒の添加、吸着、膜分離、浸透気化、イオン交換樹脂に流すこと、化学量論試薬への暴露、触媒への暴露、及び以上の技術を1種以上含む組合せからなる群から選択される1種以上の技術を利用することを含む、請求項1記載の方法。
  26. さらに、塩酸を除去することを含む、請求項1記載の方法。
  27. 塩酸の除去が、塩酸濃度を約1×10-3モル/リットル未満に低下させることを含む、請求項26記載の方法。
  28. さらに、塩酸を除去する前に混合物を気化させることを含む、請求項26記載の方法。
  29. 気化が、混合物の加熱又は混合物に加わる圧力の低下のいずれか又はその両方を含む、請求項28記載の方法。
  30. 塩酸の除去が、混合物を酸除去カラム160に通すことを含む、請求項26記載の方法。
  31. 塩酸の除去が、混合物を酸除去カラム160及びイオン交換樹脂に通すことを含む、請求項26記載の方法。
  32. 当該方法が連続的に実施される、請求項1記載の方法。
  33. アルカノールと酸素と一酸化炭素と触媒を反応させて、ジアルキルカーボネートとアルキルクロロホルメートと塩酸と水と二酸化炭素と一酸化炭素を含む混合物を生じさせ、
    ジアルキルカーボネートの除去量を約10%未満としながら、混合物中のアルキルクロロホルメートの濃度を約500重量ppm未満に低下させ、
    上記混合物から塩酸を除去する
    ことを含んでなるジアルキルカーボネートの製造方法。
  34. アルカノールと酸素と一酸化炭素と触媒を反応させて、ジアルキルカーボネートとアルキルクロロホルメートと塩酸と水と二酸化炭素と一酸化炭素を含む第一の混合物を生じさせ、
    第一の混合物からアルキルクロロホルメートを除去して第二の混合物を生じさせ、
    第二の混合物から塩酸を除去する
    ことを含んでなるジアルキルカーボネートの製造方法。
  35. 第一の混合物が、ジアルキルカーボネート蒸気及びアルキルクロロホルメート蒸気を含む、請求項34記載の方法。
  36. さらに、ジアルキルカーボネート蒸気及びアルキルクロロホルメート蒸気を凝縮させる、請求項35記載の方法。
  37. ジアルキルカーボネート蒸気及びアルキルクロロホルメート蒸気の凝縮によって単一の液相を生じさせる、請求項36記載の方法。
  38. アルキルクロロホルメートの除去が、1以上の気液分離器を使用することを含む、請求項34記載の方法。
  39. アルカノールと酸素と一酸化炭素と触媒を反応させて、ジアルキルカーボネートとアルキルクロロホルメートと塩酸と水と二酸化炭素と一酸化炭素を含む第一の混合物を生じさせ、
    第一の混合物から塩酸を除去して第二の混合物を生じさせ、
    第二の混合物からアルキルクロロホルメートを除去する
    ことを含んでなるジアルキルカーボネートの製造方法。
  40. メタノールと酸素と一酸化炭素と銅触媒を混合して、ジメチルカーボネート蒸気とメチルクロロホルメート蒸気と塩酸と水と二酸化炭素と一酸化炭素を含む第一の混合物を生じさせ、
    第一の混合物から二酸化炭素の一部及び一酸化炭素の一部を除去して第二の混合物を生じさせ、
    ジアルキルカーボネート蒸気及びアルキルクロロホルメート蒸気を少なくとも部分的に凝縮させて第三の混合物を生じさせ、
    第三の混合物からメチルクロロホルメートの約90%以上及びジメチルカーボネートの約1%未満を除去して第四の混合物を生じさせ、
    第四の混合物から塩酸を除去する
    ことを含んでなるジメチルカーボネートの製造方法。
  41. ジアルキルカーボネートをアリールヒドロキシドと反応させることを含んでなるジアリールカーボネートの製造方法であって、ジアルキルカーボネートを請求項1記載の方法で製造する、方法。
  42. ジアリールカーボネートを二価フェノールと反応させることを含んでなるポリカーボネートの製造方法であって、ジアリールカーボネートを請求項41記載の方法で製造する、方法。
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