Способ получения N-(2-гидроксиалкил)пиперазина

Изобретение относится к улучшенному способу получения N-(2-гидроксиалкил)пиперазина алкоксилированием пиперазина в присутствии комплексного растворителя.

Способ позволяет упростить систему разделения компонентов реакционной массы, снизить энергоемкость производства и увеличить удельную производительность при сохранении высокой селективности процесса.

Производимый по предлагаемому способу N-(2-гидроксиалкил)пиперазин может найти применение в качестве сырья для производства фармацевтических препаратов, компонента поверхностно-активных веществ и абсорбентов для очистки углеводородных газов от кислых примесей: сероводорода, оксида и сульфоксида углевода, меркаптанов.

Известны способы получения N-(2-гидроксиалкил)пиперазина путем циклизации этаноламинов (моно-, ди- или триэтаноламина и/или их смесей) при повышенной температуре и давлении в присутствии водорода и аммиака и гетерогенного катализатора (US 5455352 A, US 4338443 A, US 4328370 A).

Известны способы получения N-(2-гидроксиалкил)пиперазина путем циклизации алкиленгликолей при повышенной температуре и давлении в присутствии водорода и аммиака и гетерогенного катализатора (US 4709034 A, ЕР 0636617 А2).

Известен способ совместного получения пиперазина и N-(2-гидроксиалкил)пиперазина путем последовательных реакций алкоксилирования этилендиамина и циклизации получаемого продукта при повышенной температуре и давлении в присутствии водорода и аммиака и гетерогенного катализатора (US 6013801 А).

Недостатком этих заявленных способов является низкий выход N-(2-гидроксиалкил)пиперазина в следствие образования ряда побочных продуктов, разделение которых представляет сложную задачу.

Наиболее близким к предложенному является известный способ получения N-(2-гидроксиалкил)пиперазина (US 2541260 A).

В этом способе N-(2-гидроксиалкил)пиперазин получают алкоксилированием пиперазина в присутствии растворителя - метанола. Недостатком заявленного способа помимо большого расхода растворителя являются технические сложности, возникающие при разделении компонентов реакционной смеси, а именно - выделения избытка пиперазина. Указанные затруднения связаны с кристаллизацией чистого пиперазина на контактных устройствах в аппаратах разделения, что требует применения специальных технологических решений, приводящих к увеличению капитальных и эксплуатационных затрат.

Задача данного изобретения заключается в подборе комплексного растворителя, который в условиях проведения технологического процесса получения N-(2-гидроксиалкил)пиперазина на всех стадиях обеспечит пребывание пиперазина в жидком состоянии. Комплексный растворитель должен удовлетворять следующим требованиям:

1. компоненты комплексного растворителя не должны расходоваться в условиях алкоксилирования пиперазина;

2. по крайней мере один из компонентов комплексного растворителя должен содержать по крайней мере одну гидроксилсодержащую функциональную группу, выступающую катализатором реакции алкоксилирования пиперазина;

3. комплексный растворитель должен обеспечивать растворение пиперазина на всех стадиях процесса;

4. по крайней мере один из компонентов комплексного растворителя должен иметь летучесть выше пиперазина в условиях разделения компонентов реакционной смеси (далее - «первый компонент»);

5. по крайней мере один из компонентов комплексного растворителя должен иметь летучесть ниже пиперазина, но выше N-(2-гидроксиалкил)пиперазина в условиях разделения компонентов реакционной смеси (далее - «второй компонент»).

Для решения этой задачи предложен комплексный растворитель, содержащий по крайней мере два компонента общей формулы

где R¹, R⁴=Н или углеводородный радикал С_1-4; R², R³=Н или углеводородный радикал C_1-2, n=0-2. Первый компонент может быть выбран из ряда вода, метанол, этанол, пропанол (нормального и изостроения), бутанол (нормального и изостроения), метилцеллозольв, этилцеллозольв и их смесей, но не ограничен им. Второй компонент может быть выбран из ряда метилкарбитол, этилкарбитол, этиленгликоль, пропиленгликоль, их смесей, но не ограничен им.

Массовое соотношение первого и второго компонентов в комплексном растворителе может находиться в интервале от 1/99 до 99/1, наиболее оптимально от 10/90 до 50/50. Массовое соотношение комплексного растворителя к пиперазину при алкоксилировании может находиться в интервале от 10/90 до 90/10, наиболее оптимально от 30/70 до 50/50.

Совокупность отличительных признаков заявленного способа влияет на физико-химические свойства потоков, образующихся в процессе получения N-(2-гидроксиалкил)пиперазина алкоксилированием пиперазина, и приводит к исключению возможности образования кристаллического пиперазина в аппаратах разделения компонентов реакционной смеси и снижению удельных энергетических затрат, что делает стадию отгонки пиперазина значительно более технологичной, безопасной и экономичной.

Сущность изобретения иллюстрируется приведенными ниже примерами.

Пример 1.

В автоклав из нержавеющей стали, снабженный перемешивающим устройством, термометром, манометром и сифоном для подачи оксида этилена и рубашкой для подачи теплоносителя, загружают 500 мас. ч. пиперазина, 148 мас. ч. метилцеллозольва, 344 мас. ч. метилкарбитола, после чего аппарат продувают трехкратным количеством азота и герметизируют. При перемешивании смесь нагревают до 80°С, выдерживают в течение 15 мин и начинают дозировать оксид этилена (82,8 мас. ч.) в течение 30 мин (температура в автоклаве поддерживается в интервале 80±2°С). После окончания дозирования оксида этилена смесь выдерживается в течение 1 ч при температуре 80±2°С. После выдержки реакционная масса подвергается разделению в системе из двух ректификационных колонн. Состав реакционной смеси (% мас.): пиперазин - 32,6; метилцеллозольв - 13,7; метилкарбитол - 31,8; N-(2-гидроксиэтил)пиперазин - 19,1; N,N'-бис-(2-гидроксиэтил)пиперазин - 2,8. Температура начала кристаллизации 40°С.

В первой ректификационной колонне производится отгонка пиперазина в комплексном растворителе под вакуумом (остаточное давление в верхней части - 8 кПа, в кипятильнике - 14 кПа, температура в кипятильнике не более 170°С). Состав дистиллята (% мас.) пиперазин - 41,7, метилцеллозольв - 17,6, метилкарбитол - 40,7). Температура верха колонны - 100°С, температура хладагента в конденсаторе - 60°С, температура начала кристаллизации - 55°С.

Во второй ректификационной колонне производится выделение целевого продукта. Концентрация пиперазина в дистилляте менее 0,1%, кристаллизация пиперазина не происходит.

При таком режиме разделения реакционной смеси не возникают условия для кристаллизации пиперазина.

Энергетические затраты на стадии разделения составляют 1,4 Гкал на 1 т N-(2-гидроксиэтил)пиперазина.

Пример 2 (прототип).

N-(2-гидроксиэтил)пиперазин получают аналогично примеру 1 с той разницей, что в качестве растворителя используется 500 мас. ч. метанола.

Состав реакционной смеси (% мас.): пиперазин - 32,6; метанол - 45,7; N-(2-гидроксиэтил)пиперазин - 19,1; N,N'-бис-(2-гидроксиэтил)пиперазин - 2,8. Температура начала кристаллизации 35°С.

В первой ректификационной колонне производится отгонка пиперазина в метаноле под вакуумом (остаточное давление в верхней части - 8 кПа, в кипятильнике - 14 кПа, температура в кипятильнике не более 170°С). Во избежание кристаллизации пиперазина на контактных устройствах в отгонной секции под нижнюю тарелку подается метанол. Состав дистиллята (% мас.) пиперазин - 26,3, метанол - 73,7. Температура верха колонны - 14°С, температура хладагента в конденсаторе - минус 5°С, температура начала кристаллизации -минус 7°С.

Балансовое количество метанола отгоняется на второй ректификационной колонне.

В третьей ректификационной колонне производится выделение целевого продукта. Концентрация пиперазина в дистилляте менее 0,1%, кристаллизация пиперазина не происходит.

В первой ректификационной колонне возможно образование кристаллического пиперазина в конденсаторе и на контактных устройствах в отгонной секции.

Энергетические затраты на стадии разделения составляют 2,7 Гкал на 1 т N-(2-гидроксиэтил)пиперазина.