Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von wasserfreien zyklischen Formalen.

Zyklische Formale lassen sich durch säurekatalysierte Reaktion von zweiwertigen Alkoholen (Di-Alkoholen) und Formaldehyd herstellen. Das technisch wichtigste zyklische Formal ist 1 ,3-Dioxolan (Dioxolan). Es wird technisch durch säurekatalysierte Reaktion von wässrigem Formaldehyd mit Ethylenglykol hergestellt. Aus dem Reaktionsgemisch läßt sich Dioxolan durch Destillation abtrennen, wobei es aber stets von Wasser begleitet wird, weil beide Komponenten ein Azeotrop mit ca. 93 Gew.% Dioxolan bilden. Für die Lösung dieses Trennproblems wurden zahlreiche Verfahren vorgeschlagen, die meisten von Ihnen nutzen die Extraktion oder Extraktivrektifikation, um den azeotropen Punkt des Wasser/Dioxolan- Gemischs zu überwinden.

Die US 5 690 793 und die US 5 695 615 offenbaren Verfahren zur Reinigung von zyklischen Formalen, in denen Wasser in einer Extraktivdestillation mit polaren, schwerflüchtigen Lösemitteln entfernt wird.

Die US 5 456 805 beschreibt die Trennung von Dioxolan und Wasser aus der Reaktion von Formaldehyd mit Ethylenglykol durch Extraktivdestillation mit n-Pentan.

Die DE 1 279 025 lehrt die Trennung von Dioxolan und Wasser aus der Reaktion von Formaldehyd mit Ethylenglykol durch Extraktivdestillation mit alkalischen wäßrigen

Lösungen.

Die BE 669 480 offenbart ein Verfahren zur Extraktion von Dioxolan aus wäßrigen Mischungen mit chlorierten Kohlenwasserstoffen und anschließender alkalischer Wäsche des Rohdioxolans.

Die JP 07 285958 lehrt ein Verfahren, nach dem das Azeotrop von Wasser und Dioxolan in der flüssigen Phase mit Kohlenwasserstoffen extrahiert und anschließend die organische Phase zum reinen Dioxolan aufdestilliert wird.

In der DE 39 39 867 A1 wird die Abtrennung von Wasser aus neutralen organischen Lösungsmitteln mit Hilfe einer Composite Membran enthaltend eine Trennschicht aus

vernetztem Polyvinylalkohol beschrieben. In diesem Dokument gibt es keinen Hinweis auf eine entsprechende Verwendung bei zyklischen Formalen und es findet sich auch keine Offenbarung über die Verwendung von organisch selektiven Membranen.

Die Verfahren gemäß dem Stand der Technik sind verbesserungsbedürftig, weil sie neben

Wasser und zyklischen Formalen einen dritten Stoff als Extraktions- oder Schleppmittel in den Prozeß einführen. Dieser dritte Stoff muß normalerweise in einem separaten Stoffkreislauf aufgereinigt werden, um wieder eingesetzt werden zu können. Falls dies nicht vollständig gelingt, führt eine partielle Entsorgung des dritten Stoffes zu aufwendiger Nachreinigung oder einer Belastung der Umwelt. In jedem Falle benötigen die zusätzlichen

Trennoperationen zusätzliche Energie für ihren Betrieb.

Es besteht daher ein Bedarf für ein Verfahren zur Herstellung von wasserfreiem zyklischen Formalen, • das keinen dritten Stoff als Extraktions- oder Schleppmittel benötigt;

• das keine Entsorgungsprobleme im Fall unvollständiger Rückgewinnung des dritten Stoffes aufwirft;

• und das mit einem reduzierten Energieverbrauch arbeitet.

Überraschend wurde gefunden, daß die Pervaporation oder Dampfpermeation von zyklischen Formalen, insbesondere von 1 ,3-Dioxolan, und Wasser mit geeigneten organisch selektiven Membranen sehr gute Trennfaktoren und hohe Permeatflüsse liefert. Die Membrantrennung zyklischer Formale von Wasser kann auch bei erhöhten Temperaturen bei weiter gesteigerten Permeatflüssen betrieben werden.

Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Abtrennung von zyklischen Formalen, insbesondere von Dioxolan, aus Gemischen mit Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß man a) das zyklisches Formal und andere Stoffe enthaltende Gemisch mit einer organisch selektiven Membran in Kontakt bringt, b) eine Druckdifferenz über die Membran anlegt und c) auf der Permeatseite der Membran ein Produkt erhält, das gegenüber der Ausgangsmischung eine höhere Konzentration an zyklischem Formal und eine geringere Konzentration an Wasser aufweist.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Reinigung von zyklischen

Formalen, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) eine flüssige Mischung, die mindestens ein zyklisches Formal und Wasser enthält, einer organisch selektiven Pervaporationsmembran zuführt, b) aus der Pervaporation ein flüssiges Retentat mit Gehalt an Wasser und ein dampfförmiges Permeat mit höherem Gehalt an zyklischem Formal gewinnt, c) den Dampfstrom aus Schritt b) durch Destillation, Extraktivdestillation,

Kristallisation, Extraktion oder eine weitere Membrantrennung zu wasserfreiem, zyklischem Formal der gewünschten Qualität aufreinigt.

In einer anderen Ausgestaltungsform der Erfindung führt man die Membrantrennung nicht als Pervaporation mit flüssigen Zulauf durch, sondern als Dampfpermeation mit einem dampfförmigen Ausgangsgemisch des zyklischen Formals mit Wasser.

Gegenstand der Erfindung ist daher weiter ein Verfahren zur Reinigung von zyklischen Formalen, dadurch gekennzeichnet, daß man a) eine dampfförmige Mischung, die mindestens ein zyklisches Formal und Wasser enthält, einer organisch selektiven Dampfpermeationsmembran zuführt, b) aus der Dampfpermeation ein dampfförmiges Retentat mit höherem Gehalt an Wasser und ein dampfförmiges Permeat mit höherem Gehalt an zyklischem Formal gewinnt, c) den Dampfstrom aus Schritt b) durch Destillation, Extraktivdestillation,

Kristallisation, Extraktion oder eine weitere Membrantrennung zu wasserfreiem, zyklischen Formal der gewünschten Qualität aufreinigt.

Zyklische Formale werden in einer Zyklisierungsreaktion aus Di-Alkoholen und Formaldehyd erhalten. Typische Vertreter sind 1,3-Dioxolan (aus Ethylenglykol), 1,3-Dioxepan (aus 1,4-

Butandiol), Diethylenglykolformal, 4-Methyl-1 ,3-dioxolan (aus 1 ,2-Propandiol), 1 ,3-Dioxan (aus 1 ,3-Propandiol), 4-Methyl-1 ,3-dioxan (aus 1 ,3-Butandiol) und 1 ,3,5-Trioxepan (aus Ethylengykol und zwei Molekülen Formaldehyd). Bevorzugt ist 1 ,3-Dioxolan.

Geeignete katalytisch wirkende Säuren sind beispielsweise Mineralsäuren wie

Schwefelsäure, Phosphorsäure oder aliphatische oder aromatische Sulfonsäuren wie Methansulfonsäure, Trifluormethansulfonsäure, Benzolsulfonsäure, Toluolsulfonsäure, Naphthalinsulfonsäure oder auch stark saure lonenaustauschharze oder Heteropolysäuren wie Polyphosphorsäure, Wolframatophosphorsäure oder Molybdatophosphorsäure.

Die Reaktion kann nach dem Stand der Technik in einem Rührkesselreaktor mit aufgesetzter Destillationskolonne oder als Reaktivdestillation geführt werden. Das am Kopf

dieser Kolonne gewonnene Gemisch aus zyklischem Formal und Wasser enthält bereits mehr als 30 Gew.-%, bevorzugt mehr als 40 Gew.-% und besonders bevorzugt mehr als 50 Gew.-% zyklisches Formal. Das Gemisch kann neben dem zyklischen Formal und Wasser noch andere Bestandteile der Reaktionsmischung wie Di-Alkohol oder Formaldehyd in kleinen Konzentrationen enthalten.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das im wesentlichen aus zyklischem Formal und Wasser bestehende Zulaufgemisch als Destillat oder Brüdendampf aus der Umsetzung eines Dialkohols mit Formaldehyd unter sauerer Katalyse gewonnen.

Gegenstand der Erfindung ist daher weiter ein Verfahren zur Herstellung von zyklischen Formalen aus Di-Alkoholen und Formaldehyd, dadurch gekennzeichnet, daß man a) den Di-Alkohol und den Formaldehyd unter Katalyse einer geeigneten Säure zur

Reaktion bringt, b) aus dem Reaktionsgefäß ein dampfförmiges Gemisch entspannt, welches im wesentlichen das zyklische Formal und Wasser enthält, c) das in Schritt b) gewonnene dampfförmige Gemisch kondensiert, d) das kondensierte Gemisch aus Schritt c) einer organisch selektiven Pervaporationsmembran zuführt, e) aus der Pervaporation ein flüssiges Retentat mit höherem Wassergehalt und ein dampfförmiges Permeat mit höherem Gehalt an zyklischem Formal gewinnt, f) den Dampfstrom aus Schritt e) durch Destillation, Extraktivdestillation,

Kristallisation, Extraktion oder eine weitere Membrantrennung zu zyklischem Formal der gewünschten Qualität aufreinigt.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung kondensiert man das dampfförmige Gemisch aus Schritt b) nicht, sondern führt es als Dampf einer organisch selektiven Dampfpermeationsmembran zu. Diese Verfahrensweise ist hinsichtlich der aufzubringenden Verdampfungsenergie besonders vorteilhaft, weil es den Energieinhalt des Brüdens aus dem Reaktionsgefäß nutzt.

Gegenstand der Erfindung ist daher weiter ein Verfahren zur Herstellung von zyklischen Formalen aus Di-Alkoholen und Formaldehyd, dadurch gekennzeichnet, daß man a) den Di-Alkohol und den Formaldehyd unter Katalyse einer geeigneten Säure zur Reaktion bringt, b) aus dem Reaktionsgefäß ein dampfförmiges Gemisch entspannt, welches im wesentlichen das zyklische Formal und Wasser enthält,

c) das in Schritt b) gewonnene Gemisch dampfförmig hält und gegebenenfalls temperiert, d) das dampfförmige Gemisch aus Schritt c) einer organisch selektiven Dampfpermeationsmembran zuführt, e) aus der Dampfpermeation ein dampfförmiges Retentat mit höherem

Wassergehalt und ein dampfförmiges Permeat mit höherem Gehalt an zyklischem Formal gewinnt, f) den Dampfstrom aus Schritt e) durch Destillation, Extraktivdestillation,

Kristallisation oder eine weitere Membrantrennung zu zyklischem Formal der gewünschten Qualität aufreinigt.

Für den erfindungsgemäßen Prozeß werden Membrane eingesetzt, die organische Komponenten, insbesondere zyklische Formale, bevorzugt vor Wasser permeieren lassen. Geeignete Membrane für das erfindungsgemäße Verfahren können gleichermaßen in der Verfahrensweise Pervaporation mit flüssigem Membranzulauf als auch in der

Verfahrensweise Dampfpermeation eingesetzt werden. Die trennaktive Schicht der Membran besteht in der Regel aus vernetzten, (bei den Trennbedingungen) kautschukartigen Polymeren. In einer bevorzugten Ausgestaltungsform bestehen die kautschukartigen Polymeren aus Polydimethylsiloxan oder modifizierten Polydimethylsiloxanen wie Polyoctylmethylsiloxan oder einem anderen Polyalkylmethyl- oder

Polyarylmethylsiloxan. Ebenfalls geeignet sind kautschukartige Polyphosphazene. In einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung wird die Membran einer nachträglichen Vernetzung, beispielsweise einer Strahlenvernetzung unterzogen, um ihre Selektivität und Lösungsmittelbeständigkeit zu erhöhen.

Die trennaktive Schicht der Membran hat eine Dicke von 1 - 200 μm, bevorzugt 2 - 50 μm und besonders bevorzugt 4 - 10 μm.

Der Trennfaktor α des Membranprozesses hängt von der Selektivität der Membran und dem Druckverhältnis über die Membran ab. Der Trennfaktor α des Membranprozesses läßt sich folgendermaßen experimentell bestimmen: α = (yp/χp) / (yf/χf) mit: y _p = Massenanteil des zyklischen Formals im Permeat

Xp = Massenanteil des Wassers im Permeat y _f = Massenanteil des zyklischen Formals im Zulauf

X _f = Massenanteil des Wassers im Zulauf

und liegt für die Trennung des zyklischen Formals von Wasser im allgemeinen bei α > 5, bevorzugt bei α > 10 und besonders bevorzugt bei α > 15.

Zur Durchführung der erfindungsgemäßen Abtrennung von Dioxolan und/oder anderen zyklischen Formalen wird eine Druckdifferenz über die Membran angelegt. Dies geschieht typischerweise durch Anlegen eines Unterdruckes an der Permeatseite der Membran. Die Druckdifferenz kann aber auch dadurch erhöht werden, daß der Partialdruck des Dioxolans auf der Feedseite der Membran erhöht wird.

Die Permeationsrate der Membran, gemessen bei Atmosphärendruck und 40 °C auf der

Zulaufseite und einem Permeatdruck von 10 mbar, liegt bei über 1 kg/m ² /h, bevorzugt bei über 3 kg/m ² /h, und besonders bevorzugt bei über 5 kg/m ² /h. Unter geeigneten Betriebsbedingungen, beispielsweise bei Betriebstemperaturen von über 50 ⁰ C kann die Permeationsrate der Membran im erfindungsgemäßen Trennprozeß Werte von über 10 kg/m ² /h oder sogar über 15 kg/m ² /h erreichen.

Ein besonderer Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß man auch mit einem beheizten Zulauf noch gute Trennleistungen erreicht. Dem Fachmann ist bekannt, daß organisch selektive Pervaporationsmembrane bei erhöhten Temperaturen von polaren, aprotischen Lösemitteln wie den zyklischen Formalen angequollen werden und ihre Selektivität verlieren können. Im erfindungsgemäßen Verfahren werden auch bei Zulauftemperaturen von T > 40 °C noch Trennfaktoren von α > 5, bevorzugt α > 10 erreicht. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Zulauf zur Pervaporations- oder Dampfpermeationsmembran auf T > 40 ⁰ C temperiert.

In einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung weist das Permeat eine Zusammensetzung auf, deren Gehalt an zyklischem Formal über dem binären Azeotrop des Formals mit Wasser liegt. Im Fall des bevorzugten Dioxolans enthält das Permeat bevorzugt über 93 Gew.-% und besonders bevorzugt über 95 Gew.-% Dioxolan. Das so gewonnene, noch durch Wasser verunreinigte zyklische Formal kann in weiteren Trennschritten zur gewünschten Reinheit aufgearbeitet werden. Geeignete Maßnahmen hierzu sind beispielsweise Destillation, Extraktivdestillation, Kristallisation, Extraktion oder eine weitere Membrantrennung.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungsformen der Erfindung ergeben sich aus den

Unteransprüchen.

Beispiel 1 :

Einer Pervaporations-Testzelle wird im Umpump eine Mischung aus 50 Gew.-% Dioxolan und 50 Gew.-% Wasser zugeführt, die auf 40 ⁰ C temperiert wurde. Die Testzelle ist mit einer Polydimethylsiloxan-Composite-Membran auf einer porösen Polyacrylnitril-Trägermembran bestückt. Die Dicke der trennaktiven Siloxanschicht beträgt 8 μm. Im Permeatraum wird ein Druck von 10 mbar absolut eingestellt. Das Permeat wird in einer Kühlfalle bei 0 - 5 ⁰ C kondensiert. Nachdem sich stationäre Bedingungen eingestellt haben, wird die Kühlfalle ausgewechselt und von dem dann anfallenden Permeat eine Analyse durchgeführt. Man erhält 94,7 Gew.% Dioxolan, entsprechend einem Trennfaktor von α = 18 im Permeat bei einer Permeationsrate von 10 kg/m ² h.

Beispiel 2:

Weitere Versuche in der Testzelle werden analog Beispiel 1 mit den folgenden Resultaten durchgeführt. Es wird eine Membran mit einer trennaktiven Schicht aus Polyoctylmethyl- siloxan auf einer porösen Polyacrylnitril-Trägermembran eingesetzt:

Tabelle 1:

Beispiel 3:

Einer Pervaporations-Pilotierungs-Apparatur werden 100 Liter/h einer Mischung Dioxolan und Wasser zugeführt. Die Pilot-Apparatur ist mit 1 m ² einer Polydimethylsiloxan-Membran auf einer porösen Polyacrylnitril-Trägermembran bestückt. Die Membran wurde nachträglich strahlenvernetzt. Das Permeat wird bei ca. 0 ⁰ C kondensiert und in einem gekühlten Behälter aufgefangen. Nachdem sich stationäre Bedingungen eingestellt haben, werden

vom Zulauf und vom Permeat Analysen durchgeführt. Tabelle 2 faßt die wesentlichen Betriebsbedingungen und Ergebnisse zusammen:

Tabelle 2: