CN104245662A - 在由硝基芳族化合物制备芳香胺的过程中用于停止反应的改进的方法 - Google Patents
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Abstract
一种通过加氢芳香族硝基化合物制备芳香胺的方法,该方法包括下述步骤:A)将芳香族硝基化合物和氢引入至反应器并与加氢催化剂接触;B)停止向反应器引入芳香族硝基化合物和氢。步骤B)通过下述步骤进行:B1)首先停止向反应器中引入芳香族硝基化合物,以使保留在反应器和/或保留在上游液力连接至反应器装置部件中的芳香族硝基化合物与持续供应的氢反应,以及B2)随后在预定时间之后和/或当进入反应器的气流中的芳香族硝基化合物的浓度降低至预定值之后停止引入氢。
Description
本发明涉及一种通过芳香族硝基化合物的加氢反应制备芳香胺的方法,其包括以下步骤:将芳香族硝基化合物和氢引入至反应器以接触加氢催化剂的步骤,以及停止向反应器引入芳香族硝基化合物和氢。
芳香胺是重要的中间体,其应以低成本和大量制备。因此,芳香胺的生产装置通常建有非常高的容量。这些工厂的高生产率通过非常长的反应循环以及在用于所用加氢催化剂再生的加氢启动和停止操作之间的无故障运行而得以确保。
苯胺是一种重要的例如用于制备亚甲基双(苯基异氰酸酯)(MDI)的中间体,且通常通过借助氢的硝基苯的催化加氢反应进行工业规模的生产。特别优选的反应条件记载于GB1 452 466A1、EP0 011 090A1或EP0944 578A2(等温操作模式)以及EP0 696 574B1、EP0 696 573B1、EP1 882 681A1(绝热操作模式)中。除了上述使用固定催化剂床的方法外,使用流化催化剂床的方法也已记载于DE1114820B、DE1133394B或WO2008/034770A1中。
在所有绝热和等温过程中,起始物质硝基苯均与过量的氢反应。
芳香胺在反应循环中制备,这是因为加氢催化剂的催化活性稳步降低。
因此,应定期恢复所使用的用于芳香族硝基化合物的加氢反应的催化剂的活性。为此,催化剂的再生通过如下方式进行:使其在空气流中燃烧而从催化剂中除去含碳沉积物。在所述方法的其他实施方案中,燃烧步骤之后为洗涤步骤,例如,如US3,684,740中所记载的。随后可以开始下一个反应循环,再次启动加氢装置。
EP0 944 578A2(第2页,第1-20行)讨论了硝基化合物加氢以形成相应胺的绝热方法的启动过程。其中记载,在10至1000小时的期间内,将所使用的遍布整个催化剂的芳香族硝基化合物的空速连续或逐步增加至最高空速对于时-空产率具有有利效果。
芳香族硝基化合物加氢反应过程的质量首先由产品中不期望的反应副产物(bi-products)的含量决定。其次,加氢反应过程的质量由以下因素决定:加氢反应循环的全过程、加氢反应的停止、加氢催化剂的再生和能够无技术生产故障地进行的加氢反应过程的启动。
通常,具有最佳活性的优选温度窗的负载型金属催化剂被用于非均相催化气相法。如果仅稍微超过最高温度,则会对催化剂造成破坏,原因在于例如载体材料上的活性金属颗粒的烧结过程。
尽管现有技术中的上述方法可以高选择性和高产量地制备芳香胺,但是,除了记载有启动过程的EP0 944 578A2之外,它们仅记载了已在操作中并稳定运行的方法。忽略了用于制备芳香胺的方法的启动中可能存在的问题。
因此,本发明的目的是提供一种方法,其可确保加氢反应的无故障停止,且其不会引起不安全的设备状态或导致加氢催化剂的破坏,从而在启动过程中或在短的加氢循环之后,使得通过催化剂床的待加氢硝基芳香族化合物获得突破性进展。
根据本发明,此目的通过用于由芳香族硝基化合物的加氢制备芳香胺的方法实现,该方法包括下述步骤:
A)将芳香族硝基化合物和氢引入至反应器并与加氢催化剂接触;
B)停止向反应器引入芳香族硝基化合物和氢;
其中步骤B)通过下述步骤进行
B1)首先停止向反应器中引入芳香族硝基化合物,以使保留在反应器和/或保留在上游液力连接至反应器的装置部件中的芳香族硝基化合物与持续供应的氢反应,以及
B2)随后在预定时间之后和/或当进入反应器的气流中的芳香族硝基化合物的浓度降低于预定值之后,停止引入氢。
令人惊奇的是,现已发现,在所有芳香族硝基化合物与氢完全反应并因此而消耗之前,当在反应停止过程中确保氢气在反应空前内足量存在时,即可实现所述目的(简单描述且不限于此)。
上述过程的一个优势在于:含碳有机化合物从循环气体流经的反应空间中大量除去,因此不再通过消耗氧而干扰后续的催化剂再生。
反应循环优选通过如下方式停止:首先减少向部分额定负载(nominalload)引入起始物质(硝基芳香族化合物和氢)。随后完全中断硝基苯的引入,并同时维持所有其他操作参数。持续引入氢,直到反应空间中最后残留的硝基芳香族化合物被消耗。
上游液力连接至的反应器装置部件具体为进料线、收集器、法兰、蒸发器、热交换器、过热器等,其中可存在硝基芳香族化合物的残留物。一旦重新启动,这些残留物会被传输至反应器中。
在启动反应循环之前,当反应空间以及优选地其周边首先排出硝基芳香族化合物时,可获得以下优势:
i)在催化剂上不会产生对催化剂活性产生不利影响或减少装置生产率的过高温度。
ii)在建立稳定的方法条件之前,由于重复的启动操作而使产品质量不会受损,所述启动操作通常与低初始选择性有关。
iii)避免以下情况:通过过少的氢过量加氢的硝基苯的残留物而导致增加的副产物的形成和催化剂的碳化。
iv)由于装置中没有负压产生,因此不会出现安全问题。由负压形成的危险可能会损坏不耐真空的装置部件,并使得空气侵入装置,且可形成爆炸性气氛。在加氢装置中必须不惜一切代价避免这种情况。
v)节约延长的/更频繁的再生和重复启动的能源成本。
vi)很大程度上避免再生过程中由燃烧引起的苯胺的损失和与燃烧相关的更长的再生停工期。
对于加氢反应的停止,特别有利的是,催化剂在氧化铝载体上含有催化活性组分,且具有小于20m2/g的BET表面积,所述氧化铝载体具有1.0mm至7.0mm的平均直径的氧化铝颗粒,其中活性组分包括至少:
(a)1-100g/l的元素周期表中第8至12族的至少一种金属的载体,和
(b)0-100g/l的元素周期表中第4至6和12族的至少一种过渡金属的载体,以及
(c)0-100g/l的元素周期表中第14和15族的主族元素的至少一种金属的载体。
在本文中,元素周期表的族按照1986年的IUPAC推荐编号。
氧化铝载体优选具有近于球形的形状,且直径优选在1.0mm至7.0mm的范围内。
用于等温操作的反应器的优选反应器为恒温管式反应器或壳-管反应器。此类反应器的合适的实施方案记载于例如DE2 201 528A1、DE2 207166A1、DE198 06 810A1、EP1 439 901A1、EP1 569 745A1、EP1 590076A1、EP1 587 612A1、EP1 586 370A1、EP1 627 678A1或DE202 006014 116U1中。
用于绝热操作反应器的优选反应器为记载于DE10 2006 035 203的第[0030]至[0033]段中的反应器。
置于反应器中的催化剂可存在于产生径流的滤棒(radial flow)中。这可例如通过保留在笼状体(basket)中的催化剂实现,所述笼状体由两个具有流体可渗透性壁的同轴圆柱形套管(jacket)组成。在此,其中一个网状套管的半径大于另一个网状套管的半径,所述另一个网状套管又称为中心管,并且个网状套之间的空间为反应空间。中空圆柱的一个底部优选完全封闭,而另一端仅最多封闭至在此端开放的中心管。于是流体可在径向上由外至内流动,然后通过中心管排出。或者,流体也可通过中心管进料,然后在径向上流至外部,之后在外部排出。如果所述反应空间位于与等温反应空间相同的反应器中,则其通常以合适的方式连接至反应器的出口。
本发明方法的步骤A)的芳香族硝基化合物的加氢反应优选连续进行。
借助实施方案来说明本发明。除非本文明确作出相反说明以外,所述实施方案可以任何方式彼此结合。
在本发明方法的一个实施方案中,在步骤B1)中,氢气循环流动于反应器中。其他气体可与氢气一起循环流动。之后,存在于粗反应产物中的不可冷凝的气体再循环至反应中。这些气体基本上为在未反应的氢的加氢过程中形成的惰性气体,以及为任选添加的或由二次反应形成的惰性气体。例如当为了保持循环气体中其他气体组分的浓度恒定时,还可分离出一部分循环气体。一个实例为通过脱氨反应形成于催化剂上的氨气。
为了实现至少氢气的循环,脱离反应器的产物流被冷却至可冷凝成自组完全冷凝的程度。由于冷却因为经济边界条件(economic boundarycondition)而受到限制,所以不能排除气相中残留少量可冷凝成分的情况。这些可冷凝成分随后通常与氢气一起经由压缩机传送回反应器,从而最终建立一条氢气回路。
在本发明方法的另一实施方案中,芳香族硝基化合物和氢的量各自减少至在步骤B)之前的步骤A)中预先引入的量的≥1质量%至≤40质量%。所述量优选在各自减少至≥2质量%至≤20质量%,更优选各自减少至≥5质量%至≤15质量%。在芳香族硝基化合物和氢的引入完全停止前,减少它们的量可避免反应器中相对大的并因而施加在物料上的温度差(tempreture jump)。否则,反应热会突然消失。
此外,在停止引入硝基芳香族化合物期间,在此所提供的氢气的量应该足够使硝基芳香族化合物的残留物完全反应,但是氢气的量不能太大,这是由于所引入的且未反应的所有氢气将会被吹扫处理掉(条件是装置中的压力恒定)。
在本发明方法的另一实施方案中,在步骤B)后,将反应器中充满惰性气体。合适的惰性气体特别为氮气。填充惰性气体可使反应装置为加氢催化剂的再生作准备。
至于反应器的操作模式,优选如EP0 944 578A2(等温操作模式)和EP0 696 574B1、EP0 696 573B1、EP1 882 681A1(绝热操作模式)中记载的反应条件。当再生如US3,684,740中所记载的催化剂时,特别适合本发明的加氢反应的停止。
在本发明方法的另一实施方案中,步骤A)以等温方式进行。相比于绝热操作模式,这种操作模式具有的优势在于施加在反应器材料的热(变化)较低。
在本发明方法的另一实施方案中,在步骤A)中,氢与芳香族硝基化合物的硝基的摩尔比为≥3:1至≤6:1。由于副作用产生的更加频繁或程度更大,因而加氢反应过程中氢过量越少,本发明方法的优势越大。
在本发明方法的另一实施方案中,步骤B2)的预定时间为≥10分钟至≤600分钟。所述预定时间更优选为≥30分钟至≤150分钟。这些时间表示,在所有硝基芳香族化合物残留物应完全反应和装置应再生并尽快投入生产操作中的要求之间的良好平衡。
在本发明方法的另一实施方案中,在步骤B2中,进入反应器的气流中的芳香族硝基化合物的预定浓度为小于1000ppm,优选小于100ppm(质量ppm)。浓度的确定可例如借助预先校准的在线气相色谱仪进行。
在本发明方法的另一实施方案中,在步骤A)中使用具有以下通式(I)的芳香族硝基化合物:
其中R1和R2各自独立地为氢、甲基或乙基,且R2还可为NO2。优选的芳香胺为硝基苯和二硝基甲苯,以使其加氢产物为苯胺或甲苯二胺。
在本发明方法的另一实施方案中,催化剂置于反应器中的固定催化剂床中。除了上述使用固定催化剂床的方法外,使用流化催化剂床的方法也记载于例如DE1114820B、DE1133394B或WO2008/034770A1中。或者,催化剂还可存在于流化床中。
本发明借助以下实施例进行说明,但本发明不限于此。
实施例1(对比实施例,等温):在反应循环结束时,通过同时停止氢和硝基苯的引入来停止硝基苯的加氢反应。结果:在反应空间中出现了不期望的压力降低。
在一个借助适合于硝基苯的加氢反应的回路(circuit)达到恒温的壳-管反应器中,硝基苯与氢以1:6的摩尔比进行反应。将记载于DE A2849002的实施例1中的负载型贵金属催化剂用作催化剂,并且作为一种床引入至反应器的管中。在反应产物的冷凝过程中分离出过量的氢,回收并在反应中重新利用(循环气体氢)。
从反应体系中分离出冷凝的反应产物,并进行后处理。用新鲜的氢代替消耗的氢。压缩机使回收的氢得以循环。所述压缩机从冷凝器中汲取氢,并将其输送回至硝基苯喷雾器中。
为了防止惰性组分在循环气体中积累,通过吹扫分离出一股侧流。这可通过调节阀(汲取用容器(dip)可作为替代物)进行控制,所述调节阀还可用作反应体系的压力调节器。
为了停止反应,硝基苯和新鲜氢的引入同时中断。在压缩机吸入端测量并监控装置压力。在完全停止操作期间,循环气体压缩机保持运行。随后使装置做好再生的准备,并借助氮气形成惰性气氛而重新启动。测量的压力如下表所示。可以看出,在中断起始物质的供应后,随着时间推移,反应器中形成了负压。
实施例2(本发明的实施例,等温):在实施例1的方法中,在反应循环结束时,首先将起始物质(硝基苯和氢)的供应减少至额定负载的10%,以停止硝基苯的加氢反应。
在此基础上,硝基苯的引入完全中断,并同时保持所有其他的运行参数。在中断硝基苯的引入后,继续引入氢1小时,然后同样完全中断氢的引入。在完全停止操作期间,循环气体压缩机保持运转。在氢的引入中断30分钟后,在装置为后续的再生以及借助氮气形成惰性气氛而重新启动作准备之前,需再次检查装置中的压力。
测得的压力如下表所示。在起始物质的供应中断后,反应器中的压力保持稳定。
Claims (10)
1.一种通过芳香族硝基化合物的加氢反应制备芳香胺的方法,该方法包括下述步骤:
A)将芳香族硝基化合物和氢引入至反应器并与加氢催化剂接触;
B)停止向反应器引入芳香族硝基化合物和氢;
其特征在于,步骤B)通过下述步骤进行
B1)首先停止向反应器中引入芳香族硝基化合物,以使保留在反应器和/或保留在上游液力连接至反应器的装置部件中的芳香族硝基化合物与持续供应的氢反应,以及
B2)随后在预定时间之后和/或当进入反应器的气流中的芳香族硝基化合物的浓度降低于预定值之后,停止引入氢。
2.权利要求1所述的方法,其中,在步骤B1)中氢气在反应器中循环流通。
3.权利要求1所述的方法,其中,芳香族硝基化合物和氢的量各自减少至在步骤B)之前的步骤A)中预先引入的量的≥1质量%至≤40质量%。
4.权利要求1所述的方法,其中在步骤B)后用惰性气体填充反应器。
5.权利要求1所述的方法,其中,步骤A)以等温方式进行。
6.权利要求1所述的方法,其中,在步骤A)中,氢与芳香族硝基化合物的硝基的摩尔比为≥3:1至≤6:1。
7.权利要求1所述的方法,其中,步骤B2)中的预定时间为≥1小时。
8.权利要求1所述的方法,其中,在步骤B2中,进入反应器的气流中的芳香族硝基化合物的预定浓度小于1000ppm。
9.权利要求1所述的方法,其中,在步骤A)中使用具有以下通式(I)的芳香族硝基化合物:
其中R1和R2各自独立地为氢、甲基或乙基,且R2还可为NO2。
10.权利要求1所述的方法,其中催化剂置于反应器中的固定催化剂床中。
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