-
Verfahren zur Herstellung von Essigsäure, Ameisensäure und Formaldehyd
durch katalytische Oxydation von Aceton Die Erfindung betrifft ein verbessertes
Verfahren zur katalytischen Oxydation von Aceton zu Essigsäure, Ameisensäure und
Formaldehyd.
-
Es ist bekannt, Aceton in flüssiger Phase mit Sauerstoff in Gegenwart
eines Katalysators zu oxydieren, wobei ein Gemisch aus Essigsäure, Ameisensäure
und Formaldehyd erhalten wird. Man kann diese Reaktion als Spaltung des Acetons
betrachten, wobei zwei der Kohlenstoffatome des Acetons sich in den Reaktionsprodukten
i.n Form von Essigsäure und das dritte in Form von Ameisensäure und Formaldehyd
wiederfinden. Weiterhin bilden sich Kohlendioxyd, Kohlenoxyd und Wasser.
-
Nach einem bekannten Verfahren (deutsche Patentschrift 698 970) führt
man die Umsetzung in einem Reaktionsgefäß, das mit einem Rückflußkühler versehen
ist, durch und oxydiert das Aceton, indem Sauerstoff bei erhöhter Temperatur in
das flüssige Aceton, das ein Manga.nsalz als Katalysator enthält, eingeführt wird.
Wenn die Absorptionsgeschwindigkeit des Sauerstoffs abzusinken beginnt, zieht man
einen Teil der Reaktionsflüssigkeit ab und ersetzt ihn durch frisches, den Katalysator
enthaltendes Aceton.
-
Auf diese Weise erhält man ein Gemisch, das 60°/o Essigsäure, 300/o
Ameisensaure, 50/o Formaldehyd und 50/0 Wasser enthält; anders ausgedrückt, enthält
1 kg dieser Reaktionsmischung 10 g-Mol Essigsäure, 6,5 g-Mol Ameisensäure, 1.65
g-Mol Formaldehyd, 2,8 g-Mol Wasser und eine Menge Kohlendioxyd und Kohlenoxyd,
die dem Gewicht des gebildeten Wassers äquivalent ist. Bei diesem Verfahren wird
also eine beträchtliche Me.nge C09 und CO gebildet.
-
Das erflndungsgemä Be Verfahren unterscheidet sich im wesentlichen
von den bisher bekannten Verfahren dadurch, daß die Reaktion unter solchen Bedingungen
- welche die Temperatur umfas.sen - vor sich geht, daß die Entfernung der flüchtigen
Reaktionsprodukte aus der Umsetzungszone nicht gehemmt, sondern vorzugsweise begünstigt
wi.rd.
-
Unter diesen Bedingungen ist die Ausbeute an Essigsäure praktisch
die gleiche wie bei den bekannten Verfahren, jedoch ist die Gesamtausheute an Ameisensäure
und Formaldehyd wesentlich erhöht, und zwar auf I(osten der Produkte der vollständigeren
Oxydation, nämlich C O2 und CO. Die Ausbeute an Ameisensäure allein ist leicht vermindert,
jedoch wird diese Ausheuteverminderung durch die Erhöhung der Ausbeute an Formaldehyd
ausgeglichen; dieser stellt ein Produkt dar, für das in der Industrie eine immer
größere Nachfrage besteht.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind die Hauptfaktoren - die
übrigens voneinander abhängen - die Temperatur des Reaktionsgemisches und die Menge.der
das Reaktionsgefäß verlassenden, nicht
kondensierbaren Gase, die z. B. aus restlichem
nicht alsoMiertem Sauerstoff oder Stickstoff bestehen. Bei normalem Druck ist es
notwendilg, eine Temperatur von wenigstens 650 anzuwenden. Je hoher die Reaktionstemperatur
ist, um so geringer soll die Geschwindigkeit des Sauerstoffstromes in dem Reaktionsgemisch
sein. Auf alle Fälle ist es notwendig, am Ausgang des Reaktionsgefäßes einen Gasstrom
aufiechtzuerhalten, der in Verbindung mit der jeweils herrschenden Temperatur das
Entweichen der Dämpfe begünstigt.
-
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird Saue,rstoff und Aceton in ein flüssiges erhitztes Medium eingeführt, das ganz
oder zum Teil aus Essigsäure besteht und den Katalysator enthält, der vorzugsweise
ein Mangansalz ist. Die laufende Entfernung der dampfförmigen Reaktionsprodukte
nach Maßgabe ihrer Bildung wird dadurch bewirkt, daß man die Umsetzung in einer
Kolonne oder einer ähnlich gearteten Apparatur, die mit Vorrichtungen zur Temperaturregelung
und mit einem Kühler verbunden ist, durchführt. Die Geschwindigkeit des Sauerstoffstromes,
der am unteren Ende der Kolonne eingeführt wird, i.st so
groß, daß
die flüchtigen Reaktionsprodukte bei der angewandten Temperatur rasch aus dem Reaktion
medium entfernt werden. Das Aceton wird in die die Kolonne füllende Flüssigkeit
kontinu.ierlich eingebracht. Die Oxydationsprodukte, d. h. Ameisensäure, Formaldehyd,
ein Teil der gebildeten Essigsäure und nicht umgesetztes Aceton, verlassen die Kolonne
in Dampfform ebenso wie CO2, C O, Wasserdampf und üherschüsiger Sauerstoff. Die
flüssigen Produkte werden in dem der Kolonne nachgeschalteten Kühler kotidensiert
und in üblicher Weise fraktiomert.
-
Die Flüssigkeit in der Kolonne besteht aus den flüssigen Oxydationsprodukten
und dem im Verlauf der Oxydation zugesetzten Aceton und enthält, beispielsweise
in Lösung, ein Mangansalz. Sie wird durch kontinuierliche Zugabe von Aceton auf
konstanter Höhe gehalten. Zu Beginn des Arbeitens wird die Kolonne mit der Flüssigkeit,
die von einem vorhergehenden Ansatz stammt, oder mit Essigsäure beschickt. Sie kann
auch mit Aceton beschickt werden, jedoch wird Essigsäure vorgezogen, da diese eine
höhere Oxydationstemperatur gestattet. Die Temperatur kann zwischen 650 und- dem
Siedepunkt des unter den Oxydationsbedingungen am wenigsten flüchtigen Reaktionsteilnehmers,
d. h. der Essigsäure, schwanken. Wenn man an oder in der Nähe der oberen Grenze
dieses Temperaturbereichs arbeitet, wird vor-Ingsweise gleichzeitig mit dem Aceton
auch Essigsäure in die Kolonne eingeführt, so daß ein konstanter Flüssigkeitsstand
in der Kolonne erhalten bleibt. Das Verfahren kann auch bei einer Temperatur über
dem normalen Siedepunkt der Essigsäure durchgeführt werden, ind!em unter Druck gearbeitet
wird. Der verwendete Sauerstoff kann reiner oder verdünnter Sauerstoff sein, z.
B. in Form von Luft. In letzterem Fall ist es jedoch vorzuziehen, unter Druck zu
arbeiten.
-
Wenn man unter Druck mit gewöhnlicher Luft arbeitet, so erreicht man
zwar einen höheren Umsatz, d. h. daß das Verhältnis von oxydiertem Aceton zu nicht
oxydiertem, mit den Gasen mitgerissenem Aceton größer, jedoch die Ausbeute, bezogen
auf verbrauch.es Aceton, geringer ist; es ist vorteilhaft, die Luft mit Stickstoff
zu verdünnen.
-
Die folgenden Beispiele sollen das erflndungsgemäße Verfahren näher
erläutern.
-
Beispiel 1 a) Eine Kolonne von 65 ccm Höhe und 50 mm Durchmesser
mit einer Doppelwand zur Zirkulation von Wasser oder Dampf ist in ihrem unteren
Teil mit einer Platte aus gefrittetem Glas versehen. Über der Kolonne befinden sich
zwei Tropftrichter, die ein Rohr im Innern der Kolonne beschicken. Mit der Kolonne
ist eine Kühlvorrichtung verbunden. Man beschickt die Kolonne mit einer aus einem
vorhergehenden Ansatz stammenden, aus 301 g Essigsäure, 95 g Ameisensäure, 8 g Formaldehyd
und 141 g Aceton bestehenden
Flüssigkeit, der 10 g Mangannitrat zugegeben wurden,
und führt am unteren Ende der Kolonne stündlich 100 1 Sauerstoff ein, wobei man
auf 900 erhitzt und bei dieser Temperatur hält. Sobald die Reaktion im Gange ist,
beginnt die Destillation, und man läßt gleichzeitig aus den beiden Tropftrichtern
800 g Aceton und 138 g Essigsäure stündlich nach Maßgabe des Fortschreitens der
Destillation fließen, wobei der Flüssigkeitsstand in der Kolonne konstant gehalten
wird.
-
Nach. 71/2 Stunden errechnen sich nach Abzug der eingeführten Mengen
an Essigsäure, Amei-sensäure und Formaldehyd und des nicht oxydierten Acetons folgende
Ausbeutezahlen: 680 g = 11,30 g-Mol Essigsäure
300 g = 6,50 g-Mol Ameisensäure l 10 |
125g= 4,15 g-Mol Formaldehyd ( 65 g-Mol |
Im Abgas werden
32g=0,7g-MolCO2 ~ |
11 g=0,4g-Mol CO O = insgesamt 1,1 g-Mol |
bei einem Acetonverbrauch von 724 g (12,5 g-Mol) festgestellt.
-
Die auf die beiden ersten Kohlenstoffatome des Acetons bezogene Ausbeute
an Essigsäure beträgt demnach 91 0/0, die auf das letzte Kohlenstoffatom des Acetons
bezogene Gesamtausbeute an Ameisensäure und Formaldehyd 85 0/o, und die Ausbeuten
an Ameisensäure und Formaldehyd betragen 52 bzw.
-
33<)/o.
-
Die Verluste durch Bildung von C O2 und CO betragen nur 8.8 %, bezogen
auf das verbrauchte Aceton. b) Um den Fortschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens
gegenüber den bekannten Verfahren zu zeigen, wi.rd nun ein Vergleichsversuch beschrieben,
bei dem die Oxydationsprodukte nicht nach Maßgabe ihrer Erzeugung entfernt wurden.
-
Man verwendet das gleiche Reaktionsgefäß wie im Beispiel 1 a, dem
jedoch ein Kühler aufgesetzt ist, der das gesamte Kondensat in die Reaktionskolonne
zurfickführt. Die Entnahme des Reaktionsgemisches erfolgt in flüssiger Form am unteren
Ende der Kolonne.
-
Man beschickt die Kolonne mit 1500 g Essigsäure, 550 g Aceton und
20 g Mangannitrat, führt stündlich 1001 Sauerstoff ein und hält die Temperatur in
der Kolonne auf 900.
-
Wenn die Reaktion in Gang gesetzt ist, werden kontinuierlich stündlich
110 g Aceton am oberen Ende der Kolonne zugeführt und unten eine äquivalente Flüssigkeitsmenge
entnommen. Von Zeit zu Zeit wird mit dem Aceton eine kleine Menge Mangamlitrat zugesetzt.
-
Nach 48stündiger Umsetzung errechnen sich nach Abzug der zu Anfang
eingeführten Essigsäuremenge und nach Abzug des nicht oxydierten Acetons bei einem
Acetonverbrauch von 2322 g = 40 g-Mol folgende Ausbeutezahlen:
2190 g = 36,5 g-Mol Essigsäure 10,0 g-Mol |
1055 g = 22,9 g-Mol Ameisensäure 27,3 g-Mol 6,3 g-Mol |
133g= 4,4 g-Mol Formaldehyd # 27,3 g-Mol 1,2 g-Mol |
303g= 6,9g-Mol CO2 |
84g= 3,0g-Mol CO # 0,9g-Mol 2,7g-Mol |
In der letzten senkrechten Reihe dieser Aufstelfung wurden die Zahlen auf 10 g-Mol
Essigsäure umgerechnet, damit ein Vergleich mit den bekannten Verfahren, auf die
bereits hingewiesen wurde, ermöglicht wird.
-
Man kann hieraus ersehen, daß man bei diesem Versuch tatsächlich die
gleichen Ausbeuten erhalten hat, die sich für das Verfahren der Patentsch.rift 689
970 errechnen.
-
Die Ausbeuten, bezogen auf verbrauchtes Aceton, betragen:
91,2% Essigsäure |
57,2% Ameisensäure 1 68,20/o |
11,0% Formaldehyd t |
17,3% CO2 24,8% |
7,5% CO # |
Wenn man diese Ergebnisse mit denjenigen vergleicht, die erhalten werden, wenn die
Oxydationsprodukte nach Maßgabe ihrer Bildung entfernt werden, so stellt man fest,
daß die Ausbeute an Essigsäure in beiden Fällen praktisch gleich ist; bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren ist jedoch die Gesamltausbeute an Ameisensäure und Formaldehyd von 68,2
auf 85 ovo und insbesondere ist die Ausbeute an Formaldehyd von 11 auf 330/0 gestiegen,
während die Verluste durch Bildung von CO2 und CO von 24,8 auf 8,80/0 gesunken sind.
-
Beispiel 2 Man führt in derselben Apparatur, wie sie im Beispiel
1 verwendet wird, die Oxydation bei 1100 durch und läßt stündlich 197 g Aceton und
350 g Essigsäure zufließen; die übrigen Bedingungen sind die gleichen.
-
Nach 14stündiger Reaktion errechnen sich nach Abw zug der eingeführten
Mengen Essigsäure und Ameisensäure und nach Abzug des nicht oxydierten Acetons für
einen Verbrauch von 1081 g = 18,6 g-Mol Aceton folgende Ausbeutezahlen:
980 g = 16,30 g-Mol Essigsäure |
361 g = 7,85 g-Mol Ameisensäure 164 -Ml |
256 g = 8,55g-Mol Formaldehyd J go |
64g= 1,46g-Mol CO2 # 2,16g-Mol |
19g= 0,70 g-Mol CO |
Die Ausbeute an Essigsäure beträgt demnach 87,8°/o, die Ausbeuten an Ameisensäure
und Formaldehyd 42 bzw. 46,2 O/o. Die Gesamtausbeute, bezogen auf das letzte Kohlenstoffatom
des Acetons, beträgt demnach 88,2°/o. Die Verluste durch Bildung von CO2 und CO
sind 10,2°/o des verbrauchten Acetons.
-
Wenn man diesen Versuch mit dem im Beispiel 1 b beschriebenen Versuch
vergleicht, bei dem die Oxydationsplrodukte nicht nach Maßgabe ihrer Bildung entfernt
wurden, so stellt man ebenfalls fest, daß sich die Ausbeute an Essigsäure praktisch
nicht geändert hat. Die Gesamtausbeute an Ameisensäure und Formaldehyd erreicht
88,20/o gegenüber 68,20/a, und die Ausbeute an Formaldehyd allein erreicht 46,20/o
gegenüber 11 °/o. Sie übersteigt sogar die Ausbeute an Ameisensäure.
-
Beispiel 3 Man arbeitet in einer druckfesten Apparatur aus nichtrostendem
Stahl, bestehend aus einem 120cm langen Rohr, das 45 mm Durchmesser aufweist und
mit einem Doppelmantel versehen ist, so daß man erhitzen oder abkühlen kann. Die
Apparatur ist am unteren Ende mit einem Einlaß für Druckluft velrsehen, der ein
Schiebeventil aufweist, durch das mit Hilfe einer regulierbaren Dosierpumpe das
mit der Essigsäure gemische Aceton eingeführt wird. An die Apparatur sind zwei Druckkühler
angeschlossen, von denen der eine mit Wasser, der andere mit Kühlsole durchflossen
ist. Nach Durchgang durch eine Entspannungsvorri chtung passieren die Restgase Wäscher,
dam.it
der Rest der mitgerissenen flüchtigen Produkte entfernt wird.
-
Man beschickt die Apparatur mit 1160 g Essigsäure, 250 g Aceton und
14 g Mangannitrat, hält bei 890 und führt stündlich 500 1 Luft (= 105 1 Sauerstoff/Stunde)
und 500 1 Stickstoff ein, wobei ein Druck von 3,5 kg/cm2 aufrechterhalten wird.
-
Mittels der Dosierpumpe werden weiter stündlich 385 g Aceton und
190 g Essigsäure zugesetzt. Nach 141/2 Stunden wird der Versuch abgebrochen.
-
Man erhält nach Abzug der zugesetzten Säure mengen und des nicht
umgesetzten Acetons bei einem Verbrauch von 1175 g (20,25 g-Mol) Aceton:
1150 g = 19,2 g-Mol Essigsäure |
525 g = 11,4 g-Mol Ameisensäure 17,2 g-Mol |
174 g = 5,8 g-Mol Folrmaldehyd I |
Die Analyse des Restgases ergibt: 75 g = 1,70 g-Mol CO2 71 g = 0,75 g-Mol CO Die
Ausbeute (bezogen auf die bei den ersten Kohlenstoffatome des Acetons) an Essigsäure
beträgt demnach 95%. Die Gesarntausbeute an Ameisensäure und Formaldehyd (bezogen
auf das dritte Kohlenstoffatom) beträgt 850/0 und die Ausbeute an Ameisensäure und
Formaldehyd 56,5 bzw. 28,50/0.
-
Wenn man unter denselben Bedingungen, jedoch mit Luft, d;ie nicht
mit Stickstoff verdünnt ist, arbeitet, so erhält man eine Ausbeute an Ameisensäure
von 45,8°/o und an Formaldehyd von 3O,40/o, entsprechend einer Gesamtausbeute, bezogen
auf das dritte Kohlenstoffatom des Acetons, von 76,4°/o.
-
PATENTANSPRtLCHE: 1. Verfahren zur Herstellung von Essigsäure, Ameisensäure
und Formaldehyd durch katalytische Oxydation von Aceton mit Sauerstoff oder einem
sauerstoffhaltigen Gas in flüssiger Phase und bei erhöhter Temperatur, dadurch gekennzeichnet,
daß man die erhaltenen Oxydationsprodukte nach Maßgabe ihrer Bildung laufend aus
dem Reaktion raum in Dampfform entfernt.