DE102009027420A1 - Preparation of acrolein or aqueous acrolein solution comprises dehydration of a cyclic acetal of glycerol in the presence of a solid catalyst comprising acidic oxides or mixed oxides, natural or synthetic silicate materials - Google Patents

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Abstract

Preparation of acrolein or aqueous acrolein solution comprises dehydration of a cyclic acetal of glycerol.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zu Herstellung von Acrolein durch Dehydratisierung eines zyklischen Acetals des Glycerins.object The invention is a process for the preparation of acrolein by Dehydration of a cyclic acetal of glycerol.

Stand der TechnikState of the art

Die Herstellung von Acrolein aus Glycerin durch Dehydratisierung des Glycerins ist in der Literatur vielfach beschrieben. Es sind verschiedenste Verfahren unter Einsatz verschiedenster Bedingungen und meist sauren Katalysatoren bekannt. Exemplarisch seien genannt: JP2008195643 , JP2008162908 , JP2008137950 , JP2008137949 , WO2008140118 , WO2008066082 , WO2007132926 , WO2006087084 , WO2006087083 , CN101070276 , EP2006273 , EP0598229 . Nachteil dieser Verfahren ist, dass nur reines Glycerin in die Verfahren eingespeist werden kann.The production of acrolein from glycerol by dehydration of glycerol is widely described in the literature. There are a variety of methods using a variety of conditions and mostly acidic catalysts known. Examples include: JP2008195643 . JP2008162908 . JP2008137950 . JP2008137949 . WO2008140118 . WO2008066082 . WO2007132926 . WO2006087084 . WO2006087083 . CN101070276 . EP2006273 . EP0598229 , Disadvantage of these methods is that only pure glycerol can be fed into the process.

WO2007090990 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Acrolein durch die Oxidation von Propylen. WO2007090990 describes a process for the production of acrolein by the oxidation of propylene.

US4851583 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Acrolein aus Acrolein-Acetalen. US4851583 describes a process for the preparation of acrolein from acrolein acetals.

Die Herstellung von Acetalen aus Polyolen und Aldehyden wird unter anderem in Beyer Walter, Lehrbuch der organischen Chemie, S. Hirzel Verlag, Stuttgart, 1984 , beschrieben; oft wird diese Reaktion als Schutzgruppentechnik eingesetzt.The preparation of acetals from polyols and aldehydes is described, inter alia, in Beyer Walter, Textbook of Organic Chemistry, S. Hirzel Verlag, Stuttgart, 1984 , described; Often this reaction is used as protection group technology.

FR2869232 beschreibt die Herstellung von Pharmazeutika auf Basis von beispielsweise zyklischen Acetalen hergestellt aus Glycerin und kurzkettigen Aldehyden. FR2869232 describes the preparation of pharmaceuticals based on, for example, cyclic acetals prepared from glycerol and short-chain aldehydes.

Veröffentlichungen von Tink und Neish (Can. J. Technol. 29 (1951) 243–249; ibid 250–261; ibid 268–275) beschreiben die Reaktivextraktion von Glycerin unter Bildung von Acetalen des Glycerins. Publications by Tink and Neish (Can. J. Technol. 29 (1951) 243-249; ibid 250-261; ibid 268-275) describe the reactive extraction of glycerol to form acetals of glycerol.

WO2008043947 beschreibt die Herstellung von zyklischen Acetalen aus Glycerin und Aldehyden, Ketonen oder linearen Acetalen sowie die Aufreinigung der zyklischen Acetale. WO2008043947 describes the preparation of cyclic acetals from glycerol and aldehydes, ketones or linear acetals as well as the purification of the cyclic acetals.

Aufgabe der Erfindung war es, ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem Acrolein ressourcenschonend beispielsweise durch den Einsatz nachwachsender Rohstoffe, wie Rohglycerin aus Biodieselproduktion oder glycerinhaltigen Nebenprodukten aus Fermentationen, als Edukt hergestellt werden kann.task The invention was to provide a method with which Acrolein resource-saving, for example through the use of renewable Raw materials, such as crude glycerine from biodiesel production or glycerol-containing By-products from fermentations, are produced as starting material can.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Überraschenderweise wurde gefunden, dass die im Folgenden beschriebenen Verfahren die der Erfindung gestellte Aufgabe lösen.Surprisingly was found that the procedures described below the solve the problem posed by the invention.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass das erfindungsgemäße Verfahren bei einer deutlich geringeren Wasserkonzentration durchgeführt werden kann, als ein Verfahren des Standes der Technik, bei dem das Acrolein aus einer Dehydratisierung des Glycerins direkt gewonnen wird, somit liegt ebenfalls eine erhöhte Eduktkonzentration vor. Dies reduziert ebenfalls vorteilhaft den nötigen Energieeintrag, da zur Reindarstellung des Acroleins das Wasser thermisch abgetrennt werden muss.One Advantage of the present invention is that the inventive Procedure carried out at a significantly lower water concentration can be, as a method of the prior art, in which the Acrolein obtained directly from a dehydration of glycerol is, so is also an increased educt concentration in front. This also advantageously reduces the necessary energy input, since the water is thermally separated for the purification of the acrolein must become.

Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung verglichen zu Verfahren des Standes der Technik, bei denen das Acrolein aus einer Dehydratisierung des Glycerins direkt gewonnen wird, sind eine hohe Katalysatorstandzeit sowie eine hohe Selektivität bei annäherndem Vollumsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens.Further Advantages of the present invention compared to methods of Prior art in which the acrolein from a dehydration of the glycerol is obtained directly, are a high catalyst life and high selectivity at near full conversion the method according to the invention.

Noch ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, dass wenn das zyklische Acetal des Glycerins aus beispielsweise Rohglycerin gewonnen wird, eine vorherige aufwändige Aufreinigung des Glycerins entfällt, welche zur direkten Spaltung des Glycerins in Acrolein unumgänglich ist. Hierdurch können notwendige Apparate und Energie der vormals nötigen Aufreinigung des Glycerins bei gleich hoher Selektivität eingespart werden.Yet an advantage of the method according to the invention it is that if the cyclic acetal of glycerine is made up for example Rohglycerin is obtained, a previous complex purification of glycerol is omitted, which for direct cleavage of the Glycerol in acrolein is inevitable. This allows necessary apparatus and energy of the formerly necessary purification of glycerol saved at the same high selectivity become.

Ebenso ist es vorteilhaft, dass die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren unmittelbar erhältliche wässrige Acroleinlösung ohne weitere Aufarbeitung oder Reinigung der Verwendung zugeführt werden kann.Likewise, it is advantageous that the directly available in the inventive method aqueous Acroleinlösung without further workup or purification of the use can be supplied.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zu Herstellung von Acrolein oder wässriger Acroleinlösung durch Dehydratisierung eines zyklischen Acetals des Glycerins.object The present invention is a process for the preparation of Acrolein or aqueous acrolein solution by dehydration a cyclic acetal of glycerol.

Zyklische Acetale des Glycerins werden beispielsweise durch Verbindungen der allgemeinen Formel I und II beschrieben, diese Verbindungen liegen oft im Gleichgewicht miteinander vor. Das erfindungemäße Verfahren ist daher bevorzugt dadurch gekennzeichnet, dass das zyklische Acetal des Glycerins ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Verbindungen der allgemeinen Formel I und II oder Mischungen daraus

Figure 00030001
wobei R1 gegebenenfalls substituierte, verzweigte oder unverzweigte, gesättigte oder ungesättigte organische Reste mit 1 bis 11, bevorzugt 1 bis 8, besonders bevorzugt 1 bis 5 Kohlenstoffatomen, oder H und
R2 gegebenenfalls substituierte, verzweigte oder unverzweigte, gesättigte oder ungesättigte organische Reste mit 1 bis 11, bevorzugt 1 bis 8, besonders bevorzugt 1 bis 5 Kohlenstoffatomen, oder H.Cyclic acetals of glycerol are described for example by compounds of the general formula I and II, these compounds are often in equilibrium with each other before. The process according to the invention is therefore preferably characterized in that the cyclic acetal of the glycerol is selected from the group comprising compounds of the general formula I and II or mixtures thereof
Figure 00030001
where R 1 is optionally substituted, branched or unbranched, saturated or unsaturated organic radicals having 1 to 11, preferably 1 to 8, particularly preferably 1 to 5 carbon atoms, or H and
R 2 is optionally substituted, branched or unbranched, saturated or unsaturated organic radicals having 1 to 11, preferably 1 to 8, particularly preferably 1 to 5 carbon atoms, or H.

Es ist offenbar, dass wenn für eine der Substanzen der allgemeinen Formel (I) oder (II) das tautomere Gleichgewicht beschrieben wird, R1 gleich R2 gilt.It is apparent that when one of the substances of the general formula (I) or (II) is described as the tautomeric equilibrium, R 1 is the same as R 2 .

Im Falle der substituierten organischen Reste R1 und R2 ist eine Substituierung mit OH bevorzugt; insbesondere ist hier bevorzugt, dass R1 bzw. R2 bestimmt wird durch ein Acetal, erhältlich durch die Acetalisierung von Glycerin mit 3-Hydroxypropionaldehyd.In the case of the substituted organic radicals R 1 and R 2 , a substitution with OH is preferred; In particular, it is preferred here that R 1 or R 2 is determined by an acetal obtainable by the acetalization of glycerol with 3-hydroxypropionaldehyde.

Insbesondere ist hier ebenfalls bevorzugt, dass R1 bzw. R2 bestimmt wird durch ein Acetal, erhältlich durch die Acetalisierung von Glycerin mit den technisch gut zugänglichen Verbindungen ausgewählt aus der Gruppe umfassend Formaldehyd, Acetaldehyd, Propionaldehyd, n-Butyraldehyd, Isobutyraldehyd, Valeraldehyd, Isovaleraldehyd, Heptanal, Nonanal und Isononanal.In particular, it is also preferred here that R 1 or R 2 is determined by an acetal obtainable by the acetalization of glycerol with the industrially readily accessible compounds selected from the group comprising formaldehyde, acetaldehyde, propionaldehyde, n-butyraldehyde, isobutyraldehyde, valeraldehyde, Isovaleraldehyde, heptanal, nonanal and isononanal.

Über dies hinaus ist es bevorzugt, dass in dem erfindungsgemäßen Verfahren das zyklische Acetal des Glycerins in Konzentrationen von 1–100 Gew.-%, bevorzugt 20–95 Gew.-%, besonders bevorzugt 50–90 Gew.-% bezogen auf das gesamte Eduktgewicht eingesetzt wird.about In addition, it is preferred that in the inventive Process the cyclic acetal of glycerin in concentrations from 1-100% by weight, preferably 20-95% by weight, especially preferably 50-90 wt .-% based on the total educt weight is used.

Es ist des Weiteren gefunden worden, dass durch die Anwesenheit von Wasser in dem erfindungsgemäßen Verfahren wesentlich längere Katalysatorstandzeiten erzielt werden können; daher ist es in erfindungsgemäßem Verfahren bevorzugt, dass die Dehydratisierung mit einer Mischung enthaltend Wasser und das zyklische Acetal des Glycerins durchgeführt wird, wobei ein Wassergehalt von 0–90 Gew.-%, bevorzugt von 5–80 Gew.-%, besonders bevorzugt von 5–49 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Mischung bevorzugt ist.It has been further found that by the presence of Water in the process of the invention essential longer catalyst life can be achieved; Therefore, it is preferred in the inventive method, that the dehydration with a mixture containing water and the cyclic acetal of glycerol is carried out, wherein a water content of 0-90% by weight, preferably of 5-80% by weight, most preferably from 5-49% by weight, based on the total Mixture is preferred.

Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich in der Flüssigphase oder in der Gasphase durchführen.The inventive method can be in the liquid phase or in the gas phase.

Die Umsetzung in der Gasphase wird besonders bevorzugt, weil der Umsatz des zyklischen Acetals sehr hoch ist und das Verfahren verlassende gasförmige Reaktionsgemisch unter Erhalt einer wässrigen Acroleinlösung, welche zusätzlich gebildete Nebenprodukte enthält, unmittelbar kondensiert werden kann; dieses Kondensat lässt sich vielfach unmittelbar weiterverarbeiten. Sofern erwünscht, kann aus dem Reaktionsgemisch Acrolein, gegebenenfalls gemeinsam mit einem Teil Wasser, durch Destillation oder fraktionierte Kondensation gewonnen werden; das acroleinfreie Reaktionsgemisch kann wiederum der Dehydratisierung wieder zugeführt werden.The Reaction in the gas phase is particularly preferred because of the conversion of the cyclic acetal is very high and leaving the process gaseous reaction mixture to obtain an aqueous Acrolein solution, which additionally formed by-products contains, can be condensed immediately; this condensate can often be further processed directly. Provided desired, may be from the reaction mixture acrolein, optionally together with one part of water, by distillation or fractionated Condensation can be won; the acrolein-free reaction mixture In turn, the dehydration can be recycled.

Außerdem kann die Dehydratisierung in der Gasphase unter kontinuierlichen Bedingungen durchgeführt werden.Furthermore may be the dehydration in the gas phase under continuous Conditions are performed.

Es ist bevorzugt, bei der Umsetzung in der Gasphase als Trägergas Stickstoff einzusetzen, da dieser leicht zugänglich ist.It is preferred in the reaction in the gas phase as a carrier gas Nitrogen use, since this is easily accessible.

Bei der Umsetzung in der Flüssigphase ist es zweckmäßig, die Dehydratisierung nur bis zu einem begrenzten Umsatz des zyklischen Acetals durchzuführen, da bei einer Steigerung des Umsatzes die Selektivität abnehmen kann. Nach Erreichen des vorteilhaften Umsatzes wird gebildetes Acrolein allein oder zusammen mit einem Teil des Wassers in bekannter Weise, üblicherweise destillativ oder durch eine N2-Strippung aus dem Reaktionsgemisch abgetrennt. Das Acrolein kann durch Kondensation oder eine Wäsche mit Wasser isoliert werden. Das vom Acrolein befreite zyklisches Acetal enthaltende Reaktionsgemisch wird in die Dehydratisierungsstufe zurückgeführt. Ein Vorteil der Dehydratisierung in der Flüssigphase gegenüber jener in der Gasphase besteht in dem geringeren Energieaufwand, weil nur das aus dem Reaktionsgemisch abgetrennte Acrolein sowie ein damit übergehender Teil Wasser verdampft werden müssen. Die Dehydratisierung in der Flüssigphase kann unter kontinuierlichen Bedingungen durchgeführt werden.In the case of the reaction in the liquid phase, it is expedient to carry out the dehydration only up to a limited conversion of the cyclic acetal, since with an increase in the conversion the selectivity may decrease. After reaching the advantageous conversion formed acrolein alone or together with part of the water in a known manner, usually by distillation or by an N 2 -Strippung separated from the reaction mixture. The acrolein can be isolated by condensation or a wash with water. The reaction mixture containing the acrolein-free cyclic acetal is recycled to the dehydration step. An advantage of the dehydration in the liquid phase over that in the gas phase is the lower energy consumption, because only the separated from the reaction mixture acrolein and a transitional part of water must be evaporated. Dehydration in the liquid phase can be carried out under continuous conditions.

Die Dehydratisierung erfolgt vorzugsweise im Temperaturbereich zwischen 150 und 450°C, bevorzugt zwischen 200 und 400°C, besonders zwischen 250 und 350°C.The Dehydration is preferably carried out in the temperature range between 150 and 450 ° C, preferably between 200 and 400 ° C, especially between 250 and 350 ° C.

Außerdem erfolgt die Dehydratisierung vorzugsweise im Druckbereich zwischen 0,1 und 200 bar, bevorzugt zwischen 0,5 und 50 bar, besonders bevorzugt zwischen 0,9 und 10 bar. Im Falle der Flüssigphasendehydratisierung wird die Apparatur mit mindestens einem solchen Druck beaufschlagt, der zur Aufrechterhaltung der Flüssigphase erforderlich ist.Furthermore the dehydration is preferably carried out in the pressure range between 0.1 and 200 bar, preferably between 0.5 and 50 bar, more preferably between 0.9 and 10 bar. In the case of liquid phase dehydration the apparatus is subjected to at least one such pressure, necessary to maintain the liquid phase is.

In einer besonderen Ausführungsform erfolgt die Dehydratisierung bei gegebenem Atmosphären-Druck, d. h. bei Normaldruck und abhängig vom jeweiligen Standort auf der Erde bei ungefähr 1 bar, und im Temperaturbereich zwischen 250 und 350°C.In In a particular embodiment, the dehydration takes place at a given atmospheric pressure, d. H. at normal pressure and depending on the location on earth at about 1 bar, and in the temperature range between 250 and 350 ° C.

Dem Fachmann ist bekannt, dass chemische Reaktionen durch die Wahl geeigneter Katalysatoren gesteuert und beeinflusst werden können; in dem erfindungsgemäßen Verfahren können alle Katalysatoren eingesetzt werden, die in der Lage sind, die Dehydratisierungsreaktion des erfindungsgemäßen Verfahrens zu beschleunigen, solche können beispielsweise ausgewählt werden aus der Gruppe umfassend Brönsted-Säuren und Lewissäuren.the It is known to a person skilled in the art that chemical reactions can be selected by choosing suitable Catalysts can be controlled and influenced; in the method according to the invention can all catalysts are used which are capable of the dehydration reaction to accelerate the process according to the invention, such can be selected, for example from the group comprising Bronsted acids and Lewis acids.

Als Katalysatoren kommen somit flüssige und feste Katalysatoren in Betracht, wobei der Aggregatzustand „fest” sowohl amorphe als auch kristalline Strukturen umfasst.When Catalysts thus come liquid and solid catalysts into consideration, whereby the aggregate state "fixed" both includes amorphous as well as crystalline structures.

Es wurde in diesem Zusammenhang gefunden, dass es vorteilhaft ist, wenn die Dehydratisierung in Gegenwart eines Feststoffkatalysators, bevorzugt einem sauren, durchgeführt wird.It was found in this context that it is beneficial if the dehydration in the presence of a solid catalyst, preferably an acidic, is performed.

Geeignete saure Feststoffkatalysatoren sind insbesondere der DE 10 2007 004 351 A1 und der EP0598229 zu entnehmen auf dessen Offenbarung hier explizit abgestellt wird.Suitable acidic solid catalysts are in particular the DE 10 2007 004 351 A1 and the EP0598229 to the disclosure of which is explicitly stated here.

Weitere bevorzugte Feststoffkatalysatoren sind insbesondere saure Oxide und Mischoxide, natürliche und synthetische silikatische Stoffe, wie insbesondere Mordenit, Montmorillonit und saure Zeolithe wie H-ZSM5, MCM-22, Zeolith Beta.Further Preferred solid catalysts are especially acidic oxides and mixed oxides, natural and synthetic siliceous Substances, in particular mordenite, montmorillonite and acid zeolites such as H-ZSM5, MCM-22, zeolite beta.

Als geeignete Feststoffkatalysatoren kommen auch auf Trägermaterialien immobilisierte Säuren sowie deren Salze in Betracht. Solche Säuren und deren Salze sind bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe umfassend:
ein-, zwei- oder mehrprotonige anorganische Säuren, insbesondere Phosphorsäure, Schwefelsäure, Borsäure; übergangsmetallhaltige Säuren, insbesondere von Vanadium, Wolfram, Molybdän, Rhenium, auch deren Modifikationen wie beispielsweise Wolframkieselsäure, Wolframphosphorsäure, Wolframoxide, oder deren Heteropolysäuren; starke, organische Säuren wie beispielsweise Sulfonsäuren oder halogenierte Carbonsäure wie beispielsweise Trifluoressigsäure; Lewissäuren wie beispielsweise AlCl3.
As suitable solid catalysts also come to support materials immobilized acids and their salts into consideration. Such acids and their salts are preferably selected from the group comprising:
mono-, di- or poly-protic inorganic acids, in particular phosphoric acid, sulfuric acid, boric acid; Transition metal-containing acids, in particular of vanadium, tungsten, molybdenum, rhenium, and also their modifications such as tungsten silicic acid, tungsten phosphoric acid, tungsten oxides, or their heteropolyacids; strong organic acids such as sulfonic acids or halogenated carboxylic acids such as trifluoroacetic acid; Lewis acids such as AlCl 3 .

Als Trägermaterialien für die im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Feststoffkatalysatoren können saure, neutrale und basische Materialien eingesetzt werden, wobei oben beschrieben Feststoffkatalysatoren selber als Trägermaterial für die zu immobilisierenden Säuren oder deren Salze eingesetzt werden können und saure Trägermaterialien bevorzugt sind.When Support materials for in the inventive Solid catalysts used can acidic, neutral and basic materials are used, with the top described solid catalysts themselves as a carrier material for the acids to be immobilized or their Salts can be used and acidic support materials are preferred.

Bevorzugte Trägermaterialien sind oxidische Stoffe, beispielsweise Al2O3, SiO2, ZrO2, TiO2, Ta2O5, Nb2O5 sowie Mischoxide (binär, ternär oder höher), wie beispielsweise γ-Al2O3 und ZnO-Al2O3, SiO2-Al2O3, ZrO2-SiO2, ZrO2-HfO2-Mischoxide. Die Träger dienen vorwiegend zur Erhöhung der spezifischen Oberfläche und zur Fixierung der aktiven Zentren, können aber auch selbst Dehydratisierungseigenschaften aufweisen.Preferred support materials are oxidic substances, for example Al 2 O 3 , SiO 2 , ZrO 2 , TiO 2 , Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 and mixed oxides (binary, ternary or higher), such as γ-Al 2 O 3 and ZnO Al 2 O 3 , SiO 2 -Al 2 O 3 , ZrO 2 -SiO 2 , ZrO 2 -HfO 2 mixed oxides. The carriers serve primarily to increase the specific surface area and to fix the active sites, but may also themselves have dehydration properties.

Es ist dem Fachmann offenbar, dass Mischungen der Katalysatoren sowie Mischungen der Trägermaterialien eingesetzt werden können.It the expert is apparent that mixtures of the catalysts and Mixtures of the support materials can be used.

Weitere geeignete Feststoffkatalysatoren, umfassend ein Trägermaterial und immobilisierte Säure sind Ionentauscher, bevorzugt saure Ionentauscher, wie beispielsweise fluorpolymergeträgerte Sulfonsäuren, die unter dem Handelsnamen Nafion® verfügbar sind.Other suitable solid catalysts comprising a support material and immobilized acid are ion exchanger, preferably acidic ion exchanger, such as sulfonic acids fluorpolymergeträgerte that are available under the trade name Nafion ®.

Als weitere Bestandteile können dem Katalysator ein oder mehrere Promotoren zugesetzt werden. Diese beschleunigen die Regeneration des Katalysators, und bewirken eine Steigerung der Standzeit und Raum-Zeit-Ausbeute durch eine geringere Verkokungsneigung des Katalysators. Als Promotoren können Verbindungen insbesondere der Elemente der ersten und zweiten Hauptgruppe sowie Seltenerdmetalle wie Cer, oder Übergangsmetalle wie Kupfer, Silber, Gold, Eisen, Kobalt, Nickel, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Platin in metallischer Form oder als Verbindungen eingesetzt werden.When other ingredients may be one or more of the catalyst Promoters are added. These accelerate the regeneration of the catalyst, and cause an increase in the service life and space-time yield by a lower coking tendency of the catalyst. As promoters can compounds in particular of the elements of the first and second main group and rare earth metals such as cerium, or transition metals such as copper, silver, gold, iron, cobalt, nickel, ruthenium, rhodium, Palladium, platinum in metallic form or used as compounds become.

In den beiden Ausführungsformen, bezogen darauf, ob die Dehydratisierung in der Gasphase oder Flüssigphase durchgeführt wird, können im Prinzip die gleichen sauren Feststoffkatalysatoren eingesetzt werden; es hat sich aber gezeigt, dass bestimmte Katalysatoren vorzugsweise für die Dehydratisierung in der Gasphase und andere, vorzugsweise für jene in der Flüssigphase, geeignet sind.In the two embodiments, based on whether the dehydration is carried out in the gas phase or liquid phase, can in principle be the same acidic solid catalysts be used; However, it has been shown that certain catalysts preferably for dehydration in the gas phase and others, preferably those in the liquid phase, are suitable.

Für erfindungsgemäßes Verfahren muss das zyklische Acetal des Glycerins bereitgestellt werden.For inventive method must be the cyclic Acetal of glycerol can be provided.

Dies erfolgt bevorzugt dadurch, dass das zyklische Acetal des Glycerins erhalten wird durch ein Verfahren umfassend die Verfahrensschritte:

  • A) Umsetzen einer Glycerin enthaltenden Lösung mit mindestens einer Carbonylverbindung unter Erhalt eines zyklischen Acetals und gegebenenfalls
  • B) Aufreinigung des in Verfahrensschritt A) erhaltenen zyklischen Acetals.
This is preferably carried out by obtaining the cyclic acetal of glycerol by a process comprising the process steps:
  • A) reacting a glycerol-containing solution with at least one carbonyl compound to obtain a cyclic acetal and optionally
  • B) Purification of the cyclic acetal obtained in process step A).

Eine exemplarische Reaktion des Verfahrensschrittes A) könnte etwa so aussehen

Figure 00090001
An exemplary reaction of method step A) might look something like this
Figure 00090001

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht in Verfahrensschritt A) den Einsatz wässriger Lösungen, daher ist es bevorzugt, dass die Glycerin enthaltende Lösung in Verfahrensschritt A) eine wässrige Lösung ist.The inventive method allows in process step A) the use of aqueous solutions, therefore it is preferred that the glycerin-containing solution in process step A) is an aqueous solution.

Hierdurch ist der Einsatz von Rohglycerin, wie es beispielsweise bei der Biodieselproduktion als nichtaufgereinigtes Glycerin anfällt, möglich. Ebenfalls möglich ist der Einsatz von Rohglycerin aus Fermentationsprozessen, wie es beispielsweise bei der Ethanolherstellung als Nebenprodukt anfällt.hereby is the use of raw glycerine, as in the case of biodiesel production obtained as non-purified glycerol possible. Also possible is the use of crude glycerol from fermentation processes, as for example in ethanol production as a by-product accrues.

Daher ist es bevorzugt, dass die Glycerin enthaltende Lösung in Verfahrensschritt A) Rohglycerin ist.Therefore it is preferred that the glycerin-containing solution in process step A) is crude glycerol.

Die in Verfahrensschritt A) eingesetzt Carbonylverbindung wird bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe umfassend Aldehyde, Ketone, wobei es bevorzugt ist, dass die Carbonylverbindung eine Kohlenstoffatomanzahl mit 1 bis 12, bevorzugt 1 bis 9, besonders bevorzugt 1 bis 6 Kohlenstoffatomen ist.The used in process step A) carbonyl compound is preferred selected from the group comprising aldehydes, ketones, wherein it is preferable that the carbonyl compound has a carbon atom number with 1 to 12, preferably 1 to 9, particularly preferably 1 to 6 carbon atoms is.

Im Falle von substituierten Carbonylverbindungen ist eine Substituierung mit OH bevorzugt; insbesondere ist hier bevorzugte Carbonylverbindung 3-Hydroxypropionaldehyd.in the Case of substituted carbonyl compounds is a substitution preferred with OH; In particular, here is preferred carbonyl compound 3-hydroxypropionaldehyde.

Weitere, aufgrund ihrer guten Verfügbarkeit in Verfahrensschritt A) ebenfalls bevorzugt eingesetzte Carbonylverbindung sind ausgewählt aus der Gruppe umfassend Formaldehyd, Acetaldehyd, Propionaldehyd, n-Butyraldehyd, Isobutyraldehyd, Valeraldehyd, Isovaleraldehyd, Heptanal, Nonanal und Isononanal.Further, due to their good availability in process step A) also preferably used carbonyl compound are selected from the group comprising formaldehyde, acetaldehyde, propionaldehyde, n-butyraldehyde, Isobutyraldehyde, valeraldehyde, isovaleraldehyde, heptanal, nonanal and isononanal.

Wie bei der Dehydratisierung ist es vorteilhaft, dass in Verfahrensschritt A) eine Säure als Katalysator eingesetzt wird.As in the dehydration, it is advantageous that in process step A) an acid is used as a catalyst.

Als Katalysator eingesetzte Säuren in Verfahrensschritt A) können eine Feststoffsäure als ein heterogener Katalysator oder aber eine mineralische Säure als homogener Katalysator eingesetzt werden.When Catalyst used acids in process step A) may be a solid acid as a heterogeneous Catalyst or a mineral acid as a homogeneous Catalyst can be used.

In Verfahrensschritt A) wird als homogener Katalysator bevorzugt eine Säure ausgewählt aus der Gruppe umfassend Salzsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure, Methansulfonsäure, Paratoluolsulfonsäure, Trifluoressigsäure und Oxalsäure, eingesetzt.In Process step A) is preferably a homogeneous catalyst Acid selected from the group comprising hydrochloric acid, Nitric acid, sulfuric acid, methanesulfonic acid, Paratoluene sulfonic acid, trifluoroacetic acid and Oxalic acid used.

In Verfahrensschritt B) können alle dem Fachmann bekannten Aufreinigungsverfahren für niedermolekulare Substanzen eingesetzt werden. Beispielhaft seien an dieser Stelle die Fällung mittels geeigneter Lösungsmittel, die Extraktion mittels geeigneter Lösungsmittel, die Komplexierung, beispielsweise mittels Cyclodextrinen oder Cyclodextrin-Derivaten, die Kristallisation, die Aufreinigung bzw. Isolierung mittels chromatographischer Methoden genannt.In Process step B) can all be known to the person skilled in the art Purification process for low-molecular substances be used. Exemplary are at this point the precipitation by means of suitable solvents, the extraction by means of suitable solvents, the complexation, for example by means of cyclodextrins or cyclodextrin derivatives, crystallization, the purification or isolation by means of chromatographic methods called.

Es empfiehlt sich in Verfahrensschritt B) eine Reaktivextraktion zur Aufreinigung des zyklischen Acetals des Glycerins einzusetzen.It it is recommended in process step B) a reactive extraction for Use purification of the cyclic acetal of glycerol.

Um ressourcenschonend zu arbeiten wird die zur Acetalisierung eingesetzte Carbonylverbindung nach der Dehydratisierung des zyklischen Acetals aus dem Reaktionsgemisch der Dehydratisierung zurück gewonnnen und bevorzugt dem erfindungsgemäßen Verfahren wieder zugeführt.Around to use resource-conserving is used for the acetalization Carbonyl compound after dehydration of the cyclic acetal recovered from the dehydration reaction mixture and preferably the method according to the invention fed again.

In den nachfolgend aufgeführten Beispielen wird die vorliegende Erfindung beispielhaft beschrieben, ohne dass die Erfindung, deren Anwendungsbreite sich aus der gesamten Beschreibung und den Ansprüchen ergibt, auf die in den Beispielen genannten Ausführungsformen beschränkt sein soll.In The examples below are the present Invention described by way of example, without the invention, whose Scope of application is apparent from the entire description and the claims, limited to the embodiments mentioned in the examples should be.

Alle Angaben in Prozent sind, wenn nicht anders angegeben, Massenprozent.All Percentages are by weight unless otherwise specified.

Beispiele:Examples:

Die im Folgenden verwendete Bezeichnung „Nml/min” bedeutet ml/min bei 25°C und 1 bar.The used hereinafter "Nml / min" means ml / min at 25 ° C and 1 bar.

Beispiel 1: Reaktivextraktion des zyklischen Acetals mit einem ExtraktionsmittelExample 1: Reactive extraction of the cyclic Acetals with an extractant

  • Katalysator: Amberlite IR-120 (H+), 60 g/L, T: 20°C, Aldehyd/Glycerin: 1/1 [mol/mol], Phasenverhältnis: organisch/wässrig: 1/1 [g/g]Catalyst: Amberlite IR-120 (H + ), 60g / L, T: 20 ° C, Aldehyde / Glycerol: 1/1 [mol / mol], Phase Ratio: Organic / Aqueous: 1/1 [g / g]

In einer Mischzelle werden 0,91 g Glycerin in 3,64 g Wasser vorgelegt und 0,45 g Acetaldehyd zugegeben. Weiter werden 5 g o-Xylol zugegeben, die Mischung mit 0,6 g neutral gewaschenem, getrocknetem Amberlite IR-120 (H+-Form) versetzt und bei 20°C für 2,5 h verrührt. Die Ausbeute an gebildeten Acetalen beträgt 91%, der Verteilungskoeffizient Deff beträgt 0,74 und gibt das Verhältnis der in der organischen Phase gelösten Glycerin- und Acetalmassen zu den in der wässrigen Phase gelösten Glycerin- und Acetalmassen an.0.91 g of glycerol in 3.64 g of water are placed in a mixing cell and 0.45 g of acetaldehyde are added. Next, 5 g of o-xylene are added, the mixture with 0.6 g of neutral-washed, dried Amberlite IR-120 (H + -form) and stirred at 20 ° C for 2.5 h. The yield of acetals formed is 91%, the distribution coefficient D eff is 0.74 and indicates the ratio of dissolved in the organic phase glycerol and acetal to the dissolved in the aqueous phase glycerol and acetal masses.

Figure 00120001
Figure 00120001

Beispiel 2: Reaktivextraktion des zyklischen Acetals, wobei die Carbonylverbindung als Extraktionsmittel fungiertExample 2: Reactive extraction of the cyclic Acetals, wherein the carbonyl compound acts as an extraction agent

  • Katalysator: Amberlite IR-120 (H+), 60 g/L, T: 20°C, Aldehyd/Glycerin: 6,4/1 [mol/mol], Phasenverhältnis: organisch/wässrig: 1/1 [g/g] Catalyst: Amberlite IR-120 (H + ), 60 g / L, T: 20 ° C, aldehyde / glycerol: 6.4 / 1 [mol / mol], phase ratio: organic / aqueous: 1/1 [g / g ]

In einer Mischzelle werden 1,0 g Glycerin in 4,0 g Wasser vorgelegt und 5,0 g Butyraldehyd zugegeben. Die Mischung mit 0,6 g neutral gewaschenem, getrocknetem Amberlite IR-120 (H+-Form) versetzt und bei 20°C für 2,5 h verrührt. Die Ausbeute an gebildeten Acetalen beträgt 97%, der Verteilungskoeffizient Deff beträgt 6,54.In a mixed cell, 1.0 g of glycerol in 4.0 g of water are introduced and 5.0 g of butyraldehyde is added. The mixture was treated with 0.6 g of neutral-dried, dried Amberlite IR-120 (H + form) and stirred at 20 ° C. for 2.5 h. The yield of formed acetals is 97%, the distribution coefficient D eff is 6.54.

Beispiel 3: Spaltung C2-Acetal:Example 3: Cleavage C2-acetal:

Es werden in einem kontinuierlich betriebenen Festbettreaktor 0,3 g Katalysator fixiert und unter einem Stickstoffstrom (5 N ml/min) auf 300°C aufgeheizt. Bei Erreichen der Temperaturkonstanz wird der Feedstrom auf ein Gemisch von verdampftem C2-Acetal (5 Vol%) und Stickstoff (95 Vol%) zur Durchführung der Reaktion umgeschaltet.0.3 g of catalyst are fixed in a continuously operated fixed bed reactor and heated to 300 ° C. under a stream of nitrogen (5 N ml / min). Upon reaching the temperature stability, the feed stream is fed to a mixture of vaporized C2-acetal (5% by volume) and nitrogen (95% by volume) to carry out the reaction switched.

Figure 00130001
Figure 00130001

Nach einer Betriebszeit von 2 h wird der Flüssigfeedstrom abgestellt, auf Luft gewechselt und auf 400°C aufgeheizt, wodurch der Katalysator regeneriert wird. Nach Abkühlung auf 300°C wird der Katalysator erneut mit Acetal belastet. Die Reaktions-/Regenerationszyklen werden 40 mal wiederholt. Tabelle 1 TOS h T °C Fluss Nml/min Feed Vol% Reaktion 2 300 5 5% C2-Acetal + 95% N2 Aufheizen 0,5 300–400 5 17% O2 + 83% N2 Regeneration 1 400 5 17% O2 + 83% N2 Abkühlen 1 400–300 5 17% O2 + 83% N2 After an operating time of 2 h, the Flüssigfeedstrom is turned off, changed to air and heated to 400 ° C, whereby the catalyst is regenerated. After cooling to 300 ° C, the catalyst is again loaded with acetal. The reaction / regeneration cycles are repeated 40 times. Table 1 TOS h T ° C Flow Nml / min Feed Vol% reaction 2 300 5 5% C2-acetal + 95% N 2 Warm up 0.5 300-400 5 17% O 2 + 83% N 2 regeneration 1 400 5 17% O 2 + 83% N 2 cooling down 1 400-300 5 17% O 2 + 83% N 2

Die Ausbeute beträgt am Versuchsende für H3PO4/TiO2 und NiSO4 als Katalysator: Tabelle 2: Ergebnisse TOS 1 h 20 h 80 h 160 h Ausbeute Acrolein (H3PO4/TiO2) [%] 45 25 22 5 Ausbeute Acrolein (NiSO4) [%] 38 12 8 10 The yield at the end of the experiment for H 3 PO 4 / TiO 2 and NiSO 4 as catalyst: TABLE 2 Results TOS 1 h 20 h 80 h 160 h Yield acrolein (H 3 PO 4 / TiO 2 ) [%] 45 25 22 5 Yield acrolein (NiSO 4 ) [%] 38 12 8th 10

Beispiel 4: Spaltung C4-Acetal:Example 4: Cleavage C4-acetal:

Es werden in einem kontinuierlich betriebenen Festbettreaktor 0,3 g Katalysator fixiert und unter einem Stickstoffstrom (5 N ml/min) auf 300°C aufgeheizt. Bei Erreichen von Temperaturkonstanz wird der Feedstrom auf ein Gemisch von verdampftem C4-Acetal (4 Vol%), Wasserdampf (7 Vol%) und Stickstoff (89 Vol%) umgeschaltet.It are 0.3 g in a continuously operated fixed bed reactor Fixed catalyst and under a stream of nitrogen (5 N ml / min) heated to 300 ° C. When temperature stability is reached the feed stream is added to a mixture of vaporized C4-acetal (4 Vol%), water vapor (7% by volume) and nitrogen (89% by volume) switched.

Figure 00150001
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Nach 40 h TOS (= time an stream, Standzeit des Katalysators) wird der Versuch abgebrochen. Mit 8% H3PO4/SiO2 als Katalysator werden ohne Regeneration folgende Ergebnisse erzielt (Tabelle 3): Tabelle 3: Ergebnisse TOS 5 h 20 h 30 h 40 h Umsatz (C4-Acetal) [%] 100 100 90 60 Ausbeute (Acrolein) [%] 85 85 65 35 Ausbeute (Butyraldehyd) [%] 100 90 75 50 Ausbeute (Acetaldehyd) [%] 2 1,5 1 1 Kohlenstoffbilanz [%] 95 83 82 85 After 40 hours TOS (= time on stream, service life of the catalyst), the experiment is terminated. With 8% H 3 PO 4 / SiO 2 as catalyst, the following results are obtained without regeneration (Table 3): TABLE 3 Results TOS 5 h 20 h 30 h 40 h Conversion (C4-acetal) [%] 100 100 90 60 Yield (acrolein) [%] 85 85 65 35 Yield (butyraldehyde) [%] 100 90 75 50 Yield (acetaldehyde) [%] 2 1.5 1 1 Carbon balance [%] 95 83 82 85

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Claims (17)

Verfahren zu Herstellung von Acrolein oder wässriger Acroleinlösung durch Dehydratisierung eines zyklischen Acetals des Glycerins.Process for the preparation of acrolein or aqueous Acrolein solution by dehydration of a cyclic Acetals of glycerin. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zyklische Acetal des Glycerins ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend die Verbindungen der allgemeinen Formel I und II oder Mischungen daraus
Figure 00160001
wobei R1 gegebenenfalls substituierte, verzweigte oder unverzweigte, gesättigte oder ungesättigte organische Reste mit 1 bis 11, bevorzugt 1 bis 8, besonders bevorzugt 1 bis 5 Kohlenstoffatomen, oder H und R2 gegebenenfalls substituierte, verzweigte oder unverzweigte, gesättigte oder ungesättigte organische Reste mit 1 bis 11, bevorzugt 1 bis 8, besonders bevorzugt 1 bis 5 Kohlenstoffatomen, oder H.
A method according to claim 1, characterized in that the cyclic acetal of glycerol is selected from the group comprising the compounds of general formula I and II or mixtures thereof
Figure 00160001
wherein R 1 optionally substituted, branched or unbranched, saturated or unsaturated organic radicals having 1 to 11, preferably 1 to 8, particularly preferably 1 to 5 carbon atoms, or H and R 2 optionally substituted, branched or unbranched, saturated or unsaturated organic radicals 1 to 11, preferably 1 to 8, particularly preferably 1 to 5 carbon atoms, or H.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zyklische Acetal des Glycerins in Konzentrationen von 1–100 Gew.-%, bevorzugt 20–95 Gew.-%, besonders bevorzugt 50–90 Gew.-% bezogen auf das gesamte Eduktgewicht eingesetzt wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the cyclic acetal of glycerol in Concentrations of 1-100% by weight, preferably 20-95 Wt .-%, particularly preferably 50-90 wt .-% based on the total educt weight is used. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehydratisierung mit einer Mischung enthaltend Wasser und das zyklische Acetal des Glycerins durchgeführt wird.Method according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the Dehydration with a mixture containing water and the cyclic Acetal of glycerol is performed. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehydratisierung in der Gasphase unter kontinuierlichen Bedingungen durchgeführt wird.Method according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that the Dehydration in the gas phase under continuous conditions is carried out. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehydratisierung im Temperaturbereich zwischen 150 und 450°C durchgeführt wird.Method according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that the Dehydration in the temperature range between 150 and 450 ° C is carried out. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehydratisierung im Druckbereich zwischen 0,1 und 200 bar durchgeführt wird.Method according to at least one of claims 1 to 6, characterized in that the Dehydration in the pressure range between 0.1 and 200 bar performed becomes. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehydratisierung bei gegebenem Atmosphären-Druck und im Temperaturbereich zwischen 250 und 350°C durchgeführt wird.Method according to at least one of claims 1 to 7, characterized in that the Dehydration at a given atmospheric pressure and in the Temperature range between 250 and 350 ° C performed becomes. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehydratisierung in Gegenwart eines Feststoffkatalysators durchgeführt wird.Method according to at least one of claims 1 to 8, characterized in that the Dehydration carried out in the presence of a solid catalyst becomes. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoffkatalysator ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend saure Oxide und Mischoxide, natürliche und synthetische silikatische Stoffe.A method according to claim 9, characterized characterized in that the solid catalyst is selected is from the group comprising acidic oxides and mixed oxides, natural and synthetic siliceous substances. Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoffkatalysator auf Trägermaterialien immobilisierte Säure oder Salze einer Säure enthält.A method according to claim 9 or 10, characterized in that the solid catalyst on support materials immobilized acid or salts of an acid. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoffkatalysator mindestens einen Promotor enthält.Method according to at least one of claims 9 to 11, characterized in that the Solid catalyst contains at least one promoter. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das zyklische Acetal des Glycerins erhalten wird durch ein Verfahren umfassend die Verfahrensschritte: A) Umsetzen einer Glycerin enthaltenden Lösung mit mindestens einer Carbonylverbindung unter Erhalt eines zyklischen Acetals und gegebenenfalls B) Aufreinigung des in Verfahrensschritt A) erhaltenen zyklischen Acetals.A method according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the cyclic acetal of glycerol is obtained by a method comprising the steps of: A) reacting a glycerol-containing solution with at least one carbonyl compound to obtain a cyclic acetal and optionally B) Purification of the cyclic acetal obtained in process step A). Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Glycerin enthaltende Lösung eine wässrige Lösung ist.A method according to claim 13, characterized in that the glycerol-containing solution is an aqueous Solution is. Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt A) eine Säure als Katalysator eingesetzt wird,A method according to claim 13 or 14, characterized in that in process step A) an acid used as a catalyst, Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufreinigung in Verfahrensschritt B) eine Reaktivextraktion eingesetzt wird.Method according to at least one of claims 13 to 15, characterized in that the Purification in process step B) used a reactive extraction becomes. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die in Verfahrensschritt A) eingesetzte Carbonylverbindung aus dem Reaktionsgemisch der Dehydratisierung zurück gewonnnen und dem Verfahren wieder zugeführt wird.Method according to at least one of claims 13 to 16, characterized in that the in process step A) used carbonyl compound from the reaction mixture the dehydration back and the process is fed again.
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Beyer Walter, Lehrbuch der organischen Chemie, S. Hirzel Verlag, Stuttgart, 1984
Veröffentlichungen von Tink und Neish (Can. J. Technol. 29 (1951) 243-249; ibid 250-261; ibid 268-275)

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