DE102019127788A1 - Neues Reaktorsystem für die Herstellung von Maleinsäureanhydrid durch katalytische Oxidation von n-Butan - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Reaktorsystem zur Herstellung von Maleinsäureanhydrid durch katalytische Oxidation von n-Butan, umfassend mindestens eine Reaktorröhre mit einem Innendurchmesser größer 23 mm, die mit Katalysatorpartikel befüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der befüllten Reaktorröhre das Verhältnis der geometrischen Oberfläche der Katalysatorpartikel pro Volumeneinheit zur Querschnittsfläche der Reaktorröhre kleiner als 1,5 cm-3ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung von Maleinsäureanhydrid durch katalytische Oxidation von n-Butan, wobei ein Gemisch aus Sauerstoff und n-Butan durch ein erfindungsgemäßes Reaktorsystem geleitet wird und die mindestens eine Reaktorröhre bei erhöhter Temperatur vorliegt. Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung einer Reaktorröhre mit einem Innendurchmesser größer 23 mm zur Herstellung von Maleinsäureanhydrid durch die selektive katalytische Oxidation von n-Butan mit Katalysatorpartikel, die eine geometrische Oberfläche von mehr als 2 cm2aufweisen

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Reaktorsystem zur Herstellung von Maleinsäureanhydrid durch katalytische Oxidation von n-Butan, umfassend mindestens eine Reaktorröhre mit einem Innendurchmesser größer 23 mm, die mit Katalysatorpartikel befüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der mindestens einen befüllten Reaktorröhre das Verhältnis der Oberfläche der Katalysatorpartikel pro Volumeneinheit zur Querschnittsfläche der Reaktorröhre kleiner als 1,5 cm-3 ist.
  • Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung von Maleinsäureanhydrid durch katalytische Oxidation von n-Butan, wobei ein Gemisch aus Sauerstoff und n-Butan durch ein erfindungsgemäßes Reaktorsystem geleitet wird und die mindestens eine Reaktorröhre bei erhöhter Temperatur vorliegt.
  • Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung einer Reaktorröhre mit einem Innendurchmesser größer 23 mm zur Herstellung von Maleinsäureanhydrid durch die selektive katalytische Oxidation von n-Butan mit Katalysatorpartikel, die eine geometrische Oberfläche von mehr als 2 cm2 aufweisen.
  • Maleinsäureanhydrid ist ein chemisches Zwischenprodukt von großer wirtschaftlicher Bedeutung. Es wird beispielsweise bei der Herstellung von Alkyd- und Polyesterharzen allein oder auch in Kombination mit anderen Säuren eingesetzt. Darüber hinaus stellt es auch ein vielseitig einsetzbares Zwischenprodukt für die chemische Synthese dar, zum Beispiel für die Synthese von γ-Butyrolacton, Tetrahydrofuran und 1,4-Butandiol, welche wiederum ihrerseits als Lösungsmittel eingesetzt werden oder zu Polymeren, wie beispielsweise Polytetrahydrofuran oder Polyvinylpyrrolidon, weiterverarbeitet werden können.
  • Die technische Darstellung von Maleinsäureanhydrid (MA) aus n-Butan erfolgt durch eine selektive Gasphasenoxidation in gekühlten Rohrbündelreaktoren, wobei Katalysatorpartikel als VPO-Katalysatoren in die Reaktorrohre gefüllt werden und dort ein Katalysatorbett bilden. Da im Verlauf der Reaktion eine große Menge an Wärme frei wird (n-Butan zu MA: -1260 kJ/mol, n-Butan zu CO2: 2877 kJ/mol), wird die Reaktion in der Regel in Rohrbündelreaktoren mit Rohrinnendurchmessern von 21 mm durchgeführt, um diese Wärme über die Rohrwand in das aus einer Salzschmelze bestehende Kühlmedium abführen zu können. Größere Rohrinnendurchmesser (D) wären zwar aufgrund der niedrigeren Anschaffungskosten des Rohrbündelreaktors wirtschaftlich von Interesse, jedoch erschwert diese Geometrie die Wärmeabfuhr im Katalysatorbett, was zu niedrigeren Ausbeuten an MA führt. Außerdem führt die verminderte Wärmeabfuhr zu einem thermisch instabilen Betrieb, das heißt es kann zu „thermischen Run-Aways“ kommen. Unter „thermischen Run-Away“ wird die schnelle und unkontrollierte Erhöhung der Reaktionstemperatur verstanden, die zur Totaloxidation des n-Butan führt. Darüber hinaus ergibt sich aus dem größeren A/D-Verhältnis (Anzahl Katalysatorpartikel im Rohr zu Rohrdurchmesser) auch eine dichtere Schüttung, was zu höheren Staudrücken im Betrieb und damit zu höheren Investitions- und Betriebskosten eines leistungsfähigeren Kompressors führt.
  • EP 2643086 A1 offenbart Katalysatorformkörper zur katalytischen Umsetzung von n-Butan zu Maleinsäureanhydrid in Festbettreaktoren, wobei der Katalysatorformkörper als Zylinder mit einer Grundfläche, einer Zylinderfläche, einer Zylinderachse und mindestens einer durchgehenden, parallel zur Zylinderachse verlaufenden Öffnung ausgebildet ist und die Grundfläche des Zylinders mindestens vier Loben aufweist, wobei ein den Katalysatorformkörper umhüllender geo-metrischer Grundkörper ein Prisma ist, das eine Prismengrundfläche mit einer Länge und einer Breite aufweist, wobei die Länge größer ist als die Breite.
  • Es ergibt sich daher die Aufgabe ein Reaktorsystem, insbesondere einen Rohrbündelreaktor, für die katalytische Oxidation von n-Butan zu Maleinsäureanhydrid zur Verfügung zu stellen, das Reaktorröhren mit einem Rohrinnendurchmesser größer 23 mm aufweist, mit dem ein thermisch stabiler Betrieb und eine hohe MA-Ausbeute ermöglicht wird.
  • Die Aufgabe wird gelöst, durch ein Reaktorsystem zur Herstellung von Maleinsäureanhydrid durch katalytische Oxidation von n-Butan, umfassend mindestens eine Reaktorröhre mit einem Innendurchmesser größer 23 mm, die mit Katalysatorpartikel befüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der befüllten Reaktorröhre das Verhältnis der geometrische Oberfläche der Katalysatorpartikel pro Volumeneinheit zur Querschnittsfläche der Reaktorröhre kleiner als 1,5 cm-3 ist. Außerdem wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von Maleinsäureanhydrid durch die katalytische Oxidation von n-Butan gelöst, wobei ein Gemisch, welches n-Butan und Sauerstoff umfasst, durch das erfindungsgemäße Reaktorkonzept geleitet wird.
  • Die Aufgabe wird auch gelöst durch die Verwendung von Katalysatorpartikeln, die eine geometrische Oberfläche von mehr als 2 cm2 aufweisen in einer Reaktorröhre mit einem Innendurchmesser größer 23 mm zur Herstellung von Maleinsäureanhydrid durch die selektive katalytische Oxidation von n-Butan.
  • Der mit Katalysatorpartikeln befüllte Teil der Reaktorröhre hat typischerweise eine Länge von 3 bis 8 m, bevorzugt 4 bis 6 m. In diesem mit Katalysatorpartikeln befüllten Abschnitt der Reaktorröhre findet die katalytische Oxidation von n-Butan zu Maleinsäureanhydrid statt, sodass die Temperatur in diesem Bereich kontrolliert, d.h. temperiert werden muss. Das Eduktgas, das n-Butan und Sauerstoff enthalten muss, enthält z.B. eine Mischung aus zwischen 0,2 bis 10 Vol.-% n-Butan und 5 bis 50 Vol.-%% Sauerstoff. Typischerweise besteht das Eduktgas aus einer Mischung aus 0,5 bis 3 Vol.-% n-Butan, 10 bis 30 Vol.-% Sauerstoff und im Übrigen aus einem Inertgas wie Stickstoff und 1 bis 4 Vol.-% Wasser. Besonders bevorzugt ist, dass das Eduktgas Luft enthält, und die entsprechende Menge n-Butan und optional Wasser zugegeben wird. Bevorzugter Weise, können geringe Mengen 0,5 bis 5 ppm oder 1 bis 3 ppm, bezogen auf das Gasvolumen, an organischen Phosphorsäureestern wie Trimethylphosphat oder Triethylphosphat im Eduktgas vorliegen, um den Phosphatverlust des Katalysators auszugleichen. Das Eduktgas wird in die Reaktorröhre geleitet (typischerweise von unten) und kommt im mit Katalysatorpartikel befüllten Teil der Reaktorröhre bei erhöhter Temperatur mit diesen in Kontakt, wobei n-Butan zu Maleinsäureanhydrid oxidiert wird.
  • Bevorzugt ist, dass eine Vielzahl von Reaktorröhren vorliegen, die einzeln oder gemeinsam temperiert werden können. Nachdem die selektive Oxidation von n-Butan zu Maleinsäureanhydrid eine exotherme Reaktion ist, muss überschüssige Wärme abgeführt werden, gleichzeitig muss dafür gesorgt werden, dass die Reaktorröhren die notwendige Reaktionstemperatur aufweisen. Bevorzugterweise erfolgt die Temperierung durch ein Salzbad (zum Beispiel ein Eutektikum aus Kaliumnitrat und Natriumnitrit, ca. im Verhältnis 1:1), in dem eine Vielzahl an Reaktorröhren eingelassen sind. Während der Reaktion weist das Salzbad typischerweise eine Temperatur zwischen 380 °C und 430 °C auf. Mit dem erfindungsgemäßen Reaktorsystem lässt sich die Reaktion bei einer niedrigen Salzbadtemperatur zwischen 400 °C und 420 °C durchführen, was zu einer erhöhten thermischen Stabilität und einer erhöhten Selektivität führt. Während der Reaktion bildet sich innerhalb der Reaktorröhre ein Temperaturprofil in axialer Richtung aus, wobei im ersten Drittel der Reaktorröhre ein Bereich mit maximaler Temperatur („Hotspot“) entsteht. Typischerweise liegt die maximale Temperatur in der Reaktorröhre bei 430 °C bis 460 °C, erfindungsgemäß bevorzugt ist eine maximale Temperatur zwischen 440 °C und 450 °C.
  • Die Katalysatorpartikel, enthalten bevorzugter Weise eine Vanadylpyrophosphat-Phase (VPO-Phase) und können geträgert sein oder aber vollständig aus der VPO-Phase bestehen. Die VPO-Phase kann die üblichen Dotierungen aufweisen, darunter insbesondere Molybdän und / oder Alkalimetalle, wie es zum Beispiel in DE 10 2014 004786 A1 beschrieben ist.
  • Erfindungsgemäß muss in der befüllten Reaktorröhre das Verhältnis der geometrischen Oberfläche der Katalysatorpartikel pro Volumeneinheit zur Querschnittsfläche der Reaktorröhre kleiner als 1,5 cm-3 sein. Diese Bedingung wird bei einem Reaktorrohrinnendurchmesser von mehr als 23 mm und ansonsten typischen Reaktionsbedingungen und Katalysator-Geometrien erfüllt sein, wenn die Katalysatorpartikel eine geometrische Oberfläche von mehr als 2 cm2 aufweisen. Bevorzugt ist, dass der Innendurchmesser der Reaktorröhre größer gleich 24 mm, stärker bevorzugt größer oder gleich 25 mm ist. Die Reaktorröhre hat typischerweise eine Wandstärke 1 ein bis 2 mm, sodass der Außendurchmesser der Reaktorröhre entsprechend größer ist.
  • Bevorzugt ist für die erfindungsgemäße Ausführung des Weiteren, dass die Katalysatorpartikel im Reaktorrohr eine Schüttdichte weniger als 0,8 g/cm3 insbesondere weniger als 0,7 g/cm3 aufweisen
  • Bevorzugte Katalysatorpartikel zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Reaktorkonzept sind die, die in EP 2643086 A1 beschrieben sind. Diese bevorzugten Katalysatorpartikel sind insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass jedes einzelne Katalysatorpartikel jeweils als Zylinder mit einer Außengrundfläche [1], einer Zylinderfläche [2], einer Zylinderachse und mindestens einer durchgehenden, parallel zur Zylinderachse verlaufenden Öffnung [3] ausgebildet ist und die Außengrundfläche [1] des Zylinders mindestens vier Loben [4a, 4b, 4c, 4d] aufweist, wobei ein die Katalysatorpartikel umschließender geometrische Grundkörper ein Prisma ist, das eine Prismengrundfläche mit einer Länge und einer Breite aufweist, wobei die Länge größer ist als die Breite, wobei die Loben [4a, 4b, 4c, 4d] von Prismenecken der Prismengrundfläche umschlossen sind.
  • Erfindungsgemäß ist unter der geometrischen Oberfläche der Katalysatorpartikel OP nicht die spezifische BET-Oberfläche des Katalysatormaterials gemeint, sondern die geometrische äußere Oberfläche eines Katalysatorpartikel, d.h. die Oberfläche, die sich ergeben würde, wenn das Katalysatorpartikel ein massiver nicht poröser Körper wäre. Die geometrische äußere Oberfläche des Katalysatorpartikel ergibt sich allein durch seine geometrischen Abmessungen. Im Gegensatz dazu ist die spezifische BET-Oberfläche die innere Oberfläche des porösen Pulvers pro Gramm Katalysatormaterial.
  • Als axialer Abschnitt der Reaktorröhre wird ein Abschnitt verstanden, der durch zwei senkrecht zur Längsrichtung der Reaktorröhre verlaufende fiktive Linien abgegrenzt wird, so dass die dabei gedachten fiktiven Schnittflächen kreisrund sind. Der axiale Abschnitt hat eine Länge L, sodass sich bei einem Innendurchmesser D des Reaktors folgende Größen ergeben: Oberfläche der Reaktorinnenwand (OR) OR = π * D * L, Volumen dieses Reaktorabschnitts (VR) VR = π/4 * D2* L, Querschnittsfläche der Innenseite der Reaktorröhre (QR) QR = D2 * π/4.
  • Die geometrische Oberfläche der Katalysatorpartikel pro Volumeneinheit OK in einem beliebigen axialen Abschnitt der befüllten Reaktorröhre mit der Länge L ergibt sich somit durch OK = (AK * OP) / VR, wobei AK die Anzahl der Katalysatorpartikel in dem Abschnitt ist. AK lässt sich durch die geometrische Katalysatorpartikel-Dichte KD ermitteln (AK = KD * π/4 * D2* L), die wiederum durch Schüttdichte SD und Masse mP eines einzelnen Partikels ausdrückbar ist (KD = SD / mP). Somit gilt OK = (SD / mP) * OP.
  • Erfindungsgemäß muss für jeden beliebigen axialen Abschnitt des Reaktorohrs gelten: O K / Q R ≤ 1,5  cm − 3
    Figure DE102019127788A1_0001
    vorzugsweise ist (OK / QR) ≤ 1,45 cm-3, stärker bevorzugt ≤ 1,40 cm-3 und am stärksten bevorzugt ≤ 1,35 cm-3. Tabelle 1: Wirtschaftliche Vorteile des erfindungsgemäßen Reaktorkonzepts
    Parameter 21 mm Rohr 25 mm Rohr
    GHSV [h-1] 2.000 2.200 1.552 1.693
    nC4 [Vol.-%] 2,1 1,9 2,1 1,9
    Länge Bett [m] 5,5 5,5 5,5 5,5
    Produktivität [g MA / (h * Rohr)] 201 200 230 229
    Produktivitätszunahme [%] 0 -0.5 +15 +14,5
    Reduktion der Anzahl der Röhren [%] 7,2 6,8 19,0 18,7
    n-Butan-Effizienz -5,2 -5.2 -1,0 0,0
  • Tabelle 1 fasst die sich aus dem erfindungsgemäßen Reaktorkonzept ergebenden wirtschaftlichen Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik zusammen. Als Stand der Technik wird hierbei eine Reaktorröhre mit 21 mm Innendurchmesser mit einer Raumzeitgeschwindigkeit von 2.000 h-1 (bei 5,5 m Bettlänge) und eine Butankonzentration von 1,9 Vol.-% n-Butan im Edukt-Gasstrom angesehen. Aus der experimentell bestimmten Ausbeute an MA in Kombination mit der Raumzeitgeschwindigkeit ergibt sich eine Produktivität an MA pro Rohr und pro Zeiteinheit. Diese Produktivität kann durch Variation der Raumzeitgeschwindigkeit sowie der n-Butankonzentration über die sich jeweils ergebende Ausbeute an MA beeinflusst werden. Aus dieser Produktivität für ein einzelnes Rohr ergibt sich bei einer festgesetzten Gesamtkapazität einer kommerziellen Produktionsanlage (im Beispiel von Tabelle 1 wird eine Jahresproduktion von 50 kt bei einer Laufzeit von 8.000 h/a angenommen) eine entsprechende benötigte Rohranzahl für den Reaktor. Da die Ausbeute an MA von der Raumzeitgeschwindigkeit sowie der Butankonzentration im Edukt-Gasstrom beeinflusst wird, ergibt sich des Weiteren eine Änderung der n-Butan-Effizienz zu Bildung von MA. Wie Tabelle 1 zeigt, kann über eine Erhöhung der Raumzeitgeschwindigkeit bzw. der n-Butankonzentration im Edukt-Gasstrom die Produktivität sowohl für eine Reaktorröhre mit 21 mm Innendurchmesser, wie auch im Falle des erfindungsgemäßen Reaktorkonzepts gesteigert werden, jedoch fällt diese Produktivitätszunahme im erfindungsgemäßen Reaktorkonzept ca. doppelt so hoch aus, wie bei einem Reaktorkonzept gemäß Stand der Technik. Die hieraus resultierende Einsparung an Reaktorröhren ist demgemäß im erfindungsgemäßen Fall ebenfalls deutlich höher. Bei Betrachtung der Butan-Effizienz zeigt sich aber, dass diese lediglich im erfindungsgemäßen Reaktorkonzept erhalten bleibt, so dass nur das erfindungsgemäße Reaktorkonzept eine Kombination aus Produktivitätssteigerung und damit Einsparung an Reaktorröhrenanzahl bei gleichzeitigem Erhalt der Butan-Effizienz bietet.
    • 1: Katalytische Testergebnisse eines erfindungsgemäßen Reaktorsystems im Vergleich zu einem üblichen Reaktorsystem (GHSV = 2.000 h-1 bzw. 1.411 h-1, 1,9 Vol.-% n-Butan).
    • 2: Katalytische Testergebnisse eines erfindungsgemäßen Reaktorsystems im Vergleich zu einem üblichen Reaktorsystem (GHSV = 2.200 h-1 bzw. 1.552 h-1, 1,9 Vol.-% n-Butan).
    • 3: Zusammenhang zwischen maximaler Betttemperatur und Umsatz (GHSV = 2.000 h-1 bzw. 1.411 h-1, 1,9 Vol.-% n-Butan).
    • 4: Darstellungen des bevorzugten Katalysatorpartikels, die „Doppelalpha-Form“ aus vier verschiedenen Perspektiven.
  • Beispiele
  • Herstellung der Katalysatorpartikel
  • Herstellen der Reaktionsmischung und Reduktion: Als erstes werden 1069,5 g Isobutanol und 156,0 g Benzylalkohol zugegeben. Unter Rühren erfolgt die Zugabe von 150 g V2O5. Nach der V2O5 Zugabe erfolgt die Zugabe von 2,52 g Ammoniumdimolybdat. Anschließend werden 232,50 g Phosphorsäure (100 %, bzw. wasserfrei) zur Suspension zugegeben und unter N2 im Rückfluss für 10 h geheizt.
  • Filtrieren: Nach Abkühlen der Zwischenproduktsuspension wird diese aus dem Vierhalskolben in eine Filternutsche übertragen und die Flüssigkeit abgesaugt. Der feuchte Filterkuchen wird in einer Presse über Nacht bei 14 bis 18 bar trocken gepresst.
  • Trocknung: Der ausgepresste Filterkuchen wird in den Verdampferkolben eines Rotationsverdampfers gefüllt. Unter Wasserstrahlvakuum wird der Filterkuchen bei 110 °C über Nacht getrocknet. Das so getrocknete Pulver wird in einem geeigneten Kalziniertopf in einen Ofen gestellt und in einer N2-Atmosphäre bei Temperaturen von 200 bis 300 °C für 9 Stunden kalziniert. Es wird das getrocknete Zwischenprodukt (VMO0,0088OHPO4 x 0,5 H2O) erhalten.
  • Tablettierung: Vor der Kompaktierung/Tablettierung werden dem kalzinierten pulverförmigen Zwischenprodukt 5 Gew.-% Graphit zugegeben und mit Hilfe eines Rhönradmischers homogen durchmischt. Dieses Pulver wird mit einem Walzenkompaktor mit einem Anpressdruck von 190 bar, einer Spaltbreite von 0,60 mm und einer Walzengeschwindigkeit von 7 U/min, zu Platten kompaktiert und durch ein 1 mm Sieb granuliert.
  • Das Granulat wird mit einer Rundläufertablettenpresse zu der gewünschten Tablettenform und Seitendruckfestigkeit gepresst:
    • Es wurde eine Doppelalphaform gepresst, mit einer Höhe von 5,6 mm, einer Länge von 6,7 mm, einer Breite von 5,8 mm und einem Lochinnendurchmesser von 2,1 mm. Diese Katalysatorpartikel weisen eine geometrische Oberfläche von 2,37 cm2, ein Volumen von 0,154 cm3 und eine Masse von 0,24 g auf. Bei dem Einfüllen in einen 21 mm Reaktor ergibt sich eine Fülldichte von 0,60 bis 0,62 g/cm3, in einen 25 mm Reaktor ergibt sich eine Fülldichte von 0,65 bis 0,67 g/cm3.
  • Als Vergleich wurden Katalysatorpartikel in der üblichen Zylinderform gepresst mit einer Höhe von 5,6 mm, einem Außendurchmesser von 5,5 mm und einer mittleren axialen Öffnung mit einem Durchmesser von 2,3 mm. Diese Körper weisen eine geometrische Oberfläche von 1,77 cm2, ein Volumen von 1,11 cm3 und eine Masse von 0,18 g auf. Bei dem Einfüllen in einen 21 mm Reaktor ergibt sich eine Fülldichte von 0,72 bis 0,76 g/cm3.
  • Aktivierung zum Pyrophosphats: Die Aktivierung, bei der Vanadiumpyrophosphat entsteht, wird in einer in einem programmierbaren Ofen eingebauten Retorte unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt. Die kalzinierten Tabletten werden gleichmäßig in die Retorte eingefüllt und diese wird dicht verschlossen. Danach wird der Katalysator in einer feuchten Luft-Stickstoffmischung (50% absolute Luftfeuchtigkeit) zuerst bei über 300 °C für 5 h anschließend bei über 400 °C für 9 h aktiviert.
  • Pilottest, Reaktionsbedingungen
  • Die katalytischen Testreaktionen wurden in einem Röhrenreaktor mit 21 mm Innendurchmesser und 25 mm Innendurchmesser und einer Bettlänge von 5,5 m jeweils unter vergleichbaren Bedingungen durchgeführt. Der Edukt-Strom bestand aus 1,9 Vol.-% n-Butan, verdünnt in Luft, 2,5 Vol.-% Wasser und ca. 2 ppm Trimethylphosphat. Die Raumzeitgeschwindigkeit (GHSV ausgedrückt in h-1) war in dem Reaktor mit 21 mm Innendurchmesser 2.000 h-1 und 2.200 h-1. Um für den Vergleich mit dem 21 mm Rohr identische Gasmengen durchzuleiten, war die Raumzeitgeschwindigkeit in dem Reaktor mit 25 mm Innendurchmesser 1.411 h-1 und 1.552 h-1. Unter Raumzeitgeschwindigkeit wird hier das Inverse der Zeit verstanden, in der das durch den Reaktor geströmte Gas unter Normalbedingungen dem Leervolumen der Reaktorröhre entspricht. Die Ausbeute an Maleinsäureanhydrid wird in Gewichtsprozent (Gew.-%), bezogen auf das Gewicht des eingesetzten n-Butan angegeben.
  • Die Ergebnisse der katalytischen Testreaktionen werden in den 1 und 2 gezeigt. 1 zeigt die Ergebnisse der katalytischen Testreaktion bei Verwendung eines Reaktors mit 25 mm Innendurchmesser und den Doppelalpha-Katalysatorpartikeln. Hierfür ergibt sich: ((SD / mP) * OP) / QR = ((0,65 bis 0,67 g/cm3 / 0,24 g) * 2,37 cm2) / (2,52 cm2 * π/4) = 1,31 bis 1,35 cm-3.
  • Ebenfalls in 1 gezeigt sind die Ergebnisse bei Verwendung eines Reaktors mit 21 mm Innendurchmesser und den zylindrischen Katalysatorpartikeln. Hierfür ergibt sich: ((SD / mP) * OP) / QR = ((0,72 bis 0,76 g/cm3/ 0,18 g) * 1,77 cm2) / (2,12 cm2 * π/4) = 2,04 bis 2,16 cm-3.
  • Wie ersichtlich ist, ergeben sich bei jeweils vergleichbaren Raumzeitgeschwindigkeiten durch den Einsatz von Reaktoren mit 25 mm Innendurchmesser und erfindungsgemäßem Katalysatorpartikeln, eine wesentlich erhöhte Maleinsäure-Ausbeute, was auf eine wesentlich höhere MA-Selektivität bei gleicher n-Butan-Konversion zurückzuführen ist. Bei einer Raumzeitgeschwindigkeit von 2.000 h-1 bzw. 1.411 h-1 ergibt sich in dem erfindungsgemäßen Reaktorsystem eine Erhöhung der MA-Ausbeute von 2 bis 4 Gew.-%.
  • Ein ähnlicher Effekt stellt sich ein, wenn bei identischer Reaktorkonfiguration die Raumzeitgeschwindigkeit auf 2.200 h-1 bzw. 1.552 h-1 erhöht wird, dann ergibt sich durch das erfindungsgemäße Reaktorsystem eine Erhöhung der MA-Ausbeute von mehr als 4 Gew.-%.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2643086 A1 [0006, 0015]
    • DE 102014004786 A1 [0012]

Claims (12)

  1. Reaktorsystem zur Herstellung von Maleinsäureanhydrid durch katalytische Oxidation von n-Butan, umfassend mindestens eine Reaktorröhre mit einem Innendurchmesser größer 23 mm, die mit Katalysatorpartikeln befüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der mindestens einen befüllten Reaktorröhre das Verhältnis der geometrischen Oberfläche der Katalysatorpartikel pro Volumeneinheit zur Querschnittsfläche der Reaktorröhre gleich oder kleiner als 1,5 cm-3 ist.
  2. Reaktorsystem zur Herstellung von Maleinsäureanhydrid nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser der Reaktorröhre gleich oder größer 24 mm, bevorzugterweise gleich oder größer 25 mm ist.
  3. Reaktorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der geometrischen Oberfläche der Katalysatorpartikel pro Volumeneinheit zur Querschnittsfläche der Reaktorröhre kleiner als 1,40 cm-3, bevorzugterweise kleiner als 1,35 cm-3 ist.
  4. Reaktorsystem nach einem der vorherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fülldichte der Katalysatorpartikel im Reaktorrohr weniger als 0,7 g/cm3 ist.
  5. Reaktorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorpartikel als Zylinder mit einer Außengrundfläche [1], einer Zylinderfläche [2], einer Zylinderachse und mindestens einer durchgehenden, parallel zur Zylinderachse verlaufenden Öffnung [3] ausgebildet sind und die Außengrundfläche [1] des Zylinders mindestens vier Loben [4a, 4b, 4c, 4d] aufweist, wobei ein die Katalysatorpartikel umschließender geometrische Grundkörper ein Prisma ist, das eine Prismengrundfläche mit einer Länge und einer Breite aufweist, wobei die Länge größer ist als die Breite, wobei die Loben [4a, 4b, 4c, 4d] von Prismenecken der Prismengrundfläche umschlossen sind.
  6. Reaktorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Reaktorröhre in einem Salzbad temperiert werden kann.
  7. Reaktorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Rohrbündelreaktor, mit einer Vielzahl von Reaktorröhren handelt, die durch ein Salzbad temperiert werden können.
  8. Verfahren zur Herstellung von Maleinsäureanhydrid durch katalytische Oxidation von n-Butan, wobei ein Eduktgas umfassend Sauerstoff und n-Butan durch das Reaktorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7 geleitet wird und die mindestens eine Reaktorröhre bei erhöhter Temperatur vorliegt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Reaktorröhre bei einer Temperatur zwischen 300 °C und 420 °C vorliegt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Eduktgas zwischen 0,2 bis 10 Vol.-% n-Butan und zwischen 5 und 50 Vol.-% Sauerstoff enthält und mit einer Raumzeitgeschwindigkeit von 1.100 h-1 bis 1.800 h-1, vorzugsweise 1.300 h-1 bis 1.600 h-1 durch die Reaktorröhre geleitet wird.
  11. Verwendung einer Reaktorröhre mit einem Innendurchmesser größer 23 mm zur Herstellung von Maleinsäureanhydrid durch die selektive katalytische Oxidation von n-Butan mit Katalysatorpartikeln, die eine geometrische Oberfläche von mehr als 2 cm2 aufweisen.
  12. Verwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorpartikel als Zylinder mit einer Außengrundfläche [1], einer Zylinderfläche [2], einer Zylinderachse und mindestens einer durchgehenden, parallel zur Zylinderachse verlaufenden Öffnung [3] ausgebildet sind und die Außengrundfläche [1] des Zylinders mindestens vier Loben [4a, 4b, 4c, 4d] aufweist, wobei ein die Katalysatorpartikel umschließender geometrische Grundkörper ein Prisma ist, das eine Prismengrundfläche mit einer Länge und einer Breite aufweist, wobei die Länge größer ist als die Breite, wobei die Loben [4a, 4b, 4c, 4d] von Prismenecken der Prismengrundfläche umschlossen sind.
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