DE102021128695A1 - Production of ketones from carboxylic acids - Google Patents

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Inventor
Thomas Heidemann
Barbara BECKER
Barbara Wucher
Boris Breitscheidel
Jochen Hauss
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BASF SE
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BASF SE
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    • C07C45/00Preparation of compounds having >C = O groups bound only to carbon or hydrogen atoms; Preparation of chelates of such compounds
    • C07C45/51Preparation of compounds having >C = O groups bound only to carbon or hydrogen atoms; Preparation of chelates of such compounds by pyrolysis, rearrangement or decomposition

Abstract

Ketone werden aus Carbonsäuren in Gegenwart eines Katalysator-Formkörpers hergestellt. Der Katalysator umfasst Zirkoniumdioxid und ein oder mehrere Metalloxide der ersten oder zweiten Hauptgruppe des Periodensystems. Der Katalysator-Formkörper weist eine durchgehende Öffnung auf, die von einem festen Wandbereich mit einer Wanddicke von weniger als 2 mm umgeben ist. Der Katalysator weist eine erhöhte mechanische Stabilität auf, ohne dabei die Anfangsaktivität zu beeinträchtigen.Ketones are produced from carboxylic acids in the presence of a shaped catalyst body. The catalyst comprises zirconium dioxide and one or more metal oxides from the first or second main group of the periodic table. The shaped catalyst body has a through opening which is surrounded by a solid wall area with a wall thickness of less than 2 mm. The catalyst has increased mechanical stability without impairing the initial activity.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ketonen aus Carbonsäuren.The present invention relates to a process for preparing ketones from carboxylic acids.

Ketone sind nützliche organische Lösungsmittel für die Anstrichmittel-, Landwirtschafts- und andere Industrien. Die Herstellung von Ketonen aus Carbonsäuren mit Metalloxidkatalysatoren bei hohen Temperaturen ist seit langem bekannt.Ketones are useful organic solvents for the paint, agricultural, and other industries. The production of ketones from carboxylic acids with metal oxide catalysts at high temperatures has been known for a long time.

Im Verfahren nach EP 0352674 wird ein Katalysator verwendet, dessen aktives Material mindestens 50 Gew.-% Titandioxid mit einer spezifischen Oberfläche von mehr als 10 m2/g und ein oder mehrere Metalloxide der ersten oder zweiten Hauptgruppe des Periodensystems enthält.In the procedure after EP0352674 a catalyst is used whose active material contains at least 50% by weight of titanium dioxide with a specific surface area of more than 10 m 2 /g and one or more metal oxides from the first or second main group of the periodic table.

Während die Titandioxid-basierten Katalysatoren eine hohe Anfangsaktivität aufweisen, lässt ihre mechanische Stabilität schnell nach, was zu einem zunehmenden Druckverlust im Reaktor führt. Daher ist es wünschenswert, einen Katalysator mit erhöhter mechanischer Stabilität bereitzustellen, ohne dabei die Anfangsaktivität zu beeinträchtigen.While the titania-based catalysts show a high initial activity, their mechanical stability decreases rapidly, leading to an increasing pressure drop in the reactor. Therefore, it is desirable to provide a catalyst with increased mechanical stability without sacrificing initial activity.

US 2009/182173 betrifft die Herstellung von gemischten Ketonen aus einem Gemisch von Carbonsäuren mit hoher Selektivität. Der Katalysator enthält Zirkoniumdioxid oder Zirkoniumdioxid und Titandioxid, sowie ein Metallsilikat der Gruppe 1 oder 2 oder ein Phosphatsalz. Der Katalysator soll selektiver für die Bildung des gemischten Ketons sein als für ein symmetrisches Keton. U.S. 2009/182173 relates to the production of mixed ketones from a mixture of carboxylic acids with high selectivity. The catalyst contains zirconia or zirconia and titania, and a Group 1 or 2 metal silicate or a phosphate salt. The catalyst is said to be more selective for the formation of the mixed ketone than for a symmetrical ketone.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ketonen aus Carbonsäuren in Gegenwart eines Katalysator-Formkörpers, wobei der Katalysator Zirkoniumdioxid und ein oder mehrere Metalloxide der ersten oder zweiten Hauptgruppe des Periodensystems umfasst, und der Katalysator-Formkörper eine durchgehende Öffnung aufweist, die von einem festen Wandbereich mit einer Wanddicke von weniger als 2 mm, bevorzugt weniger als 1,8 mm, umgeben ist.The invention relates to a process for preparing ketones from carboxylic acids in the presence of a shaped catalyst body, the catalyst comprising zirconium dioxide and one or more metal oxides from the first or second main group of the periodic table, and the shaped catalyst body having a continuous opening which is covered by a solid Wall area is surrounded with a wall thickness of less than 2 mm, preferably less than 1.8 mm.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden Carbonsäuren unter Decarboxylierung und Dehydratisierung zu Ketonen oder Gemischen von Ketonen umgesetzt. Die Reaktion wird durch das folgende Reaktionsschema veranschaulicht:

Figure DE102021128695A1_0001
worin R1 und R2 unabhängig voneinander für Alkyl, Cycloalkyl, Aralkyl, Aryl oder Hetaryl stehen, und mindestens einer der Reste R1 und R2 ein oder mehrere, d.h. ein, zwei oder drei, Wasserstoffatome am α-Kohlenstoffatom trägt.In the process according to the invention, carboxylic acids are converted into ketones or mixtures of ketones with decarboxylation and dehydration. The reaction is illustrated by the following reaction scheme:
Figure DE102021128695A1_0001
wherein R 1 and R 2 independently represent alkyl, cycloalkyl, aralkyl, aryl or hetaryl, and at least one of the radicals R 1 and R 2 carries one or more, ie one, two or three, hydrogen atoms on the α-carbon atom.

R1 und R2 sind jeweils bevorzugt Alkyl mit 1 bis 17 Kohlenstoffatomen, Cycloalkyl mit 3 bis 8 Ringmitgliedern, Arylalkyl mit 7 bis 12 Kohlenstoffatomen, Aryl oder Hetaryl.R 1 and R 2 are each preferably alkyl of 1 to 17 carbon atoms, cycloalkyl of 3 to 8 ring members, arylalkyl of 7 to 12 carbon atoms, aryl or hetaryl.

Wenn R1 und R2 identisch sind, handelt es sich um symmetrische Ketone; bei asymmetrischen Ketonen sind R1 und R2 dagegen verschieden. Wenn R1 und R2 zusammen einen zweiwertigen Rest bilden, handelt es sich um die Reaktion einer Dicarbonsäure zu einem cyclischen Keton. Es ist aber auch möglich, eine Dicarbonsäure mit zwei oder mehr Äquivalenten einer Monocarbonsäure zu einem Diketon umzusetzen.When R 1 and R 2 are identical, they are symmetrical ketones; in the case of asymmetric ketones, on the other hand, R 1 and R 2 are different. When R 1 and R 2 together form a divalent radical, it is the reaction of a dicarboxylic acid to form a cyclic ketone. However, it is also possible to react a dicarboxylic acid with two or more equivalents of a monocarboxylic acid to give a diketone.

Bei der Herstellung asymmetrischer Ketone erhält man in der Regel Gemische aus symmetrischen Ketonen und asymmetrischen Ketonen, deren Verhältnis von den Reaktivitäten der Ausgangssäuren abhängt. Die reaktivere Säure reagiert bevorzugt mit sich selbst, und nur ein kleiner Teil dieser Säure steht für die Bildung des asymmetrischen Ketons zur Verfügung. Wenn die Ausgangsmischung eine Carbonsäure R1-COOH ohne α-Wasserstoffatome enthält, z.B. eine Carbonsäure mit einem tertiären α-Kohlenstoffatom, wie die Pivalinsäure, oder eine aromatische Carbonsäure, wird R1-COOH nicht autokondensiert, und es entstehen nur R1-CO-R2 und R2-CO-R2.When preparing asymmetric ketones, mixtures of symmetric ketones and asymmetric ketones are generally obtained, the ratio of which depends on the reactivities of the starting acids. The more reactive acid reacts preferentially with itself, and only a small portion of this acid is available to form the asymmetric ketone. If the starting mixture contains a carboxylic acid R 1 -COOH without α-hydrogen atoms, eg a carboxylic acid with a tertiary α-carbon atom such as pivalic acid or an aromatic carboxylic acid, R 1 -COOH is not autocondensed and only R 1 -CO is formed -R2 and R2 -CO - R2 .

Beispiele für wichtige Ketone, die nach dem Verfahren aus den entsprechenden Säuren erhältlich sind, sind Diethylketon, Di-n-propylketon, Diisopropylketon, Methylpropylketon, Methylisopropylketon, Ethylisopropylketon, Nonan-5-on, Octan-2,7-dion, Cyclopentanon, Cycloheptanon, Acetophenon, Propiophenon, Butyrophenon, Isobutyrophenon, Valerophenon, Phenylaceton, 1,2-Diphenylaceton, Cyclohexylmethylketon, Cyclohexylphenylketon, Cyclopropylmethylketon, Pinacolon und sogar heterocyclische Ketone, wie 3-Acetylpyridin, 4-Acetylpyrazol und 4-Acetylimidazol.Examples of important ketones obtainable from the corresponding acids by the process are diethyl ketone, di-n-propyl ketone, diisopropyl ketone, methyl propyl ketone, methyl isopropyl ketone, ethyli sopropyl ketone, nonan-5-one, octane-2,7-dione, cyclopentanone, cycloheptanone, acetophenone, propiophenone, butyrophenone, isobutyrophenone, valerophenone, phenylacetone, 1,2-diphenylacetone, cyclohexyl methyl ketone, cyclohexyl phenyl ketone, cyclopropyl methyl ketone, pinacolone and even heterocyclic ketones, such as 3-acetylpyridine, 4-acetylpyrazole and 4-acetylimidazole.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird Diethylketon aus Propionsäure hergestellt.In a preferred embodiment, diethyl ketone is produced from propionic acid.

Zirkoniumdioxid ist unter sauren Bedingungen stabiler als Titandioxid. Daher behalten die neuen Katalysatoren ihre mechanischen Eigenschaften und ihre Stabilität sowie einen geringen Druckverlust im Laufe der Zeit besser bei.Zirconia is more stable than titania under acidic conditions. Therefore, the new catalysts better maintain their mechanical properties and their stability as well as a low pressure drop over time.

Der Katalysator-Formkörper weist eine durchgehende Öffnung auf, die von einem festen Wandbereich mit einer begrenzten Wanddicke umgeben ist. Es wird angenommen, dass dieser Aufbau kürzere Diffusionswege für Reaktanden und/oder Produkte ermöglicht. Die Erfinder haben überraschenderweise festgestellt, dass Katalysatoren mit einer zu großen Wanddicke schnell desaktiviert werden. Darüber hinaus reduziert der Aufbau den Druckverlust, der über ein gepacktes Katalysatorbett auftritt, und verringert gleichzeitig den Katalysatorverlust durch Bruch, Abrieb oder Zerkleinerung während der Handhabung oder Sortierung.The shaped catalyst body has a continuous opening which is surrounded by a solid wall area with a limited wall thickness. It is believed that this setup allows for shorter diffusion paths for reactants and/or products. The inventors have surprisingly found that catalysts with too great a wall thickness are quickly deactivated. In addition, the design reduces the pressure drop that occurs across a packed catalyst bed while also reducing catalyst loss through breakage, attrition, or crushing during handling or sorting.

Der Katalysator-Formkörper kann die Form eines Hohlzylinders, eines Wagenrads, oder eine multilobale Form aufweisen. Im Allgemeinen ist die Form eines Hohlzylinders („Ringform“) bevorzugt. Vorzugsweise weist der Katalysator-Formkörper ein Seitenverhältnis von der Länge zum Durchmesser von 0,5 bis 0,8, stärker bevorzugt von 0,5 bis 0,65 auf.The shaped catalyst body may have the shape of a hollow cylinder, a wagon wheel, or a multilobal shape. In general, the shape of a hollow cylinder (“annular shape”) is preferred. Preferably, the shaped catalyst body has a length to diameter aspect ratio of from 0.5 to 0.8, more preferably from 0.5 to 0.65.

Besonders bevorzugte Hohlzylinder sind (Außendurchmesser × Innendurchmesser × Länge): 5,5 × 3 × 3 mm oder 5 × 2 × 3 mm.Particularly preferred hollow cylinders are (external diameter×internal diameter×length): 5.5×3×3 mm or 5×2×3 mm.

Der Katalysator enthält 0,05 bis 50, vorzugsweise 1 bis 10 Gew.-% eines oder mehrerer Metalloxide, ausgewählt aus der ersten oder zweiten Hauptgruppe des Periodensystems, insbesondere aus den Elementen Lithium, Natrium und Kalium. Kalium ist im Allgemeinen bevorzugt.The catalyst contains 0.05 to 50% by weight, preferably 1 to 10% by weight, of one or more metal oxides selected from the first or second main group of the periodic table, in particular from the elements lithium, sodium and potassium. Potassium is generally preferred.

Im Allgemeinen kommt Zirkoniumdioxid in drei allotropen Formen vor: monoklin, tetragonal und kubisch. Bei der Phasenumwandlung von tetragonal zu monoklin kommt es zu einer starken Volumenausdehnung. Obwohl für die Anwendung der Erfindung vorgesehen ist, dass sowohl tetragonales Zirkoniumdioxid als auch monoklines Zirkoniumdioxid verwendet werden kann, ist derzeit Zirkoniumdioxid mit einem hohen Anteil an monokliner Phase bevorzugt. Es wird angenommen, dass Zirkoniumdioxid mit einem großen Anteil an monokliner Phase die Herstellung von Katalysatoren oder Katalysatorträgern mit verbesserter Bruchfestigkeit ermöglicht.In general, zirconia occurs in three allotropic forms: monoclinic, tetragonal, and cubic. During the phase transition from tetragonal to monoclinic, there is a strong volume expansion. While it is contemplated that both tetragonal zirconia and monoclinic zirconia may be used in the practice of the invention, zirconia having a high proportion of monoclinic phase is presently preferred. It is believed that zirconia with a large proportion of monoclinic phase enables the production of catalysts or catalyst supports with improved fracture toughness.

Das Zirkoniumdioxid ist vorzugsweise zu mindestens 65 Gew.-%, besonders bevorzugt zu mindestens 75 Gew.-% monoklin. Der Anteil des monoklinen Zirkoniumdioxids kann aus dem Röntgenbeugungsmuster des Produkts bestimmt werden. Die Herstellung von im Wesentlichen aus monoklinem ZrO2 bestehenden Trägern ist, z.B., in EP 0716883 beschrieben.The zirconia is preferably at least 65% by weight, more preferably at least 75% by weight, monoclinic. The content of the monoclinic zirconia can be determined from the X-ray diffraction pattern of the product. The production of supports consisting essentially of monoclinic ZrO 2 is, for example, in EP0716883 described.

Ein kommerziell erhältliches Material, das sich als nützlich erwiesen hat, ist das sprühgetrocknete Zirkoniumdioxid-Pulver D9-89, erhältlich von BASF SE. D9-89 ist zu etwa 20% tetragonal und zu 80% monoklin.A commercially available material that has been found useful is spray dried zirconia powder D9-89 available from BASF SE. D9-89 is approximately 20% tetragonal and 80% monoclinic.

Es wurde festgestellt, dass die Katalysatoren bestimmte Porengrößenmerkmale aufweisen sollten. Ein hoher durchschnittlicher Porendurchmesser ist im Allgemeinen bevorzugt. Vorzugsweise hat der Katalysator-Formkörper einen durchschnittlichen Porendurchmesser von mindestens 0,013 µm, stärker bevorzugt von mindestens 0,019 µm. Eine engere Porenstruktur kann die Bildung von Nebenprodukten und eine schnelle Deaktivierung fördern.It was found that the catalysts should have specific pore size characteristics. A high average pore diameter is generally preferred. Preferably, the shaped catalyst body has an average pore diameter of at least 0.013 µm, more preferably at least 0.019 µm. Tighter pore structure can promote by-product formation and rapid deactivation.

Vorzugsweise beträgt das gesamte Intrusionsvolumen 0,15 bis 0,40 mL/g.Preferably the total volume of intrusion is 0.15 to 0.40 mL/g.

Vorzugsweise beträgt die gesamte Porenoberfläche 45 bis 60 m2/g.Preferably the total pore surface area is 45 to 60 m 2 /g.

Es wurde festgestellt, dass ein Zusammenhang zwischen der Porosität des Katalysators und seiner Aktivität besteht. Es ist bekannt, dass porösere Katalysatoren aktivere Katalysatoren sind und daher eine übermäßige Kompaktierung der Katalysatoren oder Katalysatorträger auf Festigkeiten, die größer sind als für den Einsatz in Katalysatorbetten erforderlich, zu einer geringeren Katalysatoraktivität führt. Eine den oben genannten Porengrößenmerkmalen entsprechende Porosität des Katalysators kann durch Variieren der Pulvermenge, die in den Zylinder der Matrize einer Tablettiermaschine zur Herstellung der Katalysatoren oder Katalysatorträger eingebracht wird, oder durch Variieren der auf die Stempel der Tablettiermaschine ausgeübten Druckkraft gesteuert werden.It was found that there is a correlation between the porosity of the catalyst and its activity. It is known that more porous catalysts are more active catalysts and therefore over-compacting of the catalysts or catalyst supports to strengths greater than required for use in catalyst beds results in lower catalyst activity. a den The porosity of the catalyst corresponding to the above pore size characteristics can be controlled by varying the amount of powder fed into the cylinder of the die of a tableting machine for preparing the catalysts or catalyst supports, or by varying the compressive force applied to the punches of the tableting machine.

Die Katalysatoren können in Form von imprägnierten oder Mischkatalysatoren bereitgestellt werden.The catalysts can be provided in the form of impregnated or mixed catalysts.

Imprägnierte Katalysatoren können wie folgt hergestellt werden. Ein pulverförmiges Zirkoniumdioxid-Edukt wird durch Verdichtung, z.B. durch Tablettierung, in die gewünschte Form gebracht. Bei der Tablettierung können Hilfsstoffe wie Graphit oder Magnesiumstearat verwendet werden. Die Porosität wird bestimmt, wonach eine Imprägnierlösung eingesetzt wird, deren Volumen der Porenkapazität des Trägers entspricht.Impregnated catalysts can be made as follows. A powdered zirconium dioxide starting material is brought into the desired shape by compression, e.g. by tabletting. Excipients such as graphite or magnesium stearate can be used during tableting. The porosity is determined, after which an impregnation solution is used, the volume of which corresponds to the pore capacity of the carrier.

Die Imprägnierung erfolgt durch Zugabe der Imprägnierlösung zu dem in einer rotierenden Trommel befindlichen Träger, vorteilhafterweise durch Aufsprühen der Lösung auf den Träger. Zur Herstellung der Imprägnierlösungen können alle löslichen Salze verwendet werden, die sich bei der Kalzinierung in Oxide zersetzen, ohne weitere Rückstände zu hinterlassen. Geeignete Salze sind die Hydroxide, Carbonate oder Nitrate. Kaliumcarbonat ist ein bevorzugtes Salz für die Imprägnierung.The impregnation is carried out by adding the impregnation solution to the carrier located in a rotating drum, advantageously by spraying the solution onto the carrier. All soluble salts that decompose into oxides during calcination without leaving any residues can be used to prepare the impregnation solutions. Suitable salts are the hydroxides, carbonates or nitrates. Potassium carbonate is a preferred salt for impregnation.

Mischkatalysatoren werden in ähnlicher Weise hergestellt wie die Träger der imprägnierten Katalysatoren. Die entsprechenden Salzlösungen werden zum Zirkoniumdioxid-Material in einem Kneter zugegeben und gründliche Durchmischung wird gewährleistet. Die Formgebung, Trocknung und Kalzinierung erfolgt wie bei der Herstellung der Träger.Mixed catalysts are prepared in a manner similar to the supports of the impregnated catalysts. The appropriate salt solutions are added to the zirconia material in a kneader and thorough mixing is ensured. Shaping, drying and calcination are the same as in the manufacture of the carrier.

Die Decarboxylierungs-Reaktion mit Dehydratisierung wird in der Gasphase durchgeführt. Die Reaktion wird vorzugsweise bei 300 bis 600 °C, insbesondere bei 350 bis 450 °C, durchgeführt, indem die auf diese Temperatur vorgewärmten Säuredämpfe durch einen Festbettofen geleitet werden, der mit dem Katalysator-Formkörper gefüllt ist. Im Allgemeinen wird die Reaktion unter Atmosphärendruck durchgeführt. Bei schwerflüchtigen Säuren kann es auch ratsam sein, bei reduziertem Druck zu arbeiten. Im Allgemeinen können 200 bis 500 g/h Ketone pro Liter Katalysator hergestellt werden.The decarboxylation reaction with dehydration is carried out in the gas phase. The reaction is preferably carried out at from 300 to 600° C., in particular at from 350 to 450° C., by passing the acid vapors preheated to this temperature through a fixed-bed furnace which is filled with the shaped catalyst body. In general, the reaction is carried out under atmospheric pressure. In the case of acids of low volatility, it may also be advisable to work at reduced pressure. In general, 200 to 500 g/h of ketones can be produced per liter of catalyst.

Es ist möglich, Carbonsäuren zu verwenden, die bis zu 50 Gew.-% Wasser enthalten. Da das Wasser häufig einen vorteilhaften Effekt auf die aktive Lebensdauer des Katalysators hat, ist es oft sogar vorteilhaft, den Carbonsäuren 1 bis 50 Gew.-% Wasser zuzusetzen.It is possible to use carboxylic acids containing up to 50% by weight of water. Since the water often has a beneficial effect on the active life of the catalyst, it is often even advantageous to add from 1 to 50% by weight of water to the carboxylic acids.

Nach dem Passieren der Katalysatorzone werden die Dämpfe abgekühlt und auf herkömmliche Weise aufgearbeitet.After passing through the catalyst zone, the vapors are cooled and worked up in a conventional manner.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele veranschaulicht.The invention is illustrated by the following examples.

BEISPIELEEXAMPLES

Im Folgenden wurden die folgenden Abkürzungen verwendet: Gew.-% Gewichtsprozent Kat. Katalysator DEK Diethylketon PA Priopionsäure (propionic acid) TOS Katalysatorlaufzeit (time on stream) The following abbreviations have been used below: wt% weight percent cat catalyst DEC diethyl ketone PA priopionic acid (propionic acid ) TOS Catalyst runtime ( t ime o n s tream)

1. Verwendete Mess- und Bestimmungsmethoden1. Measurement and determination methods used

i) Messung der Seitendruckfestigkeiti) Measurement of lateral crushing strength

Tabletten, Ringe oder Kugeln wurden zwischen zwei parallelen Platten auf der konvexen Seite einer zunehmenden Kraft ausgesetzt, bis es zum Bruch kam. Die beim Bruch registrierte Kraft ist die Seitendruckfestigkeit (bei Kugeln auch kurz Druckfestigkeit genannt). Die Bestimmung erfolgte auf Prüfgeräten von Zwick Modell BZ2.5/TS1S und SotaxST50 Modell Smarttest50, mit aufgesetztem Drehteller und frei beweglichem, vertikalem Stempel, der das Formteil gegen den aufgesetzten Drehteller drückte. Der frei bewegliche Stempel war mit einer Druckmessdose zur Aufnahme der Kraft verbunden. Das Gerät wurde durch einen Computer gesteuert, der die Messwerte registrierte und auswertete. Aus einer gut durchmischten Katalysatorprobe wurden 25 einwandfreie (d.h. rissfreie und ohne abgeschlagene Ecken) Tabletten, Ringe oder Kugeln entnommen, deren Seitendruckfestigkeit bestimmt und anschließend gemittelt wurde.Tablets, rings or spheres were subjected to increasing force on the convex side between two parallel plates until fracture occurred. The force registered at fracture is the lateral crushing strength (also called compressive strength for balls). The determination was carried out on Zwick model BZ2.5/TS1S and SotaxST50 model Smarttest50 test devices, with a rotary table fitted and a freely movable, vertical stamp which pressed the molded part against the rotary table fitted. The free moving one Stamp was connected to a pressure cell to absorb the force. The device was controlled by a computer, which registered and evaluated the measured values. From a well-mixed catalyst sample, 25 perfect (ie crack-free and without chipped corners) tablets, rings or spheres were taken, whose side crushing strength was determined and then averaged.

ii) Messung der Porositätii) measurement of porosity

Die Porosität des Katalysators wurde mit der Hg-Intrusionsmethode nach DIN 66133 bestimmt.The porosity of the catalyst was determined using the Hg intrusion method according to DIN 66133.

iii) Messung des Umsatzes und der Selektivitätiii) measurement of conversion and selectivity

Der Umsatz und die Selektivität wurden mittels GC-Analyse bestimmt (GC-Säule: Stabilwax (30 m × 0,25 mm × 0,25 µm)).The conversion and the selectivity were determined by means of GC analysis (GC column: Stabilwax (30 m×0.25 mm×0.25 μm)).

2. Für die Herstellung der Katalysatoren verwendete Materialien2. Materials used to manufacture the catalysts

Katalysatorträger C1: Zirkoniumdioxid (20% tetragonal und 80% monoklin), kommerziell erhältlich unter dem Handelsnamen D9-89 von BASF SECatalyst support C1: Zirconia (20% tetragonal and 80% monoclinic), commercially available under the trade name D9-89 from BASF SE

Sofern nicht anders angegeben, war das in den Beispielen verwendete Wasser entionisiertes Wasser.Unless otherwise noted, the water used in the examples was deionized water.

3. Allgemeines Verfahren zur Herstellung des Katalysators3. General procedure for the preparation of the catalyst

3.1 Formgebung des Katalysatorträgers3.1 Shape of the catalyst support

Ringtabletten (7 x 3 × 3 mm, 5,5 × 3 × 3 mm und 5 × 2 × 3 mm) aus dem Katalysatorträger C1 wurden auf einer Kilian LX18 Tablettenpressmaschine mit 3 Gew.-% Graphit pelletiert.Ring tablets (7×3×3 mm, 5.5×3×3 mm and 5×2×3 mm) from the catalyst support C1 were pelleted on a Kilian LX18 tablet press machine with 3% by weight graphite.

3.2 Imprägnierung des Katalysatorträgers3.2 Impregnation of the catalyst support

Die Ringtabletten aus dem Katalysatorträger C1 wurden mit einer wässrigen Kaliumcarbonat-Lösung imprägniert. Die imprägnierten Katalysatoren wurden bei 120 °C für 12 h getrocknet und bei 500 °C für 4 h kalziniert. Der Kaliumgehalt, die mechanische Stabilität und die Poreneigenschaften sind in Tabelle 1 zusammengestellt.The ring tablets from the catalyst support C1 were impregnated with an aqueous potassium carbonate solution. The impregnated catalysts were dried at 120°C for 12 h and calcined at 500°C for 4 h. The potassium content, the mechanical stability and the pore properties are summarized in Table 1.

Ein K2O umfassender, TiO2-basierter Vergleichskatalysator wurde gemäß EP 352674 hergestellt. Der Kaliumgehalt, die mechanische Stabilität und die Poreneigenschaften sind in Tabelle 1 zusammengestellt.A K 2 O comprehensive, TiO 2 -based comparison catalyst was according EP 352674 produced. The potassium content, the mechanical stability and the pore properties are summarized in Table 1.

Der erhaltene Vergleichskatalysator wurde auf 2-3 mm zerkleinert. Tabelle 1: Katalysator K2O-Gehalt O [Gew.-%] Träger Trägergeometrie [mm] Seitendruckfestigkeit [N] Katalysator 1 2 ZrO2 5,5 × 3 × 3 Ringtabletten 10 ± 1,8 Katalysator 2* 2 ZrO2 7 × 3 × 3 Ringtabletten 31 ± 4 Katalysator 3 2 ZrO2 5 × 2 × 3 Ringtabletten 9 ± 5,6 Katalysator 4 2 ZrO2 5 × 2 × 3 Ringtabletten 10 ± 1,5 Katalysator 5 2 ZrO2 5 × 2 × 3 Ringtabletten 24 ± 3,3 * nicht erfindungsgemäß Tabelle 1 (Fortsetzung) Katalysator gesamtes Intrusionsvolumen [mL/g] gesamte Porenoberfläche [m2/g] durchschnittlicher Porendurchmesser [µm] Katalysator 1 0,22 47,3 0,019 Katalysator 2* 0,19 49,9 0,015 Katalysator 3 0,36 55,9 0,026 Katalysator 4 0,25 57,5 0,017 Katalysator 5 0,16 54,3 0,012
* nicht erfindungsgemäß
The comparative catalyst obtained was crushed to 2-3 mm. Table 1: catalyst K 2 O content O [% by weight] carrier beam geometry [mm] Side crushing strength [N] catalyst 1 2 ZrO 2 5.5 × 3 × 3 ring tablets 10±1.8 Catalyst 2* 2 ZrO 2 7 × 3 × 3 ring tablets 31±4 Catalyst 3 2 ZrO 2 5 × 2 × 3 ring tablets 9±5.6 Catalyst 4 2 ZrO 2 5 × 2 × 3 ring tablets 10±1.5 Catalyst 5 2 ZrO 2 5 × 2 × 3 ring tablets 24±3.3 * not according to the invention Table 1 (continued) catalyst total intrusion volume [mL/g] total pore surface [m 2 /g] average pore diameter [µm] catalyst 1 0.22 47.3 0.019 Catalyst 2* 0.19 49.9 0.015 Catalyst 3 0.36 55.9 0.026 Catalyst 4 0.25 57.5 0.017 Catalyst 5 0.16 54.3 0.012
* not according to the invention

Beispiele 1-5Examples 1-5

Verschiedene ZrO2-basierte Katalysatoren mit unterschiedlicher Trägergeometrie und ein TiO2-basierter Katalysator wurden bei der Herstellung von Diethylketon aus Propionsäure getestet und der Umsatz und die Selektivität wurden gemessen. Die Reaktionsbedingungen waren:

  • Propionsäure, gelöst in Wasser im Verhältnis 8:1, Temperatur: wie in den Beispielen angegeben, Druck: 0,1 barg, Katalysatormenge: 1 mL pro 1,6 g Propionsäure. Die Reaktionen wurden in einem Rohrofenreaktor durchgeführt. Die Umsetzungsrate der Propionsäure und die Selektivität bezogen auf Diethylketon wurden durch GC-Analyse bestimmt.
Various ZrO 2 -based catalysts with different support geometry and a TiO 2 -based catalyst were tested in the production of diethyl ketone from propionic acid and the conversion and selectivity were measured. The reaction conditions were:
  • Propionic acid dissolved in water in a ratio of 8:1, temperature: as indicated in the examples, pressure: 0.1 barg, amount of catalyst: 1 mL per 1.6 g of propionic acid. The reactions were carried out in a tube furnace reactor. The conversion rate of propionic acid and the selectivity based on diethyl ketone were determined by GC analysis.

Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel):Example 1 (comparative example):

Katalysator auf Basis einer tetragonalen Modifikation von TiO2; 2 Gew.-% K2O; Temperatur: 350 °C.Catalyst based on a tetragonal modification of TiO 2 ; 2% by weight K 2 O; Temperature: 350℃

Der TiO2-basierte Katalysator zeigte im Laufe der Zeit eine stetige Deaktivierung. Die DEK-Selektivität fiel innerhalb von 70 d TOS von 99% auf etwa 97%. Gleichzeitig stieg der Gehalt an Propionsäure von 0,2 auf 2%. Nebenprodukt-Bildung: 0,5%.The TiO 2 -based catalyst showed steady deactivation over time. DEK selectivity dropped from 99% to about 97% within 70 d TOS. At the same time, the propionic acid content increased from 0.2 to 2%. By-product formation: 0.5%.

Beispiel 2:Example 2:

Katalysator 1; Temperatur: 350 °C.Catalyst 1; Temperature: 350℃

Die DEK-Selektivität fiel innerhalb von 70 d TOS von 99,5% auf 98,5%. Gleichzeitig stieg der Gehalt an Propionsäure von 0,06 auf 1,25%. Nebenprodukt-Bildung: 0,4%. Der verbrauchte Katalysator hatte eine Druckfestigkeit von 10 N, die mit der des frischen Katalysators vergleichbar ist.DEK selectivity fell from 99.5% to 98.5% within 70 d TOS. At the same time, the propionic acid content increased from 0.06 to 1.25%. By-product formation: 0.4%. The spent catalyst had a compressive strength of 10N, which is comparable to that of the fresh catalyst.

Der erfindungsgemäße Katalysator, umfassend Kaliumoxid auf Zirkoniumoxid als Trägermaterial, zeigte eine bessere Selektivität in Bezug auf das gewünschte Produkt und eine geringere Nebenprodukt-Bildung im Vergleich zu einem Katalysator nach dem Stand der Technik, umfassend Kalium auf einem Titandioxidträger.The catalyst of the invention comprising potassium oxide on zirconia as a support showed better selectivity to the desired product and less by-product formation compared to a prior art catalyst comprising potassium on a titania support.

Beispiel 3 (Vergleichsbeispiel):Example 3 (comparative example):

Katalysator 2; Temperatur: 350 °C.Catalyst 2; Temperature: 350℃

Katalysator 2 zeigte eine schnelle Deaktivierung nach kurzer Laufzeit. Die DEK-Selektivität fiel innerhalb von 8 d TOS von 99,0% auf 97,8%. Gleichzeitig stieg der Gehalt an Propionsäure von 0,5 auf 1,8%.Catalyst 2 showed rapid deactivation after a short run time. DEK selectivity fell from 99.0% to 97.8% within 8 d TOS. At the same time, the propionic acid content increased from 0.5 to 1.8%.

Beispiel 3 zeigt, dass die Trägergeometrie des Katalysators einen Einfluss auf die Katalysator-Leistung hat.Example 3 shows that the catalyst support geometry has an impact on the catalyst performance.

Beispiel 4 (Vergleichsbeispiel):Example 4 (comparative example):

Es wurde eine zerkleinerte Katalysatorfraktion (2-3 mm) aus Katalysator 2 verwendet; Temperatur: 315-305 °C.A crushed catalyst fraction (2-3 mm) from Catalyst 2 was used; Temperature: 315-305℃

Katalysator 2 ist aktiver, wenn er auf 2-3 mm zerkleinert wird, verglichen mit den Tests der 7 × 3 × 3 mm großen Ringtabletten. Vollständiger Propionsäure-Umsatz wurde sogar bei einer Ofentemperatur von 320 °C beobachtet.Catalyst 2 is more active when crushed to 2-3 mm compared to the tests of the 7×3×3 mm ring tablets. Complete propionic acid conversion was observed even at an oven temperature of 320 °C.

Es wurde eine zerkleinerte Katalysatorfraktion (2-3 mm) aus Katalysator 1 verwendet; Temperatur: 325-315 °C. Vollständiger Propionsäure-Umsatz wurde bei 312 °C beobachtet.A crushed catalyst fraction (2-3 mm) from Catalyst 1 was used; Temperature: 325-315℃ Complete propionic acid conversion was observed at 312°C.

Beispiel 4 zeigt, dass der zerkleinerte Katalysator aus den kleinen Ringtabletten aktiver war als der aus den größeren Ringtabletten stammende Katalysatorsplit. Somit ist die charakteristische Länge/Wanddicke ein Schlüsselparameter, der die Katalysator-Leistung beeinflusst. Die Wanddicke beträgt 2 mm für die 7 × 3 × 3 mm Vergleichs-Ringtabletten und 1,25 mm für die erfindungsgemäßen 5,5 × 3 × 3 mm Ringtabletten.Example 4 shows that the crushed catalyst from the small ring tablets was more active than the catalyst split from the larger ring tablets. Thus, characteristic length/wall thickness is a key parameter affecting catalyst performance. The wall thickness is 2 mm for the 7×3×3 mm comparison ring tablets and 1.25 mm for the 5.5×3×3 mm ring tablets according to the invention.

Beispiel 5:Example 5:

Die erfindungsgemäßen Katalysatoren 3, 4 und 5 mit unterschiedlichen Bruchfestigkeiten und Poreneigenschaften wurden eingesetzt, um den Einfluss dieser Parameter auf die Katalysator-Leistung bei der Herstellung von Diethylketon aus Propionsäure zu untersuchen. Die Temperatur betrug jeweils 325 °C.Catalysts 3, 4 and 5 according to the invention with different crush strengths and pore properties were used to investigate the influence of these parameters on the catalyst performance in the production of diethyl ketone from propionic acid. The temperature was 325 °C in each case.

Das Beispiel zeigt, dass der Katalysator umso aktiver ist und die Deaktivierung umso geringer ausfällt, je größer das gesamte Intrusionsvolumen und je größer der durchschnittliche Porendurchmesser ist (siehe 1, a) Katalysator 4; b) Katalysator 5; c) Katalysator 6)).The example shows that the larger the total intrusion volume and the larger the average pore diameter, the more active the catalyst and the lower the deactivation (see Fig 1, a ) Catalyst 4; b) Catalyst 5; c) Catalyst 6)).

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • EP 0352674 [0003]EP 0352674 [0003]
  • US 2009182173 [0005]US2009182173 [0005]
  • EP 0716883 [0019]EP 0716883 [0019]
  • EP 352674 [0041]EP 352674 [0041]

Claims (8)

Verfahren zur Herstellung von Ketonen aus Carbonsäuren in Gegenwart eines Katalysator-Formkörpers, wobei der Katalysator Zirkoniumdioxid und ein oder mehrere Metalloxide der ersten oder zweiten Hauptgruppe des Periodensystems umfasst, und der Katalysator-Formkörper eine durchgehende Öffnung aufweist, die von einem festen Wandbereich mit einer Wanddicke von weniger als 2 mm umgeben ist.Process for the production of ketones from carboxylic acids in the presence of a shaped catalyst body, wherein the catalyst comprises zirconium dioxide and one or more metal oxides of the first or second main group of the periodic table, and the shaped catalyst body has a continuous opening which has a solid wall region with a wall thickness surrounded by less than 2 mm. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der feste Wandbereich eine Wanddicke von bevorzugt weniger als 1,8 mm aufweist.procedure after claim 1 , wherein the solid wall portion has a wall thickness of preferably less than 1.8 mm. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Katalysator-Formkörper die Form eines Hohlzylinders, eines Wagenrads, oder eine multilobale Form aufweist.procedure after claim 1 or 2 wherein the shaped catalyst body has the shape of a hollow cylinder, a wagon wheel, or a multilobal shape. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Katalysator-Formkörper ein Seitenverhältnis von 0,5 bis 0,8 aufweist.procedure after claim 1 or 2 , wherein the shaped catalyst body has an aspect ratio of 0.5 to 0.8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Katalysator-Formkörper einen durchschnittlichen Porendurchmesser von mindestens 0,013 µm aufweist.Process according to any one of the preceding claims, wherein the shaped catalyst body has an average pore diameter of at least 0.013 µm. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Metalloxid Kaliumoxid ist.A method according to any one of the preceding claims wherein the metal oxide is potassium oxide. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zirkoniumdioxid mindestens zu 65 Gew.-% monoklin ist.A method according to any one of the preceding claims wherein the zirconia is at least 65% by weight monoclinic. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Propionsäure zu Diethylketon umgesetzt wird.Process according to any one of the preceding claims, in which propionic acid is converted to diethyl ketone.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0352674A2 (en) 1988-07-29 1990-01-31 BASF Aktiengesellschaft Process for the preparation of ketones
EP0716883A2 (en) 1994-12-17 1996-06-19 Basf Aktiengesellschaft Catalysts or carriers consisting essentially of monoclinic zirconia
US20090182173A1 (en) 2005-09-23 2009-07-16 Ignatchenko Alexey V Catalysts selective for the preparation of mixed ketones from a mixture of carboxylic acids

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