DE1119842B - Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Benzol- oder Pyridincarbonsaeuren - Google Patents
Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Benzol- oder PyridincarbonsaeurenInfo
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Description
DEUTSCHES
PATENTAMT
kl. 12 ο 14
C07c;d
B56245IVb/12o
BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 21. DEZEMBER 1961
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 21. DEZEMBER 1961
Es ist bekannt, aromatische Verbindungen, die oxydierbare Seitenketten enthalten, mit Salpetersäure
bei erhöhter Temperatur und bei erhöhtem Druck zu den entsprechenden Carbonsäuren zu oxydieren. Die
Durchführung dieser Oxydation in Gegenwart von Katalysatoren oder sauerstoffhaltigen Gasen ist ebenfalls
bekannt. Die deutsche Patentschrift 820 308 beschreibt die Durchführung der Reaktion in einem
senkrecht angeordneten Druckgefäß, das an seinem oberen Ende einen kühl gehaltenen Gasraum besitzt.
Salpetersäure und die zu oxydierende alkylaromatische Verbindung werden getrennt in das Reaktionsgefäß eingeführt. Im Reaktionsgefäß wird ein Flüssigkeitsstand
gehalten; die flüssigen Reaktionsprodukte werden unten, die gasförmigen oben abgezogen.
Bei dieser Art der Oxydation kann es durch die Kondensation von p-Xylol und NO2 an den kühleren
Teilen der Apparatur im Gasraum leicht zur Bildung hochexplosiver Gemische kommen.
Zur Vermeidung derart gefährlicher Kondensationen wird in der deutschen Auslegeschrift 1046 017
vorgeschlagen, den Gasraum mit Wasser zu besprühen. Hierdurch wird der Gehalt an NO2 im Gasraum
zwar stark vermindert, die Möglichkeit gefährlicher Kondensationen aber nicht ganz ausgeschlossen.
Beim Verfahren der französischen Patentschrift 1 043 752 ist ebenfalls ein Gasraum am oberen Ende
des senkrecht stehenden rohrförmigen Reaktionsgefäßes vorhanden. Die Ausgangsstoffe werden getrennt
von unten in die Vorrichtung eingepumpt und die Reaktionsprodukte zusammen mit den Abgasen am
oberen Ende unterhalb des Gasraumes abgezogen. Dieses Verfahren weist also die gleichen Nachteile
wie die bereits genannten auf.
Bei dem Verfahren der deutschen Patentschrift 971554 werden die Ausgangsstoffe gemeinsam durch
einen am unteren Ende der senkrecht stehenden Reaktionsvorrichtung seitlich angebrachten Stutzen zugeführt.
Außerdem werden Oxydationsgase unten eingeführt. Die Reaktionsprodukte werden am oberen
Ende der Vorrichtung durch einen Überlauf abgezogen und in einem absteigenden Kühler zwecks
Wiedergewinnung der Salpetersäure kondensiert. Diese Durchführung der Reaktion im Gleichstrom
vermeidet zwar einen Gasraum, die Reaktionszone muß aber durch außen am Reaktor angebrachte Heiz-
und Kühlelemente innerhalb eines engen Temperaturbereiches gehalten werden.
Das Verfahren der deutschen Auslegeschrift 1065 845 benutzt eine senkrecht stehende Vorrichtung,
deren obere Hälfte kühl und deren untere Hälfte Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung
von Benzol- oder Pyridincarbonsäuren
Anmelder:
Badische Anilin- & Soda-Fabrik Aktiengesellschaft, Ludwigshafen/Rhein
Dr. Ernst Bartholome, Heidelberg,
Dr. Hans Nienburg, Dr. Ing. Richard Sinn, Dr. Karl Scheri und Dr. Adolf Kreyer,
Ludwigshafen/Rhein, sind als Erfinder genannt worden
heiß gehalten wird. Salpetersäure wird von oben, die zu oxydierende Substanz in der Mitte eingeführt. Die
flüssigen Reaktionsprodukte werden am unteren Ende der Vorrichtung, die Abgase am oberen Ende
abgezogen. Bei dieser Arbeitsweise können am oberen kalten Ende des Gasraumes Kohlenwasserstoffe,
die in der Reaktionszone verdampft sind, kondensieren. Das Gemisch von flüssigen Kohlenwasserstoffen
und Salpetersäure ist explosionsgefährlich.
Die deutsche Auslegeschrift 1051 840 beschreibt
ein Verfahren, bei dem die Oxydation im Gleichstrom in einem waagerecht angeordneten Reaktionsrohr
durchgeführt wird. Das Verfahren benötigt für die Temperaturregelung der Reaktion außen an der
Reaktorwand angeordnete Heiz- und Kühlelemente. Außerdem weist es einen Gasraum an der oberen
Rohrwandung auf.
Fast alle bekannten Verfahren benötigen für die Temperaturregelung der Reaktion eine Heizung bzw.
Kühlung der Vorrichtung von außen. Eine solche Anordnung reagiert auf Temperaturänderungen im
Reaktionsraum ziemlich träge und gewährleistet keine genaue Kontrolle einer gefährlichen Reaktion, wie
der Oxydation von z. B. p-Xylol mit Salpetersäure unter Druck.
Es wurde nun gefunden, daß man Benzol- oder Pyridincarbonsäuren durch Oxydation von Benzolen
oder Pyridinen, die oxydierbare aliphatische Seitenketten enthalten und die im Kern durch Chloratome,
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Nitrogruppen und bzw. oder Carboxylgruppen sub- " Bei etwas träger reagierenden aromatischen Verstituiert
sein können, im flüssigen Zustand rait SaI- bindungen kann es vorteilhaft sein, die Vorrichtung
petersäure bei erhöhter Temperatur und erhöhtem mit einem Umlaufrohr auszustatten. Eine solche An-Druck,
gegebenenfalls in Gegenwart von Schwer- Ordnung: ist in Abb. 2 schematisch wiedergegeben,
metallkatalysatoren mit wechselnder Wertigkeit des. 5 Das Umlaufrohr 12 führt heißes, weitgehend oxy-Metallions
und bzw. oder sauerstoffhaltigen Gasen, diertes Reaktionsprodukt an die Stelle zurück, an
in einer senkrecht stehenden, von unten nach oben der die Reaktion einsetzt. Die Länge des Umlaufdurchströmten,
rohrförmigen Vorrichtung, ohne daß rohres soll mindestens gleich dem Durchmesser der
es zur Bildung explosiver Gemische kommt, absolut Vorrichtung, vorteilhaft gleich dem 2- bis 20fachen
betriebssicher erhält, wenn man den Ausgangsstoff, io Durchmesser der Vorrichtung, sein; sie ist bestimmt
Salpetersäure und das Verdünnungswasser für die durch die Reaktionsgeschwindigkeit bei vorgegebener
Salpetersäure in einer Mischvorrichtung vormischt Temperatur.
und gegebenenfalls emulgiert, das Gemisch mit so In Abb. 3 wird als Beispiel für eine Mischvorrichhoher
Geschwindigkeit von unten in die Vorrichtung tung ein System von Düsen und Mischkammern dareinleitet,
daß es sich vor dem Eintritt in diese nicht 15 gestellt. Das durch Leitung 2 zugeführte Verdüntrennt
und beim Eintritt in die Reaktionsvorrichtung nungswasser wird mit der durch Düse 13 eintretendurch
entsprechende Bemessung des Strömungsquer- den Salpetersäure der Mischkammer 14 zugeführt,
Schnitts die Strömungsgeschwindigkeit auf mindestens die durch Leitung 3 zugeführte aromatische Verbinein
Drittel vermindert und die Reaktionsprodukte am dung gelangt mit der durch Düse 15 strömenden veroberen
Ende der Vorrichtung abzieht. Durch die 20 dünnten Salpetersäure in die Mischkammer 16, in
Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit entsteht welcher mit Hilfe der Lochblenden 17 die vollstänein
Wirbel, und der eintretende Strahl saugt heißes dige Mischung herbeigeführt wird.
Reaktionsprodukt an die Eintrittsstelle der vorge- Die Einstellung der Temperatur in der Reaktionsmischten Ausgangsstoffe zurück; dadurch wird die zone erfolgt zweckmäßig mit Hilfe eines Regelkreises, Oxydationsreaktion in Gang gebracht und die Re- 25 bei welchem ein Thermoelement 8 in der Reaktionsaktionszone räumlich fixiert. zone als Meßglied dient. Das Stellglied des Reglers Das erfindungsgemäße Verfahren sei an Hand der beeinflußt entweder die Menge des Verdünnungswasschematischen Abb. 1 erläutert. Durch Leitung 1 sers und damit die Salpetersäurekonzentration oder wird Salpetersäure, durch Leitung 2 das Verdün- die Vorheizungstemperatur der einzelnen Reaktionsnungswasser für die Salpetersäure und durch Lei- 30 teilnehmer oder die Menge des unterhalb der Retung 3 die zu oxydierende aromatische Verbindung aktionszone durch den Stutzen 6 eintretenden, sich in eine Mischvorrichtung4 eingeführt, la, 2α und3α mit den Reaktionsteilnehmern mischenden Dampfes, sind Vorwärmer. Die Mischvorrichtung enthält eine Man kann die Temperatur der Reaktionszone auch für die intensive Durchmischung bzw. Emulgierung durch den Druck im Oxydationsrohr regeln. Die Vorder Ausgangsprodukte geeignete Vorrichtung, z. B. 35 richtung arbeitet in jedem Fall adiabatisch und beein System hintereinandergeschalteter Düsenmischer darf lediglich einer Isolierung,
oder Drosselstellen (Lochblenden). Ein solches Das Verfahren wird bei erhöhter Temperatur zwi-System ist in Abb. 3 wiedergegeben. Nach erfolgter sehen 150 und 400° C, vorteilhaft zwischen 180 und Durchmischung treten die Ausgangsstoffe von unten 300° C, und bei erhöhtem Druck, etwa zwischen 10 in die senkrecht stehende Reaktionsvorrichtung 7 ein. 4° und 150 at, insbesondere zwischen 50 und 120 at, An der Einführungsstelle 5 verringert sich die Ge- durchgeführt.
Reaktionsprodukt an die Eintrittsstelle der vorge- Die Einstellung der Temperatur in der Reaktionsmischten Ausgangsstoffe zurück; dadurch wird die zone erfolgt zweckmäßig mit Hilfe eines Regelkreises, Oxydationsreaktion in Gang gebracht und die Re- 25 bei welchem ein Thermoelement 8 in der Reaktionsaktionszone räumlich fixiert. zone als Meßglied dient. Das Stellglied des Reglers Das erfindungsgemäße Verfahren sei an Hand der beeinflußt entweder die Menge des Verdünnungswasschematischen Abb. 1 erläutert. Durch Leitung 1 sers und damit die Salpetersäurekonzentration oder wird Salpetersäure, durch Leitung 2 das Verdün- die Vorheizungstemperatur der einzelnen Reaktionsnungswasser für die Salpetersäure und durch Lei- 30 teilnehmer oder die Menge des unterhalb der Retung 3 die zu oxydierende aromatische Verbindung aktionszone durch den Stutzen 6 eintretenden, sich in eine Mischvorrichtung4 eingeführt, la, 2α und3α mit den Reaktionsteilnehmern mischenden Dampfes, sind Vorwärmer. Die Mischvorrichtung enthält eine Man kann die Temperatur der Reaktionszone auch für die intensive Durchmischung bzw. Emulgierung durch den Druck im Oxydationsrohr regeln. Die Vorder Ausgangsprodukte geeignete Vorrichtung, z. B. 35 richtung arbeitet in jedem Fall adiabatisch und beein System hintereinandergeschalteter Düsenmischer darf lediglich einer Isolierung,
oder Drosselstellen (Lochblenden). Ein solches Das Verfahren wird bei erhöhter Temperatur zwi-System ist in Abb. 3 wiedergegeben. Nach erfolgter sehen 150 und 400° C, vorteilhaft zwischen 180 und Durchmischung treten die Ausgangsstoffe von unten 300° C, und bei erhöhtem Druck, etwa zwischen 10 in die senkrecht stehende Reaktionsvorrichtung 7 ein. 4° und 150 at, insbesondere zwischen 50 und 120 at, An der Einführungsstelle 5 verringert sich die Ge- durchgeführt.
schwindigkeit der Emulsion im Verhältnis der Rohr- Die Oxydation kann in Gegenwart von Katalysaquerschnitte,
und es kommt zum Einsetzen der Re- toren, z. B. Oxyden und Salzen der Metalle der
aktion, da die in einem Strahl eintretenden Ausgangs- IV. Haupt- oder IL, V., VL, VTI. oder VIII. Nebenstoffe
sich durch Rücksaugen von heißem Reaktions- 45 gruppe des Periodensystems vorgenommen werden,
produkt (durch die Pfeile angedeutet) sofort auf Re- Geeignete Katalysatoren sind z. B. Quecksilbernitrat,
aktionstemperatur erwärmen. Bei 6 ist ein Stutzen für Vanadinpentoxyd, Molybdän- und Wolframtrioxyd,
die Einführung von hochgespanntem Dampf vorge- Chrom-, Eisen- und Nickelnitrat und Aluminiumsehen.
Er dient zum Anheizen der Vorrichtung oder vanadat. Die Zuführung kann entweder mit dem Verzur
Regelung der Reaktionstemperatur in einer wei- 5° dünnungswasser oder mit der Salpetersäure oder mit
ter unten beschriebenen Weise. Wenn Dampf für die beiden erfolgen.
Temperaturregelung verwendet wird, muß die Ein- Es kann zweckmäßig sein, sauerstoffhaltige Gase
führung so erfolgen, z. B. durch einen Düsenkranz mitzuverwenden. Dies ist besonders dann angezeigt,
rings um das Eintrittsrohr für die vorgemischten Re- wenn man eine Reduktion der Salpetersäure zu nicht
aktionsteilnehmer, daß sich der Dampf mit den Re- 55 regenerierbarem Stickoxydul und Stickstoff vermeiaktionsteilnehmern
unmittelbar beim Eintritt ver- den will. Die Einführung des sauerstoffhaltigen Gases
mischt. Bei der Durchführung der Reaktion in der erfolgt zweckmäßig vor der Mischkammer. Es wird
angegebenen Weise setzt diese ohne jede Verzögerung dann in den Ausgangsprodukten gleichmäßig verteilt
ein und läßt sich absolut betriebssicher durchführen, und in der Reaktionszone optimal ausgenutzt,
da die Reaktionszone leicht in festen räumlichen 6o Das erfindungsgemäße Verfahren ist anwendbar Grenzen gehalten werden kann und jede Überhitzung, auf alle einkernigen aromatischen Verbindungen mit die zu einem unkontrollierbaren Ablauf der Reaktion oxydierbaren Seitenketten, z. B. Toluol, Xylol, Cymol, führt, vermieden wird. Die Oxydationsprodukte wer- Diisopropylbenzol, Chlor- und Nitrotoluole, Chlorden am oberen Ende der Vorrichtung, gegebenenfalls und Nitroxylole, Mesitylen, Durol, Toluylsäuren, in durch ein Tauchrohr, abgezogen, durch Ventil 9 ent- 6S der Seitenkette halogenierte Alkylaromaten, wie spannt und durch Leitung 10 der Aufarbeitung zu- Benzylchlorid, Xylylendichlorid, chlormethylierte geführt. Das Manometer 11 zeigt den Druck in der Xylole, aber auch auf heterocyclische Verbindungen Vorrichtung an. mit aromatischem Charakter, sofern sie eine oxydier-
da die Reaktionszone leicht in festen räumlichen 6o Das erfindungsgemäße Verfahren ist anwendbar Grenzen gehalten werden kann und jede Überhitzung, auf alle einkernigen aromatischen Verbindungen mit die zu einem unkontrollierbaren Ablauf der Reaktion oxydierbaren Seitenketten, z. B. Toluol, Xylol, Cymol, führt, vermieden wird. Die Oxydationsprodukte wer- Diisopropylbenzol, Chlor- und Nitrotoluole, Chlorden am oberen Ende der Vorrichtung, gegebenenfalls und Nitroxylole, Mesitylen, Durol, Toluylsäuren, in durch ein Tauchrohr, abgezogen, durch Ventil 9 ent- 6S der Seitenkette halogenierte Alkylaromaten, wie spannt und durch Leitung 10 der Aufarbeitung zu- Benzylchlorid, Xylylendichlorid, chlormethylierte geführt. Das Manometer 11 zeigt den Druck in der Xylole, aber auch auf heterocyclische Verbindungen Vorrichtung an. mit aromatischem Charakter, sofern sie eine oxydier-
bare Seitenkette besitzen, wie Picoline oder Äthylpyridine.
Besonders geeignet ist das Verfahren für die technische Oxydation des p-Xylols zu Terephthalsäure.
In einer Mischapparatur werden stündlich 80 1 p-Diisopropylbenzöl und 4751 39%>ige Salpetersäure
innig gemischt und dann durch ein Rohr mit 8 mm Durchmesser in ein der Abb. 1 entsprechendes, mit
Tantal ausgekleidetes Druckgefäß von 5 m Länge und 90 mm Durchmesser gepumpt. Nach dem Anheizen
mit Dampf wird die Reaktionstemperatur auf 26O0C eingestellt, indem die Menge des Verdünnungswassers
auf 86 l/h festgesetzt wird. Alle Ausgangsstoffe werden mit Außentemperatur (15° C) eingepumpt.
Der Druck im Reaktionsgefäß beträgt 70 at. Das am oberen Ende des Reaktionsgefäßes austretende
Reaktionsprodukt wird auf Normaldruck entspannt und nach üblichen Methoden aufgearbeitet.
Man erhält stündlich 62,8 kg Terephthalsäure, das sind 89,4% der Theorie.
In die gleiche Apparatur wie im Beispiel 1 werden stündlich 801 p-Xylol, 2721 47%ige Salpetersäure
und 433 1 Wasser nach intensivem Vormischen eingepumpt. Man regelt die Reaktionstemperatur auf
270°C, indem die Vorheiztemperatur für Salpetersäure und Verdünnungswasser auf 17O0C gehalten
wird. Das p-Xylol wird mit 15° C eingepumpt. Die vorgemischten Ausgangsstoffe treten mit 163° C in
die Reaktionsvorrichtung ein. Der Druck der Vorrichtung beträgt 75 at. Die Aufarbeitung des austretenden
Oxydationsproduktes ergibt stündlich 94,6 kg Terephthalsäure, das sind 88,2% der Theorie.
In einer Mischvorrichtung werden stündlich 601 Rohxylol (Zusammensetzung: 25% o-Xylol, 60%
m-Xylol, 12% p-Xylol, 3% Äthylbenzol), 2041
47%ige Salpetersäure und 3251 Wasser innig gemischt und dann durch ein Eintrittsrohr von 8 mm
Durchmesser in ein der Abb. 2 entsprechendes Druckgefäß von 5 m Länge und 90 mm Durchmesser mit
einem 2 m langen Umlaufrohr gepumpt. Man regelt die Reaktionstemperatur auf 210° C, indem man die
Vorheizung von Salpetersäure und Verdünnungswasser auf 12O0C einstellt. Die vorgemischten Ausgangsstoffe
treten mit 84° C in die Reaktionsvorrichrung ein. Der Druck in dieser beträgt 90 at. Die Aufarbeitung
des Reaktionsproduktes ergibt stündlich 68 kg eines Benzoldicarbonsäuregemisches, das sind
84,4% der Theorie,
55
In die gleiche Apparatur wie im Beispiel 1 werden stündlich 135 kg p-Nitrotoluol, 315 kg 40%ige Salpetersäure
und 286 kg Wasser nach intensivem Vormischen eingepumpt; alle Ausgangsstoffe besitzen eine
Temperatur von 2O0C. Man regelt die Reaktionstemperatur auf 250° C ein, indem man 54 kg/h Dampf
von 100 at durch Leitung 6 zuführt. Der Druck im Reaktionsgefäß beträgt 80 at. Die Aufarbeitung des
Reaktionsproduktes ergibt stündlich 150 kg p-Nitrobenzoesäure, das sind 91% der Theorie.
In die gleiche Apparatur wie im Beispiel 1 werden nach intensivem Vormischen stündlich 100 g y-Picolin
und 372 kg 40%ige Salpetersäure, beide mit 20° C, eingepumpt. Die Reaktionstemperatur wird durch den
Druck auf 28O0C geregelt; der erforderliche Druck
beträgt 100 at. Die Aufarbeitung des Reaktionsgemisches ergibt stündlich 111 kg Isonikotinsäure,
das sind 84,0% der Theorie.
In eine Vorrichtung, wie sie im Beispiel 3 beschrieben ist, werden nach intensivem Vormischen stündlich
136 kg m-Toluylsäure, 485 kg 30%ige Salpetersäure und 485 kg Wasser eingepumpt. Die m-Toluylsäure
und das Wasser werden auf 150° C vorgewärmt, die Salpetersäure auf 80° C. Die Reaktionstemperatur
im Reaktionsraum liegt bei 240° C und der Druck bei at. Bei der Aufarbeitung des Reaktionsproduktes
werden stündlich 158 kg/h Isophthalsäure (entsprechend 95,2% der Theorie) erhalten.
Claims (4)
1. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Benzol- oder Pyridincarbonsäuren durch
Oxydation von Benzolen oder Pyridinen, die oxydierbare, aliphatische Seitenketten enthalten und
die im aromatischen Kern durch Chloratome, Nitro- und bzw. oder Carboxylgruppen substituiert
sein können, im flüssigen Zustand mit Salpetersäure bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur,
gegebenenfalls in Gegenwart von Schwermetallkatalysatoren mit wechselnder Wertigkeit
des Metallions und bzw. oder sauerstoffhaltigen Gasen, in einem senkrecht stehenden, von unten
nach oben durchströmten Reaktionsrohr, dadurch gekennzeichnet, daß man die zu oxydierende Verbindung,
die Salpetersäure und gegebenenfalls das Verdünnungswasser für die Salpetersäure in einer
Mischvorrichtung vormischt und emulgiert, dieses Gemisch mit so hoher Geschwindigkeit von unten
in das Reaktionsrohr einleitet, daß es sich vor dem Eintritt in das Reaktionsrohr nicht trennt
und beim Eintritt in das Rohr durch entsprechende Bemessung des Strömungsquerschnittes
die Strömungsgeschwindigkeit auf mindestens ein Drittel vermindert und die Reaktionsprodukte
am oberen Ende der Vorrichtung abzieht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die zu oxydierende aromatische
Verbindung, Salpetersäure und das Verdünnungswasser für die Salpetersäure auf Temperaturen
zwischen Außentemperatur und Reaktionstemperatur vorheizt, wobei man eine, zwei oder
alle drei Komponenten vorheizen kann.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man heißes, weitgehend oxydiertes
Reaktionsprodukt mit Hufe eines Umlaufrohres an die Eintrittsstelle der vorgemischten
Reaktionsteilnehmer in die Reaktionszone zurückführt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Temperatur der
Reaktionszone durch Einleiten von Dampf in die Reaktionsvorrichtung einstellt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
© 109 750/556 12.61
Priority Applications (13)
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