DE1668322B2 - Verfahren zur Herstellung von Acrylnitril bzw. Methacrylnitril aus Propan bzw. Isobutan - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Acrylnitril bzw. Methacrylnitril aus Propan bzw. Isobutan

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Description

Propan und Isobutan sind bisher nicht als wichtige Ausgangsstoffe für die Herstellung von Acrylnitril bzw. Methacrylnitril angesehen worden. Es sind jedoch bereits Versuche für die Ammonoxydation (gleichzeitige Umsetzung mit Ammoniak und Sauerstoff) dieser Alkane unter heterogener Katalyse gemacht worden. Für diesen Zweck hat man bereits Antimon enthaltende Katalysatoren verwendet. Auch der Zusatz weiterer Oxide zum Antimonoxid wurde bereits bei diesem Verfahren beschrieben. Es hat sich aber gezeigt, daß die Umsetzung und insbesondere die Selektivität bei diesem Verfahren nicht sehr hoch ist. Aus diesen Gründen wurde es bisher im allgemeinen für zweckmäßiger gehalten, Propylen oder Isobutylen als Ausgangsstoffe zu verwenden.
Es wurde nunmehr gefunden, daß bei dem obenerwähnten Verfahren, bei welchem Propan bzw. Isobutan verwendet wird und welches in Gegenwart von Antimonoxid enthaltenden Katalysatoren durchgeführt wird, insbesondere die Selektivität beträchtlich gesteigert werden kann, wenn man in Gegenwart einer flüchtigen organischen oder anorganischen fluor-, chlor- oder bromhaltigen Verbindung arbeitet.
Die Erfindung betrifft also ein Verfahren zur Herstellung von Acrylnitril bzw. Methacrylnitril durch Umsetzung von Propan bzw. Isobutan mit Ammoniak und Sauerstoff in der Gasphase bei erhöhter Temperatur in Gegenwart eines calcinierten, Antimonoxid enthaltenden Katalysators, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man dem Ausgangsgemisch 0,01 bis 1 Volumprozent einer flüchtigen organischen oder anorganischen fluor-, chlor- oder bromhaltigen Verbindung zusetzt, die Umsetzung bei 505 bis 540° C durchführt und als Katalysator Antimonoxid oder eine Mischung von Antimonoxid und einem Oxid von Zinn, Titan oder Cer verwendet, wobei das Atomverhältnis von Antimon zu dem anderen Metall 2,0: 1 bis 2,7 :1 beträgt.
Beispiele für geeignete flüchtige halogenhaltige Verbindungen sind 1) organische Halogenverbindungen, wie z. B. Chlor-, Brom- oder Fluoralkane, und Fluoralkohole oder -ketone, wie z. B. Tetrachlor-, Tetrabrom- oder Tetrafluorkohlenstoff, Methylendichlorid oder -dibromid, 1,2-Dichlor- oder 1,2-Dibromäthan, 1-Fluorhexan, 1,1,1-Trifluoraceton und 2,2,2-Trifluoräthanol, und 2) anorganische halogenhaltige Verbindungen, wie z. B. Ammoniumchlorid, -bromid oder -fluorid, Chlor- oder Bromwasserstoff und Antimonoder Phosphorpentachlorid.
Der Gehalt an flüchtiger halogenhaltiger Verbindung im zugeführten Gasgemisch beträgt 0,01 bis 1 Volumprozent, vorzugsweise etwa 0,02 bis 0,07 Volumprozent. Die Beimischung der flüchtigen halogenhaltigen Verbindung in das zuzuführende Gasgemisch kann auf jede zweckmäßige Weise erfolgen. Ist die Verbindung
ίο bei normalen Temperaturen eine Flüssigkeit, so kann sie vom Gasgemisch durchströmt werden. Ist sie dagegen ein Feststoff, so kann sie bis zur Verdampfung erwärmt werden, während das Gasgemisch über sie geleitet wird.
Die erfindungsgemäß verwendbaren Katalysatoren bestehen aus Antimonoxid allein oder in Mischung mit einem Oxid von Zinn, Titan oder Cer.
Bei Verwendung von Antimonoxid allein kann dieses die Form des Trioxids, Tetroxids oder Pentoxids haben oder als ein Gemisch aus zwei oder mehr dieser Oxide vorliegen. Wenn Oxide von anderen Metallen vorhanden sind, können sie die Form von einzelnen Oxiden haben, die in den Katalysator durch physikalisches Mischen eingearbeitet werden, oder aber sie können in chemischer Verbindung mit dem Antimonoxid, z. B. als ein Antimonat, vorliegen. Wesentlich ist, daß der Katalysator im wesentlichen aus Antimon und Sauerstoff gegebenenfalls zusammen mit einem anderen Metall besteht.
Der aus einem oder mehreren Oxiden bestehende Katalysator kann durch Mischen von einzelnen Oxiden hergestellt werden. Er kann aber auch mit Substanzen gebildet werden, die in der Wärme Oxide ergeben, wie z. B. Hydroxide oder hydrierte Oxide, z- B. Metazinnsäure. Wird ein Oxidgemisch benötigt, so kann dieses oft zweckmäßig durch gleichzeitige Fällung der Hydroxide oder hydratisierten Oxide der gewünschten Elemente mittels Hydrolyse einer Lösung ihrer Salze, z. B. halogenhaltiger Verbindungen, hergestellt werden. Die Fällung kann dann abfiltriert, getrocknet und calciniert werden, wobei sich das Oxidgemisch ergibt. Diese Herstellungsweise hat den Vorteil, daß eine innige Mischung der Oxide gewährleistet ist. Ein geeigneter Katalysator kann auch durch Fällung des Antimonats oder Pyroantimonats des weiteren Elements mit anschließender Filtration und Calcinierung hergestellt werden.
Der Katalysator wird vorzugsweise als Granulat verwendet, um den Kontakt zwischen Gas und Feststoff zu erleichtern. Er kann allein oder in Mischung mit einem inerten festen Verdünnungsmittel, wie z. B. Kieselerde oder Tonerde, verwendet werden. Das inerte Verdünnungsmittel kann in einer Menge von 60 bis 70 Gewichtsprozent, bezogen auf das Katalysatorgemisch, vorliegen.
Der Katalysator kann in der hergestellten Form verwendet werden oder er kann vor Gebrauch vorerhitzt werden, besonders wenn er bei der Herstellung keiner Wärmebehandlung unterworfen wurde. Die Vorerhitzung wird bevorzugt und kann bei 550 bis 6500C und gegebenenfalls noch höher durchgeführt werden. Vorzugsweise ist die Temperatur der Vorerhitzung mindestens so hoch wie die Temperatur, bei welcher der Katalysator verwendet werden soll.
Es wird vermutet, daß bei der ersten Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Dehydrierung erfolgt, wobei sich das entsprechende Olefin bildet. Es wird deshalb bevorzugt, daß bei Verwendung eine,s Alkan-
Olefin-Gemisches das Olefin des Gemisches das normale Dehydrierungsprodukt des Alkans ist. Beispielsweise wäre ein Propan/Propylen-Gemisch, wie z. B. ein Ca-Raffineriestrom, geeignet.
Das Volumverhältnis von der Kohlenwasserstoffcharge zu Ammoniak kann zweckmäßig im Bereich 1: 7 bis 7: 1 und das Volumverhältnis von Sauerstoff zu Ammoniak im Bereich 1:1 bis 8 : 1 liegen. Das Vorhandensein eines inerten Gases, wie z. B. Stickstoff und/oder Wasserdampf, in der gasförmigen Charge kann toleriert werden. Unter Umständen kann Stickstoff 60 bis 80 Volumprozent der gasförmigen Charge ausmachen, so daß Luft als eine billige Sauerstoffquelle benutzt werden kann. Als typisches Beispiel für den Kohlenwasserstoff gehalt der gasförmigen Charge sollen 3 bis 8 Volumprozent erwähnt werden, obwohl dieser Gehalt zwischen weiteren Grenzen, z. B. zwischen 1 und 20 Volumprozent, liegen kann.
Das Verfahren wird vorzugsweise kontinuierlich durchgeführt, wobei die mittleren Kontaktzeiten zwisehen Gas und Katalysator 0,4 bis 10 Sekunden betragen. Unter »Kontaktzeit« ist eine Zahl in Sekunden zu verstehen, die durch Teilen des Katalysatorvolumens durch die sekündliche Gasmenge erhalten wird. Das Verfahren wird normalerweise unter Atmosphärendruck oder etwas höher durchgeführt, damit der Durchsatz der Gascharge entsprechend gesteuert werden kann. Im allgemeinen wird der Druck nicht höher als 5 at sein. Die Reaktionstemperatur beträgt 505 bis 55O°C, wobei der optimale Wert mit den jeweiligen Katalysator-Gascharge-Kombinationen variiert. Sie kann aber für eine bestimmte Kombination leicht festgelegt werden, indem z. B. die Reaktionstemperatur variiert wird und die Umsetzung und Selektivität kontinuierlich überwacht werden, bis die optimale Reaktionstemperatur festgestellt ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in jeder geeigneten Weise durchgeführt werden, bei der eine gasförmige Charge in Berührung mit einem festen teilchenförmigen Katalysator gebracht werden kann. So kann die gasförmige Charge z. B. durch einen beheizten rohrförmigen Reaktor hindurchgeleitet werden, der mit einer Füllung aus einem Katalysatorgranulat versehen ist. Andererseits kann auch ein Wirbelbett verwendet werden.
Wenn der Katalysator aus mehreren Bestandteilen, z. B. aus einem Oxidgemisch und/oder einem Oxid-Verdünnungsmittelgemisch, besteht, haben die verschiedenen Bestandteile vorzugsweise eine ähnliche Teilchengröße, um das Mischen zu erleichtern und eine Trennung der Bestandteile durch den Gasstrom zu vermeiden.
Normalerweise besteht der Abstrom von der Reaktionszone aus einer Mischung von ungesättigten Nitrilen, Kohlendioxid, Kohlenoxid, Cyanwasserstoff und Stickstoff zusammen mit etwas nicht umgewandelten Kohlenwasserstoffen und Ammoniak, wobei die Mischungsverhältnisse von Kohlendioxid und Kohlenoxid zueinander von dem Sauerstoffgehalt der gasförmigen Charge abhängen. Auch Spuren von gesättigten Nitrilen können vorhanden sein. Wenn also Propan erfindungsgemäß behandelt wird, so enthält das Produkt Acrylnitril, Kohlendioxid und Wasser mit Spuren von Acetonitril, Cyanwasserstoff, Propionitril, Kohlenoxid und nicht umgewandelten Bestandteilen der Charge.
Die gewünschten Nitrile können aus dem Reaktionsprodukt in bekannter Weise gewonnen werden.
Die Erhöhung der Katalysatoraktivität durch die flüchtige halogenhaltige Verbindung kann bis ICO % betragen, hängt aber von einigen Faktoren, wie z. B. der Zusammensetzung des Katalysators, der Reaktionstemperatur und der Verweilreit, ab, wobei die optimalen Bedingungen für die gewünschte Wirkung, z. B. hohe Umsetzung und/oder hohe Selektivität bezüglich des gewünschten Nitrils, gewählt werden.
Das Verfahren ist im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Darstellung des Katalysators
1) Antimon—Zinnoxid-Katalysator
(Sb : Sn = 2,0: 1)
Es wurden 334,2 g SnCl4-5H2O bei Raumtemperatur in 500 ml einer 1 %igen HCl-Lösung aufgelöst, wobei sich eine farblose Lösung bildete. Diese Lösung und 575 g SbCl5 wurden tropfenweise zu 2 1 kalten destillierten Wassers unter kräftigem Rühren zugesetzt. Es bildete sich ein fester Niederschlag, und außerdem wurde HCl-Gas entwickelt. Die Temperatur der wäßrigen Mischung stieg auf etwa 60° C. Nach erfolgter Zugabe der beiden Lösungen wurden die Mischungen unter Rühren auf Raumtemperatur gebracht. Dann wurde der Mischung konzentriertes Ammoniak (spezifisches Gewicht 0,88) unter kräftigem Rühren zugegeben, um den pH-Wert auf etwa 5 zu bringen. Im Laufe der Zugabe von Ammoniak wurde die wäßrige Mischung warm und erreichte eine Temperatur von etwa 6O0C. Die entstehende Mischung wurde dann unter langsamem Rühren auf Raumtemperatur gebracht und unter Saugwirkung abfiltriert, um den feinverteilten weißen Niederschlag abzusondern. Die katalytischen Eigenschaften des endgültigen Oxidgemisches wurden durch Digerieren der sauren Flüssigkeit mit den niedergeschlagenen Oxiden bei einer erhöhten Temperatur (z. B. 96°C) vor der Zugabe von Ammoniak beeinträchtigt, jedoch wurde die nachträgliche Filtration durch ein solches Digerieren erleichtert. Der Niederschlag wurde mit kaltem destilliertem Wasser (lOmal mit 200 ml) gewaschen, bei 150° C 12 Stunden getrocknet, 4 Stunden auf 38O°C erhitzt und schließlich 18 Stunden auf 5500C erhitzt.
2) Antimon—Titanoxid-Katalysator
(Sb : Ti = 2,7 :1)
Es wurden 55 ml einer Lösung, die 10% TiCl4 in 15 %iger Salzsäure enthielt, und 23 g SbCl5 getrennt in 11 Wasser gegeben, und der pH-Wert der Mischung wurde mit konzentriertem Ammoniak auf 8 eingestellt. Der dabei gebildete Niederschlag wurde wie bei 1) abfiltriert, gewaschen und calciniert.
3) Antimon—Ceroxid-Katalysator
(Sb : Ce = 2,0 : 1)
Es wurden 109,6 g Cer(IV)-Ammoniumnitrat in Lösung in 500 ml Wasser und 117,6 g SbCl5 getrennt in 1500 ml Wasser gegeben, und der pH-Wert der Mischung wurde mit konzentriertem Ammoniak auf 9 eingestellt. Der dabei gebildete Niederschlag wurde wie bei 1) abfiltriert, gewaschen und calciniert.
4) Antimonoxid-Katalysator
Es wurden 104,8 g SbCl5 in 1500 ml Wasser gegeben, und der pH-Wert der Mischung wurde mit konzentriertem Ammoniak auf 5 eingestellt. Der dabei ge-
bildete Niederschlag wurde wie bei 1) abfiltriert, gewaschen und calciniert.
Bei diesen Darstellungen wurde das so erhaltene feste Oxid jeweils gesiebt, wovon die Teilchengröße von 0,5 bis 1,7 mm genommen wurde. Dieser Teil wurde mit 200 Gewichtsprozent Kieselerdestückchen mit derselben Teilchengröße vermengt; diese Mischungen wurden bei den entsprechenden Beispielen verwendet. Bei den Katalysatoren aus Oxidmischungen betrug das Verhältnis von Antimonoxid zum anderen Oxid jeweils 2:1.
Ammonox ydati onsverf ahren
Eine gasförmige Charge wurde durch Mischen von Strömen aus Propan oder Isobutan, Ammoniak, Luft und Stickstoff zusammengestellt. Die Durchflußmenge der gasförmigen Charge durch den den Katalysator enthaltenden Reaktor betrug 9 bis 18 l/h, und das Katalysatorvolumen betrug etwa 10 ml, so daß die Kontaktzeiten im Bereich 1,8 bis 4,0 Sekunden lagen.
Die Bestandteile der gasförmigen Charge wurden einem auf 100° C gehaltenen Mischgefäß, das aus einem mit Glasspiralen gefüllten Glaskolben bestand, zugeführt, und zwar über getrennte rotierende Strömungsuhren. Vom Mischgefäß gelangte der Gasstrom in den Reaktor, der einen auf der Reaktionstemperatur gehaltenen Vorwärmeabschnitt aufwies, in dem sich lediglich Kieselerdestückchen mit einem Durchmesser von 0,5 bis 1,7 mm befanden und an den der Hauptabschnitt mit dem Ammonoxydationskatalysator anschloß.
Der Abstrom vom Reaktor wurde durch Gas-Fl üssigkeitschromatographie analysiert.
Diese allgemeine Verfahrensweise wurde bei den nachfolgenden Beispielen mit den angegebenen Variationen verwendet. Es wird jeweils der prozentuale Kohlenwasserstoffanteil der Charge angegeben, wobei der prozentuale Sauerstoff anteil und der prozentuale Ammoniakanteil jeweils das Doppelte des Kohlenwasserstoffanteils betragen. Der Rest der gasförmigen Charge besteht aus Stickstoff. Es wurde jeweils die Kontaktzeit und die Reaktionstemperatur angegeben. Die Selektivität bezieht sich auf die Menge von Acrylnitril im Produkt, mit Ausnahme von Beispiel 13, in dem sie auf die Menge von Methacrylnitril bezogen ist.
Beispiel 1
Die gasförmige Charge enthielt 3,55 Volumprozent Propan; 0,02 Volumprozent 1,3-Dibrompropan wurden hinzugegeben. Die Kontaktzeit betrug 2,5 Sekunden und die Temperatur des Reaktors 505°C. Der Katalysator bestand aus Antimonoxid in Mischung mit Zinnoxid.
Der Verlauf der Reaktion wurde während 2 Stunden beobachtet, wobei die halogenhaltige Verbindung der gasförmigen Charge für eine gewisse Zeit zugeführt und dann wieder enthalten wurde. Aus den in der Tabelle 1 angegebenen Ergebnissen ist ersichtlich, daß die prozentuale Umsetzung auf einen konstanten Wert stieg, während der Reaktor auf seine volle Arbeitstemperatur kam, daß es eine merkliche Verbesserung gab, als die halogenhaltige Verbindung zugeführt wurde, und daß diese erhöhte Umsetzung langsam nachließ, nachdem die halogenhaltige Verbindung weggelassen wurde, bis der frühere konstante Wert wieder erreicht wurde. Daraus ist ersichtlich, daß, obwohl die halogenhaltige Verbindung der gasförmigen Charge zugegeben wurde, dieses trotzdem eine Änderung des Katalysators möglicherweise an seiner Oberfläche verursachte, wobei sich diese Änderung nach Beendigung der Zufuhr der halogenhaltigen Verbindung eine gewisse Zeit noch bemerkbar machte.
Tabelle 1
Zeit Tempei atur
im Reaktor
Umsetzung Selektivität
nach
Inbetrieb
nahme (0C) (%) (%)
(Min.) 476 4,3 100
10 478 7,0 64,2
16 486 7,0 77,1
28 510 12,8 63,8
36 516 10,0 76,0
44
*) 518 16,5 88,5
50 520 19,0 78,7
56 520 21,8 85,3
62 520 19,1 80,2
68 520 19,1 78,4
74
**) 520 15,5 96,5
80 520 11,3 97,4
86 520 10,0 80,0
94 518 9,0 86,5
100 520 10,0 68,5
110 518 9,0 83,8
120
*) Zuführung dei halogenhaltig Verbildung
**) Zuführung der halogenhaltigen Verbindung
eingesi haltet,
abgesc laitet.
Beispiele 2 bis 4
Die Ergebnisse dieser Beispiels, die in Tabelle 2 angegeben sind, zeigen die Wirkungen, wenn 0,02 bis 0,05 Volumprozent Methylendichlorid oder Äthylenbromid der gasförmigen Charge zugeführt wird. Die Temperatur des Reaktors betrug 5200C und die Kontaktzeit jeweils 2,5 Sekunden.
Tabelle Beispiel
Katalysator
(a)
% Umsetzung
I (b) I (C)
Sb-Oxid
Sb/Ti-Oxide
Sb/Ce-Oxide
0,8
47,8
31,3
(a) Keine halogenhaltige Verbindung in der Charge.
(b) Methylendichlorid in der Charge.
(c) Äthylenbromid in der Charge.
Beispiele 5 bis 8
Die3e Beispiele veranschaulichen die Einarbeitung λ on fluchtigen organischen Fluorverbindungen in die gasformige Charge. Als Katalysator wurde das Gemisch aus Sb- und Sn-Oxiden verwendet. Die gasformige Charge enthielt 3,5 Volumprozent Propan, und es wurden 0,02 Volumprozent der Fluorverbindung bei den Versuchen (b hinzugegeben. Die Temperatur des Reaktors betrug 5O5°C und die Kontaktzeit 2,8 Sekunden. Die Ergebnisse sind der Tabelle 3 zu entnehmen.
Zugegebene Tabelle 3 (b) % Umsetzung (b)
Bei Fluorverbindung % Selektivität 80,7 (a) 19,4
spiel Tetrafluor (a) 9,8
5 kohlenstoff 83,1 81,4 19,7
1-Fluorhexan 79,0 10,6 14,7
6 1,1,1-Trifluor- 80,3 9,1
7 aceton 79,5 77,9 15,0
2,2,2-Trifluor- 9,4
8 äthanol 86,2
(a) Keine halogenhaltige Verbindung in der Charge
(b) Mit halogenhaitiger Verbindung in der Charge
B e i s ρ i e 1 e 9 bis
Diese Beispiele betreffen die Zugabe von flüchtigen anorganischen Halogeniden zu der gasförmigen Charge. Als Katalysator wurde jeweils das Gemisch aus Antimon- und Zinnoxiden verwendet. Die Ergebnisse sind der Tabelle 4 zu entnehmen.
Tabelle Beispiel
Halogenid
Volumprozent
Temperatur (0C)
Kontakt
zeit
(Sek)
o/
Propan in der Charge % Selektivität
(a) I (b)
% Umsetzung (a) I (b)
NH4Br
PCl5
SbF5
0,02
0,04
0,08
530 505 505
1,8 3,6 2,8
5,6 4,8
3,5 90,3
88,5
81,3
88,7
81,7
80,3
8,4
10,6
9,8
12,1 18,9 21,4
(a) Kein Halogenid in der Charge.
(b) Mit Halogenid in der Charge.
B e i s ρ i e 1 e 12 bis
Diese Beispiele betreffen die Verwendung von verschiedenen Kohlenwasserstoffchargen und organischen Halogenverbindungen bei Anwendung des Antimon—Zinnoxid-Katalysators. Die Ergebnisse sind der Tabelle 5 zu entnehmen.
Tabelle
Beispiel Halogen
verbindung
Volum
prozent
Tempe
ratur
(0O
Kontakt
zeit
(Sek)
% Kohlen
wasserstoff
in der
% Selektivität (b) % Umsetzung (b)
Charge (a) 43,2 (a) 48,6
12 CHBr3 0,02 520 2,5 Propan 40,0 12,0
(3) 86,1 18,0
13 CH2CI2 0,02 505 1,8 Isobutan 90,1 9,1
(3,0) 74,3 26,9
14 CH2Cl2 0,07 540 2,5 Propan 73,8 11,5
(2,6) 47,3 35,3
15 CH2Cl2 0,07 540 2,5 Propan 47,7 26,4
(3,0)
(a) Keine halogenhaltige Verbindung in der Charge
(b) Mit halogenhaitiger Verbindung in der Charge
509 507/410

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Verfahren zur Herstellung von Acrylnitril bzw. Methacrylnitril durch Umsetzung von Propan bzw. Isobutan mit Ammoniak und Sauerstoff in der Gasphase bei erhöhter Temperatur in Gegenwart eines calcinierten, Antimonoxid enthaltenden Katalysators, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Ausgangsgemisch 0,01 bis 1 Volumprozent einer flüchtigen organischen oder anorganischen fluor-, chlor- oder bromhaltigen Verbindung zusetzt, die Umsetzung bei 505 bis 5400C durchführt und als Katalysator Antimonoxid oder eine Mischung von Antimonoxid und einem Oxid von Zinn, Titan oder Cer verwendet, wobei das Atomverhältnis von Antimon zu dem anderen Metall 2,0 : 1 bis 2,7 : 1 beträgt.
DE1668322A 1967-03-08 1968-03-06 Verfahren zur Herstellung von Acrylnitril bzw. Methacrylnitril aus Propan bzw. Isobutan Expired DE1668322C3 (de)

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