DE1767974B2 - Verfahren zur Herstellung von Blausäure und Wasserstoff aus Acetonitril und Ammoniak - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Blausäure und Wasserstoff aus Acetonitril und AmmoniakInfo
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Description
15
Die großtechnische Herstellung von Cyanwasserstoff erfolgt durch Reaktion von Ammoniak mit Methan bei
hohen Temperaturen. Hierbei wird z. B. die erforderliche Reaktionswärme durch Zusatz von Luft zum Einsatzgas
unter Teilverbrennung des Methans und Ammoniaks erzeugt oder durch Außenbeheizung des
Reaktionsraumes (Kontaktrohre).
Nun fällt aber bei der Herstellung von Acrylnitril aus Propylen, Ammoniak und Luft als unei wünschtes Nebenprodukt
Acetonitril an. Es ist bereits bekannt, das Acetonitril durch Behandlung mit Wasserstoff in der
Gasphase bei Temperaturen um 700° C in Blausäure zu verwandeln (GB-PS 1 051 404). Bei diesem Verfahren,
das ohne Katalysator arbeitet, wird jedoch nur ein Teil des im Molekül vorhandenen Kohlenstoffs in Cyanwasserstoff
übergeführt. Der Methylrest führt zu Nebenprodukten. Weiterhin ist bekannt, daß Acetonitril mit
Luft unter Zusatz von Wasserdampf katalytisch bei Temperaturen um 5000C in Blausäure umgewandelt
wird (DT-PS 1 146 861). Auch hierbei wird nur der Cyanid-Anteil des Acetonitrils verwertet. Die Blausäure
fällt als stark verdünntes Gas an, das außerdem durch die aus der Methylgruppe des Acetonitrils entstandenen
Nebenprodukte verunreinigt ist.
Ähnliche Ergebnisse werden nach dem Verfahren der deutschen Auslegeschrift 1 203 241 erhalten. Hier
wird Acetonitril mit Ammoniak unter Zusatz von Luft ode; Stickstoff bei Temperaturen von 700 bis 8000C
katalytisch umgesetzt und dabei werden HCN-Ausbeuten bis zu 158%, bezogen auf eingesetztes Acetonitril
(theoretische Ausbeute bei vollständiger Überführung von 1 Mol Acetonitril mit Ammoniak in 2 Mol Blausäure
beträgt 200%), erreicht. Der Rest des eingesetzten Acetonitrils wird teils zu Nebenprodukten zersetzt,
teils unzersetzt im Endprodukt wiedergefunden.
Ferner werden nach einer japanischen Arbeit (Ozaki et al, Intern. Chem. Eng. 5 (1965), S. 580 ff.) Acetonitril,
Ammoniak und Stickstoff bei 700 bis 9000C in Gegenwart von Platin auf Aluminiumoxid zur Reaktion gebracht.
Die hierbei im Höchstfall erzielten Ausbeuten von 150% (gegenüber 200°/) d. Th.) werden dadurch
erhalten, daß dem Einsatzgas Sauerstoff als Reaktionsauslöser beigemischt wird. Ohne Sauerstoff dagegen
beträgt die Ausbeute sogar nur höchstens 130%. Abgesehen davon, daß sich bei der oxydativen Arbeitsweise
eine Reihe von Nebenprodukten bilden, ist das Reaktionsgas in allen beschriebenen Beispielen stark verdünnt,
da stets mit einem vielfachen Überschuß an Stickstoff gearbeitet wird (CH3CN :NHj: N2
= 1:1:6). Aus den Untersuchungen ergab sich zwar bis 8OC0C ein Ansteigen der Cyanwasserstoffausbeute,
über 8000C dagegen war praktisch keine Verbesserung zu beobachten.
Die bR-PS 1 022 638 beschreibt ebenfalls ein Verfahren zur Cyanwasserstoffgewinnung aus Acetonitril und
Ammoniak. Dabei findet die Umsetzung in Gegenwart von Metallen der Übergangselemente sowie von Luft
bzw. Sauerstoff statt. An Stelle von Wasserstoff entsteht Wasser.
Bei allen diesen Verfahren ist der Cy asserstoffgehalt
durch die Anwesenheit der Nebenprodukte, vor aüem des Wasserdampfes, gering. Außerdem ist die
Aufarbeitung der Produktgase wegen der Anwesenheit der Zersetzungsprodukte und des nicht umgesetzten
Acetonitrils erschwert und erfordert zur Gewinnung eines reinen Cyanwasserstoffes zusätzliche Einrichtungen
und Betriebskosten.
Es wurde nun gefunden, daß sich Acetonitril und Ammoniak praktisch quantitativ zu Cyanwasserstoff und
Wasserstoff an Platinmetallkatalysatoren umsetzen lassen, wenn erfindungsgemäß ein gasförmiges Gemisch
aus Acetonitril und Ammoniak in einer Zeit von 0,001 bis 0,01 see auf Temperaturen von 1100 bis 1400cC erhitzt,
bei dieser Temperatur an dem Platinmetallkatalysator umgesetzt und dann das gasförmige Reaktionsgemisch
beim Verlassen des Reaktionsraumes auf Temperaturen unterhalb 500° C abgeschreckt wird.
Das Aufheizen kann durch Intensives Beheizen der Kontaktrohre am Gaseintritt, d. h. in der untersten
Ofenzone, erfolgen.
Zum Abschrecken werden ebenfalls bekannte Verfahren verwendet, z. B. mdirekte Intensivkühlung mit
Schlangerkühlern.
Als Platinkatalysatoren kommen reine Metallkatalysatoren der Platingruppe des Periodischen Systems wie
auch Platinmischkatalysatoren in Frage. Sie sind an sich bekannt und werden zur Synthese von Blausäure aus
Methan und Ammoniak benutzt (DT-PS 919 768; 919 769). Der Katalysator kann aus reinen Platinmetallen,
wie z. B. Platin, Ruthenium, Palladium oder deren Mischungen bestehen. Als besonders vorteilhaft aber
haben sich Platin-Mischkatalysatoren erwiesen, welche neben Platin und/oder anderen Platinmetallen noch
Aluminium und/oder Magnesium mit einem Gehalt bis zu 90 Atomprozent, vorzugsweise 50 bis 80 Atomprozent,
enthalten. Die Herstellung solcher Katalysatoren ist in der DT-PS 1 013 636 beschrieben. Aluminium und
Magnesium liegen als intermetallische Phase oder in oxydierter und/oder in Nitridform mit dem betreffenden
Platinmetall vor. Zweckmäßigerweise bringt man den Katalysator auf einen feuerfesten Träger, wie z. B.
Thoriumoxid, Zirkonoxid, Siliciumcarbid, Siliciumdioxid, auf. Als besonders wirkungsvoll hat sich Aluminiumoxid
erwiesen. So wird z. B. bei einer Ausführungsform
des beanspruchten Verfahrens der Katalysator auf die Innenwand von Aluminiumoxid-Rohren in Form
einer dünnen Schicht aufgebracht. Die Beheizung der Rohre kann elektrisch oder mit Gas erfolgen.
Die Kontaktzeit im Reaktor ist kurz. Sie kann zwischen 0,5 und 0,01 Sekunden liegen.
Das Verhältnis der beiden Reaktanden Acetonitril und Ammoniak ist in weiten Grenzen variabel. Aus
ökonomischer Zweckmäßigkeit arbeitet man jedoch nahe am Molverhältnis 1:1, vorzugsweise mit einem
geringen Ammoniaküberschuß, z. B. 1,05.
Im Gegensatz zu den Arbeiten von Ozaki (loc. cit) wurde — wie gesagt — gefunden, daß eine Temperatur
über 8000C für einen hohen Umsatz erforderlich ist. Es
werden Temperaturen zwischen 1100 und 14000C, vor
allem zwischen 1100 und 1300°C, angewendet
Das Ausgangsgemisch aus Acetonitril und Ammoniak hat frei von Luft oder Sauerstoff zu sein, da Sauerstoff
die Ausbeute an Cyanwasserstoff vermindert.
Der Vorteil dieser Verfahrensweise liegt gegenüber dem Stand der Technik in einem praktisch quantitativen
Umsatz des eingesetzten Acetonitrils zu Cyanwasserstoff, d.h. einer Kohlenstoffausbeute von 95 bis
99%, s. die Beispiele, und der Cyanwasserstoff gehalt der Produktgase betrug nach den Beispielen 47 bis
48%. Da außerdem Acetonitril und Ammoniak unverdünnt eingesetzt werden und da Zersetzungsprodukte
fehlen, wird nach Abtrennung des Cyanwasserstoffes und der geringen Mengen unumgesetzten Ammoniaks
ein Restgas erhalten, das nahezu aus re>nem Wasserstoff
besteht.
Ein derartiger Wasserstoff fällt nach dem bekannten Verfahren nicht an.
Die zu so hohen Umsätzen und Ausbeuten, d. h. zu fast 100%, führende Umsetzung des Acetonitrils mit
Ammoniak bei den genannten hohen Temperaturen ist überraschend, da sich diese Stoffe, vor allem aber das
Acetonitril, in diesem Bereich schnell und weitgehend zersetzen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist neben dem quantitativen Reaktionsablauf darin zu sehen, daß —
wie schon gesagt — außer den Reaktionsparlnern Acetonitril
und Ammoniak keine weiteren Gase, wie z. B. Wasserdampf, Stickstoff und Luft, zugesetzt werden
müssen, wodurch eine hohe Raum/Zeit-Ausbeute im Reaktor erreicht wird. Neben wärmemäßigen Vorteilen
ist dadurch auch eine sehr hohe Blausäurekonzentration im Produktgas vorhanden, was dessen Aufarbeitung
auf flüssige Blausäure sowie auf Nachfolgeprodukte einfacher und billiger als bei bisher bekannten Verfahren
gestaltet. Es wurden beispielsweise Cyanwasserstoffkonzentrationen bis zu 48 Voiumprozent im Prcduktgas
gefunden. Andererseits ist es jedoch auch möglich, mit einem verdünnten Einsatzgas zu arbeiten, sofern
dies erforderlich ist. Nach Aufarbeitung des Produktgases wird eine Blausäure erhalten, die einen Reinheitsgrad
von mehr als 99% aufweist.
Außerdem wird — wie gesagt — Wasserstoff als Zweitprodukt erhalten, nachdem der Cyanwasserstoff
und das nicht umgesetzte Ammoniak abgetrennt worden sind. Der so gewonnene Wasserstoff hat einen Gehalt
von 97 Volumprozent H2. Der Rest besteht aus Stickstoff und Methan. Wegen seiner großen Reinheit
kann dieses Gas außer zu Heiz- auch zu Synthesezwekken verwendet werden. Cyanwasserstoff und Ammoniak
werden nach bekannten Verfahren abgetrennt, z. B. wird der nicht umgesetzte Ammoniakanteil in
Schwefelsäure absorbiert und der Cyanwasserstoff durch eine Kühlwäsche abgetrennt Die dabei anfallende
cyanwasserstoffhaltige Lösung wird dann fraktioniert destilliert.
1. Ein auf der Innenwandung mit einem Pt-Al-Mischkontakt
imprägniertes Rohr aus hochgesinterter Tonerde wurde mit einem stündlichen Gasstrom
aus 6,3 Mol NH3 und 6,0 Mol CHsCN beaufschlagt. Im Kontaktrohrinneren herrschte eine Temperatur
bis maximal 1220°C. Nach einer Kontaktzeit von 0,16 Sekunden wurde das den Kontaktraum
verlassende Gas auf eine Temperatur unterhalb von 3000C abgeschreckt. Es hatte eine Zusammensetzung
von 47,3 Molprozent HCN, 1,1% NH3, 0,8% N2, 0,9% CH4, 0,04% CH3CN und 49,9% H2.
Vom eingesetzten Acetonitril hatten sich demnach 0,2% nicht umgesetzt. Bei einer stündlichen Erzeugung
von 11,7 Mol HCN betrug die auf eingesetzten Stickstoff bezogene HCN-Ausbeute 94,7%, die
auf eingesetzten Kohlenstoff bezogene 97,9%. Das Restgas bestand zu 96,7 Volumprozent aus Wasserstoff,
1,8% aus Methan und 1,5% aus Stickstoff.
2. In einem auf maximal 112O0C beheizten, innen mit
Platin belegten AhCh-Rohr wurden 4,0 Mol NH3
und 3,8 Mol CH3CN während 0,4 Sekunden umgesetzt Das Reaktionsgemisch wurde auf 300°C abgeschreckt.
Es wurden hierbei 7,2 Mol HCN erhalten, entsprechend einer Ausbeute von 92,0%, bezogen
auf Gesamt-Stickstoff bzw. 94,6%, bezogen auf Gesamt-Kohlenstoff. Der Acetonitril-Umsatz
betrug 99,4%. Das Produktgas enthielt 47,7 Molprozent HCN, das Restgas 94,2 Volumprozent H2.
3. Bei Kontaktrohr-Innentemperaturen von maximal 1380°C wurden 6,1 Mol NH3 und 5,5 Mol CH3CN
während 0,08 Sekunden zur Reaktion gebracht. Als Katalysator diente ein Pt-Pd-Al-Mischkontakt.
Nach Abschrecken auf etwa 25O°C wurden HCN-Ausbeuten
von 93,0%, bezogen auf Stickstoff, und 98,6%, bezogen auf Kohlenstoff, und ein CH3CN-Umsatz
von 99,9% erhalten, es wurden 10,9 Mol Cyanwasserstoff erzeugt, der in einer Konzentration
von 47,0 Molprozent im Produktgas vorlag. Das HCN- und NH3-freie Restgas enthielt 96,4 Volumprozent
H2.
Claims (1)
- Patentanspruch:Verfahren zur Herstellung von Cyanwasserstoff und Wasserstoff aus Acetonitril und Ammoniak in Gegenwart von Platinmetallkatalysatoren, dadurch gekennzeichnet, daß ein gasförmiges Gemisch aus Acetonitril und Ammoniak in einer Zeit von 0,001 bis 0,01 see auf Temperaturen von 1100 bis 14000C erhitzt, bei dieser Temperatur an dem Platinmetallkatalysator umgesetzt und das Reaktionsgas beim Verlassen des Reaktionsraumes auf Temperaturen unterhalb 5000C abgeschreckt wird.
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E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
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