DE1768967C

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Publication number: DE1768967C
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Isomerisieren von Polymethylbenzolen mit zwei bis vier Methylgruppen in Gegenwart von 2 bis 20 Volumteilen Wasserstoff je Volumteil der aromatischen Beschickung und eines geformten, mit Wasserstoff unter Druck bei etwa 343 bis 454° C aktivierten, molybdänhaltigen Siliciumoxyd -Aluminiumoxyd-Katalysators bei Temperaturen von etwa 260 bis etwa 454° C, einer Raumgeschwindigkeit von 0,1 bis 10 Volumteilen aromatische Beschickung je Volumteil Katalysator je Stunde und bei einem Druck von etwa 7,03 bis 49,2 kg/cm² unter Rückführung des nicht umgesetzten Wasserstoffs, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man die Isomerisierung in Gegenwart von 0,1 bis 4 Molprozent Stickstoff durchführt.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Lebensdauer des Katalysators verlängert.

Es ist bekannt, Polymethylbenzole über festen Katalysatoren in Gegenwart von Wasserstoff zu isomerisieren. Es ist auch bekannt, solche Isomerisierungen in Gegenwart von inerten Gasen, wie Stickstoff, durchzuführen. Die Isomerisierung von Xylol ist auch bereits in Gegenwart von Ammoniak allein oder zusammen mit Wasser oder Dampf durchgeführt worden. Bei keiner dieser bekannten Isomerisierungen wurden jedoch sowohl Wasserstoff als auch Stickstoff verwendet, um die Lebensdauer des Katalysators zu erhöhen und eine hohe Umwandlungsselektivität eines Isomeren in ein anderes zu erreichen, wie dies mit Hilfe der Erfindung möglich ist.

Im Zusammenhang mit der Erfindung wird auf folgende Literatur verwiesen:

USA.-Patentschrift 3 293 314,
japanisches Patent S-37-9469 (1962),
japanisches Patent S-38-19276 (1963),
N. I. S h u j k i η und D. B a t y n, »The Isomerisation of m-Xylene on an Alumino-Silicate Catalyst in the Presence of Activators« (Magazine-Vestnik Moskau, Universität No. 3:247-51, 253-57) (1957).

Erfindungsgemäß wird die Isomerisierung eines Polymethylbenzols durchgeführt, indem man dieses über einen geformten molybdänhaltigen Siliciumoxyd-Aluminiumoxyd-Katalysator führt, der ausreichend lange bei bestimmter Temperatur einer spezifischen Vorbehandlung mit Wasserstoff unterworfen worden ist. Die Isomerisierung selbst wird unter für diese Reaktion üblichen Bedingungen, jedoch in Gegenwart von Wasserstoff und Stickstoff, durchgeführt, wobei die Stickstoffmenge auf einer bestimmten Höhe gehalten wird, indem man periodisch oder konti-

nuierlich Gas freisetzt, Stickstoff einführt oder die Stickstoffmenge von Zeit zu Zeit reduziert. Am besten wird der Stickstoff eingeführt, indem man ihn in dem Polymethylbenzol löst oder das Ausgangsmaterial mit Stickstoff abdeckt.

Bei der praktischen Durchführung des Verfahrens der Erfindung wird der geformte molybdänhaltige Siliciumoxyd -Aluminiumoxyd - Katalysator vorzugsweise einem Druck von wenigstens 7,03 kg/cm² ausgesetzt und anschließend in Gegenwart von Wasser-

stoff bei diesem Druck auf eine Temperatur zwischen etwa 343 und 454°C erhitzt, wobei man den Katalysator wenigstens 16 Stunden unter diesen Bedingungen beläßt. Der erhitzte Katalysator wird dann mit einem Polymethylbenzol mit zwei bis vier Methylgruppen

bei einer zur Isomerisierung ausreichenden Temperatur zwischen etwa 260 und etwa 454° C und unter Bedingungen, die die Isomerisierung begünstigen, sowie gleichzeitig mit Wasserstoff und Stickstoff zusammengebracht, so daß sich selektiv das gewünschte Isomer bildet.

Als Isomerisierungsbedingungen werden ein Druck von etwa 7,03 bis 49,2 kg/cm², eine Zuführungsgeschwindigkeit von etwa 0,1 bis etwa 10 V/V/Std. und ein Wasserstoff-Polymethylbenzol-Molverhältnis zwischen etwa 2:1 und 20:1 angewendet; als Isomerisitrungstemperatur wird innerhalb des angegebenen Temperaturbereiches für die Erzeugung des ausgewählten Isomeren in der gewünschten Menge die niedrigste Temperatur gewählt, und zwar entsprechend der Formel:

K. =

% ausgewähltes Isomeres

% ausgewähltes Isomeres + Summe der
prozentualen Mengen der übrigen Isomeren

wobei der maximale theoretische Wert von K_x dem thermodynamischen Gleichgewichtswert des ausgewählten Isomeren bei der ausgewählten niedrigsten Temperatur entspricht.

Die eingesetzte Stickstoffmenge muß zur Bildung einer Stickstoffmenge von 0,1 bis 4 Molprozent in der Gasphase ausreichen. Die Stickstoffmenge im Kreislaufgas wird in einem Bereich von etwa 0,1 bis 4 Volumprozent gehalten.

Als Ausgangsmaterial werden bei dem Verfahren der Erfindung Polymethylbenzole mit zwei bis vier Methylgruppen am Benzolring verwendet, d. h. o-, m- und p-Xylol, 1,2,4-Trimethylbenzol, 1,3,5-Trimethylbenzol, 1,2,3-Trimethylbenzol sowie Tetramethylbenzole, wie 1,2,4,5 - Tetramethylbenzol, 1,2,3,5-Tetramethylbenzol und 1,2,3,4-Tetramethylbenzol.

Der beim Verfahren der Erfindung eingesetzte Katalysator ist ein molybdänhaltiger Siliciumoxyd-Aluminiumoxyd-Katalysator, der hergestellt wird, indem man ein Siliciumoxyd-Aluminiumoxyd, welches

mit einer löslichen Molybdänverbindung imprägniert worden ist, bei einer Temperatur unter 343° C trocknet. Für diesen Katalysator verwendet man vorzugsweise geformte Teilchen von Siliciumoxyd-Aluminiumoxyd, die etwa 10 bis etwa 50 Gewichtsprozent Aluminiumoxyd und etwa 50 bis etwa 90% Siliciumoxyd enthalten und etwa 3 bis etwa 10 Gewichtsprozent Molybdän als MoO₃ beinhalten (trocken gerechnet); man trocknet bei der Temperatur unter 343° C etwa 1 bis etwa 5 Stunden.

Vorzugsweise werden die Siliciumoxyd-Aluminiumoxyd-Körnchen auf eine Temperatur unter etwa 510° C erhitzt, bevor sie mit dem Molybdän imprägniert werden.

Der Katalysator wird bei einem Druck von wenigstens 7,03 kg/cm² und einer Temperatur zwischen etwa 343 und 454° C einer Aktivierungsbehandlung mit Wasserstoff unterworfen; diese Aktivierungsbehandlung dauert bei dem genannten Druck und der genannten Temperatur wenigstens 16 Stunden. Der Katalysator sollte in Gegenwart von Luft oder Wasserstoff keinen Temperaturen über 343° C ausgesetzt werden, wenn der Druck unter 7,03 kg/cm² liegt. Die Drucke, bei denen der Katalysator erhitzt wird, liegen zwischen 7,03 und 70,3 kg/cm². Die Behandlungsdauer beträgt 16 bis 100 Stunden; es können auch größere Behandlungszeiten als 100 Stunden notwendig sein.

Die Erfindung wird an Hand des Fließschemas näher erläutert: Über die Leitung 11 wird eine p-xylolhaltige Fraktion mit einem Siedebereich zwischen etwa 136 und etwa 143° C zugeführt, die aus einem (nicht dargestellten) Vorratsbehälter abgezogen wird. Diese Fraktion wird in die Zone 12 eingeführt, in welcher das p-Xylol entfernt wird. Es handelt sich um eine Tieftemperatur-Kristallisationszone, in welcher das p-Xylol auskristallisiert wird. Die p-Xylolkristalle werden über die Leitung 13 abgezogen und in bekannter Weise aufgearbeitet. Das Filtrat aus dem p-Xylol-Abscheider 12 wird über die Leitung 14 weitergeführt und mit Wasserstoff und Stickstoff vermischt, die durch die Leitung 15 in noch näher zu erläuternder Weise zugeführt werden. Das Gemisch aus Wasserstoff, Stickstoff und Ausgangsmaterial mit niedrigem p-Xylolgehalt wird dann in die Vorheizzone 16 eingeführt, in welcher die Temperatur auf etwa 260 bis etwa 454°C erhöht wird. Die erhitzte Mischung aus Wasserstoff, Stickstoff und Ausgangsmaterial wird über die Leitung 17 in eine Isomerisierungszone 18 eingeführt, die aus einer vertikalen Schicht eines molybdänhaltigen Siliciumoxyd-Aluminiumoxyd-Isomerisierungskatalysators besteht. Das Ausgangsmaterial wird unter Isomerisierungsbedingungen in Anwesenheit von Wasserstoff und Stickstoff, die durch die Leitung 15 zugeführt worden sind, mit dem Katalysator in Berührung gebracht.

Vor Beginn der Isomerisierung ist es günstig, den Katalysator einer Aktivierungsbehandlung zu unterziehen. Zu diesem Zweck wird der Katalysator in der Isomerisierungszone 18 vor Beginn des Einleitens des Ausgangsmaterials mit Wasserstoff auf einen Druck von wenigstens 7,03 kg/cm² gesetzt, nach dem Luft mit Hilfe eines Inertgases, z. B. Stickstoff, entfernt worden ist. Man läßt den Wasserstoff bei allmählich höher werdenden Temperaturen 4 bis 24 Stunden über den Katalysator strömen, bis die Temperatur auf einen Wert zwischen etwa 343 und 454°C gestiegen ist. Diese Temperatur- und Druckbedingungen werden dann wenigstens 16 Stunden, vorzugsweise 24 bis 100 Stunden aufrechterhalten. Nach 100 Stunden ist der Katalysator vollständig -aktiviert. Man kann- auch die Aktivierung über längere Zeiträume fortsetzen, weil eine »Uberaktivierung« keine schädliche Wirkung auf den Katalysator hat. übersteigt die Temperatur jedoch 454° C, so kann der Katalysator durch Calcinierung beschädigt werden, wodurch eine Disproportionierung des Ausgangsmaterials eintreten kann.

Nachdem der Katalysator in der Isomerisierungszone 18 in der beschriebenen Weise aktiviert worden ist, wird durch die Leitung 17 das Ausgangsmaterial darübergeleitet. Das isomerisierte Produkt wird aus der Zone 18 durch die Leitung 19 abgezogen, in einem Kühler 20 gekühlt und über die Leitung 21 in einen Gas-Flüssigkeits-Abscheider 22 geleitet, wo die flüssige Phase und die Gasphase voneinander getrennt werden. Die Wasserstoff und Stickstoff enthaltende Gasphase wird über die Leitung 23 abgeführt; ein Teil derselben kann durch öffnen des Ventils 24 in der Leitung 25 aus der Apparatur entfernt werden, damit eine übermäßige Ansammlung von Stickstoff und/oder anderen Gasen in der Apparatur vermieden wird. Der Hauptteil des Gases aus der Leitung 23 wird jedoch über die Leitung 25 und den Kompressor 26 zur Leitung 15 zurückgeführt und in dem Verfahren wieder verwendet. Werden über die Leitung 23 unzureichende Mengen an Wasserstoff und Stickstoff abgezogen, so kann zusätzlicher Wasserstoff in die Leitung 15 eingeführt werden, indem man das Ventil 27, welches mit einer äußeren Wasserstoffquelle (nicht gezeigt) in Verbindung steht, öffnet. Zusätzlicher Stickstoff kann durch öffnen des Ventils 27 a in der Leitung 27 b, die zu einer äußeren, ebenfalls nicht dargestellten Stickstoffquelle führt, zugeführt werden.

Die flüssige Phase im Abscheider 22 wird durch die Leitung 28 abgezogen und in eine Stabilisierungszone 29 eingeleitet, die vorzugsweise aus einer Destillationskolonne besteht und mit allen notwendigen Hilfsvorrichtungen wie Dampf-Flüssigkeits-Berührungshilfen, Heizvorrichtungen, Kühl- und Kondensiervorrichtungen ausgestattet ist, damit eine Abscheidung der niedrigersiedenden Produkte von dem gewünschten Isomeren erreicht wird. So wird eine Fraktion, die Benzol, Toluol und Nichtaromaten enthält, über die Leitung 30 aus der Zone 29 abgezogen, während eine p-xylolhaltige Fraktion über die Leitung 31 entfernt und in eine zweite Fraktionierkolonne 32 eingeleitet wird, die als Feindestillationskolonne ausgebildet ist. Die Kolonne 32 ist in entsprechender Weise ausgerüstet wie die Kolonne 29. Eine schwere Fraktion, die C₉- und C₁₀-Aromaten enthält, kann aus der Kolonne 32 durch die Leitung 33 abgezogen werden, während das gewünschte Produkt über die Leitung 34 entfernt wird, die mit der Leitung 11 verbunden ist, die das Produkt zum p-Xylolabscheider 12 leitet, aus welchem p-Xylol schließlich durch die Leitung 13 abgezogen wird. Der p-Xylolabscheider 12 kann auch mit dem Xylol-Vorratsbehälter 40 verbunden werden, in welchem das Xylol unter einer Stickstoffdecke 41 gelagert ist, die über die Leitung 42 in den Behälter 40 eingeführt wird. Aus dem Behälter 40 kann Xylol über die Leitung 43 mit dem Ventil 44 abgezogen werden. Die Leitung 43 mündet in die Leitung 25, die ihrerseits zur Leitung 15 führt.

Stickstoff kann also auch in die Apparatur eingeführt werden, indem man das Ausgangsmaterial mit diesem Gas abdeckt, das sich dann darin löst: der Stickstoff kann auch mit dem Wasserstoff vermischt werden.

Man erkennt aus der vorstehenden Beschreibung und aus der Zeichnung, daß es mit Hilfe der Erfindung möglich ist, ein bestimmtes Isomer aus einem Poiymethylbenzol-Isomerisationsprodukt zu gewinder bereits beschriebenen Weise reaktiviert, wobei es in diesem Fall jedoch möglich ist, die Aktivierungszeit nach der Regenerierung auf 1 bis 2 Stunden zu verkürzen.

Bei dem Verfahren der Erfindung wird in Gegenwart eines molybdänhaltigen Siliciumoxyd-Aluminiumoxyd-Katalysators bei verhältnismäßig tiefen Temperaturen gearbeitet, ohne daß die Bildung großer Mengen an Nichtaromaten eintritt, obwohl bei den

mit gleicher Geschwindigkeit wie das Xylol entfernt werden. Auf diese Weise kann die Äthylbenzolmenge in niedrigen Grenzen gehalten werden.

Die Zusammensetzung des Ausgangsmaterials ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ebenfalls wichtig, weil sich gezeigt hat, daß diese, besonders bei der Heistellung von p-XyloL einen beträchtlichen Einfluß hat, und zwar vor allem auf den K₁-Wert. Aus-

nen und abzutrennen. Das durch die Leitung 11 zu- io benutzten Temperaturen das Gleichgewicht die Bilgeführte Ausgangsmaterial kann auch ein Trimethyl- dung von Nichtaromaten begünstigt. Man erhält also benzol oder ein Tetramethylbenzul sein. bei dem Verfahren der Erfindung ein völlig unerwar-

Die Verfahrensbedingungen werden so ausgewählt, tetes Ergebnis.

daß das gewünschte Isomer erzeugt wird und die Es ist weiterhin ein Vorteil, daß bei schärferen

Menge gerade unterhalb der Gleichgewichtsmenge 15 Verfahrensbedingungen eine Disproportionierung aufliegt; auf diese Weise erreicht man ein Maximum tritt. Bei einem Kreislaufverfahren der mit Bezug bezüglich der Lebensdauer des Katalysators, während auf die Zeichnung beschriebenen Art, bei welchem das gewünschte Isomer in maximalen Mengen, uner- frisches Xylol als Ausgangsmaterial einer p-Xylolwünschte Nebenprodukte, die aus Disproportionie- Abtrennungszone zugeführt wird, kann sich Äthylrungsreaktionen stammen, dagegen in minimalen 20 benzol aus dem Ausgangsmaterial anreichern und Mengen gebildet werden. als unerwünschtes Verdünnungsmittel wirken. Dabei

Bei der Durchführung der Erfindung ist es am hat sich gezeigt, daß der Disproportionierungsgrad besten, die niedrigste Temperatur aus dem gegebenen von Äthylbenzol höher ist als der Disproportionie-Bereich der Isomerisierungstemperaturen anzuwen- rungsgrad von Xylol. Bei schärferen Verfahrensbedinden, die die gewünschten K_x-Werte für das ausge- 25 gungen kann daher das Äthylbenzol über die Disprowählte Isomer bei dieser niedrigsten Temperatur portionierung zusammen mit dem p-Xylolprodukt gibt. Bei p-Xylol liegt dieser Wert zwischen etwa
23 und etwa 24. Die vollständige Umwandlung in
p-Xylol ist wegen des bestehenden Gleichgewichtes
nicht möglich, weil K_x für p-Xylol bei 399° C etwa 30
24,2 ist. Für p-Xylol ist es daher notwendig unter
etwas schärferen Bedingungen zu arbeiten. Arbeiten
bei einem Wert unter etwa 24, z. B. von 22 bis 23,8,
ist zweckmäßig.

Nach der Aktivierung des Katalysators wird die 35 gangsmaterialien, die reich an m-Xylol sind und in Temperatur herabgesetzt, während Wasserstoff weiter welchen der o-Xylol-Gchalt bei oder unter dem therüber den Katalysator strömt Nach einer Induktions- modynamischen Gleichgewicht liegt, liefern leicht periode, die bei Xylol als Ausgangsmaterial beispiels- p-Xylol im Gleichgewicht (K₁ = 24,2). Liegt der weise etwa 200 bis 250 Stunden beträgt, erreicht die o-Xylol-Gehalt dagegen über dem Gleichgewichts-Katalysatoraktivität ihr Maximum. Nach dieser Zeit 40 wert, so sind weit schärfere Verfahrensbedingungen kann der K_x-Wert bestimmt werden, damit sicher- notwendig, um p-Xylol bei dem gewählten K_x-Wert gestellt wird, daß dieser im richtigen Bereich liegt. _zu erzeugen. Daraus ergibt sich, daß es umso schwie-Der tatsächliche K_x-Wert ist eine Funktion der jewei- rig« ist, das Ausgangsusaterial zu einem Gleichligen Katalysatoraktivität, der Durchsatzgeschwin- gewichtsgemisch zu isomerisierenje höher der o-Xyloldigkeit des Hz-Polymethylbenzol-Verhältnisses, des 45 Gehalt über dem Gleichgewicht liegt.
Druckes, der Wasserstoffreinheit, der Temperatur und I_n der folgenden Tabelle sind die Gleichgewichtsder Zusammensetzung des Ausgangsmaterials. Die
Betriebsbedingungen können so eingestellt werden,
daß sich der gewünschte K_x-WeTt ergibt. Die Bedingungen werden normalerweise einreguliert, indem 50

man die Temperatur, die Wasserstoffzuführungsgeschwindigkeit oder die Zuführungsgeschwindigkeit des Ausgangsmaterials variiert.

Da die Katalysatoraktivität im Verlauf der Betriebs-

dauer allmählich abfällt, kann man die Temperatur 55 p-Xyi_ol allmählich höher einstellen, um den gewünschten _mx_vi_oi

K_x-WeH aufrechtzuerhalten. Bevor eine Temperatur ~ ^y

von 454° C erreicht wird, sollte der Katalysator jedoch o-Xylol

nach Unterbrechung der Reaktion regeneriert werden, 1,2,4-Trimethylbenzol..
damit eine Calcinienmg desselben und die damit 60 13,5-Trimethylbenzol..
einsetzende Disproportionierung der Ausgangsstoffe 1,2,3-Trimethylbenzol..
vermieden wird. Der Katalysator kann regeneriert , ., _ _T„_tT___Mi_lv1
werden, indem man ein Gemisch aus 0,25 bis 1% ¹^'etrametnyi-

Sauerstoff mit Stickstoff bei 399°C über den Kataly- ^De°^z°^l · · ·

sator strömen läßt und anschließend wiederholt auf 65 1^3,5-1 etramethyl-

427° C erhitzt, bis eine vollständige Wiederherstellung benzol

der Katalysatorwirksamkeit erreicht ist Der Kataly- 1,23,4-Tetramethylsator wird nach der Regenerierung abgekühlt und in

werte (K₁) der drei Xylole, der drei Trimethylbenzole und der drei Tetramethylbenzole zusammengestellt:

benzol

24,2
52,8
23,0
63
28
9

40,5
50
9,5

Betriebs

temperatur temperatur

399

329

299

Mindest-

371

299

260

Beispiel

Ein typisches handelsübliches Ausgangsmaterial für die Isomerisierung weist folgende Analysenwerte 5 auf:

Molprozent

o-Xylol 32

10 m-Xylol 49

p-Xylol 10

Äthylbenzol 9

15

Dieses Ausgangsmaterial wurde in einen üblichen Isomerisierungsreaktor über einen Katalysator eingeleitet, der in der vorstehend beschriebenen Weise hergestellt und vorbehandelt worden war. Die Be- · triebsdauer war 6 Monate unter folgenden Bedin- 20 gungen:

Temperatur, ⁰C

Druck, kg/cm²

V/V/Std

Stickstoff, Molprozent

Wasserstoff zu Xylol-Molverhältnis

Normal

408
16,2
0,9

7/1

Bereich

(399 bis 410) (15,5 bis 16,5) (0,8 bis 1,1) (1 bis 4)

(10/1 bis 5/1)

Während dieser Zeit nahm die Aktivität des Katalysators allmählich ab, und der K_x-Wert des Produktes fiel von etwa 23,2 auf 22,4. Gleichzeitig durchgeführte Versuche, bei denen ein gleiches Ausgangsmaterial zusammen mit Wasserstoff ohne Stickstoff über einen entsprechenden Katalysator geführt wurde, zeigten, daß die Abnahme der Katalysatoraktivität (ausgedrückt als Abfall des K_x-Wertes pro Zeiteinheit) dreimal größer war als bei Versuchen, die mit Stickstoff durchgeführt wurden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 209638/2

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zum Isomerisieren von Polymethylbenzolen mit 2 bis 4 Methylgruppen in Gegenwart von 2 bis 20 Volumteilen Wasserstoff je Volumteil der aromatischen Beschickung und eines geformten, mit Wasserstoff unter Druck bei etwa 343 bis 454° C aktivierten, molybdänhaltigen Siliciumoxyd-Aluminiumoxyd-Katalysators bei Temperaturen von etwa 260 bis etwa 454° C, einer Raumgeschwindigkeit von 0,1 bis 10 Volumteilen aromatische Beschickung je Volumteil Katalysator je Stunde und bei einem Druck von etwa 7,03 bis 49,2 kg/cm² unter Rückführung des nicht umgesetzten Wasserstoffs, dadurch gekennzeichnet, daß man die Isomerisierung in Gegenwart von 0,1 bis 4 Molprozent Stickstoff durchführt.