DE19633552A1 - Reduktive Kopplung von Nitrobenzol oder kernsubstituierten Nitrobenzolen zu den entsprechenden Azobenzolen und Azoxybenzolen mit Redoxkatalysatoren in Gegenwart von Wasser - Google Patents
Reduktive Kopplung von Nitrobenzol oder kernsubstituierten Nitrobenzolen zu den entsprechenden Azobenzolen und Azoxybenzolen mit Redoxkatalysatoren in Gegenwart von WasserInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur heterogenkatalytischen reduktiven
Kopplung von Nitrobenzol oder kernsubstituierten Nitrobenzolen in Gegen
wart von Wasser zu den entsprechenden Azobenzolen und Azoxybenzolen
unter weitgehender Vermeidung der Überreduktion zu Anilinderivaten mittels
eines Redoxkatalysators in seiner reduzierten oder teilreduzierten Form,
wobei der Redoxkatalysator mindestens eine zu einem Oxidationsstufenwech
sel befähigte Aktivmetall-Komponente enthält. Im Rahmen der Beschreibung
umfaßt der Begriff "Nitrobenzol" sowohl Nitrobenzol an sich als auch
kernsubstituierte Nitrobenzole. Die erfindungsgemäße reduktive Nitrobenzol
kopplung kann sowohl mit stationärer als auch instationärer Reaktionsführung
durchgeführt werden.
Azobenzol und Azoxybenzol sind wichtige Zwischenprodukte in der chemi
schen Industrie und werden u. a. bei der Synthese von Antioxidantien, Farb
stoffen, Wirkstoffen, Polymermodifiziermitteln, Kleb- und Dichtungsmitteln,
Fotolacken und lichtsensitiven Systemen eingesetzt.
Demgemäß ist aus dem Stand der Technik auch die Reduktion von Nitro
benzol zu Azobenzol und/oder Azoxybenzol bekannt, wobei herkömmlicher
weise Azobenzol durch Diazotierung von Anilin und Umsetzung des Diazoni
umsalzes mit Benzol in der Flüssigphase hergestellt wird (s. anstelle vieler
Finholt, Jacobsen, Ogard und Thomsen in J. Am. Chem. Soc. 77 (1955),
S. 4163, Meier und Bohler in Chem. Ber. 89 (1965), S. 2301, und Ohe,
Uemura, Sugita, Matsuda, Taga in J. Org. Chem. (1989), 54 (17), S. 4169-74).
Nachteile dieser Umsetzungen sind die sehr teuren und nicht regenerierbaren
Reduktionsreagenzien, die überstöchiometrisch eingesetzt werden müssen. Bei
den meisten dieser Verfahren fallen darüber hinaus große Mengen an Salzen
an, was ebenfalls nachteilig ist.
Die ersten Reduktionen in der Gasphase werden von Buckley et al. in J.
Chem. Soc. (1949), S. 1146-46 und von Kmiecik in J. Org. Chem. 30
(1965), S. 2014-20 beschrieben. Buckley et al. beschreiben die Reduktion
von Nitrobenzol zu Azobenzol ohne Katalysator durch 24stündiges Erhitzen
von Nitrobenzol auf 250°C unter einem CO-Druck von 3000 atm, wobei
Azobenzol in einer Ausbeute von 97,5% erhalten wurde. Bei 200°C oder
bei Drücken unterhalb von 2500 atm fand praktisch keine Reduktion statt.
Kmiecik beschreibt die Reduktion von Nitrobenzol zu Azobenzol mit CO in
Gegenwart von Eisenpentacarbonyl-Katalysatoren in trockenem Benzol. Bei
Temperaturen um 200°C, CO-Drücken um 3000 psig (∆ 207 bar) und
Reaktionszeiten von ungefähr 3 h wurden Azobenzol-Ausbeuten von bis zu
80% erhalten.
Diese beiden Verfahren weisen jedoch Nachteile dahingehend auf, daß bei
sehr hohen CO-Drücken und langen Reaktionszeiten gearbeitet werden muß.
Heterogenkatalytische Verfahren zur Reduktion von Nitrobenzol zu Azobenzol
und/oder Azoxybenzol in der Gasphase sind ebenfalls bekannt.
So beschreiben Lin et al. in Ziran Kexueban (1986), 25( 4), S. 449-55 die
Wechselwirkung von CO mit Nitrobenzol über Metalloxid-Katalysatoren, die
ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus CuO, MoO₃, V₂O₅, PdO,
jeweils auf SiO₂-Trägern. Bei diesen Umsetzungen wird CO zu CO₂ oxi
diert, während Nitrobenzol zu verschieden N-haltigen Verbindungen reduziert
wird, wobei auch Phenazin und Azobenzol gebildet werden. Bei dieser
Umsetzung tritt insbesondere der Nachteil auf, daß aufgrund des aciden
SiO₂-Trägers sowie der Lewis-sauren Aktivmetalle zahlreiche Nebenreaktionen
auftreten und lediglich ein komplexes Produktgemisch erhalten wird, wobei
die Selektivität für Azobenzol niedrig ist.
Konishi et al. beschreiben in Chem. Lett. (1980) (11), S. 1351-54, die
Deoxigenierung von Nitrobenzol zu Azobenzol durch Kontaktieren mit einem
Kohlekatalysator, der mit K₂CO₃ imprägniert wurde. Dieses Verfahren weist
den Nachteil auf, daß die Kohle durch Oxidation zu Kohlenoxiden nach und
nach verbraucht wird und der Kontakt an mechanischer Stabilität verliert. Im
Rahmen dieses Verfahrens stellt der Kohlenstoff somit ein stöchiometrisches
Reduktionsreagens dar, das nicht regenerierbar ist. Es handelt sich also
strenggenommen nicht um eine heterogene Katalyse, sondern um eine stö
chiometrische Fluid-Feststoff-Reaktion.
Die DE-OS 18 10 828 (ICI, 1969) beschreibt die kontinuierliche, stationäre
Reduktion von Nitrobenzol zu vorwiegend Nitrosobenzol, aber auch zu
Azoxy- und Azobenzol mit CO in der Gasphase, wobei Katalysatoren, die
zwei oder mehr der Schwermetalle Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ge,
Zr, Mo, Ag, Sn, Sb, La, Ce, Nd, Ta, W, Re, Au, Hg, Tl, Pb, Bi und
Th in Form ihrer Oxide, Hydroxide, Carbonate oder Phosphate enthalten.
Bevorzugte Schwermetallpaare sind Pb-Mn für die Herstellung von Nitroso
verbindungen, Co-Mn für die Herstellung von Nitrosoverbindungen oder
Azoxybenzolverbindungen und Cu-Ce für die Herstellung von Azoverbindun
gen.
Gemäß dieser Offenlegungsschrift wird mit Ag-Mn-O auf einem Keramik
träger (Bimsstein) und einem Eintrag aus Nitrobenzol und CO im Kondensat
Azobenzol und Nitrobenzol in einem Verhältnis von 3 : 7 erhalten.
Mit Co-Mn-O auf Bimsstein und einem Eintrag aus Nitrobenzol und CO
werden im Kondensat Azoxybenzol und Nitrobenzol in einem Verhältnis von
3 : 7 erhalten.
Mit Ce-Fe-O auf Bimsstein wurde bei einem Nitrobenzolumsatz von 20%
ein Gemisch aus Azoxybenzol und Azobenzol sowie nicht umgesetztem
Nitrobenzol gefunden.
Mit Ce-Cu-O auf Bimsstein mit unterschiedlichen Ce/Cu-Verhältnissen
wurden zwischen 55 und 72% Azobenzol und 6,5 bis 14% Azoxybenzol,
jeweils bezogen auf das eingebrachte Nitrobenzol, im Kondensat gefunden.
Bei der Verwendung von Ce-Bi-O wurde lediglich eine überaus niedrige
Aktivität mit nur 5 bis 10% Umsatz gefunden.
Bei der Verwendung von Fe-Cu-O auf Bimsstein wurden 56% Nitrobenzol
umsatz erreicht, wobei im Kondensat neben Azo- und Azoxybenzol etliche
weitere Produkte, wie z. B. Diphenylharnstoff, gefunden wurden.
Die Verwendung von Mn-Ni-Co-O auf Bimsstein ergab bei einem Umsatz
von annähernd 50% ein Gemisch aus Azo- und Azoxybenzol im Kondensat.
Mit Mn-Co-O, Mn-O, Fe-Mn-O, Ce-Fe-O, Ce-Mn-O Pb-Mn-O auf C und
Ag-Mn-O auf Bimsstein wurde dagegen Nitrosobenzol als Hauptprodukt
erhalten.
Mit Cu-Ce-O auf Bimsstein wurde in der Wirbelschicht bei 20% Nitroben
zolumsatz ein Gemisch aus Nitrosobenzol und Azobenzol erhalten. Die
Verwendung von Fe-Mn-O auf Bimsstein lieferte bei einem Nitrobenzol
umsatz von ungefähr 25% ein Gemisch aus Azo-, Azoxy- und Nitrosoben
zol.
Nachteilig an der obigen DE-OS 18 10 828 ist der unvollständige, insgesamt
sehr niedrige Nitrobenzolumsatz (gemäß den Beispielen 5 bis 56%) und die
dadurch bedingten schlechten Ausbeuten an Azo- und Azoxybenzol, die eine
aufwendige Stofftrennung und Nitrobenzol-Rückführung mit sich bringen.
Außerdem werden gemäß dieser DE-OS lediglich sehr geringe Katalysator
belastungen verwendet, die entsprechend geringe RZA (Raum-Zeit-Ausbeuten)
zur Folge haben (1 g Nitrobenzol/h bei 12 g Katalysator-Masse, was einer
WHSV (Weight Hourly Space Velocity - Raumgeschwindigkeit) von 0,08 h-1
entspricht). Ferner liegen die Aktivmetall-Komponenten in den verwendeten
Katalysatoren nur in geringem Ausmaß an der Oberfläche reduziert vor bzw.
wurden zum überwiegenden Teil überhaupt keiner Vorreduktion unterzogen.
Darüber hinaus wurde von der Anmelderin selbst in der DE 196 22 644.9
ein Verfahren zur heterogenkatalytisch reduktiven Kopplung von Nitrobenzol
zu Azobenzol und Azoxybenzol mittels eines Redoxkatalysators in seiner
reduzierten oder teilreduzierten Form bei erhöhter Temperatur in der
Gasphase beschrieben, das sowohl mit stationärer Reaktionsführung als auch
instationärer Reaktionsführung durchgeführt werden kann. Genauer gesagt
wurde dort ein Verfahren zur heterogenkatalytischen reduktiven Kopplung
von Nitrobenzol zu Azobenzol und Azoxybenzol mittels eines Redoxkatalysa
tors in seiner reduzierten oder teilreduzierten Form bei erhöhter Temperatur
in der Gasphase, wobei der Redoxkatalysator mindestens ein Aktivmetall
enthält, das ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Bi, V, Cr, Mn,
Fe, Co, Pb, Mo, Ce, U, Sn, Sb, Cu, La, W, Nb, Pd, Pt, Ni, In und
Gemischen aus zwei oder mehreren davon, und wobei Nitrobenzol zur
Deoxigenierung zusammen mit mindestens einem gasförmigen wasserstoff
freien Reduktionsmittel über den Redoxkatalysator geleitet wird, dadurch
gekennzeichnet, daß die durchschnittliche Oxidationsstufe des Aktivmetalls
des Redoxkatalysators vor der Einleitung von Nitrobenzol zusammen mit
dem Reduktionsmittel um mindestens 0,5 unter der bei den jeweiligen
Reaktionsbedingungen beständigen maximalen Oxidationsstufe des Aktivmetalls
liegt (stationäre Reaktionsführung) beschrieben.
Ferner betrifft diese Anmeldung ein Verfahren zur heterogenkatalytischen
reduktiven Kopplung von Nitrobenzol zu Azobenzol und Azoxybenzol mittels
eines Redoxkatalysators in seiner reduzierten oder teilreduzierten Form bei
erhöhter Temperatur in der Gasphase, wobei der Redoxkatalysator mindestens
ein Aktivmetall enthält, das ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus
Bi, V, Cr, Mn, Fe, Co, Pb, Mo, Ce, U, Sn, Sb, Cu, La, W, Nb, Pd,
Pt, Ni, In und Gemischen aus zwei oder mehreren davon, dadurch gekenn
zeichnet, daß die durchschnittliche Oxidationsstufe des Aktivmetalls des
Redoxkatalysators vor der Einleitung von Nitrobenzol um mindestens 0,5
unter der bei den jeweiligen Reaktionsbedingungen beständigen maximalen
Oxidationsstufe des Aktivmetalls liegt, und Nitrobenzol zur Deoxigenierung
in Abwesenheit von freiem, gasförmigem Reduktionsmittel über den Redox
katalysator geleitet wird und in einer solchen Menge mit dem Redoxkatalysa
tor in Kontakt gebracht wird, daß dieser nicht vollständig verbraucht wird
(instationäre Reaktionsführung).
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist nunmehr darin zu sehen, ein
gegenüber dem Verfahren gemäß der DE 196 22 644.9 nochmals verbes
sertes Verfahren zur heterogenkatalytischen reduktiven Kopplung von Nitro
benzol zu Azobenzol und Azoxybenzol bereitzustellen.
Dabei wurde überraschenderweise gefunden, daß die Durchführung des
Verfahrens gemäß der DE 196 22 644.9 in Gegenwart von Wasser zu
nochmals verbessertem Nitrobenzol-Umsatz bei gleichzeitig hoher Selektivität
für die Herstellung von Azobenzol und Azoxybenzol führt. Überraschender
weise wird bei dieser Umsetzung trotz Zugabe von Wasser als Protonen
donator im wesentlichen kein Anilin gebildet.
Die Ursache für diese weitere Verbesserung des Verfahrens ist nicht ab
schließend geklärt, es könnte jedoch sein, daß durch die Zugabe von Wasser
die Katalysatoroberfläche fortlaufend von den hochsiedenden Produkten
freigespült und damit wieder für die Nitrobenzol-Aktivierung verfügbar ist.
Es wurde nun gefunden, daß die gestellten Aufgaben bei stationärer Reak
tionsführung erfindungsgemäß gelöst werden können durch ein Verfahren zur
heterogenkatalytischen reduktiven Kopplung von Nitrobenzol zu Azobenzol
und Azoxybenzol mittels eines Redoxkatalysators in seiner reduzierten oder
teilreduzierten Form bei erhöhter Temperatur in der Gasphase, wobei der
Redoxkatalysator mindestens ein Aktivmetall enthält, das ausgewählt wird aus
der Gruppe bestehend aus Bi, V, Cr, Mn, Fe, Co, Pb, Mo, Ce, U, Sn,
Sb, Cu, La, W, Nb, Pd, Pt, Ni, In und Gemischen aus zwei oder mehre
ren davon, und die durchschnittliche Oxidationsstufe des Aktivmetalls des
Redoxkatalysators vor der Einleitung von Nitrobenzol zusammen mit dem
Reduktionsmittel um mindestens 0,5 unter der bei den jeweiligen Reaktions
bedingungen beständigen maximalen Oxidationsstufe des Aktivmetalls liegt,
dadurch gekennzeichnet, daß Nitrobenzol zur Deoxigenierung zusammen mit
Wasser und mindestens einem gasförmigen wasserstoff-freien Reduktionsmittel
über den Redoxkatalysator geleitet wird.
"Stationäre Reaktionsführung" bedeutet in diesem Zusammenhang, daß ein
Eintrag enthaltend Nitrobenzol, Wasser und mindestens ein gasförmiges,
wasserstoff-freies Reduktionsmittel, das vorzugsweise ausgewählt wird aus der
Gruppe bestehend aus Kohlenmonoxid, Stickstoffmonoxid sowie Schwefel
dioxid und Gemischen davon, weiter bevorzugt CO, über den Katalysator
geleitet wird.
Der Begriff "um mindestens 0,5 unter der bei den jeweiligen Reaktions
bedingungen beständigen maximalen Oxidationsstufe des Aktivmetalls" bedeu
tet hier, daß der durchschnittliche Reduktionsgrad, gemessen mittels z. B.
ESCA, TPR/TPO (temperaturprogrammierte Reduktion/temperaturprogrammier
te Oxidation) sowie naßchemischer Titration um mindestens 0,5, vorzugs
weise um mindestens 1 unter der bei den jeweiligen Reaktionsbedingungen
beständigen maximalen Oxidationsstufe des Aktivmetalls liegt. Für Bismut,
dessen höchste Oxidationsstufe +3 beträgt, bedeutet dies, daß dessen Oxida
tionsstufe bei der Verwendung als Aktivmetall-Komponente im erfindungs
gemäßen Verfahren mit stationärer Reaktionsführung vor dem Einbringen des
Nitrobenzol enthaltenden Eintrags bei maximal 2,5, vorzugsweise bei maxi
mal 2, liegt.
Dieser Reduktionsgrad ist deutlich geringer als der der Katalysatoren gemäß
der DE-OS 18 10 828 verwendeten Katalysatoren, was sich allein daraus
ableiten läßt, daß im erfindungsgemäßen Verfahren die Selektivität bezüglich
Azobenzol und Azoxybenzol deutlich höher ist als im Verfahren gemäß der
obigen Anmeldung.
Ferner wurde gefunden, daß die obige Aufgabe in noch vorteilhafterer Weise
gelöst werden kann, wenn zu instationärer Reaktionsführung übergegangen
wird, d. h. durch ein Verfahren zur heterogenkatalytischen reduktiven Kopp
lung von Nitrobenzol zu Azobenzol und Azoxybenzol mittels eines Redox
katalysators in seiner reduzierten oder teilreduzierten Form bei erhöhter
Temperatur in der Gasphase, wobei der Redoxkatalysator mindestens ein
Aktivmetall enthält, das ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Bi,
V, Cr, Mn, Fe, Co, Pb, Mo, Ce, U, Sn, Sb, Cu, La, W, Nb, Pd, Pt,
Ni, In und Gemischen aus zwei oder mehreren davon, und die durchschnitt
liche Oxidationsstufe des Aktivmetalls des Redoxkatalysators vor der Ein
leitung von Nitrobenzol um mindestens 0,5 unter der bei den jeweiligen
Reaktionsbedingungen beständigen maximalen Oxidationsstufe des Aktivmetalls
liegt, dadurch gekennzeichnet, daß Nitrobenzol zusammen mit Wasser zur
Deoxigenierung in Abwesenheit von freiem, gasförmigem Reduktionsmittel
über den Redoxkatalysator geleitet wird und in einer solchen Menge mit
dem Redoxkatalysator in Kontakt gebracht wird, daß dieser nicht vollständig
verbraucht wird.
Wie oben bereits angedeutet, bedeutet "Instationäre Reaktionsführung" im
vorliegenden Fall, daß die Reduktion von Nitrobenzol zusammen mit Wasser
in Abwesenheit von freien gasförmigen Reduktionsmitteln an Redoxkata
lysatoren, die eine Aktivmetall-Komponente in reduzierter oder teilreduzierter
Form enthalten, als regenerierbare Feststoffreduktantien, die als Sauerstoff
akzeptoren wirken, durchgeführt wird.
Vorzugsweise werden nach Beendigung der Reduktionsphase des Nitrobenzols
die verbrauchten, teilweise oxidierten Redoxkatalysatoren in einem zweiten,
räumlich oder zeitlich getrennten Schritt durch Reduktion mit einem freien
gasförmigen Reduktionsmittel, das vorzugsweise ausgewählt wird aus der
Gruppe bestehend aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen, wie
z. B. Methan, Ammoniak, Stickstoffmonoxid, Schwefeldioxid und Nitrobenzol,
sowie Gemischen davon, vorzugsweise Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Methan
oder Nitrobenzol, wieder reduziert.
Dieser Reduktionsschritt des Katalysators kann vom Verfahrensablauf her
entweder innerhalb des eigentlichen Verfahrens zur Reduktion des Nitro
benzols oder getrennt davon durchgeführt werden, vorzugsweise wird jedoch
der Cyclus "Oxidation des Katalysators infolge der Reduktion des Nitroben
zols" und "Reduktion des Katalysators durch freies gasförmiges Reduktions
mittel" nacheinander cyclisch wiederholt, so daß der Gesamtkreislauf kon
tinuierlich und geschlossen ist. Die vorreduzierten, aber regenerierbaren
Redoxkatalysatoren wirken als Sauerstoffakzeptoren, so daß der einleitende
Reaktionsschritt aus einer Deoxigenierung des Nitrobenzols zu reaktiven
Zwischenstufen besteht, die dann zu Azo- und Azoxybenzol weiterreagieren.
Wie oben dargelegt, dient bei der instationären Reaktionsführung der redu
zierte Redoxkatalysator sowohl als Katalysator als auch als Sauerstoffakzep
tor, wodurch er in eine höhere Oxidationsstufe übergeht und in einer zeitlich
oder räumlich getrennten Regenerierung wieder reduziert werden muß. Dem
gemäß werden in der Regel mindestens stöchiometrische Mengen des Redox
katalysators für die Reduktion benötigt.
Die instationäre Reaktionsführung als technisches Prinzip an sich ist Stand
der Technik und wurde für zahlreiche Oxidations- und Dehydrierreaktionen
beschrieben:
dabei wird die Oxidations-/Dehydrierreaktion in Abwesenheit von freiem, d. h. dem Eduktstrom kontinuierlich zugesetztem Oxidationsmittel, wie mole kularem Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasen, durchgeführt und statt dessen fungiert der aus wenigstens einem reduzierbaren geträgerten Metall oxid bestehende Redoxkatalysator als alleinige Sauerstoffquelle und über nimmt somit die Funktion eines Sauerstoffspeichers. Der oxidische Katalysa tor wird aufgrund der Abgabe von Gittersauerstoff während der Oxidation/ Dehydrierung reduziert und daher im Laufe der Reaktion verbraucht, so daß er in einem zweiten Schritt mit einem Oxidationsmittel, vorzugsweise sauer stoffhaltigen Gasen inklusive reinem Sauerstoff, wieder durch Reoxidation regeneriert werden muß. Dieses allgemeine Reaktionskonzept der Trennung der beiden Teilschritte von Oxidationsreaktionen unter Einsatz eines reduzier baren und regenerierbaren Katalysators als echtem Reaktionspartner ist lange bekannt und wurde z. B. schon für die Oxidation bzw. Ammonoxidation von Propylen zu Acrolein und Acrylsäure bzw. Acrylnitril beschrieben (GB 885 422, GB 999 629, K. Aykan, J. Catal. 12 (1968), S. 281-290), wobei Arsenat- und Molybdatkatalysatoren verwendet wurden.
dabei wird die Oxidations-/Dehydrierreaktion in Abwesenheit von freiem, d. h. dem Eduktstrom kontinuierlich zugesetztem Oxidationsmittel, wie mole kularem Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasen, durchgeführt und statt dessen fungiert der aus wenigstens einem reduzierbaren geträgerten Metall oxid bestehende Redoxkatalysator als alleinige Sauerstoffquelle und über nimmt somit die Funktion eines Sauerstoffspeichers. Der oxidische Katalysa tor wird aufgrund der Abgabe von Gittersauerstoff während der Oxidation/ Dehydrierung reduziert und daher im Laufe der Reaktion verbraucht, so daß er in einem zweiten Schritt mit einem Oxidationsmittel, vorzugsweise sauer stoffhaltigen Gasen inklusive reinem Sauerstoff, wieder durch Reoxidation regeneriert werden muß. Dieses allgemeine Reaktionskonzept der Trennung der beiden Teilschritte von Oxidationsreaktionen unter Einsatz eines reduzier baren und regenerierbaren Katalysators als echtem Reaktionspartner ist lange bekannt und wurde z. B. schon für die Oxidation bzw. Ammonoxidation von Propylen zu Acrolein und Acrylsäure bzw. Acrylnitril beschrieben (GB 885 422, GB 999 629, K. Aykan, J. Catal. 12 (1968), S. 281-290), wobei Arsenat- und Molybdatkatalysatoren verwendet wurden.
Weitere Oxidations-/Dehydrierungsverfahren mit instationärer Reaktionsführung
werden beispielsweise in den folgenden Schriften beschrieben: US 3,440,299,
DE 21 18 344, DE 17 93 499, US 3,118,007, GB 840 082, US
4,795,849, DE 35 86 769, US 4,568,789, EP 254 423 und GB 2 156 845.
All diese Verfahren mit instationärer Reaktionsführung betreffen ausnahmslos
Oxidations- oder Dehydrierungsreaktionen. Der Redoxkatalysator dient als
Sauerstoffspeicher.
Lediglich die Anmelderin selbst beansprucht in der P 44 43 360.3 die
instationäre reduktive Deoxigenierung von Phosphinoxiden zu Phosphinen
sowie von Nitrobenzol zu Anilin und in der eingangs erwähnten DE 196 22
644.9 die Deoxigenierung von Nitrobenzol zu Azobenzol und Azoxybenzol,
jedoch ohne Zusatz von Wasser.
Für die technische Realisierung des instationären Reaktionskonzepts gibt es
zwei Varianten, nämlich entweder a) die räumliche oder b) die zeitliche
Trennung der beiden Teilschritte.
Für die räumliche Trennung kommt beispielsweise ein Wanderbett oder eine
zirkulierende Wirbelschicht unter Verwendung eines Riser-Reaktors zur
Anwendung, so daß die Katalysatorteilchen aus der Deoxigenierzone, nach
Abtrennung der gebildeten Reaktionsprodukte, zu einem separaten Regenerie
rungsreaktor befördert werden, in dem die Reduktion des Katalysators durch
geführt wird. Der regenerierte Katalysator wird in die Deoxigenierzone
zurückgeführt.
In dieser bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren kontinuierlich und
cyclisch, da der Katalysator fortwährend im Kreis gefördert wird. Der
Katalysator ist dabei hohen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt und
muß daher über eine ausreichende Härte verfügen.
Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit instationärer
Reaktionsführung ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Darin bedeutet (1)
den Riser, (2) die Abtrennvorrichtung zur Abtrennung des reduzierten
Produkts (4) vom verbrauchten Katalysator und (3) den Regenerator, in dem
der verbrauchte Katalysator durch Beaufschlagung mit einem Reduktionsmittel
(5) wieder reduziert wird.
Das zu reduzierende Edukt (hier: Nitrobenzol) tritt über eine Eintrageinrich
tung (6) ein. Das Abgas verläßt durch die Öffnung (7) das System. Ein
Einlaß (8) ermöglicht gegebenenfalls die Zufuhr von Inertgas.
Eine zeitliche Trennung läßt sich beispielsweise in einem Katalysatorfestbett,
vorzugsweise einem Rohrreaktor, bei dem im wesentlichen keine Rückvermi
schung auftritt, so realisieren, daß durch Umschalten der Reaktor periodisch
mit der zu deoxigenierenden Verbindung und dem Regeneriergas beschickt
wird, wobei auch eine Zwischenspülung mit Inertgas erfolgen kann. Bei
Verwendung von mehreren Reaktoren erfolgt die Um- bzw. Weiterschaltung
in besonders einfacher Weise, so daß die Reduktion von Nitrobenzol und die
Regenerierung fortlaufend und parallel erfolgen können.
Diese Ausführungsform ist in Fig. 2 erläutert. Darin sind Festbettreaktoren,
ausgeführt als Rohrbündelreaktoren, dargestellt. Während im Reaktor (1) die
eigentliche Reduktionsreaktion abläuft und das Produkt erzeugt wird, findet
im Reaktor (2) die Regenerierung des verbrauchten Redoxkatalysators mit
einem gasförmigen freien Reduktionsmittel statt. (3) stellt einen Wärme
tauscher dar. Bei dieser Ausführungsform wird das zu reduzierende Nitro
benzol bei (4) zugeführt. Das Produkt, im vorliegenden Fall ein Gemisch
aus Azo- und Azoxybenzol, verläßt durch den Auslaß (5) den Reaktor. Im
Regenerierungsreaktor (2) tritt das Reduktionsmittel (Regeneriergas) durch
den Einlaß (6) ein und verläßt den Reaktor als Abgas durch den Auslaß
(7). (8) stellt eine Wärmekopplung dar.
Die instationäre Reaktionsführung, d. h. die Vermeidung einer Gleichgewichts
einstellung durch Aufrechterhalten eines Reaktionsgradienten - hier: des
Gradienten der Reduktionsaktivität des Redoxkatalysators unter Vermeidung
einer Rückvermischung - wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß eine Rohr-
(Propfen-)Strömung eingehalten wird und am Austritt der Reduktionszone
immer noch nicht verbrauchter, d. h. nicht oxidierter und somit immer noch
Reduktionsaktivität aufweisender Katalysator vorhanden ist.
Der beim erfindungsgemäßen Verfahren, sowohl bei stationärer als auch bei
instationärer Reaktionsführung, eingesetzte Redoxkatalysator enthält mindestens
eine zu einem Oxidationsstufenwechsel befähigte Aktivkomponente, vorzugs
weise ein reduzierbares Aktivmetalloxid, wobei das Aktivmetall ausgewählt
wird aus der Gruppe bestehend aus Bi, V, Cr, Mn, Fe, Co, Pb, Mo, Ce,
U, Sn, Sb, Cu, La, W, Nb, Pd, Pt, Ni, In sowie Gemischen aus zwei
oder mehreren davon.
Das reduzierbare Aktivmetalloxid kann entweder als reines Oxid bzw. Metall
als auch auf einem Träger aufgebracht eingesetzt werden.
Die Art des Trägers unterliegt im allgemeinen keinen Beschränkungen,
sofern er inert ist und die nötige mechanische Festigkeit aufweist. Vorzugs
weise wird er ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Tonen, PILC
(Pillard Clays - säulenförmige Tone), Zeolithen, Aluminiumphosphaten
(AlPO), SiC, Si₃N₄, Bn, C und/oder der Metalloxide ausgewählt aus der
Gruppe bestehend aus Oxiden der Metalle Ti, Zr, Zn, Th, Mg, Ca, Ba, Si,
Al oder Gemischen aus zwei oder mehreren davon, weiter bevorzugt aus
der Gruppe bestehend aus TiO₂, SiO₂, Al₂O₃, MgO, SiC, Si₃N₄, ZrO₂.
Die Trägerung vergrößert die Oberfläche und Dispersion der Aktivphase, so
daß hohe Katalysatorbelastungen möglich sind.
Der Redoxkatalysator kann noch weitere Promotoren, insbesondere Alkali-,
Erdalkali- und/oder Seltenerdmetalle enthalten. Insbesondere kann durch den
Zusatz von Na, K, Cs oder La die Basizität des Katalysators eingestellt
werden.
Vorzugsweise werden im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens geträ
gerte Katalysatoren verwendet, da diese den Vorteil einer hohen mechani
schen Stabilität gegenüber den fortwährenden Phasen- und Strukturumwand
lungen der Aktivkomponente besitzen. Die Aktivkomponentenbeladung ist
nicht besonders begrenzt, im allgemeinen liegt sie in einem Bereich von
ungefähr 1 bis ungefähr 95 Gew.- %, vorzugsweise im Bereich von ungefähr
5 bis ungefähr 50 Gew.- %, jeweils berechnet als Aktivmetalloxid und
bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators. Insbesondere bevorzugt
beträgt die Aktivmetalloxidbeladung ungefähr 10 bis ungefähr 30 Gew.- %.
Ein bevorzugtes Aktivmetall ist Bi, bevorzugte Träger sind TiO₂, SiO₂ und
ZrO₂.
Demnach wird das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise unter Ver
wendung eines Redoxkatalysators, der Bi als Aktivmetall enthält, durch
geführt. Weiter bevorzugt wird ein Bi-enthaltender Trägerkatalysator als
Redoxkatalysator verwendet, wobei der Träger ausgewählt wird aus der
Gruppe bestehend aus TiO₂, SiO₂, Al₂O₃, MgO, SiC und Si₃N₄.
Insbesondere bevorzugt wird ein Bi auf TiO₂ enthaltende Redoxkatalysator
eingesetzt, wobei der Gehalt an Bi, berechnet als Bi₂O₃, zwischen ungefähr
5 und ungefähr 50 Gew.- % liegt.
Da Bi basisch ist, ergibt sich nur eine geringe Verkokungsneigung und
Crackproduktbildung des Katalysators. Bei aciden Systemen wurde es da
gegen zu Einbußen durch Verkokung und Crackreaktion kommen.
Bi ist besonders geeignet, weil Bi-Oxide auch bei relativ niedrigen Tempera
turen um 300°C und bei relativ niedrigen Drücken um 1 × 10⁵ Pa leicht
mit H₂ oder mit CO zu beträchtlichen Mengen an elementarem Metall
reduziert werden können, also in einfacher Weise in den für die Durch
führung der erfindungsgemäßen Verfahren notwendigen reduzierten oder
teilreduzierten Zustand überführt werden können. Somit kann die Deoxigenie
rung und Regenerierung vorteilhafterweise annähernd isotherm betrieben
werden, was eine unabdingbare Voraussetzung für einen wirtschaftlichen
Betrieb sein dürfte.
Bei den erfindungsgemäßen Verfahren kann vorteilhafterweise eine Normal
druck-Vorreduktion des Katalysators mit einem freien gasförmigen Reduk
tionsmittel erfolgen, es besteht also keine Notwendigkeit einer aufwendigen
Druckfahrweise.
Da die erfindungsgemäßen Redoxkatalysatoren tief vorreduziert werden, d. h.
vor der Einleitung von Nitrobenzol zusammen mit Wasser weist das Aktiv
metall eine durchschnittliche Oxidationsstufe auf, die um mindestens 0,5
unter der bei den jeweiligen Reaktionsbedingungen beständigen maximalen
Oxidationsstufe des Aktivmetalls liegt, so daß z. B. bei den bevorzugten Bi-
haltigen Katalysatoren unter den hier vorliegenden Reaktionsbedingungen
beträchtliche Mengen an Bi in der Oxidationsstufe 0, d. h. als elementares,
hochdisperses Metall, vorliegen, sind die Nitrobenzol-Verluste durch Total
oxidation zu COx und H₂O vernachlässigbar, da das Oxidationspotential von
Redoxmetallen in ihrer (nahezu) niedrigsten Oxidationsstufe sehr gering ist.
Die Herstellung des Katalysators kann nach sämtlichen bekannten Verfahren
erfolgen, z. B. durch trockenes Mischen, Imprägnieren, Tränken, Fällung,
Cofällung, Sprühtrocknung, Sprühimprägnierung, Aufschlämmung, Eindamp
fen, Hicoaten. Als Katalysatorvorläufer eignen sich die Oxide, Hydroxide,
Carbonate, Nitrate, Komplexverbindungen mit anorganischen oder organischen
Chelatbildnern, Salze anorganischer und organischer Säuren und organometal
lische Verbindungen. Auch weitere Additive, wie z. B. Porenbildner, können
zugegeben werden. Diese Katalysatorvorläufer werden durch eine geeignete
Hitzebehandlung, meist zusammen mit der reduzierenden Aktivierung, in die
wirksame Katalysatorform überführt.
Es ist einleuchtend, daß eine Aktivität der Redoxkatalysatoren bezüglich der
Deoxigenierung nur dann vorhanden ist, wenn sich das Aktivmetall nicht in
seiner höchsten Oxidationsstufe befindet, sondern wenigstens teilreduziert, wie
oben definiert, vorliegt. Im Fall von Bi als Aktivmetall werden die während
der Deoxigenierung durch Sauerstoffaufnahme gebildeten Bi-Oxide mit H₂ bei
Temperaturen von 250 bis 500°C, vorzugsweise annähernd bis zum metall
ischen Bi, reduziert. In diesem Fall besteht die aktive Phase zu Reaktions
beginn aus feinverteiltem Bi-Metall, das vorzugsweise auf einem oberflächen
reichen Träger aufgebracht ist. Mit fortschreitender Reaktionsdauer während
der Deoxigenierung wird der Katalysator durch Sauerstoffaufnahme zuneh
mend oxidiert, verliert dadurch an Aktivität, und der Umsatz sinkt. Als
Folge dieses Deaktivierungsverhaltens durchläuft die Ausbeute an gewünsch
tem Produkt als Funktion der Versuchsdauer im allgemeinen ein flaches
Maximum oder ein Plateau und fällt dann monoton ab. In der Technik wird
man nicht bis zur vollständigen Deaktivierung des Katalysators warten,
sondern die Regenerierung schon vorher einleiten, wenn die Ausbeute oder
der Umsatz auf einen bestimmten Wert gefallen sind, vorzugsweise wenn die
Ausbeute um 10 bis 20% unter den Maximalwert gesunken ist, oder die
Selektivität abnimmt.
Der bei der jeweiligen Reaktionstemperatur thermodynamisch maximal mögli
che Oxidationsstufenwechsel des Aktivmetalls (z. B. Bi (0) ↔ Bi (III) oder
V (III) ↔ V (V) bei ungefähr 400°C bzw. 500°C) wird also nicht
vollständig durchlaufen, sondern die Umsetzung wird mit Katalysatornut
zungsgraden von < als 1 gefahren.
Der Katalysator wird im Festbett als stückiger Katalysator eingesetzt, z. B.
in Form von Strangpreßlingen, Ringen, Ringtabletten, Granulat oder Splitt,
Kugeln, Volltabletten oder Netzen mit Abmessungen zwischen ungefähr 0,5
bis ungefähr 20 mm.
Für die Verwendung des Katalysators in einem Wander- oder Wirbelbett
sind dagegen feine Teilchen hoher mechanischer Festigkeit im Größenbereich
von ungefähr 0,01 bis ungefähr 0,9 mm, vorzugsweise ungefähr 0,03 bis
ungefähr 0,5 mm, insbesondere ungefähr 0,05 bis ungefähr 0,5 mm, an
gezeigt.
Wesentlich und unverzichtbar für die vorliegende Erfindung ist der Wasser
zusatz zum Nitrobenzolfeed, wobei das Verhältnis der Volumenströme von
Nitrobenzol zu Wasser (im flüssigen Zustand) vorzugsweise im Bereich von
ungefähr 10 : 1 bis ungefähr 1 : 10, weiter bevorzugt bei ungefähr 1 : 1 bis
ungefähr 1 : 7, liegt.
Im Vergleich zu DE 196 22 644.9 wurde gefunden, daß der Wasserzusatz
nochmals eine Umsatzsteigerung und eine Selektivitätserhöhung zugunsten von
Azo-/Azoxybenzol bewirkt.
Die Deoxigenierung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bei Reak
tionstemperaturen von 50 bis 500°C, bevorzugt 100 bis 400°C, bei Ver
weilzeiten von ungefähr 0,01 bis 100 s, vorzugsweise ungefähr 0,1 bis
ungefähr 50 s, bei Drücken von ungefähr 10⁴ bis 10⁷ Pa, bevorzugt 5 ×
10⁴ bis 2 × 10⁶ Pa, und mit einer WHSV (Weight Hourly Space Velocity)
von 0,01 bis 20 (kg Nitrobenzol/kg Katalysator) · h-1, vorzugsweise 0,05
bis 10 (kg Nitrobenzol/kg Katalysator) · h-1 durchgeführt.
Neben dem zu deoxigenierenden Edukt können im Eintrag neben Wasser
noch Verdünnungsmittel wie beispielsweise CO₂, N₂, Edelgase oder auch das
wasserstofffreie Regeneriergas (Reduktionsmittel) oder Gemische davon
zugegen sein.
Die Regenerierung (Reduktion) des verbrauchten, gegebenenfalls nur partiell
oxidierten Katalysators wird bei Temperaturen im Bereich von 100 bis
1000°C, vorzugsweise 150 bis 700°C, weiter bevorzugt 150 bis 600°C, mit
einem freien gasförmigen Reduktionsmittel, vorzugsweise mit H₂, CO,
Kohlenwasserstoffen, NH₃, NO, SO₂ oder Nitrobenzol selbst ("Autoredox-
Modus") oder Gemischen aus zwei oder mehr davon und besonders bevor
zugt mit CO, H₂ und CH₄, durchgeführt. Auch hier können Verdünnungs
mittel im Reaktorzustrom enthalten sein. Die Regenerierung kann bei Unter
druck, Normaldruck oder Überdruck betrieben werden. Bevorzugt sind
Drücke im Bereich von ungefähr 100 mbar bis ungefähr 20 bar.
Auch reaktive Gasmischungen, die das eigentliche Reduktionsmittel erst im
Reaktor durch chemische Reaktion freisetzen, sind als Regeneriergase ge
eignet. So kann beispielsweise der Katalysator zusätzlich mit Cu dotiert
werden und als Regeneriergas CO/H₂O verwendet werden. Durch eine In-
situ-Konvertierungsreaktion (Wassergas-Shift-Reaktion) am Cu-Zentrum wird
dann Wasserstoff gebildet, der das Metalloxid reduzieren kann.
Anstelle des Nitrobenzols können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
auch kernsubstituierte Nitrobenzole eingesetzt werden, die bis zu fünf,
vorzugsweise bis zu drei weitere Substituenten aufweisen können, wobei als
Substituenten insbesondere ein Halogenatom, vorzugsweise Chlor, Fluor oder
Brom, eine Nitrilgruppe, eine Aminogruppe, eine Alkyl-, vorzugsweise eine
C1-8-Alkylgruppe, eine Cycloalkylgruppe, eine Alkenyl-, vorzugsweise eine
C1-8-Alkenylgruppe, eine Cycloalkenylgruppe, eine Alkoxy-, vorzugsweise
eine C1-6-Alkoxygruppe, ein gegebenenfalls substituierter Phenylrest, der
wiederum wie oben definiert substituiert sein kann, zu nennen sind. Darüber
hinaus können auch kondensierte aromatische Nitroverbindungen, wie z. B.
Nitronaphthaline und Nitroheterocyclen, eingesetzt werden.
Als im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt eingesetzte,
kernsubstituierte Nitrobenzole können genannt werden:
- - o-, m- und p-Nitrotoluol;
- - 1,2-Dimethyl-3-nitro-, 1,2-Dimethyl-4-nitro-, 1,3-Dimethyl-2-nitro-, 1,3- Dimethyl-4-nitro-, 1,3-Dimethyl-5-nitro- und 1,4-Dimethyl-2-nitrobenzol;
- - 2-, 3- und 4-Nitroanisol;
- - o-, m-, p-Nitroanilin, 2,4-, 2,6-Dinitroanilin;
- - 2-Methyl-3-nitroanilin, 2-Methyl-4-nitroanilin, 2-Methyl-5-nitroanilin, 2-Methyl-6-nitroanilin, 3-Methyl-2-nitroanilin, 3-Methyl-4-nitroanilin, 3-Methyl-5-nitroanilin, 3-Methyl-6-nitroanilin, 4-Methyl-2-nitroanilin und 4-Methyl-3-nitroanilin;
- - 1,2-, 1,3-, 1,4-Dinitrotoluol;
- - Nitronaphthaline, wie z. B. 1-, 2-Nitronaphthalin, und Dinitronaphthaline, wie z. B. 1,5- und 1,8-Dinitronaphthalin;
- - o-, p- und m-Dinitrobenzol, 2,4- und 3,5-Dinitrotoluol, 1,3-Dimethyl- 2,4-, 1,3-Dimethyl-2,5- und 1,3-Dimethyl-2,6-dinitrobenzol;
- - chlorierte Nitrobenzole, wie z. B. o-, m-, p-Chlornitrobenzol, 1,4-Di chlor-2-, 1,2-Dichlor-3-, 1,2-Dichlor-4-nitrobenzol, 1-Chlor-2,4-dinitro benzol, 2-Chlor-1,3-, 1-Chlor-2 ,4-dinitrobenzol und 2,4,5-Trichlor-1- nitrobenzol;
- - Chlornitrotoluole, wie z. B. 2-Chlor-4-, 4-Chlor-2-, 2-Chlor-6-, 3-Chlor- 4- und 4-Chlor-3-nitrotoluol; und
- - 3-Chlor-2-, 4-Chlor-2-, 5-Chlor-2-, 2-Chlor-6-, 2-Chlor-3-, 4-Chlor-3-, 3-Chlor-5-, 2-Chlor-5-, 2-Chlor-4- und 3-Chlor-4-nitroanilin.
Unter diesen werden insbesondere bevorzugt die Alkylnitrobenzole und
Toluidine (Methylnitroaniline) eingesetzt.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung auch den Redoxkatalysator, wie
oben definiert, selbst, wobei die im Rahmen der Beschreibung des Ver
fahrens als bevorzugt verwendbar eingestuften Katalysatoren ebenfalls bevor
zugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Katalysators darstellen.
Die im folgenden Beispiel angegebene Schnitthärte wurde wie folgt be
stimmt:
Die Messung der Schnitthärte erfolgte an einer Vorrichtung der Fa. Frank, Typ-Nr. 81557. Der Meßbereich lag zwischen 0 und 200 N. Die Prüf geschwindigkeit betrug 8 mm/min. Das Schnittmesser besaß eine Länge von 15 mm und eine Höhe von 10 mm. Vor jeder Meßreihe, die jeweils aus zwanzig Einzelmessungen bestand, wurde der Nullpunkt abgeglichen bzw. überprüft.
Die Messung der Schnitthärte erfolgte an einer Vorrichtung der Fa. Frank, Typ-Nr. 81557. Der Meßbereich lag zwischen 0 und 200 N. Die Prüf geschwindigkeit betrug 8 mm/min. Das Schnittmesser besaß eine Länge von 15 mm und eine Höhe von 10 mm. Vor jeder Meßreihe, die jeweils aus zwanzig Einzelmessungen bestand, wurde der Nullpunkt abgeglichen bzw. überprüft.
Zur eigentlichen Messung wurde auf den dafür vorgesehenen Teller (Mittel
punkt) jeweils ein Strang quer zum Messer eingelegt und die Schnitthärte
wie vom Hersteller angegeben bestimmt, wobei die Schnitthärte direkt in N
(Einheit N/Strang) am Gerät angezeigt wurde.
83,1 g basisches Bicarbonat Bi₂CO₅ und 225 g TiO₂-Pulver (Typ DT-51
von Rhône-Poulenc) wurden 1 h lang trocken gemischt und anschließend im
Kneter unter Zusatz von Wasser und Verstrangungshilfsmittel für 2,5 h
verdichtet. Die Knetmasse wurde im Extruder zu 3 mm-Vollsträngen ver
formt. Die Stränge wurden für 16 h bei einer Temperatur von 120°C
getrocknet und 2 h lang bei 550°C calciniert. Man erhielt beige-hellgelbe
Stränge. Es wurde ein Katalysator mit der formalen Zusammensetzung von
25 Gew.- % Bi₂O₃ und 75 Gew.- % TiO₂ erhalten.
BET-Oberfläche = 42,5 m²/g
Schnitthärte = 28 N/Strang
Schnitthärte = 28 N/Strang
Die Stränge wurden gesplittet und eine Splittfraktion von 0,5 bis 0,71 mm
ausgesiebt.
Anschließend wurden mit dem so hergestellten Katalysator Reaktorversuche
mit instationärer Reaktionsführung durchgeführt. Dazu wurden die Versuche
zur reduktiven Kopplung von Nitrobenzol in einem Wendel-Rohrreaktor mit
20 ml Katalysatorvolumen durchgeführt, der von außen durch ein flüssige
Salzschmelze temperiert wurde, so daß annähernd isotherme Bedingungen
vorlagen.
Vorgelegt wurde eine 0,5 bis 0,71 mm-Splittfraktion des Katalysators (Ein
waage 18,4 g).
Die Festbett-Katalysatorschüttung wurde zunächst mit H₂ für 1 h bei Reak
tionstemperatur vorreduziert und anschließend mit N₂-Gas gespült. Danach
wurde Nitrobenzol und Wasser, die zuvor in einem Verdampfer in die
Gasphase überführt und mit N₂-Trägergas verdünnt wurden, in Abwesenheit
von freiem Reduktionsmittel über die Schüttung geleitet. Durch den geregel
ten Gasfluß des N₂-Trägergases erfolgte die Einstellung der VWZ. Es folgte
eine weitere Spülphase mit N₂-Trägergas. Dieser Cyclus wurde ständig
wiederholt. Die Deoxigenierphase und die Regenerierphase wurden für jeden
Cyclus jeweils bei derselben Reaktortemperatur durchgeführt.
In einer Kühlfalle wurde der integrale kondensierbare Reaktoraustrag gesam
melt. Nach jedem Cyclus wurden das Katalysatorbett und die reaktoraus
gangsseitigen Leitungen mit Ethanol gespült, die Spüllösung mit dem Kühl
falleninhalt vereinigt und die so erhaltene Gesamtlösung mittels GC-MS
analysiert. Auf diese Weise wurden auch die noch auf dem Katalysator
haftenden Produkte und der in den Leitungen abgeschiedene Feststoffaustrag
analytisch miterfaßt.
Die Reaktorergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
Man sieht, daß bei sehr hohen Nitrobenzol-Umsätzen gute Ausbeuten an
Azobenzol und Azoxybenzol erhalten wurden und sich die Wasser-Zugabe
zum Nitrobenzolfeed damit günstig auf Aktivität und Selektivität auswirkt.
Der Katalysator wurde insgesamt über 48 Cyclen gefahren, ohne daß De
aktivierungserscheinungen zu beobachten waren.
Abkürzungen: NB = Nitrobenzol, AB = Azobenzol, AOB = Azoxybenzol,
NOB = Nitrosobenzol, VWZ = Verweilzeit.
GC-MS-Gesamtanalyse des integralen Reaktorflüssig- und -feststoffaustrags
der Katalysatorablagerungen pro Cyclus (durch Ausspülen der Leitungen und
Kühler und des Reaktors/Katalysatorbetts mit Ethanol nach jedem Cyclus und
Vereinigung der Lösung mit dem Flüssigaustrag), aber noch ohne Vergasung
und Verkokung.
Die in der Produktverteilung fehlenden Anteile bestehen überwiegend aus
verglichen mit den angegebenen Produkten höhersiedenden Komponenten.
Claims (11)
1. Verfahren zur heterogenkatalytischen reduktiven Kopplung von Nitro
benzol zu Azobenzol und Azoxybenzol mittels eines Redoxkatalysators
in seiner reduzierten oder teilreduzierten Form bei erhöhter Temperatur
in der Gasphase,
wobei
der Redoxkatalysator mindestens ein Aktivmetall enthält, das ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Bi, V, Cr, Mn, Fe, Co, Pb, Mo, Ce, U, Sn, Sb, Cu, La, W, Nb, Pd, Pt, Ni, In und Gemischen aus zwei oder mehreren davon, und
die durchschnittliche Oxidationsstufe des Aktivmetalls des Redoxkatalysa tors vor der Einleitung von Nitrobenzol zusammen mit dem Reduktions mittel um mindestens 0,5 unter der bei den jeweiligen Reaktionsbedin gungen beständigen maximalen Oxidationsstufe des Aktivmetalls liegt, dadurch gekennzeichnet, daß
Nitrobenzol zur Deoxigenierung zusammen mit Wasser und mindestens einem gasförmigen wasserstoff-freien Reduktionsmittel über den Redox katalysator geleitet wird.
wobei
der Redoxkatalysator mindestens ein Aktivmetall enthält, das ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Bi, V, Cr, Mn, Fe, Co, Pb, Mo, Ce, U, Sn, Sb, Cu, La, W, Nb, Pd, Pt, Ni, In und Gemischen aus zwei oder mehreren davon, und
die durchschnittliche Oxidationsstufe des Aktivmetalls des Redoxkatalysa tors vor der Einleitung von Nitrobenzol zusammen mit dem Reduktions mittel um mindestens 0,5 unter der bei den jeweiligen Reaktionsbedin gungen beständigen maximalen Oxidationsstufe des Aktivmetalls liegt, dadurch gekennzeichnet, daß
Nitrobenzol zur Deoxigenierung zusammen mit Wasser und mindestens einem gasförmigen wasserstoff-freien Reduktionsmittel über den Redox katalysator geleitet wird.
2. Verfahren zur heterogenkatalytischen reduktiven Kopplung von Nitroben
zol zu Azobenzol und Azoxybenzol mittels eines Redoxkatalysators in
seiner reduzierten oder teilreduzierten Form bei erhöhter Temperatur in
der Gasphase,
wobei
der Redoxkatalysator mindestens ein Aktivmetall enthält, das ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Bi, V, Cr, Mn, Fe, Co, Pb, Mo, Ce, U, Sn, Sb, Cu, La, W, Nb, Pd, Pt, Ni, In und Gemischen aus zwei oder mehreren davon, und
die durchschnittliche Oxidationsstufe des Aktivmetalls des Redoxkatalysa tors vor der Einleitung von Nitrobenzol um mindestens 0,5 unter der bei den jeweiligen Reaktionsbedingungen beständigen maximalen Oxida tionsstufe des Aktivmetalls liegt, dadurch gekennzeichnet, daß
Nitrobenzol zusammen mit Wasser zur Deoxigenierung in Abwesenheit von freiem, gasförmigem Reduktionsmittel über den Redoxkatalysator geleitet wird und in einer solchen Menge mit dem Redoxkatalysator in Kontakt gebracht wird, daß dieser nicht vollständig verbraucht wird.
wobei
der Redoxkatalysator mindestens ein Aktivmetall enthält, das ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Bi, V, Cr, Mn, Fe, Co, Pb, Mo, Ce, U, Sn, Sb, Cu, La, W, Nb, Pd, Pt, Ni, In und Gemischen aus zwei oder mehreren davon, und
die durchschnittliche Oxidationsstufe des Aktivmetalls des Redoxkatalysa tors vor der Einleitung von Nitrobenzol um mindestens 0,5 unter der bei den jeweiligen Reaktionsbedingungen beständigen maximalen Oxida tionsstufe des Aktivmetalls liegt, dadurch gekennzeichnet, daß
Nitrobenzol zusammen mit Wasser zur Deoxigenierung in Abwesenheit von freiem, gasförmigem Reduktionsmittel über den Redoxkatalysator geleitet wird und in einer solchen Menge mit dem Redoxkatalysator in Kontakt gebracht wird, daß dieser nicht vollständig verbraucht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das
Verhältnis der Volumenströme (im flüssigen Zustand) von Nitrobenzol
zu Wasser 10 : 1 bis 1 : 10 beträgt.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß kernsubstituierte Nitrobenzole zu den entsprechenden
kernsubstituierten Azobenzolen und Azoxybenzolen umgesetzt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Deoxigenierung kontinuierlich im Wechsel mit einer reduktiven
Regenerierung des Redoxkatalysators durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wechsel
zwischen Deoxigenierung und reduktiver Regenerierung des Redoxkataly
sators dadurch erfolgt, daß ein Katalysatorfestbett verwendet wird, das
periodisch mit Nitrobenzol und dem Regeneriergas beschickt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wechsel
zwischen Deoxigenierung und reduktiver Regenerierung des Redoxkataly
sators dadurch erfolgt, daß bewegliche Katalysatorteilchen unter Ver
wendung eines Wanderbettes oder einer zirkulierenden Wirbelschicht
abwechselnd in einen Deoxigenierreaktor und einen davon getrennten
Regenerierreaktor eingebracht werden.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß der verbrauchte Redoxkatalysator durch In-Kontakt-Bringen
mit mindestens einem gasförmigen Reduktionsmittel, das ausgewählt
wird aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Koh
lenwasserstoffen, Ammoniak, Stickstoffmonoxid, Schwefeldioxid und
Nitrobenzol sowie Gemischen aus zwei oder mehreren davon, bei
erhöhter Temperatur regeneriert wird.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Redoxkatalysator im wesentlichen Bi als Aktivmetall
enthält.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Redoxkatalysator einen Träger und darauf aufgebracht,
mindestens eine Aktivmetall-Komponente, wie in Anspruch 1 oder 2
definiert, umfaßt, wobei der Träger ausgewählt wird aus der Gruppe
bestehend aus Tonen, PILC (Pillared Clay - säulenförmige Tone),
Zeolithen, AlPO₄, SiC, Si₃N₄, BN, C und Metalloxiden, die wiederum
ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus Oxiden der Metalle
Ti, Zr, Zn, Th, Mg, Ca, Ba, Si und Al, sowie Gemischen aus zwei
oder mehreren davon.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger
ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus TiO₂, SiO₂, Al₂O₃,
MgO, SiC, Si₃N₄, ZrO₂.
Priority Applications (8)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1996133552 DE19633552A1 (de) | 1996-08-20 | 1996-08-20 | Reduktive Kopplung von Nitrobenzol oder kernsubstituierten Nitrobenzolen zu den entsprechenden Azobenzolen und Azoxybenzolen mit Redoxkatalysatoren in Gegenwart von Wasser |
DE59705933T DE59705933D1 (de) | 1996-06-05 | 1997-06-04 | Reduktive Kopplung von Nitrobenzol oder kernsubstituierten Nitrobenzolen zu den entsprechenden Azobenzolen und Azoxybenzolen mit Redoxkatalysatoren |
EP97109057A EP0811606B1 (de) | 1996-06-05 | 1997-06-04 | Reduktive Kopplung von Nitrobenzol oder kernsubstituierten Nitrobenzolen zu den entsprechenden Azobenzolen und Azoxybenzolen mit Redoxkatalysatoren |
TW086107745A TW382012B (en) | 1996-06-05 | 1997-06-05 | Reductive coupling of nitrobenzene or nitrobenzenes substituted on the nucleus to give the corresponding azobenzenes and azoxybenzenes by means of redox catalysts |
KR1019970023224A KR19980018126A (ko) | 1996-06-05 | 1997-06-05 | 산화환원 촉매에 의한 니트로벤젠 또는 핵 상에 치환된 니트로벤젠의 대응 아조벤젠 및 아족시벤젠으로의 환원성 커플링 방법 |
CN97114994A CN1174831A (zh) | 1996-06-05 | 1997-06-05 | 使用氧化还原催化剂使硝基苯或环上取代的硝基苯还原性偶合制备相应的偶氮苯和氧化偶氮苯的方法 |
US08/869,760 US5917023A (en) | 1996-06-05 | 1997-06-05 | Reductive coupling of nitrobenzene or nitrobenzenes substituted on the nucleus to give the corresponding azobenzenes and azoxybenzenes by means of redox catalysts |
JP9147682A JPH1081658A (ja) | 1996-06-05 | 1997-06-05 | ニトロベンゼンの還元性カップリング法及びレドックス触媒 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1996133552 DE19633552A1 (de) | 1996-08-20 | 1996-08-20 | Reduktive Kopplung von Nitrobenzol oder kernsubstituierten Nitrobenzolen zu den entsprechenden Azobenzolen und Azoxybenzolen mit Redoxkatalysatoren in Gegenwart von Wasser |
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DE1996133552 Withdrawn DE19633552A1 (de) | 1996-06-05 | 1996-08-20 | Reduktive Kopplung von Nitrobenzol oder kernsubstituierten Nitrobenzolen zu den entsprechenden Azobenzolen und Azoxybenzolen mit Redoxkatalysatoren in Gegenwart von Wasser |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8130 | Withdrawal |