DE2126534A1 - Verfahren zur Herstellung alpha, beta-ungesättigter Carbonsäuren - Google Patents
Verfahren zur Herstellung alpha, beta-ungesättigter CarbonsäurenInfo
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Description
DEUTSCHE GOLD- UND SILBERSCHEIDEANStALT VORMALS ROESSLER FRANKFURT/MAIN, VEISSFRAUENSTRAGSE 9
Verfahren zur Herstellung α, ß-ungesättigter Carbonsäuren
Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die katalytische Gasphasenoxydation von Alkenen mit Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen
Gasen zu den entsprechenden cc, ß-ungesättigten Carbonsäuren und insbesondere die katalytische Gasphasenoxydation
von Propen zu Acrylsäure.
Zur Überführung von Alkenen in α, ß-ungesättigte Carbonsäuren
durch katalytische Gasphasenoxydation mit Sauerstoff und sauerstoffhaltigen Gasen sind zahlreiche Verfahren beschrieben.
Bei einer Reihe davon wird zunächst in einer 1. Reaktionsstufe über einem geeigneten Kontakt das Alken ·
überwiegend in den entsprechenden α, ß-ungesättigten Aldehyd überführt ι also z.B. Propen in Acrolein. Tn einem zweiten
Reaktor wird dann in Gegenwart eines zweiten, für diese Reaktionsstufe geeigneten Kontaktes der α, ß-ungesättigte Aldehyd
ebenfalls durch Gasphasenoxydation mit Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasen in die a, ß-ungesättigte Carbonsäure
überführt, also z.B. Acrolein in Acrylsäure. Die Nachteile eines solchen Verfahrens sind offensichtlich. Zwei
Reaktoren sind zu betreiben, zu regeln und mit den geeigneten Reaktionsgemischen zu beaufschlagen. Gegebenenfalls ist dor
in der ersten Reaktionsstufe gebildete α, ß-ungesättigte
Aldehyd vor Einführung in die zweite Stufe zu isolieren und von geringen Mengen der in der ersten 'Reaktionsstufe bereits
als Nebenprodukt gebildeten cc, ß-ungesättigten Carbonsäure
abzutrennen.
2 0 9 3 51/12 2 0
Günstiger sind dagegen Verfahren, bei denen die Überführung des Alkeiis in die α, ß-ungesättigte Carbonsäure bereits in
einer einzigen Reaktionsstufe, also unter Verwendung nur
eines katalysatorbeschickten Reaktors erfolgt.. Unter den schon bekannten einstufigen Verfahren und Katalysatoren
sind allerdings nur wenige, die technisch verwertbar erscheinen,
d.h. bei kurzen Verweilzeiten Alkene mit hohen Umsätzen und hohen Ausbeuten in die entsprechenden α, ß-un^·
gesättigten 03^οη3αμΓβη überführen. So wird in der englischen
Patentschrift 1 Ο38 6k3 ein Katalysatorsystem beschrieben,
das zwar Propen mit guten Einsatzbeuten in Acrylsäure überführt, aber nur mit Raumzeitausbeuten, die für eine
technische Anwendung zu niedrig liegen. Nach einem in der
holländischen Offenlegungsschrift 6 806 577 offenbarten Verfahren
werden etwas bessere Raumzeitausbeuten erhalten, aber. die Acrylsäureeinsatzausbeuten sind unbefriedigend. Schließlich
wird in der holländischen Offenlegungsschrift 6 913 173
ein Verfahren angegeben, das gute Acrylsäureeinsatzausbeuten und -raumzeitausbeuten bei der katalytischen Gasphasenoxydation
von Propen liefert, indem das Reaktionsgemisch durch einen Reaktor geleitet wird, der zwei Katalysatorschxchten
enthält. Der Katalysator der ersten Schicht mit der Zusammensetzung
Ago_lf5 FeOf1_12 Bi^ ^12 P^5 Mo12 O30-110 überführt
das eingespeiste Propen überwiegend in Acrolei-n, das in der
darauf folgenden zweiten Schicht mit der Zusammensetzung Coo,5-i,5Moi Τθο-1 Vi Ve über-
wiegend in Acrylsäure überführt wird. Allerdings werden diese guten Ergebnisse nur erhalten, wenn das Reaktionsgemisch im
Kreislauf geführt wird, wobei das bei einmaligem Durchgangnicht umgesetzte Propen und Acrolein vor Rückführung in den
Reaktor von gebildeter Acrylsäure abgetrennt werden.
3 BAD
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Es wurde nun ein verbessertes Verfahren zur Herstellung
α, ß-ungesättigter Carbonsäuren durch katalystische Gasphasenoxydation
von Alkenen mit Sauerstoff oder sauerstoffhalt igen Gasen gefunden, das dadurch gekennzeichnet
ist, dass man Alkene mit Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen
Gasen, zueckraässigerweise in Gegenwart von Wasserdampf
an einem Katalysatormischbett, bestehend aus einem Gemisch und/oder Verbindungen von Oxiden der Elemente Antimon,
Molybdän, Vanadin, Wolfram und evtl. einem oder mehreren Oxiden der Elemente Blei, Silber, Kupfer, Zinn, Titan,
Wismut und/oder sauerstoffhaltigen Verbindungen dieser Elemente enthaltenden ersten Katalysator und einen Gemische
und/oder Verbindungen von Oxiden der Elemente Nickel, Kobalt, Eisen, Wismut, Phosphor, Molybdän und gegebenenfalls
Samarium und/oder sauerstoffhaltige Verbindungen dieser
Elemente enthaltenden zweiten Katalysator umsetzt, wobei* beide Katalysatoren gegebenenfalls Trägermaterialien enthalten
können.
Der erste Katalysator enthält Antimon, Molybdän, Vanadin, Wolfram und gegebenenfalls als zusätzliche Komponente
mindestens eines der Elemente Blei, Silber, Kupfer, Zinn, Titan und Wismut im atomaren Verhältnis 1 - 60 : 12 : 0,5 25
: 0,1 - 12 : 0 - 12 und wird, wie in den deutschen Anmeldungen
P 20 09 172 und P 20 50 I55 beschrieben, hergestellt.
Er ist ein.selektiver Kontakt zur Überführung von
•Acrolein in Acrylsäure. Der zweite Katalysator ist durch die Zusammensetzung
Ni0-20 Co0-15 Fe0,1-7 Bi0,1-4 P0,1-2 Mo 12 °35-85 + °"5
charakterisiert und wird, wie in den deutschen Anmeldungen
P 17 92 '(2·Ί.2 und P 20 k<) 5II3 Λ beschrieben, hergestellt.
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Er katalysiert die Oxydation von Propylen zu überwiegend
Acrolein mit guter Selektivität.
Die Katalysatoren können als solche oder, was bevorzugt wird, auf einem Trägermaterial aufgebracht oder mit einem Trägermaterial
vermischt, verwendet werden. Als Trägermaterial kommen beispielsweise Aluminiumoxid, Siliciumdioxid und andere
gebräuchliche Träger in Frage. Vorteilhafterweise enthalten
die Katalysatoren ein Trägergemisch aus einem oder mehreren. Bestandteilen mit einer kleinen spezifischen Oberfläche (0,5-
30 m /g) und einem oder mehreren Bestandteilen mit einer grossen Oberfläche (5O-5OO m /g). Als Trägermaterial besonders
geeignet haben sich hochdisperses Siliciumdioxid oder Kieselgur, vorzugsweise Gemische aus hochdispersem Siliciumdioxid
und Kieselgur und/oder Montmorillonit erwiesen.
Den Montmorillonit kann man vorteilhafterweise vor dem Vermischen
mit Siliciumdioxid auf 900 - 12000C erhitzen. Des
weiteren kann man den Montmorillonit vor diesem Erhitzen mit Säure, insbesondere Salzsäure, Salpetersäure, Phosphorsäure
oder Schwefelsäure vorbehandeln.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass man die Aktivität und Selektivität beider
Kontakte nicht nur durch die Wahl der geeigneten Zusammensetzung, sondern auch durch die Wahl geeigneter Korn- bzw.
Tablettengrössen aufeinander abstimmt. Gegebenenfalls können unterschiedliche Korn- bzw. Tablottengrössen für beide Katalysatoren
gewählt werden. Hierbei können sich die Korngrösse bzw. die Tablettendurchmesser und -höhe zwischen 2 und 8 mm
bewegen. Eine weitere Möglichkeit für die Abstimmung der Aktivität und Selektivität beider Katalysatoren besteht in
der ¥ahl des geeigneten Volumenverliältnisses beider Kontakte
im Katalysatoronmischbett zueinander. Dieses Verhältnis kann in den Grenzen 8 zu 2 und 2 zu 8 variieren.
— 5 —
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Das erfindungsgemäße Verfahren'unterscheidet sich vorteilhaft
von den bestehenden Verfahren dadurch, dass es nicht nur gute Ausbeuten gibt, sondern auch hohe Durchsätze und
somit gute Raumzeitausbeuten ermöglicht. Überraschenderweise sind die gewählten Kontakte in ihrem Reaktionsverhalten
im Mischbett sehr gut aufeinander abgestimmt.. Dies war nicht zu erwarten, da der Kontakt mit der aktiven Zusammensetzung
NiO-2O CO0-15 Fe0,1-7 Bi0,1-4 P0,1-2 M°12
Sm2
zur Überführung von Alkenen in α, ß-ungesättigte Aldehyde andere Reaktionsbedingungen (insbesondere höhere Temperaturen)
erfordert als der zweite Kontakt mit der aktiven Komponente
Sb1-60 MO12 VO,5-25 ¥0,1-12M0-12 °x '
wobei M = ein oder mehrere der Elemente Blei, Silber, Kupfer, Zinn, Titan, Wismut ist, zur Überführung α, β-ungesättigter
Aldehyde in oc, ß-ungesättige Carbonsäuren benötigt. Der Umsatz
an dem erfindungsgemäß verwendeten Katalysatormischbett ist so vollständig, daß ein hoher Propenumsatz erzielt wird und im
Reaktionsgemische nur wenig nicht umgesetztes Acrolein verbleibt.
Somit werden gute Acrylsäureeinsatzausbeuten und -raumzeitausbeuten
erhalten, wodurch sich eine Kreislaufführung des Reaktionsgemisches
erübrigt.
Die Oxydation von Alkenen zu g, ß-ungosättigten Carbonsäuron
unter Verwendung des erfindungsgemässeu Verfahrens erfolgt in
üblicher Weise durch Sauerstoff bei Anwesenheit von Wasser
in der Dampfphase, Für die Wahl der Umsotzungsbedingungen ist
ein breiter Spielraum gegeben. Die Umsetzung wird vornehmlich
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ohne Anwendung von Druck oder unter geringem Überdruck bis zu ca. 3 at und bei Temporatviren zwischen 280 und 400°C,
vorzugsweise zwischen 300 und 38O0C durchgeführt. Der Sauerstoff
für die Oxydation kann aus beliebigen Quellen stammen. Im allgemeinen wird Luft verwendet. Die Mengenverhältnisse
zwischen Alken, Luft und Wasser können in weiten Grenzen schwanken. Als molare Verhältnisse zwischen Alken und Luft
kommen 1 zu 8 bis 1 zu 20, vorzugsweise 1 zu 8 bis 1 zu 15»
als molare Verhältnisse zwischen Alken und Wasser 1 zu 1 bis 1 zu 25, vorzugsweise 1 zu 2 bis 1 zu 8 in Frage.
In den nachfolgenden Beispielen werden als Begriffe verwendet
Einspeisung __ eingesetztes Propen
an Propen "~ Katalysatorschüttvolumen . Zeit
TT *. Molo umgesetztes Propen . nr.
Umsatz ' · 10O
Mole eingesetztes Propen
Einsatz- Mole erzeugtes Produkt inn
ausbeute Mole eingesetztes Propen
[Moll l.hj
H H
Raumzeit- erzeugtes Produkt Γ
•HU
ausbeute Katalysatorscliüttvolumeii . Zeit J ]
1 Α) Herstellung des Kontaktes I mit der Zusammensetzung
0 Co0 Fe1 Bi1 P1 Mo12 -Oxid + 1 Gev.# Sm2 0
Es werden unter Rühren zusammengebracht: Eine wässrige Lösung von 2908 g Ni (N0„)2 . 6 HO,
87,3 g Co(NO3J2 . 6 H2O und 4o*l· g Fe(NO3J3 . 9 H2O;
eine salpetersaure Lösung von 29,6 g Sm_0 ;
968 g fointeiliger Montmorillon.it, 5 Stunden In ng bei
10200C vorbehandelt, in Gemisch mit 520 g Siliciumdioxid.
(z.B. das als Handolsprodukt erhältliche Aerosil 200^);
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eine wässrige Lösung von 2118 g (NH. )^ Mo O , . h HO und
11.51 ^ S 85?oige Phosphorsäure und
eine salpetersaure Lösung von 485 S Bi(NO„)„ . 5 H„0.
Die entstandene Aufschlämmung wird auf einem Walzentrockner
zum Trocknen gebracht. Die Trockensubstanz wird unter Luftzutritt 2 Stunden lang auf 25O0C erhitzt, während dieser
Zeit ständig in Bewegung gehalten. Das Produkt wird abgekühlt, vermählen und zu Tabletten von 5 nun Durchmesser und
5 mm Höhe verpresst. Die Tabletten werden unter Luftzutritt 20 Minuten lang auf 65O0C erhitzt.
1 B) Herstellung des Kontaktes II mit der Zusammensetzung Sb6 Mo12 V3 W1>2-Oxid
2262 g Ammoniumheptamolybdat (NH^)g Mo7O2^ . k H3O
werden unterhalb 5O0C in 14,5 1 Wasser gelöst. In diese
Lösung werden unter Rühren 93k g Antimon-(ill)-Oxid (Sb 0„),
92h g hochdisperses Siliciumdioxidpulver (z.B. das als
Handelsprodukt erhältliche Aerosil 20σ~) , 1477 g zuvor
durch 5 Stunden langes Erhitzen auf 1 000°C vorbehandelter,
feinverteilter Montmorillonit, 3jk,5 g Ammoniummonovanadat
(NH.VO_), gelöst in 11 1 heissem Wasser, und 32^,5 g
Ammmoniumdodecawolframat (NHk)10W10Ok , aufgeschlämmt in
900 ml Wasser, eingetragen. Die Mischung wird mit Salpetersäure
auf pH 3 und durch Zusatz von H2O auf ein Volumen
von k2 1 gebracht und 2 Stunden unter Rühren auf 60°C erhitzt. Anschließend wird die Mischung auf den Walzentrockner
weitgehend von Wasser befreit, 2 Stunden an dor
Luft auf 2000C erhitzt, abgekühlt und nach Zusatz von
3 Gew.-/o Graphitpulver zu Tabletten von 5 nun Durchmesser
und 5 nun Höhe verpresst. Die Presslinge werden anschließend im Drehrohrofen boi kk^°C an der Luft erhitzt (Verweilzwit
im Drehrohrofen ca. 5 Minuten). Der Katalysator mithält
ul55o Antimon, Molybdän, Vanadin und Wolfram im molaren Vor-
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hältnis 6 : 12 : 3 ! 1»2 und eine Mischung von Aerosil und
Montmorillonit als Trägermaterial.
1 C) Katalysator I und Katalysator - II werden im Verhältnis
der Schüttvolumina' 1 : 1 vermischt und 75 nil dieses Katalysatorgemisches
ih einen Festbettreaktor aus Edelstahl von 20 mm Innendurchmesser und 4i0 mm Länge gefüllt, der mit
einem Salzbad auf 32O°C erhitzt wird. Über die Katalysatorfüllung wird bei dieser Temperatur ein Gasgemisch von Propen^
Luf und Wasserdampf im molaren Verhältnis 1:8:2 geleitet. Die Propeneinspeisung beträgt 2,44 Mol/l.h. Es wird ein
Propenumsatz von 75 /° und eine Acrylsäureeinsatzbeute von
f 41 $ erzielt. Ausserdem entstehen 1,8 $ Acrolein.
Es wird wie in Beispiel 1 verfahren, jedoch wird das Salzbad auf 3^0°C erhitzt und ein Gasgemisch von Propen, Luft
und Wasserdampf im molaren Verhältnis 1 : 10 : 2 über die Katalysatorfüllung geleitet. Die Propeneinspeisung beträgt
Ztkk Mol/l.h. Es wird ein Propenumsatz von 83 %t eine
Acrylsäureeinsatzausbeute von h$ $>
und eine Acroleineinsatz-, ausbeute von 0,8 $ erzielt. Die Acrylsäureraumzeitausbeute
beträgt 79 g/l.h.
' Beispiel 3;
Es wird wie in Beispiel 2 verfahren, jedoch wird der
Katalysator I in Form von Tabletten mit h mm Durchmesser
und h mm Höhe verwendet und d,±e Temperatur des Snlzbades
auf 341°C eingestellt. Der Propenumsatz beträgt 86 fo.
Eine Acrylsäureeinsatzausbeute von ^5 /o und eine Raumzeitausbeute
von 79 g Acrylsäuro/l.h. werden erzielt. Ausserdem
entstehen 3,1 $ Acrolein.
0R|G|NAL
Beispiel 4;
Es wird wie in Beispiel 2 verfahren, jedoch wird der
Katalysator I auf eine Korngröße von 2 - 3» 15 nun zerkleinert und die Temperatur des Salzbades auf 320°C
eingestellt. Der Propenuinsatz beträgt 81 'fo. Eine Acrylsäureeinsatzausbeute von 50 9° und eine Raumzeitausbeute von 88 g Acrylsäure/l.h. werden erzielt. Außerdem werden 1,9 $> Acrolein gebildet.
eingestellt. Der Propenuinsatz beträgt 81 'fo. Eine Acrylsäureeinsatzausbeute von 50 9° und eine Raumzeitausbeute von 88 g Acrylsäure/l.h. werden erzielt. Außerdem werden 1,9 $> Acrolein gebildet.
Es wird wie in Beispiel 2, verfahren, jedoch xtfird der
Katalysator I auf eine Korngröße von 2 - 3»15 mm zerkleinert, die Katalysatoren I und II im Verhältnis
der Schüttvolumina 7 J 3 vermischt und die Temperatur des Salzbades auf 320°C eingestellt. Der Propenumsatz beträgt 90 #.
Katalysator I auf eine Korngröße von 2 - 3»15 mm zerkleinert, die Katalysatoren I und II im Verhältnis
der Schüttvolumina 7 J 3 vermischt und die Temperatur des Salzbades auf 320°C eingestellt. Der Propenumsatz beträgt 90 #.
Eine Acrylsäureeinsatzausbeute von 59 $ und eine Raumzeitausbeute
von 104 g Acrylsäure/l.h werden erzielt.
Außerdem werden 7>2 $ Acrolein gebildet.
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Claims (1)
- PATENTANSPRÜCHEVerfahren zur Herstellung cc, ß-ungesättigter Carbonsäuren durch katalytisch^ Gasphasenoxydation von Alkenen mit Sauerstoff oder säuerstoffhaltigen Gasen, dadurch gekennzeichnet, dass man Alkene mit Säuerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasen, zveckmässigerweis.e in Gegenwart von Wasserdampf an einem Katalysatormischbett bestehend aus einem Gemisch und/oder Verbindungen von Oxiden der Elemente Antimon, Molybdän, Vanadin, Wolfram und gegebenenfalls einem oder mehreren Oxiden der Elemente Blei, Silber, Kupfer, Zinn, Titan, Wismut und/oder sauerstoffhaltigen Verbindungen dieser Elemente enthaltenden ersten Katalysator und einem Gemische und/oder Verbindungen von Oxiden der Elemente Nickel, .Kobalt, Eisen, Wismut, Phosphor, Molybdän und gegebenenfalls Samarium und/oder sauerstoffhaltige Verbindungen dieser Elemente enthaltenden zweiten Katalysator umsetzt, wobei beide Katalysatoren gegebenenfalls Trägermaterialien enthalten können.2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Komponente des ersten Kontaktes durch die empirische ZusammensetzungSb!-60 M°12 V5-25 ¥0,1-12 M0-12 °x.charakterisiert wird, wobei M = gegebenenfalls mindestens eines der Elemente Blei, Silber, Kupfer, Zinn, Titan, Wismut ist. v3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Komponente dos zweiten Kontaktes durch dio empirische Zusammensetzung- 11-209851/122ÜNi0-20 CoO-15 Fe0,1-7 Bi0,1-4 Po,1-2 M°12 °35-85 +.0-5 Gew.-$ Sm2O^charakterisiert wird.k. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Korn- bzw. Tablettengrössen zwischen . beiden Kontakten unterschiedlich sind, wobei Korngrösse bzw.- Tablettendurchmesser und -höhe zwischen 2 bis 8 mm liegen.5· Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumenverhältnis beider Kontakte im Katalysatormischbett zwischen 8 zu 2 und 2 zu 8 liegt.6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 51 dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionstemperatur zwischen 280 und 400°C, vorzugsweise zwischen 300 und 38O0C liegt.7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das molare Verhältnis Alken zu Luft 1 zu 8 bis 1 zu 20, vorzugsweise 1 zu 8 bis 1 zu 15, und das molare Verhältnis Alken zu Wasser 1 zu 1 bis 1 zu 25, vorzugsweise 1 zu 2 bis 1 zu 8, beträgt.8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7i dadurch gekennzeichnet, dass man die Umsetzung ohne Anwendung von Druck oder unter geringem Überdruck bis zu ca. 3 at durchfühx't.21.Mai 1971
Dr.Kr.-ba
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