DE2129423B2 - Verfahren zur Herstellung von Acrylamid - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von AcrylamidInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Acrylamid durch Anlagerung von Wasser an
Acrylnitril in flüssiger Phase in Gegenwart eines durch Reduktion erhaltenen kupferhaltigen Katalysators.
Die Hydrolyse von Nitrilen in Gegenwart von Wasser mit einem heterogenen Katalysator unter Bildung der
entsprechenden Amide ist bekannt In der US-PS 66 639 ist die Umwandlung eines Nitrils zu dem
entsprechenden Amid mit Hilfe eines Mangandioxid-Katalysators beschrieben. Nach Watanabe (Bull. Chem.
Soc. Japan, 32 (1959) 1280; 37 (1964) 1325 und 39 (1966) 8) kann man als Katalysatoren zur Umwandlung von
Benzonitril in Benzamid Kupferchlorid/Zink, Nickelchlorid/Zink, stabilisiertes Nickel, Zinkoxid, Kupfer-Chromoxid
sowie Mischungen aus Kupferoxid und Nickeloxid verwenden.
Aus der US-PS 33 81 034 ist die Herstellung von Acrylamid durch Hydrolyse von Acrylnitril in Gegenwart
von Kupferionen bekannt, wobei diese Kupferionen zumindestens teilweise in Wasser löslich sind und in
Form von Kupfer mit kombiniertem Wertigkeitszu- b5 stand vorliegen.
In der älteren DE-PS 20 36 126 wird ein Verfahren zur Herstellung von Acrylamid oder Methacrylamid
vorgeschlagen, bei dem als Katalysator Raney-Kupfer eingesetzt Ivird. Die ältere DE-PS 20 01 903 schlägt
ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung von Amiden in flüssiger Phase in Gegenwart von kupferhaltigen
Katalysatoren vor, welche Katalysatoren durch Reduktion von Kupferoxid oder Kupferoxid und Chromoxid
oder Kupferoxid und Molybdänoxid oder Mischungen daraus gebildet worden ist
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren der eingangs genannten Art
anzugeben, das einen hohen Umsetzungsgrad, eine hohe Ausbeute an dem gewünschten Acrylamid und eine
lange Lebensdauer des Katalysators ermöglicht
Es wurde nun gefunden, daß man diese Aufgabe dadurch lösen kann, daß man die Umsetzung in
Gegenwart eines Katalysators durchführt, der durch Reduktion eines Gemisches aus Kupferoxid und
bestimmten anderen Metalloxiden gebildet worden ist
Die obengenannte Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs.
Gegenstand der Erfindung ist daher das Verfahren gemäß Patentanspruch 1. Die Unteransprüche betreffen
besonders bevorzugte Ausführungsformen dieses erfindungsgemäßen Verfahrens.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Katalysator verwendet, der durch Reduktion eines
Gemisches aus Kupferoxid und einem oder mehreren der anderen genannten Metalloxide gebildet worden ist,
wobei diese Gemische aus Kupferoxid und Metalloxiden im folgenden als Kupfer-Metalloxide bezeichnet
werden. Hierunter soll Kupferoxid in Kombination mit mindestens einem Metalloxid verstanden werden, wobei
beliebige Mengenverhältnisse vorliegen können, solange nur mindestens etwa 0,5% jeder Komponente
vorhanden sind.
Die Basiskomponente aller Gemische, die unter Bildung der erfmdungsgemäß eingesetzten Katalysatoren
reduziert werden, ist Kupferoxid. Diese Komponente des Gemisches kann aus Kupfer(II)-oxid, Kupfer(I)-oxid
bzw. Mischungen daraus bestehen. Dabei enthält das Gemisch vor der Reduktion mehr als 10 Gew.-%
Kupferoxid. Träger-Katalysatoren, welche proportional geringere Mengen Kupferoxid (bezogen auf das
Gesamtgewicht des Katalysators) enthalten, sind ebenfalls bevorzugt Als Beispiel für geeignete Träger
dieser Katalysatoren seien Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Silicagel, Holzkohle, Magnesiumoxid, Chromoxid,
Eisenoxid und Tone genannt.
Die für die Herstellung der erfindungsgemäß eingesetzten Katalysatoren verwendeten Metalloxide
sind die Oxide von Si, W, Hg, La, Zr, Al, Pb, Mg, Fe, Mn,
Co, Ni, Zn und Y oder Mischungen aus mehreren Oxiden dieser Metalle. Die Oxide dieser Elemente sind
bekannt und im Handel erhältlich oder können als Mischungen mit Kupferoxid nach einer der unten
beschriebenen Methoden erhalten werden. Von diesen Metalloxiden sind bevorzugt die Oxide des La, Al, Mg,
Si, Co, Ni, Zn und Mischungen davon, weil man mit ihnen beim absatzweise geführten Verfahren hohe
Ausbeuten und Umsetzungsgrade erhält
Die erfindungsgemäß eingesetzten Katalysatoren erhält man dadurch, daß man unlösliche Salze des
Kupfers und des Metalls derart niederschlägt, daß bei der Zersetzung des erhaltenen Produkts das gewünschte
Oxidgemisch erhalten wird. Letzteres wird dann reduziert. Man kann aber auch die Zersetzung und
Reduktion dieser Produkte, insbesondere der Carbonate und Oxalate, gleichzeitig durchführen. So kann man
beispielsweise lösliche Nitrate, wie Kupfernitrat und
Zinknitrat, zusammen mit Natrium- oder Ammoniumcarbonat niederschlagen, so daß Kupfer-Zinkcarbonat
entsteht, welches bei der Zersetzung das entsprechende
Kupfer-Zinkoxid-Gemisch ergibt, das nach der Reduktion als Katalysator eingesetzt wird. Die zu reduzierenden
Mischungen können auch dadurch erhalten werden, daß man die Oxide der verschiedenen Elemente
vermischt und vermahlt oder sie nach einer anderen bekannten Methode zusammengibt.
Die gleichzeitige Ausfällung des Kupfersalzes mit dem entsprechenden Metallsalz ist eine besonders
bevorzugte Methode zur Gewinnung der zu reduzierenden Oxidmischungen. Nach der Reduktion erhält man
aus diesen Oxidmischungen Katalysatoren, welche eine erhöhte Lebensdauer und eine hohe Aktivität besitzen,
wodurch sie für die technische Gewinnung von Acrylamid besonders gut geeignet sind.
Bei der Reduktion des Oxidgemisches hängt das Ausmaß der Reduktion und der Oxidationsgrad, auf den
das Oxidgemisch reduziert wird, von den Wechselbeziehungen zwischen Temperatur, Reaktionszeit, Art und
Menge des Reduktionsmittels ab. Das Kupferoxid wird bei der Wasserstoff-Aktivierung mindestens teilweise
reduziert, während die besonders bevorzugten Metalloxide unter diesen Bedingungen praktisch unbeeinflußt
bleiben. Bei der Reduktion des Kupferoxids arbeitet man bei Temperaturen von 500C bis 500" C und
vorzugsweise von 1000C bis 3000Q Die Reaktionszeit
und die Menge des Reduktionsmittels können innerhalb w weiter Grenzen variiert werden. Wenn ein höheres MaB
der Reduktion erwünscht ist, werden längere Reduktionszeiten, stärkere Reduktionsmittel und/oder größere
Reduktionsmittelmengen angewandt
Zwar ist die Reduktion des Oxidgemischs mit Wasserstoff bevorzugt, jedoch kann man zur Herstellung
des Katalysators auch andere Reduktionsmittel verwenden. So kann man den Katalysator beispielsweise
dadurch reduzieren, daß man die Oxide mit Ammoniak, Hydrazin, Kohlenstoff, Kohlenmonoxid,
einem niederen Alkan bzw. Alkanol oder einem anderen Reduktionsmittel in Kontakt bringt
Das Ausmaß der Reduktion des Oxidgemischs kann innerhalb der durch den Anspruchswortlaut gegebenen
Grenzen schwanken und hängt im wesentlichen von der Menge des reduzierbaren Oxids im Oxidgemisch ab. Die
Reduktion mit Wasserstoff kann dadurch überwacht werden, daß man die von dem Oxidgemisch aufgenommene
Wasserstoffmenge mißt, oder indem man die bei der Reduktion gebildete Menge Wasser bzw. den
Gewichtsverlust des Oxidgemischs bestimmt Bei der Aktivierung muß mindestens eine ausreichende Reduktion
des Oxidgemisches stattrinden, so daß die Aktivität des Katalysators bei der Umwandlung von Acrylnitril zu
Acrylamid wesentlich gesteigert wird. Erfindungsgemäß wird ein Katalysator eingesetzt, bei dem mehr als 40
Gew.-% des in dem anfänglichen Gemisch enthaltenen Kupferoxids zu metallischem Kupfer reduziert worden
ist. Besonders bevorzugt verwendet man einen Katalysator, dessen Herstellung unter Verwendung einer b0
solchen Reduktionsmittelmenge durchgeführt worden ist, daß 75% bis 98% des Kupferoxids in das Metall
umgewandelt worden sind, da hierdurch eine besonders günstige Wirkung auf die Aktivität und die Lebensdauer
des erhaltenen Katalysators erreicht wird. Auch bei einer vollständigen Reduktion des Kupferoxids ergibt
sich noch ein geeigneter Katalysator. Oxidmischungen, die mehr als ein reduzierbares Oxid enthalten, erfordern
natürlich die Anwendung einer größeren Reduktionsmittelmenge, um eine Reduktion des gewünschten
Ausmaßes zu erreichen. Die obigen Grenzwerte geben zwar die Menge des Reduktionsmittels an, welches mit
einem speziellen Katalysator reagiert; jedoch ist der Reduktionsmechanismus und der endgültige Oxidationszustand
der Katalysatorkomponenten nicht völlig aufgeklärt, so daß diese Prozentzahlen nicht so
verstanden werden dürfen, daß man einen gewissen Prozentsatz metallischen Kupfers benötigt
Bei der erfindungsgemäßen Umwandlung von Acrylnitril
zu Acrylamid kann der Katalysator sowohl im Rahmen eines absatzweise geführten als auch eines
kontinuierlich geführten Verfahrens eingesetzt werden. In jedem Fall werden Acrylnitril und Wasser unter
geeigneten Reaktionsbedingungen mit dem Katalysator in Kontakt gebracht, wonach das Acrylamid isoliert
wird. Da die Katalysatoren praktisch unlösliche, heterogene Substanzen darstellen, wird eine kontinuierliche
Durchflußreaktion bevorzugt
Bei der kontinuierlichen Durchflußreaktion gibt man den festen Katalysator in eine Reaktionskammer, die
einen Einlaß für die Reaktionskomponenten und einen Auslaß für die Produkte aufweist Die Reaktionskammer
wird auf der gewünschten Reaktionstemperatur gehalten und man steuert die Durchflußgeschwindigkeit
der Reaktionskomponenten derart, daß der gewünschte Kontakt mit dem Katalysator bewirkt wird. Die
Reaktionskomponenten werden flüssig über den festen Katalysator geleitet Das Reaktionsprodukt welches
aus dem Katalysator austritt, kann als solches verwendet oder in üblicher Weise gereinigt werden.
Das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren angewandte Mengenverhältnis von Acrylnitril zu Wasser in
dem Reaktionsgemisch kann innerhalb weiter Grenzen schwanken. Wichtiger als das Acrylnitril/Wasser-Verhältnis
ist das Ausmaß der Reaktion zwischen Nitril und Wasser. Dabei ist ein guter Kontakt erwünscht, um die
größte Wirksamkeit der Reaktion zu gewährleisten. Der erforderliche Kontakt kann dadurch erreicht werden,
daß man das Acrylnitril in Wasser löst oder Wasser in Acrylnitril löst Außerhalb des Löslichkeksbereiches des
einen der Reaktionsteilnehmer in dem anderen kann man den Kontakt der Komponenten erhöhen, indem
man das Reaktionsgemisch rührt, ein geeignetes Lösungsmittel zusetzt oder ähnliche Maßnahmen
ergreift Als bevorzugtes Lösungsmittel verwendet man überschüssiges Wasser. Man kann jedoch auch andere
inerte Lösungsmittel verwenden, wie Dioxan, Dimethylsulfoxid, Aceton, Äthylenglykoldimethyläther oder
Tetrahydrofuran.
Die Reaktionstemperatur kann innerhalb weiter Grenzen schwanken, wobei die Reaktion im allgemeinen
bei einer Temperatur im Bereich von 00C bis 4000C
durchgeführt wird. Bei Temperaturen unterhalb dieses Bereiches ist die Reaktion unpraktisch langsam,
während bei Temperaturen darüber bei der Reaktion eine steigende Menge an unerwünschten Nebenprodukten
gebildet wird. Bevorzugt sind Temperaturen von 25° C bis 200° C.
Die übrigen Reaktionsbedingungen und Verfahrensmaßnahmen bei der Verwendung von heterogenen
Katalysatoren sind bekannt und für die vorliegende Erfindung nicht kritisch. Der wichtigste Aspekt des
erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Verwendung eines Kupferkatalysators, der im wesentlichen aus
einem reduzierten Gemisch aus Kupferoxid in Kombination mit einem widerstandsfähigen Oxid besteht Bei
Anwendung dieser Katalysatoren erhält man ausgezeichnete Ausbeuten an Acrylamid und man erreicht
eine lange Lebensdauer des Katalysators.
Die folgenden Beispiele dienen der »eiteren Erläuterung
des Verfahrens der Erfindung.
Man stellt 1 Liter Kieselsäure-Lösung her, indem man 300 cm3 eines 16%igen Kieselsäure-Sols mit Wasser
verdünnt Diese Lösung gibt man gleichzeitig mit einer ι ο Lösung aus 115,4 g Cu(No3J2 - 3 H2O in 1 Liter Wasser
sowie einer dritten Lösung von 50 g (NH4J2CO3 in
1 Liter Wasser in ein Becherglas. Während der Zugabe wird der Inhalt des Becherglases kontinuierlich gerührt
wobei ein Niederschlag ausfällt Dieser Niederschlag wird abfiltriert, bei 85° C getrocknet und bei 2800C zu
dem gemischten Oxid zersetzt 7,3 g dieses zersetzten Oxids gibt man in einen Ofen und erhitzt langsam in
einem 640 ml/min Strom von 20% Wasserstoff und 80% Stickstoff auf 175°C Man läßt den Wasserstoff-Strom
4 Stunden bei 175° C weiterfließen. Nun gibt man in eine
Glasampulle 1 g des reduzierten Katalysators zusammen mit 5 g einer 7%igen wäßrigen Acrylnitril-Lösung.
Die Ampulle wird versiegelt 1 Stunde auf 8O0C erhitzt
und dann abgekühlt; man entnimmt einen aliquoten Teil für die Analyse durch Gas-Flüssig-Chromatographie.
Auf diese Weise erhält man eine Umwandlung von 78% und eine Ausbeute an Acrylamid von 96%, bezogen auf
das umgewandelte Acrylnitril
In gleicher Weise wie in Beispiel 1 beschrieben, verwendet man ein 4,3%iges Wolframsäure-Sol zur
Herstellung eines reduzierten Kupfer-Wolframoxid-Katalysators; das Wolframsäure-Sol erhält man, indem
man eine Ammonium wolf ramat-Lösung über ein stark saures Kationen-Austauscherharz in der Wasserstoff-Form
leitet. Bei der Hydrolyse analog Beispiel 1 erhält man eine Umwandlung des Acrylnitril von 17% und die
Ausbeute an Acrylamid, bezogen auf umgewandeltes Acrylnitril beträgt 66%.
In parallelen Versuchen werden 0,85 Mol Cu(NO3J2 ■ 3 H2O und 0,15MoI eines Salzes der
allgemeinen Formel Mx+(NO3Jx in 2 Liter Wasser
gelöst. Eine stöchiometrische Menge Ammoniumcarbonat, die zur Ausfällung der zwei Salze erforderlich ist,
wird in 2 Liter Wasser gelöst, worauf man die zwei Lösungen in üblicher Geschwindigkeit unter Rühren in r>
<> ein Gefäß gibt. Man rührt nach Beendigung der Zugabe noch etwa '/2 Stunde weiter. Die erhaltenen Niederschläge
werden abfiltriert, getrocknet und bei 2800C zu den entsprechenden Kupfer-Metalloxiden zersetzt Nun
wird ein kleiner Teil des Oxidgemisches in einem Wasserstoff-Strom (20% Wasserstoff und 80% Stickstoff)
4 Stunden bei 175°C reduziert. Man bringt 1 g des reduzierten Katalysators mit 5 ml einer 7%igen
wäßrigen Acrylnitril-Lösung eine Stunde in einer Glasampulle bei 8O0C in Kontakt. Nun wird ein bo
aliquoter Teil des Reaktionsproduktes entnommen und analysiert, um die Umwandlung des Acrylnitril und die
Ausbeute des Acrylamide (bezogen auf das umgewandelte Acrylnitril) zu bestimmen. Die Resultate dieser
Versuche sind in der Tabelle I zusammengestellt. b5
Umwandlung von Acrylnitril in Acrylamid unter Verwendung eines Kupfer-Katalysators, der durch Reduktion
von Kupfer-Metalloxid mit Wasserstoff erhalten wurde.
25
JO
J5
Beispiel | Mx+ | Umwandlung | Acrylamid- |
des Acrylnitril | Ausbeute | ||
3 | Hg2+ | 30.2 | 72.4 |
4 | La3+ | 57.6 | 83.6 |
5 | Zr4+ | 42.7 | 80.0 |
6 | Al3+ | 88.8 | 94.0 |
7 | Pb2+ | 24.1 | 46.1 |
8 | Mg2+ | 52.9 | 88.6 |
9 | Fe3+ | 40.2 | 80.5 |
10 | Mn2+ | 49.0 | 95.0 |
11 | Co2+ | 45.6 | 91.4 |
12 | Ni2+ | 49.2 | 90.3 |
!3 | Zn2+ | 71.6 | 92.7 |
14 | Y2+ | 10.8 | 42.0 |
Beispiel 15 |
Ein Kupferoxid-Zinkoxid-Katalysator der Zusammensetzung 85/15 Mol-% wird in einem Becherglas mit
einer Lösung reduziert welche 3,95 g NaBH4 in 200 ml entionisiertem Wasser enthält. Die Reaktion wird bei
Zimmertemperatur durchgeführt und das Rühren wird während 90 min fortgesetzt. Dann werden weitere
2,48 g NaBH4 zugesetzt und die Lösung über Nacht absetzen gelassen. Der reduzierte Katalysator wird
lOmal mit je 40 ml Wasser gewaschen. Dann wird der
gewaschene Katalysator unter Stickstoff bei 75° C getrocknet
1 g des so erhaltenen reduzierten Katalysators wird zusammen mit 5 g einer Lösung, welche 0,001357 Mol
Acrylnitril pro g Lösung enthält in eine Glasampulle eingebracht. Die Ampulle wird zugeschmolzen und
1 Stunde unter Rühren auf 88°C erhitzt. Bei zwei Ansätzen wird im Mittel eine Umwandlung des
Acrylnitrils von 89,0% bei einer Acrylamidausbeute von 100% erzielt.
Beispiel 16
Ein Kupfer-Aluminiumoxid-Katalysator der nominellen Zusammensetzung 85/15 Mol-% wird in einem
Becherglas unter Rühren mit einer Lösung reduziert, welche 1,01g 64%iges Hydrazin in 200 ml Wasser
enthält. Nach einstündigem Rühren werden weiteres 64%iges Hydrazin (1 g) zugesetzt und die Mischung
über Nacht stehengelassen. Die gesamte Reduktion wird bei Zimmertemperatur durchgeführt. Der reduzierte
Katalysator wird lOmal mit je 400 ml Wasser gewaschen und unter Stickstoff bei 75° C getrocknet.
1 g des reduzierten Katalysators wird, wie in Beispiel 15 beschrieben, auf seine Aktivität untersucht
und gaschromatographisch analysiert. Im Durchschnitt
von zwei Ansätzen betragen die Acrylnitrilumwandlung 27,9% und die Acrylamidausbeute 24,7%.
Claims (4)
1. Verfahren zur Herstellung von Acrylamid durch Anlagerung von Wasser an Acrylnitril in flüssiger
Phase in Gegenwart eines durch Reduktion erhaltenen kupferhaltigen Katalysators, dadurch gekennzeichnet,
daß man die Umsetzung in Gegenwart eines Katalysators durchführt, der durch
Reduktion eines Gemisches aus Kupferoxid und einem Oxid von Si, W, Hg, La, Zr, Al, Pb, Mg, Fe, Mn,
Co, Ni, Zn und Y oder einer Mischung mehrerer dieser Metalloxide bei einer Temperatur von 50 bis
500° C erhalten worden ist, wobei das Gemisch vor der Reduktion mehr als 10 Gew.-% Kupferoxid,
bezogen auf das Gesamtgewicht des Gemisches, enthalten hatte und mehr als 40 Gew.-% dieses
Kupferoxids zu metallischem Kupfer reduziert worden ist
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß man die Umsetzung in Gegenwart eines Katalysators durchführt, der durch Reduktion
eines Gemisches, das ein Metalloxid enthält, welches in Gegenwart von Wasserstoff bei Temperaturen
von etwa 5000C praktisch nicht reduziert wird,
erhalten worden ist
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung in
Gegenwart eines Katalysators durchführt, der durch Reduktion bei 100 bis 300° C erhalten worden ist
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung in
Gegenwart eines Katalysators durchführt, dessen Kupferoxidanteil zu 75 bis 98% in metallisches
Kupfer umgewandelt worden ist.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) |