DE2420960C2 - Verfahren zur Oxydation von Di- oder Trimethylbenzolen mit molekularem Sauerstoff - Google Patents
Verfahren zur Oxydation von Di- oder Trimethylbenzolen mit molekularem SauerstoffInfo
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Description
Erfindungsgemäß erhöht die Zugabe von Ionen des Nicht-Übergangsmetalls Zirkon zu der Oxydations-
H katalyse, die durch die Kombination schweres Übergangsmetall-Bromion, die mindestens Manganionen enthält,
hervorgerufen wird, in einzigartiger Weise die katalytische Aktivität dieser Kombination zur Umwandlung von
Methylgruppen auf Benzolkernen zu Carbonsäuregruppen um einen Faktor, der viel größer ist, als durch die
Zugabe einer äquivalenten Menge solcher katalytisch hochaktiver schwerer Übergangsmetalle, wie Kobalt oder
Mangan. Diese größere katalytische Aktivität wird durch ein länger beibehaltenes anfängliches Ausmaß des
Sauerstoffverbrauchs dokumentiert.
Die Möglichkeit zur Verwendung der Flüssig-Phasen- ansteile der Dampfphasenoxydation für die Herstellung
von Benzolcarbonsäuren wurde durch die Lehre der US-PS 22 45 528 erstmals angezeigt, wobei die Katalyse
durch Übergangsmetalle oder Metalle mit variierbaren Wertigkeiten, insbesondere Kobalt, in einer flüssigen
Phase aus einer gesättigten niederen aliphatischen Säure bei Temperaturen von 100 bis 320° C und bei Drücken,
2< um die flüssige Phase der aliphatischen Säure aufrechtzuerhalten, bewirkt wird. Gemäß dieser Patentschrift
wurde eine solche Katalyse in vorteilhafter Weise durch die Verwendung eines Ketons, wie Methyläthylketon,
oder eines Aldehyds, wie Acetaldehyd, unterstützt bzw. beschleunigt. Leider war eine solche Aldehyd- oder
Keton-beschleunigte Katalyse von Metallen mit variabler Wertigkeit nur für die Umwandlung von Mono-, Di-
und Trimethylbenzolen in ihre entsprechenden Benzolmonocarbonsäuren, nämlich Benzoesäure, Toluylsäure
}" und Dimethy!benzoesäure, brauchbar. Zwei getrennte spätere und gewissermaßen parallele Modifizierungen der
Aldehyd- oder Keton-beschleunigten Kobaltkatalyse in flüssiger Essigsäurephase bei niedrigerer Temperatur (80
bis 1000C) ermöglichten die wirtschaftlich tragbare Umwandlung von Xylolen zu Phthalsäuren, insbesondere
von p-XyloI zu Terephthalsäure, jedoch nur unter Verwendung recht hoher Kobaltkonzentrationen und - bezogen
auf das p-Xylol - molarer Mengen des Acetaldehyd- oder Methyläthylketon-Beschleunigers, die zu Essig-
3S säure oxydiert wurden.
Die Nachteile der Verwendung hoher Kobaltkonzentrationen, beschleunigt durch große Aldehyd- oder Keton-Mengen,
wurden überwunden, und gleichzeitig wurde eine größere Auswahl an Oxydationskatalysatoren aus
Metallen mit variierbarer Wertigkeit bereitgestellt, und eine größere Auswahl alkylsubstituierter Benzole als
Ausgangsmaterialien für die Benzoldi-, -tri- und höheren Carbonsäuren wurde geschaffen auf Grund der
Entdeckung des einzigartigen beschleunigsnden Effekts des Bromions auf die genannten Metalls mit varrierbarer
Wertigkeit, welches per se bereitgestellt oder in situ gebildet wird, in An- oder Abwesenheit eines sauren
Reaktionsmediums, das durch C,- bis Cs-Monocarbonsäuren bereitgestellt wird, die keine Wasserstoffatome auf
ein tertiäres Kohlenstoffatom aufweisen, wie Benzoesäure und die gesättigten aliphatischen Monocarbonsäuren,
vorzugsweise Essigsäure. Eine solche Katalyse durch Brom-Metall mit variabler Wertigkeit, die erstmals in der
4<i US-PS 28 33 816 beschrieben wurde, ergab unter Flüssigphasen-Bedingungen innerhalb des Temperaturbereiches
von 120 bis 275 ebenfalls eine wesentlich höhere Oxidationsgeschwindigkeit (ζ. Β. Reaktionszeit von 2 Stunden
oder weniger für die Umwandlung von Xylolen zu Phthalsäuren in großen Ausbeuten) der Alkylseitenketten auf
dem Benzolring zu Kern-substituierten Carbonsäuregruppen, und es war auch nicht auf eine solche oxidative
Umwandlung von Methylseitenketten beschränkt, sondern konnte auch auf viel längere Seitenketten angewandt
werden. Ferner war der einzigartige Effekt des Bromions nicht auf Kobalt als Metall mit varrierbarer Wertigkeit
beschränkt, sondern dieser Effekt war im allgemeinen auf mehrwertige Metalle mit Atomgewichten im Bereich
zwischen 50 und 200 anwendbar. Dieser einzigartige Effekt des Broms war am ausgeprägtesten, wenn es in
Kombination mit Kobalt, Mangan, Cer (die Metalle mit dem bekannten höchsten Oxydationspotential) und mit
Kombinationen von zwei oder mehreren dieser mehrwertigen Metalle verwendet wurde. Für die wirtschaftliche
Anwendung wurden Kombinationen von Kobalt und Mangan mit einer Bromquelle bevorzugt. Aus der genannten
Patentschrift geht jedoch auch hervor, daß Brom einen gewissen einzigartigen Effekt auf Metalle ausübt,
von denen angenommen wird, daß sie nicht-varllerbare Wertigkeiten aufweisen. Zum Beispiel bewirkte der
Einsatz der Brom-Wismut-Katalyse die selektive Oxydation des Isopropyl-Substituenten von p-Methyllsopropylbenzol
unter Ausschluß der Oxydation des Methyl-Substituenten, um p-Toluylsäure zu ergeben.
Die Brom-mehrwertige Metall-Katalyse im Lösungsmittel Essigsäure wurde zur Herstellung von Terephthalsäure
aus p-Xylol in vielen Ländern über mehr als 14 Jahre wirtschaftlich eingesetzt und wurde derart entwlkkclt,
daß man Innerhalb Reaktionszeiten von 40 bis 60 Minuten ein rohes Terephthalsäureprodukt mit einer
Reinheit von 99,5 bis 99,6 Gew.-96 In Ausbeuten von 94 bis 96% d. Th. herstellt. In Abwesenheit des
Lösungsmittels Essigsäure jedoch betrug die beste Ausbeute an einer einzigen Phthalsäure (z. B. Terephthal-
M säure), bezogen auf einen Durchsatz des Xylols gemäß der US-PS 28 33 816 etwa 20 Gew.-96 (12,8 Mol-*). Im
Hinblick auf die Erzielung solch hoher wirtschaftlicher Ausbeuten und Qualitäten wurde der durch Kombination
von Brom mit Mischungen aus Kobalt und Mangan als mehrwertige bzw. polyvalente Metallkomponenten
bewirkten Katalyse große Aufmerksamkeit geschenkt. Jedoch wurde der Effekt auf eine solche sonst hochwirk-
same Katalyse durch Metalle, deren Wertigkeiten im allgemeinen als nicht-variierbar erachtet wurden, nicht
beachtet.
Es wurde gefunden, daß bei der Flüssigphasenoxydation von Di- und Trimethylbenzolen mit molekularem
Sauerstoff Zirkon unter den Metallen der Gruppe IVB einzigartig für die wesentliche Erhöhung der Aktivität
des Brom-Mangan- oder Brom-Mangan-Kobalt-Katalysesystems ist. Es gibt zwei Aspekte für diese Erhöhung
der Aktivität durch Zirkon. Der erste ist eine Erhöhung der Aktivität von Mn-Br- oder Mn-Co-Br-Katalysesystemen
um einen Faktor, der viel größer ist, als er durch Erhöhung der Mn- und/oder Co-Mengen entsprechend
der Menge des eingesetzten Zirkons erwartet würde. Der zweite wird durch ein länger anhaltendes
anfängliches Ausmaß des Sauerstoffverbrauchs, wenn Zirkon ein Bestandteil der Katalysesysteme ist, als wenn
die Katalysesysteme Mn-Br oder Mn-Co-Br umfassen, dokumentiert. Gegenstand der Erfindung ist daher das m
im Patentanspruch gekennzeichnete Verfahren.
Diese Wirkungsweisen des Zirkons sind in der Tat unerwartet, wenn man seinen Charakter und seine Art in
Betracht zieht und mit Mn und/oder Co vergleicht, von denen seit einiger Zeit bekannt ist, daß sie als Oxydationskatalysatoren
unter den in der US-PS 24 25 528 bezeichneten Übergangsmetallen das höchste Oxydationspotential aufweisen. Zirkon wird im allgemeinen in einem Redox-System nicht als ein Übergangsmetall, wie
Co, Mn und andere solche metallische Oxydationskatalysatoren, erachtet, da es in Oxydationssystemen eine
nicht-variierbare Wertigkeitsstufe aufweist.
In der US-PS 32 99 125 wird gebhrt, daß Kombinationen aus Kobalt mit Metallen der Gruppe IHA oder der
Gruppe IVA ohne Initiatoren oder Beschleuniger für die Oxydation der Alkylseitenkette vorteilhafte Systeme für
die Katalyse bzw. vorteilhafte Katalysatorsysteme für die Flüssigphasenoxydation von alkylsubstituierten aromatischen
Kohlenwasserstoffen, die 2 oder mehr Alkylgruppen enthalten, die an Kohlenstoffatomen in o-Stellungen
in bezug auf jede Alkylgruppe nicht kernsubstituiert sind, darstellen. Somit wird gelehrt, daß das Co-Zr-Katalysesystem
für Di- und Trialkylbenzole, wie o-Xylol und Pseudocumol (1,2,4-Trimethylbenzol), unwirksam
ist.
In der US-PS 35 62 318 wird der vorteilhafte Effekt von Kobal: in Kombination mit einem oder mehreren
Metallen aus der Gruppe bestehend aus Al, Zr, La, Nd, Zn, B oder Mg für die Flüssigphasenoxydation von
alkylsubstituierten aromatischen Verbindungen in Gegenwart von Aldehyd- oder Keton-Oxydationsiniiiatoren
oder -beschleunigem für die Seitenkette beschrieben.
Di CA-PS 8 29 343 beschreibt ferner für die Keton- oder Aldehyd-Initiierung oder -Beschleunigung der Seitenkettenoxydation
für die Flüssigphasenoxydation von alkylsubstituierten aromatischen Kohlenwasserstoffen den w
vorteilhaften Effekt des Kobalt-Niob-Katalysesystems.
Gemäß jeder der vorstehenden drei Lehren werden sehr hohe Kobaltkonzentrationen in der flüssigen Phase,
die Essigsäure als Reaktionslösungsmittel enthält, benötigt. Selbst dann jedoch sind die Oxydationsgeschwindigkeiten
übermäßig langsam, so daß die offenbarten Kombinationen von Katalysesystemen wirtschaftlich unattraktiv
sind. Solche Katalysesysteme sind wirtschaftlich noch unattraktiver, wenn sie mit der am meisten '?
- weltweit - verwendeten wirtschaftlichen Katalyse verglichen werden, die relativ niedrige Konzentrationen der
Komponenten der Mn-Br-, Co-Br- und Mn-Co-Katalysesysteme verwenden, wobei Tere- oder Isophthalsäure-Ausbeuten
von 92 bis 95 Mol-% mit einer Reinheit von 99 bis 99,5% bei der kontinuierlichen Oxydation, mit
einer Xylol-Verweilzeit im Bereich von 40 bis 50 Minuten, erzielt werden.
Bei einem solchen kontinuierlichen Betrieb werden die Katalysekomponenten bzw. Katalysatorkomponenten 4ii
in einer Menge von 1,0 bis 2,0 mg-Atom Gesamtmetall (d. h. die Gesamtheit von Co oder Mn oder Co und Mn
als Metalle, obwohl sie als Metallsalze beschickt werden) und 1,0 bis 2,0 mg-Atom Brom (berechnet als
Element, obwohl es als Brom-enthaltende Verbindung beschickt wird) pro g-Mol p- oder m-Xylol verwendet.
Bei der Oxydation von Di- und Trimethyl-substituierten Benzolen, die 2 ortho-ständige Methylgruppen aufweisen
(ζ. B. o-Xylol und Pseudocumol), werden geringfügig höhere Gesamtkonzentrationen der Metalle Co
und Mn und höhere Bromkonzentrationen benötigt. Somit beträgt für die Oxydation von o-Xylol die Gesamtkonzentration
der Metalle (Co, Mn oder Co-Mn) 2,0 bis 4,0 mg-Atom und die Bromkonzentration ebenfalls
2,0 bis 4,0 mg-Atom pro g-Mol o-Xylol. Für die Oxydation von Pseudocumol betragen die Gesamtmetallkonzentrationen
bzw. die Konzentrationen der gesamten Metalle [Co, Mn und Co-Mn (bzw. Co+ Mn)] 2,25
bis 5,0 mg-Atom, und die Bromkonzentration beträgt 4,5 bis 10,0 mg-Atom pro g-Mol Pseudocumol. >n
Für das erfindungsgemäße Verfahren liegt das Verhältnis von Zr zu Mn- oder Co-Mn im Bereich von 0,1 bis
3,0 : 1,0 auf mg-Atom-Basis. Das Verhältnis der gesamten Metalle, Zr plus diese üblichen Oxydationsmetalle, zu
Brom Hegt im Bereich von 0,5 bis 7,8 : 1,0 auf mg-Atom-Basis. Somit wird für jedes g-Mol m- oder p-Xylol bei
der Oxydation 0,1 bis 6,0 mg-Atom Zirkon, 1,0 bis 2,0 mg-Atom Mn oder Mn-Co insgesamt und 0,2 bis 4,0 mg-Atom
Brom verwendet. Für jedes g-Mol o-Xylol werden 1,0 bis 3,0 mg-Atom Zirkon, 2,0 bis 6,0 mg-Atom Mn
oder Mn-Co Insgesamt und 3,0 bis 9,0 mg-Atom Brom verwendet. Für jedes g-Mol Pseudocumol werden 3,0
bis 6,0 mg-Atom Brom, 1,0 bis 2,0 mg-Atom Zirkon und 2,25 bis 5,0 mg-Atom Mn oder Mn-Co insgesamt
verwendet.
Um die einzigartigen Effekte des Zirkons zu erzielen, muß Mangan 20 bis 100% der Gesamtmenge aus Mn
und Co ausmachen. wi
Zirkon kann zu der Reaktion in jeder in den zu oxydierenden Di- oder Triiiiethylbenzolen oder in Essigsäure,
wenn sie als Reaktionlösungsmittel verwendet wird, löslichen Form verwendet werden. Zum Beispiel kann für
die Oxydation von Di- oder Trimethylbenzolen in Abwesenheit eines Reaktiop«!ösungsmittels Zirkonoctanoat
oder -naphthenat mit Mangan- und Kobaltoctanoaten oder -naphthenaten (naphmanics) verwendet werden, und
jedes von Zr, Mn und Co kann mit Vorteil in Form seies Acetats verwendet werden, wenn Di- oder Trimethyl- '>;
benzole in Gegenwart eines Essigsäurelösungsmiüels oxydiert werden. Zirkon ist <m Handel als Lösung von
ZrO2 in Essigsäure erhältlich und ist als solches in idealer Weise Für die Flüssigphasenoxydationen unter
Verwendung von Essigsäure als Reaktionslösungsmittel geeignet.
Die Quelle für den molekularen Sauerstoff für die erfindungsgemäß Zr-unterstützte bzw. -gesteigerte Oxydalionsreaktion
kann hinsichtlich des CK-Gehalts von Luft bis Sauerstoffgas variiert werden. Luft ist eine bevorzugte
Quelle für den molekularen Sauerstoff für Oxydationsreaktionen, die bei Temperaturen von 15O0C und
darüber bis zu 275° C durchgeführt werden. Für Oxydationen, die mit molekularem Sauerstoff durchgeführt
werden, liegen die bevorzugten Temperaturen im Bereich von 130 bis 200° C. Der minimale Druck für solche
Oxydationen ist derjenige Druck, der eine im wesentlichen flüssige Phase von 70 bis 80% des Reaktionsmediums,
entweder reines Di- oder Trimethylbenzol oder ein solches Methylbenzol und 70 bis 80% Essigsäure,
aufrechterhält. Die Menge des Essigsäurelösungsmittels, wenn es verwendet wird, kann 1 bis 10 Gewichtsteile
pro Teil Di- oder Trimethylbenzol betragen. Das Methylbenzol und/oder die Essigsäure, die sich auf Grund der
Verdampfung durch die Reaktionswärme nic';t in der flüssigen Phase befinden, werden mit Vorteil kondensiert,
und das Kondensat wird zu der Oxydation zurückgeführt, was eine bekannte Methode darstellt, um Wärme
abzuführen und damit die Temperatur der exothermen Oxydationsreaktion zu steuern. Eine solche Verdampfung
des Methylbenzol-Reaktionsteilnehmers und/oder des Essigsäurelösungsmittels wird ebenfalls durch die
Verdampfung des niedriger siedenden Nebenproduktes Wasser begleitet. Wenn es erwünscht ist, sich der
bekannten Vorteile der Steuerung der Wasserkonzentration bei der Oxydation zu bedienen, wird das kondensierte
Wasser aus dem Kondensat vor seiner Rückführung in die Oxydationsreaktion nach jedem bekannten
Verfahren zur Wasserabtrennung abgetrennt, z. B. durch Phasenabtrennung des flüssiger Wassers aus dem
Methylben, olkondensat oder durch destillative Abtrennung des Wassers aus der Essigsäure.
Die sich durch die Verwendung von Zirkon nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ergebenden Vorteile
werden durch die Ergebnisse angezeigt, die bezüglich der folgenden veranschaulichenden und vergleichenden
Oxydationen unter Verwendung von o-Xylol oder p-Xyiol als zu oxydierendes Methyl-substituiertes Benzol
aufgeführt sind.
In den folgenden Beispielen werden alle Oxydationen bei einem Druck von 22,5 · 10s Pa und bei einer Oxydationsinitiierungstemperatur
von 1770C unter Verwendung eines Essigsäure : Xylol-Gewichisverhältnisses von
3 : 1 und von Luft als Quelle für den molekularen Sauerstoff durchgeführt. Es werden zwei verschiedene Oxydationsreaktoren
verwendet. Der eine, bezeichnet als F-81-Reaktor, ist ein nicht-gerührter rohrförmiger Reaktor
aus Titan mit einem inneren Durchmesser von 2,54cm und einer Höhe von 91,44cm, dessen oberer Teil eine
wassergekühlte Kondensationszone darstellt. Der andere, als F-71-Reaktor bezeichnet, ist ein gerührter Autoklav
aus Titan mit einem Volumen von 2 I mit einem wassergekühlten Über-Kopf-KondensatOT und Rückfluß des
Kondensats zu dem Autoklaven. Beide Oxydationsapparaturen haben auch außer ihren entsprechenden Kondensationssystemen
Vorrichtungen zum Ablassen der austretenden gasförmigen Mischung (Stickstoff, unverbrauchter
oder überschüssiger Sauerstoff, Kohlenstoffoxyde, Wasserdampf und Dampf von unkondensierter Essigsäure)
und analytische Vorrichtungen zur Bestimmung des Sauerstoff-, Kohlendioxyd- und Kohlen monoxydgehalts der
abgelassenen Probe auf Essigsäure-freier trockener Basis. Die austretende Probe fließt zunächst durch eine
intensiv gekühlte (d. h. mit Aceton/Trockeneis gekühlte) Falle, ehe die Analyse bezüglich O2, CO2 und CO
erfolgt. Auf Grund ihrer Kapazitätsunterschiede wird der F-81-Reaktor mit 50 g Xylol, somit 150 g Essigsäure,
und der F-71-Reaktor mit 25Og Xylol, somit 750 g Essigsäure, um das genannte 3 : 1-Verhältnis von Lösungsmittel
zu Methyl-substituiertem Benzol auf Gewichtsbasis zu erhalten, beschickt. Pseudocumol wird im kleineren
F-81-Reaktor ebenfalls oxydiert unter Verwendung von 50 g Pseudocumol und 150 g Essigsäure als Lösungsmittel.
Auch die o-Xylol-Oxydationen wurden im kleineren F-81-Reaktor durchgeführt. Die Oxydationen von
sowohl o-Xylol als auch Pseudocumol werden ansatzweise durchgeführt, jedoch werden die Oxydationen von
p-Xylol in halbkontinuierlicher Arbeitsweise sowohl im Reaktor F-81 als auch im Reaktor F-71 durchgeführt.
Die ansatzweise Oxydationen werden so durchgeführt, daß man alle Katalysatorkomponenten, o-Xylol (oder
Pseudocumol) und Essigsäure in den F-81-Reaktor einbringt, den Reaktor abdichtet, ein Drucksteuerungsventil
auf 22,5 · 105 Pa einstellt (das Ventil befindet sich in der Leitung zur Entnahme des Abgases), den Reaktor mit
Stickstoff auf einen Druck von 22,5 · 10s Pa bringt, den Reaktorinhalt auf 177° C erhitzt und dann in die flüssige
Phase des Reaktors Druckluft einführt. In den Mantel des Kondensatorabschnitts wird Kühlwasser von 10° C
eingeleitet Jede Oxydation wird so nahe an 10 VoIumen-% Sauerstoff wie möglich beendet. Es versteht sich,
daß der Sauerstoffgehalt im Abgas (trocken und frei von Essigsäure) schnell ansteigen kann, wenn die Oxydation
abklingt. Die Beendigung der Oxydation bei 10% Sauerstoff (etwa die Hälfte des Sauerstoffgehalts in der
Luft) erfolgt, um den Effekt des Zirkons während des schnellsten Sauerstoffverbrauchs durch das Methylsubstituierte
Benzol zu bestimmen, da danach, obwohl die Sauerstoffkonzentration in der flüssigen Phase auf einem
im wesentlichen konstanten Niveau gehalten wird, der Sauerstoffverbrauch natürlich direkt mit dem Verschwinden
von oxydierbaren Substituenten auf dem Benzolring verringert wird und der katalytlsche Effekt schwieriger
auszuwerten ist.
Die halb-kontinuierlichen Oxydationen von p-Xylol werden durchgeführt, indem man entweder dem F-81-Reaktor
oder dem F-71-Reaktor die ganze Essigsäure und die ganzen Katalysatorkomponenten, jedoch nur. 10%
des zu verwendenden p-Xylols zugibt. Nachdem das Ventil zur Steuerung des Drucks auf 22,5 · 10s Pa eingestellt
wurde und der Reaktor mit Sticktoff auf diesen Druck gebracht wurde, wird der Reaktorinhalt auf 1770C
erhitzt, und Druckluft wird in die flüssige Phase während etwa 1 Minute eingeleitet. Danach wird unter Fortsetzung
der Lufteinführung das verbliebene p-Xylol mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit in die flüssige Phase
eingepumpt. Nach dem Einpumpen der gesamten 90% der Charge wird die Luftzufuhr entweder zu demselben
Zweck, wie vorstehend angegeben, bis auf 10 Volumen-% Sauerstoff im Abgas (auf trockener, Essigsäure-freier
Basis) fortgesetzt, oder sie wird auf 18 Volumen-% Saue.:toff im Abgas (auf derselben Basis) fortgesetzt, um
den Gesamteffekt des Zirkons jenseits der maximalen Geschwindigkeit des Sauerstoffverbrauchs, die äußerst
gleichmäßig während des ganzen Pumpens von p-Xylol auftritt, zu bestimmen. Für die p-Xylol-Oxydationen
werden gleichmäßige Pumpgeschwindigkeilen von 384 ml/Stunde für den F-71-Reaktor und 128 ml/Stunde für
den F-81-Reaktor aufrechterhalten.
Nach Beendigung der Oxydationen werden die gesamten Reaktorabströme (im folgenden mit »TRE« bezeichnet)
dräniert bzw. abfließen gelassen und gesammelt. Der Reaktor der o-Xylol- und Pseudocumol-Oxydationen
wird mit Essigsäure gewaschen, und jedes Waschwasser win mit seinem entsprechenden TRE vereinigt bzw.
kombiniert. Nach dem Dränieren des TRE aus dsen p-Xylol-Oxydationsreaktoren werden die Reaktoren mil
kaustischem Material gewaschen, um anhaftende Feststoffe zu entfernen, wobei jedes kaustische Waschwasser
getrennt gesammelt und mit Chlorwasserstoffsäure angesäuert wird und der erhaltene Niederschlag durch Filtration
isoliert und dem TRE der entsprechenden Oxydation zugesetzt wurde. Die erhaltenen TRE-Produkte
werden der polarographischen Analyse bezüglich der aromatischen Neutralbestandteile und der aromatischen
Säure unterworfen. Die Fluoreszenz und die optische Dichte (gemessen an standardisierten wäßrigen Lösungen
des Ammoniumsalzes von Terephthalsäure in einer 4-ml-Zelle) wurden nur für Produkte der maximienen
Oxydation auf 18% Sauerstoff im Abgas bestimmt.
Die Produktausbeuten aus dem F-81-Reaktor werden in Mol-'\>
Produkt pro Mol beschicktes Xylol oder Pseudocumol berechnet (und nachstehend angegeben). Jedoch werden die Produktausbeuten aus dem F-71-Reaktor
in MoI-1Ji. Produkt pro Mol umgesetztes p-Xylol berechnet (und nachstehend angegeben), da ein Xylolverlust
auftritt auf Grund der höheren Lufteinlaßgeschwindigkeit in dem F-71-Autoklaven, verglichen mit derjenigen
im rohrförmigen Reaktor F-8L Für die im F-7!-Reaktor durchgeführten Oxydationen kann eine Benzolring-Bilanz
als Maß für einen solchen Xylolverlust verwendet werden.
Andere sachdienliche Einzelheiten der veranschaulichenden Oxydationen und die so erhaltenen Ergebnisse
sind im Folgenden in den Tabellen I bis IV zusammengefaßt. Zirkon wird als sein Tetrabromid verwendet,
jedoch können auch andere Essigsäure-lösliche Zirkonverbindungen verwendet werden. Kobalt und Mangan
werden als deren Acetattetrahydrate verwendet. Die Bromquelle ist, wenn kein Zr verwendet wird, Tetrabromäthan.
jedoch können auch andere Bromquellen, z. B. HBr. Br2, KBr, NaBr, NH4Br oder Benzylbromid verwendet
werden.
Effekt des Zirkons auf die Oxydation von o-Xylol
Beispiel | A | 0 | 1 | 1,0 | B | 3,0 | C | 1,5 | 2 | 1,5 |
ing-Atom Zr/Mol o-X | 1,0 | 1,0 | 0 | 1,5 | 0 | |||||
mg-Atom Co/Mol o-X | 1,0 | 1,0 | 0 | 0 | 1,5 | |||||
mg-Atom Μη/Mol o-X | 2,0 | 4,0 | 12,0 | 6,0 | 6,0 | |||||
mg-Atom Br/Mol o-X | 1,0 | 0,75 | 0,25 | 0,5 | 0,5 | |||||
Gesamt-mg-Atom Metalle/mg-Atom Br | ||||||||||
Bedingungen | 210,5 | 210,5 | 221,6 | 213,8 | 211,1 | |||||
Durchschnittliche Ansatztemperatur, 0C | 24 | 44 | 47 | 15 | 44 | |||||
Ansatzzeit, Minuten | 10 | 13,1 | 18 | 19,2 | 12,5 | |||||
% O2 am Ende im Abgas | ||||||||||
Ergebnisse | 21,8 | 37,4 | 10,1 | 0 | 33,7 | |||||
OrAufnahme, 1 | 0,100 | 0,125 | 0,188 | 0 | 0,163 | |||||
1 CO2/1 O2 | ||||||||||
Molare Ausbeuten, % | 15,0 | 77,5 | NA" | NA" | 75,3 | |||||
o-Phthalsäure | 35,1 | 0,7 | 1,4 | |||||||
o-Toluylsäure | 7,2 | 0,7 | 0,8 | |||||||
2-Carboxybenzaldehyd | 9,8 | 0,5 | 1,2 | |||||||
Phthalid | 63,6 | 3,0 | 4,0 | |||||||
Zwischenprodukte insgesamt21 | 0,7 | 1,5 | 1,9 | |||||||
C7-Aromaten | 1,5 | 0,1 | 0 | |||||||
C9- Aromaten |
1) NA = nicht analysiert
2) o-Xylol, Tolualdehyd, Phthalaldehyd, Methylbenzylalkohot, Toluylsäure und 2-Carboxybenzaldehyd
insgesamt.
insgesamt.
Das vorstehende Beispiel A wird als Bezugspunkt angegeben, um die erfindungsgemäß erzielten Ergebnisse,
wie sie durch die Beispiele 1 und 2 veranschaulicht werden, zu vergleichen. Beispiel B zeigt, daß durch das
System Zr-Br keine wirksame Katalyse erzielt werden kann. Beispiel C zeigt den nachteiligen Effekt von Zr auf
die sonst wirksame Katalyse des Systems Co-Br. Die Beispiele 1 und 2, worin Mn zusammen mit Co bzw. allein
anwesend ist, zeigen, daß die negative Katalyse durch Zr durch die Anwesenheit von Mn überwunden werden
kann, und den überraschenden Effekt von Zr, welches in Lösung nur covalente Verbindungen bildet und nur
eine einzige Oxydationsstufe aufweist, während der Periode des maximalen Sauerstoffverbrauchs. Der Einfluß
des in seiner Wertigkeit nicht-variierenden Zr bewirkt in überraschender Weise eine drastische Verringerung des
211
.111 50
partiell oxydierten o-Xylols (ζ. B. O-Toluylsäure, 2-Caraboxybenzaldehyd und Phthalid), um die o-Phthalsäure-Ausbeute
auf mehr als das 5fache zu erhöhen.
Die folgenden Daten betreffen die Pseudocumol-Oxydation, worin die (Massen-)Bilanz des (Benzol)-Rlngs (96
rückgewonnener Ring) sowohl im Vergleichsbeispiel D als auch im Beispiel 3 recht niedrig ist, da die verwendeten
Katalysatorkonzentrationen viel niedriger waren als die Im Handel bzw. in der Technik verwendeten und da
eine stufenweise Katalysatorzugabe notwendig ist, um gute Ausbeuten und gute Bilanz bei den Pseudocumol-Oxydationen
zu ergeben. In diesen Ansätzen wurde keine stufenweise Katalyse verwendet.
Effekt des Zirkons auf die Pseudocumol-Oxydation
Beispiel | D | O | 3 | 1,13 |
mg-Atom Zr/Mo! PSC | 1,13 | 1,13 | ||
mg-Atom Co/Mol PSC | 1,13 | 1,13 | ||
mg-Atom Μη/Mol PSC | 4,52 | 4,52 | ||
mg-Atom Br/Mol PSC | 0,5 | 0,75 | ||
Gesamt-mg-Atom Metalle/mg-Atom Br | ||||
Bedingungen | 212,2 | 211,6 | ||
Durchschnittliche Ansatztemperatur, ° C | 43 | 57 | ||
Ansatzzeit, Minuten | 10,1 | 10,3 | ||
% O2 am Ende im Abgas | ||||
Ergebnisse | 34,7 | 35,9 | ||
02-Aufnahme, 1 | 0,145 | 0,298 | ||
1 CO2/I O2 | ||||
Molare Ausbeuten, % | 14,6 | 39,2 | ||
Trimellitsäure | 2,1 | 2,8 | ||
Dicarboxybenzylaldehyd | 3,1 | 0,4 | ||
Monobasische Dimethylsäuren | 34,6 | 16,2 | ||
Dibasische Methylsäuren | 54,4 | 58,6 | ||
Ring-Rückgewinnung/% |
Die folgenden beiden Tabellen zeigen die bei der Oxydation von p-Xylol zu Terephthalsäure in der vorstehend
beschriebenen halb-kontinuierlichen Weise erhaltenen Ergebnisse. Die Beispiele E, F, I und J verwenden kein
Zr und werden nur als Bezugspunkte zu Vergleichszwecken angeführt. Beispiel F unter Verwendung eines Zr-Co-Br-Systems
demonstriert erneut den negativen Effekt auf das sonst recht wirksame Co-Br-Katalysesystem.
Beispiel G verwendet ein mg-Atomverhältnis von Zr zur Gesamtmenge von Co und Mn von lediglich
0,023 : 1,0 und zeigt, daß der erfindungsgemäße untere Grenzwert nicht unterschritten werden darf.
Effekt des Zirkons auf die halb-kontinuierliche Oxydation des p-Xylols im F-81-Reaktor
Beispiel E 4 5 F G 8 H
mg-Atom Zr/Mol p-X 0 0,85 8,52 0 0,05 0,27 0,27
mg-Atom Co/Mol p-X 0,85 0,85 0,85 0,54 0,54 0,54 0,54
mg-Atom Μη/Mol p-X 2,60 2,60 2,60 1,62 1,62 1,62 0
mg-Atom Br/Mol p-X 4,32 4,32 4,32 2,16 2,23 2,43 0,81
Gesamt-mg-Atom 0,8 1,0 2,82 1,0 1,0 1,0 1,0 6r' Metalle/mg-Atom Br
Bedingungen
Durchschnittliche 210,5 210,5 211,1 211,1 212,2 211,1 210
Ansatztemperatur, ° C
Ansatz-Zeit, Minuten 46 50 43 42 41 48 23
% O2 am Ende im Abgas 10,0 10,2 11,1 10,1 10,1 10,1 10,6
Pump-Zeit 21,8 Minuten
Si'
Fortsetzung
Ergebnisse
O2-Aufnahme, 1 " 33,5 42,2 40,1 25,6 26,1 36,9 6,6
1 CO2/1 O2 NA 2>
NA2> NA 2>
NA2> NA2» NA 2>
0,293
Molare Ausbeuten, %
Terephthalsäure 86,8 92,3 88,7 27,7 32,9 90,3
Toluylsäure 4,0 1,7 2,0 55,8 51,3 4,1
4-Carboxybenzaldehyd 2,5 2,3 1,8 4,0 6,9 2,7
Zwischenprodukte insgesamt 13,2 7,7 11,3 72,4 67,2 9,8
C7-Aromaten 0,9 0,9 0,9 1,5 1,8 1,2
C9-Aromaten 0,8 0,5 1,4 3,9 3,8 0,8
Ring-Rückgewinnung, % 94 86 84 102 89 87
1) 02-Gesamtaufnahme für die Reaktion und das Essigsäure-Brennen
2) NA = nicht analysiert
Effekt des Zirkons auf die halb-kontinuierliche Oxydation des p-Xylols im F-Vl-Reaktor
Beispiel | I | 0 | 9 | 0,25 | J | 0 | 10 | 0,25 |
mg-Atom Zr/Mol p-X | 0,5 | 0,5 | 0,25 | 0,25 | ||||
mg-Atom Co/Mol p-X | 1,5 | 1,5 | 0,75 | 0,75 | ||||
mg-Atom Μη/Mol p-X | 2,0 | 2,0 | 1,00 | 1,25 | ||||
mg-Atom Br/Mol p-X | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 1,0 | ||||
Gesamt-mg-Atom Metalle/mg-Atom Br | ||||||||
Bedingungen | 212,2 | 212,2 | 211,1 | 212,7 | ||||
Durchschnittliche Ansatztemperatur, ° C | 54 | 49 | 100 | 67 | ||||
Ansatzzeit, Minuten | 18,0 | 18,4 | 18,0 | 18,1 | ||||
% O2 am Ende im Abgas | ||||||||
Pump-Zeit 41,9 Minuten | ||||||||
Ergebnisse | 181,5 | 167,6 | 173,6 | 178,9 | ||||
O2-Aufnahme, 1 | 0,075 | 0,116 | 0,139 | 0,153 | ||||
1 CO2/1 O2 | ||||||||
Molare Ausbeuten, % | 97,5 | 98,4 | 96,3 | 96,0 | ||||
Terephthalsäure | 0,3 | 0,1 | 0,9 | 0,5 | ||||
Toluylsäure | LO | 0,4 | 1,3 | 1,0 | ||||
4-Carboxybenzaldehyd | 1,3 | 0,6 | 2,4 | 1,6 | ||||
Zwischenprodukte insgesamt | 0,9 | 0,9 | 0,6 | 1,3 | ||||
C7-Aromaten | 0,3 | 0,1 | 0,5 | 0,2 | ||||
C9-Aromaten | 93 | 88 | 79 | 84 | ||||
Ring-Rückgewinnung, % | 0,9 | 1,0 | 0,7 | 0,8 | ||||
Fluoreszens des Kuchens, % | ||||||||
Optische Dichte des Kuchens | 1,49 | 1,18 | 2,26 | 2,06 | ||||
bei 340 nm | 0,18 | 0,18 | 0,16 | 0,18 | ||||
. bei 400 nm |
In den Tabellen III und IV bedeuten:
»Zwischenprodukte insgesamt« die Summe aus p-Xylol, Tolualdehyd, Terephthalaldehyd, Methylbenzylalkohol,
Toluylsäure und 4-Carboxybenzaldehyd.
»C-7-Atomaten« die summe aus Benzaldehyd und Decarboxylierungsprodukten der Benzoesäure.
»C-8-Aromaten« die Summe aus dibasischen Methylsäuren, Trimellitsäure und Trimesinsäure.
»C-8-Aromaten« die Summe aus dibasischen Methylsäuren, Trimellitsäure und Trimesinsäure.
Die Beispiele der Tabellen III und IV zeigen erneut den überraschenden Effekt des Zr zur Erhöhung der
Oxydation und Herbeiführung der Oxydation von Oxydationszwischenprodukten zum Endprodukt - in diesem
Fall Terephthalsäure -, wobei gleichzeitig der Co- und Mn-Bedarf, welche sehr wirksame mehrwertige Kalalysatorkomponenten
sind, verringert wird. Der Gesamteffekt des Zirkon ist, wie aus den Daten der Beispiele der '
Oxydation von o- und p-Xylol zu entnehmen ist, nicht nur ein äquivalenter Ersatz von Co und/oder Mn,
sondern liegt vielmehr weit jenseits einer solchen Äquivalenz hinsichtlich der Erzielung von Produktausbeuten
und -qualität.
Beispiel 11
Um weiter die Vorzüge von Zirkon zu veranschaulichen, wurde die folgende Luftoxydation von reinem
o-Xylol (ohne Reaktionslösungsmittei) ansatzweise im vorstehend beschriebenen F-71 -Reaktor durchgeführt.
Die Reaktionstemperatur beträgt 204° C, der Gesamtdruck 22,5 ■ 105 Pa und die Gesamtzeit für die Oxydation
vom Beginn bis zur Beendigung 160 Minuten. Die eingebrachte Reaktionsmischung bestand aus:
iOOO g o-Xyioi
6,0 g Kobalt-(II)-acetat-tetrahydrat
7.0 g Mangan-(II)-acetat-tetrahydrat
6,36 g Zirkonylacetai und
14,36 g Bromwasserstoffsäure (48% HBr).
Zr : Co : Mn : Br = 3,0 : 3.0 : 3,0 : 9,0. (mg-Atom Katalysatorkomponenten pro Mol -Xylol)
14,36 g Bromwasserstoffsäure (48% HBr).
Zr : Co : Mn : Br = 3,0 : 3.0 : 3,0 : 9,0. (mg-Atom Katalysatorkomponenten pro Mol -Xylol)
Aus der folgenden Massenbilanz:
Beschickte Materialien: 1033,72 g (Luft nicht eingeschlossen)
Gesamter verbrauchter Sauerstoff:
1738,72 g
Gewonnene Materialien: 1614 g (TRE)
Verbrannte Materialien: —— ^ aus dem geb. CO + CO2)
ergibt sich für die o-Xyloloxydation eine Rechengröße von 98,896. Von dem hereitgestelllen Gesamt-Sauerstoff
minus dem für die Bildung von CO und CO2 verbrauchten wird bestimmt, daß der durch die o-Xyloloxydation
verbrauchte Sauerstoff 85% der stöchiometrisch benötigten Menge, um das unverbrannte o-Xylol zu Phthalsäureanhydrid,
der Phthalsäureform, die bei der Oxydation bei 204° C erzeugt wird, betrug. Aus der Analyse des
gesamten Reaktionsabstroms (TRE) wurden, bezogen auf 1000 g eingebrachtes o-Xylol, die folgenden molaren
Ausbeuten errechnet:
Tabelle V | Mol-% |
Produkt | 61,0 0,97 3,95 1,88 0,1 |
Phthalsäureanhydrid o-Toluvlsäure Phthalid 2-Carboxybenzaldehyd o-Xvlol |
|
Vergleichsbeispiel K.
Im Gegensatz zum vorstehenden Beispiel 11 werden dieselbe Reaktionstemperatur, derselbe Druck, und
derselbe Reaktor und dieselben Bestandteile verwendet, jedoch wird das Zirkonylacetat weggelassen und die
Oxydation nach 108 Minuten nach Oxydationsbeginn beendet, da die Oxydation abklang. Die Berechnung der
Massenbilanz zeigt eine Rechengröße von 97% für die eingebrachten Materialien, jedoch wurden nur 66% des
stöchiometrischen Sauerstoffbedarfs, um das unverbrannte o-Xylol durch Luftoxydation in Phthalsäureanhydrid
zu überführen, verbraucht. Die oxygenierten aromatischen Produkte, die aus dem TRE erhalten wurden, und
die berechneten molaren Ausbeuten der Produkte, bezogen auf 1000 g eingebrachtes o-Xylol, sind wie folgt:
Tabelle VI | Molare Ausbeuten. % |
Produkt | 26,5 |
Phthalsäureanhydrid | 32,7 |
o-Toluylsäure | 10,0 |
Phthalid | 11,2 |
2-Carboxybenzaldehyd | 1,2 |
Benzoesäure | 0,1 |
o-Xylol | |
Claims (1)
- Patentanspruch:Verfahren zur Oxidation von Di- oder Trimethylbenzolen mit molekularem Sauerstoff zu Benzoldi- oder -tricarbonsäuren unter Flüssig-Phasen-Bedingungen bei Temperaturen im Bereich von 130 bis 275° C und in Gegenwart eines katalytischen Systems, das eine Bromquelle, Mangan oder Kobalt und Mangan, wobei das Mangan 20 bis 10^% der Gesamtmenge aus Mn und Co ausmacht, und eir·. weiteres Metall, das nicht mehrere Wertigkeiten besitzt, umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß man als weiteres Metall Zirkon einsetzt, wobei das mg-Atom-Verhältnis von Zr zu Mn oder Co-Mn im Bereich von 0,1 bis 3,0 : 1,0 liegt.
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