-
Verfahren zur Herstellung von Isopren Die Erfindung betrifft ein
Ve-r>fahren zur Herstellung von Isopren durch Chlorierung von 2-Methylbuten-2
(2MB2) und anschließende Dehydrochlorierung des Produkts.
-
Es ist bekannt, Isopren durch Chlorierung von 2-Methylbuten-2 und
anschließende Dehydrochlorierung des Produkts über einem Dehydrochlorierungskatalysator
bei einer Temperatur von 1C00 bis 350°C unter Verwendung eines inerten Verdünnungsmittels,
z.B. Stickstoff, herzustellen. Typische Katalysatoren, die bei diesem Verfahren
verwendet werden, sind Verbindungen von Metallen der Gruppen 1BJ II und VIII des
Periodensystems auf einem Träger, der aus Siliciumdioxyd, Aluminiumoxyd, Siliciumdioxyd/Aluminiumoxyd
oder Kieselgur von bestimmter Porengröße und Oberfläche besteht. Eines der bei den
bekannten Verfahren der katalytischen Dehydrohalogenierung auftretenden Probleme
ist der auf Pclymerisation und Koksablagerung auf dem Katalysator zurückzuführende
Verlust der katalytischen Aktivität.
-
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß Isopren in hohen Ausbeuten
erhalten wird, wenn die Dehydrochlorierungsreaktion in Abwesenheit eines Katalysators,
jedoch in Gegenwart eines bestimmten Verdünnungsmittels durchgeführt wird.
-
Gegenstand der erfindung ist demgemäß die Herstellung von Isopren
alls 2-Methylbuten-2 nach einem Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, da,3
man 2-Methylbuten-2 in der Gasphase mit gasförmigem Chlor bei einem Molverhätnis
von Chlor zu 2-Methylbuten-2 von 0,8;1 bis 5:1 zu einem Produkt umsetzt, das chloriertes
2-Methylbuten-2 enthält, und anschließend dieses Produkt in Gegenwart von als inertes
Verdünnungsmittel dienendem n-Butan und/ oder Isobutan in Abwesenheit eines Katalysators
bei einer Temperatur zwischen 300° und 8000C dehydrochloriert.
-
Die Chlorierung von 2-Methylbuten--2 ist eine äußerst leicht durchzuführende
exothermie Reaktion, die einfach durch Zusammenführen von gas fönnigem Chlor mit
2-Methylbuten-2 in Abwesenheit eines Katalysators durchgeführt werden kann.
-
Die Chlorierungsreaktion kann in Gegenwart oder Abwesenheit eines
inerten Verdünnungsmittels durchgeführt werden. Als Verdünnungsmittel eignen sich
beisielsweise Stickstoff, HCl-Gas, n-Butan und Isobutan. Bei einem in der Gasphase
durchgeführten kontinuierlichen Verfahren liegt die Verweilzeit zweckmäßig im Bereich
von 1 bis 10 Sekunden. Das Molverhältnis von Verdünnungsmittel zu 2-Methylbuten-2
kann im Bereich von 0:1 bis 20:1 liegen und liegt vorzugsweise im Bereich von 5:1
bis 10:1. Die Durchführung der Chlorierung von 2-Methylbuten-2 in Gegenwart eines
Verdünnungsmittels erleichtert wirksames Mischen der Reaktionsteilnehmer und verhindert
einen übermäßigen Temperaturanstieg.
-
Diehauptsächlichen Produkte (etwa 80) der Reaktion zwischen Chlor
und 2-Methylbuten-2 sind Monochlormethylbuten und Chlorwasserstoff durch Substitution
und Dichlormethylbutan (etwa 20') durch Addition.
-
Das Molverhältnis von Chlor a 2-Methylbuten-2 im
Einsatzmaterial
liegt Vorzugsweise zwischen 0,?; 1 und 1, 1: 1. Besonders bevorzugt wird ein Molverhältnis
zwischen 0,95:1 und 1,05:1. Ein Chlorüberschuß begünstigt Nebenreaktion, die zu
unerwünschten schweren Enden wie Dichlormethylbutenen und Trichlormethylbutan führen.
-
Andererseits reagiert ein zu großer Überschuß von 2-Methylbuten-2
teilweise mit als Nebenprodukt gebildetem Chlorwasserstoff unter Bildung von tert.-Amylchlorid,
das bei der anschließenden Dehydrochlorierung 2-Methyl buten-2 ergibt und teilweise
durchgeht, ohne umgesetzt zu werden. Ein zu großer Überschuß von 2-Methylbuten-2
im Einsatzmaterial. führt somit zu Isopren als Endprodukt, das 2-Methylbuten-2 als
Verunreinigung enthält, zu dessen Abtrennung eine kostspielige extraktive Destillation
erforderlich ist.
-
Die Chlorierung von 2-Methylbuten-2 wird vorzugsweise bei einer Temperatur
zwischen Umgebungstemperatur und 4000C durchgeführt. Der Druck kann im Bereich von
0 bis 141 atü liegen und beträgt vorzugsweise 0 bis 7 atü.
-
Vorzugsweise werden die chlorierten 2-Methylbuten-2-Produkte von den
Gesamtprodulsten der Reaktion zwischen Chlor und 2-Methylbuten 2 abgetrennt und
nur diese der Dehydrochlorierung unterworfen, jedoch kann auch das Gesamtprodukt
einschließlich Chlorwasserstoff in die Dehydrochlorierungsreaktion eingesetzt werden.
-
Die Dehydrochlorierung wird vorzugsweise bei einer Tempe-0 ratur im
Bereich von 500 bis 600 C durchgeführt. Der Druck kann im Bereich von 0 bis 141
atü liegen und beträgt vorzugsweise 0 bis 35 atü.
-
Bei kontinuierlicher Durchführung der Dehydrochlorierung kann die
Verweilzeit zwischen 0,01 und 20 Sekunden liegen.
-
Vorzugsweise beträgt sie 0,1 bis -5,0 Sekunden.
-
Die Dehydrochlorierung wird in Gegenwart eines iilerten Verdünnungsmittels
durchgeführt. Als Verdünnungsmittel werden n-Butan, Isobutan oder ihre Gemische
verwendet.
-
n-Butan unci Isobutan sind als inerte Verdünnungsmittel für diese
Stufe besonders gut geeignet, weil sie die folgenden Vorteile aufweisen: 1) iEine
wirksame Abtrennung der Spaltprodukte von HCl und Butanen wird durch Destillation
erreicht, wodurch die Rückreaktion von KC1 und Isopren zu chloriertem 2-Methylbut
en-2 weitgehend ausgeschaltet wird. Wenn Stickstoff als Verdünnungsmittel verwendet
wird, müßten die Spaltprodukte entweder in einem hochsiedenden Kohlenwasserstoff
oder in einer im Kreislauf geführten chlorierten Verbindung absorbiert werden. er
hierzu erforderliche Absorber wäre sowohl groß als auch teuer, so daß die Verwendung
von Butanen mit einem deutlichen Kostenvorteil in dieser Stufe verbunden ist.
-
2) Bei der Abtrennung von HCl von Butanen können kutane durch Destillation
abgetrennt und unter vollständigem Ausschluß von Wasser in die Spaltanlage zurückgeführt
werden Stickstoff würde auch hier wieder einen Absorber erfordern, in dem entweder
Wasser oder verdünnte Salzsäure zur Entfernung der 1101 verwendet würde, und der
Stickstoff müßte vor der Kreisl.aufführung erschöpfend getrocknet werden, um Korrosionsprobleme
im Krackteil zu vermeiden. Diese Apparatur wäre sowohl groß als auch teuer, so daß
Butan als Verdünnungsmittel einen weiteren Vorteil aufweist.
-
3) Die relative Leichtigkeit der Kondensation von Butanen senkt di
e Kosten der Kreislaufführung des Verdünnungsmittels
Die Verwendung
von Butan als Verdünnungsmittel ist also mit einer Reihe von technischen Vorteilen
verbunden, die im Vergleich beispielsweise zu Stickstoff zu großen Einsparungen
in den Anlagekosten führen Das Molverhältnis von inertem Verdünnungsmittel zum Einsatzmaterial
der Dehydrochlorierung liegt vorzugsweise im Bereich von 3:1 bis 10:1.
-
Nach der Dehydrochlorierung kann das Isopren vom erdünnungstnittel
und vom Cblorwasserstoff nach beliebigen bekannten Methoden, beispielsweise durch
Destillation, abgetrennt werden. Das Isopren kann nach bekannten Verfahren, z.B.
durch Destillation, weiter gereinigt werden.
-
Das Chlor kann für die Kreislaufführung zur Anlorierungsreaktion aus
dem abgetrennten Chlorwasserstoff regeneriert werden. Dies geschieht zweckmäßig
durch Elektrolyse oder Oxydation.
-
Als Hauptverwendungszweck von monomerem Isopren ist die Herstellung
von synthetischen Elastomeren zu nennen.
-
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele weiter veranschaulicht.
-
Beispiel 1 Chlorierung von 2-Methylbuten-2 (2-MB-2) in der Glasphase
2-MB-2 wurde aus einer kalibrierten Bürette durch eine Kapillare geleitet. Zur Regelung
der Durchflußmenge wurde Stickstoff unter konstantem Druck verwendet.
-
n-Butan (falls verwendet) wurde mit einem Rotameter in konstanter
Menge zugeführt und mit dem. 2-MB-2 gemischt.
-
Di.eses gemischte Einsatzmaterial wurde in einem Rohr vorerhitzt,
das eine Länge von 30 cm und einen Innendurchmesser
von 1,5 cm
hatte, mit Raschigringen gefüllt war und in einem Ofen bei 10000 gehalten wurde.
Dieses Einsatzgemisch wurde mit Chlor, das mit einem rotameter in konstanter Menge
zugefüiirt wurde, am oberen Endo einer ummantelten Glaskapillare von 2 mm Innendurchmesser
und 25 cm Länge gemischt. Chlorwasserstoff (soweit als gasfömiges Verdünnungsmittel
verwendet) wurde in dosierten Mengen dem zugeführten Chlor zugesetzt. Die Reaktionsprodukte
wurden in Kältefallen, die mit festem Kohlendioxyd/Aceton gekuhlt wurden, abgeschieden
und durch Gas-Flüssigkeits-Chromatographie analysiert.
-
Die Reaktionsbedingungen und die Ergebnisse der Produktanalysen sind
nachstehend in Tabelle 1 und Tabelle 2 aufgeführt.
-
Tabelle 1 a) n-Butan als Verdünnungsmittel Zugeführtes 2-MB-2 (flüssig)
2,1 ml/Min.
-
zugeführte Chlormenge 463 ml/Min.
-
zugeführte n-Butan-Menge 3470 ml/Min.
-
Temperatur 500C (äußere Reaktionsoberfläche) Produkte (ohne n-Butan)¹
Gew.-% 2-MB-2 0,0 Chlorbutane 0,2 tert. -Amylchlorid 0,0 Monochlormethylbutane 82,9
Dichlormethylbutane 16,9 schwerere Produkte (schwere Enden) Spur
Tåbel]e
2 b) Chlorwasserstoff als verdünnungsmittel Zugeführte Menge von 2-MB-2 (flüssig)
2,0 ml/Min.
-
zugeführte Chlormenge 435 ml/Min.
-
zugeführte Chlorwasserstoffmenge 3480 ml/Min.
-
Produkt¹ Gew. -% 2-MB-2 0,1 tert.-Amylchlorid 0,5 Monochlormethylbutene
77,3 dichlormethylbutane 17,1 2,3-Dichlorpentan² 1,4 schwere Enden 3,6 ¹ Chlorwasserstoff
in den Produkten vernachlässigt.
-
2 Aus dem im Einsatz vorhandenen Penten-2.
-
Dehydrochlorierung Die durch Umsetzung von Chlor und 2-Methylbuten-2
in der Gasphase mit Chlorwasserstoff als Verdünnungsmittel unter den in Tabelle
2 genannten Bedingungen hergestellten chlorierten Produkte wurden unter Stickstoffdruck
zudosiert und mit n-Butan als Verdünnungsmittel gemischt das in einem 3,05 in langen
Stahlrohr, das einen Innendurchmesser von 3,2 mm hatte und in einem elektrischen.
-
Ofen erhitzt wurde, auf 400°C vorerhitzt worden war.
-
Die Gase wurden dann durch ein leeres Quarzrohr geleitet das eine
Länge von 30 cm und einen Innendurchmesser von 1,0 cm hatte und in einem elektrischen
Ofen bei der gewünschten Reaktionstemperatur gehalten wurde. Proben der Reaktionsprodukte
wurden entweder in der Gasphase mit einer erhitzten Glasspritze oder nach Kondensation
in einer mit festem Kohlendioxyd/Aceton gekühlten Kältefalle
genommen
und dann durch Gas-Flüssigkeits-Chromatographie analysier. Die Zusammensetzung des
Einsatzmaterials, die Reaktionsbedingungen und die analysen werte des Produkts sind
in der folgenden Tabelle 3 genannt.
-
Tabelle 3 Zugeführte Einsatzmenge 0,36 ml/Min.
-
Verdünnungsmittel n-Butan, 397 ml/Min.
-
Temperatur 570 0C Druck Normaldruck Verweilzeit 0,8 Sek, Komponente
1 Gew.-/% im Gew.-%' im Einsatz Produkt Isopren 0,0 91,7 2MB2 0,1 1,3 tert.-Amylchlorid
0,2 Spur Monochlormethylbutene 77,8 5,4 Dichlormethylbutane 18,6 Spur Dichlorpentane
1,4 Spur Schwere Enden 1,9 1,6 # Verdünnungsmittel, HCl und Piperylene (aus Dichlorpentanen)
wurden in den Spektren der Produkte unberücksichtigt gelassen.
-
Vergleichsversuch 1 Chloriertes 2-MB-2, das durch Umsetzung von Chlor
und 2-MB-2 in der Gasphase in Gegenwart von Chlorwasserstoff als Verdünnungsmittel
unter den in Tabelle 2 genannten Bedingungen hergestellt worden war und die in Tabelle
4 genannte Zusammensetzung hatte, wurde auf die im Beispiel beschriebene Weise dehydrochloriert,
wobei jedoch
die temperatur des Vorerhitzers 200°C betrug und 10
ml Katalysator in den Quarzreaktor gefüllt wurdcn. Die Zusammensetzung des Einsat-%Jnaterials,
die Reaktionsbedingungen und die Ergebnisse der Analyse des Produkts sind nachstehend
in Tabelle 4 genannt.
-
Tabelle 4-Katalysator Davison Typ 57 SiO2 0,25 - 0,5 im, 10 ml Aktivierung
30 Min. unter N2 bei 40000 Einsatzmenge 0,1 ml/Min.
-
Verdünnungsmittel n-Butan, 150 ml/Min.
-
Temperatur 2300C Druck Normaldruck Komponente Gew.-% im Gew.-% im
Einsatz Produkt* Isopren 0,0 76,5 2-MB-2 Spur 1,0 tert. -Amylchlorid 0,2 Spur Monochlormethylbutene
74,8 19,5 Dichlormethylbutane 19,5 Spur Dichlorpentane 4,0 Spur Schwere Enden 1,5
3,° * Verdünnungsmittel, HCl und Piperylen wurden bei den Spektren der Produkte
außer acht gelassen.
-
Die Ergebnisse des im Beispiel beschriebenen Versuchs und des Vergleichsversuchs
zeigen, daß höhere Ausbeuten und höhere Selektivitäten zu Isopren erzielt werden
können, wenn die Dehydrochlorierungsreaktion in Abwesenheit eines Katalysators durchgeführt
wird.
-
Vergleichsversuch 2 Als Einsatzmaterial wurde ein chloriertes 2-MB-2,
das durch Umsetzung von Chlor und 2-MB-2 in der Gasphase in Gegenwart von Chlorwasserstoff
als Verdünnungsmittel unter den in Tabelle 2 genannten Bedingungen hergestellt worden
war und die in Tabelle 5 genannte Zusammensetzung hatte, nach dem in der USA-Patentschrift
3 522 325 beschriebenen Verfahren dehydrochloriert. Das aus dem Reaktor austretende
gasförmige Produkt wurde zur Entfernung von Chlorwasserstoff durch eine Laugenwasche
geleitet und dann mit einem direkt angebauten Gas-Flüssigkeitschromatographen analysiert.
-
Tabelle 5 Katalysator: 5 % HgCl2, 20 % BaCl2 auf Davison 2Typ 70,
SiO2 0,25-0,5 mm (30 ml), herge stellt durch Imprägnierung mit den Salzen aus wässriger
Lösung Aktivierung: 30 Min. unter N2 bei 3000C Einsatzmenge: 0,35 ml/Min.
-
Stickstoff als Verdünnungsmittel: 520 ml/in.
-
Temperatur: 2500C Druck: Normaldruck Kontaktzeit 1,6 Sekunden Komponente
Gew.-% im Gew.-% im Einsatz Produkt Isopren 0,0 27,3 Penten-2 Spur 0,1 2-MB-2 0,4
0,3 tert. -Amylchlorid 0,4 Spur Monochlormethylbutene 72,5 6,8 Dichlormethylbutane
22,6 2,1
Komponente Gew.-v% im Gew.-% im Einsatz Produkt Dichlorpentane
2,9 1,8 Schwere Enden 1,2 61,6 als Verdünnungsmittel, HCl und Piperylene wurden
in den Produktspektren außer acht gelassen.
-
Im Vergleich zu Beispiel 1 zeigen auch diese Ergebnisse, daß höhere
Ausbeuten und Selektivitäten zu Isopren erzielbar sind, wenn die ehydrochlorierungsreaktion
in Abwesenheit eines Katalysators und unter Verwendung eines Butans als Verdünnungsmittel
durchgeführt wird Beispiel 2 Als Einsatzmaterial wurde ein chloriertes 2-lB-2, das
durch Umsetzung von Chlor und 2-MB-2 in der Gasphase in Gegenwart von Chlorwasserstoff
als Verdünnungsmittel unter den in Tabelle 2 von Beispiel 1 genannten Bedingungen
hergestellt worden war und die in Tabelle 6 genannte Zusammensetzung hatte, auf
die in Beispiel 1 beschriebene Weise, jedoch unter Verwendung eines Isobutans als
Verdünnungsmittel dehydrochloriert. Das chlorierte 2-MB-2 wurde unter Stickstoffdruck
zudosiert und mit Isobutan gemischt, das in einem Stahlrohr, das eine Länge von
3,05 m und einen Innendurchmesser von 3,2 mm hatte und in einem elektrischen Ofen
erhitzt wurde, auf 400°C vorerhitzt worden war. Die Gase wruden dann durch ein leeres
Quarzrohr geleitet, das ein Volumen von 14 ml hatte und in einem elektrischen Ofen
bei der gewünschten Reaktionstemperatur gehalten wurde.
-
Die Reaktionsprodukte wurden mit einem direkt angeschlossenen Gas-Flüssigkeitschromatographen
analysiert.
-
Die Reaktionsbedingungen und die Produktanalysen sind nachstehend
in Tabelle 6 genannt.
-
'Gabelle 6 Einsatzmenge 0,5 ml/Min.
-
Verdünnungsmittel Isobutan, 496 ml/Min.
-
Druck Normaldruck Verweilzeit 0,5 Sek.
-
Versuch Nr. 1 2 3 Temperatur, °C 550 600 650 Komponente Gew.-% im
Gew.-% im Produkt3 Komponente Einsatz Gew.-/o im Produkt Isopren 0,0 26,4 39,6 77,1
2-MB-2 0,3 1,0 1,4 1,6 tert.-Amylchlorid 1,3 Spur Spur Spur Monochlormethylbutene
73,5 63,8 51,3 11,2 Di chlormethylbutane 21,6 1,9 0,0 0,0 Dichlorpentane 1,2 o29
7>7 10,1 Schwere Enden 2,1 * Isobutan, HCl und.Piperylene wurden in den Produktspektren
außer acht gelassen.
-
Beispiel 3 Als Einsatzmaterial wurde chloriertes 2-MB-2, das durch
Umsetzung von Chlor und 2-MB-2 in der Gasphase in Gegenwart von Chlorwasserstoff
als Verdünnungsmittel unter den in Tabelle 2 von Beispiel 1 genannten Bedingungen
hergestellt worden war und die in Tabelle 7 genannte Zusammensetzung hatte, auf
die in Beispiel 1 beschriebene Weise unter Verwendung eines n-Butans als Verdünnungsmittel
bei längerer Verweilzeit dehydrochloriert.
-
Das chlorierte 2-MB-2 wurde unter Stickstoffdruck zudosiert und mit
n-Butan gemischt, das in einem langen, in einem elektrischen Ofen erhitzten, Stahlrohr
von
3,2 mm Innendurchmesser auf 400°C vorerhitzt worden war.
-
Die Gase wurden dann durch ein leeres Quarzrohr geleitet, das ein
Volumen von 14 ml hatte und in einem elektrischen Ofen bei der gewünschten Reaktionstemperatur
gehalten wurde. Die Reaktionsprodukte wurden mit einem direkt angebauten Gas-Flüssigkeitschromatographen
analysiert. Die Reaktionsbedingungen und die Produktanalysen sind nachstehend in
Tabelle 7 genannt.
-
Tabelle 7 Versuch Nr. 1 2 3 Temperaturs °C 0 550 570 600 Komponente
Gew.-% im Gew.-Vo im Produkt Einsatz Isopren 0,0 49,6 58,7 86,9 2-MB-2 0,3 1,5 1,5
1,7 tert.-Amylchlorid 1,3 Spur Spur Spur Monochlormethylbutene 73,5 45,2 35,5 6,5
Dichlormethylbutane 21,6 0,0 0,0 0,0 Dichlorpentane 1,2 Schwere Enden 2,1 3,7 4,3
4,9 * n-Butan, HCl und Piperylene wurden in den Produktspektren außer acht gelassen.
I