DE2504638C2 - Verfahren zur Gewinnung von Butadien aus dem Abgas eines Acetoxylierungsverfahrens - Google Patents

Verfahren zur Gewinnung von Butadien aus dem Abgas eines Acetoxylierungsverfahrens

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DE2504638C2 DE2504638A DE2504638A DE2504638C2 DE 2504638 C2 DE2504638 C2 DE 2504638C2 DE 2504638 A DE2504638 A DE 2504638A DE 2504638 A DE2504638 A DE 2504638A DE 2504638 C2 DE2504638 C2 DE 2504638C2
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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Gewinnung von Butadien aus einem Abgas eines Acetoxylierungsverfahrens, das die Umsetzung von Butadien, Essigsäure und einem sauerstoffhaltigen Gas zur Bildung von Diacetoxybuten umfaßt, wobei sich daran gegebenenfalls eine Hydrolyse oder Hydrierung und Hydrolyse zur Bildung von Butendiol oder Butandiol anschließt.
Bekanntlich kann man Butadien, Essigsäure und ein sauerstoffhaltiges Gas in Anwesenheit eines Palladiumkatalysators zur Bildung von Diacetoxybuten umsetzen; dieses Diacetoxybuten und Diacetoxybutan, ein Hydrierungsprodukt, werden dann hydrolysiert, wodurch man Butendiol und Butandiol erhält. Da das Abgas aus der Acetoxylierungsstufe und dem Reinigungssystem des Acetoxylierungsproduktes wertvolle Komponenten, wie Butadien, enthält, führt die direkte Abgabe dieses Abgases nicht nur zu einem wirtschaftlichen Verlust, sondern auch zur Umweltverschmutzung.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein geschlossenes System zu schaffen, durch welches das wertvolle Butadien in dem Abgas eines Acetoxylierungsverfahrens in wirksamer Weise zurückgewonnen und somit die Luftverschmutzung bekämpft wird.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Gewinnung von Butadien aus dem Abgas eines Acetoxylierungsverfahrens, bei dem Butadien, Essigsäure und ein sauerstoffhaltiges Gas in Anwesenheit eines Palladiumkatalysators umgesetzt werden und das erhaltene Acetoxylierungsprodukt gegebenenfalls hydrolysiert oder hydriert und hydrolysiert wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man zumindest einen Teil des butadienhaltigen Gases aus dem Acetoxylierungssystem und Reinigungssystem des Acetoxylierungsproduktes sowie Essigsäure geirennt in einen Butadienabsorber einführt, durch Gegenstromberührung das Butadien in Essigsäure absorbiert und die butadienhaltige Essigsäure zum Acetoxylierungssystem zurückführt.
Man kann das essigsäurehaltige Gas aus dem-Butadienabsorber in einem Essigsäureabsorber mit Wasser in Berührung bringen, um die Essigsäure daraus zu entfernen. Das dabei gewonnene essigsäurehaltige Wasser kann in der Ausführungsform, bei der das erhaltene Diacetoxybuten oder das durch Hydrieren erhaltene Diacetoxybutan zu Butendiol bzw. Butandiol hydrolysiert werden, in die Hydrolysestufe zurückgeführt werden.
Butadienhakige Abgase aus dem Acetoxylierungssy-
1Ö stern und Reinigungssystem des Produktes, die erfindungsgemäß behandelt werden können, sind z. B. (1) das Spülgas, das zur Verhütung einer Akkumulierung eines inerten Gases, wie N2 und CO2, im Reaktionssystem verwendet wird; (2) das entweichende Gas, das durch Druckverminderung der Reaktionsproduktlösung von Überdruck auf normalen Druck zwecks Freisetzung des gelösten Gases erhalten wird; und (3) ein Gas, das durch Entfernung des gelösten Gases aus dem Reaktionsprodukt vor der Reinigung durch Destillation freigesetzt wird, wie z. B. ein Stabilisierungsgas.
Diese Abgase enthalten gewöhnlich Sauerstoff, Butadien, Essigsäure, Kohlendioxid und in manchen Fällen Stickstoff, wobei die Zusammensetzung in Abhängigkeit vom Ursprung variiert Es ist jedoch entscheidend, die Zusammensetzung während der gesamten Behandlung außerhalb des explosiven Bereiches zu halten.
Ein beim Acetoxylierungsverfahren verwendbares sauerstoffiialtiges Gas ist z. B. Sauerstoff, Luft und mit einem inerten Gas, wie Kohlendioxid, verdünnte Luft.
Art und Menge der Essigsäure zur Absorption von Butadien ist nicht kritisch, und man kann jede Essigsäure einschließlich des handelsüblichen Produktes sowie eine z. B. aus der Diacetoxybutenherstellung und der Hydrolyse von Diacetoxybuten und Diacetoxybutan zurückgewonnene Essigsäure verwenden. Es muß jedoch dafür gesorgt werden, daß die Essigsäure kein Butadien in einer Menge über der Gleichgewichtskonzentration von Butadien in Essigsäure nach der Behandlung enthält.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch die Zeichnungen veranschaulicht, die Fließdiagramme sind. In Fig. 1 wird ein Butadienabsorber gezeigt, dem ein Essigsäureabsorber nachgeschaltet ist. Das butadienhaltige Abgas wird im unteren Teil in den Butadienabsorber eingeführt, während die Essigsäure als Absorptionsmittel zur Gegenstromkontaktierung in den oberen Abschnitt eingeführt wird. Zweckmäßig wird die Temperatur im Absorber möglichst niedrig gehalten, um eine maximale Absorptionswirksamkeit zu erzielen; die Temperatur muß jedoch über dem Gefrierpunkt von Essigsäure (etwa 17°C) liegen und liegt gewöhnlich /wischen 20 und 8O0C.
Die untere Druckgrenze des Absorbers hängt von der zu absorbierenden Butadienmenge und der verwendbaren Essigsäuremenge ab; selbstverständlich ist bei höherem Druck die Absorption größer; aus wirtschaftlichen Gründen wird ein Druck von 1 —148 bar, vorzugsweise 1 —21 bar und insbesondere 6—16 bar verwendet.
Zur erfolgreichen Absorption von Butadien müssen, wie festgestellt wurde, die dem Absorber zugeführten Mengen an Materialien dem durch die folgende Gleichung dargestellten Verhältnis entsprechen:
A + B
> K
Dabei ist A die Molanzahl an Essigsäure, ßdie Molanzahl an Butadien, /die Molanzahl anderer Gase und K
die Gas-Flüssigkeits-Gleichgewichtskonstante von Butadien/Essigsäure. Vom wirtschaftlichen Standpunkt lie.gt das Verhältnis in der Praxis gewöhnlich zwischen
A + B I+B
und vorzugsweise
Die zu verwendende Essigsäuremenge variiert in Abhängigkeit von der zu absorbierenden Abgaszusammensetzung und liegt gewöhnlich zwischen 1 und 10 000 kg pro kg Butadien, vorzugsweise zwischen 10 und 1000 kg. Es kann jeder für übliche Absorptionsverfahren geeignete Absorber, wie z. B. eine Füllkörperkolonne, Bodenkolonne oder Sprühkolonn^, verwendet werden.
Das vom Kopf des Butadienabsorbers freigesetzte Abgas enthält nur 50 ppm (Vol.) oder weniger Butadien und ist mit Essigsäure gesättigt. Es ist jedoch möglich, den Butadiengehalt durch entsprechende Wahl der Verfahrensbedingungen noch weiter zu verringern.
Dann wird das essigsäurehaltige Abgas aus dem Butadienabsorber in den unteren Abschnitt eines Essigsäureabsorbers eingeführt, während die butadienhaltige Essigsäure vom Boden des Absorbers abgezogen und zu einer Acetoxylierungsstufe geführt wird.
Im oberen Abschnitt wird dem Essigsäureabsorber essigsäurefreies Wasser in einer Menge von 1 — 10 000 kg pro kg zu absorbierender Essigsäure, vorzugsweise von 10—1000 kg, zugeführt. Die Bedingungen zur Durchführung der Essigsäureabsorption, wie Temperatur und Druck, werden so gewählt, daß sie denen im Butadienabsorber ähnlich sind.
Bei Verwendung großer Wassermengen in der Essigsäureabsorption erhöht sich die Absorptionswirksamkeit, jedoch nimmt die Essigsäurekonzentration im Wasser nach der Behandlung ab. Selbstverständlich genügi es, dis Mindestwassermenge zu verwenden; es ist besonders zweckmäßig, möglichst wenig Wasser zur Hydrolyse von Diacetoxybutan und Diacetoxybuten zu verwenden, wo das essigsäurehaltige Wasser erneut zur Hydrolyse verwendet wird.
Das Abgas vom Kopf des Essigsäureabsorbers enthält nur 50 Vol.-ppm oder weniger Essigsäurs.
Die F i g. 2 zeigt die Einordnung des erfindungsgemäßen Gewinnungsverfahrens in die Verfahrensabläufe von Acetoxylierung und Hydrolyse von Diacetoxybuten oder Diacetoxybutan:
Acetoxylierung und Behandlung des Produktes
Essigsäure, ein sauerstoffhaltiges Gas und Butadien werden zu einem Acetoxylierungssystem geführt, das mit einem Acetoxylierungskatalysator in Form einer Palladiumverbindung und einem Kokatalysator, z. B. einem Redox-System aus Palladiumsalz und Kupfersalz, einem Trägerkatalysator aus metallischem Palladium und einem Kokatalysator aus der Gruppe von Bi, Se, Sb und Tl auf einem Träger, wie Aktivkohle, Kieselsäure oder Tonerde, gefüllt ist. Die Acetoxylierung erfolgt gewöhnlich bei 40-1800C, vorzugsweise 60—1500C, und einem Druck über normalem Druck, vorzugsweise 5—200 bar. Das Acetoxylierungsprodukt wird wahlweise in einem Stabilisator zur Abtrennung eines butadienhaliigen Gases entgast
Das entgaste Acetoxylierungsprodukt wird z. B-durch Destillation zwecks Entfernung von Wasser, Essigsäure und niedrig siedenden Nebenprodukten gereinigt und dann in einem mit einem sauren Katalysator, z. B. einem Hydrolysekatalysator aus einem Kationenaustauscherharz vom Sulfonsäuretyp, bei einer Temperatur von 50—1000C hydrolysiert Dai Hydrolyseprodukt wird zur Abtrennung von Essigsäure und Wasser destilliert die zur anschließenden Reinigungs- und Trennungsstufe geführt werden. Während die restliche, Butendiol enthaltende Fraktion zur Gewinnung des gewünschten Butendiols gereinigt wird. Die aus der Reinigungs- und Trennungsstufe abgetrennte Essigsäure wird zum Butadienabsorber geführt
Zur Herstellung von Butandiol wird das gereinigte Acetoxybuten mit Wasserstoff in Anwesenheit eines üblichen Hydrierungskatalysators, wie Palladium- und Nickel-Trägerkatalysatoren, bei einer Temperatur von Raumtemperatur bis 2000C, vorzugsweise 50—150°C, hydriert und liefert Diacetoxybutan.
Das so gebildete Diacetoxybutan wird nach ähnlichen Verfahren wie Diatoxybuten hydrolysiert.
Gaszufuhr zum Butadienabsorber
Die dem Butadienabsorber zuzuführenden, butadienhaltigen Gase sind insgesamt oder teilweise das Abgas aus der Acetoxylierur.g und das aus dem Gasstabilisator freigesetzte Gas; diese können getrennt oder in Kombination zugeführt werden.
Essigsäurekreislauf
Die aus dem Reinigungs- und Trennungssystem und der gegebenenfalls verwendeten Hydrolysestoffe entfernte Essigsäure wird getrennt zum Butadienabsorber geführt, in welchem die Gegenstromberührung von Essigsäure und butadienhaltigem Gas erfolgt. Die butadienhaltige Essigsäure aus dem Absorber wird als Teil des Ausgangsmaterials für die Acetoxylierung zum Acetoxylierungssystem zurückgeführt.
Dagegen wird das essigsäurehaltige Gas aus dem Butadienabsorber zu einem Essigsäureabsorber geführt, dem frisches Wasser zur sicheren Gegenstromkontaktierung zwecks Absorption der Essigsäure in Wasser zugeführt wird. Das aus dem Essigsäureabsorber entfernte, essigsäurehaltige Wasser wird, gegebenenfalls nach Reinigung zur Entfernung niedrig siedender Verunreinigungen, zur Hydrolysestufe geleitet.
Das Abgas, aus dem Essigsäure entfernt worden ist, enthält keine weiteren wertvollen oder giftigen Komponenten.
Das erfindungsgemäße Gewinnungsverfahren wird somit in ein geschlossenes System integriert, in welchem Butadien im Abgas durch Absorption in Essigsäure gewonnen und zur Acetoxylierungsstufe zurückgeführt wird und in welchem weiterhin die zur Butadiengewinnung verwendete Essigsäure durch einfaches Waschen mit Wasser gesammelt wird, wobei das Wasser dann zur Hydrolyse des Acetoxylierungsproduktes verwendet werden kann. Auf diese Weise wird jegliche Umweltverschmutzung vermieden.
Wenn das Waschwasser nicht zur Hydrolyse verwendet wird, wird das essigsäurehaltige Wasser biochemisch behandelt, um es zu entgiften.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen das Verfahren der Erfindung.
Beispiel 1
Durch eine gefüllte Schicht eines Katalysators aus Palladium/Selen auf Aktivkohle als Träger wurden kontinuierlich 4O0kg/std Essigsäure, 120kg/std Butadien und 734 NmVstd 6% Sauerstoff enthaltendes Gas zwecks Acetoxylierung zur Erzielung eines Abgases mit der folgenden Zusammensetzung geleitet:
Komponente Anteil, Vol.-%
Butadien 0,66
Sauerstoff 2,84
Stickstoff 94.89
Kohlendioxid 1.58
Essigsäure 0,03
10
In F i g. 1 war der verwendete Butadienabsorber eine Vorrichtung von 500 mm innerem Durchmesser und mit einer 300 mm hohen Schicht (mit 25 mm Raschig-Ringen) gefüllt; der Essigsäureabsorber hatte einen inneren Durchmesser von 300 mm und eine gefüllte Schicht von 2000 mm Höhe (mit 25 mm Raschig-Ringen); beide Absorber wurden bei einer Temperatur von 40° C und einem Druck von 6 bar betrieben.
Der Butadienabsorber wurde mit dem Abgas der obigen Zusammensetzung in einer Menge von 720 NmVstd und Essigsäure in einer Menge von 3180 kg/std beschickt; der Essigsäureabsorber wurde mit entmineralisiertem Wasser in einer Menge von 104 kg/std beschickt. Der Gehalt von Butadien und Essigsäure im Abgas aus dem Essigsäureabsorber lag unter 50 ppm, wobei diese Konzentration geringer als der niedrigste feststellbare Wert ist.
Die Essigsäure aus dem Butadienabsorber enthielt 0,35 Gew.-% Butadien und eine winzige Menge Kohlendioxid und Stickstoff. Die gesamte Essigsäure wurde als Teil des Essigsäureausgangsmaterials zum Acetoxylierungssystem geführt.
Aus dem Essigsäureabsorber erhielt man !,0Gew.-% Essigsäure enthaltendes Wasser, das als Teil des zur Hydrolysereaktion von Diacetoxybuten zugeführten Wassers verwendet würde, wobei sich während der Hydrolyse keine Schwierigkeiten zeigten.
Beispiel 2
Hier erfolgte der Verfahrensablauf gemäß F i g. 2; Arbeitsbedingungen und Absorber waren wie in Beispiel 1, wobei jedoch der Absorberdruck 11 bar beträgt.
67 kg Mol/std Essigsäure, 2,0 kg Mol/std Butadien und 33,2 kg Mol/std 7,2% Sauerstoff enthaltender Stickstoff wurden bei einer Temperatur von 80—100°C und einem Druck von 30 bar zur Acetoxylierung in »steady-state« Zustand in einer Acetoxylierungsvorrichtung über eine Schicht eines Katalysators aus Palladium/Selen auf Aktivkohle als Träger geleitet Man erhielt ein Abgas der folgenden Zusammensetzung, das zum Butadienabsorber geführt wurde:
Dann wurde das Acetoxylierungsprodukt zur Gewinnung von 62,8 kg Mol/std Essigsäure und 2,5 kg Mol/std Wasser destilliert und die erhaltenen Produkte zum Reinigungs- und Trennungsturm geführt. Eine Hydrolysevorrichtung, die mit einem Kationenaustauscherharz vom Sulfonsäuretyp gefüllt war, wurde mit Diacetoxybuten aus der Acetoxylierungsstufe und Wasser, das 4,2 Mol-% Essigsäure enthielt, in einer Menge von 19,8 kg Mol/std aus dem Reinigungs- und Trennungsturm zwecks Hydrolyse bei einer Temperatur von 60—90°C beschickt. Das Hydrolyseprodukt wurde destilliert, und es wurden 4,6 kg Mol/std Essigsäure und 15,2 kg Mol/std Wasser entfernt, die in den Reinigungsund Trennungsturm eingeführt wurden.
Die im Reinigungs- und Trennungsturm gewonnene Essigsäure wurde in einer Menge von 66,7 kg Mol/std zum Butadienabsorber geführt.
Das 0,3 Mol-% Essigsäure enthaltende Abgas vom Kopf des Butadienabsorbers wurde in einer Menge von 32,1 kg Mol/std zum Essigsäureabsorber geleitet, dem auch Wasser in einer Menge von 1,7 kg Mol/std zugeführt wurde. Das Abgas vom Kopf des Essigsäureabsorbers enthielt weniger als 50 Vol.-ppm Butadien bzw. Essigsäure.
Das 6,6 Mol-% Essigsäure enthaltende Wasser wurde vom Boden des Essigsäureabsorbers in einer Menge von 1,6 kg Mol/std entfernt und dann zur Reinigungsund Abtrennungsvorrichtung geführt.
0,3 Mol-% Butadien enthaltende Essigsäure wurde vom Boden des Butadienabsorbers in einer Menge von 67,0 kg Mol/std abgetrennt und zum Acetoxylierungssystem zurückgeführt. Frische Essigsäure wurde der zurückgeführten Essigsäure zugegeben, um die während des Verfahrens verbrauchte Essigsäure zu ersetzen.
Nach Reinigung des Hydroiyseproduktes erhielt man rohes Butendiol in einer Menge von 1,9 kg Mol/std.
Beispiel 3
Die Acetoxylierung erfolgte wie in Beispiel 1, jedoch war das in der Acetoxyüerung eingesetzte sauerstoffhaltige Gas mit Kohlendioxid verdünnte Luft, wodurch man ein Abgas der folgenden Zusammensetzung in einer Menge von 730 NmVstd erhielt:
45
50
Komponente Vol.-%
Butadien 0,67
Sauerstoff 2,89
Stickstoff 23.19
Kohlendioxid 73,21
Essigsäure 0,04
Komponente kg Mol/std
Sauerstoff 0,7
Stickstoff 30,8
Kohlendioxid 0,5
Butadien 0.2
insgesamt 32.2
Das gemäß Verfahren von Beispiel 1 behandelte Abgas umfaßte O2, N2, CÖ2 und H2O sowie 70 Vol.-ppm Butadien und weniger als 50 Vol.-ppm Essigsäure.
Die Zusammensetzung der butadienhaltigen Essigsäure aus dem Butadienabsorber war ähnlich wie in Beispiel 1, und die gesamte Essigsäure wurde als Teil des Essigsäureausgar.gsmaterials zum Acetoxylierungssystem geführt.
65
Beispiel 4
Gemäß F i g. 1 hatte der Butadienabsorber einen inneren Durchmesser von 200 mm und war auf eine Höhe von 3000 mm (mit 15 mm Raschig-Ringen) gefüllt: der
Komponente kg Mol/std
Butadien 0,42
Sauerstoff 0.04
Stickstoff 0,03
Kohlendioxid 0,35
Essigsäure 0,00
Das erhaltene Abgas enthielt 115 Vol.-ppm Butadien und weniger als 50 Vol.-ppm Essigsäure.
Essigsäureabsorber hatte einen inneren Durchmesser von 120 mm und war auf eine Höhe von 2000 mm (mit 10 mm Raschig-Ringen) gefüllt. Beide Absorber wurden unter normalem Druck auf 4O0C gehalten. Der Butadienabsorber wurde mit einem Abgas der folgenden Zusammensetzung in einer Menge von 18,8Nm3/std und 600 kg/std Essigsäure beschickt, während der Essigsäureabsorber mit entmineralisiertem Wasser bei 18 kg/ std beschickt wurde.
säure enthielt 0,7 Mol-% Butadien und wurde zusammen mit frischer Essigsäure in einer dem Verlust während des Verfahrens entsprechenden Menge zum Acetoxylierungssystem zurückgeführt.
Das rohe Butendiol wurde als gewünschtes Produkt aus der Hydrolysestufe in einer Menge von 17,6 kg Mol/ std gewonnen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Beispiel 5
Es wurden hier Absorber und Arbeitsbedingungen wie in Beispiel 4 verwendet, und die Abgasbehandlung erfolgte in dem geschlossenen System gemäß F i g. 2.
In »steady-state« Zustand wurden 550 kg Mol/std Essigsäure, 18 kg Mol/std Butadien und 83,8% Sauerstoff enthaltendes Gas (13,6 kg Mol/std) bei einer Temperatur von 60—800C und einem Druck von 6 bar zwecks Acetoxylierung durch eine gefüllte Schicht aus einem Katalysator aus Palladium/Selen auf Aktivkohle als Träger geleitet. Ein Abgas mit der folgenden Zusammensetzung aus dem Reaktor wurde in einer Menge von 8,2 kg Mol/std zum Butadienabsorber geführt:
Komponente
kg Mol/std
Sauerstoff
Stickstoff
Kohlendioxid
Butadien
0,4
0,3
3,5
4,2
Das Acetoxylierungsprodukt wurde zur Abtrennung von 514,8 kg Mol/std Essigsäure und 41,7 kg Mol/std Wasser destilliert, die dann weiter gereinigt wurden. Das verbleibende Diacetoxybuten wurde zu einer Hydrolysestufe geführt der auch 91,7 kg Mol/std Wasser, das etwa 4 Mol-% Essigsäure enthielt, aus dem Reinigungssystem zugegeben wurden. Das hydrolysierte Produkt wurde zur Entfernung von 38,9 kg Mol/std Essigsäure und 52,8 kg Mol/std Wasser destilliert und diese Materialien zum Reinigungs- und Trennungsturm geführt, aus welchem 96 Mol-% Essigsäure in einer Menge von 57,3 kg Mol/std gewonnen und zum Butadienabsorber zurückgeführt wurden.
Das Abgas aus dem Butadienabsorber (4,4 kg Mol/ std) enthielt 4,5 Mol-% Essigsäure und wurde zum Essigsäureabsorber geleitet, der auch mit 16,7 kg Mol/std Wasser beschickt wurde. Das Abgas aus dem Absorber enthielt 115 Vol.-ppm Butadien und weniger als 50 ppm Essigsäure. Das aus dem Essigsäureabsorber entfernte, 1,2 Mol-% Essigsäure enthaltende Wasser wurde in einer Menge von 16,6 kg Mol/std zum Reinigungs- und Trennungsturm geschickt; die daraus entfernte Essig-

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Gewinnung von Butadien aus dem Abgas eines Acetoxylierungsverfahrens, bei dem Butadien, Essigsäure und ein sauerstoffhaltiges Gas in Anwesenheit eines Palladiumkatalysators umgesetzt werden und das erhaltene Acetoxylierungsprodukt gegebenenfalls hydrolysiert oder hydriert und hydrolysiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß man zumindest einen Teil des butadienhaltigen Gases aus dem Acetoxylierungssystem und Reinigungssystem des Acetoxylierungsproduktes sowie Essigsäure getrennt in einen Butadienabsorber einführt, durch Gegenstromberührung das Butadien in Essigsäure absorbiert und die butadienhaltige Essigsäure zum Acetoxylierungssystem zurückführt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Butadienabsorber bei einer Temperatur von 20 bis 800C und einem Druck von 1 bis 148 bar hält.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Butadienabsorber Essigsäure in einer Menge von 10 bis 1000 Gew.-Teilen pro Teil Butadien zuführt.
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