DE2627475B2 - Verfahren zur Herstellung von Terephthalsäure - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Terephthalsäure

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Terephthalsäure, insbesondere auf ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Terephthalsäure mit hoher Reinheit, die zur r» Herstellung von Polyestern nach dem sogenannten direkten Veresterungs- oder direkten Polykondensationsverfahren ohne Notwendigkeit einer zusätzlichen kostspieligen Reinigung geeignet ist Neuerdings ist es üblich, Polyester, wie Polyethylenterephthalat, aus Terephthalsäure und nicht aus Dimethylterepthalat herzustellen, das durch Umesterung in den -Polyester umgewandelt wird. Es ist wesentlich, daß die zur direkten Polykondensation bei der Polyesterherstellung geeignete Terephthalsäure von ausgezeichneter Quali- r> tat ist und z. B. einen Gehalt an Verunreinigungen, wie 4-CarboxybenzaIdehyd, von weniger als 300 ppm hat. Dazu wird die nach einem bekannten Oxidationsverfahren hergestellte Terephthalsäure gewöhnlich einem kostspieligen und komplizierten Reinigungsverfahren w unterworfen.
Zur Herstellung von hochgradig reiner Terephthalsäure sind bereits verschiedene Verfahren vorgeschlagen 7/orden. So liegt z.B. die GB-PS 12 41298 die Oxidation von p-Xylol bei 150—2000C in Anwesenheit v> eines CO-Mn-Br Katalysators mit Kobalt als Hauptbestandteil in einem Atomverhältnis von Mn/uCo unter I. Das Produkt dieses Verfahrens isl jedoch nicht zur direkten Polymerisation bei der Polyesterherstellung geeignet, und zwar aufgrund des hohen 4-Carboxybenz- m> aldehydgebalies und des niedrig en DiirchläMigkeil werlcs einer alkalischen Lösung ties Produktes. Dieser Wert zeigt an, ob ein daraus hergestellter Polyester verfärbt sein wird, und wird hervorgerufen durch die relativ niedrige Keaktionstemperaiur. die /ur Bildung liner ι>· wünschter Oxidations/wischenproduktc. wie 4-C'ar Hoxxbcnzaldchyd. führt, die in i\cn Kristallen des Endproduktes eingeschlossen sind und kaum entfernt
werden können.
Diese Nachteile kann man vermeiden, wenn man ein großes ReaktionsgefäB verwendet und/oder die Reaktionszeit verlängert Allerdings ist dies unwirtschaftlich und bringt einen erhöhten Verlust an Lösungsmittel durch Abbrennen (Zersetzung), d.h. Oxidation der Essigsäure in Kohlenoxide, mit sich.
Die JP-OS 36 732/1970 beschreibt ein Co-Mn-Br Katalysatorsystem, in welchem der Mn Gehalt unter 20 Gew.-%, bezogen auf Co, liegt
Mit diesem Katalysator ist hoch-gradig reine Terephthalsäure jedoch nur erhältlich, wenn der Katalysator in relativ großer Menge, z. B. über 3000 ppm, bezogen auf das Lösungsmittel, verwendet wird. Weiter wird festgestellt, daß bei der empfohlenen Reaktionstemperatur von 170—2000C die Durchlässigkeit einer alkalischen Lösung des Produktes verbessert wird, daß jedoch der 4-Carboxybenzaldehyegehalt und die Zersetzung des Lösungsmittels unnanehmbar sind. Versucht man dagegen, den 4-Carboxybenzaldehydgehalt zu verringern, dann nimmt die Produktivität merklich ab. Bei einer hohen Reaktionstemperatur wird ein erhöhter 4-Carboxybenzaldehydgehalt, Verlust an Lösungsmittel durch Zersetzung und Abnahme des Durchlässigkeitswertes festgestellt
Erfindungsgemäß wurde nun nach Oxidationsbedingungen gesucht unter welchen man Terephthalsäure aus p-Xylol mit hoher katalytischer Aktivität (d.h. unter Benötigung von weniger Katalysator), geringerer Zersetzung des Lösungsmittels und mit hoher Reinheit des Endproduktes herstellen kann. Diese Ziele können erreicht werden durch entsprechende Wahl von Verhältnis und Zusammensetzung an Co, Mn und Br im Katalysatorsystem und Wahl eines Temperaturbereiches, innerhalb dessen p-Xylol in flüssiger Phase oxidiert wird.
Das erfindung' ;emäße Verfahren zur Herstellung von hochreiner Terephthalsäure durch Oxydation von p-Xylol in Essigsäure als Lösungsmittel mit einem sauerstoffhaltigen Gas bei erhöhter Temperatur in Gegenwart eines Katalysators, der besteht aus (a) einer Kobaltverbindung in einer Menge (als Co) von 200 bis 600 ppm, bezogen auf das Lösungsmittel, (b) einer Manganverbindung in einer Menge (als Mn) zwischen dem 03- und dem !^fachen des Gewichtes des Kobalts und (c) mindestens einer Bromverbindung in einer Menge (als Br) von 400 bis 2000 ppm, bezogen auf das Lösungsmittel, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktion bei einer Temperatur von 205 bis 225° C durchgeführt wird und daß al.- Brom verbindung Bromwasserstoff, Manganbromid oder Kobaltbromid verwendet wird.
Bei der Durchführung der Oxidation von p-Xylol in flüssiger Phase mit einem sauerstoffhaitigcn Gas in Anwesenheit eines erfindungsgemäßen Katalysators kann jedes bekannte Oxdalionsverfahren, wie es z. B. in der US·PS 28 33 816 beschrieben isl, verwendet werden, solange die Komponenten und ihr Verhältnis im Katalysator sowie der Oxidationstempcratiirbercich den erfindungsgemäfcn Angaben entsprechen. Die erfindiingigemäße Oxidation erfolgt zweckmäßig als kontinuierliches oder halbkontinuicrlichcs Verfahren, wobei ersteres vom technischen Standpunkt besonders vorteilhaft ist. Die d;;s Kcnklions'osungsmittcl bildende Essigsäure kann eine geringe Meng«..· Wasser, /. H. bis /11 )0C!ew.-% enthalten.
Erfindungsgemäß geeignete Kobalt verbindungen umfassen /. Ii. Kohaltacctat. -niiplhcn.it, -ciirbonat und
-bromid. Die (ausgedrückt in Co) zu verwendende Menge beträgt vorzugsweise 250—500 ppm und insbesondere 300—400 ppm, bezogen auf das Lösungsmittel.
Erfindungsgemäß geeignete Manganverbindungen umfassen z.B. Manganacetat, -naphthenat, -carbonat und -bromid. Die zu verwendende Menge (ausgedrückt als Mn) liegt vorzugsweise zwischen dem 0,6- bis !^fachen, des Co Gewichtes. Wenn die Menge der Manganverbindung von den beanspruchten Werten abweicht, ist die hochgradig reine Terephthalsäure nicht zu erhalten.
Bezüglich der Bromverbindung ist es wesentlich, mindestens eine Verbindung aus der Gruppe von Bromwasserstoff, Manganbromid und Kobaltbromid zu verwenden. Andere Bromverbindungen, wie Natriumbromid, Kaliumbromid, Ammoniumbromid und Tetrabromäthan, haben nur eine geringe katalytische Aktivität und die erwünschte Wirkung kann nicht erzielt werden.
Die zu verwendende Menge an Bromverbindung (ausgedrückt als Br) liegt zwischen 400—2000 ppm, vorzugsweise zwischen 700—1500 ppm, bezogen auf das Lösungsmittel und damit (als Br) über dem 2,0fachen, vorzugsweise über dem 2,5fachen des Co Gewichtes.
Eine zu große Menge an Brorcverbi.Jung ergibt keine Verbesserung der Qualität der erhaltenen Terephthalsäure, sondern macht eine Rückgewinnung der Bromverbindung zur erneuten Verwendung notwendig, während eine zu geringe Menge eine Abnahme der Reinheit bewirk»
Kobaltbromid oder Man,,",anbroHd wirken sowohl als Bromverbindung als a'ich als Kobalt- oder Manganverbindung im Katalysator.
Auch der beanspruchte Temperaturbereich ist kritisch, da außerhalb desselben selbst mit dem erfindungsgemäßen spezifischen Katalysator wenig oder keine Verbesserung erzielt werden kann.
Bisher wurde bei der Herstellung einer für die Polyesterherstellung durch direkte Polykondensation geeigneten Terephthalsäure die Oxidation von p-Xylol bei einer Temperatur unter 200"C durchgeführt, weil eine Temperatur oberhalb 2000C zu einer minderwertigen Terephthalsäure und zur Zersetzung einer großen Menge der Essigsäure führte. Daher ist es erfindungsgemäß unerwartet und überraschend, das Oxidationsverfahren von p-Xylol bei einer Temperatur oberhalb 200°C zur Herstellung hochgradig reiner Terephthalsäure mit weniger Zersetzung der Essigsäure durchzuführen.
Der Druck zur Durchführung der erfindungsgemäßen Oxidation ist nicht entscheidend, solange die Reaktionsmassc, in welche ein saucrstoffhaltigcs Gas eingeführt wird, in flüssigem Zustand gehalten wird; der Bereich liegt zwischen 9,8-49 bar.
Das saucrstoffhaltigc Gas kann Sauerstoff im Gemisch mil bis zu 95% eines inerten Gases sein, wie /.. B. insbesondere Luft. Die dem Reaktionssystem zuzuführende Gesamtmenge an Sauerstoff beträgt gewöhnlich I -100 MoI1 vorzugsweise I-100 Mol. pro Mol zn oxidierendem p-Xylol. Hei Verwendung von Luft wird diese mit solcher Geschwindigkeit eingeführt, dal' das Abgas aus dem Reaktionsgefäl.l Ι.·> — Η Vol.-"/». vor/ugs weise 3— ί Vol.-%, Sauerstoff emhiilt.
Das Rcaktionsprodnkt wird in lorm einer festen Terephthalsäure enthaltenden Aufschlämmung erhallen und in übliche Weise kristallisiert und einer I liissigkeits-Feststoff-Trennung unterworfen. Gegebenenfalls wird die so erhaltene feste Terephthalsäure mit Wasser oder Essigsäure gewaschen. Das Waschen erfolgt vorzugsweise durch Suspendieren der festen Terephthalsäure in Wasser oder Essigsäure, worauf die erhaltene Aufschlämmung erneut zur Erzielung von fester Terephthalsäure einer Flüssigkeits-Feststoff-Trennung unterworfen wird.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen die >'orlie-
U) gende Erfindung; die Versuche sind zu Vergleichszwekken aufgeführt und mit Buchstaben bezeichnet. Die verschiedenen Messungen und Definitionen sind im folgenden erläutert:
Durchlässigkeit (T340)
Die Durchlässigkeit wird mit einer Lösung aus 7,5 g Terephthalsäure in 50 ecm 2N wäßrigem Kaliumhydroxid in einem Spektrophotometer unter Verwendung einer Zelle mit einer inneren Größe von 1 cm und einer Wellenlänge von 340 πιμ gemessen.
Zersetzung (Verbrennung)
Die Zersetzung wird berechnet auf der Basis der CO und CO2 Mengen ![Zersetzungsprodukte von Essigsäure) :i im Abgas aus dem Reaktionsgefäß jedes Versuches; die Ergebnisse sind in Beispiel 1 als 1 ausgedrückt
Ges^mtkatalysator
Der Gesamtkaitalysator ist ausgedrückt als Sulmme χι von Co, Mn und Br in Kobalt-, Mangan- und Bromverbindung als ppm für die Lösungsmittel.
Beispiel 1
ii Ein 10-l-Autoklav aus Titan, der mit Rückflußkühler, Rührer, Heizmitteln, einem Einlaß für p-Xylol und sauerstoffhaltiges Gas und einem Auslaß für die Reaktionsproduktaufschlämmung versehen war, wurde mit den folgenden Materialien beschickt:
Essigsäure Kobaltacctattelrahydrat Manganacetattetrahydrat
Bromwasserstoff
(47-%ig.wäßr.Lösung)
Wasser
2990 g 4,44 g 4.68 g
6,70 g 154g
Bei einer Temperatur von 2100C. einem Druck von 24,5 bar und bei Rühren mit 500 Umdr7min wurde p-Xylol mit einer Geschwindigkeit von 500 g/std eingeführt; gleichzeitig wurde Luft mit solcher Geschwindigkeit eingeleitet, daß das Abgas 4 Vnl.-% Sauerstoff enthielt; die Oxidation wurde 2 Stunden durchgeführt, dann wurde zusätzliche Luft 1,5 Minuten lang eingeführt.
Nach Abkühlenlassen auf 100°C wurde das Rcaktionsprodukt in Form einer Aufschlämmung gewonnen und abgetrennt. Dann wurde die erhaltene Terephthalsäure mit dem 3fachen ihres Gewichtes an Essigsiitire gemischt, und es wurde 20 Minuten bei 80°C gerührt. Dann wurde das feste Material abgetrennt und getrocknet
Der 4-C'arhoxy'focn/aldchydgchali und die Durchlässigkeit des Produktes sind in Tabelle I angegeben.
Versuch Λ— |
Beispiel I wurde für Vergleich/wecke mit den in Tabelle I genannten Parametern wiederholt. Die F-Tgcbnisse sind ebenfalls in Tabelle 1 aufgeführt.
1 Mn 5 Μη/Co 26 27 475 g/std Oxidat.- T.mi 6 4-CBA" Zer Ausbeule
1500 temp. setzung an TPA**
Tabelle ppm 500 C
Beisp. 330 1,0 500 210
Katalysator 330 Br 1,0 500 195 %
300 0,91 Brom 500 190 94,0 150 1,0 97,1
Co 33U ppm 1,0 verb. Reuktions- 500 230 90,0 250 0,9 97,5
250 1000 0,758 bedingungen 500 230 90,0 550 0,5 97,6
1 ppm 600 1000 1,82 HBr Gesamt- p-Xylol 500 210 88,0 332 1,9 97,6
(A) 330 150 1000 0,455 HBr katalys 250 210 86,0 352 1,8 97,6
(B) 330 100 1000 0,1 HBr ppm 500 190 83,0 170 1 97,1
(C) 330 100 1000 0,1 HBr 1660 190 90,0 250 0,9 97,0
(D) 330 100 1000 0,1 HBr 1660 210 93,7 280 0,7 97,6
(E) 330 1000 HBr 1630 94,0 200 1,4 97,6
(F) 330 3000 HBr 1660 92,0 250 1,4 97,1
(Ci) 330 3000 HBr !580
(H) 1000 3000 HBr 1830
(D 1000 HBr 1480
1000 4100
4100
4100
1 = 4-Carboxybenzaldehyd.
** = Terephthalsäure; gewonnenes festes Produkt + in Mutterlauge gelöste Anteile.
Aus den obigen Ergebnissen können die folgenden SchlUssge gezogen werden:
Versuch A und B zeigen, daß eine niedrige Reaktionstemperatur zu einer Terephthalsäure mit einem hohen Anteil an Verunreinigungen, angezeigt durch die geringe Durchlässigkeit, führt.
In Versuch C und D wurden höhere Reaktionstemperaturen angewendet; der Gehalt an Verunreinigungen ging nicht wesentlich zurück, weshalb das Produkt eine geringe Durchlässigkeit hatte und sich die Zersetzung des Lösungsmittel erhöhte.
Aus Versuch E und F ist ersichtlich, daß die Verwendung einer Mangan- und einer Kobaltverbindung in höherem oder niedrigerem Anteil als beim angegebenen Bereich zur Bildung eines minderwertigen Produktes führt. In Versuch G wurde mit einem Katalysator, der einen geringen Anteil einer Manganverbindung enthielt, eine niedrige Reaktionstemperatur (d.h. 1000C) verwendet; die Zersetzung des Lösungsmittels wurde verringert, jedoch enthielt das Endprodukt
einen hohen Anteil an Verunreinigungen.
Versuch H war ähnlich wie Versuch G, wobei jedoch die Beschickungsgeschwindigkeit von p-Xylol verringert wurde; die Qualität der Terephthalsäure wurde verbessert, jedoch nahm die Produktivität ab, und eine große Menge Essigsäure ging durch Zersetzung verloren.
In Versuch I ergab mit einem Katalysator mit einem geringen Anteil einer Manganverbindung eine Reaktionstemperatur von 21O0C ein minderwertiges Endprodukt, wobei sich die Menge an zersetzter Essigsäure erhöhte. Weiter benötigen Versuche G-I einen weit höheren Gesamtkatalysator.
Beispiel 2bis7
(halbkontinuieriches Verfahren)
Es wurde die Vorrichtung von Beispie! 1 verwendet, wobei die verschiedenen Katalysatoren und Reaktionsbedingungen in Tabelle 2 genannt sind, die auch die Ergebnisse enthält.
Tabelle 2 Co Mn Br Mn/Co Broni- Gesaml- Reaktions Oxidat,- T.Mii 4-CBA1 Zer Ausbeute
verb. katalys. bedingungen tetrp. setzung an TPA**
Öeisp. Katalysator ppm ppm ppm ppm p-Xyio C
330 330 1000 1,0 HBr 1660 220
330 250 1000 0,756 HBr 1580 g/std 210 ppm %
3.10 330 1500 1,0 HBr 2160 950 210 94,0 170 I 96,8
330 330 900 1,0 CoBr: 1560 500 210 93,5 160 0,9 97,1
2 330 420 1000 1,27 HBr 1750 500 210 94,0 160 I 97.1
3 330 .130 960 1,0 MnBr, 1620 SOO ">!<) 93.4 170 I 97,1
4 siehe T ihcllc I SOO 93.5 160 I 97.1
5 siehe I libelle I 500 93.2 170 I 97.1
6
7
+ -
+ *
Aus den obigen Ergebnissen ist zu ersehen, daß das erfindungsgemäße Verfahren viele Vorteile bietet; so ergibt die Verwendung einer relativ geringen Katalysatormenge eine hohe Produktivität, die Bildung von hochgradig reiner Terephthalsäure und einen geringeren Verlust an Essigsäure durch Zersetzung, selbst bei relativ hoher Reaktionstemperatur.
Beispiel 8
und Versuch !(kontinuierliches Verfahren)
Das Reaktionsgefäß war ähnlich wie in Beispiel 1, wobei sich jedoch der Ausgang für die Reaktionspro· duktaufschlämmung in einer Höhe von 45% vom Reaktorboden befand und ein Einlaß für das Lösungsmittel vorgesehen war.
Ausgangsmaterialien in den in Beispiel 1 angegebe nen Mengen wurden in das Gefäß eingeführt, dann
Tabelle 3
wurde die Oxidation 2 Stunden wie in Beispiel I durchgeführt. Anschließend wurden p-Xylol und die die Katalysatorkomponenten enthaltende Essigsäure sowie Wasser in den in Beispiel 1 angegebenen Verhältnissen mit einer Geschwindigkeit von 400 g/std bzw. 1200 g/std eingeführt, und in Abständen von 30 Minuten wurde das Reaktionsprodukt entfernt, bis die Höhe der Reaktionsinasse die Stellung des Produktauslasses erreicht hatte. 12 Stunden nach Reaktionsbeginn wurde die p-Xylolzufuhr abgebrochen. Dann wurde 1,5 Minuten Luft in die abgezogene Aufschlämmung eingeleitet, und die Aufschlämmung wurde wie in Beispiel 1 gewaschen.
Vergleichsweise wurde die Oxidationsreaktion unter den Reaktionsbedingungen von Versuch G wiederholt (Versuch )) Bedingungen und Ergebnisse von Beispiel 8 und Versuch J sind in Tabelle 3 aufgeführt.
Beisp.
(Ver
such)
Katalysator
Co Mn
ppm 1. Br Mn/Co Brom
verb.
Gesatnt-
katalys.
Reaktions
bedingungen
p-Xylol Oxidat,
temp.
Tj40 4-CBA + Zer
setzung
ppm 330
100
ppm ppm g/sld C"
8
U)
330
1000
1000
3000
1,0
0,1
HBr
HBr
1660
4100
400 210
400 190
92,0
87,0
190
400
0,8
0,6
+ = siehe Tabelle

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von hochreiner Terephthalsäure durch Oxydation von p-Xylol in Essigsäure als Lösungsmittel mit einem Sauerstoff haltigen Gas bei erhöhter Temperatur in Gegenwart eines Katalysators, der besteht aus (a) einer Kobaltverbindung in einer Menge (als Co) von 200 bis 600 ppm, bezogen auf das Lösungsmittel, (b) einer Manganverbindung in einer Menge (als Mn) zwischen dem 0J5- und dem !^fachen des Gewichtes des Kobalts und (c) mindestens einer Bromverbindung in einer Menge (als Br) von 400 bis 2000 ppm, bezogen auf das Lösungsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktion bei einer Temperatur von 205 bis 225°C durchgeführt wird und daß als Bromverbindung Bromwasserstoff, Manganbromid oder Kobaltbromid verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet, daß ein Katalysator verwendet wird, der
a) aus Kobaltacetat, Manganacetat und Bromwasserstoff oder
b) aus Kobaltbromid und Manganacetat oder
c) aus Manganbromid und Kobaltacetat
besteht
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