DE2658043A1 - Verfahren zur herstellung von essigsaeure - Google Patents
Verfahren zur herstellung von essigsaeureInfo
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Description
Verfahren zur Herstellung von Essigsäure
Verfahren zur Herstellung von Essigsäure durch Oxydation von Acetaldehyd bei erhöhter Temperatur in flüssiger Phase mit
Sauerstoff bzw. Sauerstoff enthaltenden Gasen in Gegenwart
von löslichen .Schwermetallverbindungen als Katalysatoren sind bereits bekannt. Als Schwermetallverbindungen werden vornohmlich
Mangan- und/oder Cobaltverbindungen eingesetzt (s. Ullmarms
"Enzyklopädie der technischen Chemie", Bd. 6, 3 · Aufl., 1955 t
S. 781 ff. und DT-OS 2 513 678).
Das den Reaktor verlassende Reaktionsgeniisch enthält im allgemeinen
noch 3-5 Gew.^o nicht umgesetzten Acetaldehyd, da mit
einem Unterschuß an Sauerstoff gearbeitet wird. Eine in DT-OS 2 5"1^- 095 beschriebene spezielle Ausführungsform des Yerfahrens;
arbeitet mit einem zusätzlichen Nachreaktor. Jn diesem wird mit geringem Sauerstoffüberschuß gearbeitet und damit eine praktisch
aldehydfreie Rohsäure erhalten. Gleichzeitig wird dadurch erreicht, daß die als Katalysator eingesetzten Schwermetallsalze
ohne Aktivitätsverlust im Kreislauf geführt werden können. Beide Ve rf ahrens Varianten arbeiten im kontinuierlichen Betr'ieb
problemlos. Schwierigkeiten ergeben sich jedoch dann, wenn nach einer Abschaltung, z.B. durch Stromausfall, die Anlagen wieder
in Betrieb genommen werden sollen. Besonders gilt dies, wenn zwischen Abschaltung und ¥iederinbetriebnahrae ein Zeitraum von
10 Minuten oder mehr liegt.
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Die Erfahrung hat gezeigt, daß bei erneuter Zufuhr von Acetaldehyd
und Sauerstoff die Reaktion nicht unmittelbar einsetzt. Die Verzögerung des Anspringens der Reaktion kann u.U. mehrere
Stunden betragen.
Es besteht somit ein besonderes Interesse daran, das sofortige Einsetzen der Reaktion nach einer solchen Unterbrechung oder
auch beim Anfahren mit einer frischen Reaktorfüllung sicherzustellen.
In der DT-AS 2 520 976 wird deshalb der Zusatz von Isobutyraldehyd
als Startbeschleuniger und zwar in einer Menge von 0,3 5
Gew./o beansprucht. In dem dort gegebenen Beispiel enthält
das zur Oxydation eingesetzte Gemisch neben Essigsäure und 3 io Acetaldehyd zusätzlich 3 1° Isobutyraldehyd. Es wird angegeben,
daß dann die Reaktion sofort anspringt.
Durchgeführte Vergleichsversuche (siehe Vergleichsbeispiele 1 und Z) ergaben bei gleichen Arbeitsbedingungen etwa eine
Halbierung der Anspringzeit von etwa $6 Minuten (ohne Zusatz)
auf etwa 28 Minuten (mit Zusatz von 3 f° Isobut3rraldehyd) . Die
zeitliche Verzögerung des Anspringens der Reaktion hängt allerdings von verschiedenen Umständen ab, wie z.B. der Dauer
der Betriebsunterbrechung, dem Gehalt an Acetaldehyd, an Verunreinigungen und an Katalysator. Daher sind die Ergebnisse
nur bei Einsatz der gleichen Reaktionsmischung exakt vergleichbar. Immerhin kann aus den Angaben der DT-AS 2 520 976
sowie auf Grund der durchgeführten Vergleichsversuche geschlossen werden, daß zur Erzielung eines guten Effekts, d.h.
einer kurzen Anspringzeit der Reaktion, doch erhebliche Mengen an Isobutyraldehyd dem Reaktionsgemisch zugesetzt werden
müssen.
Dies hat jedoch die nachteilige Folge, daß bei der Aufarbeitung des Reaktionsgemisches zu technisch reiner Essigsäure
besondere destillative Aufwendungen erforderlich werden, um die in der Reaktion gebildete Isobuttersäure abzutrennen.
Bei einem technischen Reaktor mit einem Füllvolumen von ca.
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20 m würde ein Zusatz von 3>
eine Menge von 600 kg Isobutyraldehyd bedeuten, die ca. 730 kg Isobuttersäure entsprechen.
Die Aufgabe bestand darin, star tbe s clileunigende Zusätze hoher
Wirksamkeit zu finden, die den genannten Nachteil nicht aufweisen.
Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß bestimmte peroxidische
Verbindungen ganz hervorragende Startbeschleuniger darstellen. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Essigsäure
durch.Oxydation ~von Acetaldehyd bei erhöhter Temperatur in
flüssiger Phase mit Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltenden Gasen in Gegenwart von einer oder mehreren Schwermetallverbindungen
als Katalysator ist dadurch gekennzeichnet, daß man dem
Reaktionsgemisch zur Einleitung der Reaktion bei Beginn der Sauerstoff-Zufuhr ein oder mehrere organische Peroxide zusetzt,
die unter den Reaktionsbedingungen mit einer Halbwertszeit bis zu 350 Minuten in Radikale zerfallen. Vorzugsweise verwendet
man Peroxide, deren Halbwertszeit 2 bis 100 Minuten beträgt.
Die Essigsäuresynthese wird im allgemeinen bei Drucken von 1 20
Atmosphären, vorzugsweise 1-2 Atmosphären und bei Temperaturen von 35° bis 15O0C, vorzugsweise 5O0 - 70°C durchgeführt. Als
Katalysator werden vorzugsweise Mangan-, Cobalt- oder Nickelverbindungen oder auch ein Gemisch dieser Schwermetallverbindungen
verwendet.
Diese Bedingungen gelten auch für die Einleitung der Reaktion durch Zusatz von Peroxiden. Geeignete Peroxide sind z.B.
Peressigsäure, t-Buty!hydroperoxid, Cumolhydroperoxid,
Cyclohexanonperoxid oder. t-Butylperpivalat. Bevorzugt sind Peressigsäure,
t-Butylhydx-operoxid, Cumolhydroperoxid und Cyclohexanonperoxid.
Diese Peroxide besitzen eine sehr hohe Wirksamkeit, d.h. schon Zusätze von 0,01 - 0,1 Gew.$>
- bezogen auf den Reaktorinhalt - lösen die Reaktion in kürzester Zeit aus. Der
Zusatz derartiger Mengen ist daher bevorzugt.
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Selbstverständlich, können auch größere Mengen zugesetzt werden;
für den beabsichtigten Zweck reichen die genannten Mengen jedoch voll aus. Ein besonderer Vorteil dieser Peroxide liegt darin,
daß ihre Zerfallsprodukte entweder bei der destillativen Aufarbeitung
der rohen Essigsäure mit dem Vorlauf abgetrennt werden oder daß nur Stoffe gebildet werden, die im Reaktionsgemisch
sowieso schon vorhanden sind. So entsteht aus Peressigsäure das gewünschte Reaktionsprodukt Essigsäure selbst. Da im Reaktionsgemisch immer etwas Wasser vorhanden ist, befinden sich die
Zerfallsprodukte wie t-Butanol, Cumol, Cyclohexanon als
Azeotrope mit ¥asser im Vorlauf der Rohessigsäure-Destillation.
Die Eignung der für den vorgenannten Zweck einzusetzenden Peroxide kann aus den Halbwertszeiten hergeleitet werden.
Die Halbwertszeit (d.h. die Zeit,nach der ein 50 fo-lger Zerfall
der Peroxide eingetreten ist) wurde bei 60 in Essigsäure in Gegenwart katalytischer Mengen von Scliwerinetallsalzen (Mn-, Co-,
Ni-Acetat) für einige Peroxide bestimmt (siehe folgende Tabelle),
Halbivertzeit Peroxid in Minuten
Peressigsäure 2-3
Cyclohexanonperoxld , 8
t~But3rlhydroperoxid ^O
Cumolhydroperoxid 90
t-Butylperpivalat 350
Vorzugsweise werden die Peroxide als Lösung in Essigsäure unmittelbar
bei Beginn der Sauerstoffzufuhr in die Hauptreaktionszone,
d.h. etwas oberhalb des SauerstoffZutritts eingespeist.
Diese Arbeitsweise empfiehlt sich besonders bei Peroxiden mit niedriger Halbwertszeit, wie z.B. Peressigsäure und Cyclohexanoriperoxid.
In der oben erwähnten DT-AS 2 520 "97-6 wird angegeben, daß die
Verzögerung des Anspringens "bis zu 5 Stunden" betragen kann.
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Um die exakte Vergleichbarkeit der Ergebnisse sicherzustellen, wurde für die Versuche das aus einer technischen Anlage stammende
Reaktionsgemisch verwendet, wie es dort bei einer Betriebsunterbrechung anfällt, und dabei zwei Versuchsreihen durchgeführt.
Diese basierten auf zwei im Abstand von h Wochen vorgenommenen
Betriebsunterbrechungen. In jeder1 Versuchsreihe wurden die
einzelnen Teste in schneller Folge vorgenommen. Dadurch wurde es möglich, die Wirksamkeit von Zusätzen jeweils auf vergleichbarer
Basis zu ermitteln.
Bei der Angabe der Anspringzeiten in den Beispielen bedeutet
das Zeichen · Minuten und das Zeichen " Sekunden.
/n1?7
Beispiele
Apparatur;
Der Reaktor besteht aus einem doppelwandigen Glasrohr, Länge
2Ο5Ο ram, lichte Weite 3^- nim. Der Mantel wird mittels Umlaufwasser
zur Heizung und - nach Einsetzen der Reaktion - zur Kühlung benutzt. Das Acetaldehyd enthaltende Reaktionsgemisch
wird am Boden des Reaktors zugeführt. Der Sauerstoff wird mittels einer Glasfritte, die sich 100 mm über dem Zulauf des Reaktionsgemische
befindet, in den.Reaktor dosiert. Aus Sicherheitsgründen wird der Gasrauin am Reaktorkopf mit einem N_-Strom gespült.
Das Reaktionsgemisch verläßt den Reaktor durch einen Überlauf am
Reaktorkopf und wird durch einen nachgeschalteten. Kühler auf ca. 25 abgekühlt. Das Füllvolumen des Reaktors ohne Gasbelastung
beträgt 1,8 1.
Für die Versuche nach Beispiel 5-7 sowie 8 - 11 wurde der Reaktor durch einen seitlichen Einlauf 300 mm oberhalb der Zufuhr
des 0 ergänzt.
Versuchsserie I
Vergleichsbeispiel 1
Vergleichsbeispiel 1
Der oben beschriebene Reaktor wird mit einer Mischung aus 97 /&
roher technischer Essigsäure und 3 /° Acetaldehyd gefüllt. Die
technische Rohsäure enthält neben Essigsäure nur noch Spuren Acetaldehyd, geringe Mengen Wasser, sowie als Katalysator eine
Mischung von Mangan-, Cobalt- und Nickelacetat, wobei die Gesamtmenge an Katalysator etwa 0,1 fo beträgt.
Mittels der Mantelheizung wird das Gemisch auf 60 erwärmt. Über
die Fritte werden alsdann 2.k l/h Sauerstoff eindosiert. Gleichzeitig
wird von unten ein Gemisch aus 90 rfo der oben beschriebenen
technischen Rohsäure und 10 tfo Acetaldehyd in einer Menge von
1000 g/h zugeführt. Die Temperatur im Reaktor wird auf 60 gehalten. Der Kopf des Reaktors wird mit 100 l/h Stickstoff gespült.
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Die Reaktion springt unter diesen Bedingungen nach 55'55" an.
Das Anspringen ist genau erkennbar und zwar durch eine Temperaturerhöhung im Reaktor auf max. 70 und dem Zusammenfallen
der Blasensäule infolge des Verbrauchs von Sauerstoff. Dem Anspringen geht eine bräunliche Verfärbung des Reaktorinhalts
unmittelbar voraus.
Der Reaktor wird mit einer Mischung aus 9k 'fo der in Vergleichsbeispiel 1 beschriebenen technischen Rohsäure, 3 $ Acetaldehyd
und 3 $ Isobutyraldehyd gefüllt. Alle übrigen Reaktionsbedingungen
entsprechen genau denen von Vergleichsbeispiel 1. Die Reaktion springt nach 27' 37" an.
Der Reaktor wird mit einer Mischung aus 96,7 $ der in Vergleichs beispiel
1 beschriebenen technischen Rohsäure, 3 /° Acetaldehyd
und 0,3 io t-Buty!hydroperoxid gefüllt. Alle übrigen Reaktioiisbedingungen
entsprechen genau denen von Vergleichsbeispiel 1.
Die Reaktion springt nach 11 15"ι also praktisch sofort an.
Beispiel 2:
Der Reaktor wir-d mit einer Mischung aus 96,9 5° der in Vea^gleichsbeispiel
1 beschriebenen technischen Rohsäure, 3 $ Acetaldehyd und 0,1 $>
t-Buty!hydroperoxid gefüllt. Alle übrigen Reaktionsbedingungen entsprechen genau denen von Vergleichsbeispiel 1.
Die Reaktion springt nach 2' 45" an.
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Beispiel 3?
Der Reaktor wird mit einer Mischung aus 96,97 i° der in Vergleichsbeispiel 1 benutzten technischen Rohsäure, 3 $ Acetaldehyd und
0,03 % t-Butylhydroperoxid gefüllt. Alle übrigen Reaktionsbedingungen
entsprechen genau denen von Vergleichsbeispiel 1.
Die Reaktion springt nach 51 6" an.
Beispiel k: ·
Der Reaktor wird mit einer Mischung aus 96,99 f° der in Vergleichsbeispiel
1 benutzten technischen Rohsäure, 3 i° Acetaldehyd
und 0,01 fo t-Butylhydroperoxid gefüllt. Alle übrigen Reaktionsbedingungen entsprechen genau denen von Vergleichsbeispiel 1.
Die Reaktion springt nach 11· 50" an.
Beispiel ^:
Beispiel ^:
Der Reaktor wird mit einer Mischung aus 97 i° der in Vergleichsbeispiel 1 benutzten technischen Rohsäure und 3 tf" Acetaldehyd
gefüllt. Alle übrigen Reaktionsbedingungen entsprechen denen
von Vergleichsbeispiel 1. Mit Beginn der Sauerstoff-Zufuhr wird jedoch dem Reaktor durch den seitlichen Einlauf oberhalb des
O„-Zutritts eine Lösung von Peressigsäure in Essigsäure zugeführt.
Mittels einer Dosierpumpe werden dabei 25 ml = 26,3 S einer
5,6 rfo-±gen Peressigsäurelösung innerhalb einer Minute eingespeist.
Auf den Gesamtinhalt des Reaktors bezogen entspricht dies einer Zugabe von 0,08 $ Peressigsäure.
Bei Beendigung der Zufuhr, also innerhalb einer Minute, ist die
Reaktion bereits angesprungen.
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Beispiel 6;
Der Reaktor wird wie in Beispiel 5 mit einer Mischung aus 97 $>
der in Vergleiclisbeispiel 1 benutzten technischen Rohsäure und
3 ήο Acetaldehyd gefüllt. Alle übrigen Reaktionsbedingungen entsprechen
denen von Vergleichsbeispiel 1. Mit Beginn der Sauerstoff-Zufuhr werden dem Reaktor durch den seitlichen Einlauf
16,6 ml = 17,^- S einer 5 »6 $>-igen Lösung von Peressigsäure in
Essigsäure innerhalb von etwa 3 Minuten zugeführt. Auf den Gesamtinhalt des Reaktors bezogen,entspricht dies einer
Zugabe von 0,05^ % Peressigsäure.
Die Reaktion springt unmittelbar nach Beendigung der Zufuhr der angegebenen Menge,und zwar nach 3! 20" an.
Der Reaktor wird mit einer Mischung aus 97 i° der in Vergleichsbeispiel 1 benutzten technischen Rohsäure und 3 i° Acetaldehyd
gefüllt. Alle übrigen Reaktionsbedingungen entsprechen denen von Vergleichsbeispiel 1. Mit Bepimi der Sauerstoff-Zufuhr wird
dem Reaktor durch den seitlichen Einlauf oberhalb des O -Zutritts eine Lösung von t-Butylhydroperoxid in Essigsäure zugeführt.
Mittels einer· Dosierpumpe werden dabei 10 ml einer 5,6 ^o-igon
Lösung innerhalb von 25" eingespeist. Auf den Gesamtinhalt des
Reaktors bezogen,entspriclit dies einer Zugabe von 0,03 /" t-Butylhydroperoxid.
Die Reaktion springt nach 1 ' k%1' an,
Die Reaktion springt nach 1 ' k%1' an,
Versuchsserie II
Vergleichsbeispiel 3
Vergleichsbeispiel 3
Der oben beschriebene Reaktor wird mit einer Mischung aus 97 $
technischer Rohsäure - die aus einer weiteren Betriebsunterbrechung stammte - und 3 $>
Acetaldehyd gefüllt. Alle weiteren Versuchsbedingungen entsprachen genau denen von Vergleichsbeispiel
Die Reaktion war nach 70' noch nicht angesprungen; der Versuch
wurde deshalb abgebrochen.
Der Reaktor wird mit einer Mischung aus 97 $ der im Vergleichsbeispiel 3 benutzten technischen Rohsäure und 3 Ί° Acetaldehyd
gefüllt. Alle übrigen Reaktionsbedingungen entsprechen denen von Vergleichsbeispiel 1. Mit Beginn der Sauerstoff-Zufuhr wird dem
Reaktor durch den seitlichen Einlauf oberhalb des Sauerstoffzvltritts
eine Lösung von t-Butylhydroperoxid in Essigsäure zugeführt. Mittels einer Dosierpumpe werden dabei 10 ml einer 5»^ zeigen
Lösung innerhalb von 20" eingespeist. Auf den Gesamtinhalt des Reaktors bezogen^entspricht dies einer Zugabe von 0,03 $
t-Butylhydroperoxid.
Die Reaktion springt dabei nach 1' 25" an.
Die Reaktion springt dabei nach 1' 25" an.
Der Reaktor wird mit einer Mischung aus 97 f° der in Vergleichsbeispiel 3 benutzten technischen Rohsäure und 3 i° Acetaldehyd
gefüllt. Alle übrigen Reaktionsbedingungen entsprechen denen von Vergleichsbeispiel 1. Mit Beginn der Sauerstoff-Zufuhr wird dem
Reaktor durch den seitlichen Einlauf oberhalb des Sauerstoffzutritts eine Lösung von Cumolhydroperoxid in Essigsäure zugeführt.
Mittels einer Dosierpumpe werden dabei 10 ml einer 5»^ $-igen
Lösung innerhalb von 20" eingespeist. Auf den Gesamtinhalt des Reaktors bezogen entspricht dies einer Zugabe von 0,03 $ Cumolhydroperoxid.
- 11 -
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Die Reaktion springt dabei nach, k* 15" an.
Beispiel 10:
Der Reaktor wird mit einer Mischung aus 97 $ der in Vergleichs-beispiel
3 benutzten technischen Rohsäure und 3 9° Acetaldehyd
gefüllt. Alle übrigen Reaktionsbedingungen entsprechen denen von Vergleichsbeispiel 1. Mit Beginn der Säuerstoff-Zufuhr wird dem
Reaktor durch den seitlichen Einlauf obex-halb des Sauerstoffzutritts
eine Lösung von Cyclohexanonperoxid in Essigsäure zugeführt. Mittels einer Dosierpumpe werden dabei 10 ml einer
5,^ $-igen Lösung innerhalb von 20" eingespeist. Auf den Gesamtinhalt des Reaktors bezogen«entspricht dies einer Zugabe von
0,03 0Jo Cyclohexanonperoxid.
Die Reaktion springt dabei nach 17' 25" an.
Die Reaktion springt dabei nach 17' 25" an.
Der Reaktor wird mit einer Mischung aus 97 ^ der in Vergleichsbeispiel 3 benutzten technischen Rohsäure und 3 % Acetaldehyd
gefüllt. Alle übrigen Reaktionsbedingungen entsprechen denen von Vergleichsbeispiel 1. Mit Beginn der Sauerstoff-Zufuhr wird
dem Reaktor durch den seitlichen Einlauf oberhalb des Sauerstoff-Zutritts eine Lösung von t-Butyljjerpivalat in Essigsäure zugeführt.
Mittels einer Dosierpumpe werden dabei 10 ml einer 5,k lf>-igen
Lösung innerhalb von 20" eingespeist. Auf den Gesamtinhalt des Reaktors bezogen entspricht dies einer Zugabe von 0,03 i<>
t-Butylperpivalat. Die Reaktion springt dabei nach 4i· 50" an.
- 12 -
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Claims (6)
1. Verfahren zur Herstellung von Essigsäure durch Oxydation von
Acetaldehyd bei erhöhter Temperatur in flüssiger Phase mit Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltenden Gasen in Gegenwart
von einer oder mehreren Schwermetallverbindungen als
Katalysator,dadm^ch gekennzeichnet, daß man dem Reaktionsgemisch zur Einleitung der Reaktion bei Beginn der Sauerstoff-Zufuhr ein oder mehrere organische Peroxide zusetzt, die unter1 den Reaktionsbedingungen mit einer Halbwertszeit bis zu
Katalysator,dadm^ch gekennzeichnet, daß man dem Reaktionsgemisch zur Einleitung der Reaktion bei Beginn der Sauerstoff-Zufuhr ein oder mehrere organische Peroxide zusetzt, die unter1 den Reaktionsbedingungen mit einer Halbwertszeit bis zu
35O Minuten in Radikale zerfallen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Halbwertszeit des Peroxids 2 bis 100 Minuten beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man
als Peroxid Peressigsäure, t-Buty!hydroperoxid, Cyclohexanon"
peroxid oder Cumolhydroperoxid verwendet.
h. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Peroxid-Menge so bemessen wird, daß sie 0,01 - 0,1 Gew.^
des Reaktoi'inhalts entspricht.
des Reaktoi'inhalts entspricht.
5. Verfahren nach Anspruch 1 - 3i dadurch gekennzeichnet, daß das
Peroxid dem Reaktor in Form einer Lösung in Essigsäure zugeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß
das Peroxid dem Reaktor oberhalb des Sauerstoff-Eintritts zugeführt
wird.
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