DE2658946A1 - Verfahren zur hydratation von olefinen - Google Patents
Verfahren zur hydratation von olefinenInfo
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Description
Gelsenkirchen-Scholven, den 26.11.1976
VEBA-CHEMIE Aktiengesellschaft Gelsenkirchen-Buer
Verfahren zur Hydratation von Olefinen
Die Erfindung betrifft die Herstellung von Alkoholen durch katalytische
Hydratation von Olefinen, wobei zugleich mit dem Einsatzgas zum Reaktor die Menge an Katalysator zugegeben wird, die
beim Durchgang des Einsatzgases durch die Katalysator/Träger-Schüttung normalerweise, überwiegend durch Mitführung im verdampften
Zustand entsprechend dem Dampfdruck, ausgetragen wird.
Es ist bekannt, aliphatische Alkohole dadurch synthetisch herzustellen,
daß man Olefine zusammen mit Wasserdampf über Katalysatoren leitet. Als solcher Katalysator kommt vor allem Phosphorsäure
in Betracht, die in porösen Trägern aufgezogen ist (Kontaktschüttung).
Ferner ist bekannt, daß durch Austragung von Phosphorsäure während der Reaktion, die bei erhöhter Temperatur
und erhöhtem Druck stattfindet, die Aktivität der Kontaktschüt-
βΟΙΘ 2Ϊ/0 21
Cj.
tung rasch abnimmt. Diese Aktivitätsabnahme ist abhängig von der mit dem Reaktionsgas ausgetragenen Phosphorsäuremenge. Diese
ausgetragene Phosphorsäuremenge ist wiederum abhängig von den Reaktionsbedingungen wie Molverhältnis "Wasser : Olefin im Einsatzgas,
Temperatur, Druck und Art des porösen Trägers. Dadurch, daß die Phosphorsäuremenge auf dem Träger so gering gehalten
wird, daß freies Volumen in den Poren vorhanden ist, die Reaktiohstemperatur
gesenkt wird und ein solches Molverhältnis Wasser : Olefin gewählt wird, das sicher stellt, daß das gesamte
Wasser nur im dampfförmigen Aggregatzustand vorliegt,
wenn es gemeinsam mit dem Olefin in den Reaktor eintritt, kann die ausgetragene Phosphorsäuremenge beträchtlich gesenkt werden,
weil insbesondere durch Verringerung der Phosphorsäuremenge auf dem Träger und das eingestellte Molverhältnis Wasser : Olefin
im Reaktor-Eintrittsgas vermieden werden kann, daß solche Phosphorsäure
ausgetragen wird, die durch Einstellen der Gleichgewichtskonzentration unter Reaktionsbedingungen, die unter der
Ausgangskonzentration liegt, gewissermaßen durch das Porenvolumen des Trägers eintretende Verdünnungswasser aus ihrem Platz
im Porenvolumen des Trägers verdrängt wird und vom Gasstrom in
flüssiger Form mitgerissen wird (DT-PS 1 2^9
Trotz dieser Maßnahme ist der Aktivitätsverlust so groß, daß im
Ablauf von einigen Monaten die Syntheseanlage stillgesetzt und
drucklos gemacht werden muß, um auf irgend eine Weise frisch aktivierten
Kontakt an Stelle des an Phosphorsäure verarmten einzusetzen.
Es ist auch vorgeschlagen worden, durch laufende oder alternierende Zugabe von Phosphorsäure auf die Kontaktschüttung
in einer Menge, die einem Gewichtsteil als 100 $ig gerechneter
Phosphorsäure auf etwa 15.0 bis 25O Gewichtsteile erzeugtem Alkohol
entspricht, die Aktivität der Schüttung über einen längeren Zeitraum zu erhalten (US-PS 2 579 601). Durch diese Maßnahme
kann die vorher beschriebene schon recht günstige Einstellung
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der Phosphorsäuremenge auf den Träger und die damit verbundene geringere Phosphorsäureaustragung nicht erreicht werden, da
durch die Art der Zugabe sicherlich die Oberfläche der Kontaktschüttung voll mit Säure benetzt ist. Nach diesem bekannten
Verfahren findet noch eine deutliche Aktivitätsabnahme des Kontaktes statt, wenn geringere Mengen Phosphorsäure als 1 s 250
Gewichtsteile Phosphorsäure auf Gewichtsteil erzeugten Alkohols zugegeben werden, so daß ein Verhältnis von zugegebener Phosphorsäure
zu erzeugtem Alkohol von unter 1 : ^OO nicht sinnvoll
erschien und auch nicht angewendet wurde■ Es wird berichtet, daß
bei Phosphorsäurezugabe im Verhältnis 1 : 1$0 bis 250 zur erzeugten
Alkoholmenge mit einer Kontaktfüllung ohne Abstellung der Anlage knapp 5 Monate mit zufriedenstellendem Umsatz
(3»2 - h ^ des eingesetzten Äthylens) gearbeitet werden kann.
Der Stand der Technik der laufenden oder kontinuierlichen Aufgabe mehr oder weniger großer Mengen' flüssiger Phosphorsäure
auf die Kontaktschüttung wird z. B. in den Druckschriften
US-PS 3 7O4 329, DT-PS 1 293 233, zum Ausdruck gebracht.
Die DT-OS 1 Gh"} 025 hat zum Gegenstand, den durch Kondensation
verflüssigten Anteil der mit dem Reaktionsstrom ausgetragenen Phosphorsäure in flüssiger Form der Katalysatorschüttung wieder
zuzuführen. Der 2. Anspruch der DT-OS 2 O65 569 hat die Zuführung
von Phosphorsäure, die während der Reaktion verloren geht, zum Gegenstand. Da der Vert mit 7^3 kg Äthanol pro kg 100 $
gerechneter Phosphorsätire im Beispiel 1 beziffert wird, somit
also wesentlich mehr Phosphorsäure als gemäß dieser Anmeldung zugegeben wird, muß davon ausgegangen werden, daß wegen der
Zugabe flüssiger Phosphorsäure laufend mehr Säure als dem Dampfdruck entspricht ausgetragen wird und so nicht die für die Aktivität
des Katalysators optimale freie Oberfläche zur Verfügung steht, die beim Aufbringen der Phosphorsäure in verdampftem
Zustand erhalten bleibt.
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Ein anderer Vorschlag gemäß DT-PS 967 3^3 geht dahin, die Strömungsrichtung
des Reaktionsgases durch die Kontaktschüttung etwa alle 2 Wochen zu ändern, da eine Verarmung der Schüttung
an Phosphorsäure bevorzugt in der Nähe des Reaktionsgaseintritts erfolgt. Durch das ständige Wechseln der Strömungsrichtung soll
die Verteilung der nicht ausgetragenen Phosphorsäure auf der Kontaktschüttung vergleichmäßigt werden. Es wird zwar in der
Patentschrift nicht genau angegeben, wir lange auf diese Weise eine Kontaktfüllung mit zufriedenstellendem Umsatz ohne Abstellen
der Anlage betrieben werden kann, genannt werden mehrere Monate. Aufgrund der angegebenen ausgetragenen Phosphorsäuremenge,
die nicht ersetzt wird, ist jedoch anzunehmen, daß dies auch nicht mehr als 5 Monate ist. Das so beschriebene Verfahren
hat großtechnisch erhebliche Nachteile, da für die Umschaltung praktisch nicht erhältliche dichte Absperrarmaturen im Hochdruck-Gasstrom
erforderlich sind. Außerdem wird bei diesem Vorschlag der Katalysatorraum für das Inertmaterial vergrößert, und nur
flüssig ausgetragene Phosphorsäure wird festgehalten.
Es war daher Aufgabe der Erfindung eine Verfahrensweise zu entwickeln
bei der möglichst geringe Mengen Phosphorsäure ausgetragen werden.
Dabei wurde überraschenderweise gefunden, daß man die Kontakt-Aktivität
über einen wesentlich längeren Zeitraum, bei Äthanol 1-2 Jahre, bei Isopropylalkohol über k Jahre, für einen Olefinumsatz
über k fo aufrecht erhalten kann, wenn man eine geringe
Menge Phosphorsäure nicht flüssig auf die Kontaktschüttung gibt, sondern dem in den Reaktor eintretenden Reaktionsgasgemisch vor
Eintritt in den Reaktor, bevor das Gas mit der Kontaktschüttung in Berührung kommt, zumischt. Auf diese Weise wird nicht wie bei
den bisher bekannten Verfahren, bereits ausgetragenen Phosphorsäure auf dem Träger ersetzt oder neu verteilt, sondern wie aus
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den Beobachtungen angenommen werden muß, durch den !!„POj-Partialdruck
im einströmenden Gas, der dem Gleichgewichtsdampfdruck
bei der vorliegenden Temperatur entspricht, die sonst erfolgende Verdampfung von Phosphorsäure aus dem Träger vermieden. Auf diese
Weise wird die Aktivität des Kontaktes langer aufrechterhalten,
als wenn durch Aufsprühen flüssiger Säure die Stellen wieder neu getränkt werden sollen, aus denen Phosphorsäure ausgetragen worden
ist.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung von Alkoholen mit 2-3 C-Atomen mittels katalytischer Hydratation
von Olefinen durch Reaktion an phosphorhaltigen Katalysatoren, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gasgemisch vor Eintritt
in den Reaktor Phosphorsäure in einer Menge zugegeben wird, die der ohne zusätzlichen Zugabe von Säure während der Reaktion ermittelten
ausgetragenen Phosphorsäuremenge entspricht.
Im Falle von Äthanol ist die bevorzugte Menge an zuzusetzender Phosphorsäure 1 Gewichtsteil (100 $ige H-POn) auf 800 - 1 500
Gewichtsteile erzeugten Alkohols, im Falle von Isopropylalkohol
1 Gewichtsteil auf 8 000 - I5 000 Gewichtsteile.
Bei Versuchen zur Lösung des Problems wurde zunächst festgestellt,
daß bei längerfristig konstanten Betriebsbedingungen
nach Durchführung der eingangs genannten Verbesserungen (niedrigere Reaktionstemperatur von 235 - 250 °C bei Äthanol,
165 - 180 C bei Isopropylalkohol, niedrigeres Molverhältnis
Wasser : Olefin (0,3 - 0,4 bei Äthanol, 0,25 - 0,35 bei Isopropylalkohol)
sowie geringem Phosphorsäuregehalt des frisch eingesetzten Kontaktes (bei Äthanol 20 - 35 i» des Saugvolumens als
100 $ige H_PO^, bei Isopropylalkohol 15 - 25 # des Saugvolumens
als 100 /oige H-POk) die ausgetragenen Phosphorsäuremengen weit
geringer als bis dahin angenommen sind. So wurde ermittelt, daß
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im Kondensat des Reaktionsproduktes bei Äthanol auf 800 bis 1 5OO Gewiehtsteile Alkohol ein Gewichtsteil Π-POj gefunden
wird, bei Isopropylalkohol ist die ausgetragene Phosphorsäuremenge
noch geringer, es fallen dort auf ein Gewichtsteil Η_ΡΟ^
8 000 bis -Ϊ-5 000 Gewichtsteile Alkohol. Diese geringe Phosphorsäureaustragung
im Vergleich zu den bekannten Werten ist teilweise mit den, geänderten Reaktionsbedingungen zu erklären, zum
anderen Teil jedoch auf die Tatsache, daß ohne Aufsprühen flüssiger
Phosphorsäure auf die Kontaktschüttung gearbeitet wird. Beim Aufsprühen von flüssiger Phosphorsäure auf die Kontaktschüttung
wird diese nicht über die gesamte Oberfläche verteilt
und füllt dort, wo sie den Katalysator erreicht, das gesamte Porenvolumen mit Säure an, so daß vom Gasstrom ein Teil von der
Oberfläche des Katalysators abgestreift und wieder aus dem Reaktor
ausgetragen wird. An den Stellen, die nicht erreicht werden,
tritt tx-otzdem eine Verarmung an Säure ein.
Gemäß der Erfindung ändert sich dagegen die über einen längeren
Zeitraum (1 bis 2 Wochen) ohne zusätzliche Zugabe von Phosphorsäure zur Kontaktschüttung während der Reaktion beobachtete
Säureaustragung nicht, wenn die gleiche Menge an Phosphorsäxire
wie ausgetragen dem eintretenden Reaktionsgas vor Eintritt in
den Reaktor zugeführt wird. Aus der beigefügten Zeichnung Fig. geht hervor, wie in den Beispielen das Zugeben der Phosphorsäure
erfolgt. Oberhalb einer Gasverteilerdüse (i) wird die Phosphorsäure flüssig über Leitung (h) in den hier bereits auf Reaktionstemperatur
aufgeheizten Gasstrom gegeben, der über ein Lochblech (5).in den Raum gelangt. Dies kann z. B. über ein einfaches
Tropfblech (2) und/oder über eine Düse (3) erfolgen, welche die Säure fein versprüht und somit dei zum Verdampfen erforderliche
Verteilung im heißen Gasstrom bewirkt. Durch das gemeinsame Durchtreten der Phosphorsäure mit dem Gas durch die Gasverteilerdüse
erfolgt intensive Durchmischung und Verdampfen der Phosphorsäure bis zum Auftroffon des Gases auf die Kontakt-
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schicht. Außerdem wurde gefunden, daß die Aktivität des Katalysators
zur Erzielung eines Olefinurasatzes von mindestens 4 4>
auf diese Weise bei Äthanol 1 bis 2 Jahre lang, bei Isopropylalkohol über h Jahre (längere Erfahrungen liegen bei Isopropylalkohol
nicht vor) aufrechterhalten werden kann.
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Die Erfindung «oll an Hand der folgenden beiden Beispiele erläutert
werden:
In einer Anlage zur Erzeugung von Äthanol durch Hydratation von Äthylen, die aus einem Reaktor gefüllt mit 18 m° kieselsäurehaltigem
Träger mit einem H „POr.-Gehalt von 38 Gew.-Jo besteht, zu
der stündlich 25 ^7° kg Äthylen gegeben werden, sowie 5 42O kg
lasser, so daß ein Wasser-Olefin-Molverhältnis von 1 χ 0,3 vorliegt,
setzen sich stündlicn -1 05O kg Äthylen zu 1 680 kg Äthanol
um, also mit einer Ausbeute von 97 'f°t der Umsatz des eingesetzten
Äthylens beträgt 4,2 $. Außerdem werden stündlich 1 ,26 kg !!„PO^
im Kondensat des Reaktionsgemisches gefunden, das sind auf ein Gewichtsteil H3PO^ 1 330 Gewichtsteile Äthanol. Wie in Fig. 1
gezeigt, wird die gleiche Menge an Phosphorsäure, nämlich 1,26 kg Phosphorsäure in Form einer verdünnten Lösung pro Stunde mittels
Düse (3) versprüht. Mit Beginn der Phosphorsäure-Sprühung trat
keine Erhöhung der ausgetragenen Phosphorsäuremenge auf. Erst nach 18 monatiger Betriebszeit sank der Äthylenumsatz unter 4 $,
die Anlage wurde abgefahren und der Kontakt durch frisch mit
Phosphorsäure getränkten ersetzt.
In einer Anlage zur Erzeugung von Isopropylalkohol durch Hydratatlon
von Propylen, die aus einem Reaktor gefüllt mit 20,5 m
kieselsäurehaltigen Träger mit einem H„POr-Gehalt von 25 Gew.-fo
besteht, zu der stündlich 65 000 kg Propylen gegeben werden sowie 7 500 kg Wasser, so daß ein Wasser-Olefin-Molverhältnis
von 1 t 0,3 vorliegt, setzen sich stündlich 2 6hk kg Propylen
zu 3 650 kg Isopropylalkohol um, also mit einer Ausbeute von 97 $f der Umsatz des eingesetzten Propylene beträgt 4,1 $. Außerdem
werden stündlich 0,20 kg IUPO^ im Kondensat des Reaktionsgemisches gefunden, das sind auf ein Gewichtsteil H_PO^
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/f -
12 600 Gewichtsteile Isopropylalkohol. Wie in Pig. 1 angezeigt, wird die gleiche Menge an Phosphorsäure, nämlich O,20 kg Phosphorsäure
in Form einer verdünnten Lösung pro Stunde versprüht. Mit Beginn der Phosphorsäure-Sprühung trat Iceine Erhöhung der
ausgetragenen Phosphorsäuremenge auf» Nach einem Betrieb der Anlage von h Jahren sank der durchschnittliche Propylen-Umsatz
lediglich von anfangs 4,2 <k auf 4,1 $.
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Claims (2)
- PatentansprücheVerfahren zur Herstellung von Alkoholen mit 2-3 C-Atomen mittels katalytischer Hydratation von Olefinen durch Reaktion an phosphorsäurehaltigen Katalysatoren, dadurch gekennzeichnet , daß dem Gasgemisch vor Eintritt in den Reaktor Phosphorsäure in einer Menge zugegeben wird, die der ohne zusätzlichen Zugabe von Säure während der Reaktion ermittelten ausgetragenen Phosphorsäuremenge entspricht.
- 2. Verfahren zur Herstellung von Äthanol durch katalytische Hydratation von Äthylen gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß dem Gasgemisch vor Eintritt in den Reaktor 1 Gewichtsteil auf 100 $ig gerechnete Phosphorsäure pro 800 - 1 500 Gewichtsteile erzeugten Äthanols zugegeben wird,3» Verfahren zur Herstellung von Isopropylalkohol gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gasgemisch vor Eintritt in den Reaktor 1 Gewichtsteil auf 100 <fo±g gerechnete Phosphorsäure pro 8 000 - 15 000 Gewichtsteile erzeugten Isopropylalkohols zugegeben wird.st-schä80982^/0212
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