EP1515933A1 - Zweistufiges verfahren zur herstellung von butandiol mit zwischenabtrennung von bernsteinsäureanhydrid - Google Patents

Zweistufiges verfahren zur herstellung von butandiol mit zwischenabtrennung von bernsteinsäureanhydrid

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Publication number
EP1515933A1
EP1515933A1 EP03757057A EP03757057A EP1515933A1 EP 1515933 A1 EP1515933 A1 EP 1515933A1 EP 03757057 A EP03757057 A EP 03757057A EP 03757057 A EP03757057 A EP 03757057A EP 1515933 A1 EP1515933 A1 EP 1515933A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
hydrogenation
catalyst
reactor
stage
phthalate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03757057A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Hesse
Stephan Schlitter
Holger Borchert
Markus Schubert
Markus Rösch
Nils Bottke
Rolf-Hartmuth Fischer
Alexander Weck
Gunther Windecker
Gunnar Heydrich
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BASF SE
Original Assignee
BASF SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BASF SE filed Critical BASF SE
Publication of EP1515933A1 publication Critical patent/EP1515933A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C29/00—Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring
    • C07C29/132—Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring by reduction of an oxygen containing functional group
    • C07C29/136—Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring by reduction of an oxygen containing functional group of >C=O containing groups, e.g. —COOH
    • C07C29/147—Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring by reduction of an oxygen containing functional group of >C=O containing groups, e.g. —COOH of carboxylic acids or derivatives thereof
    • C07C29/149—Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring by reduction of an oxygen containing functional group of >C=O containing groups, e.g. —COOH of carboxylic acids or derivatives thereof with hydrogen or hydrogen-containing gases
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C29/00—Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring
    • C07C29/132—Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring by reduction of an oxygen containing functional group
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C31/00—Saturated compounds having hydroxy or O-metal groups bound to acyclic carbon atoms
    • C07C31/18—Polyhydroxylic acyclic alcohols
    • C07C31/20—Dihydroxylic alcohols

Definitions

  • the present invention relates to a two-stage process for the preparation of optionally alkyl-substituted butanediol by catalytic hydrogenation in the gas phase of substrates which are selected from the group consisting of derivatives of maleic acid and succinic acid and these acids themselves.
  • derivatives are understood to be anhydrides which, like the acids, can have one or more alkyl substituents.
  • the catalysts used in the hydrogenation of MA to one of the products mentioned above are often chromium-containing, especially in older processes. This is reflected in the patent literature, which contains a large number of patents and patent applications which disclose chromium-containing catalysts for the hydrogenation reaction, the hydrogenation being in most cases limited to MAA as a starting material.
  • EP-A 0 322 140 discloses a continuous process for the preparation of tetrahydrofuran (THF) and for the simultaneous production of THF and GBL by gas phase hydrogenation of MSA and BSA.
  • the claimed catalyst contains copper, zinc and aluminum and a further element from group IIA, IIIA, VA, VIII, IIIB to VIIB, the lanthanum and actinium series, or Ag and Au.
  • these catalyst systems can be used to obtain 90-95% THF yields based on pure MA, mixtures of GBL and THF can be obtained at a pressure of approx. 20 bar.
  • EP-A 0 404 408 discloses a catalyst for MA hydrogenation, the catalytically active material of which essentially corresponds to the material of US 5,072,009. It is used fixed on a support as a coated catalyst. Only chromium-containing catalysts are used in the exemplary embodiments. High GBL yields can be achieved at a pressure of 2 bar. If a higher pressure is used, the THF yield increases and the GBL yield decreases.
  • No. 5,149,836 discloses a multi-stage gas phase process for the production of GBL and THF with variable product selectivities, a mixture of pure MAA and hydrogen being passed over a catalyst which contains copper, zinc and aluminum in a first stage. This crude discharge is then passed over a chromium-containing catalyst to produce the THF.
  • WO 99/38856 discloses a catalyst consisting only of copper and chromium, with which GBL selectivities of 92 to 96 mol% are obtained in a straight pass, starting from pure MSA.
  • EP-A 638 565 discloses a catalyst containing copper, chromium and silicon, the composition according to one example corresponding to approximately 78% CuO, 20% Cr 2 O 3 and 2% SiO 2 . With pure MSA and nitrogen-hydrogen mixtures, a GBL yield of 98% could be obtained.
  • GB-A 1 168 220 discloses a gas phase process for the preparation of GBL in which MSA or BSA are hydrogenated to GBL over a binary copper-zinc catalyst. In all of the exemplary embodiments, work is carried out at atmospheric pressure, with GBL yields of 94 mol% starting from pure MSA.
  • DE-OS 2 404 493 also discloses a process for the preparation of GBL by catalytic hydrogenation of mixtures of MA, BSA, maleic acid (MS), succinic acid (BS) and water over a metallic catalyst, in addition to copper-chromite catalysts copper-zinc and copper-zinc-aluminum precipitation catalysts are also used.
  • WO 91/16132 discloses the hydrogenation of MA to GBL, using a catalyst containing CuO, ZnO and Al 2 O 3 , which is reduced at 150 ° C. to 350 ° C. and activated at 400 ° C. Activation is intended to increase the service life of the catalyst system.
  • a CuO-ZnO-containing catalyst is disclosed in US 6,297,389. It can be used to convert pure MSA to GBL after activation, with GBL yields of 92 to 96% being obtained in a single pass starting from pure MSA.
  • WO 95/22539 discloses a process for the production of GBL by catalytic hydrogenation of MSA and / or BSA on a catalyst which consists of copper, zinc and zirconium. Based on pure MSA, GBL yields of up to 99% are achieved.
  • WO 99/35136 discloses a two-stage process for the preparation of GBL and THF, in which MSA is hydrogenated in a first stage with a copper-containing catalyst and this reaction product is passed over an acidic silicon-aluminum-containing catalyst.
  • WO 97/24346 describes a copper oxide-aluminum oxide catalyst with which the hydrogenation of MA can be achieved in yields of 92 mol% to GBL.
  • DE 1 277 233 discloses a process for the preparation of mixtures of different alcohols by hydrogenation of lactones with hydrogen. Copper chromite mixed with barium on an inactive aluminum oxide support is used as the catalyst.
  • GB-A 1 230 276 describes a process for producing BDO from GBL over a copper oxide-chromium oxide catalyst at a temperature between 180 ° C. and 230 ° C.
  • the service life of the catalysts is to be extended with copper chromite catalysts doped with potassium, sodium, rubidium, aluminum, titanium, iron, cobalt or nickel.
  • a mixture of dioxane, GBL, water and carboxylic acids is used to produce BDO.
  • the reaction described takes place at high pressure (170 bar) in the liquid phase, preferably using the solvent dioxane, and copper-chromium oxide catalysts are also used.
  • Copper chromite catalysts are doped with Pd according to J01121-228-A in order to achieve a higher conversion.
  • a catalyst consisting of CuO and ZnO is described in WO 82/03854. With this, a BDO selectivity of 98.4% can be achieved in the gas phase at a pressure of 28.5 bar and a temperature of 217 ° C. The turnover of pure GBL is unsatisfactorily low.
  • Copper impregnation catalysts doped with palladium and potassium are described in documents US Pat. No. 4,797,382; US 4,885,411 and EP-A 0 318 129. They are suitable for converting GBL to butanediol.
  • JP-A 0 634 567 describes a copper-iron-aluminum-containing catalyst which is suitable for the hydrogenation of pure GBL to BDO at high pressure (250 bar).
  • a process for the preparation of BDO starting from maleic acid esters is listed in WO 99/35113.
  • hydrogenation is carried out in three successive stages.
  • succinic acid ester is produced on a noble metal-containing catalyst, which is converted in a second stage to GBL and THF.
  • GBL is separated off and converted to BDO in a third stage at higher pressure.
  • WO 99/35114 describes a process for the preparation of BDO by liquid phase hydrogenation of GBL, succinic acid ester or mixtures of the two at pressures between 60 bar and 100 bar and temperatures between 180 ° C. and 250 ° C.
  • a copper oxide-zinc oxide catalyst is used as the catalyst.
  • EP-A 0 382 050 works on the hydrogenation of pure GBL over a catalyst containing cobalt oxide, copper oxide, manganese oxide and molybdenum oxide.
  • DE 2 845 905 describes a continuous process for the preparation of butanediol starting from maleic anhydride.
  • MSA is dissolved in monohydric aliphatic alcohols with hydrogen at pressures of 250 bar and 350 bar on copper chromite catalysts.
  • Chromium-containing catalysts are disclosed in documents CN-A 1 113 831-A, CN-A 1 116 615-A, CN-A 1 138 018-A and CN-A 1 047 328.
  • CN 1 137 944 A a copper, chromium, manganese, barium and titanium-containing catalyst is used.
  • a copper, chromium, zinc and titanium-containing catalyst can be used for the hydrogenation of mixtures of GBL and MSA.
  • CN-A 1 182 732 describes a process for the preparation of BDO by gas phase hydrogenation of MA on copper and chromium-containing catalysts at 200 to 250 ° C. and a pressure of 30 to 70 bar.
  • MSA is dissolved in a suitable solvent during the hydrogenation.
  • DE-A 2 455 617 describes a three-stage process for the preparation of BDO.
  • a first stage solutions of MSA in GBL to BSA in GBL are hydrogenated on a Ni-containing catalyst.
  • this solution of BSA in GBL is hydrogenated in the liquid phase to GBL, then water, succinic anhydride and succinic acid are separated from the GBL and the pure GBL is partially recycled and in a third Process stage on a copper-zinc oxide catalyst in the liquid phase at high pressure converted to butanediol.
  • No. 4,301,077 uses a ruthenium-containing catalyst for the hydrogenation of MA to BDO.
  • DE-A 3 726 510 discloses the use of a copper, cobalt and phosphorus-containing catalyst for the direct hydrogenation of MA.
  • a pure copper oxide-zinc oxide catalyst is used with J0 2025-434-A.
  • pure MSA can be implemented at a pressure of 40 bar.
  • the yield of butanediol is only 53.5 mol%, and 40.2 mol% GBL are found as a secondary yield.
  • EP-A 373 946 discloses a process in which a rhenium-doped copper oxide-zinc oxide catalyst MSA of the gas phase is converted directly to BDO.
  • J0 2233-627-A a copper-zinc-aluminum catalyst is used here
  • J0 2233- 630-A a manganese, barium and silicon-containing copper -Chrome catalyst used
  • J0 2233-631-A a copper and aluminum containing catalyst is used.
  • a catalyst containing copper, manganese and potassium is described in JO-A 2233-632.
  • EP-A 431 923 describes a two-stage process for the preparation of BDO and THF, GBL being formed in a first stage by liquid-phase hydrogenation of MA and this being converted to butanediol in a second stage by gas-phase reaction on a copper-silicon-containing catalyst becomes.
  • US 5,196,602 discloses a process for the preparation of butanediol by hydrogenation of MA or maleic acid with hydrogen in a two-stage process.
  • MSA is hydrogenated to BSA and / or GBL, which in a second stage is converted to BDO in the presence of an Ru-containing catalyst.
  • MAA which has been prepurified as a starting material for the hydrogenation reactions and which, after its preparation, has generally been freed of impurities by distillation.
  • MSA is produced by partial oxidation of certain hydrocarbons, namely benzene, butene mixtures and n-butane, the latter being preferably used.
  • the crude product of the oxidation contains above all by-products such as water, carbon monoxide, carbon dioxide, unreacted
  • the by-products are separated by complex processes, for example by distillation, as mentioned above. Cleaning proves to be particularly necessary because the catalysts used in the hydrogenation processes are generally sensitive to such impurities.
  • the deactivation of the catalysts is already a problem when using purified MA, since the catalyst generally has to be regenerated at relatively short intervals, which are often around 100 hours, by coating with its polymerization products.
  • the tendency towards deactivation is increased in the presence of polymerizable impurities, such as, for example, acrylic acid. This fact is known to the person skilled in the art and is also described, for example, in patent applications EP-A 322 140, WO 91/16132 and DE-OS 240 44 93.
  • Promoted copper catalysts are used as catalysts, as described in Journal of Catalysis 150, pages 177 to 185 (1994). These are chrome-containing catalysts of the types Cu / Mn / Ba / Cr and Cu / Zn / Mg / Cr. Thus, according to the disclosure of this application, chromium-containing catalysts are used for the hydrogenation of MA qualities which have the impurities set out above. However, the use of chromium-containing catalysts is avoided as much as possible due to the toxicity.
  • chrome-free catalyst systems can be found in publications WO 99/35139 (Cu-Zn-Oxide), WO 95/22539 (Cu-Zn-Zr) and US Pat. No. 5,122,495 (Cu-Zn-Al-Oxide).
  • BDO was obtained by direct hydrogenation of pure GBL - which in turn was obtained by hydrogenation of MSA and subsequent elaborate purification.
  • pure MSA was used as the starting material, which contained only small amounts of impurities, since otherwise no satisfactory selectivity and catalyst life were achieved.
  • Chromium-containing catalysts were used, in particular also in the second stage, in order to achieve high BDO selectivity and the desired service life. To avoid the use of chromium-containing catalysts, it was alternatively possible to use noble metal-containing catalysts which are comparable in terms of yield, selectivity and stability to chromium-containing catalysts, but are significantly more cost-intensive.
  • step b) introducing the product stream obtained in step b) into a second reactor at a temperature of 150 ° C to 240 ° C and a pressure of 15 to 100 bar and catalytic gas phase hydrogenation to optionally alkyl-substituted 1,4-butanediol;
  • a catalyst is used in both hydrogenation stages, the ⁇ 95 wt .-%, preferably 5 to 95 wt .-%, in particular 10 to 80 wt .-% CuO and> 5 wt .-%, preferably 5 to 95 wt. -%, in particular 20 to 90 wt .-% of an oxidic carrier, and there is a higher pressure in the second reactor than in the first reactor.
  • the process according to the invention does not provide for complex cleaning of the product stream emerging from the first hydrogenation stage a), since BSA, particularly due to its high boiling point, can be separated from the product stream without great expenditure on equipment.
  • the selectivity and service life of the catalyst can be increased by comparatively simple, inexpensive measures.
  • the BSA is preferably removed by simple condensation in a partial condensation. The separation process is described in more detail below.
  • the hydrogenation process according to the invention can comprise an upstream stage, which involves the production of the starting material to be hydrogenated by partial oxidation of a suitable hydrocarbon and the separation of the starting material to be hydrogenated from the product stream thus obtained includes.
  • a coarse separation is preferably carried out, which does not require an unnecessarily high outlay and in which a quantity of impurities which is not tolerable in the processes known hitherto remains in the starting material.
  • This educt to be hydrogenated is in particular MSA.
  • MSA which originates from the partial oxidation of hydrocarbons, is preferably used. Suitable hydrocarbon streams are benzene, C 4 olefins (for example n-butenes, C 4 raffinate streams) or n-butane. N-Butane is used with particular preference since it is an inexpensive, economical starting material. Methods for the partial oxidation of n-butane are described, for example, in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 6 * Edition, Electronic Release, Maleic and Fumaric Acids - Maleic Anhydride.
  • reaction product thus obtained is then preferably taken up in a suitable organic solvent or mixture which has a boiling point at least 30 ° C. higher than MAA at atmospheric pressure.
  • This solvent is brought to a temperature in the range between 20 and 160 ° C, preferably between 30 and 80 ° C.
  • the gas stream from the partial oxidation containing maleic anhydride can be brought into contact with the solvent in a variety of ways: (i) introducing the gas stream into the solvent (for example via gas inlet nozzles or gassing rings), (ii) spraying the solvent into the gas stream and (iii) countercurrent contact between the upward gas stream and the downward solvent in a tray or packing column.
  • the gas absorption apparatus known to those skilled in the art can be used in all three variants. When choosing the solvent to be used, care must be taken to ensure that this does not react with the starting material, for example the preferably used MA.
  • Suitable solvents are: tricresyl phosphate, dibutyl maleate, butyl maleate, high molecular waxes, aromatic hydrocarbons with a molecular weight between 150 and 400 and a boiling point above 140DC, such as dibenzylbenzene; Alkyl phthalates and dialkyl phthalates with C 1 -C 8 alkyl groups, for example dimethyl phthalate, diethyl phthalate, dibutyl phthalate, di-n-propyl and di-isopropyl phthalate, undecyl phthalate, diundecyl phthalate, methyl phthalate, ethyl phthalate, butyl phthalate, n-propyl or isopropyl phthalate; Di-C-C 4 alkyl esters other aromatic and aliphatic dicarboxylic acids, for example dimethyl-2,3-naphthalene-dicarboxylic acid, dimethyl-1, 4-cyclohexane-dica
  • the solution resulting after treatment with the absorbent generally has an MSA content of about 5 to 400 grams per liter.
  • the waste gas stream remaining after the treatment with the absorbent mainly contains the by-products of the previous partial oxidation, such as water, carbon monoxide, carbon dioxide, unreacted butanes, acetic and acrylic acid.
  • the exhaust gas flow is practically free of MSA.
  • the dissolved MSA is then expelled from the absorbent. This is done with hydrogen at or at most 10% above the pressure of the subsequent hydrogenation or alternatively in a vacuum with subsequent condensation of remaining MA.
  • a temperature profile is observed in the stripping column, which results from the boiling points of MSA at the top and the almost MSA-free absorbent at the bottom of the column at the respective column pressure and the set dilution with carrier gas (in the first case with hydrogen).
  • rectification internals can be located above the supply of the raw MSA stream.
  • the almost MSA-free absorbent drawn off from the sump is returned to the absorption zone.
  • the H 2 / MSA ratio is about 20 to 400.
  • the condensed MSA is pumped into an evaporator and evaporated there into the circulating gas stream.
  • the MSA hydrogen stream also contains by-products, which are formed during the partial oxidation of n-butane, butenes or benzene with gases containing oxygen, as well as non-separated absorbent. These are primarily acetic acid and acrylic acid as by-products, water, maleic acid and the dialkyl phthalates preferably used as absorbents.
  • the MSA contains acetic acid in amounts of 0.01 to 1% by weight, preferably 0.1 to 0.8% by weight and acrylic acid in amounts of 0.01 to 1% by weight, preferably 0.1 to 0 , 8 wt .-%, based on MSA.
  • acetic acid in amounts of 0.01 to 1% by weight, preferably 0.1 to 0.8% by weight
  • acrylic acid in amounts of 0.01 to 1% by weight, preferably 0.1 to 0 , 8 wt .-%, based on MSA.
  • the maleic acid content is 0.01 to 1% by weight, in particular 0.05 to 0.3% by weight, based on MA.
  • alkyl and dialkyl phthalates are used as absorbents, their content in the MA depends heavily on the correct operation of the stripping column, in particular on the rectifying section. Phthalate contents of up to 1.0% by weight, in particular up to 0.5% by weight, should not be exceeded with a suitable mode of operation, since otherwise the consumption of absorbent becomes too high.
  • the hydrogen / maleic anhydride stream preferably obtained as described above is then fed to the first hydrogenation zone and hydrogenated.
  • the catalyst activities and downtimes are practically unchanged compared to the use of strongly pre-cleaned MA, for example by distillation.
  • the gas stream emerging from the first reactor is freed of BSA and can then be processed further in several ways according to the invention.
  • the BSA can be separated off by measures known to the person skilled in the art, for example by partial condensation, if appropriate in countercurrent, condensation or distillation. With the measures described above, the BSA content of the gas stream can be significantly reduced.
  • the residual BSA content acceptable for the process varies and depends on many different factors, for example the composition of the catalyst in the second hydrogenation stage. It is often desirable to achieve a residual B SA content of ⁇ about 0.3 to 0.2% by weight. This value is achieved in particular when the process is carried out in the first hydrogenation stage in such a way that the BSA content of the emerging stream is approximately 1% by weight.
  • the gas stream freed from BSA is compressed to the higher pressure of the second hydrogenation stage and thus, with possibly recycled GBL, fed to the second hydrogenation.
  • the gas stream can be cooled to 10 to 60 ° C.
  • the reaction products are condensed out and passed into a separator.
  • the uncondensed gas stream can be separated and, preferably after being fed into a cycle gas compressor, can be returned to the first hydrogenation circuit.
  • By-products formed in the recycle gas stream can be removed by measures known to those skilled in the art, preferably by discharging a small amount of gas.
  • the condensed reaction products are removed from the system and fed to the second hydrogenation circuit.
  • the reaction products are brought under pressure into the gas phase with possibly recycled GBL and into contact with the second catalyst.
  • the possibly recycled GBL can also be brought directly into the second hydrogenation reactor in gaseous form.
  • the GBL-laden gas stream from the first stage is compressed to the pressure of the second stage and the recycle gas from the second stage is expanded into the inlet of the first stage, possibly with labor.
  • the gas stream emerging from the second reactor is cooled, preferably to 10 to 60 ° C.
  • the reaction products are condensed out and passed into a separator.
  • the uncondensed gas stream is withdrawn from the separator and fed compressed to the cycle gas.
  • a small amount of cycle gas is discharged.
  • the condensed reaction products are preferably taken continuously from the system and fed to a workup.
  • the by-products found in the condensed liquid phase are mainly THF and n-butanol in addition to small amounts of propanol.
  • the by-products and water are then separated off from the liquid hydrogenation discharge from the second stage and the desired product BDO is isolated. This is generally done by fractional distillation.
  • By-products and intermediates such as for example GBL and Di-BDO can be recycled into the hydrogenation of the first and / or second stage, preferably the second stage, or alternatively worked up by distillation.
  • the process according to the invention can be carried out batchwise, semi-continuously or continuously. Continuous implementation is preferred.
  • this is preferably achieved by a sufficiently high temperature of the starting materials when entering the first hydrogenation reactor.
  • This so-called initial hydrogenation temperature is from 200 to 300 ° C, preferably 235 to 270 DC.
  • the reaction should preferably be carried out in such a way that a suitably high reaction temperature prevails on the catalyst bed on which the actual reaction takes place.
  • This so-called hot spot temperature is set after the starting materials have entered the reactor and is preferably at values of 210 to 310 ° C., in particular 245 to 280 ° C. The process is preferably carried out so that the inlet temperature and the outlet temperature of the reaction gases are below this hot spot temperature.
  • the hot spot temperature is advantageously in the first half of the reactor, in particular if a tube bundle reactor is present.
  • the hot spot temperature is preferably 5 to 30 ° C., in particular 5 to 15 ° C., particularly preferably 5 to 10 ° C., above the inlet temperature. If the hydrogenation is carried out below the minimum temperatures of the inlet or hot spot temperature, then in the case of using MSA as starting material, the amount of BSA increases, while the amount of GBL and BDO is reduced at the same time. Furthermore, deactivation of the catalyst by covering with succinic acid, fumaric acid and / or BSA and mechanical damage to the catalyst can be observed at such a temperature in the course of the hydrogenation.
  • the inlet temperature (initial hydrogenation temperature) is from 150 ° C. to 260 ° C., preferably 175 ° C. to 225 ° C., in particular from 180 to 200 ° C. If the hydrogenation is carried out below the minimum temperatures of the inlet temperature, the amount of BDO formed decreases. The catalyst loses activity. Furthermore, condensation of the starting materials and damage to the copper catalyst by water can be expected below the minimum temperature. On the other hand, if GBL is used as the starting material for hydrogenation above the maximum temperatures of the inlet temperature, the BDO yield and selectivity drop to unsatisfactory values.
  • the temperature increase in the gas stream in the reactor should not exceed 110 ° C., preferably 40 ° C., in particular not more than 20 ° C.
  • large temperature increases often lead to overhydrogenation reactions and a (BDO + GBL) loss of selectivity.
  • a pressure of 2 to 60 bar, preferably a pressure of 2 to 20 bar and particularly preferably a pressure of 5 to 15 bar is selected in the first hydrogenation stage. In this pressure range, the formation of THF from the intermediate product GBL initially formed is largely suppressed in the hydrogenation of MA.
  • a pressure of 15 to 100 bar, preferably a pressure of 35 to 80 bar and particularly preferably a pressure of 50 to 70 bar is selected in the second hydrogenation stage.
  • the pressure in the second hydrogenation stage is above the pressure in the first hydrogenation stage.
  • the catalyst loading of the first hydrogenation stage is preferably in the range from 0.02 to 1, in particular 0.05 to 0.5, kg of educt / 1 catalyst D hour. If the catalyst load of the first stage in the case of MSA is increased beyond the range mentioned, an increase in the proportion of BSA and succinic acid in the hydrogenation discharge can generally be observed.
  • the catalyst loading of the second hydrogenation stage is preferably in the range from 0.02 to 1.5, in particular 0.1 to 1 kg, educt / 1 catalyst D hour. If the catalyst load is increased beyond the range mentioned, incomplete sales of GBL can be expected. This may be compensated for by an increased recycle rate, but this is of course not preferred.
  • the hydrogen / educt molar ratio is a parameter which has an influence on the product distribution and also on the economy of the process according to the invention.
  • a low hydrogen / starting material ratio is desirable from an economic point of view.
  • the lower limit is 5, but generally higher hydrogen / reactant molar ratios of 20 to 600 are used.
  • the use of the catalysts used in accordance with the invention and compliance with the temperature values applied in accordance with the invention permits the use of favorable, low hydrogen / starting material ratios in the hydrogenation of the first stage, which are preferably from 20 to 200, preferably from 40 to 150.
  • the cheapest range is from 50 to 100.
  • part, advantageously the main amount, of the hydrogen is usually circulated both in the first and in the second hydrogenation stage.
  • the cycle gas compressors known to the person skilled in the art are generally used.
  • the amount of hydrogen chemically consumed by the hydrogenation is supplemented.
  • part of the circulating gas is removed in order to remove inert compounds, for example n-butane.
  • the circulated hydrogen can also be used, if necessary after preheating, to evaporate the educt stream.
  • the cooling temperature is preferably 0 to 60 ° C, preferably 20 to 45 ° C.
  • reactor types All types of apparatus suitable for heterogeneously catalyzed reactions with a gaseous educt and product stream are suitable as reactor types.
  • Shell and tube reactors are particularly preferably used for the first hydrogenation stage, and shaft reactors are particularly preferred for the second hydrogenation stage.
  • Several reactors can be used in parallel or in series, both in the first and in the second hydrogenation stage.
  • an intermediate feed can take place between the catalyst beds. Intercooling between or in the catalyst beds is also possible.
  • the catalyst can be diluted with inert material.
  • An important point of the present invention is the choice of the catalysts for both stages, which have copper oxide as the catalytically active main component. This is attached to an oxidic carrier, which may only have a small number of acidic centers. If a catalyst with an excessive number of acidic centers is used, BDO is dehydrated and THF is formed.
  • a suitable carrier material which has a sufficiently small number of acidic centers is a material selected from the group ZnO, Al 2 O 3 , SiO 2 , TiO 2 , ZrO 2 , CeO 2 , MgO, CaO, SrO, BaO and Mn 2 O 3 and mixtures thereof.
  • Preferred carrier materials are ZnO / Al 2 O 3 mixtures, the delta, theta, alpha and eta modifications of Al 2 O 3 and mixtures which contain at least one component from the group SiO 2 , TiO, ZrO 2 on the one hand and from the group ZnO, MgO, CaO, SrO and BaO on the other hand.
  • Pure ZnO, ZnO / Al 2 O 3 mixtures in a weight ratio of 100: 1 to 1: 2, and mixtures of SiO 2 with MgO, CaO and / or ZnO in a weight ratio of 200: 1 to 1: 1 are particularly preferred as carrier materials.
  • the amount of copper oxide is ⁇ 95% by weight, preferably 5 to 95% by weight, in particular 15 to 80% by weight; the carrier is used in amounts of> 5% by weight, preferably 5 to 95% by weight, in particular 20 to 85% by weight.
  • chromium-free catalysts are preferably used.
  • corresponding chromium-containing catalysts known to the person skilled in the art are also technically suitable for use in the process according to the invention, but this does not result in the desired advantages, which are in particular environmental and work-related in nature.
  • the same catalyst can be used in both hydrogenation stages, but the use of different catalysts is preferred.
  • the catalysts used according to the invention can contain one or more further metals or a compound thereof, preferably an oxide, from groups 1 to 14 (IA to VIILA and IB to IVB of the old IUPAC nomenclature) of the Periodic Table of the Elements.
  • Pd is preferably used in amounts of ⁇ 1% by weight, preferably ⁇ 0.5% by weight, in particular ⁇ 0.2% by weight.
  • the addition of another metal or metal oxide is not preferred.
  • the catalysts used can also contain an auxiliary in an amount of 0 to 10% by weight.
  • auxiliary are understood to be organic and inorganic substances which contribute to improved processing during catalyst production and / or to an increase in the mechanical strength of the shaped catalyst bodies. Such aids are known to the person skilled in the art; Examples include graphite, stearic acid, silica gel and copper powder.
  • the catalysts can be prepared by methods known to those skilled in the art. Preference is given to processes in which the copper oxide is finely divided and intimately mixed with the other constituents; impregnation and precipitation reactions are particularly preferred. These starting materials can be processed into the shaped bodies by known methods, for example extrusion, tableting or by agglomeration processes, if appropriate with the addition of auxiliaries.
  • catalysts according to the invention can also be produced, for example, by applying the active component to a support, for example by coating or vapor deposition.
  • catalysts according to the invention can be obtained by molding a heterogeneous mixture of active component or precursor compound thereof with a carrier component or precursor compound thereof.
  • the catalyst in which, in addition to MA, other C-dicarboxylic acids defined above or their derivatives can be used as starting material, the catalyst is used in reduced, activated form.
  • the activation takes place with reducing gases, preferably hydrogen or hydrogen / inert gas mixtures, either before or after installation in the reactors in which the process according to the invention is carried out. If the catalyst has been installed in the reactor in oxidic form, the activation can be carried out both before starting up the plant with the hydrogenation according to the invention and during start-up, that is to say in situ.
  • the separate activation before starting up the system is generally carried out using reducing gases, preferably hydrogen or hydrogen / inert gas mixtures, at elevated temperatures, preferably between 100 and 350 ° C. In the so-called in-situ activation, the activation takes place when the system is started up by contact with hydrogen at an elevated temperature.
  • the catalysts are preferably used as moldings. Examples include strands, rib strands, other extrudate forms, tablets, rings, balls and grit.
  • the BET surface area of the copper catalysts should be 10 to 300 in the oxidic state
  • the copper surface (N 2 O decomposition) of the reduced catalyst in the installed state should be> 0.2 m 2 / g, preferably> 1 m Ig, in particular> 2 m 2 / g.
  • catalysts are used which have a defined porosity.
  • these catalysts have a pore volume of> 0.01 ml / g for pore diameters> 50 nm, preferably> 0.025 ml / g for pore diameters> 100 nm and in particular> 0.05 ml / g for pore diameters> 200 nm
  • the porosities mentioned were determined by mercury intrusion in accordance with DIN 66133.
  • the data in the pore diameter range from 4 nm to 300 ⁇ m were evaluated.
  • the catalysts used according to the invention generally have a sufficient service life. In the event that the activity and / or selectivity of the catalyst should nevertheless decrease in the course of its operating time, it can be regenerated by measures known to the person skilled in the art.
  • This preferably includes reductive treatment of the catalyst in a hydrogen stream at elevated temperature. If necessary, the reductive treatment can be preceded by an oxidative treatment. In this case, a molecular mixture containing gas, for example air, flows through the catalyst bed at elevated temperature. It is also possible to wash the catalysts with a suitable solvent, for example ethanol, THF, BDO or GBL, and then to dry them in a gas stream.
  • a suitable solvent for example ethanol, THF, BDO or GBL
  • the catalyst Before the start of the reaction, the catalyst is subjected to a hydrogen treatment in the hydrogenation apparatus.
  • the reactor is heated to 180 ° C and the Catalyst activated the time specified in Table 1 with the specified mixture of hydrogen and nitrogen at atmospheric pressure.
  • the pressure equipment used for the hydrogenation consists of an evaporator, a reactor, a cooler with quench inlet, a hydrogen supply, an exhaust pipe and a circulating gas blower.
  • the pressure in the apparatus is kept constant.
  • the melted MSA is pumped from above onto the preheated (245 ° C) evaporator and evaporated.
  • a mixture of fresh hydrogen and circulating gas also reaches the evaporator from above.
  • Hydrogen and MSA thus enter the temperature-controlled reactor from below.
  • the reactor contents consist of a mixture of glass rings and catalyst.
  • the THF formed leaves the reactor together with water, other reaction products and hydrogen and is quenched in the cooler. Part of the cycle gas is removed before the rest, mixed with fresh hydrogen, re-enters the evaporator.
  • the condensed liquid reaction discharge, the exhaust gas and the cycle gas are analyzed quantitatively by gas chromatography.
  • Example 1b hydrogenation of maleic anhydride prepared from n-butane
  • the reactor of the hydrogenation apparatus described in Example 1b is filled with 220 ml of the catalyst prepared according to Example 1 a and 130 ml of glass rings. The activation was carried out as described in Example 1b.
  • a mixed basic metal carbonate is precipitated from a metal salt solution containing copper nitrate and zinc nitrate with soda at 50 ° C. and a pH around 6.2.
  • the metal salt solution used contained the metals corresponding to a catalyst composition of 70% CuO and 30% ZnO.
  • the precipitate is filtered, washed, dried, calcined at 300 ° C. and compressed with 3% by weight of graphite to give tablets of 3 mm in height and diameter.
  • the catalyst Before the start of the reaction, the catalyst is subjected to a hydrogen treatment in the hydrogenation apparatus.
  • the reactor is heated to 180 ° C. and the catalyst is activated for the time specified in Table 1 with the mixture of hydrogen and nitrogen given at atmospheric pressure.
  • the pressure equipment used for the hydrogenation consists of an evaporator, a reactor, a cooler with quench feed, a hydrogen supply, an exhaust pipe and a circulating gas blower.
  • the pressure in the apparatus is kept constant.
  • the melted MSA is pumped from above onto the preheated (245 ° C) evaporator and evaporated. A mixture of fresh hydrogen and circulating gas also reaches the evaporator from above. Hydrogen and MSA thus enter the temperature-controlled reactor from below.
  • the reactor contents consist of a mixture of glass rings and catalyst. After the hydrogenation, the GBL formed leaves the reactor together with water, other reaction products and hydrogen and is quenched in the cooler. Part of the cycle gas is removed before the rest, mixed with fresh hydrogen, re-enters the evaporator.
  • the condensed liquid reaction discharge, the exhaust gas and the cycle gas are analyzed quantitatively by gas chromatography.
  • a solid with the composition 64% ZnO and 36% Al 2 O 3 (based on 100% oxide) is precipitated, filtered out from an aqueous solution of zinc nitrate and aluminum nitrate using sodium carbonate solution at 50 ° C. and a pH of 6.8 and washed.
  • the filter cake was dried and calcined at 425 ° C for one hour.
  • the carrier described above is added to a nitric acid solution of copper nitrate and zinc nitrate (metal ratio corresponding to 16.6% by weight CuO and 83.4% ZnO) and mixed intensively at 70 ° C.
  • a solid is precipitated from this mixture with sodium carbonate solution at 70 ° C. and a pH of 7.4 and the suspension is left to stir for 2 hours at constant temperature and pH.
  • the solid is filtered off, washed, dried and calcined at 430 ° C. for one hour.
  • the catalyst powder obtained in this way was mixed with 1.5% by weight of graphite and 5% by weight of copper powder and compressed into tablets of 1.5 mm in diameter and 1.5 mm in height.
  • the tablets were finally calcined at 330 ° C. for 1 hour, had a lateral compressive strength of 50N and a chemical composition of 66% CuO / 24% ZnO / 5% Al 2 O 3 /5% Cu.
  • the reactor of the hydrogenation apparatus described in Example 1c is filled with 220 ml of the catalyst prepared according to Example 2a and 130 ml of glass rings. The activation was carried out as described in Example 1b.
  • the reactant discharge from the MSA hydrogenation from Example 1 is used as starting material, from which more than 50% of the BSA content has been removed by partial condensation.
  • a reactor temperature of 180 ° C a pressure of 60 bar and a catalyst load of 0.15 kg / L ⁇ at h (hydrogen: GBL-mol ratio 200: 1)
  • a reaction discharge of the composition is obtained: 87% BDO, 7% GBL, 5% THF.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von gegebenenfalls alkysubstituierten 1,4-Butandiol durch zweistufige katalytische Hydrierung in der Gasphase von C4-Dicarbonsäuren und/oder deren Derivaten mit den folgenden Schritten: (a) Einführen eines Gasstroms einer C4-Dicarbonsäure oder eines Derivates davon bei 200 bis 300°C und 2 bis 60 bar in einen ersten Reaktor und katalytische Gasphasenhydrierung zu einem hauptsächlich gegebenenfalls alkylsubstituiertes γ-Butyrolacton enthaltenden Produkt; (b) Abtrennen von Bernsteinsäureanhydrid von dem in Schritt (a) erhaltenen Produkt, vorzugsweise auf einen Restgehalt von < etwa 0,3 bis 0,2 Gew.-%, (c) Einführen des in Schritt (b) erhaltenen Produktstroms in einen zweiten Reaktor bei einer Temperatur von 150°C bis 240°C und eine Druck von 15 bis 100 bar und katalytische Gasphasenhydrierung zu gegebenenfalls alkylsubstituiertem 1,4-Butandiol; (d) Abtrennen des gewünschten Produkts von Zwischenprodukten, Nebenprodukten und gegebenenfalls nicht umgesetztem Edukt; (e) gegebenenfalls Rückführen nicht umgesetzten Zwischenprodukte in eine oder beide Hydrierstufen, wobei in beiden Hydrierstufen jeweils ein Katalysator verwendet wird, der ≤ 95 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 95 Gew.-%, insbesondere 10 bis 80 Gew.-% CuO und ≥ 5 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 95 Gew.-%, insbesondere 20 bis 90 Gew.-% eines oxidischen Trägers aufweist, und im zweiten Reaktor ein höherer Druck herrscht als im ersten Reaktor.

Description

Zweistufiges Verfahren zur Herstellung von Butandiol mit Zwischenabtrennung von
Bernsteinsäureanhydrid
Die vorliegende Erfindung betrifft ein zweistufiges Verfahren zur Herstellung von gegebenenfalls alkylsubstituiertem Butandiol durch katalytische Hydrierung in der Gasphase von Substraten, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Derivaten der Maleinsäure und Bernsteinsäure sowie diesen Säuren selbst. Unter Derivaten werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung Anhydride verstanden, die ebenso wie die Säuren einen oder mehrere Alkylsubstituenten aufweisen können. Durch ein Abtrennen von Bernsteinsäureanhydrid nach der ersten Hydrierstufe lassen sich Aktivität, Selektivität und die Standzeit des Katalysators in der zweiten Hydrierstufe erhöhen.
Die an sich bekannte Hydrierung von MSA fuhrt über die Zwischenstufe Bernsteinsäureanhydrid (BSA) zunächst zu γ-Butyrolacton (GBL). Danach fuhrt die weitere Hydrierung zu Tetrahydrofuran (THF), n-Butanol (BuOH) und/oder n-Butan. GBL steht mit Butandiol (BDO) in einem Gleichgewicht, das durch geeignete Massnahmen zum grossen Teil auf die Seite des Butandiols verschoben werden kann. Butandiol kann jedoch ebenso leicht wie GBL durch sogenannte Überhydrierung zu Butanol und Butan abreagieren; Cyclisierung des Butandiol führt zu THF. Diese Produkte können nicht wieder in BDO bzw. GBL überführt werden. Wird BDO als Produkt gewünscht, muss die Bildung vor allem des THF vermieden werden.
Die Gasphasenhydrierung von gereinigtem Maleinsäureanhydrid (MSA) zu Butyrolacton (GBL) und die Umsetzung von gereinigtem GBL zu BDO sind zwei seit vielen Jahren bekannte Reaktionen. Zur Durchführung dieser beiden katalytischen Reaktionen sind in der Literatur zahlreiche Katalysatorsysteme beschrieben. Je nach Zusammensetzung der Katalysatoren und der gewählten Reaktionsparameter werden mit derartigen Katalysatoren unterschiedliche Produktverteilungen erreicht. Verfahren zur direkten Herstellung von Butandiol ausgehend von MSA sind ebenfalls bereits bekannt. Sollen GBL und BDO hergestellt werden, die Alkylsubstituenten aufweisen, so bietet es sich an, von den vorstehend genannten Edukten auch die entsprechenden alkylsubstituierten Spezies zu verwenden.
Die bei der Hydrierung von MSA zu einem der vorstehend erwähnten Produkte verwendeten Katalysatoren sind, insbesondere bei älteren Verfahren, häufig chromhaltig. Dies findet seinen Niederschlag in der Patentliteratur, in der sich eine große Anzahl von Patenten und Patentanmeldungen findet, die chromhaltige Katalysatoren für die Hydrierreaktion offenbaren, wobei die Hydrierung in den meisten Fällen auf MSA als Edukt beschränkt ist.
Die nachfolgenden Dokumente beschreiben die Verwendung chromhaltiger Katalysatoren bei der Hydrierung von MSA.
In der EP-A 0 322 140 wird ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Tetrahydrofuran (THF) und zur gleichzeitigen Herstellung von THF und GBL durch Gasphasenhydrierung von MSA und BSA offenbart. Der beanspruchte Katalysator enthält Kupfer, Zink und Aluminium und ein weiteres Element der Gruppe IIA, IIIA, VA, VIII, IIIB bis VIIB, der Lanthan und Actinium-Reihe, bzw. Ag und Au. Bei 40 bar können mit diesen Katalysatorsystemen ausgehend von Rein-MSA THF-Ausbeuten von 90 - 95 % erhalten werden, bei einem Druck von ca. 20 bar lassen sich Gemische von GBL und THF erhalten.
In den US 4,965,378 und US 5,072,009 kommt ein ähnlicher Katalysator zur Anwendung, der jedoch zusätzlich Si, Ge, Sn und Pb enthalten kann. Durch die Anwendung solcher Katalysatoren entstehen hohe Mengen THF (95% bis 31,4%), das nicht zu Butyrolacton oder Butandiol umgesetzt werden kann.
Die EP-A 0 404 408 offenbart einen Katalysator für die MSA-Hydrierung, dessen katalytisch aktives Material im wesentlichen dem Material der US 5,072,009 entspricht. Es wird auf einem Träger fixiert als Schalenkatalysator eingesetzt. In den Ausfuhrungsbeispielen werden ausschließlich chromhaltige Katalysatoren verwendet. Hohe GBL- Ausbeuten lassen sich bei einem Druck von 2 bar realisieren, wird ein höherer Druck verwandt, steigt die THF -Ausbeute, die GBL- Ausbeute geht zurück.
In der US 5,149,836 wird ein Mehrstufen-Gasphasenverfahren zur Herstellung von GBL und THF mit variablen Produktselektivitäten offenbart, wobei in einer ersten Stufe eine Mischung aus Rein-MSA und Wasserstoff über einen Katalysator geleitet wird, welcher Kupfer, Zink und Aluminium enthält. Dieser rohe Reaktionsaustrag wird anschließend zur Herstellung des THF über einen chromhaltigen Katalysator geführt.
In der WO 99/38856 wird ein lediglich aus Kupfer und Chrom bestehender Katalysator offenbart, mit dem im geraden Durchgang ausgehend von Rein-MSA GBL-Selektivitäten von 92 bis 96 mol-% erhalten werden.
In der EP-A 638 565 wird ein Kupfer-, Chrom- und Silicium-enthaltender Katalysator offenbart, wobei die Zusammensetzung nach einem Beispiel ca. 78% CuO, 20% Cr2O3 und 2% SiO2 entspricht. Mit Rein-MSA und Stickstoff- Wasserstoff-Gemischen konnten GBL- Ausbeute von 98% erhalten werden.
Die nachfolgenden Dokumente offenbaren die Verwendung chromfreier Katalysatoren bei der Hydrierung von MSA.
In der GB-A 1 168 220 ist ein Gasphasen- Verfahren zur Herstellung von GBL offenbart, bei dem MSA oder BSA an einem binären Kupfer-Zink-Katalysator zu GBL hydriert werden. In allen Ausführungsbeispielen wird bei atmosphärischem Druck gearbeitet, wobei ausgehend von Rein-MSA GBL-Ausbeuten von 94 mol-% erreicht werden konnten.
In der DE-OS 2 404 493 wird ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung von GBL durch katalytische Hydrierung von Gemischen aus MSA, BSA, Maleinsäure (MS), Bernsteinsäure (BS) und Wasser an einem metallischen Katalysator offenbart, neben Kupfer-Chromit-Katalysatoren kommen auch Kupfer-Zink- und Kupfer-Zink- Aluminium- Fällkatalysatoren zur Anwendung. In der WO 91/16132 ist die Hydrierung von MSA zu GBL offenbart, wobei ein CuO, ZnO und Al2O3 enthaltender Katalysator, der bei 150°C bis 350°C reduziert und bei 400 °C aktiviert wird, eingesetzt wird. Durch die Aktivierung soll die Standzeit des Katalysatorsystems erhöht werden.
Ein CuO - ZnO - enthaltender Katalysator wird in US 6,297,389 offenbart. Mit ihm kann nach Aktivierung Rein-MSA zu GBL umgesetzt werden, wobei im geraden Durchgang ausgehend von Rein-MSA GBL- Ausbeuten von 92 bis 96 % erhalten werden.
Die WO 95/22539 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von GBL durch katalytische Hydrierung von MSA und/oder BSA an einem Katalysator der aus Kupfer, Zink und Zirkonium besteht. Hierbei werden ausgehend von Rein-MSA GBL-Ausbeuten von bis zu 99 % erreicht.
In der WO 99/35136 wird ein zweistufiges Verfahren zur Herstellung von GBL und THF offenbart, wobei MSA in einer ersten Stufe mit einem Kupfer-haltigen Katalysator hydriert und dieser Reaktionsaustrag über einen sauren Silizium-Aluminium-haltigen Katalysator geleitet wird.
In der WO 97/24346 wird ein Kupferoxid-Aluminiumoxid-Katalysator beschrieben, mit welchem die Hydrierung von MSA in Ausbeuten von 92 mol-% zu GBL gelingt.
Auch die Umsetzung von GBL zu BDO ist eine seit langem bekannte Reaktion. Die nachfolgend erwähnten Dokumente offenbaren diese Reaktion unter Einsatz chromhaltiger Katalysatoren.
In DE 1 277 233 wird ein Verfahren zur Herstellung von Gemischen verschiedener Alkohole durch Hydrierung von Lactonen mit Wasserstoff offenbart. Als Katalysatoren werden mit Barium versetztes Kupferchromit auf einem inaktiven Aluminiumoxydträger verwendet. In GB-A 1 230 276 wird ein Verfahren zur Herstellung von BDO aus GBL an einem Kupferoxid-Chromoxid-Katalysator bei einer Temperatur zwischen 180 °C und 230 °C beschrieben.
Nach der DE-A 2 231 986 soll mit Kupfer-Chromit-Katalysatoren, die mit Kalium, Natrium, Rubidium, Aluminium, Titan, Eisen, Kobalt oder Nickel dotiert sind, die Standzeit der Katalysatoren verlängert werden.
Nach der DE-A 2 501 499 wird zur Herstellung von BDO eine Mischung aus Dioxan, GBL, Wasser und Carbonsäuren eingesetzt. Die beschriebene Reaktion findet bei Hochdruck (170 bar) in der flüssigen Phase, vorzugsweise unter Verwendung des Lösemittels Dioxan statt und es kommen ebenfalls Kupfer-Chromoxid-Katalysatoren zum Einsatz.
Kupferchromitkatalysatoren werden nach der J01121-228-A mit Pd dotiert, um einen höheren Umsatz zu erreichen.
Weitere Kupferchromitkatalysatoren sind beschrieben bei Dasunin, Maeva, Z.Org.chim. 1 (1965), Nr.6, S996-1000; JA 5366/69; JA 7240770; J4 9024-906; J49087-610; wobei in den Ausführungsbeispielen Rein-GBL in der flüssigen Phase zu BDO umgesetzt wird.
Die Gasphasenhydrierung von Rein-GBL zu Butandiol ist in der US 4,652,685 an Kupfer- Chromit-Katalysatoren beschrieben. Hierbei konnte bei einem Druck von 41 bar bei einem Umsatz von 60-68% eine BDO-Selektivität von 92-97 % erreicht werden.
In den US 5,406,004 und US 5,395,990 werden Verfahren zur Herstellung von Gemischen aus Alkoholen und Diolen durch Hydrierung von Rein-GBL an Kupfer-haltigen Katalysatoren offenbart. Hierbei wird eine mit Kupferkatalysator gefüllte Hydrierzone mit Hydrierfeed und Wasserstoff bei einer Temperatur von 150 bis 350°C und Drücken zwischen 10,3 bar und 138 bar beaufschlagt und ein Produkt bestehend aus Alkoholen und Diolen isoliert. In den Ausführungsbeispielen wird eine Reihe von Kupfer, Zink und Chrom enthaltenden Katalysatoren beschrieben. Schliesslich offenbaren die nachfolgend aufgeführten Dokumente den Einsatz chromfreier Kupferkatalysatoren zur Hydrierung von GBL zu BDO.
Ein aus CuO und ZnO bestehender Katalysator wird in WO 82/03854 beschrieben. Hiermit kann in der Gasphase bei einem Druck von 28,5 bar und einer Temperatur von 217 °C eine BDO-Selektivität von 98,4 % erreicht werden. Der Umsatz an Rein-GBL ist jedoch unbefriedigend gering.
Mit Palladium und Kalium dotierte Kupfer-Tränkkatalysatoren sind in den Dokumenten US 4,797,382; US 4,885,411 und EP-A 0 318 129 beschrieben. Sie sind zur Umsetzung von GBL zu Butandiol geeignet.
Die Verwendung eines Gemisches aus GBL und Wasser als Feedstrom in Verbindung mit einem Kupferoxid-Zinkoxid-Katalysator ist in US 5,030,773 A beschrieben. Hierin wird offenbart, dass die Aktivität derartiger Katalysatoren zunimmt, falls dem Rein-GBL-Strom 1 bis 6 % Wasser zugemischt werden und dieses Gemisch in der Gasphase hydriert wird. Falls Rein-GBL für diese Reaktion Verwendung findet, so muß extra Wasser zu gemischt werden, welches anschließend wieder abgetrennt werden muß. Falls GBL eingesetzt würde, das durch Hydrierung von MSA entsteht, wären 17% Wasser im Feed enthalten. Demzufolge müssten mindestens 11% Wasser vor der Hydrierung zu BDO abgetrennt werden.
In JP-A 0 634 567 ist ein Kupfer-Eisen-Aluminium-enthaltender Katalysator beschrieben, der sich zur Hydrierung von Rein-GBL zu BDO bei Hochdruck (250 bar) eignet.
Ein Verfahren zur Herstellung von BDO ausgehend von Maleinsäureestern ist in WO 99/35113 aufgeführt. Hierbei wird in drei aufeinanderfolgenden Stufen hydriert. Ausgehend von Maleinsäureester wird an einem edelmetallhaltigen Katalysator Bernsteinsäureester hergestellt, welcher in einer zweiten Stufe zu GBL und THF umgesetzt wird. GBL wird abgetrennt und in einer dritten Stufe bei höherem Druck zu BDO umgesetzt. In der WO 99/35114 wird ein Verfahren zur Herstellung von BDO durch Flüssigphasenhydrierung von GBL, Bernsteinsäureester oder Gemische der beiden bei Drucken zwischen 60 bar und 100 bar und Temperaturen zwischen 180 °C und 250 °C beschrieben. Als Katalysator wird ein Kupferoxid-Zinkoxid-Katalysator eingesetzt.
Eine weitere Gasphasenvariante der Hydrierung von GBL zu BDO wird in WO 99/52845 an einem Kupferoxid-Zinkoxid-Katalysator offenbart. Zusätzlich zum üblichen Reaktionsfeed wird Kohlenmonoxid dem Wasserstoff beigemischt, um gleichzeitig Methanol herzustellen.
In der EP-A 0 382 050 wird an der Hydrierung von Rein-GBL an einem Cobaltoxid, Kupferoxid, Manganoxid und Molybdänoxid enthaltenden Katalysator gearbeitet.
Auch die direkte Herstellung von BDO ausgehend von MSA ist bekannt. Die nachfolgend aufgeführten Dokumente beschreiben diese Reaktion unter Einsatz von chromhaltigen Katalysatoren.
In der DE 2 845 905 wird ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Butandiol ausgehend von Maleinsäureanhydrid beschrieben. Hierbei wird MSA gelöst in einwertigen aliphatischen Alkoholen mit Wasserstoff bei Drücken von 250 bar und 350 bar an Kupferchromitkatalysatoren umgesetzt.
Ein Verfahren zur gleichzeitigen Herstellung von BDO und THF ausgehend von MSA an Kupfer-, Chrom- und Mangan-enthaltenden Katalysatoren ist in der EP-A 0 373 947 offenbart. Es werden Gemische aus MSA und GBL, Gemische aus MSA und 1 ,4-Dioxan und Rein-MSA eingesetzt. In allen Fällen werden Gemische von THF und BDO erhalten. Nachteilig an diesem Verfahren sind die hohen Ausbeuten an Tetrahydrofuran.
In den Dokumenten CN-A 1 113 831-A, CN-A 1 116 615-A, CN-A 1 138 018-A und CN- A 1 047 328 werden chromhaltige Katalysatoren offenbart. In der CN 1 137 944 A wird ein Kupfer-, Chrom-, Mangan-, Barium-, und Titan-haltiger Katalysator verwendet. _ _
Nach der Offenbarung der CN-A 1 182 639 kann ein Kupfer-, Chrom-, Zink- und Titan- haltiger Katalysator zur Hydrierung von Mischungen aus GBL und MSA benutzt werden.
Die CN-A 1 182 732 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von BDO durch Gasphasenhydrierung von MSA an Kupfer- und Chrom-haltigen Katalysatoren bei 200 bis 250°C und einem Druck von 30 bis 70 bar. Hierbei ist MSA bei der Hydrierung in einem geeigneten Lösemittel gelöst.
Die nachfolgend aufgeführten Dokumente schliesslich offenbaren die direkte Hydrierung von MSA zu BDO unter Einsatz chromfreier Katalysatoren.
So wird in der DE-A 2 455 617 ein dreistufiges Verfahren zur Herstellung von BDO beschrieben. In einer ersten Stufe werden an einem Ni-haltigen Katalysator Lösungen von MSA in GBL zu BSA in GBL hydriert. In einer zweiten Stufe bei hohem Druck (80-200 bar) und höherer Temperatur wird diese Lösung aus BSA in GBL in der flüssigen Phase zu GBL hydriert, anschließend Wasser, Bernsteinsäureanhydrid und Bernsteinsäure vom GBL abgetrennt und das reine GBL teilweise zurückführt und in einer dritten Verfahrensstufe an einem Kupfer-Zinkoxid-Katalysator in der flüssigen Phase bei hohem Druck zu Butandiol umgesetzt.
In der US 4,301,077 wird ein Ruthenium-haltiger Katalysator zur Hydrierung von MSA zu BDO eingesetzt.
Die DE-A 3 726 510 offenbart die Verwendung eines Kupfer, Kobalt und Phosphor enthaltenden Katalysators zur direkten Hydrierung von MSA.
Ein reiner Kupferoxid-Zinkoxid-Katalysator kommt bei J0 2025-434-A zum Einsatz. Laut den Ausfuhrungsbeispielen kann Rein-MSA bei einem Druck von 40 bar umgesetzt werden. Die Ausbeute an Butandiol beträgt jedoch lediglich 53,5 mol-%, als Nebenausbeute werden 40,2 mol-% GBL gefunden. In der EP-A 373 946 wird ein Verfahren offenbart, bei dem man einem mit Rhenium dotierten Kupferoxid-Zinkoxid-Katalysator MSA der Gasphase direkt zu BDO umgesetzt wird.
Die gleichzeitige Herstellung von BDO und THF ist Gegenstand der Patentanmeldungen J0 2233-627-A (hier wird ein Kupfer-Zink- Aluminium-Katalysator eingesetzt) J0 2233- 630-A (hier wird ein Mangan-, Barium- und Silicium-enthaltender Kupfer-Chrom- Katalysator verwendet) und J0 2233-631-A (hier wird ein Kupfer und Aluminium enthaltender Katalysator eingesetzt). Durch Anwendung dieser Katalysatoren werden neben BDO aus MSA neben BDO auch große Mengen THF gebildet.
Ein Katalysator enthaltend Kupfer-, Mangan- und Kalium ist in der JO-A 2233-632 beschrieben.
In EP-A 431 923 wird ein zweistufiges Verfahren zur Herstellung von BDO und THF beschrieben, wobei in einer ersten Stufe GBL durch Flüssigphasen-Hydrierung von MSA entsteht und dieses in einer zweiten Stufe durch Gasphasenreaktion an einem Kupfer- Silizium-enthaltenden Katalysator zu Butandiol umgesetzt wird.
Die US 5,196,602 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Butandiol durch Hydrierung von MSA oder Maleinsäure mit Wasserstoff in einem zweistufigen Prozeß. In einer ersten Stufe wird MSA zu BSA und / oder GBL hydriert, welches in einer zweiten Stufe in Gegenwart eines Ru-enthaltenden Katalysators zu BDO umgesetzt wird.
Die den oben zitierten Druckschriften zugrundeliegenden Technologien benutzen als Edukt für die Hydrierungsreaktionen vorgereinigtes MSA, das nach seiner Herstellung im allgemeinen durch Destillation von Verunreinigungen befreit wurde. MSA wird hergestellt durch partielle Oxidation von bestimmten Kohlenwasserstoffen, nämlich Benzol, Butengemischen sowie n-Butan, wobei dieses letztere vorzugsweise eingesetzt wird. Das Rohprodukt der Oxidation enthält neben dem gewünschten MSA vor allem Nebenprodukte wie Wasser, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, nicht umgesetzten
Ausgangskohlenwasserstoff sowie Essig- und Acrylsäure, wobei diese Nebenprodukte unabhängig von den in die Oxidation eingesetzten Kohlenwasserstoffen sind. Zumeist _ _
werden die Nebenprodukte durch aufwendige Verfahren abgetrennt, beispielsweise durch Destillation, wie oben erwähnt. Das Reinigen erweist sich insbesondere als notwendig, weil die in den Hydrierverfahren eingesetzten Katalysatoren generell empfindlich auf solche Verunreinigungen reagieren. Die Desaktivierung der Katalysatoren ist bereits bei Einsatz von gereinigtem MSA ein Problem, da durch Belegung mit dessen Polymerisationsprodukten der Katalysator in der Regel in relativ kurzen Intervallen, die oftmals bei ca. 100 Stunden liegen, regeneriert werden muß. Die Tendenz zur Desaktivierung ist beim Vorliegen polymerisierbarer Verunreinigungen, wie beispielsweise der Acrylsäure, noch erhöht. Diese Tatsache ist dem Fachmann bekannt und wird beispielsweise auch in den Patentanmeldungen EP-A 322 140, WO 91/16132 und DE-OS 240 44 93 beschrieben.
Bis jetzt existiert im Stand der Technik lediglich eine Druckschrift, die die Hydrierung von lediglich grob vorgereinigtem MSA offenbart. Aus der WO 97/43234 ist bekannt, Maleinsäureanhydrid aus Maleinsäureanhydrid enthaltenden Gasströmen, die aus der Oxidation von Kohlenwasserstoffen stammen, mit Hilfe von mindestens 30 °C höher siedenden Absorptionsmitteln zu absorbieren, das Maleinsäureanhydrid aus diesen Absorptionsmitteln mit Hilfe von Wasserstoff herauszutreiben und den Maleinsäureanhydrid enthaltenden Wasserstoffstrom in der Gasphase an einem heterogenen Katalysator zu hydrieren. Dabei wird hauptsächlich BDO neben geringen Mengen GBL und THF erhalten. Die Hydrierung wird bei etwa 150°C bis 300°C und einem Druck von 5 bar bis 100 bar in der Gasphase durchgeführt. Als Katalysatoren werden promotierte Kupferkatalysatoren verwendet, wie sie in Journal of Catalysis 150, Seiten 177 bis 185 (1994) beschrieben sind. Dabei handelt es sich um chromhaltige Katalysatoren des Typs Cu/Mn/Ba/Cr und Cu/Zn/Mg/Cr. Somit werden gemäß der Offenbarung dieser Anmeldung chromhaltige Katalysatoren zur Hydrierung von MSA- Qualitäten, die die oben dargelegten Verunreinigungen aufweisen, eingesetzt. Der Einsatz chromhaltiger Katalysatoren wird jedoch aufgrund der Toxizität heutzutage so weit wie möglich vermieden.
Neuere Technologien rücken aufgrund der Toxizität mehr und mehr von der Verwendung chromhaltiger Katalysatoren ab. Beispiele für chromfreie Katalysatorsysteme finden sich in den Druckschriften WO 99/35139 (Cu-Zn-Oxid), WO 95/22539 (Cu-Zn-Zr) sowie der US 5,122,495 (Cu-Zn- AI-Oxid).
Auf dem Gebiet der Hydrierung von MSA zu Folgeprodukten, insbesondere GBL, THF und/oder BDO, existiert also ein nahezu unüberschaubarer Stand der Technik, wobei vorgehend nur eine Auswahl aus dem gesamten existierenden Stand der Technik zitiert wurde.
Zusammenfassend läßt sich sagen, dass die bei der Herstellung von BDO durch Hydrierung von MSA auftretenden technischen Probleme gelöst wurden dahingehend, dass befriedigende Ausbeuten und Selektivitäten zu BDO- also nur untergeordnete Bildung von THF - erzielt werden. Dies wurde erreicht durch unterschiedliche Massnahmen bzw. die Kombination verschiedener Massnahmen.
Generell wurde BDO durch direkte Hydrierung von Rein-GBL - das wiederum durch Hydrierung von MSA und anschliessende aufwendige Reinigung gewonnen wurde - erhalten. In jedem Fall wurde als Edukt Rein-MSA eingesetzt, das nur noch geringe Mengen an Verunreinigungen enthielt, da ansonsten keine zufriedenstellende Selektivität und Katalysatorstandzeit erreicht wurden. Es wurden chromhaltige Katalysatoren eingesetzt, insbesondere auch in der zweiten Stufe, um eine hohe BDO-Selektivität und die gewünschte Standzeit zu erreichen. Zur Vermeidung des Einsatzes chromhaltiger Katalysatoren konnte alternativ auf edelmetallhaltige Katalysatoren zurückgegriffen werden, die bezüglich Ausbeute, Selektivität und auch Standfestigkeit mit chromhaltigen Katalysatoren vergleichbar, jedoch deutlich kostenintensiver sind.
Weiterhin wurde bei der bevorzugten Durchführung der Reaktion in zwei getrennten Stufen nach der ersten Hydrierstufe eine aufwendige Reinigung des GBL durchgeführt, um eine hohe Standzeit der Katalysatoren, insbesondere auch im Hinblick auf die gewünschte Selektivität, zu erreichen. Bis jetzt ist lediglich in der erwähnten WO 97/43234 ein Verfahren offenbart, bei dem MSA, das nur grob vorgereinigt wurde, als Edukt zur Herstellung von BDO durch Hydrierung eingesetzt wird. Das Verfahren wird einstufig durchgeführt, vermeidet also auch die Aufarbeitung nach der ersten Hydrierstufe. Jedoch eignen sich lediglich chromhaltige Katalysatoren für diese Umsetzung. Gewünscht ist jedoch ein Verfahren zur Herstellung von BDO aus MSA, bei dem kein Rein-MSA eingesetzt und zumindest keine aufwendige Reinigung der Reaktionsprodukte der ersten Stufe durchgeführt werden muss sowie sehr gute Butandiol-Selektivitäten und Katalysatorstandzeiten erzielt werden. Weiterhin soll das Verfahren keine chromhaltigen Katalysatoren benötigen, vorzugsweise auch keine Katalysatoren, die Edelmetalle enthalten sowie eine hohe Selektivität zu BDO aufweisen, insbesondere wenig THF liefern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von gegebenenfalls alkylsubstituiertem 1,4-Butandiol durch zweistufige katalytische Hydrierung in der Gasphase von C4-Dicarbonsäuren und/oder deren Derivaten mit den folgenden Schritten:
a) Einführen eines Gasstroms einer C4-Dicarbonsäure oder eines Derivates davon bei 200 bis 300°C und 2 bis 60 bar in einen ersten Reaktor und katalytische
Gasphasenhydrierung zu einem hauptsächlich, gegebenenfalls alkylsubstituiertes γ- Butyrolacton enthaltenden Produkt;
b) Abtrennen von Bernsteinsäureanhydrid von dem in Schritt a) erhaltenen Produktstrom;
c) Einführen des in Schritt b) erhaltenen Produktstroms in einen zweiten Reaktor bei einer Temperatur von 150°C bis 240°C und einem Druck von 15 bis 100 bar und katalytische Gasphasenhydrierung zu gegebenenfalls alkylsubstituiertem 1,4- Butandiol;
d) Abtrennen des gewünschten Produkts von Zwischenprodukten, Nebenprodukten und gegebenenfalls nicht umgesetztem Edukt;
e) gegebenenfalls Rückführen nicht umgesetzter Zwischenprodukte in eine oder beide Hydrierstufen, wobei in beiden Hydrierstufen jeweils ein Katalysator verwendet wird, der < 95 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 95 Gew.-%, insbesondere 10 bis 80 Gew.-% CuO und > 5 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 95 Gew.-%, insbesondere 20 bis 90 Gew.-% eines oxidischen Trägers aufweist, und im zweiten Reaktor ein höherer Druck herrscht als im ersten Reaktor.
Zum Erzielen der gewünschten BDO-Selektivitäten ist das Einhalten gewisser Reaktionsparameter in beiden Hydrierstufen erforderlich, diese Parameter werden nachfolgend aufgeführt.
Es wurde gefunden, dass BSA wesentlich zu einer schnellen Desaktivierung des in Schritt c) eingesetzten Hydrierkatalysators beiträgt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren, das ein Abtrennen des BSA vorsieht, werden somit hohe BDO-Ausbeuten ermöglicht, bei gleichzeitig langen Katalysatorstandzeiten und sehr guten BDO-Selektivitäten.
Das erfmdungsgemässe Verfahren sieht keine aufwendige Reinigung des aus der ersten Hydrierstufe a) austretenden Produktstroms vor, da BSA, insbesondere aufgrund seines hohen Siedepunkts, ohne grossen apparativen Aufwand von dem Produktstrom abgetrennt werden kann. Durch vergleichsweise einfache, wenig aufwendige Massnahmen lassen sich so die Selektivität und Standzeit des Katalysators erhöhen. Das Abtrennen des BSA erfolgt vorzugsweise durch einfaches Auskondensieren in einer Partialkondensation. Der Abtrennprozess wird weiter unten näher beschrieben.
In dem erfindungsgemässen Verfahren können Edukte unterschiedlicher Reinheit in die Hydrierreaktion eingesetzt werden. Selbstverständlich kann ein Edukt hoher Reinheit, insbesondere MSA, in die Hydrierreaktion eingesetzt werden. Ein Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens liegt aber darin, dass auch der Einsatz von Edukten, insbesondere MSA, das mit den üblichen, bei der Oxidation von Benzol, Butenen oder n-Butan anfallenden Verbindungen sowie eventuell weiteren Komponenten verunreinigt ist, ermöglicht wird. Somit kann das erfmdungsgemässe Hydrierverfahren in einer weiteren Ausführungsform eine vorgeschaltete Stufe umfassen, die das Herstellen des zu hydrierenden Edukts durch partielle Oxidation eines geeigneten Kohlenwasserstoffs sowie das Abtrennen des zu hydrierenden Edukts aus dem damit erhaltenen Produktstrom umfaßt. Dabei wird vorzugsweise nur ein grobes Abtrennen durchgeführt, das keinen unnötig hohen Aufwand erfordert und bei dem noch eine in den bislang bekannten Verfahren nicht tolerierbare Menge an Verunreinigungen in dem Edukt verbleibt.
Insbesondere ist dieses zu hydrierende Edukt MSA. Dabei wird bevorzugt MSA eingesetzt, welches aus der Partialoxidation von Kohlenwasserstoffen stammt. Geeignete Kohlenwasserstoffströme sind Benzol, C4-Olefine (z.B. n-Butene, C4-Raffinatströme) oder n-Butan. Besonders bevorzugt eingesetzt wird n-Butan, da es einen preiswerten, wirtschaftlichen Einsatzstoff darstellt. Verfahren zur Partialoxidation von n-Butan sind beispielsweise in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 6* Edition, Electronic Release, Maleic and Fumaric Acids - Maleic Anhydride beschrieben.
Der so erhaltene Reaktionsaustrag wird dann vorzugsweise in einem geeigneten organischen Lösungsmittel oder -Gemisch aufgenommen, das bei Atmosphärendruck einen um mindestens 30°C höheren Siedepunkt als MSA hat.
Dieses Lösungsmittel (Abso tionsmittel) wird auf eine Temperatur im Bereich zwischen 20 und 160 °C, bevorzugt zwischen 30 und 80 °C, gebracht. Der Maleinsäureanhydrid enthaltende Gasstrom aus der Partialoxidation kann in vielfältiger Weise mit dem Lösungsmittel in Kontakt gebracht werden: (i) Einleiten des Gasstroms in das Lösungsmittel (z.B. über Gaseinleitungsdüsen oder Begasungsringe), (ii) Einsprühen des Lösungsmittels in den Gasstrom und (iii) Gegenstromkontakt zwischen dem nach oben strömenden Gasstrom und dem nach unten strömenden Lösungsmittel in einer Boden- oder Packungskolonne. In allen drei Varianten können die dem Fachmann bekannten Apparate zur Gasabsorption eingesetzt werden. Bei der Wahl des einzusetzenden Lösungsmittels ist darauf zu achten, dass dies nicht mit dem Edukt, beispielsweise dem vorzugsweise eingesetzten MSA, reagiert. Geeignete Lösungsmittel sind: Trikresylphosphat, Dibutylmaleat, Butylmaleat, hochmolekulare Wachse, aromatische Kohlenwasserstoffe mit einem Molekulargewicht zwischen 150 und 400 und einem Siedepunkt oberhalb 140DC, wie beispielsweise Dibenzylbenzol; Alkylphthalate und Dialkylphthalate mit Cι-Cι8- Alkylgruppen, beispielsweise Dimethylphthalat, Diethylphthalat, Dibutylphthalat, Di-n- Propyl-und Di-iso-Propylphthalat, Undecylphthalat, Diundecylphthalat, Methylphthalat, Ethylphthalat, Butylphthalat, n-Propyl- oder iso-Propylphthalat; Di-Cι-C4-Alkylester anderer aromatischer und aliphatischer Dicarbonsäuren, beispielsweise Dimethyl-2,3- Naphthalin-Dicarbonsäure, Dimethyl- 1 ,4-Cyclohexan-Dicarbonsäure; C i -C4-Alkylester anderer aromatischer und aliphatischer Dicarbonsäuren, beispielsweise Methyl-2,3- Naphthalin-Dicarbonsäure, Methyl- 1 ,4-Cyclohexan-DicarbonsäureMethylester langkettiger Fettsäuren mit beispielsweise 14 bis 30 Kohlenstoffatomen, hochsiedende Ether, beispielsweise Dimethylether von Polyethylenglykol, beispielsweise Tetraethylenglykoldimethylether.
Der Einsatz von Phthalaten ist bevorzugt.
Die nach der Behandlung mit dem Absorptionsmittel resultierende Lösung hat generell einen MSA-Gehalt von etwa 5 bis 400 Gramm pro Liter.
Der nach der Behandlung mit dem Absorptionsmittel verbleibende Abgasstrom enthält hauptsächlich die Nebenprodukte der vorangegangenen Partialoxidation, wie Wasser, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, nicht umgesetzte Butane, Essig- und Acrylsäure. Der Abgasstrom ist praktisch frei von MSA.
Anschliessend wird das gelöste MSA aus dem Absorptionsmittel ausgetrieben. Dies erfolgt mit Wasserstoff bei oder maximal 10% oberhalb des Druckes der anschließenden Hydrierung oder alternativ im Vakuum mit anschließender Kondensation von verbleibendem MSA. In der Strippkolonne wird ein Temperaturprofil beobachtet, das sich aus den Siedepunkten von MSA am Kopf und dem nahezu MSA-freien Absorptionsmittel am Sumpf der Kolonne bei dem jeweiligen Kolonnendruck und der eingestellten Verdünnung mit Trägergas (im ersten Fall mit Wasserstoff) ergibt.
Um Verluste an Lösungsmittel zu verhindern, können sich oberhalb der Zufuhr des Roh- MSA-Stromes Rektifiziereinbauten befinden. Das vom Sumpf abgezogene, nahezu MSA- freie Absorptionsmittel wird wieder der Absorptionszone zugeführt. Das H2/MSA- Verhältnis liegt bei etwa 20 bis 400. Im anderen Fall wird das kondensierte MSA in einen Verdampfer gepumpt und dort in den Kreisgasstrom verdampft. Der MSA- Wasserstoff-Strom enthält noch Nebenprodukte, die bei der partiellen Oxidation von n-Butan, Butenen oder Benzol mit Sauerstoff enthaltenden Gasen entstehen, sowie nicht abgetrenntes Absorptionsmittel. Hierbei handelt es sich vor allem um Essigsäure und Acrylsäure als Nebenprodukte, Wasser, Maleinsäure sowie die vorzugsweise als Absorptionsmittel verwendeten Dialkylphthalate. Das MSA enthält Essigsäure in Mengen von 0,01 bis 1 Gew.-%, vorzugsweise 0, 1 bis 0,8 Gew.-% und Acrylsäure in Mengen von 0,01 bis 1 Gew.-%, vorzugsweise 0,1 bis 0,8 Gew.-%, bezogen auf MSA. In der Hydrierstufe werden Essigsäure und Acrylsäure ganz oder teilweise zu Ethanol bzw. Propanol hydriert. Der Maleinsäure-Gehalt beträgt 0,01 bis 1 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,3 Gew.-%, bezogen auf MSA.
Werden Alkyl- und Dialkylphthalate als Absorptionsmittel eingesetzt, hängt deren Gehalt im MSA stark vom richtigen Betrieb der Strippkolonne, insbesondere vom Verstärkungsteil ab. Phthalatgehalte von bis 1,0 Gew.-% , insbesondere bis 0,5 Gew.-% sollten bei geeigneter Betriebsweise nicht überschritten werden, da sonst der Verbrauch an Absorptionsmittel zu hoch wird.
Der vorzugsweise wie vorstehend beschrieben erhaltene Wasserstoff/Maleinsäureanhydrid-Strom wird nun der ersten Hydrierzone zugeführt und hydriert. Die Katalysatoraktivitäten und -Standzeiten sind dabei verglichen mit dem Einsatz von stark, beispielsweise durch Destillation, vorgereinigtem MSA praktisch unverändert.
Der aus dem ersten Reaktor austretende Gasstrom wird von BSA befreit und kann anschließend erfindungsgemäss auf mehrere Arten weiter verarbeitet werden. Die Abtrennung des BSA kann durch den Fachmann bekannte Massnahmen, beispielsweise durch Partialkondensation, gegebenenfalls im Gegenstrom, Kondensation oder Destillation geschehen. Mit den vorstehend beschriebenen Massnahmen kann der BSA-Gehalt des Gasstroms deutlich gedrückt werden. Der für das Verfahren akzeptable Restgehalt an BSA variiert und hängt von vielen verschiedenen Faktoren ab, beispielsweise der Zusammensetzung des Katalysators in der zweiten Hydrierstufe. Es ist häufig wünschenswert, einen B SA-Restgehalt von < etwa 0,3 bis 0,2 Gew.-% zu erreichen. Dieser Wert wird insbesondere dann erreicht, wenn das Verfahren in der ersten Hydrierstufe so durchgeführt wird, dass der BSA-Gehalt des austretenden Stroms ca. 1 Gew.-% beträgt. Gemäss einer Variante wird der von BSA befreite Gasstrom auf den höheren Druck der zweiten Hydrierstufe verdichtet und so, mit gegebenenfalls inckgeführtem GBL, der zweiten Hydrierung zugeführt.
Nach einer weiteren Variante kann der Gasstrom auf 10 bis 60°C gekühlt werden. Dabei werden die Reaktionsprodukte auskondensiert und in einen Abscheider geleitet. Der nichtkondensierte Gasstrom kann abgetrennt und, vorzugsweise nach Zuführen in einen Kreisgasverdichter, in den ersten Hydrierkreis zurückgeführt werden. Entstandene Nebenprodukte im rückgeführten Kreisgasstrom können durch dem Fachmann bekannte Maßnahmen entfernt werden, vorzugsweise durch Ausschleusen einer kleinen Menge an Kreisgas. Die auskondensierten Reaktionsprodukte werden dem System entnommen und dem zweiten Hydrierkreis zugeführt. Die Reaktionsprodukte werden dort unter Druck mit gegebenenfalls rückgeführtem GBL in die Gasphase und mit dem zweiten Katalysator in Kontakt gebracht. Das gegebenenfalls zurückgeführte GBL kann auch direkt gasförmig in den zweiten Hydrierreaktor gebracht werden.
Nach einer weiteren Variante wird der GBL-beladene Gasstrom aus der ersten Stufe auf den Druck der zweiten Stufe verdichtet und das Rückführgas der zweiten Stufe in den Eingang der ersten Stufe expandiert, gegebenenfalls unter Arbeitsleistung.
Bei allen Reaktionsvarianten wird der aus dem zweiten Reaktor austretende Gasstrom gekühlt, vorzugsweise auf 10 bis 60°C. Dabei werden die Reaktionsprodukte auskondensiert und in einen Abscheider geleitet. Der nichtkondensierte Gasstrom wird vom Abscheider abgezogen und dem Kreisgasverdichtet zugeführt. Eine kleine Kreisgasmenge wird ausgeschleust. Die auskondensierten Reaktionsprodukte werden dem System vorzugsweise kontinuierlich entnommen und einer Aufarbeitung zugeführt. Als Nebenprodukte findet man in der auskondensierten Flüssigkeitsphase hauptsächlich THF, n-Butanol neben geringen Mengen an Propanol.
Aus dem flüssigen Hydrieraustrag der zweiten Stufe werden dann die Nebenprodukte sowie Wasser abgetrennt und das gewünschte Produkt BDO isoliert. Dies geschieht generell durch fraktionierende Destillation. Neben- und Zwischenprodukte wie beispielsweise GBL und Di-BDO können in die Hydrierung der ersten und/oder zweiten Stufe, vorzugsweise der zweiten Stufe, zurückgeführt oder alternativ destillativ aufgearbeitet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann diskontinuierlich, semi-kontinuierlich oder kontinuierlich durchgeführt werden. Die kontinuierliche Durchführung ist bevorzugt.
Ein wichtiger Parameter ist das Einhalten einer geeigneten Reaktionstemperatur in beiden Hydrierstufen.
In der ersten Hydrierstufe wird dies vorzugsweise erreicht durch eine genügend hohe Temperatur der Edukte beim Eintritt in den ersten Hydrierreaktor. Diese sogenannte Anfangshydriertemperatur liegt bei Werten von 200 bis 300°C, vorzugsweise 235 bis 270 DC. Um die gewünschte Selektivität und Ausbeute in der ersten Stufe zu erhalten, soll die Reaktion weiterhin vorzugsweise so durchgeführt werden, dass am Katalysatorbett, an dem die eigentliche Reaktion stattfindet, eine geeignet hohe Reaktionstemperatur herrscht. Diese sogenannte Hot-Spot-Temperatur wird nach dem Eintritt der Edukte in den Reaktor eingestellt und liegt vorzugsweise bei Werten von 210 bis 310°C, insbesondere 245 bis 280°C. Das Verfahren wird vorzugsweise so durchgeführt, dass die Eingangstemperatur und die Austrittstemperatur der Reaktionsgase unterhalb dieser Hot- Spot-Temperatur liegen. Die Hot-Spot-Temperatur liegt dabei vorteilhafterweise in der 1. Hälfte des Reaktors, insbesondere bei Vorliegen eines Rohrbündelreaktors. Vorzugsweise liegt die Hot- Spot-Temperatur 5 bis 30°C, insbesondere 5 bis 15°C, besonders bevorzugt 5 bis 10°C, oberhalb der Eintrittstemperatur. Wenn die Hydrierung unterhalb der Minimaltemperaturen der Eingangs- bzw. Hot-Spot-Temperatur durchgeführt wird, dann steigt generell im Fall der Verwendung von MSA als Edukt die Menge an BSA bei gleichzeitiger Verminderung der Menge an GBL und BDO an. Weiterhin sind bei einer solchen Temperatur im Verlauf der Hydrierung eine Desaktivierung des Katalysators durch Belegung mit Bernsteinsäure, Fumarsäure und/oder BSA und eine mechanische Schädigung des Katalysators zu beobachten. Wird dagegen mit MSA als Edukt oberhalb der Maximaltemperaturen der Eingangs- bzw. Hot-Spot-Temperatur hydriert, sinken die BDO-Ausbeute und Selektivität generell auf nicht zufriedenstellende Werte. Es ist hierbei die vermehrte Bildung von THF, n-Butanol und n-Butan zu beobachten, also den Produkten einer weiteren Hydrierung.
In der zweiten Hydrierstufe liegt die Eingangstemperatur (Anfangshydriertemperatur) bei Werten von 150°C bis 260°C, vorzugsweise 175°C bis 225°C, insbesondere bei 180 bis 200°C. Wenn die Hydrierung unterhalb der Minimaltemperaturen der Eingangstemperatur durchgeführt wird, dann sinkt die Menge an gebildetem BDO. Der Katalysator verliert an Aktivität. Weiterhin ist unterhalb der Minimaltemperatur mit einem Auskondensieren der Einsatzstoffe und einer Schädigung des Kupferkatalysators durch Wasser zu rechnen. Wird dagegen mit GBL als Edukt oberhalb der Maximaltemperaturen der Eingangs-Temperatur hydriert, sinken die BDO-Ausbeute und Selektivität auf nicht zufriedenstellende Werte. Bei diesen Temperaturen liegt das Hydriergleichgewicht zwischen BDO und GBL auf Seiten des GBL, so dass weniger Umsatz erzielt wird, jedoch ist die Nebenproduktbildung durch Überhydrierung zu THF, n-Butanol und n-Butan bei höherer Temperatur verstärkt zu beobachten.
Die Temperaturerhöhung des Gasstromes im Reaktor sollte 110°C, vorzugsweise 40°C nicht überschreiten, insbesondere nicht mehr als 20°C sein. Auch hier führen grosse Temperaturerhöhungen häufig zu Überhydrierreaktionen und einem (BDO+GBL) Selektivitätsverlust.
In der ersten Hydrierstufe wird ein Druck von 2 bis 60 bar, bevorzugt ein Druck von 2 bis 20 bar und besonders bevorzugt ein Druck von 5 bis 15 bar gewählt. In diesem Druckbereich ist bei der Hydrierung von MSA die Bildung von THF aus dem zunächst entstehenden Zwischenprodukt GBL weitestgehend unterdrückt.
In der zweiten Hydrierstufe wird ein Druck von 15 bis 100 bar, bevorzugt ein Druck von 35 bis 80 bar und besonders bevorzugt ein Druck von 50 bis 70 bar gewählt. Mit steigendem Druck steigt bei den in der zweiten Hydrierstufe angelegten Temperaturen der Umsatz an GBL zu BDO. Durch höheren Druck kann somit eine niedrigere GBL- Rückführrate gewählt werden. Der Druck in der zweiten Hydrierstufe liegt oberhalb des Drucks der ersten Hydrierstufe. .
Die Katalysatorbelastung der ersten Hydrierstufe liegt vorzugsweise im Bereich von 0,02 bis 1, insbesondere 0,05 bis 0,5 kg Edukt/1 Katalysator D Stunde. Wird die Katalysatorbelastung der ersten Stufe im Falle von MSA über den genannten Bereich hinaus erhöht, ist generell eine Erhöhung des Anteils an BSA und Bernsteinsäure im Hydrieraustrag zu beobachten. Vorzugsweise liegt die Katalysatorbelastung der zweiten Hydrierstufe im Bereich von 0,02 bis 1,5, insbesondere 0,1 bis 1 kg Edukt/1 Katalysator D Stunde. Wird die Katalysatorbelastung über den genannten Bereich hinaus gesteigert, ist mit unvollständigem Umsatz an GBL zu rechnen. Dies kann gegebenenfalls durch eine erhöhte Rückführrate ausgeglichen werden, dies ist jedoch selbstverständlich nicht bevorzugt.
Weiterhin ist das Wasserstoff/Edukt-Molverhältnis ein Parameter, der einen Einfluss auf die Produktverteilung und auch die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemässen Verfahrens hat. Aus wirtschaftlicher Sicht ist ein niedriges Wasserstoff/Edukt- Verhältnis wünschenswert. Die Untergrenze liegt bei einem Wert von 5, wobei jedoch generell höhere Wasserstoff/Edukt-Molverhältnisse von 20 bis 600 angewendet werden. Der Einsatz der erfindungsgemäss verwendeten Katalysatoren sowie das Einhalten der erfindungsgemäss angelegten Temperaturwerte erlaubt den Einsatz günstiger, niedriger Wasserstoff/Edukt- Verhältnisse bei der Hydrierung der ersten Stufe, die vorzugsweise bei Werten von 20 bis 200, vorzugsweise 40 bis 150 liegen. Der günstigste Bereich liegt bei Werten von 50 bis 100.
Um die erfindungsgemäss verwendeten Wasserstoff/Edukt-Molverhältnisse einzustellen, wird üblicherweise ein Teil, vorteilhafterweise die Hauptmenge, des Wasserstoffs sowohl in der ersten als auch in der zweiten Hydrierstufe im Kreis gefahren. Hierzu setzt man im allgemeinen die dem Fachmann bekannten Kreisgasverdichter ein. Die chemisch durch die Hydrierung verbrauchte Wasserstoffmenge wird ergänzt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Teil des Kreisgases ausgeschleust, um Inertverbindungen, beispielsweise n-Butan, zu entfernen. Der im Kreis geführte Wasserstoff kann auch, gegebenenfalls nach Vorheizen, zum Verdampfen des Eduktstroms benutzt werden.
Gemeinsam mit dem Wasserstoff-Kreisgas werden alle Produkte im Kreis geführt, die beim Kühlen der aus den Hydrierreaktoren austretenden Gasströme nicht oder nicht vollständig auskondensieren. Dies sind vor allem THF, Wasser und Nebenprodukte wie Methan und Butan. Die Kühltemperatur beträgt vorzugsweise 0 bis 60°C, vorzugsweise 20 bis 45°C.
Als Reaktortypen kommen alle, für heterogen katalysierte Reaktionen mit einem gasförmigen Edukt- und Produktstrom geeigneten Apparate in Betracht. Bevorzugt sind Rohrreaktoren, Schachtreaktoren oder Reaktoren mit innerer Wärmeabfuhr, beispielsweise Rohrbündelreaktoren, es ist auch der Einsatz eines Wirbelbetts möglich. Besonders bevorzugt eingesetzt werden für die erste Hydrierstufe Rohrbündelreaktoren, für die zweite Hydrierstufe werden Schachtreaktoren besonders bevorzugt. Es können sowohl in der ersten als auch der zweiten Hydrierstufe mehrere Reaktoren parallel oder hintereinander geschaltet eingesetzt werden. Prinzipiell kann zwischen die Katalysatorbetten eine Zwischeneinspeisung erfolgen. Möglich ist auch eine Zwischenkühlung zwischen oder in den Katalysatorbetten. Bei Einsatz von Festbettreaktoren ist eine Verdünnung des Katalysators durch Inertmaterial möglich.
Ein wichtiger Punkt der vorliegenden Erfindung ist die Wahl der Katalysatoren für beide Stufen, die als katalytisch aktiven Hauptbestandteil Kupferoxid aufweisen. Dieses ist auf einem oxidischen Träger, der nur eine geringe Anzahl an sauren Zentren besitzen darf, angebracht. Wird ein Katalysator mit einer zu hohen Anzahl an sauren Zentren verwendet, wird BDO dehydratisiert und es entsteht THF.
Ein geeignetes Trägermaterial, das eine ausreichend geringe Anzahl an sauren Zentren besitzt, ist ein Material ausgewählt aus der Gruppe ZnO, Al2O3, SiO2, TiO2, ZrO2, CeO2, MgO, CaO, SrO, BaO und Mn2O3 und Mischungen davon. Bevorzugt sind als Trägermaterialien ZnO-/Al2O3-Gemische, die delta-, theta-, alpha- und eta-Modifikationen des Al2O3 sowie Mischungen, die mindestens eine Komponente aus der Gruppe SiO2, TiO , ZrO2 einerseits und aus der Gruppe ZnO, MgO, CaO, SrO und BaO andererseits enthalten. Besonders bevorzugt als Trägermaterialien sind reines ZnO, ZnO/Al2O3- Gemische im Gewichtsverhältnis 100:1 bis 1:2, sowie Mischungen von SiO2 mit MgO, CaO und/oder ZnO im Gewichtsverhältnis 200:1 bis 1 :1. Die Menge an Kupferoxid liegt bei Werten < 95 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 95 Gew.-%, insbesondere bei 15 bis 80 Gew.-%; der Träger wird in Mengen von > 5 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 95 Gew.-%, insbesondere 20 bis 85 Gew.-% eingesetzt.
Aufgrund der Toxizität chromhaltiger Katalysatoren werden bevorzugt chromfreie Katalysatoren eingesetzt. Selbstverständlich eignen sich technisch auch entsprechende, dem Fachmann bekannte chromhaltige Katalysatoren für einen Einsatz in dem erfindungsgemässen Verfahren, wodurch sich jedoch nicht die gewünschten Vorteile, die insbesondere umweit- und arbeitstechnischer Natur sind, ergeben.
In beiden Hydrierstufen kann der gleiche Katalysator verwendet werden, bevorzugt ist jedoch der Einsatz unterschiedlicher Katalysatoren.
Optionsweise können die erfindungsgemäss verwendeten Katalysatoren, ein oder mehrere weitere Metalle oder eine Verbindung davon, vorzugsweise ein Oxid, aus den Gruppen 1 bis 14 (IA bis VIILA und IB bis IVB der alten IUPAC-Nomenclatur) des Periodensystems der Elemente enthalten. Wird ein weiteres Metall verwendet, wird vorzugsweise Pd eingesetzt in Mengen von < 1 Gew.-%, vorzugsweise < 0,5 Gew.-%, insbesondere < 0,2 Gew.-%. Die Zugabe eines weiteren Metalls oder Metalloxids ist jedoch nicht bevorzugt.
Die eingesetzten Katalysatoren können zudem ein Hilfsmittel in einer Menge von 0 bis 10 Gew.-% enthalten. Unter Hilfsmittel versteht man organische und anorganische Stoffe, die zu einer verbesserten Verarbeitung während der Katalysatorherstellung und/oder zu einer Erhöhung der mechanischen Festigkeit der Katalysatorformkörper beitragen. Derartige Hilfsmittel sind dem Fachmann bekannt; Beispiele umfassen Graphit, Stearinsäure, Kieselgel und Kupferpulver.
Die Katalysatoren lassen sich nach dem Fachmann bekannten Methoden herstellen. Bevorzugt sind Verfahren, bei denen das Kupferoxid fein verteilt und innig vermischt mit den anderen Bestandteilen anfällt, besonders bevorzugt sind Auftränken und Fällungsreaktionen. Diese Ausgangsmaterialien können nach bekannten Methoden zu den Formkörpern verarbeitet werden, beispielsweise Extrudieren, Tablettieren oder durch Agglomerationsverfahren, gegebenenfalls unter Zusatz von Hilfsmitteln.
Alternativ können erfindungsgemässe Katalysatoren beispielsweise auch durch Aufbringen der Aktivkomponente auf einen Träger hergestellt werden, beispielsweise durch Beschichten oder Aufdampfen. Weiterhin können erfindungsgemässe Katalysatoren durch Verformen einer heterogenen Mischung aus Aktivkomponente oder Vorläuferverbindung hiervon mit einer Trägerkomponente oder Vorläuferverbindung hiervon erhalten werden.
Bei der erfindungsgemässen Hydrierung, bei der neben MSA andere, vorstehend definierte C -Dicarbonsäuren oder deren Derivate als Edukt eingesetzt werden können, wird der Katalysator in reduzierter, aktivierter Form verwendet. Die Aktivierung erfolgt mit reduzierenden Gasen, vorzugsweise Wasserstoff oder Wasserstoff/lnertgas-Gemischen, entweder vor oder nach dem Einbau in die Reaktoren, in welchen das erfindungsgemässe Verfahren durchgeführt wird. Wurde der Katalysator in oxidischer Form in den Reaktor eingebaut, so kann die Aktivierung sowohl vor dem Anfahren der Anlage mit der erfindungsgemässen Hydrierung als auch während des Anfahrens, also in situ, durchgeführt werden. Die separate Aktivierung vor dem Anfahren der Anlage erfolgt im allgemeinen mit reduzierenden Gasen, vorzugsweise Wasserstoff oder Wasserstoff/Inertgas-Gemischen bei erhöhten Temperaturen, vorzugsweise zwischen 100 und 350°C. Bei der sogenannten in-situ- Aktivierung erfolgt die Aktivierung beim Hochfahren der Anlage durch Kontakt mit Wasserstoff bei erhöhter Temperatur.
Die Katalysatoren werden vorzugsweise als Formkörper eingesetzt. Beispiele umfassen Stränge, Rippstränge, andere Extrudatformen, Tabletten, Ringe, Kugeln und Splitt.
Die BET-Oberfläche der Kupferkatalysatoren sollte im oxidischen Zustand 10 bis 300
•y 9 9 m Ig, vorzugsweise 15 bis 175 m Ig, insbesondere 20 bis 150 m Ig betragen. Die Kupferoberfläche (N2O-Zersetzung) des reduzierten Katalysators sollte im Einbauzustand > 0,2 m2/g, vorzugsweise > 1 m Ig, insbesondere > 2 m2/g betragen. Gemäß einer Variante der Erfindung werden Katalysatoren verwendet, die eine definierte Porosität aufweisen. Diese Katalysatoren zeigen als Formkörper ein Porenvolumen von > 0,01 ml/g für Porendurchmesser > 50 nm, vorzugsweise > 0,025 ml/g für Porendurchmesser > 100 nm und insbesondere > 0,05 ml/g für Porendurchmesser > 200 nm. Weiterhin liegt das Verhältnis von Makroporen mit einem Durchmesser > 50 nm zum Gesamtporenvolumen für Poren mit einem Durchmesser > 4 nm bei Werten > 10 %, bevorzugt > 20 %, insbesondere > 30 %. Die erwähnten Porositäten wurden durch Quecksilber-Intrusion nach DIN 66133 bestimmt. Es wurden die Daten im Porendurchmesserbereich von 4 nm bis 300 μm ausgewertet.
Die erfindungsgemäss verwendeten Katalysatoren besitzen im allgemeinen eine ausreichende Standzeit. Für den Fall, dass die Aktivität und/oder Selektivität des Katalysators dennoch im Laufe ihrer Betriebszeit sinken sollte, kann dieser durch dem Fachmann bekannte Maßnahmen regeneriert werden. Hierzu zählt vorzugsweise eine reduktive Behandlung des Katalysators im Wasserstoffstrom bei erhöhter Temperatur. Gegebenenfalls kann der reduktiven Behandlung eine oxidative vorausgehen. Hierbei wird die Katalysatorschüttung mit einem molekularen Sauerstoff enthaltenden Gasgemisch, beispielsweise Luft, bei erhöhter Temperatur durchströmt. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Katalysatoren mit einem geeigneten Lösungsmittel, beispielsweise Ethanol, THF, BDO oder GBL, zu waschen und anschließend in einem Gasstrom zu trocknen.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird nun in den nachfolgenden Beispielen näher erläutert.
Beispiel lss
a) Katalysatorherstellung
b) Katalysator-Aktivierung
Vor dem Reaktionsbeginn wird der Katalysator in der Hydrierapparatur einer Wasserstoffbehandlung unterzogen. Hierzu wird der Reaktor auf 180°C temperiert und der Katalysator die in Tabelle 1 angegebene Zeit mit dem jeweils angegebenen Gemisch aus Wasserstoff und Stickstoff bei Atmosphärendruck aktiviert.
Tabelle 1
c) Hydrierapparatur
Die zur Hydrierung verwendete Druckapparatur besteht aus einem Verdampfer, einem Reaktor, einem Kühler mit Quenchzulauf, einer Wasserstoffzufυhr, einer Abgasleitung und einem Kreisgasgebläse. Der Druck in der Apparatur wird konstant gehalten.
Das aufgeschmolzene MSA wird von oben auf den vorgeheizten (245°C) Verdampfer gepumpt und verdampft. Auf den Verdampfer gelangt ebenfalls von oben eine Mischung aus frischem Wasserstoff und Kreisgas. Wasserstoff und MSA gelangen so von unten in den temperierten Reaktor. Der Reaktorinhalt besteht aus einem Gemisch aus Glasringen und Katalysator. Nach der Hydrierung verläßt das entstandene THF zusammen mit Wasser, anderen Reaktionsprodukten und Wasserstoff den Reaktor und wird im Kühler durch Quenchen niedergeschlagen. Ein Teil des Kreisgases wird ausgeschleust, bevor der Rest, mit Frischwasserstoff vermischt, wieder in den Verdampfer eintritt.
Der kondensierte flüssige Reaktionsaustrag, das Abgas und das Kreisgas werden gaschromatographisch quantitativ analysiert.
Beispiel ld
d) Hydrierung von aus n-Butan hergestelltem Maleinsäureanhydrid Der Reaktor der in Beispiel lb beschriebenen Hydrierapparatur wird mit 220 ml des nach Beispiel 1 a hergestellten Katalysators und 130 ml Glasringen gefüllt. Die Aktivierung erfolgte wie in Beispiel 1 b beschrieben.
Als Edukt wird aus n-Butan hergestelltes Maleinsäureanhydrid eingesetzt, das 500 ppm Acrylsäure, 1500 ppm Essigsäure und 100 ppm Dibutylphthalat enthält. Die Umsetzung wird 1000 h lang durchgeführt. Dabei wird über den gesamten Zeitraum keinerlei Desaktivierung des Katalysators, d.h. kein Rückgang des Maleinsäureanhydrid-Umsatzes und/oder der Tetrahydrofuran- Ausbeute beobachtet. Butandiol wird gaschromatographisch nicht beobachtet. In Tabelle 2 sind die Reaktionsparameter der Hydrierung und die Ergebnisse zusammengefaßt.
Beispiel 1
a) Katalysatorherstellung
Aus einer Metallsalzlösung enthaltend Kupfernitrat und Zinknitrat wird mit Soda bei 50°C und einem pH-Wert um 6,2 ein gemischtes basisches Metallcarbonat gefällt. Die eingesetzte Metallsalzlösung enthielt die Metalle entsprechend einer Katalysatorzusammensetzung von 70% CuO und 30% ZnO.
Das Fällgut wird filtriert, gewaschen, getrocknet, bei 300°C calciniert und mit 3 Gew.-% Graphit zu Tabletten von jeweils 3mm Höhe und Durchmesser verpresst.
b) Katalysator-Aktivierung
Vor dem Reaktionsbeginn wird der Katalysator in der Hydrierapparatur einer Wasserstoffbehandlung unterzogen. Hierzu wird der Reaktor auf 180°C temperiert und der Katalysator die in Tabelle 1 angegebene Zeit mit dem jeweils angegebenen Gemisch aus Wasserstoff und Stickstoff bei Atmosphärendruck aktiviert.
Tabelle 1
c) Hydrierapparatur
Die zur Hydrierung verwendete Druckapparatur besteht aus einem Verdampfer, einem Reaktor, einem Kühler mit Quenchzulauf, einer Wasserstoffzufuhr, einer Abgasleitung und einem Kreisgasgebläse. Der Druck in der Apparatur wird konstant gehalten.
Das aufgeschmolzene MSA wird von oben auf den vorgeheizten (245°C) Verdampfer gepumpt und verdampft. Auf den Verdampfer gelangt ebenfalls von oben eine Mischung aus frischem Wasserstoff und Kreisgas. Wasserstoff und MSA gelangen so von unten in den temperierten Reaktor. Der Reaktorinhalt besteht aus einem Gemisch aus Glasringen und Katalysator. Nach der Hydrierung verlässt das entstandene GBL zusammen mit Wasser, anderen Reaktionsprodukten und Wasserstoff den Reaktor und wird im Kühler durch Quenchen niedergeschlagen. Ein Teil des Kreisgases wird ausgeschleust, bevor der Rest, mit Frischwasserstoff vermischt, wieder in den Verdampfer eintritt.
Der kondensierte flüssige Reaktionsaustrag, das Abgas und das Kreisgas werden gaschromatographisch quantitativ analysiert.
Bei einer Reaktortemperatur von 255 °C, einem Druck von 5 bar und Katalysatorbelastung von 0.27 kg/Lκath bei einem Wasserstoff:MSA-Molverhältnis von 85:1 einen Reaktionsaustrag der Zusammensetzung: 91 % GBL, 5 % THF, 1 % BDO, 1 % BSA _
Beispiel 2
a) Katalysatorherstellung
Aus einer wässrigen Lösung von Zinknitrat und Aluminiu nitrat wird mit Sodalösung bei 50°C und einem pH- Wert von 6,8 ein Feststoff mit der Zusammensetzung 64% ZnO und 36% Al2O3 (bezogen auf 100% Oxid) ausgefällt, filtriert und gewaschen. Der Filterkuchen wurde getrocknet und bei 425°C für eine Stunde calciniert.
In eine salpetersauren Lösung von Kupfernitrat und Zinknitrat (Metallverhältnis entsprechend 16,6 Gew.-% CuO und 83,4% ZnO) wird der oben beschriebene Träger zugegeben und bei 70°C intensiv vermischt. Aus dieser Mischung wird mit Sodalösung ein Feststoff bei 70°C und einem pH- Wert von 7,4 ausgefällt und die Suspension 2h bei konstanter Temperatur und konstantem pH- Wert nachrühren gelassen. Der Feststoff wird abfiltriert, gewaschen, getrocknet und bei 430°C für eine Stunde calciniert. Das so erhaltene Katalysatorpulver wurde mit 1,5 Gew.-% Graphit und 5 Gew.-% Kupferpulver gemischt und zu Tabletten von 1,5 mm Durchmesser und 1,5 mm Höhe verpresst. Die Tabletten wurden schließlich 1 h lang bei 330 °C calciniert, hatten eine Seitendruckfestigkeit von 50N und eine chemische Zusammensetzung von 66 % CuO / 24 % ZnO / 5 % Al2O3 / 5 % Cu.
b) Katalysator-Aktivierung analog Beispiel lb
c) Hydrierapparatur
Der Reaktor der in Beispiel lc beschriebenen Hydrierapparatur wird mit 220 ml des nach Beispiel 2 a hergestellten Katalysators und 130 ml Glasringen gefüllt. Die Aktivierung erfolgte wie in Beispiel 1 b beschrieben. Als Edukt wird der Reaktionsaustrag der MSA-Hydrierung aus Beispiel 1 eingesetzt, aus dem mehr als 50 % des BSA-Gehaltes durch partielle Kondensation entfernt wurden. Bei einer Reaktortemperatur von 180 °C, einem Druck von 60 bar und Katalysatorbelastung von 0.15 kg/Lκath (Wasserstoff: GBL-Mol Verhältnis 200:1) erhält man einen Reaktionsaustrag der Zusammensetzung: 87 % BDO, 7 % GBL, 5 % THF.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Herstellung von gegebenenfalls alkylsubstituiertem 1 ,4-Butandiol durch zweistufige katalytische Hydrierung in der Gasphase von C4-Dicarbonsäuren und/oder deren Derivaten mit den folgenden Schritten:
a) Einführen eines Gasstroms einer C -Dicarbonsäure oder eines Derivates davon bei 200 bis 300°C und 2 bis 60 bar in einen ersten Reaktor und katalytische Gasphasenhydrierung zu einem hauptsächlich, gegebenenfalls alkylsubstituiertes γ-Butyrolacton enthaltenden Produkt;
b) Abtrennen von Bernsteinsäureanhydrid von dem in Schritt a) erhaltenen Produkt, vorzugsweise auf einen Restgehalt von < etwa 0,3 bis 0,2 Gew.-%;
c) Einführen des in Schritt b) erhaltenen Produktstroms in einen zweiten Reaktor bei einer Temperatur von 150°C bis 240°C und einem Druck von 15 bis 100 bar und katalytische Gasphasenhydrierung zu gegebenenfalls alkylsubstituiertem 1,4-Butandiol;
d) Abtrennen des gewünschten Produkts von Zwischenprodukten, Nebenprodukten und gegebenenfalls nicht umgesetztem Edukt;
e) gegebenenfalls Rückführen nicht umgesetzten Zwischenprodukte in eine oder beide Hydrierstufen,
wobei in beiden Hydrierstufen jeweils ein Katalysator verwendet wird, der < 95 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 95 Gew.-%, insbesondere 10 bis 80 Gew.-% CuO und > 5 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 95 Gew.-%, insbesondere 20 bis
90 Gew.-% eines oxidischen Trägers aufweist, und im zweiten Reaktor ein höherer Druck herrscht als im ersten Reaktor.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangstemperatur in den ersten Reaktor bei Werten von 235 bis 270 °C und die Eingangstemperatur in den zweiten Reaktor bei Werten von 175°C bis 225°C, insbesondere bei 180 bis 200°C, liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hot-Spot- Temperatur im ersten Reaktor bei Werten von 210 bis 310°C, vorzugsweise 245 bis 280°C liegt und das Verfahren so durchgeführt wird, dass die Hot-Spot-Temperatur oberhalb der Eintrittstemperatur und der Austrittstemperatur der Reaktionsgase liegt, wobei die Hot-Spot-Temperatur 5 bis 30°C, insbesondere 5 bis 15°C, besonders bevorzugt 5 bis 10°C, oberhalb der Eintrittstemperatur liegt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichent, dass in der ersten Hydrierstufe ein Druck von 2 bis 20 bar, vorzugsweise ein Druck von 5 bis 15 bar, und in der zweiten Hydrierstufe ein Druck von 35 bis 80 bar, vorzugsweise ein Druck von 50 bis 70 bar, herrscht.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorbelastung der ersten Hydrierstufe im Bereich von 0,02 bis 1, insbesondere 0,05 bis 0,5 kg Edukt/1 Katalysator • Stunde, und die
Katalysatorbelastung der zweiten Hydrierstufe im Bereich von 0,02 bis 1,5, insbesondere 0,1 bis 1 kg Edukt/1 Katalysator • Stunde, liegt
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserstoff/Edukt-Molverhältnis in beiden Reaktionsstufen bei Werten >5, vorzugsweise 20 bis 600, liegt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserstoff/Edukt- Verhältnis bei der Hydrierung der ersten Stufe bei Werten von 20 bis 200, vorzugsweise 40 bis 150, insbesondere 50 bis 100, liegt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzten Reaktoren ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus _ _
Rohrreaktoren, Schachtreaktoren, Reaktoren mit innerer Wärmeabführ, Rohrbündelreaktoren, und Wirbelbettreaktoren.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Hydrierstufe ein Rohrbündelreaktor eingesetzt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Hydrierstufe ein Schachtreaktor eingesetzt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten und/oder der zweiten Hydrierstufe mehrere Reaktoren parallel oder hintereinander geschaltet eingesetzt werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Trägermaterial des Katalysators ausgewählt aus der Gruppe ZnO, Al2O3, SiO2,
TiO2, ZrO2, CeO2, MgO, CaO, SrO, BaO und Mn2O3 und Mischungen davon, vorzugsweise aus der Gruppe ZnO/Al2O3-Gemische, delta-, theta-, alpha- und eta- Modifikationen des Al2O3 sowie Mischungen, die mindestens eine Komponente aus der Gruppe SiO2, TiO2, ZrO2 einerseits und aus der Gruppe ZnO, MgO, CaO, SrO und BaO andererseits enthalten.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial ausgewählt ist aus ZnO, ZnO/Al2O -Gemischen im Gewichtsverhältnis 100:1 bis 1:2 und Mischungen von SiO2 mit MgO, CaO und/oder ZnO im Gewichtsverhältnis 200: 1 bis 1 :1.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator ein oder mehrere weitere Metalle, vorzugsweise Pd, oder eine Verbindung eines oder mehrer weiterer Metalle, vorzugsweise ein Oxid, aus den Gruppen 1 bis 14 des Periodensystems der Elemente enthält. _ .
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator als Formkörper eingesetzt wird, vorzugsweise in Form von Strängen, Rippsträngen, Tabletten, Ringen, Kugeln oder Splitt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die BET-Oberfläche der Kupferkatalysatoren im oxidischen Zustand 10 bis 300 m2/g,
9 9 vorzugsweise 15 bis 175 m Ig, insbesondere 20 bis 150 m /g beträgt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferoberfläche des reduzierten Katalysators im Einbauzustand > 0,2 m2/g, vorzugsweise > 1 m2/g, insbesondere > 2 m2/g, beträgt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die im ersten und zweiten Reaktor verwendeten Katalysatoren gleich oder voneinander verschieden sind, vorzugsweise voneinander verschieden sind.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der eingesetzte Katalysator als Formkörper ein Porenvolumen von > 0,01 ml/g für Porendurchmesser > 50 nm, vorzugsweise > 0,025 ml/g für Porendurchmesser > 100 nm und insbesondere > 0,05 ml/g für Porendurchmesser > 200 nm, aufweist.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Makroporen mit einem Durchmesser > 50 nm zum Gesamtporenvolumen für Poren mit einem Durchmesser > 4 nm bei Werten > 10 %, bevorzugt > 20 %, insbesondere > 30 %, liegt.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß Maleinsäureanhydrid als Edukt in die Reaktion eingesetzt wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß Maleinsäureanhydrid eingesetzt wird, das durch Oxidation von Benzol, C4-Olefinen oder n-Butan hergestellt wurde, wobei das durch Oxidation erhaltene Roh- Maleinsäureanhydrid mit einem Lösungsmittel aus dem Rohproduktgemisch extrahiert und anschließend aus diesem Lösungsmittel mit Wasserstoff ausgetrieben wurde.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptionsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Trikresylphosphat,
Dibutylmaleat, hochmolekularen Wachsen, aromatischem Kohlenwasserstoff mit einem Molekulargewicht zwischen 150 und 400 und einem Siedepunkt oberhalb 140 °C, vorzugsweise Dibenzol, Di-Cι-C4-Alkylestern aromatischer und aliphatischer Dicarbonsäuren, vorzugsweise Dimethyl-2,3-Naphthalin- Dicarbonsäure und oder Dimethyl-l,4-Cyclohexan-Dicarbonsäure, Methylestern langkettiger Fettsäuren mit 14 bis 30 Kohlenstoffatomen, hochsiedenden Ethern, vorzugsweise Dimethylether von Polyethylenglykol, vorzugsweise von Tetraethylenglykol, und Alkylphthalaten und Dialkylphthalaten mit -Cis- Alkylgruppen, vorzugsweise aus der Gruppe Dimethylphthalat, Diethylphthalat, Dibutylphthalat, Di-n-Propyl- und Di-iso-Propylphthalat, Undecylphthalat,
Diundecylphthalat, Methylphthalat, Ethylphthalat, Butylphthalat, n-Propyl- und iso- Propylphthalat.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Maleinsäureanhydrid aus dem Absorptionsmittel im Vakuum oder bei Drücken, die dem Druck der Hydrierung entsprechen oder maximal 10 % oberhalb dieses Druckes liegen, ausgetrieben wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren diskontinuierlich, semi-kontinuierlich oder kontinuierlich durchgeführt wird, vorzugsweise kontinuierlich.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennung des BSA durch Partialkondensation, gegebenenfalls im Gegenstrom, Kondensation oder Destillation erfolgt.
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