Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von aromatischen Aminen durch eine heterogen katalysierte Hydrierung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von aromatischen Aminen durch katalytische Hydrierung von aromatischen Nitroverbindungen in Gegenwart eines auf die Innenwand eines von außen gekühlten Reaktionskanals aufgebrachten Katalysators.
Aromatische Amine sind wichtige Zwischenprodukte, die in großen Mengen preiswert hergestellt werden müssen. Für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens sind daher hohe Raum-Zeit-Ausbeuten und lange Katalysatorstandzeiten ausschlaggebend. Die Hydrierung von Nitroaromaten ist eine stark exotherme Reaktion. Die Abführung und energetische Nutzung der Reaktionswärme ist daher ein wichtiger Aspekt bei der Herstellung von aromatischen Aminen.
Für die Gasphasenhydrierung von Nitroaromaten eignen sich verschiedene Reaktoren. So wird z.B. in US 3 136 818 ein Verfahren beschrieben, bei dem die Reaktion in einem Wirbelbett durchgeführt wird. Der effektiven Wärmeabfuhr dieser Verfahrensweise stehen Probleme durch die uneinheitliche Verweilzeitverteilung (Durchbruch der Nitroaromaten) und durch Katalysatorabrieb ge- genüber.
Andere Verfahren nutzen ortsfeste Katalysatoren in Festbetten. Mit dieser Anordnung kann die Reaktion mit sehr enger Verweilzeitverteilung und unter Umgehung der Problematik des Katalysatorabriebs durchgeführt werden. Ein bekanntes technisches Problem ist hierbei jedoch die Bildung von Hot-Spots, d.h. lokalen Überhitzungen im Festbettkatalysator. Diese führen zu einer erhöhten Desaktivierung des Katalysators durch Verkokung und können im Extremfall den Katalysator auch dauerhaft schädigen.
Bei einer adiabate Betriebsweise des Festbettreaktors wird das Problem der Wärmeabfuhr umgangen, indem die freiwerdende Wärme vollständig vom Gasstrom aufgenommen wird. Ein solches Verfahren, welches sich durch einen einfachen Aufbau und leichte Skalierbarkeit der einzelnen Apparate auszeichnet, wird z.B. in EP 0 696 574 beschrieben. Um den adiabaten Temperaturanstieg in Grenzen zu halten, müssen bei der adiabaten Betriebsweise allerdings sehr große Gasströme im Kreislauf geführt werden.
In DE2849002 wird ein Verfahren zur Reduktion von Nitroverbindungen in Gegenwart von ortsfesten, palladiumhaltigen Mehrkomponenten-Trägerkatalysatoren in gekühlten Rohrbündelreakto- ren beschrieben. Der Kontakt besteht im Wesentlichen aus 1 bis 20 g Palladium, 1 bis 20 g Vanadium und 1 bis 20 g Blei pro Liter CX-Al2O3. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die aktiven Komponenten möglichst nah an der Oberfläche des Katalysators in einer sehr scharfen
Zone niedergeschlagen vorliegen und im Inneren des Trägermaterials keine aktiven Komponenten enthalten sind. Nachteilig bei der in DE 2 849 002 beschriebenen Gasphasenhydrierung ist die geringe spezifische Belastung der Katalysatoren, die im Wesentlichen auf eine unzureichende Wärmeabfuhr zurückzufuhren ist. Die angegebenen Belastungen betragen ca. 0,4 bis 0,5 kg/(l-h). Die Belastung ist dabei definiert als die Menge an Nitroaromaten in kg, die pro Liter Katalysator- schüttung innerhalb einer Stunde durchgesetzt wird. Verbunden mit der geringen Katalysatorbelastung ist eine nicht befriedigende Raum-Zeit-Ausbeute bei großtechnischen Verfahren zur Herstellung von aromatischen Aminen. Ferner sind die Selektivitäten zu Beginn einer Fahrperiode deutlich niedriger als gegen Ende, was zu Ausbeuteverlusten und Problemen bei der Aufarbeitung des Rohprodukts fuhrt.
Die Belastung des Katalysators kann in isotherm betriebenen Reaktoren nur dann erhöht werden, wenn die bei der Reaktion freigesetzte Wärme effizient abgeführt werden kann. In WO 98/25881 wird der Einsatz von inerten Materialien zur Verdünnung der Katalysatorschüttung bei der Herstellung von aromatischen Aminen beschrieben. Durch die Verdünnung wird die Reaktionszone ver- breitert und somit die für den Wärmeaustausch zur Verfügung stehende Fläche vergrößert. Mit dieser Vorgehensweise kann die Hot-Spot-Temperatur abgesenkt werden bzw. die mögliche Nitroaromaten- Belastung bei konstanter Hot-Spot-Temperatur erhöht werden. Durch die Verdünnung sinkt allerdings die Standzeit der Schüttung ab. Bei dem in WO 98/25881 aufgeführten Beispiel lag die Produktivität der verdünnten Schüttung aufgrund der kurzen Standzeiten trotz höherer Be- lastung deutlich unter der Produktivität der unverdünnten Schüttung.
Klemm et al. beschreiben in Chemical Engineering Science 56 (2001) pp. 1347 - 1353 die Herstellung eines katalytischen Laborwandreaktors zur Bestimmung der Deaktivierungkinetik der kataly- tischen Hydrierung von Nitrobenzol zu Anilin. Durch das direkte Aufbringen der 100 μm - 400 μm dicken Katalysatorschicht auf die Innenwand eines von außen gekühlten Metallrohres mit 10 mm Innendurchmesser können isotherme Reaktionsbedingungen erreicht werden. Ein Scale-up des beschriebenen Wanderaktors mit einzeln zu beschichtenden und anschließend zu einem großtechnischen Reaktor zusammenzufügenden Rohren ist jedoch nicht praktikabel. Ein weiterer Nachteil des beschriebenen Wandreaktors ist der auf das Rohrvolumen bezogen geringe Feststoffanteil von 4 % - 15 %, der bei einer großtechnischen Umsetzung des Konzeptes zu sehr großen Reaktor- abmaßen führen würde.
In DE 1 0347 439 wird ein Verfahren zur Herstellung von aromatischen Aminen beschrieben, bei dem ein Katalysator eingesetzt wird, welcher aus einem monolithischen Träger und einer dünnen katalytisch aktiven Beschichtung besteht. Vorteilhaft ist hierbei, dass durch die dünne katalytisch aktive Schicht eine höhere Selektivität als bei vergleichbaren Festbettschüttungen erreicht werden
kann. Nachteilig ist allerdings, dass der beschriebenen monolithische Trägerkatalysator aufgrund seiner schlechten radialen Wärmeableitung von außen nicht gekühlt sondern nur adiabat, d.h. in der Regel mit großem Gasstrom im Kreislauf, betrieben werden kann, was eine aufwändige Führung des Verfahrens und weitere Kosten bedeutet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung daher besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von aromatischen Aminen durch katalytische Hydrierung von aromatischen Nitroverbindungen zur Verfügung zu stellen, welches die Bildung von Hotspots vermindert sowie eine hohe Raum-Zeit- Ausbeute, längere Standzeit und höhere Selektivität ermöglicht.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von aromatischen Aminen durch kata- lytische Hydrierung von aromatischen Nitroverbindungen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass der für die Reaktion erforderliche Katalysator auf der Innenwand einer oder mehrerer von außen gekühlter Reaktionskanäle aufgebracht ist. Überraschenderweise wurde festgestellt, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Bildung von Hot-Spots während des Verfahrens effektiv vermindert und dadurch eine höhere Raum-Zeit-Ausbeute bei gleichfalls höherer Selektivität ermöglicht wird.
Das mit dem Reaktionskanal im thermischen Kontakt stehende Kühlmedium wird vorzugsweise e- benfalls in mindestens zwei Kühlmediumskanäle geführt, die im Wesentlichen parallel zueinander sind, und die im Verhältnis zur hauptsächlichen Strömungsrichtung im Reaktionskanal im Gleichstrom, im Gegenstrom oder im Kreuzstrom geführt werden.
Als Kühlmedium werden Salzschmelzen, Dampf, organische Verbindungen oder Metallschmelzen, bevorzugt Salzschmelzen, Dampf oder Wärmeträgeröle, besonders bevorzugt eine Mischung aus Kaliumnitrat, Natriumnitrit und Natriumnitrat, Dibenzyltoluol oder eine Mischung aus Diphenylo- xid und Diphenyl eingesetzt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden das Kühlmedium bzw. die Kühlme- diums zur hauptsächlichen Strömungsrichtung im Reaktionskanal im Kreuzstrom geführt. Das Kühlmedium wird üblicherweise auf mindestens zwei im Wesentlichen parallele Kühlmediumskanäle aufgeteilt und die Kühlmediumskanäle können unterschiedliche Stoffeigenschaften, Strömungsgeschwindigkeiten, Durchsätze oder Temperaturen aufweisen.
Der Katalysator wird auf die Innenwand des Reaktionskanals in einer 5 bis 1000 μm, bevorzugt 10 bis 500 μm, besonders bevorzugt 20 μm bis 200 μm dicke Schicht aufgebracht. Die Aufbringung kann grundsätzlich nach jeder bekannten Technologie erfolgen. Bevorzugt werden dabei Verfahren verwendet, bei denen mehrere Reaktionskanäle durch einen einzigen Beschichtungsvorgang mit Ka-
talysator beschichtet werden. Besonders bevorzugt werden Verfahren verwendet, bei denen der Katalysator als Washcoat auf die Innenwand der Reaktionskanäle aufgebracht wird. Üblicherweise wird der Katalysator auf die Innenwand von mindestens zwei von außen gekühlten Reaktionskanälen gleichzeitig aufgebracht.
Bevorzugt enthält die katalytisch aktive Beschichtung für die Hydrierung von aromatischen Nitroverbindungen in der Gasphase Metalle aus den Gruppen VIHa, Ib, üb, IVa, Va, VIa, IVb und Vb des Periodensystems der Elemente (Mendelejew, Zeitschrift für Chemie 12, 405-6, 1869) als katalytisch aktive Komponente. Bevorzugte Metalle sind Pd, Pt, Cu oder Ni. Die katalytisch aktive Komponente kann auf einem Träger aufgebracht sein. Als Trägersubstanz eignen sich keramische Stoffe, wie z.B. Al2O3, SiO2, TiO2 oder Zeolithe, aber auch Graphit oder Kohlenstoff. Die Trägersubstanz ist vorzugsweise fein gemahlen. Um eine gleichmäßige Beschichtung zu erreichen, sollte die volumenbezogene Partikelgröße d90 der vorzugsweise aufgemahlenen Trägersubstanz bevorzugt kleiner als 50 μm, besonders bevorzugt kleiner als 10 μm, sein. Besonders bevorzugt wird der in DE 2 849 002 beschriebene Katalysator als katalytisch aktive Beschichtung eingesetzt.
Bevorzugt werden mindestens zwei Reaktionskanäle unter gleichen Reaktionsbedingungen betrieben.
Für das Verfahren ist der folgende erfindungsgemäße Reaktor, der selbst ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist, geeignet, ohne sich darauf zu begrenzen.
Der Reaktor zur katalytischen Hydrierung von aromatischen Nitroverbindungen nach dem erfϊn- dungsgemäßen Verfahren besteht aus einem oder mehreren von außen gekühlten Reaktionskanälen, auf deren Innenwände der für die Reaktion erforderliche Katalysator aufgebracht ist.
Der Anteil des Katalysatorvolumens am Gesamtvolumen der Vorrichtung beträgt üblicherweise von 1 % bis 50 %, bevorzugt von 5 % bis 35 %, besonders bevorzugt von 10 % bis 25 %.
Die Reaktionskanäle weisen eine runde oder rechteckige Querschnittsfläche mit einem hydraulischen Durchmesser, definiert als Verhältnis der vierfachen inneren Querschnittsfläche zum inneren Um- fang, von 0,05 mm bis 100 mm, bevorzugt 0, 1 mm bis 10 mm, besonders bevorzugt 0,5 mm bis 2 mm auf und eine Länge von Länge von 0,02 m bis 5,0 m, bevorzugt 0,1 m bis 1,0 m, besonders bevorzugt 0,2 m bis 0,7 m.
Es werden mindestens zwei, bevorzugt 20.000 bis 200.000.000 Reaktionskanäle, bevorzugt gleicher Geometrie bevorzugt parallel angeordnet. In einer besonderen Ausführungsform werden die Reakti- onskanäle in einer oder mehreren Platten für Reaktionskanäle angeordnet, so dass sich diese Platte im thermischen Kontakt mit mindestens einem Satz von parallel - vorzugsweise auch in einer oder mehreren Platten - angeordneten Kühlmediumskanäle befindet. Dabei werden bevorzugt mindestens zwei,
besonders bevorzugt 200 bis 20.000 Reaktionskanäle pro Platte parallel angeordnet (Fig. 1). Des Weiteren werden bevorzugt mindestens zwei, besonders bevorzugt 100 bis 10.000 Platten aus Reaktionskanälen alternierend mit einer vergleichbaren Anzahl an Platten aus Kühlmediumskanälen parallel übereinander angeordnet (Fig. 2 und 3).
In einer besonderen Ausfuhrungsform des Reaktors werden die übereinander alternierend liegenden Platten aus Reaktionskanälen und die Kühlmediumskanälen in einzelne austauschbare Module unterteilt (Fig 4 und 5). In einer besonderen Ausführung des Verfahrens werden mindestens zwei Module von übereinander angeordneten Ebenen aus Reaktionskanälen und Kühlmediumskanälen unter gleichen Reaktionsbedingungen parallel betrieben, so dass ein einzelnes Modul konstruktionsbedingt aus dem Verfahren entfernt, dem Verfahren hinzugefügt oder ausgetauscht werden kann, ohne den Betrieb der übrigen Module zu unterbrechen.
Die Temperatur in den Reaktionskanälen wird durch die mit Kühlmedium durchgeflossenen Kühlmediumskanäle auf einer möglichst konstanten Temperatur gehalten. Bei Einsatz einer Temperaturzone liegt diese Temperatur zwischen 2000C und 5000C, bevorzugt zwischen 2200C und 4000C, besonders bevorzugt zwischen 24O0C und 3300C
Die Temperierung des Reaktionskanals kann mit Hilfe von Sensoren während des Verfahrens ü- berwacht werden und die Flussrate oder die Temperatur des Kühlmediums in den Kühlmediumskanälen bei Bedarf angepasst werden. Die Sensoren können entweder im Bereich des Kühlmediums oder im Bereich des Reaktionskanals, bevorzugt im Eintritt und Austritt des Kühlmediums angeordnet sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise bei Drücken von 1 bis 30 bar, besonders bevorzugt von 1 bis 20 bar, ganz besonders bevorzugt von 1 bis 15 bar, betrieben. Die Temperatur des Eduktgasgemischs liegt vor dem Reaktoreingang vorzugsweise bei 200 bis 4000C. Wasserstoff und aromatische Nitroverbindung werden dem Reaktor in einem molaren Verhältnis von Wasser- Stoff zu Nitrogruppe von vorzugsweise 3: 1 bis 100:1 zugeführt. Als aromatische Nitroverbindung können insbesondere solche der nachstehenden Formel hydriert werden:
wobei R, und R2 gleich oder verschieden sind und für Wasserstoff oder Cr bis C4-Alkyl, insbesondere Methyl und Ethyl, stehen und n=l oder 2 bedeutet. Bevorzugt werden Nitrobenzol oder die isomeren Nitrotoluole nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hydriert.
Das Verfahren kann kontinuierlich oder in Batch, bevorzugt kontinuierlich geführt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in technischem Maßstab durchgeführt werden. Die Raum- Zeit- Ausbeute (kg Anilin pro kg Katalysator und h) liegt dabei zwischen 0,1 und 100 kg/kg/h, bevorzugt zwischen 1 und 50 kg/kg/h und besonders bevorzugt zwischen 2 und 25 kg/kg/h.
Der erfindungsgemäß zur Herstellung von aromatischen Aminen eingesetzte mit Katalysator beschichtete Reaktionskanal zeigt gegenüber herkömmlichen, aus dem Stand der Technik bekannten Katalysatorschüttungen wesentliche Vorteile.
Zum einen ist der Druckverlust im beschichteten Reaktionskanal bei vergleichbarer Durchströmungsgeschwindigkeit wesentlich geringer als der von Katalysatorschüttungen. Umgekehrt kann der beschichtete Reaktionskanal bei gleichem Druckverlust mit weitaus höheren Geschwindigkeiten durchströmt werden.
Zum anderen wird aufgrund der geringen Dicke der auf die Innenwand aufgebrachten Katalysatorschicht und des guten Wärmeübergangs zwischen dem aufgebrachten Katalysator und der durch ein äußeres Kühlmedium gekühlten Kanalwand eine so hohe Wärmeabfuhr gewährleistet, dass die durch die Reaktion freigesetzte Reaktionswärme sofort nahezu vollständig aus dem Reaktionskanal abgeführt werden kann und somit Hot-Spot vermieden und höhere Standzeiten erzielt werden kön- nen.
Die sehr dünne katalytisch aktive Beschichtung bietet zudem einen weiteren Vorteil. Sind die kata- lytisch aktiven Komponenten in einer sehr dünnen Schicht abgeschieden, ist der Diffusionseinfluss weitaus geringer als bei Vollkatalysatoren. Wird die Hauptreaktion von Folgereaktionen begleitet, kann mit diesen sehr dünnen katalytisch aktiven Beschichtungen eine höhere Selektivität erreicht werden. Das Aufbringen in einer dünnen Schicht kann außerdem Vorteile bezüglich der Wertproduktselektivität mit sich bringen.
Gegenüber dem beschriebenen Stand der Technik ist beim Einsatz immobilisierter Katalysatoren die Verwendung eines modularen Reaktorkonzepts (Abbildung 4), bei dem der gekühlte Reaktor aus mehreren parallel betriebenen Modulen besteht, vorteilhaft. Dieser Aufbau ermöglicht es, bei erforderlichem Katalysatorwechsel die Module einzeln auszutauschen und so den Produktionsausfall deutlich zu reduzieren. Indem die übrigen Reaktormodule kurzfristig mit einer höheren Belastung gefahren werden, kann der Produktionsausfall eventuell auch teilweise oder vollständig vermieden
werden. Wegen der leichten Handhabbarkeit stellt der modulare Aufbau eines Mikroreaktors eine besonders geeignete und daher bevorzugte Variante dar.
Abbildungen:
Ausfuhrungsbeispiele des Erfindungsgegenstands sind in den Fig. 1 bis 5 dargestellt ohne sich darauf zu begrenzen.
Fig. 1 : strukturierte Platte mit parallel angeordneten Reaktionskanälen (1).
Fig. 2: Modul aus alternierend aufeinandergefügten, strukturierten Platten für Reaktionskanäle (1) und Kühlmediumskanäle (2) im Kreuzstrom.
Fig. 3: Querschnitt eines Moduls aus alternierend aufeinander gefügten, strukturierten Platten für Reaktionskanäle (1) und Kühlmediumskanäle (2) im Gleichstrom oder Gegenstrom.
Fig. 4: Anordnung von parallel betriebenen, austauschbaren Modulen.
Fig. 5: Anschlüsse der Reaktionskanäle und der Kühlmediumskanäle zweier parallel betriebener Module, die ausgetauscht werden können, ohne den Betrieb des anderen Moduls zu unterbrechen.
Bezugzeichen:
1- Reaktionskanälen
2- Kühlmediumskanäle
3- Zufuhr der Reaktionskanäle
4- Abfuhr der Reaktionskanäle
5- Zufuhr der Kühlmediumskanäle
6- Abfuhr der Kühlmediumskanäle
Beispiele:
Folgende Beispiele veranschaulichen die vorliegende Erfindung ohne sich darauf zu begrenzen.
Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel):
In ein mit Öl (2400C) thermostatisiertes Reaktorrohr mit einem Innendurchmesser von ca. 26 mm wurden 18 g eines entsprechend Beispiel 1 in DE-A 28 49 002 Al gefertigter Katalysators, verdünnt mit 43,7 g SiC, eingefüllt. Die Schütthöhe betrug 300 mm. Die Temperatur des eintretenden Reaktionsgases, bestehend aus 180 g Nitrobenzol pro Stunde, 200 1 Wasserstoff pro Stunde sowie 100 1 Stickstoff pro Stunde, betrug etwa 2400C, der Druck entsprach atmosphärischem Druck. Der Nitrobenzolumsatz nahm kontinuierlich mit der Zeit ab. Der mittlere Umsatz betrug bei der einge- stellten Belastung von 10 g Nitrobenzol pro g Katalysator pro Stunde gemittelt über die ersten zwei Stunden 91,6 %, was einer Raum-Zeit-Ausbeute von 13,8 g Anilin pro kg Katalysator pro Stunde entspricht. Die mittlere Selektivität betrug in dem Zeitraum 99,4 %.
Beispiel 2: Hydrierung in einem gekühlten mit Katalysator beschichteten Reaktionskanal
Für die Hydrierung von Nitrobenzol wurden zwei mit Öl (2400C) thermostatisierte Reaktormodule, bestehend jeweils aus 28 parallel angeordneten Reaktionskanälen hintereinander geschaltet. Die Reaktionskanäle hatten jeweils eine Länge von 50 mm, eine Breite von 0,5 mm und eine Höhe von 0,8 mm und wurden auf der Innenseite mit einem für die Hydrierung von Nitrobenzol geeigneten Katalysator beschichtet. Als Ausgangsbasis diente ein entsprechend Beispiel 1 in DE-A 28 49 002 gefertigter Katalysator, der auf eine Korngrößenfraktion mit d90 < 10 μm gemahlen wurde. Die Masse an immobilisiertem Katalysator betrug im ersten Reaktormodul insgesamt 78,2 mg, im zweiten Reaktormodul insgesamt 76,6 mg. Die Temperatur des eintretenden Reaktionsgases, bestehend aus 3 g Nitrobenzol pro Stunde und 6 ml Wasserstoff pro Stunde, betrug etwa 2400C, der Druck entsprach atmosphärischem Druck. Der Nitrobenzolumsatz nahm kontinuierlich mit der Zeit ab. Der mittlere Umsatz betrug bei der eingestellten Belastung von 19,4 g Nitrobenzol pro g Kata- lysator pro Stunde gemittelt über die ersten zwei Stunden 97,2 %, was einer Raum-Zeit-Ausbeute von 28,4 g Anilin pro kg Katalysator pro Stunde entspricht. Die mittlere Selektivität betrug in dem Zeitraum 99,7 %. Die Temperaturen zwischen den beiden Reaktormodulen sowie nach dem zweiten Reaktormodul wurden kontinuierlich gemessen, wobei keine Temperaturerhöhung festgestellt wurde.
Gaschromatgraphanalysen der Produkte (Mittelwerte der ersten 2 h Laufzeit)