EP2288587A2 - Method for producing phthalic acid anhydride - Google Patents

Method for producing phthalic acid anhydride

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EP2288587A2
EP2288587A2 EP09757195A EP09757195A EP2288587A2 EP 2288587 A2 EP2288587 A2 EP 2288587A2 EP 09757195 A EP09757195 A EP 09757195A EP 09757195 A EP09757195 A EP 09757195A EP 2288587 A2 EP2288587 A2 EP 2288587A2
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EP
European Patent Office
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reaction
zones
zone
reaction zone
reaction zones
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09757195A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Evin Hizaler Hoffmann
Leslaw Mleczko
Ralph Schellen
Stephan Schubert
André Hoffmann
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Bayer Intellectual Property GmbH
Original Assignee
Bayer Technology Services GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B01J19/24Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J19/248Reactors comprising multiple separated flow channels
    • B01J19/2485Monolithic reactors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
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    • B01J8/0423Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds the fluid passing successively through two or more beds the fluid flow within the beds being predominantly horizontal through two or more otherwise shaped beds
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    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C51/00Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides
    • C07C51/16Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides by oxidation
    • C07C51/21Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides by oxidation with molecular oxygen
    • C07C51/255Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides by oxidation with molecular oxygen of compounds containing six-membered aromatic rings without ring-splitting
    • C07C51/265Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides by oxidation with molecular oxygen of compounds containing six-membered aromatic rings without ring-splitting having alkyl side chains which are oxidised to carboxyl groups
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    • B01J2208/00017Controlling the temperature
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    • B01J2219/00074Controlling the temperature by indirect heating or cooling employing heat exchange fluids
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    • B01J2219/00155Controlling the temperature by thermal insulation means using insulating materials or refractories

Definitions

  • the present invention relates to a process for the preparation of phthalic anhydride by catalytic gas phase oxidation of O-xylene with oxygen, wherein the reaction is carried out in 5 to 60 successive reaction zones under adiabatic conditions, and a reactor system for carrying out the method.
  • Phthalic anhydride is generally subject to the catalytic influence of metal oxide catalysts e.g. Vanadium pentoxide prepared from gaseous O-xylene and oxygen in an exothermic catalytic reaction according to formula (I):
  • metal oxide catalysts e.g. Vanadium pentoxide prepared from gaseous O-xylene and oxygen in an exothermic catalytic reaction according to formula (I):
  • the phthalic anhydride prepared by the reaction of formula (I) is often used as a starting material for the preparation of plasticizers (usually phthalate) or as a raw material for the production of synthetic resins for the surface coatings of wood. In addition, it is a raw material in the production of dyes or color pigments based on the phthalocyanines.
  • Another technically important reaction of phthalic anhydride is the anthraquinone.
  • US Pat. No. 6,380,399 B1 discloses a process for the preparation of phthalic anhydride from O-xylene or naphtha, in which at least three catalyst stages which form a
  • Reaction zone can be summarized in a fixed bed reactor sales at
  • the proportion of oxygen the process gases at the beginning of the process is between 10 and 21% by volume. Based on this, the concentration of O-xylene or naphtha is at least 70 g / Nm 3 .
  • the catalyst in the presence of which the conversion is carried out preferably comprises vanadium oxide and titanium oxide. It is further disclosed that the reaction zones are cooled. No separate heat exchange zones are disclosed.
  • US Pat. No. 6,774,246 B2 discloses a process similar to the disclosure of US Pat. No. 6,380,399 B1, in which phthalic anhydride is prepared from O-xylene or naphtha in two
  • Reaction zones is prepared, wherein the reaction zones comprise fixed beds, which are cooled.
  • the total pressure of the process can be between 0.1 and 2.5 bar, while the temperatures at which the process gases enter the process can be between 300 ° C and 450 ° C.
  • the process gas may comprise 1 to 100 mol% oxygen and have a concentration of O-xylene or naphtha between 60 and 120 g / Nm 3 .
  • no heat exchange zones separated from the reaction zones are disclosed.
  • EP 1 251 951 discloses a device and the possibility of carrying out chemical reactions in the device, wherein the device is characterized by a cascade of reaction zones in contact with one another and heat exchanger devices which are arranged in a composite with one another. The method to be carried out here is thus characterized by the contact of the various reaction zones with a respective heat exchanger device in the form of a cascade. There is no disclosure as to the usability of the apparatus and method for the synthesis of phthalic anhydride from gaseous oxygen and O-xylene.
  • EP 1 251 951 discloses multi-stage processes in cascades of reaction zones from which heat in an undefined amount is removed by heat conduction.
  • the disclosed method is disadvantageous in that accurate temperature control of the process gases of the reaction is not possible.
  • Such simple reaction devices would be easily scaled up and are inexpensive and robust in all sizes.
  • O-xylene in the context of the present invention refers to a process gas which is introduced into the process according to the invention and which comprises O-xylene.
  • the proportion of O-xylene on the process gases supplied to the process is usually between 0.8 and 10 mol%, preferably between 1 and 7 mol%.
  • Oxygen in the context of the present invention, denotes a process gas which is introduced into the process according to the invention and which essentially comprises oxygen.
  • oxygen is ambient air and therefore comprises a proportion of about 20% by volume of oxygen.
  • process gases O-xylene and oxygen, these may also include secondary components.
  • minor components which may be included in the process gases include argon, nitrogen and / or carbon dioxide.
  • process gases are understood as gas mixtures which comprise oxygen and / or o-xylene and / or phthalic anhydride and / or secondary components.
  • carrying out the process under adiabatic conditions means that the reaction zone does not receive any active heat from the outside, either essentially
  • adiabat means that no heat supply or removal measures are taken.
  • An advantage of the adiabatic driving method according to the invention of the 5 to 60 reaction zones connected in series with respect to a non-adiabatic mode of operation is that no means for heat removal must be provided in the reaction zones, which entails a considerable simplification of the construction. This results in particular simplifications in the manufacture of the reactor and in the scalability of the process and an increase in reaction conversions.
  • the heat generated in the course of the exothermic reaction progress can be utilized in the single reaction zone to increase the conversion in a controlled manner.
  • Another advantage of the method according to the invention is the possibility of very accurate temperature control, due to the close staggering of adiabatic reaction zones. It can thus be set and controlled in each reaction zone advantageous in the reaction progress temperature.
  • the catalysts used in the process according to the invention are customary
  • Catalysts consisting of a material which, in addition to its catalytic activity for the reaction according to formula (I), has sufficient chemical resistance among the
  • Catalyst materials characterized by such chemical resistance under the conditions of the process are, for example, catalysts comprising mixed oxides of vanadium, as well as oxides and / or salts of the elements selected from the list of elements containing Nb, Sb, P, K, Na, Cs, Rb and Mo include.
  • catalysts comprising mixed oxides of vanadium with P and Rb can be applied to support materials.
  • Such support materials usually include alumina, silica and / or titania.
  • Specific surface area in the context of the present invention refers to the area of the catalyst material that can be reached by the process gases based on the mass of catalyst material used.
  • a high specific surface area is a specific surface area of at least 10 m 2 / g, preferably of at least 20 m 2 / g.
  • the catalysts according to the invention are in each case in the reaction zones and can be used in all known forms, e.g. Fixed bed, fluidized bed, fluidized bed present.
  • the fixed bed arrangement comprises a catalyst bed in the true sense, d. H. loose, supported or unsupported catalyst in any form and in the form of suitable packings.
  • catalyst bed as used herein also encompasses contiguous areas of suitable packages on a support material or structured catalyst supports. These would be e.g. to be coated ceramic honeycomb carrier with comparatively high geometric surfaces or corrugated layers of metal wire mesh on which, for example, catalyst granules is immobilized.
  • a special form of packing in the context of the present invention, the presence of the catalyst in monolithic form is considered.
  • the catalyst is preferably present in beds of particles having mean particle sizes of 1 to 10 mm, preferably 2 to 8 mm, particularly preferably 4 to 7 mm. Also preferably, the catalyst is in a fixed bed arrangement in monolithic form. Particularly preferred in a fixed bed arrangement is a monolithic catalyst comprising mixed oxides of vanadium and phosphorus supported on titania.
  • the monolithic catalyst is provided with channels through which the process gases flow.
  • the channels have a diameter of 0.1 to 3 mm, preferably a diameter of 0.2 to 2 mm, more preferably from 0.5 to 1, 5 mm.
  • a monolithic catalyst with channels of the specified diameter is particularly advantageous, since this explosion protection can be ensured. This is done by absorbing the enthalpy through the wall of the monolith, thus suppressing the propagation of flames.
  • the catalyst is preferably present in loose beds of particles, as have already been described in connection with the fixed bed arrangement.
  • Beds of such particles are advantageous because the size of the particles have a high specific surface area of the catalyst material compared to the process gases oxygen and O-xylene and thus a high conversion rate can be achieved.
  • the mass transport limitation of the reaction by diffusion can be kept low.
  • the particles are not yet so small that disproportionately high pressure losses occur when the fixed bed flows through.
  • the ranges of the particle sizes given in the preferred embodiment of the process, comprising a reaction in a fixed bed are thus an optimum between the achievable conversion from the reaction according to formula (I) and the pressure drop produced when carrying out the process. Pressure loss is coupled in a direct manner with the necessary energy in the form of compressor performance, so that a disproportionate increase in the same would result in an inefficient operation of the method.
  • the conversion takes place in 6 to 30, more preferably 7 to 20 reaction zones connected in series.
  • a preferred further embodiment of the method is characterized in that the process gas emerging from at least one reaction zone is subsequently passed through at least one heat exchange zone downstream of said reaction zone.
  • each reaction zone is at least one, preferably exactly one heat exchange zone, through which the process gas leaving the reaction zone is passed.
  • the reaction zones can either be arranged in a reactor or arranged divided into several reactors.
  • the arrangement of the reaction zones in a reactor leads to a reduction in the number of apparatuses used.
  • the individual reaction zones and heat exchange zones can also be arranged together in a reactor or in any combination of reaction zones with heat exchange zones in several reactors.
  • reaction zones and heat exchange zones are present in a reactor, then in an alternative embodiment of the invention there is a heat insulation zone between them, in order to be able to obtain the adiabatic operation of the reaction zone.
  • each of the series-connected reaction zones can be replaced or supplemented independently of one another by one or more reaction zones connected in parallel.
  • the use of reaction zones connected in parallel allows in particular their replacement or supplementation during ongoing continuous operation of the process.
  • Parallel and successive reaction zones may in particular also be combined with one another.
  • the process according to the invention particularly preferably has exclusively reaction zones connected in series.
  • the reactors preferably used in the process according to the invention can consist of simple containers with one or more reaction zones, as described, for example, in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (Fifth, Completely Revised Edition, VoI B4, pages 95-104, pages 210-216), wherein in each case between the individual reaction zones and / or heat exchange zones heat insulation zones can be additionally provided.
  • the catalysts or the fixed beds thereof are mounted in a manner known per se on or between gas-permeable walls comprising the reaction zone of the reactor. Especially with thin fixed beds can in the flow direction before the
  • Catalyst beds technical devices for uniform gas distribution can be attached. These can be perforated plates, bubble-cap trays, valve trays or other internals which cause a uniform entry of the process gas into the fixed bed by producing a small but uniform pressure loss.
  • the inlet temperature of the process gas entering the first reaction zone is from 10 to 490 ° C., preferably from 150 to 480 ° C., particularly preferably from 300 to 470 ° C.
  • the absolute pressure at the inlet of the first reaction zone is between 1 and 10 bar, preferably between 1.1 and 3 bar, more preferably between 1.2 and 1.5 bar.
  • the residence time of the process gas in all reaction zones together is between 0.05 and 25 s, preferably between 0.1 and 10 s, particularly preferably between 0.15 and 3 s.
  • the O-xylene and the oxygen are preferably fed only before the first reaction zone.
  • This has the advantage that the entire process gas can be used for the absorption and removal of the heat of reaction in all reaction zones.
  • the space-time yield can be increased, or the necessary catalyst mass can be reduced.
  • the temperature of the conversion can be controlled via the supply of gas between the reaction zones.
  • the process gas is particularly preferred after at least one of the reaction zones used cooled after each reaction zone.
  • the process gas is passed after exiting a reaction zone through one or more of the above-mentioned heat exchange zones, which are located behind the respective reaction zones.
  • These can be embodied as heat exchange zones in the form of heat exchangers known to the person skilled in the art, such as, for example, tube bundle, plate, annular groove, spiral, finned tube, micro heat exchanger.
  • the heat exchangers are preferably microstructured heat exchangers.
  • microstructured means that the heat exchanger for the purpose of heat transfer comprises fluid-carrying channels, which are characterized in that they have a hydraulic diameter between 50 ⁇ m and 5 mm.
  • the hydraulic diameter is calculated as four times the flow cross-sectional area of the fluid-conducting channel divided by the circumference of the channel.
  • steam is generated during cooling of the process gas in the heat exchange zones by the heat exchanger.
  • the heat exchangers including the heat exchange zones it is preferable in the heat exchangers including the heat exchange zones to carry out evaporation on the side of the cooling medium, preferably partial evaporation.
  • Partial evaporation referred to in the context of the present invention, an evaporation in which a gas / liquid mixture of a substance is used as a cooling medium and in which there is still a gas / liquid mixture of a substance after heat transfer in the heat exchanger.
  • the carrying out of evaporation is particularly advantageous because in this way the achievable heat transfer coefficient from / to process gases on / from the cooling / heating medium becomes particularly high and thus efficient cooling can be achieved.
  • Performing a partial evaporation is particularly advantageous because the absorption / release of heat by the cooling medium thereby no longer results in a temperature change of the cooling medium, but only the gas / liquid equilibrium is shifted. This has the consequence that over the entire heat exchange zone, the process gas is cooled to a constant temperature. This in turn safely prevents the occurrence of temperature profiles in the flow of Process gases, whereby the control over the reaction temperatures in the reaction zones is improved and in particular the formation of local overheating is prevented by temperature profiles.
  • a mixing zone may also be provided upstream of the inlet of a reaction zone in order to standardize the temperature profiles in the flow of the process gases, which may arise during cooling, by mixing transversely to the main flow direction.
  • reaction zones connected in series are operated at an average temperature increasing or decreasing from reaction zone to reaction zone. This means being within one
  • the temperature of reaction zone to reaction zone can both rise and fall. This can be adjusted, for example, via the control of the heat exchange zones connected between the reaction zone. Further options for setting the average temperature are described below.
  • the thickness of the flow-through reaction zones can be chosen to be the same or different and results according to laws generally known in the art from the residence time described above and the process gas quantities enforced in the process.
  • the mass flows of product gas (phthalic anhydride) which can be carried out according to the invention by the process, and from which the amounts of process gas to be used, are usually between 0.01 and 35 t / h, preferably between 0.1 and 20 t / h, more preferably between 1 and 15 t / h.
  • the maximum outlet temperature of the process gas from the reaction zones is usually in a range from 400 ° C to 520 ° C, preferably from 420 0 C to 510 ° C, more preferably from 430 0 C to 500 0 C.
  • Reaction zones are preferably carried out by at least one of the following measures:
  • reaction zones addition of gas between the reaction zones, molar ratio of the starting materials / excess of oxygen used, addition of inert gases, in particular
  • the composition of the catalysts in the reaction zones according to the invention may be identical or different. In a preferred embodiment, the same catalysts are used in each reaction zone. However, it is also advantageous to use different catalysts in the individual reaction zones. Thus, especially in the first reaction zone, when the concentration of the reaction educts is still high, a less active catalyst can be used and in the further reaction zones the activity of the catalyst can be increased from reaction zone to reaction zone.
  • the control of the catalyst activity can also be carried out by dilution with inert materials or carrier material. Also advantageous is the use of a catalyst in the first and / or second reaction zone, which is particularly stable against deactivation at the temperatures of the process in these reaction zones.
  • the inventive method is thus characterized by high space-time yields, combined with a reduction of the apparatus sizes and a simplification of the apparatus or reactors.
  • This surprisingly high space-time yield is made possible by the interaction of the inventive and preferred embodiments of the new method.
  • the interaction of staggered, adiabatic reaction zones with interposed heat exchange zones and the defined residence times allows precise control of the process and the resulting high space-time yields, as well as a reduction in the by-products formed, such as maleic anhydride and CO 2 .
  • Another object of the invention is a reactor system for the reaction of O-xylene and oxygen to phthalic anhydride, characterized in that there are leads (Z) for a process gas comprising O-xylene and oxygen or for at least two process gases, of which at least one O-xylene and comprising at least one oxygen and comprises 5 to 60 successive reaction zones (R) in the form of fixed beds of a heterogeneous catalyst, wherein between the reaction zones heat insulation zones (I) in the form of insulating material and between these heat exchange zones (W) are in the form of plate heat exchangers with the reaction zones on and Derivatives for the process gases are connected and include the supply and discharge lines for a cooling medium.
  • the reactor system may also comprise 6 to 30, preferably 7 to 20 reaction zones in the form of fixed beds.
  • the insulating material of the heat insulating zones is preferably a material having a
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an embodiment of the reactor system according to the invention, the following reference numerals being used in the figures:
  • FIG. 3 shows reactor temperature (T), O-xylene conversion (U) and phthalic anhydride selectivity (Y) over a number of 12 reaction zones (S) with downstream heat exchange zones (according to Example 2).
  • the process gas flows over a total of 8 fixed catalyst beds of titanium dioxide coated with vanadium pentoxide, ie through 8 reaction zones.
  • Each after a reaction zone is a heat exchange zone in which the process gas was cooled before it enters the next reaction zone.
  • the process gas used at the beginning of the first reaction zone contains 0.94 mol% of O-xylene, 20.79 mol% of oxygen, and 78.27 mol% of inert gases (nitrogen, CO 2 , argon).
  • nitrogen, CO 2 , argon nitrogen
  • With a share of 0.94 mol% of O-xylene the proportion is below the limit for the preservation of a potentially ignitable mixture (1 mol% with air), so that it is not necessary to pay attention to the exceeding of a potential ignition temperature.
  • the absolute inlet pressure of the process gas directly in front of the first reaction zone is 1.5 bar.
  • the length of the fixed catalyst beds, ie the reaction zones, is always 0.1 m, except for the last reaction zone whose length is 0.14 m.
  • the activity of the catalyst used is not variable across the reaction zones. There is no metered addition of gas before the individual reaction zones.
  • the total residence time in the system is 0.2 seconds.
  • the results are shown in FIG.
  • the individual reaction zones are listed on the x-axis, so that a spatial course of developments in the process is visible.
  • the temperature of the process gas is indicated on the left y-axis.
  • the temperature profile across the individual reaction zones is shown as a thick, solid line.
  • On the right y-axis the total conversion of O-xylene, and the selectivity of phthalic anhydride is given.
  • the course of the conversion over the individual reaction zones is shown as a thick dashed line.
  • the course of selectivity as a thin solid line.
  • the inlet temperature of the process gas before the first reaction zone is about 420 ° C. Due to the exothermic reaction to phthalic anhydride under adiabatic conditions, the temperature in the first reaction zone rises to about 490 ° C, before the process gas is cooled in the downstream heat exchange zone again. The inlet temperature before the next reaction zone is again about 420 0 C. By exothermic adiabatic reaction, it rises again to about 49O 0 C. The sequence of heating and cooling continues. The inlet temperatures of the Process gas upstream of the individual reaction zones changes in the course of the process to a value of about 480 ° C.
  • the process gas flows through a total of 12 reaction zones, so over 12 fixed catalyst beds of titanium dioxide coated with vanadium pentoxide.
  • Each after a reaction zone is a heat exchange zone in which the process gas is cooled and in which a further addition of O-xylene before reaction zones according to Table 1 is carried out.
  • This metered addition is controlled in such a way that the ignition-critical limit of 1 mol% of O-xylene is not reached, so that care must be taken not to exceed a potential ignition temperature.
  • a precise statement of the proportions of O-xylene based on the total amount supplied to the process is given in Table 1. TABLE 1 Allocation of the addition of O-xylene in accordance with Example 2
  • the process gas used at the outset, as well as the inlet pressure before the first reaction zone, is identical to that of Example 1.
  • streams of pure gaseous O-xylene are used to at least partially replace the amount consumed.
  • the volume and mass flows of the metered additions thus result from the proportion according to Table 1, as well as the volume flow of the feed and the concentration of O-xylene in the feed.
  • the length of the fixed catalyst beds, so the Reaction zones, is always 0.1 m, except for the last reaction zone whose length is 0.18 m.
  • the activity of the catalysts is not variable across the reaction zones. This is achieved after the first 6 reaction zones oscillating in a temperature window between 415 ° C and 490 ° C.
  • the residence time in the system is 0.3 seconds in total.
  • the results are shown in FIG.
  • the individual reaction zones are listed on the x-axis, so that a spatial course of developments in the process is visible.
  • the temperature of the process gas is indicated on the left y-axis.
  • the temperature profile across the individual reaction zones is shown as a thick, solid line.
  • On the right y-axis the total conversion of O-xylene, and the selectivity of phthalic anhydride is given.
  • the course of the conversion over the individual reaction zones is shown as a thick dashed line.
  • the course of selectivity as a thin solid line.
  • the inlet temperature of the process gas before the first reaction zone is about 420 ° C. Due to the exothermic reaction to phthalic anhydride under adiabatic conditions, the temperature in the first reaction zone rises to about 490 ° C, before the process gas is cooled in the downstream heat exchange zone again. The cooling is also achieved here by the added at a lower temperature O-xylene. The inlet temperature before the next reaction zone is about 415 0 C. By exothermic adiabatic reaction, it rises again to about 490 ° C. The sequence of heating and cooling continues. The inlet temperature of the process gas upstream of the individual reaction zones changes significantly from the 7th reaction zone. Here, further heating up to about 46O 0 C is allowed before the last reaction zone.
  • the process gas flows over a total of 18 fixed catalyst beds in the form of monoliths with channel diameters of monoliths of 1 mm, which are coated with a catalyst comprising vanadium pentoxide on a support of titanium dioxide, ie by 18 reaction zones.
  • Each after a reaction zone is a heat exchange zone in which the process gas was cooled before it enters the next reaction zone.
  • the process gas used at the beginning of the first reaction zone contains 2 mol% of O-xylene, 20.56 mol% of oxygen and 77.44 mol% of inert gases (nitrogen, CO 2 , argon).
  • the absolute inlet pressure of the process gas directly in front of the first reaction zone is 1.5 bar.
  • the length of the fixed catalyst beds, ie the reaction zones, is always 0.5 m, except for the last reaction zone with a length of 0.74 m.
  • the activity of the catalyst used is not variable across the reaction zones. There is no metered addition of gas before the individual reaction zones.
  • the total residence time in the system is 1, 6 seconds.
  • the results are shown in FIG.
  • the individual reaction zones are listed on the x-axis, so that a spatial course of developments in the process is visible.
  • the temperature of the process gas is indicated on the left y-axis.
  • the temperature profile across the individual reaction zones is shown as a thick, solid line.
  • On the right y-axis the total conversion of O-xylene, and the selectivity of phthalic anhydride is given.
  • the course of the conversion over the individual reaction zones is shown as a thick dashed line.
  • the course of selectivity as a thin solid line.
  • the inlet temperature of the process gas before the first reaction zone is about 400 ° C. Due to the exothermic reaction to phthalic anhydride under adiabatic conditions, the temperature in the first reaction zone rises to about 440 ° C, before the process gas is cooled in the downstream heat exchange zone again. The inlet temperature before the next reaction zone is about 394 ° C. By exothermic adiabatic reaction increases again to about 440 ° C. The sequence of heating and cooling continues until the exit of the sixth reaction zone. In the following heat exchange zone, less cooling takes place so that the inlet temperature of the seventh reaction zone is about 435 ° C. By exothermic adiabatic reaction, this rises to about 490 0 C. The sequence of heating and cooling continues, with a slow rise in the inlet temperatures is up to 475 ° C at the beginning of the last reaction zone is tolerated.

Abstract

The present invention relates to a method for the production of phthalic acid anhydride by catalytic gas phase oxidation of o-xylol with oxygen, wherein the reaction is carried out in 5 to 60 serially arranged reaction zones under adiabatic conditions, and a reactor system for carrying out said method

Description

Verfahren zur Herstellung von Phthalsäureanhydrid Process for the preparation of phthalic anhydride
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Phthalsäureanhydrid durch katalytische Gasphasenoxidation von O-Xylol mit Sauerstoff, worin die Umsetzung in 5 bis 60 hintereinander geschalteten Reaktionszonen unter adiabaten Bedingungen durchgeführt wird, sowie ein Reaktorsystem zur Durchführung des Verfahrens.The present invention relates to a process for the preparation of phthalic anhydride by catalytic gas phase oxidation of O-xylene with oxygen, wherein the reaction is carried out in 5 to 60 successive reaction zones under adiabatic conditions, and a reactor system for carrying out the method.
Phthalsäureanhydrid wird allgemein unter katalytischem Einfluss von Metalloxidkatalysatoren z.B. Vanadiumpentoxid aus gasförmigen O-Xylol und Sauerstoff in einer exothermen, katalytischen Reaktion gemäß Formel (I) hergestellt:Phthalic anhydride is generally subject to the catalytic influence of metal oxide catalysts e.g. Vanadium pentoxide prepared from gaseous O-xylene and oxygen in an exothermic catalytic reaction according to formula (I):
Das mittels der Reaktion nach Formel (I) hergestellte Phthalsäureanhydrid wird häufig als Ausgangsstoff für die Herstellung von Weichmachern (zumeist Phthalsäureester) oder als Rohstoff zur Herstellung von Kunstharzen für die Oberflächenbeschichtungen von Holz eingesetzt. Darüber hinaus ist es ein Rohstoff bei der Herstellung von Farbstoffen oder Farbpigmenten auf Basis der Phthalocyanine. Eine weitere technisch wichtige Umsetzung von Phthalsäureanhydrid ist die zum Anthrachinon.The phthalic anhydride prepared by the reaction of formula (I) is often used as a starting material for the preparation of plasticizers (usually phthalate) or as a raw material for the production of synthetic resins for the surface coatings of wood. In addition, it is a raw material in the production of dyes or color pigments based on the phthalocyanines. Another technically important reaction of phthalic anhydride is the anthraquinone.
Die Abfuhr und Verwendung der Reaktionswärme ist wichtig bei der Durchführung der Phthalsäureanhydrid-Synthese. Ein unkontrollierter Temperaturanstieg, kann zu einer dauerhaften Schädigung des Katalysators führen. Außerdem existiert bei hohen Temperaturen die Möglichkeit von Nebenreaktionen unter Bildung mehr oder weniger großer Mengen an Maleinsäureanhydrid, sowie Kohlenmonoxid und Kohlendioxid. Es ist daher vorteilhaft die Temperatur der Reaktionszonen im Laufe des Verfahrens kontrolliert auf einem Niveau zu halten, das einen schnellen Umsatz unter Minimierung der Nebenreaktionen und/oder Katalysatorinaktivierung ermöglicht.The removal and use of the heat of reaction is important in carrying out phthalic anhydride synthesis. An uncontrolled increase in temperature can lead to permanent damage to the catalytic converter. In addition, at high temperatures, there is the possibility of side reactions to produce more or less large quantities of maleic anhydride, as well as carbon monoxide and carbon dioxide. It is therefore advantageous to maintain the temperature of the reaction zones in the process in a controlled manner at a level which allows for rapid conversion while minimizing side reactions and / or catalyst deactivation.
In der US 6,380,399 Bl wird ein Verfahren zur Herstellung von Phthalsäureanhydrid aus O-Xylol oder Naphta offenbart, bei dem in mindestens drei Katalysatorstufen, die zu einerUS Pat. No. 6,380,399 B1 discloses a process for the preparation of phthalic anhydride from O-xylene or naphtha, in which at least three catalyst stages which form a
Reaktionszone zusammengefasst sein können, in einem Festbettreaktor der Umsatz beiReaction zone can be summarized in a fixed bed reactor sales at
Temperaturen zwischen 300°C und 400°C durchgeführt wird. Der Anteil an Sauerstoff an den Prozessgasen eingangs des Verfahrens liegt zwischen 10 und 21 Vol.-%. Hierauf bezogen, liegt die Konzentration des O-Xylol oder Naphta bei mindestens 70 g/Nm3. Der Katalysator in dessen Gegenwart der Umsatz ausgeführt wird, umfasst bevorzugt Vanadium- und Titanoxid. Es wird weiter offenbart, dass die Reaktionszonen gekühlt werden. Es werden keine getrennten Wärmeaustauschzonen offenbart.Temperatures between 300 ° C and 400 ° C is performed. The proportion of oxygen the process gases at the beginning of the process is between 10 and 21% by volume. Based on this, the concentration of O-xylene or naphtha is at least 70 g / Nm 3 . The catalyst in the presence of which the conversion is carried out preferably comprises vanadium oxide and titanium oxide. It is further disclosed that the reaction zones are cooled. No separate heat exchange zones are disclosed.
Das in der US 6,380,399 Bl offenbarte Verfahren ist nachteilig, weil die Reaktionszonen aktiv gekühlt werden und versucht wird über das Einstellen der Katalysatoraktivität mittels Verdünnung mit nicht katalytisch aktivem Material die Überhitzung der Reaktionszonen zu verhindern. Die Tatsache, dass die Reaktionszonen direkt gekühlt werden, führt dazu, dass vorgegeben durch Geometrie der Reaktionsvorrichtung und dem verwendeten Wärmeaustauschmittel nur eine maximale Wärmeaustauschrate erzielbar ist, die nicht im Betrieb des Verfahrens in einfacher Weise verändert werden kann. Hieraus wiederum resultiert, dass es, z.B. durch Einspeisung von zuviel Edukt im Rahmen einer Ventilfehlstellung, zu Betriebszuständen kommen kann, in denen eine Überhitzung des Verfahrens in den „Hot-Spots" nicht mehr abgefangen werden kann. Dies führt mindestens zu einer Einbuße des Zielproduktes, kann aber auch zu Verlust an Katalysatoraktivität und damit zur Notwendigkeit dessen Erneuerung, oder auch zu einer Zerstörung der Vorrichtung, in der sich die Reaktionszone befindet, führen.The process disclosed in US Pat. No. 6,380,399 B1 is disadvantageous because the reaction zones are actively cooled and an attempt is made to prevent overheating of the reaction zones by adjusting the catalyst activity by dilution with non-catalytically active material. The fact that the reaction zones are cooled directly means that due to the geometry of the reaction device and the heat exchange medium used, only a maximum heat exchange rate can be achieved, which can not be easily changed during operation of the process. In turn, this results in it, e.g. By feeding in too much starting material in the context of a valve misalignment, operating states can occur in which overheating of the process in the "hot spots" can no longer be intercepted, which leads at least to a loss of the target product, but can also lead to a loss of catalyst activity and thus to the necessity of its renewal, or even destruction of the device in which the reaction zone is located, lead.
In der US 6,774,246 B2 wird ein zu der Offenbarung der US 6,380,399 Bl ähnliches Verfahren offenbart, bei dem aus O-Xylol oder Naphta Phthalsäureanhydrid in zweiUS Pat. No. 6,774,246 B2 discloses a process similar to the disclosure of US Pat. No. 6,380,399 B1, in which phthalic anhydride is prepared from O-xylene or naphtha in two
Reaktionszonen hergestellt wird, wobei die Reaktionszonen Festbetten umfassen, die gekühlt werden. Der Gesamtdruck des Verfahrens kann zwischen 0,1 und 2,5 bar liegen, während die Temperaturen, unter denen die Prozessgase in das Verfahren eintreten zwischen 300°C und 450°C liegen können. Das Prozessgas kann 1 bis 100 mol-% Sauerstoff umfassen und eine Konzentration an O-Xylol oder Naphta zwischen 60 und 120 g/Nm3 haben. Es werden wie auch in der US 6,380,399 Bl keine von den Reaktionszonen getrennten Wärmeaustauschzonen offenbart.Reaction zones is prepared, wherein the reaction zones comprise fixed beds, which are cooled. The total pressure of the process can be between 0.1 and 2.5 bar, while the temperatures at which the process gases enter the process can be between 300 ° C and 450 ° C. The process gas may comprise 1 to 100 mol% oxygen and have a concentration of O-xylene or naphtha between 60 and 120 g / Nm 3 . As in US Pat. No. 6,380,399 B1, no heat exchange zones separated from the reaction zones are disclosed.
Demzufolge ist das in der US 6,774,246 B2 offenbarte Verfahren aus denselben Gründen nachteilig, wie das in der US 6,380,399 Bl offenbarte Verfahren. Außerdem erlaubt die Verwendung von maximal zwei Reaktionszonen eine noch schlechtere Temperaturkontrolle. In EP 1 251 951 (Bl) wird eine Vorrichtung und die Möglichkeit der Durchführung chemischer Reaktionen in der Vorrichtung offenbart, wobei die Vorrichtung durch eine Kaskade aus miteinander in Kontakt stehenden Reaktionszonen und Wärmetauschervorrichtungen gekennzeichnet ist, die stoffschlüssig miteinander im Verbund angeordnet sind. Das hierin durchzuführende Verfahren ist also gekennzeichnet durch den Kontakt der verschiedenen Reaktionszonen mit einer jeweiligen Wärmetauschervorrichtung in Form einer Kaskade. Eine Offenbarung hinsichtlich der Verwendbarkeit der Vorrichtung und des Verfahrens zur Synthese von Phthalsäureanhydrid aus gasförmigem Sauerstoff und O-Xylol findet nicht statt. Es bleibt also unklar, wie ausgehend von der Offenbarung der EP 1 251 951 (Bl) eine solche Reaktion mittels der Vorrichtung und des darin ausgeführten Verfahrens durchgerührt werden soll. Weiter muss aus Gründen der Einheitlichkeit davon ausgegangen werden, dass das in der EP 1 251 951 (Bl) offenbarte Verfahren in einer Vorrichtung gleich oder ähnlich der Offenbarung bezüglich der Vorrichtung ausgeführt wird. Hieraus resultiert, dass durch den offenbarungsgemäßen großflächigen Kontakt der Wärmeaustauschzonen mit den Reaktionszonen eine signifikante Menge an Wärme durch Wärmeleitung zwischen den Reaktionszonen und den benachbarten Wärmeaustauschzonen stattfindet. Die Offenbarung hinsichtlich des oszillierenden Temperaturprofils kann also nur so verstanden werden, dass die hier festgestellten Temperaturspitzen stärker ausfallen würden, wenn dieser Kontakt nicht bestehen würde. Ein weiteres Indiz hierfür ist der exponentielle Anstieg der offenbarten Temperaturprofile zwischen den einzelnen Temperaturspitzen. Diese deuten an, dass eine gewisse Wärmesenke mit merklicher, aber begrenzter Kapazität in jeder Reaktionszone vorhanden ist, die den Temperaturanstieg in derselben reduzieren kann. Es kann nie ausgeschlossen werden, dass eine gewisse Abfuhr von Wärme (z.B. durch Strahlung) stattfindet, allerdings würde sich bei einer Reduktion der möglichen Wärmeabfuhr aus der Reaktionszone ein linearer oder in seiner Steigung degressiver Temperaturverlauf andeuten, da keine Nachdosierung von Edukten vorgesehen ist und somit nach exothermer Abreaktion die Reaktion immer langsamer und sich somit die erzeugte Wärmetönung verringern würde. Somit offenbart die EP 1 251 951 (Bl) mehrstufige Verfahren in Kaskaden von Reaktionszonen, aus denen Wärme in Undefinierter Menge durch Wärmeleitung abgeführt wird. Demnach ist das offenbarte Verfahren dahingehend nachteilig, als das eine genaue Temperaturkontrolle der Prozessgase der Reaktion nicht möglich ist. Ausgehend vom Stand der Technik wäre es daher vorteilhaft, ein Verfahren bereitzustellen, das in einfachen Reaktionsvorrichtungen durchgeführt werden kann und das eine genaue, einfache Temperaturkontrolle ermöglicht, so dass es hohe Umsätze bei möglichst hohen Reinheiten des Produktes erlaubt. Solche einfachen Reaktionsvorrichtungen wären leicht in einen technischen Maßstab zu übertragen und sind in allen Größen preiswert und robust.Accordingly, the process disclosed in US 6,774,246 B2 is disadvantageous for the same reasons as the process disclosed in US 6,380,399 B1. In addition, the use of a maximum of two reaction zones allows an even lower temperature control. EP 1 251 951 (B1) discloses a device and the possibility of carrying out chemical reactions in the device, wherein the device is characterized by a cascade of reaction zones in contact with one another and heat exchanger devices which are arranged in a composite with one another. The method to be carried out here is thus characterized by the contact of the various reaction zones with a respective heat exchanger device in the form of a cascade. There is no disclosure as to the usability of the apparatus and method for the synthesis of phthalic anhydride from gaseous oxygen and O-xylene. Thus, it remains unclear how, starting from the disclosure of EP 1 251 951 (B1), such a reaction should be carried out by means of the device and the method carried out therein. Further, for the sake of uniformity, it is to be understood that the method disclosed in EP 1 251 951 (B1) is carried out in a device the same as or similar to the disclosure regarding the device. As a result, by the large-area contact of the heat exchange zones according to the disclosure with the reaction zones, a significant amount of heat takes place by heat conduction between the reaction zones and the adjacent heat exchange zones. The disclosure with regard to the oscillating temperature profile can therefore only be understood as meaning that the temperature peaks ascertained here would be stronger if this contact did not exist. Another indication of this is the exponential increase in the disclosed temperature profiles between the individual temperature peaks. These indicate that there is some heat sink of appreciable but limited capacity in each reaction zone which can reduce the temperature rise in it. It can never be ruled out that a certain dissipation of heat (eg by radiation) takes place, but a reduction in the possible heat removal from the reaction zone would indicate a linear or degressive temperature gradient, since there is no subsequent addition of educts and thus after exothermic Abreaktion the reaction slower and thus would reduce the heat of reaction generated. Thus, EP 1 251 951 (B1) discloses multi-stage processes in cascades of reaction zones from which heat in an undefined amount is removed by heat conduction. Accordingly, the disclosed method is disadvantageous in that accurate temperature control of the process gases of the reaction is not possible. Based on the prior art, it would therefore be advantageous to provide a method that can be carried out in simple reaction devices and that allows accurate, simple temperature control, so that it allows high conversions with the highest possible purity of the product. Such simple reaction devices would be easily scaled up and are inexpensive and robust in all sizes.
Für die katalytische Gasphasenoxidation von O-Xylol mit Sauerstoff zu Phthalsäureanhydrid wurden wie gerade dargestellt bisher weder geeignete Reaktoren beschrieben, noch werden geeignete Verfahren aufgezeigt, die diese erlauben.For the catalytic gas-phase oxidation of O-xylene with oxygen to phthalic anhydride, as described above, neither suitable reactors have yet been described, nor are suitable processes disclosed which permit them.
Es besteht daher die Aufgabe, ein Verfahren zur katalytischen Gasphasenoxidation von O- XyI ol und Sauerstoff zu Phthalsäureanhydrid bereitzustellen, das unter genauer Temperaturkontrolle in einfachen Reaktionsvorrichtungen durchführbar ist und das hierdurch hohe Umsätze bei hohen Reinheiten des Produktes erlaubt, wobei die Reaktionswärme entweder zu Gunsten der Reaktion oder in anderer Weise genutzt werden kann.It is therefore an object to provide a process for the catalytic gas-phase oxidation of O-xyI ol and oxygen to phthalic anhydride, which is feasible under precise temperature control in simple reaction devices and thereby high conversions at high purities of the product allowed, the heat of reaction either in favor of Reaction or otherwise can be used.
Es wurde überraschend gefunden, dass ein Verfahren zur Herstellung von Phthalsäureanhydrid aus O-Xylol und Sauerstoff in Gegenwart heterogener Katalysatoren, dadurch gekennzeichnet, dass es 5 bis 60 hintereinander geschaltete Reaktionszonen mit adiabaten Bedingungen umfasst, diese Aufgabe zu lösen vermag.It has surprisingly been found that a process for the preparation of phthalic anhydride from O-xylene and oxygen in the presence of heterogeneous catalysts, characterized in that it comprises 5 to 60 successive reaction zones with adiabatic conditions, is capable of solving this problem.
O-Xylol bezeichnet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ein Prozessgas, das in das erfϊndungsgemäße Verfahren eingeführt wird und das O-Xylol umfasst. Üblicherweise liegt der Anteil an O-Xylol an den dem Verfahren zugeführten Prozessgasen zwischen 0,8 und 10 mol-%, bevorzugt zwischen 1 und 7 mol-%.O-xylene in the context of the present invention refers to a process gas which is introduced into the process according to the invention and which comprises O-xylene. The proportion of O-xylene on the process gases supplied to the process is usually between 0.8 and 10 mol%, preferably between 1 and 7 mol%.
Sauerstoff bezeichnet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ein Prozessgas, das in das erfϊndungsgemäße Verfahren eingeführt wird und das im Wesentlichen Sauerstoff umfasst. Bevorzugt ist Sauerstoff Umgebungsluft und umfasst daher einen Anteil von etwa 20 Vol.-% Sauerstoff.Oxygen, in the context of the present invention, denotes a process gas which is introduced into the process according to the invention and which essentially comprises oxygen. Preferably, oxygen is ambient air and therefore comprises a proportion of about 20% by volume of oxygen.
Neben den wesentlichen Komponenten der Prozessgase O-Xylol und Sauerstoff, können diese auch noch Nebenkomponenten umfassen. Nicht abschließende Beispiele für Nebenkomponenten, die in den Prozessgasen enthalten sein können sind etwa Argon, Stickstoff und/oder Kohlendioxid. Allgemein werden im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung Prozessgase als Gasgemische verstanden, die Sauerstoff und/oder O-Xylol und/oder Phthalsäureanhydrid und/oder Nebenkomponenten umfassen.In addition to the essential components of the process gases O-xylene and oxygen, these may also include secondary components. Non-exhaustive examples of minor components which may be included in the process gases include argon, nitrogen and / or carbon dioxide. Generally, in the context of the present invention, process gases are understood as gas mixtures which comprise oxygen and / or o-xylene and / or phthalic anhydride and / or secondary components.
Erfindungsgemäß bedeutet die Durchführung des Verfahrens unter adiabaten Bedingungen, dass der Reaktionszone von außen im Wesentlichen weder aktiv Wärme zugeführt nochAccording to the invention, carrying out the process under adiabatic conditions means that the reaction zone does not receive any active heat from the outside, either essentially
Wärme entzogen wird. Es ist allgemein bekannt, dass eine vollständige Isolation gegenHeat is withdrawn. It is well known that full isolation against
Wärmezu- oder Abfuhr nur durch vollständige Evakuierung unter Ausschluss derHeat supply or removal only by complete evacuation to the exclusion of
Möglichkeit des Wärmeübergangs durch Strahlung möglich ist. Daher bezeichnet adiabat im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung, dass keine Maßnahmen zur Wärmezu- oder Abfuhr ergriffen werden.Possibility of heat transfer by radiation is possible. Therefore, in the context of the present invention, adiabat means that no heat supply or removal measures are taken.
In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann aber z.B. durch Isolation mittels allgemein bekannter Isolationsmittel, wie z.B. Polystyroldämmstoffen, oder auch durch genügend große Abstände zu Wärmesenken oder Wärmequellen, wobei das Isolationsmittel Luft ist, ein Wärmeübergang vermindert werden.In an alternative embodiment of the method according to the invention, however, e.g. by isolation by means of well-known isolation means, e.g. Polystyrene insulating materials, or by sufficiently large distances to heat sinks or heat sources, wherein the insulating agent is air, a heat transfer can be reduced.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen adiabaten Fahrweise der 5 bis 60 hintereinander geschalteten Reaktionszonen gegenüber einer nicht adiabaten Fahrweise besteht darin, dass in den Reaktionszonen keine Mittel zur Wärmeabfuhr bereitgestellt werden müssen, was eine erhebliche Vereinfachung der Konstruktion mit sich bringt. Dadurch ergeben sich insbesondere Vereinfachungen bei der Fertigung des Reaktors sowie bei der Skalierbarkeit des Verfahrens und eine Steigerung der Reaktionsumsätze. Außerdem kann die Wärme, die im Zuge des exothermen Reaktionsfortschrittes erzeugt wird in der einzelnen Reaktionszone zur Steigerung des Umsatzes in kontrollierter Weise genutzt werden.An advantage of the adiabatic driving method according to the invention of the 5 to 60 reaction zones connected in series with respect to a non-adiabatic mode of operation is that no means for heat removal must be provided in the reaction zones, which entails a considerable simplification of the construction. This results in particular simplifications in the manufacture of the reactor and in the scalability of the process and an increase in reaction conversions. In addition, the heat generated in the course of the exothermic reaction progress can be utilized in the single reaction zone to increase the conversion in a controlled manner.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Möglichkeit der sehr genauen Temperaturkontrolle, durch die enge Staffelung von adiabaten Reaktionszonen. Es kann somit in jeder Reaktionszone eine im Reaktionsfortschritt vorteilhafte Temperatur eingestellt und kontrolliert werden.Another advantage of the method according to the invention is the possibility of very accurate temperature control, due to the close staggering of adiabatic reaction zones. It can thus be set and controlled in each reaction zone advantageous in the reaction progress temperature.
Die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Katalysatoren sind üblicherweiseThe catalysts used in the process according to the invention are customary
Katalysatoren, die aus einem Material bestehen, das neben seiner katalytischen Aktivität für die Reaktion gemäß Formel (I) durch ausreichende chemische Resistenz unter denCatalysts consisting of a material which, in addition to its catalytic activity for the reaction according to formula (I), has sufficient chemical resistance among the
Bedingungen des Verfahrens, sowie durch eine hohe spezifische Oberfläche .Conditions of the process, as well as by a high specific surface area ,
gekennzeichnet sind. Katalysatormaterialien, die durch eine solche chemische Resistenz unter den Bedingungen des Verfahrens gekennzeichnet sind, sind zum Beispiel Katalysatoren, die gemischte Oxide von Vanadium, sowie Oxide und/oder Salze der Elemente ausgewählt aus der Liste der Elemente enthaltend Nb, Sb, P, K, Na, Cs, Rb und Mo umfassen. Bevorzugt sind es Katalysatoren, die gemischte Oxide von Vanadium mit P und Rb umfassen. Diese Katalysatoren können auf Trägermaterialien aufgebracht sein. Solche Trägermaterialien umfassen üblicherweise Aluminiumoxid, Siliziumdioxid und/oder Titandioxid. Bevorzugt sind Trägermaterialien aus Titandioxid.Marked are. Catalyst materials characterized by such chemical resistance under the conditions of the process are, for example, catalysts comprising mixed oxides of vanadium, as well as oxides and / or salts of the elements selected from the list of elements containing Nb, Sb, P, K, Na, Cs, Rb and Mo include. Preferred are catalysts comprising mixed oxides of vanadium with P and Rb. These catalysts can be applied to support materials. Such support materials usually include alumina, silica and / or titania. Preferred are support materials of titanium dioxide.
Spezifische Oberfläche bezeichnet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung die Fläche des Katalysatormaterials, die vom Prozessgase erreicht werden kann bezogen auf die eingesetzte Masse an Katalysatormaterial.Specific surface area in the context of the present invention refers to the area of the catalyst material that can be reached by the process gases based on the mass of catalyst material used.
Eine hohe spezifische Oberfläche ist eine spezifische Oberfläche von mindestens 10 m2/g, bevorzugt von mindestens 20 m2/g.A high specific surface area is a specific surface area of at least 10 m 2 / g, preferably of at least 20 m 2 / g.
Die erfindungs gemäßen Katalysatoren befinden sich jeweils in den Reaktionszonen und können in allen an sich bekannten Erscheinungsformen, z.B. Festbett, Fließbett, Wirbelbett vorliegen.The catalysts according to the invention are in each case in the reaction zones and can be used in all known forms, e.g. Fixed bed, fluidized bed, fluidized bed present.
Bevorzugt sind die Erscheinungsformen Festbett und Fließbett.Preferred are the forms of fixed bed and fluidized bed.
Die Festbettanordnung umfasst eine Katalysatorschüttung im eigentlichen Sinn, d. h. losen, geträgerten oder ungeträgerten Katalysator in beliebiger Form sowie in Form von geeigneten Packungen. Der Begriff der Katalysatorschüttung, wie er hier verwendet wird, umfasst auch zusammenhängende Bereiche geeigneter Packungen auf einem Trägermaterial oder strukturierte Katalysatorträger. Dies wären z.B. zu beschichtende keramische Wabenträger mit vergleichsweise hohen geometrischen Oberflächen oder gewellte Schichten aus Metalldrahtgewebe, auf denen beispielsweise Katalysatorgranulat immobilisiert ist. Als eine Sonderform der Packung wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung das Vorliegen des Katalysators in monolithischer Form betrachtet.The fixed bed arrangement comprises a catalyst bed in the true sense, d. H. loose, supported or unsupported catalyst in any form and in the form of suitable packings. The term catalyst bed as used herein also encompasses contiguous areas of suitable packages on a support material or structured catalyst supports. These would be e.g. to be coated ceramic honeycomb carrier with comparatively high geometric surfaces or corrugated layers of metal wire mesh on which, for example, catalyst granules is immobilized. As a special form of packing, in the context of the present invention, the presence of the catalyst in monolithic form is considered.
Wird eine Festbettanordnung des Katalysators verwendet, so liegt der Katalysator bevorzugt in Schüttungen von Partikeln mit mittleren Partikelgrößen von 1 bis 10 mm, bevorzugt 2 bis 8 mm, besonders bevorzugt von 4 bis 7 mm vor. Ebenfalls bevorzugt liegt der Katalysator bei Festbettanordnung in monolithischer Form vor. Besonders bevorzugt ist bei Festbettanordnung ein monolithischer Katalysator, der auf Titandioxid geträgerte Mischoxide von Vanadium mit Phosphor umfasst.If a fixed-bed arrangement of the catalyst is used, the catalyst is preferably present in beds of particles having mean particle sizes of 1 to 10 mm, preferably 2 to 8 mm, particularly preferably 4 to 7 mm. Also preferably, the catalyst is in a fixed bed arrangement in monolithic form. Particularly preferred in a fixed bed arrangement is a monolithic catalyst comprising mixed oxides of vanadium and phosphorus supported on titania.
Wird ein Katalysator in monolithischer Form in den Reaktionszonen verwendet, so ist in einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung der in monolithischer Form vorliegende Katalysator mit Kanälen versehen, durch die die Prozessgase strömen. Üblicherweise haben die Kanäle einen Durchmesser von 0,1 bis 3 mm, bevorzugt einen Durchmesser von 0,2 bis 2 mm, besonders bevorzugt von 0,5 bis 1 ,5 mm.When a catalyst in monolithic form is used in the reaction zones, in a preferred further development of the invention the monolithic catalyst is provided with channels through which the process gases flow. Usually, the channels have a diameter of 0.1 to 3 mm, preferably a diameter of 0.2 to 2 mm, more preferably from 0.5 to 1, 5 mm.
Ein monolithischer Katalysator mit Kanälen der angegeben Durchmesser ist besonders vorteilhaft, da hierdurch ein Explosionsschutz gewährleistet werden kann. Dies geschieht durch die Aufnahme der Enthalpie durch die Wandung des Monolithen, womit die Ausbreitung von Flammen unterdrückt wird.A monolithic catalyst with channels of the specified diameter is particularly advantageous, since this explosion protection can be ensured. This is done by absorbing the enthalpy through the wall of the monolith, thus suppressing the propagation of flames.
Wird eine Fließbettanordnung des Katalysators verwendet, so liegt der Katalysator bevorzugt in losen Schüttungen von Partikeln vor, wie sie im Zusammenhang mit der Festbettanordnung bereits beschreiben worden sind.If a fluidized bed arrangement of the catalyst is used, the catalyst is preferably present in loose beds of particles, as have already been described in connection with the fixed bed arrangement.
Schüttungen von solchen Partikeln sind vorteilhaft, weil die Größe der Partikel eine hohe spezifische Oberfläche des Katalysatormaterials gegenüber den Prozessgasen Sauerstoff und O-Xylol besitzen und damit eine hohe Umsatzrate erreicht werden kann. Es kann also die Stofftransportlimitierung der Reaktion durch Diffusion gering gehalten werden. Zugleich sind die Partikel damit aber noch nicht so klein, dass es zu überproportional erhöhten Druckverlusten bei Durchströmung des Festbettes kommt. Die Bereiche der in der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens, umfassend eine Reaktion in einem Festbett, angegebenen Partikelgrößen sind somit ein Optimum zwischen dem erreichbaren Umsatz aus der Reaktion gemäß Formel (I) und dem erzeugten Druckverlust bei Durchführung des Verfahrens. Druckverlust ist in direkter Weise mit der notwendigen Energie in Form von Kompressorleistung gekoppelt, so dass eine überproportionale Erhöhung desselben in einer unwirtschaftlichen Betriebsweise des Verfahrens resultieren würde.Beds of such particles are advantageous because the size of the particles have a high specific surface area of the catalyst material compared to the process gases oxygen and O-xylene and thus a high conversion rate can be achieved. Thus, the mass transport limitation of the reaction by diffusion can be kept low. At the same time, however, the particles are not yet so small that disproportionately high pressure losses occur when the fixed bed flows through. The ranges of the particle sizes given in the preferred embodiment of the process, comprising a reaction in a fixed bed, are thus an optimum between the achievable conversion from the reaction according to formula (I) and the pressure drop produced when carrying out the process. Pressure loss is coupled in a direct manner with the necessary energy in the form of compressor performance, so that a disproportionate increase in the same would result in an inefficient operation of the method.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt der Umsatz in 6 bis 30, besonders bevorzugt 7 bis 20 hintereinander geschalteten Reaktionszonen. Eine bevorzugte weitere Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das aus mindestens einer Reaktionszone austretende Prozessgas anschließend durch wenigstens eine dieser Reaktionszone nachgeschalteten Wärmeaustauschzone geleitet wird.In a preferred embodiment of the process according to the invention, the conversion takes place in 6 to 30, more preferably 7 to 20 reaction zones connected in series. A preferred further embodiment of the method is characterized in that the process gas emerging from at least one reaction zone is subsequently passed through at least one heat exchange zone downstream of said reaction zone.
In einer besonders bevorzugten weiteren Ausführungsform des Verfahrens befindet sich nach jeder Reaktionszone wenigstens eine, bevorzugt genau eine Wärmeaustauschzone, durch die das aus der Reaktionszone austretende Prozessgas geleitet wird.In a particularly preferred further embodiment of the process, after each reaction zone is at least one, preferably exactly one heat exchange zone, through which the process gas leaving the reaction zone is passed.
Die Reaktionszonen können dabei entweder in einem Reaktor angeordnet oder in mehreren Reaktoren aufgeteilt angeordnet werden. Die Anordnung der Reaktionszonen in einem Reaktor führt zu einer Verringerung der Anzahl der verwendeten Apparaturen.The reaction zones can either be arranged in a reactor or arranged divided into several reactors. The arrangement of the reaction zones in a reactor leads to a reduction in the number of apparatuses used.
Die einzelnen Reaktionszonen und Wärmeaustauschzonen können auch zusammen in einem Reaktor oder in beliebigen Kombinationen von jeweils Reaktionszonen mit Wärmeaustauschzonen in mehreren Reaktoren aufgeteilt angeordnet werden.The individual reaction zones and heat exchange zones can also be arranged together in a reactor or in any combination of reaction zones with heat exchange zones in several reactors.
Liegen Reaktionszonen und Wärmeaustauschzonen in einem Reaktor vor, so befindet sich in einer alternativen Ausführungsform der Erfindung zwischen diesen eine Wärmeisolationszone, um den adiabaten Betrieb der Reaktionszone erhalten zu können.If reaction zones and heat exchange zones are present in a reactor, then in an alternative embodiment of the invention there is a heat insulation zone between them, in order to be able to obtain the adiabatic operation of the reaction zone.
Zusätzlich können einzelne der in Reihe geschalteten Reaktionszonen unabhängig voneinander auch durch eine oder mehrere parallel geschaltete Reaktionszonen ersetzt oder ergänzt werden. Die Verwendung von parallel geschalteten Reaktionszonen erlaubt insbesondere deren Austausch bzw. Ergänzung bei laufendem kontinuierlichen Gesamtbetrieb des Verfahrens.In addition, each of the series-connected reaction zones can be replaced or supplemented independently of one another by one or more reaction zones connected in parallel. The use of reaction zones connected in parallel allows in particular their replacement or supplementation during ongoing continuous operation of the process.
Parallele und hintereinander geschaltete Reaktionszonen können insbesondere auch miteinander kombiniert sein. Besonders bevorzugt weist das erfindungsgemäße Verfahren aber ausschließlich hintereinander geschaltete Reaktionszonen auf.Parallel and successive reaction zones may in particular also be combined with one another. However, the process according to the invention particularly preferably has exclusively reaction zones connected in series.
Die im erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt verwendeten Reaktoren können aus einfachen Behältern mit einer oder mehreren Reaktionszonen bestehen, wie sie z.B. in Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry (Fifth, Completely Revised Edition, VoI B4, Seite 95-104, Seite 210-216) beschrieben werden, wobei jeweils zwischen den einzelnen Reaktionszonen und/oder Wärmeaustauschzonen Wärmeisolationszonen zusätzlich vorgesehen sein können. In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens, befindet sich also zwischen einer Reaktionszone und einer Wärmeaustauschzone mindestens eine Wärmeisolationszone. Bevorzugt befindet sich um jede Reaktionszone eine Wärmeisolationszone.The reactors preferably used in the process according to the invention can consist of simple containers with one or more reaction zones, as described, for example, in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (Fifth, Completely Revised Edition, VoI B4, pages 95-104, pages 210-216), wherein in each case between the individual reaction zones and / or heat exchange zones heat insulation zones can be additionally provided. In an alternative embodiment of the method, there is thus at least one heat-insulating zone between a reaction zone and a heat exchange zone. Preferably, there is a heat isolation zone around each reaction zone.
Die Katalysatoren bzw. die Festbetten daraus werden in an sich bekannter Weise auf oder zwischen gasdurchlässigen Wandungen umfassend die Reaktionszone des Reaktors angebracht. Insbesondere bei dünnen Festbetten können in Strömungsrichtung vor denThe catalysts or the fixed beds thereof are mounted in a manner known per se on or between gas-permeable walls comprising the reaction zone of the reactor. Especially with thin fixed beds can in the flow direction before the
Katalysatorbetten technische Vorrichtungen zur gleichmäßigen Gasverteilung angebracht werden. Dies können Lochplatten, Glockenböden, Ventilböden oder andere Einbauten sein, die durch Erzeugung eines geringen, aber gleichmäßigen Druckverlusts einen gleichförmigen Eintritt des Prozessgases in das Festbett bewirken.Catalyst beds technical devices for uniform gas distribution can be attached. These can be perforated plates, bubble-cap trays, valve trays or other internals which cause a uniform entry of the process gas into the fixed bed by producing a small but uniform pressure loss.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens beträgt die Eingangstemperatur des in die erste Reaktionszone eintretenden Prozessgases von 10 bis 490°C, bevorzugt von 150 bis 480°C, besonders bevorzugt von 300 bis 470°C.In a preferred embodiment of the method, the inlet temperature of the process gas entering the first reaction zone is from 10 to 490 ° C., preferably from 150 to 480 ° C., particularly preferably from 300 to 470 ° C.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens beträgt der absolute Druck am Eingang der ersten Reaktionszone zwischen 1 und 10 bar, bevorzugt zwischen 1,1 und 3 bar, besonders bevorzugt zwischen 1,2 und 1,5 bar.In a further preferred embodiment of the method, the absolute pressure at the inlet of the first reaction zone is between 1 and 10 bar, preferably between 1.1 and 3 bar, more preferably between 1.2 and 1.5 bar.
In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens beträgt die Verweilzeit des Prozessgases in allen Reaktionszonen zusammen zwischen 0,05 und 25 s, bevorzugt zwischen 0,1 und 10 s, besonders bevorzugt zwischen 0,15 und 3 s.In yet another preferred embodiment of the method, the residence time of the process gas in all reaction zones together is between 0.05 and 25 s, preferably between 0.1 and 10 s, particularly preferably between 0.15 and 3 s.
Das O-Xylol und der Sauerstoff werden bevorzugt nur vor der ersten Reaktionszone zugeführt. Dies hat den Vorteil, dass das gesamte Prozessgas für die Aufnahme und Abfuhr der Reaktionswärme in allen Reaktionszonen genutzt werden kann. Außerdem kann durch eine solche Verfahrensweise die Raum-Zeit-Ausbeute gesteigert werden, bzw. die notwendige Katalysatormasse verringert werden. Es ist aber auch möglich vor einer oder mehreren der nach der ersten Reaktionszone folgenden Reaktionszonen nach Bedarf O- Xylol und/oder Sauerstoff in das Prozessgas einzudosieren. Über die Zufuhr von Gas zwischen den Reaktionszonen kann zusätzlich die Temperatur des Umsatzes gesteuert werden.The O-xylene and the oxygen are preferably fed only before the first reaction zone. This has the advantage that the entire process gas can be used for the absorption and removal of the heat of reaction in all reaction zones. In addition, by such a procedure, the space-time yield can be increased, or the necessary catalyst mass can be reduced. However, it is also possible to meter in one or more of the reaction zones following the first reaction zone as required into the x-xylene and / or oxygen in the process gas. In addition, the temperature of the conversion can be controlled via the supply of gas between the reaction zones.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Prozessgas nach mindestens einer der verwendeten Reaktionszonen, besonders bevorzugt nach jeder Reaktionszone abgekühlt. Dazu leitet man das Prozessgas nach Austritt aus einer Reaktionszone durch eine oder mehrere der oben genannten Wärmeaustauschzonen, die sich hinter den jeweiligen Reaktionszonen befinden. Diese können als Wärmeaustauschzonen in Form der dem Fachmann bekannten Wärmetauscher, wie z.B. Rohrbündel-, Platten-, Ringnut-, Spiral-, Rippenrohr-, Mikrowärmetauscher ausgeführt sein. Bevorzugt sind die Wärmetauscher mikrostrukturierte Wärmetauscher.In a preferred embodiment of the method according to the invention, the process gas is particularly preferred after at least one of the reaction zones used cooled after each reaction zone. For this purpose, the process gas is passed after exiting a reaction zone through one or more of the above-mentioned heat exchange zones, which are located behind the respective reaction zones. These can be embodied as heat exchange zones in the form of heat exchangers known to the person skilled in the art, such as, for example, tube bundle, plate, annular groove, spiral, finned tube, micro heat exchanger. The heat exchangers are preferably microstructured heat exchangers.
Mikrostrukturiert bezeichnet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung, dass der Wärmetauscher zum Zweck der Wärmeübertragung Fluid-führende Kanäle umfasst, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie einen hydraulischen Durchmesser zwischen 50 μm und 5 mm aufweisen. Der hydraulische Durchmesser berechnet sich aus dem Vierfachen der durchströmten Querschnittsfläche des Fluid-führenden Kanals dividiert durch den Umfang des Kanals.In the context of the present invention, microstructured means that the heat exchanger for the purpose of heat transfer comprises fluid-carrying channels, which are characterized in that they have a hydraulic diameter between 50 μm and 5 mm. The hydraulic diameter is calculated as four times the flow cross-sectional area of the fluid-conducting channel divided by the circumference of the channel.
In einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens wird beim Abkühlen des Prozessgases in den Wärmeaustauschzonen durch den Wärmetauscher Dampferzeugt.In a particular embodiment of the method, steam is generated during cooling of the process gas in the heat exchange zones by the heat exchanger.
Innerhalb dieser besonderen Ausführungsform ist es bevorzugt in den Wärmetauschern, die die Wärmeaustauschzonen beinhalten, auf der Seite des Kühlmediums eine Verdampfung, bevorzugt Teilverdampfung auszuführen.Within this particular embodiment, it is preferable in the heat exchangers including the heat exchange zones to carry out evaporation on the side of the cooling medium, preferably partial evaporation.
Teilverdampfung bezeichnet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eine Verdampfung, bei der ein Gas-/Flüssigkeitsgemisch eines Stoffes als Kühlmedium verwendet wird und bei der auch nach Wärmeübergang in dem Wärmetauscher noch ein Gas-/Flüssigkeitsgemisch eines Stoffes vorliegt.Partial evaporation referred to in the context of the present invention, an evaporation in which a gas / liquid mixture of a substance is used as a cooling medium and in which there is still a gas / liquid mixture of a substance after heat transfer in the heat exchanger.
Das Ausführen einer Verdampfung ist besonders vorteilhaft, weil hierdurch der erzielbare Wärmeübergangskoeffizient von/zu Prozessgasen auf/von Kühl-/Heizmedium besonders hoch wird und somit eine effiziente Kühlung erreicht werden kann.The carrying out of evaporation is particularly advantageous because in this way the achievable heat transfer coefficient from / to process gases on / from the cooling / heating medium becomes particularly high and thus efficient cooling can be achieved.
Das Ausführen einer Teilverdampfung ist besonders vorteilhaft, weil die Aufnahme / Abgabe von Wärme durch das Kühlmedium hierdurch nicht mehr in einer Temperaturänderung des Kühlmediums resultiert, sondern lediglich das Gas-/Flüssig Gleichgewicht verschoben wird. Das hat zur Folge, dass über die gesamte Wärmeaustauschzone das Prozessgas gegenüber einer konstanten Temperatur gekühlt wird. Dies wiederum verhindert sicher das Auftreten von Temperaturprofilen in der Strömung der Prozessgase, wodurch die Kontrolle über die Reaktionstemperaturen in den Reaktionszonen verbessert wird und insbesondere das Ausbilden von lokalen Überhitzungen durch Temperaturprofile verhindert wird.Performing a partial evaporation is particularly advantageous because the absorption / release of heat by the cooling medium thereby no longer results in a temperature change of the cooling medium, but only the gas / liquid equilibrium is shifted. This has the consequence that over the entire heat exchange zone, the process gas is cooled to a constant temperature. This in turn safely prevents the occurrence of temperature profiles in the flow of Process gases, whereby the control over the reaction temperatures in the reaction zones is improved and in particular the formation of local overheating is prevented by temperature profiles.
In einer alternativen Ausfuhrungsform kann anstelle einer Verdampfung/Teilverdampfung auch eine Mischzone vor dem Eingang einer Reaktionszone vorgesehen werden, um die gegebenenfalls bei der Abkühlung entstehenden Temperaturprofile in der Strömung der Prozessgase durch Vermischung quer zur hauptsächlichen Strömungsrichtung zu vereinheitlichen.In an alternative embodiment, instead of evaporation / partial evaporation, a mixing zone may also be provided upstream of the inlet of a reaction zone in order to standardize the temperature profiles in the flow of the process gases, which may arise during cooling, by mixing transversely to the main flow direction.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die nacheinander geschalteten Reaktionszonen bei von Reaktionszone zu Reaktionszone steigender oder sinkender Durchschnittstemperatur betrieben. Dies bedeutet, dass man innerhalb einerIn a preferred embodiment of the process, the reaction zones connected in series are operated at an average temperature increasing or decreasing from reaction zone to reaction zone. This means being within one
Folge von Reaktionszonen die Temperatur von Reaktionszone zu Reaktionszone sowohl ansteigen als auch absinken lassen kann. Dies kann beispielsweise über die Steuerung der zwischen die Reaktionszone geschalteten Wärmeaustauschzonen eingestellt werden. Weitere Möglichkeiten der Einstellung der Durchschnittstemperatur werden im Folgenden beschrieben.Result of reaction zones, the temperature of reaction zone to reaction zone can both rise and fall. This can be adjusted, for example, via the control of the heat exchange zones connected between the reaction zone. Further options for setting the average temperature are described below.
Die Dicke der durchströmten Reaktionszonen kann gleich oder verschieden gewählt werden und ergibt sich nach dem Fachmann allgemein bekannten Gesetzmäßigkeiten aus der oben beschriebenen Verweilzeit und den jeweils im Verfahren durchgesetzten Prozessgasmengen. Die erfindungsgemäß mit dem Verfahren durchsetzbaren Massenströme an Produktgas (Phthalsäureanhydrid), aus denen sich auch die einzusetzenden Prozessgasmengen ergeben, liegen üblicherweise zwischen 0,01 und 35 t/h, bevorzugt zwischen 0,1 und 20 t/h, besonders bevorzugt zwischen 1 und 15 t/h.The thickness of the flow-through reaction zones can be chosen to be the same or different and results according to laws generally known in the art from the residence time described above and the process gas quantities enforced in the process. The mass flows of product gas (phthalic anhydride) which can be carried out according to the invention by the process, and from which the amounts of process gas to be used, are usually between 0.01 and 35 t / h, preferably between 0.1 and 20 t / h, more preferably between 1 and 15 t / h.
Die maximale Austrittstemperatur des Prozessgases aus den Reaktionszonen liegt üblicherweise in einem Bereich von 400°C bis 520°C, bevorzugt von 4200C bis 510°C, besonders bevorzugt von 4300C bis 5000C. Die Steuerung der Temperatur in denThe maximum outlet temperature of the process gas from the reaction zones is usually in a range from 400 ° C to 520 ° C, preferably from 420 0 C to 510 ° C, more preferably from 430 0 C to 500 0 C. The control of the temperature in the
Reaktionszonen erfolgt bevorzugt durch mindestens eine der folgenden Maßnahmen:Reaction zones are preferably carried out by at least one of the following measures:
Dimensionierung der adiabaten Reaktionszone, Steuerung der Wärmeabfuhr zwischen denDimensioning of the adiabatic reaction zone, control of heat dissipation between the
Reaktionszonen, Zusatz von Gas zwischen den Reaktionszonen, molares Verhältnis der Edukte / Überschuss an verwendetem Sauerstoff, Zusatz von Inertgasen, insbesondereReaction zones, addition of gas between the reaction zones, molar ratio of the starting materials / excess of oxygen used, addition of inert gases, in particular
Stickstoff, Kohlendioxid, vor und/oder zwischen den Reaktionszonen. Die Zusammensetzung der Katalysatoren in den erfindungsgemäßen Reaktionszonen kann gleich oder verschieden sein. In einer bevorzugten Ausführungsform werden in jeder Reaktionszone die gleichen Katalysatoren verwendet. Man kann aber auch vorteilhaft verschiedene Katalysatoren in den einzelnen Reaktionszonen verwenden. So kann insbesondere in der ersten Reaktionszone, wenn die Konzentration der Reaktionsedukte noch hoch ist, ein weniger aktiver Katalysator verwendet werden und in den weiteren Reaktionszonen die Aktivität des Katalysators von Reaktionszone zu Reaktionszone gesteigert werden. Die Steuerung der Katalysatoraktivität kann auch durch Verdünnung mit Inertmaterialien bzw. Trägermaterial erfolgen. Ebenfalls vorteilhaft ist die Verwendung eines Katalysators in der ersten und/oder zweiten Reaktionszone, der besonders stabil gegen eine Desaktivierung bei den Temperaturen des Verfahrens in diesen Reaktionszonen ist.Nitrogen, carbon dioxide, before and / or between the reaction zones. The composition of the catalysts in the reaction zones according to the invention may be identical or different. In a preferred embodiment, the same catalysts are used in each reaction zone. However, it is also advantageous to use different catalysts in the individual reaction zones. Thus, especially in the first reaction zone, when the concentration of the reaction educts is still high, a less active catalyst can be used and in the further reaction zones the activity of the catalyst can be increased from reaction zone to reaction zone. The control of the catalyst activity can also be carried out by dilution with inert materials or carrier material. Also advantageous is the use of a catalyst in the first and / or second reaction zone, which is particularly stable against deactivation at the temperatures of the process in these reaction zones.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können pro 1 kg Katalysator 0,01 kg/h bis 1 kg/h, bevorzugt 0,02 kg/h bis 0,75 kg/h, besonders bevorzugt 0,03 kg/h bis 0,4 kg/h Phthalsäureanhydrid hergestellt werden.0.01 kg / h to 1 kg / h, preferably 0.02 kg / h to 0.75 kg / h, more preferably 0.03 kg / h to 0.4 kg / h per 1 kg of catalyst with the inventive method phthalic anhydride.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich somit durch hohe Raumzeitausbeuten aus, verbunden mit einer Verringerung der Apparategrößen sowie einer Vereinfachung der Apparaturen bzw. Reaktoren. Diese überraschend hohe Raum-Zeit-Ausbeute wird durch das Zusammenspiel der erfindungsgemäßen und bevorzugten Ausführungsformen des neuen Verfahrens ermöglicht. Insbesondere das Zusammenspiel von gestaffelten, adiabaten Reaktionszonen mit dazwischen befindlichen Wärmeaustauschzonen und den definierten Verweilzeiten ermöglicht eine genaue Steuerung des Verfahrens und die daraus resultierenden hohen Raum-Zeit- Ausbeuten, sowie eine Verringerung der gebildeten Nebenprodukte, wie etwa Maleinsäureanhydrid und CO2.The inventive method is thus characterized by high space-time yields, combined with a reduction of the apparatus sizes and a simplification of the apparatus or reactors. This surprisingly high space-time yield is made possible by the interaction of the inventive and preferred embodiments of the new method. In particular, the interaction of staggered, adiabatic reaction zones with interposed heat exchange zones and the defined residence times allows precise control of the process and the resulting high space-time yields, as well as a reduction in the by-products formed, such as maleic anhydride and CO 2 .
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Reaktorsystem zur Umsetzung von O-Xylol und Sauerstoff zu Phthalsäureanhydrid, dadurch gekennzeichnet, dass es Zuleitungen (Z) für ein Prozessgas umfassend O-Xylol und Sauerstoff oder für mindestens zwei Prozessgase, von denen mindestens eines O-Xylol und mindestens eines Sauerstoff umfasst und 5 bis 60 hintereinander geschaltete Reaktionszonen (R) in Form von Festbetten eines heterogenen Katalysators umfasst, wobei sich zwischen den Reaktionszonen Wärmeisolationszonen (I) in Form von Isolationsmaterial und zwischen diesen Wärmeaustauschzonen (W) in Form von Plattenwärmetauschern befinden, die mit den Reaktionszonen über Zu- und Ableitungen für die Prozessgase verbunden sind und die Zu- und Ableitungen für ein Kühlmedium umfassen.Another object of the invention is a reactor system for the reaction of O-xylene and oxygen to phthalic anhydride, characterized in that there are leads (Z) for a process gas comprising O-xylene and oxygen or for at least two process gases, of which at least one O-xylene and comprising at least one oxygen and comprises 5 to 60 successive reaction zones (R) in the form of fixed beds of a heterogeneous catalyst, wherein between the reaction zones heat insulation zones (I) in the form of insulating material and between these heat exchange zones (W) are in the form of plate heat exchangers with the reaction zones on and Derivatives for the process gases are connected and include the supply and discharge lines for a cooling medium.
Das Reaktorsystem kann auch 6 bis 30, bevorzugt 7 bis 20 Reaktionszonen in Form von Festbetten umfassen.The reactor system may also comprise 6 to 30, preferably 7 to 20 reaction zones in the form of fixed beds.
Das Isolationsmaterial der Wärmeisolationszonen ist bevorzugt ein Material mit einemThe insulating material of the heat insulating zones is preferably a material having a
WW
Wärmeleitkoeffizient λ kleiner oder gleich 0,08 . Besonders bevorzugt sind etwa m - KWärmeleitkoeffizient λ less than or equal to 0.08. Particularly preferred are about m - K
Polystyrol, Polyurethane, Glaswolle oder Luft.Polystyrene, polyurethanes, glass wool or air.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der Abbildungen erläutert, ohne sie jedoch hierauf zu beschränken.The present invention will be elucidated with reference to the drawings without, however, being limited thereto.
FIG 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktorsystems, wobei in der Abbildungen die folgenden Bezugszeichen verwendet werden:1 shows a schematic representation of an embodiment of the reactor system according to the invention, the following reference numerals being used in the figures:
Z: Zuleitung(en)Z: supply line (s)
R: Reaktionszone(n) I: Wärmeisolationszone(n)R: reaction zone (s) I: heat insulation zone (s)
W: Wärmeaustauschzone(n)W: heat exchange zone (s)
FIG 2 zeigt Reaktortemperatur (T), O-Xylol-Umsatz (U) und Phthalsäureanhydrid- Selektivität (Y) über einer Anzahl von 8 Reaktionszonen (S) mit nachgeschalteten Wärmeaustauschzonen (gemäß Beispiel 1).2 shows reactor temperature (T), O-xylene conversion (U) and phthalic anhydride selectivity (Y) over a number of 8 reaction zones (S) with downstream heat exchange zones (according to Example 1).
FIG 3 zeigt Reaktortemperatur (T), O-Xylol-Umsatz (U) und Phthalsäureanhydrid- Selektivität (Y) über einer Anzahl von 12 Reaktionszonen (S) mit nachgeschalteten Wärmeaustauschzonen (gemäß Beispiel 2).3 shows reactor temperature (T), O-xylene conversion (U) and phthalic anhydride selectivity (Y) over a number of 12 reaction zones (S) with downstream heat exchange zones (according to Example 2).
FIG 4 zeigt Reaktortemperatur (T), O-Xylol-Umsatz (U) und Phthalsäureanhydrid- Selektivität (Y) über einer Anzahl von 18 Reaktionszonen (S) mit nachgeschalteten Wärmeaustauschzonen (gemäß Beispiel 3).4 shows reactor temperature (T), O-xylene conversion (U) and phthalic anhydride selectivity (Y) over a number of 18 reaction zones (S) with downstream heat exchange zones (according to Example 3).
Die vorliegende Erfindung wird weiterhin anhand der nachfolgenden Beispiele 1 bis 3 näher erläutert, ohne sie hierauf zu beschränken. BeispieleThe present invention will be further illustrated by the following Examples 1 to 3, without being limited thereto. Examples
Beispiel 1:Example 1:
In diesem Beispiel strömt das Prozessgas über insgesamt 8 Katalysatorfestbetten aus Titandioxid beschichtet mit Vanadiumpentoxid, also durch 8 Reaktionszonen. Jeweils nach einer Reaktionszone befindet sich eine Wärmeaustauschzone, in der das Prozessgas gekühlt wurde, bevor es in die nächste Reaktionszone eintritt. Das eingangs der ersten Reaktionszone verwendete Prozessgas enthält 0,94 mol-% O-Xylol, 20,79 mol-% Sauerstoff, und 78,27 mol-% Inertgase (Stickstoff, CO2, Argon). Mit dem Anteil von 0,94 mol-% O-Xylol, liegt der Anteil unter der Grenze zur Erhaltung eines potentiell zündfähigen Gemisches (1 mol-% mit Luft), so dass auf die Überschreitung einer potentiellen Zündtemperatur nicht geachtet werden muss. Der absolute Eingangsdruck des Prozessgases direkt vor der ersten Reaktionszone beträgt 1,5 bar. Die Länge der Katalysatorfestbetten, also der Reaktionszonen, beträgt stets 0,1 m, bis auf die letzte Reaktionszone, deren Länge 0,14 m beträgt. Die Aktivität des verwendeten Katalysators ist über die Reaktionszonen nicht veränderlich. Es erfolgt keine Zudosierung von Gas vor den einzelnen Reaktionszonen. Die Verweilzeit in der Anlage insgesamt beträgt 0,2 Sekunden.In this example, the process gas flows over a total of 8 fixed catalyst beds of titanium dioxide coated with vanadium pentoxide, ie through 8 reaction zones. Each after a reaction zone is a heat exchange zone in which the process gas was cooled before it enters the next reaction zone. The process gas used at the beginning of the first reaction zone contains 0.94 mol% of O-xylene, 20.79 mol% of oxygen, and 78.27 mol% of inert gases (nitrogen, CO 2 , argon). With a share of 0.94 mol% of O-xylene, the proportion is below the limit for the preservation of a potentially ignitable mixture (1 mol% with air), so that it is not necessary to pay attention to the exceeding of a potential ignition temperature. The absolute inlet pressure of the process gas directly in front of the first reaction zone is 1.5 bar. The length of the fixed catalyst beds, ie the reaction zones, is always 0.1 m, except for the last reaction zone whose length is 0.14 m. The activity of the catalyst used is not variable across the reaction zones. There is no metered addition of gas before the individual reaction zones. The total residence time in the system is 0.2 seconds.
Die Ergebnisse sind in Fig.2 gezeigt. Hierbei sind auf der x-Achse die einzelnen Reaktionszonen aufgeführt, so dass ein räumlicher Verlauf der Entwicklungen im Verfahren sichtbar wird. Auf der linken y- Achse ist die Temperatur des Prozessgases angegeben. Der Temperaturverlauf über die einzelnen Reaktionszonen hinweg ist als dicke, durchgezogene Linie dargestellt. Auf der rechten y-Achse ist der Gesamtumsatz an O-Xylol, sowie die Selektivität von Phthalsäureanhydrid angegeben. Der Verlauf des Umsatzes über die einzelnen Reaktionszonen hinweg ist als dicke gestrichelte Linie dargestellt. Der Verlauf der Selektivität, als dünne durchgezogene Linie.The results are shown in FIG. Here, the individual reaction zones are listed on the x-axis, so that a spatial course of developments in the process is visible. The temperature of the process gas is indicated on the left y-axis. The temperature profile across the individual reaction zones is shown as a thick, solid line. On the right y-axis the total conversion of O-xylene, and the selectivity of phthalic anhydride is given. The course of the conversion over the individual reaction zones is shown as a thick dashed line. The course of selectivity, as a thin solid line.
Man erkennt, dass die Eingangstemperatur des Prozessgases vor der ersten Reaktionszone etwa 420°C beträgt. Durch die exotherme Reaktion zu Phthalsäureanhydrid unter adiabaten Bedingungen steigt die Temperatur in der ersten Reaktionszone auf etwa 490°C, bevor das Prozessgas in der nachgeschalteten Wärmeaustauschzone wieder abgekühlt wird. Die Eingangstemperatur vor der nächsten Reaktionszone beträgt wieder etwa 4200C. Durch exotherme adiabate Reaktion steigt sie wieder auf etwa 49O0C. Die Abfolge aus Erwärmung und Kühlung setzt sich weiter fort. Die Eingangstemperaturen des Prozessgases vor den einzelnen Reaktionszonen ändert sich im Verfahrensverlauf auf einen Wert von etwa 480°C.It can be seen that the inlet temperature of the process gas before the first reaction zone is about 420 ° C. Due to the exothermic reaction to phthalic anhydride under adiabatic conditions, the temperature in the first reaction zone rises to about 490 ° C, before the process gas is cooled in the downstream heat exchange zone again. The inlet temperature before the next reaction zone is again about 420 0 C. By exothermic adiabatic reaction, it rises again to about 49O 0 C. The sequence of heating and cooling continues. The inlet temperatures of the Process gas upstream of the individual reaction zones changes in the course of the process to a value of about 480 ° C.
Es wird ein Umsatz an O-Xylol von 99 mol-% erhalten. Die Selektivität wird zu 85,4 mol- % erhalten. Die erzielte Raum-Zeit-Ausbeute bezogen auf die eingesetzte Masse Katalysator beträgt 0,19 kgphΛaisäureanhydrid/kgκath.There is obtained a conversion of O-xylene of 99 mol%. The selectivity is obtained at 85.4 mol%. The space-time yield obtained based on the mass of catalyst used is 0.19 kgp hΛa i säureanhyd ri d / kgκ at h.
Beispiel 2:Example 2:
In diesem Beispiel strömt das Prozessgas durch insgesamt 12 Reaktionszonen, also über 12 Katalysatorfestbetten aus Titandioxid beschichtet mit Vanadiumpentoxid. Jeweils nach einer Reaktionszone befindet sich eine Wärmeaustauschzone, in der das Prozessgas gekühlt wird und in der eine weitere Zudosierung von O-Xylol vor Reaktionszonen gemäß Tabelle 1 vorgenommen wird. Diese Zudosierung wird so geregelt, dass die zündkritische Grenze von 1 mol-% O-Xylol nicht erreicht wird, so dass auf die Überschreitung einer potentiellen Zündtemperatur nicht geachtet werden muss. Eine genaue Angabe der Anteile an O-Xylol bezogen auf die gesamt dem Verfahren zugeführte Menge gibt Tabelle 1. Tabelle 1 : Aufteilung der Zudosierung von O-Xylol gemäß Beispiel 2In this example, the process gas flows through a total of 12 reaction zones, so over 12 fixed catalyst beds of titanium dioxide coated with vanadium pentoxide. Each after a reaction zone is a heat exchange zone in which the process gas is cooled and in which a further addition of O-xylene before reaction zones according to Table 1 is carried out. This metered addition is controlled in such a way that the ignition-critical limit of 1 mol% of O-xylene is not reached, so that care must be taken not to exceed a potential ignition temperature. A precise statement of the proportions of O-xylene based on the total amount supplied to the process is given in Table 1. TABLE 1 Allocation of the addition of O-xylene in accordance with Example 2
Das eingangs verwendete Prozessgas, wie auch der Eingangsdruck vor der ersten Reaktionszone, ist identisch zu jenem aus Beispiel 1. Bei den Zudosierungen werden Stoffströme reinen, gasförmigen O-Xylols verwendet, um die verbrauchte Menge mindestens teilweise zu ersetzen. Die Volumen und Stoffströme der Zudosierungen ergeben sich somit aus dem Anteil gemäß Tabelle 1, sowie Volumenstrom des Feed und Konzentration von O-Xylol im Feed. Die Länge der Katalysatorfestbetten, also der Reaktionszonen, beträgt stets 0,1 m, bis auf die letzte Reaktionszone, deren Länge 0,18 m beträgt. Die Aktivität der Katalysatoren ist über die Reaktionszonen nicht veränderlich. Damit erreicht man nach den ersten 6 Reaktionszonen ein Oszillieren in einem Temperaturfenster zwischen 415°C und 490°C. Die Verweilzeit in der Anlage beträgt insgesamt 0,3 Sekunden.The process gas used at the outset, as well as the inlet pressure before the first reaction zone, is identical to that of Example 1. In the metered additions, streams of pure gaseous O-xylene are used to at least partially replace the amount consumed. The volume and mass flows of the metered additions thus result from the proportion according to Table 1, as well as the volume flow of the feed and the concentration of O-xylene in the feed. The length of the fixed catalyst beds, so the Reaction zones, is always 0.1 m, except for the last reaction zone whose length is 0.18 m. The activity of the catalysts is not variable across the reaction zones. This is achieved after the first 6 reaction zones oscillating in a temperature window between 415 ° C and 490 ° C. The residence time in the system is 0.3 seconds in total.
Die Ergebnisse sind in Fig.3 gezeigt. Hierbei sind auf der x- Achse die einzelnen Reaktionszonen aufgeführt, so dass ein räumlicher Verlauf der Entwicklungen im Verfahren sichtbar wird. Auf der linken y- Achse ist die Temperatur des Prozessgases angegeben. Der Temperaturverlauf über die einzelnen Reaktionszonen hinweg ist als dicke, durchgezogene Linie dargestellt. Auf der rechten y- Achse ist der Gesamtumsatz an O-Xylol, sowie die Selektivität von Phthalsäureanhydrid angegeben. Der Verlauf des Umsatzes über die einzelnen Reaktionszonen hinweg ist als dicke gestrichelte Linie dargestellt. Der Verlauf der Selektivität, als dünne durchgezogene Linie.The results are shown in FIG. Here, the individual reaction zones are listed on the x-axis, so that a spatial course of developments in the process is visible. The temperature of the process gas is indicated on the left y-axis. The temperature profile across the individual reaction zones is shown as a thick, solid line. On the right y-axis the total conversion of O-xylene, and the selectivity of phthalic anhydride is given. The course of the conversion over the individual reaction zones is shown as a thick dashed line. The course of selectivity, as a thin solid line.
Man erkennt, dass die Eingangstemperatur des Prozessgases vor der ersten Reaktionszone etwa 420°C beträgt. Durch die exotherme Reaktion zu Phthalsäureanhydrid unter adiabaten Bedingungen steigt die Temperatur in der ersten Reaktionszone auf etwa 490°C, bevor das Prozessgas in der nachgeschalteten Wärmeaustauschzone wieder abgekühlt wird. Das Abkühlen wird hier auch durch das bei niedrigerer Temperatur zudosierte O-Xylol erreicht. Die Eingangstemperatur vor der nächsten Reaktionszone beträgt etwa 4150C. Durch exotherme adiabate Reaktion steigt sie wieder auf etwa 490°C. Die Abfolge aus Erwärmung und Kühlung setzt sich weiter fort. Die Eingangstemperaturen des Prozessgases vor den einzelnen Reaktionszonen ändert sich signifikant ab der 7ten Reaktionszone. Hier wird ein weiteres Erwärmen auf bis zu etwa 46O0C vor der letzten Reaktionszone zugelassen.It can be seen that the inlet temperature of the process gas before the first reaction zone is about 420 ° C. Due to the exothermic reaction to phthalic anhydride under adiabatic conditions, the temperature in the first reaction zone rises to about 490 ° C, before the process gas is cooled in the downstream heat exchange zone again. The cooling is also achieved here by the added at a lower temperature O-xylene. The inlet temperature before the next reaction zone is about 415 0 C. By exothermic adiabatic reaction, it rises again to about 490 ° C. The sequence of heating and cooling continues. The inlet temperature of the process gas upstream of the individual reaction zones changes significantly from the 7th reaction zone. Here, further heating up to about 46O 0 C is allowed before the last reaction zone.
Es wird ein Umsatz von 99 mol-% des eingesetzten O-Xylols, errechnet aus der verbleibenden Masse ausgangs der letzten Reaktionszone, erhalten. Die Selektivität beträgt bezüglich Phthalsäureanhydrid etwa 84,7 mol-%. Die erzielte Raum-Zeit-Ausbeute bezogen auf die eingesetzte Masse Katalysator beträgt 0,25 kgphthaisäureanhydπd/kgKath. Beispiel 3:There is obtained a conversion of 99 mol% of the O-xylene used, calculated from the remaining mass output of the last reaction zone. The selectivity is about 84.7 mol% with respect to phthalic anhydride. The space-time yield obtained based on the mass of catalyst used is 0.25 kgphth a i acid a nhydπd / kg cat h. Example 3:
In diesem Beispiel strömt das Prozessgas über insgesamt 18 Katalysatorfestbetten in Form von Monolithen mit Kanaldurchmessern der Monolithe von 1 mm, die mit einem Katalysator umfassend Vanadiumpentoxid auf einem Träger aus Titandioxid beschichtet sind, also durch 18 Reaktionszonen. Jeweils nach einer Reaktionszone befindet sich eine Wärmeaustauschzone, in der das Prozessgas gekühlt wurde, bevor es in die nächste Reaktionszone eintritt. Das eingangs der ersten Reaktionszone verwendete Prozessgas enthält 2 mol-% O-Xylol, 20,56 mol-% Sauerstoff und 77,44 mol-% Inertgase (Stickstoff, CO2, Argon). Mit dem Anteil von 2 mol-% O-Xylol, liegt der Anteil über der Grenze zur Erhaltung eines potentiell zündfähigen Gemisches (1 mol-% mit Luft), so dass auf die Überschreitung einer potentiellen Zündtemperatur (450°C) geachtet werden muss. Nach der siebten Reaktionszone ist bereits genug O-Xylol abgebaut worden, so dass in den weiteren Reaktionszonen auch höhere Temperaturen erlaubt werden. Der absolute Eingangsdruck des Prozessgases direkt vor der ersten Reaktionszone beträgt 1,5 bar. Die Länge der Katalysatorfestbetten, also der Reaktionszonen, beträgt stets 0,5 m, bis auf die letzte Reaktionszone mit einer Länge von 0,74 m. Die Aktivität des verwendeten Katalysators ist über die Reaktionszonen nicht veränderlich. Es erfolgt keine Zudosierung von Gas vor den einzelnen Reaktionszonen. Die Verweilzeit in der Anlage insgesamt beträgt 1 ,6 Sekunden.In this example, the process gas flows over a total of 18 fixed catalyst beds in the form of monoliths with channel diameters of monoliths of 1 mm, which are coated with a catalyst comprising vanadium pentoxide on a support of titanium dioxide, ie by 18 reaction zones. Each after a reaction zone is a heat exchange zone in which the process gas was cooled before it enters the next reaction zone. The process gas used at the beginning of the first reaction zone contains 2 mol% of O-xylene, 20.56 mol% of oxygen and 77.44 mol% of inert gases (nitrogen, CO 2 , argon). With a content of 2 mol% O-xylene, the proportion is above the limit for the preservation of a potentially ignitable mixture (1 mol% with air), so that attention must be paid to exceeding a potential ignition temperature (450 ° C). After the seventh reaction zone enough O-xylene has already been degraded, so that higher temperatures are allowed in the other reaction zones. The absolute inlet pressure of the process gas directly in front of the first reaction zone is 1.5 bar. The length of the fixed catalyst beds, ie the reaction zones, is always 0.5 m, except for the last reaction zone with a length of 0.74 m. The activity of the catalyst used is not variable across the reaction zones. There is no metered addition of gas before the individual reaction zones. The total residence time in the system is 1, 6 seconds.
Die Ergebnisse sind in Fig.4 gezeigt. Hierbei sind auf der x-Achse die einzelnen Reaktionszonen aufgeführt, so dass ein räumlicher Verlauf der Entwicklungen im Verfahren sichtbar wird. Auf der linken y- Achse ist die Temperatur des Prozessgases angegeben. Der Temperaturverlauf über die einzelnen Reaktionszonen hinweg ist als dicke, durchgezogene Linie dargestellt. Auf der rechten y-Achse ist der Gesamtumsatz an O-Xylol, sowie die Selektivität von Phthalsäureanhydrid angegeben. Der Verlauf des Umsatzes über die einzelnen Reaktionszonen hinweg ist als dicke gestrichelte Linie dargestellt. Der Verlauf der Selektivität, als dünne durchgezogene Linie.The results are shown in FIG. Here, the individual reaction zones are listed on the x-axis, so that a spatial course of developments in the process is visible. The temperature of the process gas is indicated on the left y-axis. The temperature profile across the individual reaction zones is shown as a thick, solid line. On the right y-axis the total conversion of O-xylene, and the selectivity of phthalic anhydride is given. The course of the conversion over the individual reaction zones is shown as a thick dashed line. The course of selectivity, as a thin solid line.
Man erkennt, dass die Eingangstemperatur des Prozessgases vor der ersten Reaktionszone etwa 400°C beträgt. Durch die exotherme Reaktion zu Phthalsäureanhydrid unter adiabaten Bedingungen steigt die Temperatur in der ersten Reaktionszone auf etwa 440°C, bevor das Prozessgas in der nachgeschalteten Wärmeaustauschzone wieder abgekühlt wird. Die Eingangstemperatur vor der nächsten Reaktionszone beträgt etwa 394°C. Durch exotherme adiabate Reaktion steigt sie wieder auf etwa 440°C. Die Abfolge aus Erwärmung und Kühlung setzt sich weiter fort bis zum Ausgang der sechsten Reaktionszone. In der hiernach folgenden Wärmeaustauschzone wird weniger gekühlt, so dass die Eintrittstemperatur der siebten Reaktionszone etwa 435°C beträgt. Durch exotherme adiabate Reaktion steigt diese auf etwa 4900C. Die Abfolge aus Erwärmung und Kühlung setzt sich weiter fort, wobei ein langsamer Anstieg der Eingangstemperaturen auf bis zu 475°C eingangs der letzten Reaktionszone toleriert wird.It can be seen that the inlet temperature of the process gas before the first reaction zone is about 400 ° C. Due to the exothermic reaction to phthalic anhydride under adiabatic conditions, the temperature in the first reaction zone rises to about 440 ° C, before the process gas is cooled in the downstream heat exchange zone again. The inlet temperature before the next reaction zone is about 394 ° C. By exothermic adiabatic reaction increases again to about 440 ° C. The sequence of heating and cooling continues until the exit of the sixth reaction zone. In the following heat exchange zone, less cooling takes place so that the inlet temperature of the seventh reaction zone is about 435 ° C. By exothermic adiabatic reaction, this rises to about 490 0 C. The sequence of heating and cooling continues, with a slow rise in the inlet temperatures is up to 475 ° C at the beginning of the last reaction zone is tolerated.
Es wird ein Umsatz an O-Xylol von 99 mol-% erhalten. Die Selektivität wird zu 84,4 mol- % erhalten. Die erzielte Raum-Zeit-Ausbeute bezogen auf die eingesetzte Masse Katalysator beträgt 0,034 kgphthaisäureanhydrid/kgκath. There is obtained a conversion of O-xylene of 99 mol%. The selectivity is obtained at 84.4 mol%. The space-time yield achieved based on the mass of catalyst used is 0.034 kgp ht haisäu rean hy d rid / kgκath.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Herstellung von Phthalsäureanhydrid aus O-Xylol und Sauerstoff in Gegenwart heterogener Katalysatoren, dadurch gekennzeichnet, dass es 5 bis 60 hintereinander geschaltete Reaktionszonen mit adiabaten Bedingungen umfasst.1. A process for the preparation of phthalic anhydride from O-xylene and oxygen in the presence of heterogeneous catalysts, characterized in that it comprises 5 to 60 successive reaction zones with adiabatic conditions.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umsatz in 6 bis 30, bevorzugt 7 bis 20 hintereinander geschalteten Reaktionszonen geschieht.2. The method according to claim 1, characterized in that the conversion takes place in 6 to 30, preferably 7 to 20 successive reaction zones.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangstemperatur des in die erste Reaktionszone eintretenden Prozessgases 10 bis 490°C, bevorzugt von 150 bis 480°C, besonders bevorzugt von 300 bis 470°C beträgt.3. The method according to claim 1 or claim 2, characterized in that the inlet temperature of the entering into the first reaction zone process gas 10 to 490 ° C, preferably from 150 to 480 ° C, more preferably from 300 to 470 ° C.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der absolute Druck am Eingang der ersten Reaktionszone zwischen 1 und 10 bar, bevorzugt zwischen 1,1 und 3 bar, besonders bevorzugt zwischen 1,2 und 1,5 bar beträgt.4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the absolute pressure at the entrance of the first reaction zone is between 1 and 10 bar, preferably between 1.1 and 3 bar, more preferably between 1.2 and 1.5 bar.
5. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweilzeit des Prozessgases in allen Reaktionszone zwischen 0,05 und 25 s, bevorzugt zwischen 0,1 und 10 s, besonders bevorzugt zwischen 0,15 und 3 s beträgt.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the residence time of the process gas in all reaction zone between 0.05 and 25 s, preferably between 0.1 and 10 s, more preferably between 0.15 and 3 s.
6. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoren gemischte Oxide von Vanadium, sowie Oxide und/oder Salze der Elemente ausgewählt aus der Liste der Elemente enthaltend Nb, Sb, P, K, Na, Cs,6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the catalysts mixed oxides of vanadium, and oxides and / or salts of the elements selected from the list of elements containing Nb, Sb, P, K, Na, Cs,
Rb und Mo umfassen.Rb and Mo include.
7. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoren in Festbettanordnung vorliegen.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the catalysts are present in a fixed bed arrangement.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoren als Monolithen vorliegen.8. The method according to claim 7, characterized in that the catalysts are present as monoliths.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Monolith Kanäle mit einem Durchmesser von 0,1 bis 3 mm, bevorzugt von 0,2 bis 2 mm, besonders bevorzugt von 0,5 bis 1 ,5 mm umfasst. 9. The method according to claim 8, characterized in that the monolith channels having a diameter of 0.1 to 3 mm, preferably from 0.2 to 2 mm, particularly preferably from 0.5 to 1, 5 mm.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoren in Fließbettanordnung vorliegen.10. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the catalysts are in fluidized bed arrangement.
11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoren in Schüttungen von Partikeln mit mittleren Partikelgrößen von 1 bis 10 mm, bevorzugt 2 bis 8 mm, besonders bevorzugt von 4 bis 7 mm vorliegen.11. The method according to claims 1 to 7 or 10, characterized in that the catalysts are present in beds of particles having average particle sizes of 1 to 10 mm, preferably 2 to 8 mm, particularly preferably from 4 to 7 mm.
12. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich nach mindestens einer Reaktionszone wenigstens eine Wärmeaustauschzone befindet, durch die das Prozessgas geleitet wird.12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that after at least one reaction zone is at least one heat exchange zone through which the process gas is passed.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich nach jeder Reaktionszone wenigstens eine, bevorzugt eine Wärmeaustauschzone befindet, durch die das Prozessgas geleitet wird.13. The method according to claim 12, characterized in that after each reaction zone at least one, preferably a heat exchange zone is located, through which the process gas is passed.
14. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen einer Reaktionszone und einer Wärmeaustauschzone mindestens eine Wärmeisolationszone befindet.14. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that there is at least one heat insulation zone between a reaction zone and a heat exchange zone.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich um jede15. The method according to claim 14, characterized in that around each
Reaktionszone eine Wärmeisolationszone befindet.Reaction zone is a heat insulation zone.
16. Reaktorsystem zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es Zuleitungen (Z) für ein Prozessgas umfassend O-Xylol und Sauerstoff oder für mindestens zwei Prozessgase, von denen mindestens eines O-Xylol und mindestens eines Sauerstoff umfasst und 5 bis16. Reactor system for carrying out a method according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises feed lines (Z) for a process gas comprising O-xylene and oxygen or for at least two process gases, of which at least one O-xylene and at least one oxygen and 5 to
60 hintereinander geschaltete Reaktionszonen (R) in Form von Festbetten eines heterogenen Katalysators umfasst, wobei sich zwischen den Reaktionszonen Wärmeisolationszonen (I) in Form von Isolationsmaterial und zwischen diesen Wärmeaustauschzonen (W) in Form von Plattenwärmetauschern befinden, die mit den Reaktionszonen über Zu- und Ableitungen für die Prozessgase verbunden sind und die Zu- und Ableitungen für ein Kühlmedium umfassen. Comprises 60 successive reaction zones (R) in the form of fixed beds of a heterogeneous catalyst, wherein between the reaction zones heat insulation zones (I) in the form of insulating material and between these heat exchange zones (W) are in the form of plate heat exchangers with the reaction zones on and Derivatives for the process gases are connected and include the supply and discharge lines for a cooling medium.
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