ITMI990798A1 - Procedimento per la produzione e purificazione di acidi aromatici - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE dell’invenzione industriale
La presente invenzione riguarda un nuovo procedimento per la produzione e successiva purificazione di acidi aromatici mono e policarbossilici mediante ossidazione catalitica in fase omogenea di composti aromatici recanti almeno un gruppo sostituente ossidabile direttamente attaccato all’atomo di carbonio del corrispondente nucleo aromatico.
CAMPO DELL’INVENZIONE
I procedimenti per la produzione di acidi aromatici mono e policarbossilici sono ben noti in letteratura. Essi vengono effettuati normalmente in fase liquida, operando sia in continuo che in discontinuo, ed utilizzando come substrati composti aromatici recanti almeno un gruppo sostituente ossidabile direttamente attaccato all’atomo di carbonio del corrispondente nucleo aromatico, dove il termine gruppo sostituente ossidabile sta ad indicare qualsiasi sostituente in cui un atomo di carbonio è direttamente legato al nucleo aromatico e che, in seguito ad ossidazione, viene trasformato nel gruppo carbossile.
L’agente ossidante è generalmente ossigeno molecolare gassoso, preferibilmente diluito con un gas inerte; per ovvi motivi di praticità, l’aria (eventualmente arricchita con ossigeno molecolare) è la miscela gassosa più comunemente utilizzata a questo scopo. La reazione di ossidazione viene normalmente condotta utilizzando quale solvente un acido organico acquoso, preferibilmente acido acetico, normalmente con un contenuto in acqua del 2÷15%.
Tali reazioni vengono condotte in presenza di un complesso catalitico generalmente composto da uno o più metalli, normalmente in forma di sali solubili nel solvente di reazione, e da un opportuno attivatore. Il metallo svolge la funzione di catalizzare la reazione di ossidazione vera e propria mentre l’attivatore serve a riportare il metallo (che durante la catalisi subisce una riduzione del proprio numero di ossidazione) alla sua valenza originaria, consentendogli così di riacquisire ed esercitare la propria attività catalitica. L’attivatore può essere esso stesso un metallo, nel qual caso sarà anch’esso preferibilmente presente sotto forma di un sale solubile nell’ambiente di reazione; alternativamente possono essere utilizzati composti organici aventi funzioni carboniliche, come chetoni od aldeidi alifatiche, preferibilmente acetaldeide, oppure bromo molecolare.
Il brevetto inglese GB- 1063964 descrive un procedimento per la produzione di acidi aromatici mono e policarbossilici a temperature preferibilmente di 80÷I30° C e pressioni di 1÷60 kg/cm <2 >mediante un complesso catalitico sostanzialmente a base di zirconio e cobalto.
Nel brevetto statunitense US-5, 112,592 viene descritta la produzione di acidi aromatici a temperature di 100÷275° C, mediante l'impiego di metalli dei gruppi IIIA e IVA della tavola periodica degli elementi (gruppi ΙΠΒ e IVB secondo la nuova notazione adottata per esempio dal Perry, Chemical Engineers ' Hanbook, VI edizione, 1984), in particolare zirconio e afnio, per incrementare la cinetica delle reazioni di ossidazione in cui vengono impiegati complessi catalitici a base di cobalto e manganese in presenza di bromo come attivatore.
La domanda di brevetto intemazionale WO 98/29378 descrive un complesso catalitico comprendente:
1. almeno un metallo avente valenza superiore a 2 appartenente al gruppo VIIIA della tavola periodica degli elementi, preferibilmente rutenio, iridio, palladio, platino; e/o almeno un metallo del gruppo VIIA, preferibilmente renio; e/o cerio; e
2. almeno un metallo del gruppo IVA della tavola periodica degli elementi, preferibilmente zirconio e/o afnio;
dove la coppia catalitica cerio-zirconio costituisce il complesso preferito per l’attuazione dell’invenzione.
N.B. i gruppi VIIIA, VIIA e IVA sopraindicati corrispondono rispettivamente ai gruppi Vili, VIIB e IVB sempre secondo la nuova notazione adottata nel Perry, Chemical Engineers ‘ Hanbook, VI edizione. Il complesso catalitico descritto in WO 98/29378 viene utilizzato per la produzione di acidi aromatici mono e policarbossilici, preferibilmente metae para-xilene, operando a temperature di 90÷150° C, preferibilmente 105÷115° C, e a pressioni di 1÷20 bar, preferibilmente 2÷5 bar.
Gli acidi aromatici mono e policarbossilici hanno una solubilità molto bassa nei solventi comunemente utilizzati nelle reazioni di ossidazione del tipo sopra descritto; per questa ragione essi possono essere facilmente isolati dal mezzo di reazione per semplice filtrazione.
Una volta separato per filtrazione, l’acido grezzo così ottenuto deve essere normalmente purificato dagli eventuali sottoprodotti della reazione di ossidazione, generalmente aldeidi aromatiche, formatisi per ossidazione parziale dei derivati aromatici di partenza e, come tali, difficilmente separabili dai prodotti finali desiderati; l’acido tereftalico grezzo, per esempio, abitualmente ottenuto per ossidazione del para-metilacetofenone o del paraxilene, contiene normalmente una quantità non trascurabile di paracarbossibenzaldeide che, in quanto relativamente simile all’acido tereftalico da un punto di vista chimico-fisico, non può essere completamente separata da quest’ultimo per semplice cristallizzazione.
La purificazione degli acidi aromatici mono e policarbossilici viene quindi normalmente effettuata sottoponendo il prodotto grezzo in soluzione acquosa (generalmente al 20%) ad una reazione di idrogenazione con idrogeno gassoso in presenza di opportuni catalizzatori, così da convertire le impurezze in derivati più facilmente separabili dal prodotto finale desiderato, normalmente tramite cristallizzazione; tale reazione viene normalmente effettuata a temperature piuttosto elevate (270°C per quanto riguarda la purificazione dell’acido tereftalico, circa 220°C per quella dell’acido isoftalico).
I catalizzatori di idrogenazione, che devono essere in grado di idrogenare selettivamente le impurezze mantenendo inalterato l’acido aromatico, sono ben noti nell’arte; generalmente si tratta di metalli appartenenti al gruppo Vili (Perry, Chemical Engineers ' Hanbook, VI edizione), preferibilmente platino, rodio o palladio, normalmente supportati su materiali inerti quali su carbone o allumina; catalizzatori di questo tipo sono descritti nei brevetti statunitensi US-3,522,298; US-3,542,863; US-3,584,039; US-3,591,629; 3,607,921; US-3, 726, 915; US-3,799,976; US-4,260,817.
Nel brevetto statunitense US-4,126,638 viene in particolare descritto un procedimento per la purificazione di acidi aromatici bicarbossilici per mezzo di catalizzatori eterogenei a base di platino, palladio, rutenio, rodio, iridio e/o osmio, operando in soluzione acquosa contenente dall’l al 7% in peso di alcool ad una temperatura di 110÷350° C.
Nel brevetto statunitense US-4,629,715 viene invece descritto un procedimento per la purificazione di acido tereftalico grezzo in soluzione acquosa per mezzo di un catalizzatore eterogeneo a base di palladio e di rodio, operando a temperature di 100÷350° C e a pressioni di 63÷84 bar.
DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE Quando nella reazione di ossidazione vengono utilizzati unicamente attivatori organici, gli acidi aromatici grezzi così prodotti non contengono prodotti residui che possano danneggiare il catalizzatore di idrogenazione. AI contrario, l’ impiego di sali di afnio e in particolare di zirconio è all’origine di un fenomeno altamente indesiderato che limita sensibilmente refficienza dell’intero processo produttivo.
Come descritto nei già citati US-5,112,592 e WO 98/29378, gli acidi aromatici grezzi contengono infatti quali ulteriori impurezze una piccola parte dei suddetti sali di zirconio e afnio, generalmente acetati; questi sali sono purtroppo facilmente idrolizzagli in soluzione acquosa, soprattutto se sottoposti a temperature elevate, nell’ordine di 200÷300° C. Pertanto, quando la soluzione acquosa dell’acido grezzo viene introdotta nel reattore di purificazione, i sali di afnio e/o zirconio idrolizzano e precipitano sul catalizzatore di idrogenazione sotto forma di poliossidi colloidali insolubili con conseguente avvelenamento del catalizzatore stesso (il cui tempo di vita risulta normalmente ridotto del 6Ò÷80%).
Questo inconveniente viene normalmente limitato mantenendo la concentrazione di tali sali nella miscela di ossidazione ad un valore inferiore a 250 ppm, con evidenti svantaggi sotto il profilo produttivo.
Lo scopo della presente invenzione è pertanto quello di fornire un procedimento per la produzione di acidi aromatici mono e policarbossilici che sia privo dell’inconveniente sopra indicato, ovvero un procedimento che, operando in presenza di un sistema catalitico contenente sali di afnio e/o zirconio in concentrazioni eventualmente superiori a 250 ppm, non provochi l’ avvelenamento del catalizzatore di idrogenazione utilizzato durante la successiva fase di purificazione.
Questo risultato è stato ora ottenuto in seguito alla sorprendente osservazione che i poliossidi colloidali di afnio e/o zirconio presentano una affinità particolarmente elevata nei confronti di sostanze adsorbenti quali, per esempio, carbone attivo, “Altapulcus Clay”, biossido di titanio, allumina e/o carburo di silicio; in particolare, si è potuto osservare che facendo passare ad una temperatura di 200÷300° C e ad una pressione di 30÷90 barg una sospensione di poliossidi colloidali di afnio e/o zirconio attraverso una colonna contenente una o più delle suddette sostanze, è possibile ottenere il completo adsorbimento di tali poliossidi e, di conseguenza, la completa purificazione della soluzione di interesse.
L’oggetto della presente invenzione è pertanto rappresentato da un procedimento per la produzione di acidi mono e policarbossilici comprendente una fase (a) di ossidazione dei corrispondenti precursori aromatici in fase liquida in presenza di ossigeno gassoso e di un sistema catalitico contenente sali di afnio e/o zirconio ed una successiva fase (c) di purificazione del prodoto grezzo così otenuto mediante idrogenazione catalitica, comprendente un passaggio intermedio di purificazione (b) in cui il prodotto grezzo proveniente dalla fase (a) viene alimentato ad una colonna a riempimento (qui definita “maturatore” o “demetallizzatore”) contenente un letto di un materiale ad elevato potere adsorbente nei confronti dei poliossidi di afnio e/o zirconio operante ad una temperatura di 200÷300° C e ad una pressione di 30÷90 barg.
Deve essere a questo proposito osservato come detto passaggio intermedio di purificazione (b) può essere effettuato in combinazione con i vari procedimenti convenzionali di ossidazione e riduzione quali, tra l’altro, i vari procedimenti descritti nei documenti brevettuali sopra elencati e che sono quindi da considerare come compresi nella presente descrizione.
Nella realizzazione preferita della presente invenzione, una volta effettuata la filtrazione dell’acido grezzo da purificare, questo viene poi utilizzato per la preparazione di una sospensione acquosa al 15÷25% in peso, preferibilmente al 20%, che viene quindi alimentata al maturatore ad una pressione e ad una temperatura sufficienti per ottenere una completa dissoluzione dell’acido aromatico stesso. La temperatura sarà quindi generalmente compresa tra 200 e 300° C mentre la pressione sarà di circa 30÷90 barg, a seconda dell’acido grezzo da purificare. Nel caso dell’acido tereftalico si raggiungerà tendenzialmente una temperatura di circa 265÷275° C, preferibilmente 270°, ed una pressione di circa 65÷75 barg, preferibilmente 70; nel caso dell’acido isofialico si opererà invece a circa 215÷225° C, preferibilmente 220°, e a circa 35÷45 bar, preferibilmente 40.
La soluzione in uscita dal maturatore, così privata delle eventuali tracce di afnio e/o zirconio, viene quindi alimentata al reattore d’idrogenazione dove, in presenza dell’adatto catalizzatore, awernà la purificazione degli acidi aromatici policarbossilici; secondo un aspetto preferenziale della presente invenzione, l’idrogeno gassoso introdotto nel reattore di purificazione genererà una pressione parziale circa 5-6 superiore alla pressione della soluzione contenente l’acido aromatico da purificare.
La soluzione in uscita dal reattore di purificazione verrà poi alimentata allo stadio di cristallizzazione per consentire la separazione dell’acido carbossilico puro.
Tra i possibili materiali ad azione adsorbente nei confronti dei poliossidi di afnio e zirconio, il carbone attivo è risultato il più efficiente, bloccando totalmente le tracce di afnio e zirconio presenti negli acidi aromatici policarbossilici grezzi. Il carbone attivo presenta tra l’altro il vantaggio di un facile recupero dei metalli assorbiti mediante semplice combustione; gli ossidi ottenuti possono essere poi lisciviati con acido acetico mentre gli acetati dei metalli possono essere riciclati al reattore di ossidazione. Ottime prestazioni si sono ottenute anche con allumina e, in particolare, con l’allumina Procatalyse A.A.2-5 Grade P.
Il procedimento secondo la presente invenzione può essere attuato sia in continuo che in discontinuo, anche se la realizzazione in continuo resta comunque quella preferita. In particolare, questo procedimento viene preferibilmente utilizzato in combinazione con il procedimento per la produzione di acidi aromatici descritto nella domanda di brevetto italiana MI99A000606, depositata il 25 marzo 1999, che deve quindi considerarsi compresa nella presente descrizione.
Questi ed altri aspetti dell’invenzione risulteranno evidenti a qualsiasi tecnico del ramo; il qui allegato schema 1 e gli esempi che seguono devono essere considerati unicamente esemplificativi e non limitativi dell’invenzione.
ESEMPIO 1
1 Preparazione del maturatore
Una colonna a riempimento (maturatore) del volume di 10 litri, dotata di una griglia di sostegno del materiale assorbente con fori di diametro leggermente inferiore alle dimensioni dei granuli del materiale assorbente stesso, è stata pulita accuratamente con acqua demineralizzata. Prima di caricare il materiale assorbente, il maturatore è stato quindi riempito con acqua demineralizzata fino al livello prestabilito per la quantità totale del materiale assorbente. Il materiale assorbente, in questo caso7 kg di carbone attivo, è stato poi caricato attraverso un imbuto mobile che sfiorava il livello dell’acqua demineralizzata (la mobilità dell’imbuto serve per distribuire il più uniformemente possibile il materiale assorbente nel maturatore).
Il letto del materiale assorbente è stato quindi lavato con acqua demineralizzata fino a quando l’acqua in uscita non è risultata assolutamente priva di particelle solide.
2La reazione di ossidazione
In un reattore di ossidazione da 10 litri viene caricata in continuo la miscela di reazione contenente il 15% in peso di paraxilene, l’80% in peso di acido acetico glaciale ed il 5% in peso di H2O; a questa miscela è stata quindi aggiunta una quantità di cobalto acetato tetraidrato pari al 3.8% in peso della stessa ed una quantità di zirconio acetato pari allo 0.38.
La reazione di ossidazione viene effettuata con aria ad una pressione di 6 barg e ad una temperatura di 110÷115°C; il contenuto di ossigeno nell’aria esausta in uscita dal reattore di ossidazione è del 5% in volume.
La sospensione contenente acido tereftalico grezzo viene filtrata in continuo ad una temperatura di 100÷110°C e ad una pressione di 6 barg e quindi lavata ad una pressione di 5 barg; le acque madri vengono poi riciclate in continuo al reattore di ossidazione.
3.) La fase di purificazione
Nelle acque madri provenienti dalla filtrazione è risultato essere presente solo circa l’11÷15% dello zirconio originariamente presente nella miscela di ossidazione; il restante 85-89% rimane invece quale impurezza nell’acido tereftalico grezzo.
L’acido tereftalico grezzo è stato quindi disciolto in acqua ad una concentrazione del 20%; la soluzione acquosa così ottenuta è stata quindi fatta passare attraverso il letto assorbente ad un temperatura di 270° C e ad una pressione di 70 barg; la soluzione in uscita dal maturatore non presentava tracce rilevabili di zirconio.
La soluzione purificata è stata quindi alimentata ad un reattore di purificazione operante con idrogeno gassoso ad una pressione di 75 barg e ad una temperatura di 270° C, in presenza di un catalizzatore eterogeneo a base di palladio (0.5%) su supporto di carbone. La soluzione è stata quindi alimentata al cristallizzatore dal quale è stato separato acido tereftalico cristallino con un contenuto di 4-carbossibenzaldeide inferiore a 25ppm, praticamente esente da palladio.
Le stesse operazioni di cui sopra sono state ripetute senza il passaggio intermedio attraverso il maturatore.
L’acido tereftalico così ottenuto, sebbene presentasse un contenuto di 4-carbossibenzaldeide confrontabile a quello dell'esempio precedente, era tuttavia caratterizzato un contenuto in palladio dell’ordine di alcuni ppm (a conferma dell’avvenuto avvelenamento del catalizzatore).
La vita del catalizzatore utilizzato nel procedimento con maturatore è risultata inoltre superiore del 35% rispetto a quella del catalizzatore utilizzato nel processo di confronto.
Claims (10)
- RIVENDICAZIONI 1) Un procedimento per la produzione di acidi mono e policarbossilici comprendente l’ossidazione in fase liquida dei corrispondenti precursori aromatici in presenza di un sistema catalitico contenente sali di afnio e/o zirconio e la successiva purificazione del prodotto grezzo così ottenuto mediante idrogenazione catalitica, caratterizzato dal fatto di comprendere un passaggio intermedio di purificazione in cui il prodotto grezzo proveniente dalla fase di ossidazione è alimentato ad una colonna a riempimento contenente un letto di un materiale ad elevato potere adsorbente nei confronti dei poliossidi di afnio e/o zirconio operante ad una temperatura di 200÷300° C e ad una pressione di 30÷90 barg.
- 2) Un procedimento secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detto materiale ad elevato potere adsorbente nei confronti dei poliossidi di afnio eo zirconio è selezionato tra carbone attivo, “Altapulcus Clay”, biossido di titanio, allumina e/o carburo di silicio.
- 3) Un procedimento secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detto prodotto grezzo proveniente dalla fase di ossidazione é alimentato a detta colonna di riempimento sotto forma di una soluzione acquosa al 15÷25% in peso.
- 4) Un procedimento secondo la rivendicazione 3 caratterizzato dal fatto che detti sali di afnio e/o zirconio sono presenti in detta soluzione acquosa ad una concentrazione superiore a 250 ppm.
- 5) Un procedimento secondo la rivendicazione 1 in cui il paraxilene è ossidato ad acido tereftalico.
- 6) Un procedimento secondo la rivendicazione 5 caratterizzato dal fatto che detta colonna a riempimento opera ad una temperatura di 265÷275° C ed una pressione di circa 65÷75 barg.
- 7) Un procedimento secondo la rivendicazione 1 in cui il metaxilene è ossidato ad acido isoftalico.
- 8) Un procedimento secondo la rivendicazione 7 caratterizzato dal fatto che detta colonna a riempimento opera ad una temperatura di 215÷225° C ed una pressione di circa 35÷45 barg.
- 9) Un procedimento secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che l’idrogeno gassoso introdotto nel reattore di purificazione genera una pressione parziale circa 5-6 superiore alla pressione della soluzione contenente l’acido grezzo da purificare.
- 10) Un procedimento secondo la rivendicazione 3 caratterizzato dal fatto che, prima della preparazione di detta soluzione acquosa, l’acido grezzo proveniente dalla fase di ossidazione viene filtrato ad una pressione di 1÷20 barg e ad una temperatura di 90÷150° C.
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