JP2001519820A - 新規水素化触媒を用いる芳香族アミンの製造法 - Google Patents

新規水素化触媒を用いる芳香族アミンの製造法

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、芳香族ニトロ化合物を気相で接触水素化することによって製造される対応する芳香族アミンに関する。この水素化は、パラジウム、バナジウム及び鉛並びにレニウムを、40m2/g以下のBET表面積を有するセラミック担体材料上に含む触媒の存在下に、触媒床中180−500℃の範囲の温度及び3:1−30:1の範囲の水素とニトロ基(単数または複数)のモル比において行われる。

Description

【発明の詳細な説明】 新規水素化触媒を用いる芳香族アミンの製造法 本発明は、新規なパラジウム含有担持触媒を用いて芳香族ニトロ化合物を気相 で接触水素化することにより、対応する芳香族アミンを製造する法に関する。 セラミック担体に固定したパラジウム触媒を用いてニトロベンゼンを対応する 芳香族アミンに気相で水素化する方法は公知である。即ちニトロ化合物をパラジ ウム含有多成分担持触媒の存在下に還元する方法は、独国特許第2849002 号に記述されている。この触媒はα−Al231リットル当たりパラジウム1− 20g、バナジウム1−20g及び鉛1−20gから実質的になる。この特許文 献に記述されている気相水素化反応の欠点は、触媒の低い負荷(loading )量(比負荷量)である。この負荷量は凡そ0.4−0.5kg/l・時である 。ここに負荷量とは、触媒床1リットル当たり、1時間で反応するニトロ芳香族 のkg量として定義される。この低触媒負荷量と関連して、芳香族アミンを製造 する場合、大規模な工程における不満足な空間−時間収率がある。更に運転開始 期間における選択性は、その終わりの頃よりも悪く、収率の低下と粗生成物の処 理問題をもたらす。 本発明の目的は、問題なく大規模で行うことができ、高い空間−時間収率を可 能にし、且つ運転開始期間においても必要なアミンに関して≧90%の選択率を 示す、芳香族ニトロ化合物の接触水素化により対応する芳香族アミンを製造する 方法を提供することであった。 発明の概略 本発明は、パラジウム、バナジウム及び鉛の他に更にモリブデン、タ ングステン及び/またはレニウムを、40m2/g以下のBET表面積を有する セラミック担体材料上に含む触媒の存在下に、触媒床中180−500℃の温度 及び3:1−30:1の水素とニトロ基(単数または複数)のモル比において、 水素化を行う、芳香族ニトロ化合物を気相で接触水素化して対応する芳香族アミ ンを製造する方法を提供する。 発明の詳細な説明 本発明の方法により水素化できる芳香族ニトロ化合物は、特に下式 [式中、R1及びR2は同一でも異なってもよく、水素またはC1−C4アルキル 、特にメチル及びエチルを表し、そして nは1または2を示す] に相当するものである。好ましくは本発明の方法により、ニトロベンゼンまたは 異性体ニトロベンゼンが水素化される。 本発明による触媒の適当なセラミック担体材料は、本質的に40m2/g以下 、好ましくは20m2/g以下、特に好ましくは10m2/g以下のBET表面積 を有するすべてのセラミック固体を含む。次の化合物は特にセラミック固体とし て適当である:元素マグネシウム、アルミニウム、ケイ素、ゲルマニウム、ジル コニウム及びタンタルの金属酸化物及び/または混合金属酸化物。α−酸化アル ミニウムは担体材料として好適に使用される。 驚くべきことに、今回上述した担体材料、特にα−酸化アルミニウムに被覆( shell)の形で付着させた、パラジウム、バナジウム及び 鉛に加えてMo、W及び/またはReも含む触媒は、特に安定で、高負荷できる 選択的な触媒であることが発見された。それゆえに40m2/g以下、好ましく は20m2/g以下、特に好ましくは10m2/g以下の表面積を有する酸化物担 体材料1リットル当たりa)1−50gのパラジウム、b)1−50gのバナジ ウム、c)1−20gの鉛及びd)1−20gのモリブデン、タングステン及び /またはレニウムを含む触媒が特に強調される。α−Al23上に10−50g のPd、10−50gのV、8−16gのPb及び8−16gのReを含む触媒 は特に好適に使用される。 貴金属担持触媒の製法は本質的に公知である。ここに触媒の活性成分を、できる だけ近くの別々の領域として担体表面に付着させたとき、及び担体材料の内部が いずれの金属も含まないときに有利であることが発見された。本触媒は担体材料 を塩基で予備処理してまたはしないで製造することができる。担体材料にアルカ リ金属水酸化物溶液またはアルカリ土類金属水酸化物を予備含浸させて金属を含 浸させることは好適である。 金属は個々にまたは混合物として、その塩の溶液の形で適用することができる 。適当な塩は例えばハロゲン化物、酢酸塩、炭酸塩、炭酸水素塩、硫酸塩、リン 酸塩、シュウ酸塩、ギ酸塩、酸化物及び水酸化物である。それぞれの含浸後及び /または工程の終わりに、水素、ヒドラジン及び/またはギ酸を用いて還元を行 う。 本発明による担持触媒は、本質的にいずれの形、例えば球状、棒状、ラシヒ環 、粒状または錠剤形であってもよい。流体の流れ抵抗が小さく、良好な気体−表 面の接触をもたらす床を形成する成型体、例えばラシヒ 環、車輪形及び/または螺旋形を使用することは好ましい。本発明による触媒は 、そのものだけで使用しても、或いは他の不活性な充填材料、例えばガラス、セ ラミックまたは金属から作られた材料で希釈されていてもよい。触媒床は、90 重量%まで、好ましくは75重量%まで、特に50重量%までの不活性な充填材 料または担持材料を含んでいてもよい。この関連において、床は希釈が流れ方向 で減少するように希釈勾配を有することができる。触媒床は、上流表面において 50−90重量%の充填材料を含んでいてよく、そして放出端において80−1 00重量%の純担持触媒からなっていてよい。 本発明の方法において、担持触媒は床の全容積に基づいて40−80%、好ま しくは50−70%の量で使用される。 本発明の方法で使用される水素とニトロ化合物(ニトロ基)のモル比は、4: 1−20:1、特に5:1−10:1である。ここに水素の濃度は、不活性な気 体、例えば窒素、ヘリウム、アルゴン及び/または水蒸気を混合して低下させて もよい。混合される不活性な気体は、好ましくは窒素である。水素1モル当たり 10モルまで、好ましくは3モルまで、特に1モルまでの不活性な気体が混合で きる。 不活性な担体気体での希釈は、好ましくは新しい触媒を使用する及び触媒の、 空気での燃焼及び水素での還元による再生に続く運転期間の開始時に行われる。 不活性気体での希釈は、再開始後、好ましくは最初の300時間、特に好ましく は最初の200時間、特に最初の100時間行われる。 不活性化された触媒の再生は、窒素/酸素混合物を用い、200−400℃、 好ましくは250−350℃の温度下に実際の触媒上で行われ る。この工程は、N2含量90−99%の気体流中で開始し、燃焼している間に O2含量を純空気まで徐々に増加させる。再生の終わりには、くっついている炭 化物を、必要ならば純粋な酸素で焼き除くことができる。酸素または空気に混合 するには、窒素の代わりに、他の不活性な担体気体、例えばアルゴン、ヘリウム 及び/または水蒸気も使用できる。本発明の方法は、好ましくは200−460 ℃、特に220−440℃の温度で行われる。ここに、本発明の方法における冷 却媒体の温度は、運転サイクル中に連続的にまたは徐々に上昇させる場合に有利 である。 本発明の方法におけるH2圧は0.5−5バール、好ましくは1−3バールで ある。 本発明の触媒の負荷量は、ニトロ化合物の導入と共に連続的にまたは段階的に 、0.01−0.2から0.5−5.0kg/1へと上昇させるべきである。こ の最高の負荷量は10−1000時間以内に達成される。 本発明による触媒に対する負荷量は、芳香族ニトロ化合物の導入と共に、ある 期間にわたって連続的にまたは段階的に必要な負荷量まで増加させることが特に 有利である。それゆえに好適な方法は、触媒の負荷量を、最初の500時間以内 、特に最初の300時間以内、最も好ましくは最初の200時間以内に連続的に または段階的に、0.01−0.5、好ましくは0.1−0.4、特に0.15 −0.3から0.6−5.0、特に0.6−3.0、最も好ましくは0.6−2 .0kg・l・時まで上昇させるものである。 この高負荷量は、未反応のエダクト(educt)の現れるまで一定に維持さ れる。反応器の終端におけるエダクトの濃度量が高すぎるなら ば、加熱媒体の温度を上昇させることができ、及び/または触媒の再生に対して 製造の中断を遅らせるためにエダクトの負荷量を低下させることができる。 本発明による触媒を用いる方法は、例えば工業的に次のように行うことができ る。実質的に水素及び少量の水からなる気体の循環流を、プラントの流体流に対 する抵抗を克服するために圧縮する。このガス流を向流熱交換器で加熱し、例え ば生成物の凝縮前に循環気体流から熱を除去する。循環気体流を必要な温度へ持 って行く。消費された水素に置き換わる新しい水素中に、水素化すべきニトロ芳 香族を蒸発させ、ついで2つの気体流を一緒に混合する。この気体混合物を固定 床触媒を含む熱制御された反応器に送り込む。遊離する反応熱は、熱移動媒体で 反応器から除去する。反応器を出る生成物流を利用して循環気体流を加熱し、つ いで生成したアニリン及び水を凝縮させる温度まで冷却する。そして液体並びに さもなければ蓄積する気体、例えば窒素を除去するために少量の循環気体を取り 出す。ついで循環気体を圧縮機に返送する。 好適な具体例においては、本発明による床の形の触媒を、リンデLinde) 型(熱移動媒体が反応器の管内を流れ、触媒が熱移動媒体を通す管の外側に配置 する)反応器に装填し、上述したように反応工程を行う。開始時間の間、新しい または新しく再生した触媒を窒素−水素混合物で活性化させる。この好適な運転 様式の利点は、高い選択性及び多数回の製造サイクル後でも再生操作間の期間の 長いことである。 本発明の方法に使用される反応器は、冷却できる固定触媒床を用いる気相反応 器に適当な公知の反応器のいずれであってもよい。適当な反応器は、例えば触媒 を熱移動媒体で囲まれた管内に配置する多管反応器、 及び逆に熱移動媒体を管内に流し、触媒を管の外側に配置する反応器を含む。そ のような反応器は、例えば独国特許第2848014号から公知である。 熱移動媒体を管内に流し、触媒を、熱移動媒体を流す管の外側に配置する反応 器(リンデ型反応器)は、本発明の方法に対して特に有利であることが分かった 。これらの反応器において、再生操作間の一定運転期間は、通常の多管反応器と 比べて、多数回の再生サイクルにわたって観察される。 本発明の方法において、触媒床の長さは流方向に対して0.5−20m、好ま しくは1−10m、特に好ましくは2−6mである。 この床の長さは、随時1つの次に他を連結するいくつかの反応器を用いても達成 しうる。 本発明は、パラジウム、バナジウム及び鉛の他に更にモリブデン、タングステ ン及び/またはレニウムを、40m2/g以下のBET表面積を有するセラミッ ク担体上に含み、且つセラミック担体材料1リットル当たりパラジウム含量が1 −50g、バナジウム含量が1−50g、鉛含量が1−20g及びモリブデン、 タングステン及び/またはレニウムの全含量が1−20gである、水素化触媒も 提供する。 本新規な触媒を用いる本発明の方法は、特に必要とされる装置の大きさの縮小と 触媒のかなり向上した生産性を兼ね備えた高空間−時間収率が特色である。結果 として現存のプラントにおいてかなりの生産量の向上が達成できる。更に本発明 による方法は、水素化生成物に関する特に高い選択性が特色である。 実施例 触媒の調製 実施例1(対照実施例) 直径3−5mm、BET表面積9.8m2/g)担体100g当たりの吸着容 量45.1ml及びかさ密度812g/lを有する球形のα−Al231リット ルに、NaOH10.8gを含む水溶液366ml(0.27g当量に相当)を 含浸させた。溶液は数分以内に完全に担体に吸収された。 この湿った担体を暖かい、激しい上昇空気流で乾燥した。一定重量になるまで に必要とされる乾燥時間は、約15分であった。冷却後に残る水分含量は担体の 吸着容量の約1%であった。 このように予備処理した乾燥担体に、その吸着容量に対して適切に、パラジウ ム9gを含む水性テトラクロロパラジン酸ナトリウム溶液366ml(0.16 9g当量に相当)を含浸させ、15分間放置した。担体上に付着したバラジウム 化合物を金属パラジウムに還元するために、触媒をヒドラジン水和物の10%水 溶液400mlで覆い、2時間放置した。ついで触媒の調製に使用した化合物の イオンがもはや濯ぎ水に検出されなくなるまで、触媒を完全に水洗した。これは 約10時間後に達成された。 続いて生成物を再び暖かい、激しい上昇空気流で一定重量まで乾燥した。 ついでこのパラジウム含有触媒に、シュウ酸バナジルの形のバナジウム9gを 含む水溶液366mlを含浸させた。上述のように暖かい空気流で担体を乾燥し た。この触媒を管状炉中において、300℃で6時間熱処理した。この間に該シ ュウ酸塩は分解した。 ついでこの触媒に、酢酸鉛の形の鉛3gを含む水溶液366mlを含浸させ、再 び上昇空気流中で乾燥した。 調製した触媒はパラジウム9g、バナジウム9g及び鉛3gを含み、独国公開 特許第2849002号の実施例1の触媒に相当した。 実施例2 直径3−5mm、BET表面積9.8m2/g、担体100g当たりの吸着容 量45.1ml及びかさ密度831g/lを有する球形のα−Al231リット ルに、NaOH48gを含む水溶液367ml(1.2g当量に相当)を含浸さ せた。溶液は数分以内に完全に担体に吸収された。 この湿った担体を暖かい、激しい上昇空気流で乾燥した。一定重量になるまで に必要とされる乾燥時間は、約15分であった。冷却後に残る水分含量は担体の 吸着容量の約1%であった。 このように予備処理した乾燥担体に、その吸着容量に対して適切に、パラジウ ム40gを含む水性テトラクロロパラジン酸ナトリウム溶液352ml(0.7 51g当量に相当)を含浸させ、24時間放置した。担体上に付着したパラジウ ム化合物を金属パラジウムに還元するために、触媒をヒドラジン水和物の10% 水溶液400mlで覆い、2時間放置した。ついで触媒の調製に使用した化合物 のイオンがもはや濯ぎ水に検出されなくなるまで、触媒を完全に水洗した。これ は約10時間後に達成された。 続いて生成物を再び暖かい、激しい上昇空気流で一定重量まで乾燥した。 ついでこのパラジウム含有触媒に、シュウ酸バナジルの形のバナジウ ム40gを含む水溶液365mlを含浸させた。上述のように暖かい空気流で担 体を乾燥した。この触媒を管状炉中において、300℃で4時間熱処理した。こ の間に該シュウ酸塩は分解した。 ついでこの触媒に、酢酸鉛の形の鉛14g及びRe27の形のレニウム14g を含む水溶液365mlを含浸させ、再び上昇空気流中で乾燥した。 調製した触媒は担体1リットル当たりパラジウム40g、バナジウム40g、 鉛14g及びレニウム14gを含んだ。この触媒を未処理の担体材料1リットル と均一に混合した。 ニトロベンゼンの水素化例 実施例3(対照実施例) 実施例1で調製した触媒床(高さ285cm)を、油を用いて熱電対で制御で きる内径約26mmの反応管に入れた。触媒をまず窒素で、ついで水素でフラッ シュし、続いて約1.528NL/時の水素流中において5時間240℃まで加 熱した。ついで水素流中へのニトロベンゼンの蒸発を開始した。ニトロベンゼン −水素混合物は、約230℃の温度で触媒床の表面に達した。触媒の比負荷量を 、80時間内に0.2から1.05kg/l・時まで上昇させた。これは単位面 積当たり2.994kg/m2・時の負荷量に相当し、平均で1.03kg/l ・時の負荷量を達成した。この工程中、触媒上のいずれの点においても温度が4 40℃を越えないように注意した。 油の温度を、約700、800及び900時間後に、20℃ずつ240℃から 300℃まで上昇させた。反応管に沿う油温度の変化は約±1℃であった。管の 表面に沿う油の流速は約1.5m/秒であった。 触媒は約1050時間の有効寿命を達成し、その後凝縮物のニトロベンゼン含 量は0から約300ppmまで増加し、結果として触媒は燃焼により再生しなけ ればならなかった。 平均選択率は99.0%であった。 再生後の2回目のサイクルにおける触媒の性能はかわらず、有効寿命は990 時間及び選択率は99.2%であった。 実施例4 実施例2におけるように調製し且つ希釈したた触媒床(高さ285cm)を、 油を用いて熱電対で制御できる内径約26mmの反応管に入れた。触媒をまず窒 素で、ついで水素でフラッシュし、続いて約1.528NL/時の水素流中にお いて5時間240℃まで加熱した。ついで水素流中へのニトロベンゼンの蒸発を 開始した。ニトロベンゼン−水素混合物は、約230℃の温度で触媒床の表面に 達した。触媒の比負荷量を、50時間内に0.2から1.07kg/l・時まで 上昇させた。これは単位面積当たり3.051kg/m2・時の負荷量に相当し 、平均で1.03kg/l・時の負荷量を達成した。この工程中、触媒上のいず れの点においても温度が440℃を越えないように注意した。 油の温度を、約266、270、293、314及び362時間後に、10℃ ずつ240℃から300℃まで上昇させた。反応管に沿う油温度の変化は約±1 ℃であった。管の表面に沿う油の流速は約1.5m/秒であった。 触媒は約394時間の有効寿命を達成し、その後凝縮物のニトロベンゼン含量 は0から約300ppmまで増加し、結果として触媒は燃焼により再生しなけれ ばならなかった。 平均選択率は99.78%であった。 再生後の2回目のサイクルにおける触媒は、876時間の有効寿命及び99. 7%の選択率を示した。これは有効寿命の著しい増加であった。 この有効寿命の増加は、第3及び4サイクルも継続し、その時間はそれぞれ89 8及び997時間であった。 この第4サイクルは、良好な開始時選択率を更に改善するために、最初の220 時間はN2/H2混合物を用いて運転した(表1を参照)。 表1 ニトロベンゼンの水素化における開始時の選択率o−ニトロベンゼンの水素化例 実施例5(対照実施例) 実施例1で調製した触媒床(高さ285cm)を、油を用いて熱電対 で制御できる内径約33mmの反応管に入れた。触媒をまず窒素で、ついで水素 でフラッシュし、続いて約1.560NL/時の水素流中において5時間270 ℃まで加熱した。ついで水素流中へのo−ニトロベンゼンの蒸発を開始した。o −ニトロベンゼン−水素混合物は、約260℃の温度で触媒床の表面に達した。 触媒の比負荷量を、47時間内に0.2から0.62kg/l・時まで上昇させ た。これは単位面積当たり1.097kg/m2・時の負荷量に相当し、平均で 0.58kg/l・時の負荷量を達成した。この工程中、触媒上のいずれの点に おいても温度が440℃を越えないように注意した。 反応管に沿う油温度の変化は約±1℃であった。管の表面に沿う油の流速は約 1.5m/秒であった。 触媒は約216時間の有効寿命を達成し、その後凝縮物のo−ニトロベンゼン 含量は0から約300ppmまで増加し、結果として触媒は燃焼により再生しな ければならなかった。従って、与えられた境界条件において、触媒は>約125 kg/lの生産性を達成した。 平均選択率は99.85%であった。 再生後の2回目のサイクルにおける触媒の性能は殆どかわらず、有効寿命は1 98時間及び選択率は99.85%であった。 実施例6 実施例2におけるように調製し且つ希釈したた触媒床(高さ285cm)を、 油を用いて熱電対で制御できる内径約33mmの反応管に入れた。触媒をまず窒 素で、ついで水素でフラッシュし、続いて約1.560NL/時の水素流中にに おいて5時間270℃まで加熱した。ついで水素流中へのo−ニトロベンゼンの 蒸発を開始した。o−ニトロベンゼ ン−水素混合物は、約260℃の温度で触媒床の表面に達した。触媒の比負荷量 を、50時間内に0.13から0.689kg/l・時まで上昇させた。これは 単位面積当たり1.219kg/m2・時の負荷量に相当し、平均で0.644 kg/l・時の負荷量を達成した。この工程中、触媒上のいずれの点においても 温度が440℃を越えないように注意した。 反応管に沿う油温度の変化は約±1℃であった。管の表面に沿う油の流速は約 1.5m/秒であった。 触媒は約239時間の有効寿命を達成し、その後凝縮物のo−ニトロベンゼン 含量は0から約300ppmまで増加し、結果として触媒は燃焼により再生しな ければならなかった。従って、与えられた境界条件において、触媒は>約154 kg/lの生産性を達成した。 平均選択率は99.82%であった。 再生後の2回目のサイクルにおける触媒は、439時間の有効寿命及び99. 87%の選択率を示した。これは有効寿命の著しい増加であった。11回の再生 後、12回目のサイクルにおける触媒は525時間の有効寿命及び99.9%の 平均選択率を達成した。 従って、検討した期間内において、本発明による触媒は満足できる有効寿命並 びに多数回の再生にわたる高負荷量を達成した。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR, NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,KE,L S,MW,SD,SZ,UG,ZW),EA(AM,AZ ,BY,KG,KZ,MD,RU,TJ,TM),AL ,AM,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BR, BY,CA,CH,CN,CU,CZ,DE,DK,E E,ES,FI,GB,GE,GH,GM,GW,HU ,ID,IL,IS,JP,KE,KG,KP,KR, KZ,LC,LK,LR,LS,LT,LU,LV,M D,MG,MK,MN,MW,MX,NO,NZ,PL ,PT,RO,RU,SD,SE,SG,SI,SK, SL,TJ,TM,TR,TT,UA,UG,US,U Z,VN,YU,ZW (72)発明者 イエンチユ,イエルク・デイートリヒ ドイツ連邦共和国デー―45468ミユルハイ ムアンデアルーア・ハクドルン20

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.パラジウム、バナジウム及び鉛の他に更にモリブデン、タングステン及び /またはレニウムを、40m2/g未満のBET表面積を有するセラミック担体 材料上に含む触媒の存在下に、触媒床中180−500℃の温度及び3:1−3 0:1の水素とニトロ基(単数または複数)のモル比において、水素化を行う、 芳香族ニトロ化合物を気相で接触水素化して対応する芳香族アミンを製造する方 法。 2.パラジウム、バナジウム及び鉛の他に更にモリブデン、タングステン及び /またはレニウムを、40m2/g未満のBET表面積を有するセラミック担体 材料上に含む、但しセラミック担体材料1リットル当たりバラジウム含量が1− 50g、バナジウム含量が1−50g、鉛含量が1−20g及びモリブデン、タ ングステン及び/またはレニウムの全含量が1−20gである、水素化触媒。
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