NL8001612A - Werkwijze voor de bereiding van methylaminen. - Google Patents

Description

t' - Λ VO 0187

Werkwijze voor de bereiding van methylaminen,

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor de bereiding van methylaminen door reactie in de dampfase van methanol met ammoniak, bij verhoogde temperatuur en eventueel • onder verhoogde druk, in aanwezigheid van een katalysator van 5 het type siliciumoxyde-aluminiumoxyde.

Bij de katalytische synthese van methylaminen uitgaande van ammoniak en methanol, bereidt men eerst een dampvormig mengsel van methanol en een overmaat ammoniak, dat men vervolgens laat reageren in een reactor bij temperaturen van onge-10 veer 200-500°C onder een druk gelegen tussen atmosferische druk en ongeveer 50 bar, door dat mengsel over een katalysa-torbed te leiden.

Men heeft een groot aantal katalysatoren voorgesteld met het oog op deze synthese; deze zijn b.v. metaaloxyden, zoals 15 de oxyden van alumini-um, zirkoon, thorium, silicium, wolfraam en koper, alleen of in de vorm van mengsels, al dan niet afgezet op dragers. Voor hetzelfde doel heeft men ook diverse me-taalzouten voorgesteld, in het bijzonder diammoniummonowater-stoffosfaat, aluminiumfosfaat, aluminiumsulfaat, thoriumsul-20 faat of mengsels van deze zouten met oxyden, zoals die hierbo ven vermeld, als zodanig of aangebracht op een drager, zoals puimsteen, actieve kool, diatomeeënaarde, kwarts, asbest, enz,

In economisch opzicht hebben al de hierboven genoemde katalysatoren het gemeenschappelijke nadeel, dat zij tamelijk 25 dure uitgangsmaterialen behoeven en dat zij volgens eveneens betrekkelijk dure fabricageprocédé1s worden bereid.

In dit opzicht zou het een interessantere weg zijn om direct uit te gaan van minerale uitgangsmaterialen, die in overvloed in de natuur voorkomen. Aldus heeft men in het Ameri-30 kaanse octrooischrift 1.875*747 voor de synthese van methyl aminen natuurlijke aluminiumsilicaten voorgesteld, zoals indi-anaiet, blauwe klei, fijngemalen dakpannen, Douciel (natuurlijk zeoliet), veldspaat en klei van Putnam. Ongelukkigerwij-ze zijn de resultaten verkregen met deze categorie van πatuur-35 lijke aluminiumsilicaten weinig gunstig voor de produktie van a η n 1 κ 1 ·> - 2 - dimethylamine, dat het meest gewenste methylamine is. Volgens dit Amerikaanse ootrooischrift beoogt men immers vooral mono-methylanine te bereiden, Maar zelfs wanneer dit het gewenste produkt is, blijkt de beschreven werkwijze onbevredigend te 5 zijn vanwege het geringe rendement.

Voor de synthese van methylaminen heeft men ook kunstmatige katalysatoren op basis van siliciumoxyde en aluminium-oxyde gebruikt.

Aldus bereidt men volgens het Duitse octrooischrift 10 1·543·731 kunstmatige katalysatoren van het type siliciumoxy de-aluminiumoxyde uitgaande 'van een gel van siliciumoxyde, waarop men een gel van aluminiumoxyde neerslaat. Vervolgens desactiveert men de katalysator ten dele met waterdamp onder druk, en daarna impregneert men de katalysator met zilverfos-15 faat of met rhenium-, molybdeen- of kobaltsulfide. De met de ze katalysatoren verkregen resultaten zijn beter dan die verkregen volgens het eerder genoemde Amerikaanse octrooischrift 1.875*747, maar de prijs van de uitgangsstoffen en de fabrica-gekosten zijn aanzienlijk hoger. 3ovendien vertoont ook deze 20 werkwijze nadelen wat het rendement betreft. Voorzover aan vraagster daarvan op de hoogte is, heeft de volgens het genoemde octrooischrift beoogde voorkeursbereiding van dimethylamine nooit praktische industriële toepassing gevonden. In het onderstaande voorbeeld I wordt aangetoond, dat deze kata-25 lysatoren veel trimethylamine opleveren bij het begin van de omzetting en slechts moeilijk leiden tot de omzetting van het aanvankelijk gevormde trimethylamine in dimethylamine.

Het ideaal zou zijn om onder de natuurlijke minerale stoffen katalytische stoffen te vinden, die het daaraan eigen 50 voordeel van een lage prijs behouden en tegelijk een zeer ‘ho ge en zeer selectieve katalytische activiteit bezitten.

Aanvraagster heeft gevonden dat dit doel kan worden bereikt.

De uitvinding heeft derhalve betrekking op een werkwijze 35 voor de bereiding van methylaminen, die wordt gekenmerkt door- 8001812 V * - 3 - dat men in de dampfase en bij verhoogde temperatuur een mengsel van methanol en een overmaat ammoniak over een katalysator leidt, die een montmorilloniet bevat dat met zuur is geactiveerd, 5 Montmorilloniet heeft in het ideale geval de formule ΑΙ^ίΟΗ)^/ Si^O^Q^+nHgO. Montmorilloniet heeft de bijzonderheid dat zijn rooster, dat is samengesteld uit twee buitenste lagen van tetraëders van siliciumoxyde en één centrale laag van octaëders van aluminiumoxyde, reversibel uitzet door opna-10 me van water tussen de lagen, De siliciumionen van de buitenste lagen kunnen evenwel ten dele worden vervangen door aluminium (beideliet) en de aluminiumionen van de centrale laag door ijzer (nontroniet), magnesium (hectoriet), enz. Voorts bevatten bepaalde kleisoorten, zoals bentoniet, een bepaalde 15 hoeveelheid montmorilloniet. Er wordt opgemerkt dat al deze natuurprodukten, nadat zij met een zuur zijn geactiveerd, geschikt zijn als katalysatoren voor de synthese van methylami-nen volgens de werkwijze van de onderhavige uitvinding. Voor meer gegevens over montmorilloniet en natuurlijke derivaten 20 daarvan kan in het bijzonder worden verwezen naar Ullman

Enoyklopadie der Technischen Chemie, derde editie, deel A van 1953, blz, 541 e.v,, alsmede naar het werk van H,S. Grim "Klei Mineralogy", Mc.Graw-ïïill Book Co. Ine., -953·

Montmorilloniet en de kleisoorten die montmorilloniet be-25 vatten worden met het oog op de industriële toepassingen daarvan onderworpen aan een activerende behandeling met een sterk anorganisch zuur, zoals chloorwaterstofzuur, zwavelzuur of fosforzuur. Als gevolg van deze behandeling wordt de samenstelling van het aanvankelijke rooster van montmorilloniet min of 30 meer sterk gemodificeerd, waardoor daaraan zijn katalytische eigenschappen worden verleend.

De katalytische eigenschappen van montmcrillonieten geactiveerd met zuur zijn bekend en worden.sinds lang op industriële schaal benut, met name bij het katalytisch kraken van pe-35 troleumfracties, bij polymerisatie, hydrogenering, dehydroge- 8001612 - 4 - nering, alkylering, dehydratering, isomerisatie, enz. (zie de Duitse octrooischriften 1.051.271, 1.051.664» 1.086.241 en 1.089.168). Bij weten van aanvraagster zijn de met een zuur geactiveerde montmorillonieten tot dusver nog niet voorge-5 steld of toegepast als katalysatoren bij de synthese van methylaminen.

Ten opzichte van de aluminiumsilicaten volgens de stand van de techniek hebben de volgens de uitvinding geactiveerde montmorillonieten de volgende voordelen: 10 1* zij zijn selectiever, aangezien zij de vorming van di- methylamine bevorderen; 2. de omzetting van methanol bereikt meer dan 96$ en tegelijk bedraagt de opbrengst aan aminen ten opzichte van de omgezette methanol meer dan 9S/^5 15 5· hun levensduur is langer.

Het geactiveerde montmorilloniet, dat volgens de uitvinding als katalysator wordt gebruikt, heeft de vorm van korrels of ook wel van kogels of cilinders, die vol of hol zijn en waarvan de grootte varieert tussen 0,2 en 10 mm. De schijn-20 bare dichtheid van het geactiveerde montmorilloniet kan vari ëren van 0,4-1j2 kg/l.

De uitgangsstoffen die bij de werkwijze volgens de uitvinding worden gebruikt zijn methanol en ammoniak.

Methanol en ammoniak kunnen in zuivere vorm worden ge-25 bruikt of kunnen om vanzelfsprekende economische redenen van technische kwaliteit zijn.

De molverhouding van methanol tot ammoniak in het gasvormige mengsel, dat aan de reactor wordt toegevoerd, kan variëren tussen 0,5:1 en 1:1. Er is geen enkel belang bij dat deze 50 verhouding daalt beneden 0,5*1» aangezien men dan een te gro te hoeveelheid niet verbruikt ammoniak zou moeten reoirculeren. De werkomstandigheden die worden toegepast bij de werkwijze volgens de uitvinding zijn die welke in het algemeen worden toegepast bij de bereiding van methylaminen door katalytische 55 reactie van een overmaat ammoniak met methanol in de dampfase, 8001612 - 5 - % 9 in een temperatuurgebied van 200-500°C, "bij voorkeur van 350-450°C, en onder een druk vanaf atmosferische druk tot ongeveer 100 bar, bij voorkeur van ongeveer 10-50 bar.

De contaottijd van het dampvormige mengsel van methanol 5 en ammoniak met de volgens de uitvinding gebruikte katalysa tor is niet kritische en er kunnen contacttijden van ongeveer 1-20 seconden worden toegepast. Onder contaottijd verstaat men de verhouding van het schijnbare volume van de katalysator (in cm^) tot het debiet van het dampvormige mengsel van 10 methanol en ammoniak, weergegeven in cm^/seconde, onder norma le omstandigheden van temperatuur en druk (0°C en 1.013 bar).

Er zijn geen beperkingen gesteld aan de aard van de apparatuur die voor het uitvoeren van de onderhavige werkwijze wordt gebruikt, De werkwijze kan zowel continu als discontinu 15 worden uitgevoerd. Eet katalytische bed kan een vast of een gefluidiseerd bed zijn.

Aan de afvoer van de reactor wordt het dampvormige mengsel in zijn verschillende bestanddelen gescheiden volgens op zichzelf bekende methoden, b.v. door gefractioneerde destilla-20 tie.

Nadat de verschillende bestanddelen van het effluent van de reactor zijn gescheiden, kan men desgewenst het gevormde mono- en/of trimethylamine ten dele of geheel naar de reactie recirculeren teneinde de opbrengst aan dimethylamine nog ver-25 der te verhogen, waardoor tegelijk hun vorming wordt vermin derd.

In de onderstaande voorbeelden, die slechts dienen ter illustratie van de onderhavige uitvinding, gebruikt men als geactiveerde montmorillonieten produkten die in de handel ver-30 krijgbaar zijn, namelijk de katalysatoren "K" van de firma Süd-Chemie$ deze produkten zijn beschreven in brochures van deze firma, b.v. in "K-Katalysatoren Süd-Chemie A.G., ïiünchen", 9/77; blz. 1 en 4.

Voorbeeld I (vergelijkingsvoorbeeld) 35 In dit voorbeeld werd de kunstmatige katalysator silicium- 8001612 - 6 - oxyde-aluminiumoxyde gebruikt, waarvan de bereiding is beschreven in voorbeeld 1 van het Duitse octrooischrift 1*543»731» deze katalysator bevat, in droge toestand, in ieder geval 0,1 gew.# zilvermetaal.

5 De gebruikte reactor was een buis uit Pyrexglas met een lengte van 5 cm en een inwendige diameter van 8 mm, die werd doorlopen door een concentrische bus, waarin een thermokoppel was geschoven. Deze buis werd in een oven geplaatst. De in het centrum van de buis geplaatste katalytische massa bestond 10 " uit 1 g van de genoemde katalysator} zijn granulometrie was gelegen tussen 0,42 en 0,59 mm. Terwijl men de temperatuur in de reactor op 423 + 0,5°C hield, liet men er een op 423°C voorverwarmd binair dampvormig mengsel door passeren, dat bestond, uit CHjOH en (molverhouding CH^OHïM^ 0,54:1). Men 15 werkte bij atmosferische druk.

De analyse van het dampvormige mengsel dat de oven verliet werd uitgevoerd door gaschromatografie in een kolom van roestvrij staal. Voor deze chromatografie gebruikte men een stationaire fase, bestaande uit polystyreen in de vorm van 20 korreltjes, waarvan het oppervlak was behandeld met een silaan (Porapak/s) en dat was geïmpregneerd, in een hoeveelheid van 10#, met een mengsel van tetraëthyleenpentamine en kaliumhy-droxyde.

De verkregen resultaten zijn weergegeven in de onder-25 staande tabel A, waarin de "contacttijd" (in seconden) het quotiënt voorstelt van het schijnbare volume (weergegeven in cm^) van de katalysator met het volumedebiet, weergegeven in cm^/seconde. Deze "co’ntacttijden" maken het mogelijk de verrichting te beoorde-30 len van een katalysator bij industriële toepassing. Uit de waarde van de contacttijd leidt men immers gemakkelijk het volume af, dat de reactor moet hebben om een gegeven produktie te verzekeren. Naarmate de contacttijd langer is, moet de reactor een groter volume hebben om een gegeven produktie te 35 bereiken. Aldus zal niet alleen de eigenlijke apparatuur 8001612 - 7 (reactor) duurder zijn, maar zal ook de hoeveelheid katalysator groter zijn; - MMA = monomethylamine - DMA * dimethylamine 5 - TMA = trimethylamine DME = dimethylether; - de gewichtspercentages MMA, DMA, TMA, CH^OH en DME zijn weergegeven ten opzichte van het totale gewicht DME + MMA + DMA + TMA + CH,0H (stoffen die de grootste scheidingsmoeite 5 10 vereisen); - de gewichtsverhouding TMA/DKA geeft de verhouding weer van het gewicht aan TMA tot het gewicht aan DMA. Deze verhouding laat toe om de selectiviteit aan DMA te "beoordelen ten opzichte van die aan TMA, waarbij de kleinste verhouding de 15 meest gunstige is.

TA35L A

contact- gew.$ gew.$ gew.$ gew.$ gewtfo gewichtsverhouding tijd DME MMA DMA TMA CH^OH TMA/DKA

2,22 6,5 20,0 14,9 42,2 16,5 2,83 20 4,00 4,5 21,0 18,0 46,5 10,0 2,57 5,50 2,6 22,0 20,0 46,5 9,0 2,51 5,75 1,7 22,7 20,6 46,3 8,5 2,25

Voorbeeld II

Men werkte zoals in voorbeeld I, maar de molaire verhou-25 ding methanol;ammoniak bedroeg 0,55*1, de reactietemperatuur bedroeg 424+0,5°C en de katalysator bestond uit 1 g montmoril-loniet, dat was geactiveerd volgens de uitvinding (katalysator K.3O6 van Süd-Chemie) en was gemalen tot een granulometrie van 0,42-0,59 nm.

50 Die katalysator had een specifiek oppervlak van 190-250 2 5 m /g, een poriënvolume van 0,19 cnr/g bij 14 nm en van 0,30 ca^/g bij 80 nm, een druksterkte van 78,4 V en een schijnbare dichtheid van ongeveer 65Ο g/l.

De verkregen resultaten zijn weergegeven in de onder- 35 staande tabel Ξ.

8001612 - 8 - TABEL B * contact- gew.^ gew.fi gew.$ gew.fi gew.fi gewichts- tijd DIS MMA DMA T2JA methanol verhouding

_ _ _ _ ___TMA/DMA

5 . 1,4 4 H,7 14,9 33,8 29,5 2,26 2,54 2 20,9 20,4 38 18,4 1,86 5,39 - 26,2 25,3 42,6 5,3 1,68 5,5 26,0 26,0 43 5,0 1,65

Bovenstaande tahel toont aan, dat de in dit voorbeeld ge-10 bruikte katalysator beter is dan de katalysator gebruikt in voorbeeld I, met name op de volgende punten: a) men bereikte een gewichtsverhouding TMA/DMA van 2,26 bij een contacttijd van 1,4 seconden, terwijl in voorbeeld I een oontacttijd van 5,73 seconden nodig was voor het verkrijgen 15 van een nagenoeg gelijke verhouding. Bovendien kan deze ver houding verminderen tot 1,65 bij een contacttijd van 5,5 seconden; bijgevolg is bij de werkwijze volgens de uitvinding de selectiviteit aan DMA ten opzichte van die aan TKA groter voor 20 duidelijk kortere contacttijden; b) de vorming van DME was duidelijk lager en er werd zelfs nagenoeg geen DM3 gevormd bij contacttijden van ongeveer 5 seconden; de opbrengst aan aminen ten opzichte van de omgezette metha-25 nol is dus zeer hoog (weinig nevenprodukten); c) de omzetting van de methanol wa3 duidelijk groter bij contacttijden van ongeveer 5 seconden.

Onder "omzetting van de methanol" verstaat men het gewichts-percentage van deze alcohol, dat wordt omgezet tijdens het 50 doorvoeren daarvan door de reactor.

Toorbeeld III

Men werkte nagenoeg zoals in voorbeeld I; de reactor had evem/el een grotere binnendiameter (28 mm), de molverhouding methanol:ammoniak bedroeg 0,58:1 en de react ie temperatuur ce- ^ ^ '1 /1 O-i-O ^ f1 y j uuvTv 9 y -j « 8001612 4* & - 9 -

De katalysator was dezelfde als in het voorgaande voorbeeld, behalve dat hij de vorm had van kogels van 4-5 sm met een schijnbare dichtheid van ongeveer 650 g/l. De toegepaste hoeveelheid katalysator was groter (5 g) dan in het voorgaan-5 de voorbeeld.

De verkregen resultaten als functie van de omzetting van de methanol zijn weergegeven in de onderstaande tabel C.

TABEL C

omzetting ge w.°* gew,$ gew.$ gew.^ gew.$ gewichts- 10 van DMS MMA DMA TMA methanol verhouding

methanol $ _ _____ ___ _______T?.TA/DMA

83,1 1,7 16,3 18,6 40,5 22,7 2,18 88 0,7 19,5 22,6 40,8_ 17 1,30 99,5 - 26,2 28,2 44,5 0,9 1,58 ♦ 15 Deze tabel toont aan, dat de katalysatoren volgens de uitvinding het mogelijk maken een uitstekende omzetting van methanol (99,3$) te verkrijgen bij een zeer gunstige gewichtsverhouding tma/dma.

Voorbeeld IV

20 Dit voorbeeld werd uitgevoerd op industriële schaal. De katalysator van voorbeeld III werd aangebracht in een industriële reactor, die een katalytische lading bevatte met een volume van 10.000 1.

De reactie werd uitgevoerd bij een druk van 20 bar en 25 een temperatuur van 420°C,

Bij een lading van 0,36 kg methanol/kg katalysator/uur bedroeg de molaire opbrengst aan aminen ten opzichte van de omgezette methanol 99$ en bedroeg de omzetting van de methanol 97,3$· Eij de afvoer van de reactor vond men, dat gemid-30 deld en berekend gedurende een werkingsduur van 1 maand, de gewichtsverhouding TMA/DMA 1,68 bedroeg.

Bij een lading van 0,325 kg methanol/kg katalysator/uur was de opbrengst aan aminen 98,9*^ en de omzetting van de methanol 98,4$.

35 Na een werkingsduur van 11 maanden bedroeg de omzetting 8001612 -10- van de methanol bij een lading van 0,325 kg methanol/kg kata-lysator/uur nog 96,6/. en was de opbrengst aan aminen nog 98,3$· 8001612

Claims (4)

1. Werkwijze voor de bereiding van methylaminen, met het kenmerk, dat men in de dampfase en bij verhoogde temperatuur een mengsel van methanol en een overmaat ammoniak laat passeren over een katalysator, die een montmorilloniet bevat dat 5 is geactiveerd met zuur.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de molverhouding van de methanol tot de ammoniak varieert tussen 0,3:1 en 1:1,

3. Werkwijze volgens conclusie 1 0f 2, met het kenmerk, 10 dat de reactie wordt uitgevoerd bij een temperatuur tussen 200 en 500°C, bij voorkeur tussen 350 en 450°C.

4. Werkwijze volgens conclusies 1-3, met het kenmerk, dat de reactie wordt uitgevoerd onder sen druk gelegen tussen atmosferische druk en ongeveer 100 bar, bij voorkeur tussen 10 15 en 50' bar. 3001612