NL9200187A - Werkwijze voor de bereiding van cycloalkanon en/of cycloalkanol. - Google Patents

Description

WERKWIJZE VOOR DE BEREIDING VAN CYCLOALKANON ΕΝ/OF CYCLOALKANOL

De uitvinding betreft een werkwijze voor de bereiding van cycloalkanon en eventueel cycloalkanol door een cycloalkylhydroperoxide bevattend mengsel onder invloed van een katalysator te laten reageren met een cycloalkeen.

Een dergelijke werkwijze is beschreven voor cyclohexaan en cyclohexeen in EP-A-268826. Volgens de daar beschreven werkwijze reageert vrijwel al het cyclohexyl-hydroperoxide met een deel van het cyclohexeen tot cyclo-hexeenoxide ofwel cyclohexaanepoxide. Hierdoor blijft er ongereageerd cyclohexeen in het reactiemengsel, wat in een latere stap wordt gehydrogeneerd tot cyclohexaan. Ook het epoxide wordt gehydrogeneerd tot cyclohexanol. Een nadeel van deze werkwijze is, dat er niet optimaal gebruik wordt gemaakt van het cyclohexeen en voorts, dat -indien met name cyclohexanon het gewenste eindprodukt is- al het cyclohexanol gedehydrogeneerd moet worden tot cyclohexanon.

De uitvinding voorziet in een werkwijze voor de bereiding van cycloalkanon en eventueel cycloalkanol dat bovenstaand nadeel niet heeft.

Dit doel wordt bereikt doordat de uitvinding voorziet in een werkwijze voor de bereiding van cycloalkanon en eventueel cycloalkanol door een cycloalkylhydroperoxide bevattend mengsel onder invloed van een katalysator te laten reageren met een cycloalkeen waarbij de reactie wordt uitgevoerd met ondermaat cycloalkeen ten opzichte van het cycloalkylhydroperoxide onder dusdanige omstandigheden dat vrijwel al het cycloalkeen gereageerd heeft tot cyclo-alkeenoxide en eventueel cycloalkanol en/of cycloalkanon waarna het mengsel, desgewenst na een cycloalkylhydroperoxide ontledingsstap en cycloalkaandestillatie, wordt onderworpen aan een eerste destillatieye scheiding, waarbij cycloalkeenoxide met eventueel andere componenten wordt afgescheiden, waarna het cycloalkeenoxide in het afgescheiden mengsel wordt geïsomeriseerd tot in hoofdzaak cycloalkanon, waarna het verkregen cycloalkanon en eventueel cycloalkanol wordt gewonnen.

Desgewenst kan het mengsel na isomerisatie na eventuele zuivering aan de bodemstroom uit de eerste destillatieve scheiding, danwel aan een latere stap bij de winning van cycloalkanon en/of cycloalkanol worden toegevoegd.

De voordelen van de uitvinding worden nog beter benut, indien de werkwijze volgens de uitvinding wordt gebruikt voor de bereiding van cycloalkanon, waarbij cycloalkanon in een verdere destillatiestap wordt gewonnen, waarna uit het residue cycloalkanol wordt afgescheiden en omgezet tot cycloalkanon, welk cycloalkanon gerecirculeerd wordt en in de voornoemde destillatie stap wordt gewonnen.

Met de werkwijze volgens de uitvinding wordt volledig van de hydrogeneringstoestand van cycloalkeen gebruik gemaakt, en dus worden in principe overbodige hydrogeneringsstappen/dehydrogeneringsstappen zoals beschreven in EP-A-268826 vermeden.

Het cycloalkylhydroxperoxide heeft bij voorkeur 5-12 koolstofatomen, meer in het bijzonder 6, 8 of 12. Het cycloalkeen heeft bij voorkeur 5-12 koolstofatomen, meer in het bijzonder 6, 8 of 12. De werkwijze kan in een voorkeursuitvoeringsvorm worden uitgevoerd waarbij het cycloalkylhydroperoxide en het cycloalkeen eenzelfde aantal koolstofatomen hebben. In een andere voorkeursuitvoeringsvorm wordt als cycloalkylhydroperoxide cyclohexylhydro-peroxide gekozen, en als cycloalkeen cycloocteen of cyclododeceen. In de verdere tekst van deze aanvrage wordt de uitvinding eenvoudigsheidshalve meer in het bijzonder beschreven aan de hand van cyclohexaan/cyclohexeen, omdat daarbij een extra voordeel blijkt, namelijk dat de werkwijze volgens de uitvinding naadloos aansluit bij bestaande fabrieken met een cyclohexaanoxidatie.

Cyclohexylhydroperoxide wordt bij voorkeur op bekende wijze vervaardigd door de oxidatie van cyclohexaan. Het peroxide kan voordelig worden gemaakt in, bij voorkeur een serie, reactoren waarbij aan cyclohexaan bij een temperatuur van 140-250°C bij 0,4-2 MPa (4-20 bar), bij voorkeur zonder metaalkatalysator, lucht wordt toegevoerd. Het resulterende product is veelal een mengsel van cyclohexylhydroperoxide in 1-8 gew.%, bij voorkeur 2-6 gew.% met wat cyclohexanon, cyclohexanol en bijproducten.

Het cyclohexeen kan op op zich bekende wijze voordelig gemaakt worden door partiële hydrogenering van benzeen. Het cyclohexeen hoeft niet in zuivere toestand gebruikt te worden, oplossingen van 10-60 gew.% in een organisch medium (bij voorkeur cyclohexaan) zijn zeer geschikt.

Om de epoxidatie met voldoende snelheid te laten plaatsvinden en om reactorvolumina niet ongewenst groot te laten worden, geniet het de voorkeur om het cycloalkyl-hydroperoxide toe te passen in 5-90% mengsels. Hiertoe kan eenvoudig cycloalkaan van het hydroperoxide afgedampt worden, eventueel voorafgegaan door een wassing met bijvoorbeeld water. Desgewenst kan een alkanol zoals bijvoorbeeld cyclohexanol aan bijvoorbeeld cyclohexylhydroperoxide toegevoegd worden, zodat vrijwel al het cyclohexaan afgedestilleerd kan worden. Bij voorkeur wordt het cyclo-alkylhydroperoxide toegepast als 10-80 gew.%, in het bijzonder 15-70 gew.% oplossing in een organisch oplosmiddel.

De epoxidatiereactie tussen het cyclohexylhydroperoxide en cyclohexeen vindt plaats onder invloed van een katalysator bij een temperatuur van 0-150°C, bij voorkeur bij 20-120°C. De druk is niet kritisch, en atmosferische druk heeft het voordeel van een eenvoudige constructie. Hogere drukken zijn evenzeer mogelijk, bij voorbeeld tot 2 MPa (20 bar).

Als katalysator wordt een homogene of heterogene metaalbevattende verbinding toegepast met voldoende activiteit voor de epoxidatiereactie. Als metalen zijn molybdeel, wolfraam, titaan en vanadium zeer geschikt. Molybdeencomplexen genieten de voorkeur vanwege een hoge activiteit. De katalysatoren worden toegepast in 0,001-5 gew.% t.o.v, het reactiemengsel.

De epoxidatiereactie wordt uitgevoerd met een overmaat cycloalkylhydroperoxide. De overmaat is in de regel meer dan 5 mol % ten opzichte van cycloalkeen. In principe is de bovengrens niet kritisch, de overmaat peroxide moet echter gerecirculeerd of afgebroken worden tot cycloalkanol of cycloalkanon. Het verdient dientengevolge de voorkeur de overmaat kleiner te houden dan 100 mol %. In het bijzonder is een overmaat tussen 10-50 mol % zeer geschikt, aangezien dan een optimum in reactietijd en nuttig gebruik van het peroxide gevonden kan worden.

De epoxidatiereactie wordt bij voorkeur zover doorgevoerd, dat cycloalkeen vrijwel volledig is omgezet. In de regel zal minder dan 3 gew.% cycloalkeen ongereageerd blijven, bij voorkeur minder dan 2%, in het bijzonder minder dan 1%.

Na de epoxidatiereactie, wordt het reactiemengsel indien gewenst eerst onderworpen aan een cycloalkylhydroperoxide ontledingsstap. Zo'n ontledingsstap wordt in de regel reeds toegepast in processen ter bereiding van cyclohexanon uit cyclohexaan, en kan worden uitgevoerd met heterogene of homogene metaalbevattende katalysatoren (zie b.v. DE-A-3222144, US-A-4503257, US-A-4482746, EP-A-270468 en EP-A-367326).

Na deze eventuele ontledingsstap wordt het mengsel indien gewenst onderworpen aan een wassingsstap met water, bicarbonaatoplossing of loog, zoals ook gebruikelijk is in bekende processen voor de bereiding van cyclohexanon uit cyclohexaan. Het is gebleken dat, indien het reactiemengsel niet onnodig lang wordt blootgesteld aan water of aan een bicarbonaat oplossing, het cyclohexeenoxide vrijwel geheel in de organische fase blijft en niet noemenswaardig ontleedt of reageert.

Vervolgens kan desgewenst cycloalkaan worden verwijderd door -bij voorkeur- een destillatieve scheiding en kunnen desgewenst andere zuiveringsstappen worden toegepast.

Een volgende essentiële stap is het isomeriseren van cycloalkeenoxide tot in hoofdzaak cycloalkanon. Hiervoor wordt cycloalkeenoxide eerst afgescheiden van het reactie-mengsel, waarbij er eventueel 5-50 gew.% cycloalkaan en/of andere componenten aanwezig kunnen zijn bij het cycloalkeenoxide. De scheiding geschiedt bij voorkeur door destillatie waarbij het cycloalkeenoxide met andere zogenaamde lichte componenten van cycloalkanol en cycloalkanon en zwaardere componenten wordt gescheiden. De isomerisatie geschiedt bij voorkeur in de gasfase. Zeer geschikt is bijvoorbeeld de werkwijze zoals beschreven in EP-A-192298. De isomerisatie vindt bij voorkeur plaats onder invloed van een edel-metaalkatalysator (Pd of Pt, in het bijzonder Pd) waarbij waterstof aanwezig is. Het metaal wordt bij voorkeur op basisch γ-alumina toegepast waarbij 0,5-5 gew.% edelmetaal t.o.v. de drager aanwezig is. De temperatuur ligt bij voorkeur tussen 140-250°C meer in het bijzonder tussen · 175-225°C. De druk is niet kritisch, de partiële waterstof-druk ligt bij voorkeur tussen 1-1000 kPa.

Andere werkwijzen voor de isomerisatie van cycloalkeenoxide tot cycloalkanon zijn echter evenzeer toepasbaar.

Het verkregen mengsel kan in zijn geheel aan de bodemstroom toegevoerd worden waaruit het cycloalkeenoxide verwijderd was (de hoofdprocesstroom), waaruit vervolgens cycloalkanon wordt gewonnen.

Ook kan eerst het isomerisatiemengsel gezuiverd worden waarbij bijvoorbeeld alleen lichtere componenten dan cycloalkanol/cycloalkanon worden afgescheiden waarna het resterende mengsel op een geëigende plaats in het proces wordt toegevoerd. Ook kan cycloalkanon direct uit het isomerisatiemengsel gewonnen worden.

Het heeft de voorkeur om het isomerisatiemengsel na eventuele partiële zuivering terug te voeren naar de hoofdprocesstroom en daaruit op verdere bekende wijze cycloalkanon te winnen en vervolgens cycloalkanol te dehydrogeneren tot cycloalkanon en het aldus verkregen cycloalkanon bevattende mengsel op een geëigende plaats in het proces terug te voeren.

De werkwijze zal nader worden toegelicht aan de hand van twee figuren en voorbeelden, zonder daartoe beperkt te 2ijn.

Figuur 1 is een processchema van een bij voorkeur toepasbare procesvariant.

Figuur 2 is een voorbeeld van een epoxidatie- reactor.

In Figuur 1 is (1) een cyclohexaanstroom die in reactoren (A) met lucht (2) wordt geoxideerd. De resulterende geoxideerde cyclohexaan bevat 1-8 gew.% cyclohexylhydroperoxide. Deze stroom wordt in (B) gedeeltelijk ontdaan van cyclohexaan (4) die wordt gerecirculeerd naar (1). Het resulterende mengsel (5) bevat bij voorkeur 10-40 gew.% cyclohexylhydroperoxide. In (C) vindt de epoxidatie plaats waarbij stroom (6) cyclohexeen bevat. Het resulterende reactiemengsel (7) met cyclohexeen-oxide en overmaat cyclohexylhydroperoxide wordt onderworpen aan een cyclohexylhydroperoxideontleding in (D) door het reactiemengsel bijvoorbeeld over een heterogene ontledings-katalysator te leiden. Vervolgens wordt het reactiemengsel (8) gewassen in (E) met bicarbonaat of water (9). Van de op deze manier van zure bijprodukten ontdane processtroom wordt cyclohexaan afgedestilleerd in (F). Het cyclohexaan (11) wordt teruggevöerd naar (1). Een cyclohexeenoxide bevattende processtroom (13) wordt door middel van destillatie afgescheiden van de cyclohexanol en cyclohexanon-bevattende processtroom (17); Cyclohexeenoxide wordt geïsomeriseerd in (H) tot voornamelijk cyclohexanon» Van dit cyclohexanon-bevattende mengsel (14) worden lichte componenten afgescheiden in (I). De lichte componenten kunnen verbrand worden voor energie opwekking. De cyclohexanon bevattende processtroom (16) wordt aan de bodemstroom (17) van de cyclohexeenoxidedestillatie (G) toegevoerd en van die stroom wordt cyclohexanon (18) afgescheiden. Desgewenst kan dit cyclohexanon aan een extra zuiveringsstap onderworpen worden. Van de bodemstroom (19) van de cyclohexanon-destillatie (J) wordt cyclohexanol (21) gescheiden van de zware componenten (20). De zware componenten kunnen worden verbrand of worden opgewerkt. Het cyclohexanol (21) wordt gedehydrogeneerd in (L). De dehydrogenering is normaal gesproken niet compleet en het resulterend mengsel (22) van cyclohexanon en cyclohexanol wordt teruggevoerd naar processtroom (17) of processtroom (12) (niet aangegeven).

Figuur 2 is een voorbeeld van een multi-stage vast bed reactor, waarin in de bed-gedeelten (A), (C), (E), (G) en (I) de epoxidatiekatalysator op drager is aangebracht. (B), (D), (F) en (H) zijn gedeelten waar de processtromen gemengd worden, bijvoorbeeld in een statische menger. De cyclohexylhydroperoxide bevattende processtroom (1) wordt opgesplitst in meerdere stromen (3-10), al het cyclohexeen (2) wordt direct in de reactor gevoerd. Door nu in de eerste 4 bedgedeelten overmaat cyclohexeen toe te passen, en pas in het laatste bed een overmaat cyclohexylhydroperoxide, wordt cyclohexeen vrijwel volledig in een relatief korte tijd omgezet in cyclohexeenoxide.

Een mogelijke verdeling van de stromen, indien bijvoorbeeld wordt uitgegaan van 25% overmaat cyclohexylhydroperoxide is: stroom 1: 100 delen cyclohexylhydroperoxide 2: 80 delen cyclohexeen 3: 40 delen cyclohexylhydroperoxide 4: 60 delen cyclohexylhydroperoxide 5: 20 delen cyclohexylhydroperoxide 6: 40 delen cyclohexylhydroperoxide 7: 10 delen cyclohexylhydroperoxide 8: 30 delen cyclohexylhydroperoxide 9: 5 delen cyclohexylhydroperoxide 10: 25 delen cyclohexylhydroperoxide

Op deze wijze reageert cyclohexeen in een 2 : 1 overmaat in de eerste 4 reactorsegmenten, en is in het laatste reactor-segment cyclohexylhydroperoxide in een 5-voudige overmaat aanwezig ten opzichte van het dan nog aanwezige cyclohexeen. Het resulterende reactiemengsel (11) bevat dan nog 20 delen cyclohexylhydroperoxide naast cyclohexanol, cyclohexanon en cyclohexeenoxide.

Ook indien de epoxidatie geschiedt onder invloed van een homogene katalysator is een dergelijk concept zeer geschikt, waarbij in dat geval bij voorkeur een serie geroerde reactoren toegepast kan worden.

Voorbeeld I

Een reactiemengsel bestaande uit 1 mol% molybdeen op drager, 15,2 mmol cyclohexeen, 18,7 mmol cyclohexylhydroperoxide, 9,7 mmol cyclohexanol, 3,8 mmol cyclohexanon en 28,8 mmol cyclohexaan werd gedurende 3 uur tot 80°C verwarmd. Na deze periode bevatte het reactiemengsel vrijwel geen cyclohexeen meer (0,12 mmol), 1,51 mmol cyclohexylhydroperoxide, 14,78 mmol cyclohexeenoxide, 5,45 mmol cyclohexanon, 25,26 mmol cyclohexanol en 28,8 mmol cyclohexaan. Voor deze reactie is gebruik gemaakt van een tot 40% geconcentreerde cyclohexylhydroperoxide oplossing die verkregen was door ongekatalyseerde luchtoxidatie van cyclohexaan en een 60% cyclohexeen oplossing in cyclohexaan.

Het resulterende reactiemengsel werd na toevoegen van cobaltacetaat een half uur op 70°C gehouden om het overgebleven cyclohexylhydroperoxide te laten ontleden tot cyclohexanol en cyclohexanon.

Het resulterende reactiemengsel werd 30 sec gewassen met 1 : 1 V/V, 0,95 M NaHC03 in water. Uit GC analyse bleek dat slechts ongeveer 0,5 % epoxide uit de organische laag verdwenen was. Door deze wassing werden zure en goed water-oplosbare bijprodukten verwijderd.

Vervolgens werd cyclohexaan afgedestilleerd en het resulterende reactiemengsel bevatte 10 gew.% cyclohexanon, 54 gew.% cyclohexanol en 36 gew.% cyclohexeenoxide.

Cyclohexeenoxide werd afgescheiden door destillatie bij ongeveer 130°C. Deze stroom werd in de gasfase geïsomeriseerd zoals beschreven in voorbeeld I van EP-A-192298 waarbij - door het katalysatorbed 3x zo groot te kiezen - werd gezorgd dat de conversie van het cyclohexeenoxide meer dan 95% bleef. Het resulterende isomerisatie-mengsel bevatte cyclohexanon en cyclohexanol in een verhouding 4:1.

Voorbeeld II

Analoog aan voorbeeld I werd een 40% oplossing van cyclohexeen in cyclohexaan geepoxideerd met cyclohexylhydro-peroxide (40%) met 0,2 mol% molybdeen-bis-acytylacetonaat als homogene katalysator (20% overmaat cyclohexylhydro-peroxide). De resultaten waren vrijwel gelijk aan die van voorbeeld I.

Claims (13)

1. Werkwijze voor de bereiding van cycloalkanon en eventueel cycloalkanol door een cycloalkylhydroperoxide bevattend mengsel onder invloed van een katalysator te laten reageren met een cycloalkeen met het kenmerk dat, de reactie wordt uitgevoerd met ondermaat cycloalkeen ten opzichte van het cycloalkylhydroperoxide onder dusdanige omstandigheden dat vrijwel al het cycloalkeen gereageerd heeft tot cycloalkeenoxide en eventueel cycloalkanol en/of cycloalkanon waarna het mengsel, desgewenst na een cycloalkylhydroperoxide ontledingsstap en cycloalkaandestillatie, wordt onderworpen aan een eerste scheiding, waarbij cycloalkeenoxide met eventueel andere componenten wordt afgescheiden, waarna het cycloalkeenoxide in het afgescheiden mengsel wordt geïsomeriseerd tot in hoofdzaak cycloalkanon, waarna het verkregen cycloalkanon en eventueel cycloalkanol wordt gewonnen.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het cycloalkylhydroperoxide 5-12 koolstofatomen heeft.

3. Werkwijze volgens een der conclusies 1-2, met het kenmerk, dat het cycloalkeen 5-12 koolstofatomen heeft.

4. Werkwijze volgens een der conclusies 1-3, met het kenmerk, dat het cycloalkylhydroperoxide hetzelfde aantal koolstofatomen heeft als het cycloalkeen.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat cyclohexylhydroperoxide en cyclohexeen worden toegepast.

6. Werkwijze volgens een der conclusies 1-5, met het kenmerk, dat het mengsel verkregen na isomerisatie na eventuele zuivering aan de bodemstroom uit de eerste destillatieve scheiding, danwel aan een latere stap bij de winning van cycloalkanon en/of cycloalkanol wordt toegevoegd.

7. Werkwijze volgens een der conclusies 1-6, voor de bereiding van cycloalkanon, met het kenmerk, dat cycloalkanon in een verdere destillatiestap wordt gewonnen, waarna uit het residue cycloalkanol wordt afgescheiden en omgezet tot cycloalkanon, welk cycloalkanon gerecirculeerd wordt en in de voornoemde destillatie stap wordt gewonnen,

8. Werkwijze volgens een der conclusies 1-7, met het kenmerk, dat het cycloalkylhydroperoxide bevattende mengsel 5-90 gew.% cycloalkylhydroperoxide bevat.

9. Werkwijze volgens een der conclusies 1-8, met het kenmerk, dat als katalysator een metaalcomplex wordt toegepast waarbij het metaal gekozen is uit molybdeen, wolfraam, titaan en vanadium.

10. Werkwijze volgens een der conclusies 1-9, met het kenmerk, dat cycloalkylhydroperoxide wordt toegepast in een overmaat van 5-100 mol % ten opzichte van cycloalkeen.

11. Werkwijze volgens een der conclusies 1-10, met het kenmerk, dat de isomerisatie van cycloalkeenoxide plaatsvindt in de gasfase.

12. Werkwijze volgens een der conclusies 1-11 met het kenmerk, dat de isomerisatie plaatsvindt onder invloed van een edelmetaalkatalysator.

13. Werkwijze zoals in hoofdzaak is beschreven in de beschrijving en de voorbeelden.