WO1996022975A1 - Process for producing aziridines - Google Patents

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WO1996022975A1
WO1996022975A1 PCT/EP1996/000165 EP9600165W WO9622975A1 WO 1996022975 A1 WO1996022975 A1 WO 1996022975A1 EP 9600165 W EP9600165 W EP 9600165W WO 9622975 A1 WO9622975 A1 WO 9622975A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
aziridines
catalyst
fluidized bed
formula
dehydration
Prior art date
Application number
PCT/EP1996/000165
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German (de)
French (fr)
Inventor
Ulrich Steuerle
Georg Schuh
Jürgen Schweinzer
Uwe Dingerdissen
Original Assignee
Basf Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07DHETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D203/00Heterocyclic compounds containing three-membered rings with one nitrogen atom as the only ring hetero atom
    • C07D203/02Preparation by ring-closure

Definitions

  • the invention relates to a process for the preparation of aziridines of the formula
  • R 1, R 2, R 3, R 4 and R 5 are independently H, C ⁇ ⁇ C to ß-Al yl or aryl, and R 5 additionally represents benzyl, Ci to C ⁇ -hydroxyalkyl or C ⁇ ⁇ to Cs Aminoalkyl is by intramolecular catalytic dehydration of alkanolamines of the formula
  • Various catalysts are used to prepare aziridines, in particular ethyleneimine, by dehydrating alkanolamines in the gas phase.
  • SU-A-230 166 discloses ethyleneimine by reacting ethylene oxide and ammonia to form ethanolamine and dehydrating the ethanolamine at temperatures of about 450 ° C. with calcium phosphate impregnated with, for example, copper chloride or cobalt (II) chloride to produce as a catalyst.
  • JP-B-50/10593 discloses the production of ethyleneimine by dehydrating ethanolamine in the gas phase over tungsten oxide and oxides of catalysts containing Li, Mg, Ni, Mo, Bi, Sn, Si or Al. According to the teaching of WO-A-89/05797 used in the dehydration of ethanolamine in the Gas phase molecular sieves made of aluminum silicates, aluminum phosphates or silicon aluminum phosphates.
  • catalysts for the intramolecular elimination of water from alkanolamines in the gas phase are oxide materials which contain silicon or phosphorus as essential components. Catalysts of this type are described, for example, in EP-B-0 227 461, EP-B-0 228 898 and EP-B-0 230 776.
  • the dehydration can also be carried out in a multi-reactor system in which, for example, at least 2 reactors are connected in parallel and the catalyst is regenerated in one reactor and the other reactor used for production.
  • fluctuations in the product volume flow can occur, which have a negative effect on the continuous processing of the reaction products by distillation.
  • the present invention is therefore based on the object of providing a process for the preparation of aziridines, it being possible to produce practically continuously without doing so
  • R 1 , R 2 , R 3 , R 4 and R 5 independently of one another denote H, Ci to C ⁇ -alkyl or aryl and R 5 additionally for benzyl, C to C ⁇ -hydroxyalkyl or C ⁇ ⁇ to C ⁇ -aminoalkyl stands by intramolecular catalytic dehydration of alkanolamines of the formula
  • Aziridines are high-energy compounds that easily undergo subsequent reactions with ring opening at temperatures above 100 ° C.
  • a fluidized bed has the advantage over a fixed catalyst bed that the heat transfer coefficient between indirect heat transfer surfaces and the reaction zone is better.
  • the fluidized bed there is a significantly more uniform temperature distribution than in the fixed bed, ie there are no significant temperature gradients in the reactor cross section and thus practically no local overheating.
  • coking-related pressure loss increases do not cause any problems when operating a fluidized bed catalyst.
  • Superficial carbon-like deposits on the catalyst particles can be mechanically removed by the friction of the catalyst particles with one another.
  • the fluidized bed can be operated at different gas velocities in the entire range of existence of a fluidized bed between the minimum fluidization speed of the catalyst used and a pneumatic conveying of the fluidized bed.
  • the reaction is carried out, for example, in a stationary, bubble-forming fluidized bed. Discharged fine fraction of catalyst particles is retained with the help of filter candles or cyclones.
  • the reaction is advantageously carried out in a circulating fluidized bed in a riser.
  • the catalyst-reaction gas mixture is separated with the aid of cycles after passing through the riser and the catalyst is returned to the reaction vessel.
  • the dehydration of alkanolamines is carried out under a pressure of 1 to 500, preferably 10 to 350 mbar.
  • the alkanolamines can be evaporated separately and the steam, which may also be overheated, can be introduced into the fluidized catalyst bed.
  • alkanolamines it is also possible to bring the alkanolamines to be dehydrated into contact with the fluidized bed in liquid form. For example wise happen by introducing them with the help of a tube that ends in the middle of the fluidized bed or metering them onto the surface of the fluidized bed.
  • alkanolamines used in the process according to the invention can be used, for example, with the aid of the formula
  • R 1 , R 2 , R 3 , R 4 and R 5 independently of one another are H, C - to Cs-alkyl or aryl and
  • R 5 also stands for benzyl, C ⁇ ⁇ to Cs-aminoalkyl.
  • alkyl groups of the substituents R 1 to R 5 have at least 5 carbon atoms, they can also represent a cycloalkyl group, for example cyclohexyl.
  • suitable alkanolamines are monoethanolamine, 1- or 2-methylmonoethanolamine, diethanolamine and N- (2-aminoethyl) monoethanolamine.
  • Monoethanolamine is preferably used. This produces aziridines of the formula by intramolecular catalytic dehydration
  • R 1 , R 2 , R 3 , R 4 and R 5 independently of one another denote H, Ci- to Cs-alkyl or aryl and R 5 additionally for benzyl, Ci- to Cs-hydroxyalkyl or Ci- to C ⁇ -aminoalkyl stands.
  • Ethyleneimine, 2-methyl aziridine, N- (2-hydroxyethyl) aziridine and N- (2-aminoethyl) aziridine are thus formed from the alkanolamines mentioned by name.
  • the alkanolamines are dehydrated in the gas phase at temperatures of at least 250 ° C. For example, temperatures up to 500 ° C can be used.
  • the dehydration reaction is usually carried out in the temperature range from 350 to 450.degree.
  • the dehydration takes place in the gas phase on solid Catalysts that have an average particle size of 10 to 1000 ⁇ m, preferably 40 to 500 ⁇ m. All catalysts which are known, for example, for the production of ethyleneimine can be used as catalysts. For this, reference is made to the literature references mentioned at the beginning. Active catalyst layers can, however, also be deposited on metallic supports such as meshes, fabrics, foils or steel chips.
  • the active catalyst layers can also be deposited on other inert materials, such as silicon carbide, or used in the form of powders, for example, as a fluidized bed catalyst.
  • Catalysts suitable for the dehydration of alkanolamines of the formula II are known, for example, from SU-A-230 166, JP-B-50/10593, WO-A-89/05797, EP-B-0 227 461, EP-B-0 228 89 and EP-B-0 230 776.
  • Preference is given to using alkali, alkaline earth and / or lanthanide compounds which are stable under the conditions of aziridine synthesis and in particular are non-volatile and do not form volatile compounds.
  • the catalytically active compositions preferably contain phosphorus and / or transition metals.
  • Examples of such catalytically active materials are lithium-doped tungsten oxide, sodium-doped calcium tungstate, cesium or barium-doped iron sulfate or nickel sulfate.
  • Catalytically active compositions are characterized, for example, in EP-B-0 227 461 using the following formula
  • Si silicon
  • X is at least one element from the group of the alkali and alkaline earth metals
  • Y is an element from the group B, Al, Ti, Zr, Sn, Zn and Ce and 0 is oxygen
  • the catalytically active compositions have the composition
  • X denotes at least one element from the group of the alkali and alkaline earth metals, P phosphorus, Y at least one element from the group B, Al, Si, S, Sc, Ti, Cu, Y, Zr, Nb, Mo , Sn, Sb, La, Ce, Ta, W, Ti, Pb, Bi and Th and 0 oxygen.
  • catalytically active compositions have the formula
  • X is at least one element selected from Group IIIA elements, Group IVA elements, Group VA elements, transition metal elements from Groups I to VIII, lanthanide and actinide elements of the periodic table
  • P phosphorus
  • X is at least one element , which is selected from alkali and alkaline earth metals
  • catalytically active compositions are those from US-A-4,337,175, US-A-4,289,656, US-A-4,310,036, US-A-4,337,175, US-A-4,358,405, US Pat.
  • alkaline earth metal oxides alkali metal oxides and or oxides of elements of the lanthamide group of the periodic system can also be used.
  • part of the catalyst used is removed continuously or in portions from the fluidized bed.
  • the amounts of catalyst discharged from the fluidized bed reactor practically do not adversely affect the dehydration reaction of the alkanolamines, so that the reaction can be continued regardless of the removal of the catalyst.
  • the removal of the catalyst from the fluidized bed can advantageously be coupled with the addition of a fresh or regenerated catalyst to the fluidized bed, the withdrawn and added amounts of catalyst corresponding to one another.
  • the catalyst discharged from the fluidized bed is regenerated in another reactor. This can be done, for example, under reduced pressure or also under normal pressure or even increased pressure. be taken.
  • the catalyst In order to regenerate the catalyst, it is heated, for example, in a fluidized bed to temperatures in the range from 300 to 800, preferably 400 to 600 ° C. in the presence of oxygen.
  • Oxygen is preferably used in the form of a mixture of nitrogen and air.
  • the reaction space in which the dehydration takes place and the regeneration space in which the finely divided catalysts coming from the reactor are treated with oxygen must be separate from one another. After regeneration has been completed and the remaining oxygen has been removed, the finely divided catalyst is returned to the fluidized bed reactor.
  • the rate at which the amounts of catalyst are circulated is preferably adapted to the deactivation kinetics of the catalyst.
  • the catalyst discharged from the fluidized bed reactor can also be impregnated with an active catalyst component after treatment with oxygen and then returned to the fluidized bed reactor, if necessary after heating to temperatures of 400 to 600 ° C become.
  • the amount of the discharged catalyst depends, as already indicated above, on the service life of the catalyst.
  • the amounts of catalyst discharged from the fluidized bed reactor are, for example, 0.1 to 100, preferably 0.5 to 50% of the amount of catalyst per 24 hours.
  • Aziridines are preferably prepared by dehydrating the alkanolamines of the formula II in a stationary or circulating fluidized bed. Regardless of the fluidized bed used, be it a stationary or a circulating fluidized bed, the resulting aziridines of the formula I are isolated from the reaction mixture.
  • the aziridines can be absorbed with the aid of an aqueous alkaline absorption liquid and the aziridines can be separated off in a subsequent distillation, and the aqueous alkaline absorption liquids can then be used again to absorb aziridines.
  • Suitable liquids of this type are, for example, aqueous NaOH or KOH solutions.
  • the hot reaction products emerging from the fluidized bed reactor can be separated from the gas phase with condensed reaction products whose temperature is at most 40 ° C.
  • the temperature of the condensed reaction products used for cooling is preferably in the range from -78 ° C. to + 20 ° C. Unreacted alkanolamines are isolated from the reaction mixture and used again for dehydration.
  • the selectivity given in the examples in percent means moles of ethyleneimine formed per mole of converted monoethanolamine times 100.
  • the conversion in percent is calculated from the converted amount of monoethanolamine in moles per mole of the monoethanolamine used, multiplied by 100.
  • the yield in% becomes ⁇ calculated by mole of the ethyleneimine formed per mole of the monoethanolamine used multiplied by 100.
  • the discharged catalyst was then regenerated at temperatures of 550 ° C. while passing air through at normal pressure and then inerted with nitrogen.
  • the inertized pulverulent catalyst was returned to the reactor using a solids feed pump.
  • the reaction mixture coming from the reactor was absorbed by means of aqueous 0.1 N sodium hydroxide solution and analyzed by gas chromatography.
  • the reactor was operated for a total of 120 hours, the reaction mixture obtained being analyzed after every 12 hours and after 120 hours.
  • the selectivity was 88%, the monoethanolamine conversion was 43% and the ethyleneimine yield was 38% with a single ethanolamine throughput.
  • Example 1 was repeated with the exception that the dehydration was carried out at a temperature of 400 ° C.
  • the selectivity of ethyleneimine formation was 93%, the monoethanol conversion was 36% and the ethyleneimine yield with simple ethanolamine throughput was 34%.

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

A process for producing aziridines of the formula (I) in which R?1, R2, R3, R4 and R5¿ are mutually independently H, C¿1?-C8 alkyl or aryl and R?5¿ is in addition benzyl, C¿1?-C8 hydroxyalkyl or C1-C8 aminoalkyl, by the intramolecular catalytic dehydration of alkanol amines of the formula (II) in which the constituents R?1, R2, R3, R4 and R5¿ have the meanings given in formula (I), in the gas phase at temperatures of at least 250 °C on solid catalysts in a fluidised bed at a pressure of 1 to 500 mbar, in which, while maintaining the fluidised bed, a part of the solid catalyst is removed from the reactor, regenerated and fed back into the generator and the aziridines are isolated from the reaction mixture.

Description

Verfahren zur Herstellung von Aziridinen Process for the preparation of aziridines
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Aziridinen der FormelThe invention relates to a process for the preparation of aziridines of the formula
R5R5
.N.N
Ri- — R3 R i - - R 3
R2 R4 (I)R2 R4 (I)
in der R1, R2, R3, R4 und R5 unabhängig voneinander H, Cι~ bis Cß-Al yl oder Aryl bedeuten und R5 zusätzlich noch für Benzyl, Ci bis Cβ-Hydroxyalkyl oder Cι~ bis Cs-Aminoalkyl steht, durch intramolekulare katalytische Dehydratisierung von Alkanol- aminen der Formelmeans where R 1, R 2, R 3, R 4 and R 5 are independently H, Cι ~ C to ß-Al yl or aryl, and R 5 additionally represents benzyl, Ci to Cβ-hydroxyalkyl or Cι ~ to Cs Aminoalkyl is by intramolecular catalytic dehydration of alkanolamines of the formula
Rl R3 R l R 3
HO C I C I NH R5 (II),HO CICI NH R 5 (II),
I II I
R2 R4 R 2 R 4
in der die Substituenten R1, R2, R3, R4 und R5 die dafür in For¬ mel I angegebene Bedeutung haben, in der Gasphase bei Temperatu- ren von mindestens 250°C an festen Katalysatoren in einer Wirbel¬ schicht unter vermindertem Druck und Isolieren der Aziridine aus dem Reaktionsgemisch.in which the substituents R 1 , R 2 , R 3 , R 4 and R 5 have the meaning given for them in formula I, in the gas phase at temperatures of at least 250 ° C. over solid catalysts in a fluidized bed below reduced pressure and isolating the aziridines from the reaction mixture.
Zur Herstellung von Aziridinen, insbesondere Ethylenimin, durch Dehydratisierung von Alkanolaminen in der Gasphase werden ver¬ schiedene Katalysatoren eingesetzt. So ist beispielsweise aus der SU-A-230 166 bekannt, Ethylenimin durch Reaktion von Ethylenoxid und Ammoniak unter Bildung von Ethanolamin und Dehydratisierung des Ethanolamins bei Temperaturen von etwa 450°C an mit beispiels- weise mit Kupferchlorid oder Kobalt-II-chlorid getränktem Calciumphosphat als Katalysator herzustellen.Various catalysts are used to prepare aziridines, in particular ethyleneimine, by dehydrating alkanolamines in the gas phase. For example, SU-A-230 166 discloses ethyleneimine by reacting ethylene oxide and ammonia to form ethanolamine and dehydrating the ethanolamine at temperatures of about 450 ° C. with calcium phosphate impregnated with, for example, copper chloride or cobalt (II) chloride to produce as a catalyst.
Aus der JP-B-50/10593 ist die Herstellung von Ethylenimin durch Dehydratisierung von Ethanolamin in der Gasphase an Wolframoxid und Oxide von Li, Mg, Ni, Mo, Bi, Sn, Si oder AI enthaltenden Katalysatoren bekannt. Gemäß der Lehre der WO-A-89/05797 verwendet man bei der Dehydratisierung von Ethanolamin in der Gasphase Molekularsiebe aus Aluminiumsilikaten, Aluminiumphospha¬ ten oder Silizium-Aluminiumphosphaten.JP-B-50/10593 discloses the production of ethyleneimine by dehydrating ethanolamine in the gas phase over tungsten oxide and oxides of catalysts containing Li, Mg, Ni, Mo, Bi, Sn, Si or Al. According to the teaching of WO-A-89/05797 used in the dehydration of ethanolamine in the Gas phase molecular sieves made of aluminum silicates, aluminum phosphates or silicon aluminum phosphates.
In US-A-4 289 656, US-A-4 301 036, US-A-4 337 175, US-A-4 358 405, US-A-376 732 und US-A-4 477 591 werdenUS-A-4,289,656, US-A-4,301,036, US-A-4,337,175, US-A-4,358,405, US-A-376,732 and US-A-4,477,591
Katalysatoren auf Basis Niob/Tantaloxid mit Zusatz von Erdalkali¬ metalloxiden und/oder Eisen/Chromoxiden zur katalytischen Gaspha¬ sendehydratisierung von Monoethanolamin zu Ethylenimin beschrie¬ ben.Describe catalysts based on niobium / tantalum oxide with the addition of alkaline earth metal oxides and / or iron / chromium oxides for the catalytic gas phase dehydration of monoethanolamine to ethyleneimine.
Weitere Katalysatoren zur intramolekularen Wasserabspaltung aus Alkanolaminen in der Gasphase sind Oxidmassen, die Silizium oder Phosphor als wesentliche Bestandteile enthalten. Katalysatoren dieser Art werden beispielsweise in EP-B-0 227 461, EP-B-0 228 898 und EP-B-0 230 776 beschrieben.Further catalysts for the intramolecular elimination of water from alkanolamines in the gas phase are oxide materials which contain silicon or phosphorus as essential components. Catalysts of this type are described, for example, in EP-B-0 227 461, EP-B-0 228 898 and EP-B-0 230 776.
Setzt man bei der Herstellung von Aziridinen die in den oben ge¬ nannten Literaturstellen beschriebenen Katalysatoren ein, so ent¬ stehen dabei in unerwünschtem Maße Oligomere und Polymere des Aziridins.If the catalysts described in the abovementioned references are used in the production of aziridines, oligomers and polymers of aziridine are formed to an undesirable extent.
Die Standzeiten der oben beschriebenen Katalysatoren lassen zu wünschen übrig. Auf den Katalysatoren bilden sich kohlenstoffhal¬ tige Ablagerungen, die beispielsweise bei einem Festbettreaktor zu einer fortlaufenden Erhöhung des Druckverlustes im Reaktor und schließlich zu einer Belegung der aktiven Zentren am Katalysator führen, so daß der Alkanolaminumsatz stark abfällt. Um die für eine industrielle Herstellung von Aziridinen erforderlichen Raum- Zeit-Ausbeuten zu erreichen, müssen die Katalysatoren in regelmä- ßigen Abständen regeneriert werden. Dies geschieht beispielsweise dadurch, daß man die kohlenstoffhaltigen Ablagerungen durch Über¬ leiten von Luft bei Temperaturen oberhalb von 400°C abbrennt. Die Regeneration des Katalysators ist meistens zeitaufwendig und be¬ deutet, wenn nur ein Reaktor zur Verfügung steht, eine Unterbre- chung der Produktion. Man kann die Dehydratisierung prinzipiell auch in einem Mehrreaktorsystem durchführen, bei dem beispiels¬ weise mindestens 2 Reaktoren parallel geschaltet sind und wobei man den Katalysator in dem einen Reaktor regeneriert und den an¬ deren Reaktor für die Produktion benutzt. Dabei können jedoch Schwankungen im Produktmengenstrom auftreten, die sich negativ auf eine kontinuierliche destillative Aufarbeitung der Reaktions¬ produkte auswirken.The service lives of the catalysts described above leave something to be desired. Carbonaceous deposits form on the catalysts, which, for example in a fixed bed reactor, lead to a continuous increase in the pressure loss in the reactor and ultimately to occupation of the active centers on the catalyst, so that the alkanolamine conversion drops sharply. In order to achieve the space-time yields required for the industrial production of aziridines, the catalysts have to be regenerated at regular intervals. This is done, for example, by burning off the carbon-containing deposits by passing air over them at temperatures above 400 ° C. The regeneration of the catalyst is usually time-consuming and means that production is interrupted if only one reactor is available. In principle, the dehydration can also be carried out in a multi-reactor system in which, for example, at least 2 reactors are connected in parallel and the catalyst is regenerated in one reactor and the other reactor used for production. However, fluctuations in the product volume flow can occur, which have a negative effect on the continuous processing of the reaction products by distillation.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Aziridinen zur Verfügung zu stel¬ len, wobei man praktisch fortlaufend produzieren kann, ohne dabeiThe present invention is therefore based on the object of providing a process for the preparation of aziridines, it being possible to produce practically continuously without doing so
ERSATZBLÄTT(REGEL 26) den Reaktor für eine Regeneration des Katalysators abschalten zu müssen.SPARE BLADE (RULE 26) to have to switch off the reactor for regeneration of the catalyst.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Verfahren zur Herstellung von Aziridinen der FormelThe object is achieved according to the invention with a process for the preparation of aziridines of the formula
Figure imgf000005_0001
Figure imgf000005_0001
in der R1, R2, R3, R4 und R5 unabhängig voneinander H, Ci- bis Cβ-Alkyl oder Aryl bedeuten und R5 zusätzlich noch für Benzyl, C bis Cθ-Hydroxyalkyl oder Cι~ bis Cβ-Aminoalkyl steht, durch intramolekulare katalytische Dehydratisierung von Alkanol- aminen der Formelin which R 1 , R 2 , R 3 , R 4 and R 5 independently of one another denote H, Ci to Cβ-alkyl or aryl and R 5 additionally for benzyl, C to C θ -hydroxyalkyl or Cι ~ to Cβ-aminoalkyl stands by intramolecular catalytic dehydration of alkanolamines of the formula
Rl R3 R l R 3
I II I
HO C C NH R5 (II),HO CC NH R 5 (II),
I II I
R2 R"R 2 R "
in der die Substituenten R1, R2, R3, R4 und R5 die dafür in For¬ mel I angegebene Bedeutung haben, in der Gasphase bei Temperatu- ren von mindestens 250°C an festen Katalysatoren in einer Wirbel¬ schicht unter vermindertem Druck und Isolieren der Aziridine aus dem Reaktionsgemisch, wenn man die Dehydratisierung unter einem Druck von 1 bis 500 mbar durchführt und unter Aufrechterhaltung der Wirbelschicht einen Teil des festen Katalysators aus dem Re- aktor ausschleust, regeneriert und danach wieder in den Reaktor zurückführt.in which the substituents R 1 , R 2 , R 3 , R 4 and R 5 have the meaning given for them in formula I, in the gas phase at temperatures of at least 250 ° C. over solid catalysts in a fluidized bed below reduced pressure and isolating the aziridines from the reaction mixture if the dehydration is carried out under a pressure of 1 to 500 mbar and part of the solid catalyst is removed from the reactor while maintaining the fluidized bed, regenerated and then returned to the reactor.
Überraschenderweise wurde gefunden, daß beim Übergang vom Katalysatorfestbett, in dem die gebildeten Aziridine aufgrund der dort herrschenden Strömungsverhältnisse relativ rasch aus der heißen Reaktionszone entfernt werden, zu einer stationären, Bla¬ sen bildenden Katalysatorwirbelschicht, in der eine einem Rühr¬ kessel ähnliche, breitere Verweilzeitverteilung herrscht, dennoch vergleichbare oder gar höhere Selektivitäten bezüglich der Aziridinbildung aus Alkanolaminen erzielt werden können.Surprisingly, it was found that when moving from the fixed catalyst bed, in which the aziridines formed are removed relatively quickly from the hot reaction zone owing to the flow conditions prevailing there, to a stationary, fluid-forming catalyst fluidized bed in which a wider residence time distribution similar to a stirred tank prevails, nevertheless comparable or even higher selectivities with regard to the aziridine formation from alkanolamines can be achieved.
Aziridine sind energiereiche Verbindungen, die bei Temperaturen oberhalb 100°C leicht Folgereaktionen unter Ringöffnung eingehen.Aziridines are high-energy compounds that easily undergo subsequent reactions with ring opening at temperatures above 100 ° C.
ERSATZBLAΓT (REGEL 26) Wenn die Verweilzeiten an Katalysatoren bei der Dehydratisieru von Alkanolaminen in der Gasphase bei höheren Temperaturen zu lang sind, vermindert sich die Selektivität der Aziridinbildun wegen der Folgereaktionen der Aziridine. Bei dem erfindungs- gemäßen Verfahren werden hohe Selektivitäten bezüglich der Bil dung von Ethylenimin aus Monoethanolamin erzielt. Um die Synth von Aziridinen aus Alkanolaminen in der Gasphase technisch zu realisieren, kommt der Selektivität der Reaktion eine große Be deutung zu. Unerwünschte Nebenprodukte gehen zu Lasten der Wir schaftlichkeit des Verfahrens. Es ist daher häufig sinnvoller, die Reaktion mit einem niedrigeren Umsatz als einem Maximalums aber dafür mit höherer Selektivität durchzuführen als mit hohe Umsatz und niedriger Selektivität. Das nichtumgesetzte Alkanol amin kann zurückgewonnen und erneut dem Syntheseprozeß zugefüh werden.SPARE BLADE (RULE 26) If the residence times on catalysts in the dehydration of alkanolamines in the gas phase at high temperatures are too long, the selectivity of the aziridine formation is reduced because of the subsequent reactions of the aziridines. In the process according to the invention, high selectivities with regard to the formation of ethyleneimine from monoethanolamine are achieved. In order to technically implement the synthesis of aziridines from alkanolamines in the gas phase, the selectivity of the reaction is of great importance. Unwanted by-products are at the expense of the economics of the process. It is therefore often more sensible to carry out the reaction with a lower conversion than a maximum but with higher selectivity than with a high conversion and low selectivity. The unreacted alkanol amine can be recovered and fed back into the synthesis process.
Ein Wirbelbett bietet gegenüber einem Katalysatorfestbett den Vorteil, daß der Wärmeübergangskoeffizient zwischen indirekten Wärmeübertragungsflächen und der Reaktionszone besser ist. Im Wirbelbett herrscht eine deutlich gleichmäßigere Temperaturver teilung als im Festbett, d.h. es treten keine signifikanten Temperaturgradienten im Reaktorquerschnitt und somit praktisch keine lokalen Überhitzungen auf. Im Gegensatz zum Katalysator¬ festbett verursachen verkokungsbedingte Druckverlustzuwächse keine Probleme beim Betrieb einer Katalysatorwirbelschicht. Dur die Reibung der Katalysatorteilchen untereinander können ober¬ flächliche kohlenstoffähnliche Ablagerungen an den Katalysator¬ teilchen mechanisch entfernt werden. Die Wirbelschicht kann mit unterschiedlichen Gasgeschwindigkeiten im gesamten Existenzbe- reich einer Wirbelschicht zwischen der Minimalfluidationsge- schwindigkeit des eingesetzten Katalysators und einer pneumati¬ schen Förderung des Wirbelguts betrieben werden. Bei niedrigen Gasgeschwindigkeiten wird die Reaktion beispielsweise in einer stationären, blasenbildenden Wirbelschicht durchgeführt. Ausge- tragener Feinanteil von Katalysatorpartikeln wird hierbei mit Hilfe von Filterkerzen oder Zyklonen zurückgehalten. Bei hohen Gasgeschwindigkeiten wird die Reaktion vorteilhaft in einer zir kulierenden Wirbelschicht in einem Steigrohr durchgeführt. Das Katalysator-Reaktionsgasgemisch wird hierbei mit Hilfe von Zykl nen nach Durchlaufen des Steigrohrs getrennt und der Katalysato in das Reaktionsgefäß zurückgeführ . Die Dehydratisierung von Alkanolaminen wird unter einem Druck von 1 bis 500, vorzugsweis 10 bis 350 mbar durchgeführt. Man kann die Alkanolamine separat verdampfen und den Dampf, der ggf. auch überhitzt sein kann, in die Katalysatorwirbelschicht einleiten. Es ist jedoch auch mög¬ lich, die zu dehydratisierenden Alkanolamine in flüssiger Form mit der Wirbelschicht in Kontakt zu bringen. Dies kann beispiel weise dadurch geschehen, daß man sie mit Hilfe eines Rohres, das in der Mitte der Wirbelschicht endet, einbringt oder auf die Oberfläche der Wirbelschicht dosiert.A fluidized bed has the advantage over a fixed catalyst bed that the heat transfer coefficient between indirect heat transfer surfaces and the reaction zone is better. In the fluidized bed there is a significantly more uniform temperature distribution than in the fixed bed, ie there are no significant temperature gradients in the reactor cross section and thus practically no local overheating. In contrast to the fixed catalyst bed, coking-related pressure loss increases do not cause any problems when operating a fluidized bed catalyst. Superficial carbon-like deposits on the catalyst particles can be mechanically removed by the friction of the catalyst particles with one another. The fluidized bed can be operated at different gas velocities in the entire range of existence of a fluidized bed between the minimum fluidization speed of the catalyst used and a pneumatic conveying of the fluidized bed. At low gas velocities, the reaction is carried out, for example, in a stationary, bubble-forming fluidized bed. Discharged fine fraction of catalyst particles is retained with the help of filter candles or cyclones. At high gas velocities, the reaction is advantageously carried out in a circulating fluidized bed in a riser. The catalyst-reaction gas mixture is separated with the aid of cycles after passing through the riser and the catalyst is returned to the reaction vessel. The dehydration of alkanolamines is carried out under a pressure of 1 to 500, preferably 10 to 350 mbar. The alkanolamines can be evaporated separately and the steam, which may also be overheated, can be introduced into the fluidized catalyst bed. However, it is also possible to bring the alkanolamines to be dehydrated into contact with the fluidized bed in liquid form. For example wise happen by introducing them with the help of a tube that ends in the middle of the fluidized bed or metering them onto the surface of the fluidized bed.
Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Alkanolamine können beispielsweise mit Hilfe der FormelThe alkanolamines used in the process according to the invention can be used, for example, with the aid of the formula
i R3 i R 3
HO— c— C—NH— R5 (II) charakterisiert werden, in dei R2 R4 HO— c— C — NH— R 5 (II) in which R 2 R 4
die Substituenten R1, R2, R3, R4 und R5 unabhängig voneinander H, C - bis Cs-Alkyl oder Aryl bedeuten undthe substituents R 1 , R 2 , R 3 , R 4 and R 5 independently of one another are H, C - to Cs-alkyl or aryl and
R5 zusätzlich noch für Benzyl, Cι~ bis Cs-Aminoalkyl steht.R 5 also stands for benzyl, Cι ~ to Cs-aminoalkyl.
Sofern die Alkylgruppen der Substituenten R1 bis R5 mindestens 5 C-Atome haben, können sie auch für eine Cyloalkylgruppe stehen, z.B. für Cyclohexyl. Als Alkanolamine kommen beispielsweise Mono¬ ethanolamin, 1- oder 2-Methylmonoethanolamin, Diethanolamin und N-(2-Aminoethyl)-monoethanolamin in Betracht. Vorzugsweise setzt man Monoethanolamin ein. Daraus entstehen durch intramolekulare katalytische Dehydratisierung Aziridine der FormelIf the alkyl groups of the substituents R 1 to R 5 have at least 5 carbon atoms, they can also represent a cycloalkyl group, for example cyclohexyl. Examples of suitable alkanolamines are monoethanolamine, 1- or 2-methylmonoethanolamine, diethanolamine and N- (2-aminoethyl) monoethanolamine. Monoethanolamine is preferably used. This produces aziridines of the formula by intramolecular catalytic dehydration
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in der R1, R2, R3, R4 und R5 unabhängig voneinander H, Ci- bis Cs-Alkyl oder Aryl bedeuten und R5 zusätzlich noch für Benzyl, Ci- bis Cs-Hydroxyalkyl oder Ci- bis Cβ-Aminoalkyl steht. Aus den den namentlich genannten Alkanolaminen entstehen so Ethylenimin, 2-Methylaziridin, N-(2-Hydroxyethyl)aziridin und N-(2-Amino- ethyl)aziridin.in which R 1 , R 2 , R 3 , R 4 and R 5 independently of one another denote H, Ci- to Cs-alkyl or aryl and R 5 additionally for benzyl, Ci- to Cs-hydroxyalkyl or Ci- to Cβ-aminoalkyl stands. Ethyleneimine, 2-methyl aziridine, N- (2-hydroxyethyl) aziridine and N- (2-aminoethyl) aziridine are thus formed from the alkanolamines mentioned by name.
Die Dehydratisierung der Alkanolamine erfolgt in der Gasphase bei Temperaturen von mindestens 250°C. Man kann beispielsweise Tempe- raturen bis zu 500°C anwenden. Üblicherweise führt man die Dehy- dratisierungsreaktion in dem Temperaturbereich von 350 bis 450°C durch. Die Dehydratisierung erfolgt in der Gasphase an festen Katalysatoren, die eine mittlere Teilchengröße von 10 bis 1000 μ vorzugsweise 40 bis 500 μm haben. Als Katalysatoren kann man säm liche Katalysatoren verwenden, die beispielsweise für die Her¬ stellung von Ethylenimin bekannt sind. Hierzu wird auf die ein- gangs erwähnten Literaturstellen verwiesen. Aktive Katalysator¬ schichten können jedoch auch auf metallischen Trägern wie Netzen Geweben, Folien oder Stahlspänen abgeschieden werden. Die aktive Katalysatorschichten können jedoch auch auf anderen inerten Mate rialien, wie z.B. Siliciumcarbid, abgeschieden oder in Form von beispielsweise Pulvern als Wirbelschichtkatalysator verwendet werden. Für die Dehydratisierung von Alkanolaminen der Formel II geeignete Katalysatoren sind beispielsweise bekannt aus SU-A-230 166, JP-B-50/10593, WO-A-89/05797, EP-B-0 227 461, EP-B-0 228 89 und EP-B-0 230 776. Bevorzugt werden dabei solche Alkali-, Erd- alkali- und/oder Lanthanidenverbindungen eingesetzt, die bei den Bedingungen der Aziridinsynthese stabil und insbesondere nicht flüchtig sind und keine flüchtigen Verbindungen bilden. Beispiel dafür sind Phosphate, Sulfate, Niobate, Wolframate, Vanadate, Manganate, Molybdate, Rhenate, Titanate und Salze von Heteropoly säuren. Die katalytisch aktiven Massen enthalten außer den Ele¬ menten der Alkali-, Erdalkali- und/oder Lanthanidengruppe des Pe riodischen Systems vorzugsweise Phosphor und/oder Übergangs¬ metalle. Beispiele für solche katalyt_sch aktiven Massen sind mi Lithium dotiertes Wolframoxid, mit Natrium dotiertes Calciumwol- framat, mit Cäsium oder Barium dotiertes Eisensulfat oder Nickel sulfat .The alkanolamines are dehydrated in the gas phase at temperatures of at least 250 ° C. For example, temperatures up to 500 ° C can be used. The dehydration reaction is usually carried out in the temperature range from 350 to 450.degree. The dehydration takes place in the gas phase on solid Catalysts that have an average particle size of 10 to 1000 μm, preferably 40 to 500 μm. All catalysts which are known, for example, for the production of ethyleneimine can be used as catalysts. For this, reference is made to the literature references mentioned at the beginning. Active catalyst layers can, however, also be deposited on metallic supports such as meshes, fabrics, foils or steel chips. However, the active catalyst layers can also be deposited on other inert materials, such as silicon carbide, or used in the form of powders, for example, as a fluidized bed catalyst. Catalysts suitable for the dehydration of alkanolamines of the formula II are known, for example, from SU-A-230 166, JP-B-50/10593, WO-A-89/05797, EP-B-0 227 461, EP-B-0 228 89 and EP-B-0 230 776. Preference is given to using alkali, alkaline earth and / or lanthanide compounds which are stable under the conditions of aziridine synthesis and in particular are non-volatile and do not form volatile compounds. Examples include phosphates, sulfates, niobates, tungstates, vanadates, manganates, molybdates, rhenates, titanates and salts of heteropoly acids. In addition to the elements of the alkali, alkaline earth and / or lanthanide group of the periodic system, the catalytically active compositions preferably contain phosphorus and / or transition metals. Examples of such catalytically active materials are lithium-doped tungsten oxide, sodium-doped calcium tungstate, cesium or barium-doped iron sulfate or nickel sulfate.
Katalytisch aktive Massen werden beispielsweise in der EP-B-0 227 461 mit Hilfe der folgenden Formel charakterisiertCatalytically active compositions are characterized, for example, in EP-B-0 227 461 using the following formula
SiaXxYyOb (III),Si a X x Y y O b (III),
in der Si Silicium bedeutet, X mindestens für ein Element aus de Gruppe der Alkali- und Erdalkalimetalle steht, Y ein Element aus der Gruppe B, AI, Ti, Zr, Sn, Zn und Ce ist und 0 Sauerstoff, be deutet und die Indices a, x, y und b die jeweiligen Atomverhält¬ nisse der Elemente Si, X, Y und 0 angeben, wobei a = 1, x = 0,005-1, y = 0-1 und b einen Wert hat, der durch a, x und y bestimmt wird.in which Si is silicon, X is at least one element from the group of the alkali and alkaline earth metals, Y is an element from the group B, Al, Ti, Zr, Sn, Zn and Ce and 0 is oxygen, and the indices a, x, y and b indicate the respective atomic ratios of the elements Si, X, Y and 0, where a = 1, x = 0.005-1, y = 0-1 and b has a value which is given by a, x and y is determined.
Gemäß der EP-B-0 228 898 haben die katalytisch aktiven Massen di ZusammensetzungAccording to EP-B-0 228 898, the catalytically active compositions have the composition
XaPbXcOd (IV) . In Formel IV bedeutet X mindestens ein Element aus der Gruppe der Alkali- und Erdalkalimetalle, P Phosphor, Y mindestens ein Ele¬ ment aus der Gruppe B, AI, Si, S, Sc, Ti, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Sn, Sb, La, Ce, Ta, W, Ti, Pb, Bi und Th und 0 Sauerstoff. Die Indices a, b, c und d und die Atomverhältnisse der Elemente X, P, Y und 0 haben folgende Bedeutung: wenn a - 1 ist, b - 0,01-3 und c = 0-100 ist ist d ein Wert, der durch a, b und c und den Bin¬ dungszustand der einzelnen Elemente gegeben ist. Gemäß der EP-B-0 230 776 haben katalytisch aktive Massen die FormelX a P b X c O d (IV). In formula IV, X denotes at least one element from the group of the alkali and alkaline earth metals, P phosphorus, Y at least one element from the group B, Al, Si, S, Sc, Ti, Cu, Y, Zr, Nb, Mo , Sn, Sb, La, Ce, Ta, W, Ti, Pb, Bi and Th and 0 oxygen. The indices a, b, c and d and the atomic ratios of the elements X, P, Y and 0 have the following meaning: if a is 1, b is 0.01-3 and c = 0-100, d is a value, which is given by a, b and c and the binding state of the individual elements. According to EP-B-0 230 776, catalytically active compositions have the formula
XaP YcOd (V),X a P YcO d (V),
in der X mindestens ein Element ist, das aus Elementen der Gruppe IIIA, Elementen der Gruppe IVA, Elementen der Gruppe VA, Übergangsmetallelementen der Gruppen I bis VIII, Lanthaniden- und Actinidenelementen des Periodensystems ausgewählt ist, P = Phosphor, X mindestens ein Element ist, das aus Alkali- und Erdalkalimetallen ausgewählt ist, 0 Sauerstoff bedeutet und die Indices a, b, c und d die Atomverhältnisse der Elemente X, P, Y und 0 angeben und, wenn a - 1 ist, b = 0,01-6 und c = 0-3 ist und d ein Wert ist, der durch a, b und c und den Bindungszustand der jeweiligen Elemente bestimmt wird.in which X is at least one element selected from Group IIIA elements, Group IVA elements, Group VA elements, transition metal elements from Groups I to VIII, lanthanide and actinide elements of the periodic table, P = phosphorus, X is at least one element , which is selected from alkali and alkaline earth metals, 0 means oxygen and the indices a, b, c and d indicate the atomic ratios of the elements X, P, Y and 0 and, if a - 1, b = 0.01-6 and c = 0-3 and d is a value determined by a, b and c and the binding state of the respective elements.
Weitere geeignete katalytisch aktive Massen sind die aus US-A-4 337 175, US-A-4 289 656, ÜS-A-4 301 036, US-A-4 337 175, US-A-4 358 405, US-A-4 376 732 und US-A-4 477 591 bekannten Oxide von Tantal oder Niob mit einem Erdalkalimetalloxid als Promoter. Weiterhin eignen sich Katalysatoren der Zusammensetzung Mι0Feo,5-2,9Cr0f3-ι,7 oder Mι0Feι,0-2,ιCr0,6-1,7 mit M - Niob, Tantal.Further suitable catalytically active compositions are those from US-A-4,337,175, US-A-4,289,656, US-A-4,310,036, US-A-4,337,175, US-A-4,358,405, US Pat. A-4 376 732 and US-A-4 477 591 known oxides of tantalum or niobium with an alkaline earth metal oxide as a promoter. Also suitable are catalysts of the composition M 0 Feo, 5-2.9 Cr 0f3 -7, 7 or M 0 0 Fe 0 , 0 -2, Cr 0 , 6-1.7 with M - niobium, tantalum.
Anstelle von Erdalkalimetalloxiden können auch Alkalimetalloxide und oder Oxide von Elementen der Lanthamidengruppe des Periodi¬ schen Systems eingesetzt werden.Instead of alkaline earth metal oxides, alkali metal oxides and or oxides of elements of the lanthamide group of the periodic system can also be used.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Teil des gebrauchten Katalysators dem Wirbelbett kontinuierlich oder portionsweise entnommen. Die aus dem Wirbelschichtreaktor ausgeschleusten Men¬ gen an Katalysator beeinträchtigen die Dehydratisierungsreaktion der Alkanolamine praktisch nicht, so daß die Reaktion unabhängig von der Entnahme des Katalysators weitergeführt werden kann. Vor¬ teilhaft kann die Entnahme des Katalysators aus der Wirbelschicht mit der Zugabe eines frischen bzw. regenerierten Katalysators zur Wirbelschicht gekoppelt werden, wobei die entnommenen und die zu¬ gefügten Mengen an Katalysator einander entsprechen. Der aus der Wirbelschicht ausgeschleuste Katalysator wird in einem anderen Reaktor regeneriert. Dies kann beispielsweise unter vermindertem Druck oder auch bei Normaldruck oder sogar erhöhtem Druck vorge- nommen werden. Um den Katalysator zu regenerieren erhitzt man ih beispielsweise in einem Wirbelbett auf Temperaturen in dem Be¬ reich von 300 bis 800, vorzugsweise 400 bis 600°C in Gegenwart v Sauerstoff. Sauerstoff wird vorzugsweise verwendet in Form eines Gemischs aus Stickstoff und Luft. Der Reaktionsraum, in dem die Dehydratisierung erfolgt und der Regenerationsraum, in dem die aus dem Reaktor kommenden feinteiligen Katalysatoren mit Sauer¬ stoff behandelt werden, müssen voneinander getrennt sein. Nach beendeter Regeneration und dem Entfernen des restlichen Sauer- Stoffs wird der feinteilige Katalysator wieder in den Wirbel¬ schichtreaktor zurückgeführt. Die Geschwindigkeit, mit der die Katalysatormengen im Kreis geführt werden, wird vorzugsweise der Desaktivierungsgkinetik des Katalysators angepaßt. Wenn der mit dem Katalysator erreichbare Umsatz zurückgeht, so liegen die Gründe dafür nicht nur in der Bildung von Verkokungen auf dem Ka talysators sondern auch in einem Verlust an Aktivkomponenten. Falls es erforderlich sein sollte, kann daher der aus dem Wirbel schichtreaktor ausgeschleuste Katalysator nach der Behandlung mit Sauerstoff zusätzlich noch mit einer aktiven Katalysator- komponente getränkt und anschließend, ggf. nach einem Erhitzen auf Temperaturen von 400 bis 600°C in den Wirbelschichtreaktor zu rückgeführt werden. Die Menge des ausgeschleusten Katalysators hängt, wie oben bereits angedeutet, von der Standzeit des Kataly¬ sators ab. Die aus dem Wirbelschichtreaktor ausgeschleusten Katalysatormengen betragen pro 24 Stunden beispielsweise 0,1 bis 100, vorzugsweise 0,5 bis 50 % der Katalysatormenge.In the process according to the invention, part of the catalyst used is removed continuously or in portions from the fluidized bed. The amounts of catalyst discharged from the fluidized bed reactor practically do not adversely affect the dehydration reaction of the alkanolamines, so that the reaction can be continued regardless of the removal of the catalyst. The removal of the catalyst from the fluidized bed can advantageously be coupled with the addition of a fresh or regenerated catalyst to the fluidized bed, the withdrawn and added amounts of catalyst corresponding to one another. The catalyst discharged from the fluidized bed is regenerated in another reactor. This can be done, for example, under reduced pressure or also under normal pressure or even increased pressure. be taken. In order to regenerate the catalyst, it is heated, for example, in a fluidized bed to temperatures in the range from 300 to 800, preferably 400 to 600 ° C. in the presence of oxygen. Oxygen is preferably used in the form of a mixture of nitrogen and air. The reaction space in which the dehydration takes place and the regeneration space in which the finely divided catalysts coming from the reactor are treated with oxygen must be separate from one another. After regeneration has been completed and the remaining oxygen has been removed, the finely divided catalyst is returned to the fluidized bed reactor. The rate at which the amounts of catalyst are circulated is preferably adapted to the deactivation kinetics of the catalyst. If the conversion achievable with the catalyst decreases, the reasons for this lie not only in the formation of coking on the catalyst but also in a loss of active components. If it should be necessary, the catalyst discharged from the fluidized bed reactor can also be impregnated with an active catalyst component after treatment with oxygen and then returned to the fluidized bed reactor, if necessary after heating to temperatures of 400 to 600 ° C become. The amount of the discharged catalyst depends, as already indicated above, on the service life of the catalyst. The amounts of catalyst discharged from the fluidized bed reactor are, for example, 0.1 to 100, preferably 0.5 to 50% of the amount of catalyst per 24 hours.
Die Herstellung von Aziridinen erfolgt vorzugsweise durch Dehydratisierung der Alkanolamine der Formel II in einer statio- nären oder zirkulierenden Wirbelschicht . Unabhängig von der ver¬ wendeten Wirbelschicht, sei es eine stationäre oder eine zirku¬ lierende Wirbelschicht, werden die entstandenen Aziridine der Formel I aus dem Reaktionsgemisch isoliert. Hierzu kann man bei¬ spielsweise die Aziridine mit Hilfe einer wäßrig-alkalischen Ab- sorbtionsflüssigkeiten absorbieren und die Aziridine in einer nachgeschalteten Destillation abtrennen und danach die wäßrig-al¬ kalischen Absorptionsflüssigkeiten erneut zum Absorbieren von Aziridinen einsetzen. Geeignete Flüssigkeiten dieser Art sind beispielsweise wäßrige NaOH oder KOH-Lösungen.Aziridines are preferably prepared by dehydrating the alkanolamines of the formula II in a stationary or circulating fluidized bed. Regardless of the fluidized bed used, be it a stationary or a circulating fluidized bed, the resulting aziridines of the formula I are isolated from the reaction mixture. For this purpose, for example, the aziridines can be absorbed with the aid of an aqueous alkaline absorption liquid and the aziridines can be separated off in a subsequent distillation, and the aqueous alkaline absorption liquids can then be used again to absorb aziridines. Suitable liquids of this type are, for example, aqueous NaOH or KOH solutions.
Wegen der hohen Reaktivität der Aziridine empfiehlt es sich, die heißen Reaktionsprodukte möglichst rasch abzukühlen. Man kann beispielsweise die aus dem Wirbelschichtreaktor austretenden hei¬ ßen Reaktionsprodukte mit kondensierten Reaktionsprodukten, deren Temperatur höchstens 40°C beträgt, aus der Gasphase abscheidet. Die Temperatur der zum Kühlen verwendeten kondensierten Reakti¬ onsprodukte liegt vorzugsweise in dem Bereich von -78°C bis +20°C Nichtumgesetzte Alkanolamine werden aus dem Reaktionsgemisch iso¬ liert und erneut wieder zur Dehydratisierung eingesetzt.Because of the high reactivity of the aziridines, it is advisable to cool the hot reaction products as quickly as possible. For example, the hot reaction products emerging from the fluidized bed reactor can be separated from the gas phase with condensed reaction products whose temperature is at most 40 ° C. The temperature of the condensed reaction products used for cooling is preferably in the range from -78 ° C. to + 20 ° C. Unreacted alkanolamines are isolated from the reaction mixture and used again for dehydration.
Die in den Beispielen angegebene Selektivität in Prozent bedeutet Mol gebildete Ethylenimin pro Mol umgesetztes Monoethanolamin mal 100. Der Umsatz in Prozent wird errechnet aus der umgesetzten Menge an Monoethanolamin in Mol pro Mol des eingesetzten Mono- ethanolamins multipliziert mit 100. Die Ausbeute in % wird er¬ rechnet durch Mol des gebildeten Ethylenimins pro Mol des einge- setzten Monoethanolamins multipliziert mit 100.The selectivity given in the examples in percent means moles of ethyleneimine formed per mole of converted monoethanolamine times 100. The conversion in percent is calculated from the converted amount of monoethanolamine in moles per mole of the monoethanolamine used, multiplied by 100. The yield in% becomes ¬ calculated by mole of the ethyleneimine formed per mole of the monoethanolamine used multiplied by 100.
Beispiel 1example 1
In einem elektrisch beheizten Quarzrohr mit einem Innendurchmes- ser von 60 mm wurden 72 ml eines Wirbelschichtkatalysators mit einer mittleren Teilchengröße von 200 μm eingefüllt. Der Katalysa¬ tor war ein Barium-Cäsium-Phosphat auf Siliziumdioxid und wurde gemäß Beispiel 19 bei EP-B-0 228 898 hergestellt. Der feinteilige Katalysator wurde auf eine Innentemperatur von 410°C unter einem Druck von 50 mbar erhitzt. Man leitete dann Monoethanolamin mit einer Gasgeschwindigkeit von 20 cm/sec über einen Anströmboden von unten durch das Katalysatorbett. Man entnahm dem Wirbel¬ schichtreaktor während des Betriebs jeweils im Abstand von 1 Stunde 10 Vol.-% des Katalysators über ein absteigendes Rohr und förderte es in einen 2. Wirbelschichtreaktor. Darin wurde der ausgeschleuste Katalysator jeweils bei Temperaturen von 550°C unter Durchleiten von Luft bei Normaldruck regeneriert und an¬ schließend mit Stickstoff inertisiert. Mit Hilfe einer Feststof- förderpumpe wurde der inertisierte pulverförmige Katalysator in den Reaktor zurückgeführt . Das aus dem Reaktor kommende Reakti¬ onsgemisch wurde mittels wäßriger 0,1 N Natronlauge absorbiert und gaschromatographisch analysiert. Der Reaktor wurde insgesamt 120 Stunden betrieben, wobei man nach jeweils 12 Stunden und nach 120 Stunden das erhaltene Reaktionsgemisch analysierte. Die Selektivität lag dabei jeweils bei 88 %, der Monoethanolaminum- satz bei 43 % und die Ethyleniminausbeute bei einmaligem Ethano- lamindurchsatz bei 38 %.72 ml of a fluidized bed catalyst with an average particle size of 200 μm were introduced into an electrically heated quartz tube with an inner diameter of 60 mm. The catalyst was a barium-cesium phosphate on silicon dioxide and was produced according to Example 19 in EP-B-0 228 898. The finely divided catalyst was heated to an internal temperature of 410 ° C. under a pressure of 50 mbar. Monoethanolamine was then passed through the catalyst bed at a gas velocity of 20 cm / sec through an inflow floor from below. During the operation, 10 vol.% Of the catalyst were removed from the fluidized bed reactor at intervals of 1 hour via a descending tube and conveyed to a second fluidized bed reactor. The discharged catalyst was then regenerated at temperatures of 550 ° C. while passing air through at normal pressure and then inerted with nitrogen. The inertized pulverulent catalyst was returned to the reactor using a solids feed pump. The reaction mixture coming from the reactor was absorbed by means of aqueous 0.1 N sodium hydroxide solution and analyzed by gas chromatography. The reactor was operated for a total of 120 hours, the reaction mixture obtained being analyzed after every 12 hours and after 120 hours. The selectivity was 88%, the monoethanolamine conversion was 43% and the ethyleneimine yield was 38% with a single ethanolamine throughput.
Beispiel 2Example 2
Beispiel 1 wurde mit der Ausnahme wiederholt, daß man die Dehydratisierung bei einer Temperatur von 400°C durchführte. Die Selektivität der Ethyleniminbildung lag bei 93 %, der Monoetha- nolumsatz bei 36 % und die Ethyleniminausbeute bei einfachem Ethanolamindurchsatz bei 34 %. Example 1 was repeated with the exception that the dehydration was carried out at a temperature of 400 ° C. The selectivity of ethyleneimine formation was 93%, the monoethanol conversion was 36% and the ethyleneimine yield with simple ethanolamine throughput was 34%.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Herstellung von Aziridinen der Formel1. Process for the preparation of aziridines of the formula
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in der R1, R2, R3, R4 und R5 unabhängig voneinander H, C:~ bi Cs-Alkyl oder Aryl bedeuten und R5 zusätzlich noch für Benzy Ci- bis Cβ-Hydroxyalkyl oder Cχ~ bis Cβ-Aminoalkyl steht, durch intramolekulare katalytische Dehydratisierung von Alkanolaminen der Formelin which R 1 , R 2 , R 3 , R 4 and R 5 independently of one another are H, C: ~ bi Cs-alkyl or aryl and R 5 additionally for benzy Ci to Cβ-hydroxyalkyl or Cχ ~ to Cβ-aminoalkyl stands by intramolecular catalytic dehydration of alkanolamines of the formula
Ri R3 R i R 3
HO C C NH R5 (II),HO CC NH R 5 (II),
R2 R4 R 2 R 4
in der die Substituenten R1, R2, R3, R4 und R5 die dafür in Formel I angegebene Bedeutung haben, in der Gasphase bei Tem peraturen von mindestens 250°C an festen Katalysatoren in einer Wirbelschicht unter vermindertem Druck und Isolieren der Aziridine aus dem Reaktionsgemisch, dadurch gekennzeich¬ net, daß man die Dehydratisierung unter einem Druck von 1 bi 500 mbar durchführt und unter Aufrechterhaltung der Wirbel¬ schicht einen Teil des festen Katalysators aus dem Reaktor ausschleust, regeneriert und danach wieder in den Reaktor zu rückführt.in which the substituents R 1 , R 2 , R 3 , R 4 and R 5 have the meaning given for them in formula I, in the gas phase at temperatures of at least 250 ° C. over solid catalysts in a fluidized bed under reduced pressure and isolating the Aziridines from the reaction mixture, characterized in that the dehydration is carried out under a pressure of 1 to 500 mbar and, while maintaining the fluidized bed, a part of the solid catalyst is removed from the reactor, regenerated and then returned to the reactor.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Ausschleusen und Zurückführen des Katalysators kontinu- ierlich vornimmt.2. The method according to claim 1, characterized in that one continuously carries out the discharge and recycling of the catalyst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, da man die Dehydratisierung unter einem Druck von 10 bis 350 mbar durchführt. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that one carries out the dehydration under a pressure of 10 to 350 mbar.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß man die Dehydratisierung in einer stationären oder einer zirkulierenden Wirbelschicht vornimmt.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized gekenn¬ characterized in that the dehydration is carried out in a stationary or a circulating fluidized bed.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß man die entstandenen Aziridine mit wäßrig-alka¬ lischen Absorptionsflüssigkeiten absorbiert und die Aziridine in einer nachgeschalteten Destillation abtrennt und danach die wäßrig-alkalischen Absorptionsflüssigkeiten erneut zum Absorbieren von Aziridinen einsetzt.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized gekenn¬ characterized in that the resulting aziridines are absorbed with aqueous alkaline absorption liquids and the aziridines are separated in a downstream distillation and then the aqueous alkaline absorption liquids are used again to absorb aziridines .
6. Verfahren nach einem der Ansprücbe 1 bis 5, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß man die heißen Reaktionsprodukte mit konden¬ sierten Reaktionsprodukten, deren Temperatur höchstens 40°C beträgt, aus der Gasphase abscheidet.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized gekenn¬ characterized in that the hot reaction products with condensed reaction products, the temperature of which is at most 40 ° C, separated from the gas phase.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß man die nicht umgesetzten Alkanolamine aus dem Reaktionsgemisch isoliert und wieder einsetzt. 7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized gekenn¬ characterized in that the unreacted alkanolamines are isolated from the reaction mixture and used again.
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