WO2002022257A1 - Catalyst precursor for producing maleic acid anhydride - Google Patents

Catalyst precursor for producing maleic acid anhydride Download PDF

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WO2002022257A1
WO2002022257A1 PCT/EP2001/010339 EP0110339W WO0222257A1 WO 2002022257 A1 WO2002022257 A1 WO 2002022257A1 EP 0110339 W EP0110339 W EP 0110339W WO 0222257 A1 WO0222257 A1 WO 0222257A1
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WO
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catalyst
catalyst precursor
alcohol
vanadium
pentavalent
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PCT/EP2001/010339
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Sebastian Storck
Jens Weiguny
Andreas Tenten
Original Assignee
Basf Aktiengesellschaft
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/16Reducing
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J27/00Catalysts comprising the elements or compounds of halogens, sulfur, selenium, tellurium, phosphorus or nitrogen; Catalysts comprising carbon compounds
    • B01J27/14Phosphorus; Compounds thereof
    • B01J27/186Phosphorus; Compounds thereof with arsenic, antimony, bismuth, vanadium, niobium, tantalum, polonium, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, technetium or rhenium
    • B01J27/195Phosphorus; Compounds thereof with arsenic, antimony, bismuth, vanadium, niobium, tantalum, polonium, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, technetium or rhenium with vanadium, niobium or tantalum
    • B01J27/198Vanadium
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C51/00Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides
    • C07C51/16Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides by oxidation
    • C07C51/21Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides by oxidation with molecular oxygen
    • C07C51/215Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides by oxidation with molecular oxygen of saturated hydrocarbyl groups

Definitions

  • the present invention relates to a catalyst precursor containing vanadium, phosphorus and oxygen, and to a process for its preparation for the production of maleic anhydride by heterogeneous catalytic gas-phase oxidation of a hydrocarbon with at least four carbon atoms, by reacting a pentavalent vanadium compound with a pentavalent phosphorus. Compound in the presence of a reducing alcohol.
  • the present invention relates to a vanadium, phosphorus and oxygen-containing catalyst and a process for its production using the catalyst precursor according to the invention.
  • the present invention further relates to a process for the preparation of maleic anhydride by heterogeneously catalyzed gas-phase oxidation of a hydrocarbon having at least four carbon atoms using the catalyst according to the invention.
  • Maleic anhydride is an important intermediate in the synthesis of ⁇ -butyrolactone, tetrahydrofuran and 1,4-butanediol, which in turn are used as solvents or, for example, to give polymers such as polytetrahydrofuran or polyvinyl
  • the catalyst precursor containing vanadium, phosphorus and oxygen is generally prepared by simultaneous or successive reaction of the three components pentavalent vanadium compound, pentavalent phosphorus compound and reducing agent and subsequent isolation.
  • US Pat. No. 4,315,864 discloses the use of olefinic alcohols such as allyl alcohol, methallyl alcohol 45 and crotyl alcohol as reducing agents.
  • olefinic alcohols such as allyl alcohol, methallyl alcohol 45 and crotyl alcohol
  • the reduction of the five-valent vanadium by Heating under reflux can take place either before or after the addition of the five-valent phosphorus compound.
  • U.S. Patent 4,016,105 describes the reduction of the five-valent vanadium by refluxing in aqueous solution in the presence of a five-valent phosphorus compound, a secondary alcohol and a coreductant.
  • the aldehydes formaldehyde and acetaldehyde and reducing carboxylic acids are mentioned as suitable co-reducing agents.
  • US Pat. No. 4,632,915 describes the preparation of an iron- and lithium-promoted catalyst precursor in the presence of methanol, ethanol, 1-propanol or a secondary alcohol while introducing offgas as the coreductant.
  • US Pat. No. 5,158,923 discloses the preparation of a promoted catalyst precursor by reducing and dissolving vanadium pentoxide with hydrogen chloride or hydrogen bromide gas in an alcoholic reducing agent in the presence of the promoter compounds.
  • the catalyst precursor was then precipitated by adding phosphoric acid and heating under reflux, some of the alcohol being distilled off.
  • Primary and secondary alcohols are mentioned as alcoholic reducing agents.
  • the coreduction agents mentioned are very corrosive and therefore require a considerable amount of equipment.
  • US Pat. No. 4,668,652 teaches a special variant for the preparation of the catalyst precursor, in which the phosphorus compound is first placed in an alcoholic solvent and heated under reflux and then the vanadium compound which is likewise suspended in an alcoholic solvent is continuously added within 0 , 5 to 4 hours is added, the water of reaction being continuously drawn off.
  • C 1 -C 6 -alkanols are mentioned as alcoholic solvents.
  • the continuous The addition of the vanadium compound is complicated because an additional template and metering device are required.
  • pages 161 to 171 describe a two-stage preparation of the catalyst precursor in which, in a first stage, VOP0 .2 H 2 0 is synthesized by reaction of vanadiurapentoxide with 85% phosphoric acid in an aqueous medium by heating under reflux and by filtration and washing with water and acetone was isolated and in a second stage suspended in an alcohol by heating under reflux to the precursor VOHPO -0.5 H 2 0 and isolated by renewed filtration and drying.
  • Primary and secondary C4 to C10-A1 canoles were used as alcohols.
  • the object of the present invention was to find a process for the preparation of a vanadium, phosphorus and oxygen-containing catalyst precursor for the production of maleic anhydride by heterogeneous gas-phase oxidation of a hydrocarbon with at least four carbon atoms, which no longer has the disadvantages mentioned above only one, non-corrosive reducing agent without the addition of modifiers and coreductants leads to success, is technically simple to carry out in a one-step synthesis and which, after a preforming which is also technically easy to carry out, leads to a catalyst of high activity and high selectivity.
  • a process for the preparation of a vanadium, phosphorus and oxygen-containing catalyst precursor for the production of maleic anhydride by heterogeneous gas-phase oxidation of a hydrocarbon having at least four carbon atoms, by reacting a five-valent vanadium compound with a five-valent phosphorus compound in the presence of a reducing alcohol found, which is characterized in that one (i) as a reducing alcohol, an alcohol of the general formula (I)
  • radicals R 1 and R 2 independently of one another, are hydrogen, C 1 -C 9 -alkyl or C 1 -C 9 -hydroxyalkyl and the radical R is C 1 -C 6 -alkyl or C 1 -C 6 -hydroxyalkyl,
  • reaction is carried out without the addition of modifiers and coreductants selected from the series consisting of hydrogen halide, sulfur dioxide, fuming sulfuric acid and surfactants, and
  • the reducing alcohol to be used in the process according to the invention is characterized by the general formula (I)
  • Ci to Cg-alkyl radicals and C ⁇ ⁇ to Cg-hydroxyalkyl radicals can be unbranched or branched.
  • C 1 -C 6 -alkyl radicals are methyl, ethyl, propyl, 1-methylethyl, butyl, 1-methyl-propyl, 2-methylpropyl, 1, 1-dimethylethyl, pentyl, 1-methylbutyl, 2-methylbutyl , 3-methylbutyl, 2, 2-dimethylpropyl, 1-ethylpropyl, hexyl, 1, 1-dimethylpropyl, 1,2-dimethylpropyl, 1-methylpentyl, 2-methylpentyl, 3-methylpentyl, 4-methylpentyl, 1,1-dimethylbutyl , 1,2-dimethylbutyl, 1, 3-dimethylbutyl, 2,2-dimethylbutyl, 2, 3-dimethylbutyl, 3, 3-dimethylbutyl, 1-ethylbutyl, 2-ethylbutyl, 1, 1, 2-trimethylpropyl, 1st , 2, 2-trimethylpropyl, 1-
  • C_ to C 9 hydroxyalkyl radicals are hydroxymethyl, 2-hydroxyethyl, 3-hydroxypropyl, 4-hydroxybutyl, 5-hydroxypentyl, 6-hydroxyhexyl, 7-hydroxyheptyl, 8-hydroxyoxyctyl and 9-hydroxynonyl ,
  • Alcohols of the formula (I) are preferably used in which the radicals R 1 and R independently of one another are hydrogen or C 1 -C 4 -alkyl and the radical R 3 is unbranched C 1 -C 4 -alkyl.
  • the alcohols used with preference are 1-butanol, 1-pentanol (amyl alcohol), 1-hexanol, 1-heptanol, 1-octanol, 1-nonanol, 1-decanol, 3-methyl-1-butanol (isoamyl alcohol) , 3-methyl-1-pentanol, 3-methyl-1-hexanol, 3-methyl-1-heptanol, 3-methyl-1-octanol, 3-methyl-1-nonanol, 3-methyl-1 -decanol, 3,3-dimethyl-1-butanol, 3, 3-dimethyl-1-pentanol, 3, 3-dimethyl-1-hexanol, 3, 3-dimethyl-1-heptanol, 3,
  • the alcohols 1-butanol, 1-pentanol (amyl alcohol), 1-hexanol, 1-heptanol, 1-octanol, 1-noanol, 1-decanol and 3-methyl-1-butanol (isoamyl alcohol) are particularly preferably used.
  • the alcohols 1-butanol, 1-pentanol (amyl alcohol), 1-hexanol and 3-methyl-1-butanol (isoamyl alcohol), in particular 1-butanol and 1-pentanol, are very particularly preferred.
  • the reaction of the five-valent vanadium compound with the five-valent phosphorus compound in the presence of the alcohol mentioned is chosen from the series of hydrogen halide, specifically hydrogen chloride, hydrogen bromide and hydrogen iodide, sulfur dioxide, without the addition of modifiers and coreductants. smoking
  • the pentavalent vanadium compound, the pentavalent phosphorus compound and the reducing alcohol are combined, as a rule subsequently formed by heating the catalyst precursor and isolating it.
  • the oxides, the acids and the inorganic and organic salts which contain pentavalent vanadium, or ren mixtures.
  • vanadium pentoxide VOs
  • ammonium metavanadate NH 4 V0 3
  • ammonium polyvanadate (NH) 2 6 0i 6 )
  • vanadium pentoxide V 2 O 5
  • the five-valent vanadium compounds present as a solid are used in the form of a powder, preferably in a grain size range from 50 to 500 ⁇ m. If significantly larger particles are present, the solid is crushed and, if necessary, sieved. Suitable devices are, for example, ball mills or planetary mills.
  • phosphorus pentoxide P 2 O 5
  • orthophosphoric acid H 3 P0
  • pyrophosphoric acid HP 2 0
  • the content of the compounds and mixtures mentioned is usually given in% by weight, based on H3P04.
  • the use of 80 to 110% HP0 is preferred, particularly preferably 95 to 110% H 3 P0 4 and very particularly preferably 100 to 105% H 3 P0.
  • the joining of the three components of pentavalent vanadium compound, pentavalent phosphorus compound and reducing alcohol can be done in different ways in the method according to the invention.
  • the assembly is carried out in the reaction apparatus suitable for the subsequent reaction, for example a stirred kettle, in a temperature range from 0 to 50 ° C., preferably ambient temperature. Temperature increases are possible through the release of heat from the mixture.
  • the reducing alcohol is placed in the reactor and the pentavalent vanadium compound is added, preferably with stirring. Then the pentavalent phosphorus compound, which can optionally be diluted with a further subset of the reducing alcohol, is added. If the entire amount of the reducing alcohol has not yet been added, the part still missing can also be added to the reaction apparatus.
  • the reducing alcohol and the pentavalent phosphorus compound are placed in the reactor and the pentavalent vanadium compound is added, preferably with stirring.
  • liquid diluent can also be added.
  • examples are alcohols and in small amounts Called water.
  • the process according to the invention is preferably carried out without the addition of a diluent.
  • the relative molar ratio of the pentavalent phosphorus compound to be added to the pentavalent vanadium compound to be added is generally adjusted according to the desired ratio in the catalyst precursor.
  • the molar phosphorus / vanadium ratio in the reaction mixture for the preparation of the catalyst precursor is preferably 1.1 to 1.5 and particularly preferably 1.15 to 1.3.
  • the amount of the reducing alcohol to be added must be above the stoichiometrically required amount for the reduction of the vanadium from the oxidation level +5 to an oxidation level in the range +3.5 to +4.5. If, as in the preferred variant, no so-called liquid diluent is added, the amount of the reducing alcohol to be added is to be dimensioned at least in such a way that a slurry can be formed with the five-valent vanadium compound which is mixed intimately of the five-valued phosphorus compound to be added.
  • the molar alcohol / vanadium ratio is 5 to 15 and preferably 6 to 9.
  • the slurry is heated to react the compounds mentioned and form the catalyst precursor.
  • the temperature range to be selected depends on various factors, in particular the boiling point of the alcohol added. In general, a temperature of 50 to 200 ° C., preferably 100 to 200 ° C., is set.
  • the volatile compounds, such as water, the reducing alcohol and its degradation products, such as aldehyde or carboxylic acid evaporate from the reaction mixture and can either be removed or partially or completely condensed and recycled. Partial or complete recycling by heating under reflux is preferred. Complete recycling is particularly preferred.
  • the reaction at elevated temperature generally takes several hours and is dependent on many factors, such as the type of components added, the temperature.
  • the properties of the catalyst precursor can also be set and influenced in a certain range by means of the temperature and the selected heating duration.
  • the parameters of temperature and time can easily be optimized for an existing system with just a few tests.
  • the isolated catalyst precursor can be processed unwashed or washed.
  • the isolated catalyst precursor is preferably washed with a suitable solvent in order, for example, to remove alcohol still adhering to it or its degradation products.
  • suitable solvents are, for example, alcohols (e.g. methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol), aliphatic and / or aromatic hydrocarbons (e.g. pentane, hexane, benzine, benzene, toluene, xylenes), ketones (e.g.
  • 2-propanone ( Acetone), 2-butanone, 3-pentanone, ethers (for example 1, 2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran, 1,4-dioxane) or mixtures thereof If the catalyst precursor is washed, 2-propanone and / or methanol and methanol is particularly preferably used.
  • the solid is generally dried.
  • the drying can be carried out under different conditions. They are generally carried out in the range from vacuum to atmospheric pressure.
  • the drying temperature is generally 30 to 250 ° C, whereby drying under vacuum compared to drying under atmospheric pressure can often use lower temperatures.
  • the gas atmosphere which may protrude during drying can contain oxygen, water vapor and / or inert gases such as nitrogen, carbon dioxide or noble gases. Drying is preferably carried out at a pressure of 1 to 30 kPa abs and a temperature of 50 to 200 ° C. under an oxygen-containing or oxygen-free residual gas atmosphere, such as, for example, air or nitrogen.
  • the catalyst precursor which can be prepared by the process according to the invention can also contain so-called promoters.
  • promoters The elements of the 1st to 15th group of the periodic table and their compounds are mentioned as suitable promoters. Suitable promoters are described, for example, in the published documents WO 97/12674 and WO 95/26817 and in the patents US Pat. No. 5,137,860, US Pat. No. 5,296,436, US Pat. No. 5,158,923 and US Pat. No. 4,795,818.
  • Preferred promoters are compounds of the elements cobalt, molybdenum, iron, zinc, hafnium, Zirconium, lithium, titanium, chromium, manganese, nickel, copper, boron, silicon, antimony, tin, niobium and bismuth, particularly preferably molybdenum, iron, zinc, antimony, bismuth, lithium.
  • the promoted catalyst precursor according to the invention can contain one or more promoters.
  • the total content of promoters is generally not more than about 5% by weight, in each case as oxide and calculated in the annealed state of the catalyst precursor.
  • the promoter is generally added in the form of an inorganic or organic salt when the five-valent vanadium compound, the five-valent phosphorus compound and the reducing alcohol are combined.
  • Suitable promoter compounds are, for example, the acetates, acetylacetonates, oxalates, oxides or alkoxides of the aforementioned promoter metals, such as cobalt (II) acetate, cobalt (II) acetylacetonate, cobalt (II) chloride, molybdenum (VI) oxide, molybdenum (III) chloride, iron (III) acetylacetonate, iron (III) chloride, zinc (II) oxide, zinc (II) acetylacetonate, lithium chloride, lithium oxide, bismuth (III) chloride , Bismuth (III) ethyl hexanoate, nickel (II) ethyl he
  • the desired amounts of vanadium pentoxide powder and 1-butanol are placed in a stirred tank and the reactor contents are slurried by stirring. Now the desired amount of phosphoric acid, which is preferably mixed with further 1-butanol, is added to the stirred slurry. The resulting vanadium, phosphorus, and alcohol-containing slurry is refluxed and held at the desired temperature for several hours. The reaction mixture is then cooled with further stirring and placed on a suction filter. The filtered catalyst precursor is then washed with methanol and dried at a negative pressure of 1 to 30 kPa abs, preferably 1 to 2 kPa abs at 50 to 200 ° C., preferably 50 to 100 ° C.
  • the catalyst precursor obtainable by the process according to the invention is distinguished by a high proportion of the outer [001] surface of the VOHPO .0.5 H 2 0 phase. According to the explanations in E. Bordes et al., Catalysis Today 16, 1993, pages 27 to 38, this changes into the so-called preforming of the catalyst precursor by a temperature treatment
  • [100] surface of the (VO) 2 P0 7 phase of the finished catalyst The [100] surface of the (VO) 2 P 2 0 7 phase applies according to E. Bordes et al., Catalysis Today 16, 1993, pages 27 to 38 and K. Inumaru et al., Chemistry Letters 1992, pages 1955 to 1958 as a highly selective surface for the oxidation of n-butane to maleic anhydride. Due to the high proportion of the [100] surface of the (VO) 2 P 2 ⁇ 7 ⁇ P ⁇ ⁇ ase, the catalyst according to the studies by IJ Ellison et al. , J. Chem. Soc. Chem. Commun., 1994, pages 1093 to 1094 and GJ Hutchings et al. , Catalysis Today 33, 1997, pages 161 to 171 also have a high BET surface area, which requires high activity.
  • the catalyst precursor obtainable according to the invention thus represents a selectivity and activity-determining precursor of a catalyst which has a high selectivity and a high activity in the oxidation of hydrocarbons to maleic anhydride.
  • the process for producing the catalyst precursor can be carried out in a technically simple manner by assembling all the components and then heating and isolating them in one step and does completely without any modifiers, coreductants or other auxiliaries.
  • the reaction mixture is not corrosive. This has advantages in the safety-related and material design of the apparatus as well as in handling the starting materials and the reaction mixture.
  • a catalyst precursor for the production of maleic anhydride by heterogeneously catalyzed gas-phase oxidation of a hydrocarbon with at least four carbon atoms was found, which can be obtained by the process according to the invention described above.
  • the catalyst precursor according to the invention has the properties and advantages listed above.
  • the invention furthermore relates to a process for the preparation of a vanadium, phosphorus and oxygen-containing catalyst for the production of maleic anhydride by heterogeneously catalyzed gas-phase oxidation of a hydrocarbon having at least four carbon atoms, by treatment of a vanadium, phosphorus and oxygen-containing catalyst precursor in at least an atmosphere comprising oxygen (0 2 ), hydrogen oxide (H 2 0) and / or inert gas in a temperature range from 250 to 600 ° C, which is characterized in that a catalyst precursor according to the invention is used as the catalyst precursor as described above.
  • the catalyst precursor according to the invention is preformed in at least one atmosphere, comprising oxygen (0 2 ), hydrogen oxide (H 2 0) and / or inert gas in a temperature range from 250 to 600 ° C.
  • the preforming can be carried out either directly with the powdered catalyst precursor or with the catalyst precursor obtained after shaping. Preforming the catalyst precursor after shaping is preferred.
  • the preforming can be carried out batchwise, for example in a shaft furnace, tray furnace, muffle furnace or heating cabinet, or continuously, for example in a rotary tube, belt calcining furnace or rotary ball furnace. It can contain successively different sections with regard to the temperature, such as heating, keeping the temperature constant or cooling, and successively different sections with regard to the atmospheres, such as, for example, oxygen-containing, water vapor-containing, oxygen-free gas atmospheres.
  • Suitable preforming processes are described, for example, in the patents US 5,137,860 and US 4,933,312 and the published patent application EP-A 0 756 518, to which reference is expressly made, however, without limitation.
  • the shaping which is preferably carried out before the preforming and thus with the catalyst precursor powder, can be carried out in various ways, such as, for example, the extrusion of the pasted catalyst precursor powder or the tableting. Tableting is preferred.
  • the catalyst precursor powder is generally mixed with a tabletting aid and, if appropriate, with a pore former, and mixed thoroughly.
  • the catalyst is preferably prepared without the addition of a pore former.
  • Tableting aids are generally catalytically inert and improve the tabletting properties of the catalyst precursor powder, for example by increasing the sliding and free-flowing properties.
  • Graphite may be mentioned as a suitable and preferred tabletting aid.
  • the tabletting aids added generally remain in the activated catalyst, typically the The content of tableting aid in the finished catalyst is about 2 to 6% by weight.
  • Pore formers are substances that are used for the targeted adjustment of the pore structure in the macroporous area. In principle, they can be used regardless of the molding process. As a rule, these are compounds containing carbon, hydrogen, oxygen and / or nitrogen, which are added before shaping and are largely removed again in the subsequent preforming of the catalyst with sublimation, decomposition and / or evaporation. Suitable pore formers are stearic acid, ammonium carbonate, ammonium oxalate, ammonium carbonate, ammonium hydrogen carbonate, ammonium acetate, ammonium formate, melamine and polyoxymethylene. The finished catalyst can nevertheless contain residues or decomposition products of the pore former.
  • the catalyst precursor powder mixed with a tabletting aid and optionally a pore former is preferably pre-compressed in a tablet press.
  • the pre-compressed particles are then ground into granules in a mill and shaped into shaped bodies in a tablet press.
  • Ring tablets are preferably produced, since they have a larger outer surface than corresponding tablets and thus have clear advantages with regard to activity and pressure loss in the reactor.
  • the catalyst precursor powder is intensively mixed with about 2 to 4% by weight of graphite as a lubricant and pre-compressed in a tablet press.
  • the pre-compressed particles are ground in a mill to form granules with a particle diameter of approximately 0.2 to 1.0 mm and formed into rings in a ring tablet press.
  • the catalyst precursor powder is mixed intensively with about 2 to 4% by weight of graphite as a lubricant and additionally with 5 to 20% by weight of a pore former and further treated as described above and shaped into rings ,
  • the discontinuous preforming of the shaped, pore former-free catalyst precursor it is heated in a tubular or rotary tube oven under an air atmosphere to about 350 to 400 ° C. and left at this temperature for about 1 hour. It is then switched to a nitrogen-water vapor atmosphere, at about 400 to 450 ° C heated up and left under these conditions for a further 2 to 6 hours. Finally, the finished catalyst is cooled to room temperature.
  • the latter is heated in a belt calcining oven to about 350 to 400 ° C. in an air atmosphere and left at this temperature for about 1 hour. It is then switched to a nitrogen-water vapor atmosphere, heated to about 400 to 450 ° C. and left under these conditions for a further 2 to 6 hours. Finally, the finished catalyst is cooled to room temperature.
  • the catalyst obtainable according to the invention has a high selectivity and a high activity in the oxidation of hydrocarbons open to maleic anhydride and is technically simple to produce from the catalyst precursor according to the invention by preforming at elevated temperature.
  • the catalysts according to the invention preferably have a phosphorus / vanadium atom ratio of 0.9 to 1.5, particularly preferably 0.9 to 1.2 and very particularly preferably 1.0 to 1.2.
  • the average oxidation state of the vanadium is preferably +3.9 to +4.4 and particularly preferably 4.0 to 4.3.
  • the catalysts of the invention preferably have a BET surface area of 10 to 50 m 2 / g and particularly preferably 15 to 30 m 2 / g. They preferably have a pore volume of 0.1 to 0.5 ml / g and particularly preferably 0.1 to 0.3 ml / g.
  • the bulk density of the catalysts according to the invention is preferably 0.5 to 1.5 kg / 1 and particularly preferably 0.5 to 1.0 kg / 1.
  • the catalyst according to the invention has the properties and advantages listed above.
  • the invention furthermore relates to a process for the preparation of maleic anhydride by heterogeneously catalytic gas-phase oxidation of a hydrocarbon having at least four carbon atoms with gases containing oxygen, which is characterized in that the catalyst according to the invention is used as described above.
  • Tube-bundle reactors are generally used in the process according to the invention for the production of maleic anhydride.
  • a tube bundle reactor in turn consists of at least one reactor tube which is surrounded by a heat transfer medium for heating and / or cooling.
  • the tube bundle reactors used industrially contain a few hundred to several tens of thousands of reactor tubes connected in parallel.
  • the hydrocarbons in the process according to the invention are aliphatic and aromatic, saturated and unsaturated hydrocarbons with at least four carbon atoms, such as, for example, 1,3-butadiene, 1-butene, 2-cis-butene, 2-trans-butene, n-butane , C mixture, 1, 3-pentadiene, 1, 4-pentadiene, 1-pentene, 2-cis-pentene, 2-trans-pentene, n-pentane, cyclopentadiene, dicyclopentadiene, cyclopentene, cyclopentane, C5 mixture , Hexenes, hexanes, cyclohexane and benzene.
  • n-butane 1-Butene, 2-cis-butene, 2-trans-butene, n-butane, benzene or mixtures thereof are preferably used.
  • the use of n-butane and n-butane-containing gases and liquids is particularly preferred.
  • the n-butane used can originate, for example, from natural gas, steam crackers or FCC crackers.
  • the addition of the hydrocarbon is generally quantity-controlled, i.e. with constant specification of a defined quantity per unit of time.
  • the hydrocarbon can be metered in liquid or gaseous form. Dosing in liquid form with subsequent evaporation before entry into the tube bundle reactor is preferred.
  • Oxygen-containing gases such as air, synthetic air, an oxygen-enriched gas or so-called "pure", i.e. e.g. Oxygen from air separation is used.
  • the oxygen-containing gas is also added in a quantity-controlled manner.
  • the gas to be passed through the tube bundle reactor generally contains inert gas.
  • the proportion of inert gas is usually 50 to 95% by volume at the start.
  • Inert gases are all gases that do not directly contribute to the formation of maleic anhydride, such as nitrogen, noble gases, carbon monoxide, carbon dioxide, water vapor, oxygenated and non-oxygenated hydrocarbons with less than four carbon atoms (e.g. methane, ethane, propane, methanol, Formaldehyde, formic acid, ethanol, acetyaldehyde, acetic acid, propanol, propionaldehyde, propionic acid, acrolein, Crotonaldehyde) and their mixtures.
  • maleic anhydride such as nitrogen, noble gases, carbon monoxide, carbon dioxide, water vapor, oxygenated and non-oxygenated hydrocarbons with less than four carbon atoms (e.g. methane, ethane, propane, methanol, Formaldeh
  • the inert gas is introduced into the system via the oxygen-containing gas.
  • further inert gases separately. Enrichment with further inert gases, which can originate, for example, from the partial oxidation of the hydrocarbons, is possible via a partial recycling of the reaction effluent that may have been prepared.
  • a volatile phosphorus compound is preferably added to the gas in the process according to the invention.
  • Their concentration at the beginning, ie at the reactor inlet is at least 0.2 ppm by volume, ie 0.2-10 ⁇ 6 parts by volume of the volatile phosphorus compounds, based on the total volume of the gas at the reactor inlet.
  • a content of 0.2 to 20 ppm by volume is preferred, particularly preferably 0.5 to 10 ppm by volume.
  • Volatile phosphorus compounds are understood to be all those phosphorus-containing compounds which are present in the desired concentration in gaseous form under the conditions of use. For example, compounds of the general formulas (II) and (III) may be mentioned
  • X 1 , X 2 and X 3 independently of one another hydrogen, halogen, Ci to Cg alkyl, C 3 to Cg cycloalkyl, Cg to Cio aryl, C ⁇ to Cg alkoxy, C 3 to Cg Cycloalkoxy and Cg to Cio Aroxy mean.
  • Compounds of the formula (IV) are preferred
  • R 1 , R 2 and R 3 independently of one another are hydrogen, C 1 -C 6 -alkyl, C 3 -C 6 -cycloalkyl and Cg- to C 0 -aryl.
  • Particularly preferred are the compounds of formula (III) in which R 1 , R 2 and R 3 independently of one another are C 1 -C 4 -alkyl, for example methyl, ethyl, propyl, 1-methylethyl, butyl, 1-methylpropyl, 2-methylpropyl and 1, 1-dimethylethyl.
  • Trimethyl phosphate, triethyl phosphate and tri-propyl phosphate, in particular triethyl phosphate are very particularly preferred.
  • the process according to the invention is generally carried out at a temperature of 350 to 480 ° C.
  • the temperature mentioned is understood to mean the temperature of the catalyst bed located in the tube bundle reactor, which would be present in the absence of a chemical reaction if the process were carried out. If this temperature is not exactly the same at all points, the term means the number average of the temperatures along the reaction zone. In particular, this means that the true temperature present on the catalyst can also lie outside the stated range due to the exothermic nature of the oxidation reaction.
  • the process according to the invention is preferably carried out at a temperature of 380 to 460 ° C., particularly preferably 380 to 430 ° C.
  • the process according to the invention can be carried out at a pressure below normal pressure (e.g. up to 0.05 MPa abs) as well as above normal pressure (e.g. up to 10 MPa abs).
  • a pressure of 0.1 to 1.0 MPa abs is preferred, particularly preferably 0.1 to 0.5 MPa abs.
  • the process according to the invention can be carried out in two preferred process variants, the variant with "straight passage” and the variant with "return”.
  • the "straight pass” maleic anhydride and possibly oxygenated hydrocarbon by-products are removed from the reactor discharge and the remaining gas mixture is discharged and, if necessary, thermally utilized.
  • the "recycle” maleic anhydride and possibly oxygenated hydrocarbon by-products are also removed from the reactor discharge, and the remaining gas mixture, which contains unreacted hydrocarbon, is returned in whole or in part to the reactor.
  • Another variant of the "recycling” is the removal of the unreacted hydrocarbon and its recycling to the reactor.
  • n-butane is used as the starting hydrocarbon and the heterogeneous catalytic gas phase oxidation is carried out “straight through” on the catalyst according to the invention.
  • Air as gas containing oxygen and inert gas is fed into the feed unit in a quantity-controlled manner.
  • the quantity of n-butane is also regulated, but is preferably supplied in liquid form via a pump and evaporated in the gas stream.
  • the ratio between the amounts of n-butane and oxygen supplied is generally adjusted according to the exothermic nature of the reaction and the desired space / time yield and is therefore dependent, for example, on the type and amount of the catalyst.
  • trialkyl phosphate is preferably added to the gas stream as a volatile phosphorus compound in a quantity-controlled manner.
  • the volatile phosphorus compound can be added, for example, undiluted or diluted in a suitable solvent, for example water.
  • the required amount of the phosphorus compound depends on various parameters, for example the type and amount of the catalyst or the temperatures and pressures in the system, and must be adapted for each system.
  • the gas flow is passed through a static mixer for thorough mixing and through a heat exchanger for heating.
  • the mixed and preheated gas stream is now passed to the tube bundle reactor in which the catalyst according to the invention is located.
  • the tube bundle reactor is advantageously heated by a molten salt circuit.
  • the temperature is set such that a conversion of 75 to 90% per reactor pass is preferably achieved.
  • the product gas stream originating from the tube bundle reactor is cooled down in a heat exchanger and fed to the unit for separating the maleic anhydride.
  • the unit contains at least one apparatus for the absorptive removal of the maleic anhydride and optionally the oxygenated hydrocarbon by-products. Suitable apparatuses are, for example, containers filled with an absorption liquid through which the cooled discharge gas is passed or apparatuses in which the absorption liquid is sprayed into the gas stream.
  • the maleic anhydride-containing solution is discharged from the plant for further processing or for isolation of the valuable product.
  • the remaining gas stream is also discharged from the plant and, if necessary, fed to a unit for recovering the unreacted n-butane.
  • the process according to the invention using the catalysts according to the invention enables a high hydrocarbon load on the catalyst with a high conversion as a result of high activity.
  • the method according to the invention also enables high selectivity, a high yield and therefore also a high space / time yield of maleic anhydride.
  • the seven catalyst precursors A to G were prepared according to the following procedure.
  • Vanadium pentoxide powder with an average grain size of 120 ⁇ (manufacturer GfE, Nuremberg, Germany) was suspended in 1700 mL of the alcohol mentioned with stirring in a cylindrical 5 L flat-ground agitator. The amount of vanadium pentoxide powder added was calculated so that the molar alcohol / V205 ratio was 27.5. To this slurry, a solution consisting added 100% phosphoric acid 'in 300 ml of said alcohol. The amount of phosphoric acid added was calculated so that the molar H 3 P0 4 / V 2 ⁇ 5 ratio was 2.4. The slurry was refluxed for 21 hours and then cooled to room temperature. The resulting precipitate was filtered off, washed with methanol and dried in vacuo at 50 ° C. for 48 hours.
  • the two crystallographic surfaces of interest could be assigned from the X-ray diffraction diagram as follows: the signal of the [001] surface corresponds to a 2 ⁇ value of approximately 15.5 °, the signal of the [220] surface has a 2 ⁇ value of approximately 30.5 °. The results obtained are shown in Table 1.
  • the diffraction intensity represents a certain measure for the layers lying one above the other in the crystal structure, one can directly compare two X-ray diffraction diagrams with a low intensity to a smaller number of layers one above the other and with a high intensity to a higher one
  • the catalyst precursors A, C, F * and G * were further processed into the catalysts as follows.
  • the corresponding catalyst precursor powder was mixed with 3% by weight of graphite, mixed thoroughly and formed into 5x3x2 rings in a tablet press (outer diameter x height x diameter of the inner hole; in each case in mm).
  • the rings were then heated in a tube furnace under air with a heating rate of 7.5 ° C / min first to 250 ° C, then with a heating rate of 2 ° C / min to 285 ° C and at this temperature for 10 minutes leave.
  • the gas atmosphere was then switched from air to nitrogen / water (molar ratio 1: 1), heated to 425 ° C. and left under these conditions for 3 hours. Finally, the mixture was cooled to room temperature under nitrogen.
  • a catalytic test was carried out in a test facility with catalysts A, C, F * and G *.
  • the test facility was equipped with a feed metering unit and an electrically heated reactor tube.
  • the length of the reaction tube was 30 cm and the inside diameter of the reactor tube was 11 mm.
  • 12 g of catalyst in the form of a grit of grain size 0.7 to 1.0 mm were mixed with the same volume of inert material (steatite balls) and filled into the reaction tube. The remaining empty volume was filled with further inert material (steatite balls).
  • the reactor was operated in a "straight pass”.
  • the reactor pressure was 0.1 MPa abs.
  • n-Butane was evaporated and metered in gaseous quantities.
  • the test facility was operated with a GHSV of 2400 h _1 , an n-butane concentration of 1.4% by volume and a water content of 1.0% by volume.
  • the resulting product gas was analyzed by gas chromatography.
  • Table 3 shows the data obtained after a running time of 600 hours.

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Abstract

The invention relates to a method for producing a catalyst precursor containing vanadium, phosphorus and oxygen, for producing maleic acid anhydride by heterogeneously catalytic gas phase oxidation of a hydrocarbon with at least four carbon atoms, by reacting a pentavalent vanadium compound with a pentavalent phosphorus compound in the presence of an alcohol with a reducing action. According to the inventive method, (i) the alcohol with the reducing action is an alcohol of general formula (I), wherein the radicals R1 and R2, independently of each other, mean hydrogen, C1-to C9-alkyl or C1- to C9-hydroxyalkyl and the radical R3 means C1-to C9-alkyl or C1- to C9-hydroxyalkyl; (ii) the reaction is carried out without adding modifiers and co-reduction agents selected from the following series: hydrogen halide, sulphur dioxide, fuming sulphuric acid and tensides; and (iii) bringing together the pentavalent vanadium compound, the pentavalent phosphorus compound and the alcohol with the reducing action, forming the catalyst precursor by heating and isolating the same. The invention also relates to a catalyst precursor that can be obtained using this method, to a method for producing a catalyst from the catalyst precursor, to a catalyst that can be obtained using this method and to a method for producing maleic acid anhydride on this catalyst.

Description

Katalysator-Precursor für die Herstellung von Maleinsäureanhydrid Catalyst precursor for the production of maleic anhydride
Beschreibung 5Description 5
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vanadium, Phosphor und Sauerstoff enthaltenden Katalysator-Precursor sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung für die Herstellung von Maleinsäureanhydrid durch heterogenkatalytische Gasphasenoxidation eines Kohlenwas- 10 serstoffs mit mindestens vier Kohlenstoffatomen, durch Umsetzung einer funfwertigen Vanadium-Verbindung mit einer funfwertigen Phosphor-Verbindung in Gegenwart eines reduzierend wirkenden Alkohols .The present invention relates to a catalyst precursor containing vanadium, phosphorus and oxygen, and to a process for its preparation for the production of maleic anhydride by heterogeneous catalytic gas-phase oxidation of a hydrocarbon with at least four carbon atoms, by reacting a pentavalent vanadium compound with a pentavalent phosphorus. Compound in the presence of a reducing alcohol.
15 Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung einen Vanadium, Phosphor und Sauerstoff enthaltenden Katalysator sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung unter Einsatz des erfindungsgemäßen Katalysator-Precursors .Furthermore, the present invention relates to a vanadium, phosphorus and oxygen-containing catalyst and a process for its production using the catalyst precursor according to the invention.
20 Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Maleinsäureanhydrid durch heterogenkatalytische Gasphasenoxidation eines Kohlenwasserstoffs mit mindestens vier Kohlenstoffatomen unter Einsatz des erfindungsgemäßen Katalysators .The present invention further relates to a process for the preparation of maleic anhydride by heterogeneously catalyzed gas-phase oxidation of a hydrocarbon having at least four carbon atoms using the catalyst according to the invention.
2525
Maleinsäureanhydrid ist ein wichtiges Zwischenprodukt bei der Synthese von γ-Butyrolacton, Tetrahydrofuran und 1, 4-Butandiol, welche ihrerseits als Lösungsmittel eingesetzt werden oder beispielsweise zu Polymeren, wie Polytetrahydrofuran oder Polyvinyl-Maleic anhydride is an important intermediate in the synthesis of γ-butyrolactone, tetrahydrofuran and 1,4-butanediol, which in turn are used as solvents or, for example, to give polymers such as polytetrahydrofuran or polyvinyl
30 pyrrolidon weiterverarbeitet werden.30 pyrrolidone to be processed.
Die Herstellung des Vanadium, Phosphor und Sauerstoff enthaltenden Katalysator-Precursors erfolgt im allgemeinen durch simultane oder sukzessive Umsetzung der drei Komponenten fünfwertige Vana- 35 dium-Verbindung, fünfwertige Phosphor-Verbindung und reduzierendes Agens und anschließender Isolierung.The catalyst precursor containing vanadium, phosphorus and oxygen is generally prepared by simultaneous or successive reaction of the three components pentavalent vanadium compound, pentavalent phosphorus compound and reducing agent and subsequent isolation.
Das US-Patent 4,333,853 beschreibt die Herstellung des Katalysator-Precursors durch Aufschlämmen von Vanadiumpentoxid in 40 100%-iger Phosphorsäure und Isobutanol, Erhitzen unter Rückfluß und anschließender Isolierung des Precursors durch Filtration.US Pat. No. 4,333,853 describes the preparation of the catalyst precursor by slurrying vanadium pentoxide in 40% 100% phosphoric acid and isobutanol, heating under reflux and subsequent isolation of the precursor by filtration.
Das US-Patent 4,315,864 offenbart als Reduktionsmittel den Einsatz olefinischer Alkohole, wie Allylalkohol, Methallylalkohol 45 und Crotylalkohol. Die Reduktion des funfwertigen Vanadiums durch Erhitzen unter Rückfluß kann sowohl vor oder nach Zugabe der funfwertigen Phosphor-Verbindung erfolgen.US Pat. No. 4,315,864 discloses the use of olefinic alcohols such as allyl alcohol, methallyl alcohol 45 and crotyl alcohol as reducing agents. The reduction of the five-valent vanadium by Heating under reflux can take place either before or after the addition of the five-valent phosphorus compound.
Das US-Patent 4,016,105 beschreibt die Reduktion des funfwertigen Vanadiums durch Erhitzen in wässriger Lösung unter Rückfluß in Gegenwart einer funfwertigen Phosphor-Verbindung, einem sekundären Alkohol und einem Coreduktionsmittel. Als geeignete Coreduktionsmittel sind die Aldehyde Formaldehyd und Acetaldehyd und reduzierend wirkende Carbonsäuren genannt.U.S. Patent 4,016,105 describes the reduction of the five-valent vanadium by refluxing in aqueous solution in the presence of a five-valent phosphorus compound, a secondary alcohol and a coreductant. The aldehydes formaldehyde and acetaldehyde and reducing carboxylic acids are mentioned as suitable co-reducing agents.
Im US-Patent 4,632,915 ist die Herstellung eines Eisen- und Li- thium-promotierten Katalysator-Precursors in Gegenwart von Methanol, Ethanol, 1-Propanol oder eines sekundären Alkohols unter Einleitung von Chlorwassers offgas als Coreduktionsmittel be- schrieben.US Pat. No. 4,632,915 describes the preparation of an iron- and lithium-promoted catalyst precursor in the presence of methanol, ethanol, 1-propanol or a secondary alcohol while introducing offgas as the coreductant.
Das US-Patent 5,158,923 offenbart die Herstellung eines promo- tierten Katalysator-Precursors durch Reduktion und Lösung von Va- nadiumpentoxid mit Chlor- oder Bromwasserstoffgas in einem alko- holischen Reduktionsmittel in Gegenwart der Promotor-Verbindungen. Der Katalysator-Precursor wurde anschließend durch Zugabe von Phosphorsäure und Erhitzen unter Rückfluß ausgefällt, wobei ein Teil des Alkohols abdestilliert wurde. Als alkoholische Reduktionsmittel sind primäre und sekundäre Alkohole genannt. Die genannten Coreduktionsmittel sind sehr korrosiv und erfordern somit einen erheblichen apparatetechnischen Aufwand.US Pat. No. 5,158,923 discloses the preparation of a promoted catalyst precursor by reducing and dissolving vanadium pentoxide with hydrogen chloride or hydrogen bromide gas in an alcoholic reducing agent in the presence of the promoter compounds. The catalyst precursor was then precipitated by adding phosphoric acid and heating under reflux, some of the alcohol being distilled off. Primary and secondary alcohols are mentioned as alcoholic reducing agents. The coreduction agents mentioned are very corrosive and therefore require a considerable amount of equipment.
Die US-Patente 4,560,674, 4,562,268 und 4,657,158 beschreiben die Herstellung des Katalysator-Precursor in Gegenwart eines primären oder sekundären Alkohols und eines Modifikators ausgewählt aus der Reihe Iodwasserstoff , Schwefeldioxid, rauchende Schwefelsäure und Tenside. Die Zugabe der genannten Modifikatoren hat den entscheidenden Nachteil, daß es sich bei den ersten drei Stoffen um sehr korrosive Verbindungen handelt, welche einen erheblichen ap- paratetechnischen Aufwand erfordern, und bei Einsatz der Tenside die Gefahr der Schaumbildung mit den damit verbundenen Sicherheitsrisiken besteht.US Pat. Nos. 4,560,674, 4,562,268 and 4,657,158 describe the preparation of the catalyst precursor in the presence of a primary or secondary alcohol and a modifier selected from the series consisting of hydrogen iodide, sulfur dioxide, fuming sulfuric acid and surfactants. The addition of the modifiers mentioned has the decisive disadvantage that the first three substances are very corrosive compounds, which require considerable outlay in terms of equipment, and if the surfactants are used there is a risk of foam formation and the associated safety risks.
Das US-Patent 4,668,652 lehrt eine spezielle Variante zur Her- Stellung des Katalysator-Precursors, bei der zunächst die Phosphor-Verbindung in ein alkoholisches Lösungsmittel gegeben und unter Rückfluß erhitzt wird und anschließend die ebenfalls in einem alkoholischen Lösungsmittel suspendierte Vanadium-Verbindung kontinuierlich innerhalb 0,5 bis 4 Stunden zugegeben wird, wobei das Reaktionswasser kontinuierlich abgezogen wird. Als alkoholische Lösungsmittel sind Cι~ bis Cg-Alkanole genannt. Die kontinu- ierliche Zugabe der Vanadium-Verbindung ist aufwendig, da eine zusätzliche Vorlage und Dosiereinrichtung erforderlich sind.US Pat. No. 4,668,652 teaches a special variant for the preparation of the catalyst precursor, in which the phosphorus compound is first placed in an alcoholic solvent and heated under reflux and then the vanadium compound which is likewise suspended in an alcoholic solvent is continuously added within 0 , 5 to 4 hours is added, the water of reaction being continuously drawn off. C 1 -C 6 -alkanols are mentioned as alcoholic solvents. The continuous The addition of the vanadium compound is complicated because an additional template and metering device are required.
I.J. Ellison et al . , J. Chem. Soc. Chem. Commun. , 1994, Seiten 1093 bis 1094 und G.J. Hutchings et al . , Catalysis Today 33,I. J. Ellison et al. , J. Chem. Soc. Chem. Commun. , 1994, pages 1093 to 1094 and G.J. Hutchings et al. , Catalysis Today 33,
1997, Seiten 161 bis 171 beschreiben eine zweistufige Herstellung des Katalysator-Precursors, bei der in einer ersten Stufe durch Umsetzung von Vanadiurαpentoxid mit 85%-iger Phosphorsäure im wässrigen Medium durch Erhitzen unter Rückfluß VOP0 .2 H20 synthe- tisiert und durch Filtration und Waschen mit Wasser und Aceton isoliert wurde und in einer zweiten Stufe suspendiert in einem Alkohol durch Erhitzen unter Rückfluß zum Precursor VOHPO -0.5 H20 umgesetzt und durch erneute Filtration und Trocknung isoliert wurde. Als Alkohole wurden primäre und sekundäre C4- bis C10-A1- kanole eingesetzt. Dabei wurde festgestellt, daß der Einsatz der primären 1-Alkanole nach der Präformierung durch Kalzination des VOHPO -0.5 H20-Precursors zu einem (VO) P0-Katalysator mit hoher BET-Oberflache und hoher Selektivität in der Synthese von Maleinsäureanhydrid führt. Eine zweistufige Synthese des Katalysator- Precursors mit Zwischenisolierung ist im technischen Maßstab extrem aufwendig und kostenintensiv.1997, pages 161 to 171 describe a two-stage preparation of the catalyst precursor in which, in a first stage, VOP0 .2 H 2 0 is synthesized by reaction of vanadiurapentoxide with 85% phosphoric acid in an aqueous medium by heating under reflux and by filtration and washing with water and acetone was isolated and in a second stage suspended in an alcohol by heating under reflux to the precursor VOHPO -0.5 H 2 0 and isolated by renewed filtration and drying. Primary and secondary C4 to C10-A1 canoles were used as alcohols. It was found that the use of the primary 1-alkanols after preforming by calcination of the VOHPO -0.5 H 2 0 precursor leads to a (VO) P0 catalyst with a high BET surface area and high selectivity in the synthesis of maleic anhydride. A two-stage synthesis of the catalyst precursor with intermediate insulation is extremely complex and expensive on an industrial scale.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, ein Verfahren für die Herstellung eines Vanadium, Phosphor und Sauerstoff enthaltenden Katalysator-Precursors für die Herstellung von Maleinsäureanhydrid durch heterogenkatalytische Gasphasenoxidation eines Kohlenwasserstoffs mit mindestens vier Kohlenstoffatomen zu finden, welches die oben genannten Nachteile nicht mehr besitzt, mit nur einem, nicht-korrosivem Reduktionsmittel ohne Zusatz von Modifikatoren und Coreduktionsmitteln zum Erfolg führt, technisch einfach in einer einstufigen Synthese durchzuführen ist und welches nach einer technisch ebenfalls einfach durchzuführenden Prä- formierung zu einem Katalysator hoher Aktivität und hoher Selektivität führt.The object of the present invention was to find a process for the preparation of a vanadium, phosphorus and oxygen-containing catalyst precursor for the production of maleic anhydride by heterogeneous gas-phase oxidation of a hydrocarbon with at least four carbon atoms, which no longer has the disadvantages mentioned above only one, non-corrosive reducing agent without the addition of modifiers and coreductants leads to success, is technically simple to carry out in a one-step synthesis and which, after a preforming which is also technically easy to carry out, leads to a catalyst of high activity and high selectivity.
Demgemäß wurde ein Verfahren zur Herstellung eines Vanadium, Phosphor und Sauerstoff enthaltenden Katalysator-Precursors für die Herstellung von Maleinsäureanhydrid durch heterogenkatalytische Gasphasenoxidation eines Kohlenwasserstoffs mit mindestens vier Kohlenstoffatomen, durch Umsetzung einer funfwertigen Vanadium-Verbindung mit einer funfwertigen Phosphor-Verbindung in Gegenwart eines reduzierend wirkenden Alkohols gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man (i) als reduzierend wirkenden Alkohol einen Alkohol der allgemeinen Formel (I)Accordingly, a process for the preparation of a vanadium, phosphorus and oxygen-containing catalyst precursor for the production of maleic anhydride by heterogeneous gas-phase oxidation of a hydrocarbon having at least four carbon atoms, by reacting a five-valent vanadium compound with a five-valent phosphorus compound in the presence of a reducing alcohol found, which is characterized in that one (i) as a reducing alcohol, an alcohol of the general formula (I)
II
R2 C CH2 CH2 OH (I) ,R 2 C CH 2 CH 2 OH (I),
R3 R 3
in der die Reste Ri und R2 unabhängig voneinander Wasserstoff, Ci- bis C9-Alkyl oder Cι~ bis C9-Hydroxyalkyl und der Rest R C_- bis Cg-Alkyl oder Cι~ bis Cg-Hydroxyalkyl bedeuten, einsetzt,in which the radicals R 1 and R 2, independently of one another, are hydrogen, C 1 -C 9 -alkyl or C 1 -C 9 -hydroxyalkyl and the radical R is C 1 -C 6 -alkyl or C 1 -C 6 -hydroxyalkyl,
(ii) die Umsetzung ohne Zusatz von Modifikatoren und Coreduktionsmitteln ausgewählt aus der Reihe Halogenwasserstoff, Schwefeldioxid, rauchende Schwefelsäure und Tenside durchführt, und(ii) the reaction is carried out without the addition of modifiers and coreductants selected from the series consisting of hydrogen halide, sulfur dioxide, fuming sulfuric acid and surfactants, and
(iii) die fünfwertige Vanadium-Verbindung, die fünfwertige Phos- phor-Verbindung und den reduzierend wirkenden Alkohol zusammenfügt, durch Erhitzen den Katalysator-Precursor bildet und diesen isoliert.(iii) the pentavalent vanadium compound, the pentavalent phosphorus compound and the reducing alcohol combine, form the catalyst precursor by heating and isolate it.
Der im erfindungsgemäßen Verfahren einzusetzende reduzierend wir- kende Alkohol ist charakterisiert durch die allgemeine Formel (I)The reducing alcohol to be used in the process according to the invention is characterized by the general formula (I)
RiRi
R2 C CH2 CH2 OH (I) , IR 2 C CH 2 CH 2 OH (I), I
R3 R 3
in der die Reste R_ und R unabhängig voneinander Wasserstoff, Cι~ bis Cg-Alkyl oder Cι~ bis Cg-Hydroxyalkyl und der Rest R3 C_- bis Cg-Alkyl oder Cι~ bis Cg-Hydroxyalkyl bedeuten, wobei die genannten Ci- bis Cg-Alkylreste und Cι~ bis Cg-Hydroxyalkylreste unverzweigt oder verzweigt sein können. Als Beispiele für die Cι~ bis Cg-Alkylreste seien Methyl, Ethyl, Propyl, 1-Methylethyl, Butyl, 1-Methyl-propyl, 2-Methylpropyl, 1, 1-Dimethylethyl, Pentyl, 1-Me- thylbutyl, 2-Methylbutyl, 3-Methylbutyl, 2, 2-Dimethylpropyl, 1-Ethylpropyl, Hexyl, 1, 1-Dimethylpropyl, 1,2-Dimethylpropyl, 1-Methylpentyl, 2-Methylpentyl, 3-Methylpentyl, 4-Methylpentyl, 1,1-Dimethylbutyl, 1,2-Dirnethylbutyl, 1, 3-Dimethylbutyl, 2,2-Di- methylbutyl, 2, 3-Dimethylbutyl, 3 , 3-Dimethylbutyl, 1-Ethylbutyl, 2-Ethylbutyl, 1, 1, 2-Trimethylpropyl, 1, 2, 2-Trimethylpropyl, 1-Ethyl-l-methylpropyl, l-Ethyl-2-methylpropyl, Heptyl, Octyl und Nonyl genannt. Als Beispiele für die C_- bis C9-Hydroxyalkylreste seien Hydroxymethyl, 2-Hydroxyethyl, 3-Hydroxypropyl , 4-Hydroxy- butyl, 5-Hydroxypentyl, 6-Hydroxyhexyl, 7-Hydroxyheptyl, 8-Hydro- xyoctyl und 9-Hydroxynonyl genannt.in which the radicals R_ and R independently of one another hydrogen, Cι ~ to Cg-alkyl or Cι ~ to Cg-hydroxyalkyl and the radical R 3 C_- to Cg-alkyl or Cι ~ to Cg-hydroxyalkyl mean, said Ci to Cg-alkyl radicals and C ~ ~ to Cg-hydroxyalkyl radicals can be unbranched or branched. Examples of the C 1 -C 6 -alkyl radicals are methyl, ethyl, propyl, 1-methylethyl, butyl, 1-methyl-propyl, 2-methylpropyl, 1, 1-dimethylethyl, pentyl, 1-methylbutyl, 2-methylbutyl , 3-methylbutyl, 2, 2-dimethylpropyl, 1-ethylpropyl, hexyl, 1, 1-dimethylpropyl, 1,2-dimethylpropyl, 1-methylpentyl, 2-methylpentyl, 3-methylpentyl, 4-methylpentyl, 1,1-dimethylbutyl , 1,2-dimethylbutyl, 1, 3-dimethylbutyl, 2,2-dimethylbutyl, 2, 3-dimethylbutyl, 3, 3-dimethylbutyl, 1-ethylbutyl, 2-ethylbutyl, 1, 1, 2-trimethylpropyl, 1st , 2, 2-trimethylpropyl, 1-ethyl-l-methylpropyl, l-ethyl-2-methylpropyl, heptyl, octyl and Called nonyl. Examples of the C_ to C 9 hydroxyalkyl radicals are hydroxymethyl, 2-hydroxyethyl, 3-hydroxypropyl, 4-hydroxybutyl, 5-hydroxypentyl, 6-hydroxyhexyl, 7-hydroxyheptyl, 8-hydroxyoxyctyl and 9-hydroxynonyl ,
Bevorzugt eingesetzt werden Alkohole der Formel (I) , in der die Reste Ri und R unabhängig voneinander Wasserstoff oder Cι~ bis C -Alkyl und der Rest R3 unverzweigtes Cι_- bis C -Alkyl bedeuten. Als Beispiele der bevorzugt eingesetzten Alkohole seien 1-Buta- nol, 1-Pentanol (Amylalkohol), 1-Hexanol, 1-Heptanol, 1-Octanol, 1-Nonanol, 1-Decanol, 3-Methyl-1-butanol (Isoamylalkohol) , 3-Me- thyl-1-pentanol, 3-Methyl-l-hexanol, 3-Methyl-l-heptanol, 3-Me- thyl-1-octanol, 3-Methyl-l-nonanol, 3-Methyl-l-decanol, 3,3-Dime- thyl-1-butanol, 3 , 3-Dimethyl-l-pentanol, 3 , 3-Dimethyl-l-hexanol, 3 , 3-Dimethyl-l-heptanol, 3 , 3-Dimethyl-l-octanol, 3,3-Dime- thyl-1-nonanol und 3 , 3-Dimethyl-l-decanol genannt.Alcohols of the formula (I) are preferably used in which the radicals R 1 and R independently of one another are hydrogen or C 1 -C 4 -alkyl and the radical R 3 is unbranched C 1 -C 4 -alkyl. Examples of the alcohols used with preference are 1-butanol, 1-pentanol (amyl alcohol), 1-hexanol, 1-heptanol, 1-octanol, 1-nonanol, 1-decanol, 3-methyl-1-butanol (isoamyl alcohol) , 3-methyl-1-pentanol, 3-methyl-1-hexanol, 3-methyl-1-heptanol, 3-methyl-1-octanol, 3-methyl-1-nonanol, 3-methyl-1 -decanol, 3,3-dimethyl-1-butanol, 3, 3-dimethyl-1-pentanol, 3, 3-dimethyl-1-hexanol, 3, 3-dimethyl-1-heptanol, 3, 3-dimethyl -l-octanol, 3,3-dimethyl-1-nonanol and 3, 3-dimethyl-l-decanol called.
Besonders bevorzugt eingesetzt werden die Alkohole 1-Butanol, 1-Pentanol (Amylalkohol), 1-Hexanol, 1-Heptanol, 1-Octanol, 1-No- nanol, 1-Decanol und 3-Methyl-l-butanol (Isoamylalkohol) . Ganz besonders bevorzugt sind die Alkohole 1-Butanol, 1-Pentanol (Amylalkohol) , 1-Hexanol und 3-Methyl-l-butanol (Isoamylalkohol) , insbesondere 1-Butanol und 1-Pentanol.The alcohols 1-butanol, 1-pentanol (amyl alcohol), 1-hexanol, 1-heptanol, 1-octanol, 1-noanol, 1-decanol and 3-methyl-1-butanol (isoamyl alcohol) are particularly preferably used. The alcohols 1-butanol, 1-pentanol (amyl alcohol), 1-hexanol and 3-methyl-1-butanol (isoamyl alcohol), in particular 1-butanol and 1-pentanol, are very particularly preferred.
Des weiteren ist beim erfindungsgemäßen Verfahren wesentlich, daß man die Umsetzung der funfwertigen Vanadium-Verbindung mit der funf ertigen Phosphor-Verbindung in Gegenwart des genannten Alkohols ohne Zusatz von Modifikatoren und Coreduktionsmitteln ausgewählt aus der Reihe Halogenwasserstoff, konkret Chlorwasserstoff, Bromwasserstoff und Iodwasserstoff , Schwefeldioxid, rauchendeIt is also essential in the process according to the invention that the reaction of the five-valent vanadium compound with the five-valent phosphorus compound in the presence of the alcohol mentioned is chosen from the series of hydrogen halide, specifically hydrogen chloride, hydrogen bromide and hydrogen iodide, sulfur dioxide, without the addition of modifiers and coreductants. smoking
Schwefelsäure und Tenside durchführt. Technisch übliche Verunreinigungen der Einsatzstoffe und der verwendeten Apparate mit den aufgezählten Modifikatoren und Coreduktionsmitteln sind beim erfindungsgemäßen Verfahren möglich und somit umfaßt. Als technisch üblich wird dabei ein Gesamtgehalt an Halogen, Sulfit, Sulfat und an Tensiden von jeweils 0,01 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmasse des suspendierten Reaktionsansatzes, angesehen.Performs sulfuric acid and surfactants. Technically customary contaminations of the starting materials and the apparatus used with the modifiers and coreductants listed are possible in the process according to the invention and are therefore included. A total content of halogen, sulfite, sulfate and surfactants of 0.01% by weight, based on the total mass of the suspended reaction mixture, is regarded as technically customary.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die fünfwertige Vanadium- Verbindung, die fünfwertige Phosphor-Verbindung und der reduzierend wirkende Alkohol zusammenfügt, in der Regel anschließend durch Erhitzen der Katalysator-Precursor gebildet und dieser isoliert.In the process according to the invention, the pentavalent vanadium compound, the pentavalent phosphorus compound and the reducing alcohol are combined, as a rule subsequently formed by heating the catalyst precursor and isolating it.
Als fünfwertige Vanadium-Verbindungen können beim erfindungsgemäßen Verfahren die Oxide, die Säuren und die anorganischen und organischen Salze, welche fünfwertiges Vanadium enthalten, oder de- ren Gemische, eingesetzt werden. Bevorzugt ist der Einsatz von Vanadiumpentoxid (VOs) , Ammoniummetavanadat (NH4V03) und Ammoni- umpolyvanadat ( (NH) 2 60i6) , insbesondere Vanadiumpentoxid (V2O5) . Die als Feststoff vorliegenden funfwertigen Vanadium-Verbindungen werden in Form eines Pulvers, bevorzugt in einem Kornbereich von 50 bis 500 μm eingesetzt. Liegen deutlich größere Partikel vor, so wird der Feststoff vor dessen Einsatz zerkleinert und gegebenenfalls gesiebt. Geeignete Apparate sind beispielsweise Kugelmühlen oder Planetenmühlen.In the process according to the invention, the oxides, the acids and the inorganic and organic salts which contain pentavalent vanadium, or ren mixtures. The use of vanadium pentoxide (VOs), ammonium metavanadate (NH 4 V0 3 ) and ammonium polyvanadate ((NH) 2 6 0i 6 ), in particular vanadium pentoxide (V 2 O 5 ), is preferred. The five-valent vanadium compounds present as a solid are used in the form of a powder, preferably in a grain size range from 50 to 500 μm. If significantly larger particles are present, the solid is crushed and, if necessary, sieved. Suitable devices are, for example, ball mills or planetary mills.
Als fünfwertige Phosphor-Verbindungen werden beim erfindungsgemäßen Verfahren Phosphorpentoxid (P2O5) , Orthophosphorsäure (H3P0 ) , Pyrophosphorsäure (HP20 ) , Polyphosphorsäuren der allgemeinen Formel Hn+2Pn03n+ι mit n≥3 oder deren Gemische eingesetzt. Übli- cherweise gibt man den Gehalt der genannten Verbindungen und Gemische in Gew.-%, bezogen auf H3P04 an. Bevorzugt ist der Einsatz von 80 bis 110%-iger HP0 , besonders bevorzugt von 95 bis 110%-iger H3P04 und ganz besonders bevorzugt von 100 bis 105%-iger H3P0 .As pentavalent phosphorus compounds in the process according to the invention, phosphorus pentoxide (P 2 O 5 ), orthophosphoric acid (H 3 P0), pyrophosphoric acid (HP 2 0), polyphosphoric acids of the general formula H n + 2 P n 0 3n + ι with n≥3 or their Mixtures used. The content of the compounds and mixtures mentioned is usually given in% by weight, based on H3P04. The use of 80 to 110% HP0 is preferred, particularly preferably 95 to 110% H 3 P0 4 and very particularly preferably 100 to 105% H 3 P0.
Das Zusammenfügen der drei Komponenten fünfwertige Vanadium-Ver- bindung, fünfwertige Phosphor-Verbindung und reduzierend wirkender Alkohol kann beim erfindungsgemäßen Verfahren auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Im allgemeinen führt man das Zusammenfügen in dem für die anschließende Umsetzung geeigneten Reaktionsapparat, beispielsweise einem Rührkessel, in einem Temperaturbereich von 0 bis 50°C, bevorzugt Umgebungstemperatur, durch. Durch Freisetzung von Mischungswärme sind Temperaturerhöhungen möglich.The joining of the three components of pentavalent vanadium compound, pentavalent phosphorus compound and reducing alcohol can be done in different ways in the method according to the invention. In general, the assembly is carried out in the reaction apparatus suitable for the subsequent reaction, for example a stirred kettle, in a temperature range from 0 to 50 ° C., preferably ambient temperature. Temperature increases are possible through the release of heat from the mixture.
In einer bevorzugten Variante legt man den reduzierend wirkenden Alkohol im Reaktionsapparat vor und fügt die fünfwertige Vanadium-Verbindung, bevorzugt unter Rühren hinzu. Anschließend gibt man die fünfwertige Phosphor-Verbindung, welche gegebenenfalls mit einer weiteren Teilmenge des reduzierend wirkenden Alkohols verdünnt sein kann, hinzu. Sofern noch nicht die gesamte Menge des reduzierend wirkenden Alkohols zugegeben wurde, kann der noch fehlende Teil ebenfalls dem Reaktionsapparat zugegeben werden.In a preferred variant, the reducing alcohol is placed in the reactor and the pentavalent vanadium compound is added, preferably with stirring. Then the pentavalent phosphorus compound, which can optionally be diluted with a further subset of the reducing alcohol, is added. If the entire amount of the reducing alcohol has not yet been added, the part still missing can also be added to the reaction apparatus.
In einer anderen Variante legt man den reduzierend wirkenden Alkohol und die fünfwertige Phosphor-Verbindung im Reaktionsapparat vor und fügt die fünfwertige Vanadium-Verbindung, bevorzugt unter Rühren hinzu.In another variant, the reducing alcohol and the pentavalent phosphorus compound are placed in the reactor and the pentavalent vanadium compound is added, preferably with stirring.
Es sei darauf hingewiesen, daß zusätzlich zu den obigen Ausführungen auch ein weiteres, flüssiges Verdünnungsmittel, zugegeben werden kann. Als Beispiele seien Alkohole und in geringen Mengen Wasser genannt. Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt ohne Zusatz eines Verdünnungsmittels durchgeführt.It should be noted that in addition to the above, another liquid diluent can also be added. Examples are alcohols and in small amounts Called water. The process according to the invention is preferably carried out without the addition of a diluent.
Das relative molare Verhältnis der zuzugebenden funfwertigen Phosphor-Verbindung zu der zuzugebenden funfwertigen Vanadium- Verbindung wird im allgemeinen entsprechend dem gewünschten Verhältnis im Katalysator-Precursor eingestellt. Bevorzugt beträgt das molare Phosphor/Vanadium-Verhältnis im Reaktionsgemisch zur Herstellung des Katalysator-Precursors 1,1 bis 1,5 und besonders bevorzugt 1,15 bis 1,3.The relative molar ratio of the pentavalent phosphorus compound to be added to the pentavalent vanadium compound to be added is generally adjusted according to the desired ratio in the catalyst precursor. The molar phosphorus / vanadium ratio in the reaction mixture for the preparation of the catalyst precursor is preferably 1.1 to 1.5 and particularly preferably 1.15 to 1.3.
Die Menge des zuzugebenden reduzierend wirkenden Alkohols muß über der für die Reduktion des Vanadiums von der Oxidationstufe +5 auf eine Oxidationstufe im Bereich +3,5 bis +4,5 stöchiome- trisch erforderlichen Menge liegen. Wird, wie in der bevorzugten Variante, kein sogenanntes flüssiges Verdünnungsmittel zugegeben, so ist die Menge des zuzugebenden reduzierend wirkenden Alkohols mindestens so zu bemessen, daß mit der funfwertigen Vanadium-Ver- bindung eine Aufschlämmung gebildet werden kann, welche eine in- tensive Vermischung mit der zuzugebenden funfwertigen Phosphor- Verbindung ermöglicht. Im allgemeinen beträgt das molare Alkohol/ Vanadium-Verhältnis 5 bis 15 und bevorzugt 6 bis 9.The amount of the reducing alcohol to be added must be above the stoichiometrically required amount for the reduction of the vanadium from the oxidation level +5 to an oxidation level in the range +3.5 to +4.5. If, as in the preferred variant, no so-called liquid diluent is added, the amount of the reducing alcohol to be added is to be dimensioned at least in such a way that a slurry can be formed with the five-valent vanadium compound which is mixed intimately of the five-valued phosphorus compound to be added. In general, the molar alcohol / vanadium ratio is 5 to 15 and preferably 6 to 9.
Sind die fünfwertige Vanadium-Verbindung, die fünfwertige Phos- phor-Verbindung und der reduzierend wirkende Alkohol zusammengefügt, so wird die Aufschlämmung zur Umsetzung der genannten Verbindungen und Bildung des Katalysator-Precursors erhitzt. Der zu wählende Temperaturbereich ist von verschiedenen Faktoren, insbesondere dem Siedepunkt des zugegebenen Alkohols abhängig. Im all- gemeinen stellt man eine Temperatur von 50 bis 200°C, bevorzugt von 100 bis 200°C ein. Die flüchtige Verbindungen, wie beispielsweise Wasser, der reduzierend wirkende Alkohol und dessen Abbauprodukte, wie etwa Aldehyd oder Carbonsäure, verdampfen aus der Reaktionsmischung und können entweder abgeführt oder partiell oder vollständig kondensiert und rückgeführt werden. Bevorzugt ist die partielle oder vollständige Rückführung durch Erhitzen unter Rückfluß. Besonders bevorzugt ist die vollständige Rückführung. Die Umsetzung bei erhöhter Temperatur beansprucht im allgemeinen mehrere Stunden und ist von vielen Faktoren, wie bei- spielsweise der Art der zugegebenen Komponenten, der Temperatur abhängig. Zudem können auch über die Temperatur und die gewählte Erhitzungsdauer in einem gewissen Bereich die Eigenschaften des Katalysator-Precursor eingestellt und beeinflußt werden. Die Parameter Temperatur und Zeit können für ein bestehendes System durch wenige Versuche einfach optimiert werden. Nach Beendigung der vorgenannten Temperaturbehandlung wird der gebildete Katalysator-Precursor isoliert, wobei vor der Isolierung gegebenenfalls noch eine Abkühlphase sowie eine Lagerungsoder Alterungsphase der abgekühlten Reaktionsmischung zwischenge- schaltet werden können. Bei der Isolierung wird der feste Katalysator-Precursor von der flüssigen Phase abgetrennt. Geeignete Methoden sind beispielsweise Filtrieren, Dekantieren oder Zentrifu- gieren. Bevorzugt wird der Katalysator-Precursor durch Filtrierung isoliert.When the pentavalent vanadium compound, the pentavalent phosphorus compound and the reducing alcohol are combined, the slurry is heated to react the compounds mentioned and form the catalyst precursor. The temperature range to be selected depends on various factors, in particular the boiling point of the alcohol added. In general, a temperature of 50 to 200 ° C., preferably 100 to 200 ° C., is set. The volatile compounds, such as water, the reducing alcohol and its degradation products, such as aldehyde or carboxylic acid, evaporate from the reaction mixture and can either be removed or partially or completely condensed and recycled. Partial or complete recycling by heating under reflux is preferred. Complete recycling is particularly preferred. The reaction at elevated temperature generally takes several hours and is dependent on many factors, such as the type of components added, the temperature. In addition, the properties of the catalyst precursor can also be set and influenced in a certain range by means of the temperature and the selected heating duration. The parameters of temperature and time can easily be optimized for an existing system with just a few tests. After the aforementioned temperature treatment has ended, the catalyst precursor formed is isolated, it being possible, if appropriate, to interpose a cooling phase and a storage or aging phase of the cooled reaction mixture before the isolation. During the isolation, the solid catalyst precursor is separated from the liquid phase. Suitable methods are, for example, filtering, decanting or centrifuging. The catalyst precursor is preferably isolated by filtration.
Der isolierte Katalysator-Precursor kann ungewaschen oder gewaschen weiterverarbeitet werden. Bevorzugt wird der isolierte Katalysator-Precursor mit einem geeigneten Lösungsmittel gewaschen, um beispielsweise noch anhaftenden Alkohol oder dessen Abbaupro- dukte zu entfernen. Geeignete Lösungsmittel sind beispielsweise Alkohole (z.B. Methanol, Ethanol, 1-Propanol, 2-Propanol) , ali- phatische und/oder aromatische Kohlenwasserstoffe (z.B. Pentan, Hexan, Benzine, Benzol, Toluol, Xylole) , Ketone (z.B. 2-Propanon (Aceton) , 2-Butanon, 3-Pentanon, Ether (z.B. 1 , 2-Dimethoxyethan, Tetrahydrofuran, 1,4-Dioxan) oder deren Mischungen. Wird der Katalysator-Precursor gewaschen, so werden bevorzugt 2-Propanon und/oder Methanol und besonders bevorzugt Methanol eingesetzt.The isolated catalyst precursor can be processed unwashed or washed. The isolated catalyst precursor is preferably washed with a suitable solvent in order, for example, to remove alcohol still adhering to it or its degradation products. Suitable solvents are, for example, alcohols (e.g. methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol), aliphatic and / or aromatic hydrocarbons (e.g. pentane, hexane, benzine, benzene, toluene, xylenes), ketones (e.g. 2-propanone ( Acetone), 2-butanone, 3-pentanone, ethers (for example 1, 2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran, 1,4-dioxane) or mixtures thereof If the catalyst precursor is washed, 2-propanone and / or methanol and methanol is particularly preferably used.
Nach der Isolierung des Katalysator-Precursors beziehungsweise nach dem Waschen wird der Feststoff im allgemeinen getrocknet. Die Trocknung kann unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt werden. Im allgemeinen führt man sie im Bereich des Vakuums bis hin zum Atmosphärendruck durch. Die Trocknungstemperatur liegt in der Regel bei 30 bis 250°C, wobei bei einer Trocknung unter Vakuum gegenüber einer Trocknung unter Atmosphärendruck vielfach niedrigere Temperaturen angewandt werden können. Die gegebenenfalls bei der Trocknung überstehende Gasatmosphäre kann Sauerstoff, Wasserdampf und/oder Inertgase, wie etwa Stickstoff, Kohlendioxid oder Edelgase enthalten. Bevorzugt führt man die Trocknung bei einem Druck von 1 bis 30 kPa abs und einer Temperatur von 50 bis 200°C unter sauerstoffhaltiger oder Sauerstofffreier Restgasatmosphäre, wie beispielsweise Luft oder Stickstoff, durch.After isolation of the catalyst precursor or after washing, the solid is generally dried. The drying can be carried out under different conditions. They are generally carried out in the range from vacuum to atmospheric pressure. The drying temperature is generally 30 to 250 ° C, whereby drying under vacuum compared to drying under atmospheric pressure can often use lower temperatures. The gas atmosphere which may protrude during drying can contain oxygen, water vapor and / or inert gases such as nitrogen, carbon dioxide or noble gases. Drying is preferably carried out at a pressure of 1 to 30 kPa abs and a temperature of 50 to 200 ° C. under an oxygen-containing or oxygen-free residual gas atmosphere, such as, for example, air or nitrogen.
Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbare Katalysa- tor-Precursor kann neben Vanadium, Phosphor und Sauerstoff noch sogenannte Promotoren enthalten. Als geeignete Promotoren sind die Elemente der 1. bis 15. Gruppe des Periodensystems sowie deren Verbindungen genannt. Geeignete Promotoren sind beispielsweise in den Offenlegungsschriften WO 97/12674 und WO 95/26817 sowie in den Patenten US 5,137,860, US 5,296,436, US 5,158,923 und US 4,7.95,818 beschrieben. Bevorzugt werden als Promotoren Verbindungen der Elemente Kobalt, Molybdän, Eisen, Zink, Hafnium, Zirkon, Lithium, Titan, Chrom, Mangan, Nickel, Kupfer, Bor, Sili- cium, Antimon, Zinn, Niob und Wismut, besonders bevorzugt Molybdän, Eisen, Zink, Antimon, Wismut, Lithium. Der promotierte erfindungsgemäße Katalysator-Precursor kann einen oder mehrere Pro- motoren enthalten. Der Gehalt an Promotoren beträgt in Summe im allgemeinen nicht mehr als etwa 5 Gew.-%, jeweils als Oxid und im geglühten Zustand des Katalysator-Precursors gerechnet.In addition to vanadium, phosphorus and oxygen, the catalyst precursor which can be prepared by the process according to the invention can also contain so-called promoters. The elements of the 1st to 15th group of the periodic table and their compounds are mentioned as suitable promoters. Suitable promoters are described, for example, in the published documents WO 97/12674 and WO 95/26817 and in the patents US Pat. No. 5,137,860, US Pat. No. 5,296,436, US Pat. No. 5,158,923 and US Pat. No. 4,795,818. Preferred promoters are compounds of the elements cobalt, molybdenum, iron, zinc, hafnium, Zirconium, lithium, titanium, chromium, manganese, nickel, copper, boron, silicon, antimony, tin, niobium and bismuth, particularly preferably molybdenum, iron, zinc, antimony, bismuth, lithium. The promoted catalyst precursor according to the invention can contain one or more promoters. The total content of promoters is generally not more than about 5% by weight, in each case as oxide and calculated in the annealed state of the catalyst precursor.
Werden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren promotierte Katalysa- tor-Precursor hergestellt, so wird der Promotor im allgemeinen beim Zusammenfügen der funfwertigen Vanadium-Verbindung, der funfwertigen Phosphor-Ver indung und des reduzierend wirkenden Alkohols in Form eines anorganischen oder organischen Salzes zugegeben. Geeignete Promotor-Verbindungen sind beispielsweise die Acetate, Acetylacetonate, Oxalate, Oxide oder Alkoxide der zuvor genannten Promotormetalle, wie etwa Cobalt (II) -acetat, Co- balt (II) -acetylacetonat, Cobalt (II) -chlorid, Molybdän (VI) -oxid, Molybdän (III) -chlorid, Eisen (III) -acetylacetonat, Eisen (III) -chlorid, Zink (II) -oxid, Zink (II) -acetylacetonat, Lithi- umchlorid, Lithiumoxid, Bismu (III) -chlorid, Bismut (III) -ethylhe- xanoat, Nickel (II) -ethylhexanoat, Nickel (II) -oxalat, Zirkonylch- lorid, Zirkon (IV) -butoxid, Silizium (IV) -ethoxid, Niob (V) -chlorid und Niob (V) -oxid. Für weitere Details sei auf die zuvor genannten WO-Offenlegungsschriften und US-Patente verwiesen.If promoted catalyst precursors are produced by the process according to the invention, the promoter is generally added in the form of an inorganic or organic salt when the five-valent vanadium compound, the five-valent phosphorus compound and the reducing alcohol are combined. Suitable promoter compounds are, for example, the acetates, acetylacetonates, oxalates, oxides or alkoxides of the aforementioned promoter metals, such as cobalt (II) acetate, cobalt (II) acetylacetonate, cobalt (II) chloride, molybdenum (VI) oxide, molybdenum (III) chloride, iron (III) acetylacetonate, iron (III) chloride, zinc (II) oxide, zinc (II) acetylacetonate, lithium chloride, lithium oxide, bismuth (III) chloride , Bismuth (III) ethyl hexanoate, nickel (II) ethyl hexanoate, nickel (II) oxalate, zirconyl chloride, zirconium (IV) butoxide, silicon (IV) ethoxide, niobium (V) chloride and niobium (V) oxide. For further details, reference is made to the aforementioned WO patent applications and US patents.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform gibt man die gewünschten Mengen an Vanadiumpentoxid-Pulver und 1-Butanol in einen Rührkessel und schlämmt den Reaktorinhalt durch Rühren auf. Nun läßt man zur gerührten Aufschlämmung die gewünschte Menge an Phosphorsäure, welche bevorzugt mit weiterem 1-Butanol vermischt ist, zulaufen. Die erhaltene Vanadium-, Phosphor- und Alkoholenthaltende Aufschlämmung wird unter Rückfluß erhitzt und bei der gewünschten Temperatur über mehrere Stunden gehalten. Anschließend kühlt man die Reaktionsmischung unter weiterem Rühren ab und gibt sie auf eine Filternutsche. Der abfiltrierte Katalysator- Precursor wird nun noch mit Methanol gewaschen und bei einem Unterdruck von 1 bis 30 kPa abs, bevorzugt 1 bis 2 kPa abs bei 50 bis 200°C, bevorzugt 50 bis 100°C getrocknet.In a particularly preferred embodiment, the desired amounts of vanadium pentoxide powder and 1-butanol are placed in a stirred tank and the reactor contents are slurried by stirring. Now the desired amount of phosphoric acid, which is preferably mixed with further 1-butanol, is added to the stirred slurry. The resulting vanadium, phosphorus, and alcohol-containing slurry is refluxed and held at the desired temperature for several hours. The reaction mixture is then cooled with further stirring and placed on a suction filter. The filtered catalyst precursor is then washed with methanol and dried at a negative pressure of 1 to 30 kPa abs, preferably 1 to 2 kPa abs at 50 to 200 ° C., preferably 50 to 100 ° C.
Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältliche Katalysator- Precursor zeichnet sich durch einen hohen Anteil an äußerer [001] -Oberfläche der VOHPO .0.5 H20-Phase aus. Diese wandelt sich nach den Ausführungen in E. Bordes et al., Catalysis Today 16, 1993, Seiten 27 bis 38 bei der sogenannten Präformierung des Ka- talysator-Precursors durch eine Temperaturbehandlung in dieThe catalyst precursor obtainable by the process according to the invention is distinguished by a high proportion of the outer [001] surface of the VOHPO .0.5 H 2 0 phase. According to the explanations in E. Bordes et al., Catalysis Today 16, 1993, pages 27 to 38, this changes into the so-called preforming of the catalyst precursor by a temperature treatment
[100] -Oberfläche der (VO) 2P07-Phase des fertigen Katalysators um. Die [100] -Oberfläche der (VO) 2P207-Phase gilt nach E. Bordes et al., Catalysis Today 16, 1993, Seiten 27 bis 38 und K. Inumaru et al., Chemistry Letters 1992, Seiten 1955 bis 1958 als hochselektive Oberfläche für die Oxidation von n-Butan zu Maleinsäureanhydrid. Aufgrund des hohen Anteils an der [100] -Oberfläche der (VO) 2P2θ7~Pϊιase besitzt der Katalysator nach den Untersuchungen von I.J. Ellison et al . , J. Chem. Soc. Chem. Commun., 1994, Seiten 1093 bis 1094 und G.J. Hutchings et al . , Catalysis Today 33, 1997, Seiten 161 bis 171 zudem eine hohe BET-Oberflache, was eine hohe Aktivität bedingt.[100] surface of the (VO) 2 P0 7 phase of the finished catalyst. The [100] surface of the (VO) 2 P 2 0 7 phase applies according to E. Bordes et al., Catalysis Today 16, 1993, pages 27 to 38 and K. Inumaru et al., Chemistry Letters 1992, pages 1955 to 1958 as a highly selective surface for the oxidation of n-butane to maleic anhydride. Due to the high proportion of the [100] surface of the (VO) 2 P 2 θ 7 ~ Pϊ ι ase, the catalyst according to the studies by IJ Ellison et al. , J. Chem. Soc. Chem. Commun., 1994, pages 1093 to 1094 and GJ Hutchings et al. , Catalysis Today 33, 1997, pages 161 to 171 also have a high BET surface area, which requires high activity.
Der erfindungsgemäß erhältliche Katalysator-Precursor stellt somit eine selektivitäts- und aktivitätsbestimmende Vorstufe eines Katalysators dar, welcher in der Oxidation von Kohlenwasserstoffen zu Maleinsäureanhydrid eine hohe Selektivität und eine hohe Aktivität besitzt.The catalyst precursor obtainable according to the invention thus represents a selectivity and activity-determining precursor of a catalyst which has a high selectivity and a high activity in the oxidation of hydrocarbons to maleic anhydride.
Das Verfahren zur Herstellung des Katalysator-Precursors ist technisch einfach durch Zusammenfügen aller Komponenten und anschließendem Erhitzen und Isolierung in einer Stufe durchführbar und kommt vollkommen ohne Modifikatoren, Coreduktionsmitteln oder anderen Hilfsstoffen aus.The process for producing the catalyst precursor can be carried out in a technically simple manner by assembling all the components and then heating and isolating them in one step and does completely without any modifiers, coreductants or other auxiliaries.
Da beim erfindungsgemäßen Verfahren die reduzierend wirkenden Alkohole (I) ohne Zusatz von Modifikatoren, wie etwa Halogenwasser- stoff, Schwefeldioxid oder rauchende Schwefelsäure, eingesetzt werden, ist das Reaktionsgemisch nicht korrosiv. Dies hat Vorteile bei der sicherheitstechnischen und werkstofflichen Auslegung der Apparate sowie beim Umgang mit den Edukten und dem Reaktionsgemisch.Since the reducing alcohols (I) are used in the process according to the invention without the addition of modifiers, such as hydrogen halide, sulfur dioxide or fuming sulfuric acid, the reaction mixture is not corrosive. This has advantages in the safety-related and material design of the apparatus as well as in handling the starting materials and the reaction mixture.
Desweiteren wurde ein Katalysator-Precursor für die Herstellung von Maleinsäureanhydrid durch heterogenkatalytische Gasphasenoxidation eines Kohlenwasserstoffs mit mindestens vier Kohlenstoffatomen gefunden, welcher gemäß dem oben beschriebenen erfindungs- gemäßen Verfahren erhältlich ist.Furthermore, a catalyst precursor for the production of maleic anhydride by heterogeneously catalyzed gas-phase oxidation of a hydrocarbon with at least four carbon atoms was found, which can be obtained by the process according to the invention described above.
Der erfindungsgemäße Katalysator-Precursor besitzt die oben aufgeführten Eigenschaften und Vorteile.The catalyst precursor according to the invention has the properties and advantages listed above.
Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Vanadium, Phosphor und Sauerstoff enthaltenden Katalysators für die Herstellung von Maleinsäureanhydrid durch heterogenkatalytische Gasphasenoxidation eines Kohlenwasserstoffs mit mindestens vier Kohlenstoffatomen, durch Behandlung eines Va- nadium, Phosphor- und Sauerstoff enthaltenden Katalysator-Precursors in mindestens einer Atmosphäre, umfassend Sauerstoff (02) , Wasserstoffoxid (H20) und/oder Inertgas in einem Temperaturbereich von 250 bis 600°C, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man als Katalysator-Precursor einen erfindungsgemäßen Katalysator-Precursor gemäß obiger Beschreibung einsetzt.The invention furthermore relates to a process for the preparation of a vanadium, phosphorus and oxygen-containing catalyst for the production of maleic anhydride by heterogeneously catalyzed gas-phase oxidation of a hydrocarbon having at least four carbon atoms, by treatment of a vanadium, phosphorus and oxygen-containing catalyst precursor in at least an atmosphere comprising oxygen (0 2 ), hydrogen oxide (H 2 0) and / or inert gas in a temperature range from 250 to 600 ° C, which is characterized in that a catalyst precursor according to the invention is used as the catalyst precursor as described above.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Katalysators wird der erfindungsgemäße Katalysator-Precursor in mindestens einer Atmosphäre, umfassend Sauerstoff (02) , Wasserstoffoxid (H20) und/oder Inertgas in einem Temperaturbereich von 250 bis 600°C präformiert. Die Präformierung kann sowohl direkt mit dem pulver- förmigen Katalysator-Precursor als auch mit dem nach Formgebung erhaltenen Katalysator-Precursor durchgeführt werden. Bevorzugt ist die Präformierung des Katalysator-Precursors nach der Formgebung.In the process according to the invention for producing the catalyst, the catalyst precursor according to the invention is preformed in at least one atmosphere, comprising oxygen (0 2 ), hydrogen oxide (H 2 0) and / or inert gas in a temperature range from 250 to 600 ° C. The preforming can be carried out either directly with the powdered catalyst precursor or with the catalyst precursor obtained after shaping. Preforming the catalyst precursor after shaping is preferred.
Die Präformierung kann diskontinuierlich, beispielsweise in einem Schachtofen, Hordenofen, Muffelofen oder Wärmeschrank oder kontinuierlich, beispielsweise in einem Drehrohr, Bandkalzinierofen oder Drehkugelofen durchgeführt werden. Sie kann sukzessive verschiedene Abschnitte hinsichtlich der Temperatur wie Aufheizen, Konstanthalten der Temperatur oder Abkühlen und sukzessive verschiedene Abschnitte hinsichtlich der Atmosphären wie beispielsweise sauerstoffhaltige, wasserdampfhaltige, Sauerstofffreie Gas- atmosphären enthalten. Geeignete Präformierungsverfahren sind beispielsweise in den Patenten US 5,137,860 und US 4,933,312 und der Offenlegungsschrift EP-A 0 756 518 beschrieben, auf die ausdrücklich jedoch nicht limitierend Bezug genommen wird.The preforming can be carried out batchwise, for example in a shaft furnace, tray furnace, muffle furnace or heating cabinet, or continuously, for example in a rotary tube, belt calcining furnace or rotary ball furnace. It can contain successively different sections with regard to the temperature, such as heating, keeping the temperature constant or cooling, and successively different sections with regard to the atmospheres, such as, for example, oxygen-containing, water vapor-containing, oxygen-free gas atmospheres. Suitable preforming processes are described, for example, in the patents US 5,137,860 and US 4,933,312 and the published patent application EP-A 0 756 518, to which reference is expressly made, however, without limitation.
Die Formgebung, welche bevorzugt vor der Präformierung und somit mit dem Katalysator-Precursor-Pulver durchgeführt wird, kann auf verschiedene Art und Weise, wie beispielsweise der Extrusion des angeteigten Katalysator-Precursor-Pulvers oder der Tablettierung erfolgen. Bevorzugt ist die Tablettierung.The shaping, which is preferably carried out before the preforming and thus with the catalyst precursor powder, can be carried out in various ways, such as, for example, the extrusion of the pasted catalyst precursor powder or the tableting. Tableting is preferred.
Bei der Formgebung über Tablettierung wird im Allgemeinen das Ka- talysator-Precursor-Pulver mit einem Tablettierhilfsmittel und gegebenenfalls mit einem Porenbildner versetzt und intensiv durchmischt. Bevorzugt ist die Herstellung des Katalysators ohne Zusatz eines Porenbildners .In the case of shaping via tableting, the catalyst precursor powder is generally mixed with a tabletting aid and, if appropriate, with a pore former, and mixed thoroughly. The catalyst is preferably prepared without the addition of a pore former.
Tablettierhilfsmittel sind in der Regel katalytisch inert und verbessern die Tablettiereigenschaften des Katalysator-Precursor- Pulvers, beispielsweise durch Erhöhung der Gleit- und Rieselfähigkeit. Als geeignetes und bevorzugtes Tablettierhilfsmittel sei Graphit genannt. Die zugesetzten Tablettierhilfsmittel verbleiben in der Regel im aktivierten Katalysator, Typischerweise liegt der Gehalt an Tablettierhilfsmittel im fertigen Katalysator bei etwa 2 bis 6 Gew.-%.Tableting aids are generally catalytically inert and improve the tabletting properties of the catalyst precursor powder, for example by increasing the sliding and free-flowing properties. Graphite may be mentioned as a suitable and preferred tabletting aid. The tabletting aids added generally remain in the activated catalyst, typically the The content of tableting aid in the finished catalyst is about 2 to 6% by weight.
Porenbildner sind Stoffe, welche zur gezielten Einstellung der Porenstruktur im Makroporenbereich eingesetzt werden. Sie können prinzipiell unabhängig vom Formgebungsverfahren eingesetzt werden. In der Regel handelt es sich um Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und/oder Stickstoff enthaltende Verbindungen, welche vor der Formgebung zugesetzt werden und bei der anschließender Präformierung des Katalysators unter Sublimation, Zersetzung und/ oder Verdampfung zum überwiegenden Teil wieder entfernt werden. Als geeignete Porenbildner seien Stearinsäure, Ammoniumcarbonat, Ammoniumoxalat, Ammoniumcarbonat, Ammoniumhydrogencarbonat, Ammo- niumacetat, Ammoniumformiat, Melamin und Polyoxymethylen genannt. Der fertige Katalysator kann dennoch Rückstände oder Zersetzungs - Produkte des Porenbildners enthalten.Pore formers are substances that are used for the targeted adjustment of the pore structure in the macroporous area. In principle, they can be used regardless of the molding process. As a rule, these are compounds containing carbon, hydrogen, oxygen and / or nitrogen, which are added before shaping and are largely removed again in the subsequent preforming of the catalyst with sublimation, decomposition and / or evaporation. Suitable pore formers are stearic acid, ammonium carbonate, ammonium oxalate, ammonium carbonate, ammonium hydrogen carbonate, ammonium acetate, ammonium formate, melamine and polyoxymethylene. The finished catalyst can nevertheless contain residues or decomposition products of the pore former.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das mit einem Tablettierhilfsmittel und gegebenenfalls einem Porenbildner vermischte Ka- talysator-Precursor-Pulver bevorzugt in einer Tablettenpresse vorverdichtet. Die vorverdichteten Partikel werden anschließend in einer Mühle zu einem Granulat gemahlen und in einer Tabletten- presse zu Formkörpern geformt. Bevorzugt werden Ringtabletten (Hohlzylinder) hergestellt, da diese eine größere äußere Oberflä- ehe als entsprechende Tabletten besitzen und somit deutliche Vorteile hinsichtlich Aktivität und Druckverlust im Reaktor besitzen.In the method according to the invention, the catalyst precursor powder mixed with a tabletting aid and optionally a pore former is preferably pre-compressed in a tablet press. The pre-compressed particles are then ground into granules in a mill and shaped into shaped bodies in a tablet press. Ring tablets (hollow cylinders) are preferably produced, since they have a larger outer surface than corresponding tablets and thus have clear advantages with regard to activity and pressure loss in the reactor.
In einer bevorzugten Ausführungsform zur Formgebung wird das Ka- talysator-Precursor-Pulver mit etwa 2 bis 4 Gew.-% Graphit als Gleitmittel intensiv vermischt und in einer Tablettenpresse vorverdichtet. Die vorverdichteten Partikel werden in einer Mühle zu einem Granulat mit etwa 0,2 bis 1,0 mm Partikeldurchmesser gemahlen und in einer Ringtablettenpresse zu Ringen geformt.In a preferred embodiment for shaping, the catalyst precursor powder is intensively mixed with about 2 to 4% by weight of graphite as a lubricant and pre-compressed in a tablet press. The pre-compressed particles are ground in a mill to form granules with a particle diameter of approximately 0.2 to 1.0 mm and formed into rings in a ring tablet press.
In einer weiteren Ausführungsform zur Formgebung wird das Kataly- sator-Precursor-Pulver mit etwa 2 bis 4 Gew.-% Graphit als Gleitmittel und zusätzlich mit 5 bis 20 Gew.-% eines Porenbildners intensiv vermischt und wie oben beschrieben weiterbehandelt und zu Ringen geformt.In a further embodiment for shaping, the catalyst precursor powder is mixed intensively with about 2 to 4% by weight of graphite as a lubricant and additionally with 5 to 20% by weight of a pore former and further treated as described above and shaped into rings ,
In einer bevorzugten Ausführungsform zur diskontinuierlichen Präformierung des geformten, porenbildnerfreien Katalysator-Precursors wird dieser in einem Rohr- oder Drehrohrofen unter Luftat- mosphäre auf etwa 350 bis 400°C aufgeheizt und etwa 1 Stunde bei dieser Temperatur belassen. Anschließend wird auf eine Stickstoff-Wasserdampf-Atmosphäre umgestellt, auf etwa 400 bis 450°C aufgeheizt und weitere 2 bis 6 Stunden unter diesen Bedingungen belassen. Zuletzt wird der fertige Katalysator auf Raumtemperatur abgekühlt.In a preferred embodiment for the discontinuous preforming of the shaped, pore former-free catalyst precursor, it is heated in a tubular or rotary tube oven under an air atmosphere to about 350 to 400 ° C. and left at this temperature for about 1 hour. It is then switched to a nitrogen-water vapor atmosphere, at about 400 to 450 ° C heated up and left under these conditions for a further 2 to 6 hours. Finally, the finished catalyst is cooled to room temperature.
In einer bevorzugten Ausführungsform zur kontinuierlichen Präformierung des geformten, porenbildnerfreien Katalysator-Precursors wird dieser in einem Bandkalzinierofen unter Luftatmosphäre auf etwa 350 bis 400°C aufgeheizt und etwa 1 Stunde bei dieser Temperatur belassen. Anschließend wird auf eine Stickstoff-Wasser- dampf-Atmosphäre umgestellt, auf etwa 400 bis 450°C aufgeheizt und weitere 2 bis 6 Stunden unter diesen Bedingungen belassen. Zuletzt wird der fertige Katalysator auf Raumtemperatur abgekühlt.In a preferred embodiment for the continuous preforming of the shaped, pore-forming catalyst precursor, the latter is heated in a belt calcining oven to about 350 to 400 ° C. in an air atmosphere and left at this temperature for about 1 hour. It is then switched to a nitrogen-water vapor atmosphere, heated to about 400 to 450 ° C. and left under these conditions for a further 2 to 6 hours. Finally, the finished catalyst is cooled to room temperature.
Der erfindungsgemäß erhältliche Katalysator besitzt, wie oben ausgeführt, in der Oxidation von Kohlenwassers offen zu Maleinsäureanhydrid eine hohe Selektivität und eine hohe Aktivität und ist technisch einfach aus dem erfindungsgemäßen Katalysator-Precursor durch eine Präformierung bei erhöhter Temperatur herstellbar.As stated above, the catalyst obtainable according to the invention has a high selectivity and a high activity in the oxidation of hydrocarbons open to maleic anhydride and is technically simple to produce from the catalyst precursor according to the invention by preforming at elevated temperature.
Desweiteren wurde ein Katalysator für die Herstellung von Maleinsäureanhydrid durch heterogenkatalytische Gasphasenoxidation eines Kohlenwasserstoffs mit mindestens vier Kohlenstoffatomen gefunden, welcher gemäß dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich ist.Furthermore, a catalyst for the production of maleic anhydride by heterogeneously catalytic gas-phase oxidation of a hydrocarbon with at least four carbon atoms was found, which can be obtained by the process according to the invention described above.
Die erfindungsgemäßen Katalysatoren besitzen bevorzugt ein Phosphor/Vanadium-Atomverhältnis von 0,9 bis 1,5, besonders bevorzugt von 0,9 bis 1,2 und ganz besonders bevorzugt von 1,0 bis 1,2. Die mittlere Oxidationsstufe des Vanadiums beträgt bevorzugt +3,9 bis +4,4 und besonders bevorzugt 4,0 bis 4,3. Die erfindungsgemäßen Katalysatoren besitzen bevorzugt eine BET-Oberflache von 10 bis 50 m2/g und besonders bevorzugt von 15 bis 30 m2/g. Sie weisen bevorzugt ein Porenvolumen von 0,1 bis 0,5 ml/g und besonders be- vorzugt von 0,1 bis 0,3 ml/g auf. Die Schüttdichte der erfindungsgemäßen Katalysatoren beträgt bevorzugt 0,5 bis 1,5 kg/1 und besonders bevorzugt 0,5 bis 1,0 kg/1.The catalysts according to the invention preferably have a phosphorus / vanadium atom ratio of 0.9 to 1.5, particularly preferably 0.9 to 1.2 and very particularly preferably 1.0 to 1.2. The average oxidation state of the vanadium is preferably +3.9 to +4.4 and particularly preferably 4.0 to 4.3. The catalysts of the invention preferably have a BET surface area of 10 to 50 m 2 / g and particularly preferably 15 to 30 m 2 / g. They preferably have a pore volume of 0.1 to 0.5 ml / g and particularly preferably 0.1 to 0.3 ml / g. The bulk density of the catalysts according to the invention is preferably 0.5 to 1.5 kg / 1 and particularly preferably 0.5 to 1.0 kg / 1.
Der erfindungsgemäße Katalysator besitzt die oben aufgeführten Eigenschaften und Vorteile.The catalyst according to the invention has the properties and advantages listed above.
Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Maleinsäureanhydrid durch heterogenkatalytische Gasphasenoxidation eines Kohlenwasserstoffs mit mindestens vier Kohlen- Stoffatomen mit Sauerstoff enthaltenden Gasen, das dadurch ge- kennzeichnet ist, daß man den erfindungsgemäßen Katalysator gemäß obiger Beschreibung einsetzt.The invention furthermore relates to a process for the preparation of maleic anhydride by heterogeneously catalytic gas-phase oxidation of a hydrocarbon having at least four carbon atoms with gases containing oxygen, which is characterized in that the catalyst according to the invention is used as described above.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Maleinsäu- reanhydrid werden im allgemeinen Rohrbündelreaktoren eingesetzt. Ein Rohrbündelreaktor besteht wiederum aus mindestens einem Reaktorrohr, welches zur Beheizung und/oder Kühlung von einem Wärme- trägermedium umgeben ist. Im allgemeinen enthalten die technisch eingesetzten Rohrbündelreaktoren wenige hundert bis mehrere zehn- tausend parallel-geschaltete Reaktorrohre.Tube-bundle reactors are generally used in the process according to the invention for the production of maleic anhydride. A tube bundle reactor in turn consists of at least one reactor tube which is surrounded by a heat transfer medium for heating and / or cooling. In general, the tube bundle reactors used industrially contain a few hundred to several tens of thousands of reactor tubes connected in parallel.
Als Kohlenwasserstoffe sind im erfindungsgemäßen Verfahren ali- phatische und aromatische, gesättigte und ungesättigte Kohlenwasserstoffe mit mindestens vier Kohlenstoffatomen, wie beispiels- weise 1, 3-Butadien, 1-Buten, 2-cis-Buten, 2-trans-Buten, n-Butan, C -Gemisch, 1, 3-Pentadien, 1, 4-Pentadien, 1-Penten, 2-cis-Penten, 2-trans-Penten, n-Pentan, Cyclopentadien, Dicyclopentadien, Cy- clopenten, Cyclopentan, C5-Gemisch, Hexene, Hexane, Cyclohexan und Benzol geeignet. Bevorzugt eingesetzt werden 1-Buten, 2-cis- Buten, 2-trans-Buten, n-Butan, Benzol oder deren Mischungen geeignet. Besonders bevorzugt ist der Einsatz von n-Butan und n-Bu- tan-haltigen Gasen und Flüssigkeiten. Das verwendete n-Butan kann beispielsweise aus dem Erdgas, aus Steamcrackern oder FCC-Crak- kern stammen.The hydrocarbons in the process according to the invention are aliphatic and aromatic, saturated and unsaturated hydrocarbons with at least four carbon atoms, such as, for example, 1,3-butadiene, 1-butene, 2-cis-butene, 2-trans-butene, n-butane , C mixture, 1, 3-pentadiene, 1, 4-pentadiene, 1-pentene, 2-cis-pentene, 2-trans-pentene, n-pentane, cyclopentadiene, dicyclopentadiene, cyclopentene, cyclopentane, C5 mixture , Hexenes, hexanes, cyclohexane and benzene. 1-Butene, 2-cis-butene, 2-trans-butene, n-butane, benzene or mixtures thereof are preferably used. The use of n-butane and n-butane-containing gases and liquids is particularly preferred. The n-butane used can originate, for example, from natural gas, steam crackers or FCC crackers.
Die Zugabe des Kohlenwasserstoffs erfolgt im allgemeinen mengengeregelt, d.h. unter stetiger Vorgabe einer definierten Menge pro Zeiteinheit. Der Kohlenwasserstoff kann in flüssiger oder gasförmiger Form dosiert werden. Bevorzugt ist die Dosierung in flüssi- ger Form mit anschließender Verdampfung vor Eintritt in den Rohr- bündelreaktor.The addition of the hydrocarbon is generally quantity-controlled, i.e. with constant specification of a defined quantity per unit of time. The hydrocarbon can be metered in liquid or gaseous form. Dosing in liquid form with subsequent evaporation before entry into the tube bundle reactor is preferred.
Als Oxidationsmittel werden Sauerstoff enthaltende Gase, wie beispielsweise Luft, synthetische Luft, ein mit Sauerstoff angerei - chertes Gas oder auch sogenannter "reiner", d.h. z.B. aus der Luftzerlegung stammender Sauerstoff eingesetzt. Auch das Sauerstoff-enthaltende Gas wird mengengeregelt zugegeben.Oxygen-containing gases, such as air, synthetic air, an oxygen-enriched gas or so-called "pure", i.e. e.g. Oxygen from air separation is used. The oxygen-containing gas is also added in a quantity-controlled manner.
Das durch den Rohrbündelreaktor zu leitende Gas enthält im allge- meinen Inertgas. Üblicherweise beträgt der Inertgasanteil zu Beginn 50 bis 95 Vol.-%. Inertgase sind alle Gase, welche nicht direkt zu einer Bildung an Maleinsäureanhydrid beitragen, wie beispielsweise Stickstoff, Edelgase, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserdampf, oxygenierte und nicht-oxygenierte Kohlenwasserstoffe mit weniger als vier Kohlenstoffatomen (z.B. Methan, Ethan, Pro- pan, Methanol, Formaldehyd, Ameisensäure, Ethanol, Acetyaldehyd, Essigsäure, Propanol, Propionaldehyd, Propionsäure, Acrolein, Crotonaldehyd) und deren Mischungen. Im allgemeinen wird das Inertgas über das Sauerstoff-enthaltende Gas in das System eingebracht. Es ist aber auch möglich, weitere Inertgase separat zuzuführen. Eine Anreicherung mit weiteren Inertgasen, welche bei- spielsweise aus der Partialoxidation der Kohlenwasserstoffe stammen können, ist über eine partielle Rückführung des gegebenenfalls aufbereiteten Reaktionsaustrags möglich.The gas to be passed through the tube bundle reactor generally contains inert gas. The proportion of inert gas is usually 50 to 95% by volume at the start. Inert gases are all gases that do not directly contribute to the formation of maleic anhydride, such as nitrogen, noble gases, carbon monoxide, carbon dioxide, water vapor, oxygenated and non-oxygenated hydrocarbons with less than four carbon atoms (e.g. methane, ethane, propane, methanol, Formaldehyde, formic acid, ethanol, acetyaldehyde, acetic acid, propanol, propionaldehyde, propionic acid, acrolein, Crotonaldehyde) and their mixtures. Generally, the inert gas is introduced into the system via the oxygen-containing gas. However, it is also possible to add further inert gases separately. Enrichment with further inert gases, which can originate, for example, from the partial oxidation of the hydrocarbons, is possible via a partial recycling of the reaction effluent that may have been prepared.
Zur Gewährung einer langen Katalysatorstandzeit und weiteren Er- höhung von Umsatz, Selektivität, Ausbeute, Katalysator-Belastung und Raum/Zeit-Ausbeute wird dem Gas beim erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt eine flüchtige Phosphorverbindung zugeführt. Ihre Konzentration beträgt zu Beginn, d.h. am Reaktoreingang, mindestens 0,2 Volumen-ppm, d.h. 0,2-10~6 Volumenanteile der flüchtigen PhosphorVerbindungen bezogen auf das Gesamtvolumen des Gases am Reaktoreingang. Bevorzugt ist ein Gehalt von 0,2 bis 20 Volumen-ppm, besonders bevorzugt von 0,5 bis 10 Volumen-ppm. Als flüchtige Phosphorverbindungen sind all jene Phosphor-enthal- tende Verbindungen zu verstehen, welche in der gewünschten Kon- zentration unter den Einsatzbedingungen gasförmig vorliegen. Beispielsweise seien Verbindungen der allgemeinen Formeln (II) und (III) genanntIn order to ensure a long catalyst life and further increase in conversion, selectivity, yield, catalyst load and space / time yield, a volatile phosphorus compound is preferably added to the gas in the process according to the invention. Their concentration at the beginning, ie at the reactor inlet, is at least 0.2 ppm by volume, ie 0.2-10 ~ 6 parts by volume of the volatile phosphorus compounds, based on the total volume of the gas at the reactor inlet. A content of 0.2 to 20 ppm by volume is preferred, particularly preferably 0.5 to 10 ppm by volume. Volatile phosphorus compounds are understood to be all those phosphorus-containing compounds which are present in the desired concentration in gaseous form under the conditions of use. For example, compounds of the general formulas (II) and (III) may be mentioned
Xi P X3 Xi P X3Xi PX 3 Xi P X3
I (II), und | (HD,I (II), and | ( HD,
X2 x2X 2 x 2
wobei X1, X2 und X3 unabhängig voneinander Wasserstoff, Halogen, Ci- bis Cg-Alkyl, C3-bis Cg-Cycloalkyl, Cg- bis Cio-Aryl, Cι~ bis Cg-Alkoxy, C3-bis Cg-Cycloalkoxy und Cg- bis Cio-Aroxy bedeuten. Bevorzugt sind Verbindungen der Formel (IV)where X 1 , X 2 and X 3 independently of one another hydrogen, halogen, Ci to Cg alkyl, C 3 to Cg cycloalkyl, Cg to Cio aryl, C ~ to Cg alkoxy, C 3 to Cg Cycloalkoxy and Cg to Cio Aroxy mean. Compounds of the formula (IV) are preferred
0 R] _p_0R3 ( lv) ι 0 R] _p_ 0 R 3 (lv) ι
OR2 OR 2
wobei R1, R2 und R3 unabhängig voneinander Wasserstoff, Cι~ bis Cg-Alkyl, C3-bis Cg-Cycloalkyl und Cg- bis Cι0-Aryl bedeuten. Be- sonders bevorzugt sind die Verbindungen der Formel (III), bei denen R1, R2 und R3 unabhängig voneinander Cι~ bis C4-Alkyl bedeuten, beispielsweise Methyl, Ethyl, Propyl, 1-Methylethyl, Butyl, 1-Methylpropyl, 2-Methylpropyl und 1, 1-Dimethylethyl. Ganz besonders bevorzugt sind Trimethylphosphat, Triethylphosphat und Tri- propylphosphat, insbesondere Triethylphosphat.where R 1 , R 2 and R 3 independently of one another are hydrogen, C 1 -C 6 -alkyl, C 3 -C 6 -cycloalkyl and Cg- to C 0 -aryl. Particularly preferred are the compounds of formula (III) in which R 1 , R 2 and R 3 independently of one another are C 1 -C 4 -alkyl, for example methyl, ethyl, propyl, 1-methylethyl, butyl, 1-methylpropyl, 2-methylpropyl and 1, 1-dimethylethyl. Trimethyl phosphate, triethyl phosphate and tri-propyl phosphate, in particular triethyl phosphate, are very particularly preferred.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im allgemeinen bei einer Temperatur von 350 bis 480°C durchgeführt. Unter der genannten Temperatur wird die Temperatur der im Rohrbündelreaktor befindlichen Katalysatorschüttung verstanden, welche bei Ausübung des Verfahrens in Abwesenheit einer chemischen Reaktion vorliegen würde. Ist diese Temperatur nicht an allen Stellen exakt gleich, so meint der Begriff den Zahlenmittelwert der Temperaturen längs der Reaktionszone. Insbesondere bedeutet dies, daß die wahre, am Katalysator vorliegende Temperatur aufgrund der Exothermie der Oxidationsreaktion auch außerhalb des genannten Bereichs liegen kann. Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren bei einer Temperatur von 380 bis 460°C, besonders bevorzugt 380 bis 430°C durchgeführt .The process according to the invention is generally carried out at a temperature of 350 to 480 ° C. The temperature mentioned is understood to mean the temperature of the catalyst bed located in the tube bundle reactor, which would be present in the absence of a chemical reaction if the process were carried out. If this temperature is not exactly the same at all points, the term means the number average of the temperatures along the reaction zone. In particular, this means that the true temperature present on the catalyst can also lie outside the stated range due to the exothermic nature of the oxidation reaction. The process according to the invention is preferably carried out at a temperature of 380 to 460 ° C., particularly preferably 380 to 430 ° C.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei einem Druck unterhalb von Normaldruck (z.B. bis 0,05 MPa abs) als auch oberhalb von Normaldruck (z.B. bis 10 MPa abs) ausgeübt werden. Darunter ist der in der Rohrbündelreaktor-Einheit vorliegende Druck zu verstehen. Bevorzugt ist ein Druck von 0,1 bis 1,0 MPa abs, besonders bevorzugt 0,1 bis 0,5 MPa abs.The process according to the invention can be carried out at a pressure below normal pressure (e.g. up to 0.05 MPa abs) as well as above normal pressure (e.g. up to 10 MPa abs). This means the pressure in the tube bundle reactor unit. A pressure of 0.1 to 1.0 MPa abs is preferred, particularly preferably 0.1 to 0.5 MPa abs.
Das erfindungsgemäßen Verfahren kann in zwei bevorzugten Verfahrensvarianten, der Variante mit "geradem Durchgang" und der Variante mit "Rückführung" durchgeführt werden. Beim "geraden Durchgang" wird aus dem Reaktoraustrag Maleinsäureanhydrid und gegebenenfalls oxygenierte Kohlenwasserstoff-Nebenprodukte entfernt und das verbleibende Gasgemisch ausgeschleust und gegebenenfalls thermisch verwertet. Bei der "Rückführung" wird aus dem Reaktoraustrag ebenfalls Maleinsäureanhydrid und gegebenenfalls oxygenierte Kohlenwasserstoff-Nebenprodukte entfernt, das ver- bleibende Gasgemisch, welches nicht-umgesetzten Kohlenwasserstoff enthält, ganz oder teilweise zum Reaktor rückgeführt. Eine weitere Variante der "Rückführung" ist die Entfernung des nicht-umgesetzten Kohlenwasserstoffs und dessen Rückführung zum Reaktor.The process according to the invention can be carried out in two preferred process variants, the variant with "straight passage" and the variant with "return". In the "straight pass", maleic anhydride and possibly oxygenated hydrocarbon by-products are removed from the reactor discharge and the remaining gas mixture is discharged and, if necessary, thermally utilized. During the "recycle", maleic anhydride and possibly oxygenated hydrocarbon by-products are also removed from the reactor discharge, and the remaining gas mixture, which contains unreacted hydrocarbon, is returned in whole or in part to the reactor. Another variant of the "recycling" is the removal of the unreacted hydrocarbon and its recycling to the reactor.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform zur Herstellung von Maleinsäureanhydrid setzt man n-Butan als Ausgangs-Kohlenwasserstoff ein und führt die heterogenkatalytische Gasphasenoxidation "geraden Durchgang" an dem erfindungsgemäßen Katalysator durch. Luft als Sauerstoff- und Inertgas-enthaltendes Gas wird mengengeregelt in die Zufuhr-Einheit gegeben. n-Butan wird ebenfalls mengengeregelt, jedoch in bevorzugt flüssiger Form über eine Pumpe zugeführt und im Gasstrom verdampft. Das Verhältnis zwischen den zugeführten Mengen an n-Butan und Sauerstoff wird im allgemeinen entsprechend der Exothermie der Reaktion und der gewünschten Raum/Zeit-Ausbeute eingestellt und ist daher beispielsweise von der Art und Menge des Katalysators abhängig. Als weitere Komponente wird dem Gasstrom als flüchtige Phosphorverbindung bevor- zugt Trialkylphosphat mengengeregelt zugegeben. Die flüchtige Phosphorverbindung kann beispielsweise unverdünnt oder verdünnt in einem geeigneten Lösungsmittel, beispielsweise Wasser, zugegeben werden. Die erforderliche Menge der Phosphor-Verbindung ist von verschiedenen Parametern, beispielsweise der Art und Menge des Katalysators oder den Temperaturen und Drücken in der Anlage, abhängig und für jedes System zu adaptieren.In a particularly preferred embodiment for the production of maleic anhydride, n-butane is used as the starting hydrocarbon and the heterogeneous catalytic gas phase oxidation is carried out “straight through” on the catalyst according to the invention. Air as gas containing oxygen and inert gas is fed into the feed unit in a quantity-controlled manner. The quantity of n-butane is also regulated, but is preferably supplied in liquid form via a pump and evaporated in the gas stream. The ratio between the amounts of n-butane and oxygen supplied is generally adjusted according to the exothermic nature of the reaction and the desired space / time yield and is therefore dependent, for example, on the type and amount of the catalyst. As a further component, trialkyl phosphate is preferably added to the gas stream as a volatile phosphorus compound in a quantity-controlled manner. The volatile phosphorus compound can be added, for example, undiluted or diluted in a suitable solvent, for example water. The required amount of the phosphorus compound depends on various parameters, for example the type and amount of the catalyst or the temperatures and pressures in the system, and must be adapted for each system.
Der Gasstrom wird zur innigen Durchmischung durch einen statischen Mischer und zur Aufheizung durch einen Wärmetauscher gelei- tet. Der durchmischte und vorgeheizte Gasstrom wird nun zum Rohrbündelreaktor geleitet, in dem sich der erfindungsgemäße Katalysator befindet. Der Rohrbündelreaktor wird vorteilhaft durch einen Salzschmelzen-Kreislauf temperiert. Die Temperatur wird derart eingestellt, daß bevorzugt ein Umsatz pro Reaktordurchgang von 75 bis 90% erreicht wird.The gas flow is passed through a static mixer for thorough mixing and through a heat exchanger for heating. The mixed and preheated gas stream is now passed to the tube bundle reactor in which the catalyst according to the invention is located. The tube bundle reactor is advantageously heated by a molten salt circuit. The temperature is set such that a conversion of 75 to 90% per reactor pass is preferably achieved.
Der aus dem Rohrbündelreaktor stammende Produktgasström wird in einem Wärmetauscher heruntergekühlt und- der Einheit zur Abtrennung des Maleinsäureanhydrids zugeführt. Die Einheit enthält in der bevorzugten Ausführungsform mindestens einen Apparat zur ab- sorptiven Entfernung des Maleinsäureanhydrids und gegebenenfalls der oxygenierten Kohlenwasserstoff-Nebenprodukte. Geeignete Apparate sind beispielsweise mit einer Absorptionsflüssigkeit gefüllte Behälter, durch die das heruntergekühlte Austragsgas ge- leitet wird oder Apparate, in denen die Absorptionsflüssigkeit in den Gasstrom eingesprüht wird. Die Maleinsäureanhydrid-haltige Lösung wird zur weiteren Verarbeitung oder zur Isolierung des Wertprodukts aus der Anlage ausgeschleust. Der verbleibende Gas- strom wird ebenfalls aus der Anlage ausgeschleust und gegebenen- falls einer Einheit zur Rückgewinnung des nicht-umgesetzten n-Bu- tans zugeführt.The product gas stream originating from the tube bundle reactor is cooled down in a heat exchanger and fed to the unit for separating the maleic anhydride. In the preferred embodiment, the unit contains at least one apparatus for the absorptive removal of the maleic anhydride and optionally the oxygenated hydrocarbon by-products. Suitable apparatuses are, for example, containers filled with an absorption liquid through which the cooled discharge gas is passed or apparatuses in which the absorption liquid is sprayed into the gas stream. The maleic anhydride-containing solution is discharged from the plant for further processing or for isolation of the valuable product. The remaining gas stream is also discharged from the plant and, if necessary, fed to a unit for recovering the unreacted n-butane.
Das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung der erfindungsgemäßen Katalysatoren ermöglicht eine hohe Kohlenwasserstoff-Bela- stung des Katalysators bei einem hohen Umsatz infolge einer hohen Aktivität. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ferner eine hohe Selektivität, eine hohe Ausbeute und daher auch eine hohe Raum/Zeit-Ausbeute an Maleinsäureanhydrid.The process according to the invention using the catalysts according to the invention enables a high hydrocarbon load on the catalyst with a high conversion as a result of high activity. The method according to the invention also enables high selectivity, a high yield and therefore also a high space / time yield of maleic anhydride.
BeispieleExamples
Beispiel 1 (Herstellung der Katalysator-Precursor)Example 1 (Preparation of the catalyst precursors)
Nach der folgenden Vorschrift wurden die sieben Katalysator-Precursor A bis G hergestellt.The seven catalyst precursors A to G were prepared according to the following procedure.
In einer zylindrischen 5 L-Planschliff-Rührapparatur wurde Vana- diumpentoxid-Pulver der mittleren Korngröße 120 μ (Hersteller Firma GfE, Nürnberg, Deutschland) in jeweils 1700 mL des genannten Alkohols unter Rühren aufgeschlämmt. Die Menge des zugegebe- nen Vanadiumpentoxid-Pulvers wurde derart berechnet, daß das molare Alkohol/V205-Verhältnis 27,5 betrug. Zu diese Aufschlämmung wurde eine Lösung bestehend aus 100%-iger Phosphorsäure' in 300 mL des genannten Alkohols zugegeben. Die Menge der zugegebenen Phosphorsäure wurde derart berechnet, daß das molare H3P04/V2θ5-Verhältnis 2,4 betrug. Die Aufschlämmung wurde 21 Stunden unter Rückfluß erhitzt und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Der entstandene Niederschlag wurde abfiltriert, mit Methanol gewaschen und 48 Stunden bei 50°C im Vakuum getrocknet.Vanadium pentoxide powder with an average grain size of 120 μ (manufacturer GfE, Nuremberg, Germany) was suspended in 1700 mL of the alcohol mentioned with stirring in a cylindrical 5 L flat-ground agitator. The amount of vanadium pentoxide powder added was calculated so that the molar alcohol / V205 ratio was 27.5. To this slurry, a solution consisting added 100% phosphoric acid 'in 300 ml of said alcohol. The amount of phosphoric acid added was calculated so that the molar H 3 P0 4 / V 2 θ 5 ratio was 2.4. The slurry was refluxed for 21 hours and then cooled to room temperature. The resulting precipitate was filtered off, washed with methanol and dried in vacuo at 50 ° C. for 48 hours.
Von den erhaltenen VOHPO4-0,5 H20-Proben (Katalysator-Precusor) wurde jeweils ein Röntgenbeugungsdiagramm mit einem Röntgenpul - verdiffraktometer vom Typ "D5000 Fa. Siemens Theta/Theta" aufgenommen. Die Meßparameter waren wie folgt:An X-ray diffraction pattern was recorded in each case from the VOHPO 4 -0.5 H 2 O samples obtained (catalyst precursor) using an X-ray powder diffractometer of the "D5000 from Siemens Theta / Theta" type. The measurement parameters were as follows:
Kreisdurchmesser 435 mmCircle diameter 435 mm
Röntgenstrahlung CuKαX-ray radiation CuKα
RöhrenSpannung 40 kVTube voltage 40 kV
Röhrenstrom 30 mATube current 30 mA
Aperturblende variabel V20 Streustrahlblende variabel V20Variable aperture aperture V20 V20 variable aperture
Sekundärmonochromator GraphitSecondary graphite monochromator
Monochromatorblende 0,1 mmMonochromator aperture 0.1 mm
Szintillationszählerscintillation
Detektorblende 0,6 mm Schrittweite 0,02° 2ΘDetector aperture 0.6 mm increment 0.02 ° 2Θ
Schrittmodus KontinuierlichContinuous step mode
Meßzeit 2,4 s/SchrittMeasuring time 2.4 s / step
Meßgeschwindigkeit 0,5° 2Θ/minMeasuring speed 0.5 ° 2Θ / min
Aus dem Röntgenbeugungsdiagramm konnten die beiden interessierenden kristallographisehen Flächen wie folgt zugeordnet werden: das Signal der [001] -Fläche entspricht einem 2Θ-Wert von etwa 15,5°, das Signal der [220] -Fläche einem 2©Wert von etwa 30,5°. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.The two crystallographic surfaces of interest could be assigned from the X-ray diffraction diagram as follows: the signal of the [001] surface corresponds to a 2Θ value of approximately 15.5 °, the signal of the [220] surface has a 2 © value of approximately 30.5 °. The results obtained are shown in Table 1.
Tabelle 1:Table 1:
1010
1515
Figure imgf000020_0001
Figure imgf000020_0001
*Vergleichsbeispiel* Comparative Example
2020
Die Beispiele zeigen, daß die erfindungsgemäßen Katalysator-Precursor ein deutlich kleineres I[ooi] /I [220] -Verhältnis der entsprechenden Röntgenbeugungslinien aufweisen als die nicht-er indungs - gemäßen Katalysator-Precursor sowie jene nach dem Stand der Tech¬The examples show that the catalyst precursors according to the invention have a significantly lower I [ooi] / I [ 2 20] ratio of the corresponding X-ray diffraction lines than the non-inventive catalyst precursors and those according to the prior art
25 nik. Da die Beugungsintensität ein gewisses Maß für die im Kristallverband übereinander liegenden Schichten wiedergibt, kann man im direkten Vergleich zweier Röntgenbeugungsdiagramme bei einer niedrigen Intensität auf eine geringere Zahl übereinander liegender Schichten und bei einer hohen Intensität auf eine hö¬25 nik Since the diffraction intensity represents a certain measure for the layers lying one above the other in the crystal structure, one can directly compare two X-ray diffraction diagrams with a low intensity to a smaller number of layers one above the other and with a high intensity to a higher one
30 here Zahl übereinander liegender Schichten schließen. Ein kleineres I [ooi] /I [220] -Verhältnis entspricht somit gegenüber einem größeren I [ooi] /I [220] -Verhältnis, weniger übereinander liegende [001] -Schichten und mehr übereinander liegende [220] -Schichten. Daraus folgt, daß die Kristallite, welche im Röntgenbeugungsdia¬Close the number of layers on top of each other. A smaller I [ooi] / I [ 220 ] ratio thus corresponds to a larger I [ooi] / I [ 220 ] ratio, fewer superimposed [001] layers and more superimposed [220] layers. It follows that the crystallites, which in the X-ray diffraction
35 gramm ein kleineres I[ooι] /l[220] -Verhältnis zeigen, im Mittel ein höheres [001] / [220] -Verhältnis an äußerer Oberfläche besitzen.35 grams show a smaller I [ooι] / l [ 220 ] ratio, on average have a higher [001] / [220] ratio on the outer surface.
.Da sich aber gerade die [001] -Oberfläche der VOHPO4-0.5 H20-Phase nach den Ausführungen in E. Bordes et al . , Catalysis Today 16,.Because the [001] surface of the VOHPO 4 -0.5 H 2 0 phase is exactly as described in E. Bordes et al. , Catalysis Today 16,
40 1993, Seiten 27 bis 38 bei der Präformierung des Katalysator-Precursors durch eine Temperaturbehandlung in die [100] -Oberfläche der (VO) 2P0-Phase des fertigen Katalysators umwandelt, und diese nach E. Bordes et al., Catalysis Today 16, 1993, Seiten 27 bis 38 und K. Inumaru et al., Chemistry Letters 1992, Seiten 1955 bis40 1993, pages 27 to 38 during the preforming of the catalyst precursor by a heat treatment into the [100] surface of the (VO) 2 P0 phase of the finished catalyst, and this according to E. Bordes et al., Catalysis Today 16 , 1993, pages 27 to 38 and K. Inumaru et al., Chemistry Letters 1992, pages 1955 to
45 1958 als hochselektive Oberfläche für die Oxidation von n-Butan zu Maleinsäureanhydrid nachgewiesen wurde, besitzt somit der fertige Katalysator, welcher aus einem Katalysator-Precursor mit kleinem I [ooi] /I [ 2o] -Verhältnis hergestellt wurde, eine hohe Selektivität in der Oxidation von Kohlenwasserstoffen zu Maleinsäureanhydrid. In Verbindung mit einer hohen Aktivität folgt daraus eine hohe Ausbeute an Wertprodukt.45 1958 has been detected as a highly selective surface for the oxidation of n-butane to maleic anhydride, thus has the finished catalyst, which consists of a catalyst precursor small I [ooi] / I [ 2 o] ratio was produced, a high selectivity in the oxidation of hydrocarbons to maleic anhydride. In conjunction with a high activity, this results in a high yield of valuable product.
Beispiel 2 (Herstellung der Katalysatoren)Example 2 (preparation of the catalysts)
Die Katalysator-Precursor A, C, F* und G* wurden wie folgt zu den Katalysatoren weiterverarbeitet. Das entsprechende Katalysator- Precursor-Pulver wurde mit 3 Gew.-% Graphit versetzt, intensiv durchmischt und in einer Tablettenpresse zu 5x3x2-Ringen geformt (äußerer Durchmesser x Höhe x Durchmesser des inneren Lochs; Angabe jeweils in mm) . Die Ringe wurden nun in einem Rohrofen unter Luft mit einer Heizrate von 7,5°C/min zunächst auf 250°C, an- schließend mit einer Heizrate von 2°C/min auf 285°C erhitzt und bei dieser Temperatur für 10 Minuten belassen. Anschließend wurde die Gasatmosphäre von Luft auf Stickstoff/Wasser (Molverhältnis 1:1) umgestellt, auf 425°C erhitzt und für 3 Stunden unter diesen Bedingungen belassen. Abschließend wurde unter Stickstoff auf Raumtemperatur abgekühlt.The catalyst precursors A, C, F * and G * were further processed into the catalysts as follows. The corresponding catalyst precursor powder was mixed with 3% by weight of graphite, mixed thoroughly and formed into 5x3x2 rings in a tablet press (outer diameter x height x diameter of the inner hole; in each case in mm). The rings were then heated in a tube furnace under air with a heating rate of 7.5 ° C / min first to 250 ° C, then with a heating rate of 2 ° C / min to 285 ° C and at this temperature for 10 minutes leave. The gas atmosphere was then switched from air to nitrogen / water (molar ratio 1: 1), heated to 425 ° C. and left under these conditions for 3 hours. Finally, the mixture was cooled to room temperature under nitrogen.
Von den fertigen Katalysatoren wurde anschließend die BET-Ober- fl che bestimmt. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.The BET surface area of the finished catalysts was then determined. The results obtained are shown in Table 2.
Tabelle 2;Table 2;
Figure imgf000021_0001
Figure imgf000021_0001
Die Ergebnisse zeigen, daß die erfindungsgemäß hergestellten Katalysatoren eine größere BET-Oberflache besitzen als die nach dem stand der Technik hergestellten.The results show that the catalysts produced according to the invention have a larger BET surface area than those produced according to the prior art.
Beispiel 3 (katalytischer Test)Example 3 (catalytic test)
Mit den Katalysatoren A, C, F* und G* wurden in einer Versuchsan- läge ein katalytische Tests durchge ührt. Die Versuchsanlage war mit einer Feeddosiereinheit und einem elektrisch beheizten Reaktorrohr ausgestattet. Die Reaktionsrohr- länge betrug 30 cm, der Innendurchmesser des Reaktorrohres 11 mm. Es wurden jeweils 12 g Katalysator in Form eines Splitts der Korngröße 0,7 bis 1,0 mm mit dem gleichen Volumen Inertmaterial (Steatitkugeln) vermischt und in das Reaktionsrohr gefüllt. Das verbleibende Leervolumen wurde mit weiterem Inertmaterial (Steatitkugeln) aufgefüllt. Der Reaktor wurde im "geraden Durchgang" betrieben. Der Reaktordruck betrug 0,1 MPa abs. n-Butan wurde verdampft und gasförmig mengengeregelt dosiert. Die Versuchsanlage wurde mit einer GHSV von 2400 h_1, einer n-Butan-Konzentra- tion von 1,4 Vol.-% und einem Wassergehalt von 1,0 Vol.-% betrieben. Das entstandene Produktgas wurde gaschromatografisch analysiert.A catalytic test was carried out in a test facility with catalysts A, C, F * and G *. The test facility was equipped with a feed metering unit and an electrically heated reactor tube. The length of the reaction tube was 30 cm and the inside diameter of the reactor tube was 11 mm. In each case, 12 g of catalyst in the form of a grit of grain size 0.7 to 1.0 mm were mixed with the same volume of inert material (steatite balls) and filled into the reaction tube. The remaining empty volume was filled with further inert material (steatite balls). The reactor was operated in a "straight pass". The reactor pressure was 0.1 MPa abs. n-Butane was evaporated and metered in gaseous quantities. The test facility was operated with a GHSV of 2400 h _1 , an n-butane concentration of 1.4% by volume and a water content of 1.0% by volume. The resulting product gas was analyzed by gas chromatography.
Tabelle 3 zeigt die nach 600 Stunden Laufzeit erhaltenen Daten.Table 3 shows the data obtained after a running time of 600 hours.
Tabelle 3Table 3
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Figure imgf000022_0001
Legende: T: mittlere Reaktionstemperatur u-. Umsatz, bezogen auf n-ButanLegend: T: average reaction temperature u. Sales based on n-butane
S: Selektivität des umgesetzten n-Butan zu Maleinsäureanhydrid A: Ausbeute an Maleinsäureanhydrid (A = U x S)S: selectivity of the converted n-butane to maleic anhydride A: yield of maleic anhydride (A = U x S)
Die Versuche zeigen, daß die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Katalysatoren A und C mit 68,5 und 68,8% eine signifikant höhere Selektivität an Maleinsäureanhydrid aufweisen, als die Katalysatoren F* und G* nach dem Stand der Technik mit 59,8 und 66,8%. Da die Versuche bei annähernd gleichem n-Butan- Umsatz durchgeführt wurden, ist liegt auch die Ausbeute der Katalysatoren deutlich über der der Katalysatoren nach dem Stand der Technik. Dabei kann die Reaktionstemperatur bei Einsatz der erfindungsgemäß hergestellten Katalysatoren trotz der erzielten hohen Ausbeute mit 388 und 383°C relativ niedrig gehalten werden. Der in Beispiel 1 abgeleitete Zusammenhang zwischen demThe experiments show that the catalysts A and C produced by the process according to the invention with 68.5 and 68.8% have a significantly higher selectivity of maleic anhydride than the catalysts F * and G * according to the prior art with 59.8 and 66.8%. Since the experiments were carried out with approximately the same n-butane conversion, the yield of the catalysts is also significantly higher than that of the catalysts according to the prior art. The reaction temperature when using the catalysts prepared according to the invention can be kept relatively low at 388 and 383 ° C. despite the high yield achieved. The relationship between the
I [ooi] /I [220] -Verhältnis und der Selektivität beziehungsweise derI [ooi] / I [ 220 ] ratio and the selectivity or the
Ausbeute konnte somit experimentell bestätigt werden. Yield could thus be confirmed experimentally.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Herstellung eines Vanadium, Phosphor und Sauer- Stoff enthaltenden Katalysator-Precursors für die Herstellung von Maleinsäureanhydrid durch heterogenkatalytische Gasphasenoxidation eines Kohlenwasserstoffs mit mindestens vier Kohlenstoffatomen, durch Umsetzung einer funfwertigen Vanadium-Verbindung mit einer funfwertigen Phosphor-Verbindung in Gegenwart eines reduzierend wirkenden Alkohols, dadurch gekennzeichnet, daß man1. A process for the preparation of a vanadium, phosphorus and oxygen-containing catalyst precursor for the production of maleic anhydride by heterogeneous gas phase oxidation of a hydrocarbon having at least four carbon atoms, by reacting a five-valent vanadium compound with a five-valent phosphorus compound in the presence of a reducing agent Alcohol, characterized in that one
(i) als reduzierend wirkenden Alkohol einen Alkohol der allgemeinen Formel (I)(i) as a reducing alcohol, an alcohol of the general formula (I)
Rl R l
R2- CH CH2 OH (I),R 2 - CH CH 2 OH (I),
R3R3
in der die Reste R und R2 unabhängig voneinander Wasserstoff, Ci- bis Cg-Alkyl oder Cι~ bis Cg-Hydroxyalkyl und der Rest R3 C ~ bis Cg-Alkyl oder Cι~ bis Cg-Hydroxyalkyl bedeuten, ein- setzt,in which the radicals R and R 2, independently of one another, are hydrogen, Ci to Cg-alkyl or C 1 to C 6 -hydroxyalkyl and the radical R 3 is C 1 to Cg-alkyl or C 1 to Cg-hydroxyalkyl,
(ii) die Umsetzung ohne Zusatz von Modifikatoren und Coreduktionsmitteln ausgewählt aus der Reihe Halogenwasserstoff, Schwefeldioxid, rauchende Schwefelsäure und Tenside durchführt, und (iii) die fünfwertige Vanadium-Verbindung, die fünfwertige(ii) the reaction is carried out without the addition of modifiers and coreductants selected from the series consisting of hydrogen halide, sulfur dioxide, fuming sulfuric acid and surfactants, and (iii) the pentavalent vanadium compound, the pentavalent compound
Phosphor-Verbindung und den reduzierend wirkenden Alkohol zusammenfügt, durch Erhitzen den Katalysator-Precursor bildet und diesen isoliert.Combines phosphorus compound and the reducing alcohol, forms the catalyst precursor by heating and isolates it.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als reduzierend wirkenden Alkohol 1-Butanol und/oder 1-Penta- nol einsetzt.2. The method according to claim 1, characterized in that 1-butanol and / or 1-pentanol is used as the reducing alcohol.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeich- net, daß man als fünfwertige Vanadium-Verbindung Vanadiumpentoxid einsetzt.3. Process according to claims 1 to 2, characterized in that vanadium pentoxide is used as the pentavalent vanadium compound.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als fünfwertige Phosphor-Verbindung Orthophos- phorsäure, Py'rophosphorsäure, Polyphosphorsäuren oder deren Gemische einsetzt. 4. Process according to claims 1 to 3, characterized in that orthophosphoric acid, py ' rophosphoric acid, polyphosphoric acids or mixtures thereof are used as the pentavalent phosphorus compound.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung zwischen der funfwertigen Vanadium-Verbindung mit der funfwertigen Phosphor-Verbindung in Gegenwart eines reduzierend wirkenden Alkohols bei einer Tem- peratur zwischen 50 und 200°C durchführt.5. Process according to claims 1 to 4, characterized in that one carries out the reaction between the pentavalent vanadium compound with the pentavalent phosphorus compound in the presence of a reducing alcohol at a temperature between 50 and 200 ° C.
6. Katalysator-Precursor für die Herstellung von Maleinsäureanhydrid durch heterogenkatalytische Gasphasenoxidation eines Kohlenwasserstoffs mit mindestens vier Kohlenstoffatomen, er- hältlieh gemäß den Ansprüchen 1 bis 5.6. Catalyst precursor for the production of maleic anhydride by heterogeneous catalytic gas phase oxidation of a hydrocarbon with at least four carbon atoms, obtained according to claims 1 to 5.
7. Verfahren zur Herstellung eines Vanadium, Phosphor und Sauerstoff enthaltenden Katalysators für die Herstellung von Maleinsäureanhydrid durch heterogenkatalytische Gasphasenoxida- tion eines Kohlenwasserstoffs mit mindestens vier Kohlenstoffatomen, durch Behandlung eines Vanadium, Phosphor- und Sauerstoff enthaltenden Katalysator-Precursors in mindestens einer Atmosphäre, umfassend Sauerstoff (02) , Wasserstoffoxid (H20) und/oder Inertgas in einem Temperaturbereich von 250 bis 600°C, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Katalysator-Precursor gemäß Anspruch 6 einsetzt.7. Process for the preparation of a vanadium, phosphorus and oxygen-containing catalyst for the production of maleic anhydride by heterogeneous catalytic gas phase oxidation of a hydrocarbon having at least four carbon atoms, by treatment of a vanadium, phosphorus and oxygen-containing catalyst precursor in at least one atmosphere comprising oxygen (0 2 ), hydrogen oxide (H 2 0) and / or inert gas in a temperature range from 250 to 600 ° C, characterized in that a catalyst precursor according to claim 6 is used.
8. Katalysator für die Herstellung von Maleinsäureanhydrid durch heterogenkatalytische Gasphasenoxidation eines Kohlenwasser- Stoffs mit mindestens vier Kohlenstoffatomen, erhältlich gemäß Anspruch 7.8. Catalyst for the production of maleic anhydride by heterogeneous gas phase oxidation of a hydrocarbon having at least four carbon atoms, obtainable according to claim 7.
9. Verfahren zur Herstellung von Maleinsäureanhydrid durch heterogenkatalytische Gasphasenoxidation eines Kohlenwasserstoffs mit mindestens vier Kohlenstoffatomen mit Sauerstoff enthaltenden Gasen, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Katalysator gemäß Anspruch 8 einsetzt.9. A process for the preparation of maleic anhydride by heterogeneous catalytic gas phase oxidation of a hydrocarbon having at least four carbon atoms with gases containing oxygen, characterized in that a catalyst according to claim 8 is used.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man die heterogenkatalytische Gasphasenoxidation in einem Rohrbündelreaktor bei einer Temperatur von 350 bis 480°C und einem Druck von 0,1 bis 1,0 MPa abs durchführt.10. The method according to claim 9, characterized in that one carries out the heterogeneous catalytic gas phase oxidation in a tube bundle reactor at a temperature of 350 to 480 ° C and a pressure of 0.1 to 1.0 MPa abs.
11. Verfahren nach den Ansprüchen 9 bis 10, dadurch gekennzeich- net, daß man als Kohlenwasserstoff n-Butan einsetzt.11. The method according to claims 9 to 10, characterized in that n-butane is used as the hydrocarbon.
12. Verfahren nach den Ansprüchen 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß man die heterogenkatalytische Gasphasenoxidation in Gegenwart einer flüchtigen Phosphorverbindung durchführt. Katalysator-Precursor für die Herstellung von Maleinsäureanhydrid12. The method according to claims 9 to 11, characterized in that one carries out the heterogeneous catalytic gas phase oxidation in the presence of a volatile phosphorus compound. Catalyst precursor for the production of maleic anhydride
ZusammenfassungSummary
Verfahren zur Herstellung eines Vanadium, Phosphor und Sauerstoff enthaltenden Katalysator-Precursors für die Herstellung von Maleinsäureanhydrid durch heterogenkatalytische Gasphasenoxidation eines Kohlenwasserstoffs mit mindestens vier Kohlenstoffatomen, durch Umsetzung einer funfwertigen Vanadium-Verbindung mit einer funfwertigen Phosphor-Verbindung in Gegenwart eines reduzierend wirkenden Alkohols, bei dem manProcess for the preparation of a vanadium, phosphorus and oxygen-containing catalyst precursor for the production of maleic anhydride by heterogeneous catalytic gas phase oxidation of a hydrocarbon having at least four carbon atoms, by reacting a five-valent vanadium compound with a five-valent phosphorus compound in the presence of a reducing alcohol, in which you
(i) als reduzierend wirkenden Alkohol einen Alkohol der allgemeinen Formel (I)(i) as a reducing alcohol, an alcohol of the general formula (I)
Ri R2 C CH2 CH2 OH (I) ,Ri R 2 C CH 2 CH 2 OH (I),
! E3! E3
in der die Reste Ri und R2 unabhängig voneinander Wasserstoff, Cχ~ bis Cg-Alkyl oder Cχ~ bis Cg-Hydroxyalkyl und der Rest R3 Cχ~ bis C9-Alkyl oder Cχ~ bis Cg-Hydroxyalkyl bedeuten, einsetzt,in which the radicals Ri and R 2 independently of one another are hydrogen, C Wasserstoff ~ to Cg-alkyl or Cχ ~ to Cg-hydroxyalkyl and the radical R 3 is Cχ ~ to C 9 -alkyl or Cχ ~ to Cg-hydroxyalkyl,
(ii) die Umsetzung ohne Zusatz von Modifikatoren und Coreduktionsmitteln ausgewählt aus der Reihe Halogenwasserstoff, Schwefeldioxid, rauchende Schwefelsäure und Tenside durchführt, und (iii) die fünfwertige Vanadium-Verbindung, die fünfwertige Phos- phor-Verbindung und den reduzierend wirkenden Alkohol zusammenfügt, durch Erhitzen den Katalysator-Precursor bildet und diesen isoliert, aus diesem Verfahren erhältlicher Katalysator-Precursor, Verfahren zur Herstellung eines Katalysators aus dem Katalysator-Pre- Cursor, aus diesem Verfahren erhältlicher Katalysator sowie Verfahren zur Herstellung von Maleinsäureanhydrid an diesem Katalysator. (ii) carries out the reaction without the addition of modifiers and coreductants selected from the series consisting of hydrogen halide, sulfur dioxide, fuming sulfuric acid and surfactants, and (iii) combines the pentavalent vanadium compound, the pentavalent phosphorus compound and the reducing alcohol Heating the catalyst precursor and isolating it, catalyst precursor obtainable from this process, process for producing a catalyst from the catalyst pre-cursor, catalyst obtainable from this process and process for producing maleic anhydride on this catalyst.
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