Mehrstufiges Verfahren zur Herstellung von Carbonsäuren und/oder -anhydriden mit Intermediat-Auftrennung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein zwei- oder mehrstufiges Verfahren zur Herstellung von Carbonsäuren und/oder Carbonsäureanhydriden durch Oxidation aromatischer Kohlenwasserstoffe in der Gasphase, insbe- sondere zur Herstellung von Phthalsaureanhydrid durch Oxidation von o-Xylol.
Bekanntermaßen werden Carbonsäuren und/oder Carbonsäureanhydride, wie Phthalsaureanhydrid, technisch in großem Umfang durch kataly- tische Gasphasenoxidation von aromatischen Kohlenwasserstoffen, wie o-Xylol, in Festbettreaktoren, insbesondere Rohrbündelreakto- ren, hergestellt. Dazu wird im Allgemeinen ein Gemisch aus einem Sauerstoff altigen Gas, beispielsweise Luft, und dem zu oxidie- renden aromatischen Kohlenwasserstoff durch eine Vielzahl in einem Reaktor angeordneter Rohre geleitet, in denen sich eine Sσhüttung eines Katalysators befindet. Zur Temperaturregelung sind die Rohre von einem Wärmeträgermedium, beispielsweise einer Salzsσhmelze, umgeben. Trotz dieser Thermostatisierung kann es in der Katalysatorschüttung zur Ausbildung sogenannter "Heißer Flecken" ( "hot spots") kommen, in denen eine höhere Temperatur herrscht als im übrigen Teil der Katalysatorschüttung. Diese "hot spots" führen zu Nebenreaktionen, wie der Totalverbrennung des Ausgangsmaterials oder zur Bildung unerwünschter, vom Reaktionsprodukt nicht oder nur unter großem Aufwand abtrennbarer Neben- produkte, beispielsweise Phthalid oder Benzoesäure bei der Herstellung von Phthalsaureanhydrid.
Zur Absσhwäσhung dieser "hot spots" wurde vorgeschlagen, unterschiedlich aktive Katalysatoren schichtweise anzuordnen, wobei in der Regel der weniger aktive Katalysator zum Gaseintritt und der aktivere Katalysator zum Gasaustritt gelegen ist.
Die EP-A 1 063 222 beschreibt die Herstellung von Phthalsaureanhydrid durch katalytische Gasphasenoxidation von o-Xylol oder Naphthalin an wenigstens drei aufeinanderfolgenden Katalysatorschichten in einem Festbettreaktor, wobei der Umsatz in den einzelnen Schichten innerhalb bestimmter Bereiche gehalten wird.
Die WO 00/27753 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Phthalsaureanhydrid durch partielle Oxidation von o-Xylol in der Gasphase mit einem molekularen Sauerstoff enthaltenden Gas, wobei man einen Sσhalenkatalysator, dessen katalytisσh aktive Masse eine Silber-Vanadiumoxid-Bronze enthält, in Kombination mit einem Katalysator, der in seiner katalytisch aktiven Masse als wesentliche katalytisch aktive Bestandteile Vanadiumpentoxid und Anatas enthält, verwendet. Auf Seite 22/23 beschreibt die WO 00/27753 eine Ausführungsform dieses Verfahrens, bei der das o-Xylol zu- nächst an einer Schüttung des Silber-Vanadiumoxid-Katalysators unter Teilumsatz zu Phthalsaureanhydrid und anderen Oxidations- produkten, die Intermediate auf dem Reaktionsweg von o-Xylol zu Phthalsaureanhydrid sind, wie o-Tolylaldehyd,l o-Tolylcarbonsäure und Phthalid, umgesetzt wird. Das o-Xylol wird dann vom Phthal- säureanhydrid und den anderen Oxidationsprodukten abgetrennt und zurückgeführt. Der Strom aus Phthalsaureanhydrid und Intermedia- ten soll einer oder mehreren weiteren Katalysatorschüttung mit Katalysatoren auf Vanadiumoxid/Anatas-Basis zugeführt werden, wo die Intermediate selektiv zu Phthalsaureanhydrid oxidiert werden.
Bei vielen aromatischen Carbonsäuren und/oder1 Carbonsäureanhydriden, wie Phthalsaureanhydrid, handelt es sich, um technische Produkte, die in großem Maßstab industriell hergestellt werden. Bereits geringe Ausbeutesteigerungen der industriellen Herstel- lungsverfahren führen zu deutlichen wirtschaftlichen Vorteilen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren anzugeben, das - bezogen auf den eingesetzten aromatischen Kohlenwasserstoff - zu einer höheren Ausbeute an der gewünschten aromatischen Carbonsäure und/oderj dem gewünschten
Carbonsäureanhydrid führt, als die bekannten Verfahren. i
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durchi ein Verfahren zur Herstellung von Carbonsäuren und/oder Carbonsäureanhydriden durch mehrstufige Gasphasen-Oxidation eines aromatischen Kohlenwasserstoffs, bei dem man [
in einer ersten Reaktionsstufe ein Gemisch erzeugt, das Intermediate mit zwischen dem aromatischen Kohlenwasserstoff und der Carbonsäure oder dem Carbonsäureanhydrid liegenden Oxidationsstufen enthält,
das Gemisch so auftrennt, dass man eine erste Fraktion erhält, in der Intermediate niedriger Oxidationsstufe angerei- chert sind, und eine zweite Fraktion erhält, in der Intermediate hoher Oxidationsstufe angereichert sind, und
die zweite Fraktion in wenigstens einer weiteren Reaktionsstufe in Abwesenheit der ersten Fraktion im Wesentlichen quantitativ zu der Carbonsäure und/oder dem Carbonsäureanhydrid oxidiert.
Der Ausbeutesteigerung im erfindungsgemäßen Verfahren liegen vermutlich folgende Zusammenhänge zu Grunde: Die weitere Oxidation der Intermediate niedriger Oxidationsstufe zu der gewünschten Carbonsäure bzw. dem gewünschten Carbonsäureanhydrid ist von ei- ner hohen exothermen Wärmetönung begleitet. Wird das nach der ersten Reaktionsstufe erhaltene Gemisch wie bei den bekannten Verfahren ohne Auf rennung der Intermediate weiteroxidiert, kann diese Exother ie eine unerwünschte Überoxidation der Intermediate hoher Oxidationsstufe oder der bereits gebildeten Carbonsäure und/oder des Carbonsäureanhydrids begünstigen.
Unter "Oxidationsstufe" soll die mittlere Oxidationszahl der in einem Molekül enthaltenen Kohlenstoff tome verstanden werden. Diese wird erhalten, wenn man die Beiträge der im Molekül vorhan- denen Wasserstoffatome (+1) und der Sauerstoffatome (-2) addiert, den Betrag invertiert und durch die Zahl der Kohlenstoffatome dividiert. Für repräsentative Verbindungen ergeben sich folgende Oxidationsstufen: Phthalsaureanhydrid 0,25; Phthalid -0,25; o-To- lylaldehyd -0,75; o-Xylol -1,25.
Die Begriffe "hohe Oxidationssstufe" und "niedrige Oxidationsstufe" verstehen sich relativ zueinander und relativ zum Durchschnittswert der Oxidationsstufen der in der ersten Reaktionsstufe gebildeten Intermediate, d.h. die in der ersten Fraktion enthaltenen Intermediate weisen eine niedrigere, die in der zweiten Fraktion enthaltenen Intermediate eine höhere Oxidationsstufe auf, als der (nach dem molaren Anteil der einzelnen Intermediate gewiσhtete) Durchschnittswert der in der ersten Reduktionsstufe gebildeten Intermediate. Sind in einer Fraktion mehrere Interme- diäte enthalten, ist auch hier auf einen nach dem molaren Anteil gewichteten Mittelwert abzustellen.
In der Regel enthält das in der ersten Reaktionsstufe erzeugte Gemisch neben den gebildeten Intermediaten außerdem nicht umge- setzten aromatischen Kohlenwasserstoff sowie bereits in der ersten Reaktionsstufe gebildete Carbonsäure und/oder Carbonsäureanhydrid. In den meisten Fällen ist es zur Begrenzung des Trennaufwandes zweckmäßig, die das Reaktionsgemisch so aufzutrennen, dass die erste Fraktion neben dem/den Intermediate(n) niedriger Oxida- tionsstufe außerdem den nicht umgesetzten aromatischen Kohlenwasserstoff enthält und/oder die zweite Fraktion neben dem/den Intermediate (n) hoher Oxidationsstufe außerdem die in der ersten
Reaktionsstufe gebildete Carbonsäure und/oder das Carbonsäureanhydrid enthält.
Die erste Fraktion wird getrennt von der zweiten Fraktion in ei- nem ein- oder mehrstufigen Reaktionsweg zu der gewünschten Carbonsäure bzw. dem gewünschten Carbonsäureanhydrid oxidiert. Zweckmäßigerweise führt man die erste Fraktion in die erste Reaktionsstufe zurück. Alternativ leitet man die erste Fraktion in eine gesonderte weitere Reaktionsstufe ein und oxidiert sie ge- trennt von der zweiten Fraktion zu der Carbonsäure und/oder dem Carbonsäureanhydrid.
Als aromatische Kohlenwasserstoffe für das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich Benzol, o-Xylol, m-Xylol oder p-Xylol, Naph- thalin, Toluol oder Durol ( 1,2,4,5-TetramethyIbenzol ) . Dabei werden je nach Ausgangsmaterial Benzoesäure, Maleinsäureanhydrid, Phthalsaureanhydrid, Isophthalsäure, Terephthalsäure oder Pyro- mellithsäureanhydrid erhalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung von Phthalsaureanhydrid aus o-Xylol. Als Intermediat niedriger Oxidationsstufe tritt bei dieser Umsetzung o-Tolylaldehyd und als Intermediat hoher Oxidationsstufe Phthalid (neben untergeordneten Mengen o-Tolylsäure) auf.
In der ersten und den weiteren Reaktionsstufen wird ein Gasgemisch, das molekularen Sauerstoff und oxidierbare Verbindungen enthält, bei erhöhter Temperatur über wenigstens einen stationär, in der Regel als Festbett, angeordneten heterogen Katalysator ge- leitet. Es haben sich sogenannte Schalenkatalysatoren bewährt, bei denen die katalytisch aktive Masse schalenförmig auf einem im Allgemeinen unter den Reaktionsbedingungen inerten, vorzugsweise nicht-porösen Trägermaterial, wie Quarz (Si02), Porzellan, Magnesiumoxid, Zinndioxid, Siliσiumσarbid, Rutil, Tonerde (A1203), Aluminiumsilikat, Magnesiumsilikat (Steatit), Zirkoniumsilikat oder Cersilikat oder Mischungen dieser Trägermaterialien aufgebracht ist. Als vorteilhafte Trägermaterialien sind insbesondere Steatit und Siliσiumcarbid hervorzuheben. Die Form des Trägermaterials ist nicht kritisch. Beispielsweise können Katalysator- träger in Form von Kugeln, Ringen, Tabletten, Spiralen, Röhren, Extrudaten oder Splitt verwendet werden.
Als Katalysator für die erste Reaktionsstufe sind alle dem Fachmann bekannten Gasphasenoxidationskatalysatoren geeignet, die es gestatten, aromatische Kohlenwasserstoffe in Gegenwart von molekularem Sauerstoff unter Teilumsatz zu einem Gemisch von Interme- diaten zu oxidieren. Besonders eignen sich Katalysatoren, deren
Aktivmasse eine Silber-Vanadiumoxid-Bronze umfasst. Unter "Silber-Vanadiumoxid-Bronzen" versteht man Silber-Vanadiumoxid-Verbindungen mit einem atomaren Ag/V-Verhältnis von weniger als 1. Es handelt sich dabei um im Allgemeinen halbleitende oder metal- lisch leitfähige, oxidische Festkörper, die bevorzugt Schichtoder Tunnelstrukturen aufweisen, wobei das Vanadium im [^Osloo-Wirtsgi ter teilweise reduziert zu V(IV) vorliegt.
Besonders eignen sich Katalysatoren, deren katalytisch aktive Masse, bezogen auf ihr Gesamtgewicht, 30 bis 100 Gew.-% einer oder mehrerer Silber-Vanadiumoxid-Bronzen mit einem Ag : V-Atom- verhältnis von 0,15 bis 0,95 enthält und eine BET-Oberfläche von 2 bis 100 m2/g hat. Derartige Katalysatoren sind in der WO 00/27753 beschrieben, auf die vollinhaltlich Bezug genommen wird.
Die Herstellung derartiger Katalysatoren erfolgt zweckmäßigerweise über die Stufe eines sogenannten "Präkatalysators", aus dem der Katalysator entweder durch thermische Behandlung hergestellt oder in situ im Oxidationsreaktor unter den Bedingungen der Oxidationsreaktion erzeugt werden kann. Der Präkatalysator umfasst, vorzugsweise als auf einem inerten Trägermaterial sσha- lenförmig aufgebrachte Schicht, ein Multimetalloxid, vorzugsweise der Formel I:
Aga-bMbV2Ox * c H20,
in der M ein Metall ausgewählt aus der Gruppe Li, Na, K, Rb, Cs, Tl, Mg, Ca, Sr, Ba, Cu, Zn, Cd, Pb, Cr, Au, AI, Fe, Co, Ni und/ oder Mo, vorzugsweise Na, K, Rb, Tl, Au und Cu, ist,
a einen Wert von 0,3 bis 1,9 und
b einen Wert von 0 bis 0,5 hat, mit der Maßgabe, dass die Dif- ferenz (a-b) ≥ 0,1 ist und
c einen Wert von 0 bis 20 hat und
x eine Zahl, die sich stöσhiometrisch durch die Wertigkeit und Häufigkeit der von Sauerstoff verschiedenen Elemente in der Formel I bestimmt, bedeutet,
das in einer Kristallstruktur vorliegt, die ein Pulverröntgendia- gramm ergibt, welches Beugungsreflexe bei den Netzebenenabstän- den d 15,23 ± 0,6, 12,16 ± 0,4, 10,68 ± 0,3, 3,41 ± 0,04, 3,09 ± 0,04, 3,02 ± 0,04, 2,36 ± 0,04 und 1,80 ± 0,04 Ä hat.
Besonders bevorzugte Multimetalloxide der Formel I haben eine Zusammensetzung der Formel
AgaV2Ox* c H20,
worin a einen Wert von 0,6 bis 0,9 hat, der Wert der Variablen x sich aus der Häufigkeit und Wertigkeit der Silber- und Vanadiumkomponente bestimmt und σ einen Wert von 0 bis 5 hat.
Zur Herstellung dieser Multimetalloxide wird im Allgemeinen eine Suspension von Vanadiumpentoxid (V2Os) mit der Lösung eines Silbersalzes, wie Silbernitrat, in einem Lösungsmittel und gegebenenfalls einer Lösung einer Verbindung der Metallkomponente M er- hitzt. Als Lösungsmittel wird vorzugsweise Wasser verwendet. Die Isolierung des Multimetalloxids erfolgt zweckmäßigerweise mittels Sprühtrocknung.
Zur schalenförmigen Beschichtung des inerten Trägermaterials mit dem Multimetalloxid können übliche Methoden angewandt werden. Beispielsweise kann eine Suspension des Multimetalloxids in Wasser oder einem organischen Lösungsmittel, gegebenenfalls unter Mitverwendung eines Bindemittels, in einer beheizten Dragiertrommel oder einem Wirbelbettbeschichter auf den Katalysatorträger aufgesprüht werden. Zweckmäßigerweise beschichtet man jedoch den Katalysatorträger in einer Dragiertrommel oder einem Wirbelbettbeschichter unter Zusatz einer Bindemittelflüssigkeit mit einem, vorzugsweise sprühgetrockneten, Pulver des Multimetalloxids.
Bei der thermischen Behandlung der Präkatalysatoren bei Temperaturen von über 200 bis 650 °C, vorzugsweise bei über 250 °C bis 500 °C, insbesondere bei 300 bis 450 °C, werden diese in die aktiven Katalysatoren umgewandelt. Dabei zersetzt sich das im Präkatalysator enthaltene Multimetalloxid zu Silber-Vanadiumoxid-Bron- zen. Diese Umwandlung der im Präkatalysator enthaltenen Multimetalloxide zu Silber-Vanadiumoxid-Bronzen findet auch in situ im Reaktor bei den zur Gasphasenoxidation angewandten Temperaturen statt, wenn man den Präkatalysator bei dieser Umsetzung einsetzt. Die thermische Umwandlung der Multimetalloxide zu Silber-Vanadiu- moxid-Bronzen verläuft über eine Reihe von Reduktions- und Oxida- tionsreaktionen, die im einzelnen noch nicht verstanden sind.
Eine andere Möglichkeit zur Herstellung eines Sσhalenkatalysators besteht in der thermischen Behandlung des oben genannten Multime- talloxidpulvers bei Temperaturen von oberhalb 200 °C bis 650 °C und der Beschichtung des inerten Katalysatorträgers, gegebenen-
falls unter Zusatz eines Bindemittels, mit der hierbei gegebenenfalls erhaltenen Silber-Vanadiumoxid-Bronze.
Der Katalysator, insbesondere Schalenkatalysator, oder Präkataly- sator für die erste Reaktionsstufe wird geeigneterweise in die Reaktionsrohre eines Röhrenreaktors gefüllt, die von außen, z.B. mittels einer Salzschmelze, auf die Reaktionstemperatur thermo- statisiert werden. Über die so bereitete Katalysatorschüttung wird ein Reaktionsgas bei Temperaturen von im Allgemeinen 300 bis 450 °C, vorzugsweise 320 bis 420°C und besonders bevorzugt von 340 bis 400 °C und bei einem Überdruck von im Allgemeinen 0,1 bis 2,5 bar, vorzugsweise von 0,3 bis 1,5 bar mit einer Raumgeschwindigkeit von im Allgemeinen 750 bis 5000 h-1 geleitet.
Das der ersten Reaktionsstufe zugeführte Reaktionsgas wird im Allgemeinen durch Vermischen eines molekularen Sauerstoff enthaltenden Gases mit dem zu oxidierenden aromatischen Kohlenwasserstoff erzeugt. Das Gas kann außer Sauerstoff noch Reaktionsmoderatoren und/oder Verdünnungsmittel, wie Wasserdampf, Kohlendio- xid und/oder Stickstoff, enthalten. Es enthält im Allgemeinen 1 bis 100 Vol.-%, vorzugsweise 2 bis 50 Vol.-% und besonders bevorzugt 10 bis 30 Vol.-% Sauerstoff, 0 bis 30 Vol.-%, vorzugsweise 0 bis 10 Vol.-% Wasserdampf sowie 0 bis 50 Vol.-%, vorzugsweise 0 bis 1 Vol.-% Kohlendioxid, wobei der Rest auf 100 Vol.-% von Stickstoff gebildet wird. Besonders vorteilhaft wird als molekularen Sauerstoff enthaltendes Gas Luft verwendet. Zur Erzeugung des Reaktionsgases wird das molekularen Sauerstoff enthaltende Gas im Allgemeinen mit 30 bis 300 g je Nm3, bevorzugt mit 70 bis 250 g je Nm3 Gas des zu oxidierenden aromatischen Kohlenwasser- Stoffs beschickt.
Zweckmäßigerweise kondensiert bzw. desublimiert man in einer ein- oder mehrstufigen Operation die kondensierbaren bzw. desublimier- baren Bestandteile des die erste Reaktionsstufe verlassenden Pro- duktgasgemisσhes. So kann man das Produktgasgemisch bis zur Kondensation abkühlen und einem Abscheider zuführen, in dem die kondensierten Bestandteile abgeschieden werden. Die Gasphase kann dann durch einen Desublimator geleitet werden, um die noch von der Gasphase mitgeführten Oxidationsprodukte abzuscheiden. Das erhaltene Kondensat bzw. Desublimat oder das vereinigte Kondensat und Sublimat werden dann aufgetrennt, so dass die Intermediate niedriger Oxidationsstufe in einer ersten Fraktion und die Intermediate hoher Oxidationsstufe in einer zweiten Fraktion angereichert werden. Die Auftrennung erfolgt in der Regel durch Destil- lation, insbesondere Rektifikation, in geeigneten Destillationskolonnen wie Gloσkenbodenkolonnen. Bei der Destillation macht man
sich den Umstand zu Nutze, dass der Siedepunkt der Oxidationspro- dukte im Allgemeinen mit steigender Oxidationsstufe zunimmt.
Die erste Fraktion wird vorzugsweise in die erste Reaktionsstufe zurückgeführt, d.h. zusammen mit frischem aromatischen Kohlenwasserstoff und dem molekularen Sauerstoff enthaltenden Gas in den Reaktor eingeführt. Alternativ leitet man die erste Fraktion in eine gesonderte weitere Reaktionsstufe ein und oxidiert sie getrennt von der zweiten Fraktion zu der Carbonsäure und/oder dem Carbonsäureanhydrid. Die gesonderte weitere Reaktionsstufe zur Weiteroxidation der ersten Fraktion entspricht in ihrem Aufbau und den verwendeten Katalysatoren in der Regel der unten beschriebenen, zur Weiteroxidation der zweiten Fraktion verwendeten weiteren Reaktionsstufe.
Die zweite Fraktion wird verdampft und erneut mit einem molekularen Sauerstoff enthaltenden Gas vermischt. Es kann dabei mit Vorteil ganz oder teilweise das Abgas der ersten Reaktionsstufe verwendet werden kann. Das erhaltene Gasgemisch wird dann wenigstens einer weiteren Reaktionsstufe zugeführt.
In der/den weiteren Reaktionsstufe(n) können alle typisσherweise zur Gasphasenoxidation von aromatischen Kohlenwasserstoffen zu Carbonsäuren und/oder Carbonsäureanhydriden, z.B. von o-Xylol zu Phthalsaureanhydrid, verwendeten Katalysatoren, vorzugsweise Schalenkatalysatoren, verwendet werden. Als katalytisch aktiver Bestandteil dieser Katalysatoren dient im Allgemeinen neben Titandioxid in Form seiner Anatas-Modifikation Vanadiumpentoxid. Des weiteren können in der katalytisch aktiven Masse in geringen Mengen eine Vielzahl anderer oxidisσher Verbindungen enthalten sein, die als Promotoren die Aktivität und Selektivität des Katalysators beeinflussen, beispielsweise indem sie seine Aktivität absenken oder erhöhen. Als solche Promotoren seien beispielhaft die Alkalimetalloxide, insbesondere Lithium-, Kalium-, Rubidium- und Cäsiumoxid, Thallium(I)oxid, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Eisenoxid, Nickeloxid, Kobaltoxid, Manganoxid, Zinnoxid, Silberoxid, Kupferoxid, Chromoxid, Molybdänoxid, Wolframoxid, Iridiumoxid, Tantaloxid, Nioboxid, Arsenoxid, Antimonoxid, Ceroxid und Phosphorpentoxid genannt. Als die Aktivität vermindernder und die Selektivität erhöhender Promotor wirken z.B. die Alkalimetalloxide, wohingegen oxidische Phosphorverbindungen, insbesondere Phosphorpentoxid, die Aktivität des Katalysators erhöhen, aber dessen Selektivität vermindern.
Für die weitere(n) Reaktionsstufe(n) kann ein Röhrenreaktor mit Wärmetauschmedium, das die einzelnen Rohre umgibt, eingesetzt werden, wie er oben in Zusammenhang mit der ersten Reaktionsstufe
beschrieben wurde. Alternativ kann man - aufgrund der geringeren Exothermie der Weiteroxidation der Intermediate hoher Oxidationsstufe - einen adiabatisch betriebenen Reaktor verwenden, bei dem die Abfuhr der Reaktionswärme - bis auf einen unvermeidlichen Wärmeverlust durch Strahlung - im Wesentlichen durch die Produktgase erfolgt. In der/den weiteren Reaktionsstufe(n) wird das Reaktionsgas über die Katalysatorschüttung bei Temperaturen von im Allgemeinen 250 bis 450 °C, vorzugsweise 300 bis 400 °C, und bei einem Überdruck von im Allgemeinen 0,1 bis 2,5 bar, vorzugsweise von 0,3 bis 1,5 bar mit einer Raumgeschwindigkeit von im Allgemeinen 750 bis 5000 h"1 geleitet.
Die Katalysatorschüttungen in der ersten Reaktionsstufe und den weiteren Reaktionsstufen können jeweils eine oder aber zwei oder mehr Zonen, vorzugsweise zwei Zonen, umfassen, die unterschiedlich aktive Katalysatoren enthalten oder auf unterschiedliche Reaktionstemperaturen thermostatisiert sind (wozu beispielsweise Reaktoren mit getrennten Salzbädern eingesetzt werden können). Werden unterschiedlich aktive Katalysatoren verwendet, wird der weniger aktive Katalysator vorzugsweise so im Festbett angeordnet, dass das Reaktionsgasgemisch mit ihm als erstes in Kontakt kommt, d.h. er liegt in der Schüttung zum Gaseintritt hin, wohingegen der aktivere Katalysator zum Gasaustritt hin gelegen ist.
Aus den die letzte Reaktionsstufe verlassenden Produktgasen wird die gebildete Carbonsäure bzw. das gebildete Carbonsäureanhydrid in geeigneter Weise isoliert. Z. B. kann Phthalsaureanhydrid vorzugsweise durch Desublimation fest abgeschieden werden. Hierzu sind alternierend arbeitende Schmelzkondensatoren besonders geei- gnet. Dabei wird das gekühlte Produktgas in eine Gruppe von Abscheidern geleitet. Jeder einzelne dieser Kondensatoren arbeitet in einem Aufheiz- und Kühl- bzw. Schmelz- und Beladungszyklus. Befindet sich ein Abscheider in der Beladungsphase, so desubli- miert Phthalsaureanhydrid auf den Kühlflächen. Die Kühlflächen werden von einem gekühlten Wärmeübertragungsmittel durchflössen. Bei einem bestimmten Druckverlust des Kühlers oder nach einer bestimmten Zeit wird dieser dann aus dem Produktgasström abgeschaltet. Das kalte Wärmeübertragungsmedium wird durch heißes verdrängt, und damit das rohe Anhydrid auf der Kühlfläche abge- schmolzen und gesammelt. Das rohe Phthalsaureanhydrid kann anschließend einer Destillation unterworfen werden.
Die Erfindung wird durch die beigefügte Figur und die folgenden Beispiele näher veranschaulicht.
Fig. 1 zeigt eine zur Herstellung von Phthalsaureanhydrid aus o- Xylol nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignete Anlage.
Gemäß Fig. 1 wird dem Röhrenreaktor 1 über die Leitung 2 und den Verdichter bzw. das Gebläse 3 verdichtete Luft und über die Leitung 4 o-Xylol zugeführt. Die den Reaktor 1 über die Leitung 5 verlassenden Reaktionsgase werden im Wärmetauscher 6 gekühlt, und das teilkondensierte Gemisch wird in den Phasentrennbehälter 7 geleitet. Die Flüssigphase aus dem Phasentrenngefäß 7 wird über die Leitung 8 in eine Destillationskolonne 9 eingeführt, an deren Kopf ein Gemisch abgezogen wird, welches überwiegend aus nicht umgesetztem o-Xylol und o-Tolylaldehyd sowie geringen Mengen an Wasser besteht. Dieses wird über die Pumpe 10 und die Leitung 11 zurück in den Reaktor 1 geführt wird. Die Gasphase aus dem Pha- sentrenngefäß 7 wird zur Abscheidung von mitgeführtem Phthalsaureanhydrid durch den Desublimator 12 und zur Entfernung der Hauptmengen mitgeführten o-Xylols und des Reaktionswassers durch den Gaswäscher 13 geleitet, in dem dem Gasstrom Kondensat entgegengeführt wird, das über den aus der Pumpe 14 und dem Wärmetau- scher 15 bestehenden Kreislauf umgepumpt wird. Ein Teilstrom des Kondensats wird dem Phasenseparator 16 zugeführt, in dem sich als untere Phase Reaktionswasser, welches über die Leitung 17 abgeführt und entsorgt wird, und als obere Phase vorwiegend o-Xylol sammelt, das über die Leitung 18 zurück in den Reaktor 1 geführt wird. Die Abluft aus dem Gaswäscher 13 wird in der Adsorptions- Desorptionseinheit 19 behandelt. Als Adsorptionsmittel kann beispielsweise Aktivkohle verwendet werden. Im Desorptionscyσlus wird über die Leitung 21 Heißdampf durch das Adsorptionsmodul geleitet und das im Wärmetauscher 22 anfallende Kondensat im Pha- senseparator 23 getrennt. Die aus o-Xylol bestehende obere Phase wird über die Leitung 24 zurück in den Reaktor 1 geführt, die aus Heißdampfkondensat bestehende untere Phase wird über die Leitung 25 abgeführt und verworfen. Die behandelte Abluft kann über die Leitung 37 ausgeschleust werden oder über die Leitung 20 voll- ständig oder teilweise der zweiten Reaktionsstufe zur dortigen Verwendung zugeführt werden.
Das im Wesentlichen aus Phthalid und Phthalsaureanhydrid bestehende Sumpfprodukt aus der Destillationskolonne 9 wird über die Leitung 26 dem Dünnschichtverdampfer 27 mit externem, aus der Pumpe 28 und dem Aufheizer 29 bestehenden Heizkreislauf, zugeführt, durch den die über die Leitung 20 herangeführte Abluft aus der ersten Reaktionsstufe und/oder über die Leitung 36 herangeführte Frischluft geleitet wird. Alternativ zu einem Dünnschicht- Verdampfer kann auch eine Sättigungskolonne eingesetzt werden, in welcher die über die Leitung 20 herangeführte Abluft aus der ersten Reaktionsstufe und/oder über die Leitung 36 herangeführte
Frischluft und das über die Leitung 26 herangeführte Sumpfprodukt bzw. ein über einen externen Heizkreislauf geführter Umpumpstrom im Gegenstrom über eine Füllkörpersσhüttung oder eine geeignete Packung geleitet werden.
Der mit dem verdampften Phthalid und Phthalsaureanhydrid angereicherte Luftstrom wird über die Leitung 30 durch eine Katalysatorschüttung im Reaktor 31 geleitet. Die Produktgase aus dem Reaktor 31 werden im Wärmetauscher 32 gekühlt und das gebildete Phthal- säureanhydrid im Desublimator 33 abgeschieden. Gewünschtenfalls kann das Produktgas aus dem Reaktor 31 zur Modifizierung des Nebenproduktspektrums und/oder Vervollständigung des Umsatztes vor dem Eintritt in den Desublimator 33 auch durch einen mit Katalysator gefüllten Nachreaktor geleitet werden. Die nicht desubli- mierbaren Bestandteile werden über die Leitung 34 entsorgt. Das im Desublimator 33 abgeschiedene Rohphthalsäureanhydrid kann über die Leitung 35 abgeführt und in an sich bekannter Weise einer Reindestillation unterworfen werden.
Beispiele
Katalysatorherstellung
Silber-Vanadiumoxid-Präkatalysator A
In 7 1 vollentsalztes Wasser von 60 °C wurden 90,95 g V205 (= 0,5 Mol) unter Rühren zugegeben. In die erhaltene orange-far- bene Suspension wurde unter weiterem Rühren eine wässrige Lösung von 62,0 g AgN0 (=0,365 Mol) in 1 1 Wasser zugegeben. Anschlie- ßend wurde die Temperatur der erhaltenen Suspension innerhalb von 2 Stunden auf 90 °C erhöht und bei dieser Temperatur die Mischung 24 Stunden gerührt. Danach wurde die erhaltene dunkelbraune Suspension abgekühlt und sprühgetrocknet (Eingangstemperatur (Luft) = 380 °C, Ausgangstemperatur (Luft) = 104 °C).
Das erhaltene HN03-haltige Ag0f7 V2Ox-Pulver wurde wie folgt auf Magnesiumsilikat-Ringe aufgebracht: 700 g Steatit-Ringe mit einem äußeren Durchmesser von 8 mm, einer Länge von 6 mm und einer Wandstärke von 1,5 mm wurden in einer Dragiertrommel bei Raumtem- peratur während 20 Minuten mit 115 g des HN03-haltigen
Ag0f 73V2Ox-Pulvers unter Zusatz von 56 g eines 30 Gew.-% Wasser und 70 Gew.-% Glycerin enthaltenden Gemisches beschichtet und anschließend getrocknet. Der an einer Probe ermittelte Anteil der so aufgetragenen katalytisch aktiven Masse betrug nach Wärmebe-
handlung bei 400 °C für 1/2 h 12,9 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des fertigen Katalysators.
V205-Ti02-Katalysator B 5
50.0 kg Ringe aus Steatit (Magnesiumsilikat) mit einem äußeren Durchmesser von 8 mm, einer Länge von 6 mm und einer Wandstärke von 1,5 mm wurden in einer Dragiertrommel auf 160 °C erhitzt und mit einer Suspension von 25,0 kg Anatas einer BET-Oberfläche von
10 20 m2/g, 1,81 kg Vanadyloxalat, 0,143 kg Cäsiumsulfat, 38 kg Wasser und 9,85 kg Formamid solange besprüht, bis das Gewicht der auf diese Weise aufgetragenen Schicht 10,0 % des Gesamtgewichts (nach Calcination bei 450 °C; für diese Bestimmung werden zu verschiedenen Zeitpunkten Proben aus der Dragiertrommel entnommen
15 und bei 450 °C calciniert) des fertigen Schalenkatalysators betrug. Die auf diese Weise aufgebrachte katalytisch aktive Masse bestand aus 0,40 Gew.-% Cäsium (berechnet als Cs), 4,0 Gew.-% Vanadium (berechnet als V2Os) und 95,6 Gew.-% Titandioxid (ber. als Ti02).
20
V205-Ti02-Katalysator C
50 kg Ringe aus Steatit (Magnesiumsilikat) mit einem äußeren Durchmesser von 8 mm, einer Länge von 6 mm und einer Wandstärke 25 von 1,5 mm wurden in einer Dragiertrommel auf 160 °C erhitzt und mit einer Suspension aus 28,6 kg Anatas mit einer BET-Oberflache von 20 m2/g, 4,11 kg Vanadyloxalat, 1,03 kg Antimontrioxid, 0,179 kg Ammoniumdihydrogenphosphat, 0,046 kg Cäsiumsulfat,
44.1 kg Wasser und 9,14 kg Formamid besprüht, bis das Gewicht der 30 aufgetragenen Schicht 10,5 % des Gesamtgewichts des fertigen
Katalysators betrug (nach Calcination bei 450 °C). Die auf diese Weise aufgebrachte katalytisch aktive Masse bestand aus 0,15 Gew.-% Phosphor (berechnet als P), 7,5 Gew.-% Vanadium (berechnet als V2θ5), 3,2 Gew.-% Antimon (berechnet als Sb203), 35 0,1 Gew.-% Cäsium (berechnet als Cs) und 89,05 Gew.-% Titandioxid (berechnet als Ti02).
Herstellung von Phthalsaureanhydrid (PSA)
40 Beispiel 1 (Vergleiσhsbeispiel) : Herstellung von Phthalsaureanhydrid mit einer Kombination des Silber-Vanadiumoxid-Präkatalysators A mit den V20s-Ti02-Katalysatoren B und C in einem Rohr ohne Abtrennung des nicht umgesetzten o-Xylols.
45 Von unten nach oben wurden jeweils 0,90 m des Katalysators C, 0,80 m des Katalysators B und anschließend 1,20 m des Präkatalysators A in ein 3,85 m langes Eisenrohr mit einer lichten Weite
von 25 mm eingefüllt. Das Eisenrohr war zur Temperaturregelung von einer Salzschmelze umgeben. Durch das Rohr wurden stündlich von oben nach unten 4,0 Nm3 Luft mit Beladungen an 98,5 gew.-%igem o-Xylol von 60 bis 80 g o-Xylol/Nm3-Luf geleitet. Dabei wurde bei 60 bis 80 g Beladung und einer Salzbadtemperatur von 353 bis 358 °C eine durchschnittliche PSA-Ausbeute von 115,4 Gew.-% erreicht (Ausbeute soll hier das erhaltene Phthalsaureanhydrid in kg pro 100 kg eingesetztes o-Xylol bedeuten). Der Umsatz betrug > 99,94 %, der Rest-Phthalid-Gehalt am Reaktorausgang lag bei < 0,20 Gew.-%.
Beispiel 2 (Vergleichsbeispiel): Herstellung von Phthalsaureanhydrid mit einer Kombination des Silber-Vanadiumoxid-Präkatalysators A mit den V20s-Ti02-Katalysatoren B und C mit Abtrennung und Rückführung des nicht umgesetzten o-Xylols.
Es wurden zwei Reaktionsrohre wie folgt vorbereitet: In ein erstes 3,85 m langes Eisenrohr mit einer lichten Weite von 25 mm füllte man 3,00 m des Präkatalysators A. In ein zweites gleichar- tiges Rohr füllte man zuerst 1,30 m des Katalysators C und anschließend 1,60 m des Katalysators B ein. Beide Rohre waren zur Temperaturregelung jeweils von einer Salzsσhmelze umgeben. Durch das erste Rohr wurden stündlich von oben nach unten 4,0 Nm3 Luft mit Beladungen an 98,5 gew.-%igem o-Xylol von etwa 100 g o-Xy- lol/Nm3-Luft geleitet. Dabei wurde bei einer Salzbadtemperatur von etwa 350 °C ein durchschnittlicher o-Xylol-Umsatz von 30 % mit einer C8-Selektivität von etwa 90 % und einer COx-Selektivität von etwa 10 % erhalten. Man kühlte das erhaltene gasförmige Reakti- onsgemisσh mittels eines Wärmetauschers, wobei die kondensierba- ren Bestandteile auskondensiert wurden, und leitete das Gemisch in ein Phasentrenngefäß. Die Flüssigphase wurde einer Destillationskolonne zugeführt, aus der das nicht umgesetzte o-Xylol über Kopf abdestilliert wurde. Das o-Xylol wurde in das erste Reaktionsrohr zurückgeführt. Das Sumpfprodukt, das im Wesentlichen aus Phthalsaureanhydrid, Phthalid und o-Tolylaldehyd bestand, wurde mittels eines Dünnschichtverdampfers verdampft, durch den man das Abgas aus dem Phasentrenngefäß leitete. Der beladene Gasstrom wurde von oben nach unten durch das zweite Reaktionsrohr geleitet. Dabei wurde bei einer Salzbadtemperatur von 350 °C ein Umsatz von mehr als 99,4 % erreicht. Über beide Reaktionsstufen erzielte man so eine Ausbeute an Phthalsaureanhydrid von 120 Gew.-%.
Beispiel 3 (erfindungsgemäß): Herstellung von Phthalsaureanhydrid mit einer Kombination des Silber-Vanadiumoxid-Präkatalysators A mit den V2θ5-Ti02-Katalysatoren B und C mit Abtrennung und Rück-
führung des nicht umgesetzten o-Xylols und des intermediär gebildeten o-Tolylaldehyds .
Beispiel 2 wurde wiederholt, wobei jedoch die Destillationsko- lonne so betrieben wurde, dass über Kopf das nicht umgesetzte o- Xylol und der in der ersten Reaktionsstufe gebildete o-Tolylalde- hyd abdestilliert wurden. Das Gemisch aus o-Xylol und o-Tolylal- dehyd wurde in das erste Rektionsrohr zurückgeführt. Die Zusammensetzung der in das erste Reaktionsrohr eintretenden oxidierba- ren Bestandteile war 13 Gew.-% o-Tolylaldehyd und 87 Gew.-% o-Xylol. Durch das erste Rohr wurden dabei stündlich 4,0 Nm3 Luft mit einer Beladung von etwa 100 g oxidierbarer Bestandteile/Nm3-Luft geleitet. Zur Erzielung eines o-Xylol-Umsatzes von 30 % war eine Salzbadtemperatur von 354 °C erforderlich, mit einer C8-Selektivi- tat von etwa 89 % und einer COx-Selektivität von etwa 11 %. Um im zweiten Reaktionsrohr einen Umsatz von mehr als 99,4 % der im Wesentlichen aus Phthalid und Phthalsaureanhydrid bestehenden Intermediate zu erzielen, war eine Salzbadtemperatur von 340 °C erforderlich. Über beide Reaktionsstufen erzielte man so eine Aus- beute an Phthalsaureanhydrid von 123 Gew.-%.