WO2009003881A1 - Verfahren zur einstufigen herstellung von 2-methyltetrahydrofuran aus furfural an zwei katalysatoren in strukturierter schüttung - Google Patents

Verfahren zur einstufigen herstellung von 2-methyltetrahydrofuran aus furfural an zwei katalysatoren in strukturierter schüttung Download PDF

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catalysts
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furfural
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Tobias Wabnitz
Daniel Breuninger
Jens Heimann
Rene Backes
Rolf Pinkos
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Basf Se
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07D—HETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D307/00—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom
    • C07D307/02—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings
    • C07D307/04—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings having no double bonds between ring members or between ring members and non-ring members
    • C07D307/06—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings having no double bonds between ring members or between ring members and non-ring members with only hydrogen atoms or radicals containing only hydrogen and carbon atoms, directly attached to ring carbon atoms

Definitions

  • the present invention relates to a process for the one-stage preparation of 2-methyltetrahydrofuran from furfural on at least two catalysts in structured bed.
  • 2-Methyltetrahydrofuran (hereinafter 2-Me-THF) is an organic solvent with high solubility.
  • 2-Me-THF is used as a replacement solvent for chemical syntheses of tetrahydrofuran (hereinafter THF), from which it advantageously differs by its lower, with increasing temperature decreasing water solubility, as a fuel additive, as it better with common fuels based on hydrocarbon is miscible as alcoholic additives, and used as a comonomer for the preparation of polyethers having improved properties over homopolymers.
  • THF tetrahydrofuran
  • 2-Me-THF is available from renewable raw materials. 2-Me-THF can be obtained from plant waste by digesting the hemicelluloses it contains into furfural and converting it into 2-Me-THF, thus contributing to sustainable development.
  • Kyosuke et al., J. Pharm. Soc. Jpn 66 (1946), 58 show that the direct conversion of furfural to 2-methyl-THF on Raney nickel catalysts at 260 0 C provides only small amounts of the desired product.
  • Kyosuke et al. instead, a two-step process via methylfuran as an isolated intermediate and the use of different catalysts for the two stages.
  • Cu-chromite is used after Adkins and in the second stage Raney-nickel.
  • a further disadvantage was the difficulty of isolating and purifying 2-Me-THF from the reaction mixture mixtures obtained, since the by-products THF, 2-pentanone and water as pure substances or in the form of their azeotropes have boiling points similar to those of 2-Me-THF.
  • the disclosed process has a number of disadvantages.
  • different reaction conditions are required for the individual stages of the reaction, which makes the technical design difficult and requires a spatial separation of the individual reactors.
  • the addition of hydrogen is required separately for each hydrogenation step and a large excess of hydrogen, as often desired in gas phase reactions, is not tolerated.
  • the formation of carbon monoxide which always occurs in small amounts from thermal furfural furfural, leads to deactivation of the nickel catalyst and formation of highly toxic, volatile Ni (CO) 4 by the accumulation of critical impurities such as carbon monoxide the economically desirable Kreisgasfahrweise impossible.
  • the present invention relates to a process for the one-stage hydrogenation of furfural with a hydrogen-containing gas in the presence of a structured bed of at least one copper catalyst and at least one catalyst having at least one noble metal from groups 8, 9 and / or 10 of the Periodic Table of the Elements applied a carrier material.
  • the present invention relates to a process for the one-stage hydrogenation of furfural with a hydrogen-containing gas in the presence of two catalysts, wherein the first one copper catalyst and the second catalyst as active metal at least one noble metal from groups 8, 9,10 of the Periodic Table Elements, in particular ruthenium, rhodium, iridium gold, palladium and / or platinum, preferably palladium and / or platinum, applied to a carrier material, in structured bed.
  • single-stage or one-stage hydrogenation is understood to mean a process which, starting from furfural, leads to the end product 2-Me-THF without isolation or purification of intermediates.
  • the catalyst is referred to, with which the stream of starting materials, the furfural and the hydrogen-containing gas, first comes in contact with the reactor, while the second catalyst is arranged in the flow direction spatially after the first catalyst and therefore is flowed through only after this time.
  • the first catalyst is a copper catalyst which preferably contains, in addition to copper as additional active metals, one or more elements of groups 2, 6 and / or 12 of the Periodic Table of the Elements (New IUPAC Nomenclature), in particular chromium, manganese, zinc, barium.
  • the total content of the aforementioned active metals is 10-100 wt .-%, preferably 15-80 wt .-%, calculated as oxide.
  • the copper content of the catalyst is at least 10% by weight, calculated as oxide, but preferably at least 15% by weight, particularly preferably 15 to 80% by weight.
  • Suitable first catalysts are full catalysts in which the catalytically active metals are present without support materials, corresponding to an active metal content of 100% by weight, and precipitation catalysts or supported catalysts.
  • a preferred unsupported catalyst is the catalyst of the composition 24-26% by weight of copper oxide, 1% by weight of chromium (VI) oxide, 1% by weight of chromium (III) oxide, 0-4% by weight of graphene. phit, 65-67 wt .-% copper chromite, which is sold as catalyst E 403-TU by Engelhard, Iselin USA.
  • Precipitation catalysts can be prepared by reacting their catalytically active components from their salt solutions, in particular from the solutions of their nitrates and / or acetates, for example by adding solutions of alkali metal and / or alkaline earth metal and / or carbonate solutions, for example as sparingly soluble Hydroxides, oxyd hydrates, basic salts or carbonates precipitates, the resulting precipitates then dried and then converted by calcination at generally 300 to 700 0 C, in particular 400 to 600 0 C, in the corresponding oxides, mixed oxides and / or mixed-valent oxides, the by treatment with hydrogen or hydrogen-containing gases at usually 50 to 700 ° C, in particular 100 to 400 ° C, reduced to the respective metals and / or oxidic compounds lower oxidation state and converted into the actual, catalytically active form become.
  • their salt solutions in particular from the solutions of their nitrates and / or acetates
  • the precipitation of the catalytically active components can be carried out in the presence of the relevant support material.
  • the catalytically active components can advantageously but also be precipitated simultaneously with the carrier material from the relevant salt solutions.
  • the nature of the application of the catalytically active metals to the support is usually not critical and can be accomplished in various ways.
  • the catalytically active metals can be applied to these support materials, for example by impregnation with solutions or suspensions of the salts or oxides of the elements concerned, drying and subsequent reduction of the metal compounds to the respective metals or compounds of lower oxidation state by means of a reducing agent, preferably with hydrogen or complex hydrides .
  • a reducing agent preferably with hydrogen or complex hydrides
  • Another possibility for applying the catalytically active metals to these carriers is to impregnate the carrier with solutions of thermally easily decomposable salts, for example with nitrates, or thermally easily decomposable complex compounds, for example carbonyl or hydrido complexes of the catalytically active metals, and the so impregnated carrier for the purpose of thermal decomposition of the adsorbed metal compounds to temperatures of 300 to 600 0 C to heat.
  • This thermal decomposition is preferably carried out under a protective gas atmosphere.
  • Suitable shielding gases are, for example, nitrogen, carbon dioxide, hydrogen or the noble gases.
  • the catalytically active metals can be deposited on the catalyst support by vapor deposition or by flame spraying. The content of these supported catalysts on the catalytically active metals is in principle not critical for the success of the process according to the invention. However, higher levels of catalytically active metals usually result in higher space-time conversions than lower levels.
  • supported catalysts are used whose content of catalytically active metals, calculated as oxide, 10 to 90 wt .-%, preferably 15 to 80% by weight, based on the total catalyst is. Since these content data refer to the entire catalyst including carrier material, but the different carrier materials have very different specific weights and specific surface areas, these details can also be undershot or exceeded without adversely affecting the result of the process according to the invention , Of course, several of the catalytically active metals can be applied from the respective carrier material.
  • Both the activation of the precipitation catalysts and the supported catalysts can also be carried out in situ at the beginning of the reaction by the hydrogen present, but these catalysts are preferably activated separately prior to their use.
  • the oxides of aluminum, zirconia, silica, magnesium and calcium oxide can be used.
  • mixtures of different carrier materials may also serve as carriers for heterogeneous catalysts which can be used in the process according to the invention. The following may be mentioned by way of example for the first catalyst which can be used in the process according to the invention: 25% by weight of copper oxide, 1% by weight of Cr 2 O 3 and 74% by weight of SiO 2
  • the second catalyst used according to the invention comprises as active metal at least one noble metal from groups 8, 9, 10 of the Periodic Table of the Elements, in particular ruthenium, rhodium, iridium gold, palladium and / or platinum, preferably palladium and / or platinum, particularly preferably palladium , on a carrier.
  • the second catalyst may additionally comprise metals of groups 1, 2, 4 and 7 to 12 of the Periodic Table of the Elements.
  • sodium, potassium, calcium or magnesium can be used as elements of groups 1 and 2 of the Periodic Table of the Elements. It preferably has no further active metals except palladium and platinum.
  • the application of the active metals can be achieved by impregnating the support in aqueous metal salt solutions, such as, for example, aqueous palladium salt solutions, by spraying appropriate metal salt solutions onto the support or by other suitable methods.
  • aqueous metal salt solutions such as, for example, aqueous palladium salt solutions
  • Suitable metal salts of platinum and palladium are the nitrates, nitrosyl nitrates, halides, carbonates, carboxylates, acetylacetonates, chlorides, chiorocomplexes or amine complexes of the corresponding metals, the nitrates being preferred.
  • the metal salts or metal salt solutions can be applied simultaneously or in succession.
  • the coated or impregnated with the metal salt solution carriers are then, preferably at temperatures between 100 0 C and 150 0 C, dried and optionally calcined at temperatures between 200 0 C and 600 0 C, preferably between 350 0 C and 450 0 C.
  • the catalyst is dried after each impregnation step and optionally calcined as described above. The order in which the active components are soaked is freely selectable.
  • the coated and dried and optionally calcined supports are activated by treatment in a gas stream containing free hydrogen at temperatures between about 30 ° C and about 600 ° C, preferably between about 150 ° C and about 450 ° C.
  • the gas stream consists of 50 to 100 vol .-% H 2 and 0 to 50 vol .-% N 2 .
  • the metal salt solution or solutions are applied to the support (s) in an amount such that the total active metal content, based in each case on the total weight of the catalyst, is about 0.1 to about 30% by weight, preferably about 0.1 to about 10 wt%, more preferably about 0.25 to about 5 wt%, and especially about 0.5 to about 2.5 wt%.
  • Activated carbon for example in the form of the commercial product supersorbon coal from Danube Carbon GmbH, 60388 Frankfurt, alumina, silica, silicon carbide, calcium oxide, titanium dioxide and / or zirconium dioxide or mixtures thereof, with activated carbon being preferably used ,
  • the inventive method is characterized by a structured bed of the first and second catalyst.
  • the one-stage hydrogenation according to the invention can be carried out in one or more, in particular two, three, four, five, six, seven, eight reactors.
  • the first catalyst may be in a first reactor or in a first group of at least two reactors and the bed of the second catalyst is in the second reactor or in the second group of at least two reactors.
  • the single-stage hydrogenation is preferably carried out in a reactor.
  • the reaction mixture flows through the reactor or the reactors preferably from top to bottom.
  • the first catalyst Copper catalyst
  • the second catalyst palladium and / or platinum catalyst
  • an inert intermediate layer for example, glass rings or metal rings are suitable.
  • the hydrogenation of furfural to 2-Me-THF can therefore advantageously be carried out in one stage in a reactor.
  • the hydrogenation can be carried out in the gas phase or the liquid phase; preference is given to working in the gas phase.
  • the process is carried out in the gas phase at a temperature of about 150 to 250 0 C, preferably about 190 to 230 0 C.
  • the pressures used are usually at 1 to 10 bar absolute, preferably about 1 to 3 bar abs.
  • the pressure in this application is given as total pressure or absolute (abs.) Pressure.
  • the inventive method is generally at 150 to 250 ° C at pressures of 1 to 250 bar abs., Preferably at 20 to 200 bar abs., Performed.
  • further catalysts may be in the reactor or in the reactors.
  • these catalysts can be used to improve product quality by removing impurities or by reacting by-products.
  • sulfur-containing components found in furfural in are usually present in a small amount, be removed by treatment with desulfurization catalysts or adsorbents based on copper and / or molybdenum and / or zinc oxides.
  • desulfurization catalysts or adsorbents based on copper and / or molybdenum and / or zinc oxides.
  • This by-product can be converted to methanol, for example, by hydrogenation over copper and / or ruthenium catalysts and thus removed, and ketone-type and aldehydic by-products can be converted into alcohols in an analogous manner.
  • Catalysts which fulfill these and similar functions may, in addition to the catalysts which are absolutely necessary for carrying out the process according to the invention, be located at any point in the reactor. They can be incorporated both before the copper catalyst and after the noble metal catalyst and between the two catalysts. It is also conceivable to use such catalysts in a homogeneous mixture, as long as the structured bed of the copper catalyst and the noble metal catalyst is not canceled.
  • the process according to the invention can be carried out either continuously or batchwise, the continuous process being preferred.
  • the amount of hydrogenation furfur used is about 0.05 to about 3 kg per liter of catalyst per hour, more preferably about 0.1 to about 1 kg per liter of catalyst per hour.
  • Hydrogenating gases may be any of the gases that contain free hydrogen and that do not contain harmful amounts of catalyst poisons, such as CO.
  • reformer exhaust gases can be used.
  • pure hydrogen is used as the hydrogenation gas.
  • inert carrier gases such as water vapor or nitrogen.
  • the mixing ratio of hydrogen and furfural is not critical as long as sufficient amounts of hydrogen (4 equivalents) are available for the conversion of furfural to 2-methyl-THF. A hydrogen excess is possible.
  • the hydrogen / furfural ratio at the reactor inlet is 4: 1 to 500: 1, preferably 5: 1 to 250: 1, more preferably 10: 1 to 100: 1.
  • the hydrogenation according to the invention can be carried out in the absence or presence of a solvent or diluent, i. it is not necessary to carry out the hydrogenation in solution.
  • a solvent or diluent may be used.
  • the solvent or diluent used may be any suitable solvent or diluent. be set. The choice is not critical, as long as the solvent or diluent used is able to form a homogeneous solution with the furfural to be hydrogenated.
  • Suitable solvents or diluents include the following: straight chain or cyclic ethers, such as tetrahydrofuran or dioxane, and aliphatic alcohols in which the alkyl group preferably has 1 to 10 carbon atoms, more preferably 3 to 6 carbon atoms.
  • the amount of solvent or diluent used is not particularly limited and can be freely selected as needed, but those amounts are preferred which lead to a 10 to 70 wt .-% solution of the furfural intended for hydrogenation.
  • Liquid phase in a straight pass, that is, without product return, or in circulation (circuit), that is, a part of the reactor leaving the hydrogenation mixture is recycled, operated.
  • the reaction products are completely condensed and separated after leaving the reactor.
  • the gaseous components, hydrogen and any additional carrier gas used, will partly recirculate back into the reactor (cycle gas mode).
  • the ratio of circulating gas to fresh gas volumes is at least 1: 1, preferably at least 5: 1, more preferably at least 10: 1.
  • Suitable reactors are fixed-bed reactors, such as, for example, tube-bundle reactors.
  • the choice of reactor type is not critical per se as long as the catalyst arrangement in the bed, that is, the order in which the reaction mixture flows through the catalysts is not changed.
  • fluidized bed reactors are useful when the beds of the two types of catalysts are arranged to preclude mixing of the first and second catalysts in the operation of the reactor.
  • the reaction effluents of the hydrogenation according to the invention are condensed in a conventional manner, but preferably by cooling in a heat exchanger to 0 to 80 0 C. After condensation, a phase separation occurs.
  • the lower phase consists of more than 90% of water, while the upper phase, in addition to the desired product 2-Me-THF, has only small amounts of by-products which can be readily separated by optionally subsequent purifying distillation.
  • 2-methyl-tetrahydrofuran (2-Me-THF) is by the inventive method in very good Yield and purity.
  • the phase separation can be carried out at ambient temperature. However, the reaction effluents are preferably condensed at 60 0 C, since at this temperature, the miscibility of 2-methyl-THF and water is particularly low.
  • Coal carrier added. The material was then dried for 40 hours at 100 0 C in a warming cabinet.
  • the dried catalyst was activated (reduced) at 200 ° C. in a stream of water.
  • the catalyst thus prepared contained 5% by weight of palladium, based on the weight of the catalyst.
  • reaction products 2-Me-THF, 2-pentanone, 3-pentanone, 1-pentanol, THF, furan and methylfuran and the starting material furfural were analyzed by gas chromatography.
  • the mixtures were diluted with methanol or acetone (dilution 1:10 to 1: 100) or undiluted in the GC chromatograph (company HP, carrier gas: hydrogen) on a 30 m DB1 column (J + W) sprayed and at Oven temperatures of 60 0 C to 300 ° C (heating rate 8 Kelvin per minute to 220 0 C, then 20 Kelvin per minute to 300 0 C) with a flame ionization detector (temperature: 290 0 C) analyzed.
  • the purity was determined by integration of the signals of the chromatogram.
  • Example 1 In a continuous hydrogenation plant consisting of an evaporator, an oil-heated 3.81 jacketed tubular reactor and a separator and a cycle gas compressor, furfural was continuously hydrogenated on fixed bed catalysts in the gas phase.
  • the tubular reactor was charged with 450 g of a Pd catalyst (5% Pd / Supersorbon coal, 4 mm strands), then above with 530 g of the copper chromite catalyst E 403-TU from Engelhard Iselin; USA now BASF (24-26 wt% copper oxide, 1 wt% Chromium (VI) oxide, 1% by weight chromium (III) oxide, 0-4% by weight graphite, 65-67% by weight copper chromite, tablets 3 mm ⁇ 3 mm).
  • a Pd catalyst 5% Pd / Supersorbon coal, 4 mm strands
  • BASF 24-26 wt% copper oxide, 1 wt% Chromium (VI) oxide, 1% by weight chromium (III) oxide, 0-4% by weight graphite, 65-67% by weight copper chromite, tablets 3 mm ⁇ 3 mm.
  • the tube reactor was flowed through from top to bottom.
  • the catalysts were activated by a method known to the expert without pressure with nitrogen / hydrogen mixtures at 200 0 C, so that the content of hydrogen in the mixed gas was slowly increased from 0 to 100%.
  • the system was pressed with hydrogen to 4 bar, fresh gas hydrogen adjusted to 450 NL / h, the evaporator to 230 0 C, the temperature of the reactor to 220 0 C and the recycle gas put into operation.
  • the evaporator 400 g / h single-stage furfural were promoted.
  • the recycle gas was adjusted to 240 g / h, 83 NL / h of exhaust gas was sent for combustion.
  • the upper phase of the two-phase discharge had the following composition: furan, 2-methylfuran, THF ⁇ 0.5% by weight, 2-MeTHF 84% by weight, 2-pentanone 2.4% by weight, 2-pentanol 1, 3% by weight, 1-pentanol 4 wt .-%, methyl-gamma-butyrolactone 5 wt .-%, balance to 100% unidentified by-products.
  • the by-products could be removed by prior art distillation to give the desired product 2-MeTHF in> 99% purity.
  • the quartz tube with this structured catalyst / quartz glass ring bed was provided with a gas and a liquid feed tube and installed so that the reaction products were condensed and collected in a glass spiral cooler.
  • the reactor was flowed through from top to bottom, that is, the reaction mixture flowed through first the copper chromite catalyst, then the Pd catalyst.
  • the catalysts were activated by treatment with hydrogen, first diluted in a stream of nitrogen, later in pure form, each at ambient pressure and 200 ° C for 2 h. Then, 5 mL / hr (about 5.8 g / hr) furfural was then reacted at a hydrogen flow of 15 L / hr and reactor temperatures of a) 175, b) 200, c) 225 and at d) 250 ° C and ambient pressure , The conversion of the educt (furfural) was mentioned temperatures a) to d) completely.
  • the reaction effluents were condensed and as a result of the condensation, the reaction separated into two phases. The lower phase, about ⁇ 1/5 of the total amount of the respective reaction effluent, was> 90% water and was discarded. Depending on the reaction temperature, the upper phase had the following compositions determined by gas chromatography:
  • the upper phases of the discharges contained an additional 2 to 8% water.
  • the upper phase containing the reaction product 2-Me-THF was distilled in a packed column of length 1, 2 m, 2.5 cm inside diameter with 3x3 mm V2A metal rings as packing and the product 2-Me-THF could be obtained in> 99% purity.
  • a copper catalyst with mineral support composition in the unactivated state 25% CuO / 1% Cr 2 O 3 /74% SiO 2
  • a palladium-carbon catalyst 5% Pd on Supersorbon K, 4 mm strands
  • Example 2 Analogously to Example 2 were 24.2 g of a copper catalyst with mineral support of the composition in the unactivated state 25% CuO / 1 0 X) Cr 2 Os / 74% SiO 2 and 28.1 g of a platinum-carbon catalyst (5% Pt 4 mm strands Supersorbon K) installed in the reactor. At 225 ° C., the following composition of the reaction product was obtained: 82% 2-Me-THF, 4% 2-pentanone, 1% 3-pentanone, ⁇ 0.5% 1-pentanol, 1% 2-pentanol, 3% THF, 0.5% furan, 1% methyl furan and other unidentified products.

Abstract

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von 2- Methyltetrahydrofuran durch einstufige Hydrierung von Fufural mit einem wasserstoffenthaltenden Gas in Gegenwart einer strukturierten Schüttung aus mindestens einem Kupferkatalysator und mindestens einem Katalysator, der mindestens ein Edelmetall aus den Gruppen 8, 9 und/oder 10 des Periodensystems der Elemente aufgebracht auf einem Trägermaterial aufweist.

Description

Verfahren zur einstufigen Herstellung von 2-Methyltetrahydrofuran aus Furfural an zwei Katalysatoren in strukturierter Schüttung
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur einstufigen Herstellung von 2- Methyltetrahydrofuran aus Furfural an mindestens zwei Katalysatoren in strukturierter Schüttung.
2-Methyltetrahydrofuran (im folgenden 2-Me-THF) ist ein organisches Lösungsmittel mit hoher Lösekraft. 2-Me-THF wird als Ersatzlösungsmittel für chemische Synthesen für Tetrahydrofuran (im folgenden THF), von welchem es sich vorteilhaft durch seine geringere, mit zunehmender Temperatur abnehmende Wasserlöslichkeit unterscheidet, als Treibstoffzusatz, da es mit gängigen Treibstoffen auf Kohlenwasserstoff-Basis bes- ser mischbar ist als alkoholische Zusätze, und als Comonomer für die Herstellung von Polyethern mit verbesserten Eigenschaften gegenüber den Homopolymeren verwendet.
2-Me-THF ist aus nachwachsenden Rohstoffen zugänglich. 2-Me-THF kann aus pflanzlichen Abfällen durch Aufschluss der enthaltenen Hemicellulosen zu Furfural und dessen Umsetzung zu 2-Me-THF erhalten werden und trägt so zu einer nachhaltigen Entwicklung bei.
Während die Herstellung von Furfural aus pflanzlichen, insbesondere landwirtschaftli- chen Abfällen bekannt ist und einen hohen Ausarbeitungsstand erreicht hat, ist die Umsetzung von Furfural zu 2-Me-THF hingegen technisch noch nicht zufriedenstellend gelöst.
Die Elementarreaktionen der hydrierenden Umsetzung von Furfural sind bekannt und wurden von Zheng et al., Journal of Molecular Catalysis A: Chemical (2006), 246 (1-2), 18-23 detailliert beschrieben. Die Autoren halten 2-Methylfuran als Vorstufe bei der Herstellung von 2-Me-THF für notwendig und beschreiben Haupt- und Nebenreaktionen der Hydrierungen, einschließlich der Bildung von Kohlenmonoxid durch Decarbo- nylierung.
Obwohl 2-Me-THF häufig in geringen Mengen bei hydrierenden Umsetzungen von Furfural entsteht, gibt es nur wenige Veröffentlichung, in denen die direkte Umsetzung von Furfural zu 2-Me-THF beschrieben wird.
Kyosuke et al., J. Pharm. Soc. Jpn 66 (1946), 58 zeigen, dass die direkte Umsetzung von Furfural zu 2-Methyl-THF an Raney-Nickel-Katalysatoren bei 2600C nur geringe Mengen des Wertproduktes liefert. Als vorteilhaft empfehlen Kyosuke et al. stattdessen einen zweistufiger Prozess über Methylfuran als isoliertes Zwischenprodukt und die Verwendung von verschiedenen Katalysatoren für die beiden Stufen. So wird in der ersten Stufe Cu-Chromit nach Adkins und in der zweiten Stufe Raney-Nickel verwendet.
Proskuryakov et al., Trudy Leningradskogo Tekhnologicheskogo Instituta imeni Lenso- veta (1958), 44, 3-5, beschreiben eine Ausbeute von maximal 42% 2-Me-THF bei der Umsetzung von Furfural an einer 1 :1 -Mischung aus einem Raney-Nickel- und einem Kupferchromitkatalysator in einem Autoklaven bei 2200C und 160 atm. Die Autoren zeigen, dass höhere 2-Me-TH F-Anteile aufgrund von Nebenreaktionen zu Glykolen und anderen, nicht näher spezifizierten Ringöffnungsprodukten des Furfurals auf diesem Weg nicht erhalten werden können.
Als nachteilig wurde weiterhin die schwierige Isolierung und Reinigung von 2-Me-THF aus den erhaltenen Reaktionsaustragsgemischen erkannt, da die Nebenprodukte THF, 2-Pentanon und Wasser als Reinstoffe oder in Form ihrer Azeotrope Siedepunkte ähnlich dem des 2-Me-THF aufweisen. So liegen die Siedepunkte der Azeotrope Was- ser/2-Me-THFbei 73°C, Wasser/THF bei 64°C und Wasser/2-Pentanon bei 84°C während die Reinstoffe THF bei 66°C, 2-Me-THF bei 800C und 2-Pentanon bei 102 0C sieden.
Aus US-A 6,479,677 ist ein zweistufiges Verfahren zur Herstellung von 2-Me-THF unter Verwendung jeweils eines gesonderten Katalysators für jede Stufe bekannt. Jede Stufe wird in einem gesonderten Reaktor mit sich unterscheidenden Katalysatoren durchgeführt. Dieser Gasphasenprozess umfasst die Hydrierung von Furfural an einem Cu-Chromit-Katalysator zu Methylfuran, welches anschließend an einem Nickel- Katalysator zu 2-Me-THF umgesetzt wird.
Der offenbarte Prozess weist jedoch ein Reihe von Nachteilen auf. So werden für die einzelnen Stufen der Umsetzung verschiedene Reaktionsbedingungen benötigt, was die technische Ausführung erschwert und eine räumliche Trennung der einzelnen Reaktoren erforderlich macht. Die Zumischung von Wasserstoff ist für jeden Hydrierschritt getrennt erforderlich und ein großer Wasserstoffüberschuss, wie bei Gasphasenreaktionen oft erwünscht, wird nicht toleriert. Darüber hinaus führt die Bildung von Kohlen- monoxid, welches aus Furfural bei thermischer Belastung immer in geringen Mengen erfolgt, zu Deaktivierung des Nickel-Katalysators und zur Bildung von hochgiftigem, flüchtigem Ni(CO)4 Durch die Aufpegelung kritischer Verunreinigungen wie Kohlenmo- noxid wird die ökonomisch wünschenswerte Kreisgasfahrweise unmöglich.
Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur einstu- figen Herstellung von 2-Methyltetrahydrofuran aus Furfural unter Verwendung spezifischer Katalysatoren ohne Isolierung beziehungsweise Aufreinigung von Zwischenprodukten zur Verfügung zu stellen, mit dessen Hilfe 2-Methyltetrahydrofuran insbesonde- re durch Umsetzung in einem Reaktor und in Kreislauffahrweise in guter Ausbeute und Reinheit erhalten werden kann.
Demgemäss betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur einstufigen Hydrierung von Furfural mit einem wasserstoffenthaltenden Gas in Gegenwart einer strukturierten Schüttung aus mindestens einem Kupferkatalysator und mindestens einem Katalysator, der mindestens ein Edelmetall aus den Gruppen 8, 9 und/oder 10 des Periodensystems der Elemente aufgebracht auf einem Trägermaterial aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur einstufigen Hydrierung von Furfural mit einem wasserstoffenthaltenden Gas in Gegenwart von zwei Katalysatoren, wobei der erste ein Kupferkatalysator und der zweite Katalysator als Aktivmetall mindestens ein Edelmetall aus den Gruppen 8, 9,10 des Periodensystems der Elemente, insbesondere Ruthenium, Rhodium, Iridium Gold, Palladium und/oder Platin, bevorzugt Palladium und/oder Platin, aufgebracht auf einem Trägermaterial aufweist, in strukturierter Schüttung.
Unter einstufig oder einstufiger Hydrierung wird in dieser Anmeldung ein Verfahren verstanden, das ausgehend von Furfural ohne Isolierung beziehungsweise Aufreinigung von Zwischenprodukten zum Endprodukt 2-Me-THF führt.
Als erster Katalysator der bevorzugten Ausführungsform wird der Katalysator bezeichnet, mit dem der Strom der Ausgangsstoffe, das Fufural und das wasserstoffhaltige Gas, bei Eintritt in den Reaktor zuerst in Berührung kommt, während der zweite Katalysator in Durchströmrichtung räumlich nach dem ersten Katalysator angeordnet ist und daher zeitlich erst nach diesem durchströmt wird.
Erster Katalysator
Der erste Katalysator ist ein Kupferkatalysator, der bevorzugt neben Kupfer als zusätz- liehe Aktivmetalle ein oder mehrere Elemente der Gruppen 2, 6 und/oder 12 des Periodensystems der Elemente (Neue IUPAC Nomenklatur), insbesondere Chrom, Mangan, Zink, Barium enthält. Der Gesamtgehalt an den vorgenannten Aktivmetallen beträgt 10- 100 Gew.-%, bevorzugt 15-80 Gew.-%, berechnet als Oxid. Der Kupfergehalt des Katalysators beträgt mindestens 10 Gew.-%, berechnet als Oxid, bevorzugt jedoch min- destens 15 Gew-%., besonders bevorzugt 15 bis 80 Gew-%.
Als erster Katalysator kommen Vollkatalysatoren in Betracht, bei denen die katalytisch wirkenden Metalle ohne Trägermaterialien vorliegen, entprechend einem Aktivmetallgehalt von 100 Gew.-%, sowie Fällungskatalysatoren oder Trägerkatalysatoren.
Ein bevorzugter Vollkatalysator ist der Katalysator der Zusammensetzung 24-26 Gew.- % Kupferoxid, 1 Gew.-% Chrom(VI)oxid, 1 Gew.-% Chrom(lll)oxid, 0-4 Gew.-% Gra- phit, 65-67 Gew.-% Kupferchromit, der als Katalysator E 403-TU von der Firma Engelhard, Iselin USA, vertrieben wird.
Fällungskatalysatoren können hergestellt werden, indem man ihre katalytisch aktiven Komponenten aus deren Salzlösungen, insbesondere aus den Lösungen von deren Nitraten und/oder Acetaten, beispielsweise durch Zugabe von Lösungen von Alkalimetall- und/oder Erdalkalimetallhydroxid- und/oder Carbonat-Lösungen, z.B. als schwerlösliche Hydroxyde, Oxydhydrate, basische Salze oder Carbonate ausfällt, die erhaltenen Niederschläge anschließend trocknet und diese dann durch Calcinierung bei im allgemeinen 300 bis 7000C, insbesondere 400 bis 6000C, in die entsprechenden Oxide, Mischoxide und/oder gemischtvalentigen Oxide umwandelt, die durch eine Behandlung mit Wasserstoff oder mit Wasserstoff enthaltenden Gasen bei in der Regel 50 bis 700°C, insbesondere 100 bis 400°C, zu den betreffenden Metallen und/oder oxidischen Verbindungen niederer Oxidationsstufe reduziert und in die eigentliche, katalytisch ak- tive Form überführt werden. Dabei wird in der Regel so lange reduziert, bis kein Wasser mehr gebildet wird. Bei der Herstellung von Fällungskatalysatoren, die ein Trägermaterial enthalten, kann die Fällung der katalytisch aktiven Komponenten in Gegenwart des betreffenden Trägermaterials erfolgen. Die katalytisch aktiven Komponenten können vorteilhaft aber auch gleichzeitig mit dem Trägermaterial aus den betreffenden Salzlösungen gefällt werden. Bevorzugt werden im erfindungsgemäßen Verfahren Hydrierkatalysatoren eingesetzt, welche die Hydrierung katalysierenden Metalle oder Metallverbindungen auf einem Trägermaterial abgeschieden enthalten.
Außer den oben genannten Fällungskatalysatoren, welche außer den katalytisch akti- ven Komponenten noch zusätzlich ein Trägermaterial enthalten, eignen sich für das erfindungsgemäße Verfahren im allgemeinen auch Trägerkatalysatoren, bei denen die katalytisch-hydrierend wirkende Komponenten, z.B. durch Imprägnierung, auf ein Trägermaterial aufgebracht worden sind.
Die Art der Aufbringung der katalytisch aktiven Metalle auf den Träger ist in der Regel nicht kritisch und kann auf verschiedenerlei Art und Weise bewerkstelligt werden. Die katalytisch aktiven Metalle können auf diesen Trägermaterialien z.B. durch Tränkung mit Lösungen oder Suspensionen der Salze oder Oxide der betreffenden Elemente, Trocknung und anschließende Reduktion der Metallverbindungen zu den betreffenden Metallen oder Verbindungen niederer Oxidationsstufe mittels eines Reduktionsmittels, vorzugsweise mit Wasserstoff oder komplexen Hydriden, aufgebracht werden. Eine andere Möglichkeit zur Aufbringung der katalytisch aktiven Metalle auf diese Träger besteht darin, die Träger mit Lösungen thermisch leicht zersetzbarer Salze, z.B. mit Nitraten, oder thermisch leicht zersetzbaren Komplexverbindungen, z.B. Carbonyl- oder Hydrido-Komplexen der katalytisch aktiven Metalle, zu imprägnieren und den so getränkten Träger zwecks thermischer Zersetzung der adsorbierten Metallverbindungen auf Temperaturen von 300 bis 6000C zu erhitzen. Diese thermische Zersetzung wird vorzugsweise unter einer Schutzgasatmosphäre vorgenommen. Geeignete Schutzgase sind z.B. Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserstoff oder die Edelgase. Weiterhin können die katalytisch aktiven Metalle auf dem Katalysatorträger durch Aufdampfen oder durch Flammspritzen abgeschieden werden. Der Gehalt dieser Trägerkatalysato- ren an den katalytisch aktiven Metallen ist prinzipiell für das Gelingen des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht kritisch. Jedoch führen höhere Gehalte an katalytisch aktiven Metallen in der Regel zu höheren Raum-Zeit-Umsätzen als niedrigere Gehalte.
Im allgemeinen werden Trägerkatalysatoren verwendet, deren Gehalt an katalytisch aktiven Metallen, berechnet als Oxid, 10 bis 90 Gew.-%, vorzugsweise 15 bis 80 Gew.- %, bezogen auf den gesamten Katalysator, beträgt. Da sich diese Gehaltsangaben auf den gesamten Katalysator inklusive Trägermaterial beziehen, die unterschiedlichen Trägermaterialien jedoch sehr unterschiedliche spezifische Gewichte und spezifische Oberflächen haben, können diese Angaben aber auch unter- oder überschritten wer- den, ohne dass sich dies nachteilig auf das Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens auswirkt. Selbstverständlich können auch mehrere der katalytisch aktiven Metalle aus dem jeweiligen Trägermaterial aufgebracht sein.
Sowohl die Aktivierung der Fällungskatalysatoren als auch der Trägerkatalysatoren kann auch in situ zu Beginn der Reaktion durch den anwesenden Wasserstoff erfolgen, bevorzugt werden diese Katalysatoren jedoch vor ihrer Verwendung separat aktiviert.
Als Trägermaterialien können im allgemeinen die Oxide des Aluminiums, Zirkoniumdioxid, Siliciumdioxid, Magnesium und Calciumoxid verwendet werden. Selbstverständ- lieh können auch Mischungen verschiedener Trägermaterialien als Träger für im erfindungsgemäßen Verfahren einsetzbaren Heterogenkatalysatoren dienen. Als für im erfindungsgemäßen Verfahren einsetzbarer erster Katalysator seien die folgenden beispielhaft genannt: 25 Gew.-% Kupferoxid, 1 Gew.-% Cr2O3 und 74 Gew.-% SiO2
Zweiter Katalysator
Der zweite erfindungsgemäß verwendete Katalysator weist als als Aktivmetall mindestens ein Edelmetall aus den Gruppen 8, 9,10 des Periodensystems der Elemente , insbesondere Ruthenium, Rhodium, Iridium Gold, Palladium und/oder Platin, bevorzugt- Palladium und/oder Platin, besonders bevorzugt Palladium, auf einem Träger auf. Der zweite Katalysator kann zusätzlich Metalle der Gruppen 1 , 2, 4 und 7 bis 12 des Periodensystems der Elemente aufweisen. Als Elemente der Gruppen 1 und 2 des Periodensystems der Elemente können insbesondere Natrium, Kalium, Calcium oder Magnesium verwendet werden. Bevorzugt weist er keine weiteren Aktivmetalle außer PaI- ladium und Platin auf. Die Auftragung der Aktivmetalle kann durch Tränken des Trägers in wässrigen Metallsalzlösungen, wie z.B. wässrigen Palladiumsalzlösungen, durch Aufsprühen entsprechender Metallsalzlösungen auf den Träger oder durch andere geeignete Verfahren erreicht werden. Als Metallsalze des Platins und Palladiums eignen sich die Nitrate, Nitrosylnitrate, Halogenide, Carbonate, Carboxylate, Acetylacetonate, Chloride, ChIo- rokomplexe oder Aminkomplexe der entsprechenden Metalle, wobei die Nitrate bevorzugt sind.
Bei Katalysatoren, die Palladium und Platin sowie gegebenenfalls noch weitere Aktiv- metalle auf dem Träger aufweisen, können die Metallsalze bzw. Metallsalzlösungen gleichzeitig oder nacheinander aufgebracht werden.
Die mit der Metallsalzlösung beschichteten bzw. getränkten Träger werden anschließend, vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 1000C und 1500C, getrocknet und wahlweise bei Temperaturen zwischen 2000C und 6000C, vorzugsweise zwischen 3500C und 4500C calciniert. Bei getrennter Auftränkung wird der Katalysator nach jedem Tränkschritt getrocknet und wahlweise calciniert, wie oben beschrieben. Die Reihenfolge, in der die Aktivkomponenten aufgetränkt werden, ist dabei frei wählbar.
Anschließend werden die beschichteten und getrockneten sowie wahlweise calcinier- ten Träger durch Behandlung in einem Gasstrom, der freien Wasserstoff enthält, bei Temperaturen zwischen ungefähr 30°C und ungefähr 600°C, vorzugsweise zwischen ungefähr 150°C und ungefähr 450°C aktiviert. Vorzugsweise besteht der Gasstrom aus 50 bis 100 Vol.-% H2 und 0 bis 50 Vol.-% N2.
Die Metallsalzlösung oder -lösungen werden in einer solchen Menge auf den oder die Träger aufgebracht, dass der Gesamtgehalt an Aktivmetall, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators, ungefähr 0,1 bis ungefähr 30 Gew.-%, vorzugsweise ungefähr 0,1 bis ungefähr 10 Gew.-%, weiter bevorzugt ungefähr 0,25 bis ungefähr 5 Gew.-%, und insbesondere ungefähr 0,5 bis ungefähr 2,5 Gew.-% beträgt.
Als Trägermetall verwendbar sind beispielsweise Aktivkohle, beispielsweise in Form des Handelsproduktes Supersorbon-Kohle der Firma Donau Carbon GmbH, 60388 Frankfurt am Main, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Siliciumcarbid, Calciumoxid , Titan- dioxid und/oder Zirkoniumdioxid oder deren Gemische, wobei Aktivkohle vorzugsweise verwendet werden.
Die Verfahrensführung
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch eine strukturierte Schüttung des ersten und zweiten Katalysators aus. Die erfindungsgemäße einstufige Hydrierung kann in einem oder mehreren, insbesondere zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht Reaktoren durchgeführt werden. Bei Verwendung mehrerer Reaktoren kann sich der erste Katalysator in einem ersten Reaktor oder in einer ersten Gruppe aus mindestens zwei Reaktoren befinden und die Schüttung des zweiten Katalysators befindet sich im zweiten Reaktor oder in der zweiten Gruppe aus mindestens zwei Reaktoren. Bevorzugt wird die einstufige Hydrierung jedoch in einem Reaktor durchgeführt.
Das Reaktionsgemisch durchströmt den Reaktor oder die Reaktoren bevorzugt jeweils von oben nach unten. Dabei wird bei Verwendung eines Reaktors und entsprechend bei Verwendung mehrere Reaktoren für die 20 bis 80 % der Gesamthöhe der Katalysa- torschüttung, bevorzugt die oberen 40 bis 60 %, der Gesamthöhe der Schüttung nach dem Reaktorkopf des einzigen bzw. des ersten Reaktors der erste Katalysator (Kupferkatalysator) verwendet. Die verbleibende Schütthöhe wird dann von dem zweiten Kata- lysator (Palladium und/ oder Platin-Katalysator) gebildet. Wird der Reaktor oder die Reaktoren von unten nach oben durchströmt, werden die Katalysatoren in umgekehrter Reihenfolge angeordnet.
Bei Verwendung eines einzelnen Reaktors kann es vorteilhaft sein, den aus dem ers- ten Katalysator gebildeten Teil der Schüttung von dem aus dem zweiten Katalysator gebildeten Teil durch das Einbringung einer Zwischenschicht aus inertem Material zu trennen. Als inerte Zwischenschicht sind beispielsweise Glasringe oder Metallringe geeignet. Die Hydrierung des Furfurals zum 2-Me-THF kann daher vorteilhaft einstufig in einem Reaktor durchgeführt werden.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Hydrierung in der Gas -oder der Flüssigphase durchgeführt werden, bevorzugt wird in der Gasphase gearbeitet. Im allgemeinen wird das Verfahren in der Gasphase bei einer Temperatur von ungefähr 150 bis 2500C, vorzugsweise ungefähr 190 bis 2300C durchgeführt. Die dabei verwendeten Drücke liegen in der Regel bei 1 bis 10 bar absolut, vorzugsweise ungefähr 1 bis 3 bar abs. Der Druck in dieser Anmeldung ist als Gesamtdruck oder absoluter (abs.) Druck angegeben.
In der Flüssigphase wird das erfindungsgemäße Verfahren im allgemeinen bei 150 bis 250°C bei Drücken von 1 bis 250 bar abs., bevorzugt bei 20 bis 200 bar abs., durchgeführt.
Neben dem Kupferkatalysator und dem Edelmetallkatalysator, die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlich und als erster und zweiter Katalysator bezeichnet werden, können sich weitere Katalysatoren im Reaktor bzw. in den Reaktoren befinden. Diese Katalysatoren können beispielsweise dazu dienen, die Produktqualität zu verbessern, indem Verunreinigungen entfernt werden oder Nebenprodukte umgesetzt werden. Beispielsweise können schwefelhaltige Komponenten, die in Furfural in der Regel in geringer Menge vorhanden sind, durch Behandlung mit Entschwefelungskatalysatoren oder Adsorbentien auf Basis von Kupfer und/oder Molybdän- und/oder Zinkoxiden entfernt werden. Als Nebenprodukt beim Umgang mit Furfural fallen immer geringe Mengen Kohlenmonoxid an. Dieses Nebenprodukt kann beispielsweise durch Hydrierung an Kupfer und/oder Rutheniumkatalysatoren zu Methanol umgesetzt werden und so entfernt werden, analog lassen sich ketonische und aldehydische Nebenprodukte zu Alkoholen umsetzen. Katalysatoren, die diese und ähnliche Funktionen erfüllen, können sich, zusätzlich zu den für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zwingend erforderlichen Katalysatoren, an jeder Stelle im Reaktor befinden. Sie können sowohl vor dem Kupferkatalysator als auch nach dem Edelmetallkatalysator als auch zwischen den beiden Katalysatoren eingebaut werden. Es ist ebenfalls denkbar, solche Katalysatoren in homogener Mischung einzusetzen, solange dabei die strukturierte Schüttung des Kupferkatalysators und des Edelmetallkatalysators nicht aufgehoben wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt werden, wobei die kontinuierliche Verfahrensdurchführung bevorzugt ist. Bei der kontinuierlichen Verfahrensführung beträgt die Menge des zur Hydrierung Fur- furals ungefähr 0,05 bis ungefähr 3 kg pro Liter Katalysator pro Stunde, weiter bevor- zugt ungefähr 0,1 bis ungefähr 1 kg pro Liter Katalysator pro Stunde.
Als Hydriergase können beliebige Gase verwendet werden, die freien Wasserstoff enthalten und keine schädlichen Mengen an Katalysatorgiften, wie beispielsweise CO, aufweisen. Beispielsweise können Reformerabgase verwendet werden. Vorzugsweise wird reiner Wasserstoff als Hydriergas verwendet. Es ist jedoch auch möglich zusätzlich inerte Trägergase wie Wasserdampf oder Stickstoff zu verwenden.
Wassstoff/Furfural-Molverhältnis
Das Mischungsverhältnis von Wasserstoff und Furfural ist nicht kritisch, solange ausreichende Mengen Wasserstoff (4 Äquivalente) für die Umsetzung von Furfural zu 2- Methyl-THF zur Verfügung stehen. Ein Wasserstoffüberschuss ist möglich. Bei der kontinuierlichen Verfahrensführung beträgt das Wasserstoff/Furfural-Verhältnis am Reaktoreingang 4:1 bis 500:1 , bevorzugt 5:1 bis 250:1 , besonders bevorzugt 10:1 bis 100:1.
In der Flüssigphase kann die erfindungsgemäße Hydrierung in Ab- oder Anwesenheit eines Lösungs- oder Verdünnungsmittels durchgeführt werden, d.h. es ist nicht erforderlich, die Hydrierung in Lösung durchzuführen.
Es kann jedoch ein Lösungs- oder Verdünnungsmittel eingesetzt. Als Lösungs- oder Verdünnungsmittel kann jedes geeignete Lösungsmittel- oder Verdünnungsmittel ein- gesetzt werden. Die Auswahl ist dabei nicht kritisch, solange das eingesetzte Lösungsoder Verdünnungsmittel in der Lage ist, mit dem zu hydrierenden Furfural eine homogene Lösung zu bilden.
Beispiele geeigneter Lösungs- oder Verdünnungsmittel schließen die folgenden ein: Geradkettige oder cyclische Ether, wie beispielsweise Tetrahydrofuran oder Dioxan, sowie aliphatische Alkohole, in denen der Alkylrest vorzugsweise 1 bis 10 Kohlenstoffatome, insbesondere 3 bis 6 Kohlenstoffatome aufweist.
Die Menge des eingesetzten Lösungs- oder Verdünnungsmittels ist nicht in besonderer Weise beschränkt und kann je nach Bedarf frei gewählt werden, wobei jedoch solche Mengen bevorzugt sind, die zu einer 10 bis 70 gew.-%igen Lösung des zur Hydrierung vorgesehenen Furfurals führen.
Weiterhin wird kann der Hydrierreaktor bei der Durchführung der Hydrierung in der
Flüssigphase im geraden Durchgang, das heißt ohne Produktrückführung, oder im Umlauf (Kreislauf), das heißt ein Teil des den Reaktor verlassenden Hydriergemischs wird im Kreislauf geführt, betrieben werden.
Bei Durchführung der erfindungsgemäßen Hydrierung in der Gasphase werden die Reaktionsprodukte nach Verlassen des Reaktors vollständig kondensiert und abgetrennt. Die gasförmigen Anteile, Wasserstoff und eventuell verwendetes zusätzliches Trägergas, werden teilweise im Umlauf in den Reaktor zurückzufahren (Kreisgasfahr- weise). Bei der bevorzugten Kreisgasfahrweise beträgt das Verhältnis von Kreisgas- zu Frischgasvolumina mindestens 1 :1 , bevorzugt mindestens 5:1 , besonders bevorzugt mindestens 10:1.
Als Reaktoren kommen Festbettreaktoren wie beispielsweise Rohrbündelreaktoren in Betracht. Die Wahl des Reaktortyps ist an sich nicht kritisch solange die Katalysator- anordnung in der Schüttung, das heißt die Reihenfolge in der das Reaktionsgemisch die Katalysatoren durchströmt, nicht verändert wird. In der Flüssigfahrweise sind Fließbettreaktoren verwendbar, wenn die Betten der beiden Katalysatortypen so angeordnet sind, dass eine Vermischung des ersten und zweiten Katalysators beim Betrieb des Reaktors ausgeschlossen ist.
Die Reaktionsausträge der erfindungsgemäßen Hydrierung werden in an sich bekannter Weise, bevorzugt jedoch durch Abkühlung in einem Wärmetauscher auf 0 bis 800C kondensiert. Nach der Kondensation stellt sich eine Phasentrennung ein. Die untere Phase besteht zu über 90 % aus Wasser, während die obere Phase neben dem ge- wünschten Produkt 2-Me-THF nur geringe Mengen an durch eine gegebenenfalls nachfolgende Reindestillation gut abtrennbaren Nebenprodukten aufweist. 2-Methyl- tetrahydrofuran (2-Me-THF) wird durch das erfindungsgemäße Verfahren in sehr guter Ausbeute und Reinheit erhalten. Die Phasentrennung kann bei Umgebungstemperatur erfolgen. Die Reaktionsausträge werden jedoch bevorzugt bei 60 0C kondensiert, da bei dieser Temperatur die Mischbarkeit von 2-Methyl-THF und Wasser besonders gering ist.
Im folgenden soll nunmehr das erfindungsgemäße Verfahren anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
Beispiele
Herstellungsbeispiel Katalysator
4 kg Supersorbon-Kohle (4 mm Stränge, Hersteller Donau Carbon GmbH) wurden in einer Imprägniertrommel vorgelegt und mit 2,8 kg einer bezogen auf Palladium 7,2 gew.-%igen wässrigen Lösung von Palladium(ll)-Nitrat bei Raumtemperatur mit Hilfe einer feinen Düse (1 mm) besprüht. Die Flüssigkeit wurde vollständig in den Poren des
Kohleträgers aufgenommen. Das Material wurde anschließend 40 Stunden bei 100 0C im Wärmeschrank getrocknet.
Anschließend wurde der getrocknete Katalysator bei 2000C im Wasserstrom aktiviert (reduziert). Der so hergestellte Katalysator enthielt 5 Gew.-% Palladium, bezogen auf das Gewicht des Katalysators.
Analytik der Hydrierprodukte
Die Reaktionsprodukte 2-Me-THF, 2-Pentanon, 3-Pentanon, 1-Pentanol, THF, Furan und Methylfuran sowie das Ausgangsmaterial Furfural wurden gaschromatographisch analysiert. Die Mischungen wurden dazu verdünnt mit Methanol oder Aceton (Verdünnung von1 :10 bis 1 :100) oder unverdünnt in den GC-Chromatographen (Firma HP, Trägergas: Wasserstoff) auf eine 30 m DB1 -Säule (Firma J+W) gespritzt und bei Ofentemperaturen von 600C bis 300°C (Aufheizrate 8 Kelvin pro Minute bis 2200C, dann 20 Kelvin pro Minute bis 3000C) mit einem Flammenionisationsdetektor (Temperatur: 2900C) analysiert. Die Reinheit wurde durch Integration der Signale des Chroma- togramms bestimmt.
Beispiel 1 In einer Anlage zur kontinuierlichen Hydrierung bestehend aus einem Verdampfer, einem ölbeheizten 3,81-Doppelmantelrohrreaktor sowie einem Abscheider und einem Kreisgaskompressor wurde Furfural kontinuierlich an Festbettkatalysatoren in der Gasphase hydriert.
Der Rohrreaktor wurde mit 450 g eines Pd-Katalysators (5 % Pd/Supersorbon Kohle, 4 mm Stränge), dann oben mit 530 g des Kupferchromit-Katalysators E 403-TU der Firma Engelhard Iselin; USA jetzt BASF (24-26 Gew.-% Kupferoxid, 1 Gew.-% Chrom(VI)oxid, 1 Gew.-% Chrom(lll)oxid, 0-4 Gew.-% Graphit, 65-67 Gew.-% Kupferchromit , Tabletten 3 mm x 3 mm) gefüllt.
Der Rohrreaktor wurde von oben nach unten durchströmt. Die Katalysatoren wurden nach dem Fachmann bekannter Methode drucklos mit Stickstoff/Wasserstoffgemischen bei 2000C aktiviert, so dass der Gehalt an Wasserstoff im Mischgas langsam von 0 bis auf 100 % gesteigert wurde. Anschließend wurde die Anlage mit Wasserstoff auf 4 bar aufgepresst, Frischgas Wasserstoff auf 450 NL/h eingestellt, der Verdampfer auf 2300C, der Reaktor auf 2200C temperiert und das Kreisgas in Betrieb genommen. In den Verdampfer wurden 400 g/h einstufig destilliertes Furfural gefördert. Während der Hydrierung wurde das Kreisgas auf 240 g/h eingestellt, 83 NL/h Abgas wurden der Verbrennung zugeführt. Unter diesen Bedingungen wurde über 440 h Furfural zu > 99 % umgesetzt, die Selektivität zu 2-MeTHF war > 80 %. Die obere Phase des zwei- phasigen Austrage hatte die folgende Zusammensetzung: Furan, 2-Methylfuran, THF je < 0,5 Gew.-%, 2-MeTHF 84 Gew.-%, 2-Pentanon 2,4 Gew.-%, 2-Pentanol 1 ,3 Gew.- %, 1-Pentanol 4 Gew.-%, Methyl-gamma-Butyrolacton 5 Gew.-%, Rest zu 100 % nicht identifizierte Nebenprodukte. Die Nebenprodukte konnten mittels Destillation nach dem Stand der Technik entfernt werden, so dass das gewünschte Produkt 2-MeTHF in einer Reinheit von > 99 % erhalten wurde.
Beispiel 2
In einem elektrisch beheizbaren, vertikal installierten Quarzrohr als Reaktor (Innendurchmesser 2,5 cm, Länge 60 cm) wurden 50 mL (21 g) eines Palladium-Kohle- Katalysators gemäß Beispiel 1 (5 % Pd auf Supersorbon-K, 4 mm Stränge) mit 10 mL Quarzglasringen (zur Trennung der Katalysatorschichten) und 50 mL (30 g) eines Kup- fer-Chromit-Katalysators E 403-TU der Firma Engelhard Iselin; USA (24-26 Gew.-% Kupferoxid, 1 Gew.-% Chrom(VI)oxid, 1 Gew.-% Chrom(lll)oxid, 0-4 Gew.-% Graphit, 65 bis 67 Gew.-% Kupferchromit , Tabletten 3 mm x 3 mm) überschichtet und mit weiteren 100 mL Quarzglasringen (als Verdampfungsstrecke) bedeckt.
Das Quarzrohr mit dieser strukturierten Katalysator/Quarzglasring-Schüttung wurde mit einem Gas- und einem Flüssigkeitszulaufrohr versehen und so installiert, dass die Reaktionsprodukte in einem Glaswendelkühler kondensiert und gesammelt wurden. Der Reaktor wurde von oben nach unten durchströmt, das heißt, die Reaktionsmischung durchströmte zunächst den Kupferchromit-Katalysator, anschließend den Pd- Katalysator.
Die Katalysatoren wurden durch Behandlung mit Wasserstoff, zunächst verdünnt in einem Stickstoffstrom, später in Reinform, jeweils bei Umgebungsdruck und 200°C für 2 h aktiviert. Dann wurden dann 5 mL/h (ca. 5,8 g/h) Furfural bei einem Wasserstoffstrom von 15 L/h und Reaktortemperaturen von a) 175, b) 200, c) 225 und bei d) 250°C und Umgebungsdruck umgesetzt. Der Umsatz des Edukts (Furfural) war bei allen vor- genannten Temperaturen a) bis d) vollständig. Die Reaktionsausträge wurden kondensiert und in Folge der Kondensation trennte sich der Reaktionsaustrag in zwei Phasen an. Die untere Phase, etwa <1/5 der Gesamtmenge des jeweiligen Reaktionsaustrags, bestand zu >90 % aus Wasser und wurde verworfen. Die obere Phase wies in Abhängigkeit von der Reaktionstemperatur folgende, gaschromatographisch bestimmte Zusammensetzungen auf:
Tabelle 1
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Neben den organischen Anteilen enthielten die oberen Phasen der Austräge zusätzlich 2 bis 8% Wasser.
Die obere Phase, die das Reaktionsprodukt 2-Me-THF enthielt, wurde in einer Füllkörperkolonne einer von Länge 1 ,2 m, einem Innendurchmesser von 2,5 cm mit 3x3 mm V2A-Metallringe als Füllkörper destilliert und das Produkt 2-Me-THF konnte in >99 % Reinheit gewonnen werden.
Beispiel 3
Analog Beispiel 2 wurde ein Kupferkatalysator mit mineralischem Träger (Zusammensetzung im nichtaktivierten Zustand 25 % CuO / 1 %Cr2O3 / 74 % SiO2) und ein Palladium-Kohle-Katalysator (5 % Pd auf Supersorbon-K, 4 mm Stränge) in den Reaktor eingebaut. Bei 225°C wurde folgende Zusammensetzung des Reaktionsaustrags erhalten:
85 % 2-Me-THF, 5 % 2-Pentanon, <0,5 % 3-Pentanon, <0,5 % 1 -Pentanol, 1 % 2- Pentanol, 4 % THF, 0,5% Furan, <0,5 % Methylfuran sowie weitere, nicht identifizierte Produkte.
Beispiel 4
Analog Beispiel 2 wurden 24,2 g eines Kupferkatalysators mit mineralischem Träger der Zusammensetzung im nichtaktivierten Zustand 25 % CuO / 1 0X)Cr2Os / 74 % SiO2 und 28,1 g eines Platin-Kohle-Katalysators (5 % Pt auf 4 mm Strängen Supersorbon K) in den Reaktor eingebaut. Bei 225°C wurde folgende Zusammensetzung des Reaktionsaustrags erhalten: 82 % 2-Me-THF, 4 % 2-Pentanon, 1 % 3-Pentanon, <0,5 % 1 - Pentanol, 1 % 2-Pentanol, 3 % THF, 0,5 % Furan, 1 % Methylfuran sowie weitere, nicht identifizierte Produkte.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von 2-Methyltetrahydrofuran durch einstufige Hydrierung von Furfural mit einem wasserstoffenthaltenden Gas in Gegenwart ei- ner strukturierten Schüttung aus mindestens einem Kupferkatalysator und mindestens einem Katalysator, der mindestens ein Edelmetall aus den Gruppen 8, 9 und/oder 10 des Periodensystems der Elemente aufgebracht auf einem Trägermaterial aufweist.
2. Verfahren zur Herstellung von 2-Methyltetrahydrofuran durch einstufige Hydrierung von Furfural nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in Gegenwart von zwei Katalysatoren in strukturierter Schüttung hydriert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom der Ausgangsstoffe der Hydrierung zuerst den Kupferkatalysator (erster Katalysator) und so dann den Edelmetall enthaltenden Trägerkatalysator (zweiter Katalysator) durchströmt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die struktu- rierte Schüttung der beiden Katalysatoren sich in einem oder mehreren Reaktoren befindet.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator (Kupferkatalysator) als Aktivmetalle Kupfer und ein oder mehrere Elemente der Gruppen 2, 6 und/oder 12 des Periodensystems der
Elemente aufweist.
6. Verfahren nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator neben Kupfer Chrom, Mangan, Zink und/oder Barium enthält.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupfergehalt des ersten Katalysators mindestens 10 Gew.-% beträgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Katalysator Palladium und/oder Platin auf einem Träger aufweist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Katalysator 0,1 bis ungefähr 30 Gew.-% Palladium und/oder Platin auf einem Träger aufweist.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Katalysator mindestens ein Element ausgewählt aus den Gruppen 1 , 2, 4 und 7 bis 12 des Periodensystems der Elemente aufweist.
1 1. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Aktivkohle, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Siliciumcarbid, Calciumoxid, Titandioxid und/oder Zirkoniumdioxid oder deren Gemische als Träger des zweiten Katalysators verwendet werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator 20 bis 80 % der Gesamthöhe der Katalysatorschüttung der Gesamthöhe der Schüttung nach dem Reaktorkopf bildet.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in der Flüssigphase bei einer Temperatur von 150 bis 250 C bei 20 bis 200 bar absolut durchgeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in An- oder Abwesenheit eines Lösungsmittels durchgeführt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in der Gasphase bei einer Temperatur von 150 bis 250 C bei 1 bis 10 bar absolut durchgeführt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in Kreisgas oder Kreislauffahrweise durchgeführt wird.
PCT/EP2008/058038 2007-07-02 2008-06-24 Verfahren zur einstufigen herstellung von 2-methyltetrahydrofuran aus furfural an zwei katalysatoren in strukturierter schüttung WO2009003881A1 (de)

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