WO2009146794A1 - Method and device for producing cyclohexanone - Google Patents

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WO2009146794A1
WO2009146794A1 PCT/EP2009/003548 EP2009003548W WO2009146794A1 WO 2009146794 A1 WO2009146794 A1 WO 2009146794A1 EP 2009003548 W EP2009003548 W EP 2009003548W WO 2009146794 A1 WO2009146794 A1 WO 2009146794A1
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reaction zone
catalysts
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Evin Hizaler Hoffmann
Leslaw Mleczko
Ralph Schellen
Stephan Schubert
Sha PENG
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Bayer Technology Services Gmbh
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    • C07C2601/12Systems containing only non-condensed rings with a six-membered ring
    • C07C2601/14The ring being saturated

Definitions

  • the present invention relates to a process for the preparation of cyclohexanone by catalytic hydrogenation of phenol with hydrogen, wherein the reaction is carried out on 5 to 30 successive catalyst beds under adiabatic conditions, and a reactor system for carrying out the method.
  • Cyclohexanone is generally prepared under the catalytic influence of palladium supported on aluminum with calcium oxide from gaseous phenol and gaseous hydrogen in an exothermic, catalytic equilibrium reaction according to formula (I):
  • the cyclohexanone prepared by the reaction of formula (I) forms an essential starting material for the production of caprolactam and synthesis of perlon.
  • EP 0 602 499 discloses a process in which phenol is hydrogenated to cyclhexanone in the gas phase in the presence of a palladium catalyst.
  • the disclosed temperatures and pressures for carrying out the process are from 150 0 C to 250 ° C and from 0.8 to 8 bar. It is further disclosed that an excess of 3 to 30 mol / mol of hydrogen based on phenol can be used.
  • the catalysts used can be applied to various oxidic support materials.
  • the process is further characterized by a special treatment of the catalysts characterized. It is always disclosed only a one-step process at a fixed temperature. An adaibate mode of operation is not disclosed.
  • EP 0 602 499 (B1) is disadvantageous because it requires a complicated regeneration of the catalysts by special treatment. This in turn results in downtime of the process in which no conversion to cyclohexanone takes place. Furthermore, by operating at fixed temperatures (isothermal operation) in only one reaction zone, it is not possible to introduce the reaction into its equilibrium limitation as a function of the process gas composition. In addition, the released in the reaction energy in the form of heat is not used, which is economically unfavorable. In particular, the heat is not used for advantageous control of the reaction temperature, so that the method is not capable of ensuring optimum conversion with high energy efficiency.
  • EP 1 251 951 (B1) discloses a device and the possibility of carrying out chemical reactions in the device, wherein the device is characterized by a cascade of reaction zones in contact with one another and heat exchanger devices which are arranged in a composite with one another. The method to be carried out here is thus characterized by the contact of the various reaction zones with a respective heat exchanger device in the form of a cascade. There is no disclosure regarding the utility of the apparatus and method for the synthesis of cyclohexanone from gaseous hydrogen and phenol. It thus remains unclear how, starting from the disclosure of EP 1 251 951 (B1), such a reaction is to be carried out by means of the device and the method carried out therein.
  • EP 1 251 951 (B1) is carried out in a device the same as or similar to the disclosure regarding the device.
  • the disclosure with regard to the oscillating temperature profile can therefore only be understood as meaning that the temperature peaks ascertained here would be stronger if this contact did not exist.
  • Another indication of this is the exponential increase in the disclosed temperature profiles between the individual Temperature peaks. These indicate that there is some heat sink of appreciable but limited capacity in each reaction zone which can reduce the temperature rise in it.
  • EP 1 251 951 (B1) discloses multi-stage processes in cascades of reaction zones from which heat in an undefined amount is removed by heat conduction. Accordingly, the disclosed method is disadvantageous in that accurate temperature control of the process gases of the reaction is not possible.
  • Phenol in the context of the present invention, refers to a process gas which is introduced into the process of the invention and comprises phenol.
  • the process gas comprises a proportion of between 90 and 100 mol%, preferably between 95 and 100 mol% of phenol.
  • Hydrogen in the context of the present invention, denotes a process gas which is introduced into the process according to the invention and comprises hydrogen.
  • the process gas comprises a proportion of between 90 and 100 mol%, preferably between 95 and 100 mol% of hydrogen.
  • hydrogen and phenol may also include secondary components.
  • minor components which may be included in the process gases include nitrogen, carbon dioxide, water and cyclohexanol.
  • process gases are understood as gas mixtures which comprise hydrogen and / or phenol and / or cyclohexanone and / or secondary components. Essentially, however, process gases include hydrogen and / or phenol and / or cyclohexanone.
  • carrying out the process under adiabatic conditions means that the reaction zone does not receive any active heat from the outside, either essentially
  • adiabat means that no heat supply or removal measures are taken.
  • a heat transfer can be reduced, for example, by insulation by means of generally known insulation means, such as polystyrene insulating materials, or by sufficiently large distances to heat sinks or heat sources, the insulation means being air.
  • An advantage of the adiabatic driving method according to the invention of the 5 to 30 reaction zones connected in series with respect to a non-adiabatic mode of operation is that no means for heat removal must be provided in the reaction zones, which entails a considerable simplification of the construction. This results in particular simplifications in the manufacture of the reactor and in the scalability of the process and an increase in reaction conversions.
  • the heat generated in the course of the exothermic reaction progress can be utilized in the individual reaction zone to increase the conversion in a controlled manner by allowing the process gases and the reaction zone to increase in temperature to near equilibrium limitation during the passage of the reaction zone.
  • Another advantage of the method according to the invention is the possibility of very accurate temperature control by the close staggering of adiabatic reaction zones. It can thus be adjusted in that reaction zone advantageous in the reaction progress temperature.
  • the catalysts used in the process according to the invention are usually catalysts which consist of a material which, in addition to its catalytic activity for the reaction of the formula (I), is characterized by sufficient thermal stability and by a high specific surface area.
  • Catalyst materials characterized by such thermal stability and high surface area are, for example, noble metal catalysts supported on oxidic materials.
  • Preferred is palladium on an alumina carrier which also comprises calcium oxide.
  • Specific surface area in the context of the present invention refers to the area of the catalyst material that can be reached by the process gases, based on the mass of catalyst material used.
  • a high specific surface area is a specific surface area of at least 100 m / g, preferably of at least 200 m 2 / g.
  • the catalysts of the invention are each in the reaction zones and can be used in all known forms, e.g. Fixed bed, fluidized bed, fluidized bed, are present.
  • the fixed bed arrangement comprises a catalyst bed in the strict sense, ie loose, supported or unsupported catalyst in any form and in the form of suitable packings.
  • catalyst bed as used herein also includes contiguous areas of suitable packages on a carrier material or structured catalyst supports. These would be, for example, to be coated ceramic honeycomb carrier with comparatively high geometric surfaces or corrugated layers of metal wire mesh on which, for example, catalyst granules is immobilized.
  • a special form of packing in the context of the present invention, the presence of the catalyst in monolithic form is considered.
  • the catalyst is preferably present in beds of particles with average particle sizes of 1 to 10 mm, preferably 1, 5 to 8 mm, particularly preferably 2 to 5 mm.
  • the catalyst is in a fixed bed arrangement in monolithic form.
  • a monolithic catalyst which consists of the support of aluminum oxide and is coated with palladium and calcium oxide.
  • the catalyst is preferably present in loose beds of particles, as have also previously been described for the fixed bed arrangement.
  • Beds of such particles are advantageous because the particles have a high outer surface of the catalyst material compared to the process gases hydrogen and phenol due to their size and thus a high conversion rate can be achieved.
  • the mass transport limitation of the reaction by diffusion can be kept low.
  • the particles are not yet so small that disproportionately high pressure losses occur when the fixed bed flows through.
  • the ranges of the particle sizes given in the preferred embodiment of the process, comprising a reaction in a fixed bed are thus an optimum between the achievable conversion from the reaction according to formula (I) and the pressure drop produced when carrying out the process.
  • Pressure loss is directly coupled with the necessary energy in the form of compressor performance, so that a disproportionate increase in the same would result in an inefficient operation of the process.
  • the conversion is carried out at 6 to 25, more preferably 7 to 15 reaction zones connected in series.
  • a preferred further embodiment of the method is characterized in that the process gas emerging from at least one reaction zone is subsequently passed through at least one heat exchange zone downstream of said reaction zone.
  • each reaction zone is at least one, preferably exactly one heat exchange zone, through which the process gas leaving the reaction zone is passed.
  • the reaction zones can either be arranged in a reactor or arranged divided into several reactors.
  • the arrangement of the reaction zones in a reactor leads to a reduction in the number of apparatuses used.
  • the individual reaction zones and heat exchange zones can also be arranged together in a reactor or in any combination of reaction zones with heat exchange zones in several reactors.
  • reaction zones and heat exchange zones are present in a reactor, then in an alternative embodiment of the invention there is a heat insulation zone between them, in order to be able to support the adiabatic operation of the reaction zone.
  • each of the series-connected reaction zones can be replaced or supplemented independently of one another by one or more reaction zones connected in parallel.
  • the use of reaction zones connected in parallel allows in particular their replacement or supplementation during ongoing continuous operation of the process.
  • Parallel and successive reaction zones may in particular also be combined with one another.
  • the process according to the invention particularly preferably has exclusively reaction zones connected in series.
  • the reactors which are preferably used in the process according to the invention can consist of simple containers with one or more reaction zones, as described, for example, in Ulimann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (Fifth, Completely Revised Edition, Vol B4, pages 95-104, page 210-216), wherein in each case between the individual reaction zones and / or heat exchange zones heat insulation zones can be additionally provided.
  • the catalysts or the fixed beds thereof are mounted in a manner known per se on or between gas-permeable walls comprising the reaction zone of the reactor. Particularly in the case of thin fixed beds, technical devices for uniform gas distribution can be provided in the flow direction in front of the catalyst beds. These can be perforated plates or other internals that cause a uniform entry of the process gas into the fixed bed by generating a small but uniform pressure loss.
  • the inlet temperature of the process gas entering the respective reaction zone is from 10 to 250.degree. C., preferably from 50 to 220.degree. C., more preferably from 140 to 200.degree.
  • the absolute pressure at the inlet of the first reaction zone is between 0.8 and 6 bar, preferably between 1 and 4 bar, more preferably between 1 and 3 bar.
  • the residence time of the process gas in the overall process is between 0.1 and 15 s, preferably between 0.2 and 5 s, particularly preferably between 0.5 and 2 s.
  • the phenol and the hydrogen are preferably fed only before the first reaction zone. This has the advantage that the entire process gas can be used for the absorption and removal of the heat of reaction in all reaction zones. In addition, by such a procedure, the space-time yield can be increased, or the necessary catalyst mass can be reduced. However, it is also possible to meter in phenol and / or hydrogen in the process gas as needed before one or more of the reaction zones following the first reaction zone. In addition, the temperature profile in the reaction zone can be controlled via the supply of gas between the reaction zones.
  • the process gas leaving the last reaction zone is at least partially reused by being introduced into one of the reaction zones. More preferably, only the portion of the hydrogen is reused by introducing it into the first reaction zone.
  • the process gas is cooled after at least one of the reaction zones used, more preferably after each of the catalyst beds used.
  • the process gas is passed after exiting a reaction zone through one or more of the above-mentioned heat exchange zones, which are located behind the respective reaction zones.
  • These may be used as heat exchange zones in the form of heat exchangers known to those skilled in the art, e.g. Tube bundle, plate, Ringnut-, spiral, finned tube, microstructured heat exchanger be executed. Preference is given to microstructured heat exchangers.
  • microstructured denotes that the
  • Heat exchanger for the purpose of heat transfer comprises fluid-carrying channels, which are characterized in that they have a hydraulic diameter between 50 microns and 5 mm.
  • the hydraulic diameter is calculated four times the flow cross-sectional area of the fluid-conducting channel divided by the circumference of the channel.
  • steam is generated during cooling of the process gas in the heat exchange zones by the heat exchanger.
  • the heat exchangers which include the heat exchange zones, to carry out evaporation on the side of the cooling medium, preferably partial evaporation.
  • Partial evaporation referred to in the context of the present invention, an evaporation in which a gas / liquid mixture of a substance is used as a cooling medium and in which there is still a gas / liquid mixture of a substance after heat transfer in the heat exchanger.
  • the carrying out of evaporation is particularly advantageous because in this way the achievable heat transfer coefficient from / to process gases on / from the cooling / heating medium becomes particularly high and thus efficient cooling can be achieved.
  • Performing a partial evaporation is particularly advantageous because the absorption / release of heat by the cooling medium thereby no longer results in a temperature change of the cooling medium, but only the gas / liquid ratio is shifted. This has the consequence that over the entire heat exchange zone, the process gas is cooled to a constant temperature. This in turn reliably prevents the occurrence of temperature profiles in the flow of the process gases, which improves the control over the reaction temperatures in the reaction zones and in particular prevents the formation of local overheating by temperature profiles.
  • a mixing zone can also be provided upstream of the inlet of a reaction zone in order to standardize the temperature profiles in the flow of process gases which may arise during cooling by mixing transversely to the main flow direction.
  • the successively connected reaction zones are increased in the reaction zone to the reaction zone or operated decreasing average temperature.
  • the temperature can be both increased and decreased from reaction zone to reaction zone.
  • the thickness of the flow-through reaction zones can be chosen to be the same or different and results according to laws generally known in the art from the residence time described above and the process gas quantities enforced in the process.
  • the erf Massenndungshack enforceable by the method mass flows of product gas (cyclohexanone), which also results in the amounts of process gas to be used, are usually between 0.01 and 25 t / h, preferably between 0.1 and 20 t / h, more preferably between 1 and 15 t / h.
  • the maximum outlet temperature of the process gas from the reaction zones is usually in a range from 170 ° C to 300 ° C, preferably from 180 ° C to 250 ° C, more preferably from 190 0 C to 220 ° C.
  • the control of the temperature in the reaction zones is preferably carried out by at least one of the following measures: dimensioning of the adiabatic reaction zone, control of heat dissipation between the reaction zones, addition of gas between the reaction zones, molar ratio of the reactants / excess of hydrogen used, addition of inert gases, in particular Nitrogen, carbon dioxide, before and / or between the reaction zones.
  • the composition of the catalysts in the reaction zones according to the invention may be identical or different. In a preferred embodiment, the same catalysts are used in each reaction zone. However, it is also advantageous to use different catalysts in the individual reaction zones. Thus, especially in the first reaction zone, when the concentration of the reaction educts is still high, a less active catalyst can be used and in the further reaction zones the activity of the catalyst can be increased from reaction zone to reaction zone. The control of catalyst activity can also be achieved by dilution with Inert materials or carrier material take place. Also advantageous is the use of a catalyst in the first and / or second reaction zone, which is particularly stable against deactivation at the temperatures of the process in these reaction zones.
  • 0.1 kg / h to 20 kg / h preferably 0.5 kg / h to 15 kg / h, particularly preferably 2 kg / h to 10 kg / h of cyclohexanone can be prepared by the process according to the invention per 1 kg of catalyst.
  • the inventive method is thus characterized by high space-time yields, combined with a reduction of the apparatus sizes and a simplification of the apparatus or reactors.
  • This surprisingly high space-time yield is made possible by the interaction of the novel and preferred embodiments of the novel process.
  • the interplay of staggered, adiabatic reaction zones with interposed heat exchange zones and the defined residence times allows precise control of the process and the resulting high space-time yields, as well as a reduction in the by-products formed such as cyclohexanol.
  • Another object of the invention is a reactor system for the reaction of phenol and hydrogen to cyclohexanone, characterized in that it comprises feed lines (Z) for a process gas comprising phenol and hydrogen or for at least two process gases, of which at least one phenol and at least one hydrogen, and 5 to 30 successive reaction zones (R) in the form of fixed beds of a heterogeneous catalyst, between the reaction zones heat insulation zones (I) in the form of insulating material and between these heat exchange zones (W) are in the form of plate heat exchangers with the reaction zones over - And discharges for the process gases are connected and include the supply and discharge lines for a cooling medium.
  • the reactor system may also comprise 6 to 25 or 7 to 15 reaction zones in the form of fixed beds.
  • the insulating material of the heat insulating zones is preferably a material having a
  • the plate heat exchangers are preferably microstructured plate heat exchangers.
  • the process gas flows over a total of 10 fixed catalyst beds from a catalyst comprising palladium on a support of aluminum oxide with calcium oxide, ie through 10 reaction zones.
  • Each after a reaction zone is a heat exchange zone in which the process gas is cooled before it enters the next reaction zone.
  • the process gases used at the beginning of the first reaction zone are pure phenol and pure hydrogen, wherein the volume flow of the phenol is adjusted so that a total of 20 mol% of phenol and 80 mol% are fed into the first reaction zone.
  • the absolute inlet pressure of the process gases directly in front of the first reaction zone is 1 bar.
  • the length of the fixed catalyst beds, ie the reaction zones is always 0.1 m.
  • the activity of the catalysts is adjusted in the individual reaction zones by dilution with pellets of quartz glass. In the last reaction zone is an undiluted catalyst bed. The activity of the last reaction zone is therefore normalized to 100%.
  • the individual activities of the reaction zones set by dilution are shown in Table 1. There is no subsequent metering of gas before the individual catalyst stages. The residence time in all reaction zones of the plant as a whole is 0.95 seconds.
  • the results are shown in FIG.
  • the individual reaction zones are listed on the x-axis, so that a spatial course of developments in the process is visible.
  • the temperature of the process gas is indicated on the left y-axis.
  • the temperature profile across the individual reaction zones is shown as a thick, solid line.
  • On the right y-axis the total conversion of phenol is indicated. Of the The course of the conversion over the individual reaction zones is shown as a thick dashed line.
  • the inlet temperature of the process gas before the first reaction zone is about 190 ° C. Due to the exothermic reaction to cyclohexanone under adiabatic conditions, the temperature in the first reaction zone rises to about 220 ° C, before the process gas is cooled in the downstream heat exchange zone again. The inlet temperature before the next reaction zone is again about 190 ° C. By exothermic adiabatic reaction, it rises again to about 220 ° C. The sequence of heating and cooling essentially continues until the sixth reaction zone. From the seventh reaction zone, the inlet temperatures of the process gas sink in front of the individual reaction zones.

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Abstract

The present invention relates to a method for the production of cyclohexanone by catalytic hydration of phenol with hydrogen, wherein the reaction is carried out on 5 to 30 serially connected catalyst beds under adiabatic conditions, and a reactor system for carrying out the method.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Cyclohexanon Process and apparatus for the production of cyclohexanone
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Cyclohexanon durch katalytische Hydrierung von Phenol mit Wasserstoff, worin die Umsetzung an 5 bis 30 hintereinander geschalteten Katalysatorbetten unter adiabaten Bedingungen durchgeführt wird, sowie ein Reaktorsystem zur Durchführung des Verfahrens.The present invention relates to a process for the preparation of cyclohexanone by catalytic hydrogenation of phenol with hydrogen, wherein the reaction is carried out on 5 to 30 successive catalyst beds under adiabatic conditions, and a reactor system for carrying out the method.
Cyclohexanon wird allgemein unter katalytischem Einfluss von Palladium auf einem Träger aus Aluminium mit Calciumoxid aus gasförmigem Phenol und gasförmigem Wasserstoff in einer exothermen, katalytischen Gleichgewichtsreaktion gemäß Formel (I) hergestellt:Cyclohexanone is generally prepared under the catalytic influence of palladium supported on aluminum with calcium oxide from gaseous phenol and gaseous hydrogen in an exothermic, catalytic equilibrium reaction according to formula (I):
C6H6O (g) + 2 H2 (g) «→ C6Hi0O (g); ΔH= -57,8 kJ/mol (I)C 6 H 6 O (g) + 2 H 2 (g) →C 6 Hi 0 O (g); ΔH = -57.8 kJ / mol (I)
Das mittels der Reaktion nach Formel (I) hergestellte Cyclohexanon bildet einen wesentlichen Ausgangsstoff für die Herstellung von Caprolactam und Synthese von Perlon.The cyclohexanone prepared by the reaction of formula (I) forms an essential starting material for the production of caprolactam and synthesis of perlon.
Die Abfuhr und Verwendung der Reaktionswärme ist ein wichtiger Punkt bei der Durchführung der Cyclohexanon-Synthese. Ein unkontrollierter Temperaturanstieg kann zu einer dauerhaften Schädigung des Katalysators führen, zum anderen kommt es bei hohen Temperaturen zu einer ungünstigen Verschiebung des Reaktionsgleichgewichts in Richtung der Edukte mit einer entsprechenden Verschlechterung der Ausbeute. Außerdem existiert bei hohen Temperaturen die Möglichkeit von Nebenreaktionen unter Bildung mehr oder weniger großer Mengen unter anderem an Cyclohexanol als Verunreinigung. Es ist daher vorteilhaft die Temperatur der Katalysatorschüttung im Laufe des Verfahrens kontrolliert auf einem Niveau zu halten, das einen schnellen Umsatz unter Minimierung der Nebenreaktionen und/oder Katalysatordesaktivierung ermöglicht.The removal and use of the heat of reaction is an important issue in carrying out the cyclohexanone synthesis. An uncontrolled increase in temperature can lead to permanent damage to the catalyst, on the other hand, it comes at high temperatures to an unfavorable shift of the reaction equilibrium in the direction of the starting materials with a corresponding deterioration of the yield. In addition, at high temperatures, there is the potential for side reactions to produce more or less large amounts of, inter alia, cyclohexanol as an impurity. It is therefore advantageous to maintain the temperature of the catalyst bed controlled in the course of the process at a level which allows a rapid conversion with minimization of side reactions and / or catalyst deactivation.
In der EP 0 602 499 (Bl) wird ein Verfahren offenbart, in dem in Gegenwart eines Palladiumkatalysators Phenol zu Cyclhexanon in der Gasphase hydriert wird. Die offenbarten Temperaturen und Drücke zur Durchführung des Verfahrens betragen von 1500C bis 250°C und von 0,8 bis 8 bar. Es wird weiter offenbart, dass ein Überschuss von 3 bis 30 mol/mol Wasserstoff bezogen auf Phenol verwendet werden kann. Die verwendeten Katalysatoren können auf verschiedenen oxidischen Trägermaterialien aufgebracht sein. Das Verfahren ist weiter durch ein besonderes Behandeln der Katalysatoren gekennzeichnet. Es wird stets nur ein einstufiges Verfahren bei einer fixen Temperatur offenbart. Eine adaibate Betriebsweise wird nicht offenbart.EP 0 602 499 (B1) discloses a process in which phenol is hydrogenated to cyclhexanone in the gas phase in the presence of a palladium catalyst. The disclosed temperatures and pressures for carrying out the process are from 150 0 C to 250 ° C and from 0.8 to 8 bar. It is further disclosed that an excess of 3 to 30 mol / mol of hydrogen based on phenol can be used. The catalysts used can be applied to various oxidic support materials. The process is further characterized by a special treatment of the catalysts characterized. It is always disclosed only a one-step process at a fixed temperature. An adaibate mode of operation is not disclosed.
Das in der EP 0 602 499 (Bl) offenbarte Verfahren ist nachteilig, da es eine aufwändige Regenerierung der Katalysatoren durch ein besonderes Behandeln voraussetzt. Dies wiederum resultiert in Stillstandszeiten des Verfahrens, in denen kein Umsatz zu Cyclohexanon stattfindet. Weiter ist durch den Betrieb bei fixen Temperaturen (isothermer Betrieb) in nur einer Reaktionszone ein Heranführen der Reaktion an ihre Gleich- gewichtslimitierung in Abhängigkeit von der Prozessgaszusammensetzung nicht möglich. Außerdem wird die bei der Reaktion frei werdende Energie in Form von Wärme nicht genutzt, was wirtschaftlich unvorteilhaft ist. Insbesondere wird die Wärme nicht zur vorteilhaften Steuerung der Reaktionstemperatur genutzt, so dass das Verfahren nicht befähigt ist optimalen Umsatz bei einer hohen Energieeffizienz zu gewährleisten.The process disclosed in EP 0 602 499 (B1) is disadvantageous because it requires a complicated regeneration of the catalysts by special treatment. This in turn results in downtime of the process in which no conversion to cyclohexanone takes place. Furthermore, by operating at fixed temperatures (isothermal operation) in only one reaction zone, it is not possible to introduce the reaction into its equilibrium limitation as a function of the process gas composition. In addition, the released in the reaction energy in the form of heat is not used, which is economically unfavorable. In particular, the heat is not used for advantageous control of the reaction temperature, so that the method is not capable of ensuring optimum conversion with high energy efficiency.
In EP 1 251 951 (Bl) wird eine Vorrichtung und die Möglichkeit der Durchführung chemischer Reaktionen in der Vorrichtung offenbart, wobei die Vorrichtung durch eine Kaskade aus miteinander in Kontakt stehenden Reaktionszonen und Wärmetauschervorrichtungen gekennzeichnet ist, die stoffschlüssig miteinander im Verbund angeordnet sind. Das hierin durchzuführende Verfahren ist also gekennzeichnet durch den Kontakt der verschiedenen Reaktionszonen mit einer jeweiligen Wärmetauschervorrichtung in Form einer Kaskade. Eine Offenbarung hinsichtlich der Verwendbarkeit der Vorrichtung und des Verfahrens zur Synthese von Cyclohexanon aus gasförmigem Wasserstoff und Phenol findet nicht statt. Es bleibt also unklar, wie ausgehend von der Offenbarung der EP 1 251 951 (Bl) eine solche Reaktion mittels der Vorrichtung und des darin ausgeführten Verfahrens durchgeführt werden soll. Weiter muss aus Gründen der Einheitlichkeit davon ausgegangen werden, dass das in der EP 1 251 951 (Bl) offenbarte Verfahren in einer Vorrichtung gleich oder ähnlich der Offenbarung bezüglich der Vorrichtung ausgeführt wird. Hieraus resultiert, dass durch den offenbarungsgemäßen großflächigen Kontakt der Wärmeaustauschzonen mit den Reaktionszonen eine signifikante Menge an Wärme durch Wärmeleitung zwischen den Reaktionszonen und den benachbarten Wärmeaustauschzonen stattfindet. Die Offenbarung hinsichtlich des oszillierenden Temperaturprofils kann also nur so verstanden werden, dass die hier festgestellten Temperaturspitzen stärker ausfallen würden, wenn dieser Kontakt nicht bestehen würde. Ein weiteres Indiz hierfür ist der exponentielle Anstieg der offenbarten Temperaturprofile zwischen den einzelnen Temperaturspitzen. Diese deuten an, dass eine gewisse Wärmesenke mit merklicher, aber begrenzter Kapazität in jeder Reaktionszone vorhanden ist, die den Temperaturanstieg in derselben reduzieren kann. Es kann nie ausgeschlossen werden, dass eine gewisse Abfuhr von Wärme (z.B. durch Strahlung) stattfindet, allerdings würde sich bei einer Reduktion der möglichen Wärmeabfuhr aus der Reaktionszone ein linearer oder in seiner Steigung degressiver Temperaturverlauf andeuten, da bei höheren Temperaturen sich das Gleichgewicht exothermer Reaktionen auf die Seite der Edukte verschiebt und somit die Reaktionsgeschwindigkeit und mit ihr die erzeugte Reaktionswärme verringern würde. Somit offenbart die EP 1 251 951 (Bl) mehrstufige Verfahren in Kaskaden von Reaktionszonen, aus denen Wärme in Undefinierter Menge durch Wärmeleitung abgeführt wird. Demnach ist das offenbarte Verfahren dahingehend nachteilig, als dass eine genaue Temperaturkontrolle der Prozessgase der Reaktion nicht möglich ist.EP 1 251 951 (B1) discloses a device and the possibility of carrying out chemical reactions in the device, wherein the device is characterized by a cascade of reaction zones in contact with one another and heat exchanger devices which are arranged in a composite with one another. The method to be carried out here is thus characterized by the contact of the various reaction zones with a respective heat exchanger device in the form of a cascade. There is no disclosure regarding the utility of the apparatus and method for the synthesis of cyclohexanone from gaseous hydrogen and phenol. It thus remains unclear how, starting from the disclosure of EP 1 251 951 (B1), such a reaction is to be carried out by means of the device and the method carried out therein. Further, for the sake of uniformity, it is to be understood that the method disclosed in EP 1 251 951 (B1) is carried out in a device the same as or similar to the disclosure regarding the device. As a result, by the large-area contact of the heat exchange zones according to the disclosure with the reaction zones, a significant amount of heat takes place by heat conduction between the reaction zones and the adjacent heat exchange zones. The disclosure with regard to the oscillating temperature profile can therefore only be understood as meaning that the temperature peaks ascertained here would be stronger if this contact did not exist. Another indication of this is the exponential increase in the disclosed temperature profiles between the individual Temperature peaks. These indicate that there is some heat sink of appreciable but limited capacity in each reaction zone which can reduce the temperature rise in it. It can never be ruled out that a certain dissipation of heat (eg by radiation) takes place, but a reduction in the possible heat removal from the reaction zone would indicate a linear or degressive temperature gradient, since at higher temperatures the equilibrium of exothermic reactions shifted to the side of the starting materials and thus reduce the reaction rate and with it the generated heat of reaction. Thus, EP 1 251 951 (B1) discloses multi-stage processes in cascades of reaction zones from which heat in an undefined amount is removed by heat conduction. Accordingly, the disclosed method is disadvantageous in that accurate temperature control of the process gases of the reaction is not possible.
Es wäre daher vorteilhaft, ein Verfahren bereitzustellen, das in einfachen Reaktionsvorrichtungen durchgeführt werden kann und das eine genaue, einfache Temperatur- kontrolle ermöglicht, so dass es hohe Umsätze bei möglichst hohen Reinheiten des Produktes erlaubt. Solche einfachen Reaktionsvorrichtungen wären leicht in einen technischen Maßstab zu übertragen und sind in allen Größen preiswert und robust.It would therefore be advantageous to provide a process which can be carried out in simple reaction devices and which allows accurate, simple temperature control so that it allows high conversions with the highest possible purity of the product. Such simple reaction devices would be easily scaled up and are inexpensive and robust in all sizes.
Für die katalytische Gasphasenoxidation von Phenol mit Wasserstoff zu Cyclohexanon wurden wie gerade dargestellt bisher weder geeignete Reaktoren beschrieben, noch werden geeignete Verfahren aufgezeigt, die dies erlauben.For the catalytic gas-phase oxidation of phenol with hydrogen to cyclohexanone, as described above, neither suitable reactors have yet been described, nor are suitable processes disclosed which permit this.
Es besteht daher die Aufgabe, ein Verfahren zur katalytischen Hydrierung von Phenol mit Wasserstoff zu Cyclohexanon bereitzustellen, das unter genauer Temperaturkontrolle in einer einfachen Reaktionsvorrichtung durchführbar ist und das hierdurch hohe Umsätze bei hohen Reinheiten des Produktes erlaubt, wobei die Reaktionswärme beispielsweise zur Einstellung eines vorteilhaften Temperaturniveaus für die Reaktion oder zur Dampferzeugung genutzt werden kann.It is therefore an object to provide a process for the catalytic hydrogenation of phenol with hydrogen to cyclohexanone, which is feasible under precise temperature control in a simple reaction apparatus and thereby high conversions at high purities of the product allowed, the heat of reaction, for example, to set an advantageous temperature levels can be used for the reaction or steam generation.
Es wurde überraschend gefunden, dass ein Verfahren zur Herstellung von Cyclohexanon, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es einen Umsatz von Phenol mit Wasserstoff zu Cyclohexanon gemäß Formel (I)It has surprisingly been found that a process for the preparation of cyclohexanone, which is characterized in that it has a conversion of phenol with hydrogen to cyclohexanone according to formula (I)
C6H6O (g) + 2 H2 (g) <→ C6H10O (g); ΔH= -57,8 kJ/mol (I) in 5 bis 30 hintereinander geschalteten Reaktionszonen unter adiabaten Bedingungen in Gegenwart heterogener Katalysatoren umfasst, diese Aufgabe zu lösen vermag.C 6 H 6 O (g) + 2 H 2 (g) <→ C 6 H 10 O (g); ΔH = -57.8 kJ / mol (I) in 5 to 30 successive reaction zones under adiabatic conditions in the presence of heterogeneous catalysts, this task can be solved.
Phenol bezeichnet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ein Prozessgas, das in das erfindungsgemäße Verfahren eingeführt wird und das Phenol umfasst. Üblicherweise umfasst das Prozessgas einen Anteil zwischen 90 und 100 mol-%, bevorzugt zwischen 95 und 100 mol-% Phenol.Phenol, in the context of the present invention, refers to a process gas which is introduced into the process of the invention and comprises phenol. Usually, the process gas comprises a proportion of between 90 and 100 mol%, preferably between 95 and 100 mol% of phenol.
Wasserstoff bezeichnet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ein Prozessgas, das in das erfindungsgemäße Verfahren eingeführt wird und Wasserstoff umfasst. Üblicherweise umfasst das Prozessgas einen Anteil zwischen 90 und 100 mol-%, bevorzugt zwischen 95 und 100 mol-% Wasserstoff.Hydrogen, in the context of the present invention, denotes a process gas which is introduced into the process according to the invention and comprises hydrogen. Usually, the process gas comprises a proportion of between 90 and 100 mol%, preferably between 95 and 100 mol% of hydrogen.
Neben den wesentlichen Komponenten der Prozessgase Wasserstoff und Phenol, können diese auch noch Nebenkomponenten umfassen. Nicht abschließende Beispiele für Nebenkomponenten, die in den Prozessgasen enthalten sein können, sind etwa Stickstoff, Kohlendioxid, Wasser und Cyclohexanol.In addition to the essential components of the process gases hydrogen and phenol, these may also include secondary components. Non-exhaustive examples of minor components which may be included in the process gases include nitrogen, carbon dioxide, water and cyclohexanol.
Allgemein werden im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung Prozessgase als Gasgemische verstanden, die Wasserstoff und/oder Phenol und/oder Cyclohexanon und/oder Nebenkomponenten umfassen. Im Wesentlichen umfassen Prozessgase aber Wasserstoff und/oder Phenol und/oder Cyclohexanon.In general, in connection with the present invention, process gases are understood as gas mixtures which comprise hydrogen and / or phenol and / or cyclohexanone and / or secondary components. Essentially, however, process gases include hydrogen and / or phenol and / or cyclohexanone.
Erfindungsgemäß bedeutet die Durchführung des Verfahrens unter adiabaten Bedingungen, dass der Reaktionszone von außen im Wesentlichen weder aktiv Wärme zugeführt nochAccording to the invention, carrying out the process under adiabatic conditions means that the reaction zone does not receive any active heat from the outside, either essentially
Wärme entzogen wird. Es ist allgemein bekannt, dass eine vollständige Isolation gegenHeat is withdrawn. It is well known that full isolation against
Wärmezu- oder Abfuhr nur durch vollständige Evakuierung unter Ausschluss derHeat supply or removal only by complete evacuation to the exclusion of
Möglichkeit des Wärmeübergangs durch Strahlung möglich ist. Daher bezeichnet adiabat im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung, dass keine Maßnahmen zur Wärmezu- oder Abfuhr ergriffen werden.Possibility of heat transfer by radiation is possible. Therefore, in the context of the present invention, adiabat means that no heat supply or removal measures are taken.
In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann aber z.B. durch Isolation mittels allgemein bekannter Isolationsmittel, wie z.B. Polystyroldämmstoffen, oder auch durch genügend große Abstände zu Wärmesenken oder Wärmequellen, wobei das Isolationsmittel Luft ist, ein Wärmeübergang vermindert werden. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen adiabaten Fahrweise der 5 bis 30 hintereinander geschalteten Reaktionszonen gegenüber einer nicht adiabaten Fahrweise besteht darin, dass in den Reaktionszonen keine Mittel zur Wärmeabfuhr bereitgestellt werden müssen, was eine erhebliche Vereinfachung der Konstruktion mit sich bringt. Dadurch ergeben sich insbesondere Vereinfachungen bei der Fertigung des Reaktors sowie bei der Skalierbarkeit des Verfahrens und eine Steigerung der Reaktionsumsätze. Außerdem kann die Wärme, die im Zuge des exothermen Reaktionsfortschrittes erzeugt wird, in der einzelnen Reaktionszone zur Steigerung des Umsatzes in kontrollierter Weise genutzt werden, indem im Verlaufe des Passierens der Reaktionszone den Prozessgasen und der Reaktionszone eine Temperaturerhöhung in die Nähe der Gleichgewichtslimitierung erlaubt wird.In an alternative embodiment of the method according to the invention, however, a heat transfer can be reduced, for example, by insulation by means of generally known insulation means, such as polystyrene insulating materials, or by sufficiently large distances to heat sinks or heat sources, the insulation means being air. An advantage of the adiabatic driving method according to the invention of the 5 to 30 reaction zones connected in series with respect to a non-adiabatic mode of operation is that no means for heat removal must be provided in the reaction zones, which entails a considerable simplification of the construction. This results in particular simplifications in the manufacture of the reactor and in the scalability of the process and an increase in reaction conversions. In addition, the heat generated in the course of the exothermic reaction progress can be utilized in the individual reaction zone to increase the conversion in a controlled manner by allowing the process gases and the reaction zone to increase in temperature to near equilibrium limitation during the passage of the reaction zone.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Möglichkeit der sehr genauen Temperaturkontrolle durch die enge Staffelung von adiabaten Reaktionszonen. Es kann somit in jener Reaktionszone eine im Reaktionsfortschritt vorteilhafte Temperatur eingestellt werden.Another advantage of the method according to the invention is the possibility of very accurate temperature control by the close staggering of adiabatic reaction zones. It can thus be adjusted in that reaction zone advantageous in the reaction progress temperature.
Die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Katalysatoren sind üblicherweise Katalysatoren, die aus einem Material bestehen, das neben seiner katalytischen Aktivität für die Reaktion gemäß Formel (I) durch ausreichende thermische Stabilität sowie durch eine hohe spezifische Oberfläche gekennzeichnet ist. Katalysatormaterialien, die durch eine solche thermische Stabilität und hohe spezifische Oberfläche gekennzeichnet sind, sind zum Beispiel Edelmetallkatalysatoren auf Trägern aus oxidischen Materialien.The catalysts used in the process according to the invention are usually catalysts which consist of a material which, in addition to its catalytic activity for the reaction of the formula (I), is characterized by sufficient thermal stability and by a high specific surface area. Catalyst materials characterized by such thermal stability and high surface area are, for example, noble metal catalysts supported on oxidic materials.
Bevorzugt ist Palladium auf einem Aluminiumoxidträger, der auch Calciumoxid umfasst.Preferred is palladium on an alumina carrier which also comprises calcium oxide.
Spezifische Oberfläche bezeichnet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung die Fläche des Katalysatormaterials, die vom Prozessgase erreicht werden kann, bezogen auf die eingesetzte Masse an Katalysatormaterial.Specific surface area in the context of the present invention refers to the area of the catalyst material that can be reached by the process gases, based on the mass of catalyst material used.
Eine hohe spezifische Oberfläche ist eine spezifische Oberfläche von mindestens 100 m /g, bevorzugt von mindestens 200 m2/g.A high specific surface area is a specific surface area of at least 100 m / g, preferably of at least 200 m 2 / g.
Die erfindungsgemäßen Katalysatoren befinden sich jeweils in den Reaktionszonen und können in allen an sich bekannten Erscheinungsformen, z.B. Festbett, Fließbett, Wirbelbett, vorliegen.The catalysts of the invention are each in the reaction zones and can be used in all known forms, e.g. Fixed bed, fluidized bed, fluidized bed, are present.
Bevorzugt sind die Erscheinungsformen Festbett und Fließbett. Die Festbettanordnung umfasst eine Katalysatorschüttung im eigentlichen Sinn, d. h. losen, geträgerten oder ungeträgerten Katalysator in beliebiger Form sowie in Form von geeigneten Packungen. Der Begriff der Katalysatorschüttung, wie er hier verwendet wird, umfasst auch zusammenhängende Bereiche geeigneter Packungen auf einem Träger- material oder strukturierte Katalysatorträger. Dies wären z.B. zu beschichtende keramische Wabenträger mit vergleichsweise hohen geometrischen Oberflächen oder gewellte Schichten aus Metalldrahtgewebe, auf denen beispielsweise Katalysatorgranulat immobilisiert ist. Als eine Sonderform der Packung wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung das Vorliegen des Katalysators in monolithischer Form betrachtet.Preferred are the forms of fixed bed and fluidized bed. The fixed bed arrangement comprises a catalyst bed in the strict sense, ie loose, supported or unsupported catalyst in any form and in the form of suitable packings. The term catalyst bed as used herein also includes contiguous areas of suitable packages on a carrier material or structured catalyst supports. These would be, for example, to be coated ceramic honeycomb carrier with comparatively high geometric surfaces or corrugated layers of metal wire mesh on which, for example, catalyst granules is immobilized. As a special form of packing, in the context of the present invention, the presence of the catalyst in monolithic form is considered.
Wird eine Festbettanordnung des Katalysators verwendet, so liegt der Katalysator bevorzugt in Schüttungen von Partikeln mit mittleren Partikelgrößen von 1 bis 10 mm, bevorzugt 1 ,5 bis 8 mm, besonders bevorzugt von 2 bis 5 mm vor.If a fixed-bed arrangement of the catalyst is used, the catalyst is preferably present in beds of particles with average particle sizes of 1 to 10 mm, preferably 1, 5 to 8 mm, particularly preferably 2 to 5 mm.
Ebenfalls bevorzugt liegt der Katalysator bei Festbettanordnung in monolithischer Form vor. Besonders bevorzugt ist bei Festbettanordnung ein monolithischer Katalysator, der aus dem Träger Aluminiumoxid besteht und mit Palladium und Calciumoxid beschichtet ist.Also preferably, the catalyst is in a fixed bed arrangement in monolithic form. In the case of a fixed bed arrangement, particular preference is given to a monolithic catalyst which consists of the support of aluminum oxide and is coated with palladium and calcium oxide.
Wird eine Fließbettanordnung des Katalysators verwendet, so liegt der Katalysator bevorzugt in losen Schüttungen von Partikeln vor, wie diese zuvor auch für die Festbettanordnung beschrieben worden sind.If a fluidized bed arrangement of the catalyst is used, the catalyst is preferably present in loose beds of particles, as have also previously been described for the fixed bed arrangement.
Schüttungen von solchen Partikeln sind vorteilhaft, weil die Partikel aufgrund ihrer Größe eine hohe äußere Oberfläche des Katalysatormaterials gegenüber den Prozessgasen Wasserstoff und Phenol besitzen und damit eine hohe Umsatzrate erreicht werden kann. Es kann also die Stofftransportlimitierung der Reaktion durch Diffusion gering gehalten werden. Zugleich sind die Partikel damit aber noch nicht so klein, dass es zu überproportional erhöhten Druckverlusten bei Durchströmung des Festbettes kommt. Die Bereiche der in der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens, umfassend eine Reaktion in einem Festbett, angegebenen Partikelgrößen sind somit ein Optimum zwischen dem erreichbaren Umsatz aus der Reaktion gemäß Formel (I) und dem erzeugten Druckverlust bei Durchführung des Verfahrens. Druckverlust ist in direkter Weise mit der notwendigen Energie in Form von Kompressorleistung gekoppelt, so dass eine über- proportionale Erhöhung desselben in einer unwirtschaftlichen Betriebsweise des Verfahrens resultieren würde. In einer bevorzugten Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt der Umsatz an 6 bis 25, besonders bevorzugt 7 bis 15 hintereinander geschalteten Reaktionszonen.Beds of such particles are advantageous because the particles have a high outer surface of the catalyst material compared to the process gases hydrogen and phenol due to their size and thus a high conversion rate can be achieved. Thus, the mass transport limitation of the reaction by diffusion can be kept low. At the same time, however, the particles are not yet so small that disproportionately high pressure losses occur when the fixed bed flows through. The ranges of the particle sizes given in the preferred embodiment of the process, comprising a reaction in a fixed bed, are thus an optimum between the achievable conversion from the reaction according to formula (I) and the pressure drop produced when carrying out the process. Pressure loss is directly coupled with the necessary energy in the form of compressor performance, so that a disproportionate increase in the same would result in an inefficient operation of the process. In a preferred embodiment of the process according to the invention, the conversion is carried out at 6 to 25, more preferably 7 to 15 reaction zones connected in series.
Eine bevorzugte weitere Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das aus mindestens einer Reaktionszone austretende Prozessgas anschließend durch wenigstens eine dieser Reaktionszone nachgeschalteten Wärmeaustauschzone geleitet wird.A preferred further embodiment of the method is characterized in that the process gas emerging from at least one reaction zone is subsequently passed through at least one heat exchange zone downstream of said reaction zone.
In einer besonders bevorzugten weiteren Ausführungsform des Verfahrens befindet sich nach jeder Reaktionszone wenigstens eine, bevorzugt genau eine Wärmeaustauschzone, durch die das aus der Reaktionszone austretende Prozessgas geleitet wird.In a particularly preferred further embodiment of the process, after each reaction zone is at least one, preferably exactly one heat exchange zone, through which the process gas leaving the reaction zone is passed.
Die Reaktionszonen können dabei entweder in einem Reaktor angeordnet oder in mehreren Reaktoren aufgeteilt angeordnet werden. Die Anordnung der Reaktionszonen in einem Reaktor führt zu einer Verringerung der Anzahl der verwendeten Apparaturen.The reaction zones can either be arranged in a reactor or arranged divided into several reactors. The arrangement of the reaction zones in a reactor leads to a reduction in the number of apparatuses used.
Die einzelnen Reaktionszonen und Wärmeaustauschzonen können auch zusammen in einem Reaktor oder in beliebigen Kombinationen von jeweils Reaktionszonen mit Wärmeaustauschzonen in mehreren Reaktoren aufgeteilt angeordnet werden.The individual reaction zones and heat exchange zones can also be arranged together in a reactor or in any combination of reaction zones with heat exchange zones in several reactors.
Liegen Reaktionszonen und Wärmeaustauschzonen in einem Reaktor vor, so befindet sich in einer alternativen Ausführungsform der Erfindung zwischen diesen eine Wärmeisolationszone, um den adiabaten Betrieb der Reaktionszone unterstützen zu können.If reaction zones and heat exchange zones are present in a reactor, then in an alternative embodiment of the invention there is a heat insulation zone between them, in order to be able to support the adiabatic operation of the reaction zone.
Zusätzlich können einzelne der in Reihe geschalteten Reaktionszonen unabhängig voneinander auch durch eine oder mehrere parallel geschaltete Reaktionszonen ersetzt oder ergänzt werden. Die Verwendung von parallel geschalteten Reaktionszonen erlaubt insbesondere deren Austausch bzw. Ergänzung bei laufendem kontinuierlichen Gesamtbetrieb des Verfahrens.In addition, each of the series-connected reaction zones can be replaced or supplemented independently of one another by one or more reaction zones connected in parallel. The use of reaction zones connected in parallel allows in particular their replacement or supplementation during ongoing continuous operation of the process.
Parallele und hintereinander geschaltete Reaktionszonen können insbesondere auch miteinander kombiniert sein. Besonders bevorzugt weist das erfindungsgemäße Verfahren aber ausschließlich hintereinander geschaltete Reaktionszonen auf.Parallel and successive reaction zones may in particular also be combined with one another. However, the process according to the invention particularly preferably has exclusively reaction zones connected in series.
Die im erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt verwendeten Reaktoren können aus einfachen Behältern mit einer oder mehreren Reaktionszonen bestehen, wie sie z.B. in Ulimanns Encyclopedia of Industrial Chemistry (Fifth, Completely Revised Edition, VoI B4, Seite 95-104, Seite 210-216) beschrieben werden, wobei jeweils zwischen den einzelnen Reaktionszonen und/oder Wärmeaustauschzonen Wärmeisolationszonen zusätzlich vorgesehen sein können.The reactors which are preferably used in the process according to the invention can consist of simple containers with one or more reaction zones, as described, for example, in Ulimann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (Fifth, Completely Revised Edition, Vol B4, pages 95-104, page 210-216), wherein in each case between the individual reaction zones and / or heat exchange zones heat insulation zones can be additionally provided.
In einer alternativen Ausfuhrungsform des Verfahrens, befindet sich also zwischen einer Reaktionszone und einer Wärmeaustauschzone mindestens eine Wärmeisolationszone. Bevorzugt befindet sich um jede Reaktionszone eine Wärmeisolationszone.In an alternative embodiment of the method, there is thus at least one heat-insulating zone between a reaction zone and a heat exchange zone. Preferably, there is a heat isolation zone around each reaction zone.
Die Katalysatoren bzw. die Festbetten daraus werden in an sich bekannter Weise auf oder zwischen gasdurchlässigen Wandungen umfassend die Reaktionszone des Reaktors angebracht. Insbesondere bei dünnen Festbetten können in Strömungsrichtung vor den Katalysatorbetten technische Vorrichtungen zur gleichmäßigen Gasverteilung angebracht werden. Dies können Lochplatten oder andere Einbauten sein, die durch Erzeugung eines geringen, aber gleichmäßigen Druckverlusts einen gleichförmigen Eintritt des Prozessgases in das Festbett bewirken.The catalysts or the fixed beds thereof are mounted in a manner known per se on or between gas-permeable walls comprising the reaction zone of the reactor. Particularly in the case of thin fixed beds, technical devices for uniform gas distribution can be provided in the flow direction in front of the catalyst beds. These can be perforated plates or other internals that cause a uniform entry of the process gas into the fixed bed by generating a small but uniform pressure loss.
Bei einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorzugsweise ein molarer Überschuss von zwischen 0 und 500 % Wasserstoff bezogen auf den Stoffmengenstrom Phenol vor Eintritt in die Reaktionszone verwendet. Durch eineIn a particular embodiment of the process according to the invention, preference is given to using a molar excess of between 0 and 500% of hydrogen, based on the molar flow of phenol, before entering the reaction zone. By a
Erhöhung des Verhältnisses von Wasserstoff pro Phenol kann zum einen die Reaktion beschleunigt und somit die Raumzeitausbeute (produzierte Cyclohexanonmenge pro MasseIncreasing the ratio of hydrogen per phenol can on the one hand accelerate the reaction and thus the space-time yield (amount of cyclohexanone produced per mass
Katalysatormaterial) gesteigert werden, zum anderen wird das Gleichgewicht der Reaktion positiv in Richtung des Produktes (Cyclohexanon) verschoben. Dadurch kann der Umsatz des Eduktes Phenol gesteigert werden.On the other hand, the equilibrium of the reaction is shifted positively in the direction of the product (cyclohexanone). As a result, the conversion of the educt phenol can be increased.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens beträgt die Eingangstemperatur des in die jeweilige Reaktionszone eintretenden Prozessgases von 10 bis 250°C, bevorzugt von 50 bis 220°C, besonders bevorzugt von 140 bis 200°C.In a further particularly preferred embodiment of the method, the inlet temperature of the process gas entering the respective reaction zone is from 10 to 250.degree. C., preferably from 50 to 220.degree. C., more preferably from 140 to 200.degree.
In noch einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens beträgt der absolute Druck am Eingang der ersten Reaktionszone zwischen 0,8 und 6 bar, bevorzugt zwischen 1 und 4 bar, besonders bevorzugt zwischen 1 und 3 bar.In yet another particularly preferred embodiment of the process, the absolute pressure at the inlet of the first reaction zone is between 0.8 and 6 bar, preferably between 1 and 4 bar, more preferably between 1 and 3 bar.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens beträgt die Verweilzeit des Prozessgases im Gesamtverfahren zwischen 0,1 und 15 s, bevorzugt zwischen 0,2 und 5 s, besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 2 s. Das Phenol und der Wasserstoff werden bevorzugt nur vor der ersten Reaktionszone zugeführt. Dies hat den Vorteil, dass das gesamte Prozessgas für die Aufnahme und Abfuhr der Reaktionswärme in allen Reaktionszonen genutzt werden kann. Außerdem kann durch eine solche Verfahrensweise die Raum-Zeit-Ausbeute gesteigert werden, bzw. die not- wendige Katalysatormasse verringert werden. Es ist aber auch möglich vor einer oder mehreren der nach der ersten Reaktionszone folgenden Reaktionszonen nach Bedarf Phenol und/oder Wasserstoff in das Prozessgas einzudosieren. Über die Zufuhr von Gas zwischen den Reaktionszonen kann zusätzlich das Temperaturprofil in der Reaktionszone gesteuert werden.In a further particularly preferred embodiment of the process, the residence time of the process gas in the overall process is between 0.1 and 15 s, preferably between 0.2 and 5 s, particularly preferably between 0.5 and 2 s. The phenol and the hydrogen are preferably fed only before the first reaction zone. This has the advantage that the entire process gas can be used for the absorption and removal of the heat of reaction in all reaction zones. In addition, by such a procedure, the space-time yield can be increased, or the necessary catalyst mass can be reduced. However, it is also possible to meter in phenol and / or hydrogen in the process gas as needed before one or more of the reaction zones following the first reaction zone. In addition, the temperature profile in the reaction zone can be controlled via the supply of gas between the reaction zones.
In einer bevorzugten Weiterentwicklung des Verfahrens wird das Prozessgas, das aus der letzten Reaktionszone austritt mindestens teilweise wiederverwendet, indem es in eine der Reaktionszonen eingeleitet wird. Besonders bevorzugt wird nur der Anteil des Wasserstoffs wiederverwendet, indem dieser in die erste Reaktionszone eingeleitet wird.In a preferred further development of the process, the process gas leaving the last reaction zone is at least partially reused by being introduced into one of the reaction zones. More preferably, only the portion of the hydrogen is reused by introducing it into the first reaction zone.
Diese Weiterentwicklung ist vorteilhaft, weil das Prozessgas ausgangs der letzten Reaktionszone im Wesentlichen nur noch Wasserstoff und Cyclohexanon umfasst und so ein weiterer Umsatz des Wasserstoffs mit Phenol zu Cyclohexanon über eine Wiederverwendung erreicht werden kann.This further development is advantageous because the process gas at the outset of the last reaction zone essentially comprises only hydrogen and cyclohexanone and thus a further conversion of the hydrogen with phenol to cyclohexanone can be achieved via reuse.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Prozessgas nach mindestens einer der verwendeten Reaktionszonen, besonders bevorzugt nach jedem der verwendeten Katalysatorbetten abgekühlt. Dazu leitet man das Prozessgas nach Austritt aus einer Reaktionszone durch eine oder mehrere der oben genannten Wärmeaustauschzonen, die sich hinter den jeweiligen Reaktionszonen befinden. Diese können als Wärmeaustauschzonen in Form der dem Fachmann bekannten Wärmetauscher, wie z.B. Rohrbündel-, Platten-, Ringnut-, Spiral-, Rippenrohr-, mikro- strukturierte Wärmetauscher ausgeführt sein. Bevorzugt sind mikrostrukturierte Wärmetauscher.In a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, the process gas is cooled after at least one of the reaction zones used, more preferably after each of the catalyst beds used. For this purpose, the process gas is passed after exiting a reaction zone through one or more of the above-mentioned heat exchange zones, which are located behind the respective reaction zones. These may be used as heat exchange zones in the form of heat exchangers known to those skilled in the art, e.g. Tube bundle, plate, Ringnut-, spiral, finned tube, microstructured heat exchanger be executed. Preference is given to microstructured heat exchangers.
Mikrostrukturiert bezeichnet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung, dass derIn the context of the present invention, microstructured denotes that the
Wärmetauscher zum Zweck der Wärmeübertragung Fluid-führende Kanäle umfasst, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie einen hydraulischen Durchmesser zwischen 50 μm und 5 mm aufweisen. Der hydraulische Durchmesser berechnet sich aus dem Vierfachen der durchströmten Querschnittsfläche des Fluid-fuhrenden Kanals dividiert durch den Umfang des Kanals.Heat exchanger for the purpose of heat transfer comprises fluid-carrying channels, which are characterized in that they have a hydraulic diameter between 50 microns and 5 mm. The hydraulic diameter is calculated four times the flow cross-sectional area of the fluid-conducting channel divided by the circumference of the channel.
In einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens wird beim Abkühlen des Prozessgases in den Wärmeaustauschzonen durch den Wärmetauscher Dampferzeugt.In a particular embodiment of the method, steam is generated during cooling of the process gas in the heat exchange zones by the heat exchanger.
Innerhalb dieser weiteren Ausführungsform ist es bevorzugt in den Wärmetauschern, die die Wärmeaustauschzonen beinhalten, auf der Seite des Kühlmediums eine Verdampfung, bevorzugt Teilverdampfung auszuführen.Within this further embodiment, it is preferable in the heat exchangers, which include the heat exchange zones, to carry out evaporation on the side of the cooling medium, preferably partial evaporation.
Teilverdampfung bezeichnet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eine Verdampfung, bei der ein Gas-/Flüssigkeitsgemisch eines Stoffes als Kühlmedium verwendet wird und bei der auch nach Wärmeübergang in dem Wärmetauscher noch ein Gas-/Flüssigkeitsgemisch eines Stoffes vorliegt.Partial evaporation referred to in the context of the present invention, an evaporation in which a gas / liquid mixture of a substance is used as a cooling medium and in which there is still a gas / liquid mixture of a substance after heat transfer in the heat exchanger.
Das Ausführen einer Verdampfung ist besonders vorteilhaft, weil hierdurch der erzielbare Wärmeübergangskoeffizient von/zu Prozessgasen auf/von Kühl-/Heizmedium besonders hoch wird und somit eine effiziente Kühlung erreicht werden kann.The carrying out of evaporation is particularly advantageous because in this way the achievable heat transfer coefficient from / to process gases on / from the cooling / heating medium becomes particularly high and thus efficient cooling can be achieved.
Das Ausführen einer Teilverdampfung ist besonders vorteilhaft, weil die Aufnahme / Abgabe von Wärme durch das Kühlmedium hierdurch nicht mehr in einer Temperaturänderung des Kühlmediums resultiert, sondern lediglich das Gas-/Flüssig Verhältnis verschoben wird. Das hat zur Folge, dass über die gesamte Wärmeaustauschzone das Prozessgas gegenüber einer konstanten Temperatur gekühlt wird. Dies wiederum verhin- dert sicher das Auftreten von Temperaturprofilen in der Strömung der Prozessgase, wodurch die Kontrolle über die Reaktionstemperaturen in den Reaktionszonen verbessert wird und insbesondere das Ausbilden von lokalen Überhitzungen durch Temperaturprofile verhindert wird.Performing a partial evaporation is particularly advantageous because the absorption / release of heat by the cooling medium thereby no longer results in a temperature change of the cooling medium, but only the gas / liquid ratio is shifted. This has the consequence that over the entire heat exchange zone, the process gas is cooled to a constant temperature. This in turn reliably prevents the occurrence of temperature profiles in the flow of the process gases, which improves the control over the reaction temperatures in the reaction zones and in particular prevents the formation of local overheating by temperature profiles.
In einer alternativen Ausführungsform kann anstelle einer Verdampfung/Teilverdampfung auch eine Mischzone vor dem Eingang einer Reaktionszone vorgesehen werden, um die gegebenenfalls bei der Abkühlung entstehenden Temperaturprofile in der Strömung der Prozessgase durch Vermischung quer zur hauptsächlichen Strömungsrichtung zu vereinheitlichen.In an alternative embodiment, instead of evaporation / partial evaporation, a mixing zone can also be provided upstream of the inlet of a reaction zone in order to standardize the temperature profiles in the flow of process gases which may arise during cooling by mixing transversely to the main flow direction.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die nacheinander geschalteten Reaktionszonen bei von Reaktionszone zu Reaktionszone steigender oder sinkender Durchschnittstemperatur betrieben. Dies bedeutet, dass man innerhalb einer Folge von Reaktionszonen die Temperatur von Reaktionszone zu Reaktionszone sowohl ansteigen als auch absinken lassen kann. So kann es besonders vorteilhaft sein, die Durchschnittstemperatur zunächst von Reaktionszone zu Reaktionszone zur Erhöhung des Umsatzes ansteigen zu lassen und anschließend zur Verschiebung des Gleichgewichts die Durchschnittstemperatur in der folgenden letzten Reaktionszone wieder absinken zu lassen. Dies kann beispielsweise über die Steuerung der zwischen die Reaktionszone geschalteten Wärmeaustauschzonen eingestellt werden. Weitere Möglichkeiten der Einstellung der Durchschnittstemperatur werden im Folgenden beschrieben.In a further preferred embodiment of the process, the successively connected reaction zones are increased in the reaction zone to the reaction zone or operated decreasing average temperature. This means that within a sequence of reaction zones, the temperature can be both increased and decreased from reaction zone to reaction zone. Thus, it may be particularly advantageous to allow the average temperature to first increase from reaction zone to reaction zone to increase the conversion and then to allow the average temperature in the following last reaction zone to decrease again to shift the equilibrium. This can be adjusted, for example, via the control of the heat exchange zones connected between the reaction zone. Further options for setting the average temperature are described below.
Die Dicke der durchströmten Reaktionszonen kann gleich oder verschieden gewählt werden und ergibt sich nach dem Fachmann allgemein bekannten Gesetzmäßigkeiten aus der oben beschriebenen Verweilzeit und den jeweils im Verfahren durchgesetzten Prozessgasmengen. Die erfϊndungsgemäß mit dem Verfahren durchsetzbaren Massenströme an Produktgas (Cyclohexanon), aus denen sich auch die einzusetzenden Prozessgas- mengen ergeben, liegen üblicherweise zwischen 0,01 und 25 t/h, bevorzugt zwischen 0,1 und 20 t/h, besonders bevorzugt zwischen 1 und 15 t/h.The thickness of the flow-through reaction zones can be chosen to be the same or different and results according to laws generally known in the art from the residence time described above and the process gas quantities enforced in the process. The erf Massenndungsgemäß enforceable by the method mass flows of product gas (cyclohexanone), which also results in the amounts of process gas to be used, are usually between 0.01 and 25 t / h, preferably between 0.1 and 20 t / h, more preferably between 1 and 15 t / h.
Die maximale Austrittstemperatur des Prozessgases aus den Reaktionszonen liegt üblicherweise in einem Bereich von 170°C bis 300°C, bevorzugt von 180°C bis 250°C, besonders bevorzugt von 1900C bis 220°C. Die Steuerung der Temperatur in den Reaktionszonen erfolgt bevorzugt durch mindestens eine der folgenden Maßnahmen: Dimensionierung der adiabaten Reaktionszone, Steuerung der Wärmeabfuhr zwischen den Reaktionszonen, Zusatz von Gas zwischen den Reaktionszonen, molares Verhältnis der Edukte / Überschuss an verwendetem Wasserstoff, Zusatz von Inertgasen, insbesondere Stickstoff, Kohlendioxid, vor und/oder zwischen den Reaktionszonen.The maximum outlet temperature of the process gas from the reaction zones is usually in a range from 170 ° C to 300 ° C, preferably from 180 ° C to 250 ° C, more preferably from 190 0 C to 220 ° C. The control of the temperature in the reaction zones is preferably carried out by at least one of the following measures: dimensioning of the adiabatic reaction zone, control of heat dissipation between the reaction zones, addition of gas between the reaction zones, molar ratio of the reactants / excess of hydrogen used, addition of inert gases, in particular Nitrogen, carbon dioxide, before and / or between the reaction zones.
Die Zusammensetzung der Katalysatoren in den erfindungsgemäßen Reaktionszonen kann gleich oder verschieden sein. In einer bevorzugten Ausführungsform werden in jeder Reaktionszone die gleichen Katalysatoren verwendet. Man kann aber auch vorteilhaft verschiedene Katalysatoren in den einzelnen Reaktionszonen verwenden. So kann insbesondere in der ersten Reaktionszone, wenn die Konzentration der Reaktionsedukte noch hoch ist, ein weniger aktiver Katalysator verwendet werden und in den weiteren Reaktionszonen die Aktivität des Katalysators von Reaktionszone zu Reaktionszone gesteigert werden. Die Steuerung der Katalysatoraktivität kann auch durch Verdünnung mit Inertmaterialien bzw. Trägermaterial erfolgen. Ebenfalls vorteilhaft ist die Verwendung eines Katalysators in der ersten und/oder zweiten Reaktionszone, der besonders stabil gegen eine Desaktivierung bei den Temperaturen des Verfahrens in diesen Reaktionszonen ist.The composition of the catalysts in the reaction zones according to the invention may be identical or different. In a preferred embodiment, the same catalysts are used in each reaction zone. However, it is also advantageous to use different catalysts in the individual reaction zones. Thus, especially in the first reaction zone, when the concentration of the reaction educts is still high, a less active catalyst can be used and in the further reaction zones the activity of the catalyst can be increased from reaction zone to reaction zone. The control of catalyst activity can also be achieved by dilution with Inert materials or carrier material take place. Also advantageous is the use of a catalyst in the first and / or second reaction zone, which is particularly stable against deactivation at the temperatures of the process in these reaction zones.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können pro 1 kg Katalysator 0,1 kg/h bis 20 kg/h, bevorzugt 0,5 kg/h bis 15 kg/h, besonders bevorzugt 2 kg/h bis 10 kg/h Cyclohexanon hergestellt werden.0.1 kg / h to 20 kg / h, preferably 0.5 kg / h to 15 kg / h, particularly preferably 2 kg / h to 10 kg / h of cyclohexanone can be prepared by the process according to the invention per 1 kg of catalyst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich somit durch hohe Raum-Zeit-Ausbeuten aus, verbunden mit einer Verringerung der Apparategrößen sowie einer Vereinfachung der Apparaturen bzw. Reaktoren. Diese überraschend hohe Raum-Zeit- Ausbeute wird durch das Zusammenspiel der erfindungsgemäßen und bevorzugten Ausführungsformen des neuen Verfahrens ermöglicht. Insbesondere das Zusammenspiel von gestaffelten, adiabaten Reaktionszonen mit dazwischen befindlichen Wärmeaustauschzonen und den definierten Verweilzeiten ermöglicht eine genaue Steuerung des Verfahrens und die daraus resultieren- den hohen Raum-Zeit- Ausbeuten, sowie eine Verringerung der gebildeten Nebenprodukte wie zum Beispiel Cyclohexanol.The inventive method is thus characterized by high space-time yields, combined with a reduction of the apparatus sizes and a simplification of the apparatus or reactors. This surprisingly high space-time yield is made possible by the interaction of the novel and preferred embodiments of the novel process. In particular, the interplay of staggered, adiabatic reaction zones with interposed heat exchange zones and the defined residence times allows precise control of the process and the resulting high space-time yields, as well as a reduction in the by-products formed such as cyclohexanol.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Reaktorsystem zur Umsetzung von Phenol und Wasserstoff zu Cyclohexanon, dadurch gekennzeichnet, dass es Zuleitungen (Z) für ein Prozessgas umfassend Phenol und Wasserstoff oder für mindestens zwei Prozessgase, von denen mindestens eines Phenol und mindestens eines Wasserstoff umfasst, und 5 bis 30 hintereinander geschaltete Reaktionszonen (R) in Form von Festbetten eines heterogenen Katalysators umfasst, wobei sich zwischen den Reaktionszonen Wärmeisolationszonen (I) in Form von Isolationsmaterial und zwischen diesen Wärmeaustauschzonen (W) in Form von Plattenwärmetauschem befinden, die mit den Reaktionszonen über Zu- und Ableitun- gen für die Prozessgase verbunden sind und die Zu- und Ableitungen für ein Kühlmedium umfassen.Another object of the invention is a reactor system for the reaction of phenol and hydrogen to cyclohexanone, characterized in that it comprises feed lines (Z) for a process gas comprising phenol and hydrogen or for at least two process gases, of which at least one phenol and at least one hydrogen, and 5 to 30 successive reaction zones (R) in the form of fixed beds of a heterogeneous catalyst, between the reaction zones heat insulation zones (I) in the form of insulating material and between these heat exchange zones (W) are in the form of plate heat exchangers with the reaction zones over - And discharges for the process gases are connected and include the supply and discharge lines for a cooling medium.
Das Reaktorsystem kann auch 6 bis 25 oder 7 bis 15 Reaktionszonen in Form von Festbetten umfassen. Das Isolationsmaterial der Wärmeisolationszonen ist bevorzugt ein Material mit einemThe reactor system may also comprise 6 to 25 or 7 to 15 reaction zones in the form of fixed beds. The insulating material of the heat insulating zones is preferably a material having a
WW
Wärmeleitkoeffizient λ kleiner oder gleich 0,08 . Besonders bevorzugt sind etwaWärmeleitkoeffizient λ less than or equal to 0.08. Particularly preferred are about
_m - K Polystyrol, Polyurethane, Glaswolle oder Luft._m - K Polystyrene, polyurethanes, glass wool or air.
Die Plattenwärmetauscher sind bevorzugt mikrostrukturierte Plattenwärmetauscher.The plate heat exchangers are preferably microstructured plate heat exchangers.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der Abbildungen erläutert, ohne sie jedoch hierauf zu beschränken.The present invention will be elucidated with reference to the drawings without, however, being limited thereto.
FIG 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Reaktorsystems, wobei in der Abbildungen die folgenden Bezugszeichen verwendet werden: Z: Zuleitung(en)1 shows a schematic representation of an embodiment of the reactor system according to the invention, the following reference numbers being used in the figures: Z: supply line (s)
R: Reaktionszone(n)R: reaction zone (s)
I: Wärmeisolationszone(n)I: thermal insulation zone (s)
W: Wärmeaustauschzone(n)W: heat exchange zone (s)
FIG 2 zeigt Temperatur (T) und Umsatz von Phenol (U) über einer Anzahl von 10 Reaktionszonen (S) mit nachgeschalteten Wärmeaustauschzonen (gemäß Beispiel 1).2 shows temperature (T) and conversion of phenol (U) over a number of 10 reaction zones (S) with downstream heat exchange zones (according to Example 1).
Die vorliegende Erfindung wird weiterhin anhand des nachfolgenden Beispiels 1 näher erläutert, ohne sie hierauf zu beschränken. The present invention will be further illustrated by the following Example 1, without being limited thereto.
BeispieleExamples
Beispiel 1:Example 1:
In diesem Beispiel strömt das Prozessgas über insgesamt 10 Katalysatorfestbetten aus einem Katalysator umfassend Palladium auf einem Träger aus Aluminiumoxid mit Calciumoxid, also durch 10 Reaktionszonen. Jeweils nach einer Reaktionszone befindet sich eine Wärmeaustauschzone, in der das Prozessgas gekühlt wird, bevor es in die nächste Reaktionszone eintritt. Die eingangs der ersten Reaktionszone verwendeten Prozessgase sind reines Phenol und reiner Wasserstoff, wobei der Volumenstrom des Phenol so eingestellt ist, dass insgesamt 20 mol-% Phenol und 80 mol-% in die erste Reaktionszone zugeführt werden. Der absolute Eingangsdruck der Prozessgase direkt vor der ersten Reaktionszone beträgt 1 bar. Die Länge der Katalysatorfestbetten, also der Reaktionszonen, beträgt stets 0,1 m. Die Aktivität der Katalysatoren wird in den einzelnen Reaktionszonen durch Verdünnung mit Pellets aus Quarzglas eingestellt. In der letzten Reaktionszone befindet sich eine unverdünnte Katalysatorschüttung. Die Aktivität der letzten Reaktionszone wird daher auf 100% normiert. Die einzelnen durch Verdünnung eingestellten Aktivitäten der Reaktionszonen zeigt Tabelle 1. Es erfolgt keine Nachdosierung von Gas vor den einzelnen Katalysatorstufen. Die Verweilzeit in allen Reaktionszonen der Anlage insgesamt beträgt 0,95 Sekunden.In this example, the process gas flows over a total of 10 fixed catalyst beds from a catalyst comprising palladium on a support of aluminum oxide with calcium oxide, ie through 10 reaction zones. Each after a reaction zone is a heat exchange zone in which the process gas is cooled before it enters the next reaction zone. The process gases used at the beginning of the first reaction zone are pure phenol and pure hydrogen, wherein the volume flow of the phenol is adjusted so that a total of 20 mol% of phenol and 80 mol% are fed into the first reaction zone. The absolute inlet pressure of the process gases directly in front of the first reaction zone is 1 bar. The length of the fixed catalyst beds, ie the reaction zones, is always 0.1 m. The activity of the catalysts is adjusted in the individual reaction zones by dilution with pellets of quartz glass. In the last reaction zone is an undiluted catalyst bed. The activity of the last reaction zone is therefore normalized to 100%. The individual activities of the reaction zones set by dilution are shown in Table 1. There is no subsequent metering of gas before the individual catalyst stages. The residence time in all reaction zones of the plant as a whole is 0.95 seconds.
Tabelle 1: Länge der Reaktionszonen gemäß Beispiel 1Table 1: Length of the reaction zones according to Example 1
Figure imgf000016_0001
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Die Ergebnisse sind in Fig.2 gezeigt. Hierbei sind auf der x-Achse die einzelnen Reaktionszonen aufgeführt, so dass ein räumlicher Verlauf der Entwicklungen im Verfahren sichtbar wird. Auf der linken y- Achse ist die Temperatur des Prozessgases angegeben. Der Temperaturverlauf über die einzelnen Reaktionszonen hinweg ist als dicke, durchgezogene Linie dargestellt. Auf der rechten y- Achse ist der Gesamtumsatz an Phenol angegeben. Der Verlauf des Umsatzes über die einzelnen Reaktionszonen hinweg ist als dicke gestrichelte Linie dargestellt.The results are shown in FIG. Here, the individual reaction zones are listed on the x-axis, so that a spatial course of developments in the process is visible. The temperature of the process gas is indicated on the left y-axis. The temperature profile across the individual reaction zones is shown as a thick, solid line. On the right y-axis the total conversion of phenol is indicated. Of the The course of the conversion over the individual reaction zones is shown as a thick dashed line.
Man erkennt, dass die Eingangstemperatur des Prozessgases vor der ersten Reaktionszone etwa 190°C beträgt. Durch die exotherme Reaktion zu Cyclohexanon unter adiabaten Bedingungen steigt die Temperatur in der ersten Reaktionszone auf etwa 220°C, bevor das Prozessgas in der nachgeschalteten Wärmeaustauschzone wieder abgekühlt wird. Die Eingangstemperatur vor der nächsten Reaktionszone beträgt wieder etwa 190°C. Durch exotherme adiabate Reaktion steigt sie wieder auf etwa 220°C. Die Abfolge aus Erwärmung und Kühlung setzt sich im Wesentlichen bis zur sechsten Reaktionszone weiter fort. Ab der siebten Reaktionszone sinken die Eingangstemperaturen des Prozessgases vor den einzelnen Reaktionszonen. Dieses ist vorteilhaft, da bei im Reaktionsverlauf späteren Reaktionszonen die Menge der zur Reaktion befähigten Edukte geringer ist und entsprechend eine vorteilhaftere Lage des Reaktionsgleichgewichtes nach erfolgtem Umsatz angestrebt wird. Folglich kann die Temperatur des Prozessgases erniedrigt werden. Weiter können hierdurch Investitionskosten gespart werden, da aufgrund der größeren Temperaturerhöhung pro Reaktionszone ab Katalysatorstufe 7 die erforderliche Anzahl an Wärmetauschern sinkt.It can be seen that the inlet temperature of the process gas before the first reaction zone is about 190 ° C. Due to the exothermic reaction to cyclohexanone under adiabatic conditions, the temperature in the first reaction zone rises to about 220 ° C, before the process gas is cooled in the downstream heat exchange zone again. The inlet temperature before the next reaction zone is again about 190 ° C. By exothermic adiabatic reaction, it rises again to about 220 ° C. The sequence of heating and cooling essentially continues until the sixth reaction zone. From the seventh reaction zone, the inlet temperatures of the process gas sink in front of the individual reaction zones. This is advantageous since, in the course of the reaction later reaction zones, the amount of reactants capable of the reaction is lower and, accordingly, a more advantageous position of the reaction equilibrium is sought after the conversion. Consequently, the temperature of the process gas can be lowered. Furthermore, this investment costs can be saved, since due to the larger temperature increase per reaction zone from catalyst stage 7, the required number of heat exchangers decreases.
Es wird ein Umsatz von 100 % des eingangs der ersten Reaktionszone eingesetzten Phenol, errechnet aus der verbleibenden Masse ausgangs der letzten Reaktionszone, erhalten. Die erzielte Raum-Zeit-Ausbeute bezogen auf die eingesetzte Masse Katalysator beträgtIt is a conversion of 100% of the beginning of the first reaction zone used phenol, calculated from the remaining mass output of the last reaction zone obtained. The achieved space-time yield based on the mass used catalyst
5,37 kgCyclohexanon/kgKath. 5.37 kg cyclohexanone / kg cathath.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Herstellung von Cyclohexanon, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Umsatz von Phenol mit Wasserstoff zu Cyclohexanon gemäß Formel (I)1. Process for the preparation of cyclohexanone, characterized in that it comprises a conversion of phenol with hydrogen to cyclohexanone according to formula (I)
C6H6O (g) + 2 H2 (g) «→ C6H10O (g); ΔH= -57,8 kJ/mol (I)C 6 H 6 O (g) + 2 H 2 (g) →C 6 H 10 O (g); ΔH = -57.8 kJ / mol (I)
in 5 bis 30 hintereinander geschalteten Reaktionszonen unter adiabaten Bedingungen in Gegenwart heterogener Katalysatoren umfasst.in 5 to 30 successive reaction zones under adiabatic conditions in the presence of heterogeneous catalysts.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Umsatz in 6 bis 25, bevorzugt 7 bis 15 hintereinander geschalteten Reaktionszonen geschieht.2. The method according to claim 1, characterized in that the conversion takes place in 6 to 25, preferably 7 to 15 successive reaction zones.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangstemperatur des in die jeweilige Reaktionszone eintretenden Prozessgases von 10 bis 250°C, bevorzugt von 50 bis 220°C, besonders bevorzugt von 140 bis 200°C beträgt.3. The method according to claim 1 or claim 2, characterized in that the inlet temperature of the entering into the respective reaction zone process gas from 10 to 250 ° C, preferably from 50 to 220 ° C, more preferably from 140 to 200 ° C.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der absolute Druck am Eingang der ersten Reaktionszone zwischen 0,8 und 6 bar, bevorzugt zwischen 1 und 4 bar, besonders bevorzugt zwischen 1 und 3 bar beträgt.4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the absolute pressure at the entrance of the first reaction zone between 0.8 and 6 bar, preferably between 1 and 4 bar, more preferably between 1 and 3 bar.
5. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweilzeit des Prozessgases in allen Reaktionszonen zusammen zwischen 0,1 und 15 s, bevorzugt zwischen 0,2 und 5 s, besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 2 s beträgt.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the residence time of the process gas in all reaction zones together between 0.1 and 15 s, preferably between 0.2 and 5 s, more preferably between 0.5 and 2 s.
6. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the
Katalysatoren aus einem Material bestehen, das neben seiner katalytischen Aktivität für die Reaktion gemäß der Formel (I) durch ausreichende thermische Stabilität sowie durch eine hohe spezifische Oberfläche gekennzeichnet ist.Catalysts consist of a material which is characterized in addition to its catalytic activity for the reaction according to formula (I) by sufficient thermal stability and by a high specific surface area.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoren Palladium auf einem Aluminiumoxidträger, der auch Calciumoxid umfasst, umfassen.7. The method according to claim 6, characterized in that the catalysts comprise palladium on an alumina support, which also comprises calcium oxide.
8. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoren in Festbettanordnung vorliegen. 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the catalysts are present in a fixed bed arrangement.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoren als Monolithen vorliegen.9. The method according to claim 8, characterized in that the catalysts are present as monoliths.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoren in Fließbettanordnung vorliegen.10. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the catalysts are in fluidized bed arrangement.
11. Verfahren nach den Ansprüchen 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die11. The method according to claims 8 or 10, characterized in that the
Katalysatoren in Schüttungen von Partikeln mit mittleren Partikelgrößen von 1 bis 10 mm, bevorzugt 1,5 bis 8 mm, besonders bevorzugt von 2 bis 5 mm vorliegen.Catalysts in beds of particles having average particle sizes of 1 to 10 mm, preferably 1.5 to 8 mm, more preferably 2 to 5 mm are present.
12. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich nach mindestens einer Reaktionszone wenigstens eine Wärmeaustauschzone befindet, durch die das Prozessgas geleitet wird.12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that after at least one reaction zone is at least one heat exchange zone through which the process gas is passed.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich nach jeder Reaktionszone wenigstens eine, bevorzugt eine Wärmeaustauschzone befindet, durch die das Prozessgas geleitet wird.13. The method according to claim 12, characterized in that after each reaction zone at least one, preferably a heat exchange zone is located, through which the process gas is passed.
14. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen einer Reaktionszone und einer Wärmeaustauschzone mindestens eine14. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that between a reaction zone and a heat exchange zone at least one
Wärmeisolationszone befindet.Heat insulation zone is located.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich um jede Reaktionszone eine Wärmeisolationszone befindet.15. The method according to claim 14, characterized in that there is a heat insulation zone around each reaction zone.
16. Reaktorsystem zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es Zuleitungen (Z) für ein Prozessgas umfassend Phenol und Wasserstoff oder für mindestens zwei Prozessgase, von denen mindestens eines Phenol und mindestens eines Wasserstoff umfasst und 5 bis 30 hintereinander geschaltete Reaktionszonen (R) in Form von Festbetten eines heterogenen Katalysators umfasst, wobei sich zwischen den Reaktionszonen Wärmeisolationszonen (T) in Form von Isolationsmaterial und zwischen diesen16. Reactor system for carrying out a method according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises feed lines (Z) for a process gas comprising phenol and hydrogen or for at least two process gases, of which at least one phenol and at least one hydrogen and 5 to 30 in a row connected reaction zones (R) in the form of fixed beds of a heterogeneous catalyst, wherein between the reaction zones heat insulation zones (T) in the form of insulating material and between them
Wärmeaustauschzonen (W) in Form von Plattenwärmetauschern befinden, die mit den Reaktionszonen über Zu- und Ableitungen für die Prozessgase verbunden sind und die Zu- und Ableitungen für ein Kühlmedium umfassen. Heat exchange zones (W) are in the form of plate heat exchangers, which are connected to the reaction zones via supply and discharge lines for the process gases and the supply and discharge lines for a cooling medium.
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