WO2009146984A1 - Verfahren zur abtrennung von 1-buten aus c4-haltigen kohlenwasserstoffströmen durch hydroformylierung - Google Patents

Verfahren zur abtrennung von 1-buten aus c4-haltigen kohlenwasserstoffströmen durch hydroformylierung Download PDF

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WO2009146984A1
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butene
hydroformylation
isobutene
unsubstituted
substituted
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PCT/EP2009/055121
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Burkard Kreidler
Klaus-Diether Wiese
Dieter Hess
Detlef Selent
Armin BÖRNER
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Evonik Oxeno Gmbh
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    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C7/00—Purification; Separation; Use of additives
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    • B01J31/00—Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds
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    • C07C45/00—Preparation of compounds having >C = O groups bound only to carbon or hydrogen atoms; Preparation of chelates of such compounds
    • C07C45/49—Preparation of compounds having >C = O groups bound only to carbon or hydrogen atoms; Preparation of chelates of such compounds by reaction with carbon monoxide
    • C07C45/50—Preparation of compounds having >C = O groups bound only to carbon or hydrogen atoms; Preparation of chelates of such compounds by reaction with carbon monoxide by oxo-reactions

Definitions

  • the present invention relates to the selective hydroformylation of 1-butene to valeraldehyde from C 4 -containing hydrocarbon streams containing both 1-butene and isobutene.
  • isobutene In technical streams, isobutene is often present together with saturated and unsaturated C 4 hydrocarbons. From these mixtures isobutene can not be separated economically by distillation because of the low boiling point difference or the very low separation factor between isobutene and 1-butene by distillation. Therefore, isobutene is generally recovered from technical hydrocarbon mixtures by reacting isobutene to give a derivative which is easily separated from the remaining hydrocarbon mixture and to cleave the isolated derivative back to isobutene and dehalating agent.
  • Isobutene is the starting material for the production of a variety of products, eg. B. for the preparation of butyl rubber, polyisobutylene, isobutene oligomers, branched C 5 aldehydes, C 5 carboxylic acids, C 5 alcohols and C 5 olefins. Furthermore, it is used as alkylating agent, in particular for the synthesis of tert-butyl aromatics, and as an intermediate for the production of peroxides. In addition, isobutene can be used as a precursor for the preparation of methacrylic acid and its esters.
  • isobutene is separated from C 4 cuts, for example the C 4 fraction of a steam cracker, as follows:
  • isobutene may be separated from a C 4 hydrocarbon stream, which typically contains less than 1 mass% of butadiene (C 4 stream from fluid catalytic cracking processes, raffinate I or selectively hydrogenated crack C 4 ), in the following manner:
  • the starting mixture is hydrogenated and isomerized, ie, butadiene is (still) present selectively hydrogenated to a residual content of less than 5 ppm by mass, and isomerized 1-butene to form 2-butenes at the same time.
  • the equilibrium position between 1-butene and the isomeric 2-butenes is z. B. at 80 0 C at a ratio of 1: 17.
  • 1-butene with an n / iso selectivity of at least 97% at the terminal carbon atom to n-valeraldehyde hydroformylated is intended to operate with significantly lower ligand excesses than EP 0 016 286.
  • This object has been achieved by a process for the separation of 1-butene from C 4 -containing hydrocarbon mixtures containing isobutene and 1-butene by hydroformylation, where the catalyst system used consists of one of the transition metals of groups 8 to 10, preferably rhodium, and a bisphosphite ligand the following formula I
  • R 1 R 2 , R 3 , R 4 are the same or different, substituted or unsubstituted, linked, unlinked or fused aryl or heteroaryl radicals, and R 9 is hydrogen or substituted or unsubstituted alkyl or aryl radical containing one or more heteroatom (s) , wherein the bisphosphite ligand of the above formula I is used in an excess of a molar ratio of 100: 1 to 1: 1 to the transition metal, and that at a 1-butene conversion of over 95% less than 5% of the present isobutene are reacted ,
  • the hydroformylation mixture is preferably separated into a C 5 aldehyde fraction, pure isobutene, a catalyst fraction and a fraction with the remaining hydrocarbons, the C 5 aldehyde fraction having an n / iso selectivity of more than 97% consisting of valeraldehyde.
  • the inventive method has the following advantages: With only one chemical reaction and a workup by distillation two wished intermediates, namely isobutene and a C 5 aldehyde mixture are obtained with a high proportion of valeraldehyde from a C 4 hydrocarbon mixture with isobutene and 1-butene. In addition, a possibly incurred
  • Hydrocarbon mixture with the isomeric 2-butenes for further reactions for example for the preparation of oligomers or C 5 -aldehydes, are used.
  • Feedstocks for the process according to the invention are, for example, light petroleum fractions from refineries, C 4 fractions from cracking plants (for example steam crackers, hydrocrackers, crackers), mixtures of Fischer-Tropsch syntheses, mixtures obtained by metathesis of olefins, mixtures obtained by dehydrogenation of saturated hydrocarbons and mixtures formed from methanol (or other oxygenates) to olefin (MTO) processes.
  • C 4 fractions from cracking plants for example steam crackers, hydrocrackers, crackers
  • Fischer-Tropsch syntheses mixtures obtained by metathesis of olefins
  • mixtures obtained by dehydrogenation of saturated hydrocarbons mixtures formed from methanol (or other oxygenates) to olefin (MTO) processes.
  • polyunsaturated hydrocarbons such as 1,3-butadiene
  • This can be done by known methods, for example by extraction, extractive distillation or complex formation (see H. J. Arpe, Industrial Organic Chemistry, Wiley-VCH, 6th edition, 2007, pages 118-119).
  • 1,3-butadiene can be selectively hydrogenated to linear butenes, such as e.g. As described in EP 0 523 482.
  • 1, 3-butadiene for example dimerization to cyclooctadiene, trimehyde to cyclododecatriene, polymerization or telomehsation reactions, the 1, 3-butadiene can be at least partially removed.
  • a hydrocarbon mixture (eg raffinate I or hydrogenated crack C 4 (HCC 4 )) remains behind in all cases, which mainly contains the saturated hydrocarbons, n-butane and isobutane, and the olefins, isobutene, 1-butene and 2-butenes.
  • HCC 4 typical of a C 4 mixture obtained from the crack C 4 of a
  • HCC 4 / SHP Composition HCC 4 in which residues of 1, 3-butadiene in one
  • Raff. I / SHP Composition Raff. I, in which residues of 1,3-butadiene in an SHP were further reduced.
  • CC 4 typical composition of a Crack-C 4 obtained from a Katcracker.
  • CC 4 / SHP Composition CC 4 , in which residues of 1, 3-butadiene were further reduced in a SHP.
  • the hydroformylation of the feed hydrocarbon mixture containing isobutene and 1-butene is carried out under conditions in which the 1-butene present in the feed mixture is converted to more than 95% and the isobutene present in the feed mixture to less than 5%.
  • the 1-butene present in the feed mixture is converted to more than 99% and the isobutene present in the feed mixture is converted to less than 5%.
  • 1-butene is hydroformylated with an n / iso selectivity of greater than 97%.
  • X is a divalent substituted or unsubstituted bisalkylene or bisarylene radical which may contain one or more heteroatom (s),
  • Y is a divalent substituted or unsubstituted bisarylene or bisalkylene radical which may contain one or more heteroatom (s),
  • Z oxygen or NR 9 ,
  • R 1 , R 2 , R 3 , R 4 are identical or different, substituted or unsubstituted, linked, unlinked, fused or uncondensed aryl or
  • Heteroaryl radicals, and R 9 hydrogen or substituted or unsubstituted alkyl or aryl radical, which may contain one or more heteroatom (s). Substituted, the radicals R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 9 , X or Y z. B.
  • radicals X and Y are tert-butyl and methoxy groups.
  • the radicals R 1 , R 2 , R 3 , R 4 are preferably unsubstituted phenyl radicals. Such radicals may, for. For example, such as those in the formulas 1-1, I-2 or I-3 are present.
  • Q z. B. may be the same or different CH 2 , CR 9 R 10 , CHR 9 , O, NH or NR 9 , where R 9 and R 10 may be the same or different and may have the meaning given above for R 9 .
  • the radical X can also be a radical Xa,
  • the radicals R 5 to R 8 are preferably hydrogen, alkoxy groups, in particular methoxy groups or tert-butyl groups.
  • the radicals R 5 and R 6 and R 7 and R 8 are each equal in pairs.
  • the radicals R 5 and R 6 are particularly preferably methoxy groups and / or the radicals R 7 and R 8 are tert-butyl groups.
  • the X is preferably an ethylene radical substituted by radicals R 1 , R 2 , R 3 and R 4 , where the radicals R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are identical or different, substituted or unsubstituted, linked, unlinked or fused Aryl or heteroaryl may be.
  • Possible substituents for the radicals R 1 to R 4 are the substituents mentioned for the radicals R 1 to R 4.
  • Especially preferred Bisphosphites are those which are symmetrical, ie those in which X is an ethylene radical substituted by the radicals R 1 , R 2 , R 3 and R 4 , where the radicals R 1 and R 1 , R 2 and R 2 ' , R 3 and R 3 ' and R 4 and R 4' are the same.
  • the divalent radical Y in the bisphosphite according to the invention may preferably be a substituted or unsubstituted bisphenyl radical or bisnaphthyl radical. Possible substituents may be the abovementioned substituents.
  • the radical Y is selected from the bisphenoxy radicals of the formulas IIa to Md
  • Particularly preferred bisphosphites according to the invention are the bisphosphites of the following formulas Ia to Ic, where Ic can be prepared and used as racemate or in atropisomerically enriched or atropisomerically pure form.
  • the bisphosphite to rhodium molar ratio ranges from less than 100: 1 to 1: 1, more preferably from 90: 1 to 2: 1, most preferably from 10: 1 to 2: 1.
  • the rhodium can be used in the form of salts or complexes, for.
  • the active catalyst species for homogeneous catalysis.
  • a carbonyl hydride phosphite complex is believed to be formed as an active catalyst species.
  • the bisphosphites and optionally other ligands may be added to the reaction mixture in free form together with the catalyst metal (as a salt or complex) to generate the active catalyst species in situ.
  • phosphite metal complex which contains the abovementioned bisphosphite ligands and the rhodium metal as precursor for the actual catalytically active complex.
  • phosphite metal complexes are prepared by reacting the rhodium in the form of a chemical compound or in the oxidation state 0 with the bisphosphite ligand according to the invention. Fresh bisphosphite can be added to the reaction at any time, e.g. B. to keep the concentration of free ligand constant.
  • the concentration of rhodium in the hydroformylation mixture is preferably from 1 ppm by mass to 1000 ppm by mass, and preferably from 5 ppm by mass to 300 ppm by mass, based on the total weight of the reaction mixture.
  • the C 5 aldehyde fraction contains a proportion of greater than 90% by mass, in particular greater than 93% by mass of n-valeraldehyde, particularly preferably greater than 95% by mass and very particularly preferably greater than 98% by mass of n-valeraldehyde. valeraldehyde.
  • the hydroformylation is carried out at temperatures of 40 to 120 ° C., preferably at 40 to 110 ° C., more preferably at 60 to 95 ° C., very particularly preferably at 70 to 95 ° C.
  • the pressure is 0.1 to 30 MPa, in particular 1 MPa to 6.4 MPa.
  • the molar ratio between hydrogen and carbon monoxide (H 2 / CO) in the synthesis gas is preferably 10/1 to 1/10, and more preferably 1/1 to 2/1.
  • the catalyst system is preferably dissolved homogeneously in the liquid hydroformylation mixture consisting of educts (olefins and dissolved synthesis gas) and products (aldehydes, alcohols, by-products formed in the process, in particular high boilers).
  • educts olefins and dissolved synthesis gas
  • products aldehydes, alcohols, by-products formed in the process, in particular high boilers.
  • Solvents and / or stabilizer compounds such as hindered secondary amines or promoters can be used.
  • the process can be carried out batchwise or, preferably, continuously.
  • a continuous process to achieve nearly complete 1-butene conversion, it is convenient to carry out the reaction in several reactors.
  • a plurality of stirred reactors and / or bubble column reactors can be connected in series.
  • the liquid and / or gaseous discharge of a reactor can be conducted in the next.
  • the reaction can also be carried out in a tube coil with gas intermediate feed.
  • the reaction can be carried out in a combination of the mentioned reactor types.
  • the hydroformylation can be operated at least partially at temperatures above 100 0 C. At these temperatures, partial isomerization of 1-butene to the 2-butenes occurs during hydroformylation.
  • the first reactor or reactors could be operated at temperatures above 100 ° C. and the subsequent reactor (s) at temperatures below 100 ° C., for example 90 ° C.
  • the hydroformylation product can be separated by distillation into at least three fractions, namely the isobutene fraction, product fraction (mainly C 5 aldehydes) and a high boiler fraction with the dissolved catalyst system and one or two further fraction (s) containing other unreacted materials from the reactant /contain.
  • the reaction mixture of the last reactor after separation of the excess synthesis gas which can be returned to the reactor or after removal of substances present therein completely or partially discharged, by a first distillation in a C 4 hydrocarbon mixture and a mixture of C 5 products, High boilers and catalyst system is separated.
  • the two mixtures are separated in further distillation steps.
  • Another possibility is to separate one fraction after the other from the reaction mixture, starting with the lowest boiling substance or mixture of substances, until only the high boilers with the dissolved catalyst system remain.
  • part of the catalyst can be separated by nanofiltration before the workup by distillation, as described, for example, in DE 10 2005 046250.
  • the isobutene separated by the process according to the invention has a purity of more than 99%. Its content of linear butenes is accordingly less than 1%. It can be used for the purposes mentioned in the introduction.
  • the C 5 aldehyde fraction contains small amounts of alcohols which are formed by hydrogenation of the aldehydes. The content of valeraldehyde in this fraction is more than 95% by mass. Pure valeraldehyde can be separated from this mixture.
  • Valeraldehyde is inter alia an intermediate for n-pentanol. N-pentanoic acid, n-pentylamine or n-pentyl chloride.
  • a decanol mixture with more than 90% by mass of 2-propylheptanol is obtained, which is a sought-after intermediate for the preparation of plasticizers, detergents and lubricants.
  • aldol condensation of the C 5 aldehyde fraction hydrogenation of the olefinic double bond of the aldol condensate and subsequent oxidation of the aldehyde group a Decanklagemisch can be obtained with a high proportion of 2-propylheptanoic, which can be used for example for the preparation of lubricants or detergents.
  • the fraction with the 2-butenes can be utilized differently.
  • One possibility is the preparation of oligomers, of which in particular the dimers and trimers are valuable intermediates for the preparation of plasticizers and alcohols.
  • the oligomerization can be carried out using acidic or nickel-containing catalysts. When low branched products are desired, oligomerization with a nickel containing heterogeneous catalyst system is advantageous.
  • a process of this kind is, for example, the OCTOL process of Evonik Oxeno GmbH.
  • Another use of the 2-butenes is to hydroformylate them to C 5 -aldehydes.
  • the hydroformylation can be carried out with different catalysts, wherein usually a mixture of 2-methylbutanal and n-valeraldehyde is formed. If a high proportion of valeraldehyde in the C 5 aldehyde mixture is desired, the use of other catalysts is appropriate.
  • a catalyst consisting of rhodium and a diphosphine ligand having a xanthene scaffold used.
  • the ratio of valeraldehyde to 2-methylbutanal is greater than 85:15.
  • High selectivities of valeraldehyde (greater than 95%) can be obtained using a catalyst consisting of rhodium and sterically demanding aromatic bisphosphites, as described for example in EP 0 213 639.
  • the C 5 aldehyde mixture thus obtained can be converted into a decanol mixture, for example, by aldol condensation and subsequent hydrogenation of the aldol condensate.
  • a decanol mixture for example, by aldol condensation and subsequent hydrogenation of the aldol condensate.
  • the proportion of n-valeraldehyde is below 95%, it is advisable to separate off part of the 2-methylbutanal by distillation in order to obtain a high-quality decanol mixture having a content of 2-propylheptanol of more than 90%.
  • the separated 2-methylbutanal can be used for various purposes, for example for the preparation of isoprene.
  • the hydroformylation test was carried out in a Parr 100 ml autoclave with pressure maintenance, gas flow measurement and paddle stirrer.
  • the autoclave was filled under argon atmosphere with all the compounds mentioned below, but not yet with the olefin mixture to be hydroformylated.
  • synthesis gas CO / H 2 1: 1
  • the reaction mixture was stirred (1000 U / min) and under synthesis gas pressure the respective temperature is heated and then set the exact target pressure of 2 MPa.
  • the olefin mixture to be hydroformylated was added.
  • the synthesis gas pressure was kept constant over the entire reaction time via a pressure regulator.
  • the reaction time of the Hydroformyltechniks was 720 min, with meanwhile samples were taken from the autoclave for GC analysis.
  • the reaction mixture was then cooled to room temperature, the autoclave was decompressed and purged with argon.
  • Tests were carried out at 90 ° C., 100 ° C., 110 ° C. and 120 ° C.
  • the ratio of ligand la to rhodium was in all cases 5: 1, the rhodium concentration 40 ppm and the synthesis gas pressure 2 MPa.
  • the analysis was carried out by gas chromatography.
  • the raffinate I had in each case the starting composition given in Table 1 (all values in% by mass):
  • the hydrogenation to saturated species also played only a minor role and was less than one percentage point or at temperatures from 110 0 C at less than one and a half percentage points.

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Abtrennung von 1-Buten aus C4-haltigen Kohlenwasserstoffgemischen, enthaltend Isobuten und 1-Buten, durch Hydroformylierung, wobei das verwendete Katalysatorsystem aus einem der Übergangsmetalle der Gruppen 8 bis 10, bevorzugt Rhodium, und einem Bisphosphitliganden der Formel (I) mit X= zweiwertiger substituierter oder unsubstituierter Bisalkylen- oder Bisarylenrest, der ein oder mehrere Heteroatom(e) enthält, Y = zweiwertiger substituierter oder unsubstituierter Bisarylen- oder Bisalkylenrest, der ein oder mehrere Heteroatom(e) enthält, Z = Sauerstoff oder NR9, und R1, R2, R3, R4 gleiche oder verschiedene, substituierte oder unsubstituierte, verknüpfte, unverknüpfte oder kondensierte Aryl- oder Heteroarylreste, und R9 = Wasserstoff oder substituierter oder unsubstituierter Alkyl- oder Arylrest, der ein oder mehrere Heteroatom(e) enthält, besteht, wobei der Bisphosphitligand der Formel (I) in einem Überschuss eines molaren Verhältnis von 100 : 1 bis 1 : 1 zum Übergangsmetall eingesetzt wird, und dass bei einem 1-Butenumsatz von über 95% weniger als 5% des vorliegenden Isobutens umgesetzt werden.

Description

Verfahren zur Abtrennung von 1 -Buten aus C4-haltigen Kohlenwasserstoffströmen durch Hydroformylierung
Die vorliegende Erfindung betrifft die selektive Hydroformylierung von 1 -Buten zu Valeraldehyd aus C4-haltigen Kohlenwasserstoffströmen, die sowohl 1 -Buten und Isobuten enthalten.
In technischen Strömen liegt Isobuten häufig zusammen mit gesättigten und ungesättigten C4-Kohlenwasserstoffen vor. Aus diesen Gemischen kann Isobuten wegen der geringen Siedepunktsdifferenz bzw. des sehr geringen Trennfaktors zwischen Isobuten und 1 -Buten durch Destillation nicht wirtschaftlich abgetrennt werden. Daher wird Isobuten aus technischen Kohlenwasserstoffgemischen üblicherweise dadurch gewonnen, dass Isobuten zu einem Derivat umgesetzt wird, das sich leicht vom übrig gebliebenen Kohlenwasserstoffgemisch abtrennen lässt, und dass das isolierte Derivat zu Isobuten und Dehvatisierungsmittel zurückgespalten wird.
Isobuten ist Ausgangsstoff für die Herstellung einer Vielzahl von Produkten, z. B. für die Herstellung von Butylkautschuk, Polyisobutylen, Isobuten-Oligomeren, verzweigten C5-Aldehyden, C5-Carbonsäuren, C5-Alkoholen und C5-Olefinen. Weiterhin wird es als Alkylierungsmittel, insbesondere zur Synthese von tert- Butylaromaten, und als Zwischenprodukt für die Erzeugung von Peroxiden eingesetzt. Darüber hinaus kann Isobuten als Vorstufe für die Herstellung von Meth- acrylsäure und deren Estern verwendet werden.
Üblicherweise wird Isobuten aus C4-Schnitten, beispielsweise der C4-Fraktion eines Steamcrackers, wie folgt abgetrennt:
Nach Entfernung des größten Teils der mehrfach ungesättigten Kohlenwasserstoffe, hauptsächlich Butadien, durch Extraktion(-sdestillation) oder Selektivhydrierung (SHP) zu linearen Butenen, wird das verbleibende Gemisch (Raffinat I oder selektiv hydriertes Crack-C4) mit Alkohol oder Wasser umgesetzt. Bei der Verwendung von Methanol entsteht aus Isobuten Methyl-tert.-butylether (MTBE), bei Ethanol Ethyl- tert.-butylether (ETBE) und bei Einsatz von Wasser tert.-Butanol (TBA). Nach erfolgter Derivatisierung und Abtrennung können alle drei Produkte in Umkehrung ihrer Bildung zu Isobuten gespalten werden. Für die Isolierung von Isobuten sind neben verschiedenen Trennoperationen demnach mindestens zwei Reaktionsstufen erforderlich.
Alternativ dazu kann Isobuten aus einem C4-Kohlenwasserstoffstrom, der typischerweise weniger als 1 Massen-% Butadien enthält (C4-Strom aus Fluid Catalytic Cracking Prozessen, Raffinat I oder selektiv hydriertes Crack-C4), auf folgende Weise abgetrennt werden:
Das Ausgangsgemisch wird hydriert und isomerisiert, d. h., es wird (noch) vorhandenes Butadien bis zu einem Restgehalt von unter 5 Massen-ppm selektiv hydriert und gleichzeitig 1 -Buten zu 2-Butenen isomerisiert. Die Gleichgewichtslage zwischen 1 -Buten und den isomeren 2-Butenen liegt z. B. bei 80 0C bei einem Verhältnis von 1 : 17.
Wird die Isomerisierung in einer Reaktivdestillation durchgeführt, kann ein praktisch an 1 -Buten freies Kopfprodukt abgetrennt werden, aus dem reines Isobuten weiter aufgearbeitet werden kann. Als Sumpfprodukt wird ein Isobuten-freies Gemisch an 2-Butenen erhalten. Nachteilig ist jedoch, dass das Isobuten eine geringere Reinheit aufweist als das auf dem Weg der Derivatisierung hergestellte Produkt. Weiterhin wird 1 -Buten in die reaktionsträgeren wie auch wirtschaftlich unattraktiveren 2-Butene umgewandelt.
Eine weitere Alternative besteht darin, die höhere Reaktivität von 1 -Buten gegenüber Isobuten in der Hydroformylierung auszunutzen, um selektiv 1 -Buten durch Hydroformylierung aus dem Gemisch zu entfernen. Allerdings sind die
Reaktivitätsunterschiede von 1 -Buten und Isobuten im Regelfall zu gering, um kommerziell interessante Selektivitäten zu erzielen. In EP 0 016 286 wird ein Verfahren vorgestellt, mit welchem 1 -Buten in Gegenwart von Isobuten selektiv zu Valeraldehyd umgesetzt werden kann. Im dort beschriebenen Verfahren wird jedoch ein mindestens 100facher Überschuss an Phosphinligand benötigt, um die gewünschten Selektivitäten zu erzielen, was den Prozess wiederum unattraktiv macht.
Auf dasselbe Verfahren greift die internationale Anmeldung WO 2005/028404 in ihren Beispielen zurück. Dort wird auch, ohne experimentelle Details zu nennen, behauptet, mit dem dort beschriebenen Liganden A bei 65 % 1 -Butenumsatz maximal 5 % Isobutenumsatz zu erzielen.
Ein 65%iger 1 -Butenumsatz kann jedoch bei weitem nicht als ausreichend erachtet werden, um das technische Problem der Trennung von 1 -Buten und Isobuten zufrieden stellend lösen zu können. Eine technische Lösung sollte den 1 -Butengehalt weit unterhalb des thermodynamischen Gleichgewichtes zwischen 1 -Buten und den isomeren 2-Buten erniedrigen, um anschließend von 1 -Buten befreites Isobuten abdestillieren zu können. Als Minimalanforderung kann ein 1 -Butenumsatz von 95 % bei maximal 5 % Isobutenumsatz angesehen werden. Bevorzugt ist ein 1 - Butenumsatz von mindestens 99 % bei einem Isobutenumsatz von maximal 5 %.
Es bestand daher die technische Aufgabe, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem aus einem C4-haltigen Kohlenwasserstoffgemisch, das Isobuten und 1 -Buten enthält sowie 2-Butene enthalten kann, selektiv 1 -Buten hydroformyliert, ohne dass Isobuten in gleicher Weise mitreagiert. Idealerweise werden optional enthaltene 2-Butene in möglichst geringem Ausmaße hydroformyliert oder isomerisiert, so dass die Endkonzentration an 1 -Buten erheblich unterhalb der Konzentration an 1 -Buten im thermodynamischen Gleichgewicht zwischen 1 -Buten und 2-Butenen ist. Als Minimalanforderung kann ein 1 -Butenumsatz von 95 % bei maximal 5 % Isobutenumsatz angesehen werden. Dabei soll 1 -Buten mit einer n/iso - Selektivität von mindestens 97 % am terminalen Kohlenstoffatom zu n-Valeraldehyd hydroformyliert werden. Das Verfahren soll mit erheblich geringeren Ligandenüberschüssen auskommen als EP 0 016 286.
Diese Aufgabe wurde gelöst durch ein Verfahren zur Abtrennung von 1 -Buten aus C4-haltigen Kohlenwasserstoffgemischen, enthaltend Isobuten und 1 -Buten, durch Hydroformylierung, wobei das verwendete Katalysatorsystem aus einem der Übergangsmetalle der Gruppen 8 bis 10, bevorzugt Rhodium, und einem Bisphosphitliganden der folgenden Formel I
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zweiwertiger substituierter oder unsubstituierter Bisalkylen- oder Bisarylenrest, der ein oder mehrere Heteroatom(e) enthält, Y = zweiwertiger substituierter oder unsubstituierter Bisarylen- oder Bisalkylenrest, der ein oder mehrere Heteroatom(e) enthält, Z = Sauerstoff oder NR9, und R1, R2, R3, R4 gleiche oder verschiedene, substituierte oder unsubstituierte, verknüpfte, unverknüpfte oder kondensierte Aryl- oder Heteroarylreste, und R9 = Wasserstoff oder substituierter oder unsubstituierter Alkyl- oder Arylrest, der ein oder mehrere Heteroatom(e) enthält, besteht, wobei der Bisphosphitligand der oben angegebenen Formel I in einem Überschuss eines molaren Verhältnis von 100 : 1 bis 1 : 1 zum Übergangsmetall eingesetzt wird, und dass bei einem 1 -Butenumsatz von über 95 % weniger als 5 % des vorliegenden Isobutens umgesetzt werden.
Es wurde nun gefunden, dass aus einem C4-haltigen Kohlenwasserstoffgemisch, enthaltend Isobuten und 1 -Buten, das 1 -Buten durch Hydroformylierung bei Temperaturen unter 120 0C, vorzugsweise unter 100 0C zu C5-Aldehyden aus dem Kohlenwasserstoffgemisch zu über 99 % umgesetzt werden kann, wobei der Umsatz des vorliegenden Isobuten weniger als 5 % beträgt, wenn ein Katalysatorsystem, bestehend aus Rhodium und einem Bisphosphit, beschrieben in DE 10 2006 058682, eingesetzt wird und die Reaktionstemperatur unter 100 0C liegt. Anschließend wird das Hydroformylierungsgennisch bevorzugt in eine C5-Aldehydfraktion, reines Isobuten, in eine Katalysatorfraktion und in eine Fraktion mit den übrigen Kohlenwasserstoffen aufgetrennt, wobei die C5-Aldehydfraktion mit einer n/iso- Selektivität von mehr als 97 % aus Valeraldehyd besteht.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Vorteile auf: Mit nur einer chemischen Umsetzung und einer destillativen Aufarbeitung werden aus einem C4-Kohlenwasserstoffgemisch mit Isobuten und 1 -Buten zwei begehrte Zwischenprodukte, nämlich Isobuten und ein C5-Aldehydgemisch mit hohem Anteil an Valeraldehyd gewonnen. Darüber hinaus kann ein eventuell anfallendes
Kohlenwasserstoffgemisch mit den isomeren 2-Butenen für weitere Umsetzungen, beispielsweise für die Herstellung von Oligomeren oder C5-Aldehyden, genutzt werden.
Einsatzstoffe für das erfindungsgemäße Verfahren sind beispielsweise Leichtbenzinfraktionen aus Raffinerien, C4-Fraktionen aus Spaltanlagen (beispielsweise Steamcrackern, Hydrocrackern, Katcrackern), Gemische aus Fischer-Tropsch-Synthesen, Gemische, entstanden durch Metathese von Olefinen, Gemische, die durch Dehydrierung gesättigter Kohlenwasserstoffe gewonnen werden sowie Gemische, die aus Methanol (oder andere Oxygenate) to Olefin (MTO) - Prozessen entstehen. Diese Techniken sind in der Fachliteratur beschrieben. (H. J. Arpe, Industrielle Organische Chemie, Wiley-VCH, 6. Auflage, 2007, Seiten 9 - 12, 23, 36, 93 - 97, 120).
Bevorzugte Einsatzstoffe von den oben genannten sind C4-Fraktionen aus
Steamcrackern, die primär zur Produktion von Ethen und Propen betrieben werden und in denen als Rohstoffe beispielsweise Raffineriegase, Naphtha, Gasöl, LPG (liquified petroleum gas) und NGL (natural gas liquid) eingesetzt werden, C4- Fraktionen aus Katcrackern oder Produkte aus Butandehydheranlagen. Die als Nebenprodukte anfallenden C4-Schnitte enthalten je nach Verfahren unterschiedliche Mengenanteile an 1 ,3-Butadien, 1 -Buten, Z-2-Buten, E-2-Buten, Isobuten, n-Butan und Isobutan.
Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es vorteilhaft, mehrfach ungesättigte Kohlenwasserstoffe, wie 1 ,3-Butadien, aus dem Einsatzgemisch zu entfernen. Dies kann nach bekannten Verfahren, beispielsweise durch Extraktion, Extraktivdestillation oder Komplexbildung erfolgen (vgl. H. J. Arpe, Industrielle Organische Chemie, Wiley-VCH, 6. Auflage, 2007, Seiten 118 - 119).
Eine Alternative zur Abtrennung der mehrfach ungesättigten Kohlenwasserstoffe ist eine selektive chemische Umsetzung. So kann beispielsweise 1 ,3-Butadien selektiv zu linearen Butenen hydriert werden, wie z. B. beschrieben in EP 0 523 482. Auch durch selektive Umsetzungen des 1 ,3-Butadiens, zum Beispiel Dimerisierung zum Cyclooctadien, Trimehsierung zum Cyclododecatrien, Polymerisations- oder Telomehsationsreaktionen, kann das 1 ,3-Butadien zumindest teilweise entfernt werden. Wurde ein Crack-C4-Schnitt als Rohstoff eingesetzt, bleibt in allen Fällen ein Kohlenwasserstoffgemisch (z. B. Raffinat I oder hydriertes Crack-C4 (HCC4)) zurück, das hauptsächlich die gesättigten Kohlenwasserstoffe, n-Butan und Isobutan, und die Olefine, Isobuten, 1 -Buten und 2-Butene, enthält.
Typische Zusammensetzungen von C4-Schnitten, aus denen der größte Teil der mehrfach ungesättigten Kohlenwasserstoffe entfernt worden sind und die im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden können, sind in der folgenden Tabelle 1 aufgelistet.
Tabelle 1
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Erläuterung
HCC4: typisch für eine C4 Mischung, die aus dem Crack-C4 eines
Steamcrackers (High Severity) nach der Hydrierung des 1 ,3-Butadiens ohne zusätzliche Moderation des Katalysators erhalten wird.
HCC4 / SHP: Zusammensetzung HCC4, bei dem Reste an 1 ,3-Butadien in einer
SHP weiter reduziert wurden.
Raff. I (Raffinat I): typisch für eine C4 Mischung, die aus dem Crack-C4 eines
Steamcrackers (High Severity) nach der Abtrennung des 1 ,3-Butadiens, beispielsweise durch eine NMP-Extraktivrektifikation, erhalten wird.
Raff. I / SHP: Zusammensetzung Raff. I, bei dem Reste an 1 ,3-Butadien in einer SHP weiter reduziert wurden. CC4: typische Zusammensetzung eines Crack-C4, das aus einem Katcracker erhalten wird.
CC4 / SHP: Zusammensetzung CC4, bei dem Reste an 1 ,3-Butadien in einer SHP weiter reduziert wurden.
Die Hydroformylierung des Einsatz-Kohlenwasserstoffgemisches, enthaltend Isobuten und 1 -Buten, erfolgt unter Bedingungen, bei denen das im Einsatzgemisch vorliegende 1 -Buten zu über 95 % und das im Einsatzgemisch vorhandene Isobuten zu weniger als 5 % umgesetzt werden. Bevorzugt wird das im Einsatzgemisch vorliegende 1 -Buten zu über 99 % und das im Einsatzgemisch vorhandene Isobuten zu weniger als 5 % umgesetzt. Besonders bevorzugt wird das 1 -Buten mit einer n/iso - Selektivität von mehr als 97 % hydroformyliert.
Für die Selektivhydroformylierung werden bevorzugt Katalysatorsysteme, bestehend aus Rhodium und Bisphosphiten der allgemeinen Formel I eingesetzt:
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mit
X = zweiwertiger substituierter oder unsubstituierter Bisalkylen- oder Bisarylenrest, der ein oder mehrere Heteroatom(e) enthalten kann,
Y = zweiwertiger substituierter oder unsubstituierter Bisarylen- oder Bisalkylenrest, der ein oder mehrere Heteroatom(e) enthalten kann,
Z = Sauerstoff oder NR9,
R1, R2, R3, R4 gleiche oder verschiedene, substituierte oder unsubstituierte, verknüpfte, unverknüpfte, kondensierte oder unkondensierte Aryl- oder
Heteroarylreste, und R9 = Wasserstoff oder substituierter oder unsubstituierter Alkyl- oder Arylrest, der ein oder mehrere Heteroatom(e) enthalten kann. Substituiert können die Reste R1, R2, R3, R4, R9, X oder Y z. B. sein mit mindestens einem Rest, ausgewählt aus aliphatischen, alicyclischen, aromatischen, heteroaromatischen, gemischt aliphatisch-alicyclischen, gemischt aliphatisch-aromatischen, heterocyclischen, gemischt aliphatisch-heterocyclischen Kohlenwasserstoffresten mit 1 bis 50 Kohlenstoffatomen, F, Cl, Br, I, -CF3, -(CH2MCF2)JCF3 mit i = 0 - 9 und j = 0 - 9, - SiR21 3, -Si(OR21)3, -SiR21(OR21)2, -SiR21 2OR21, -OSiR21 3, -OSi(OR21)3, - OSiR21(OR21)2, -OSiR21 2OR21, -OR19, -COR19, -CO2R19, -CO2M, -SO2R19, -SOR19, -SO3R19, -SO3M, -SO2NR19R20, -NR19R20, oder -N=CR19R20, wobei R19, R20 und R21 unabhängig voneinander aus H, einwertigen substituierten oder unsubstituierten aliphatischen und aromatischen Kohlenwasserstoffresten mit 1 bis 25 Kohlenstoffatomen ausgewählt sind, wobei jedoch R21 = H ausgeschlossen ist und M ein Alkalimetall-, Erdalkalimetall-, Ammonium- oder Phosphoniumion ist. Bevorzugte Substituenten, insbesondere für die Reste X und Y sind tert.-Butyl- und Methoxy- Gruppen. Die Reste R1, R2, R3, R4 sind vorzugsweise unsubstituierte Phenylreste. Solche Reste können z. B. solche sein, wie sie in den Formeln 1-1 , I-2 oder I-3 vorhanden sind.
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1-1
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wobei Q z. B. gleich oder verschieden CH2, CR9R10, CHR9, O, NH oder NR9 sein kann, wobei R9 und R 10 gleich oder unterschiedlich sein können und die oben für R9 angegebene Bedeutung haben kann.
Im Bisphosphit kann der Rest X auch ein Rest Xa sein,
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Die Reste R5, R6, R7, R8 können unabhängig voneinander substituierte oder unsubstituierte aliphatische, alicyclische, aromatische, heteroaromatische, gemischt aliphatisch-alicyclische, gemischt aliphatisch-aromatische, heterocyclische, gemischt aliphatisch-heterocyclische Kohlenwasserstoffreste mit 1 bis 50 Kohlenstoffatomen oder H, F, Cl, Br, I, -CF3, -(CH2MCF2)JCF3 mit i = 0 - 9 und j = 0 - 9, -SiR21 3, - Si(OR21)3, -SiR21(OR21)2, -SiR21 2OR21, -OSiR21 3, -OSi(OR21)3, -OSiR21(OR21)2, - OSiR21 2OR21, -OR19, -COR19, -CO2R19, -CO2M, -SO2R19, -SOR19, -SO3R19, -SO3M, -SO2NR19R20, -NR19R20, oder -N=CR19R20, sein, wobei R19, R20 und R21 unabhängig voneinander aus H, einwertigen substituierten oder unsubstituierten aliphatischen und aromatischen Kohlenwasserstoffresten mit 1 bis 25 Kohlenstoffatomen ausgewählt sind, wobei jedoch R21 = H ausgeschlossen ist und M ein Alkalimetall-, Erdalkalimetall-, Ammonium- oder Phosphoniumion ist.
Substituiert können die Reste R5, R6, R7, R8 z. B. sein mit einem oder mehreren Resten, ausgewählt aus aliphatischen, alicyclischen, aromatischen, heteroaromatischen, gemischt aliphatisch-alicyclischen, gemischt aliphatisch- aromatischen, heterocyclischen, gemischt aliphatisch-heterocyclischen Kohlenwasserstoffresten mit 1 bis 50 Kohlenstoffatomen, F, Cl, Br, I, -CF3, -(CH2MCF2)JCF3 mit i = O - 9 und j = O - 9, -SiR21 3, -Si(OR21)3, -SiR21(OR21)2, - SiR21 2OR21, -OSiR21 3, -OSi(OR21)3, -OSiR21(OR21)2, -OSiR21 2OR21, -OR19, -COR19, -CO2R19, -CO2M, -SO2R19, -SOR19, -SO3R19, -SO3M, -SO2NR19R20, -NR19R20, oder -N=CR19R20, wobei R19, R20, R21 und M die oben genannte Bedeutung aufweisen können. Beim Rest Xa stehen die Reste R5 bis R8 bevorzugt für Wasserstoff, Alkoxygruppen, insbesondere Methoxygruppen oder tert.-Butyl-Gruppen. Bevorzugt sind die Reste R5 und R6 und die Reste R7 und R8 jeweils paarweise gleich. Besonders bevorzugt sind die Reste R5 und R6 Methoxygruppen und/oder die Reste R7 und R8 tert.-Butyl-Gruppen.
Im Bisphosphit ist das X bevorzugt ein mit Resten R1 , R2 , R3 und R4 substituierter Ethylenrest, wobei die Reste R1 , R2 , R3 und R4 gleiche oder verschiedene, substituierte oder unsubstituierte, verknüpfte, unverknüpfte oder kondensierte Aryl- oder Heteroarylreste sein können. Mögliche Substituenten für die Reste R1 bis R4 sind die für die Reste R1 bis R4 genannten Substituenten. Besonders bevorzugte Bisphosphite sind solche, die symmetrisch sind, d. h. solche, bei denen X ein mit den Resten R1 , R2 , R3 und R4 substituierter Ethylenrest ist, wobei die Reste R1 und R1 , R2 und R2', R3 und R3' und R4 und R4' jeweils gleich sind.
Der zweiwertige Rest Y im erfindungsgemäßen Bisphosphit kann vorzugsweise ein substituierter oder unsubstituierter Bisphenylrest oder Bisnaphthylrest sein. Mögliche Substituenten können die oben genannten Substituenten sein. Bevorzugt ist der Rest Y ausgewählt aus den Bisphenoxyresten der Formeln IIa bis Md
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oder Bisnaphthoxyresten der Formel
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die in racemischer, atropisomerenangereicherter oder atropisomerenreiner Form vorliegen können.
Besonders bevorzugte erfindungsgemäße Bisphosphite sind die Bisphosphite der nachfolgenden Formeln Ia bis Ic, wobei Ic als Racemat oder in atropisomerenangereicherter oder atropisomerenreiner Form dargestellt und eingesetzt werden kann.
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Ganz besonders bevorzugt wird ein Katalysatorsystem, bestehend aus Rhodium und dem Bisphosphit mit folgender Strukturformel Ia, verwendet.
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Im Katalysatorsystem liegt das molare Verhältnis von Bisphosphit zum Rhodium im Bereich von weniger als 100 : 1 bis 1 : 1 , insbesondere im Bereich von 90 : 1 bis 2 : 1 , ganz besonders im Bereich von 10 : 1 bis 2 : 1.
Das Rhodium kann in Form von Salzen oder Komplexen zum Einsatz kommen, z. B. als Rhodiumcarbonyle, Rhodiumnitrat, Rhodiumchlorid, Rh(CO)2(acac) (acac = Acetylacetonat), Rhodiumacetat oder Rhodiumcarboxylate oder Rhodiumoctanoat.
Aus den Bisphosphitliganden und der Rhodiumverbindung bildet sich unter Reaktionsbedingungen die aktive Katalysatorspezies für die homogene Katalyse. Bei der Hydroformylierung bildet sich bei Kontakt des erfindungsgemäßen Bisphosphitliganden und des Katalysatormetalls mit Synthesegas vermutlich ein Carbonylhydridphosphit-Komplex als aktive Katalysatorspezies. Die Bisphosphite und gegebenenfalls weitere Liganden können in freier Form zusammen mit dem Katalysatormetall (als Salz oder Komplex) in die Reaktionsmischung gegeben werden, um die aktive Katalysatorspezies in situ zu erzeugen. Es ist weiterhin auch möglich, einen erfindungsgemäßen Phosphitmetallkomplex, der die o. g. Bisphosphitliganden und das Rhodiummetall enthält, als Vorstufe für den eigentlichen katalytisch aktiven Komplex einzusetzen. Diese Phosphitmetallkomplexe werden hergestellt, indem das Rhodium in Form einer chemischen Verbindung oder in der Oxidationsstufe 0 mit dem erfindungsgemäßen Bisphosphitliganden umgesetzt wird. Frisches Bisphosphit kann zu jedem Zeitpunkt der Reaktion zugesetzt werden, um z. B. die Konzentration an freiem Liganden konstant zu halten.
Die Konzentration des Rhodiums im Hydroformylierungsgemisch beträgt vorzugsweise von 1 Massen-ppm bis 1000 Massen-ppm und bevorzugt 5 Massen-ppm bis 300 Massen-ppm, bezogen auf das Gesamtgewicht der Reaktionsmischung.
Die mit den entsprechenden Rhodiumkomplexen durchgeführten Hydroformylierungsreaktionen können nach bekannten Vorschriften, wie z. B. in J. FALBE, "New Syntheses with Carbon Monoxide", Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, Seite 95 ff., (1980) beschrieben, durchgeführt werden. 1 -Buten wird dabei in Gegenwart des Katalysators mit einem Gemisch aus CO und H2 (Synthesegas) zu C5-Aldehyden umgesetzt.
Dabei enthält die C5-Aldehydfraktion einen Anteil von größer als 90 Massen-%, insbesondere einen von größer 93 Massen-% an n-Valeraldehyd, besonders bevorzugt von größer 95 Massen-% und ganz besonders bevorzugt von größer 98 Massen-% n-Valeraldehyd.
Die Hydroformylierung wird bei Temperaturen von 40 bis 120 0C, bevorzugt bei 40 bis 110 0C, besonders bevorzugt bei 60 bis 95 0C, ganz besonders bevorzugt bei 70 bis 95 0C durchgeführt. Der Druck beträgt dabei 0,1 bis 30 MPa, insbesondere 1 MPa bis 6,4 MPa. Das Molverhältnis zwischen Wasserstoff und Kohlenmonoxid (H2/CO) im Synthesegas beträgt vorzugsweise 10/1 bis 1/10 und besonders bevorzugt 1/1 bis 2/1.
Das Katalysatorsystem ist vorzugsweise homogen im flüssigen Hydroformylierungsgemisch, bestehend aus Edukten (Olefinen und gelöstes Synthesegas) und Produkten (Aldehyden, Alkoholen, im Prozess gebildete Nebenprodukte, insbesondere Hochsieder), gelöst. Optional können zusätzlich Lösungsmittel und/oder Stabilisatorverbindungen, wie beispielsweise stehsch gehinderte sekundäre Amine oder Promotoren verwendet werden.
Das Verfahren kann diskontinuierlich oder bevorzugt kontinuierlich durchgeführt werden. Bei einem kontinuierlichen Verfahren ist es, um einen nahezu vollständigen 1 -Buten-Umsatz zu erreichen, zweckmäßig, die Umsetzung in mehreren Reaktoren durchzuführen. Beispielsweise können mehrere Rührreaktoren und/oder Blasensäulenreaktoren in Reihe geschaltet werden. Dabei kann der flüssige und/oder gasförmige Austrag eines Reaktors in den nächsten geleitet werden. Es ist auch möglich, aus einem Reaktor nicht umgesetzte Einsatz-Kohlenwasserstoffe zusammen mit Produkten und überschüssigem Synthesegas abzuziehen, daraus die C5-Produkte auszukondensieren und das Restgas in den nächsten Reaktor einzuleiten. Die Reaktion kann auch in einer Rohrschlange mit Gaszwischeneinspeisung durchgeführt werden. Weiterhin kann die Reaktion in einer Kombination der genannten Reaktortypen durchgeführt werden.
Wenn nicht die maximale Ausbeute an C5-Aldehyden, sondern eine hohe Raum-Zeit- Ausbeute angestrebt wird, kann die Hydroformylierung zumindest teilweise bei Temperaturen von über 100 0C betrieben werden. Bei diesen Temperaturen tritt während der Hydroformylierung eine teilweise Isomerisierung von 1 -Buten zu den beiden 2-Butenen auf. Beispielsweise könnte(n) in einer Reaktorkaskade der erste Reaktor oder die ersten Reaktoren bei Temperaturen von über 100 0C und der oder die nachfolgenden Reaktor(en) bei Temperaturen von unter 100 0C, beispielsweise 90 0C betrieben werden
Das Hydroformylierungsprodukt kann destillativ in mindestens drei Fraktionen getrennt werden, nämlich in die Isobutenfraktion, Produktfraktion (hauptsächlich C5-Aldehyde) und eine Hochsiederfraktion mit dem gelösten Katalysatorsystem und eine oder zwei weitere Fraktion(en), die andere nicht umgesetzte Stoffe aus dem Edukt enthält/enthalten. Beispielsweise kann das Reaktionsgemisch des letzten Reaktors nach Abtrennung des überschüssigen Synthesegas, das in den Reaktor zurückgeführt oder nach Auskondensation darin vorhandener Stoffe ganz oder teilweise ausgeschleust werden kann, durch eine erste Destillation in ein C4-Kohlenwasserstoffgemisch und ein Gemisch aus C5-Produkten, Hochsiedern und Katalysatorsystem aufgetrennt wird. Die beiden Gemische werden in weiteren Destillationsschritten getrennt.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, aus dem Reaktionsgemisch, beginnend mit dem niedrigsten siedenden Stoff oder Stoffgemisch, eine Fraktion nach der anderen abzutrennen, bis nur die Hochsieder mit dem gelösten Katalysatorsystem übrig bleiben.
Optional kann vor der destillativen Aufarbeitung ein Teil des Katalysators durch Nanofiltration abgetrennt werden, wie beispielsweise in DE 10 2005 046250 beschrieben.
Wurde beispielweise als Edukt ein C4-Kohlenwasserstoffgemisch eingesetzt, das Isobutan, n-Butan, 1 -Buten, die beiden 2-Butene und Isobuten enthielt, so werden folgende Fraktionen erhalten: a) Isobutan (Siedepunkt -11 ,7 0C) b) Isobuten (Sdp. -6,9 0C) c) Gemisch aus n-Butan (Sdp. -0,5 0C), E-2-Buten (Sdp. 0,9 0C) und Z-2-Buten (Sdp. 3,7 0C) d) Gemisch aus C5-Aldehyden mit Valeraldehyd (Sdp. 103 0C), 2-Methylbutanal (Sdp. 92 - 93 °C) und 3-Methylbutanal (Sdp. 92,5 0C ) e) Hochsieder mit dem gelösten Katalysatorsystem
Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren abgetrennte Isobuten weist eine Reinheit von über 99 % auf. Sein Gehalt an linearen Butenen liegt dementsprechend unter 1 %. Es kann für die in der Einleitung genannten Zwecke genutzt werden. Die C5-Aldehydfraktion enthält geringe Mengen an Alkoholen, die durch Hydrierung der Aldehyde entstehen. Der Gehalt an Valeraldehyd in dieser Fraktion liegt bei über 95 Massen-%. Aus diesem Gemisch kann reiner Valeraldehyd abgetrennt werden. Valeraldehyd ist u. a. Zwischenprodukt für n-Pentanol. N-Pentansäure, n-Pentylamine oder n-Pentylchlorid.
Durch Aldolkondensation der C5-Aldehydfraktion und Totalhydrierung des Aldolkondensats wird ein Decanolgemisch mit über 90 Massen-% 2-Propylheptanol gewonnen, das ein begehrtes Zwischenprodukt für die Herstellung von Weichmachern, Detergenzien und Schmiermitteln ist. Durch Aldolkondensation der C5-Aldehydfraktion, Hydrierung der olefinischen Doppelbindung des Aldolkondensats und anschließende Oxidation der aldehydischen Gruppe kann ein Decansäuregemisch mit einem hohen Anteil an 2-Propylheptansäure erhalten werden, die beispielsweise zur Herstellung von Schmiermitteln oder Detergenzien verwendet werden können.
Die Fraktion mit den 2-Butenen kann unterschiedlich verwertet werden. Eine Möglichkeit ist die Herstellung von Oligomeren, von denen insbesondere die Dimeren und Trimeren wertvolle Zwischenprodukte für die Herstellung von Weichmachern und Alkohole darstellen. Die Oligomerisation kann dabei unter Verwendung von sauren oder Nickel enthaltenden Katalysatoren durchgeführt werden. Wenn wenig verzweigte Produkte angestrebt werden, ist eine Oligomerisation mit einem Nickel enthaltenden, heterogenen Katalysatorsystem vorteilhaft. Ein Verfahren dieser Art ist beispielsweise der OCTOL-Prozess der Evonik Oxeno GmbH.
Eine andere Verwertung der 2-Butene besteht darin, sie zu C5-Aldehyden zu hydroformylieren. Die Hydroformylierung kann mit unterschiedlichen Katalysatoren durchgeführt werden, wobei üblicherweise ein Gemisch aus 2-Methylbutanal und n-Valeraldehyd entsteht. Wenn ein hoher Anteil von Valeraldehyd im C5-Aldehydgemisch angestrebt wird, ist die Verwendung anderer Katalysatoren zweckmäßig. Beispielsweise wird in den Schriften DE 101 08 474, DE 101 08 475, DE 101 08 476 und DE 102 25 282 für die Hydroformylierung von 2-Butenen ein Katalysator, bestehend aus Rhodium und einem Diphosphinliganden, der ein Xanthengerüst aufweist, eingesetzt. Unter Verwendung dieses Katalysators ist das Verhältnis zwischen Valeraldehyd und 2-Methylbutanal größer als 85:15. Hohe Selektivitäten an Valeraldehyd (größer 95 %) können bei der Verwendung eines Katalysators, bestehend aus Rhodium und sterisch anspruchsvollen aromatischen Bisphosphiten, erhalten werden, wie beispielsweise in EP 0 213 639 beschrieben.
Das so erhaltene C5-Aldehydgemisch kann beispielsweise durch Aldolkondensation und anschließende Hydrierung des Aldolkondensats zu einem Decanolgemisch umgesetzt werden. Bei C5-Aldehydgemischen, bei denen der Anteil an n-Valeraldehyd unter 95 % liegt, empfiehlt es sich, einen Teil des 2-Methylbutanals destillativ abzutrennen, um ein hochwertiges Decanolgemisch mit einem Gehalt an 2- Propylheptanol von über 90 % zu erhalten.
Das abgetrennte 2-Methylbutanal kann für verschiedene Zwecke eingesetzt werden, beispielsweise zur Herstellung von Isopren.
Wenn die Herstellung von Decanol aus einem C4-Kohlenwasserstoffgemisch das Ziel ist, ist es zweckmäßig, die C5-Aldehydgemische beider Hydroformylierungen zusammen zu aldolisieren.
Beispiele
Der Hydroformylierungsversuch wurde in einem Parr-100ml-Autoklaven mit Druckkonstanthaltung, Gasflussmessung und Flügelrührer durchgeführt. Der Autoklav wurde unter Argonatmosphäre mit allen unten genannten Verbindungen, jedoch noch nicht mit dem zu hydroformylierenden Olefingemisch befüllt. Nach Austausch der Argonatmosphäre durch Spülen mit Synthesegas (CO/H2 1 : 1 ) wurde das Reaktionsgemisch unter Rühren (1000 U/min) und unter Synthesegasdruck auf die jeweils genannte Temperatur aufgeheizt und danach der genaue Solldruck von 2 MPa eingestellt. Anschließend wurde das zu hydroformylierende Olefingemisch zugegeben. Der Synthesegasdruck wurde während der gesamten Reaktionsdauer über einen Druckregler konstant gehalten. Die Reaktionsdauer der Hydroformylierungsversuche betrug jeweils 720 min, wobei zwischenzeitlich Proben aus dem Autoklaven für die GC-Analyse entnommen wurden. Anschließend wurde das Reaktionsgemisch auf Raumtemperatur abgekühlt, der Autoklav entspannt und mit Argon gespült.
Alle Versuche enthielten 6 g des zu hydroformylierenden Olefingemischs (Raffinat I der unten angegebenen Zusammensetzung), 50 g eutektisches Gemisch von Biphenyl und Biphenylether (Diphyl®, Fa. Lanxess) sowie Bis-(2,2,6,6-tetramethyl-4- piperidyl)-sebacat (Fa. Ciba) im molaren Verhältnis von 1 : 1 zum verwendeten Liganden Ia. Als Präkatalysator wurde (Acetylacetonato)dicarbonylrhodium (Fa. Umicore) eingesetzt.
Es wurden Versuche bei 90 0C, 100 0C, 110 0C und 120 0C durchgeführt. Das Verhältnis von Ligand Ia zu Rhodium betrug in allen Fällen 5:1 , die Rhodiumkonzentration 40 ppm und der Synthesegasdruck 2 MPa. Die Analytik wurde mittels Gaschromatographie durchgeführt.
Das Raffinat I hatte jeweils die in Tabelle 1 angegebene Startzusammensetzung (alle Werte in Massen-%):
Tabelle 1
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Beispiel: Hydroformylierung von Raffinat I bei verschiedenen Temperaturen
Die Hydroformylierung von Raffinat I obiger Zusammensetzung wurde bei 90 0C, 100 0C, 110 0C und 120 0C durchgeführt. In allen Fällen konnte nach 720 Minuten kein 1 -Buten mehr nachgewiesen werden, womit quantitativer Umsatz des 1 -Butens erfolgt war. Zugleich lag der jeweilige Isobutenumsatz (Bildung von 3-Methylbutanal) nach 720 Minuten bei folgenden Werten:
90 0C: 0,58 % 100 0C: 0,67 %
1 10 0C: 0,80 %
120 °C: 1 ,17 %
Die Hydrierung zu gesättigten Spezies spielte ebenfalls nur eine untergeordnete Rolle und lag bei weniger als einem Prozentpunkt bzw. bei Temperaturen ab 110 0C bei weniger als eineinhalb Prozentpunkten.
Bei den Versuchen bei 110 0C und 120 0C trat in gewissem Umfang gegen Reaktionsende hin auch eine isomehsierende Hydroformylierung der 2-Butene auf, so dass die Ausbeute an n-Valeraldehyd in diesen Fällen nach 720 Minuten bei 102 % bzw. 105 % bezogen auf eingesetztes 1 -Buten im Raffinat I betrug.
Das aus 1 -Buten (und ab 110 0C zu geringen Teilen aus 2-Butenen) nach 720 Minuten gebildete Pentanal wurde mit folgenden Linearitäten erhalten: 90 0C: 99,1 % 100 0C: 99,0 % 110 0C: 98,9 % 120 °C: 98,4 % Bei den zu 100 % fehlenden Differenzwerten handelt es sich um 2-Methylbutanal.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Abtrennung von 1 -Buten aus C4-haltigen
Kohlenwasserstoffgemischen, enthaltend Isobuten und 1 -Buten, durch Hydroformylierung, wobei das verwendete Katalysatorsystem aus einem der Übergangsmetalle der Gruppen 8 bis 10, bevorzugt Rhodium, und einem Bisphosphitliganden der folgenden Formel I
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I mit X = zweiwertiger substituierter oder unsubstituierter Bisalkylen- oder Bisarylenrest, der ein oder mehrere Heteroatom(e) enthält, Y = zweiwertiger substituierter oder lo unsubstituierter Bisarylen- oder Bisalkylenrest, der ein oder mehrere
Heteroatom(e) enthält, Z = Sauerstoff oder NR9, und R1, R2, R3, R4 gleiche oder verschiedene, substituierte oder unsubstituierte, verknüpfte, unverknüpfte oder kondensierte Aryl- oder Heteroarylreste, und R9 = Wasserstoff oder substituierter oder unsubstituierter Alkyl- oder Arylrest, der ein oder mehrere Heteroatom(e) i5 enthält, besteht, wobei der Bisphosphitligand der oben angegebenen Formel I in einem Überschuss eines molaren Verhältnis von 100 : 1 bis 1 : 1 zum Übergangsmetall eingesetzt wird, und dass bei einem 1 -Butenumsatz von über 95 % weniger als 5 % des vorliegenden Isobutens umgesetzt werden.
20 2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des Übergangsmetalls im Hydroformylierungsgemisch von 1 Massen-ppm bis zu 1000 Massen-ppm bezogen auf das Gesamtgewicht der Reaktionsmischung beträgt.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das molare Verhältnis von Bisphosphit zu Rhodium im Bereich von 90 : 1 bis 1 : 1 liegt.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das molare Verhältnis von Bisphosphit zu Rhodium im Bereich von 10 : 1 bis 2 : 1 liegt.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem 1 -Butenumsatz von über 99 % weniger als 5 % des vorliegenden
Isobutens umgesetzt werden.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass 1 -Buten mit einer n-/iso-Selektivität von mehr als 97 % hydroformyliert wird.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass 1 -Buten im Einsatz-Kohlenwasserstoffgemisch durch Hydroformylierung bei Temperaturen von 40 bis 120 0C zu über 99 % aus C4-haltigen Kohlenwasserstoffgemischen entfernt wird.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass 1 -Buten im Einsatz-Kohlenwasserstoffgemisch durch Hydroformylierung bei Temperaturen von 70 bis 95 0C zu über 99 % aus C4-haltigen Kohlenwasserstoffgemischen entfernt wird.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydroformylierung in einem Druckbereich von 0,5 bis 30 MPa durchgeführt wird.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydroformylierung in einem Druckbereich von 1 ,0 bis 6,4 MPa durchgeführt wird.
11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren kontinuierlich durchgeführt wird.
12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das C4- 5 haltige Kohlenwasserstoffgemisch 2-Butene enthält.
13. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsgemisch in C5-Aldehyde, Isobuten, eine Hochsiederfraktion mit dem gelösten Katalysatorsystem und weitere C4-Kohlenwasserstoffe aufgetrennt wird.
10
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren C4-Kohlenwasserstoffe einer isomerisierenden Hydroformylierung zu Valeraldehyd unterworfen werden.
i5 15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die aus
Selektivhydroformylierung und isomerisierender Hydroformylierung gewonnenen C5-Aldehyde vereinigt werden.
16. Verfahren nach Ansprüchen 13 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die 20 abgetrennten C5-Aldehyde einer Aldolkondensation, Dehydratisierung und anschließender Hydrierung zu 2-Propylheptanol unterworfen werden.
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