WO2012095256A1 - Method for the hydrogenation of 1,4-butynediol in the gaseous phase to form tetrahydrofurane - Google Patents

Method for the hydrogenation of 1,4-butynediol in the gaseous phase to form tetrahydrofurane Download PDF

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WO2012095256A1
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WO
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butynediol
hydrogenation
catalyst
hydrogen
process according
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PCT/EP2011/073933
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Inventor
Rolf Pinkos
Olga OSETSKA
Lucia KÖNIGSMANN
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Basf Se
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Publication date
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07DHETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D307/00Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom
    • C07D307/02Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings
    • C07D307/04Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings having no double bonds between ring members or between ring members and non-ring members
    • C07D307/06Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings having no double bonds between ring members or between ring members and non-ring members with only hydrogen atoms or radicals containing only hydrogen and carbon atoms, directly attached to ring carbon atoms
    • C07D307/08Preparation of tetrahydrofuran

Definitions

  • the inventive method relates to the catalytic hydrogenation of 1, 4-butynediol (BID) to tetrahydrofuran (THF) in the gas phase on heterogeneous catalysts in the presence of hydrogen.
  • THF is widely used as a solvent and serves as a starting material for polytetrahydrofuran. It is produced worldwide in several hundred thousand tons per year.
  • THF The technology for the production of THF, which is the most widely used worldwide, is cyclization of 1, 4-butanediol, which in turn mostly by the hydrogenation of 1, 4-butynediol as described for example in DE-A 19641707, usually under considerable pressure between 2 and 30 MPa. It must be ensured in the reaction of butynediol that this can decompose under thermal stress, especially in the presence of impurities, especially metals and their salts. This is generally the case for the pure substance already at 160 ° C, especially above 200 ° C. Impurities, especially heavy metals, can further reduce this decomposition temperature.
  • DE-A 2029557 describes a process for the direct production of THF from 1,4-butynediol in the liquid phase. According to the disclosure of DE-A 2029557, butynediol is added in the liquid phase in the presence of a solvent over a catalyst having hydrogenation and acid function THF and water reacted. The reworking of the examples shows that the process is not feasible. It is mainly butanediol as a product found, but only negligible amounts of THF.
  • the present invention was therefore based on the object of providing a process for the catalytic hydrogenation of 1,4-butynediol to THF which, with good selectivities and high catalyst service lives, is an industrially advantageous, because of its cost-effective, direct access to THF from 1, 4 Butynediol allows. It has now surprisingly been found that THF can be obtained in high yield by catalytic hydrogenation of 1,4-butynediol at least at the decomposition temperature of 1,4-butynediol by evaporation of 1, 4-butynediol in a hydrogen-containing gas stream and gaseous at least one catalyst containing at least one of the elements of groups 7 to 11 of the Periodic Table hydrogenated.
  • the temperature during evaporation and the hydrogenation temperature are in the range of 160-330 ° C, preferred are 160-300 ° C, particularly preferred are 170-280 ° C.
  • the temperature at which 1, 4-butynediol is evaporated it may be lower than the hydrogenation temperature in the aforementioned temperature range.
  • the pressure during evaporation and hydrogenation is 0.05 MPa (Mega Pascal) to 10 MPa absolute, preferably 0.1 to 6 MPa are absolute, more preferably 0.15 to 2 MPa are absolute.
  • the pressure during evaporation corresponds at least to the pressure of the hydrogenation.
  • 1, 4-butynediol can be used as a pure substance, but it is preferred to use 1, 4-butynediol as it is obtained from the synthesis stage for 1, 4-butynediol.
  • This technical butynediol contains, for example, water, propynol, formaldehyde free or bound as hemiacetals or full acetals, methanol and small amounts, generally less than 1% of acetylene, dissolved or solid substances such as catalyst components from the 1, 4-butynediol synthesis catalyst (eg copper salts such as Copper acetylides that increase the disintegration of butynediol) or salts that come from a pH control, such as Sodium formate, oligomeric or polymeric secondary components (so-called cuprene), C5 and Cß components, which are due to impurities in the acetylene used or side reactions in Butindiolsynthese.
  • copper salts such
  • the water content in the feedstock 5 - 89 wt .-% is generally from 10 to 90% by weight, preferably from 20 to 80%, particularly preferably from 30 to 70% by weight.
  • the propynol content is generally less than 10% by weight, preferably less than 5% by weight, more preferably less than 3% by weight.
  • Formaldehyde calculated as the sum of formaldehyde itself, hydrate, acetal or hemiacetal has a content of less than 5 wt .-%, preferably less than 2 wt .-%, more preferably less than 1 wt .-%.
  • the methanol content is below 50 wt .-%, preferably below 5 wt .-%, more preferably below 1 wt .-%.
  • the content of non-volatile constituents is generally less than 2% by weight, preferably less than 1% by weight, more preferably less than 0.1% by weight.
  • the evaporation of the 1, 4-butynediol-containing stream is usually carried out at pressures which correspond at least to the later hydrogenation pressure.
  • pressures which correspond at least to the later hydrogenation pressure.
  • pressure of evaporation of 1, 4-butynediol higher for example, to choose up to 0.5 MPa higher.
  • the evaporation of the 1, 4-butynediol is carried out in the presence of hydrogen-containing gas in known per se for evaporation apparatuses, for example in one or more falling-film evaporators, thin-film evaporators, Wendelrohlverdampfern, single or multi-fluid nozzles, Tubes filled with inert materials in cocurrent or countercurrent with hydrogen, natural circulation evaporators, forced circulation evaporators, kettle-type evaporators or steam boilers.
  • the 1, 4-butynediol-containing gas stream to achieve the desired reactor inlet temperature of the hydrogenation reactor, further heated.
  • a corresponding preheated hydrogen-containing gas stream can be used in addition to hydrogen helium, nitrogen and carbon dioxide and, if cycle gas from the hydrogenation is used, methane, ethane, propane, butane, methanol, dimethyl ether, ethanol, propanol, Butanol, carbon monoxide, THF and water may contain.
  • cycle gas from the hydrogenation methane, ethane, propane, butane, methanol, dimethyl ether, ethanol, propanol, Butanol, carbon monoxide, THF and water may contain.
  • These components have a mass fraction of the gas stream, which is generally less than 50%, preferably less than 40%, preferably less than 30%.
  • an indirect heat transfer for example by an electric heating or heat transfer medium such as steam or oil.
  • the feed stream for evaporation containing 1,4-butanediol can be used
  • Butindiol high-boiling components are added. These high boiling components prevent solidification, e.g. salts in the evaporator.
  • These high boilers may e.g. Alcohol, ester, ether, urea, urethane, amide-containing substances. By way of example, mention may be made of glycerol and its oligomers and sokalan brands.
  • the high boilers which can be added based on butynediol with 0.001 to 5 weight percent, are then discharged together with the salts and Cuprenen from the 1, 4-butynediol and preferably burned to produce energy.
  • the catalyst used in the process according to the invention has as active component for the hydrogenation at least one of the elements from groups 7 to 11 from the periodic table of the elements. These elements may be in the form of one or more metals or in the form of low-valency compounds of these metals, such as, for example, as oxides, which are also hydrogenation-active.
  • the catalyst preferably has Mn, Re, Fe, Ru, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu and / or Au, particularly preferably Ru, Rh, Ir, Ni, Pd and / or Pt, in particular preferably Pd as the sole active component from the groups of the Periodic Table of the Elements.
  • catalysts based on palladium in liquid phase hydrogenation is preferably used when incomplete conversion in the hydrogenation of the 1, 4-butynediol is desired and 1, 4-butenediol to be the desired product. It is therefore surprising that palladium catalysts according to the process of the invention in the gas phase lead directly to THF.
  • the metal content (active component) of the catalysts which can be used in the process according to the invention is generally between 0.001 and 100% by weight.
  • the metal content is from 0.001 to 50 wt .-%, particularly preferably 0.01 to 20 wt .-%, particularly preferably from 0.1 to 10 wt.%.
  • the catalysts used in the process according to the invention may additionally contain at least one element or element compound selected from the elements of groups 1 to 16 of the Periodic Table of the Elements and the lanthanides. These elements or element compounds may contain or may also be added deliberately, for example as a promoter for the reaction and / or as a carrier for the active component.
  • the catalyst used in the process according to the invention is preferably a supported catalyst.
  • the promoter content of the catalyst may be up to 25 wt .-%, preferably 0.001 to 15 wt .-%, particularly preferably 0.01 to 13 wt .-% amount.
  • examples include alkali or alkaline earth metal components such as hydroxides, oxides, carbonates or salts of organic or inorganic acids, e.g. to vary the basic properties of the catalysts.
  • sulfur, phosphorus, silicon and aluminum components can serve to modify catalysts in their acidity. For example, sulfuric acid or phosphoric acid may be anchored to the catalyst.
  • catalysts based on carbon e.g.
  • Activated carbon the acidic property of the carrier can also be adjusted by the coal is treated, for example, with hydrochloric, sulfuric, phosphoric or nitric acid. This can take place before or after the impregnation with active component, preferably before.
  • catalysts precipitation, carrier, or Raney type catalysts can be used, the preparation of which is described for example in Ullmanns, Encyclopedia of Industrial Chemistry, 4th Edition, 1977, Volume 13, pages 558-665.
  • carrier materials of the supported catalysts for example, aluminum oxides, titanium oxides, zirconium dioxide, silicon dioxides, silicon carbide, phyllosilicates, clays, e.g. Montmorillonite, silicates such as magnesium or aluminum silicates, zeolites and activated carbons are used.
  • Preferred support materials are aluminas, titanium dioxides, silica, zirconia and activated carbons.
  • mixtures of different carrier materials can also serve as carriers for catalysts which can be used in the process according to the invention.
  • These carriers may also be already finished monoliths, for example made of ceramic, Si0 2 , Al 2 0 3 , etc., or, for example, corrugated surfaces, which are later rolled up so that they give a cylindrical shape that can be flowed through or, for example, wire mesh, which also can be brought into shape.
  • Suitable catalysts for the inventive hydrogenation of 1, 4-butynediol to THF are heterogeneous catalysts, which are preferably used as moldings.
  • the shaped bodies are understood in this application, for example, grit, strands and tablets.
  • These moldings can also be hollow bodies to increase the surface, such as hollow cylinders, stars and trilobes.
  • preference is given to used in the form of chippings, tablets and strands.
  • These moldings have diameters of 0.1 - 20 mm. Preference is given to 1 to 10 mm, more preferably 1 to 5 to 7 mm.
  • the length of the catalyst body is not critical, but should generally not be less than the diameter. Preferred lengths of the shaped catalyst bodies are 1-50 mm.
  • the preparation of the supported catalysts used according to the invention is carried out by applying the active component or else the combinations of active components which can be applied together or one behind the other.
  • the application can be carried out according to methods known per se, for example by impregnation, precipitation, sputtering.
  • the active components are generally in the form of a thin layer on the support. In the case of application by sputtering while the content of active material based on the carrier is less than 0.001 wt.%. Preferred here is a content of active component of 0.00001 to 0.5 wt .-%.
  • Raney type catalysts for example Raney nickel, Raney copper, Raney cobalt, Raney nickel / molybdenum, Raney nickel / copper, Raney nickel / chromium, Raney nickel / chromium / iron, Raney nickel / Palladium or rhenium sponge suitable for the inventive method.
  • Raney nickel / molybdenum catalysts can be prepared, for example, by the method described in US-A 4,153,578. However, these catalysts are also marketed, for example, by the company Degussa, 63403 Hanau, Germany.
  • a Raney nickel-chromium-iron catalyst is marketed, for example, under the trade name Catalyst Type 1 1 112 W® by Degussa.
  • the Raney catalysts are also preferably used as moldings. e.g. tableted or extruded, however, it is also possible to add alloy granules to e.g. Treat caustic soda so that only an outer layer of the grain is leached and releases the active Raney layer. Such grains then have, for example, diameters between 1 and 10 mm.
  • precipitated or supported catalysts these are preferably reduced before the beginning of the reaction at 20 to 500 ° C in the hydrogen or hydrogen / inert gas stream, this can be done for example already during heating of the reactor to start temperature in the presence of hydrogen.
  • the reduction temperature depends on the desired degree of reduction and the temperature required for the active component.
  • Pd which is present for example as PdO on a support
  • This reduction can be carried out directly in the hydrogenation reactor. If the reduction is carried out in a separate reactor, the catalysts may be removed before being removed at e.g. 30 ° C with oxygen-containing gas mixtures see surface passivated.
  • the passivated catalysts in this case may be used in the hydrogenation reactor prior to use in a nitrogen / hydrogen stream at e.g. 180 ° C activated or used without activation.
  • one type of catalyst can be used. But it is also possible to use mixtures of several catalysts. These mixtures can be present as a quasi-homogeneous mixture or as a so-called structured bed, in which individual reaction zones with quasi-homogeneous catalyst bed are present. It is also possible to combine the methods, ie, for example, at the beginning of the reaction, a type of catalyst to use a mixture further back.
  • an acidic catalyst which has no hydrogenation properties is used , but is able to convert 1, 4-butanediol to THF and water.
  • the acid catalyst in this particular embodiment of the process according to the invention, aluminum oxides, titanium oxides, zirconium dioxides, silicas, phyllosilicates, clays, e.g. Montmorillonites, silicates such as magnesium or aluminum silicates, zeolites and acidified activated carbons.
  • the usual methods can be used, e.g. Application of sulfuric or phosphoric acid. It is important that no basic components such as amines or possibly volatile or entrained salts, which can neutralize the acidic sites, come on the acidic catalyst.
  • a fresh hydrogen-containing gas stream is used, which in addition to hydrogen, e.g. nor helium, nitrogen and carbon dioxide, with a mass fraction of the gas stream, which is generally less than 5%, preferably less than 1%, more preferably less than 0.5%.
  • the catalyst loading of the hydrogenation according to the invention is generally from 0.01 to 3 kg of 1, 4-butynediol (I catalyst » h). Catalyst loadings of 0.05 to 2, particularly preferably 0.1 to 1 kg 1, 4-butynediol / 1 catalyst »h are preferred.
  • the molar ratio of hydrogen to be consumed by hydrogenation to 1,4-butynediol used is at least 2: 1, preferably 2 to 4: 1, for the advantageous reaction. After the reaction, excess hydrogen can be discharged. It is preferred, during evaporation or during the reaction, to have a higher molar ratio between hydrogen and butynediol or its reaction products, for example from 4 to 400 to 1, preferably from 20 to 300 to 1, particularly preferably from 40 to 200 to 1. Dies can be achieved by the preferred cycle gas mode in which at least a portion of the hydrogen or hydrogen gas stream contained in the circuit. The amount of hydrogen consumed chemically by the hydrogenation and by discharge is supplemented. In a preferred embodiment, a portion of the recycle gas is discharged to inert Remove connections. The recirculated hydrogen can also be used to evaporate the 1, 4-butynediol in the process of the invention.
  • the discharge rate of hydrogen calculated as a proportion of the hydrogen chemically consumed by hydrogenation, is 100 to 0.1%. Preferred are 50 to 0.2%, more preferably 20 to 0.3%. The lower, the less hydrogen is removed, the more economical the process.
  • the discharge can be done on the one hand by exhaust gas, on the other hand, by the dissolved portion of hydrogen in the cooled, liquid product stream.
  • the discharge takes place in order to discharge inert or secondary components. Inerts may be introduced, for example, by the hydrogen, e.g. Hey, N2, C02. Secondary components may be, for example, methane, ethane, propane, butane, methanol, dimethylethanol, ethanol, propanol, butanol and carbon monoxide, which form in the reaction.
  • reaction products in the recycle gas stream may be desired reaction products such as THF and water. It is advantageous if the inerts, products, water and minor components are not too concentrated in the recycle gas because they reduce the partial pressure of hydrogen. They should have a share of less than 50% in the recycle gas.
  • a special case is carbon monoxide, possibly also carbon dioxide, since these can reduce the activity of the active components.
  • the proportion of carbon monoxide and / or carbon dioxide in the cycle gas should therefore be less than 10%, preferably less than 5%, particularly preferably less than 1%.
  • THF contained in the circulating gas does not decompose or only very slightly decomposes. It has surprisingly been found that THF remains unchanged at least 99% even on the second pass through the catalyst.
  • the condensation temperature is generally from -78 ° C to 70 ° C, preferably from -15 ° C to 40 ° C, more preferably from -10 ° C to 30 ° C.
  • the temperature control in the hydrogenation reactor is preferably carried out so that the temperature along at least the length of the catalyst bed increases, regardless of the type of reactor used. If one were to induce a cooling along the catalyst bed, especially in the first zone of the catalyst, there would be the danger of condensation, which would then lead to the deactivation of the catalyst by coking.
  • the temperature increase at least along the first quarter of the catalyst bed is 1 - 100 ° C, preferably 2 to 80 ° C, particularly preferably 5 to 60 ° C. After reaching the maximum temperature, depending on the reactor type (eg tube bundle reactor), the reaction temperature may drop again. This is understood as the inlet temperature, the temperature of the gas stream, with which this meets the catalyst.
  • the gas stream (hydrogenation output) is cooled in one or more stages to the extent that a liquid phase, the product mixture, is formed. This is preferably done at the same pressure level as the reaction itself. Cooling can take place via air and water coolers, refrigeration systems or other technical aids.
  • reactors or as reactor types for the inventive hyration in the gas phase for example, tube bundle reactors, shaft reactors or fluidized bed reactors can be used.
  • a special feature would be the microcrystalline reactor, which is particularly advantageous if you want to remove the heat of the reaction very efficiently in order to keep the temperature of the reaction as constant as possible.
  • the individual reactors or reactor types can also be used as a combination.
  • the process according to the invention is preferably carried out continuously.
  • the liquid product mixture is generally depressurized to a lower pressure level, provided that the hydrogenation reaction was carried out under pressure, for example to 0.1 to 0.5 MPa absolute.
  • pressure for example to 0.1 to 0.5 MPa absolute.
  • dissolved hydrogen-containing gas is released, which is either discharged or recycled.
  • the liquid product mixture can be separated by known methods, preferably distillatively. In industrial (large-scale) processes, the separation is preferably carried out continuously in several columns.
  • a work-up can for example be designed as follows: The liquid hydrogenation product passes into a first column (a), in which all THF together with water, preferably only the portion of water which is the THF / water
  • Azeotrope at the set pressure corresponds to other low boilers at pressures of 0.05 to 0.3 MPa are separated from the absolute higher boiling components.
  • the THF-containing stream is separated further in a second column (b), preferably at pressures above the first, for example at 0.15 to 1.5 MPa.
  • THF / water low-boiling azeotrope can be completely or only partially recycled to the first column.
  • Existing low-boiling components such as e.g. Methanol, can be completely or partially discharged at the top of the column. Since these low boilers, for example, methanol, still contain THF, this mixture, depending on the amount, in one or more separate column (s) can be further separated.
  • the high-boiling product of the column (b), THF can already be salable as such, if you want purities over 99.9%, be finely purified in another column.
  • the high-boiling product of the column (a) which mostly consists mainly of water, can for example be disposed of (sewage treatment plant or incineration).
  • a variant of this workup is, especially if methanol contents in the hydrogenation> 0.2% are present, the methanol in the column combination (a) + (b) by recycling a
  • any desired value products such as, for example, 1, 4-butanediol and / or gamma butyrolactone, they can either be isolated in pure form or, after removal of water and other undesirable components such as propanol and butanol, are recycled to the reaction.
  • a preferred variant is to treat the high-boiler stream of the column (a), if it still contains 1, 4-butanediol, by means of an acid catalyst in such a way that the butanediol is cyclized to THF. This can be done directly with the high-boiling stream of the column (a), or even after separation of components, so that the butanediol is present in concentrated form.
  • Catalysts for this cyclization can be homogeneously dissolved or heterogeneous as a suspension or fixed.
  • the cyclization can take place in fixed catalysts in gas or liquid phase, otherwise in the liquid phase.
  • the temperatures here are in the range of 80 to 300 ° C, preferably at 90 to 250 ° C.
  • inorganic acids such as sulfuric acid, phosphoric acid or heteropolyacids such as dibromophosphoric
  • organic acids such as sulfonic acids, acidic ion exchange resins and acidic
  • inorganic solids such as zeolites, metal oxides such as S1O2 or AI2O3, called metal mixed oxides such as montmorillonites.
  • the quality of the THF is based on market standards. Thus, the THF meets the usual required GC purities, the color and other key figures.
  • the analysis of the product was carried out by gas chromatography.
  • the product compositions given are all calculated to be anhydrous.
  • the 1, 4-butynediol used was prepared by reacting acetylene with formaldehyde on Cu / Bi catalysts according to Reppe.
  • the technical 1, 4-butynediol used had 50 wt .-% butynediol, 47 wt .-% water, 1 wt .-% formaldehyde, about 1% propynol and small amounts of other components such as cuprene, Cu compounds, salts such as sodium on.
  • the pure 1,4-butynediol was as
  • Example 5 1, 4-Butynediol in Example 5 (marked with *) in an evaporator containing metal fill rings and externally heated by oil to 240 ° C, evaporated in a hydrogen stream and in a reactor tube filled with catalyst (100 ml unless otherwise stated indicated in Table 2 or catalysts,
  • the reactor tube was designed as a double-jacket tube, the outside being oiled or cooled
  • the reaction effluent was cooled and the condensed product was depressurized via a valve to atmospheric pressure while the gaseous phase was passed through A small proportion of the gas was discharged as exhaust gas, and as much hydrogen was introduced into the reaction via a fresh gas supply as hydrogen was consumed by the reaction and exhaust gas, thereby keeping the reaction pressure constant Table 2.
  • Example 6 of DE-A 2029557 140 g of 1, 4-butynediol were hydrogenated in 360 g of water in the liquid phase on a 5% palladium on activated alumina catalyst at 10.3 MPa and 275 ° C. Only decomposition products and water in the hydrogenation effluent could be detected. THF was not found.
  • a 40% strength aqueous butynediol solution was hydrogenated in the gas phase at an inlet temperature of 225 ° C. and 0.9 MPa on a catalyst containing 5% Pd / Al 2 O 3 (5% palladium on activated alumina).
  • 5% Pd / Al 2 O 3 5% palladium on activated alumina.
  • 75% by weight of THF 20 wt .-% of n-butanol and in each case less than 1 wt .-% gamma-butyrolactone, 1, 4-butanediol and n-propanol were found.
  • the selectivity to THF was 75% since the butynediol conversion was complete.

Abstract

The invention relates to a method for the catalytic hydrogenation of 1,4-butynediol at least at the decomposition temperature of 1,4-butynediol to form tetrahydrofurane. According to the method, 1,4-butynediol is evaporated in a hydrogen-containing gas flow and is hydrogenated in the gaseous state on at least one catalyst that contains at least one of the elements of groups 7 to 11 of the periodic system.

Description

Verfahren zur Hydrierung von 1 ,4-Butindiol zu Tetrahydrofuran in der Gasphase  Process for the hydrogenation of 1, 4-butynediol to tetrahydrofuran in the gas phase
Beschreibung Die vorliegende Anmeldung schließt durch Verweis die am 12. Januar 2011 eingereichte vorläufige US-Anmeldung 61/431868 ein. Description The present application includes, by way of reference, US Provisional Application 61/431868 filed Jan. 12, 2011.
Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft die katalytische Hydrierung von 1 ,4-Butindiol (BID) zu Tetrahydrofuran (THF) in der Gasphase an heterogenen Katalysatoren in Gegenwart von Was- serstoff. The inventive method relates to the catalytic hydrogenation of 1, 4-butynediol (BID) to tetrahydrofuran (THF) in the gas phase on heterogeneous catalysts in the presence of hydrogen.
THF findet vielfältige Verwendung als Lösemittel und dient als Ausgangsstoff für Polytetrahydro- furan. Es wird weltweit in mehreren hunderttausend Tonnen pro Jahr produziert.  THF is widely used as a solvent and serves as a starting material for polytetrahydrofuran. It is produced worldwide in several hundred thousand tons per year.
Als Zugangsweg sind verschiedene Möglichkeiten bekannt. So kann man auf Basis Butan Maleinsäureanhydrid herstellen und dieses, beispielsweise als Diester, zu THF, GBL (gamma- Butyrolacton), BDO (1 ,4-Butandiol) hydrieren (K. Weissermel, H.-J. Arpe, Industrielle Organische Chemie, 5. Auflage 1998, Seite 408). Ferner ist für THF die sauer katalysierte Cyclisierung von 1 ,4-Butandiol ein gängiger Zugangsweg (K. Weissermel, H.-J. Arpe, Industrielle Organische Chemie, 5. Auflage 1998, Seite 113). As a gateway various options are known. Thus, it is possible to prepare maleic anhydride based on butane and hydrogenate it, for example as diester, to THF, GBL (gamma-butyrolactone), BDO (1,4-butanediol) (K. Weissermel, H.-J. Arpe, Industrielle Organische Chemie, 5th edition 1998, page 408). Furthermore, the acid-catalyzed cyclization of 1,4-butanediol is a common access route for THF (K. Weissermel, H.-J. Arpe, Industrielle Organische Chemie, 5th edition, 1998, page 113).
Die Technologie zur Herstellung von THF, die weltweit großtechnisch am verbreitetsten ist, ist Cyclisierung von 1 ,4-Butandiol, das wiederum meist durch die Hydrierung von 1 ,4-Butindiol wie sie beispielsweise in DE-A 19641707 beschrieben wird, meist unter erheblichen Druck zwischen 2 und 30 MPa, hergestellt wird. Dabei ist bei der Umsetzung des Butindiols darauf zu achten, dass sich dieses bei thermischer Belastung, vor allem in Anwesenheit von Verunreinigungen, insbesondere Metallen und deren Salze, zersetzen kann. Dies geschieht im Allgemei- nen beim Reinstoff bereits ab 160 °C, insbesondere oberhalb 200°C. Verunreinigungen insbesondere Schwermetalle können diese Zersetzungstemperatur weiter herabsetzen.  The technology for the production of THF, which is the most widely used worldwide, is cyclization of 1, 4-butanediol, which in turn mostly by the hydrogenation of 1, 4-butynediol as described for example in DE-A 19641707, usually under considerable pressure between 2 and 30 MPa. It must be ensured in the reaction of butynediol that this can decompose under thermal stress, especially in the presence of impurities, especially metals and their salts. This is generally the case for the pure substance already at 160 ° C, especially above 200 ° C. Impurities, especially heavy metals, can further reduce this decomposition temperature.
Es wäre ökonomisch wünschenswert aufgrund niedriger Investitionskosten, wenn die Hydrierung von 1 ,4-Butindiol direkt THF ergeben würde, ohne dass 1 ,4-Butandiol als Zwischenprodukt isoliert werden müsste. It would be economically desirable due to low investment costs if the hydrogenation of 1,4-butynediol would directly yield THF without isolation of 1,4-butanediol as an intermediate.
Verfahren zur direkten Herstellung von THF aus Butindiol sind ausschließlich in der Flüssigphase beschrieben. Diese werden industriell (großtechnisch) derzeit nicht ausgeübt. DE-A 2029557 beschreibt ein Verfahren zur direkten Herstellung von THF aus 1 ,4-Butindiol in der Flüssigpha- se. Gemäß der Offenbarung der DE-A 2029557 wird Butindiol in der Flüssigphase in Gegenwart eines Lösungsmittels an einem Katalysator mit Hydrier- und Säurefunktion zu THF und Wasser umgesetzt. Die Nacharbeitung der Beispiele ergibt, dass das Verfahren nicht ausführbar ist. Es wird hauptsächlich Butandiol als Produkt gefunden, jedoch nur vernachlässigbare Mengen an THF. Methods for the direct production of THF from butynediol are described exclusively in the liquid phase. These are industrially (industrially) currently not exercised. DE-A 2029557 describes a process for the direct production of THF from 1,4-butynediol in the liquid phase. According to the disclosure of DE-A 2029557, butynediol is added in the liquid phase in the presence of a solvent over a catalyst having hydrogenation and acid function THF and water reacted. The reworking of the examples shows that the process is not feasible. It is mainly butanediol as a product found, but only negligible amounts of THF.
Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur katalytischen Hydrierung von 1 ,4-Butindiol zu THF zur Verfügung zu stellen, das mit guten Selektivitäten und hohen Katalysatorstandzeiten einen großtechnisch, aufgrund seiner Wirtschaftlichkeit interessanten, direkten Zugang zu THF aus 1 ,4-Butindiol ermöglicht. Es wurde nun überraschend gefunden, dass sich THF in hoher Ausbeute durch katalytische Hydrierung von 1 ,4-Butindiol mindestens bei der Zersetzungstemperatur von 1 ,4-Butindiol erhalten lässt, indem man 1 ,4-Butindiol in einem Wasserstoff enthaltenden Gasstrom verdampft und gasförmig an mindestens einem Katalysator, der mindestens eines der Elemente der Gruppen 7 bis 11 des Periodensystems enthält, hydriert. The present invention was therefore based on the object of providing a process for the catalytic hydrogenation of 1,4-butynediol to THF which, with good selectivities and high catalyst service lives, is an industrially advantageous, because of its cost-effective, direct access to THF from 1, 4 Butynediol allows. It has now surprisingly been found that THF can be obtained in high yield by catalytic hydrogenation of 1,4-butynediol at least at the decomposition temperature of 1,4-butynediol by evaporation of 1, 4-butynediol in a hydrogen-containing gas stream and gaseous at least one catalyst containing at least one of the elements of groups 7 to 11 of the Periodic Table hydrogenated.
Die Temperatur beim Verdampfen und die Hydriertemperatur liegen im Bereich von 160 - 330°C, bevorzugt sind 160 - 300 °C, besonders bevorzugt sind 170 - 280°C. Die Temperatur, bei der 1 ,4-Butindiol verdampft wird, kann dabei im vorgenannten Temperaturbereich niedriger sein als die Hydriertemperatur. Der Druck beim Verdampfen und Hydrieren liegt bei 0,05 MPa (Mega Pascal) bis 10 MPa absolut, bevorzugt sind 0,1 bis 6 MPa absolut, besonders bevorzugt sind 0,15 bis 2 MPa absolut. Der Druck beim Verdampfen entspricht mindestens dem Druck der Hydrierung. The temperature during evaporation and the hydrogenation temperature are in the range of 160-330 ° C, preferred are 160-300 ° C, particularly preferred are 170-280 ° C. The temperature at which 1, 4-butynediol is evaporated, it may be lower than the hydrogenation temperature in the aforementioned temperature range. The pressure during evaporation and hydrogenation is 0.05 MPa (Mega Pascal) to 10 MPa absolute, preferably 0.1 to 6 MPa are absolute, more preferably 0.15 to 2 MPa are absolute. The pressure during evaporation corresponds at least to the pressure of the hydrogenation.
1 ,4-Butindiol kann als Reinstoff eingesetzt werden, bevorzugt ist jedoch, 1 ,4-Butindiol so einzusetzen, wie es aus der Synthesestufe für 1 ,4-Butindiol anfällt. Dieses technische Butindiol enthält beispielsweise Wasser, Propinol, Formaldehyd frei oder gebunden als Halbacetale oder Vollacteale, Methanol sowie kleine Mengen, im Allgemeinen unter 1 % an Acetylen, gelöste oder feste Stoffe wie Katalysatorbestandteile aus dem 1 ,4-Butindiol-Synthesekatalysator (z.B. Kupfersalze wie Kupferacetylide, die die Zerfallsfähigkeit von Butindiol erhöhen) oder Salze, die aus einer pH-Regelung stammen, wie z.B. Natriumformiat, oligomere oder polymere Nebenkomponenten (sogenannte Cuprene), C5- und Cß-Komponenten, die auf Verunreinigungen im eingesetzten Acetylen oder auf Nebenreaktionen bei der Butindiolsynthese zurückgehen. Wenn kein, beispielsweise durch Destillation, aus technischem 1 ,4-Butindiol erhältliches Reinbutindiol eingesetzt wird, beträgt der Wassergehalt im Einsatzstoff 5 - 89 Gew.-%, besonders bevorzugt 20 - 70 Gew.-%. Der 1 ,4-Butindiolgehalt liegt dabei im Allgemeinen bei 10 bis 90 Gew.-%, bevorzugt sind 20 - 80 %, besonders bevorzugt bei 30 - 70 Gew.-%. Der Propinolgehalt liegt im Allgemeinen unter 10 Gew.-%, bevorzugt unter 5 Gew.-%, besonders bevorzugt unter 3 Gew.- %. Formaldehyd gerechnet als Summe aus Formaldehyd selbst, Hydrat, Acetal oder Halbacetal hat einen Gehalt von unter 5 Gew.-%, bevorzugt unter 2 Gew.-%, besonders bevorzugt unter 1 Gew.-%. Der Methanolgehalt ist unter 50 Gew.-%, bevorzugt unter 5 Gew.-%, besonders bevorzugt unter 1 Gew.-%. Der Gehalt an nicht flüchtigen Bestandteilen liegt im Allgemeinen unter 2 Gew.-%, bevorzugt unter 1 Gew.-%, besonders bevorzugt unter 0,1 Gew.-%. 1, 4-butynediol can be used as a pure substance, but it is preferred to use 1, 4-butynediol as it is obtained from the synthesis stage for 1, 4-butynediol. This technical butynediol contains, for example, water, propynol, formaldehyde free or bound as hemiacetals or full acetals, methanol and small amounts, generally less than 1% of acetylene, dissolved or solid substances such as catalyst components from the 1, 4-butynediol synthesis catalyst (eg copper salts such as Copper acetylides that increase the disintegration of butynediol) or salts that come from a pH control, such as Sodium formate, oligomeric or polymeric secondary components (so-called cuprene), C5 and Cß components, which are due to impurities in the acetylene used or side reactions in Butindiolsynthese. If no, for example by distillation, from technical 1, 4-butynediol available pure butynediol is used, the water content in the feedstock 5 - 89 wt .-%, particularly preferably 20 - 70 wt .-%. The 1,4-butynediol content is generally from 10 to 90% by weight, preferably from 20 to 80%, particularly preferably from 30 to 70% by weight. The propynol content is generally less than 10% by weight, preferably less than 5% by weight, more preferably less than 3% by weight. Formaldehyde calculated as the sum of formaldehyde itself, hydrate, acetal or hemiacetal has a content of less than 5 wt .-%, preferably less than 2 wt .-%, more preferably less than 1 wt .-%. The methanol content is below 50 wt .-%, preferably below 5 wt .-%, more preferably below 1 wt .-%. The content of non-volatile constituents is generally less than 2% by weight, preferably less than 1% by weight, more preferably less than 0.1% by weight.
Die Verdampfung des 1 ,4-Butindiol-haltigen Stroms erfolgt in der Regel bei Drücken, die mindestens dem späteren Hydrierdruck entsprechen. Es ist jedoch auch möglich den Druck der Verdampfung des 1 ,4-Butindiols höher, beispielsweise um bis zu 0,5 MPa höher zu wählen. Durch einen derart erhöhten Druck können auftretende Druckverluste, beispielsweise durch Rohrleitungen, Armaturen, Katalysatoren, Wärmetauschern ausgeglichen werden. The evaporation of the 1, 4-butynediol-containing stream is usually carried out at pressures which correspond at least to the later hydrogenation pressure. However, it is also possible the pressure of evaporation of 1, 4-butynediol higher, for example, to choose up to 0.5 MPa higher. By such an increased pressure occurring pressure losses, for example by pipelines, fittings, catalysts, heat exchangers can be compensated.
Das Verdampfen des 1 ,4-Butindiols erfolgt in Gegenwart von Wasserstoff enthaltendem Gas in an sich für Verdampfungen bekannten Apparaten, beispielsweise in einem oder mehreren Fallfilmverdampfern, Dünnschichtverdampfern, Wendelrohlverdampfern, Ein- oder Mehrstoffdüsen, Rohren gefüllt mit Inertmaterialien im Gleich- oder Gegenstrom mit Wasserstoff, Naturumlaufverdampfern, Zwangsumlaufverdampfern, Kettle-Type-Verdampfern oder Dampfkesseln. Dabei kann der 1 ,4-Butindiol enthaltende Gasstrom, um die gewünschte Reaktoreingangstemperatur des Hydrierreaktors zu erreichen, weiter aufgeheizt werden. The evaporation of the 1, 4-butynediol is carried out in the presence of hydrogen-containing gas in known per se for evaporation apparatuses, for example in one or more falling-film evaporators, thin-film evaporators, Wendelrohlverdampfern, single or multi-fluid nozzles, Tubes filled with inert materials in cocurrent or countercurrent with hydrogen, natural circulation evaporators, forced circulation evaporators, kettle-type evaporators or steam boilers. In this case, the 1, 4-butynediol-containing gas stream to achieve the desired reactor inlet temperature of the hydrogenation reactor, further heated.
Als Wärmeeintragsmittel für die Verdampfung kann ein entsprechend vorgeheizter Wasserstoff enthaltender Gasstrom verwendet werden, der neben Wasserstoff noch Helium, Stickstoff und Kohlendioxid und, sofern Kreisgas aus der Hydrierung verwendet wird, Methan, Ethan, Propan, Butan, Methanol, Dimethylether, Ethanol, Propanol, Butanol, Kohlenmonoxid, THF und Wasser enthalten kann. Diese Komponenten haben einen Massenanteil am Gasstrom, der im Allge- meinen unter 50 %, bevorzugt unter 40 %, bevorzugt unter 30 %, liegt. Es ist jedoch auch möglich, einen indirekten Wärmeübergang beispielsweise durch eine elektrische Beheizung oder Wärmeträgermittel wie Dampf oder Öl, zu erzeugen. As a heat input for the evaporation, a corresponding preheated hydrogen-containing gas stream can be used in addition to hydrogen helium, nitrogen and carbon dioxide and, if cycle gas from the hydrogenation is used, methane, ethane, propane, butane, methanol, dimethyl ether, ethanol, propanol, Butanol, carbon monoxide, THF and water may contain. These components have a mass fraction of the gas stream, which is generally less than 50%, preferably less than 40%, preferably less than 30%. However, it is also possible to produce an indirect heat transfer, for example by an electric heating or heat transfer medium such as steam or oil.
Dem 1 ,4-Butandiol enthaltende Zulaufstrom zur Verdampfung können, beispielsweise wenn Hochsieder wie Cuprene und Salze im Butindiol-haltigen Strom vorhanden sind, gegenüberFor example, if high boilers such as cuprene and salts are present in the butynediol-containing stream, the feed stream for evaporation containing 1,4-butanediol can be used
Butindiol hochsiedende Komponenten zugegeben werden. Diese Hochsiedenden Komponenten verhindern ein Festwerden z.B. der Salze im Verdampfer. Diese Hochsieder können z.B. Alkohol-, Ester-, Ether-, Harnstoff-, Urethan-, Amid-haltige Substanzen sein. Beispielhaft sei Glyzerin sowie dessen Oligomere und Sokalanmarken erwähnt. Die Hochsieder, die bezogen auf Butindiol mit 0,001 bis 5 Gewichtsprozent zugegeben werden können, werden dann zusammen mit den Salzen und Cuprenen aus dem 1 ,4-Butindiol ausgeschleust und bevorzugt unter Energieerzeugung verbrannt. Butindiol high-boiling components are added. These high boiling components prevent solidification, e.g. salts in the evaporator. These high boilers may e.g. Alcohol, ester, ether, urea, urethane, amide-containing substances. By way of example, mention may be made of glycerol and its oligomers and sokalan brands. The high boilers, which can be added based on butynediol with 0.001 to 5 weight percent, are then discharged together with the salts and Cuprenen from the 1, 4-butynediol and preferably burned to produce energy.
Der im erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Katalysator weist als Aktivkomponente für die Hydrierung mindestens eines der Elemente aus den Gruppen 7 bis 11 aus dem Periodensystem der Elemente auf. Dabei können diese Elemente in Form eines oder mehrerer Metalle oder in Form niedervalenter Verbindungen dieser Metalle wie beispielsweise als Oxide, die e- benfalls hydrieraktiv sind. Von den hydrieraktiven Elementen der Gruppen 7 bis 1 1 des Periodensystems der Elemente weist der Katalysator vorzugt Mn, Re, Fe, Ru, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu und/oder Au, besonders bevorzugt Ru, Rh, Ir, Ni, Pd und/oder Pt, insbesondere bevorzugt Pd als alleinige Aktivkomponente aus den Gruppen des Periodensystems der Elemente auf. The catalyst used in the process according to the invention has as active component for the hydrogenation at least one of the elements from groups 7 to 11 from the periodic table of the elements. These elements may be in the form of one or more metals or in the form of low-valency compounds of these metals, such as, for example, as oxides, which are also hydrogenation-active. Of the hydrogenation-active elements of groups 7 to 11 of the Periodic Table of the Elements, the catalyst preferably has Mn, Re, Fe, Ru, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu and / or Au, particularly preferably Ru, Rh, Ir, Ni, Pd and / or Pt, in particular preferably Pd as the sole active component from the groups of the Periodic Table of the Elements.
M.M. Telkmar et al., Journal of Molecular Catalysis A: Chemical (2002), 187(1 ), 81-93 und R. Chaudhah et al Applied Catalysis (1987), 29(1), 141-59) offenbaren, dass Katalysatoren auf der Basis von Palladium in der Flüssigphasenhydrierung bevorzugt dann verwendet, wenn ein unvollständiger Umsatz bei der Hydrierung des 1 ,4-Butindiols erwünscht ist und 1 ,4-Butendiol das gewünschte Produkt sein soll. Es ist daher überraschend, dass Palladium-Katalysatoren gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren in der Gasphase direkt zu THF führen. Der Metallgehalt (Aktivkomponente) der im erfindungsgemäßen Verfahren verwendbaren Katalysatoren liegt in der Regel zwischen 0,001 - 100 Gew.-%. Bei Katalysatoren, die im Allgemeinen durch Metallsalzfällung hergestellt werden bei 1 - 100 Gew.-% Metallgehalt, bevorzugt 5 - 90 Gew.-%, besonders bevorzugt bei 10 - 80 Gew.-%. Bei Katalysatoren, die durch Tränkung hergestellt werden, liegt der Metallgehalt bei 0,001 bis 50 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,01 bis 20 Gew.-%, besonders bevorzugt bei 0,1 bis 10 Gew.%. MM Telkmar et al., Journal of Molecular Catalysis A: Chemical (2002), 187 (1), 81-93 and R. Chaudhah et al. Applied Catalysis (1987), 29 (1), 141-59) disclose that catalysts based on palladium in liquid phase hydrogenation is preferably used when incomplete conversion in the hydrogenation of the 1, 4-butynediol is desired and 1, 4-butenediol to be the desired product. It is therefore surprising that palladium catalysts according to the process of the invention in the gas phase lead directly to THF. The metal content (active component) of the catalysts which can be used in the process according to the invention is generally between 0.001 and 100% by weight. In the case of catalysts which are generally prepared by metal salt precipitation at 1-100% by weight of metal content, preferably 5-90% by weight, particularly preferably 10-80% by weight. For catalysts by impregnation are prepared, the metal content is from 0.001 to 50 wt .-%, particularly preferably 0.01 to 20 wt .-%, particularly preferably from 0.1 to 10 wt.%.
Die Katalysatoren, die im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden, können zusätzlich mindestens ein Element oder Elementverbindung ausgewählt aus den Elementen der 1. bis 16. Gruppe des Periodensystems der Elemente und der Lanthanoiden enthalten. Diese Elemente oder Elementverbindungen können herstellungsbedingt enthalten oder auch gezielt zugesetzt werden, beispielsweise als Promotor für die Reaktion und/oder als Träger für die Aktivkomponente. Der im erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Katalysator ist bevorzugt ein Trägerkatalysator.  The catalysts used in the process according to the invention may additionally contain at least one element or element compound selected from the elements of groups 1 to 16 of the Periodic Table of the Elements and the lanthanides. These elements or element compounds may contain or may also be added deliberately, for example as a promoter for the reaction and / or as a carrier for the active component. The catalyst used in the process according to the invention is preferably a supported catalyst.
Der Promotorgehalt des Katalysators kann bis 25 Gew.-%, bevorzugt 0,001 bis 15 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,01 bis 13 Gew.-% betragen. Beispielhaft seien genannt Alkali- oder Erdalkalimetallkomponenten wie Hydroxide, Oxide, Carbonate oder Salze von organischen oder anorganischen Säuren, z.B. um die basische Eigenschaften der Katalysatoren zu variieren. Weiterhin können Schwefel-, Phosphor-, Silizium- und Aluminiumkomponenten dazu dienen, Katalysatoren in ihrer Säureeigenschaft zu modifizieren. Beispielsweise können Schwefelsäure oder Phosphorsäure auf dem Katalysator verankert sein. Insbesondere bei Katalysatoren auf Basis Kohlenstoff, z.B. Aktivkohlen, kann die saure Eigenschaft des Trägers auch dadurch eingestellt werden, indem die Kohle beispielsweise mit Salz-, Schwefel-, Phosphor-, oder Salpetersäure behandelt wird. Dies kann vor oder nach der Tränkung mit Aktivkomponente gesche- hen, bevorzugt vorher. The promoter content of the catalyst may be up to 25 wt .-%, preferably 0.001 to 15 wt .-%, particularly preferably 0.01 to 13 wt .-% amount. Examples include alkali or alkaline earth metal components such as hydroxides, oxides, carbonates or salts of organic or inorganic acids, e.g. to vary the basic properties of the catalysts. Furthermore, sulfur, phosphorus, silicon and aluminum components can serve to modify catalysts in their acidity. For example, sulfuric acid or phosphoric acid may be anchored to the catalyst. Especially in the case of catalysts based on carbon, e.g. Activated carbon, the acidic property of the carrier can also be adjusted by the coal is treated, for example, with hydrochloric, sulfuric, phosphoric or nitric acid. This can take place before or after the impregnation with active component, preferably before.
Als Katalysatoren können Fällungs-, Träger-, oder Raney-Typ-Katalysatoren verwendet werden, deren Herstellung beispielsweise in Ullmanns, Encyclopädie der technischen Chemie, 4. Auflage, 1977, Band 13, Seiten 558-665 beschrieben ist. As catalysts precipitation, carrier, or Raney type catalysts can be used, the preparation of which is described for example in Ullmanns, Encyclopedia of Industrial Chemistry, 4th Edition, 1977, Volume 13, pages 558-665.
Als Trägermaterialien der im erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt verwendeten Trägerkatalysatoren können beispielsweise Aluminiumoxide, Titanoxide, Zirkoniumdioxid, Siliciumdioxi- de, Siliciumcarbid, Schichtsilikate, Tonerden, z.B. Montmorillonite, Silikate wie Magnesiumoder Aluminiumsilikate, Zeolithe sowie Aktivkohlen verwendet werden. Bevorzugte Trägermate- rialien sind Aluminiumoxide, Titandioxide, Siliciumdioxid, Zirkoniumdioxid und Aktivkohlen. As carrier materials of the supported catalysts preferably used in the process according to the invention, for example, aluminum oxides, titanium oxides, zirconium dioxide, silicon dioxides, silicon carbide, phyllosilicates, clays, e.g. Montmorillonite, silicates such as magnesium or aluminum silicates, zeolites and activated carbons are used. Preferred support materials are aluminas, titanium dioxides, silica, zirconia and activated carbons.
Selbstverständlich können auch Mischungen verschiedener Trägermaterialien als Träger für im erfindungsgemäßen Verfahren anwendbare Katalysatoren dienen.  Of course, mixtures of different carrier materials can also serve as carriers for catalysts which can be used in the process according to the invention.
Diese Träger können auch bereits fertige Monolithe, z.B. aus Keramik, Si02, Al203 usw. sein oder z.B. gewellte Flächen, die später so zusammengerollt werden, dass sie eine zylindrische Form ergeben, die durchströmt werden kann oder z.B. Drahtgestricke, die ebenfalls in Form gebracht werden können. These carriers may also be already finished monoliths, for example made of ceramic, Si0 2 , Al 2 0 3 , etc., or, for example, corrugated surfaces, which are later rolled up so that they give a cylindrical shape that can be flowed through or, for example, wire mesh, which also can be brought into shape.
Als Katalysatoren für die erfindungsgemäße Hydrierung von 1 ,4-Butindiol zu THF eignen sich heterogene Katalysatoren, die bevorzugt als Formkörper eingesetzt werden. Unter den Formkörper werden in dieser Anmeldung beispielsweise Splitt, Stränge und Tabletten verstanden. Diese Formkörper können zur Erhöhung der Oberfläche auch Hohlkörper sein, wie zum Beispiel Hohlzylinder, Sterne und Triloben. Bevorzugt werden im erfindungsgemäßen Verfahren Kataly- satoren in Form von Splitt, Tabletten und Stränge verwendet. Dabei haben diese Formkörper Durchmesser von 0,1 - 20 mm. Bevorzugt sind 1 - 10 mm, besonders bevorzugt 1 ,5 - 7 mm. Die Länge der Katalysatorkörper ist unkritisch, sollte den Durchmesser aber im Allgemeinen nicht unterschreiten. Bevorzugte Längen der Katalysatorformkörper liegen bei 1 - 50 mm. Suitable catalysts for the inventive hydrogenation of 1, 4-butynediol to THF are heterogeneous catalysts, which are preferably used as moldings. Among the shaped bodies are understood in this application, for example, grit, strands and tablets. These moldings can also be hollow bodies to increase the surface, such as hollow cylinders, stars and trilobes. In the process according to the invention, preference is given to used in the form of chippings, tablets and strands. These moldings have diameters of 0.1 - 20 mm. Preference is given to 1 to 10 mm, more preferably 1 to 5 to 7 mm. The length of the catalyst body is not critical, but should generally not be less than the diameter. Preferred lengths of the shaped catalyst bodies are 1-50 mm.
Die Herstellung der erfindungsgemäß verwendeten Trägerkatalysatoren erfolgt durch das Aufbringen der Aktivkomponente oder auch der Kombinationen von Aktivkomponenten, die zusammen oder hintereinander aufgebracht werden können. Das Aufbringen kann nach an sich bekannten verfahren beispielsweise durch Tränken, Fällen, sputtern erfolgen. Die Aktivkomponenten liegen im Allgemeinen als dünne Schicht auf dem Träger. Im Falle der Aufbringung durch Sputtern liegt dabei der Gehalt an Aktivmaterial bezogen auf den Träger auch unter 0,001 Gew.%. Bevorzugt ist hier ein Gehalt an Aktivkomponente von 0,00001 - 0,5 Gew.-%. The preparation of the supported catalysts used according to the invention is carried out by applying the active component or else the combinations of active components which can be applied together or one behind the other. The application can be carried out according to methods known per se, for example by impregnation, precipitation, sputtering. The active components are generally in the form of a thin layer on the support. In the case of application by sputtering while the content of active material based on the carrier is less than 0.001 wt.%. Preferred here is a content of active component of 0.00001 to 0.5 wt .-%.
Weiterhin sind Raney-Typ-Katalysatoren, beispielsweise Raney-Nickel, Raney-Kupfer, Raney- Kobalt, Raney-Nickel/Molybdän, Raney-Nickel/Kupfer, Raney-Nickel/Chrom, Raney- Nickel/Chrom/Eisen, Raney-Nickel/Palladium oder Rhenium-Schwamm für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet. Raney-Nickel/Molybdän-Katalysatoren können beispielsweise nach dem in der US-A 4 153 578 beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Diese Katalysatoren werden aber auch beispielsweise von der Firma Degussa , 63403 Hanau, Deutschland vertrieben. Ein Raney-Nickel-Chrom-Eisen-Katalysator wird beispielsweise unter der Handelsbezeich- nung Katalysator Typ 1 1 112 W® von der Firma Degussa vertrieben. Furthermore, Raney type catalysts, for example Raney nickel, Raney copper, Raney cobalt, Raney nickel / molybdenum, Raney nickel / copper, Raney nickel / chromium, Raney nickel / chromium / iron, Raney nickel / Palladium or rhenium sponge suitable for the inventive method. Raney nickel / molybdenum catalysts can be prepared, for example, by the method described in US-A 4,153,578. However, these catalysts are also marketed, for example, by the company Degussa, 63403 Hanau, Germany. A Raney nickel-chromium-iron catalyst is marketed, for example, under the trade name Catalyst Type 1 1 112 W® by Degussa.
Die Raney-Katalysatoren werden ebenfalls bevorzugt als Formkörper verwendet. z.B. tablettiert oder verstrangt, jedoch ist es ebenso möglich, Legierungsgranulat so mit z.B. Natronlauge zu behandeln, dass nur eine äußere Schicht des Korns ausgelaugt wird und die aktive Raney- Schicht freisetzt. Solche Körner haben dann beispielsweise Durchmesser zwischen 1 und 10 mm.  The Raney catalysts are also preferably used as moldings. e.g. tableted or extruded, however, it is also possible to add alloy granules to e.g. Treat caustic soda so that only an outer layer of the grain is leached and releases the active Raney layer. Such grains then have, for example, diameters between 1 and 10 mm.
Bei der Verwendung von Fäll- oder Trägerkatalysatoren werden diese bevorzugt vor Beginn der Reaktion bei 20 bis 500°C im Wasserstoff- bzw. Wasserstoff/Inertgas-Strom reduziert, dies kann beispielsweise bereits beim Aufheizen des Reaktors auf Starttemperatur in Gegenwart von Wasserstoff erfolgen. Die Reduktionstemperatur richtet sich nach dem gewünschten Re- duktionsgrad und der für die Aktivkomponente notwendige Temperatur. So benötigt Pd, das beispielsweise als PdO auf einem Träger vorliegt, Temperaturen von 20 - 100°C, Co-Oxide dagegen 200 - 300°C zur Aktivierung mit Wasserstoff. Diese Reduktion kann direkt im Hydrier- Reaktor durchgeführt werden. Falls die Reduktion in einem separaten Reaktor durchgeführt wird, können die Katalysatoren vor dem Ausbau bei z.B. 30°C mit sauerstoffhaltigen Gasgemi- sehen oberflächlich passiviert werden. Die passivierten Katalysatoren können in diesem Fall im Hydrier-Reaktor vor dem Einsatz in einem Stickstoff/Wasserstoffstrom bei z.B. 180°C aktiviert oder auch ohne Aktivierung eingesetzt werden.  When using precipitated or supported catalysts, these are preferably reduced before the beginning of the reaction at 20 to 500 ° C in the hydrogen or hydrogen / inert gas stream, this can be done for example already during heating of the reactor to start temperature in the presence of hydrogen. The reduction temperature depends on the desired degree of reduction and the temperature required for the active component. Thus, Pd, which is present for example as PdO on a support, temperatures of 20 - 100 ° C, co-oxides, however, 200-300 ° C for activation with hydrogen. This reduction can be carried out directly in the hydrogenation reactor. If the reduction is carried out in a separate reactor, the catalysts may be removed before being removed at e.g. 30 ° C with oxygen-containing gas mixtures see surface passivated. The passivated catalysts in this case may be used in the hydrogenation reactor prior to use in a nitrogen / hydrogen stream at e.g. 180 ° C activated or used without activation.
Für das erfindungsgemäße Verfahren kann ein Typ von Katalysator eingesetzt werden. Es ist aber auch möglich Mischungen mehrerer Katalysatoren zu verwenden. Diese Mischungen können als quasi-homogene Mischung vorliegen oder als sogenannte strukturierte Schüttung, bei der einzelne Reaktionszonen mit quasi homogener Katalysatorschüttung vorhanden sind. Es ist auch möglich, die Methoden zu kombinieren, d.h. beispielsweise am Anfang der Reaktion einen Katalysatortyp, weiter hinten eine Mischung zu verwenden. For the process according to the invention, one type of catalyst can be used. But it is also possible to use mixtures of several catalysts. These mixtures can be present as a quasi-homogeneous mixture or as a so-called structured bed, in which individual reaction zones with quasi-homogeneous catalyst bed are present. It is also possible to combine the methods, ie, for example, at the beginning of the reaction, a type of catalyst to use a mixture further back.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zusätzlich zu mindestens einem der zuvor beschriebenen Katalysatoren, die als Aktivkomponente für die Hydrierung mindestens eines der Elemente aus den Gruppen 7 bis 1 1 aus dem Periodensystem der Elemente aufweist, ein saurer Katalysator verwendet, der keine Hydriereigenschaften besitzt, aber 1 ,4-Butandiol zu THF und Wasser umzusetzen vermag. Als saurer Katalysator können in dieser besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens Alumini- umoxide, Titanoxide, Zirkoniumdioxide, Siliciumdioxide, Schichtsilikate, Tonerden, z.B. Montmo- rillonite, Silikate wie Magnesium- oder Aluminiumsilikate, Zeolithe sowie azidifizierte Aktivkohlen eingesetzt werden. Zur Verstärkung der Azidität können die üblichen Methoden angewandt werden, z.B. Aufbringen von Schwelfel- oder Phosphorsäure. Dabei ist es wichtig, dass keine basisch wirkenden Komponenten wie Amine oder ggf. flüchtige oder mitgerissene Salze, die die sauren Zentren neutralisieren können, auf den sauren Katalysator kommen. In a preferred embodiment of the process according to the invention, in addition to at least one of the catalysts described above, which comprises at least one of the elements from groups 7 to 11 from the Periodic Table of the Elements as the active component for the hydrogenation, an acidic catalyst which has no hydrogenation properties is used , but is able to convert 1, 4-butanediol to THF and water. As the acid catalyst, in this particular embodiment of the process according to the invention, aluminum oxides, titanium oxides, zirconium dioxides, silicas, phyllosilicates, clays, e.g. Montmorillonites, silicates such as magnesium or aluminum silicates, zeolites and acidified activated carbons. To enhance acidity, the usual methods can be used, e.g. Application of sulfuric or phosphoric acid. It is important that no basic components such as amines or possibly volatile or entrained salts, which can neutralize the acidic sites, come on the acidic catalyst.
Für die großtechnische Umsetzung der Hydrierung gibt es eine Reihe von Möglichkeiten. Nach Verdampfen des 1 ,4-Butindiols bzw. des 1 ,4-Butindiol-haltigen Stromes, bevorzugt mittels Was- serstoffstrom und Erhitzen, gelangt der Butindiol-haltige Gasstrom in den Hydrierreaktor. Nach der Hydrierung wird der Gasstrom abgekühlt, Produkt von Wasserstoff weitgehend getrennt und der Produktstrom weiter aufgearbeitet. Der verbliebene Wasserstoff wird zum Teil ausgeschleust, ein Teil, bevorzugterweise als Kreisgas, rückgeführt. There are a number of possibilities for the large-scale implementation of hydrogenation. After evaporation of the 1, 4-butynediol or the 1, 4-butynediol-containing stream, preferably by means of hydrogen flow and heating, the butynediol-containing gas stream passes into the hydrogenation reactor. After the hydrogenation, the gas stream is cooled, the product is largely separated from hydrogen and the product stream is further worked up. The remaining hydrogen is partially removed, a part, preferably recycled as recycle gas.
Zur Hydrierung wird ein Frisch-Wasserstoff enthaltender Gasstrom verwendet, der neben Was- serstoff z.B. noch Helium, Stickstoff und Kohlendioxid, mit einem Massenanteil am Gasstrom, der im Allgemeinen unter 5 %, bevorzugt unter 1 %, besonders bevorzugt unter 0,5 %, liegt, enthalten kann. For the hydrogenation, a fresh hydrogen-containing gas stream is used, which in addition to hydrogen, e.g. nor helium, nitrogen and carbon dioxide, with a mass fraction of the gas stream, which is generally less than 5%, preferably less than 1%, more preferably less than 0.5%.
Die Katalysatorbelastung der erfindungsgemäßen Hydrierung liegt im Allgemeinen bei 0,01 bis 3 kg 1 ,4-Butindiol (I Katalysator»h). Bevorzugt sind Katalysatorbelastungen von 0,05 bis 2, besonders bevorzugt 0,1 bis 1 kg 1 ,4-Butindiol / 1 Katalysator» h. The catalyst loading of the hydrogenation according to the invention is generally from 0.01 to 3 kg of 1, 4-butynediol (I catalyst » h). Catalyst loadings of 0.05 to 2, particularly preferably 0.1 to 1 kg 1, 4-butynediol / 1 catalyst »h are preferred.
Das molare Verhältnis von durch Hydrierung chemisch zu verbrauchenden Wasserstoff zu eingesetztem 1 ,4-Butindiol beträgt für die vorteilhafte Umsetzung mindestens 2 zu 1 , bevorzugt 2 bis 4 zu eins. Nach der Reaktion kann überschüssiger Wasserstoff ausgeschleust werden. Bevorzugt ist es, beim Verdampfen bzw. während der Reaktion ein höheres molares Verhältnis zwischen Wasserstoff und Butindiol bzw. seinen Reaktionsprodukten zu haben, beispielsweise von 4 bis 400 zu 1 , bevorzugt 20 bis 300 zu 1 , besonders bevorzugt 40 bis 200 zu 1. Dies erreicht man durch die bevorzugte Kreisgasfahrweise, bei der mindestens ein Teil des Wasserstoffs bzw. des Wasserstoff enthaltenen Gasstroms im Kreis gefahren. Die chemisch durch die Hydrierung sowie durch Ausschleusung verbrauchte Wasserstoffmenge wird ergänzt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Teil des Kreisgases ausgeschleust, um Inert- Verbindungen zu entfernen. Der im Kreis geführte Wasserstoff kann auch zum Verdampfen des 1 ,4-Butindiolstroms im erfindungsgemäßen Verfahren genutzt werden. The molar ratio of hydrogen to be consumed by hydrogenation to 1,4-butynediol used is at least 2: 1, preferably 2 to 4: 1, for the advantageous reaction. After the reaction, excess hydrogen can be discharged. It is preferred, during evaporation or during the reaction, to have a higher molar ratio between hydrogen and butynediol or its reaction products, for example from 4 to 400 to 1, preferably from 20 to 300 to 1, particularly preferably from 40 to 200 to 1. Dies can be achieved by the preferred cycle gas mode in which at least a portion of the hydrogen or hydrogen gas stream contained in the circuit. The amount of hydrogen consumed chemically by the hydrogenation and by discharge is supplemented. In a preferred embodiment, a portion of the recycle gas is discharged to inert Remove connections. The recirculated hydrogen can also be used to evaporate the 1, 4-butynediol in the process of the invention.
Die Ausschleusrate von Wasserstoff, gerechnet als Anteil am chemisch durch Hydrierung ver- brauchten Wasserstoff, liegt bei 100 bis 0,1 %. Bevorzugt sind 50 bis 0,2 %, besonders bevorzugt bei 20 bis 0,3 %. Je geringer, desto weniger Wasserstoff wird ausgeschleust, desto wirtschaftlicher ist das Verfahren. Die Ausschleusung kann einerseits durch Abgas erfolgen, andererseits auch durch den gelösten Anteil an Wasserstoff im abgekühlten, flüssigen Produktstrom. Die Ausschleusung erfolgt, um gezielt Inerte oder Nebenkomponenten auszuschleusen. Inerte können beispielsweise durch den Wasserstoff mit eingebracht werden, z.B. He, N2, C02. Nebenkomponenten können beispielsweise Methan, Ethan, Propan, Butan, Methanol, Dimethyle- tehr, Ethanol, Propanol, Butanol und Kohlenmonoxid sein, die sich in der Reaktion bilden. Weitere Komponenten im Kreisgasstrom können gewünschte Reaktionsprodukte sein wie THF sowie Wasser. Es ist vorteilhaft, wenn die Inerte, Produkte, Wasser und Nebenkomponenten nicht zu konzentriert im Kreisgas vorhanden sind, da sie den Partialdruck von Wasserstoff herabsetzen. Sie sollten im Kreisgas einen Anteil von unter 50 % haben. Ein Sonderfall stellt Kohlenmonoxid, gegebenenfalls auch Kohlendioxid dar, da diese die Aktivität der Aktivkomponenten herabsetzen können. Der Anteil von Kohhlenmonoxid und/oder Kohlendioxid am Kreisgas sollte deshalb möglichst unter 10%, bevorzugt unter 5 %, besonders bevorzugt unter 1 % liegen. Ein erheblicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, dass im Kreisgas enthalte- nesTHF sich nicht oder nur sehr unwesentlich zersetzt. Es wurde überraschend festgestellt, dass THF selbst beim zweiten Durchgang durch den Katalysator zu mindestens 99% unverändert bleibt. Ein vollständiges Auskondensieren des Produkts ist zwar wünschenswert, jedoch ist aufgrund der beschriebenen Stabilität des THFs die minimale Kondensationstemperatur, die man zum Auskondensieren des Produktstroms benötigt, nicht kritisch, wodurch sich Energie einsparen lässt. Die Kondensationstemperatur liegt im Allgemeinen bei -78°C bis 70°C, bevorzugt zwischen -15°C und 40°C, besonders bevorzugt zwischen -10°C und 30°C. The discharge rate of hydrogen, calculated as a proportion of the hydrogen chemically consumed by hydrogenation, is 100 to 0.1%. Preferred are 50 to 0.2%, more preferably 20 to 0.3%. The lower, the less hydrogen is removed, the more economical the process. The discharge can be done on the one hand by exhaust gas, on the other hand, by the dissolved portion of hydrogen in the cooled, liquid product stream. The discharge takes place in order to discharge inert or secondary components. Inerts may be introduced, for example, by the hydrogen, e.g. Hey, N2, C02. Secondary components may be, for example, methane, ethane, propane, butane, methanol, dimethylethanol, ethanol, propanol, butanol and carbon monoxide, which form in the reaction. Other components in the recycle gas stream may be desired reaction products such as THF and water. It is advantageous if the inerts, products, water and minor components are not too concentrated in the recycle gas because they reduce the partial pressure of hydrogen. They should have a share of less than 50% in the recycle gas. A special case is carbon monoxide, possibly also carbon dioxide, since these can reduce the activity of the active components. The proportion of carbon monoxide and / or carbon dioxide in the cycle gas should therefore be less than 10%, preferably less than 5%, particularly preferably less than 1%. A considerable advantage of the method according to the invention is that THF contained in the circulating gas does not decompose or only very slightly decomposes. It has surprisingly been found that THF remains unchanged at least 99% even on the second pass through the catalyst. Although complete condensation of the product is desirable, the minimum condensation temperature needed to condense the product stream is not critical due to the described stability of the THF, which can save energy. The condensation temperature is generally from -78 ° C to 70 ° C, preferably from -15 ° C to 40 ° C, more preferably from -10 ° C to 30 ° C.
Die Temperaturführung im Hydrierreaktor erfolgt bevorzugt so, dass die Temperatur entlang zumindest der Länge des Katalysatorbetts ansteigt und zwar unabhängig vom verwendeten Reaktortyp. Würde man eine Abkühlung entlang des Katalysatorbetts herbeiführen, vor allem in der ersten Zone des Katalysators, so bestünde die Gefahr von Kondensation, die dann zur De- aktivierung des Katalysators durch Verkokung führen würde. Die Temperaturerhöhung zumindest entlang des ersten Viertels des Katalysatorbetts liegt bei 1 - 100°C, bevorzugt sind 2 bis 80°C, besonders bevorzugt 5 bis 60°C. Nach Erreichen der Maximaltemperatur kann, je nach Reaktortyp (z.B. Rohrbündelreaktor), die Reaktionstemperatur wieder fallen. Dabei versteht man als Eingangstemperatur, die Temperatur des Gasstroms, mit der dieser auf den Katalysator trifft. Nach Verlassen des Katalysatorbetts bzw. des Hydrierreaktors wird der Gasstrom (Hydrieraus- trag) ein- oder mehrstufig so weit abgekühlt, dass sich eine Flüssigphase , das Produktgemisch, bildet. Dies geschieht bevorzugt auf dem gleichen Druckniveau wie die Reaktion selbst. Die Abkühlung kann über Luft- und Wasserkühler, Kälteanlagen oder andere technische Hilfsmittel erfolgen. The temperature control in the hydrogenation reactor is preferably carried out so that the temperature along at least the length of the catalyst bed increases, regardless of the type of reactor used. If one were to induce a cooling along the catalyst bed, especially in the first zone of the catalyst, there would be the danger of condensation, which would then lead to the deactivation of the catalyst by coking. The temperature increase at least along the first quarter of the catalyst bed is 1 - 100 ° C, preferably 2 to 80 ° C, particularly preferably 5 to 60 ° C. After reaching the maximum temperature, depending on the reactor type (eg tube bundle reactor), the reaction temperature may drop again. This is understood as the inlet temperature, the temperature of the gas stream, with which this meets the catalyst. After leaving the catalyst bed or the hydrogenation reactor, the gas stream (hydrogenation output) is cooled in one or more stages to the extent that a liquid phase, the product mixture, is formed. This is preferably done at the same pressure level as the reaction itself. Cooling can take place via air and water coolers, refrigeration systems or other technical aids.
Als Reaktor bzw. als Reaktortypen für die erfindungsgemäße Hyrierung in der Gasphase lassen sich beispielsweise Rohrbündelreaktoren, Schachtreaktoren oder Wirbelbettreaktoren einsetzen. Eine Besonderheit wäre der Mirkroreaktor, der besonders dann vorteilhaft ist, wenn man die Wärme der Reaktion sehr effizient entfernen will, um die Temperatur der Reaktion möglicht konstant zu halten. Die einzelnen Reaktoren bzw. Reaktortypen können auch als Kombination verwendet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt kontinuierlich durchge- führt. As a reactor or as reactor types for the inventive hyration in the gas phase, for example, tube bundle reactors, shaft reactors or fluidized bed reactors can be used. A special feature would be the microcrystalline reactor, which is particularly advantageous if you want to remove the heat of the reaction very efficiently in order to keep the temperature of the reaction as constant as possible. The individual reactors or reactor types can also be used as a combination. The process according to the invention is preferably carried out continuously.
Vor der Aufarbeitung wird das flüssige Produktgemisch im Allgemeinen auf ein niedrigeres Druckniveau entspannt, sofern die Hydrierreaktion unter Druck durchgeführt wurde, beispielsweise auf 0,1 bis 0,5 MPa absolut. Dabei wird gelöstes wasserstoffhaltiges Gas frei, das entwe- der ausgeschleust oder rückgeführt wird. Before working up, the liquid product mixture is generally depressurized to a lower pressure level, provided that the hydrogenation reaction was carried out under pressure, for example to 0.1 to 0.5 MPa absolute. In the process, dissolved hydrogen-containing gas is released, which is either discharged or recycled.
Anschließend kann das flüssige Produktgemisch nach bekannten Methoden, bevorzugt destilla- tiv aufgetrennt werden. Bei industriellen (großtechnischen) Verfahren, erfolgt die Auftrennung bevorzugt kontinuierlich in mehreren Kolonnen. Eine Aufarbeitung kann beispielsweise wie folgt gestaltet werden: Der flüssige Hydrieraustrag gelangt in eine erste Kolonne (a), bei der alles THF zusammen mit Wasser, bevorzugt nur dem Teil an Wasser, der dem THF/Wasser- Subsequently, the liquid product mixture can be separated by known methods, preferably distillatively. In industrial (large-scale) processes, the separation is preferably carried out continuously in several columns. A work-up can for example be designed as follows: The liquid hydrogenation product passes into a first column (a), in which all THF together with water, preferably only the portion of water which is the THF / water
Azeotrop beim eingestellten Druck entspricht und anderen Leichtsiedern bei Drücken von 0,05 bis 0,3 MPa absolut von den höhersiedenden Komponenten abgetrennt werden. Der THF- haltige Strom wird in einer zweiten Kolonne (b), bevorzugt bei Drücken oberhalb der ersten, beispielsweise bei 0.15 bis 1 ,5 MPa absolut weiter aufgetrennt. Das dabei anfallende Azeotrope at the set pressure corresponds to other low boilers at pressures of 0.05 to 0.3 MPa are separated from the absolute higher boiling components. The THF-containing stream is separated further in a second column (b), preferably at pressures above the first, for example at 0.15 to 1.5 MPa. The resulting
THF/Wasser-Leichtsiederazeotrop kann dabei ganz oder auch nur teilweise in die erste Kolonne rückgeführt werden. Vorhandene Leichtsieder, wie z.B. Methanol, können am Kopf der Kolonne ganz oder teilweise ausgeschleust werden. Da diese Leichtsieder, beispielsweise Methanol, noch THF enthalten, kann dieses Gemisch, je nach Menge, in einer oder mehreren separaten Kolonne(n) noch weiter aufgetrennt werden. Das hochsiedende Produkt der Kolonne (b), THF, kann bereits als solches verkaufsfähig sein, sofern man Reinheiten über 99,9% möchte, in einer weiteren Kolonne feingereinigt werden. Das hochsiedende Produkt der Kolonne (a) das meist überwiegend aus Wasser besteht, kann beispielsweise der Entsorgung zugeführt werden (Kläranlage oder Verbrennung). THF / water low-boiling azeotrope can be completely or only partially recycled to the first column. Existing low-boiling components, such as e.g. Methanol, can be completely or partially discharged at the top of the column. Since these low boilers, for example, methanol, still contain THF, this mixture, depending on the amount, in one or more separate column (s) can be further separated. The high-boiling product of the column (b), THF, can already be salable as such, if you want purities over 99.9%, be finely purified in another column. The high-boiling product of the column (a) which mostly consists mainly of water, can for example be disposed of (sewage treatment plant or incineration).
Eine Variante dieser Aufarbeitung ist, vor allem wenn Methanolgehalte im Hydrieraustrag > 0,2 % vorliegen, das Methanol in der Kolonnenkombination (a) + (b) durch Rückführung eines A variant of this workup is, especially if methanol contents in the hydrogenation> 0.2% are present, the methanol in the column combination (a) + (b) by recycling a
THF/Methanol-haltigen Leichtsiederstroms aus (b) in (a) so lange aufzupegeln, bis kein Wasser mehr aus Kolonne (a) zusammen mit dem Methanol/THF-Azeotrop in die Kolonne (b) übergeht. Dadurch wird alles Wasser, zusammen mit überschüssigem Methanol, über den Sumpf der Kolonne (a) ausgeschleust. (B) in (a) until the water stops flowing from column (a) into the column (b) together with the methanol / THF azeotrope (b) in THF / methanol-containing low-boiler stream. As a result, all water, together with excess methanol, discharged via the bottom of the column (a).
Sofern noch Wertprodukte enthalten sind, wie z.B. 1 ,4-Butandiol und/oder gamma Butyrolacton, so können diese entweder rein isoliert werden oder nach Abtrennung von Wasser und anderen unerwünschten Komponenten wie Propanol und Butanol, in die Reaktion rückgeführt werden. Eine bevorzugte Variante ist, den Hochsiederstrom der Kolonne (a), sofern er noch 1 ,4- Butandiol enthält, mittels eines saueren Katalysators so zu behandeln, dass das Butandiol zu THF cyclisiert wird. Dies kann mit dem hochsiedenden Strom der Kolonne (a) direkt erfolgen, oder auch nach Abtrennung von Komponenten, damit das Butandiol in konzentrierter Form vor- liegt. Katalysatoren für diese Cyclisierung können homogen gelöst oder heterogen als Suspension oder fest angeordnet sein. Die Cyclisierung kann bei fest angeordneten Katalysatoren in Gas- oder Flüssigphase erfolgen, ansonsten in der Flüssigphase. Die Temperaturen hierbei liegen im Bereich von 80 bis 300°C, bevorzugt bei 90 bis 250°C. Als Katalysatoren seinen anorganische Säuren, wie z.B. Schwefelsäure, Phosphorsäure oder Heteropolysäuren wie Wolfra- matophosphorsäure, organische Säuren wie Sulfonsäuren, saure lonentauscherharze und saure, anorganische Feststoffe wie Zeolithe, Metalloxide wie S1O2 oder AI2O3, Metallmischoxide wie Montmorillonite genannt. If any desired value products are included, such as, for example, 1, 4-butanediol and / or gamma butyrolactone, they can either be isolated in pure form or, after removal of water and other undesirable components such as propanol and butanol, are recycled to the reaction. A preferred variant is to treat the high-boiler stream of the column (a), if it still contains 1, 4-butanediol, by means of an acid catalyst in such a way that the butanediol is cyclized to THF. This can be done directly with the high-boiling stream of the column (a), or even after separation of components, so that the butanediol is present in concentrated form. Catalysts for this cyclization can be homogeneously dissolved or heterogeneous as a suspension or fixed. The cyclization can take place in fixed catalysts in gas or liquid phase, otherwise in the liquid phase. The temperatures here are in the range of 80 to 300 ° C, preferably at 90 to 250 ° C. As catalysts of its inorganic acids, such as sulfuric acid, phosphoric acid or heteropolyacids such as dibromophosphoric, organic acids such as sulfonic acids, acidic ion exchange resins and acidic, inorganic solids such as zeolites, metal oxides such as S1O2 or AI2O3, called metal mixed oxides such as montmorillonites.
Die Qualität des THFs orientiert sich an den marktüblichen Standards. So genügt das THF den üblichen geforderten GC-Reinheiten, den Färb- und sonstigen Kennzahlen. The quality of the THF is based on market standards. Thus, the THF meets the usual required GC purities, the color and other key figures.
Die Erfindung soll an den nachfolgenden Beispielen näher erläutert werden. The invention will be explained in more detail in the following examples.
Beispiele Die Analytik des Produkts erfolgte durch Gaschromatographie. Die angegebenen Produktzusammensetzungen sind allesamt wasserfrei gerechnet. Das eingesetzte 1 ,4-Butindiol ist durch Umsetzung von Acetylen mit Formaldehyd an Cu/Bi-Katalysatoren nach Reppe hergestellt worden. Das eingesetzte technische 1 ,4-Butindiol wies 50 Gew.-% Butindiol, 47 Gew.-% Wasser, 1 Gew.-% Formaldehyd, ca. 1 % Propinol sowie geringe Mengen weiterer Komponenten wie Cuprene, Cu-Verbindungen, Salze wie Natriumformiat auf. Das reine 1 ,4-Butindiol lag alsExamples The analysis of the product was carried out by gas chromatography. The product compositions given are all calculated to be anhydrous. The 1, 4-butynediol used was prepared by reacting acetylene with formaldehyde on Cu / Bi catalysts according to Reppe. The technical 1, 4-butynediol used had 50 wt .-% butynediol, 47 wt .-% water, 1 wt .-% formaldehyde, about 1% propynol and small amounts of other components such as cuprene, Cu compounds, salts such as sodium on. The pure 1,4-butynediol was as
40%ige wässrige Lösung vor. Der angegebene Umsatz ist der des eingesetzten 1 ,4-Butindiols. Die Selektivitätsangaben berücksichtigen noch zu hydrierendes 1 ,4-Butindiol bzw. Zwischenprodukt. Dabei wurden als Zwischenprodukte 1 ,4-Butendiol, 4-Hydroxybutyraldehyd und daraus abgeleitete Acetale, gamma-Butyrolcaton (GBL) bzw. Butandiol (BDO) als noch zu THF zu hyd- rierende bzw. umzusetzende Verbindungen mit berücksichtigt. 40% aqueous solution before. The indicated conversion is that of the used 1,4-butynediol. The selectivity data still take into account 1, 4-butynediol or intermediate to be hydrogenated. In this case, as intermediates 1, 4-butenediol, 4-hydroxybutyraldehyde and acetals derived therefrom, gamma-butyrolactone (GBL) or butanediol (BDO) were taken into account as compounds still to be hydrogenated or reacted to give THF.
Beispiel 1 example 1
Im Beispiel wurde mit reinem 1 ,4-Butindiol als 40%ige wässrige Lösung bei Normaldruck hydriert. Diese 1 ,4-Butindiol-Lösung wurde kontinuierlich in ein von außen beheiztes Reaktorrohr (Durchmesser 2,7 cm) gepumpt. Das Rohr war im oberen Bereich mit Glasringen bestückt (30 ml). Diese Zone diente als Verdampferstrecke, in der Butindiol/Wasser und Wasserstoff (300 Liter/h) auf die in Tabelle 1 angegebene Hydriertemperatur aufgeheizt und dampfförmig auf eine zweite Zone (Hydrierzone) im Reaktorrohr, in dem sich der in Tabelle 1 angegebene Katalysator befand (20 ml), geleitet wurde. Nach dem Reaktorrohr wurde der gasförmige Reaktor- austrag auf ca. 20°C abgekühlt und auskondensierendes Produkt aufgefangen. Das Abgas wurde durch eine Kühlfalle bei - 78°C geleitet und dabei weiteres Produkt auskondensiert. Die beiden Kondensate wurden zum Zwecke der Analytik vereinigt. Der Katalysator wurde vor der Reaktion im Wasserstoffstrom aktiviert. Das Ergebnis ist in Tabelle 1 zusammengestellt. Tabelle 1 : In the example, hydrogenation was carried out with pure 1,4-butynediol as a 40% strength aqueous solution at normal pressure. This 1, 4-butynediol solution was pumped continuously into an externally heated reactor tube (diameter 2.7 cm). The tube was fitted with glass rings at the top (30 ml). This zone was used as the evaporator section, in which butynediol / water and hydrogen (300 liters / h) heated to the hydrogenation temperature indicated in Table 1 and a vapor on a second zone (hydrogenation zone) in the reactor tube, in which the catalyst indicated in Table 1 was ( 20 ml) was passed. After the reactor tube, the gaseous reactor discharge was cooled to about 20 ° C and collected auskondensierendes product. The exhaust gas was passed through a cold trap at - 78 ° C while further condensed out product. The two condensates were combined for the purpose of analysis. The catalyst was activated prior to the reaction in a hydrogen stream. The result is summarized in Table 1. Table 1 :
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1 THF = Tetrahydrofuran 1 THF = tetrahydrofuran
2 BDO = 1 ,4-Butandiol  2 BDO = 1, 4-butanediol
3 GBL = gamma-Butyrolacton  3 GBL = gamma-butyrolactone
4 BID = 1 ,4-Butindiol  4 BID = 1, 4-butynediol
Beispiele 2 bis 5 Examples 2 to 5
In diesen Beispielen wurde unter erhöhtem Druck wässriges Rein- oder technisches In these examples, under elevated pressure aqueous pure or technical
1 ,4-Butindiol in Beispiel 5 (mit * gekennzeichnet) in einem Verdampfer, der Metallfüllringe enthielt und von außen mittels Öl auf 240 °C geheizt wurde, in einem Wasserstoffstrom verdampft und in einem Reaktorrohr, gefüllt mit Katalysator (100 ml wenn nicht anders angegeben in Ta- belle 2 bzw. Katalysatoren, hydriert. Das Reaktorrohr war als Doppelmantelrohr ausgeführt, wobei außen mit Öl beheitzt bzw. gekühlt wurde. Der Reaktionsaustrag wurde abgekühlt und das auskondensierte Produkt wurde über ein Ventil auf Normaldruck entspannt, während die Gasphase über ein Kreisgasgebläse über den Verdampfer zurückgeführt wurde. Ein kleiner Teil des Gases wurde als Abgas ausgeschleust. Über eine Frischgasversorgung wurde so viel Wasserstoff in die Reaktion eingebracht, wie an Wasserstoff durch Reaktion und Abgas verbraucht wurde. Dadurch wurde der Reaktionsdruck konstant gehalten. Die Versuchsergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt. Der Umsatz an Butindiol war in allen Fällen quantitativ. Zur Selektivitätsberechnung wurden Produkte wie 1 ,4-Butendiol und 4-Hydroxybutanal und dessen Aceta- le, gamma-Butyrolcaton (GBL) bzw. Butandiol (BDO) als noch zu THF zu hydrierende bzw. umzusetzende Verbindungen mit eingerechnet. 1, 4-Butynediol in Example 5 (marked with *) in an evaporator containing metal fill rings and externally heated by oil to 240 ° C, evaporated in a hydrogen stream and in a reactor tube filled with catalyst (100 ml unless otherwise stated indicated in Table 2 or catalysts, The reactor tube was designed as a double-jacket tube, the outside being oiled or cooled The reaction effluent was cooled and the condensed product was depressurized via a valve to atmospheric pressure while the gaseous phase was passed through A small proportion of the gas was discharged as exhaust gas, and as much hydrogen was introduced into the reaction via a fresh gas supply as hydrogen was consumed by the reaction and exhaust gas, thereby keeping the reaction pressure constant Table 2. The conversion of butynediol was in all cases For the calculation of selectivity, products such as 1,4-butenediol and 4-hydroxybutanal and its acetals, gamma-butyrolactone (GBL) or butanediol (BDO) were also included as compounds still to be hydrogenated or reacted to give THF.
Tabelle 2 Table 2
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1 THF = Tetrahydrofuran 1 THF = tetrahydrofuran
2 BDO = 1 ,4-Butandiol  2 BDO = 1, 4-butanediol
3 GBL = gamma-Butyrolacton  3 GBL = gamma-butyrolactone
Nachstellen der Beispiele der DE-A 2029557 Adjustment of the examples of DE-A 2029557
Beispiel 6 der DE-A 2029557 Example 6 of DE-A 2029557
Gemäß Beispiel 6 der DE-A 2029557 wurden bei 10,3 MPa und 275°C 140 g 1 ,4-Butindiol in 360 g Wasser in der Flüssigphase an einem 5% Palladium auf aktiviertem Aluminiumoxid aufweisenden Katalysator hydriert. Es konnten nur Zersetzungsprodukte und Wasser im Hydrier- austrag festgestellt werden. THF wurde nicht gefunden.  According to Example 6 of DE-A 2029557 140 g of 1, 4-butynediol were hydrogenated in 360 g of water in the liquid phase on a 5% palladium on activated alumina catalyst at 10.3 MPa and 275 ° C. Only decomposition products and water in the hydrogenation effluent could be detected. THF was not found.
Beipiele 2, 3 und 4 der DE-A 2029557 Examples 2, 3 and 4 of DE-A 2029557
Gemäß den Beispielen 2, 3 und 4 der DE-A 2029557 wurde Butindiol hydriert. Im Hydrieraus- trag der Nachstellung des Beispiels 2 mit Pd auf aktivierten Aluminiumoxidkügelchen als Kata- lysator fanden sich neben < 3 Gew.-% THF vor allem n-Butanol und Wasser. Im Falle von Ni- und Ru-enthaltenden Katalysatoren gemäß den Bespielen 3 und 4 wurde nur Wasser im Austrag gefunden. Im Abgas wurde neben wenig (< 1 %) THF vor allem Kohlenwasserstoffe von Methan bis Butan nachgewiesen. Vergleichbeispiel mit DE-A 2029557 According to Examples 2, 3 and 4 of DE-A 2029557, butynediol was hydrogenated. In the hydrogenation of the adjustment of Example 2 with Pd on activated alumina spheres as a catalyst found in addition to <3 wt .-% THF, especially n-butanol and water. In the case of Ni- and Ru-containing catalysts according to Examples 3 and 4 only water was found in the discharge. In the exhaust gas, in addition to low (<1%) THF, mainly hydrocarbons from methane to butane were detected. Comparison example with DE-A 2029557
Analog Beispiel 6 der DE-A 2029557 wurde eine 40 gew.-ige wässrige Butindiol-Lösung bei 10, 3 MPa bei 225°C an einem 5% Palladium auf aktiviertem Aluminiumoxid aufweisenden Kataly- sator (5% Pd/ AI2O3) in der Flüssigphase hydriert. Im flüssigen Hydrieraustrag fanden sich neben polymeren Rückständen eine Vielzahl von Komponenten. Es wurden ca. 14 Gew.-% n- Propanol, 10 Gew.-% n-Butanol und 20 Gew.-% THF gefunden. Der Gesamtanteil der organischen Teile im Hydrieraustrag entsprach 10 % der ursprünglich eingesetzten Menge an Butin- diol. Die Selektivität hinsichtlich THF lag nur bei 2 %. Analogously to Example 6 of DE-A 2029557, a 40% strength aqueous butynediol solution at 10.3 MPa at 225 ° C on a 5% palladium on activated alumina catalyst (5% Pd / Al2O3) in the liquid phase hydrogenated. In the liquid hydrogenation discharge were found in addition to polymeric residues a variety of components. About 14% by weight of n-propanol, 10% by weight of n-butanol and 20% by weight of THF were found. The total amount of organic parts in the hydrogenation output corresponded to 10% of the originally used amount of butynediol. The selectivity for THF was only 2%.
Beispiel 6 Example 6
Erfindungsgemäß wurde in der Gasphase bei einer Eingangstemperatur von 225°C und 0,9 MPa an einem 5% Palladium auf aktiviertem Aluminiumoxid aufweisenden Katalysator (5% Pd/ AI2O3) eine 40 gew.-ige wässrige Butindiol-Lösung hydriert. Im Hydrieraustrag wurden 75 Gew.- % THF, 20 Gew.-% n-Butanol sowie jeweils unter 1 Gew.-% gamma-Butyrolacton, 1 ,4-Butandiol und n-Propanol gefunden. Die Selektivität zu THF lag bei 75 %, da der Umsatz des Butindiols vollständig war. According to the invention, a 40% strength aqueous butynediol solution was hydrogenated in the gas phase at an inlet temperature of 225 ° C. and 0.9 MPa on a catalyst containing 5% Pd / Al 2 O 3 (5% palladium on activated alumina). In the hydrogenation, 75% by weight of THF, 20 wt .-% of n-butanol and in each case less than 1 wt .-% gamma-butyrolactone, 1, 4-butanediol and n-propanol were found. The selectivity to THF was 75% since the butynediol conversion was complete.

Claims

Patentansprüche claims
Verfahren zur Herstellung von Tetrahydrofuran durch Hydrierung von 1 ,4-Butindiol, dadurch gekennzeichnet, dass 1 ,4-Butindiol in einem Wasserstoff enthaltenden Gasstrom verdampft und gasförmig an mindestens einem Katalysator, der mindestens eines der Elemente aus den Gruppen 7 bis 1 1 des Periodensystems der Elemente enthält, hydriert wird. A process for preparing tetrahydrofuran by hydrogenating 1, 4-butynediol, characterized in that 1, 4-butynediol evaporated in a hydrogen-containing gas stream and gaseous at least one catalyst containing at least one of the elements from groups 7 to 1 1 of the Periodic Table contains the elements is hydrogenated.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur, bei der 1 ,4- Butindiol verdampft wird, und die Hydriertemperatur 160 bis 300 °C betragen. A method according to claim 1, characterized in that the temperature at which 1, 4-butynediol is evaporated and the hydrogenation temperature 160 to 300 ° C.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck, bei dem 1 ,4-Butindiol verdampft wird, mindestens dem Druck der nachfolgenden Hydrierung entspricht. Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the pressure at which 1, 4-butynediol is evaporated, at least equal to the pressure of the subsequent hydrogenation.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydrierung bei einem Druck von 0,5 bis 10 MPa ausgeführt wird. Process according to claims 1 to 3, characterized in that the hydrogenation is carried out at a pressure of 0.5 to 10 MPa.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur, bei der 1 ,4-Butindiol hydriert wird, 160 bis 300 °C beträgt. Process according to claims 1 to 4, characterized in that the temperature at which 1,4-butynediol is hydrogenated is 160 to 300 ° C.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator mindestens eines der Elemente ausgewählt aus Mn, Re, Fe, Ru, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu und Au enthält enthält. Process according to claims 1 to 5, characterized in that the catalyst contains at least one of the elements selected from Mn, Re, Fe, Ru, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu and Au.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator Pd als Aktivmetall enthält. Process according to claims 1 to 6, characterized in that the catalyst contains Pd as active metal.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Katalysatoren mit Elementen aus den Gruppen 7 bis 1 1 des Periodensystems der Elemente verwendet werden, von denen einer Pd als Aktivmetall enthält. Process according to claims 1 to 7, characterized in that two catalysts with elements from groups 7 to 1 1 of the Periodic Table of the Elements are used, one of which contains Pd as active metal.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Katalysator(en) einen Träger ausgewählt aus den Oxiden des Aluminiums, Titans, Zirkoniumoxid, Siliciumoxid, Tonerden, Silikaten, Zeolithen und Aktivkohle enthält. Process according to claims 1 to 8, characterized in that the catalyst (s) contains a support selected from the oxides of aluminum, titanium, zirconium oxide, silica, clays, silicates, zeolites and activated carbon.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dass zusätzlich ein saurer Katalysator ohne Hydriereigenschaften verwendet wird. Process according to claims 1 to 9, that additionally an acidic catalyst without hydrogenating properties is used.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dass das molare Verhältnis von Wasserstoff zu zugefahrenem 1 ,4-Butindiol während der Hydrierung mindestens 2 beträgt. Process according to claims 1 to 10, that the molar ratio of hydrogen to in-fed 1, 4-butynediol during the hydrogenation is at least 2.
12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Hydrierung mit Kreisgasfahrweise erfolgt. 12. The method according to claims 1 to 1 1, characterized in that the hydrogenation is carried out with Kreisgasfahrweise.
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