DE2645363A1 - Verfahren zur herstellung von methacrylsaeure - Google Patents
Verfahren zur herstellung von methacrylsaeureInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Methacrylsäure durch katalytische Gasphasenoxydation
von Methacrolein mit einem Katalysator bestimmter Zusammensetzung.
Es wurden bereits verschiedene katalytische Systeme zur Herstellung von Methacrylsäure durch katalytische Gasphasenoxydation
von Methacrolein vorgeschlagen. Jedoch haben diese Katalysatoren Vorteile und Nachteile und befriedigen nicht
immer für die industrielle Verwendung wegen eines oder mehrerer Fehler, wie z. B.. niedriger katalytischer Aktivität, kurzer
Katalysatorlebensdauer trotz hoher Anfangskonversion,
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- ν.
niedriger physikalischer Festigkeiten, beispielsweise unzureichender
Schlag- oder Abriebbeständigkeit während der Beschickung des Katalysators oder während der Reaktion, und
wegen schlechter Reproduzierbarkeit in den meisten Fällen.
Beispielsweise sind die meisten der Phosphor und Molybdän als Hauptbestandteile enthaltenden Katalysatoren von kurzer
Lebensdauer, während im Fall der Verwendung von Katalysatoren des Molybdän-Vanadin-Systems erheblich große Mengen von Kohlenstoffoxiden,
wie z. B. Kohlenmonoxid und -dioxid, gebildet werden und sich die erforderliche Selektivität nicht erreichen
läßt.
Neuere Versuche zur Verbesserung der Katalysatoren für die Herstellung von Methacrylsäure wurden hauptsächlich auf
die Katalysatoren des Phosphor-Molybdän-Systems gerichtet. Nach seitens der Erfinder erhaltenen Versuchsergebnissen
führt der Zusatz von Zirkonium zu einem binären Phosphor-Molybdän-System
zu einer Steigerung der Konversion und Selektivität, wobei vor allem der Selektivitätsanstieg bemerkenswert
ist, der Zusatz eines Alkalimetalls stabilisiert die Katalysatoraktivität, verbessert die Reproduzierbarkeit und
verlängert die Katalysatorlebensdauer, und der Zusatz von Vanadin dient zur Erhöhung der Selektivität und damit zur
Verbesserung der Ausbeute. Aufgrund der obigen Versuchsergebnisse kann angenommen werden, daß das Phosphor-Molybdän-Zirkonium-Alkali-Vanadin-System
eine hohe Ausbeute an Methacrylsäure liefert und ein merklich verbesserter Katalysator zur
Herstellung von Methacrylsäure im Vergleich mit einem Phosphor-Molybdän-Alkali-Vanadin-System
(DT-OS 2 454 587) ist.
Jedoch sind diese Katalysatorsysteme für die Fertigung in industriellem Maßstab noch nicht befriedigend genug. Man
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benötigt eine hohe Selektivität bei der Oxydation von beispielsweise
Methacrolein zu Methacrylsäure, und Katalysatoren der gleichen Zusammensetzung zeigen in Abhängigkeit von der Herstellungsmethode
des Katalysators erheblich verschiedene Verhaltenseigenschaften. Beim Herstellen des Katalysators wird
grundsätzlich ein Verbundmetalloxid als aktiver Katalysatorbestandteil gebildet, dessen physikalischer Zustand die Konversion
von Methacrolein und die Selektivität für Methacrylsäure merklich beeinflußt. Beispiele der Katalysatoren verschiedener
physikalischer Formen umfassen einen Katalysator, der aus dem aktiven Katalysatorbestandteil im Erzeugungszustand
besteht, einen Katalysator, den man durch Tablettieren des aktiven Katalysatorbestandteils nach Zumischen eines Verdünnungsmittels
erhält, einen Katalysator, der aus den Teilchen des aktiven Katalysatorbestandteils mit einer geeigneten Teilchengröße
besteht, die man durch geeignetes Sieben erhält, und einen Katalysator, der durch Zusetzen eines handelsüblich erhältlichen
Aluminiumoxid- oder Siliziumkarbidträgers zum geformten aktiven Katalysatorbestandteil erhalten wird. Nach
den Ergebnissen von seitens der Erfinder durchgeführten Versuchen ist ein durch Druckanwendung, wie z. B. Tablettieren,
hergestellter Katalysator im Verhalten allgemein einem ohne Anwendung von Druck hergestellten Katalysator (z. B. einem
durch einfaches Zerkleinern und Sieben hergestellten Katalysator) unterlegen. Demgemäß scheint das Porenvolumen des Katalysators
zur Selektivität der Reaktion beizutragen. Andererseits sollte der Katalysator, um in industriellem Maßstab brauchbar
zu sein, eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweisen, damit er einem Zerfall während des Einfüllens und der Reaktion
widersteht; bei Verwendung in einem Festbett darf der Katalysator keinen zu großen Druckabfall im Gasstrom verursachen.
Aus diesen Gründen ist es klar, daß ein durch einfaches Zerkleinern
und Sieben des aktiven Katalysatorbestandteils erhal-
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♦ G.
tener Katalysator zur Verwendung in industriellem Maßstab ungeeignet
ist. Daher sollten, um das Verhalten eines in der Weise hergestellten Katalysators, daß er die erforderliche Festigkeit
zum Betrieb in der Industrieproduktion aufweist, zu beurteilen, die Zahlenwerte der Umwandlung und Selektivität, soweit
solche in der genannten Literatur verfügbar sind, einer geeigneten Korrektur in Abhängigkeit vom Verfahren zur Herstellung
des Katalysators unterworfen werden.
Als Ergebnis einer zur Überwindung der genannten Nachteile der bekannten Katalysatoren durchgeführten Forschungsarbeit
stellten die Erfinder fest, daß ein Katalysator aus
Mo, P, Zr, V, Mn, X und O (worin X wenigstens ein Element der Gruppe K, Rb, Cs und Tl ist) in einem bestimmten gegenseitigen Verhältnisbereich ein Hochleistungskatalysator ist, der sich zur Erzeugung von Methacrylsäure mit sehr hoher Selektivität und zum Halten der Bildung von Kohlenmonoxid und
-dioxid auf niedrigem Niveau eignet, von leichter Reaktionssteuerbarkeit ist und gleichzeitig eine verbesserte mechanische Festigkeit aufgrund einer Verstärkung des Zusammenhalts der Teilchen des aktiven Katalysatorbestandteils untereinander aufweist, so daß die Verwendung in der industriellen Produktion von großem Vorteil ist.
Mo, P, Zr, V, Mn, X und O (worin X wenigstens ein Element der Gruppe K, Rb, Cs und Tl ist) in einem bestimmten gegenseitigen Verhältnisbereich ein Hochleistungskatalysator ist, der sich zur Erzeugung von Methacrylsäure mit sehr hoher Selektivität und zum Halten der Bildung von Kohlenmonoxid und
-dioxid auf niedrigem Niveau eignet, von leichter Reaktionssteuerbarkeit ist und gleichzeitig eine verbesserte mechanische Festigkeit aufgrund einer Verstärkung des Zusammenhalts der Teilchen des aktiven Katalysatorbestandteils untereinander aufweist, so daß die Verwendung in der industriellen Produktion von großem Vorteil ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Katalysator zum Herstellen von Methacrylsäure mit hoher Selektivität
durch Oxydation von Acrolein zu entwickeln, der eine ausreichende physikalische Festigkeit zum Aushalten strenger
Bedingungen bei Verwendung in industriellem Maßstab aufweist, und ein Verfahren zur Herstellung von Methacrylsäure durch
Oxydieren von Methacrolein mit hoher Selektivität unter
Verwendung dieses neuen Katalysators anzugeben.
Bedingungen bei Verwendung in industriellem Maßstab aufweist, und ein Verfahren zur Herstellung von Methacrylsäure durch
Oxydieren von Methacrolein mit hoher Selektivität unter
Verwendung dieses neuen Katalysators anzugeben.
Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst
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wird, ist ein Verfahren zur Herstellung von Methacrylsäure aus Methacrolein durch Gasphasenoxydation bei erhöhter Temperatur
in Gegenwart eines Katalysators auf Basis von Oxiden des Molybdäns, Phosphors, Vanadins und eines Alkalimetalls oder
des Thalliums, mit dem Kennzeichen, daß man das Reaktionsgemisch, das ein Molverhältnis von Methacrolein : molekularem
Sauerstoff : Dampf von 1 : 1 - 3 : 0 - 50 aufweist, bei 250
- 400 0C und einer Raumgeschwindigkeit von 250 - 3000 h""1 (bei
0 0C und 1 at) mit einem Katalysator der empirischen Atomverhältnisformel
Mo P. Zr V, Mn X_ 0
ab cd efg
ab cd efg
kontaktiert, worin X wenigstens ein Element der Gruppe K, Rb, Cs und Tl und a, b, c, d, e, f und g die Anzahl der Atome
von Mo, P, Zr, V, Mn, X und 0 bedeuten, für a = 12, b 0,5 - 5, c 0,1 - 5, d 0,05 - 3, e 0,05 - 1,5, f 0,1 - 3 und g 40 betragen
und g eine dem Bedarf der Wertigkeiten der einzelnen Katalysatorbestandteilselemente genügende Zahl ist.
Wenn die Anzahl der Atome jedes den Katalysator bildenden
Elements außerhalb des oben angegebenen Bereichs liegt, läßt sich die erfindungsgemäß angestrebte Wirkung nicht ausreichend
erzielen. Insbesondere ist, wenn die Anzahl der Manganatome (e) unter 0,05 liegt, die physikalische Festigkeit
des Katalysators nicht ausreichend, und wenn sie mehr als 1,5 beträgt, sinkt eher die Aktivität des Katalysators. Die
Anzahl der Mn-Atome ist vorzugsweise 0,1-1.
Der beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Katalysator ist ganz ausgezeichnet hinsichtlich der Selektivität
für Methacrylsäure und der Ausbeute an Methacrylsäure, auch wenn er in der Form eines etwa durch Tablettieren geformten
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Katalysators verwendet wird. Dies gilt, da sich der erfindungsgemäße
Katalysator durch Tablettieren unter mäßigem Druck formen läßt. Es ist auch möglich, einen auf einem Träger gehaltenen
Katalysator mit ausreichend hoher physikalischer Festigkeit und befriedigenden Verhaltenseigenschaften durch Verbinden
des erfindungsgemäßen aktiven Katalysatorbestandteils in Pulverform mit einem im Handel erhältlichen geformten Träger unter
Verwendung eines geeigneten Mediums herzustellen.
Eines der den Katalysatoren des Phosphor-Molybdän-Alkali-Systems gemeinsamen Merkmale ist, daß der Zusammenhang der
Teilchen des aktiven Katalysatorbestandteils untereinander und mit einem Träger nicht sehr gut ist. Daher ist, wenn
man die Herstellung eines geformten Katalysators nach einem Tablettierverfahren beabsichtigt, ein hoher Tablettierdruck
nötig, um die physikalische Festigkeit zu steigern, so daß die Katalysatoraktivität verringert wird. Die Erfindung richtet
sich nun auf ein Verfahren zum Oxydieren von Methacrolein mit einem Katalysator, der das charakteristische Merkmal aufweist,
daß einem Methacrolein-Oxydationskatalysator, der aus Mo, P, Zr, V und einem der Elen ente K5 Rb, Cs oder Tl besteht,
Mangan als wesentlicher Bestandteil zugesetzt ist. jjach Versuchen der Erfinder beeinträchtigt der Zusatz anderer
Bestandteile als Mangan häufig die katalytische Aktivität ungünstig, obwohl er zu einer Erhöhung der physikalischen Festigkeit
führt. Die Erfinder stellten überraschend fest, daß Mangan dagegen ein Bestandteil ist, der sich zur Erhöhung der
katalytischen Aktivität und gleichzeitig der physikalischen Festigkeit eignet. Da ein Katalysator zur Verwendung in der
Industrie nicht nur die Eignung zur Steigerung der Ausbeute an einem gewünschten Produkt, sondern auch eine ausreichende
physikalische Festigkeit aufweisen muß, um die strengen Bedingungen auszuhalten, unter denen der Katalysator verwendet
wird, ist der erwähnte Befund als sehr wichtig anzusehen.
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Eine solche Wirkung des Mangans ist aufgrund des Standes der Technik nicht ohne weiteres vorhersehbar. Obwohl nicht verbreitet
, sind Mangan enthaltende Katalysatorsysteme zur Verwendung beim Oxydieren eines ungesättigten Aldehyds beispielsweise
in der Jap. Pat. Publ. No. 14 205/74 (Plasdoc No. 33 623 W),
in der DT-OS 2 351 687, in der JA-OS 4 418/73 (Plasdoc No. 58 858 U)
in der JA-OS 4 419/73 (Plasdoc No. 58 859 U), in der DT-OS
2 305 404 und in der US-PS 3 840 595 beschrieben. In diesen
Veröffentlichungen wird jedoch Mangan nur als einer der vielen Bestandteile erwähnt, die man einem Katalysator zusetzen kann,
und die besondere Wirkung des Mangans auf die Aktivität des Katalysatorsystems ist gering. Diese Veröffentlichungen erwähnen
nichts von dem bemerkenswerten Effekt des Mangans auf die Verbesserung der physikalischen Festigkeit zur Verwendung als
praktisch einsatzfähiger Katalysator. Da sich die Fachleute darüber einig sind, daß die Wirkung bzw. der Effekt des Zusatzes
eines bestimmten Bestandteils je nach der Art der Grundbestandteile verschieden ist, konnte eine günstige Wirkung des Mangans
auf die physikalische Festigkeit eines bestimmten Katalysators nicht vorausgesagt werden, auch wenn ein solcher Effekt für ein
anderes Katalysatorsystem festgestellt wurde. Die Grundkatalysatorsysteme, die in den genannten PatentVeröffentlichungen beschrieben
werden, sind folgende: Mo-Sn-Systern in der Jap. Pat. Publ. No. 14 205/74, Mo-Nb-Si-System in der DT-OS 2 351 687,
Ge-Mo-System in der JA-OS 4 418/73, Ge-Mo-As-System in der JA-OS 4 419/73, Mo-Sb-System in der DT-OS 2 305 404 und Mo-V-W-Sn-System
in der US-PS 3 840" 595. Es versteht sich daher, daß der Effekt des Mangans auf das Mo-P-Zr-V-Alkali-System nicht leicht
vorherzusagen ist.
Der aktive Katalysatorbestandteil kann nach einem herkömmlichen Verfahren, beispielsweise Abdampfen zur Trockne,
hergestellt werden. So läßt sich das folgende Verfahren an-
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wenden: Eine wässerige Lösung einer Manganverbindung, ζ. Β.
einbasisches Mangan(II)Phosphat (Μη(Η2ΡΟ^)2), Mangannitrat
od. dgl., und eine wässerige Lösung einer Phosphorverbindung, z. B. Orthophosphorsäure, werden einer wässerigen Lösung einer
geeigneten Molybdänverbindung, z. B. Phosphormolybdänsäure oder Ammoniummolybdat, zugesetzt, man setzt dann ein Pulver
einer Zirkoniumverbindung, z. B. Zirkoniumdioxid, zu, wonach die erhaltene Mischung ausreichend gerührt und gealtert wird,
und man setzt der erhaltenen Reaktionsmischung eine wässerige Lösung einer Vanadinverbindung, z. B. Ammoniummetavanadat,
Phosphorvanadinmolybdänsäure od. dgl., und eine wässerige Lösung eines Alkalimetall- oder Thalliumnitrats oder -hydroxide
zu. Die erhaltene Mischung wird ausreichend gerührt, auf einem Wasserbad zur Trockne eingedampft und dann zur Bildung des
aktiven Katalysatorbestandteils kalziniert.
Die als Ausgangsmaterial für jedes Element zu verwendenden Verbindungen sind vorzugsweise wasserlöslich. Jedoch ist
als Zirkoniumverbindung fein verteiltes Zirkoniumdioxid besonders vorzuziehen. Die Ausgangsstoffe für die Elemente umfassen
die folgenden Verbindungen:
Mo: Ammoniummolybdat, Phosphormolybdänsäupe, Ammoniumphosphormolybdat,
Phosphorvanadinmolybdänsäure, Kaliummolybdat usw.
P: Phosphormolybdänsäure, Ammoniumphosphormolybdat, Phosphorvanadinmolybdänsäure, Phosphorsäure (Ortho-,
Meta-, Poly- oder Tripoly-) usw.
Zr: Zirkoniumdioxid, Zirkoniumsilikat (ZrSiO^), Zirkonylnitrat
(ZrO(NO )2), Zirkonylchlorid (ZrOCl2)
usw.
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V: Ammoniumvanadat, Phosphorvanadinmolybdänsäure, Vanadinoxid usw.
Mn: Einbasisches Mangan(II)Phosphat, Mangan(II)Nitrat
usw.
X: Nitrate, Hydroxide und Karbonate von K, Rb, Cs und Tl usw.
Der nach dem oben erwähnten Verfahren erhaltene aktive Katalysatorbestandteil wird gemahlen und dann tablettiert
oder mit einem Träger zur Bildung eines Katalysators verbunden, der in der Industrie verwendet werden kann.
Das Tablettieren kann folgendermaßen vorgenommen werden: Der kalzinierte aktive Katalysatorbestandteil wird mittels
einer Kugelmühle gemahlen und dann mit einigen Prozent eines Schmiermittels, wie z. B. Graphitpulver od. dgl., vermischt,
und man führt die erhaltene Mischung einer Tablettiermaschine des Medikamentherstellungstyps zu. Der Tablettierdruck reicht
von 20 bis 2000 kg/cm . Jedoch wird im Fall einer Tablettiermaschine des Typs, bei dem nicht der Tablettierdruck, sondern
die Pulvermenge je Tablette gesteuert wird, die Pulvermenge je Tablette bestimmt, indem man die Festigkeit der erhaltenen
Tabletten prüft. Bei der Herstellung von Tabletten läßt sich die Festigkeit der Tabletten steigern, indem man dem Pulver
einen geeigneten Feuchtigkeitsgehalt zuführt, doch ist diese Arbeitsweise hier nicht wünschenswert, da die katalytische
Aktivität dadurch gesenkt wird. Jedoch ist im Fall des e-rfindungsgemäßen
Katalysatorsystems das Zuführen von Feuchtigkeit gewöhnlich nicht erforderlich.
Das folgende ist ein Beispiel zum Verbinden des aktiven Katalysatorbestandteils mit einem Träger: Der kalzinierte
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• Λ-
aktive Katalysatorbestandteil wird mittels einer Kugelmühle zur Bildung eines feinteiligen Pulvers ausreichend gemahlen,
und das Pulver und eine Aufsprühdosis von Wasser oder eines anderen geeigneten niedrigsiedenden Lösungsmittels werden
abwechselnd auf einen Träger aufgebracht, der vorzugsweise Kugelgestalt und eine rauhe Oberfläche aufweist, wobei er
gut durchgerührt wird, um nach und nach das Pulver am Träger festhaften zu lassen. Als Träger kann man solche mit niedriger
Oberflächenausdehnung verwenden, die bei der herkömmlichen Oxydationsreaktion eingesetzt werden, wie z. B. geschmolzenes
Aluminiumoxid, Siliziumkarbid, Bimsstein od. dgl.
Der nach dem vorstehenden Verfahren hergestellte aktive Katalysatorbestandteil wird in einem Luftstrom, gewöhnlich
bei 250 bis 500 0C, vorzugsweise 300 bis 470 0C, allgemein
2 bis 40 Stunden kalziniert, um einen einsatzbereiten Katalysator zu erzeugen.
Das molekularen Sauerstoff enthaltende, beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Gas ist Luft oder eine Mischung
von molekularem Sauerstoff mit einem Inertgas, wie z. B. Stickstoff, Kohlendioxid, Helium, Argon, oder einem niederen gesättigten
Kohlenwasserstoff.
Die Reaktionsbedingungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich in einem weiten Bereich in Abhängigkeit
von der Katalysatorzusammensetzung variieren, obwohl sie allgemein folgende sind:
(1) Reaktionstemperatur: 250 bis 400 0C.
(2) Reaktionsdruck: 0,5 bis 3 at.
(3) Raumgeschwindigkeit: 250 - 3000 h"1 (bei 0 0C und
1 at).
(4) Molverhältnis von Methacrolein zu molekularem Sauerstoff: 1:1-3» vorzugsweise 1 : 1-2.
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- MT-
(5) Molverhältnis von Methacrolein zu Dampf: 1 : 0-50, vorzugsweise 1 : 5-^0.
Die Reaktionsprodukte können in üblicher Weise, wie z. B.
durch Kondensation, Extraktion und andere Techniken, abgetrennt und gewonnen werden.
Die Erfindung wird unten anhand von Beispielen näher erläutert, die die Erfindung nicht beschränken sollen.
In den Beispielen und Vergleichsbeispielen wurde eine Analyse durch Gaschromatographie durchgeführt, die Konversion
und die Selektivität wurden mittels folgender Gleichungen berechnet,
und die so erhaltenen Molprozentwerte werden in der weiteren Beschreibung einfach durch "%" ausgedrückt:
Konversion von Methacrolein (Mol. %)
Zugeführtes _ Unreagiertes Methacrolein (Mol) Methacrolein (Mol)
Zugeführtes Methacrolein (Mol)
Selektivität für Methacrylsäure (Mol. %) Gebildete Methacrylsäure (Mol)
χ 100
Zugeführtes Methacrolein - Unreagiertes (Mol) Methacrolein (Mol)
Ausbeute an Methacrylsäure (Mol. %)
= (Konversion von Methacrolein) χ (Selektivität für Methacrylsäure)
x
Selektivität für Essigsäure (Mol. %)
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Gebildete Essigsäure (Mol) x
Zugeführtes _ Unreagiertes Methacrolein (Mol) Methacrolein (Mol)
Selektivität für Kohlenmonoxid und Kohlendioxid (Mol. %)
Gebildetes CO2 und CO (Mol)
Zugeführtes _ Unreagiertes Methacrolein (Mol) Methacrolein (Mol)
Eine wässerige Lösung von 57 »0 g (15,6 Millimole) Phosphormolybdänsäure
wurde in einem 1-1-Becherglas hergestellt.
Eine wässerige Lösung von 0,86 g (3,90 Millimole) einbasischem Mangan(II)Phosphat und 0,90 g 85 #iger Orthophosphorsäure
(7,8l Millimole Orthophosphorsäure) wurde getrennt hergestellt und der obigen Lösung zugesetzt, und die erhaltene Lösung
wurde sorgfältig gerührt. Man setzte der erhaltenen Lösung 3»86 g (31j25 Millimole) pulverförmigen Zirkoniumdioxids zu.
Die Mischung wurde unter Rühren in einem Wasserbad bei 60 0C
48 h erhitzt und dann zum Abkühlen stehen gelassen. Der abgekühlten
Mischung setzte man eine wässerige Lösung von 0,91 g (7,81 Millimole) Ammoniummetavanadat zu, worauf der Zusatz
einer wässerigen Lösung von 12,18 g (62,5 Millimole) Zäsiumnitrat folgte, und die erhaltene Mischung wurde sorgfältig
gerührt. Danach wurde sie auf einem Wasserbad zur Trockne eingedampft. Die getrocknete Masse wurde auf eine Verdampfungsschale
überführt und in einer Luftatmosphäre in einem Muffelofen bei 400 0C eine Stunde und dann bei 450 0C zwei Stunden
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kalziniert. Die kalzinierte Masse wurde in einem Mörser gemahlen,
mit 5 Gew. % pulverförmigen Graphits vermischt, sorgfältig durchmischt und mit Hilfe einer Tablettiermaschine zu
Tabletten von 6,5 mm Durchmesser und 3 mm Dicke geformt, um den Katalysator zu fertigen. Das Atomverhältnis der Bestandteile
in dem so erhaltenen Katalysator war Mo : P : Zr : V : Cs : Mn = 12 : 1,5 : 1 : 0,25 : 2 : 0,125.
Ein hitzebeständiges Glasrohrreaktionsgefaß mit 20 mm
Innendurchmesser wurde mit 25 cm des obigen Katalysators beschickt. Eine gasförmige Mischung aus Methacrolein, Luft
und Dampf in einem Molverhältnis von 4,6 : 35,0 : 60,4 wurde durch die Katalysatorschicht bei einer Reaktionstemperatur
von 3^0 C mit einer Raumgeschwxndigkeit von 1000 h durchgeleitet.
Die nach 3 bis 4 Stunden seit Reaktionsbeginn erhaltenen
Daten sind in der Tabelle 1 angegeben.
Die Fallbeständigkeit wurde überprüft, indem man den Katalysator vom höchsten Punkt eines vertikalen Glasrohres
mit 2,5 mm Länge und 20 mm Innendurchmesser fallen ließ, an dem eine schlagbeständige Flasche am Boden angebracht war.
Man beobachtete keine Änderung mit der Ausnahme, daß etwa 3 % der Testtabletten Abplatzerscheinungen an der Kante zeigten.
Vergleichsbeispiel 1
Es wurde ein Katalysator in gleicher Weise wie im Beispiel 1 mit der Ausnahme hergestellt, daß man keine Manganverbindung
zusetzte. Die Reaktion wurde auch in gleicher Weise wie im Beispiel 1 durchgeführt. Die Ergebnisse hiervon sind
ebenfalls in der Tabelle 1 angegeben.
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Die Tabelle 1 zeigt, daß, wenn dem Katalysator Mangan zugesetzt ist, die Selektivität für Methacrylsäure steigt, während
die Selektivität für Kohlenmonoxid und -dioxid von 15,5 auf 11,2 % abfällt, d. h., daß der Unterschied 4,3 % ist. Eine solche
Verringerung der Selektivität für Kohlenmonoxid und -dioxid zeigt, daß die im Reaktionsgefäß erzeugte Wärme verringert ist,
was zu einer leichten Steuerung der Reaktion führt.
Die Pallbeständigkeit des oben erhaltenen Katalysators wurde in gleicher Weise wie im Beispiel 1 überprüft. Etwa
15 % der Testtabletten zeigten mehr oder weniger Abplatzerscheinungen an den Kanten, und etwa 1/3 der abgeplatzten Tabletten
zeigte eine erhebliche Schädigung.
Beispiele 2 bis 7 und Vergleichsbeispiele 2 bis 5
Eine Anzahl von Katalysatoren wurde in gleicher Weise wie im Beispiel 1 mit der Ausnahme hergestellt, daß der Mangangehalt
und die Art von X variiert wurden. Die Oxydationsreaktion des Methacroleins wurde in der gleichen Weise unter den
gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1 durchgeführt. Im Beispiel 3 wurde eine Kombination von einbasischem Mangan(II)-Phosphat
und Mangannitrat verwendet. Die zur Zuführung von X verwendeten Verbindungen waren Kaliumhydroxid, Zäsiumnitrat,
Rubidiumnitrat und Thalliumnitrat. Die erhaltenen Ergebnisse sind in der Tabelle 1 aufgeführt.
Eine wässerige Lösung von 45,1 g (12,35 Millimole) Phosphormolybdänsäure
und 14,1 g (7,8 Millimole) Phosphorvanadinmolybdänsäure wurde in einem 1-1-Becherglas hergestellt. 3,86 g
(31,2 Millimole) pulverförmigen Zirkoniumdioxids wurden der
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obigen Lösung zugesetzt, diese unter Rühren 48 Stunden in
einem Wasserbad bei 60 0C erhitzt und dann zum Abkühlen stehen
gelassen. Der erhaltenen Mischung setzte man unter sorgfältigem Umrühren eine wässerige Lösung von 7»3O g (37,44 Millimole)
Zäsiumnitrat, 1,75 g (31,2 Millimole) Kaliumhydroxid und 2,24 g
'(7,8 Millimole) Mangannitrat zu, worauf der Zusatz einer wässerigen Lösung von 1,80 g 85 /Siger (Gewicht) Orthophosphorsäure
(15,6 Millimole Orthophosphorsäure) folgte. Die erhaltene Mischung wurde auf einem Wasserbad zur Trockne eingedampft,
dann auf eine Abdampfschale übertragen und in einer Luftatmosphäre
in einem Muffelofen bei 400 0C eine Stunde und dann bei
450 0C zwei Stunden kalziniert. Die kalzinierte Masse wurde
sorgfältig in einem Mörser gemahlen.
Ein im Handel erhältlicher α-Aluminiumoxidträger
("4ASOl" von Pujimi Kenmazai Co.) von 3 mm Teilchengröße
wurde mit etwas Wasser besprüht, worauf das Aufstäuben des oben erhaltenen pulverförmigen aktiven Katalysatorbestandteils
folgte. Die Sprüh- und Aufstäubbehandlungen wurden wiederholt, bis 45 g des pulverförmigen aktiven Katalysatorbestandteils
auf 30 g des Trägers aufgebracht waren und die Teilchengröße
4,0 bis 4,2 mm erreicht hatte. Der auf dem Träger abgeschiedene Katalysator wurde in einem Muffelofen 3 Stunden bei 400 0C
kalziniert und in der Reaktion verwendet. Das Atomverhältnis der aktiven Bestandteile im Trägerkatalysator war Mo : P :
Zr : V : Cs : K : Mn =12 : 1,54 : 1 : 0,5 : 1,2 : 1 : 0,25.
Die Reaktion wurde in der gleichen Weise wie im Beispiel 1
durchgeführt. Die Konversion war 90,1 %, die Selektivität war
75,3 % für Methacrylsäure, 8,1 % für Essigsäure, 10,1 % für
Kohlenstoffoxide, und die Ausbeute an Methacrylsäure war 67,8 %.
Die physikalische Festigkeit des Trägerkatalysators wurde in gleicher Weise wie im Beispiel 1 überprüft. Es wurde
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kein Zerfall beobachtet. Beim Wiederholen des Versuchs mit dem Trägerkatalysator, der bereits einmal den Versuch durchgemacht
hatte, wurde keine Änderung mit der Ausnahme beobachtet, daß etwa 20 % des Trägerkatalysators ein teilweises Abschälen
des Katalysators zeigte.
Vergleichsbeispiel 6
Ein Trägerkatalysator wurde in der gleichen Weise wie im Beispiel 8 mit der Ausnahme hergestellt, daß kein Mangannitrat
zugesetzt wurde. Das Atomverhältnis der aktiven Bestandteile im Trägerkatalysator war Mo : P : Zr : V : Cs : K
= 12 : 1,54 : 1 : 0,5 : 1,2 : 1.
Die Reaktion wurde in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 durchgeführt. Die Konversion war 75,1 %, die Selektivität
war 70,0 % für Methacrylsäure, 8,0 % für Essigsäure, 11,1 f
für Kohlenstoffoxide, und die Ausbeute an Methacrylsäure war 52,6 %.
Die physikalische Festigkeit des Trägerkatalysators wurde in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 überprüft. Man beobachtete
keinen Zerfall. Beim Wiederholen des Versuchs mit dem Trägerkatalysator, der bereits den Versuch durchgemacht hatte,
zeigten etwa 50 % des Trägerkatalysators ein teilweises Ablösen des Katalysators.
Aus den obigen Ergebnissen findet man, daß der im vorliegenden Vergleichsbeispiel erhaltene Trägerkatalysator dem im
Beispiel 8 erhaltenen an physikalischer Festigkeit und Katalysatoraktivität unterlegen war.
Vergleichsbeispiel 7
Es wurde eine wässerige Lösung hergestellt, indem man
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23,4 g Ammoniummetavanadat in warmem, 35,1 g Oxalsäure enthaltenden
Wasser auflöste. Diese Lösung setzte man unter Rühren einer wässerigen Lösung zu, die durch Auflösen von 212 g
Ammoniummolybdat in destilliertem Wasser unter mäßigem Erhitzen hergestellt war. Der erhaltenen Lösung setzte man eine
wässerige Lösung von 23 ß 85 %iger Orthophosphorsäure und eine
wässerige Lösung von 39 jO g Zäsiumnitrat zu. Die erhaltene
Mischung wurde unter Umrühren zur Trockne eingedampft. Die erhaltene Masse wurde in einem Muffelofen 3 Stunden bei
400 0C kalziniert, dann grob zerkleinert und zum Sammeln der
Teilchen von etwa 2,4 bis 4,8 mm Durchmesser gesiebt, die als Katalysator verwendet wurden. Das Atomverhältnis dieses
Katalysators war Mo : P : V : Cs = 12 : 2 : 1 : 2. Methacrolein wurde mit diesem Katalysator in ähnlicher Weise wie der im Beispiel
1 oxydiert. Die Umwandlung von Methacrolein war 86,3 %» die Selektivität für Methacrylsäure 70,5 %, für Essigsäure
8,5 %, für Kohlenstoffoxide 12,1 %, und die Ausbeute an
Methacrylsäure war 60,8 %.
Vergleichsbeispiel 8
Die Katalysatorteilchen der außerhalb des Bereichs von 2,4 bis 4,8 mm liegenden Größen, die man im Vergleichsbeispiel
7 erhalten hatte und dort nicht als Katalysator verwendete, wurden in einer Kugelmühle gemahlen. Das erhaltene Pulver
wurde auf einen <X -Aluminiumoxidträger ("4AS01" der Pujimi
Kenmazai Co.) von 3 mm Teilchendurchmesser aufgebracht. Die durch Aufbringen von 45 g des Pulvers auf 30 g des oc-Aluminiumoxidträgers
erhaltenen Teilchen wurden 3 Stunden in einem Muffelofen bei 400 0C kalziniert, um einen Trägerkatalysator
herzustellen.
Methacrolein wurde mit dem vorstehenden Trägerkatalysator
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• Ϊ.Ο.
in der gleichen Weise wie im Vergleichsbeispiel 7 oxydiert. Die Konversion von Methacrolein war 83,5 %» die Selektivität
für Methacrylsäure 68,5 %» für Essigsäure 11,0 % und für
Kohlenstoffoxide 16,5 %» und die Ausbeute an Methacrylsäure
war 57,2 %.
Der Trägerkatalysator wurde auf physikalische Festigkeit in gleicher Weise wie im Beispiel 1 geprüft. Beim ersten Versuch
zeigten 85 % des Katalysators teilweises Abschälen. Es wurde so gefunden, daß der Katalysator mit dieser im Vergleichsbeispiel
7 verwendeten Zusammensetzung sehr schwach war.
Vergleichsbeispiel 9
Ein Trägerkatalysator wurde in gleicher Weise wie im Vergleichsbeispiel 8 mit der Ausnahme hergestellt, daß
der Katalysatorzusainmensetzung zusätzlich Zirkoniumoxid zugegeben wurde. Methacrolein wurde mit diesem Katalysator in
der gleichen Weise wie im Vergleichsbeispiel 8 oxydiert. Die Konversion von Methacrolein war 88,5 %» die Selektivität für
Methacrylsäure 72,1 %t für Essigsäure 7,5 % und für Kohlenstoffoxide
12,0 %t und die Ausbeute an Methacrylsäure war
63,8 %.
Der obige Trägerkatalysator wurde in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 auf physikalische Festigkeit überprüft.
Beim ersten Versuch zeigten etwa 75 % des Katalysators ein teilweises Abschälen.
Durch Vergleich der im Vergleichsbeispiel 8 erhaltenen Ergebnisse mit den im Vergleichsbeispiel 9 erhaltenen wurde
Zirkonium als zur Erhöhung von sowohl der Selektivität für Methacrylsäure als auch der physikalischen Festigkeit des
709815/1 189
. 11.
Katalysators wirksam befunden. Jedoch isrt die Verbesserung
für einen im praktischen Betrieb zu verwendenden Katalysator noch unzureichend.
Ein Trägerkatalysator wurde in der gleichen Weise wie im Vergleichsbeispiel 9 mit der Ausnahme gefertigt, daß bei
der Herstellung des Katalysators zusätzlich noch Mangannitrat eingebracht wurde. Methacrolein wurde mit dem obigen Trägerkatalysator
in der gleichen Weise wie im Vergleichsbeispiel 9 oxydiert. Die Konversion von Methacrolein war 88,7 %, die
Selektivität für Methacrylsäure 78,5 %, für Essigsäure 7»^ %
und für Kohlenstoffoxide 10,1 %, und die Ausbeute an Methacrylsäure
war 69,6 %.
Der vorstehende Trägerkatalysator wurde auf seine physikalische Festigkeit in der gleichen Weise wie im Beispiel 1
geprüft. Beim ersten Versuch beobachtete man keinen Zerfall. Beim Wiederholen der Prüfung des Trägerkatalysators, der bereits
den Versuch durchgemacht hatte, zeigten etwa 20 % des Trägerkatalysators teilweises Abschälen.
Durch Vergleich der obigen Ergebnisse mit den im Vergleichsbeispiel
9 erhaltenen sieht man, daß der Zusatz von Mangan die Selektivität für Methacrylsäure verbessert und
ganz erheblich die physikalische Festigkeit des Katalysators erhöht.
709815/1189
| Katalysatorzusammensetzung | Mo | P | Zr | Y | Cs 2 | 0,125 | |
| 12 | 1·5 | 1 | 0,25 | Cs 2 | - | ||
| Beisp. 1 | 12 | 1. | 0,25 | Cs 2 | 0;25 | ||
| Vergl·; Bsp. 1 | 12 | 1 | 0,25 | Cs 2 | 1 | ||
| Beisp. 2 | 12 | 1 | 0,25 | Rb 2 | 0,25 | ||
| 3 | 12 | 1 | 0,25 | Rb 2 | — | ||
| 4 | 12 | 1 | 0,25 | E 2 | 0,25 | ||
| Vergl. Bsp. 2 | 12 | 1T* | 1 | 0,25 | E 2 | — | |
| Beisp. 5 | 12 | 1 | 0,25 | Tl 2 | 0,25 | ||
| Vergl. Bsp. 3 | 12 | 1 | 0,25 | IDl 2 | — | ||
| Beisp. 6 | 12 | 1 | 0,25 | E 1,7 Cs O725 |
0,25 | ||
| Vergl. Bsp. 4 | 12 | 1|5 | 1 | 0,25 | E 1,7 Cs 0,25 |
— | |
| Beisp^ 7 | 12 | 1.5 | 1 | 0,25 | E 1 Cs 1,2 |
0,25 | |
| VerglT Bsp. 5 | 12 | 1,54 | 1 | 0,5 | E 1 Cs 1,2 |
— | |
| Beisp. · 8 | 12 | 1,54 | 1 | 0,5 | Cs 2 | 0,5 | |
| Vergl. Bsp. 6 | 12 | 2 | 1 | 1 | Cs 2 | — | |
| Beisp. 9 | 12 | 2 | — | 1 | Cs 2 | - | |
| Vergl. Bsp. 7 | 12 | 2 | - | 1 | Cs 2 | - | |
| " 8 | 12 | 2 | 1 | 1 | |||
| 9 | |||||||
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TaDeIIc 1 (Fortsetzung)
| K diversion (#) |
Selektivität (%) | Essig säure |
Kohlen monoxid Kohlen dioxid |
Ausbeute an Methacryl säure^) |
| 90,0 | Methacryl säure |
11,2 | 67,6 | |
| 90,3 | 75,1 | 7,8 | 15,5 | 62,7 |
| 87T8 | 69,4 | 7,4 | 10,5 | 67,2 |
| 69?8 | 76n5 | 7?4 | 10,5 | 54,1 |
| 80,1 | 77,5 | 6,5 | 12,4 | 63,5 |
| • 82,3 | 79,3 | 6,3. | 15,1 | 61,3 |
| 76,5 | 74,5 | 5|3 | 7,0 | 65,1 |
| ■" 80,4 | 85,1 | 5|2 | ^10,3 | 64,2 |
| ' 79 ,S | 79,9 , | 11,5 | 57,7 | |
| 83,1 | 72,3 | 7,5 | 15,5 | 56,9 |
| 80f3 | 68,5 | 6,5 | 777 | 67,9 |
| 84,2 | 84,5 | 5t2 | 11,0 | 67,6 |
| 90?l | 80,3 | 8,1 | 10,1 | 67,8 |
| 75,1 | 75,3 | 8,0 | 11,1 | 52,6 |
| 88,7 | 70,0 | 10,1 | 69r6 | |
| 86,3 | 78,5 | 8,5 | 12,1 | 60,8 |
| 83,5 | 70f5 | 11,0 | 16,5 | 57,2 |
| 88,5 | 68,5 | 12r0 | 63,8 | |
| 72 fl |
709815711SS
Claims (9)
- Patentansprüche!,/Verfahren zur Herstellung von Methacrylsäure aus Methacrolein durch Gasphasenoxydation bei erhöhter Temperatur in Gegenwart eines Katalysators auf Basis von Oxiden des Molybdäns, Phosphors, Vanadins und eines Alkalimetalls oder des Thalliums,
dadurch gekennzeichnet, daß man das Reaktionsgasgemisch, das ein Molverhältnis von Methacrolein : molekularem Sauerstoff : Dampf von 1 : 1 - 3 : 0 - 50 aufweist, bei 250 - 400 0C und einer Raumgeschwindigkeit von 250 - 3000 h"1 (bei 0 0C und 1 at) mit einem Katalysator der empirischen Atomverhältnisformel.MoaPbZrcVdMrieXf0 ikontaktiert, worin X wenigstens ein Element der Gruppe K, Rb, Cs und Tl und a> b, c, d, e, f und g die Anzahl der
Atome von Mo, P, Zr, V, Mn, X und 0 bedeuten, für a = 12, b 0,5 - 5, c 0,1 - 5, d 0,05 - 3, e 0,05 - 1,5, f 0,1 - 3 und g 40 - 60 betragen und g eine dem Bedarf der Wertigkeiten der einzelnen Katalysatorbestandteilselemente genügende Zahl ist. - 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert von e 0,1 bis 1 ist.
- 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß b 1 - 2, c 0,5 - 2, d 0,1 - 1, f 1 - 2,5 und g 40 - 50 betragen.
- 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das molekularen Sauerstoff enthaltende Gas Luft oder eine Mischung von molekularem Sauerstoff mit einem inerten Gasist· 7098 15/118 9
- 5. Verfahren nach Anspruch H, dadurch gekennzeichnet, daß das inerte Gas Stickstoff, Kohlendioxid, Helium, Argon oder ein niederer gesättigter Kohlenwasserstoff ist.
- 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Molverhältnis von Methacrolein zu Dampf 1 : 5 - ^O ist.
- 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Molverhältnis von Methacrolein zum molekularen Sauerstoff 1 : 1 - 2 ist.
- 8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Molverhältnis von Methacrolein zum molekularen Sauerstoff 1 : 2 ist.
- 9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsdruck 0,5 bis 3 at ist.70981 5/1189
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