DE102008060340A1 - Production of lactams and carboxylic acid amides by Beckmann rearrangement of oximes in the presence of Nb catalysts - Google Patents
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Classifications
-
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-
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft Prozesse für die Herstellung von Lactamen wie epsilon-Caprolactam, omega-Laurolactam oder von Carbonsäureamide wie Acetaminophenol (Schmerzmittel Paracetamol) und Benzanilid durch Beckmann-Umlagerung von den korrespondierenden Oximen bei Anwesenheit von Nb imprägnierten Katalysatoren wie Nb auf SiO2 bevorzugt in der Gasphase, aber auch in der Flüssigphase. Die Erfindung beschreibt darüberhinaus die Methode der Regeneration dieser Nb-haltigen Katalysatoren in oxidierenden und nicht oxidierenden Medien 200°C bis 600°C.The present invention relates to processes for the production of lactams such as epsilon-caprolactam, omega-laurolactam or carboxylic acid amides such as acetaminophenol (analgesic acetaminophen) and benzanilide by Beckmann rearrangement of the corresponding oximes in the presence of Nb impregnated catalysts such as Nb on SiO2 preferably in the Gas phase, but also in the liquid phase. The invention also describes the method of regeneration of these Nb-containing catalysts in oxidizing and non-oxidizing media 200 ° C to 600 ° C.
Description
ZusammenfassungSummary
Die vorliegenden Erfindung betrifft Prozesse für die Herstellung von Lactamen wie ε-Caprolactam, ω-Laurolactam oder von Carbonsäureamide wie Acetaminophenol (Schmerzmittel Paracetamol) und Benzanilid durch Beckmann-Umlagerung von den korrespondierenden Oximen bei Anwesenheit von Nb imprägnierten Katalysatoren wie Nb auf SiO2 bevorzugt in der Gasphase, aber auch in der Flüssigphase.The present invention relates to processes for the production of lactams such as ε-caprolactam, ω-laurolactam or carboxylic acid amides such as acetaminophenol (analgesic acetaminophen) and benzanilide by Beckmann rearrangement of the corresponding oximes in the presence of Nb impregnated catalysts such as Nb on SiO 2 preferably in the gas phase, but also in the liquid phase.
Die Erfindung beschreibt darüberhinaus die Methode der Regeneration dieser Nb-haltigen Katalysatoren im oxidierenden und nicht-oxidierenden Medien 200°C bis 600°C.The The invention also describes the method of regeneration these Nb-containing catalysts in oxidizing and non-oxidizing Media 200 ° C to 600 ° C.
Stand der TechnikState of the art
Nb-haltige
Materialien haben eine bemerkenswerte Aktivität in heterogen
katalysierten Prozessen, so auch für die Synthese von Feinchemikalien,
gezeigt. (
In
Die vorliegende Erfindung beschreibt die Erzeugung von Lactamen wie ε-Caprolactam, ω-Laurolactam oder Carbonsäuresäureamide wie Acetamidophenol und Acetanilid durch Beckmann-Umlagerung der entsprechenden Oxime wie Cyclohexanonoxim bzw. Cyclododecanonoxim oder 4-Hydroxyacetophenonoxim bzw. Benzophenonoxime bevorzugt in der Gasphase aber auch in der Flüssigphase in Anwesenheit von Nb haltigen Katalysatoren, wobei das Nb auf verschiedenen anorganischen und organischen Trägermaterialien wie SiO2, SiO2-Al2O3, TiO2 und ZrO2 aufgebracht ist. Darüberhinaus beschreibt die Erfindung die Regeneration solcher Katalysatoren.The present invention describes the production of lactams such as ε-caprolactam, ω-laurolactam or carboxylic acid amides such as acetamidophenol and acetanilide by Beckmann rearrangement of the corresponding oximes such as cyclohexanone oxime or cyclododecanone oxime or 4-hydroxyacetophenone oxime or benzophenone oximes preferably in the gas phase but also in the liquid phase in the presence of Nb-containing catalysts, wherein the Nb is applied to various inorganic and organic support materials such as SiO 2 , SiO 2 -Al 2 O 3 , TiO 2 and ZrO 2 . Moreover, the invention describes the regeneration of such catalysts.
Beispielsweise ε-Caprolactam
und ω-Laurolactam sind wichtige Monomer für die
Produktion von Polyamiden wie Nylon-6 und Nylon 12. So wird ε-Caprolactam
durch eine Beckmann-Umlagerung von Cyclohexanonoxim in Anwesenheit
von sauren Medien wie rauchende Schwefelsäure oder Oleum
(
Die
oben genannten Prozesse können unter Ersatz der homogenen
Schwefelsäure durch Beckmann-Umlagerung in der Gasphase
mit festen sauren Katalysatoren durchgeführt werden. Zu
den festen Säure-Katalysatoren in der Gas-Phasen-Umlagerung
gehören Borsäure Katalysatoren (
ε-Caprolactam
läßt sich auch über verschiedene andere
Methoden als die Beckmann-Umlagerung Reaktion herstellen.
Weiterhin
beschreibt Patent
Nach Katalysatorabtrennung und Entfernen des Ammoniaks wird die zurückgebliebene Lösung erhitzt und zu ε-Caprolactam umgesetzt.To Catalyst separation and removal of the ammonia will be the remaining Heated solution and reacted to ε-caprolactam.
Vor
kurzem wurde in Patent Nr.
Es ist auch bekannt, dass die Beckmann-Umlagerung in der Gasphase von Cyclohexanonoxim zu ε-Caprolactam unter Verwendung von festen Katalysatoren wie Beta-Zeolith, Y-Zeolith, Mordenit und insbesondere Zeolithe mit MFI Struktur durchgeführt werden kann.It It is also known that the Beckmann rearrangement in the gas phase of Cyclohexanonoxim to ε-caprolactam using solid catalysts such as beta zeolite, Y zeolite, mordenite and in particular Zeolites with MFI structure can be performed.
Beta-,
Y-, Mordenit- und MFI Zeolithe in der H-Form oder dotiert mit Seltenerdmetallen
oder Übergangsmetallen deaktivieren allerdings sehr schnell
durch Oligomeren- und Polymerbildung. Ebenso bilden sich zunehmend
andere Neben Produkte wie 5-Cyanopent-1-en, Cyclohexanon und Anilin
an diesen Katalysatoren (
In
der Gasphasen Beckmann-Umlagerung an Zeolith-Katalysatoren wie z.
B. des Pentasiltyps (MFI Struktur) können sich während
der Reaktion kohlenstoffhaltige Produkte auf den Brönsted-Säurezentren
der Katalysatoroberfläche ablagern und sehr schnell deaktivieren
(
Um diese organischen Stoffe von den aktiven Zentren des Katalysators zu entfernen, wird der Katalysator bei höheren Temperatur regeneriert. Hierbei werden in Anwesenheit von oxidativen Gasen wie Sauerstoff die Kohlenstoffverbindungen wie z. B. Oligomere und Polymere von den aktiven Zentren des Katalysator entfernt.Around these organic substances from the active centers of the catalyst To remove, the catalyst becomes at higher temperature regenerated. In this case, in the presence of oxidative gases as oxygen, the carbon compounds such. B. oligomers and Polymers removed from the active sites of the catalyst.
Patente
(
Das Hauptproblem bei den oben genannten Prozessen in Anwesenheit von B-MFI-Katalysatoren ist, dass nach einer bestimmten Reaktionszeit von etwa 2 Std, die Deaktivierung des Katalysators beginnt, weil sich kohlenstoffhaltige Stoffe wie Oligomere und Polymere auf den aktiven Zentren des Katalysators ablagern.The Main problem with the above processes in the presence of B-MFI catalysts is that after a certain reaction time By about 2 hours, the deactivation of the catalyst starts because carbonaceous substances such as oligomers and polymers on the active Deposit centers of the catalyst.
Auch ω-Laurolactam kann an zeolithischen Heterogenkatalysatoren durch Beckmann-Umlagerung von Cyclododekanonoxim in der Gasphase hergestellt werden.Also ω-laurolactam can be used on zeolitic heterogeneous catalysts by Beckmann rearrangement of Cyclododekanonoxim be prepared in the gas phase.
Ein
derartiges Verfahren ist in Patent
Folglich
mußte ein Verfahren entwickelt werden, das eine schnelle
Regenerierung des Katalysators zuläßt. Dies wurde
gelöst durch kontinuierliche Regenerierung des Katalysators
in einem Wirbelschicht-Reaktor, um so die Ausgangsaktivität
des Katalysators für hohe Umsätze und hohe Selektivitäten
zu ε-Caprolactam wieder zu erlangen (
Patent
Ziele der Forschung auf diesem Gebiet sind, diese Nachteile durch die Bereitstellung eines Verfahrens z. B. zur Herstellung von ε-Caprolactam aus Cyclohexanonoxim durch Beckmann-Umlagerung zu überwinden, billigere Katalysatoren als die teuren bisher verwendeten Zeolithkatalysatoren zu entwickeln, die darüberhinaus robuster sind und eine längeren Einsatz vor einer Regenerierung zulassen.aims Research in this area are those disadvantages through the Provision of a method z. For the production of ε-caprolactam from cyclohexanone oxime to overcome by Beckmann rearrangement, cheaper Catalysts as the expensive zeolite catalysts used so far to develop, which are also more robust and one allow longer use before regeneration.
Beschreibungdescription
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, dass billige und einfach herstellbare Nb-haltige Katalysatoren auf Trägermaterial ebenfalls eine ausgezeichnete katalytische Performance für die Beckmann Umlagerung z. B. in der Gasphase zeigen und sehr hohe Selektivität bei Umsätzen von größer als 95% liefern. Die Standzeit solcher Katalysatoren ist überraschenderweise lange genug, damit eine Kommerzialisierung in Festbettreaktoren möglich ist und die Prozesstechnik eines teuren Wirbelschichtreaktors mit kontinuierlicher Katalysator-Regeneration in einem zweiten Wirbelbett vermieden werden kann.It has now surprisingly been found that cheap and easy to prepare Nb-containing catalysts on support material also an excellent catalytic performance for the Beckmann rearrangement z. B. in the gas phase and very high Selectivity in sales of greater deliver as 95%. The lifetime of such catalysts is surprisingly long enough for commercialization in fixed bed reactors is possible and the process technology of an expensive fluidized bed reactor with continuous catalyst regeneration in a second fluidized bed can be avoided.
Nach der vorliegenden Erfindung wird die Beckmann-Umlagerung bevorzugt in der Gasphase aber auch in der Flüssigphase an Nb imprägnierten amorphen Materialien mit großer Oberfläche und schwacher Säurestärke durchgeführt. Diese Katalysatoren zeigen eine konstante Aktivität beispielsweise bezogen auf die Cyclohexanonoxim Umsetzung und auf die äußerst hohe Selektivität zu ε-Caprolactam.To In the present invention, the Beckmann rearrangement is preferred in the gas phase but also in the liquid phase impregnated on Nb amorphous materials with large surface and weak acidity carried out. These Catalysts show a constant activity, for example based on the cyclohexanone oxime reaction and on the extremely high selectivity to ε-caprolactam.
Die Erfindung bezieht sich auch auf die Präparation derartiger Katalysatoren durch Imprägnierung von Nb auf Trägermaterialien wie SiO2, SiO2-Al2O3, TiO2 und ZrO2.The invention also relates to the preparation of such catalysts by impregnation of Nb on support materials such as SiO 2 , SiO 2 -Al 2 O 3 , TiO 2 and ZrO 2 .
In der vorliegenden Erfindung wird z. B. an einem mit 3,15 Gew.-% Nb auf einem SiO2-Träger beladenen Katalysator ein Umsatz an Cyclohexanonoxim von 100% und über 95% Caprolactam-Selektivität bei 300°C, 0,1 bar und 0,3 h–1 WHSV in einem Festbettreaktor erzielt. Diese Erfindung bezieht sich nicht nur auf mit Nb imprägnierte SiO2-Katalysatoren, sondern auch auf andere Nb imprägnierte Katalysatoren.In the present invention, for. For example, on a catalyst charged with 3.15% by weight of Nb on a SiO 2 support , a conversion of cyclohexanone oxime of 100% and more than 95% of caprolactam selectivity at 300 ° C., 0.1 bar and 0.3 h . 1 WHSV achieved in a fixed bed reactor. This invention relates not only to Nb-impregnated SiO 2 catalysts but also to other Nb-impregnated catalysts.
Andere anorganische Trägermaterialien wie SiO2 mit unterschiedlicher Oberfläche, unterschiedlicher Porengröße und Porenverteilung sowie unterschiedlicher Akzidität sind amorphe SiO2-Al2O3, TiO2, ZrO2, Zeolithe wie isomorph substituierte Pentasilzeolithe (z. B. B-MFI, TS-1, Al-MFI), mesoporöse Materialien der MS Familie wie MCM-41, MCM-48 und Oxide der III. Hauptgruppenelemente wie Al2O3 und B2O3 sowie Oxide der Lanthangruppe wie La2O3 oder CeO2. Auch diese anderen Trägermaterialien unterscheiden sich in unterschiedlicher Oberfläche, unterschiedlicher Porengröße und Porenverteilung sowie unterschiedlicher Akzidität.Other inorganic support materials such as SiO 2 with different surface area, different pore size and pore distribution and different Akzidität are amorphous SiO 2 -Al 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 , zeolites such as isomorphously substituted pentasil zeolites (eg., B-MFI, TS-1 , Al-MFI), mesoporous materials of the MS family such as MCM-41, MCM-48 and oxides of III. Main group elements such as Al 2 O 3 and B 2 O 3 as well as oxides of the lanthanum group such as La 2 O 3 or CeO 2 . These other carrier materials also differ in their different surface, pore size and pore distribution as well as their different acitivity.
Der Nb-Gehalt in den präparierten Katalysatoren variiert in einem weiten Bereich zwischen 0,1 Gew.-% und 30 Gew.-%, bevorzugt zwischen 0,5 Gew.-% und 10 Gew.-% und besonders bevorzugt zwischen 1 Gew.-% und 5 Gew.-%.Of the Nb content in the prepared catalysts varies in a wide range between 0.1 wt .-% and 30 wt .-%, preferably between 0.5% by weight and 10% by weight, and more preferably between 1 Wt .-% and 5 wt .-%.
Die Aufbringung des Nb erfolgt nach gängigen Methoden der Katalysatorherstellung z. B. i.) durch Lösung eines Nb-Salzes in Wasser, Auftränken auf das Trägermaterial und Abrotieren des überschüssigen Wassers am Rotationsverdampfer, ii.) durch Imprägnierung nach der „incipient wetness”-Methode iii.) durch Ionenaustausch iv.) aber auch durch Vermengung der Niobverbindung mit dem Trägermaterial gefolgt von Trocknung und Kalzination. An die Aufbringung der Nb-Komponente schließt sich normalerweise ein Trocknung zwischen 80°C und 160°C an und danach eine Kalzination bei 300°C bis 750°C, bevorzugt bei 500°C bis 600°C.The Nb is applied by standard methods of catalyst preparation z. B. i.) By dissolving a Nb salt in water, impregnating on the substrate and spun off the excess Water on a rotary evaporator, ii.) By impregnation according to the "incipient wetness" method iii.) Ion exchange iv.) But also by mixing the niobium compound with the carrier followed by drying and calcination. The application of the Nb component usually closes a drying between 80 ° C and 160 ° C and then a calcination at 300 ° C to 750 ° C, preferably at 500 ° C to 600 ° C.
Der Prozess zur Herstellung der Lactame wie ε-Caprolactam und ω-Laurolactam in der vorliegenden Erfindung erfolgt durch Beckmann-Umlagerung der entsprechenden Oxime wie Cyclohexanonoxim bzw. Cyclododecanoneoxim in der Gasphase in einem kontinuierlich betriebenen Festbettreaktor an einem Nb haltigen Katalysator. Alternative zu dem Festbett können auch Wirbelschichtreaktoren oder Wirbelbettreaktoren mit kontinuierlicher Regeneration in einem zweiten Wirbelbett oder bewegte Bettreaktoren (Moving Bed) oder Platten-Reaktoren verwendet werden.Of the Process for the preparation of lactams such as ε-caprolactam and ω-laurolactam in the present invention, by Beckmann rearrangement the corresponding oximes such as cyclohexanone oxime or cyclododecanone oxime in the gas phase in a continuously operated fixed bed reactor on a Nb-containing catalyst. Alternative to the fixed bed can Also fluidized bed reactors or fluidized bed reactors with continuous Regeneration in a second fluidized bed or moving bed reactors (Moving Bed) or plate reactors are used.
Selbige Verfahrenskonzepte gelten für Herstellung von Carbonsäureamiden durch Gasphasen Beckmann-Umlagerung z. B. von 4-Hydroxyacetophenonoxim zu Acetamino-Phenol oder von Benzophenonoxim zu Benzanilid.The same process concepts apply to the preparation of carboxylic acid amides by gas phases Beckmann rearrangement z. From 4-hydroxyacetophenone oxime to acetamino-phenol or from benzophenone oxime to benzanilide.
Der Katalysator kann bei diesen Verfahren in Form von Tabletten, Extrudaten oder Wirbelgut eingesetzt werden.Of the Catalyst can be used in these processes in the form of tablets, extrudates or Wirbelgut be used.
Die Reaktionstemperatur ist in der Regel 200–500°C, vorzugsweise 250–350°C, besonders bevorzugt 275–325°C.The Reaction temperature is usually 200-500 ° C, preferably 250-350 ° C, more preferably 275-325 ° C.
Die Beladung des Katalysators z. B. mit Cyclohexanonoxim oder 4-Hydroxyacetophenonoxim, ausgedrückt durch die „Raumzeit Geschwindigkeit” gleich WHSV (weight hourly space velocity) angegeben in g Oxim/Std und g Katalysator ist in der Regel zwischen 0,05 bis 15 h–1, bevorzugt zwischen 0,1 und 5 h–1 und besonders bevorzugt 0,2 bis 2,5 h–1.The loading of the catalyst z. Example, with cyclohexanone oxime or 4-Hydroxyacetophenonoxim, expressed by the "space-time velocity" equal to WHSV (weight hourly space velocity) indicated in g oxime / hr and g catalyst is usually between 0.05 to 15 h -1 , preferably between 0 , 1 and 5 h -1 and more preferably 0.2 to 2.5 h -1 .
In der vorliegenden Erfindung liegt der Druck im Reaktor zwischen 0,01 bis 10 bar, vorzugsweise aber zwischen 0,05–2 bar und besonders bevorzugt zwischen 0,1–0,5 bar.In In the present invention, the pressure in the reactor is between 0.01 up to 10 bar, but preferably between 0.05-2 bar and especially preferably between 0.1-0.5 bar.
Das Oxim wie Cyclohexanonoxim oder Cycöldodecanonoxim kann in polaren und/oder nicht-polaren Lösungsmitteln wie Methanol, Ethanol, Isopropanol, Butanol, Cyclohexanol, Xylol, Toluol oder Benzol gelöst und als Lösung zum Einsatz gebracht werden. Die Verwendung eines inerten Lösungsmittels unterstützt den Transport des Oxims zu den reaktiven Zentren des Katalysators und erleichtert auch die Desorption der Produkte von der Katalysatoroberfläche. Aber auch der Einsatz von Wasser und Wasserdampf ist von großem Vorteil bei der Durchführung der Reaktionen.The Oxime such as cyclohexanone oxime or cyclododecanone oxime in polar and / or non-polar solvents such as methanol, Ethanol, isopropanol, butanol, cyclohexanol, xylene, toluene or Benzene dissolved and used as a solution become. Supported the use of an inert solvent the transport of the oxime to the reactive centers of the catalyst and also facilitates desorption of the products from the catalyst surface. But the use of water and steam is a great advantage in carrying out the reactions.
Weiterhin können Trägergase verwendet werden. Solche sind inerte Gase wie N2, Argon, Helium, CH4 und/oder CO2. Die Funktion des Trägergas ist die Verdrängung der Reaktionsprodukte und des nicht abreagierten Oxims von der Katalysatoroberfläche.Furthermore, carrier gases can be used. Such are inert gases such as N 2 , argon, helium, CH 4 and / or CO 2 . The function of the carrier gas is the displacement of the reaction products and unreacted oxime from the catalyst surface.
In der Gasphasen-Reaktion am Festbett treten kohlenstoffhaltiger Nebenprodukte wie Oligomere und Polymere auf, die die aktiven Zentren des Katalysators belegen und den Katalysator desaktivieren. Die Katalysatorregeneration kann in einem Festbettreaktor durchgeführt werden. Alternative zu dem Festbett können auch Wirbelschichtreaktoren oder. bewegte Bettreaktoren (Moving Bed) oder Platten-Reaktoren verwendet werden.In the gas-phase reaction on fixed bed occur carbonaceous by-products such as oligomers and polymers, which are the active sites of the catalyst occupy and deactivate the catalyst. The catalyst regeneration can be carried out in a fixed bed reactor. alternative to the fixed bed can also be fluidized bed reactors or. moving bed reactors (moving bed) or plate reactors are used.
In der vorliegenden Erfindung erfolgt die Regeneration bei Temperaturen von 200 bis 700°C, bevorzugt bei 450 bis 550°C in Anwesenheit von oxidativen Gasen oder Gasgemischen wie Luft- und/oder reinem Sauerstoff und/oder Sauerstoff mit zugemischten inerten Gasen N2, Argon, Methan, Kohlendioxid und H2.In the present invention, the regeneration takes place at temperatures of 200 to 700 ° C, preferably at 450 to 550 ° C in the presence of oxidative gases or gas mixtures such as air and / or pure oxygen and / or oxygen with admixed inert gases N 2 , argon , Methane, carbon dioxide and H 2 .
Eine Regeneration ist auch in einem nicht-oxidativen Medium wie N2, Argon, Methan, Kohlendioxid und H2 bei bei Temperaturen von 200 bis 700°C, bevorzugt bei 450 bis 550°C möglich. Hierbei werden die kohlenstoffhaltigen Ablagerungen an den aktiven Zentren von der Katalysatoroberfläche weggeblasen.Regeneration is also possible in a non-oxidative medium such as N 2 , argon, methane, carbon dioxide and H 2 at temperatures of 200 to 700 ° C, preferably 450 to 550 ° C. In doing so, the carbonaceous deposits at the active sites are blown away from the catalyst surface.
Im Allgemeinen kann die Katalysator-Regeneration in Anwesenheit von oxidativen Gas wie Luft bei hohen Temperaturen stark exotherm reagieren. In Anwesenheit von oxidativen Gasen wird Wärme freigesetzt, wodurch sich der Katalysator stark aufheizt. Der Katalysator kann bei diesen hohen Temperaturen sintern und irrevesible desaktiviert werden. Der Vorteil der Katalysator-Regeneration in Anwesenheit eines nicht-oxidierenden Gases ist, dass bei dieser Methode keine Wärme durch die Oxidation von organischen Ablagerungen auf dem Katalysator freigesetzt wird, wodurch nachteilige Auswirkungen auf den Katalysator wie bei der oxidativen Regenerierung nicht auftreten können.in the In general, the catalyst regeneration in the presence of oxidative gas such as air at high temperatures react strongly exothermic. In the presence of oxidative gases heat is released, causing the catalyst heats up a lot. The catalyst can in these sintering at high temperatures and irreversibly deactivated. The advantage of catalyst regeneration in the presence of a non-oxidizing Gases is that with this method no heat through the Oxidation of organic deposits released on the catalyst is, whereby adverse effects on the catalyst as in the oxidative regeneration can not occur.
Ohne dass die Produktion unterbrochen werden muss, kann die Beckmann-Umlagerung und die Katalysator-Regeneration parallel in zwei Festbettreaktoren durchgeführt werden können. Diese zwei Festbettreaktoren werden parallel in ständigem Wechsel zwischen Reaktion und Regeneration betrieben.Without that the production must be interrupted, the Beckmann rearrangement and catalyst regeneration in parallel in two fixed bed reactors can be performed. These two fixed bed reactors be in parallel in constant change between reaction and regeneration operated.
Die erfindungsgemäße Beckmann-Umlagerung der Oxime an den erfindungsgemäßen Nb-haltigen Heterogenkatalysatoren kann auch in der Flüssigphase durchgeführt werden.The Beckmann rearrangement of the oximes according to the invention on the novel Nb-containing heterogeneous catalysts can also be carried out in the liquid phase.
Der Prozess zur Herstellung der Lactame wie ε-Caprolactam und ω-Laurolactam in der vorliegenden Erfindung erfolgt durch Beckmann-Umlagerung der entsprechenden Oxime wie Cyclohexanonoxim bzw. Cyclododecanoneoxim in der Flüssigphase in einem kontinuierlich betriebenen Festbettreaktor an einem Nb haltigen Katalysator. Alternative zu dem Festbett können auch Batchreaktoren (Stirred Tank Reactor), Autoklaven, Kaskadenreaktoren oder Tricklebettreaktoren verwendet werden.The process for the preparation of lactams such as ε-caprolactam and ω-laurolactam in the present invention is carried out by Beckmann rearrangement of the corresponding oximes such as cyclohexanone oxime or cyclododecanone oxime in the liquid phase in a continuously operated fixed bed reactor on a Nb-containing catalyst. Alternative to the fixed bed can also be batch reactors (Stirred Tank Reactor), autoclaves, Cascade reactors or trickle-bed reactors are used.
Selbige Verfahrenskonzepte gelten für Herstellung von Carbonsäureamiden durch Flüssigphasen Beckmann-Umlagerung z. B. von 4-Hydroxyacetophenonoxim zu Acetamino-phenol oder von Benzophenonoxim zu Benzanilid.selbige Process concepts apply to the preparation of carboxylic acid amides by liquid phases Beckmann rearrangement z. From 4-hydroxyacetophenone oxime to acetaminophen or from benzophenone oxime to benzanilide.
Der Katalysator wird bei diesen Verfahren in Pulverform eingesetzt werden.Of the Catalyst will be used in these processes in powder form.
Die Reaktionstemperatur ist in der Regel 20–200°C, vorzugsweise 50–100°C.The Reaction temperature is usually 20-200 ° C, preferably 50-100 ° C.
Die Beladung des Katalysators z. B. mit Cyclohexanonoxim oder 4-Hydroxyacetophenonoxim in der Flüssigkeiten erfolgt im Bereich von 2 g Oxime pro 1 g Katalysator bis 100 g Oxime pro 1 g Katalysator.The Loading the catalyst z. With cyclohexanone oxime or 4-hydroxyacetophenone oxime in the liquid takes place in the range of 2 g of oxime per 1 g of catalyst to 100 g of oxime per 1 g of catalyst.
In der vorliegenden Erfindung liegt der Druck im Reaktor zwischen 0,5 bis 10 bar, vorzugsweise aber zwischen 1–2 bar.In In the present invention, the pressure in the reactor is between 0.5 up to 10 bar, but preferably between 1-2 bar.
Das Oxim wie Cyclohexanonoxim oder Cycöldodecanonoxim kann in polaren und/oder nicht-polaren Lösungsmitteln wie Methanol, Ethanol, Isopropanol, Butanol, Cyclohexanol, Xylol, Toluol oder Benzol gelöst und als Lösung zum Einsatz gebracht werden. Aber auch der Einsatz von Wasser und Wasserdampf kann von großem Vorteil bei der Durchführung der Reaktionen sein. Das Gewicht-Verhältnis von Substrat zu Lösungsmittel liegt im Bereich von 1:1 bis 1:15, vorzugsweise von 1:6 bis 1:9.The Oxime such as cyclohexanone oxime or cyclododecanone oxime in polar and / or non-polar solvents such as methanol, Ethanol, isopropanol, butanol, cyclohexanol, xylene, toluene or Benzene dissolved and used as a solution become. But also the use of water and steam can be of great To be an advantage in carrying out the reactions. The weight ratio from substrate to solvent is in the range of 1: 1 to 1:15, preferably from 1: 6 to 1: 9.
Weiterhin kann die Flüssigphasen Beckmann Umlagerung unter inerter Gasatmosphäre wie in N2, Argon, Helium, CH4 und/oder CO2 ausgeführt werden.Furthermore, the liquid phase Beckmann rearrangement under an inert gas atmosphere as in N 2 , argon, helium, CH 4 and / or CO 2 can be performed.
Auch bei der Flüssigphasenreaktion treten kohlenstoffhaltige Nebenprodukte wie Oligomere und Polymere auf, die die aktiven Zentren des Katalysators belegen und den Katalysator desaktivieren. Im Gegensatz zur Gasphasenreaktion erfolgt die Regeneration erfolgt hier nach Abtrennung des Katalysatoren kann extern außerhalb des Reaktionsgefäßes in einem Festbettreaktor durchgeführt werden.Also in the liquid phase reaction occur carbonaceous By-products such as oligomers and polymers on which the active sites of the catalyst and deactivate the catalyst. In contrast to Gas phase reaction, the regeneration takes place here after separation the catalyst can be external to the reaction vessel be carried out in a fixed bed reactor.
In der vorliegenden Erfindung erfolgt auch hier die Regeneration bei Temperaturen von 200 bis 700°C, bevorzugt bei 450 bis 550°C in Anwesenheit von oxidativen Gasen oder Gasgemischen wie Luft- und/oder reinem Sauerstoff und/oder Sauerstoff mit zugemischten inerten Gasen N2, Argon, Methan, Kohlendioxid und H2.In the present invention also here, the regeneration takes place at temperatures of 200 to 700 ° C, preferably at 450 to 550 ° C in the presence of oxidative gases or gas mixtures such as air and / or pure oxygen and / or oxygen with admixed inert gases N 2 , Argon, methane, carbon dioxide and H 2 .
Eine Regeneration ist auch in einem nicht-oxidativen Medium wie N2, Argon, Methan, Kohlendioxid und H2 bei bei Temperaturen von 200 bis 700°C, bevorzugt bei 450 bis 550°C möglich. Hierbei werden die kohlenstoffhaltigen Ablagerungen an den aktiven Zentren von der Katalysatoroberfläche weggeblasen.Regeneration is also possible in a non-oxidative medium such as N 2 , argon, methane, carbon dioxide and H 2 at temperatures of 200 to 700 ° C, preferably 450 to 550 ° C. In doing so, the carbonaceous deposits at the active sites are blown away from the catalyst surface.
Im Allgemeinen kann die Katalysator-Regeneration in Anwesenheit von oxidativen Gas wie Luft bei hohen Temperaturen stark exotherm reagieren. In Anwesenheit von oxidativen Gasen wird Wärme freigesetzt, wodurch sich der Katalysator stark aufheizt. Der Katalysator kann bei diesen hohen Temperaturen sintern und irrevesible desaktiviert werden. Der Vorteil der Katalysator-Regeneration in Anwesenheit eines nicht-oxidierenden Gases ist, dass bei dieser Methode keine Wärme durch die Oxidation von organischen Ablagerungen auf dem Katalysator freigesetzt wird, wodurch nachteilige Auswirkungen auf den Katalysator wie bei der oxidativen Regenerierung nicht auftreten können.in the In general, the catalyst regeneration in the presence of oxidative gas such as air at high temperatures react strongly exothermic. In the presence of oxidative gases heat is released, causing the catalyst heats up a lot. The catalyst can in these sintering at high temperatures and irreversibly deactivated. The advantage of catalyst regeneration in the presence of a non-oxidizing Gases is that with this method no heat through the Oxidation of organic deposits released on the catalyst is, whereby adverse effects on the catalyst as in the oxidative regeneration can not occur.
Mit Übergangsmetallen M imprägnierte Katalysatoren stellen eine weitere nützliche Art der Katalysatormodifikation dar. Bevorzugte Metalle zusätzlich zu Nb umfassen Ta, Ti, Mn, Zr, V, Sn, Sb, und W. Es ist möglich, das atomare Verhältnis der Katalysatorkomponenten durch Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) zu bestimmen. Das atomare Verhältnis Si/M ist 16 oder mehr, vorzugsweise 50 oder mehr.With transition metals M impregnated catalysts provide another useful Type of catalyst modification. Preferred metals in addition to Nb include Ta, Ti, Mn, Zr, V, Sn, Sb, and W. It is possible the atomic ratio of the catalyst components Atomic absorption spectroscopy (AAS) to determine. The atomic ratio Si / M is 16 or more, preferably 50 or more.
Der Hauptgrund für diese hohe Aktivität der erfindungsgemäßen Katalysatoren liegt in der großen Oberfläche der Trägermaterialien sowie an einer großen Zahl von Säurezentren, die eine sehr schwache bis mittelstarke Säurestärke aufweisen. Diese sauren Zentren sind gut auf die Katalysatoroberfläche verteilt. Die sehr schwach sauren bis schwach sauren Zentren sind sehr günstig für die Beckmann-Umlagerung in der Gas-Phase.Of the Main reason for this high activity of the invention Catalysts lies in the large surface of the Support materials as well as a large number of Acid centers that have a very weak to medium strength acidity exhibit. These acidic centers are good on the catalyst surface distributed. The very weakly acidic to weakly acidic centers are very favorable for the Beckmann rearrangement in the gas phase.
Die Ergebnisse der Reaktion zeigen, dass in Anwesenheit von Nb imprägniert auf SiO2 höhere Umsätze an Oxim wie Cyclohexanonoxim und eine höhere Lactam wie ε-Caprolactam Selektivität erzielt werden als bei anderen Trägermaterialien. Diese Beobachtungen könnten durch die große Oberfläche und das große Porenvolumen sowie die geringe Aciditätsstärke erklärt werden.The results of the reaction show that, in the presence of Nb impregnated on SiO 2, higher conversions of oxime such as cyclohexanone oxime and a higher lactam such as ε-caprolactam selectivity are achieved than with other support materials. These observations could be due to the large surface and the large butt renvolumen and the low acidity can be explained.
Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung werden einige detailliertere Beispiele gegeben, ohne dass hierdurch die Breite der Erfindung eingeschränkt werden soll.For to become a better understanding of the present invention given some more detailed examples without this Width of the invention should be limited.
BeispieleExamples
In den folgenden Beispielen und Vergleichsbeispielen wurden die folgenden Materialien verwendet: Cyclohexanonoxim (99,5% Reinheit) Lieferung von Fluka, Deutschland; Ethanol (technische Qualität) Deutschland.In The following Examples and Comparative Examples were as follows Materials used: cyclohexanone oxime (99.5% purity) delivery from Fluka, Germany; Ethanol (technical grade) Germany.
In diesen Beispielen wurden die hergestellten Katalysatoren durch N2-Adsorption-Methode (BET-Oberflächenanalysen) und ICP-AES (induktiv gekoppelte Plasma-Atom-Emissions-Spektroskopie) charakterisiert.In these examples, the prepared catalysts were characterized by N 2 adsorption method (BET surface area analysis) and ICP-AES (Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy).
In diesen Beispielen wurden die Reaktionsedukte und -produkte wie z. B. Cyclohexanon, Cyclohexanoneoxim, ε-Caprolactam und andere Verbindungen, wie z. B. 2-Cyclohexe-1-one, 5-Cyanopentan, Anilin usw. durch Gas-Chromatographie und GC/MS identifiziert. Der Umsatz an Cyclohexanonoxim und Selektivität zu ε-Caprolactam wurden auf der Grundlage von GC-Ergebnissen unter Verwendung von Methyl undeconate als internen Standard berechnet.In In these examples, the reaction products and products such. Cyclohexanone, cyclohexanone oxime, ε-caprolactam and others Compounds, such. 2-cyclohexene-1-ones, 5-cyanopentane, aniline etc. identified by gas chromatography and GC / MS. sales on cyclohexanone oxime and selectivity to ε-caprolactam were calculated on the basis of GC results using Methyl undeconate calculated as internal standard.
Beschreibung der Katalysatoren:Description of the catalysts:
Beispiel-1: Katalysator AExample 1: Catalyst A
Nb auf einem SiO2-Träger wurde mit Hilfe der Imprägnierungsmethode hergestellt. Die Katalysatoren wurden nach folgender Methode synthetisiert: Als Silica-Träger wurde verwendet DAVICAT SP 550-10021 (Oberfläche = ~ 300 m2/g). Nb/SiO2 wurde durch Imprägnierung mit NbCl5 hergestellt. Bei der Herstellung wurde zunächst eine angemessene Menge an NbCl5 in 100 ml Isopropanol aufgelöst. Zu dieser Lösung wurden 10 g SiO2-Trägermaterial hinzugefügt. Die sich hieraus ergebende Mischung wurde bei 110°C gerührt bis das Isopropanol verdampft war. Nach der Imprägnierung, wurden die Proben bei 110°C für 4 h getrocknet und in strömender Luft bei 400°C für 4 h kalziniert.Nb on a SiO 2 support was prepared by the impregnation method. The catalysts were synthesized according to the following method: The silica support used was DAVICAT SP 550-10021 (surface = ~ 300 m 2 / g). Nb / SiO 2 was prepared by impregnation with NbCl 5 . In the preparation, an appropriate amount of NbCl 5 was first dissolved in 100 ml of isopropanol. To this solution was added 10 g of SiO 2 support material. The resulting mixture was stirred at 110 ° C until the isopropanol had evaporated. After impregnation, the samples were dried at 110 ° C for 4 h and calcined in flowing air at 400 ° C for 4 h.
Beispiel-2: Katalysator BExample 2: Catalyst B
Nb auf SiO2-Al2O3-Trägermaterial wurde durch die gleiche Synthesemethode wie in Beispiel-1 hergestellt. In diesem Fall wurde SiO2-Al2O3 (60:40) SASOL SIRAL-40 (BET-Fläche = 520 m2/g) als Trägermaterial verwendet.Nb on SiO 2 -Al 2 O 3 support material was prepared by the same synthesis method as in Example-1. In this case, SiO 2 -Al 2 O 3 (60:40) SASOL SIRAL-40 (BET area = 520 m 2 / g) was used as the support material.
Beispiel-3: Katalysator CExample 3: Catalyst C
Nb auf TiO2-Trägermaterial wurde ebenfalls durch die Imprägnierungsmethode wie in Beispiel-1 hergestellt, nur dass anstelle von SiO2 nunmehr TiO2 als Trägermaterial eingesetzt wird. Es wurde Hombicat Typ-II der Fa. Sachtleben als TiO2-Quelle mit einer BET Oberfläche von 107 m2/g verwendet.Nb on TiO 2 support material was also prepared by the impregnation method as in Example-1, except that instead of SiO 2 now TiO 2 is used as a carrier material. Hombicat Type II from Sachtleben was used as TiO 2 source with a BET surface area of 107 m 2 / g.
Beispiel-4: Katalysator DExample 4: Catalyst D
Die Präparation von Nb auf ZrO2-Trägermaterial erfolgt analog zu Beispiel 1. In diesem Fall wurde ZrO2 der Firma Degussa eingesetzt.The preparation of Nb on ZrO 2 support material is carried out analogously to Example 1. In this case, ZrO 2 from Degussa was used.
Beispiel-5: Beschreibung der Reaktionen im FestbettreaktorExample 5: Description of the reactions in a fixed bed reactor
Die katalytischen Experimente wurden in einem röhrenförmigen, kontinuierlich betriebenen Festbettreaktor mit einem Innendurchmesser von 6 mm und 1 m Länge in Form einer Spirale durchgeführt. Die Reaktionszone war in einem Warmluftofen (wie ein GC Ofen), mit dem die gewünschte Temperatur gleichmäßig über die gesamte Reaktionszeit eingestellt wurde. Am Ende der Reaktionszone verhinderte eine Draht (mesh) den Austrag von Katalysatorpartikeln aus dem Reaktor. Cyclohexanonoxim wurde mit dem Lösungsmittel und jeder zusätzlichen Komponente in einen Behälter gemischt und über eine Telabpumpe in den Verdampfer gefördert. Dort wurde die Eduktmischung mit dem N2 gemischt und in gasförmiger Form in den Reaktor gepumpt.The catalytic experiments were carried out in a tubular, continuously operated fixed bed reactor with an inner diameter of 6 mm and 1 m length in the form of a spiral. The reaction zone was in a hot air oven (such as a GC oven), with which the desired temperature was adjusted uniformly over the entire reaction time. At the end of the reaction zone, a wire prevented the discharge of catalyst particles from the reactor. Cyclohexanone oxime was mixed with the solvent and any additional component in a container and fed via a Telabpumpe in the evaporator. There, the educt mixture was mixed with the N 2 and pumped in gaseous form into the reactor.
Der Reaktoraustrag wurde in einem Kryostaten, gekühlt mit Trockeneis und Isopropanollösung, gesammelt. Die gesammelten Produkte wurden mittels Gaschromatographie analysiert und der Umsatz sowie die Selektivität mit Hilfe eines internen Standards (Methylundeconat) bestimmt.Of the The reactor effluent was in a cryostat cooled with dry ice and isopropanol solution, collected. The collected products were analyzed by gas chromatography and the conversion and the Selectivity using an internal standard (methyl undeconate) certainly.
Beispiele 6–9Examples 6-9
Beispiele
6–9 (Tabelle 1) zeigen die mit den Katalysatoren A–D
erzielten Ergebnisse nach einer Reaktionszeit von 4 h. Tabelle 1: Reaktionsergebnisse mit allen
Katalysatoren:
Im
Vergleich die katalytische Aktivität von reinem Nb2O5 zeigt 11.6 Cyclohexanonoxim
Umsatz und 82.2% Caprolactam Selectivität (
Beispiele 10–13Examples 10-13
Die folgenden Abbildungen Beispiele 10–13 veranschaulichen die vorliegende Erfindung weiter.The Illustrate examples 10-13 below the present invention further.
Beispiel
10 (s. Zeichnungen,
Beispiel
11 (s. Zeichnungen,
Beispiel
12 (s. Zeichnungen,
Beispiel
13 (s. Zeichnungen,
Beispiel 14Example 14
Beispiel
14 (Tabelle-2) zeigt den Einfluss des Lösungsmittels in
der Reaktion an Katalysator A bei einer Temperatur von 300°C,
WHSV = 0,3 Std–1, Oxim:Lösungsmittel-Verhältnis
= 1:9 wt%, Trägergas = 2 l/Std N2, Druck
0.1 bar. Tabelle 2: Einfluss des Lösungsmittels
mit Katalysator-A
Beispiel 15Example 15
Beispiel
15 (Tabelle 3) zeigt den Einfluss der Eduktkonzentration in Anwesenheit
von Katalysator-A bei T = 300°C, WHSV 0.3 Std–1,
Trägergas = 2 l/Std N2, Druck 0,1
bar. Tabelle 3: Einfluss des Eduktstromes auf
die Reaktion mit Katalysator A
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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