WO2008110468A1 - Method for producing acetic and formic acid by the gas phase oxidation of ethanol - Google Patents

Method for producing acetic and formic acid by the gas phase oxidation of ethanol Download PDF

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WO2008110468A1
WO2008110468A1 PCT/EP2008/052499 EP2008052499W WO2008110468A1 WO 2008110468 A1 WO2008110468 A1 WO 2008110468A1 EP 2008052499 W EP2008052499 W EP 2008052499W WO 2008110468 A1 WO2008110468 A1 WO 2008110468A1
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WO
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mixture
solvent
formic acid
water
component
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PCT/EP2008/052499
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Christoph RÜDINGER
Hans-Jürgen EBERLE
Harald Voit
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Wacker Chemie Ag
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C51/00Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides
    • C07C51/16Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides by oxidation
    • C07C51/21Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides by oxidation with molecular oxygen
    • C07C51/23Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides by oxidation with molecular oxygen of oxygen-containing groups to carboxyl groups
    • C07C51/235Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides by oxidation with molecular oxygen of oxygen-containing groups to carboxyl groups of —CHO groups or primary alcohol groups
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/002Mixed oxides other than spinels, e.g. perovskite
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    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/02Impregnation, coating or precipitation
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    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/02Impregnation, coating or precipitation
    • B01J37/024Multiple impregnation or coating
    • B01J37/0244Coatings comprising several layers

Definitions

  • the invention relates to a process for the preparation of acetic and formic acid by gas phase oxidation of ethanol with oxygen using a catalyst in a cyclic process.
  • acetic acid can be prepared by gas phase oxidation of ethanol by means of catalysts.
  • Vanadium and / or molybdenum and titanium oxides So far, however, no economically and operationally fully satisfactory method could be found.
  • Acetaldehyde from ethanol by gas phase oxidation with oxygen on a vanadium oxide catalyst Acetaldehyde from ethanol by gas phase oxidation with oxygen on a vanadium oxide catalyst.
  • US 5,840,971 describes a process for the production of acetic acid by oxidation of ethanol with oxygen using VTi y O x catalysts.
  • a yield of 84% and a maximum acetic acid production of 356 g per liter of catalyst and hour is achieved.
  • the crude acid is obtained as an aqueous solution.
  • the concentration and purification of the thus obtained crude acid, the removal of acetaldehyde and especially the economic separation of formic acid is not described.
  • a disadvantage of the process is the high pressure drop in the reactor and the low acetic acid concentration in the reaction gas, which requires expensive apparatus for operation and product isolation.
  • BR 19960315 and BR 9601959 similarly describe US 5,840,971 processes for the production of acetic acid by oxidation of ethanol with oxygen using VTi y O x catalysts inter alia on a silicon carbide support.
  • VTi y O x catalysts inter alia on a silicon carbide support.
  • EP 0294846 describes a process for the catalytic
  • Oxidation of an alcohol by means of a Mo x V y Z z catalyst gives as by-products ethylene and ethane and only a low acetic acid yield. There is no information about an economical processing of the products.
  • a disadvantage of all these processes and catalysts is poor controllability of the oxidation reaction and the low cost of acetic acid production or acetic acid workup at high space-time performance.
  • acetic and formic acid by gas phase oxidation is particularly economical when catalysts and in particular shell catalysts are used, in which the active composition is applied as a thin layer on a nonporous carrier body, and ethanol-containing starting material and pure oxygen are used in a circulation process and the separated from this cycle via water absorption raw or dilute acid prepared by a special integrated process and separated into the two pure target products acetic and formic acid.
  • the invention relates to a process for the preparation of acetic acid and formic acid by gas phase oxidation of mixtures containing ethanol or ethanol in the presence of oxygen over a catalyst comprising a) a component I of one or more oxides of the
  • Alumina and b. A component II containing 0.1 to 1.5% by weight, based on the weight of component I and per m 2 / g specific surface area of component I,
  • Vanadium pentoxide wherein the process is carried out in a circulatory system, and the resulting crude acid is separated by water absorption from the circulation and this aqueous phase is then separated by an extraction and several distillation steps in pure acetic and formic acid.
  • the inventive method provides in contrast to the methods known from the prior art equally high acid yields and thus good raw material utilization, high crude acid concentrations, which are reflected in low processing costs and at the same time an increased volume-related acid productivity (high space / time performance), which in turn reflected in lower equipment costs.
  • the process according to the invention is preferably suitable for the preparation of acetic acid and formic acid.
  • a significant advantage of the procedure according to the invention is that, in the production of acetic acid, the by-products formed thereby in small amounts are obtained as valuable substances, especially in the form of formic acid.
  • the intermediate formic acid portion is largely decomposed and there are CO and CO2, which must be disposed of.
  • Ethanol is a readily available, industrially produced chemical. Usually, ethanol is produced by fermentation of biological sugars and / or starch and / or cellulose-containing, generally carbohydrate-containing vegetable raw materials.
  • inventive method is equally suitable for the use of pure ethanol, ethanol-containing mixtures and / or ethanol-containing crude products as Eduktstrom and thus ethanol as a partial or sole
  • Carbon source for the gas phase oxidation Preference is given to using particularly inexpensive water-containing ethanol mixtures which can be produced with less energy expenditure and have a water content of between 4 and 96% by weight of water, preferably between 10 and 90% by weight, more preferably with a water content of between 20 and 80% by weight. , Due to the particular insensitivity of the process to impurities in the feed, it is also possible to use undistilled, only mechanically clarified, ethanol-containing aqueous solutions or fermentation broths as raw material for the process.
  • the reaction temperature of the gas-phase oxidation is generally from 100 0 C to 400 0 C, preferably 150 ° C to 300 0 C, particularly preferably 180 ° C to 250 ° C.
  • the reaction is generally carried out at pressures between 1.2 * 10 5 and 51 * 10 5 Pa, preferably between 3 * 10 5 and 21 * 10 5 Pa, more preferably between 4 * 10 5 and 12 * 10 5 Pa.
  • Suitable catalysts for the process according to the invention are all catalysts which are generally described for the partial oxidation of alcohols.
  • mixed oxide catalysts containing vanadium oxides are used.
  • Particularly preferred are mixed oxide materials which
  • component a) may also contain one or more oxides of the metals from the group boron, silicon, hafnium, niobium, tungsten, lanthanum and cerium. In the doping of component a) with the oxides mentioned, these are generally present in an amount of from 1 to 30% by weight, based on the total weight of component a).
  • component b a part of the vanadium pentoxide, preferably 10 to 90 wt .-%, be replaced by one or more oxides of molybdenum, chromium and antimony, and / or as additional component b) one or more oxides of alkali metals, Alkaline earth metals, elements of the 5th and 6th main group of the Periodic Table of the Elements (PSE) and the transition metals to be included.
  • PSE Periodic Table of the Elements
  • the amount of these dopants 0.005 to 15 wt .-%, calculated as oxides and based on the total weight of component b).
  • compositions having a high surface area of component a) of from 40 to 300 m 2 / g Preference is given to compositions having a high surface area of component a) of from 40 to 300 m 2 / g, it being possible where appropriate for tin, niobium or tungsten oxide to be present, and to a component b) which reacts with Mo, and / or Cr, and / or Sb and / or Au is doped.
  • the catalytically active mixed oxide composition may optionally contain from 10 to 50% by weight, based on the total weight of the catalytically active mixed oxide composition, of inert diluents from the group comprising silicon dioxide, silicon carbide and graphite.
  • the catalytically active composition is preferably applied as a supported shell catalyst on an unsporous support.
  • the catalytically active mixed oxide composition is preferably applied in a proportion of 1 to 40 wt .-%, preferably 5 to 25 wt .-%, each based on the total weight of carrier body and active mass, as a shell on the outer surface of the carrier body.
  • the layer thickness is preferably 10 to 2000 .mu.m, in particular 100 to 1000 microns.
  • the shell catalyst may also contain multiple layers differing in composition. It is also possible for one or more components of the active components a) and b) to be present in different concentrations in the individual layers.
  • the inner layer contains only component a) and the outer layer contains components a) and b).
  • a conceivable embodiment is a multilayer coated catalyst, wherein the inner and the outer layer each contain the components a) and b) and for the inner layer, a higher specific surface area is selected for the component a) than for the outer layer.
  • Suitable materials for the inert, non-porous carrier body are generally all inert under the operating conditions of the gas phase oxidation and on the
  • Non-porous materials include steatite, Duranit, silicon carbide, magnesium oxide, silica, silicates, aluminates, metals such as stainless steel, and optionally mixtures of these substances.
  • ceramic materials such as steatite.
  • the shape of the inert, non-porous carrier body of the shell catalyst is arbitrary.
  • suitable Shapes are spheres, cylinders, hollow cylinders, cuboids, tori, saddles, spindles, helices.
  • the basic body can also have one or more recesses, such as depressions, grooves, holes, or protruding parts, such as pins, tips, webs.
  • Other examples are rings, ring segments, bar rings, pierced balls, spherical segments.
  • suitable as carriers are ordered packings, such as monoliths or cross-channel structures. Carrier shapes with the highest possible geometric surface area per volume, for example rings or hollow cylinders, are preferred. In a particularly preferred
  • the inert support body have the form of hollow cylinders, which have one or more notches on the upper and / or lower flat side of the hollow cylinder walls, so that the interior of the hollow cylinder is connected to the cavities surrounding the hollow spaces via openings.
  • the dimensions of the carrier bodies are generally predetermined by the reactors for gas phase oxidation.
  • the shaped bodies have a length or a diameter of 2 to 20 mm.
  • the wall thickness for example in the case of rings or hollow cylinders, is advantageously 0.1 to 4 mm.
  • reactors for carrying out the process according to the invention it is generally possible to use embodiments which are suitable for carrying out oxidation reactions in the gas phase and are capable of removing the high heat of reaction without excessively heating the reaction mixture.
  • the process according to the invention can be carried out continuously or intermittently, that is to say the feed of the reactor input mixture can be carried out with a constant feed or with a cyclically varying feed composition.
  • the gas mixture may preferably be attached to the catalyst in a Fixed bed, for example, react in a tube-bundle reactor or tray reactor, or in a fluidized bed or fluidized bed.
  • cooled tube bundle reactors with a fixed catalyst bed.
  • Particular preference is given to designs with tube bundles arranged individual tubes with an inner tube diameter of 10 mm to 50 mm and a tube length of 1 m to 6 m.
  • the flow rate in the reaction tubes is generally between 0.1 m / s and 10 m / s, preferably between 0.3 m / s and 5 m / s, more preferably 0.5 to 3 m / s.
  • the reaction tubes can be filled with catalyst of different composition, shape and dimension.
  • the filling may preferably be introduced into the reaction tubes in a homogeneous or zone-wise manner in the axial direction.
  • Each zone may preferably contain a randomly diluted or mixed catalyst.
  • the source of oxygen necessary for gas phase oxidation is generally an oxygen-containing gas.
  • oxygen-containing gas e.g. Air
  • oxygen-enriched air preferably oxygen-enriched air
  • an inert gas preferably nitrogen and / or argon, may additionally be present.
  • an inert gas of 0 to 25 vol .-% can be supplied.
  • the volume fraction of water vapor of the reactor input gas fed to the reactor is generally from 0 to 80% by volume, preferably from 1 to 40% by volume, particularly preferably from 3 to 30% by volume, of water vapor.
  • the proportion of ethanol in the reaction gas, measured at the reactor inlet, is generally 0.1 to 20% by volume, preferably 0.3 to 10% by volume, particularly preferably 0.5 to 3.0% by volume.
  • the process according to the invention is operated with gas recirculation as circulation process.
  • the proportion of carbon oxides and further reaction by-products in the reactor input gas depends on the reaction regime and acid separation and is generally from 0 to 95% by volume, preferably 10 to 95% by volume, particularly preferably 55 to 85% by volume.
  • Reactor input gases add up to 100% by volume in each case.
  • Gas passage through the reactor and circulation process can be used.
  • high boilers such as the carboxylic acids acetic and formic acid
  • the crude acid from the reaction starting gas is preferably separated off with a countercurrent wash, direct current wash, crossflow wash, quench cooling, partial condensation or a combination of these processes. Further details on preferred embodiments are described in EP 0960875 and EP 1035101, the disclosures of which are intended to be part of this application and hereby incorporated by reference.
  • the reaction gas cycle is carried out so that the reaction starting gas, either the reactor leaving or the recirculated gas mixture, a portion of the resulting in the gas phase oxidation acetic acid and formic acid, via a partial condenser or a countercurrent wash with a suitable solvent, preferably water, a portion of acids and other compounds is withdrawn.
  • a suitable solvent preferably water
  • the separation is carried out so that the partial pressure of these acids at the reactor inlet remains low, unreacted ethanol and further convertible intermediates such as acetaldehyde, ethyl acetate, methyl acetate, ethyl formate, methyl formate, etc. but mostly remain in the recycle gas and are returned to the reactor inlet.
  • one part of the reactor outlet gas generally from 60 to 99.8% by weight, preferably from 90 to 99.5% by weight, to remove the acid fraction up to the abovementioned residual acid content, and then this part the reactor outlet gas is returned to the reactor.
  • the untreated portion of the reactor exit gas is discarded and may be flared, for example.
  • the proportion of untreated reactor starting gas depends on how much carbon oxides CO x have been formed because they have to be removed via this branch stream. They can then be disposed of by incineration.
  • the recirculated gas mass flow is generally between 1 and 100 times the freshly fed Eduktmassenstroms, preferably between 10 times and 80 times, more preferably between 30 to 60 times.
  • the water vapor content of the gas stream exiting the absorber is generally determined by the temperature prevailing at the absorber outlet and the operating pressure.
  • the temperature is usually determined by the amount of heat removed from the absorber and the amount and temperature of the washing water stream and is generally from 50 0 C to 200 0 C.
  • the remaining acid content in the gas stream leaving the absorber is generally about pressure and temperature , the number of separation stages of the absorber and the amount of absorbent supplied (water supply).
  • the process is carried out so that the residual acid concentration of the recycled back into the reactor gas stream is reduced to 0.01 to 12 vol .-%, preferably 0.1 to 8 vol .-% by countercurrent washing.
  • the separated crude acid is generally removed by suitable conventional methods alone or in combination, such as
  • Membrane separation process drained and cleaned.
  • the low boilers separated off before further fractionation of the crude acid into its pure substances can likewise be recycled, in whole or in part, into the gas phase reactor, either alone or together with low boilers from the purification and concentration.
  • Cost-optimized processes such as those described in DE 19934411, DE 19934410 and German patent application DE 10065466, are particularly suitable for working up the diluted crude acid Revelations should be part of this application. These are hereby incorporated by reference.
  • a preferred method for the separation and purification of the dilute crude acid, an aqueous mixture of the main components low boilers, acetic acid, formic acid and high boilers is the extraction, by means of a solvent, preferably one or more compounds from the group consisting of ethers, esters, ketones and alcohols, especially preferably one or more compounds selected from the group comprising methyl tertiary butyl ether, diisopropyl ether, methyl secondary butyl ether, methylcyclopentyl ether, ethyl butyl ether, ethyl acetate and isopropyl acetate in a circular process, characterized in that the raffinate stream with a large part of the water
  • Solvent stripper is fed to the elimination of the water and the extract stream is passed into a solvent distillation column, from the top in a first step, a mixture (A) consisting of water and solvent, over the bottom of a mixture (B) consisting of acetic acid, formic acid and High boilers is separated, the mixture (B) after removal of the formic acid in a optionally equipped with side draw column then in a
  • Acetic acid distillation column is separated into pure acetic acid and high boilers, and the mixture (A) is fed to a phase separator, wherein the aqueous phase is recycled with residual amounts of solvent to the solvent stripping column, and the organic phase to the extractor.
  • Another preferred process is the extraction, by means of a solvent, preferably one or more compounds from the group consisting of ethers, esters, ketones and alcohols, more preferably one or more compounds from the group comprising methyl tertiary butyl ether, diisopropyl ether, ethyl butyl ether, cyclopentyl methyl ether, methyl 2- butyl ether, ethyl acetate and isopropyl acetate in a circular process, characterized in that the raffinate stream is supplied with a large part of the water to a solvent stripper column for the elimination of the water and the extract stream is passed into a solvent distillation column, from which in a first step overhead a mixture (A) with a large part of the solvent, from a side draw a mixture (B) consisting of formic acid, water and solvent and on the bottom a mixture (C) consisting of acetic acid and high boilers are separated, and for further processing, the mixture (B) in
  • Formic acid distillation column is transferred, and the mixture (C) is transferred to an acetic acid distillation column, then in the Essigklaredestillationskolonne overhead the pure acetic acid is isolated, in the formic acid distillation column at the bottom of the pure
  • Formic acid is isolated and removed overhead a mixture of solvent and water, which is recycled together with the mixture (A) after separation of the water content, in the extractor.
  • Another preferred method is the extraction, by means of a solvent, preferably one or more compounds from the group consisting of ethers, esters, ketones, hydrocarbons and alcohols, particularly preferably one or more compounds from the group comprising methyl tertiary butyl ether,
  • Solvent distillation column is passed from the first step in a mixture (A) consisting of water and solvent, over the bottom of a mixture (B) consisting of acetic acid, formic acid and high boilers is separated, the mixture (B) after separation of the Formic acid in a column using an adjuvant in the manner of azeotropic distillation then in a Acetic acid distillation column is separated into pure acetic acid and high boilers, and the mixture (A) is fed to a phase separator, wherein the resulting aqueous phase with residual amounts of solvent of the solvent stripper column and the organic phase is returned to the extractor.
  • the resulting in the concentration and purification of the crude acid water is partially, optionally after a chemical and / or physical treatment, fed back into the countercurrent absorption.
  • the excess water from the feed and the small amount of total oxidation, which still contains very small amounts of acetic and formic acid, can be disposed of easily via a biological treatment plant.
  • Figures 1 and 2 describe in a schematic representation apparatus for the production of acetic and formic acid by gas phase oxidation of ethanol by the novel process with complete or partial recycling of the reaction starting gas.
  • the crude acid is separated off, preferably by a countercurrent absorption by means of a solvent.
  • the preferred solvent is water.
  • oxygen and ethanol-containing feed stream is mixed with the recirculated gas stream via a mixing zone (1) and together with this fed to the tube bundle reactor (2), which is cooled by means of circulation cooling (3).
  • the gas mixture leaving the reactor is passed in the main stream through a gas cooler (4) which is cooled by a circulation cooler (5).
  • the reaction gas is passed into an absorption column (6) which is filled with one or more
  • Catalyst The preparation of the catalyst used was carried out analogously to DE-19649426, characterized in that the active composition consists of oxides of titanium, vanadium, molybdenum and antimony of the empirical formula Ti a V b Mo c Sb d O e (a: 256; b: 27, c: 4, d: 20, e: 611) and in a proportion of 20% by weight, based on the weight of the carrier, of steatite rings of Dimension 3.8mm outside diameter * 2mm inside diameter * 2.7mm height is applied.
  • the catalyst was introduced with a filling height of 3000 mm.
  • the oxygen content at the reactor inlet was automatically controlled by the addition of pure oxygen at the reactor inlet to 8 vol .-%.
  • the reaction feed was 95.6 g of ethanol in the recycle gas flow direction directly after the column overhead condenser of the absorption column and 502 g / h of water in the recycle gas flow direction directly in front of the column overhead condenser of the absorption column, corresponding to a water / ethanol reaction.
  • the acid separation from the reaction gas was carried out by absorption in a countercurrent absorber with structured packing, an inner diameter of 43 mm and a packing height of 3240 mm at a head temperature of the absorber of 130 ° C.
  • the acetic acid selectivity with respect to the conversion was 86 mol%
  • the formic acid selectivity with respect to the conversion was 9 mol%.
  • the volume specific acetic acid productivity was 200 g / lh.
  • the crude acid contained 80 wt .-% water.
  • the low boiler content (boiling point lower than water) in the crude acid was below 0.3 wt .-%.
  • the high boiler fraction (boiling point higher than acetic acid) in the Crude acid was below 0.01 wt .-%.

Abstract

The invention relates to a method for producing acetic and formic acid by the gas phase oxidation of ethanol or mixtures containing ethanol in the presence of oxygen on a catalyst containing a.) a component I consisting of one or more oxides from the group comprising titanium dioxide, zirconium dioxide, tin dioxide, aluminium oxide and b.) a component II containing between 0.1 and 1.5 % by weight, in relation to the weight of component I and per m2/g specific surface of component I, of vanadium pentoxide. According to the invention, said method is carried out in a recycling procedure and the resultant crude acid is separated from the cycle by water absorption. This aqueous phase is subsequently separated into pure acetic and formic acid by means of one extraction step and several distillation steps.

Description

Verfahren zur Herstellung von Essig- und Ameisensäure durch Gasphasenoxidation von Ethanol Process for the preparation of acetic and formic acids by gas phase oxidation of ethanol
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Essig- und Ameisensäuresäure durch Gasphasenoxidation von Ethanol mit Sauerstoff unter Verwendung eines Katalysators in einem Kreislaufverfahren .The invention relates to a process for the preparation of acetic and formic acid by gas phase oxidation of ethanol with oxygen using a catalyst in a cyclic process.
Es ist bekannt, dass Essigsäure durch Gasphasenoxidation von Ethanol mittels Katalysatoren hergestellt werden kann.It is known that acetic acid can be prepared by gas phase oxidation of ethanol by means of catalysts.
Besonders geeignete Katalysatoren für diese Anwendung enthaltenParticularly suitable catalysts for this application included
Vanadium- und/oder Molybdän- und Titanoxide. Bisher konnte jedoch noch kein wirtschaftlich und betriebstechnisch voll befriedigendes Verfahren gefunden werden.Vanadium and / or molybdenum and titanium oxides. So far, however, no economically and operationally fully satisfactory method could be found.
Die DE 1642938 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einesDE 1642938 describes a process for the preparation of a
Vanadiumpentoxid und Titandioxid enthaltendenVanadium pentoxide and titanium dioxide containing
Trägerkatalysators und dessen Verwendung für die Oxidation von o-Xylol zu Phthalsäureanhydrid.Supported catalyst and its use for the oxidation of o-xylene to phthalic anhydride.
Die US 1,636,952 beschreibt eine Verfahren zur Herstellung vonUS 1,636,952 describes a process for the preparation of
Acetaldeyhd aus Ethanol durch Gasphasenoxidation mit Sauerstoff an einem Vanadiumoxidkatalysator.Acetaldehyde from ethanol by gas phase oxidation with oxygen on a vanadium oxide catalyst.
Die US 5,840,971 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Essigsäure durch Oxidation von Ethanol mit Sauerstoff unter Verwendung von VTiyOx-Katalysatoren . Bei der Oxidation von Ethanol wird eine Ausbeute von 84 % und eine maximale Essigsäureerzeugung von 356 g pro Liter Katalysator und Stunde erreicht. Die Rohsäure wird als wässrige Lösung erhalten. Die Aufkonzentrierung und Reinigung der so erhaltenen Rohsäure, die Entfernung von Acetaldehyd und besonders die wirtschaftliche Abtrennung von Ameisensäure wird nicht beschrieben. Nachteilig an dem Verfahren ist der hohe Druckverlust im Reaktor sowie die geringe Essigsäurekonzentration im Reaktionsgas, was aufwändige Apparate zum Betrieb und zur Produktisolierung erfordert. Die BR 19960315 und BR 9601959 beschreiben vergleichbar US 5,840,971 Verfahren zur Herstellung von Essigsäure durch Oxidation von Ethanol mit Sauerstoff unter Verwendung von VTiyOx-Katalysatoren unter anderem auf einem Siliciumcarbidträger . In diesem Fall wird besonders auch dieUS 5,840,971 describes a process for the production of acetic acid by oxidation of ethanol with oxygen using VTi y O x catalysts. In the oxidation of ethanol, a yield of 84% and a maximum acetic acid production of 356 g per liter of catalyst and hour is achieved. The crude acid is obtained as an aqueous solution. The concentration and purification of the thus obtained crude acid, the removal of acetaldehyde and especially the economic separation of formic acid is not described. A disadvantage of the process is the high pressure drop in the reactor and the low acetic acid concentration in the reaction gas, which requires expensive apparatus for operation and product isolation. BR 19960315 and BR 9601959 similarly describe US 5,840,971 processes for the production of acetic acid by oxidation of ethanol with oxygen using VTi y O x catalysts inter alia on a silicon carbide support. In this case, especially the
Gewinnung von Acetaldehyd erwähnt, spezielle Vorrichtungen oder Verfahrensweisen zur wirtschaftlichen Produktisolierung und Produkttrennung werden aber nicht beschrieben.Recovery of acetaldehyde mentioned, but special devices or procedures for economic product isolation and product separation are not described.
Die EP 0294846 beschreibt ein Verfahren zur katalytischenEP 0294846 describes a process for the catalytic
Oxidation eines Alkohols mittels eines MoxVyZz-Katalysators . Das Verfahren liefert als Nebenprodukte Ethylen und Ethan und nur eine geringe Essigsäureausbeute. Es werden keine Informationen über eine wirtschaftliche Aufarbeitung der Produkte gegeben.Oxidation of an alcohol by means of a Mo x V y Z z catalyst. The process gives as by-products ethylene and ethane and only a low acetic acid yield. There is no information about an economical processing of the products.
Nachteilig bei all diesen Verfahren und Katalysatoren ist die bei hohen Raum-Zeit-Leistungen schlechte Beherrschbarkeit der Oxidationsreaktion und die geringe Wirtschaftlichkeit der Essigsäureproduktion bzw. Essigsäureaufarbeitung.A disadvantage of all these processes and catalysts is poor controllability of the oxidation reaction and the low cost of acetic acid production or acetic acid workup at high space-time performance.
Es bestand daher die Aufgabe, ein Verfahren zur wirtschaftlichen Herstellung von Essig- und Ameisensäure durch Gasphasenoxidation zur Verfügung zu stellen, welches die Nachteile des Stands der Technik vermeidet.It was therefore an object to provide a process for the economical production of acetic and formic acid by gas phase oxidation, which avoids the disadvantages of the prior art.
Es wurde überraschend gefunden, dass die Herstellung von Essig- und Ameisensäure durch Gasphasenoxidation besonders wirtschaftlich ist, wenn Katalysatoren und im besonderen Schalenkatalysatoren verwendet werden, bei denen die aktive Masse als dünne Schicht auf einem unporösen Trägerkörper aufgebracht ist, sowie Ethanol enthaltendes Edukt und reiner Sauerstoff in einem Kreislaufverfahren eingesetzt werden und die aus diesem Kreislauf über Wasserabsorption abgeschiedene Roh- oder Dünnsäure nach einem besonderen integrierten Verfahren aufbereitet und in die beiden reinen Zielprodukte Essig- und Ameisensäure aufgetrennt wird. Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Essigsäure und Ameisensäure durch Gasphasenoxidation von Ethanol oder Ethanol enthaltenden Mischungen in Anwesenheit von Sauerstoff an einem Katalysator, enthaltend a.) eine Komponente I aus ein oder mehreren Oxiden aus derIt has surprisingly been found that the production of acetic and formic acid by gas phase oxidation is particularly economical when catalysts and in particular shell catalysts are used, in which the active composition is applied as a thin layer on a nonporous carrier body, and ethanol-containing starting material and pure oxygen are used in a circulation process and the separated from this cycle via water absorption raw or dilute acid prepared by a special integrated process and separated into the two pure target products acetic and formic acid. The invention relates to a process for the preparation of acetic acid and formic acid by gas phase oxidation of mixtures containing ethanol or ethanol in the presence of oxygen over a catalyst comprising a) a component I of one or more oxides of the
Gruppe Titandioxid, Zirkoniumdioxid, Zinndioxid,Group titanium dioxide, zirconium dioxide, tin dioxide,
Aluminiumoxid und b.) eine Komponente II enthaltend 0.1 bis 1.5 Gew-%, bezogen auf das Gewicht der Komponente I und pro m2/g spezifischer Oberfläche der Komponente I,Alumina and b.) A component II containing 0.1 to 1.5% by weight, based on the weight of component I and per m 2 / g specific surface area of component I,
Vanadiumpentoxid, wobei das Verfahren in einem Kreislaufsystem durchgeführt wird, und die entstehende Rohsäure durch Wasserabsorption aus dem Kreislauf abgetrennt wird und diese wässrige Phase anschließend über einen Extraktions- und mehrere Destillationsschritte in reine Essig- und Ameisensäure aufgetrennt wird.Vanadium pentoxide, wherein the process is carried out in a circulatory system, and the resulting crude acid is separated by water absorption from the circulation and this aqueous phase is then separated by an extraction and several distillation steps in pure acetic and formic acid.
Das erfindungsgemäße Verfahren liefert im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren gleichermaßen hohe Säureausbeuten und somit gute Rohstoffausnutzung, hohe Rohsäurekonzentrationen, die sich in geringen Aufarbeitungskosten niederschlagen und gleichzeitig eine gesteigerte volumenbezogene Säureproduktivität (hohe Raum/Zeit- Leistung) , die sich wiederum in niedrigeren Anlagenkosten widerspiegelt.The inventive method provides in contrast to the methods known from the prior art equally high acid yields and thus good raw material utilization, high crude acid concentrations, which are reflected in low processing costs and at the same time an increased volume-related acid productivity (high space / time performance), which in turn reflected in lower equipment costs.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich vorzugsweise zur Herstellung von Essigsäure und Ameisensäure. Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorgehensweise besteht darin, dass bei der Herstellung von Essigsäure, die dabei in geringen Mengen entstehenden Nebenprodukte als Wertstoffe, vor allem in Form von Ameisensäure, anfallen. Demgegenüber wird vor allem bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren der intermediär entstehende Ameisensäureanteil größtenteils zersetzt und es entstehen CO und CO2, welche entsorgt werden müssen . Ethanol ist eine gut verfügbare, großtechnisch hergestellte Chemikalie. Üblicherweise wird Ethanol durch Fermentation von biologischen Zucker und/oder Stärke und/oder Cellulose- haltigen, ganz allgemein Kohlenhydrat-haltigen Pflanzenrohstoffen hergestellt.The process according to the invention is preferably suitable for the preparation of acetic acid and formic acid. A significant advantage of the procedure according to the invention is that, in the production of acetic acid, the by-products formed thereby in small amounts are obtained as valuable substances, especially in the form of formic acid. In contrast, especially in the known from the prior art, the intermediate formic acid portion is largely decomposed and there are CO and CO2, which must be disposed of. Ethanol is a readily available, industrially produced chemical. Usually, ethanol is produced by fermentation of biological sugars and / or starch and / or cellulose-containing, generally carbohydrate-containing vegetable raw materials.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich dabei gleichermaßen für den Einsatz von reinem Ethanol, Ethanol-haltigen Stoffgemischen und/oder Ethanol-haltigen Rohprodukten als Eduktstrom und somit Ethanol als partielle oder alleinigeThe inventive method is equally suitable for the use of pure ethanol, ethanol-containing mixtures and / or ethanol-containing crude products as Eduktstrom and thus ethanol as a partial or sole
Kohlenstoffquelle für die Gasphasenoxidation . Bevorzugt werden besonders preiswerte, da mit geringerem Energieaufwand herstellbare, wasserhaltige Ethanolgemische mit einem Wassergehalt zwischen 4 und 96 Gew.-% Wasser verwendet, bevorzugt zwischen 10-90 Gew,-%, besonders bevorzugt mit einem Wassergehalt zwischen 20-80 Gew.-%. Aufgrund der besonderen Unempfindlichkeit des Verfahrens gegenüber Verunreinigungen im Feed können auch undestillierte, nur mechanisch geklärte, ethanolhaltige wässrige Lösungen oder Fermentationsbrühen als Rohstoff für das Verfahren verwendet werden.Carbon source for the gas phase oxidation. Preference is given to using particularly inexpensive water-containing ethanol mixtures which can be produced with less energy expenditure and have a water content of between 4 and 96% by weight of water, preferably between 10 and 90% by weight, more preferably with a water content of between 20 and 80% by weight. , Due to the particular insensitivity of the process to impurities in the feed, it is also possible to use undistilled, only mechanically clarified, ethanol-containing aqueous solutions or fermentation broths as raw material for the process.
Durch diese aufgrund der speziellen Verfahrensauslegung mögliche geringe Anforderung an die Feedqualität können im Gegensatz zu den bekannten Verfahren praktisch die gesamten Aufarbeitungs-, Entwässerungs- und Absolutierungskosten der Ethanolherstellung eingespart werden und machen damit das Verfahren gegenüber dem Stand der Technik besonders wirtschaftlich.By this possible due to the special process design low requirement for the feed quality can be saved in contrast to the known methods practically all the workup, dewatering and Absolutierungskosten the ethanol production and thus make the method over the prior art particularly economical.
Die Reaktionstemperatur der Gasphasenoxidation beträgt im Allgemeinen 1000C bis 4000C, vorzugsweise 150°C bis 3000C, besonders bevorzugt 180°C bis 250°C.The reaction temperature of the gas-phase oxidation is generally from 100 0 C to 400 0 C, preferably 150 ° C to 300 0 C, particularly preferably 180 ° C to 250 ° C.
Die Reaktion wird im allgemeinen bei Drücken zwischen 1.2*105 und 51*105 Pa, bevorzugt zwischen 3*105 und 21*105 Pa, besonders bevorzugt zwischen 4*105 und 12*105 Pa durchgeführt. Als Katalysatoren für das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich alle Katalysatoren, die allgemein für die partielle Oxidation von Alkoholen beschrieben sind. Bevorzugt weden Mischoxidkatalysatoren die Vanadiumoxide enthalten verwendet. Besonders bevorzugt sind Mischoxidmassen, welcheThe reaction is generally carried out at pressures between 1.2 * 10 5 and 51 * 10 5 Pa, preferably between 3 * 10 5 and 21 * 10 5 Pa, more preferably between 4 * 10 5 and 12 * 10 5 Pa. Suitable catalysts for the process according to the invention are all catalysts which are generally described for the partial oxidation of alcohols. Preferably, mixed oxide catalysts containing vanadium oxides are used. Particularly preferred are mixed oxide materials which
a) ein oder mehrere Oxide aus der Gruppe Titandioxid, Zirkoniumdioxid, Zinndioxid, Aluminiumoxid unda) one or more oxides from the group titania, zirconia, tin dioxide, alumina and
b) 0.1 bis 1.5 Gew-%, bezogen auf das Gewicht der Komponenteb) 0.1 to 1.5% by weight, based on the weight of the component
a) und pro m2/g spezifischer Oberfläche der Komponente a) , Vanadiumpentoxid enthalten.a) and per m 2 / g specific surface of component a), vanadium pentoxide.
Zusätzlich kann die Komponente a) noch ein oder mehrere Oxide der Metalle aus der Gruppe Bor, Silicium, Hafnium, Niob, Wolfram, Lanthan und Cer enthalten. Bei der Dotierung der Komponente a) mit den genannten Oxiden sind diese im Allgemeinen in einer Menge von 1 bis 30 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Komponente a) , enthalten.In addition, component a) may also contain one or more oxides of the metals from the group boron, silicon, hafnium, niobium, tungsten, lanthanum and cerium. In the doping of component a) with the oxides mentioned, these are generally present in an amount of from 1 to 30% by weight, based on the total weight of component a).
In der Komponente b) kann ein Teil des Vanadiumpentoxids, vorzugsweise 10 bis 90 Gew.-%, durch ein oder mehrere Oxide von Molybdän, Chrom und Antimon ersetzt werden, und/oder als zusätzliche Komponente b) noch ein oder mehrere Oxide von Alkalimetallen, Erdalkalimetallen, Elementen der 5. und 6. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente (PSE) und der Übergangsmetalle enthalten sein. Im allgemeinen beträgt die Menge dieser Dotierstoffe 0.005 bis 15 Gew.-%, berechnet als Oxide und bezogen auf das Gesamtgewicht der Komponente b) .In component b), a part of the vanadium pentoxide, preferably 10 to 90 wt .-%, be replaced by one or more oxides of molybdenum, chromium and antimony, and / or as additional component b) one or more oxides of alkali metals, Alkaline earth metals, elements of the 5th and 6th main group of the Periodic Table of the Elements (PSE) and the transition metals to be included. In general, the amount of these dopants 0.005 to 15 wt .-%, calculated as oxides and based on the total weight of component b).
Bevorzugt werden Zusammensetzungen mit hoher Oberfläche der Komponente a) von 40 bis 300 m2/g, wobei gegebenenfalls noch Zinn-, Niob- oder Wolframoxid enthalten sein können, und mit einer Komponente b) , welche mit Mo, und/oder Cr, und/oder Sb und/oder Au dotiert ist. Die katalytisch aktive Mischoxidmasse kann gegebenenfalls noch 10 bis 50 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der katalytisch aktiven Mischoxidmasse, inerte Verdünnungsmittel aus der Gruppe umfassend Siliciumdioxid, Siliciumcarbid und Graphit enthalten.Preference is given to compositions having a high surface area of component a) of from 40 to 300 m 2 / g, it being possible where appropriate for tin, niobium or tungsten oxide to be present, and to a component b) which reacts with Mo, and / or Cr, and / or Sb and / or Au is doped. The catalytically active mixed oxide composition may optionally contain from 10 to 50% by weight, based on the total weight of the catalytically active mixed oxide composition, of inert diluents from the group comprising silicon dioxide, silicon carbide and graphite.
Die katalytisch aktive Masse wird bevorzugt als getragener Schalenkatalysator auf einem unporösen Träger aufgebracht. Die katalytisch aktive Mischoxidmasse ist vorzugsweise in einem Anteil von 1 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 25 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht aus Trägerkörper und aktiver Masse, als Schale auf die äußere Oberfläche des Trägerkörpers aufgebracht.The catalytically active composition is preferably applied as a supported shell catalyst on an unsporous support. The catalytically active mixed oxide composition is preferably applied in a proportion of 1 to 40 wt .-%, preferably 5 to 25 wt .-%, each based on the total weight of carrier body and active mass, as a shell on the outer surface of the carrier body.
Die Schichtdicke beträgt vorzugsweise 10 bis 2000 μm, insbesondere 100 bis 1000 μm. Der Schalenkatalysator kann auch mehrere, sich in der Zusammensetzung unterscheidende, Schichten enthalten. Es können auch ein oder mehrere Bestandteile der Aktivkomponenten a) und b) in unterschiedlicher Konzentration in den einzelnen Schichten enthalten sein. In einer weiteren Ausführungsform enthält die innere Schicht nur die Komponente a) und die äußere Schicht die Komponenten a) und b) . Eine denkbare Ausführungsform ist ein mehrschichtiger Schalenkatalysator, wobei die innere und die äußere Schicht jeweils die Komponenten a) und b) enthalten und für die innere Schicht eine höhere spezifische Oberfläche für die Komponente a) gewählt wird als für die äußere Schicht.The layer thickness is preferably 10 to 2000 .mu.m, in particular 100 to 1000 microns. The shell catalyst may also contain multiple layers differing in composition. It is also possible for one or more components of the active components a) and b) to be present in different concentrations in the individual layers. In a further embodiment, the inner layer contains only component a) and the outer layer contains components a) and b). A conceivable embodiment is a multilayer coated catalyst, wherein the inner and the outer layer each contain the components a) and b) and for the inner layer, a higher specific surface area is selected for the component a) than for the outer layer.
Geeignete Materialien für den inerten, unporösen Trägerkörper sind im allgemeinen alle sich unter den Betriebsbedingungen der Gasphasenoxidation inert verhaltenden und über denSuitable materials for the inert, non-porous carrier body are generally all inert under the operating conditions of the gas phase oxidation and on the
Betriebszeitraum stabilen unporösen Materialien. Beispiele hierfür sind Steatit, Duranit, Siliciumcarbid, Magnesiumoxid, Siliciumoxid, Silikate, Aluminate, Metalle wie Edelstahl, sowie gegebenenfalls Mischungen aus diesen Stoffen. Bevorzugt sind keramische Materialien, wie beispielsweise Steatit.Operating period of stable non-porous materials. Examples include steatite, Duranit, silicon carbide, magnesium oxide, silica, silicates, aluminates, metals such as stainless steel, and optionally mixtures of these substances. Preferred are ceramic materials, such as steatite.
Die Formgestalt des inerten, unporösen Trägerkörpers des Schalenkatalysators ist beliebig. Beispiele für geeignete Formen sind Kugeln, Zylinder, Hohlzylinder, Quader, Tori, Sättel, Spindeln, Wendeln. Die Grundkörper können auch eine oder mehrere Ausnehmungen, wie Mulden, Rillen, Löcher, oder auch abstehende Teile, wie Zapfen, Spitzen, Stege besitzen. Weitere Beispiele sind Ringe, Ringsegmente, Steg-Ringe, durchbohrte Kugeln, Kugelsegmente. Ebenfalls als Träger geeignet sind geordnete Packungen, wie Monolithe oder Kreuzkanalstrukturen. Bevorzugt sind Trägerformen mit möglichst hoher geometrischer Oberfläche pro Volumen, beispielsweise Ringe oder Hohlzylinder. In einer besonders bevorzugtenThe shape of the inert, non-porous carrier body of the shell catalyst is arbitrary. Examples of suitable Shapes are spheres, cylinders, hollow cylinders, cuboids, tori, saddles, spindles, helices. The basic body can also have one or more recesses, such as depressions, grooves, holes, or protruding parts, such as pins, tips, webs. Other examples are rings, ring segments, bar rings, pierced balls, spherical segments. Also suitable as carriers are ordered packings, such as monoliths or cross-channel structures. Carrier shapes with the highest possible geometric surface area per volume, for example rings or hollow cylinders, are preferred. In a particularly preferred
Ausführungsform besitzen die inerten Trägerkörper die Form von Hohlzylindern, die eine oder mehrere Kerben an der oberen und/oder unteren Flachseite der Hohlzylinderwände besitzen, so dass der Innenraum der Hohlzylinder mit den die Hohlzylinder umgebenden Räumen über Öffnungen verbunden ist.Embodiment, the inert support body have the form of hollow cylinders, which have one or more notches on the upper and / or lower flat side of the hollow cylinder walls, so that the interior of the hollow cylinder is connected to the cavities surrounding the hollow spaces via openings.
Die Abmessungen der Trägerkörper sind im allgemeinen durch die Reaktoren zur Gasphasenoxidation vorgegeben. Vorzugsweise haben die Formkörper eine Länge bzw. einen Durchmesser von 2 bis 20 mm. Die Wanddicke, beispielsweise im Fall von Ringen oder Hohlzylindern, beträgt zweckmäßigerweise 0,1 bis 4 mm.The dimensions of the carrier bodies are generally predetermined by the reactors for gas phase oxidation. Preferably, the shaped bodies have a length or a diameter of 2 to 20 mm. The wall thickness, for example in the case of rings or hollow cylinders, is advantageously 0.1 to 4 mm.
Weitere Details zu bevorzugten Ausführungsformen der Katalysatoren sind in der EP 095135, der EP 0960874 und der EP 1108470 beschrieben, deren diesbezügliche Offenbarungen Teil dieser Anmeldung sein sollen und hiermit unter Bezugnahme eingeschlossen werden (incorporated by reference) .Further details on preferred embodiments of the catalysts are described in EP 095135, EP 0960874 and EP 1108470, the disclosures of which are intended to be part of this application and are hereby incorporated by reference.
Als Reaktoren zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können im allgemeinen Ausführungen verwendet werden, die sich für die Durchführung von Oxidationsreaktionen in der Gasphase eignen und in der Lage sind die hohe Reaktionswärme ohne übermäßige Erwärmung des Reaktionsgemisches abzuführen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann kontinuierlich oder intermittierend durchgeführt werden, das heißt die Zuführung des Reaktoreingangsgemisches kann mit konstantem Feed oder mit zyklisch variierender Feedzusammensetzung erfolgen. Das Gasgemisch kann vorzugsweise an dem Katalysator in einem Festbett, beispielsweise in einem Rohrbündelreaktor oder Hordenreaktor, oder in einem Fließ- bzw. Wirbelbett reagieren.As reactors for carrying out the process according to the invention, it is generally possible to use embodiments which are suitable for carrying out oxidation reactions in the gas phase and are capable of removing the high heat of reaction without excessively heating the reaction mixture. The process according to the invention can be carried out continuously or intermittently, that is to say the feed of the reactor input mixture can be carried out with a constant feed or with a cyclically varying feed composition. The gas mixture may preferably be attached to the catalyst in a Fixed bed, for example, react in a tube-bundle reactor or tray reactor, or in a fluidized bed or fluidized bed.
Speziell bevorzugt sind gekühlte Rohrbündelreaktoren mit festem Katalysatorbett. Besonders bevorzugt sind Ausführungen mit zu Rohrbündel angeordneten Einzelrohren mit einem Rohrinnendurchmesser von 10 mm bis 50 mm und einer Rohrlänge von 1 m bis 6 m.Especially preferred are cooled tube bundle reactors with a fixed catalyst bed. Particular preference is given to designs with tube bundles arranged individual tubes with an inner tube diameter of 10 mm to 50 mm and a tube length of 1 m to 6 m.
Die Strömungsgeschwindigkeit in den Reaktionsrohren, bezogen auf das ungefüllte Rohr, beträgt im allgemeinen zwischen 0,1 m/s und 10 m/s, bevorzugt zwischen 0,3 m/s und 5 m/s, besonders bevorzugt 0,5 bis 3 m/s.The flow rate in the reaction tubes, based on the unfilled tube, is generally between 0.1 m / s and 10 m / s, preferably between 0.3 m / s and 5 m / s, more preferably 0.5 to 3 m / s.
Die Reaktionsrohre können mit Katalysator unterschiedlicher Zusammensetzung, Gestalt und Dimension gefüllt sein. Die Füllung kann vorzugsweise in axialer Richtung homogen oder zonenweise variabel in die Reaktionsrohre eingebracht sein. Jede Zone kann vorzugsweise einen statistisch verdünnten oder gemischten Katalysator enthalten.The reaction tubes can be filled with catalyst of different composition, shape and dimension. The filling may preferably be introduced into the reaction tubes in a homogeneous or zone-wise manner in the axial direction. Each zone may preferably contain a randomly diluted or mixed catalyst.
Die für die Gasphasenoxidation notwendige Sauerstoffquelle ist im allgemeinen ein sauerstoffhaltiges Gas. Als sauerstoffhaltiges Gas kann z.B. Luft, gegebenenfalls nach mechanischer Reinigung, vorzugsweise mit Sauerstoff angereicherte Luft und besonders bevorzugt reiner Sauerstoff verwendet werden. Bei dem erfingungsgemäßen Verfahren kann aber auch zusätzlich ein Inertgas, bevorzugt Stickstoff und/oder Argon anwesend sein.The source of oxygen necessary for gas phase oxidation is generally an oxygen-containing gas. As the oxygen-containing gas, e.g. Air, optionally after mechanical purification, preferably oxygen-enriched air, and more preferably pure oxygen can be used. In the method according to the invention, however, an inert gas, preferably nitrogen and / or argon, may additionally be present.
Der Sauerstoffgehalt des dem Reaktor zugeführten Gasstroms beträgt vorzugsweise 1 bis 35 Vol.-%, besonders bevorzugt 3 bis 20 Vol.-%, insbesondere 4 bis 12 Vol.-%.The oxygen content of the gas stream fed to the reactor is preferably from 1 to 35% by volume, more preferably from 3 to 20% by volume, in particular from 4 to 12% by volume.
Gegebenenfalls kann ein Inertgasanteil von 0 bis 25 Vol.-% zugeführt werden. Der Volumenanteil von Wasserdampf des dem Reaktor zugeführten Reaktoreingangsgases beträgt im allgemeinen 0 bis 80 Vol.-%, vorzugsweise 1 bis 40 Vol.-%, besonders bevorzugt 3 bis 30 Vol.-% Wasserdampf.Optionally, an inert gas of 0 to 25 vol .-% can be supplied. The volume fraction of water vapor of the reactor input gas fed to the reactor is generally from 0 to 80% by volume, preferably from 1 to 40% by volume, particularly preferably from 3 to 30% by volume, of water vapor.
Der Anteil an Ethanol im Reaktionsgas, gemessen am Reaktoreingang, beträgt im allgemeinen 0,1 bis 20 Vol.-%, vorzugsweise 0.3 bis 10 Vol.-%, besonders bevorzugt 0.5 bis 3.0 Vol.-%.The proportion of ethanol in the reaction gas, measured at the reactor inlet, is generally 0.1 to 20% by volume, preferably 0.3 to 10% by volume, particularly preferably 0.5 to 3.0% by volume.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das erfindungsgemäße Verfahren mit Gasrückführung als Kreislaufverfahren betrieben. Bei Verfahren mit Gasrückführung hängt der Anteil an Kohlenoxiden und weiteren Reaktionsnebenprodukten im Reaktoreingangsgas von der Reaktionsführung und Säureabtrennung ab und beträgt im allgemeinen von 0 bis 95 Vol-%, bevorzugt 10 bis 95 Vol.-%, besonders bevorzugt 55 bis 85 Vol.-%.In a preferred embodiment of the invention, the process according to the invention is operated with gas recirculation as circulation process. In the case of processes with gas recirculation, the proportion of carbon oxides and further reaction by-products in the reactor input gas depends on the reaction regime and acid separation and is generally from 0 to 95% by volume, preferably 10 to 95% by volume, particularly preferably 55 to 85% by volume. ,
Die Anteile in Vol.-% der einzelnen Bestandteile desThe proportions in Vol .-% of the individual components of the
Reaktoreingangsgases addieren sich dabei jeweils auf 100 Vol.-%.Reactor input gases add up to 100% by volume in each case.
Als Vorrichtung zur Durchführung der erfindungsgemäßen Umsetzung können im allgemeinen Vorrichtungen mit einfachemAs apparatus for carrying out the reaction according to the invention can in general devices with simple
Gasdurchgang durch den Reaktor und Kreislaufverfahren verwendet werden. Bei den Kreislaufverfahren sind Vorrichtungen bevorzugt bei denen aus dem zurückgeführten Gasstrom Hochsieder, wie die Carbonsäuren Essig- und Ameisensäure bevorzugt gegenüber den niedrigsiedenden Edukten und Zwischen- und Nebenprodukten abgeschieden werden. Die Rohsäure aus dem Reaktionsausgangsgas wird dabei bevorzugt mit einer Gegenstromwäsche, Gleichstromwäsche, Kreuzstromwäsche, Quenchkühlung, Partialkondensation oder einer Kombination dieser Verfahren abgetrennt. Weitere Details zu bevorzugten Ausführungsformen sind in der EP 0960875 und der EP 1035101 beschrieben, deren diesbezügliche Offenbarungen Teil dieser Anmeldung sein sollen und hiermit unter Bezugnahme eingeschlossen (incorporated by reference) werden sollen.Gas passage through the reactor and circulation process can be used. In the circulation process, preference is given to devices in which high boilers, such as the carboxylic acids acetic and formic acid, are deposited from the recirculated gas stream, preferably over the low-boiling educts and by-products and by-products. The crude acid from the reaction starting gas is preferably separated off with a countercurrent wash, direct current wash, crossflow wash, quench cooling, partial condensation or a combination of these processes. Further details on preferred embodiments are described in EP 0960875 and EP 1035101, the disclosures of which are intended to be part of this application and hereby incorporated by reference.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Reaktionsgaskreislauf so ausgeführt, dass dem Reaktionsausgangsgas, also entweder dem den Reaktor verlassenden oder dem zurückgeführten Gasgemisch, ein Teil der bei der Gasphasenoxidation entstandenen Essigsäure und Ameisensäure, über einen Partialkondensator oder eine Gegenstromwäsche mit einem geeigneten Lösungsmittel, bevorzugt Wasser, ein Anteil an Säuren und anderen Verbindungen entzogen wird. Die Abtrennung wird dabei so ausgeführt, dass der Partialdruck dieser Säuren am Reaktoreingang niedrig bleibt, nicht umgesetztes Ethanol und weiter umsetzbare Zwischenprodukte, wie Acetaldehyd, Ethylacetat, Methylacetat, Ethylformiat, Methylformiat etc. aber größtenteils im Kreisgas verbleiben und zum Reaktoreingang zurückgeführt werden.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the reaction gas cycle is carried out so that the reaction starting gas, either the reactor leaving or the recirculated gas mixture, a portion of the resulting in the gas phase oxidation acetic acid and formic acid, via a partial condenser or a countercurrent wash with a suitable solvent, preferably water, a portion of acids and other compounds is withdrawn. The separation is carried out so that the partial pressure of these acids at the reactor inlet remains low, unreacted ethanol and further convertible intermediates such as acetaldehyde, ethyl acetate, methyl acetate, ethyl formate, methyl formate, etc. but mostly remain in the recycle gas and are returned to the reactor inlet.
Man kann dabei so vorgehen, dass bei einem Teil des Reaktorausgangsgases, im allgemeinen 60 bis 99,8 Gew.-%, vorzugsweise 90 bis 99,5 Gew.-%, der Säureanteil bis zu dem obengenannten Restsäuregehalt abgetrennt wird, und anschließend dieser Teil des Reaktorausgangsgases wieder in den Reaktor zurückgeführt wird. Der unbehandelte Teil des Reaktorausgangsgases wird verworfen und kann beispielsweise abgefackelt werden. Der Anteil an unbehandeltem Reaktorausgangsgas hängt davon ab, wie viel Kohlenoxide COx gebildet worden sind, weil diese über diesen Zweigstrom abgeführt werden müssen. Sie können danach mittels Verbrennung entsorgt werden.It is possible in this case for one part of the reactor outlet gas, generally from 60 to 99.8% by weight, preferably from 90 to 99.5% by weight, to remove the acid fraction up to the abovementioned residual acid content, and then this part the reactor outlet gas is returned to the reactor. The untreated portion of the reactor exit gas is discarded and may be flared, for example. The proportion of untreated reactor starting gas depends on how much carbon oxides CO x have been formed because they have to be removed via this branch stream. They can then be disposed of by incineration.
Es kann auch so vorgegangen werden, dass dem Reaktorausgangsgas unmittelbar nach dem Austritt aus dem Reaktor der Säureanteil bis zu dem oben genannten Restanteil abgetrennt wird, und das so behandelte Reaktorausgangsgas ganz oder teilweise, vorzugsweise zu einem Anteil von 60 bis 99,8 Gew.-%, besonders bevorzugt von 90 bis 99,5 Gew.-% in den Reaktor zurückgeführt wird. Diese Ausführungsform ist besonders bevorzugt, da dabei die Zielprodukte, die Carbonsäuren, vorher weitgehend abgetrennt werden und nicht in die Verbrennung gehen.It is also possible to proceed by separating the acid fraction up to the abovementioned residual fraction from the reactor outlet gas immediately after it has left the reactor, and treating the reactor starting gas thus treated in whole or in part, preferably in an amount of from 60 to 99.8% by weight. %, particularly preferably from 90 to 99.5 wt .-% is recycled to the reactor. This embodiment is particularly preferred because it the target products, the carboxylic acids, previously largely separated and do not go into the combustion.
Der zurückgeführte Gasmassenstrom beträgt dabei im allgemeinen zwischen dem 1-fachen und dem 100-fachen des frisch zugeführten Eduktmassenstroms, bevorzugt zwischen dem 10-fachen und 80- fachen, besonders bevorzugt zwischen dem 30 bis 60-fachen.The recirculated gas mass flow is generally between 1 and 100 times the freshly fed Eduktmassenstroms, preferably between 10 times and 80 times, more preferably between 30 to 60 times.
Der Wasserdampfgehalt des Gasstroms, das den Absorber verlässt, wird im allgemeinen über die am Absorberausgang herrschende Temperatur und den Betriebsdruck festgelegt. Die Temperatur wird in der Regel über die aus dem Absorber abgeführte Wärmemenge und die Menge und Temperatur des Waschwasserstromes festgelegt und beträgt im allgemeinen 500C bis 2000C. Der verbleibende Säuregehalt im Gasstrom der den Absorber verlässt, wird im allgemeinen über Druck und Temperatur, die Trennstufenzahl des Absorbers und die zugeführte Absorptionsmittelmenge (Wassereinspeisung) festgelegt. Im allgemeinem wird das Verfahren so ausgeführt, dass durch die Gegenstromwäsche die Restsäurekonzentration des wieder in den Reaktor zurückgeführten Gasstroms auf 0,01 bis 12 Vol.-%, bevorzugt 0,1 bis 8 Vol.-% reduziert wird.The water vapor content of the gas stream exiting the absorber is generally determined by the temperature prevailing at the absorber outlet and the operating pressure. The temperature is usually determined by the amount of heat removed from the absorber and the amount and temperature of the washing water stream and is generally from 50 0 C to 200 0 C. The remaining acid content in the gas stream leaving the absorber is generally about pressure and temperature , the number of separation stages of the absorber and the amount of absorbent supplied (water supply). In general, the process is carried out so that the residual acid concentration of the recycled back into the reactor gas stream is reduced to 0.01 to 12 vol .-%, preferably 0.1 to 8 vol .-% by countercurrent washing.
Die abgetrennte Rohsäure wird im allgemeinen mit geeigneten üblichen Verfahren alleine oder in Kombination, wie Flüssig-The separated crude acid is generally removed by suitable conventional methods alone or in combination, such as
Flüssig-Extraktion, Extraktivrektifikation, Rektifikation,Liquid extraction, extractive rectification, rectification,
Azeotroprektifikation, Kristallisation undAzeotropic rectification, crystallization and
Membrantrennverfahren entwässert und gereinigt. Die vor einer weiteren Auftrennung der Rohsäure in ihre Reinsubstanzen abgetrennten Leichtsieder können ebenfalls, alleine oder zusammen mit Leichtsiedern aus der Reinigung und Konzentrierung ganz oder teilweise in den Gasphasenreaktor zurückgeführt werden .Membrane separation process drained and cleaned. The low boilers separated off before further fractionation of the crude acid into its pure substances can likewise be recycled, in whole or in part, into the gas phase reactor, either alone or together with low boilers from the purification and concentration.
Besonders geeignet für die Aufarbeitung der verdünnten Rohsäure sind bezüglich der Kosten optimierte Verfahren, wie sie in der DE 19934411, der DE 19934410 und der deutschen Patentanmeldung DE 10065466 beschrieben sind, deren diesbezügliche Offenbarungen Teil dieser Anmeldung sein sollen. Diese werden hiermit unter Bezugnahme eingeschlossen (incorporated by reference) .Cost-optimized processes, such as those described in DE 19934411, DE 19934410 and German patent application DE 10065466, are particularly suitable for working up the diluted crude acid Revelations should be part of this application. These are hereby incorporated by reference.
Ein bevorzugtes Verfahren zur Trennung und Reinigung der verdünnten Rohsäure, eines wässrigen Gemisches aus den Hauptkomponenten Leichtsieder, Essigsäure, Ameisensäure und Schwersiedern, ist die Extraktion, mittels eines Lösungsmittels, bevorzugt eine oder mehrere Verbindungen aus der Gruppe Ether, Ester, Ketone und Alkohole, besonders bevorzugt eine oder mehrer Verbindungen aus der Gruppe umfassend Methyltertiärbutylether, Diisopropylether, Methylsekundärbutylether, Methylcyclopentylether, Ethylbutylether, Ethylacetat und Isopropylacetat in einem Kreisverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass der Raffinatstrom mit einem Großteil des Wassers einerA preferred method for the separation and purification of the dilute crude acid, an aqueous mixture of the main components low boilers, acetic acid, formic acid and high boilers, is the extraction, by means of a solvent, preferably one or more compounds from the group consisting of ethers, esters, ketones and alcohols, especially preferably one or more compounds selected from the group comprising methyl tertiary butyl ether, diisopropyl ether, methyl secondary butyl ether, methylcyclopentyl ether, ethyl butyl ether, ethyl acetate and isopropyl acetate in a circular process, characterized in that the raffinate stream with a large part of the water
Lösungsmittelstripperkolonne zur Auskreisung des Wassers zugeführt wird und der Extraktstrom in eine Lösungsmitteldestillationskolonne geleitet wird, aus der in einem ersten Schritt über Kopf eine Mischung (A) , bestehend aus Wasser und Lösungsmittel, über den Sumpf eine Mischung (B) bestehend aus Essigsäure, Ameisensäure und Hochsiedern abgetrennt wird, die Mischung (B) nach Abtrennung der Ameisensäure in einer gegebenenfalls mit Seitenabzug ausgestatteten Kolonne anschließend in einerSolvent stripper is fed to the elimination of the water and the extract stream is passed into a solvent distillation column, from the top in a first step, a mixture (A) consisting of water and solvent, over the bottom of a mixture (B) consisting of acetic acid, formic acid and High boilers is separated, the mixture (B) after removal of the formic acid in a optionally equipped with side draw column then in a
Essigsäuredestillationskolonne in reine Essigsäure und Hochsieder aufgetrennt wird, und die Mischung (A) einem Phasentrenner zugeführt wird, wobei die wässrige Phase mit Restanteilen an Lösungsmittel zur Lösungsmittelstripperkolonne, und die organische Phase zum Extraktor zurückgeführt wird.Acetic acid distillation column is separated into pure acetic acid and high boilers, and the mixture (A) is fed to a phase separator, wherein the aqueous phase is recycled with residual amounts of solvent to the solvent stripping column, and the organic phase to the extractor.
Ein weiteres bevorzugtes Verfahren ist die Extraktion, mittels eines Lösungsmittels, bevorzugt eine oder mehrere Verbindungen aus der Gruppe Ether, Ester, Ketone und Alkohole, besonders bevorzugt eine oder mehrer Verbindungen aus der Gruppe umfassend Methyltertiärbutylether, Diisopropylether, Ethylbutylether, Cyclopentylmetyhlether, Methyl-2-butylether, Ethylacetat und Isopropylacetat in einem Kreisverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass der Raffinatstrom mit einem Großteil des Wassers einer Lösungsmittelstripperkolonne zur Auskreisung des Wassers zugeführt wird und der Extraktstrom in eine Lösungsmitteldestillationskolonne geleitet wird, aus der in einem ersten Schritt über Kopf eine Mischung (A) mit einem Großteil des Lösungsmittels, aus einem Seitenabzug eine Mischung (B) bestehend aus Ameisensäure, Wasser und Lösungsmittel und über den Sumpf eine Mischung (C) bestehend aus Essigsäure und Hochsiedern abgetrennt werden, und zur weiteren Verarbeitung die Mischung (B) in eineAnother preferred process is the extraction, by means of a solvent, preferably one or more compounds from the group consisting of ethers, esters, ketones and alcohols, more preferably one or more compounds from the group comprising methyl tertiary butyl ether, diisopropyl ether, ethyl butyl ether, cyclopentyl methyl ether, methyl 2- butyl ether, ethyl acetate and isopropyl acetate in a circular process, characterized in that the raffinate stream is supplied with a large part of the water to a solvent stripper column for the elimination of the water and the extract stream is passed into a solvent distillation column, from which in a first step overhead a mixture (A) with a large part of the solvent, from a side draw a mixture (B) consisting of formic acid, water and solvent and on the bottom a mixture (C) consisting of acetic acid and high boilers are separated, and for further processing, the mixture (B) in a
Ameisensäuredestillationskolonne übergeführt wird, und die Mischung (C) in eine Essigsäuredestillationskolonne übergeführt wird, anschließend in der Essigsäuredestillationskolonne über Kopf die reine Essigsäure isoliert wird, in der Ameisensäuredestillationskolonne am Sumpf die reineFormic acid distillation column is transferred, and the mixture (C) is transferred to an acetic acid distillation column, then in the Essigsäuredestillationskolonne overhead the pure acetic acid is isolated, in the formic acid distillation column at the bottom of the pure
Ameisensäure isoliert wird und über Kopf ein Gemisch aus Lösungsmittel und Wasser abgezogen wird, welches zusammen mit der Mischung (A) nach Abtrennung des Wasseranteils, in den Extraktor zurückgeführt wird.Formic acid is isolated and removed overhead a mixture of solvent and water, which is recycled together with the mixture (A) after separation of the water content, in the extractor.
Eine weiteres bevorzugtes Verfahren ist die Extraktion, mittels eines Lösungsmittels, bevorzugt eine oder mehrere Verbindungen aus der Gruppe Ether, Ester, Ketone, Kohlenwasserstoffe und Alkohole, besonders bevorzugt eine oder mehrere Verbindungen aus der Gruppe umfassend Methyltertiärbutylether,Another preferred method is the extraction, by means of a solvent, preferably one or more compounds from the group consisting of ethers, esters, ketones, hydrocarbons and alcohols, particularly preferably one or more compounds from the group comprising methyl tertiary butyl ether,
Diisopropylether, Di-n-propylether, Ethylbutylether, Cyclopentylmetyhlether, Methyl-2-butylether, Ethylacetat und Isopropylacetat in einem Kreisverfahren, wobei der Raffinatstrom mit einem Großteil des Wassers einer Lösungsmittelstripperkolonne zur Auskreisung des Wassers zugeführt wird und der Extraktstrom in eineDiisopropyl ether, di-n-propyl ether, ethyl butyl ether, cyclopentyl methyl ether, methyl 2-butyl ether, ethyl acetate and isopropyl acetate in a cyclic process wherein the raffinate stream is fed with a major portion of the water to a solvent stripper column for water scavenging and the extract stream is passed to a
Lösungsmitteldestillationskolonne geleitet wird, aus der in einem ersten Schritt über Kopf eine Mischung (A) , bestehend aus Wasser und Lösungsmittel, über den Sumpf eine Mischung (B) bestehend aus Essigsäure, Ameisensäure und Hochsiedern abgetrennt wird, die Mischung (B) nach Abtrennung der Ameisensäure in einer Kolonne unter Einsatz eines Hilfsstoffes in der Art einer Azeotropdestillation anschließend in einer Essigsäuredestillationskolonne in reine Essigsäure und Hochsieder aufgetrennt wird, und die Mischung (A) einem Phasentrenner zugeführt wird, wobei die entstehende wässrige Phase mit Restanteilen an Lösungsmittel der Lösungsmittelstripperkolonne und die organische Phase dem Extraktor zurückgeführt wird.Solvent distillation column is passed from the first step in a mixture (A) consisting of water and solvent, over the bottom of a mixture (B) consisting of acetic acid, formic acid and high boilers is separated, the mixture (B) after separation of the Formic acid in a column using an adjuvant in the manner of azeotropic distillation then in a Acetic acid distillation column is separated into pure acetic acid and high boilers, and the mixture (A) is fed to a phase separator, wherein the resulting aqueous phase with residual amounts of solvent of the solvent stripper column and the organic phase is returned to the extractor.
Bei sehr hohen Essigsäurekonzentrationen in der Rohsäure sind für die Entwässerung apparativ unkompliziertere Verfahren, wie die Azeotroprektifikation, günstiger.At very high concentrations of acetic acid in the crude acid less complex procedures for the drainage, such as azeotropic rectification, cheaper.
Das bei der Konzentrierung und Reinigung der Rohsäure anfallende Wasser wird teilweise, gegebenenfalls nach einer chemischen und/oder physikalischen Behandlung, in die Gegenstromabsorption zurückgespeist. Das überschüssige Wasser aus dem Feed und dem geringen Anteil an Totaloxidation, das noch sehr geringe Mengen an Essig- und Ameisensäure enthält, kann problemlos über eine biologische Kläranlage entsorgt werden .The resulting in the concentration and purification of the crude acid water is partially, optionally after a chemical and / or physical treatment, fed back into the countercurrent absorption. The excess water from the feed and the small amount of total oxidation, which still contains very small amounts of acetic and formic acid, can be disposed of easily via a biological treatment plant.
Figur 1 und 2 beschreiben in schematischer Darstellung Vorrichtungen zur Herstellung von Essig- und Ameisensäure durch Gasphasenoxidation von Ethanol nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unter ganz oder teilweiser Rückführung des Reaktionsausgangsgases. Die Rohsäure wird dabei abgetrennt, bevorzugt durch eine Gegenstromabsorption mittels eines Lösungsmittels. Bevorzugtes Lösungsmittel ist dabei Wasser. Hierbei wird über eine Mischzone (1) Sauerstoff und ethanolhaltiger Feedstrom mit dem rückgeführten Gasstrom vermischt und mit diesem zusammen dem Rohrbündelreaktor (2) zugeführt, der mittels einer Umlaufkühlung (3) gekühlt wird. Das den Reaktor verlassende Gasgemisch wird im Hauptstrom durch einen Gaskühler (4) geleitet der durch einen Umlaufkühler (5) gekühlt wird. Im Anschluss daran wird das Reaktionsgas in eine Absorptionskolonne (6) geleitet, die mit einem oder mehrerenFigures 1 and 2 describe in a schematic representation apparatus for the production of acetic and formic acid by gas phase oxidation of ethanol by the novel process with complete or partial recycling of the reaction starting gas. The crude acid is separated off, preferably by a countercurrent absorption by means of a solvent. The preferred solvent is water. In this case, oxygen and ethanol-containing feed stream is mixed with the recirculated gas stream via a mixing zone (1) and together with this fed to the tube bundle reactor (2), which is cooled by means of circulation cooling (3). The gas mixture leaving the reactor is passed in the main stream through a gas cooler (4) which is cooled by a circulation cooler (5). Following this, the reaction gas is passed into an absorption column (6) which is filled with one or more
Kolonnenkühlern (7) ausgerüstet ist. Im obersten Kolonnenboden wird ein Lösungsmittel, bevorzugt Wasser, durch eine Rohrleitung (8) zugeleitet. In dieser Absorptionskolonne wird die Rohsäure durch Gegenstromwäsche abgetrennt und über ein Rohr (9) der weiteren Aufarbeitung zugeführt. Das restliche Reaktionsgas wird über ein Rohr (10) mittels einem Kreisgaskompressor (11) zur Mischzone zurückgeführt. Die Apparatur und das Verfahren können auch so ausgeführt werden, dass das ethanolhaltige Edukt über Leitung (16) nicht auf die Mischdüse, sondern vor der Kühleinrichtung (7) eingespeist wird. Über Leitung (12) wird zur Aufrechterhaltung stationärer Bedingungen im Reaktionskreislauf ein geringer Abgasstrom entnommen und im Abgaskühler (13) abgekühlt, wobei das anfallende Kondensat über Leitung (15) zum Reaktoreintritt zurückgeführt wird. Der über Leitung (14) entnommene Abgasstrom enthält überwiegend Kohlenoxide und Reste brennbarer Kohlenwasserstoffe und kann einer thermischen Nutzung, beispielsweise einer Abgasverbrennung, einer stofflichenColumn coolers (7) is equipped. In the uppermost column bottom, a solvent, preferably water, is fed through a pipeline (8). In this absorption column is the crude acid separated by countercurrent washing and fed through a pipe (9) for further processing. The remaining reaction gas is returned via a pipe (10) by means of a cycle gas compressor (11) to the mixing zone. The apparatus and the method can also be carried out so that the ethanol-containing educt via line (16) is not fed to the mixing nozzle, but in front of the cooling device (7). Via line (12) a small stream of exhaust gas is removed to maintain stationary conditions in the reaction cycle and cooled in the exhaust gas cooler (13), wherein the resulting condensate via line (15) is returned to the reactor inlet. The exhaust gas stream taken off via line (14) predominantly contains carbon oxides and residues of combustible hydrocarbons and may be subject to thermal utilization, for example to exhaust gas combustion, of a material
Nutzung oder einer sonstigen Abgasbehandlung, zugeführt werden.Use or other exhaust treatment, fed.
Das folgende Beispiel dient zur weiteren Erläuterung der Erfindung .The following example serves to further explain the invention.
Die Selektivität [in mol-%] wurde wie folgt berechnet:The selectivity [in mol%] was calculated as follows:
Essigsäureselektivität bezüglich Ethanol-Umsatz (mol-%) => ( (mol/h Essigsäure in der Rohsäure) ) / (mol/h umgesetztes Ethanol)*100Acetic acid selectivity with respect to ethanol conversion (mol%) => ((mol / h acetic acid in the crude acid)) / (mol / h ethanol reacted) * 100
Ameisensäureselektivität bezüglich Ethanol-Umsatz (mol-%) => ((mol/h Ameisensäure in der Rohsäure) /2) / (mol/h umgesetztes Ethanol) *100Formic acid selectivity with respect to ethanol conversion (mol%) => ((mol / h formic acid in the crude acid) / 2) / (mol / h of reacted ethanol) * 100
Im Beispiel verwendeter Katalysator:Catalyst used in the example:
Katalysator : Die Herstellung des verwendeten Katalysators erfolgte analog DE-19649426 dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Masse aus Oxiden von Titan, Vanadium, Molybdän und Antimon der empirischen Formel TiaVbMocSbdOe besteht (a: 256; b:27; c: 4; d: 20; e: 611) und in einem Anteil von 20 Gew.-% bezogen auf das Gewicht des Trägers auf Steatitringe der Dimension 3,8 mm Außendurchmesser * 2 mm Innendurchmesser * 2,7 mm Höhe aufgebracht ist.Catalyst: The preparation of the catalyst used was carried out analogously to DE-19649426, characterized in that the active composition consists of oxides of titanium, vanadium, molybdenum and antimony of the empirical formula Ti a V b Mo c Sb d O e (a: 256; b: 27, c: 4, d: 20, e: 611) and in a proportion of 20% by weight, based on the weight of the carrier, of steatite rings of Dimension 3.8mm outside diameter * 2mm inside diameter * 2.7mm height is applied.
Die Versuche wurden in einer Apparatur entsprechend Figur 2 mit einem Ein-Rohr-Reaktor mit 15 mm Innendurchmesser desThe experiments were carried out in an apparatus according to FIG. 2 with a single-tube reactor with 15 mm internal diameter of
Reaktionsrohres und einer Absorptionskolonne mit strukturierter Packung, einem Innendurchmesser von 43 mm und einer Packungshöhe von 3240 mm mit thermostatisiertem Kopfteilkondensator als Kolonnenkühler durchgeführt.Reaction tube and an absorption column with structured packing, an inner diameter of 43 mm and a packing height of 3240 mm with thermostatically controlled head part condenser as a column cooler performed.
Beispiel :Example:
In einen Reaktor mit einem Reaktionsrohrinnendurchmesser von 15 mm wurde der Katalysator mit einer Füllhöhe von 3000 mm eingebracht. Der Sauerstoffgehalt am Reaktoreintritt wurde durch Zugabe von reinem Sauerstoff am Reaktoreintritt automatisch auf 8 Vol.-% geregelt. Als Reaktionsfeed wurden 95,6 g Ethanol in Kreisgasströmungsrichtung direkt nach dem Kolonnenkopfkühler der Absorptionskolonne und 502 g/h Wasser in Kreisgasströmungsrichtung direkt vor dem Kolonnenkopfkühler der Absorptionskolonne, entsprechend einem Wasser/Ethanol-In a reactor with a reaction tube inside diameter of 15 mm, the catalyst was introduced with a filling height of 3000 mm. The oxygen content at the reactor inlet was automatically controlled by the addition of pure oxygen at the reactor inlet to 8 vol .-%. The reaction feed was 95.6 g of ethanol in the recycle gas flow direction directly after the column overhead condenser of the absorption column and 502 g / h of water in the recycle gas flow direction directly in front of the column overhead condenser of the absorption column, corresponding to a water / ethanol reaction.
Gemisch mit 16 Gew.-% Ethanol, eingespeist. Der Kreisgasfluss wurde so eingestellt, dass der Reaktor im stabilen Zustand einen Kreisgasfluss von 3500 g/h erreichte. Der Reaktor wurde bei 6,l*105 Pa Druck und 181, 5°C Kühlmitteltemperatur betrieben.Mixture with 16 wt .-% ethanol, fed. The cycle gas flow was adjusted so that the reactor reached a cycle gas flow of 3500 g / h in the steady state. The reactor was operated at 6, 1 x 10 5 Pa pressure and 181.5 ° C coolant temperature.
Die Säureabtrennung aus dem Reaktionsgas erfolgte durch Absorption in einem Gegenstromabsorber mit strukturierter Packung, einem Innendurchmesser von 43 mm und einer Packungshöhe von 3240 mm bei einer Kopftemperatur des Absorbers von 130°C.The acid separation from the reaction gas was carried out by absorption in a countercurrent absorber with structured packing, an inner diameter of 43 mm and a packing height of 3240 mm at a head temperature of the absorber of 130 ° C.
Unter diesen Bedingungen wurde ein Ethanolumsatz von 99, 9 % erreicht. Die Essigsäureselektivität bezüglich des Umsatzes betrug 86 mol-%, die Ameisensäureselektivität bezüglich des Umsatzes betrug 9 mol-%. Die volumenspezifische Essigsäureproduktivität betrug 200 g/lh. Die Rohsäure enthielt 80 Gew.-% Wasser. Der Leichtsiederanteil (Siedepunkt niedriger als Wasser) in der Rohsäure betrug unter 0,3 Gew.-%. Der Hochsiederanteil (Siedepunkt höher als Essigsäure) in der Rohsäure betrug unter 0,01 Gew.-%. Under these conditions, an ethanol conversion of 99.9% was achieved. The acetic acid selectivity with respect to the conversion was 86 mol%, the formic acid selectivity with respect to the conversion was 9 mol%. The volume specific acetic acid productivity was 200 g / lh. The crude acid contained 80 wt .-% water. The low boiler content (boiling point lower than water) in the crude acid was below 0.3 wt .-%. The high boiler fraction (boiling point higher than acetic acid) in the Crude acid was below 0.01 wt .-%.

Claims

Patentansprüche : Claims:
1. Verfahren zur Herstellung von Essigsäure und Ameisensäure durch Gasphasenoxidation von Ethanol oder Ethanol enthaltenden Mischungen in Anwesenheit von Sauerstoff an einem Katalysator, enthaltend a.) eine Komponente I aus ein oder mehreren Oxiden aus derA process for the preparation of acetic acid and formic acid by gas phase oxidation of mixtures containing ethanol or ethanol in the presence of oxygen over a catalyst comprising a) a component I of one or more oxides from the
Gruppe Titandioxid, Zirkoniumdioxid, Zinndioxid,Group titanium dioxide, zirconium dioxide, tin dioxide,
Aluminiumoxid und b.) eine Komponente II enthaltend 0.1 bis 1.5 Gew-%, bezogen auf das Gewicht der Komponente I und pro m2/g spezifischer Oberfläche der Komponente I,Alumina and b.) A component II containing 0.1 to 1.5% by weight, based on the weight of component I and per m 2 / g specific surface area of component I,
Vanadiumpentoxid, wobei das Verfahren in einem Kreislaufsystem durchgeführt wird, und die entstehende Rohsäure durch Wasserabsorption aus dem Kreislauf abgetrennt wird und diese wässrige Phase anschließend über einen Extraktions- und mehrereVanadium pentoxide, wherein the process is carried out in a circulatory system, and the resulting crude acid is separated by water absorption from the circulation and this aqueous phase then via an extraction and several
Destillationsschritte in reine Essig- und Ameisensäure aufgetrennt wird.Distillation is separated into pure acetic and formic acid.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Katalysator ein Schalenkatalysator eingesetzt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that a coated catalyst is used as the catalyst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch aktive Mischoxidmasse des3. The method according to claim 1 to 2, characterized in that the catalytically active mixed oxide of the
Schalenkatalysators als Komponente I zusätzlich noch ein oder mehrere Oxide der Metalle aus der Gruppe Bor, Silicium, Hafnium, Niob, Wolfram, Lanthan und Cer, in einer Menge von 1 bis 15 Gew%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Komponente I enthält und in der katalytisch aktiven Mischoxidmasse des Schalenkatalysators als Komponente II ein Teil des Vanadiumpentoxids durch ein oder mehrere Oxide von Molybdän, Chrom und Antimon ersetzt ist, und/oder als zusätzliche Komponente II noch ein oder mehrere Oxide von Alkalimetallen, Erdalkalimetallen,Shell catalyst as component I additionally contains one or more oxides of the metals from the group boron, silicon, hafnium, niobium, tungsten, lanthanum and cerium, in an amount of 1 to 15% by weight, based on the total weight of component I and in the catalytically active mixed oxide composition of the coated catalyst as component II, part of the vanadium pentoxide is replaced by one or more oxides of molybdenum, chromium and antimony, and / or as additional component II or one or more oxides of alkali metals, alkaline earth metals,
Elementen der 5. und 6. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente (PSE) und der Übergangsmetalle enthalten sind. Elements of the 5th and 6th main group of the Periodic Table of the Elements (PSE) and the transition metals are included.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalenkatalysator mehrere Schichten enthält, wobei die innere Schicht nur Komponente I enthält und die äußere Schicht die Komponenten I und II.4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the coated catalyst contains a plurality of layers, wherein the inner layer contains only component I and the outer layer comprises the components I and II.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalenkatalysator mehrere Schichten enthält, wobei die innere und äußere Schicht jeweils die Komponenten I und II enthalten, und für die innere Schicht eine höhere spezifische Oberfläche für die Komponente I gewählt wird, als für die äußere Schicht.5. The method of claim 1 to 4, characterized in that the coated catalyst contains a plurality of layers, wherein the inner and outer layers each contain the components I and II, and for the inner layer, a higher specific surface area for the component I is selected for the outer layer.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die inerten Trägerkörper des Schalenkatalysators die Form von Hohlzylindern aufweisen, die eine oder mehrere Kerben an der oberen und/oder unteren Flachseite der Hohlzylinderwände besitzen, so dass der Innenraum der Hohlzylinder mit dem die Hohlzylinder umgebenden Raum zusätzlich in Querrichtung zu den Hohlzylinderkanälen verbunden ist.6. The method according to claim 1 to 5, characterized in that the inert carrier body of the shell catalyst having the form of hollow cylinders having one or more notches on the upper and / or lower flat side of the hollow cylinder walls, so that the interior of the hollow cylinder with the Hollow cylinder surrounding space is additionally connected in the transverse direction to the hollow cylinder channels.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsausgangsgas in einem Reaktionsgaskreislauf zum Teil zurückgeführt wird wobei der Reaktionsgaskreislauf so ausgeführt wird, dass dem Reaktionsausgangsgas ein Teil der bei der Gasphasenoxidation entstandenen organischen Säuren entzogen werden, so dass der Säureanteil im zurückgeführten Anteil des Reaktionsausgangsgases auf 0,01 bis 6 Vol.-% reduziert wird.7. The method according to claim 1 to 6, characterized in that the reaction starting gas is partially recycled in a reaction gas circuit wherein the reaction gas cycle is carried out so that the reaction gas a part of the resulting during the gas phase oxidation organic acids are withdrawn, so that the acid content in the recirculated Proportion of the starting reaction gas is reduced to 0.01 to 6 vol .-%.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohsäure aus dem Reaktionsausgangsgas durch eine Gegenstromwäsche abgetrennt wird.8. The method according to claim 7, characterized in that the crude acid is separated from the reaction starting gas by a countercurrent washing.
9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet dass die Trennung und Reinigung des erhaltenen wässrigen Gemisches aus den Hauptkomponenten Essigsäure, Ameisensäure und Schwersiedern durch Extraktion in einem Extraktor, mittels eines Lösungsmittels in einem Kreisverfahren erfolgt, wobei der Raffinatstrom aus dem Extraktor mit einem Großteil des Wassers einer9. The method according to claim 1 to 8, characterized in that the separation and purification of the obtained aqueous A mixture of the main components acetic acid, formic acid and high boilers by extraction in an extractor, by means of a solvent in a cyclic process, wherein the raffinate from the extractor with a large part of the water of a
Lösungsmittelstripperkolonne zur Auskreisung des Wassers zugeführt wird und der Extraktstrom in eine Lösungsmitteldestillationskolonne geleitet wird, aus der in einem ersten Schritt über Kopf eine Mischung (A) mit einem Großteil des Lösungsmittels, aus einem Seitenabzug eine Mischung (B) bestehend aus Ameisensäure, Wasser und Lösungsmittel und über den Sumpf eine Mischung (C) bestehend aus Essigsäure und Schwersiedern abgetrennt werden, und zur weiteren Verarbeitung die Mischung (B) in eine Ameisensäuredestillationskolonne übergeführt wird, und die Mischung (C) in eineSolvent stripper column is fed to the elimination of the water and the extract stream is passed into a solvent distillation column, from the top in a first step a mixture (A) with a large part of the solvent from a side draw a mixture (B) consisting of formic acid, water and solvent and via the bottom a mixture (C) consisting of acetic acid and high boilers are separated, and for further processing, the mixture (B) is transferred to a formic acid distillation column, and the mixture (C) in a
Essigsäuredestillationskolonne übergeführt wird, anschließend in der Essigsäuredestillationskolonne die reine Essigsäure isoliert wird, in der Ameisensäuredestillationskolonne die reine Ameisensäure isoliert wird und ein Gemisch aus Lösungsmittel und Wasser abgezogen wird, welches zusammen mit der Mischung (A) nach Abtrennung des Wasseranteils, in den Extraktor zurückgeführt wird.Essigsäureäuredestillationskolonne is then isolated in the Essigsäuredestillationskolonne pure acetic acid is isolated in the formic acid distillation column, the pure formic acid is isolated and a mixture of solvent and water is removed, which is recycled together with the mixture (A) after removal of the water content in the extractor ,
10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet dass die Trennung und Reinigung des erhaltenen wässrigen Gemisches aus den Hauptkomponenten Essigsäure, Ameisensäure und Schwersiedern durch Extraktion in einem Extraktor, mittels eines Lösungsmittels oder eines10. The method according to claim 1 to 9, characterized in that the separation and purification of the resulting aqueous mixture of the main components of acetic acid, formic acid and high boilers by extraction in an extractor, by means of a solvent or a
Lösungsmittelsgemisches in einem Kreisverfahren erfolgt, wobei der Raffinatstrom aus dem Extraktor mit einem Großteil des Wassers einer Lösungsmittelstripperkolonne zur Auskreisung des Wassers zugeführt wird und der Extraktstrom in eine Lösungsmitteldestillationskolonne geleitet wird, aus der in einem ersten Schritt über Kopf eine Mischung (A), bestehend aus Wasser und Lösungsmittel, über den Sumpf eine Mischung (B) bestehend aus Essigsäure, Ameisensäure und Schwersiedern abgetrennt wird, die Mischung (B) nach Abtrennung der Ameisensäure in Kolonne anschließend in einer Essigsäuredestillationskolonne in reine Essigsäure und Hochsieder aufgetrennt wird, und die Mischung (A) einem Phasentrenner zugeführt wird, wobei die wässrige Phase mit Restanteilen an Lösungsmittel zur Lösungsmittelstripperkolonne, und die organische Phase zum Extraktor zurückgeführt wird.A solvent mixture is carried out in a circular process, wherein the raffinate from the extractor with a major part of the water of a solvent stripper column for the circulation of the water is fed and the extract stream is passed into a solvent distillation column, from the top in a first step, a mixture (A) consisting of Water and solvent, over the sump a mixture (B) consisting of acetic acid, Formic acid and high boilers is separated, the mixture (B) after separating the formic acid in column then separated in an acetic acid distillation column in pure acetic acid and high boilers, and the mixture (A) is fed to a phase separator, wherein the aqueous phase with residual amounts of solvent to the solvent stripper column , And the organic phase is returned to the extractor.
11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet dass die Trennung und Reinigung des erhaltenen wässrigen Gemisches aus den Hauptkomponenten Essigsäure, Ameisensäure und Schwersiedern durch Extraktion in einem Extraktor, mittels eines Lösungsmittels in einem Kreisverfahren erfolgt, wobei der Raffinatstrom aus dem Extraktor mit einem Großteil des Wassers einer Lösungsmittelstripperkolonne zur Auskreisung des Wassers zugeführt wird und der Extraktstrom in eine Lösungsmitteldestillationskolonne geleitet wird, aus der in einem ersten Schritt über Kopf eine Mischung (A) , bestehend aus Wasser und Lösungsmittel, über den Sumpf eine Mischung (B) bestehend aus Essigsäure, Ameisensäure und Hochsiedern abgetrennt wird, die Mischung (B) nach Abtrennung der Ameisensäure in Kolonne unter Einsatz eines Hilfsstoffes in der Art einer Azeotropdestillation anschließend in einer Essigsäuredestillationskolonne in reine Essigsäure und Hochsieder aufgetrennt wird, und die Mischung (A) einem Phasentrenner zugeführt wird, wobei die entstehende wässrige Phase mit Restanteilen an Lösungsmittel der Lösungsmittelstripperkolonne, und die organische Phase dem Extraktor zurückgeführt wird. 11. The method according to claim 1 to 12, characterized in that the separation and purification of the resulting aqueous mixture of the main components of acetic acid, formic acid and high boilers by extraction in an extractor, by means of a solvent in a circular process, wherein the raffinate from the extractor with a Most of the water is supplied to a solvent stripper column for the elimination of the water and the extract stream is passed into a solvent distillation column, from the top in a first step a mixture (A) consisting of water and solvent, over the bottom of a mixture (B) consisting of Acetic acid, formic acid and high boilers is separated, the mixture (B) after separation of the formic acid in column using an adjuvant in the manner of azeotropic distillation is then separated in an acetic acid distillation column in pure acetic acid and high boilers, and the Mischu ng (A) is fed to a phase separator, wherein the resulting aqueous phase with residual amounts of solvent of the solvent stripper column, and the organic phase is recycled to the extractor.
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