WO2000003963A1 - Verfahren zur oxidation von cyclohexan in der gasphase unter verwendung von festen mikro- und mesoporösen katalysatoren - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a single-stage catalytic process for the selective oxidation of cyclohexane with atmospheric oxygen for the production of cyclohexanol and cyclohexanone.
- the process comprises the use of amorphous microporous as well as mesoporous catalysts with different transition metal ions as the active center in a continuously operated reactor in the gas phase under elevated pressure.
- Micro- and mesoporous mixed oxide catalysts eg Si0 2 , Ti0 2 , Al 2 0 3 or Zr0 2
- a low content of Co, Cr or V ions (maximum 10%) or other transition metal ions have proven to be particularly suitable for this reaction .
- the reaction takes place at temperatures between 150 and 350 ° C and a pressure of at least 2 bar. The best results are achieved at pressures of 15 to 25 bar.
- a significant improvement in selectivity can be achieved if the reactor walls consist of catalytically inert material or if metallic or other reactor inner walls are clad with a catalytically inert material such as gold, Teflon or quartz, are covered with such material by appropriate internals, or are coated with passivating lacquer.
- the process offers the advantage of heterogeneous reaction control in the gas phase, which, unlike all technical processes used to date, allows the product mixture to be separated from the catalyst very easily. Another advantage of this reaction procedure is the simple recycling of the cyclohexane.
- the reaction is carried out in a 1 m long reaction tube which is lined with a quartz tube.
- the tube has a diameter of 0.5 cm and is brought to the appropriate reaction temperature using a heating jacket.
- the catalyst bed (100 mg) is introduced into this vertically attached tube.
- the catalyst is calcined in an air stream at 400 ° C before use.
- the product mixture is removed after the reactor in the relaxed state and analyzed (gas chromatography).
- Amorphous microporous and mesoporous mixed oxides with silicon dioxide as matrix material and Cr and V as active centers were used as exemplary catalysts (AMM: DE-A 195.450422.6, MCM-41: US 5108725).
- the cyclohexane is metered continuously into the reactor with the help of an HPLC pump with a constant delivery volume of 2 ml / h to the carrier gas stream (air, 500 ml / h).
- the resulting product compositions as a function of temperature and pressure are summarized in the following tables.
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein einstufiges katalytisches Verfahren zur selektiven Oxidation von Cyclohexan mit Luftsauerstoff zur Herstellung von Cyclohexanol und Cyclohexanon. Das Verfahren umfaßt die Verwendung von amorphen mikroporösen als auch die von mesoporösen Katalysatoren mit unterschiedlichen Übergangsmetallionen als aktivem Zentrum in einem kontinuierlich betriebenem Reaktor in der Gasphase unter erhöhtem Druck.
Description
Verfahren zur Oxidation von Cyclohexan in der Gasphase unter Verwendung von festen mikro- und mesoporösen Katalysatoren
Die vorliegende Erfindung betrifft ein einstufiges katalytisches Verfahren zur selektiven Oxidation von Cyclohexan mit Luftsauerstoff zur Herstellung von Cyclohexanol und Cyclohexanon. Das Verfahren umfaßt die Verwendung von amorphen mikroporösen als auch die von mesoporösen Katalysatoren mit unterschiedlichen Übergangsmetallionen als aktivem Zentrum in einem kontinuierlich betriebenem Reaktor in der Gasphase unter erhöhtem Druck.
Zur Herstellung von Cyclohexanol und Cyclohexanon gibt es eine Reihe von Verfahren, die von unterschiedlichen Rohstoffen ausgehen. Dabei handelt es sich um zweistufige Verfahren und/oder homogen katalysierte Reaktionen [US 3076810, (Kirk, Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology, 3. Ed., Vol 7 (1981); Ullmann's Encyclopedia of Indusrial Chemistry, VCH, 5. Ed., A8; Weissermel, Arpe, Industrielle Organische Chemie, VCH, Weinheim 1994; US 3957876; Ger. Offen. 2154656; US 3404185; US 3598869; US 2851496; Ger. Offen. 2124124; Brit. 777087;SU 503846; SU 757513]. Nicht bekannt sind bisher heterogen katalysierte Gasphasenreaktionen bei Temperaturen über 200 °C zur Oxidation von Cyclohexan.
Wir haben gefunden, daß bei Verwendung von mikro- oder mesoporösen Katalysatoren Cyclohexan in einer einstufigen Gasphasenreaktion unter Druck mit Luft selektiv oxidiert werden kann. Als besonders geeignet für diese Reaktion erwiesen sich mikro- und mesoporöse Mischoxidkatalysatoren (z.B. Si02, Ti02, Al203 oder Zr02) mit einem geringen Gehalt von Co-, Cr oder V- lonen (maximal 10 %) oder anderen Übergangsmetallionen. Die Umsetzung erfolgt bei Temperaturen zwischen 150 und 350 °C und einem Druck von mindestens 2 bar. Beste Ergebnisse werden bei Drucken von 15 bis 25 bar erzielt. Eine deutliche Selektivitätsverbesserung kann erzielt werden, wenn die Reaktorwände aus katalytisch inertem Material bestehen, oder wenn metallische
oder andere Reaktorinnenwände mit einem katalytisch inerten Material wie Gold, Teflon oder Quarz verkleidet, durch entsprechende Einbauten mit einem solchen Material abgedeckt sind, oder mit passivierendem Lack überzogen sind. Das Verfahren bietet neben den erzielbaren Umsätzen und der guten Selektivitäten den Vorteil der heterogenen Reaktionsführung in der Gasphase, die es erlaubt, im Gegensatz zu allen bisher eingesetzten technischen Verfahren, das Produktgemisch vom Katalysator sehr einfach abzutrennen. Ein weiterer Vorteil dieser Reaktionsführung liegt in der einfachen Rückführung des Cyclohexans.
Beispiele:
Reaktor:
Die Reaktion wird in einem 1 m langen Reaktionsrohr durchgeführt, das innen mit einem Quarzrohr verkleidet ist. Das Rohr hat einen Durchmesser von 0,5 cm und wird mit Hilfe eines Heizmantels auf die entsprechende Reaktionstemperatur gebracht. In diesem senkrecht angebrachten Rohr wird die Katalysatorschüttung eingebracht (100 mg). Der Katalysator wird vor dem Einsatz bei 400 °C im Luftstrom kalziniert. Die Produktmischung wird nach dem Reaktor im entspannten Zustand entnommen und analysiert (gaschromato- graphisch).
Reaktionsführung
Als beispielhafte Katalysatoren wurden amorphe mikroporöse und mesoporöse Mischoxide mit Siliciumdioxid als Matrixmaterial und Cr und V als aktive Zentren eingesetzt (AMM: DE-A 195.450422.6, MCM-41 : US 5108725). Das Cyclohexan wird kontinuierlich mit Hilfe einer HPLC-Pumpe flüssig mit einem konstanten Fördervolumen von 2 ml / h zum Trägergasstrom (Luft, 500 ml/h) in den Reaktor dosiert. Die resultierende Prouktzusammensetzungen in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Druck sind in den folgenden Tabellen zusammengefaßt.
Beispiel 1 :
Katalysator: 5 % Cr in SiO2
Temperatur Druck Umsatz Cyclohexanol Cyclohexanon
200 °C 15 bar 0,12% 33,8% 27,0%
250 °C 15 bar 0,42% 28,5% 28,5%
300 °C 15 bar 1 ,16% 25,8% 36,2%
350°C 15 bar 0,99% 12,1% 31 ,3%
200 °C 25 bar 1 ,72% 37,3% 33,8%
250 °C 25 bar 1 ,33% 33,9% 17,3%
300 °C 25 bar 2,39% 31 ,4% 31 ,0%
350°C 25 bar 4,24% 28,3% 30,7%
Beipiels 2:
Katalysator: 5 % Cr in MCM-41
Temperatur Druck Umsatz Cyclohexanol Cyclohexanon
200 °C 15 bar 0,26% 8,2% 47,0%
250 °C 15 bar 0,46% 37,3% 50,5%
300 °C 15 bar 3,45% 22,6% 32,2%
350°C 15 bar 3,37% 23,1% 31 ,5%
200 °C 25 bar 0,88% 41 ,0% . 26,2%
250 °C 25 bar 0,58% 29,5% 24,3%
300 °C 25 bar 3,29% 32,5% 28,5%
350°C 25 bar 2,98% 32,9% 27,5%
Beispiel 3:
Katalysator: 5 % V in SiO2
Temperatur Druck Umsatz Cyclohexanol Cyclohexanon
200 °C 15 bar 0,78% 41 ,2% 20,6%
250 °C 15 bar 1 ,86% 29,1 % 29,6%
300 °C 15 bar 3,69% 28,2% 31 ,4%
350°C 15 bar 3,96% 39,4% 32,5%
200 °C 25 bar 0,87% 28,8% 18,4%
250 °C 25 bar 1 ,89% 32,7% 25,3%
300 °C 25 bar 4,23% 40,6% 34,5%
350°C 25 bar 3,89% 31 ,4% 28,3%
Beispiel 4:
Katalysator: 5% V in MCM-41
Temperatur Druck Umsatz Cyclohexanol Cyclohexanon
200 °C 15 bar 0,35% 31 ,6% 23,3%
250 °C 15 bar 1 ,31% 15,2% 22,9%
300 °C 15 bar 1 ,92% 17,7% 19,3%
350°C 15 bar 3,00% 21 ,4% 28,4%
200 °C 25 bar 1 ,52% 42,8% . . 23,7%
250 °C 25 bar 2,27% 28,7% 31 ,3%
300 °C 25 bar 2,03% 25,1 % 25,6%
350°C 25 bar 1 ,64% 9,8% 16,5%
Claims
1. Verfahren zur selektiven katalytischen Oxidation von Cyclohexan, dadurch gekennzeichnet, daß bei Temperaturen über 200 °C in Gegenwart von mikro- oder mesoporösen Mischoxidkatalysatoren in einem Reaktionsgefäß mit katalytisch inerten Innenwänden Cyclohexan mit Sauerstoff in Berührung gebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Sauerstoff in Form von Luft eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Oxidation bei einem Druck über 5 bar durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Oxidation bei einem Druck von mindestens 15 bar ausgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Innenwände des Reaktionsgefäßes mit Gold, Teflon, Glas, Kevlar oder Graphit ausgekleidet oder mit passivierendem Lack überzogen sind.
6. Verfahren nach Ansprüchen 1 - 5, wobei der Mischoxidkatalysator aus Si02, Ti02, AI203 oder Zr02 oder deren Mischungen, dotiert mit Übergangsmetali- Ionen, besteht.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei als Übergangsmetall-Ionen Co-, Cr- oder V-Ionen verwendet werden.
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