Gasphasenoxidation von alkylsubstituierten heterozyklischen Verbindungen Gas phase oxidation of alkyl substituted heterocyclic compounds
Beschreibung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von heterozyklischen Carbonsäuren und heterozyklischen Carbonsäureanhydriden umfassend die partielle Gasphasenoxidation von alkylsubstituierten heterozyklischen Verbindungen in Gegenwart von Schalenkatalysatoren, das sich durch hohe Ausbeuten an Wertprodukt bei hohen Katalysatorbelastungen mit Ausgangsprodukt auszeichnet.The present invention relates to a process for the preparation of heterocyclic carboxylic acids and heterocyclic carboxylic acid anhydrides comprising the partial gas phase oxidation of alkyl-substituted heterocyclic compounds in the presence of coated catalysts, which is distinguished by high yields of valuable product at high catalyst loads with the starting product.
Eine wirtschaftlich bedeutsame heterozyklische Carbonsäure ist Nicotinsäure (Pyridin- 3-carbonsäure). Nicotinsäure ist in den Anwendungsbereichen der Medizin und der Landwirtschaft als B-Vitamin und als Zwischenprodukt für pharmazeutische Produkte bzw. für Wachstumsregulatoren von Pflanzen weit verbreitet.An economically important heterocyclic carboxylic acid is nicotinic acid (pyridine-3-carboxylic acid). Nicotinic acid is widely used in the fields of medicine and agriculture as a B vitamin and as an intermediate for pharmaceutical products and for growth regulators of plants.
Nicotinsäure kann technisch durch katalytische Gasphasenoxidation von 3-Picolin in Rohrbündelreaktoren hergestellt werden. Ausgangsmaterial ist ein Gemisch aus einem molekularen Sauerstoff enthaltenden Gas, beispielsweise Luft, Wasserdampf und dem zu oxidierenden 3-Picolin. Das Gemisch wird üblicherweise durch eine Vielzahl von in einem Reaktor angeordneter Rohre (Rohrbündelreaktor) geleitet, in denen sich eine Schüttung mindestens eines Katalysators befindet.Nicotinic acid can be produced industrially by catalytic gas phase oxidation of 3-picoline in tube bundle reactors. The starting material is a mixture of a gas containing molecular oxygen, for example air, water vapor and the 3-picoline to be oxidized. The mixture is usually passed through a plurality of tubes arranged in a reactor (tube bundle reactor), in which there is a bed of at least one catalyst.
Verschiedene Verfahren zur Herstellung von Nicotinsäure sind bekannt.Various processes for the production of nicotinic acid are known.
DE 198 22 788 beschreibt die Oxidation von 3-Methylpyridin zu Nicotinsäure in der Gasphase mit Oxidationskataiysatoren auf Vanadiumoxidbasis. Die aktive Masse der Katalysatoren umfasst 5 bis 30 Gew.-% einer oder mehrerer Verbindungen der Formel MxV6015, worin M ausgewählt ist aus Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca und Gemischen dieser Elemente und 0 < x < 1 ist. Das Trägermaterial besteht zu 90 bis 100 Gew.-% aus SiO2 und zu 0 bis 10 Gew.-% aus AI2O3 und/oder ZrO2, wobei die spezifische Oberfläche nach BET von 1 bis 50 m2/g beträgt. Die aktive Masse wird auf Körner des Trägermaterials mit einem Durchmesser von 1 bis 3 Millimetern aufgebracht. Die Verwendung von Schalenkatalysatoren auf Basis von Trägerkörpern wird nicht beschrieben.DE 198 22 788 describes the oxidation of 3-methylpyridine to nicotinic acid in the gas phase using oxidation catalysts based on vanadium oxide. The active mass of the catalysts comprises 5 to 30% by weight of one or more compounds of the formula M x V 6 0 15 , where M is selected from Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca and mixtures of these elements and 0 <x <1. The carrier material consists of 90 to 100% by weight of SiO 2 and 0 to 10% by weight of Al 2 O 3 and / or ZrO 2 , the BET specific surface area being 1 to 50 m 2 / g. The active mass is applied to grains of the carrier material with a diameter of 1 to 3 millimeters. The use of coated catalysts based on support bodies is not described.
CH 543 510 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Pyridincarbonsäuren in der Gasphase durch Inkontaktbringen der methylsubstituierten Pyridinverbindung mit einem sauerstoffenthaltenden Gas. Der Katalysator besteht aus einer Vanadiumoxid- enthaitenden Aktivmasse, die auf Körner des Trägermaterials Siliciumcarbid mit einem Durchmesser von ca. 2 Millimetern aufgebracht wird. Die Verwendung von Schalenkatalysatoren auf Basis von Trägerkörpern wird nicht beschrieben.CH 543 510 discloses a process for the preparation of pyridine carboxylic acids in the gas phase by contacting the methyl-substituted pyridine compound with an oxygen-containing gas. The catalyst consists of a vanadium oxide-containing active material that is applied to grains of the carrier material silicon carbide with a diameter of approx. 2 millimeters. The use of coated catalysts based on support bodies is not described.
DE 2647 712 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Nicotinsäure aus Alkylpyri- dinen mit ß-ständigen Methyl- oder Ethylgruppen durch Gasphasenoxidation an einer
festen Katalysatorphase mit Luft und Wasserdampf. Als Katalysator dient ein V2O5- Katalysator, der TiO2 als Promotor enthält und auf 1250°C erhitzt wird. Bimsstein und Zeolithe werden als Trägermaterialien beschrieben.DE 2647 712 describes a process for the production of nicotinic acid from alkylpyridines with β-methyl or ethyl groups by gas phase oxidation on one solid catalyst phase with air and water vapor. A V 2 O 5 catalyst which contains TiO 2 as a promoter and is heated to 1250 ° C. serves as the catalyst. Pumice and zeolites are described as substrates.
EP-A 747 359 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Nikotinsäure durch eine einstufige Gasphasen-Oxidation von ß-Picolin mit Sauerstoff in Gegenwart von Wasserdampf. Das Verfahren wird bei Temperaturen von 250 bis 290°C in Gegenwart eines auf Oxiden von Vanadium und Titan basierenden Katalysators durchgeführt. Die Ausbeute beträgt mindestens 82%. V2O5 wird auf TiO2 geträgert. Die Verwendung von Schalenkatalysatoren auf Basis von Trägerkörpern wird nicht beschrieben.EP-A 747 359 describes a process for the production of nicotinic acid by a single-stage gas-phase oxidation of β-picoline with oxygen in the presence of water vapor. The process is carried out at temperatures from 250 to 290 ° C. in the presence of a catalyst based on oxides of vanadium and titanium. The yield is at least 82%. V 2 O 5 is supported on TiO 2 . The use of coated catalysts based on support bodies is not described.
DE 198 39 559 beschreibt die Direktoxidation von ß-Picolin, indem ß-Picolin und Wasser getrennt dem Reaktor zugeführt und erst am Beginn des Katalysatorbettes zusammengeführt werden. Als Katalysator dient ein vanadiumoxidhaltiger Katalysator, dessen Träger aus einem nach der Sulfatmethode hergestellten Titandioxid mit hoher Oberfläche (> 100 m2/g) besteht, wobei der Vanadiumoxidanteil zwischen 5 und 50 Gew.-% beträgt. Das mit Vanadiumoxid geträgerte TiO2 wird zu Tabletten verpresst, diese werden dann gemahlen und gesiebt und eine der Siebfraktionen wird als Katalysator eingesetzt. Die Verwendung von Schalenkatalysatoren wird nicht beschrieben.DE 198 39 559 describes the direct oxidation of β-picoline by feeding β-picoline and water separately to the reactor and only combining them at the beginning of the catalyst bed. The catalyst used is a vanadium oxide-containing catalyst, the support of which consists of a titanium dioxide with a high surface area (> 100 m 2 / g) produced by the sulfate method, the vanadium oxide content being between 5 and 50% by weight. The TiO 2 supported with vanadium oxide is pressed into tablets, these are then ground and sieved and one of the sieve fractions is used as a catalyst. The use of coated catalysts is not described.
CN 1 296 004 beschreibt ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung von Nicotinsäure. Die Aktivmasse des Katalysators enthält 58 Gew.-% NH4VO als Hauptbestandteil sowie Sb2O3, Sm2O3, TiO2 und (NH4)2Cr2O7. Die aktive Masse wird durch Aufsprühen auf AI2O3 oder Siliciumcarbid-Kugeln geträgert. Vor der Oxidationsreaktion wird der geträ- gerte Katalysator bei 400 bis 450°C während 6 bis 8 Stunden aktiviert.CN 1 296 004 also describes a process for the production of nicotinic acid. The active composition of the catalyst contains 58% by weight of NH 4 VO as the main constituent, as well as Sb 2 O 3 , Sm 2 O 3 , TiO 2 and (NH 4 ) 2 Cr 2 O 7 . The active mass is carried by spraying onto Al 2 O 3 or silicon carbide balls. Before the oxidation reaction, the supported catalyst is activated at 400 to 450 ° C for 6 to 8 hours.
Die japanische Offenlegungsschrift JP 2002-331239 beschreibt ein Gasphasen- Verfahren zur Herstellung von Nicotinsäure aus 3-Picolin in Gegenwart von Vanadium und Chrom enthaltenden Katalysatoren. Die aktive Masse wird auf Silica-Sol aufge- bracht und die für die Reaktion geeigneten Katalysator-Körner werden durch Siebung erhalten. Die Verwendung von Schalenkatalysatoren wird nicht beschrieben.Japanese published patent application JP 2002-331239 describes a gas phase process for the production of nicotinic acid from 3-picoline in the presence of catalysts containing vanadium and chromium. The active mass is applied to silica sol and the catalyst grains suitable for the reaction are obtained by sieving. The use of coated catalysts is not described.
J. Appl. Chem. Biotechnol. 27 (1977) 499-509 beschreibt die Oxidation von 3-Methyl- pyridin zu Nicotinsäure unter Verwendung von Trägerkatalysatoren mit einem Überzug aus Vanadiumpentoxid und Titandioxid in einem Gewichtsverhältnis V2O5 zu TiO2 größer als 1:4 auf Bimsstein, der nach 5-stündigem Tempern bei 400°C eine BET- Oberfläche von 15-100 m2/g vorzugsweise 25-50 m2/g aufweist.J. Appl. Chem. Biotechnol. 27 (1977) 499-509 describes the oxidation of 3-methylpyridine to nicotinic acid using supported catalysts with a coating of vanadium pentoxide and titanium dioxide in a weight ratio V 2 O 5 to TiO 2 greater than 1: 4 on pumice stone, which according to 5 hour annealing at 400 ° C has a BET surface area of 15-100 m 2 / g, preferably 25-50 m 2 / g.
Großtechnische Verfahren sind dann besonders vorteilhaft, wenn die sog. Raum-Zeit- Ausbeute (RZA) möglichst hoch ist, d.h. mit möglichst kleinen Reaktoren und in geringer Zeit eine möglichst hohe Ausbeute an Wertprodukte erzielt wird. Die RZA ist unmittelbar mit der Katalysatorbelastung verknüpft. Die Katalysatorbelastung gibt die Masse
des Ausgangsproduktes an, die pro Zeiteinheit mit der Gesamtmasse des Katalysators in Kontakt gebracht wird. Die Katalysatorbelastung wird üblicherweise durch Angabe der WHSV (weight hourly space velocity) gekennzeichnet:Large-scale processes are particularly advantageous when the so-called space-time yield (RZA) is as high as possible, ie with the smallest possible reactors and the highest possible yield of valuable products is achieved in a short time. The RZA is directly linked to the catalyst load. The catalyst load gives the mass of the starting product, which is brought into contact with the total mass of the catalyst per unit of time. The catalyst load is usually characterized by the specification of the WHSV (weight hourly space velocity):
WHSV = mEduktlh "''KatalysatorWHSV = mEdukt l h "'' catalyst
Die oben beschriebenen Verfahren zur Direktoxidation von 3-Picolin zu Nicotinsäure haben den Nachteil, dass die RZA an Nicotinsäure bei hohen Katalysatorbelastungen mit Edukt unzureichend sind.The above-described processes for the direct oxidation of 3-picoline to nicotinic acid have the disadvantage that the STA on nicotinic acid are insufficient at high catalyst loads with starting material.
Deshalb bestand die Aufgabe dieser Erfindung darin, ein Verfahren zur Herstellung von heterozyklischen Carbonsäuren zu finden, bei dem die Raum-Zeit-Ausbeute gegenüber den bekannten Verfahren erhöht ist.The object of this invention was therefore to find a process for the preparation of heterocyclic carboxylic acids in which the space-time yield is increased compared to the known processes.
Überraschend wurde gefunden, dass diese Aufgabe gelöst wird durch ein Verfahren zur Herstellung von heterozyklischen Carbonsäuren und heterozyklischen Carbonsäureanhydriden umfassend die partielle Gasphasenoxidation von alkylsubstituierten heterozyklischen Verbindungen durch Umsetzung der alkylsubstituierten heterozyklischen Verbindungen mit molekularen Sauerstoff enthaltendem Gas in Gegenwart eines Trä- gerkatalysators, der Vanadium und mindestens ein Trägermaterial in der aktiven Masse enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkatalysator ein Schalenkatalysator ist, bei dem die aktive Masse schalenförmig auf einem Trägerkörper aufgebracht ist und der Vanadiumanteil der aktiven Masse, berechnet als V2O5, höchstens 20 Gew.-% beträgt.Surprisingly, it was found that this object is achieved by a process for the preparation of heterocyclic carboxylic acids and heterocyclic carboxylic acid anhydrides comprising the partial gas phase oxidation of alkyl-substituted heterocyclic compounds by reacting the alkyl-substituted heterocyclic compounds with gas containing molecular oxygen in the presence of a supported catalyst, the vanadium and at least contains a support material in the active composition, characterized in that the supported catalyst is a coated catalyst, in which the active composition is applied in a shell shape to a support body and the vanadium content of the active composition, calculated as V 2 O 5 , is at most 20% by weight ,
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine hohe RZA dadurch, dass der ß- Picolin-Partialdruck erhöht werden kann (höhere WHSV bei konstanter GHSV;GHSV = gas hourly space velocity [I(Gas)/l(Kat)/h]). Dadurch sinkt bei konstanter Edukt- Gesamtmenge der Volumenstrom der anderen Komponenten wie Wasser und Luft, die den Großteil des Volumenstroms darstellen. Die resultierenden kleineren Volumenströme des erfindungsgemäßen Verfahrens führen wiederum zur Verkleinerung der in der Anlage befindlichen Apparate und Rohre, wodurch der Energieeintrag in das System, z.B. zum Vorheizen des Eduktgemisches, geringer wird. Aufgrund des höheren Partialdrucks des Produkts im Produktgasgemisch ist die Abtrennung zusätzlich leich- ter bzw. vollständiger möglich.The process according to the invention enables a high RZA in that the β-picoline partial pressure can be increased (higher WHSV at constant GHSV; GHSV = gas hourly space velocity [I (gas) / l (cat) / h]). As a result, the volume flow of the other components, such as water and air, which represent the majority of the volume flow, decreases with a constant total educt quantity. The resulting smaller volume flows of the process according to the invention in turn lead to a reduction in the size of the apparatus and pipes in the system, as a result of which the energy input into the system, e.g. for preheating the educt mixture, is lower. Due to the higher partial pressure of the product in the product gas mixture, separation is also easier or more complete.
Eine hohe RZA kann auch durch Erhöhung der GHSV unter Beibehaltung der Edukt- gaszusammensetzung erzielt werden. In diesem Fall korrelieren GHSV und WHSV miteinander linear. Durch die höhere RZA wird bei konstantem Volumenstrom das Re- aktionsvolumen verkleinert.
Um zu einer hohen RZA zu gelangen, ist es erforderlich, das Verfahren bei möglichst hohen Katalysatorbelastungen durchzuführen. Die WHSV ist ein Maß für die Belastung des Katalysators, d.h. je höher die WHSV, desto größer die Katalysatorbelastung. Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren bei einer WHSV von mindestens 0.04 h"1, besonders bevorzugt mindestens 0.06 h"1, ganz besonders bevorzugt mindestens 0.075 h"1 und insbesondere mindestens 0.09 h"1. Am meisten bevorzugt ist es, das Verfahren bei einer WHSV von mindestens 0.1h'1 durchzuführen.A high RZA can also be achieved by increasing the GHSV while maintaining the starting gas composition. In this case, GHSV and WHSV correlate linearly. The higher RZA reduces the reaction volume with a constant volume flow. In order to achieve a high RZA, it is necessary to carry out the process with the highest possible catalyst loads. The WHSV is a measure of the catalyst load, ie the higher the WHSV, the greater the catalyst load. The process according to the invention is preferred for a WHSV of at least 0.04 h "1 , particularly preferably at least 0.06 h " 1 , very particularly preferably at least 0.075 h "1 and in particular at least 0.09 h " 1 . It is most preferred to carry out the process at a WHSV of at least 0.1h '1 .
Die heterozyklischen Verbindungen, die im erfindungsgemäßen Verfahren zu Carbonsäuren oder Carbonsäureanhydriden oxidiert werden, besitzen einen mindestens 5- gliedrigen Ring, wobei mindestens ein Ringatom ein Heteroatom ist, ausgewählt aus Stickstoff, Sauerstoff oder Schwefel.The heterocyclic compounds which are oxidized to carboxylic acids or carboxylic anhydrides in the process according to the invention have an at least 5-membered ring, at least one ring atom being a heteroatom selected from nitrogen, oxygen or sulfur.
Beispiele, die keine die Erfindung limitierende Aufzählung darstellen, sind, alkylsubsti- tutierte Pyrrole, Furane, Thiophene, Imidazole, Oxazole, Thiazole, Pyrazole, 3-Pyrrolinpyrrolidine, Pyridine, Pyrimidine, Purine, Chinoline, Isochinoline, Carbazole, indole und Benzofurane.Examples which do not represent an enumeration limiting the invention are alkyl-substituted pyrroles, furans, thiophenes, imidazoles, oxazoles, thiazoles, pyrazoles, 3-pyrroline pyrrolidines, pyridines, pyrimidines, purines, quinolines, isoquinolines, carbazoles, indoles and benzofurans.
Bevorzugte Alkylsubstituenten sind verzweigt und unverzweite Ci bis C6-Alkylreste wie Methyl, Ethyl, n-Propyl, 1-Methylethyl, Butyl, 1-Methylpropyl, 2-Methylpropyl, 1,1-Di- methylethyl, Pentyl, 1-MethylbutyI, 2-Methylbutyl, 3-Methylbutyl, 1,1-Dimethylpropyl, 1,2-Dimethylpropyl, 2,2-Dimethylpropyl, -Ethylpropyl, Hexyl, 1-Methylpentyl, 2-Methyl- pentyl, 3-Methylpentyl, 4-Methylpentyl, 1,1-Dimethylbutyl, 1 ,2-Dimethylbutyl, 1,3-Di- methylbutyl, 2,2-Dimethylbutyl, 2,3-DimethyIbutyI, 3,3-DimethyIbutyl, 1-Ethylbutyl,Preferred alkyl substituents are branched and unbranded Ci to C 6 alkyl radicals such as methyl, ethyl, n-propyl, 1-methylethyl, butyl, 1-methylpropyl, 2-methylpropyl, 1,1-dimethylethyl, pentyl, 1-methylbutyl, 2nd -Methylbutyl, 3-methylbutyl, 1,1-dimethylpropyl, 1,2-dimethylpropyl, 2,2-dimethylpropyl, -ethylpropyl, hexyl, 1-methylpentyl, 2-methylpentyl, 3-methylpentyl, 4-methylpentyl, 1, 1-dimethylbutyl, 1, 2-dimethylbutyl, 1,3-dimethylbutyl, 2,2-dimethylbutyl, 2,3-dimethylbutyl, 3,3-dimethylbutyl, 1-ethylbutyl,
1,1,2-Trimethylpropyl, 1,2,2-Trimethylpropyl, 1-Ethyl-1-Methylpropyl, 1-Ethyl-2-Methyl- propyl. Bevorzugte Alkylreste sind Methyl, Ethyl und n- Propyl.1,1,2-trimethylpropyl, 1,2,2-trimethylpropyl, 1-ethyl-1-methylpropyl, 1-ethyl-2-methylpropyl. Preferred alkyl radicals are methyl, ethyl and n-propyl.
Die vorgenannten heterozyklischen Verbindungen können an unterschiedlichen Ring- Positionen bezogen auf das oder die Heteroatome einfach oder mehrfach mit gleichen oder unterschiedlichen Alkylresten substituiert sein. Bevorzugte Alkylsubstituenten sind Ci bis C4-Alkyl, besonders bevorzugt Methyl, Ethyl, n-Propyl, insbesondere bevorzugt ist Methyl.The aforementioned heterocyclic compounds can be substituted at different ring positions with respect to the hetero atom (s) one or more times with the same or different alkyl radicals. Preferred alkyl substituents are C 1 to C 4 alkyl, particularly preferably methyl, ethyl, n-propyl, particularly preferred is methyl.
Beispiel für spezielle alkylsubstituierte heterozyklische Verbindungen, die durch das erfindungsgemäße Verfahren zu Carbonsäuren oxidiert werden können sind Methylpyr- role, Ethylpyrrole, Propylpyrrole, Methylfurane, Ethylfurane, Propylfuran, Methylthio- phene, Ethylthiophene, Propylthiophene, Methylimidazole, Ethylimidazole, Propylimi- dazole, Methyloxazole, Ethyloxazole, Propyloxazole, Methylthiazole, Ethylthiazole, Propylthiazole, Methylpyrazole, Ethylpyrazole, Propylpyrazole, Methyl-3-Pyrroline- pyrolidine, Ethyl-3-PyrroIinepyrolidine, Propyl-3-Pyrrolinepyrolidine, Picoline, Ethylpyri- dine, Propylpyridine, Methylpyrimidine, Ethylpyrimidine, Propylpyrimidine, Methylpuri-
ne, Ethylpurine, Propylpurine, Methylchinoline, Ethylchinoline, Propylchinoline, Methyl- isochinoline, Ethylisochinoline, Propylisochinoline, Methylcarbazole, Ethylcarbazole, Propylcarbazole, Methylindole, Ethylindole, Propylindole, Methylbenzofuran, Ethylben- zofuran and Propylbenzofuran.Examples of special alkyl-substituted heterocyclic compounds which can be oxidized to carboxylic acids by the process according to the invention are methylpyrrole, ethylpyrroles, propylpyrroles, methylfurans, ethylfurans, propylfuran, methylthiophenes, ethylthiophenes, propylthiophenes, methylimidazoles, ethylimidazoles, propylimidazoles, propylimidazoles, propylimidazoles, Ethyloxazole, propyloxazole, methylthiazole, ethylthiazole, propylthiazole, methylpyrazole, ethylpyrazole, propylpyrazole, methyl-3-pyrroline-pyrolidine, ethyl-3-pyrrolinepyrolidine, propyl-3-pyrrolinepyrolidine, picoline, ethylpyrimidine, ethylpyrimidine, Methylpuri- ne, ethylpurine, propylpurine, methylquinoline, ethylquinoline, propylquinoline, methylisoquinoline, ethylisoquinoline, propylisoquinoline, methylcarbazole, ethylcarbazole, propylcarbazole, methylylindole, ethylylindole, propylindole, methylbenzofuran, ethylbenzofuran and propylbenzofuran and propylbenzofuran.
Besonders bevorzugte heterozyklische Verbindungen, die durch das erfindungsgemäße Verfahren zu Carbonsäuren oxidiert werden, sind Alkylpyridine, wobei 2-Picolin, 3-Picolin, 4-Picolin, 2-Ethylpyridin, 3-Ethylpyridin, 4-Ethylpyridin und 2-Methyl-5- Ethylpyridin besonders bevorzugt sind. Ganz besonders bevorzugt ist 3-Picolin.Particularly preferred heterocyclic compounds which are oxidized to carboxylic acids by the process according to the invention are alkyl pyridines, 2-picoline, 3-picoline, 4-picoline, 2-ethyl pyridine, 3-ethyl pyridine, 4-ethyl pyridine and 2-methyl-5-ethyl pyridine are particularly preferred. 3-Picolin is very particularly preferred.
Besonders bevorzugt ist demnach das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Nicotinsäure (3-Pyridin-carbonsäure) aus 3-Picolin (3-Methylpyridin).Accordingly, the process according to the invention for producing nicotinic acid (3-pyridinecarboxylic acid) from 3-picoline (3-methylpyridine) is particularly preferred.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist das Trägermaterial ein Bestandteil der akti- ven Masse (Aktivmasse). Bei einem Schalenkatalysator wird diese Aktivmasse auf den Trägerkörper aufgebracht. Der Trägerkörper besteht bevorzugt aus einem unter den Reaktionsbedingungen des erfindungsgemäßen Verfahrens im wesentlichen inerten und im wesentlichen nicht-porösen Material. Unter Schalenkatalysatoren werden Katalysatoren verstanden, die aus Trägerkörpern bestehen, deren äußere Oberfläche mit einer katalytisch aktiven Masse teilweise oder vollständig bedeckt sind. Die äußere Oberfläche eines Trägerkörpers ist diejenige Oberfläche, die von flüssigem Wasser unter Normalbedingungen durch vollständiges Eintauchen des Körpers in das Wasser benetzt werden kann.In the context of the present invention, the carrier material is a component of the active composition (active composition). In the case of a coated catalyst, this active composition is applied to the carrier body. The carrier body preferably consists of a material which is essentially inert and essentially non-porous under the reaction conditions of the process according to the invention. Shell catalysts are understood to mean catalysts which consist of support bodies, the outer surface of which are partially or completely covered with a catalytically active composition. The outer surface of a carrier body is the surface that can be wetted by liquid water under normal conditions by completely immersing the body in the water.
Als Katalysatoren sind oxidische Trägerkatalysatoren geeignet. Die aktive Masse enthält neben Vanadium, das bevorzugt als Vanadiumpentoxid vorliegt, mindestens ein Trägermaterial. Die Trägermaterialen können sein Titandioxid, Zirkondioxid, Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Siliziumcarbid, bevorzugt sind Titandioxid und Zirkondioxid, insbesondere wird Titandioxid eingesetzt.Oxidized supported catalysts are suitable as catalysts. In addition to vanadium, which is preferably present as vanadium pentoxide, the active composition contains at least one carrier material. The carrier materials can be titanium dioxide, zirconium dioxide, silicon oxide, aluminum oxide, magnesium oxide, silicon carbide, titanium dioxide and zirconium dioxide are preferred, in particular titanium dioxide is used.
Das eingesetzte Titandioxid liegt bevorzugt in Anatasform vor und weist vorteilhaft eine BET Oberfläche von 5 bis 50 m /g auf, bevorzugt 10 bis 35 m2/g, insbesondere 13 bis 28 m2/g. Es können auch Mischungen von Titandioxid in Anatasform mit unterschiedlicher BET Oberfläche eingesetzt werden, mit der Maßgabe, dass die resultierende BET-Oberfläche einen Wert von 5 bis 50 m2/g auf, bevorzugt 10 bis 35 m /g, insbesondere 13 bis 28 m2/g aufweist. Beispielsweise kann kommerziell erhältliches TiO2 mit einer BET-Oberfläche von ca. 20 m2/g eingesetzt werden.The titanium dioxide used is preferably in anatase form and advantageously has a BET surface area of 5 to 50 m / g, preferably 10 to 35 m 2 / g, in particular 13 to 28 m 2 / g. Mixtures of titanium dioxide in anatase form with different BET surface areas can also be used, with the proviso that the resulting BET surface area has a value of 5 to 50 m 2 / g, preferably 10 to 35 m / g, in particular 13 to 28 m 2 / g. For example, commercially available TiO 2 with a BET surface area of approximately 20 m 2 / g can be used.
Als Vanadium enthaltende Komponente der Aktivmasse werden bevorzugt Vanadium- oxide oder Vanadiumverbindungen, die sich beim Erhitzen an der Luft in Vanadiumoxid umwandeln, einzeln oder in Form deren Gemische eingesetzt. Vorzugsweise werden V2O5 oder NH V03 eingesetzt. Die Menge an Vanadium, berechnet als V2O5 und bezo-
gen auf das Gesamtgewicht der Aktivkomponenten liegt bevorzugt im Bereich von 0.5 bis 15, besonders bevorzugt im Bereich von 1 bis 12 Gew.-%. Besonders bevorzugt wird ein Anteil von 1 bis 10 Gew.% Vanadium-Komponente eingesetzt, berechnet als V2O5 und bezogen auf das Gesamtgewicht der Aktivkomponenten.Vanadium oxides or vanadium compounds which convert to vanadium oxide when heated in air, preferably individually or in the form of mixtures thereof, are preferably used as the component of the active composition containing vanadium. V 2 O 5 or NH V0 3 are preferably used. The amount of vanadium, calculated as V 2 O 5 and related The total weight of the active components is preferably in the range from 0.5 to 15, particularly preferably in the range from 1 to 12,% by weight. A proportion of 1 to 10% by weight of vanadium component, calculated as V 2 O 5 and based on the total weight of the active components, is particularly preferably used.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist demnach ein Verfahren zur Herstellung von heterozyklischen Carbonsäuren und heterozyklischen Carbonsäureanhydriden umfassend die partielle Gasphasenoxidation von alkylsubstituierten heterozyklischen Verbindungen durch Umsetzung der alkylsubstituierten heterozyklischen Verbindungen mit molekularen Sauerstoff enthaltendem Gas in Gegenwart eines Trägerkatalysators, der Vanadium in der aktiven Masse enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkatalysator ein Schalenkatalysator ist, bei dem die aktive Masse scha- lenförmig auf einem Trägerkörper aufgebracht ist und 90 bis 99 Gew.-% Titan, berechnet als TiO2, 1 bis 10 Gew.-% Vanadium, berechnet als V2O5, sowie gegebenenfalls weitere Bestandteile in einer Menge bis zu 1 Gew.-% enthält.A preferred embodiment of the invention is accordingly a process for the preparation of heterocyclic carboxylic acids and heterocyclic carboxylic acid anhydrides comprising the partial gas phase oxidation of alkyl-substituted heterocyclic compounds by reacting the alkyl-substituted heterocyclic compounds with molecular oxygen-containing gas in the presence of a supported catalyst which contains vanadium in the active composition characterized in that the supported catalyst is a coated catalyst in which the active mass is applied in a shell shape on a support body and 90 to 99% by weight of titanium, calculated as TiO 2 , 1 to 10% by weight of vanadium, calculated as V 2 O 5 , and optionally contains further constituents in an amount of up to 1% by weight.
Weiter können in der katalytisch aktiven Masse in geringen Mengen eine Vielzahl anderer oxidischer Verbindungen enthalten sein, die als Promotoren die Aktivität und Selektivität des Katalysators beeinflussen, beispielsweise indem sie seine Aktivität ab- senken oder erhöhen. Derartige Promotoren sind beispielsweise die Alkalimetalloxide, Thallium(l)oxid, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Eisenoxid, Nickeloxid, Cobaltoxid, Manganoxid, Zinnoxid, Silberoxid, Kupferoxid, Chromoxid, Molybdänoxid, Wolframoxid, Iridiumoxid, Tantaloxid, Nioboxid, Arsenoxid, Antimonoxid, Ceroxid, Gold-, Platin- und Palladiumverbindungen und Phosphorverbindungen wie Phosphorpentoxid. Die Alka- limetalloxide wirken beispielsweise als die Aktivität vermindernde und die Selektivität erhöhende Promotoren. Bezogen auf die Gesamtmasse des Katalysators beträgt der Anteil an aktiver Masse 5 bis 50, bevorzugt 5 bis 40, besonders bevorzugt 10 bis 35 Gew.-%.In addition, the catalytically active composition can contain a large number of other oxidic compounds in small amounts which, as promoters, influence the activity and selectivity of the catalyst, for example by reducing or increasing its activity. Such promoters are, for example, the alkali metal oxides, thallium (l) oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, iron oxide, nickel oxide, cobalt oxide, manganese oxide, tin oxide, silver oxide, copper oxide, chromium oxide, molybdenum oxide, tungsten oxide, iridium oxide, tantalum oxide, niobium oxide, arsenic oxide, antimony oxide, cerium oxide, gold -, platinum and palladium compounds and phosphorus compounds such as phosphorus pentoxide. The alkali metal oxides act, for example, as promoters which reduce activity and increase selectivity. Based on the total mass of the catalyst, the proportion of active mass is 5 to 50, preferably 5 to 40, particularly preferably 10 to 35% by weight.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die aktive Masse des Katalysators demnach weitere Bestandteile ausgewählt aus Alkalimetalloxiden, Thallium(l)oxid, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Eisenoxid, Nickeloxid, Cobaltoxid, Manganoxid, Zinnoxid, Silberoxid, Kupferoxid, Chromoxid, Molybdänoxid, Wolframoxid, Iridiumoxid, Tantaloxid, Nioboxid, Arsenoxid, Antimonoxid, Ceroxid und Phosphorpen- toxid.In a further preferred embodiment of the invention, the active composition of the catalyst accordingly contains further constituents selected from alkali metal oxides, thallium (l) oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, iron oxide, nickel oxide, cobalt oxide, manganese oxide, tin oxide, silver oxide, copper oxide, chromium oxide, molybdenum oxide, tungsten oxide, Iridium oxide, tantalum oxide, niobium oxide, arsenic oxide, antimony oxide, cerium oxide and phosphorus oxide.
Zur Herstellung der Schalenkatalysatoren wird nach den Verfahren von DE-A 1642938 und DE-A 17 69 998 eine wässrige und/oder ein organisches Lösungsmittel enthaltende Lösung oder Suspension der Aktivmassenbestandteile und/oder deren Vorläuferverbindungen, welche im folgenden im Folgenden als "Maische" bezeichnet wird, auf einen im Allgemeinen unter den Reaktionsbedingungen im wesentlichen inerten Trägerkörper in einer beheizten Dragiertrommel bei erhöhter
Temperatur aufgesprüht, bis der gewünschte Aktivmassenanteil am Katalysatorgesamtgewicht erreicht ist. Nach DE 21 06 796 lässt sich die Beschichtung auch in Wir- belbeschichtern durchführen, wie sie z.B. in der DE 12 80 756 angegeben sind. Beim Aufsprühen in der Dragiertrommel sowie beim Beschichten im Wirbelbett treten aller- dings hohe Verluste auf, da erhebliche Mengen der Maische vernebelt bzw. durch Abrasion Teile der bereits aufbeschichteten Aktivmasse wieder abgerieben und durch das Abgas ausgetragen werden. Da der Aktivmasseanteil am Gesamtkatalysator im Allgemeinen nur eine geringe Abweichung vom Sollwert haben soll, da durch die Menge der aufgebrachten Aktivmasse und die Schichtdicke der Schale Aktivität und Selek- tivität des Katalysators stark beeinflusst werden, muss der Katalysator bei den geschilderten Herstellungsweisen häufig zur Bestimmung der aufgebrachten Aktivmassemenge abgekühlt, aus der Dragiertrommel bzw. der Wirbelschicht entnommen und nachgewogen werden. Wird zuviel Aktivmasse auf dem Katalysatorträger abgeschieden, ist im Allgemeinen eine nachträgliche, schonende Entfernung der zu viel aufgetragenen Aktivmassemenge ohne Beeinträchtigung der Festigkeit der Schale, insbesondere ohne Rissbildung in der Katalysatorschale, nicht möglich.To produce the coated catalysts, an aqueous and / or organic solvent-containing solution or suspension of the active composition constituents and / or their precursor compounds, which are hereinafter referred to as "mash", is used in the processes of DE-A 1642938 and DE-A 17 69 998 is, on a generally inert under the reaction conditions in a heated coating drum at elevated Sprayed on temperature until the desired proportion of active mass in total catalyst weight is reached. According to DE 21 06 796, the coating can also be carried out in fluidized coaters, as are given, for example, in DE 12 80 756. However, high losses occur when spraying in the coating drum and when coating in a fluidized bed, since considerable quantities of the mash are atomized or parts of the active composition already coated are abraded and abraded and carried off by the exhaust gas. Since the active mass fraction of the overall catalyst should generally only have a slight deviation from the target value, since the activity and selectivity of the catalyst are strongly influenced by the amount of active mass applied and the layer thickness of the shell, the catalyst frequently has to be determined in the described production methods in order to determine the the amount of active material applied is cooled, removed from the coating drum or the fluidized bed and weighed. If too much active material is deposited on the catalyst carrier, it is generally not possible to subsequently and gently remove the amount of active material applied without affecting the strength of the shell, in particular without cracking in the catalyst shell.
Um diese Probleme abzumildern, wurde in der Technik dazu übergegangen, der Maische organische Binder, bevorzugt Copolymere, vorteilhaft in Form einer wässrigen Dispersion, von Vinylacetat/Vinyllaurat, Vinylacetat/Acrylat, Styrol/Acrylat, Vinylace- tat Maleat sowie Vinylacetat/Ethylen zuzusetzen, wobei Bindermengen von 10 - 20 Gew.-%, bezogen auf den Feststoffgehalt der Maische, eingesetzt wurden (EP-A 744214). Wird die Maische ohne organische Bindemittel auf den Träger aufgetragen, so sind Beschichtungstemperaturen über 150°C von Vorteil. Bei Zusatz oben angegebener Bindemittel liegen die brauchbaren Beschichtungstemperaturen je nach verwendetem Bindemittel zwischen 50 und 450°C (DE 21 06 796). Die aufgetragenen Bindemittel brennen nach dem Einfüllen des Katalysators in den Reaktor und Inbetriebnahme des Reaktors innerhalb kurzer Zeit aus. Der Binderzusatz hat zudem den Vorteil, dass die Aktivmasse gut auf dem Träger haftet, so dass Transport und Einfül- len des Katalysators erleichtert werden.In order to alleviate these problems, the technology has been adopted to add organic binders, preferably copolymers, advantageously in the form of an aqueous dispersion, of vinyl acetate / vinyl laurate, vinyl acetate / acrylate, styrene / acrylate, vinyl acetate maleate and vinyl acetate / ethylene to the mash, binder quantities of 10-20% by weight, based on the solids content of the mash, were used (EP-A 744214). If the mash is applied to the carrier without organic binders, coating temperatures above 150 ° C are advantageous. When the above-mentioned binder is added, the usable coating temperatures are between 50 and 450 ° C., depending on the binder used (DE 21 06 796). The applied binders burn out within a short time after the catalyst has been introduced into the reactor and the reactor has been started up. The addition of the binder also has the advantage that the active composition adheres well to the support, so that transport and filling of the catalyst are made easier.
Als Trägerkörper geeignet sind regelmäßig geformte, mechanisch stabile Träger wie bevorzugt kugelförmige, ringförmige, halbringförmige, sattelförmige, schalenförmige, würfelförmige, quaderförmige, kegel- oder kegelstumpfförmige, pyramiden- oder pyra- midenstumpfförmige, prismenförmige oder zylindrische Trägerkörper. Besonders bevorzugt sind ringförmige Trägerkörper.Regularly shaped, mechanically stable carriers are suitable as carrier bodies, such as preferably spherical, ring-shaped, semi-ring-shaped, saddle-shaped, bowl-shaped, cube-shaped, cuboid, truncated cone or truncated cone, pyramid or truncated pyramid, prism-shaped or cylindrical carrier bodies. Ring-shaped carrier bodies are particularly preferred.
Im Stand der Technik sind zahlreiche Ausführungsformen für ringförmige Trägerkörper beschrieben. DE-A 3445289 (US-A 4,656, 157) beschreibt beispielsweise einen Ring- träger, der sich von "normalen Ringen" dadurch unterscheidet, dass seine Stirnflächen abgerundet sind.
EP-A 220933 beschreibt einen Katalysator, der eine "vier-flügelige" Form aufweist, wodurch der Katalysator bessere physikalische Eigenschaften bezüglich Bruchfestigkeit und Druckaufbau besitzt.Numerous embodiments for ring-shaped carrier bodies are described in the prior art. DE-A 3445289 (US-A 4,656, 157) describes, for example, a ring carrier which differs from "normal rings" in that its end faces are rounded. EP-A 220933 describes a catalyst which has a "four-winged" shape, as a result of which the catalyst has better physical properties with regard to breaking strength and pressure build-up.
GB-A 21 93907 beschreibt einen Katalysator in zylindrischer Form, dessen Außenhülle in Längsrichtung mit Rippen versehen ist, die derart dimensioniert und angeordnet sind, dass sich die einzelnen Katalysatorkörper nicht verhaken können.GB-A 21 93907 describes a catalyst in cylindrical shape, the outer shell of which is provided in the longitudinal direction with ribs which are dimensioned and arranged in such a way that the individual catalyst bodies cannot get caught.
US-A 4,328,130 beschreibt ebenfalls eine Katalysatorform, bei der ein Zylinder in Längsrichtung mit mehreren Kanälen und Rippen durchzogen ist, wobei die Aussparungen schmäler als die Rippen sind, um ein Verhaken zu vermeiden.US-A 4,328,130 also describes a catalytic converter form in which a cylinder is traversed in the longitudinal direction with a plurality of channels and ribs, the recesses being narrower than the ribs in order to avoid snagging.
Aus EP-A 004 079 (USA 4,370,492 und US-A 4,370,261) sind Katalysatorformen bekannt, bei denen es sich um Strangabschnitte mit sternförmigen Querschnitt oder um gerippte Stränge handelt.Catalyst forms are known from EP-A 004 079 (USA 4,370,492 and US-A 4,370,261), which are strand sections with a star-shaped cross section or ribbed strands.
EP-A 1 108470 offenbart inerte Trägerkörper in Form von Ringen, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringe eine oder mehrere Kerben an der oberen und/oder unteren Flachseite des Ringes besitzen. Auf den Seiten 8 bis 12 der EP-A 1 108470 werden zahlreiche mögliche Ausführungsformen dieses Trägerkörpertyps dargestellt.EP-A 1 108470 discloses inert carrier bodies in the form of rings, characterized in that the rings have one or more notches on the upper and / or lower flat side of the ring. On pages 8 to 12 of EP-A 1 108470 numerous possible embodiments of this type of support body are shown.
EP-A 552 287 offenbart gemäß der Zeichnungen auf den Seiten 20 bis 35 geometrische, mit Hohlräumen versehene Strukturen, die als Trägerkörper für die Schalenkatalysatoren des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet sind. Im einzelnen sind die Zylinder, Würfel, Kegel, abgestumpfte Kegel, Pyramiden, abgestumpfte Pyramiden, Kugeln und Prismen. Die Hohlräume können sich in gleichmäßigen Abständen auf der äußeren Oberfläche, in der derartige Hohlräume angeordnet sind, befinden und können von der Art Rillen, Löcher und Mulden sein.According to the drawings on pages 20 to 35, EP-A 552 287 discloses geometric structures provided with cavities which are suitable as support bodies for the coated catalysts of the process according to the invention. Specifically, the cylinders, cubes, cones, truncated cones, pyramids, truncated pyramids, spheres and prisms. The cavities can be evenly spaced on the outer surface in which such cavities are located and can be of the type of grooves, holes and troughs.
Hinsichtlich der möglichen räumlichen Ausgestaltungen der Trägerkörper wird auf die Offenbarungen der vorgenannten Schriften in vollem Umfang Bezug genommen.With regard to the possible spatial configurations of the carrier bodies, reference is made in full to the disclosures of the abovementioned documents.
Die Größe der Trägerkörper wird vorwiegend von der Dimension, vor allem vom inneren Durchmesser der Reaktionsrohre bestimmt, wenn der Katalysator in Röhren- bzw. Rohrbündelreaktoren zur Anwendung kommt. Der Trägerdurchmesser sollte dann zwischen 1/2 und 1/10 des Innendurchmessers betragen.The size of the support bodies is mainly determined by the dimension, especially by the inner diameter of the reaction tubes, when the catalyst is used in tube or tube bundle reactors. The carrier diameter should then be between 1/2 and 1/10 of the inside diameter.
Bevorzugt wird Steatit in Form von Kugeln mit einem Durchmesser von 3 bis 6 mm oder von Ringen mit einem äußeren Durchmesser von 5 bis 9 mm und einer Länge von 4 bis 7 mm verwendet, wobei die Größe entsprechend des Innendurchmessers des Reaktorrohres gewählt wird.
Als Material für den Trägerkörper kommen beispielsweise Silikat, Siliciumcarbid, Porzellan, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Zinndioxid, Rutil, Aluminiumsilikat, Magnesi- umsilicat (Steatit), Duranit, Steingut, Siliciumdioxid, Aluminate, Metalle, Metalllegierungen, Zirkoniumsilicat oder Cersilicat oder Mischungen davon in Betracht, wobei Steatit bevorzugt ist.Steatite in the form of spheres with a diameter of 3 to 6 mm or rings with an outer diameter of 5 to 9 mm and a length of 4 to 7 mm is preferably used, the size being selected in accordance with the inner diameter of the reactor tube. Examples of suitable materials for the carrier body are silicate, silicon carbide, porcelain, aluminum oxide, magnesium oxide, tin dioxide, rutile, aluminum silicate, magnesium silicate (steatite), duranite, earthenware, silicon dioxide, aluminates, metals, metal alloys, zirconium silicate or cerium silicate or mixtures thereof , with steatite being preferred.
Gasphasenoxidationen an Schalenkatalysatoren finden nicht allein an der äußeren Oberfläche der Schale statt. Zur Erzielung einer für die vollständige Umsetzung der in technischen Verfahren angewandten hohen Beladungen des Reaktionsgases mit Edukt erforderlichen Katalysatoraktivität und -Selektivität ist eine effiziente Nutzung der gesamten Aktivmassenschale des Katalysators und damit eine gute Zugänglichkeit des Reaktionsgases zu den in dieser Schale gelegenen Reaktionszentren vorteilhaft. Da die Gasphasenoxidation heterozyklischer Verbindungen zu Carbonsäuren und/oder Carbonsäureanhydriden über eine Vielzahl von Zwischenstufen vor sich geht und das Wertprodukt am Katalysator zu Kohlendioxid und Wasser weiteroxidiert werden kann, ist zur Erzielung eines hohen Umsatzes an Edukt unter gleichzeitiger Zurückdrängung des oxidativen Abbaus des Wertprodukts eine optimale Anpassung der Verweilzeit des Reaktionsgases in der Aktivmasse durch die Erzeugung einer geeigneten Aktivmassestruktur (beispielsweise deren Porosität und Porenradienverteilung) in der Katalysator- schale vorteilhaft.Gas phase oxidations on shell catalysts do not only take place on the outer surface of the shell. In order to achieve the catalyst activity and selectivity required for the complete implementation of the high loading of the reaction gas with starting material used in industrial processes, efficient use of the entire active material shell of the catalyst and thus good accessibility of the reaction gas to the reaction centers located in this shell is advantageous. Since the gas phase oxidation of heterocyclic compounds to carboxylic acids and / or carboxylic acid anhydrides takes place via a large number of intermediate stages and the product of value on the catalyst can be further oxidized to carbon dioxide and water, an optimal conversion is achieved in order to achieve a high conversion of starting material while at the same time suppressing the oxidative degradation of the product of value Adaptation of the dwell time of the reaction gas in the active composition is advantageous by producing a suitable active composition structure (for example its porosity and pore radius distribution) in the catalyst shell.
Die mit Aktivmasse beschichteten Katalysatoren werden in von außen auf die Reaktionstemperatur, beispielsweise mittels Salzschmelzen, thermostatisierte Reaktionsrohre gefüllt und über die so bereitete Katalysatorschüttung das Reaktionsgas bei Tempera- turen von im Allgemeinen über 290°C bis 400°C, vorzugsweise von 300 bis 380°C und besonders bevorzugt von 310 bis 350°C und bei einem Überdruck von im Allgemeinen 0,1 bis 2,5 bar, vorzugsweise von 0,3 bis 1,5 bar mit einer Raumgeschwindigkeit von im Allgemeinen 750 bis 5000 h-1 geleitet.The catalysts coated with active composition are filled into reaction tubes which are thermostatted from the outside to the reaction temperature, for example by means of salt melting, and the reaction gas at temperatures of generally above 290 ° C. to 400 ° C., preferably from 300 to 380 ° C., via the catalyst bed prepared in this way C and particularly preferably from 310 to 350 ° C and at an overpressure of generally 0.1 to 2.5 bar, preferably from 0.3 to 1.5 bar with a space velocity of generally 750 to 5000 h-1.
Das dem Katalysator zugeführte Reaktionsgas wird im Allgemeinen durch Vermischen von einem molekularen Sauerstoff enthaltenden Gas, das außer Sauerstoff noch geeignete Reaktionsmoderatoren und/oder Verdünnungsmittel, wie Wasserdampf, Kohlendioxid und/oder Stickstoff, enthalten kann, mit der zu oxidierenden, heterozyklischen Verbindung erzeugt, wobei das den molekularen Sauerstoff enthaltende Gas bei- spielsweise 1 bis 99 mol-%, vorzugsweise 2 bis 50 moI-% und besonders bevorzugt 6 bis 20 mol-% Sauerstoff, 0 bis 50 mol-%, vorzugsweise 0 bis 35 mol-% Wasserdampf sowie 0 bis 50 mol-%, vorzugsweise 0 bis 1 mol-% Kohlendioxid, Rest Stickstoff, enthalten kann. Zur Erzeugung des Reaktionsgases wird das molekularen Sauerstoff enthaltende Gas im Allgemeinen mit 10 g bis 150 g je Nm3 Gas, bevorzugt 15 bis 120 g je Nm3 der zu oxidierenden, heterozyklischen Verbindung beschickt (Nm3 = Norm- Kubikmeter = 1 m3 bei 0°C und 1013 mbar).
Es ist auch möglich, die Gasphasenoxidation so durchzuführen, dass man zwei oder mehr Zonen der im Reaktionsrohr befindlichen Katalysatorschüttung auf unterschiedliche Reaktionstemperaturen thermostatisiert, wozu beispielsweise Reaktoren mit getrennten Salzbädern, wie sie in DE-A 22 01 528 oder DE-A 28 30765 beschrieben sind, eingesetzt werden können. Wird die Umsetzung in zwei Reaktionszonen durchgeführt, wie in DE-A 40 13051 beschrieben, wird im Allgemeinen die zum Gaseintritt des Reaktionsgases hin gelegene Reaktionszone, welche im Allgemeinen 30 bis 80 mol-% des gesamten Katalysatorvolumens umfasst, auf eine um 1 bis 20°C, vorzugsweise um 1 bis 10°C und insbesondere um 2 bis 8°C höhere Reaktionstemperatur als die zum Gasaustritt hin gelegene Reaktionszone thermostatisiert. Alternativ kann die Gasphasenoxidation auch ohne Aufteilung in Temperaturzonen bei einer einzigen Reaktionstemperatur durchgeführt werden.The reaction gas fed to the catalyst is generally generated by mixing a gas containing molecular oxygen, which in addition to oxygen may also contain suitable reaction moderators and / or diluents, such as water vapor, carbon dioxide and / or nitrogen, with the heterocyclic compound to be oxidized, where the gas containing the molecular oxygen, for example 1 to 99 mol%, preferably 2 to 50 mol% and particularly preferably 6 to 20 mol% oxygen, 0 to 50 mol%, preferably 0 to 35 mol% water vapor and 0 to 50 mol%, preferably 0 to 1 mol% carbon dioxide, balance nitrogen. To generate the reaction gas, the molecular oxygen-containing gas is generally charged with 10 g to 150 g per Nm 3 of gas, preferably 15 to 120 g per Nm 3 of the heterocyclic compound to be oxidized (Nm 3 = standard cubic meter = 1 m 3 at 0 ° C and 1013 mbar). It is also possible to carry out the gas phase oxidation in such a way that two or more zones of the catalyst bed in the reaction tube are thermostatted to different reaction temperatures, for example reactors with separate salt baths, as described in DE-A 22 01 528 or DE-A 28 30765 , can be used. If the reaction is carried out in two reaction zones, as described in DE-A 40 13051, the reaction zone located towards the gas inlet of the reaction gas, which generally comprises 30 to 80 mol% of the total catalyst volume, is reduced to 1 to 20 ° C, preferably by 1 to 10 ° C and in particular by 2 to 8 ° C higher reaction temperature than the reaction zone located towards the gas outlet thermostatted. Alternatively, the gas phase oxidation can also be carried out without division into temperature zones at a single reaction temperature.
Unabhängig von der Temperaturstrukturierung können in den oben angegebenen Re- aktionszonen der Katalysatorschüttung Katalysatoren eingesetzt werden, die sich in ihrer katalytischen Aktivität und/oder chemischen Zusammensetzung ihrer Aktivmasse unterscheiden. Vorzugsweise wird bei Anwendung zweier Reaktionszonen in der ersten, also in der zum Gaseintritt des Reaktionsgases hin gelegenen Reaktionszone, ein Katalysator eingesetzt, der im Vergleich zum Katalysator, welcher sich in der zweiten, also zum Gasaustritt hin gelegenen Reaktionszone, befindet, eine etwas geringere katalytische Aktivität hat. Im Allgemeinen wird die Umsetzung durch die Temperatureinstellung so gesteuert, dass in der ersten Zone der größte Teil der im Reaktionsgas enthaltenen heterozyklischen Verbindung bei maximaler Ausbeute umgesetzt wird. Es ist auch möglich, das Verfahren mit drei, vier oder mehr Reaktionszonen durchzu- führen, wobei sich die in den einzelnen Zonen befindlichen Katalysatoren in ihrer katalytischen Aktivität und/oder chemischen Zusammensetzung ihrer Aktivmasse unterscheiden.Regardless of the temperature structuring, catalysts can be used in the above-mentioned reaction zones of the catalyst bed which differ in their catalytic activity and / or chemical composition of their active composition. When using two reaction zones in the first reaction zone, that is to say in the reaction zone located toward the gas inlet of the reaction gas, a catalyst is preferably used which is somewhat less catalytic than the catalyst located in the second reaction zone, ie toward the gas outlet Has activity. In general, the reaction is controlled by the temperature setting in such a way that in the first zone most of the heterocyclic compound contained in the reaction gas is converted with maximum yield. It is also possible to carry out the process with three, four or more reaction zones, the catalysts in the individual zones differing in their catalytic activity and / or chemical composition of their active composition.
Beispielsweise kann das Katalysatorsystem aus drei bis fünf Schichten bestehen. Im Falle eines dreilagigen Katalysatorsystems mit den Zonen i, ii und iii gilt für die BET- Oberfläche der eingesetzten Titandioxide in Anatasmodifikation: BETZθne(i) < BET2on8(li) <For example, the catalyst system can consist of three to five layers. In the case of a three-layer catalyst system with zones i, ii and iii, the following applies to the BET surface area of the titanium dioxides used in anatase modification: BET Zθ ne (i) <BET 2on8 (l i) <
BETzone(iii) .BET zone (iii).
Wird das erfindungsgemäße Verfahren unter Anwendung mehrerer Reaktionszonen, in denen sich unterschiedliche Katalysatoren befinden, durchgeführt, so können in allen Reaktionszonen Schalenkatalysatoren eingesetzt werden.If the process according to the invention is carried out using a plurality of reaction zones in which different catalysts are located, shell catalysts can be used in all reaction zones.
Als Reaktoren zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Salzbad- gekühlte Rohrbündelreaktoren wie sie bei anderen partielle Oxidationsreaktionen üb- lieh sind, bevorzugt. Solche Reaktoren besitzen Reaktionsrohre mit Durchmessern im Bereich von typischerweise 20 bis 30 mm und Längen im Bereich von typischerweise 2 bis 7 m. In einem Reaktor können mehrere Tausend Rohre installiert sein. Reaktoren
dieses Typs werden beispielsweise im Stand der Technik bei der Phthalsäure- anhydrid-, Acrylsäure- und Maleinsäureanhydridsynthese verwendet.Salt bath-cooled tube bundle reactors as are customary in other partial oxidation reactions are preferred as reactors for carrying out the process according to the invention. Such reactors have reaction tubes with diameters in the range of typically 20 to 30 mm and lengths in the range of typically 2 to 7 m. Several thousand pipes can be installed in a reactor. reactors This type is used, for example, in the prior art in the synthesis of phthalic anhydride, acrylic acid and maleic anhydride.
Zur sich anschließenden Aufarbeitung der unter Normalbedingungen (23°C, 1013 mbar) flüssig bzw. fest vorliegenden heterozyklischen Carbonsäuren sind prinzipiell Destillationen, Kristallisationen, Absorptionen, Desublimationen, Extraktionen sowie Kombinationen dieser Methoden geeignet.In principle, distillation, crystallization, absorption, desublimation, extraction and combinations of these methods are suitable for the subsequent processing of the heterocyclic carboxylic acids which are liquid or solid under normal conditions (23 ° C., 1013 mbar).
Beispiele 1) Herstellung KatalysatorExamples 1) Preparation of catalyst
51) Kugelförmiger Schalenkatalysator mit 20 Gew.-% Aktivmasse (Gewichtsverhältnis Vanadiumverbindungen : Titanverbindungen = 4:96, berechnet als V2O5:TIO2)51) Spherical coated catalyst with 20% by weight of active composition (weight ratio of vanadium compounds: titanium compounds = 4:96, calculated as V 2 O 5 : TIO 2 )
Eine Suspension enthaltend 422,4 g Anatas (BET-Oberfläche 20 m2/g), 17,6 g V2O5, 47,5 g Oxalsäure, 135,4 g Formamid und 1577,3 g Wasser wurde in einem Sprühtrockner in ein Pulver überführt.A suspension containing 422.4 g of anatase (BET surface area 20 m 2 / g), 17.6 g of V 2 O 5 , 47.5 g of oxalic acid, 135.4 g of formamide and 1577.3 g of water was in a spray dryer transferred a powder.
218,8 g des so erhaltenen Sprühpulvers wurden zusammen mit 34,4 ml einer Bindeflüssigkeit aus 40 Gew.-% Glycerin und 60 Gew.-% Wasser innerhalb von 38 min in einer Dragiertrommel auf 700 g Steatitkugeln mit einem Durchmesser von 3,5 bis 4,5 mm aufgebracht.218.8 g of the spray powder obtained in this way, together with 34.4 ml of a binding liquid composed of 40% by weight glycerol and 60% by weight water, were placed in a coating drum over 38 g on 700 g steatite balls with a diameter of 3.5 to 4.5 mm applied.
Nach Kalzination bei 450°C für 2 h betrug das Gewicht der katalytisch aktiven Masse 20.4 %, bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators.After calcination at 450 ° C. for 2 hours, the weight of the catalytically active composition was 20.4%, based on the total weight of the catalyst.
52) Ringförmiger Schalenkatalysator mit 20 Gew.-% Aktivmasse (Gewichtsverhältnis Vanadiumverbindungen : Titanverbindungen = 4:96, berechnet als V2O5:TiO2)52) Ring-shaped coated catalyst with 20% by weight of active composition (weight ratio of vanadium compounds: titanium compounds = 4:96, calculated as V 2 O 5 : TiO 2 )
Eine Suspension, enthaltend 470,5 g Anatas (BET-Oberfläche 20 m2/g), 19,7 g V2O5, 53,0 g Oxalsäure, 150,6 g Formamid und 706,5 g Wasser wurde zusammen mit 53,2 g Acronal® DS 2348 als Bindemittel innerhalb von 52 min in einer Dragiertrommel auf 1300 g Steatitringe der Dimension 8*6*1 ,5 (äußerer Durchmesser * Höhe * innerer Durchmesser) aufgebracht.A suspension containing 470.5 g of anatase (BET surface area 20 m 2 / g), 19.7 g of V 2 O 5 , 53.0 g of oxalic acid, 150.6 g of formamide and 706.5 g of water was added together with 53 , 2 g of Acronal ® DS 2348 as binder within 52 min in a coating drum on 1300 g of steatite rings of dimensions 8 * 6 * 1, 5 (outer diameter * height * inner diameter).
Nach Kalzination bei 450 °C für 2 h betrug das Gewicht der so aufgetragenen katalytisch aktiven Masse 19,8 %, bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators.After calcination at 450 ° C. for 2 hours, the weight of the catalytically active composition thus applied was 19.8%, based on the total weight of the catalyst.
S3) Kugelförmiger Schalenkatalysator mit 27 Gew.-% AktivmasseS3) Spherical shell catalyst with 27 wt .-% active mass
(Gewichtsverhältnis Vanadiumverbindungen : Titanverbindungen = 4:96, berechnet als V2O5:TiO2)(Weight ratio of vanadium compounds: titanium compounds = 4:96, calculated as V 2 O 5 : TiO 2 )
Die Herstellung erfolgte analog zu Beispiel S1 , jedoch wurden 142,9 g des Sprühpulvers zusammen mit 52, 0 g der Bindeflüssigkeit auf 300 g Steatitkugeln mit einem Durchmesser von 3,5 bis 4,5 mm aufgebracht.The preparation was carried out analogously to Example S1, but 142.9 g of the spray powder together with 52.0 g of the binding liquid were applied to 300 g of steatite balls with a diameter of 3.5 to 4.5 mm.
S4) Ringförmiger Schalenkatalysator mit 10 % Aktivmasse
(Gewichtsverhältnis Vandiumverbindungen : Titanverbindungen = 4:96, berechnet al V2O5:TiO2) 486 g einer Suspension, enthaltend 504,0 g Anatas (BET-Oberfläche 20 m2/g), 21,0 g V2O5, 56,7 g Oxalsäure, 161,3 g Formamid und 757,0 g Wasser wurden zusammen mit 22,8 g Acronal® DS 2348 als Bindemittel innerhalb von 30 min in einer Dragiertrommel auf 1300 g Steatitringe der Dimension 8*6*4,8 mm aufgebracht. Nach Kalzination bei 450 °C für 2 h betrug das Gewicht der so aufgetragenen kataly- tisch aktiven Masse 10,9 %, bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators. 2) Gasphasenoxidation von 3-Picolin 01) 148, 2 g des nach Beispiel S1 hergestellten Katalysators wurden in einen Edelstahlreaktor mit einem Innendurchmesser von 15 mm und einer zentrierten Thermohülse mit 3.17 mm (1/8 Zoll) Außendurchmesser eingefüllt. Wasser und 3-Picolin wurden flüssig über Pumpen dosiert und gemeinsam in Luft, die über einen Massendurchfluss- regier dosiert wurde, verdampft. Bei einer Temperatur von 312°C (Bsp. O1 a) bzw. 343°C (O1 b) wurde das Gasgemisch über das Katalysatorbett geleitet. Die Temperierung des Reaktors wurde durch ein Salzbad realisiert. Die Analyse der Zusammensetzungen der Edukt- und Produktgasgemische erfolgte mittels Gaschromatographie. 02) 1220 g des nach Beispiel S2 hergestellten Katalysators wurden in einen Reaktor mit einem Innendurchmesser von 26 mm und einer zentrierten Thermohülse mit 4 mm Außendurchmesser eingefüllt. Die Dosierung der Edukte sowie die Analyse der der Gasgemische erfolgte analog Beispiel O1. Die Temperatur zur Herstellung der Nicotinsäure mit dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Verwendung des Katalysators nach S2 lag bei 321 °C (02a), 328°C (02b) bzw. 347°C (O2c). 04) 1160 g des nach Beispiel S4 hergestellten Katalysators wurden in einen Reaktor mit einem Innendurchmesser von 26 mm und einer zentrierten Thermohülse mit 4 mm Außendurchmesser eingefüllt. Die Dosierung der Edukte sowie die Analyse der Gasgemische erfolgte analog Beispiel 01. Die Temperatur zur Herstellung der Nicotinsäure mit dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Verwendung des Katalysators nach S4 lag bei 351 °C (04a), 325 °C (04b), 353 °C (04c), 331 °C (O4d).S4) Ring-shaped coated catalyst with 10% active mass (Weight ratio vandium compounds: titanium compounds = 4:96, calculated as V 2 O 5 : TiO 2 ) 486 g of a suspension containing 504.0 g of anatase (BET surface area 20 m 2 / g), 21.0 g of V 2 O 5 , 56.7 g of oxalic acid, 161.3 g of formamide and 757.0 g of water, together with 22.8 g of Acronal ® DS 2348 as a binder, were placed on 1300 g of steatite rings of size 8 * 6 * 4 in a coating drum within 30 min. 8 mm applied. After calcination at 450 ° C. for 2 hours, the weight of the catalytically active composition thus applied was 10.9%, based on the total weight of the catalyst. 2) Gas phase oxidation of 3-picoline 01) 148.2 g of the catalyst prepared according to Example S1 were introduced into a stainless steel reactor with an inner diameter of 15 mm and a centered thermowell with an outer diameter of 3.17 mm (1/8 inch). Water and 3-picoline were metered in liquid via pumps and evaporated together in air which was metered in via a mass flow controller. At a temperature of 312 ° C (Ex. O1 a) or 343 ° C (O1 b), the gas mixture was passed over the catalyst bed. The temperature of the reactor was achieved using a salt bath. The compositions of the educt and product gas mixtures were analyzed by means of gas chromatography. 02) 1220 g of the catalyst prepared according to Example S2 were introduced into a reactor with an inner diameter of 26 mm and a centered thermal sleeve with a 4 mm outer diameter. The starting materials were metered in and the gas mixtures were analyzed analogously to Example O1. The temperature for the production of nicotinic acid using the process according to the invention using the catalyst according to S2 was 321 ° C. (02a), 328 ° C. (02b) and 347 ° C. (O2c). 04) 1160 g of the catalyst prepared according to Example S4 were introduced into a reactor with an inner diameter of 26 mm and a centered thermal sleeve with a 4 mm outer diameter. The starting materials were metered in and the gas mixtures were analyzed analogously to Example 01. The temperature for producing nicotinic acid using the process according to the invention using the catalyst according to S4 was 351 ° C. (04a), 325 ° C. (04b), 353 ° C. ( 04c), 331 ° C (O4d).
* Der Umsatz von 3-Picolin wurde aus den Verhältnissen der entsprechenden Flächen der 3-Methylpyridin-Signale der Gaschromatogramme von Edukt- bzw. Produktstrom ermittelt. ** Die Selektivität der Nicotinsäure ergibt sich aus den Selektivitäten der weiteren Reaktionsprodukte nach der Beziehung
100%-ΣSelektivitätenweitere Produkte)- wobei sich die Selektivitäten der weiteren Produkte aus den durch GC ermittelten Anteilen dieser Produkte bezogen auf die Menge des umgesetzten 3-Picolin unter Berücksichtigung der Stöchiometrie der jeweiligen Reaktion ergeben. Die Summe der Selektivitäten ist 100%. *** Die Ausbeute an Nicotinsäure ergibt sich aus AusbeuteNicotinsäure = SelektivitätNicotinsäure * UmsatZ3-piC0]in * The conversion of 3-picoline was determined from the ratios of the corresponding areas of the 3-methylpyridine signals of the gas chromatograms of the educt and product stream. ** The selectivity of nicotinic acid results from the selectivities of the other reaction products according to the relationship 100% -ΣSelektivitäten wei tere products) - wherein the selectivities of further products resulting from the determined relative proportions of these products by GC on the amount of unreacted 3-picoline, taking into account the stoichiometry of the particular reaction. The sum of the selectivities is 100%. *** The yield of nicotinic acid is derived from Nico tinsäure yield = SelektivitätNicotinsäure * turnover3-p IC0] in