专利名称：制备邻苯二甲酸酐的方法
技术领域：
本发明涉及一种通过在借助传热介质恒温的壳管式反应器中在三种或更多种分区设置的不同固定床催化剂上气相氧化二甲苯、萘或其混合物而制备邻苯二甲酸酐的方法。
已知在工业上通过在壳管式反应器中催化气相氧化邻二甲苯或萘来制备邻苯二甲酸酐。原料是包含分子氧的气体如空气与待氧化的邻二甲苯和/或萘的混合物。使该混合物通过许多设置在反应器(壳管式反应器)中的管，所述管中设置有至少一种催化剂的床。为了调节温度，将各管用传热介质如盐熔体包围。然而，在该催化剂床中可能出现局部温度最大值(热点)，其温度高于该催化剂床的其余部分。这些热点引起副反应如原料的完全燃烧或导致形成不需要的副产物，这些副产物若要分离的话可能很难从反应产物中分离。此外，该催化剂在某一热点温度上可能遭受不可逆的损坏。
热点温度通常在400-500℃，尤其410-460℃的温度范围内。热点温度高于500℃导致可获得的PA产率和催化剂操作寿命显著降低。相反，太低的热点温度导致邻苯二甲酸酐中的欠氧化产物(尤其是2-苯并[c]呋喃酮)的含量较高，结果产物质量显著受损。热点温度取决于空气流的二甲苯载量、二甲苯/空气混合物在催化剂上的空速、催化剂的老化状态、固定床反应器的传热特性(反应器管、盐浴)和盐浴温度。
人们已经采取了各种措施来降低这些热点的强度，这些措施尤其描述于DE 25 46 268 A、EP 286 448 A、DE 29 48 163 A、EP 163 231 A、DE41 09 387 A、WO 98/37967和DE 198 23 362 A中。尤其如DE 40 13 051 A所述，目前在催化剂床中使用分区设置的具有不同活性的催化剂，其中活性较低的催化剂通常被设置在更靠近气体入口，而活性较高的催化剂被设置在更靠近气体出口。该方法使用两级盐浴进行，其中将沿反应混合物流动方向的第一反应区的盐浴温度保持比第二反应区的盐浴温度高2-20℃。第一反应区的催化剂量为30-75体积％，而第二反应区的催化剂量为25-70体积％。第一反应区中的热点温度高于第二反应区中的热点温度。在其实施例所述的操作模式中，热点温差大大低于50℃。
DE 28 30 765 A描述了尤其适于使用位于两个反应区中的催化剂制备邻苯二甲酸酐的壳管式反应器。第二反应区中的反应温度(即由气体入口得到)高于第一反应区中的反应温度。
DE 29 48 163 A描述了一种使用两种分区设置的不同催化剂制备邻苯二甲酸酐的方法，其中第一区的催化剂占催化剂床总长度的30-70％，而第二区的催化剂占催化剂床总长度的70-30％。这样是为了降低热点温度。然而，已经发现邻苯二甲酸酐的产率仍有待改进，即使是在用于该公开的起始气体混合物中的邻二甲苯载量较低的情况下(不超过85g/标准m3)也如此。DE 30 45 624 A中公开了类似情况。
DE 198 23 262描述了一种使用至少三种设置在层叠区中的涂敷催化剂制备邻苯二甲酸酐的方法，其中催化剂活性从气体入口端到气体出口端逐区增加。在该方法中，各催化剂的热点温差不超过10℃。
EP-A 1 063 222描述了一种制备邻苯二甲酸酐的方法，该方法在一个或多个固定床反应器中进行。反应器中的催化剂床包含三个或更多个在反应器中顺序设置的单独催化剂区。在反应条件下通过第一催化剂区之后，进料中30-70重量％的邻二甲苯、萘或二者的混合物已经反应。在第二区之后，70重量％或70重量％以上发生反应。
然而，根据EP-A 1 063 222得到的结果仍不令人满意，因为反应热和原料的转化率在反应器，尤其催化剂床上分布不均匀，这可以由该公开的图5中的热点分布看出。因此，发生催化剂区的不同老化，而这又导致长时间操作后产率降低。
本发明的目的是提供一种制备邻苯二甲酸酐的方法，该方法甚至在高邻二甲苯或萘载量和高空速下也显示出高邻苯二甲酸酐产率，在该方法中反应热在整个催化剂床的长度上分布更均匀，因此使催化剂寿命延长。
我们发现该目的在邻苯二甲酸酐的制备在三种或更多种，优选3-5种分区设置的具有不同活性的催化剂上进行时得以实现，其中对反应的控制使得自气体入口(沿流动方向)的第二催化剂区中的热点温度比第一催化剂区中的热点温度低0-50℃，而自气体入口(沿流动方向)的第三催化剂区中的热点温度比第一催化剂区中的热点温度低30-100℃。
本发明因此提供了一种通过在借助传热介质恒温的壳管式反应器中在三种或更多种分区设置的不同固定床催化剂上气相氧化二甲苯、萘或其混合物而制备邻苯二甲酸酐的方法，其中该方法的进行使得沿流动方向的第二催化剂区中的最高温度比第一催化剂区中的最高温度低至多50℃，而且自气体入口的第三区中的最高温度比第一催化剂区中的最高温度低30-100℃。
第二催化剂区中的最高温度优选比第一催化剂区中的最高温度低至少10-40℃。自气体入口(沿流动方向)的第三催化剂区中的最高温度优选比第一催化剂区中的最高温度低40-80℃。
此外，本发明方法的进行使得第一催化剂区中的热点温度低于470℃，优选低于450℃。
热点温度的不同可以由各种方式产生。例如，可以通过将入口处的起始气体混合物的压力增加至多10％或通过将用于氧化的空气量降低至多20％而实现。然而，温差优选借助三个或更多个催化剂区的床长度比例或借助传热介质(下文总是指优选的传热介质，即盐浴)的温度来控制，尤其当这三个或更多个催化剂区借助不同的盐浴回路恒温时。第一催化剂区的床长度优选占整个催化剂床的长度的30％以上，尤其是40％以上。
若使用盐浴温度进行控制，则盐浴温度的增加导致第一催化剂区热点温度的增加以及第二和随后的催化剂区热点温度的降低。通常而言，稍微增加或降低例如1、2或3℃就足以设定所需的热点温差。若三个或更多个催化剂区借助不同的盐浴回路恒温，则上部的盐浴回路，即恒温第一催化剂区的盐浴回路优选在比下部盐浴回路高0.5-5℃的温度下操作。或者，将恒温第二催化剂区的盐浴的温度降低至多10℃并将恒温第三催化剂区的盐浴的温度再降低10℃。
催化剂的操作寿命通常为约4-5年。催化剂的活性通常随时间而略微降低。这可能导致第一和第三催化剂区之间的热点温差下降到低于30℃这一最小值。然后可以借助上述盐浴温度增加将其升回相差30℃或更大的值。本发明方法的进行优选使得热点温差在催化剂操作寿命的至少最初50％，尤其至少最初70％，特别优选至少最初90％期间得以维持，特别有利的是基本在整个催化剂操作期间中得以维持。
热点温度由已知方式，例如通过在反应器中安装多个热电偶来测定。
氧化性负载催化剂适合作为催化剂。为了通过气相氧化邻二甲苯或萘来制备邻苯二甲酸酐，使用包含硅酸盐、碳化硅、陶瓷、氧化铝、氧化镁、二氧化锡、金红石、硅酸铝、硅酸镁(滑石)、硅酸锆或硅酸铈或其混合物的球形、环形或壳形载体。催化活性成分通常为二氧化钛，尤其是其锐钛矿晶型，以及与之一起的五氧化二钒。催化活性组合物可以进一步包含少量的许多其它氧化化合物，这些化合物用作例如通过降低或增加催化剂的活性而影响催化剂活性和选择性的促进剂。这类促进剂例如是碱金属氧化物、氧化铊(I)、氧化铝、氧化锆、氧化铁、氧化镍、氧化钴、氧化锰、氧化锡、氧化银、一氧化铜、三氧化二铬、氧化钼、氧化钨、氧化铱、氧化钽、氧化铌、五氧化二砷、氧化锑、二氧化铈和五氧化二磷。碱金属氧化物例如用作降低活性并增加选择性的促进剂，而氧化性磷化合物，尤其是五氧化二磷增加催化剂的活性但降低其选择性。可以使用的催化剂例如描述于DE 25 10 994、DE 25 47 624、DE 29 14 683、DE 25 46 267、DE 40 13 051、WO 98/37965和WO 98/37967中。已经发现其中催化活性组合物以壳或涂层形式施用于载体上的涂敷催化剂是特别有用的(参见例如DE 16 42 938 A、DE 17 69 998 A和WO 98/37967)。
将相比活性较差的催化剂设置在固定床中以使反应气体首先与该催化剂接触，并且仅在此之后与第二区中活性更大的催化剂接触。反应气体随后与甚至更大活性的催化剂区接触。不同活性的催化剂可以恒温到相同温度或不同温度。通常而言，在最靠近气体入口的第一催化剂区中使用掺有碱金属氧化物的催化剂，而在第二反应区中使用掺有较少量碱金属氧化物和/或磷化合物和/或其它促进剂的催化剂。在第三催化剂区中使用掺有更少量碱金属氧化物或磷化合物和/或其它促进剂的催化剂。
特别优选具有下列组成的催化剂-对于第一区
3-5重量％的五氧化二钒0.1-1重量％的碱金属氧化物，例如氧化铯94-96.9重量％的二氧化钛-对于第二区4-7重量％的五氧化二钒0-0.5重量％的碱金属氧化物，如氧化铯0.05-0.4重量％的五氧化二磷(以P计算)平衡至100重量％的二氧化钛-对于第三区6-9重量％的五氧化二钒0-0.3重量％的碱金属氧化物，如氧化铯0.05-0.4重量％的五氧化二磷(以P计算)需要的话，1-5重量％的其它促进剂，尤其是Sb2O385.3-93.95重量％的二氧化钛该反应的进行通常使得反应气体中存在的大部分邻二甲苯和/或萘在第一反应区中反应。
为了进行该反应，将催化剂以多层(区)引入壳管式反应器的管中。使反应气体在通常为300-450℃，优选320-420℃，特别优选340-400℃的温度，通常为0.1-2.5巴，优选0.3-1.5巴的表压以及通常为750-5000h-1，优选2000-5000h-1的空速下在如此制备的催化剂床上通过。供入催化剂床中的反应气体(起始气体混合物)通常通过将包含分子氧且除氧外还可进一步包含合适的反应调节剂和/或稀释剂如蒸汽、二氧化碳和/或氮气的气体与待氧化的邻二甲苯或萘混合而生产。该反应气体通常含有1-100mol％，优选2-50mol％，特别优选10-30mol％的氧。通常而言，反应气体载有5-140g/标准m3气体，优选60-120g/标准m3气体，特别优选80-120g/标准m3气体的邻二甲苯和/或萘。
需要的话，可以额外设置例如DE 198 07 018或DE 20 05 969 A中所述的下游整理反应器，以用于制备邻苯二甲酸酐。这里所用的催化剂优选为比第三区的催化剂活性甚至更高的催化剂。该催化剂尤其具有下列组成
6-9重量％的五氧化二钒1-5重量％的活性提高促进剂，尤其是Sb2O30.1-0.5重量％的五氧化二磷(以P计算)85.5-92.9重量％的二氧化钛。
本发明方法的优点在于邻苯二甲酸酐可以高产率和低副产物，尤其是2-苯并[c]呋喃酮的浓度制备，即使在高邻二甲苯和/或萘载量下和高空速下也如此。在本发明方法的条件下，2-苯并[c]呋喃酮浓度基于PA不超过0.1重量％。本发明方法的优点在所用催化剂体系的活性因老化而降低时特别明显。甚至在长运行时间后，第二催化剂区中的热点温度仅不显著地增加。
根据本发明提供的温度控制方法还可以用于通过催化气相氧化而制备其它产物，例如丙烯酸(原料为丙烯)、马来酸酐(原料为苯、丁烯或丁二烯)、1，2，4，5-苯四酸酐(原料为杜烯)、苯甲酸(原料为甲苯)、间苯二甲酸(原料为间二甲苯)、对苯二甲酸(原料为对二甲苯)、丙烯醛(原料为丙烯)、甲基丙烯酸(原料为异丁烯)、萘醌(原料为萘)、蒽醌(原料为蒽)、丙烯腈(原料为丙烯)和甲基丙烯腈(原料为异丁烯)。
下列实施例说明本发明，但不限制其范围。
实施例1)催化剂I-IV的生产催化剂I将50kg外径为8mm、长度为6mm且壁厚为1.5mm的滑石(硅酸镁)环在涂敷鼓中加热到160℃并用包含28.6kg BET表面积为20m2/g的锐钛矿型二氧化钛、2.19kg草酸氧钒、0.176kg硫酸铯、44.1kg水和9.14kg甲酰胺的悬浮液喷雾，直到施加层的重量为最终催化剂总重量的10.5％(在450℃下煅烧后)。
以此方式施加的催化活性组合物，即催化剂壳包含4.0重量％的钒(以V2O5计算)、0.4重量％的铯(以Cs计算)和95.6重量％的二氧化钛。
催化剂II使用0.155kg硫酸铯重复催化剂I的制备程序，得到的铯含量为0.35重量％(以Cs计算)。
催化剂III将50kg外径为8mm、长度为6mm且壁厚为1.5mm的滑石(硅酸镁)环在涂敷鼓中加热到160℃并用包含28.6kg BET表面积为20m2/g的锐钛矿型二氧化钛、4.11kg草酸氧钒、1.03kg三氧化锑、0.179kg磷酸二氢铵、0.045kg硫酸铯、44.1kg水和9.14kg甲酰胺的悬浮液喷雾，直到施加层的重量为最终催化剂总重量的10.5％(在450℃下煅烧后)。
以此方式施加的催化活性组合物，即催化剂壳包含0.15重量％的磷(以P计算)、7.5重量％的钒(以V2O5计算)、3.2重量％的锑(以Sb2O3计算)、0.1重量％的铯(以Cs计算)和89.05重量％的二氧化钛。
催化剂IV将50kg外径为8mm、长度为6mm且壁厚为1.5mm的滑石(硅酸镁)环在涂敷鼓中加热到160℃并用包含28.6kg BET表面积为11m2/g的锐钛矿型二氧化钛、3.84kg草酸氧钒、0.80kg三氧化锑、0.239kg磷酸二氢铵、44.1kg水和9.14kg甲酰胺的悬浮液喷雾，直到施加层的重量为最终催化剂总重量的12.5％(在450℃下煅烧后)。
以此方式施加的催化活性组合物，即催化剂壳包含0.2重量％的磷(以P计算)、7.0重量％的钒(以V2O5计算)、2.5重量％的锑(以Sb2O3计算)和90.3重量％的二氧化钛。
2)邻二甲苯的氧化2a)PA的制备-根据本发明和对比(通过改变床长度设定热点温差)在10升的管式反应器(99根普通管和2根含热电偶的管，其中每根管为3.60m长的铁管，内径为25mm(含热电偶的管的内径为29mm，热电偶套的内径为10mm，并装有30个热电偶，每10cm装一个))中，由底部向上装入催化剂III(对比1.30m；本发明0.70m)、催化剂II(本发明0.80m)和随后的催化剂I(对比1.70m；本发明1.50m)。借助压力匹配确保各管的入口压力相同。必要的话，向99根普通管中加入或从中吸出少量催化剂I；对于两根含热电偶的管，压力匹配通过加入呈滑石球或石英球形式的惰性材料而实现。铁管被位于两个独立盐浴中以调节温度的盐熔体包围。下部盐浴从底部管板至1.30m的高度包围各管，而上部盐浴从1.30m的高度至上部管板包围各管。使载有100g 98.5重量％纯度的邻二甲苯/标准m3空气的空气(在约2个月的运行时间后)由上向下以4.0标准m3/h/管的流速通过各管。在离开主反应器后，将粗产物气体流冷却到280-290℃并使其通过装有100kg催化剂IV的绝热整理反应器(内径0.45m，高度0.99m)。
在该实验中得到下表所列数据(运行天数＝从催化剂第一次启动的操作天数；SBT顶＝最靠近反应器入口的盐浴的盐浴温度；SBT底＝最靠近反应器出口的盐浴的盐浴温度；HS顶＝最靠近反应器入口的催化剂的热点温度；HS底＝最靠近反应器出口的催化剂的热点温度；PHD含量和二甲苯含量＝分别为整理反应器下游的粗产物气体的2-苯并[c]呋喃酮含量和二甲苯含量，基于邻苯二甲酸酐；PA产率＝基于100％纯的二甲苯以重量％表示的PA产率，来自于对整理反应器下游的粗产物气体的分析)。
2b)制备PA-根据本发明(温度变化和温度配置)在作为对比实验的在2a)中操作的催化剂组合运行250天后，借助温度配置(SBT底降低或SBT顶增加)或温度变化(SBT底和SBT顶增加)设定＞40℃的温差。所有其它实验条件保持不变，即与实验2a)相同。
于是得到下表所列数据(运行天数＝从催化剂第一次启动的操作天数；SBT顶＝最靠近反应器入口的盐浴的盐浴温度；SBT底＝最靠近反应器出口的盐浴的盐浴温度；HS顶＝最靠近反应器入口的催化剂的热点温度；HS底＝最靠近反应器出口的催化剂的热点温度；PHD含量和二甲苯含量＝分别为整理反应器下游的粗产物气体的2-苯并[c]呋喃酮含量和二甲苯含量，基于邻苯二甲酸酐；PA产率＝基于100％纯的二甲苯以重量％表示的PA产率，来自于对整理反应器下游的粗产物气体的分析)。
在2a)下报道的结果表明，PA产率与热点温差相关，即PA在第一和第二催化剂区之间的温差为0-50℃且第一和第三催化剂区之间的温差为30-100℃时在工业上相关的操作条件下以高产率得到。
在2b)下报道的结果表明，当热点温差太低时，在双结构床中的热点温差可通过同时稍微增加顶部和底部的盐浴温度或通过在维持顶部盐浴温度相同的同时降低底部盐浴温度而再次增加。
权利要求
1.一种通过在借助传热介质恒温的壳管式反应器中在三种或更多种分区设置的不同固定床催化剂上气相氧化二甲苯、萘或其混合物而制备邻苯二甲酸酐的方法，其中该方法的进行使得沿流动方向的第二催化剂区中的最高温度比第一催化剂区中的最高温度低至多50℃，而且自气体入口的第三区中的最高温度比第一催化剂区中的最高温度低30-100℃。
2.如权利要求1所要求的方法，其中第二催化剂区中的最高温度比第一催化剂区低10-40℃。
3.如权利要求1所要求的方法，其中第三催化剂区中的最高温度比第一催化剂区中的最高温度低40-80℃。
4.如前述权利要求中任一项所要求的方法，其中第一、第二和第三催化剂区中的最高温度之间的温差借助各催化剂区的床长度比来控制。
5.如权利要求4所要求的方法，其中第一催化剂区的床长度为两种催化剂的总床长度的30％以上。
6.如权利要求4所要求的方法，其中第一催化剂区的床长度为两种催化剂的总床长度的40％以上。
7.如权利要求1-3中任一项所要求的方法，其中第一催化剂区和第二催化剂区中的最高温度之间的温差通过传热介质的温度来控制。
8.如前述权利要求中任一项所要求的方法，其中第一催化剂区的最高温度低于470℃。
9.如前述权利要求中任一项所要求的方法，其中使用载量为80-140g邻二甲苯和/或萘/标准m3气相的气相。
10.如前述权利要求中任一项所要求的方法，其中传热介质的温度≤360℃。
11.如前述权利要求中任一项所要求的方法，其中气体混合物的空速≥2000h-1。
全文摘要
本发明涉及一种通过在借助传热介质恒温的多管固定床反应器中在至少三种分层设置的不同固定床催化剂上将二甲苯、萘或其混合物进行气相氧化而制备邻苯二甲酸酐的方法。所述方法的进行使得沿流动方向的第二催化剂层中的最高温度比第一催化剂层中的最高温度低至多50℃，而且自气体入口的第三层中的最高温度比第一催化剂层中的最高温度低30－100℃。本发明方法能够在与实践相关的条件下大量生产邻苯二甲酸酐。
文档编号C07D307/89GK1635989SQ03804195
公开日2005年7月6日 申请日期2003年2月4日 优先权日2002年2月19日
发明者S·斯托克, F·罗索夫斯基, M·拜尔, A·滕滕, H－J·沃尔夫 申请人:巴斯福股份公司