Способ получения ненасыщенных нитрилов и катализатор для их получения
Реферат
Сущность изобретения: ненасыщенные нитрилы-акрилонитрил, или метакрилонитрил, или их смесь получают контактированием олефина-пропилена, бутилена или их смеси с аммиаком и кислородсодержащим газом в паровой фазе при температуре 300-600oC и при повышенном давлении в присутствии катализатора, соответствующего эмпирической формуле: МоaBibFecCodNieCrfXgYiOk, где Х - фосфор, или сурьма, или их смесь, Y - щелочной металл или их смесь, а= 12-14, b= 1-5, С= 0,5-5, d, e=0,1-6, f=0,1-4, g=0,1-4, i=0,1-2, К - число, определяемое валентностью всех элементов. Катализатор может быть нанесен на носитель, выбранный из группы, содержащей диоксид кремния, оксид алюминия или их смесь. 2 с. и 5 з.п. ф-лы. 1 табл.
Данное изобретение относится к области основного органического синтеза и касается способа получения ненасыщенных нитрилов, а именно акрилонитрила и метакрилонитрила, а также катализатора, применяемого в этом способе.
Известны способы получения ненасыщенных нитрилов путем окислительного аммонирования олефинов в присутствии катализаторов (см. патент СССР N 588906, опубл. 1978 г. и А.С. СССР N 517320, опубл. 1976 г.). Согласно данному изобретению предлагается способ получения ненасыщенных нитрилов, а именно акрилонитрила и метакрилонитрила, или их смеси путем превращения олефина, выбранного из группы, содержащей пропилен, изобутилен и смеси этих веществ, в паровой фазе при температуре от 300o до 600oC и при повышенном давлении указанного олефина с кислородсодержащим газом и аммиаком в присутствии окисного катализатора. Способ согласно изобретению отличается тем, что осуществляют процесс в присутствии катализатора, имеющего следующую эмпирическую формулу: MoaBibFecCOdNieCrfXgYiOk в которой "Х" означает фосфор, сурьму или их смесь, "Y" означает щелочной металл или их смесь, "а" от 12 до 14, "b" от 1 до 5, "с" от 0,5 до 5, "d" и "е" каждый от 0,1 до 6, "f" от 0,1 до 4, "g" от 0,1 до 4, "i" от 0,1 до 2 и "к" число, определяемое валентностью всех других присутствующих элементов. При осуществлении способа согласно изобретению в качестве исходного сырья можно применять указанные выше олефины в смеси с парафиновыми углеводородами, например этаном, пропаном, бутаном и пентаном. Это делает возможным использовать обычные потоки нефтеперерабатывающих заводов без специального разделения, хотя при этом степень конверсии может быть несколько снижена. Подобным образом, в реакционной смеси могут присутствовать, например, азот и окислы углерода, не оказывающие на процесс вредного влияния. Контактирование олефина, аммиака и кислорода предпочтительно осуществляют в псевдоожиженном слое катализатора. В принципе способ по изобретению можно осуществлять и непрерывно, и периодически с использованием аппаратуры любого типа, пригодной для осуществления каталитических процессов в паровой фазе. Катализатор может находиться и в виде неподвижного слоя крупных частиц или в таблетированной форме. В способе по изобретению может быть использован любой источник кислорода. По экономическим соображениям выгодно использовать воздух в качестве кислородсодержащего вещества. Молярное отношение кислорода к олефину в подаваемом в реактор сырье должно быть в пределах от 0,2:1 до 3,0:1, предпочтительно от 1,5:1 до 2,5:1. Молярное отношение аммиака к олефину в подаваемом в реактор сырье может составлять от 0,5: 1 до 5,0:1, предпочтительно от 0,9:1 до 1,3:1. Реальной верхней границы для отношения аммиак: олефин нет, однако оно обычно не превышает 1,3: 1. При отношении аммиак:олефин ниже стехиометрического 1:1 могут образовываться различные окисные производные олефина. За пределами верхней границы этой области отношения могут образоваться только незначительные количества альдегидов и кислот, а при отношениях аммиак:олефин ниже нижней границы этой области образуется пониженное количество целевых нитрилов. В пределах указанной области отношений аммиак: олефин наблюдается максимальная степень превращения аммиака. Обычно непревращенные олефин и аммиак рециркулируют обратно в реактор. В некоторых случаях вода в смеси, подаваемой в реактор, улучшает селективность реакции по нитрилам. Однако специальное добавление воды в исходное сырье не является необходимым, поскольку вода образуется в реакционной смеси в ходе реакции. При добавлении воды в исходные вещества молярное отношение воды к олефину может быть выше 0,25:1, преимущественно от 1:1 до 4;1, предпочтительно до 10:1. Как указано выше, температура процесса составляет от 300oC до 600oC. Предпочтительно она может быть от 380oC до 500oC, особенно предпочтительно от 400oC до 480oC. Давление, при котором проводят реакцию, может быть любым, предпочтительно оно может быть около атмосферного или выше, обычно от 2 до 5 атмосфер. Время контакта не является лимитирующим, оно может составлять от 0,1 до 50 секунд. Оптимальное время контакта зависит от вида реагирующего олефина, вообще предпочтительно время контакта от 1 до 15 секунд. При осуществлении способа по изобретению температура в реакторе может быть доведена до рабочей величины перед подачей сходного сырья или после подачи. В промышленном масштабе предпочтительно осуществлять процесс непрерывно и с рециркуляцией непрореагировавшего олефина обратно в реактор. Предусматривается периодическая регенерация или реактивация катализатора, что может быть выполнено, например, путем обработки катализатора воздухом при повышенной температуре. Продукты реакции можно кондиционировать любыми известными способами. Например, это может быть промывка выходящих газов из реактора холодной водой или подходящим растворителем для выделения продуктов реакции. Такой жидкостью для поглощения продуктов реакции и нейтрализации непревращенного аммиака может быть подкисленная вода. Эффективность операции промывки может быть повышена при применении воды в качестве промывочной жидкости путем добавления в нее смачивающего агента. В тех случаях, когда в качестве окисляющего агента используют молекулярный кислород, получаемую смесь продуктов после удаления из нее нитрилов можно обработать для удаления двуокиси углерода, и оставшиеся непрореагировавший олефин и кислород рециркулируют обратно в реактор. В том случае, когда в качестве кислородсодержащего вещества используют воздух, смесь продуктов реакции после отделения нитрилов и других карбонилсодержащих веществ можно промыть неполярным растворителем, например, углеводородной фракцией для регенерации непрореагировавшего олефина. В этом случае остающимися газами можно пренебречь. Предусматривается также добавление подходящего ингибитора для предотвращения полимеризации ненасыщенных продуктов в ходе регенерации. Выше указана эмпирическая формула применяемого в способе по изобретению катализатора. Он представляет собой смесь, соединение или возможно комплекс окислов молибдена, висмута, железа, кобальта, никеля хрома, фосфора и/или сурьмы или их смеси, одного или нескольких щелочных металлов. Индексы в эмпирической формуле, соответствующие содержанию каждого компонента катализатора, указаны выше. Предпочтительно "о" от 0,75 до 3,0, предпочтительно "Y" означает щелочной металл, отличный от натрия, предпочтительно от 0,1 до 1,5. Катализатор по изобретению преимущественно имеет величину удельной поверхности по БЭТ менее 100 м2/г, предпочтительно от 20 м2/г до 50 м2/г. Катализатор по изобретению можно приготавливать любым известным способом. Например, его можно приготовить путем совместного осаждения компонентов. Совместно осажденная масса затем может быть высушена и измельчена до соответствующего размера. Совместно осажденная масса может быть суспендирована и высушена распылением известными методами. Катализатор можно формовать прессованием в таблетки или формованием шариков в масле. Можно также смешивать компоненты катализатора с носителем в суспензии с последующей сушкой или растворами их соединений можно пропитывать такие носители, как силикагель. Особенно устойчивая против истирания форма катализатора может быть приготовлена путем добавления носителя к каталитически активному веществу в две стадии: сначала готовят и подвергают термообработке смесь активных компонентов катализатора и до 60 мас. от общего количества носителя, затем к порошкообразной форме термически обработанного катализатора добавляют остальное количество носителя. Щелочной металл можно вводить в катализатор в виде окисла или в виде любой соли, которая после прокаливания позволяет получить окисел. Предпочтительными солями являются нитраты, которые легко доступны и быстро растворимы. Висмут можно вводит в катализатор в виде окисла или в виде любой соли, после прокаливания которой образуется окисел. Предпочтительны растворимые в воде соли, которые легко диспергируются в массе катализатора и после термообработки которых образуются стабильные окислы. Наиболее предпочтителен нитрат висмута в виде раствора разбавленной азотной кислоты. Еще более предпочтительно растворение нитрата висмута в расплаве нитрата металла. Для введения в катализатор железа можно использовать любое соединение железа, после прокаливания которого образуется окисел. Как и для других элементов, предпочтительны растворимые в воде соли из-за легкости их диспергирования в массе катализатора с высокой степенью однородности. Наиболее предпочтителен нитрат трехвалентного железа. Аналогичным образом можно ввести в катализатор кобальт и никель. Чтобы ввести в катализатор молибден, можно взять любой его окисел, например двуокись, трехокись, пентаокись или сесквиокись. Предпочтительной является соль молибдена, способная к гидролизу или к разложению. Наиболее предпочтительным исходным соединением молибдена для приготовления катализатора является гептамолибдат аммония. Фосфор можно вводить в катализатор в виде соли фосфоpной кислоты щелочного, щелочноземельного металла или аммония, но предпочтительно вводить фосфор в виде самой фосфорной кислоты. Наиболее предпочтительно вводить и фосфор, и молибден в виде фосфорно-молибденовой кислоты. Другие элементы можно вводить исходя из металла, который окисляют с помощью окисляющей кислоты, например азотной, и затем для приготовления катализатора берут полученный нитрат. Все вышесказанное совершенно не лимитирует выбор исходных веществ как источников компонентов катализатора по изобретению. Любые вещества, содержащие требуемые компоненты катализатора, можно использовать при условии, что при нагревании общей массы компонентов каталитической массы в вышеуказанной области температур эти исходные вещества будут разлагаться до окислов. Катализатор по изобретению можно использовать без носителя. Однако он может быть и нанесенным. В этом случае он содержит от 10 до 90 мас. от общей массы катализатора носителя. В качестве носителя можно использовать любые известные для этих целей применения вещества: двуокись кремния, окись алюминия, алюмосиликат, двуокись циркония, двуокись титана, алунд, карбид кремния, неорганические фосфаты, например фосфат алюминия, силикаты, алюминаты, бораты, карбонаты, а также такие вещества, как пемза, монтмориллонит и т.п. т.е. вещества, которые стабильны в условиях проведения процесса. К носителю можно также добавлять аэросил. Предпочтительным носителем является двуокись кремния, которую прибавляют в суспензию при приготовлении катализатора в форме золя кремнезема или пылящего кремнезема. Предпочтительное количество носителя в катализаторе составляет от 40 до 60 мас. от общей массы катализатора. Активность катализатора можно повышать путем его термообработки. Обычно каталитическую массу высушивают путем его термообработки. Обычно каталитическую массу высушивают путем распыления при температуре от 110oC до 350oC и затем термически обрабатывают постадийно в течение от одного до двадцати четырех часов или более при температуре от 260oC до 1000oC, предпочтительно от 300-400 до 550-700oC. Прокаливать катализатор можно в течение меньшего времени при более высокой температуре. Насколько достаточно прокаливание при конкретных тех или иных условиях прокаливания, определяют по испытанию пробы вещества катализатора на каталитическую активность. Прокаливание лучше выполнять в открытой камере, допускающей доступ воздуха или кислорода, чтобы любое количество кислорода, поглощенного прокаливаемой массой, могло быть компенсировано. Используется также предварительная обработка или активация катализатора перед его работой с помощью восстановителя, например аммиака, в присутствии ограниченного количества воздуха при температуре от 260oC до 540oC. Катализатор по изобретению имеет высокую активность при получении ненасыщенных нитрилов при относительно невысоких температурах реакции. Он имеет также повышенный срок службы. Кроме того, он обладает еще рядом важных преимуществ, которые весьма способствуют эффективному и экономичному использованию способа. Этот катализатор обладает отличной стабильностью в условиях окисления восстановления по реакции, лежащей в основе способа по изобретению. Это допускает использования в способе низкого отношения воздуха к олефину и высокой среднечасовой скорости подачи сырья в реактор. Катализатор обеспечивает эффективное использование аммиака, что значительно снижает количество непрореагировавшего аммиака, уходящего в сточные воды из реактора. Это позволяет снизить количество серной кислоты, требуемой для нейтрализации аммиака в сточных водах. Таким образом, способ по изобретению и используемый в нем катализатор позволяют совершенствовать работу секции обработки продуктов реакции, выходящих из реактора, а также контроль загрязнений. Тот факт, что реакция в способе по изобретению протекает при относительно невысоких температурах, благоприятствует повышению срока службы катализатора и сводит к минимуму проблему сточных вод, например, позволяет обойтись без дожигания. При этом, несмотря на относительно невысокие температуры реакции, получают высокие степени превращения исходных веществ в нитрилы за цикл 80% и выше. Кроме того, важным преимуществом катализатора по изобретению является низкая стоимость необходимых компонентов катализатора и легкость его приготовления. Изобретение поясняется более подробно приводимыми ниже примерами. Примеры 1 до 8. Катализаторы, примененные в примерах настоящего изобретения, были приготовлены посредством способа, описанного ниже. Пример 1. Нитраты металлов в следующем порядке были сплавлены вместе при 70oC в 400-миллилитровом химическом стакане: Fe(NO3)39H2O (65,08 г), СО(NO3)26H2O (121,89 г), Ni(NO3)26H2O (65,75), Bi(NO3)35H2O (65,24 г), KNO3 (1,63 г)(NH4)6 MoO244H2O (ГМА) (184,85 г) растворили в 300 мл дистиллированной воды с последующим добавлением CrO3 (8,05 г). К этому раствору был добавлен плав нитратов металлов, за которым следовали 40% золя кремнезема (625 г). Полученная желтая суспензия была нагрета при перемешивании при 90oC в течение 3 часов, затем суспензия была высушена распылением. Полученное вещество было денитрифицировано при 270oC в течение 2 часов и при 425oC в течение 2 часов и затем было прокалено при 580oC в течение 2 часов на воздухе. Пример 2. Нитраты металлов были сплавлены при 70oC в 400-миллилитровом химическом стакане в следующем порядке: Fe(NO3)3 9H2O (65,10 г), Co(NO3)26H2O (121,93 г), Ni(NO3)26H2O (65,6 г), Bi(NO3)35H2O (65,20 г), KNO3 (1,63 г). ГМА (184,91 г) был растворен в 300 мл дистиллированной воды с последующим добавлением CrO3 (6,24 г ) и 85% Н3PO4 и 85% H3PO4 (1,86 г). К этому раствору был добавлен плав нитратов металлов, за которым следовали 40% золя кремнезема (625 г). Полученная желтая суспензия была нагрета при перемешивании при 90oC в течение 3 часов, затем суспензия была высушена распылением. Полученное вещество было денитрифицировано при 270oC в течение 2 часов и при 425oC в течение 2 часов и затем было прокалено на воздухе при 580oC в течение 2 часов. Пример 3. Нитраты металлов в следующем порядке были сплавлены вместе при 70oC в 400-миллилитровом химическом стакане: Fe(NO3)39H2O (65,1 г), Со(NO3)26H2O (121,9 г), Ni(NO3)26H2O (65,6 г), Bi(NO3)25H2O (65,3 г), KNO3 (1,6 г). ГМА (184,9 г) был растворен в 300 мл дистиллированной воды с последующим добавлением CrO3 (4,0 г) и 85% Н3PO4 (4,65 г). К этому раствору был добавлен плав нитратов металлов, за которым следовал 40% золь кремнезема (625 г). Полученная желтая суспензия была нагрета при перемешивании при 90oC в течение 3 часов, затем суспензия была высушена распылением. Полученное вещество было денитрифицировано при 270oC в течение 2 часов и при 425oC в течение 2 часов и затем было прокалено на воздухе при 580oC в течение 2 часов. Пример 4. Нитраты металлов были сплавлены вместе при 70oC в 400-миллилитровом химическом стакане в следующем порядке: Fe(NO3)39H2O (65,15 г), Co(NO3)26H2O (122,0 г), Ni(NO3)26H2O (63,3 г), Bi(NO3)35H2O (65,3 г), KNO3 (8 г), Cs(NO3) (1,26 г). ГМА (185,06 г) был растворен в 300 мл дистиллированной воды с последующим добавлением CrO3 (4,03 г) и 85% H3PO4 (4,65 г). Плав нитратов металлов был добавлен к этому раствору, за которым следовал 40%-й золь кремнезема (625 г). Полученная желтая суспензия была нагрета при 90oC в течение 3 часов, затем суспензия была высушена распылением. Полученное вещество было денитрифицировано при 270oC в течение 2 часов и 425oC в течение 2 часов и затем было прокалено при 580oC в течение 2 часов на воздухе. Пример 5. Нитраты металлов были сплавлены вместе при 70oC в 400-миллилитровом химическом стакане в следующем порядке Fe(NO3)39H2O (62,21 г), Со(NO3)26H2O (116,51 г), Ni(NO3)26H2O (62,68 г), Bi(NO3)35H2O (62,36 г), KNO3 (1,56 г). ГМА (176,7 г) был растворен в 300 мл дистиллированной воды с последующим добавлением CrO3 (3,85 г) и 85% Н3PO4 (4,44 г). К этому раствору был добавлен плав нитратов металлов, за которым следовал Sb2O3 (11,22 г) и 40%-й золь кремнезема (625 г). Полученная желтая суспензия была нагрета при 90oC в течение 3 часов, затем суспензия была высушена распылением. Полученное вещество было денитрифицировано при 270oC в течение 2 часов и 425oC 2 часов и затем было прокалено при 580oC в течение 2 часов на воздухе. Пример 6. Нитраты металлов были сплавлены вместе при 70oC в 400-миллилитровом химическом стакане в следующем порядке: Fe(NO3)39H2O (59,3 г), Co(NO3)26H2O (111,0 г), Ni(NO3)26H2O (59,7 г), Bi(NO3)35H2O (59,4 г), KNO3 (1,5 г). ГМА (168,4 г) был растворен в 300 мл дистиллированной воды с последующим добавлением CrO3 (3,7 г) и 85% Н3PO4 (4,2 г). К этому раствору был добавлен плав нитратов металлов, за которым следовали Sb2O3 (22,5 г) и 40%-й золь кремнезема (625 г). Полученная желтая суспензия была нагрета при 90oC в течение 3 часов, затем суспензия была высушена распылением. Полученное вещество было денитрифицировано при 270oC в течение 2 часов и 425oC в течение 2 часов и затем было прокалено при 580oC в течение 2 часов на воздухе. Пример 7. Нитраты металлов были сплавлены вместе при 70oC в 400-миллилитровом химическом стакане в следующем порядке: Fe(NO3)39H2O (62,22 г), Со(NO3)26H2O (116,54 г), Ni(NO3)26H2O (60,46 г), Bi(NO3)35H2O ( 62,38 г), KNO3(,78 г) и Cs(NO3) (1,20 г). ГМА (176,75 г) был растворен в 300 мл дистиллированной воды с последующим добавлением CrO3 (3,85 г) и 85% Н3PO4 (4,44 г). К раствору был добавлен плав нитратов металлов, за которым следовали Sb2O3 (11,22 г) и 40%-й золь кремнезема (625 г). Полученная желтая суспензия была нагрета при 90oC в течение 3 часов, затем суспензия была высушена распылением. Полученное вещество было денитрифицировано при 270oC в течение 2 часов и 425oC в течение 2 часов и затем было прокалено при 580oC в течение 2 часов на воздухе. Пример 8. Нитраты металлов были сплавлены вместе при 70oC в 400-миллилитровом химическом стакане в следующем порядке: Fe(NO3)29H2O (59,3 г), Co(NO3)26H2O (111,0 г), Ni(NO3)26H2O (57,6 г), Bi(NO3)35H2O (59,4 г), KNO3 (0,7 г), и Cs(NO3) (1,2 г). ГМА (168,3 г) был растворен в 300 мл дистиллированной воды с последующим добавлением CrO3 (3,7 г) и 85% H3PO4 (4,2 г). К этому раствору был добавлен плав нитратов металлов, за которым следовали Sb2O3 (22,4 г) и 40%-й золь кремнезема (625 г). Полученная желтая суспензия была нагрета при 90oC в течение 3 часов, затем суспензия была высушена распылением. Полученное вещество было денитрифицировано при 270oC в течение 2 часов и 425oC в течение 2 часов и затем было прокалено при 580oC в течение 2 часов на воздухе. В данных примерах степень конверсии до ненасыщенного нитрила определяется следующим образом. Мольный процент конверсии за проход (ПКП) в ненасыщенный нитрил равен (моли полученного нитрильного продукта/суммарные моли олефина, превращенного во все продукты) х 100. Реакции окислительного аминирования, выполненные в присутствии композиций катализатора, приготовленных посредством способа примеров 1-8, и используя пропилен в качестве углеводородного сырья, суммированы в Таблице 1. Каждая реакция была проведена в реакторе с псевдоожиженным слоем объемом 40 см3. Каждый катализатор был первоначально восстановлен посредством NH3/N2 при 440oC в течение 10 минут. После периода стабилизации приблизительно 40 часов были собраны образцы. Вытекающий из реактора поток был собран в скрубберах барботажного типа, содержащих холодный раствор HCl. Скорость отходящих газов была измерена с помощью измерителя скорости движения мыльного пузырька (пенника прим. переводчика), и состав отходящих газов был определен в конце пробега с помощью газового хроматографа PerKin-Elmer Model 154, оборудованного газовым анализатором с разделительной колонной. В конце пробега регенерации вся промывная жидкость была разбавлена до приблизительно 200 граммов с помощью дистиллированной воды. Взвешенное количество МЭК было использовано в качестве внутреннего стандарта в 50 граммах аликвотной доли разбавленного раствора. 6 микролитров образца были проанализированы в газовом хроматографе 5710 Hewlett-Packard, оборудованном пламенно-ионизационным детектором и "саrbоpаk"- колонной. Количество НСN было определено посредством титрования с помощью AgNO3.Формула изобретения
1 1. Способ получения ненасыщенных нитрилов акрилонитрила или метакрилонитрила или их смеси путем контактирования олефина, выбранного из группы, содержащей пропилен, бутилен или их смесь, с аммиаком и кислородсодержащим газом в паровой фазе при 300 600С и повышенном давлении в присутствии оксидного катализатора, отличающийся тем, что контактирование проводят в присутствии катализатора, имеющего следующую эмпирическую формулу6 MoaBibFecCodNieCrf XgYiOk,1 где X фосфор или сурьма или их смесь;4 Y щелочной металл или их смесь;4 a 12 14;4 b 1 5;4 c 0,5 5,0;4 d, e 0,1 6,0;4 f 0,1 4,0; g 0,1 4,0;4 i 0,1 2,0;4 k число, определяемое валентностью всех элементов.2 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс проводят при 430 435С.2 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют катализатор, нанесенный на носитель, выбранный из группы, содержащей диоксид кремния, оксид алюминия или их смесь.2 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве носителя используют диоксид алюминия.2 5. Способ по п.3, отличающийся тем, что количество носителя составляет 50% от массы катализатора.2 6. Катализатор для получения ненасыщенных нитрилов путем окислительного амминирования олефинов, включающий кислородсодержащие соединения молибдена, висмута, железа, кобальта, никеля, фосфора или сурьмы, одного или более щелочного металла, отличающийся тем, что он дополнительно содержит хром и состав катализатора соответствует эмпирической формуле6 MoaBibFecCodNieCrfXg YiOk,1 где X фосфор или сурьма или их смесь;4 Y щелочной металл или их смесь;4 a 12 14;4 b 1 5;4 c 0,5 5,0;4 d, e 0,1 6,0;4 f 0,1 4,0;4 g 0,1 4,0;4 i 0,1 2,0;4 k число, определяемое валентностью всех элементов.2 7. Катализатор по п.6, отличающийся тем, что он дополнительно содержит носитель, выбранный из группы, включающей диоксид кремния, оксид алюминия или их смесь.РИСУНКИ
Рисунок 1PD4A - Изменение наименования обладателя патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение
(73) Новое наименование патентообладателя:ИНЕОС ЮЭСЭЙ ЛЛК (US)
Адрес для переписки:103735, Москва, ул. Ильинка, 5/2, ООО "Союзпатент"
Извещение опубликовано: 27.10.2008 БИ: 30/2008