DE10033121A1 - Verfahren zur Herstellung von Acrylsäure durch heterogen katalysierte Gasphasenoxidation - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Acrylsäure durch heterogen katalysierte Gasphasenoxidation an einer Multimetalloxidmasse, die die Elemente Mo, V und Te und/oder Sb enthält und auf hydrothermalem Herstellweg gewonnen wird.

Description

Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Acrylsäure durch heterogen katalysierte Gasphasenoxidation von Propan mit molekularem Sauerstoff bei erhöhter Temperatur an einer Multimetalloxidmasse der allgemeinen Formel I,

Mo₁V_bM¹ _cM² _dO_n (I),

mit
M¹ = Te und/oder Sb,
M² = wenigstens eines der Elemente aus der Gruppe umfassend Nb, Ta, W, Ti, Al, Zr, Cr, Mn, Fe, Ru, Co, Rh, Ni, Pd, Ga, Pt, Bi, B und Ce,
b = 0,01 bis 1,
c = 0,01 bis 1,
d = 0,01 bis 1 und
n = eine Zahl, die durch die Wertigkeit und Häufigkeit der von Sauerstoff verschiedenen Elemente in I bestimmt wird,
Multimetalloxidmassen der allgemeinen Formel I sind bekannt (vgl. z. B. EP-A 608 838, EP-A 529 853, Proceedings ISO'99, Rimini (Italy), Sept. 10-11, 1999, G. Centi and S. Perathoner Ed., SCI Pub. 1999, EP-A 767 164, Catalysis Today 49 (1999) S. 141-153, EP-A 962 253, Applied Catalysis A: General 194 bis T95 (2000) S. 479 bis 485, JP-A 11/169716, EP-A 895 809 und DE-A 198 35 247. Multimetalloxidmassen mit einer Zusammensetzung wie die Multi­ metalloxidmassen I sind auch aus der WO 00-29106 bekannt.

Es ist ebenfalls bekannt, Multimetalloxidmassen der allgemeinen Formel I als Katalysatoren für die heterogen katalysierte Gas­ phasenoxidation von Propan zu Acrylsäure zu verwenden (vgl. z. B. JP-A 11/169716, EP-A 962 253, Proceedings ISO'99, Rimini (Italy), Sept. 10-11, 1999, G. Centi and S. Perathoner Ed., SCI Pub. 1999, WO 00-29106 und EP-A 608 838).

Acrylsäure ist eine wichtige ethylenisch ungesättigte Verbindung, die sowohl als solche als auch in Gestalt ihrer Alkylester zur Herstellung von Polymerisaten Verwendung findet.

Denjenigen Schriften, die Multimetalloxidmassen der allgemeinen Formel I als Katalysatoren für die heterogen katalysierte Gas­ phasenoxidation von Propan zu Acrylsäure empfehlen, ist gemein, die Multimetalloxidmassen der allgemeinen Formel I dadurch herzu­ stellen, daß bei Normaldruck (1 atm) zunächst aus Quellen (Ausgangsverbindungen) ihrer elementaren Konstituenten ein mög­ lichst inniges, vorzugsweise feinteiliges Trockengemisch erzeugt und dieses anschließend durch thermische Behandlung in ein akti­ ves Oxid überführt wird.

Das innige Vermischen der Ausgangsverbindungen kann dabei in trockener oder in nasser Form erfolgen. Erfolgt es in trockener Form, werden die Ausgangsverbindungen zweckmäßigerweise als fein­ teilige Pulver eingesetzt und nach dem Mischen und gegebenenfalls Verdichten der, thermischen Behandlung unterworfen. Vorzugsweise erfolgt das innige Vermischen jedoch in nasser, üblicherweise in wäßriger Form. Dabei werden die Ausgangsverbindungen in Form einer wäßrigen Lösung und/oder Suspension miteinander vermischt. Anschließend wird die wäßrige Masse getrocknet und nach Trocknung thermisch behandelt. Charakteristisch für die beschriebene Herstellweise des Standes der Technik ist, daß alle Herstell­ schritte bei Atmosphärendruck durchgeführt werden.

Nachteilig an den so hergestellten Multimetalloxidmassen I des Standes der Technik ist jedoch, daß sowohl ihre Aktivität als auch ihre Selektivität der Acrylsäurebildung bei einer Verwendung als Katalysatoren für die heterogen katalysierte Gasphasen­ oxidation von Propan zu Acrylsäure nicht voll zu befriedigen ver­ mögen.

Das gleiche Defizit weisen die vorgenannten Multimetalloxid­ massen I des Standes der Technik auch im Hinblick auf eine Verwendung als Katalysatoren für die heterogen katalysierte Gas­ phasenammonxidation von Propan zu Acrylnitril auf.

Gemäß Applied Catalysis A: General 194 bis 195 (2000) S. 479 bis 485 konnte eine Verbesserung der Multimetalloxidmassen I im Hin­ blick auf ihre Aktivität bei Verwendung als Katalysatoren für die heterogen katalysierte Gasphasenammonxidation von Propan zu Acrylnitril dadurch erzielt werden, daß die Herstellung des abschließend zur Erzeugung des aktiven Oxids thermisch zu behan­ delnden innigen Trockengemisches auf hydrothermalem Weg vorgenom­ men wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, ein in entsprechender Weise verbessertes Verfahren der heterogen katalysierten Gas­ phasenoxidation von Propan zu Acrylsäure zur Verfügung zu stel­ len, mit dem zusätzlich noch eine erhöhte Selektivität der Acryl­ säurebildung erzielt wird.

Demgemäß wurde ein Verfahren zur Herstellung von Acrylsäure durch heterogen katalysierte Gasphasenoxidation von Propan mit moleku­ larem Sauerstoff bei erhöhter Temperatur an einer Multimetall­ oxidmasse der allgemeinen Formel I

Mo₁V_bM¹ _cM² _dO_n (I),

mit
M¹ = Te und/oder Sb,
M² = wenigstens eines der Elemente aus der Gruppe umfassend Nb, Ta, W, Ti, Al, Zr, Cr, Mn, Fe, Ru, Co, Rh, Ni, Pd, Ga, Pt, Bi, B und Ce,
b = 0,01 bis 1,
c = 0,01 bis 1,
d = 0,01 bis 1 und
n = eine Zahl, die durch die Wertigkeit und Häufigkeit der von Sauerstoff verschiedenen Elemente in I bestimmt wird,
gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Herstellung der Multimetalloxidmasse so erfolgt, daß man ein Gemisch aus. Quellen der elementaren Konstituenten der Multimetalloxidmassen I einer hydrothermalen Behandlung unterwirft, den sich dabei neu bilden­ den Feststoff abtrennt und durch thermische Behandlung in ein ak­ tives Oxid überführt.

Erfindungsgemäß bevorzugt ist die Verwendung von Multimetalloxid­ massen I mit M¹ = Te.

Ferner sind Multimetalloxidmassen erfindungsgemäß günstig, bei denen M² Nb, Ta, W und/oder Titan ist. Vorzugsweise ist M² = Nb.

Der stöchiometrische Koeffizient b der erfindungsgemäß zu verwen­ denden Multimetalloxidmassen L beträgt mit Vorteil 0,1 bis 0,6. In entsprechender Weise beläuft sich der Vorzugsbereich für den stöchiometrischen Koeffizienten c auf 0,05 bis 0,4 und günstige Werte für d betragen 0,01 bis 0,6. Besonders günstige erfindungs­ gemäß zu verwendende Multimetalloxidmassen I sind solche, bei de­ nen die stöchiometrischen Koeffizienten b, c und d simultan in den vorgenannten Vorzugsbereichen liegen.

Weitere erfindungsgemäß geeignete Stöchiometrien für die Multi­ metalloxidmassen I sind jene, die in den Schriften EP-A 608 838, WO 00-29106, JP-A 11/169716 und EP-A 962 253 offenbart sind.

Die hydrothermale Herstellung von Multimetalloxidaktivmassenvor­ läufern ist dem Fachmann vertraut (vgl. z. B. Applied CataTysis A: 194 bis 195 (2000) 479-485, Kinetics and Catalysis, Vol. 40, No. 3, 1999, pp. 401 bis 404, Chem. Commun., 1999, 517 bis 518, JP-A 6/227819 und JP-A 2000/26123).

Im besonderen wird hier darunter die thermische Behandlung eines, vorzugsweise innigen, Gemisches von Quellen der elementaren Kon­ stituenten der gewünschten Multimetalloxidmasse I in einem Über­ druckgefäß (Autoklav) im Beisein von überatmosphärischen Druck aufweisendem Wasserdampf, üblicherweise bei Temperaturen im Be­ reich von <100°C bis 600°C, verstanden. Der Druckbereich erstreckt sich dabei in typischer Weise auf bis zu 500 atm, vorzugsweise . auf bis zu 250 atm. Selbstverständlich können erfindungsgemäß auch Temperaturen oberhalb von 600°C und Wasserdampfdrucke ober­ halb von 500 atm angewendet werden, was anwendungstechnisch je­ doch wenig zweckmäßig ist. Mit besonderem Vorteil erfolgt die erfindungsgemäße hydrothermale Behandlung unter solchen Bedingun­ gen, unter denen Wasserdampf und flüssiges Wasser koexistieren. Dies ist im Temperaturbereich von < 100°C bis 374,15°C (kritische Temperatur des Wassers) unter Anwendung der entsprechenden Drücke möglich. Die Mengen an Wasser werden dabei zweckmäßig so bemes­ sen, daß die flüssige Phase die Gesamtmenge der Ausgangs­ verbindungen in Suspension und/oder Lösung aufzunehmen vermag.

Erfindungsgemäß möglich ist aber auch eine solche Verfahrens­ weise, bei der das innige Gemisch der Ausgangsverbindungen die mit dem Wasserdampf im Gleichgewicht befindliche flüssige Wasser­ menge vollständig absorbiert.

Erfindungsgemäß vorteilhaft erfolgt die hydrothermale Behandlung bei Temperaturen von < 100 bis 300°C, vorzugsweise bei Temperatu­ ren von 150 bis 250°C (z. B. 160 bis 180°C). Bezogen auf die Summe aus Wasser und Quellen der elementaren Konstituenten der ge­ wünschten Multimetalloxidmasse I beträgt der Gewichtsanteil der letzteren im Autoklaven erfindungsgemäß in der Regel wenigstens 1 Gew.-%. Üblicherweise liegt der vorgenannte Gewichtsanteil nicht oberhalb von 90 Gew.-%. Typisch sind Gewichtsanteile von 3 bis 60, bzw. von 5 bis 30 Gew.-%, häufig 5 bis 15 Gew.-%.

Während der hydrothermalen Behandlung kann sowohl gerührt als auch nicht gerührt werden. Zur erfindungsgemäß hydrothermalen Herstellvariante kommen als Ausgangsverbindungen (Quellen) ins­ besondere alle diejenigen in Betracht, die beim Erhitzen unter Überdruck mit Wasser Oxide und/oder Hydroxide zu bilden vermögen. Selbstredend können als Ausgangsverbindungen für die erfindungs­ gemäße hydrothermale Herstellung auch bereits Oxide und/oder Hy­ droxide der elementaren Konstituenten mitverwendet oder aus­ schließlich verwendet werden. In der Regel werden die Quellen in feinteiliger Form eingesetzt.

Erfindungsgemäß geeignete Quellen für das Element Mo sind z. B. Molybdänoxide wie Molybdäntrioxid, Molybdate wie Ammoniumhepta­ molybdattetrahydrat und Molybdänhalogenide wie Molybdähchlorid.

Geeignete erfindungsgemäß mit zu verwendende Ausgangsverbindungen für das Element V sind z. B. Vanadylacetylacetonat, Vanadate wie Ammoniummetavandat, Vanadinoxide wie Vanadinpentoxid (V₂O₅), Vana­ dinhalogenide wie Vanadintetrachlorid (VCl₄) und Vanadinoxyhaloge­ nide wie VOCl₃. Zweckmäßigerweise werden als Vanadinausgangsver­ bindungen solche mitverwendet, die das Vanadin in der Oxidations­ stufe +4 enthalten.

Als Quellen für das Element Tellur eignen sich erfindungsgemäß Telluroxide wie Tellurdioxid, metallisches Tellur, Tellurhaloge­ nide wie TeCl₂, aber auch Tellursäuren wie Orthotellursäure H₆TeO₆.

Vorteilhafte Antimonausgangsverbindungen sind Antimonhalogenide, wie SbCl₃, Antimonoxide wie Antimontrioxid (Sb₂O₃), Antimonsäuren wie HSb(OH)₆, aber auch Antimonoxid-salze wie Antimonoxid-sulfat (SbO₂)SO₄.

Erfindungsgemäß geeignete Niobquellen sind z. B. Nioboxide wie Niobpentoxid (Nb₂O₅), Nioboxidhalogenide wie NbOCl₃, Niobhaloge­ nide wie NbCl₅, aber auch komplexe Verbindungen aus Niob und orga­ nischen Carbonsäuren und/oder Dicarbonsäuren wie z. B. Oxalate und Alkoholate.

Bezüglich aller anderen möglichen Elemente M² kommen als erfindungsgemäß geeignete Ausgangsverbindungen vor allem deren Halogenide, Nitrate, Formiate, Oxalate, Acetate, Carbonate und/­ oder Hydroxide in Betracht. Geeignete Ausgangsverbindungen sind vielfach auch deren Oxoverbindungen wie z. B. Wolframate bzw. die von diesen abgeleiteten Säuren. Häufig werden als Ausgangs­ verbindungen auch Ammoniumsalze eingesetzt.

Ferner kommen als Ausgangsverbindungen für die erfindungsgemäße hydrothermale Variante Polyanionen vom Anderson Typ in Betracht, wie sie z. B. in Polyhedron Vol. 6, No. 2, pp. 213-218, 1987 be­ schrieben und z. B. in Applied Catalysis A: General 194-195 (200) 479-485 zur Herstellung von erfindungsgemäß geeigneten Multimetalloxiden I verwendet worden bzw. in der darin zitierten Sekundärliteratur offenbart sind. Eine weitere geeignete Litera­ turquelle für Polyanionen vom Anderson Typ bildet Kinetics and Catalysis, Vol. 40, No. 3, 1999, pp. 401 bis 404.

Weitere als Ausgangsverbindungen geeignete Polyanionen sind z. B. solche vom Dawson oder Keggin Typ. Vorzugsweise werden erfindungsgemäß solche Ausgangsverbindungen verwendet, die sich bei erhöhten Temperaturen entweder im Beisein oder bei Ausschluß von Sauerstoff unter Freisetzung gasförmiger Verbindungen in ihre Oxide umwandeln.

Die hydrothermale Behandlung selbst nimmt in der Regel eine Zeit­ dauer von wenigen Stunden bis zu einigen Tagen in Anspruch. Ty­ pisch ist ein Zeitraum von 48 h. Anwendungstechnisch zweckmäßig ist der für die hydrothermale Behandlung zu verwendende Autoklav innenseitig mit Teflon beschichtet. Vorab der hydrothermalen Be­ handlung kann der Autoklav, gegebenenfalls einschließlich des enthaltenen wäßrigen Gemisches, evakuiert werden. Anschließend kann vor der Temperaturerhöhung mit Inertgas (N₂, Edelgas) gefüllt werden. Beide Maßnahmen können auch unterlassen werden. Selbstre­ dend kann das wäßrige Gemisch zur Inertisierung vorab einer hydrothermalen Behandlung zusätzlich mit Inertgas gespült werden. Die vorgenannten Inertgase können anwendungstechnisch zweckmäßig auch dazu benutzt werden, bereits vorab der hydrothermalen Be­ handlung im Autoklaven überatmosphärischen Druck einzustellen.

Die erfindungsgemäß erforderliche Behandlung des sich im Verlauf der hydrothermalen Behandlung neu gebildeten und nach Beendigung der hydrothermalen Behandlung (nach Beendigung der hydrothermalen Behandlung kann der Autoklav entweder auf Raumtemperatur abge­ schreckt oder langsam, d. h., über einen längeren Zeitraum (z. B. durch sich selbst überlassen) auf Raumtemperatur gebracht werden) abgetrennten Feststoffs wird zweckmäßigerweise bei einer Temperatur von 350 bis 700°C, häufig bei einer Temperatur von 400 bis 650°C, bzw. 400 bis 600°C durchgeführt. Sie kann sowohl unter oxidierender, reduzierender als auch unter inerter Atmosphäre er­ folgen. Als oxidierende Atmosphäre kommt z. B. Luft, mit molekula­ rem Sauerstoff angereicherte Luft oder an Sauerstoff entreicherte Luft in Betracht. Vorzugsweise wird die thermische Behandlung unter inerter Atmosphäre, d. h., z. B. unter molekularem Stickstoff und/oder Edelgas, durchgeführt. Selbstverständlich kann die ther­ mische Behandlung auch unter Vakuum erfolgen.

Erfolgt die thermische Behandlung unter gasförmiger Atmosphäre, kann diese sowohl stehen als auch fließen.

Insgesamt kann die thermische Behandlung bis zu 24 h oder mehr in Anspruch nehmen.

Bevorzugt erfolgt die thermische Behandlung zunächst unter oxi­ dierender (Sauerstoff enthaltender) Atmosphäre (z. B. unter Luft) bei einer Temperatur von 150 bis 400°C bzw. 250 bis 350°C. Im An­ schluß daran wird die thermische Behandlung zweckmäßig unter Inertgas bei Temperaturen von 350 bis 700 W bzw. 400 bis 650°C oder 400 bis 600°C fortgesetzt. Selbstredend kann die thermische Behandlung des hydrothermal erzeugten Katalysatorvorläufers auch so erfolgen, daß die Katalysatorvorläufermasse zunächst tablet­ tiert, dann thermisch behandelt und nachfolgend versplittet wird.

Anwendungstechnisch zweckmäßig wird der im Rahmen der hydro­ thermalen Behandlung gewonnene Feststoff zur nachfolgenden ther­ mischen Behandlung versplittet.

Verwendet man für die erfindungsgemäße Herstellung der erfindungsgemäß zu verwendenden Multimetalloxidmassen I die glei­ chen Ausgangsverbindungen wie für eine konventionelle Herstellung von Multimetalloxiden I und führt man die thermische Behandlung des in konventioneller Weise erzeugten innigen Trocknungsgemi­ sches in gleicher Weise durch, wie die thermische Behandlung des hydrothermal gewonnenen Feststoffs, weisen die erfindungsgemäß hergestellten Multimetalloxidmassen I bezüglich der heterogen ka­ talysierten Gasphasenoxidation von Propan zu Acrylsäure unter gleichen Bedingungen in der Regel eine höhere Selektivität der Acrylsäurebildung sowie eine erhöhte Aktivität auf.

Die erfindungsgemäß erhältlichen Multimetalloxidmassen I können als solche (z. B. zu Pulver oder zu Splitt zerkleinert) oder auch zu Formkörpern geformt für das erfindungsgemäße Verfahren einge­ setzt werden. Dabei kann das Katalysatorbett sowohl ein Festbett, ein Wanderbett oder ein Wirbelbett sein.

Im übrigen kann das erfindungsgemäße Verfahren wie die in der EP-A 608 838 oder wie die in der WO 00/29106 beschriebene Verfahrensweise durchgeführt werden.

D. h., das Reaktionsgasgemisch, mit dem die erfindungsgemäße Multimetalloxidaktivmasse bei Reaktionstemperaturen von z. B. 200 bis 550°C oder von 230 bis 480°C bzw. 300 bis 440°C zu belasten ist, kann z. B. nachfolgende Zusammensetzung aufweisen:
 1 bis 15, vorzugsweise 1 bis 7 Vol.-% Propan,
44 bis 99 Vol.-% Luft und
 0 bis 55 Vol.-% Wasserdampf.

Bevorzugt sind Wasserdampf enthaltende Reaktionsgasgemische.

Als andere mögliche Zusammensetzungen des Reaktionsgasgemisches kommen in Betracht:
70 bis 95 Vol.-% Propan,
 5 bis 30 Vol.-% molekularer Sauerstoff und
 0 bis 25 Vol.-% Wasserdampf.

Selbstredend wird beim erfindungsgemäßen Verfahren ein Produkt­ gasgemisch erhalten, das nicht ausschließlich aus Acrylsäure be­ steht. Vielmehr enthält das Produktgasgemisch Nebenkomponenten wie Propan, Acrolein, CO, H₂O, Essigsäure, Propionsäure etc., von denen die Acrylsäure abgetrennt werden muß.

Dies kann so erfolgen, wie es von der heterogen katalysierten Gasphasenoxidation von Propen zu Acrylsäure bekannt ist.

D. h., aus dem Produktgasgemisch kann die enthaltene Acrylsäure durch Absorption mit Wasser oder durch die Absorption mit einem hochsiedenden inerten hydrophoben organischen Lösungsmittel (z. B. einem Gemisch aus Diphenylether und Diphyl das gegebenenfalls noch Zusätze wie Dimethylphthalat enthalten kann) aufgenommen werden. Das dabei resultierende Gemisch aus Absorbens und Acryl­ säure kann anschließend in an sich bekannter Weise rektifikativ, extraktiv und/oder kristallisativbis zur Reinacrylsäure aufgear­ beitet werden. Altetnativ kann die Grundabtrennung der Acrylsäure aus dem Produktgasgemisch aüch durch fraktionierte Kondensation erfolgen, wie es z. B. in der DE-A 199 24 532 beschrieben ist.

Das dabei resultierende wäßrige Acrylsäurekondensat kann dann z. B. durch fraktionierte Kristallisation (z. B. Suspensions­ kristallisation und/oder Schichtkristallisation) weitergereinigt werden.

Das bei der Grundabtrennung der Acrylsäure verbleibende Restgas­ gemisch enthält insbesondere nicht umgesetztes Propan. Dies kann aus dem Restgasgemisch z. B. durch fraktionierte Druckrektifika­ tion abgetrennt und anschließend in die erfindungsgemäße Gas­ phasenoxidation rückgeführt werden. Günstiger ist es jedoch, das Restgas in einer Extraktionsvorrichtung mit einem hydrophoben or­ ganischem Lösungsmittel in Kontakt zu bringen (z. B. durch selbiges durchleiten), das das Propan bevorzugt zu absorbieren vermag. Durch nachfolgende Desorption und/oder Strippung mit Luft kann das absorbierte Propan wieder freigesetzt und in das erfindungsgemäße Verfahren rückgeführt werden. Auf diese Weise sind wirtschaftliche Gesamtpropanumsätze erzielbar.

Erfindungsgemäß wesentlich ist, daß das erfindungsgemäße Verfah­ ren infolge der erhöhten Katalysatoraktivität für, auf einmaligen Durchgang bezogene, gleiche Propanumsätze geringere Reaktions­ temperaturen erfordert und gleichzeitig eine erhöhte Selektivität der Acrylsäurebildung ermöglicht.

Das Röntgendiffraktogramm der erfindungsgemäßen Mültimetalloxid­ massen I entspricht in der Regel im wesentlichen jenen aus den Schriften EP-A 529 853, DE-A 198 35 247 und EP-A 608 838.

Die erfindungsgemäß zu verwendenden Mulitmetalloxidkatalysatoren eignen sich, auch zur gasphasenkatalytisch oxidativen Herstellung von Methacrylsäure aus deren C₄-Vorläufern wie z. B. n-Butan oder iso-Butan.

Abschließend sei vermerkt, daß die erfindungsgemäß zu verwenden­ den Multimetalloxidmassen (I) auch in mit feinteiligen, z. B. kol­ loidalen, Materialien wie Siliciumdioxid, Titandioxid, Aluminium­ oxid, Zirkonoxid, Nioboxid verdünnter Form im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden können.

Das Verdünnungsmassenverhältnis kann dabei bis zu 9 (Verdünner) : 1 (Aktivmasse) betragen. D. h., mögliche Verdünnungsmassenverhält­ nisse sind auch 6 (Verdünner) : 1 (Aktivmasse) und 3 (Verdünner) : 1 (Aktivmasse). Die Einarbeitung der Verdünner kann vor und/­ oder nach der Calcination erfolgen. In der Regel erfolgt die Ein­ arbeitung des Verdünners vor der hydrothermalen Behandlung. Er­ folgt die Einarbeitung vor der Calcination, muß der Verdünner so gewählt werden, daß er bei der Calcination als solcher im wesent­ lichen erhalten bleibt. Das gleiche gilt bezüglich der hydro­ thermalen Behandlung bei einer Einarbeitung vor Durchführung der­ selben. Dies ist z. B. im Fall von bei entsprechend hohen Tempera­ turen gebrannten Oxiden in der Regel gegeben.

Beispiele A) Herstellung von Multimetalloxidaktivmassen I 1. Hydrothermale Herstellung

100 g Ammoniumheptamolybdat (81,5 Gew.-% MoO₃) werden bei einer Temperatur von 50°C zusammen mit 12,5 g Tellursäure (99 Gew.-% H₆TeO₆) in 422 ml H₂O gelöst (Lösung 1).

24,6 g Ammoniumnioboxalat (20,2 Gew.-% Niob, Firma Starck/­ Goslar, DE) und 12,5 g Tellursäure werden bei einer Temperatur von 50°C in 422 ml H₂O gelöst (Lösung 2).

41,1 g Vanadiumoxysulfathydrat (20,1 g V pro 100 g VOSO₄ × n H₂O) werden bei einer Temperatur von 50°C in 500 ml Wasser gelöst (Lösung 3).

Unter Aufrechterhaltung der 50°C wird die Lösung 2 in die Lösung 1 eingerührt. Dann wird, ebenfalls bei 50°C, die Lösung 3 innerhalb von 1 bis 2 min. in das Gemisch aus Lösung 1 und Lösung 2 getropft.

Die dabei resultierende Mischung wird umgehend in einen Auto­ klaven (Material Hastelloy C, Innenvolumen 2,5 l) überführt. Ohne Rühren wird das wäßrige Gemisch im geschlossenen Auto­ klaven auf 175°C aufgeheizt (innerhalb von 60 min).

Nach einer ungerührten Verweilzeit von 48 h bei 175°C im Autoklaven wird der Autoklav durch sich selbst überlassen auf 25°C abgekühlt, geöffnet und der in der flüssigen Phase ent­ haltene Feststoff aus der Lösung abfiltriert, mehrfach mit H₂O gewaschen und bei einer Temperatur von 40°C über Nacht ge­ trocknet.

In einer beheizbaren Drehkugel (Innenvolumen: 1 Liter, vgl. beiliegende Fig. 1) wird die Gesamtmenge (80 g) des über Nacht getrockneten Feststoffes während 1 h im Luftstrom (50 Nl/h) bei 275°C gehalten. Das Aufheizen von Raumtempera­ tur auf die 275°C erfolgt mit einer Aufheizrate von 10°C/min.

Anschließend werden die 50 Nl/h Luftstrom durch 50 Nl/h an molekularem Stickstoff abgelöst und mit einer Aufheizrate von 10°C/min die Temperatur von 275°C auf 600°C erhöht. Die Temperatur von 600°C wird während 2 h ebenso aufrechterhalten wie der molekulare Stickstoffstrom. Dann wird auf eine Temperatur von 25°C (Raumtemperatur) passiv abgekühlt.

Die resultierende Multimetalloxidaktivmasse weist die Zusammensetzung Mo₁ V_0,33 Te_0,22 Nb_0,11 O_n auf. Sie wird im Mörser zu Splitt verstoßen und die Kornfraktion, die durch quadratische Siebmaschen mit einer Kantenlänge von 1,2 mm noch durchfällt, von quadratischen Siebmaschen mit einer Kantenlänge von 0,6 mm aber nicht mehr durchgelassen wird, durch Sieben abgetrennt.

2. Herstellung gemäß Stand der Technik

In 1782 ml H₂O werden bei einer Temperatur von 60°C nachein­ ander 119,9 gVanadiumoxysulfathydrat (20,1 g V pro 100 g VOSO₄ × n H₂O), 253,2 g Ammoniumheptamolybolat (81,5 Gew.-% MoO₃) und 73,2 g Tellursäure gelöst (Lösung 1).

79,2 g Ammoniumnioboxalat (20, 2 Gew.-% Niob, Fa. Starck/­ Goslar, DE) werden bei einer Temperatur von 60°C in 330 ml H₂O gelöst (Lösung 2). Man läßt die Lösungen 1 und 2 auf 30°C ab­ kühlen und vereinigt sie unter Aufrechterhaltung der 30°C in­ nerhalb von 5 min., indem man die Lösung 2 zur Lösung 1 gibt. Die resultierende Mischung läßt man noch 15 min bei 30°C nachrühren und stellt aus dem wäßrigen Gemisch durch Sprüh­ trocknung (Eingangstemperatur: 240°C, Ausgangstemperatur: 110°C; AIS Niro Atomizer transportable Minor-Anlage) einen Katalysatorvorläufer her. Das resultierende Sprühpulver wird tablettiert (5 mm × 3 mm). Die resultierenden Tabletten wei­ sen eine Seitendruckfestigkeit von 120 N auf.

Die Tabletten werden wie der hydrothermale Feststoff aus 1. thermisch behandelt und zu Splitt verarbeitet, von welchem wiederum die Kornfraktion "0,6 mm-1,2 mm" durch Sieben als Multimetalloxidaktivmasse abgetrennt wird. Die stöchiome­ trische Zusammensetzung lautet Mo₁ V_0,33 Te_0,22 Nb_0,11 O_n.

B) Heterogen katalysierte Gasphasenoxidation von Propan zu Acrylsäure

Mit jeweils 35 g der abgetrennten Multimetalloxidaktivmassen­ kornfraktion aus A) 1. bzw. A) 2. wird ein Rohrreaktor (V2A- Stahl, Wanddicke 2,5 cm, Länge 140 cm, Innendurchmesser 0,85 cm, Kontaktstuhlhöhe 7 cm) beschickt. Vor der Multi­ metalloxidaktivmasse wird auf den Kontaktstuhl eine Vorschüt­ tung aus 30 cm Quarzsplitt (Körnung 1-2 mm) und nach der Multimetalloxidaktivmasse eine Nachschüttung aus 30 cm Quarz­ splitt (Körnung 1-2 mm) aufgebracht. Mittels elektrisch be­ heizter Heizmatten wird von außen die Außenwandtemperatur des beschickten Reaktionsrohres auf 300°C eingestellt. Dann wird das Reaktionsrohr mit 75 Nl/l Katalysator × h eines Reaktionsgasausgangsgemisches der Zusammensetzung Propan : Luft : H₂O = 1 : 15 : 14 (molare Verhältnisse) von oben nach unten beschickten (der Sitz das Kontaktstuhles im Reaktions­ rohr ist unten). Innerhalb von 2 h wird dann linear auf die für einen Propanumsatz bei einfachem Durchgang von 20 mol.-% erforderliche Reaktionsrohrwandtemperatur (Reaktionstempera­ tur) aufgeheizt.

Der Druck im Reaktionsrohr beträgt ca. 2 atm absolut (der Druckverlust über das Reaktionsrohr beträgt ca. 0,1 atm). Der Wasserdampf wird erst bei Erreichung der Reaktionstemperatur zudosiert. Das Produktgasgemisch wird gaschromatographisch analysiert.

Als Ergebnisse werden erhalten:

• a) Multimetalloxidaktivmasse A) 1.:
  Reaktionstemperatur = T¹
  Propanumsatz bei, einfachem Durchgang: 25 mol.-%
  Selektivität der Acrylsäurebildung: X mol.-%
• b) Multimetalloxidaktivmasse A) 2.:
  Reaktionstemperatur = T²
  Propanumsatz bei einfachem Durchgang: 25 mol.-%
  Selektivität der Acrylsäurebildung: Y mol.-%
• c) Dabei gilt: T1 < T2 und X < Y.

In der beiliegenden Fig. 1 der Calcinationsdrehkugel besit­ zen die verwendeten Ziffern die nachfolgende Bedeutung: 1 Ofengehäuse
2 Drehkolben
3 beheizter Raum
4 Stickstoff-Luftstrom

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung von Acrylsäure durch heterogen ka­ talysierte Gasphasenoxidation von Propan mit molekularem Sau­ erstoff bei erhöhter Temperatur an einer Multimetalloxidmasse der allgemeinen Formel I,
Mo₁V_bM¹ _cM² _dO_n (I),
mit
M¹ = Te und/oder Sb,
M² = wenigstens eines der Elemente aus der Gruppe umfassend Nb, Ta, W, Ti, A1, Zr, Cr, Mn, Fe, Ru, Co, Rh, Ni, Pd, Ga, Pt, Bi, B und Ce,
b = 0,01 bis 1,
c = 0,01 bis 1,
d = 0,01 bis 1 und
n = eine Zahl, die durch die Wertigkeit und Häufigkeit der von Sauerstoff verschiedenen Elemente in I bestimmt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung der Multimetall­ oxidmasse I so erfolgt ist, daß man ein Gemisch aus Quellen der elementaren Konstituenten der Multimetalloxidmasse I einer hydrothermalen Behandlung unterwirft, den sich dabei neu bildenden Feststoff abtrennt und durch thermische Behand­ lung in ein aktives Oxid überführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß M₁ = Te.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß M² = Nb.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß b = 0,1 bis 0,6.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß c = 0,05 bis 0,4.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß d = 0,01 bis 0,6.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die thermische Behandlung bei einer Temperatur von 350 bis 700°C erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die thermische Behandlung zunächst bei einer Temperatur von 150 bis 400°C unter Sauerstoff haltiger At­ mosphäre und anschließend bei einer Temperatur von 350 bis 700°C unter Inertgasatmosphäre erfolgt.

9. Verwendung einer Multimetalloxidmasse der allgemeinen For­ mel I
Mo₁V_bM¹ _cM² _dO_n (I),
mit
M¹ = Te und/oder Sb,
M² wenigstens eines der Elemente aus der Gruppe umfassend Nb, Ta, W, Ti, Al, Zr, Cr, Mn, Fe, Ru, Co, Rh, Ni, Pd, Ga, Pt, Bi, B und Ce,
b = 0,01 bis 1,
c = 0,01 bis 1,
d = 0,01 bis 1 und
n = eine Zahl, die durch die Wertigkeit und Häufigkeit der von Sauerstoff verschiedenen Elemente in I bestimmt wird,
deren Herstellung so erfolgt ist, daß man ein Gemisch aus Quellen der elementaren Konstituenten der Multimetalloxid­ masse I einer hydrothermalen Behandlung unterwirft, den sich dabei neu bildenden Feststoff abtrennt und durch thermische Behandlung in ein aktives Oxid überführt,
als Katalysator für die heterogen katalysierte Gasphasen­ oxidation von Propan zu Acrylsäure.