Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОЧИСТКИ СЫРОЙ ТЕРЕФТАЛЕВОЙ КИСЛОТЫ И ПРИГОДНЫЕ ДЛЯ ЭТОГО, СОДЕРЖАЩИЕ УГЛЕРОДНЫЕ ВОЛОКНА КАТАЛИЗАТОРЫ

Изобретение относится к способу очистки сырой терефталевой кислоты посредством гидрирующей обработки на катализаторе, который содержит по меньшей мере один нанесенный на углеродный носитель металл гидрирования. Изобретение относится далее к реактору и к содержащим углеродные волокна катализаторам, к способу их получения и к их применению, в частности, в качестве катализатора гидрирования.

Наибольшее количество терефталевой кислоты технически получают способом окисления в жидкой фазе, разработанным фирмой Амоко, США. При этом способе п-ксилол окисляют кислородом воздуха под давлением в 95%-ной уксусной кислоте с помощью состоящей из солей кобальта и марганца, а также соединений брома катализаторной системы. По окончании стадии окисления при способе Амоко требуется стадия очистки, если полученная терефталевая кислота должна далее перерабатываться в волокна. Задачей стадии очистки является в основном перевод образовавшегося вследствие частичного оксиления 4-карбоксибензальдегида в не мешающее или легко отделяемое соединение. Обычно образуется около 5000 ч/милл. 4-карбоксибензальдегида. Это соединение должно удаляться, так как оно мешает реакции поликонденсации при дальнейшей переработке терефталевой кислоты. С другой стороны, имеет место мешающее окрашивание в желтый цвет продуктов конденсации.

Для решения этой задачи наиболее широко распространено дополнительное подключение стадии гидрирования, на которой водный раствор сырой терефталевой кислоты при температуре около 250°С под давлением обрабатывают на катализаторе на основе благородных металлов, нанесенных и на уголь. При этом происходит преобразование 4-карбоксибензальдегида в п-толуиловую кислоту, которая в противоположность к альдегиду может легко отделяться от целевого продукта терефталевой кислоты посредством кристаллизации. Основной принцип этого способа описан в патенте США №3584039. Применяемые в катализаторе углеродные носители являются порошкообразными или гранульными.

При техническом выполнении способа гидрирования обычно применяются кусковые катализаторы, которые обычно содержат 0,5 мас.% палладия на технически доступном углеродном носителе, что описывается в заявке ЕР-А-0879641. Хотя задача гидрирования может этим удовлетворительно решаться, применяемые в промышленных условиях катализаторы обладают некоторыми недостатками. В частности, слои кусковых катализаторов, которые нанесены на углерод в качестве носителя, имеют тот недостаток, что вследствие относительно низкой механической стабильности материала носителя при возникающих в условиях эксплуатации движениях в катализаторном слое имеет место истирание с образованием пыли, которая должна затем удаляться от продукта. К тому же это истирание связано с потерей дорогих активных компонентов из благородных металлов. Кроме того, часто наблюдается то, что во время эксплуатации также получаются потери дорогих активных компонентов из благородных металлов, если они в достаточной мере химически не зафиксированы на материале носителя.

Неподвижный слой катализатора, содержащего активированные углеродные волокна, на которые осаждением нанесен(ы) один или несколько каталитически активных компонентов, описан в публикации DE-A-3229905. Углеродные волокна выполнены как структура, в которой они переплетены друг с другом и создают объемно-наполняющее состояние. При этом углеродные волокна имеются в похожей на войлок форме.

Монолитные катализаторы применяются для гидрирования уже в течение продолжительного времени. В публикации ЕР-А-0827944 описывается подобный способ гидрирования, при котором катализатор применяется в качестве слоя, предпочтительно являющегося монолитным. Катализаторный слой получают нанесением, по меньшей мере, одного каталитически активного вещества на тканевый, вязаный или пленочный материал в качестве носителя.

Нанесение на носитель каталитически активной массы может осуществляться различным образом. В заявке ЕР-А-0965384 описывается способ путем пропитки для нанесения каталитически активной массы на структурированный носитель или монолит. При этом применяется пропитывающая среда, которая имеет поверхностное натяжение максимально 50 мН/м. Из структурированных носителей получают монолиты. Применяемые для носителя материалы могут включать металлические или керамические вещества, а также углерод. Как описано в заявке ЕР-А-0827944, в качестве носителя катализатора или катализатора предпочтительно применяются полосы металлической ткани.

В международной заявке WO 99/26721 описывается получение носителя катализатора из волокон активированного угля. Для этого волокна искусственного шелка переводятся в волокна активированного угля и пропитываются каталитически активными металлами или обрабатываются методом катионообмена. Описывается придание формы носителю катализатора ткани и других плоских субстратов. Катализатор применяется в этой тканевой форме.

Важной областью применения катализаторов гидрирования является получение и очистка терефталевой кислоты.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа очистки сырой терефталевой кислоты и катализаторов гидрирования, которые не имеют недостатков известных катализаторов. Катализаторы должны, в частности, иметь высокую механическую стабильность и стойкость к истиранию и должны применяться преимущественно при гидрирующей обработке сырой терефталевой кислоты.

Поставленная задача решается согласно изобретению способом очистки сырой терефталевой кислоты гидрирующей обработкой на катализаторе, содержащем по меньшей мере один металл гидрирования, нанесенный на углеродный носитель, в качестве которого применяют углеродные волокна.

Каталитическая гидрирующая обработка может при этом осуществляться, как описано в патенте США №3584039. В частности, катализатор служит для гидрирования 4-карбоксибензальдегида с образованием п-толуиловой кислоты. Особенно предпочтительно способ проводят при температуре выше 200°С и под давлением преимущественно от 50 до 100 бар. При этом гидрирующая обработка может осуществляться непрерывно или периодически.

При этом углеродные волокна могут быть расположены в реакторе в любой подходящей форме. Например, они могут быть расположены упорядоченно или беспорядочно, например, беспорядочно в форме войлока, как это описано в заявке DE-A-3229905, или упорядоченно в форме плоского изделия, как это описано, например, в международной заявке WO 99/26721. Пригодно любое пространственное расположение углеродных волокон, которое позволяет каталитическую гидрирующую обработку сырой терефталевой кислоты. Оно должно позволять контакт сырой терефталевой кислоты с углеродными волокнами и массообмен. Поэтому углеродные волокна расположены, как правило, таким образом, что раствор сырой терефталевой кислоты при каталитическом гидрировании мог перемещаться вдоль углеродных волокон.

При непрерывной подаче раствора исходной кислоты углеродные волокна размещены в реакторе предпочтительно таким образом, что поток жидкости через реактор течет по углеродным волокнам. Предпочтительные геометрические формы углеродных волокон подробно описываются ниже.

Катализатор может иметься в форме ткани, вязаного полотна, трикотажного полотна и/или войлока или в форме параллельных волокон или лент. Параллельные волокна или ленты могут быть направлены вдоль направления потока в реакторе.

Согласно одной форме выполнения настоящего изобретения плоский катализатор имеет, по меньшей мере, две противолежащие друг другу кромки, на которых он закреплен в реакторе с тем, чтобы обеспечить стабильно формы. При этом предпочтительно несколько полос плоского катализатора расположено параллельно к преимущественному направлению в реакторе, и при этом они расположены в пространстве таким образом, что во время оксилизации реактора почти полностью или преимущественно полностью предотвращается истирание полос вследствие их взаимного контакта или контакта со стенками реактора.

Выражение "противолежащие друг другу кромки" относится к плоскому катализатору, который имеет две кромки, ограничивающие поверхность с двух сторон. Кромки расположены при этом в основном параллельно друг к другу. Они выполнены предпочтительно прямыми, однако могут иметь и другие формы, например, они могут быть волнообразными или иметь форму различных других линий. Они предпочтительно параллельны друг к другу, однако могут образовывать между собой также и угол до 20°. Параллелограмм, например, имеет две подобные, параллельные друг к другу противолежащие кромки. Прямоугольник или квадрат имеет две расположенные вертикально друг к другу противолежащие друг другу пары кромок, которые ограничивают прямоугольник или квадрат. Противолежащие друг другу кромки выполнены согласно изобретению таким образом, что они позволяют крепление плоского катализатора в реакторе. Крепление осуществляется при этом с обеспечением стабильности формы. Выражение "стабильность формы" означает то, что закрепленный в реакторе катализатор перед, во время и после эксплуатации реактора сохраняет плоскую форму и не сжимается в клубок или кучу. Например, плоский катализатор может быть закреплен в реакторе, как прямой парус парусного судна. Плоская структура расположена при этом по реактору и при эксплуатации реактора в основном не изменяется.

Возможно, например, такое выполнение, при котором в цилиндрическом реакторе в его верхней и нижней зонах вертикально к продольной оси размещены две колосниковые решетки, между которыми зажаты плоский катализатор, соответственно, зажаты волокна или ленты. Если параллельные друг к другу решетки имеют несколько распорок, тогда несколько полос плоского катализатора могут быть закреплены параллельно друг к другу на этих крепежных приспособлениях. При этом под выражением "полосы" понимаются в основном прямоугольные участки плоского катализатора, которые в этой плоской форме закреплены, соответственно, зажаты в реакторе с обеспечением стабильности по форме. Несколько полос плоского катализатора расположено при этом преимущественно параллельно предпочтитаемому направлению в реакторе (приблизительно сравнимо с предпочтительной ориентацией жидких кристаллов в нематической жидкокристаллической фазе). Предпочтительное направление, например, в трубчатом реакторе может проходить вдоль его продольного направления. Однако также может иметься угловое положение к продольному направлению реактора. Полосы в реакторе расположены предпочтительно таким образом, что их предпочитаемое направление совпадает в основном с направлением потока реакционной смеси.

Полосы расположены относительно реактора и друг относительно друга предпочтительно таким образом, что истирание полос вследствие взаимного соприкосновения или со стенками реактора во время эксплуатации реактора в основном предотвращается. Это обеспечивается достаточным расстоянием полос между собой и между ними и стенками реактора. Подходящая геометрия может определяться несложным опытным путем. Возникающее истирание можно легко оптически установить в разгружаемом из реактора продукте.

Вариации вышеописанных возможностей выполнения геометрии катализатора, например, закрепленные только в верхней зоне (свободно висящие) или (частично) закрепленные на раме катализаторные ткани также охватываются в настоящем изобретении.

Изобретение относится также и к реактору, содержащему плоский катализатор в форме ткани, вязаного полотна, трикотажного полотна и/или войлока, который содержит, по меньшей мере, один нанесенный на углеродные волокна металл гидрирования и имеет, по меньшей мере, две противолежащие друг другу кромки, на которых катализатор закреплен в реакторе с обеспечением стабильности по форме или содержащем катализатор в форме параллельных волокон или лент. Реактор с плоским катализатором предпочтительно имеет вышеприведенную геометрию.

Согласно еще одной форме выполнения изобретения применяется нижеописываемый монолитный катализатор. Описание углеродных волокон и металлов гидрирования, а также способа получения действительно также и для вышеописаннной формы выполнения.

Задача изобретения решается согласно другой форме его выполнения с помощью катализатора, который содержит, по меньшей мере, один нанесенный на углеродный носитель металл гидрирования и отличается тем, что в качестве углеродного носителя применяют углеродные волокна, причем углеродный носитель имеет поверхность по БЭТ<500 м²/г, предпочтительно <300 м²/г, особенно предпочтительно <100 м²/г, преимущественно <50 м²/г и, в частности, <10 м²/г.Нижним пределом возможной поверхности по БЭТ углеродного носителя является в общем поверхность по БЭТ геометрической поверхности волокна, соответствующей пористости в 0%.

Эти углеродные волокна отличаются высокой механической стабильностью. Например, прочность на разрыв этих углеродных волокон составляет в общем приблизительно до 60000 бар, предпочтительно приблизительно от 13000 бар до 35000 бар.

Подходящая геометрия и другие свойства катализатора по изобретению уже приведены выше. Подходящие металлы гидрирования приводятся ниже.

Кроме того, задача изобретения решается монолитным катализатором, содержащим, по меньшей мере, один каталитически активный материал, содержащий, по меньшей мере, один нанесенный на углеродный носитель металл гидрирования и, по меньшей мере, один отличный от каталитически активного материала и связанный с ним опорный или скелетный элемент, который обеспечивает механическую подпору каталитически активного материала и его удержание в монолитной форме.

Монолитные структуры описаны, например, в публикации ЕР-А-0564830. Монолитные структуры отличаются от имеющихся в виде частиц катализаторов или их носителей тем, что они имеются в значительно меньших частях, чем имеющиеся в виде частиц (порошкообразные или гранульные) катализаторы. В реакторе катализатор может быть установлен в форме единственного монолита или нескольких монолитных частей, уложенных в штабель для образования неподвижного слоя. Число монолитов при этом небольшое, например, для одного катализаторного слоя применяют от 1 до 10 монолитов. Монолиты, как правило, имеют трехразмерную структуру, которая имеет сквозные каналы. При этом монолиты могут иметь любую внешнюю форму, например, кубическую, цилиндрическую, кубиковую и т.п. Сквозные каналы могут иметь любую геометрию, например, они могут быть расположены подобно сотовой структуре, что имеет место в катализаторе для очистки выхлопных газов. Часто монолитные катализаторы изготовляют деформацией плоских носителей, например, скатыванием или складыванием плоских носителей в трехразмерные монолиты. Исходя из плоских субстратов, внешняя форма монолитов может быть простым образом подогнана к геометрии реактора.

Было установлено, что вышеописанные проблемы могут быть технически простым и экономичным образом также решены в том случае, если для гидрирования в неподвижном катализаторном слое в качестве носителя катализатора вместо обычного в уровне техники кускового носителя применять монолитные катализаторные слои. Под монолитными катализаторными слоями в смысле изобретения подразумеваются такие структуры, при которых плоский носитель, например ткань из углеродных волокон, сначала нагружается активным металлом гидрирования и полученная таким образом активированная ткань на второй стадии перерабатывается далее в желаемый монолитный катализатор.

Полученные монолитные структуры характеризуются, также как и расположенные в реакторе полосы, тем, что возможно контролируемое протекание очищаемой жидкости через катализаторный слой. Трение катализаторных частиц друг о друга в любом случае предотвращается. Благодаря упорядоченной структуре катализаторного слоя получаются улучшенные возможности для оптимальной с точки зрения характеристики потока эксплуатации катализаторного слоя с улучшенной массопередачей между имеющимися в реакторе фазами. Теоретические аспекты потенциала оптимизации обсуждаются, например, в публикации "Monoliths in Multiphase Catalytic Processes" (CatTech 3 (1999), стр.24 и др.). Все описанные в ней монолитные катализаторы основаны на экструдированных формованных изделиях, нагрузка активными металлами которых более сложна, чем в случае предлагаемых катализаторов, которые предпочтительно получают исходя из плоских предварительных форм. В приведенной публикации имеется только одно указание на то, что получение монолитных структур также возможно исходя из тонких листов. Изготовление подобных, исходящих из плоских предварительных структур монолитных катализаторов описано, например, в заявках ЕР-А-0564830, ЕР-А-0827944 и ЕР-А-0965384. Относительно трехразмерного выполнения катализаторов по изобретению можно сослаться на указанные заявки.

Монолитные, базирующиеся на углеродном волокнистом материале катализаторы по изобретению пригодны наряду с заменой обычных катализаторных слоев, также и для замены катализаторов, которые применяются в суспендированной форме на углеродных носителях. Подобные катализаторы находят применение прежде всего в многочисленных способах гидрирования, в частности, в области тонкой химии. При этих осуществляемых в большинстве случаев периодически способах катализатор должен отделяться от реакционной смеси после окончания реакции. Это производится или осаждением, или фильтрацией. Катализаторы по изобретению отличаются тем, что при одинаковой активности гидрирования они могут быть простым образом выделены из реакционной смеси без применения обычных более или менее сложных операций. Вследствие этого имеется сокращение времени производственного цикла и улучшение экономичности способа. Во многих случаях применяемый для суспензионного гидрирования реактор может далее применяться для приема монолитного катализаторного блока после осуществления небольших технических модификаций.

Монолитные катализаторы по изобретению представляют собой комбинацию катализатора и скелетного или опорного элемента.

По меньшей мере, один скелетный или опорный элемент служит для обеспечения стабильной и постоянной формы нанесенных на углеродные волокна каталитически активных металлов. При этом углеродные волокна в катализаторе имеются преимущественно в форме ткани, вязаного полотна, трикотажного полотна и/или войлока. Особенно предпочтительно они имеются в форме ткани или вязаного полотна, в частности в форме ткани. Пригодные углеродные волокна описаны, например, в заявках DE-A-3229905, WO 99/26721 и в источнике Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Section: Fibers, Synthetic Inorganic, Composite Materials Carbon Fibers. Могут применяться все пригодные углеводородные волокна. Подобные волокна согласно уровню техники получают из полиэфиров, полиамидов, полиолефинов и т.п. Согласно изобретению особенно предпочтительны волокна, ткань, вязаное полотно, трикотажное полотно или войлок со следующими свойствами: удельная плотность от 80 до 600 г/м², плотность нитей от 3 до 15 нитей/см, диаметр нитей от 0,1 до 0,9 мм. Особенно предпочтительно применяют высокопрочные на разрыв пучки волокон. Поверхность по БЭТ составляет предпочтительно менее чем 300 м²/г, особенно предпочтительно менее чем 100 м²/г, в частности менее чем 15 м²/г. Пористость составляет предпочтительно менее чем 0,5 мл/г. Пригодные волокна продаются фирмой Tenax Fibers. Подобные волокна описаны также и в Интернете под адресом textileworld.com.

Катализатор связан со скелетным или опорным элементом. Этот скелетный или опорный элемент дает механическую опору катализатору и удерживает его в монолитной форме. В частности, ткани из углеродных волокон часто имеют недостаточные для применения в неподвижном слое механические свойства, такие, как жесткость и стабильность формы. Поэтому согласно изобретению их соединяют с одним или несколькими опорными или скелетными элементами, вследствие чего катализатор механически стабилизируется и удерживается в желаемой монолитной форме. Благодаря этому предотвращаются деформации катализатора вследствие сотрясений и протекания через него реагентов. Опорный или скелетный элемент может при этом иметь любую пригодную для применения форму. Соединение с катализатором может при этом производиться любым образом, например, посредством крычкоподобного крепления, склеивания и т.п., также и соединения посредством совместного вязанья и зарабатывания в ткань волокон углерода и опорного и скелетного элемента.

Предпочтительно, по меньшей мере, один плоский опорный или скелетный элемент имеется в форме ткани, вязаного полотна, трикотажного полотна, войлока и/или перфорированного материала. При этом эти плоские изделия могут быть волнообразными или фальцованными. Особенно предпочтительно плоские опорные или скелетные элементы и катализатор образуют чередующиеся слои в монолитном катализатор. Опорный или скелетный элемент при этом может быть выполнен из любых пригодных материалов, например, из металлов или из сплавов, пластмасс или керамики. Относительно применяемых материалов следует указать на заявку ЕР-А-0965384, на раздел описания, касающийся носителей катализатора. Особенно предпочтительно опорный или скелетный элемент выполнен из химически стойких металлов.

Согласно форме выполнения изобретения как катализатор, так и, по меньшей мере, один опорный или скелетный элемент выполнены предпочтительно в форме ткани как плоской слоистой структуры, которая сформована в цилиндрический монолит с несколькими параллельными продольной оси цилиндра проточными каналами, т.е. каналами, через которые протекают реагенты.

Катализатор содержит, по меньшей мере, один нанесенный на углеродные волокна металл гидрирования. В качестве металла гидрирования при этом могут применяться все металлы, которые катализируют гидрирование органических соединений. Предпочтительно при этом речь идет о металлах группы VIII или IB Периодической системы элементов. Металлы гидрирования наносятся на углеродные волокна известными способами и в обычных количествах. Пригодные способы нанесения на носитель активной массы описаны в заявке ЕР-А-0965384. Могут применяться также и другие способы нанесения каталитически активных металлов на углеродные волокна и их фиксации на них. Углеродные волокна углерода могут быть получены, например, окислением полимерных волокон, причем активные металлы могут быть уже нанесены на углеродные волокна или внесены в них. Они могут быть также нанесены дополнительно. Например, получение монолитного катализатора может осуществляться сначала с применением полимерных волокон в подходящей форме, например, в форме ткани, причем после этого полимерный материал окисляют с получением углеродных волокон, соответственно, ткани из них.

Изобретение относится также и к способу получения монолитного катализатора раздельным получением катализатора и, по меньшей мере, одного опорного или скелетного элемента, их соединения и формования в монолит.

Монолитные катализаторы, а также вышеописанные реакторы могут в общем применяться для гидрирования ненасыщенных органических соединений. Они могут применяться также и для селективного гидрирования двойных и тройных углерод-углеродных связей и/или гидрируемых функциональных групп, причем двойные и тройные углерод-углеродные связи и гидрируемые функциональные группы содержатся в органических соединениях. Способы селективного гидрирования описаны, например, в заявке ЕР-А-0827944. Гидрируемыми функциональными группами являются, например, нитрогруппы, карбонильные группы, карбоксильные группы и т.п. Селективное гидрирование двойных или тройных углерод-углеродных связей может осуществляться, например, в присутствии ароматических ядер, причем ароматические ядра не гидрируются.

Особенно предпочтительно монолитный катализатор и реактор по изобретению применяются для очистки сырой терефталевой кислоты посредством каталитической гидрирующей обработки. Изобретение относится также и к соответствующему способу очистки.

В качестве катализатора для осуществления гидрирующей обработки при этом применяется монолитный катализатор, который содержит палладий в качестве благородного металла на углеродных волокнах. В случае углеродной ткани доля палладия составляет предпочтительно от 10 до 5000 мг Pd/м² углеродной ткани.

Изобретение поясняется с помощью следующих примеров.

Примеры

Пример 1

Получение монолитного катализатора на основе палладия и угля осуществляют с помощью 0,98 м² углеродной волокнистой ткани фирмы Тепах Fibers, на которую несколько раз наносят водный раствор палладия. В общем наносят 910 мг палладия на 1 м² углеродной ткани. Нанесение осуществляют, как описано в заявке ЕР-А-0965384. Получают палладиевую углеродную ткань со следующими свойствами:

Удельный вес: 92 г/м²

Содержание Pd: 1%

Удельная поверхность: 4,4 м²/г

Пример 2

Тест на активность, гидрирование гидродегидролинанола (ГДГЛ) с получением гидролинанола (Г-лин)

Кусок ткани шириной 0,2 м и длиной 0,6 м из примера 1 перерабатывают слоями вместе с помощью волнообразной ткани из нержавеющей стали в цилиндрический монолит, который содержит множество параллельных продольной оси цилиндра сквозных каналов. Стенки каналов состоят из нагруженной благородным металлом углеродной ткани. Ткань на основе нержавеющей стали имеет задачу механически стабилизировать монолит.

Полученный монолит встраивают в периодически работающий циркуляционный реактор, в котором гидрируют 0,5 кг чистого гидродегидролинанола (ГДГЛ) без растворителя. При этом нагрузка газа и жидкости по поперечному сечению составляет каждая 200 м³/м²/ч.

С помощью газовой хроматографии определяют следующую активность гидрирования.

Скорость гидрирования составляет г-лин 17 _%гдгл/ч, что соответствует выходу по объему и времени в 1,12 _г-лин/л_кат/ч. Смесь целевого продукта остается прозрачной, как вода.

После демонтажа катализатора монолит находится в механически безупречном состоянии.

Пример 3

Гидрирование 4-карбоксибензальдегида в растворе терефталевой кислоты, потеря палладия.

54 г сырой терефталевой кислоты в 146 г воды водородом обрабатывают при 250°С в течение одной недели на полученном согласно примеру 2 монолитном катализаторе. После этого анализируют как выкристаллизовавшуюся фракцию терефталевой кислоты, так и водную надосадочную жидкость на содержание палладия.

Катализаторный блок после демонтажа находится в механически безупречном состоянии, не обнаружено следов никакого истирания в получаемом продукте. Также в обеих фракциях не обнаружено следов палладия.

Пример 4

В автоклав подают 146 г воды и 54 г сырой терефталевой кислоты (2000 ч/мил. 4-карбоксибензальдегида, окраска: светло-желтая) и 8 г полученного по примеру 1 катализатора в виде ткани. Смесь при 270°С и давлении 50 бар в атмосфере водорода перемешивают в течение 60 часов. Получаемый продукт состоит из белых кристаллов терефталевой кислоты с поларографически определенным содержанием 4-карбоксибензальдегида <50 мг/кг.