Herstellung von Phthalsäureanhydrid durch Gasphasenoxidation von o-Xylol

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Phthalsäureanhydrid durch Gasphasenoxidation von o-Xylol in einem Hauptreaktor und einem nach- geschalteten Nachreaktor.

Die Gasphasenoxidation von o-Xylol und/oder Naphthalin zu Phthalsäureanhydrid (PSA) ist wohl bekannt und in der Literatur vielfach beschrieben. Eine übersicht gibt beispielsweise H. Suter, Phthalsäureanhydrid und seine Verwendung, Steinkopf Ver- lag, Darmstadt, 1972 oder F. K. Towae, W. Enke, R. Jäckh, N. Bhargava in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vo. A20, 1992, S. 181- 190.

Im Allgemeinen erfolgt die Oxidationsreaktion von o-Xylol an Luft in einem mit einer Salzschmelze temperierten Rohrbündelreaktor. Dabei wird ein praktisch vollständiger Umsatz des eingesetzten Kohlenwasserstoffs im Reaktor und gleichzeitig eine hohe Produktqualität des gebildeten Phthalsäureanhydrids angestrebt. Um dies einerseits zu erreichen und gleichzeitig jedoch eine Schädigung des Katalysators durch hohe Hotspot-Temperaturen zu vermeiden, werden im Allgemeinen unterschiedlich aktive Katalysatoren schichtweise in den Rohren angeordnet, wobei in der Regel der weniger aktive Katalysator so im Festbett angeordnet wird, dass das Reaktionsgemisch mit ihm als erstes in Kontakt kommt, während sich der aktivste Katalysator zum Gasaustritt aus der Katalysatorschüttung befindet. Derartige Aktivitätsstrukturierungen des Katalysators beschreiben beispielsweise die DE 198 23 262, DE 198 23 275, DE 100 40 827 und DE 102 06 989.

Insbesondere bei höheren Kohlenwasserstoffbeladungen wird es allerdings zunehmend schwieriger, eine ausreichend gute Produktqualität ohne Ausbeuteverluste im Reaktor durch Totaloxidation zum CO und CO2 zu erhalten, da hier die aktivste, aber unselektivste Katalysatorschicht am Gasaustritt der Katalysatorschüttung einen höhe- ren Beitrag zum Gesamtumsatz leisten muss. Dieser Effekt tritt über die Zeit auch durch die langsame Desaktivierung der im Allgemeinen stark belasteten Selektivschicht oder Selektivschichten am Gaseintritt der Katalysatorschüttung auf.

Eine Möglichkeit zur überwindung der zuvor beschriebenen Schwierigkeiten besteht in der Verwendung von zwei getrennten Reaktoren anstelle eines einzigen Reaktors. So beschreibt beispielsweise die DE 20 05 969 ein Verfahren zur Herstellung von Phthalsäureanhydrid in zwei voneinander getrennten Reaktoren. Beim ersten Reaktor handelt es sich um einen salzbadgekühlten und weitgehend isotherm betriebenen Rohrbündelreaktor, während es sich bei dem zweiten Reaktor um einen adiabat betriebenen

Schachtofen handelt. Die Reaktion im ersten Reaktor wird dabei so geführt, dass 1 bis 20 Gew.-% des eingesetzten Kohlenwasserstoffs unverändert bleiben. Des Weiteren ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur Ti des Wärmetauschermittels im ersten Reaktor zwischen 380 und 430 °C liegt und die Eingangstempe- ratur T2 der adiabat betriebenen zweiten Reaktionsstufe der Beziehung T2 = Ti -5 bis 150 °C gehorcht.

Das in der DE 198 07 018 und der US 5,969,160 beschriebene Verfahren umfasst mindestens zwei getrennte Reaktoren, wobei es sich bei dem ersten Reaktor um einen salzbadgekühlten Hauptreaktor handelt und bei dem zweiten Reaktor um einen Nachreaktor ohne Kühleinrichtung mit dem gleichen oder einem unterschiedlichen Katalysator. Dabei erfolgt der Produktgasstrom im Nachreaktor von oben nach unten. Das Verfahren ermöglicht ein Absenken der Temperatur im Hauptreaktor in Richtung zu Unter- oxidationsbedingungen, weshalb die Phthalid-Werte im Hauptreaktorausgang bzw. Nachreaktoreingang im Bereich von 0,5 bis 0,9 Gew.-% liegen. Die Steuerung dieser Bedingungen erfolgt durch die Beobachtung des o-Xylol-Gehaltes am Hauptreaktorausgang bzw. Nachreaktoreingang, welcher ausdrücklich weniger als 100 ppm (0,01 Gew.-%) betragen soll.

Ein weiteres Nachreaktorkonzept wird in H. -J. Eberle, J. Breimair, H. Domes, T. Gu- termuth, PTQ Summer 2000, 129-133 beschrieben. Hier wird dem salzbadgekühlten Rohrbündelreaktor, welcher einen mehrlagigen Katalysator enthält, ein Nachreaktor mit einem Wabenkatalysator nachgeschaltet, wobei der Produktgasstrom vor Eintritt in die Nachreaktorzone über einen Produktgaskühler auf die gewünschte Eintrittstemperatur abgekühlt wird. Der Nachreaktor dient in erster Linie zur Einhaltung einer vorgegebenen Qualität des erzeugten Phthalsäureanhydrids, insbesondere bei hohen o-Xylol- Beladungen und bei gealterten Hauptreaktorkatalysatoren. Die o-Xylol-Konzentration am Nachreaktoreingang liegt mit einem Hauptreaktorkatalysator, welcher das Ende der Lebenszeit erreicht hat, bei etwa 0,65- 0,70 Gew.-% der Summe der organischen Komponenten im Produktgasstrom und die Konzentration an unteroxidierten Nebenkomponenten wie Phthalid oder o-Tolylaldehyd bei 0,20- 0,50 Gew.-% der Summe der organischen Komponenten im Produktgasstrom.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Gesamtausbeute an Phthalsäurean- hydrid ohne oder ohne wesentliche Verschlechterung der Produktqualität zu erhöhen.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Phthalsäureanhydrid durch katalytische Gasphasenoxidation von o-Xylol, bei dem man ein gasförmiges Gemisch von o-Xylol und einem sauerstoffhaltigen Gas in einem Hauptreaktor durch

wenigstens zwei Reaktionszonen leitet, die unabhängig voneinander temperierbar sind, und zu einem gasförmigen intermediären Reaktionsprodukt umsetzt, das nicht umgesetztes o-Xylol, Phthalsäureanhydrid-Unteroxidationsprodukte und Phthalsäurean- hydrid enthält, und das intermediäre Reaktionsprodukt in einen Nachreaktor einführt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man die Temperatur der Reaktionszonen im Hauptreaktor so regelt, dass die Konzentration an nicht umgesetztem o-Xylol im intermediären Reaktionsprodukt wenigstens 0,5 Gew.-% beträgt, bezogen auf das Gesamtgewicht der organischen Komponenten im intermediären Reaktionsprodukt.

Typischerweise beträgt die Konzentration an nicht umgesetztem o-Xylol im intermediären Reaktionsprodukt wenigstens 0,6 Gew.-%, vorzugsweise 0,65 bis 5 Gew.-%, stärker bevorzugt 0,7 bis 2,0 Gew.-%.

Vorzugsweise beträgt die Summe der Konzentrationen der Phthalsäureanhydrid- Unteroxidationsprodukte im intermediären Reaktionsprodukt wenigstens 0,5 Gew.-% beträgt, bezogen auf das Gewicht der organischen Komponenten im intermediären Reaktionsprodukt. Unter Phthalsäureanhydrid-Unteroxidationsprodukten werden Cs- Körper mit einer niedrigeren Oxidationsstufe als Phthalsäureanhydrid verstanden, die zu Phthalsäureanhydrid weiter oxidierbar sind. Hierzu zählen insbesondere o-Tolyl- aldehyd, o-Tolylsäure und Phthalid.

Typischerweise beträgt die Summe der Konzentration von o-Tolylaldehyd und Phthalid im intermediären Reaktionsprodukt 0,6 bis 1 ,5 Gew.-%, stärker bevorzugt 0,7 bis 1 ,3 Gew.-%.

Vorzugsweise beträgt die Konzentration an o-Tolylaldehyd im intermediären Reaktionsprodukt wenigstens 0,25 Gew.-%, insbesondere 0,35 bis 0,6 Gew.-%.

Vorzugsweise beträgt die Konzentration an Phthalid im intermediären Reaktionspro- dukt wenigstens 0,25 Gew.-%, insbesondere 0,35 bis 0,6 Gew.-%.

Der Gehalt an o-Xylol im intermediären Reaktionsprodukt ist vorzugsweise kleiner oder gleich 20 g/Nm ³ , besonders bevorzugt kleiner oder gleich 15 g/Nm ³ .

In bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens gewinnt man kontinuierlich oder in zeitlichen Abständen, z. B. wenigstens einmal pro Woche oder wenigstens einmal täglich, Messwerte für die Konzentration an o-Xylol im intermediären Reaktionsprodukt und bildet aus den Messwerten Regeleingriffe für die Temperatur der Reaktionszonen im Hauptreaktor bildet. So kann man die Temperatur einer oder

mehrerer oder aller Reaktionszonen absenken, falls die Konzentration an o-Xylol im intermediären Reaktionsprodukt unter einen vorgegebenen Sollwert oder den erfindungsgemäßen Grenzwert fällt bzw. die Temperatur erhöhen, falls die Konzentration an o-Xylol im intermediären Reaktionsprodukt zu hoch ist.

Die auf das Gewicht der organischen Komponenten im intermediären Reaktionsprodukt bezogene Konzentration von o-Xylol oder Phthalsäureanhydrid-Unteroxidations- produkten, wie o-Tolylaldehyd bzw. Phthalid, kann ermittelt werden, indem man bei Umgebungstemperatur (23 °C) alle bei dieser Temperatur kondensierbaren Kompo- nenten des intermediären Reaktionsprodukts kondensiert und das Kondensat mittels Gaschromatographie in einem geeigneten Lösungsmittel, wie Aceton, analysiert. Koh- lenmonoxid und/oder Kohlendioxid, die gegebenenfalls im intermediären Reaktionsprodukt enthalten sind, gelten nicht als organische Komponenten des intermediären Reaktionsprodukts.

Das dem Hauptreaktor zugeführte Reaktionsgas wird im allgemeinen durch Vermischen von einem molekularen Sauerstoff enthaltenden Gas, das außer Sauerstoff noch geeignete Reaktionsmoderatoren und/oder Verdünnungsmittel, wie Dampf, Kohlendioxid und/oder Stickstoff, enthalten kann, mit o-Xylol erzeugt, wobei das sauerstoffhalti- ge Gas im allgemeinen 1 bis 100 mol-%, vorzugsweise 2 bis 50 mol-% und besonders bevorzugt 10 bis 30 mol-% Sauerstoff, 0 bis 30 mol-%, vorzugsweise 0 bis 10 mol-% Wasserdampf sowie 0 bis 50 mol-%, vorzugsweise 0 bis 1 ιmol-% Kohlendioxid, Rest Stickstoff, enthalten kann. Das sauerstoffhaltige Gas ist in der Regel Luft.

Die o-Xylol-Beladung des in den Hauptreaktor eintretenden gasförmigen Gemisches beträgt in der Regel 30 g bis 150 g je Nm ³ Gas, vorzugsweise wenigstens 60 g/Nm ³ , z. B. 75 bis 120 g/Nm ³ .

Als Hauptreaktor findet bevorzugt ein salzbadgekühlter Röhrenreaktor Anwendung, der wenigstens zwei getrennte Salzbäder umfasst. Zwei (oder mehrere) Abschnitte eines Rohrbündels sind von räumlich getrennten Wärmeträgermedien in Gestalt eines Salzbades umströmt. Die einzelnen katalysatorgefüllten Rohre enden in einem oberseitigen Rohrboden bzw. einem unterseitigen Rohrboden. Die Rohre sind durch wenigstens eine Abschirmplatte geführt, die das Innere des Reaktors in zwei oder mehr Zonen für die Wärmeträgermedien unterteilen. Das Reaktionsgas wird im Allgemeinen von oben nach unten, d. h. in Richtung der Schwerkraft, durch die Rohre geleitet; es ist aber auch eine umgekehrte Strömungsrichtung denkbar. Jeder Zone zugeordnet befinden sich am Mantel des Reaktors beabstandet zueinander Ringkanäle, durch die das Wärmeträgermedium aus dem Reaktor abgezogen bzw. nach Passieren einer Um-

wälzpumpe dem Reaktor wieder zugeführt wird. Ein Teilstrom des umgewälzten Wärmeträgermediums wird durch einen Kühler geleitet, in dem z. B. Sattdampf produziert wird. Im Inneren des Reaktors können sich in üblicher weise Leitbleche befinden, um dem Wärmeträgermedium im Bereich des Rohrbündels eine radiale Strömungskompo- nente zu erteilen.

In bevorzugten Ausführungsformen umfasst der Hauptreaktor zwei oder drei Reaktionszonen, am meisten bevorzugt zwei Reaktionszonen.

Die Temperaturdifferenz des Wärmeträgermediums zwischen Reaktorein- und -austritt kann für die jeweilige Zone 0,5 bis 12 °C, meist 1 bis 8 °C, betragen. Das Wärmeträgermedium kann in der jeweiligen Zone in Bezug auf das Reaktionsgas sowohl im Gleichstrom als auch im Gegenstrom durch den Röhrenreaktor hindurchtreten.

Der Hauptreaktor wird typischerweise mit einer Temperatur des Wärmeträgermediums von 330 bis 390 °C betrieben. Die Gastemperatur im Hauptreaktor liegt im Bereich von 340 bis 460 °C, besonders bevorzugt im Bereich von 370 bis 435 °C.

Der Rohrabschnitt, über den sich das jeweilige Salzbad erstreckt, repräsentiert eine Reaktionszone. Jede Reaktionszone ist mit einem Katalysator oder aufeinanderfolgenden Schichten verschiedener Katalysatoren befüllt, die zur Katalyse der Gasphasen- oxidation von o-Xylol zu Phthalsäureanhydrid geeignet sind. Vorzugsweise handelt es sich um Schalen- oder Kugelkatalysatoren, auf deren Kern aus einem inerten Trägermaterial eine oder mehrere Schichten aus katalytisch aktiven Metalloxiden aufgebracht sind.

In der Regel enthalten die Reaktionszonen Katalysatoren unterschiedlicher Aktivität, wobei die in Strömungsrichtung des gasförmigen Gemischs am meisten stromabwärts gelegene Reaktionszone in der Regel einen oder mehrere Katalysator mit höherer Ak- tivität enthält als die stromaufwärts angrenzende Reaktionszone. Eine Katalysator- schüttung soll als in derjenigen Reaktionszone enthalten gelten, der sie überwiegend, d. h. zu wenigstens 60 %, vorzugsweise wenigstens 80 % ihrer Längenausdehnung zugeordnet ist.

Im Allgemeinen betreibt man die am meisten stromabwärts gelegene Reaktionszone bei tieferer Temperatur als die stromaufwärts angrenzende Reaktionszone, z. B. bei einer um wenigstens 2 °C, vorzugsweise wenigstens 4 °C tieferen Temperatur des Wärmeträgermediums, das der jeweiligen Reaktionszone zugeordnet ist. Als Tempera-

tur, bei der man eine Reaktionszone betreibt, wird die tiefste Temperatur des umgebenden Wärmeträgermediums angesehen.

Die Reaktionszonen können auch einen identischen Katalysator enthalten, vorzugs- weise einen nachstehend definierten Selektivkatalysator.

Aktivitätsstrukturierte Katalysatorschüttungen, bei denen die gaseintrittseitig gelegenen Katalysatoren eine zu Gunsten einer höheren Selektivität reduzierte Aktivität aufweisen, sind bekannt, z. B. aus den eingangs erwähnten Patentdokumenten. Unter Selek- tivität wird hier die Selektivität bezüglich der Summe von Phthalsäureanhydrid und aller Cs-Körper verstanden, die zu Phthalsäureanhydrid weiter oxidierbar sind. Diese gaseintrittseitig gelegenen Katalysatoren werden häufig als "Selektivkatalysatoren" bezeichnet, im Unterschied zu den gasaustrittsseitig gelegenen "Aktivkatalysatoren".

Die in Strömungsrichtung des gasförmigen Gemischs am meisten stromaufwärts gelegenen Reaktionszone(n) und/oder die Reaktionszone, die stromaufwärts an die in Strömungsrichtung des gasförmigen Gemischs am meisten stromabwärts gelegene Reaktionszone angrenzt, enthalten bevorzugt Selektivkatalysatoren.

Die in Strömungsrichtung des gasförmigen Gemischs am meisten stromabwärts gelegene Reaktionszone enthält vorzugsweise wenigstens einen Aktivkatalysator.

Typische Selektivkatalysatoren sind

a) ein oder mehrere Katalysatoren, deren Aktivmasse ein Silber, Vanadium und gegebenenfalls ein oder mehrere Promotormetalle enthaltendes Multimetall- mischoxid, insbesondere eine Silber-Vanadiumoxid-Bronze, umfasst, b) ein oder mehrere Katalysatoren auf der Basis von Vanadiumoxid und Titandioxid, worin der Alkalimetallgehalt der Aktivmasse größer oder gleich 0,12 Gew.-% und der Phosphorgehalt der Aktivmasse (gerechnet als P) kleiner oder gleich 0,20

Gew.-% ist, und c) Kombinationen von einem oder mehreren Katalysatoren gemäß der vorstehenden Definition a) und einem oder mehreren Katalysatoren gemäß der vorstehenden Definition b).

Typische Aktivkatalysatoren sind Katalysatoren auf der Basis von Vanadiumoxid und Titandioxid, worin der Alkalimetallgehalt der Aktivmasse kleiner oder gleich 0,20 Gew.- % ist. Optional kann die Aktivmasse auch Phosphor enthalten; beispielsweise ist der Phosphorgehalt der Aktivmasse ist größer oder gleich 0,12 Gew.-%.

Multimetallmischoxide, die Silber, Vanadium und gegebenenfalls ein oder mehrere Promotormetalle enthalten, sowie Silber-Vanadiumoxid-Bronzen und ihre Herstellung sind an sich bekannt, z. B. aus der WO 00/27753, WO 01/85337 und WO 2005/012216. Unter Silber-Vanadiumoxid-Bronzen werden Silber-Vanadiumoxid- Verbindungen mit einem atomaren Ag : V-Verhältnis von weniger als 1 verstanden. Es handelt sich im Allgemeinen um halbleitende oder metallisch leitfähige, oxidische Festkörper, die bevorzugt in Schicht- oder Tunnelstrukturen kristallisieren, wobei das Vanadium im [V2θ5]-Wirtsgitter teilweise reduziert zu V(IV) vorliegt. Silber-Vanadiumoxid- Bronzen bilden sich oberhalb 200 ^° C, insbesondere bei Temperaturen von mehr als 300 ^° C, durch Zersetzung der Multimetallmischoxide.

Geeignet sind z. B. Multimetallmischoxide der allgemeinen Formel I

Ag _a-c M ¹ _c V ₂ O _d ^* e H ₂ O, I worin a einen Wert von 0,3 bis 1 ,9 hat,

M ¹ für wenigstens ein unter Alkali- und Erdalkalimetallen, Bi, Tl, Cu, Zn, Cd, Pb, Cr, Au, AI, Fe, Co, Ni, Mo, Nb, Ce, W, Mn, Ta, Pd, Pt, Ru und/oder Rh ist ausgewähltes Metall steht,

c einen Wert von 0 bis 0,5 hat, mit der Maßgabe, dass (a-c) > 0,1 ist,

d eine Zahl, die sich durch die Wertigkeit und Häufigkeit der von Sauerstoff verschiedenen Elemente in der Formel I bestimmt, bedeutet und

e einen Wert von 0 bis 20, vorzugsweise 0 bis 5, hat.

Im Multimetalloxid der Formel I hat die Variable a vorzugsweise einen Wert von 0,5 bis 1 ,0 und besonders bevorzugt 0,6 bis 0,9, der Wert der Variablen b beträgt vorzugsweise 0 bis 0,1 , und der Wert der Variablen c beträgt vorzugsweise 0,005 bis 0,2, insbesondere 0,01 bis 0,1.

Die Zahl d bestimmt sich aus der Wertigkeit und Häufigkeit der von Sauerstoff verschiedenen Elemente im Multimetalloxid der Formel I. Die Zahl e, die ein Maß für den Wassergehalt ist, beträgt vorzugsweise 0 bis 5.

M ¹ steht vorzugsweise für Na, K, Rb, Tl, Ni, W, Co, Fe, Mo, Nb, Zn, Ce und Mn.

Besonders bevorzugt sind Multimetalloxide der allgemeinen Formel Ia Ag _a V ₂ O _d ^* e H ₂ O, Ia

worin a einen Wert von 0,6 bis 0,9 hat, d die oben angegebene Bedeutung hat, und e einen Wert von 0 bis 5 hat.

Zur Herstellung der Multimetalloxide wird im Allgemeinen eine Suspension von Vana- diumpentoxid (V ₂ Os) mit der Lösung einer Silberverbindung sowie gegebenenfalls einer Lösung einer Verbindung der Metallkomponente M ¹ und einer Verbindung von Q erhitzt. Als Lösungsmittel für diese Umsetzung wird bevorzugt Wasser verwendet. Als Silbersalz wird bevorzugt Silbernitrat verwendet, die Verwendung anderer löslicher Silbersalze, z. B. Silberacetat, Silberperchlorat oder Silberfluorid ist ebenfalls möglich.

Als Salze der Metallkomponente M ¹ werden in der Regel solche gewählt, die im verwendeten Lösungsmittel löslich sind. Wird Wasser als Lösungsmittel bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Multimetalloxide verwendet, können beispielsweise die Perchlorate oder Carboxylate, insbesondere die Acetate, der Metallkomponente M ¹ eingesetzt werden. Bevorzugt werden die Nitrate der betreffenden Metallkomponente M ¹ verwendet.

Je nach der gewünschten chemischen Zusammensetzung des Multimetalloxids der Formel I werden zu dessen Herstellung die sich aus a und c von Formel I ergebenden Mengen von V ₂ Os, Silberverbindung sowie der Verbindung der Metallkomponente M ¹ miteinander umgesetzt. Das so gebildete Multimetalloxid kann aus der Reaktionsmischung isoliert und bis zur weiteren Verwendung gelagert werden. Besonders vorteilhaft wird die Isolierung der erhaltenen Multimetalloxid-Suspension mittels Sprühtrock- nung durchgeführt. Das sprühgetrocknete Pulver wird dann auf einen inerten Träger aufgebracht.

Katalysatoren auf der Basis von Vanadiumoxid und Titandioxid enthalten neben Titandioxid (in Form seiner Anatasmodifikation) Vanadiumpentoxid. Typische Katalysatoren auf der Basis von Vanadiumoxid und Titandioxid und ihre Herstellung sind in der DE 198 23 262 beschrieben.

Vorzugsweise enthält der Katalysator auf der Basis von Vanadiumoxid und Titandioxid im calzinierten Zustand 1 bis 20 Gew.-% Vanadiumoxid, berechnet als V ₂ Os, und 80

bis 99 Gew.-% Titandoxid, berechnet als Tiθ2. Des Weiteren können in geringen Mengen eine Vielzahl anderer oxidischer Verbindungen enthalten sein, die als Promotoren die Aktivität und Selektivität des Katalysators beeinflussen. Als die Aktivität vermindernden und die Selektivität erhöhenden Promotoren werden in der Regel Alkalimetal- Ie, wie Cäsium, Lithium, Kalium und Rubidium, und insbesondere Cäsium verwendet.

Als die Aktivität erhöhende Zusätze werden in der Regel Phosphorverbindungen verwendet. In den Selektivkatalysatoren werden keine oder allenfalls geringe Zusätze an Phosphorverbindungen verwendet.

Die Katalysatoren auf der Basis von Vanadiumoxid und Titandioxid können außerdem Antimonverbindungen enthalten.

Die Komponenten werden in Form deren Oxide oder in Form von Verbindungen einge- setzt, welche sich beim Erhitzen bzw. beim Erhitzen in Gegenwart von Sauerstoff in Oxide umwandeln. Als Vanadium-Komponente können Vanadiumoxide oder Vanadiumverbindungen, die sich beim Erhitzen in Vanadiumoxide umwandeln, einzeln oder in Form deren Gemische eingesetzt werden. Vorzugsweise werden V2O5 oder NH4VO3 eingesetzt. Man kann auch ein Reduktionsmittel, wie Ameisensäure oder Oxalsäure, mitverwenden, um die Vanadium(V)-Verbindung zumindest teilweise zu Vanadium(IV) zu reduzieren. Geeignete Promotor(vorläufer)verbindungen sind die entsprechenden Oxide oder Verbindungen, die sich nach dem Erhitzen in Oxide umwandeln, wie Sulfate, Nitrate, Carbonate. Geeignet sind beispielsweise Na2CO3, K2O, CS2O, CS2CO3, Cs ₂ SO ₄ , P ₂ O ₅ , (NhU) ₂ HPO ₄ , Sb ₂ O ₃ .

Zur Bildung der Aktivmasse bereitet man im Allgemeinen eine wässrige Aufschläm- mung der Verbindung der Vanadium-Komponente, des Titandioxids sowie von Promo- tor(vorläufer)verbindungen in geeigneten Mengen und rührt die Aufschlämmung, bis eine ausreichende Homogenisierung erreicht ist. Die Aufschlämmung kann dann sprühgetrocknet werden oder als solche zur Beschichtung verwendet werden.

Bei den im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Katalysatoren handelt es sich im Allgemeinen um Schalenkatalysatoren, bei denen die katalytisch aktive Masse schalenförmig auf einem inerten Träger aufgebracht ist. Die Schichtdicke der kataly- tisch aktiven Masse beträgt in der Regel 0,02 bis 0,2 mm, vorzugsweise 0,05 bis 0,1 mm. Im Allgemeinen weisen die Katalysatoren eine schalenförmig aufgebrachte Aktivmasseschicht mit im Wesentlichen homogener chemischer Zusammensetzung auf.

Als inertes Trägermaterial können praktisch alle bekannten Trägermaterialien eingesetzt werden, Verwendung finden, beispielsweise Quarz (Siθ2), Porzellan, Magnesiumoxid, Zinndioxid, Siliciumcarbid, Rutil, Tonerde (AI2O3), Aluminiumsilikat, Steatit (Magnesiumsilikat), Zirkoniumsilikat, Cersilikat oder Mischungen dieser Trägermateria- lien. Das Trägermaterial ist in der Regel nicht-porös. Als vorteilhafte Trägermaterialien sind insbesondere Steatit und Siliciumcarbid hervorzuheben. Die Form des Trägermaterials ist im Allgemeinen nicht kritisch. Beispielsweise können Katalysatorträger in Form von Kugeln, Ringen, Tabletten, Spiralen, Röhren, Extrudaten oder Splitt verwendet werden. Die Dimensionen dieser Katalysatorträger entsprechen denen üblicherwei- se zur Herstellung von Schalenkatalysatoren für die Gasphasenpartialoxidation von aromatischen Kohlenwasserstoffen verwendeten Katalysatorträgern. 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.

Die Aufbringung der Aktivmasseschicht auf den Träger kann mit beliebigen an sich bekannten Methoden erfolgen, z. B. durch Aufsprühen von Lösungen oder Suspensionen in der Dragiertrommel oder Beschichtung mit einer Lösung oder Suspension in einer Wirbelschicht. Dabei können der katalytisch aktiven Masse organische Binder, bevorzugt Copolymere, vorteilhaft in Form einer wässrigen Dispersion, von Vinylace- tat/Vinyllaurat, Vinylacetat/Acrylat, Styrol/Acrylat, Vinylacetat/Maleat, Vinylace- tat/Ethylen sowie Hydroxyethylcellulose zugesetzt werden, wobei mit Vorteil Bindermengen von 3 bis 20 Gew.- %, bezogen auf den Feststoffgehalt der Lösung der Aktivmassenbestandteile, eingesetzt werden. Die aufgetragenen Bindemittel brennen nach dem Einfüllen des Katalysators 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 Einfüllen des Katalysators erleichtert werden.

Das den Hauptreaktor verlassende gasförmige intermediäre Reaktionsprodukt wird einem Nachreaktor zugeführt. Es bildet den ausschließlichen Zulauf zum Nachreaktor, d. h. dem intermediären Reaktionsprodukt werden keine Gase, wie Frisch- oder Abluft oder o-Xylol, beigemischt.

Als Nachreaktor kommen alle Reaktoren in Betracht, die zur Durchführung heterogen katalysierter Gasphasenreaktionen geeignet sind, insbesondere Festbettreaktoren mit fest angeordneter Katalysatorschüttung, Rohrbündelreaktoren, Reaktoren mit katalysatorbeschichteten monolithischen Wabenkörpern und dergleichen. Es kann sich um ver-

tikale oder liegende Bauformen handeln; vertikale Reaktoren können von unten oder von oben angeströmt werden.

Meist ist es bevorzugt, dass man das aus dem Hauptreaktor austretende intermediäre Reaktionsprodukt vor dem Eintritt in den Nachreaktor mittels einer geeigneten Kühlstufe kühlt. Die Differenz zwischen der Austrittstemperatur aus dem Hauptreaktor und der Eintrittstemperatur in den Nachreaktor beträgt dabei vorzugsweise wenigstens 5 °C, insbesondere wenigstens 10 °C. Die Leistung der Kühlstufe wird zweckmäßigerweise in Abhängigkeit von der o-Xylol-Konzentration im intermediären Reaktionsprodukt und der Aktivität des Nachreaktor-Katalysators so gesteuert, dass die Phthalsäureanhydrid- Ausbeute und -Reinheit maximiert werden.

Der Hauptreaktor, die Kühlstufe und der Nachreaktor können dabei in getrennten Apparaten angeordnet sein. Als Kühlstufe eignen sich flüssigkeitsgekühlte indirekte Wär- metauscher oder Gas-Gas-Wärmetauscher, über die das dem Hauptreaktor zugeführte Reaktionsgas vorgewärmt werden kann.

Alternativ können aber auch Hauptreaktor und Kühlstufe oder Kühlstufe und Nachreaktor in einem einzigen Apparat kombiniert werden. Beispielsweise kann die Kühlstufe als unmittelbare Verlängerung der Reaktionsrohre des Hauptreaktors ausgebildet sein, die im Bereich der Kühlstufe nicht mit Katalysator gefüllt sind und mittels eines getrennten Kreislaufs eines Wärmeträgermediums oder mit einem Teilstrom des vom Kühler kommenden Wärmeträgermediums gekühlt werden.

Es können auch die Funktionen des Hauptreaktors, einer Kühlstufe und des Nachreaktors in einem einzigen Gehäuse angeordnet sein, wie in der DE 101 44 857 beschrieben.

Die Bauweise des Nachreaktors richtet sich nach dessen Betriebsweise. In einer mög- liehen Ausführungsform betreibt man den Nachreaktor im Wesentlichen adiabatisch.

In einer anderen möglichen Ausführungsform führt man zumindest einen Teil der im Nachreaktor entstehenden Reaktionswärme durch indirekte Kühlung mit einem Wärmeträgermedium ab. Geeignete Wärmeträgermedien für den Nachreaktor sind Wärme- trägeröle, Salzschmelzen, Luft oder Wasser. Typische Kühlverfahren sind in der prioritätsälteren Patentanmeldung DE 10 2004 061770 zu finden. Besonders bevorzugt ist eine Bauweise bei dem das Reaktionsgas zunächst eine adiabate Katalysatorschicht und anschließend eine zwischen Thermoblechplatten geschüttete Katalysatorschicht durchströmt.

Als Nachreaktorkatalysator werden bevorzugt Schalen- oder Kugelkatalysatoren verwendet, auf deren Kern aus einem inerten Trägermaterial eine oder mehrere Schichten aus katalytisch aktiven Metalloxiden aufgebracht sind. Typische Trägermaterialien und typische eingesetzte Metalloxide und Promotoren sind in der DE 198 23 262 zu finden. Es werden vorzugsweise Katalysatoren verwendet, die von den im Hauptreaktor verwendeten Katalysatoren verschieden sind. Vorzugsweise verwendet man im Nachreaktor einen Katalysator auf der Basis von Vanadiumoxid und Titandioxid, worin der Alkalimetallgehalt der Aktivmasse kleiner oder gleich 0,20 Gew.-%. Optional enthält die Aktivmasse Phosphor; der Phosphorgehalt der Aktivmasse ist beispielsweise größer oder gleich 0,12 Gew.-%.

Der Nachreaktor wird typischerweise bei Gastemperaturen von 240 bis 360 °C, besonders bevorzugt bei 270 bis 350 °C betrieben. Die höchste im Nachreaktor auftretende Gastemperatur ist vorzugsweise um wenigstens 30 °C, vorzugsweise wenigstens 40 °C niedriger als die höchste im Hauptreaktor auftretende Gastemperatur.

Im Allgemeinen wird das den Nachreaktor verlassende Reaktionsgas in einem Produktgaskühler abgekühlt und das Phthalsäureanhydrid aus den heißen Reaktionsga- sen in üblicher weise mittels alternierend betriebener Phthalsäureanhydrid-Abscheider abgeschieden. Optional kann den Abscheidern ein so genannter Flüssigabscheider vorgeschaltet sein, was besonders bei hohen Beladungen vorteilhaft ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch übertragbar auf die Herstellung anderer Produkte durch katalytische Gasphasenoxidation, wie beispielsweise Phthalsäureanhydrid aus Naphthalin oder o-Xylol/Naphthalin-Gemischen, Acrylsäure aus Propen, Maleinsäureanhydrid aus Benzol, Butan, Buten oder Butadien, Benzoesäure aus ToIu- ol, usw.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele näher veranschaulicht.

Beispiele

Herstellung der Katalysatoren

Herstellung des Hauptreaktorkatalysators I (Selektivkatalysator)

Nach 18-stündigem Rühren werden in einer Dragiertrommel 236,6 g einer Suspension, bestehend aus 104,9 g Oxalsäure, 39,4 g Vanadiumpentoxid, 17,0 g Antimonoxid, 2,87 g Cäsiumsulfat, 3,15 g Ammoniumdihydrogenphosphat, 149,0 g Formamid, 465,9 g Titandioxid der Anatas-Modifikation mit einer BET-Oberfläche von 20 m ² /g und 721 ,0 g Wasser bei 160 °C zusammen mit 13,0 g organischem Binder auf 1400 g Stea- titringe der Dimension 8 x 6 x 5 mm (Außendurchmesser x Höhe x Innendurchmesser) aufgebracht. In einem zweiten Schritt werden die so beschichteten Ringe mit 236,2 g einer zweiten Suspension, die zuvor ebenfalls 18 h gerührt wurde, bestehend aus 56,7 g Oxalsäure, 21 ,0 g Vanadiumpentoxid, 2,87 g Cäsiumsulfat, 198,0 g Formamid, 501 ,9 g Titandioxid und 720,3 g Wasser zusammen mit 12,8 g organischem Binder beschichtet.

Nach Kalzination des Katalysators für eine Stunde bei 450 °C beträgt die auf die Stea- titringe aufgebrachte Aktivmasse 9,3 %. Die Aktivmasse besitzt die Zusammensetzung 5,75 % V ₂ O ₅ , 1 ,6 % Sb ₂ O ₃ , 0,40 % Cs, 0,08 % P, Rest TiO ₂ .

Herstellung des Hauptreaktorkatalysators Il (Aktivkatalysator)

Nach 18-stündigem Rühren werden in einer Dragiertrommel 538,0 g einer Suspension, bestehend aus 106,4 g Oxalsäure, 39,4 g Vanadiumpentoxid, 17,0 g Antimonoxid, 0,63 g Cäsiumsulfat, 3,35 g Ammoniumdihydrogenphosphat, 149,6 g Formamid, 467,5 g Titandioxid der Anatas-Modifikation mit einer BET-Oberfläche von 20 m ² /g und 719,1 g Wasser bei 160 °C auf 1400 g Steatitringe der Dimension 8 x 6 x 5 mm (Außendurchmesser x Höhe x Innendurchmesser) aufgebracht.

Nach Kalzination des Katalysators für eine Stunde bei 450 °C beträgt die auf die Steatitringe aufgebrachte Aktivmasse 10,5 %. Die Aktivmasse besitzt die Zusammensetzung 7,5 % V ₂ O ₅ , 3,2 % Sb ₂ O ₃ , 0,09 % Cs, 0,17 % P, Rest TiO ₂ .

Herstellung des Nachreaktorkatalysators

Nach 18-stündigem Rühren werden in einer Dragiertrommel 540,2 g einer Suspension, bestehend aus 105,5 g Oxalsäure, 39,4 g Vanadiumpentoxid, 17,0 g Antimonoxid, 0,29 g Cäsiumsulfat, 8,9 g Ammoniumdihydrogenphosphat, 149,0 g Formamid, 467,0 g Titandioxid der Anatas-Modifikation mit einer BET-Oberfläche von 20 m ^2# g- ¹ und 720,5 g Wasser bei 160 °C auf 1400 g Steatitringe der Dimension 8 x 6 x 5 mm (Außendurchmesser x Höhe x Innendurchmesser) aufgebracht.

Nach Kalzination des Katalysators für eine Stunde bei 450 °C beträgt die auf die Stea- titringe aufgebrachte Aktivmasse 10,6 %. Die Aktivmasse besitzt die Zusammensetzung 7,5 % V ₂ O ₅ , 3,2 % Sb ₂ O ₃ , 0,04 % Cs, 0,41 % P, Rest TiO ₂ .

Beispiele 1 bis 7

Als Hauptreaktor verwendete man einen Rohrbündelreaktor mit 99 Normalrohren und 2 Thermorohren. Die Normalrohre hatten eine lichte Weite von 25 mm, die Thermorohre eine lichte Weite von 29 mm mit Hülsen (10 mm Durchmesser) mit eingebautem 30- fach-Multielement mit Temperaturmessstellen im Abstand von 10 cm oder mit Probenahme-Element gemäß DE 101 10 847. Von unten nach oben wurden 101 cm Hauptreaktorkatalysator Il und anschließend 229 cm hauptreaktorkatalysator I in jedes der 360 cm langen Eisenrohre eingefüllt. Mittels Druckabgleich wurde dafür gesorgt, dass an jedem Rohreingang der gleiche Eingangsdruck anlag. Gegebenenfalls wurde bei den 99 Normalrohren noch etwas Hauptreaktorkatalysator I hinzugefügt oder abgesaugt; bei den beiden Thermorohren wurde der Druckabgleich durch Zusatz von Inertmaterial in Form von Steatitkugeln und Quarzkies erreicht. Die Eisenrohre waren zur Temperaturregelung von einer Salzschmelze umgeben, die sich in zwei getrennten Salzbädern befand. Das untere Salzbad (Salzbad B) umgab die Rohre vom unteren Rohrboden bis zu einer Höhe von 140 cm, das obere Salzbad (Salzbad A) umgab die Rohre von der Höhe 140 cm bis zum oberen Rohrboden.

Der Nachreaktor (Innendurchmesser 45 cm, Höhe etwa 100 cm) war auf einer Höhe von etwa 90 cm mit Kühlschlangen (Durchmesser 12 mm, Kühlschlangenabstand etwa 30 mm) ausgestattet, die im unteren Teil mit Luft mit Umgebungstemperatur als Kühlmedium beaufschlagt wurden. Der Nachreaktor wurde mit Nachreaktorkatalysator bis zu einer Füllhöhe von 65 cm gefüllt.

Zum Betrieb der Anlage wurde ein Luft/o-Xylol-Gemisch bei etwa 200-205 °C Hauptre- aktoreingangstemperatur von oben nach unten durch den Hauptreaktor geleitet, anschließend in einem Wärmetauscher auf eine bestimmte Nachreaktoreingangstempe- ratur abgekühlt und anschließend über den Nachreaktor von oben nach unten geleitet. Das eingesetzte o-Xylol hatte eine Reinheit von 98,5-99,0 Gew.-%. Die Luftkühlung im unteren Teil des Nachreaktors erfolgte über eine Höhe von 47 cm (Beispiele 1 , 4, 6 und 7) bzw. 53 cm (Beispiele 2, 3 und 5), so dass sich eine bestimmte Temperatur in der Katalysatorschüttung, welche 10 cm oberhalb des Nachreaktorausgangs gemessen wurde, einstellte.

Nach einer allgemein üblichen Hochfahrzeit des Hauptreaktorkatalysators konnten die in Tabelle 1 angegebenen Ergebnisse erhalten werden.

Beispiel 8

Die Versuchsdurchführung erfolgte entsprechend der unter den Beispielen 1 bis 7 angegebenen Weise, wobei jedoch der Nachreaktor adiabatisch betrieben wurde, d. h. man leitete keine Luft durch die Kühlschlangen. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 wiedergegeben.

Vergleichsbeispiele 1 bis 9

Die Versuchsdurchführung erfolgte entsprechend der unter den Beispielen 1 bis 7 angegebenen Weise, wobei jedoch der Nachreaktor adiabatisch betrieben wurde und beide Salzbäder des Hauptreaktors bei im Wesentlichen gleicher Temperatur betrieben wurden. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 wiedergegeben.

In den Tabellen bedeuten:

Lauftag = Betriebstag ab dem ersten Start-up des Hauptreaktorkatalysators;

Salzbad A = Salzbadtemperatur des zum Reaktoreingang hin gelegenen Salzbades; Salzbad B = Salzbadtemperatur des zum Reaktorausgang hin gelegenen Salzbades; o-Xylol HR-Ausgang, o-Tolylaldehyd HR-Ausgang bzw. Phthalid HR-Ausgang = o-

XyIoI- o-Tolylaldehyd- bzw. Phthalid-Gehalt in Gew.-% der organischen Kompo- nenten des Rohproduktgases am Hauptreaktorausgang; o-Xylol NR-Ausgang, o-Tolylaldehyd NR-Ausgang bzw. Phthalid NR-Ausgang = o-

XyIoI-, o-Tolylaldehyd- bzw. Phthalid-Gehalt in Gew.-% der organischen Komponenten des Rohproduktgases am Nachreaktorausgang;

PSA-Ausbeute NR-Ausgang = PSA-Ausbeute in Gew.-% bezüglich 100%igem o-Xylol aus der Analyse des Rohproduktgases im Nachreaktorausgang).

Tabelle 1 : Ergebnisse der Beispiele 1 bis 8

σ>

Tabelle 2: Ergebnisse der Vergleichsbeispiele 1 bis 9