Способ получения фталимида Советский патент 1992 года по МПК C07D209/48 

Изобретение относится к способу получения фталимида (имида о-фталевой кислоты) гетерогенно-каталитической реакцией окислительного аммонолиза о-ксилола, который широко используется химической промышленностью в качестве полупродукта при производстве такого ценного красителя как индиго, замедлителей преждевременной вулканизации резиновых смесей, стабилизаторов и антипиренов для пластических масс, лекарственных препаратов, химических средств защиты растений, присадок к смазочным материалам и в других областях органического синтеза для получения ценных соединений.

Известны методы получения фталевого ангидрида, основанные на окислении различных ароматических соединений, в частности о-ксилола, нафталина или их смеси. Поэтому наиболее перспективными являются методы, позволяющие получать фтали- мид одностадийно непосредственно из ароматических углеводородов, минуя стадию получения фталевого ангидрида.

Известны способы получения фталимида окислительным аммонолизом 1,2-диал- килзамещенных бензола и циклогексана. При проведении реакции в присутствии оксидного Mo-V катализатора (нанесенного на ) выход фталимида не превышает 60% из о-ксилола и 35% из 1,2-диметилциклогек- сана.

Кроме того, при окислительном аммоно- лизе о-ксилола использованы нанесенные на оксид алюминия двухкомпонентные смешанные ванадий-висмутовый, ванадий- сурьмяный или ванадий-хромовый катализаторы. При этом максимальный выход фталимида при использовании указанных двухкомпонентных систем не превышает 15,3 моль. % (V-Cr-оксидная система), Окислительным аммонолизом о-ксилола при использовании в качестве катализатора индивидуального оксида ванадия (10%), нанесенного на прокаленный при 1673 К оксид алюминия, достигнут выход фталимида 72% при температуре 668 К, времени контакта беи составе исходной смеси, об.%: о-ксилол 1,6; аммиак 6,4 и воздух - 92.

При осуществлении реакции в присутствии катализатора, состоящего из сплава 30% диоксида олова и 70% пентаоксида ванадия и температуре 673 К, соотношении скоростей подачи компонентов (о-ксилол :аммиак:воздух) в исходной смеси, равном 0,1:0,6:4000, соответственно выход фталимида достигает 75% от теоретического, а при составе катализатора сплава 20% диоксида титана и 80% пентаоксида ванадия выход фталимида составляет 72% от теоретического, другие кристаллические и жидкие продукты реакции (фталевый ангидрид, малеиновый ангидрид, о-толунитрил, о-фталонитрил) получаются в количестве 2- 3%. При этом выход продукта горения исходного о-ксилола - диоксида углерода составляет 22-23%. Газообразный продукт реакции содержит также цианистый водо0 род.

Максимальный выход (75%) на взятый углеводород достигается при использовании неувлажненного воздуха. При введении паров воды в зону реакции селективность

5 по фталимиду уменьшается и увеличивается выход о-фталонитрила.

Недостатками известных являются невысокий выход целевого продукта - фталимида и его недостаточная чистота

0 (последнее связано с наличием в катализате трудноотделимой примеси - о-фталонитрила), образование в результате глубокого окисления исходного углеводорода значительных количеств диоксида углерода, а так5 же высокотоксичного цианистого водорода, необходимость специальной очистки получаемого фталимида, что связано с наличием в кристаллическом продукте помимо фталимида других веществ, в частности о0 фталонитрила,

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения фталимида паро- фазным окислительным аммонолизом о-ксилола, в качестве катализатора также

5 используются компактные ванадаты олова или титана в присутствии паров воды. Процесс ведут при температурах 673-713 К, мо- лярных соотношениях исходных компонентов о-ксилол:вода:кислород воз0 духа:аммиак 1:15-300:1.0-50:5-30. При этом выход фталимида составляет 80-85 моль.% и степень чистоты 99,1-99,5 мас.%. Производительность процесса для компактных двухкомпонентных V-Ti и V-Sn систем

5 соответственно равна 28,8 г/л(кат) ч и 30,7 г/л(кат) ч. Выход продукта горения исходного о-ксилола - диоксида углерода составляет 15-20 моль.%.

Недостатками известного метода пол0 учения фталимида являются невысокий выход фталимида, образование в результате глубокого окисления исходного углеводорода значительных количеств диоксида углерода и низкая производительность

5 процесса.

Целью изобретения - повышение выхода и чистоты фталимида.

Поставленная цель достигается тем, что процесс окислительного аммонолиза о-ксилола в паровой фазе проводят над нанесенным на носитель -у-оксид алюминия - ва- надийсодержащим катализатором при следующем содержании всех компонентов, мас.%: оксид ванадия 5-8; оксид сурьмы 4 -8; оксид висмута 5-10; оксид хрома 0,3- 0,8; у -оксид алюминия остальное до 100%.

Предлагаемый способ получения фтали- мида осуществляют в проточном реакторе (длиной 1 м, диаметром 40 мм) с псевдоожи- женным слоем катализатора с загрузкой по- следнего 200-300 см3. Процесс проводят при температуре 658-668 К, времени контакта 4,3-4,7 с и составе подаваемой в реактор смеси, моль.% о-ксилол:воздух:аммиак:вода 1:(30-60):(8-12):(25-30). В этих условиях при полной конверсии о-ксилола достигается выход фталимида до 95,2 моль.% в расчете на поданный углеводород. Единственным побочным продуктом реакции является диоксид углерода. Выход его не превышает 4,8-6,5 моль.%. Анализ полученных продуктов выполняет хроматографическим методом. Выделенныйфталимиид идентифицирован физико-химическими константами. Практическое отсутствие в продукте примесей доказано хроматогра- фически (порог чувствительности ионизаци- онно-пламенного детектора - об.%, хроматограмма прилагается).

Выбор катализатора и условий осущест- вления процесса, реализованных в предлагаемом методе, основан на следующем.

Одним из основных составляющих большинства каталитических систем в реакции окислительного аммонолиза аромати- ческих углеводородов являются оксиды ванадия, универсальные не только для указанной реакции, но и для многих процессов окислительного гетерогенного катализа. Их каталитические свойства в значительной степени определяются валентным состоянием ванадия. Присутствие на поверхности V-Sb-Bi системы ионов и в условиях окислительного аммонолиза подтверждено физико-химическими методами.

Кроме того, при окислительном аммоно- лизе наличие оксида сурьмы в системе благоприятствует повышению селективности процесса и содержанию в катализаторе ионов четырехвалентного ванадия, а оксид висмута обуславливает уменьшение содержания V (соответственно увеличивает v4) и рост общей активности контакта, но снижение избирательности его действия. Поэтому при окислительном аммонолизе о-ксилола наиболее эффективный путь - варьирование состава катализатора с целью его оптимизации.

Известно, что получение фталимида связано с применением катализатора, содержащего ионы ванадия в высоком валентном состоянии, Стабилизация ионов ванадия в высокой степени окисления достижима модифицированием V-Sb-Bi оксидного катализатора. В качестве такого компонента в предложенном способе применен оксид хрома, так как ванадий-хромо- вый катализатор в отличие от индивидуального пентаоксида ванадия практически не восстанавливается реакционной смесью в условиях окислительного аммонолиза ксилола.

Известно, что при окислительном аммонолизе о-ксилола фталимид получается как непосредственно из о-ксилола, так и гидролизом фталонитрила.

Введением оксида хрома в ванадийсо- держащий катализатор исключается относительный дефицит кислорода и увеличивается удельный вес параллельного пути образования кислородсодержащего продукта - фталимида непосредственно из о-ксилола. Восстановление иона ванадия до четырехвалентного состояния приводит к снижению выхода фталимида. Чтобы полностью исключить образование фталонитрила, являющегося трудноотделимой кристаллической примесью, при осуществлении процесса окислительного аммонолиза о-ксилола используют пары воды. Это обусловливает гидролиз фталонитрила во фталимид.

Кроме того, как показали исследования, наличие в составе катализатора тугоплавкого и высокопрочного оксида хрома, препятствующего спеканию в реакционных условиях активной массы, улучшает эксплуатационные характеристики контакта. Срок его непрерывной службы увеличен до 2 тыс. ч.

П р и м е р 1. Процесс осуществляется в проточном реакторе (длиной 1 м, диаметром 40 мм) с псевдоожиженным слоем катализатора.

Загрузка катализатора 200 см ; состав катализатора, мас.%: VaOs 5; SbaOs 4; В120з 5; СгаОз 0,3;у- А120з 85.7; температура 668 К; молярное соотношение о-ксилол:воз- дух:аммиак:вода 1:30:8:25; время контакта 4,3 с; подано в реакцию 11,57 г о-ксилола в 1ч.

Получено 15,23 гфталимида в 1 ч. Выход фталимида 94,9% от теории на взятый углеводород; степень конверсии о-ксилола 100%; селективность по фталимиду 94,9%; селективность по С025,1 %. Чистота целевого продукта 99,78 мас.%.

П р и м е р 2. Процесс проводят по примеру 1.

Загрузка катализатора 255 см3; состав катализатора, мае. %: VaOs 6; Sb20s 5; BiaOa 7; СггОз 0,4; у-АЬОз 81,6; температура 658 К; молярное соотношение - о-ксилол:воздух:ам- миак:вода 1:40:10:27; время контакта 4,5 с; подано в реакцию 11,57 г о-ксилола в 1 ч.

Получено 15,28 гфталимида в 1 ч. Выход фталимида 95,2% от теории на взятый углеводород. Степень конверсии о-ксилола 100%. Селективность по фталимиду 95,2%; селективность по ,8%. Чистота целевого продукта 99,80 мас.%.

П р и м е р 3. Процесс проводят по примеру 1.

Загрузка катализатора 268 см3; состав катализатора, мае. %: VaOs 7; ЗЬаОз 7; BiaOa 8; Сг20з 0,5; у-АЬОз 77,5; температура 658 К; молярное соотношение о-ксилол:воздух:ам- миак:вода 1:50:11:29; время контакта 4,7 с; подано в реакцию 10,0 г о-ксилола в 1 ч.

Получено 13 г фталимида в 1 ч. Выход фталимида 93,8% от теории на взятый углеводород. Степень конверсии о-ксилола 100%. Селективность по фталимиду 93,8%; селективность по СОа 6,2 %. Чистота целево- го продукта 99,76 мас.%.

П р и м е р 4. Процесс проводят по примеру 1.

Загрузка катализатора 297 см3; состав катализатора, мас.%: V2U5 8; ЗЬаОз 8; 10; Сг20з 0,8; у 73,2; температура 668 К; время контакта 4,6 с; молярное соотношение о-ксилол:воздух:аммиак:вода 1:60:12:30; подано в реакцию 10,0 г о-ксилола в 1 ч.

Получено 12,97 г фталимида в 1 ч. Выход фталимида 93,5% от теории на взятый углеводород. Степень конверсии о-ксилола 100%. Селективность по фталимиду 93,5%; селективность по С02 6,5%. Чистота целево- го продукта 99,7 мас.%.

П р и м е р 5. Процесс проводят по примеру 1.

Загрузка катализатора 218 см3.

Состав катализатора тот же, что в при- мере 3: температура 663 К; молярное соотношение о-ксилол:воздух:аммиак:вода 1:32:9:26; время контакта 4,4 с. Подано в реакцию 11,57 г о-ксилола в 1 ч.

Получено гфталимида в 1 ч. Выход фталимида 95,1 % от теории на взятый углеводород. Степень конверсии о-ксилола 100%. Селективность по фталимиду 95,1%; селективность по С02 4,9%. Чистота целевого продукта 99,80 мас.%.

Примерб. Процесс проводят по примеру 1.

Загрузка катализатора 213 см .

Состав катализатора тот же, что в примере 4: температура 663 К; молярное соотношение о-ксилол:воздух:аммиак:вода 1:30:12:25; время контакта 4,3 с. Подано в реакцию 11,57 г о-ксилола в 1 ч.

Получено 15,28 гфталимида в 1 ч. Выход фталимида 95,2% от теории на взятый углеводород. Степень конверсии о-ксилола 100%. Селективность по фталимиду 95,2%; селективность по С02 4,8%. Чистота целевого продукта 99,80 мас.%.

Пример. Процесс проводят по примеру 1.

Загрузка катализатора 226 см3.

Состав катализатора тот же, что в примере 2, температура 668 К; молярное соотношение о-ксилол;воздух:аммиак:вода 1:35:8:25; время контакта 4,5 с; подано в реакцию 11,57 го-ксилола в 1 ч.

Получено 15,21 гфталимида в 1 ч, Выход фталимида 94,8% от теории на взятый углеводород. Степень конверсии о-ксилола 100%. Селективность по фталимиду 94,8%; селективность по С0а 5,2%. Чистота целевого продукта 99,77 мас.%.

Примере. Процесс проводят по примеру 1.

Загрузка катализатора 236 см .

Состав катализатора тот же, что в примере 1; температура 658 К; молярное соотношение о-ксилол:воздух:аммиак:вода 1:30:8:30; время контакта 4,7 с; подано в реакцию 11,57 г о-ксилола в 1 ч.

Получено 15,24 гфталимида в 1 ч. Выход фталимида 95,0% от теории на взятый углеводород. Степень конверсии о-ксилола 100%, Селективность по фталимиду 95%; селективность по С025%. Чистота целевого продукта 99,79 мас.%.

П р и м е р 9. Процесс проводят по примеру 1.

Загрузка катализатора 268 см3; состав катализатора, мас.%: V20s 8; ЗЬаОз 8; уг- 84; температура 668 К; молярное соотношение о-ксилол:воздух:аммиак:вода 1:50:11:29; время контакта 4,7 с; подано в реакцию 10,0 го-ксилола в 1 ч.

Получено 9,49 г фталимида в 1 ч. Выход фталимида 68,4% от теории на взятый углеводород при степени конверсии о-ксилола 76%, селективности по.фталонитрилу 7%, селективности по фталимиду - 90%, селективности по С02 3%. Целевой продукт содержит 99,5% основного вещества и 0,5% фталонитрила.

Пример 10. Процесс проводят по примеру 1.

Загрузка катализатора 268 см3; состав катализатора, мас.%: V20s 8, В120з 10; уla Оз 82; температура 668 К; молярное сотношение о-ксилол:воздух:аммиак:вода 1:50:11:29; время контакта 4,7 с; подано в еакцию 10,0 г о-ксилола в 1 ч.

Получено 11,34 г фталимида в 1 ч. Выход талимида 81,8% от теории на взятый углеводород при степени конверсии о-ксилола 7%; селективности по фталимиду 94%; сеективности по С02 6%. Чистота целевого продукта 99,70 мае.%.

Пример 11. Процесс проводят по примеру 1.

Загрузка катализатора 268 см3; состав катализатора, мас.%: VaOs 8; СгаОз 0,8; у- 20з 91,2; температура 668 К; молярное соотношение о-ксилол:воздух:аммиак:вода 1:50:11:29; время контакта 4,7 с; подано в реакцию 10,0 го-ксилола в 1 ч.

Получено 11,26 г фталимида в 1 ч. Выход фталимида 81,2% от теории на взятый углеводород при степени конверсии о-ксилола 84,5%; селективности по фталимиду 96,1%; селективности по С02 3,9%. Чистота целевого продукта 99,68 мас.%.

Как показано в примерах 9-11, при применении нанесенных двухкомпонентных систем выход фталимида не превышает 81,8 моль.%

Данные, приведенные в примерах 1-8, свидетельствуют о существенных преимуществах предлагаемого способа получения фталимида в сравнении с известным: выход фталимида на 10% больше, чем в известном способе; производительность катализатора в 2,5 раза больше, чем в известном способе в предлагаемом способе удельный съем целевого продукта 76,2 г с 1 л катализатора в 1 ч (пример 1)-против28,8г/л(кат)-чдля V-Ti катализатора (пример 1) и 30,7 г/л(кат).ч для V-Sn катализатора (пример 2) в известном ; чистота фталимида больше (99,80 мас.%), чем в известном способе (99,50 мас.%); разработанные трегерные катализаторы позволяют резко уменьшить количество активной массы по сравнению с использованными в известном способе компактными. Кроме того, наличие носителя улучшает физические и химические характеристики катализаторов (поверхность, прочность, термостойкость, теплопроводность, себестоимость и т.п.).

В предложенном методе значительно (в 2,5 раза) снижена концентрация избыточного аммиака в исходной смеси (до 12 моль против 30 моль на моль о-ксилола в известном способе, что также является положительным фактом, поскольку применение большого избытка аммиака в исходной смеси отрицательно сказывается на экономических показателях процессов, так как это

увеличивает непроизводительные капитальные и энергетические расходы на его регенерацию).

Таким образом/избыточное увеличение концентрации восстановителя-аммиака в

реакционной смеси нецелесообразно ввиду возрастания при этом эксплуатационных расходов, а также при проведении реакции на ванадийсодержащем катализаторе происходит стабилизация ионов ванадия в низкой степени окисления, что отрицательно сказывается на образовании фталимида.

В предложенном способе температура процесса не превышает 668 К, а в известном способе доходит до 713 К, что приводит к

росту энергетических расходов, а также обусловливает образование большого количества диоксида углерода (15-20% против 4,8-6,5% в предложенном способе), затрудняющего эффективный отвод тепла реакции

и управление реактора.

Формула изобретения

Способ получения фталимида окислением о-ксилола паровоздушной смесью в при- сутствии аммиака на окисном ванадийсодержащем катализаторе при 658-668 К и соотношении о-ксилол:воз- дух:аммиак:вода 1:30-60:8-12:25-30 соответственно, отличающийся тем, что, с целью повышения выхода и качества целевого продукта, окисный ванадийсодержз- щий катализатор имеет следующий состав, мас.%:

Оксид ванадия5-8

Оксид сурьмы4-8

Оксид висмута,5-10

Оксид хрома0,3-0,8

Носитель у-оксид алюминия Остальное

50

Изобретение касается циклических ими- дов, в частности способа получения фтали- мида, который широко используется в химической промышленности как полупродукт. Цель - повышение выхода и качества целевого продукта. Способ осуществляют окислением о-ксилола паровоздушной смесью в присутствии аммиака при 658- 668° К и соотношении о-ксилол:воздух:ам- миак:вода 1:30-60:8-12:25-30 на катализаторе следующего состава, мас.%: оксид ванадия 5-8, оксид сурьмы 4-8, оксид висмута 5-10, оксид хрома 0,3-0,8 носитель у-оксид алюминия остальное. Способ обеспечивает выход 93,5-95,2%, чистоту 99,76- 99,79%. С/У с VI ю оо ю N О