Brevet FR2147080A1 — publié le 19730309

La présente invention concerne un procédé de préparation de benzaldéhyde par oxydation du toluène par l'oxygène dans un rapport molaire déterminé à température élevée, pendant un court temps de séjour et en présence d'un catalyseur qui contient, en proportions plus grandes, du molybdène et, en proportions plus faibles, un ou plusieurs éléments d'addition. I1 est connu, d'après Ullmann "Encyklopadie der technischen Chemie, tome 4, page 278, d'oxyder le toluène avec de l'oxygène en phase gazeuse à 300-500 C, en présence d'un catalyseur à 93% d'oxyde uranique et 7% d'oxyde de molybdène, en obtenant du benzaldéhyde. De même, on a décrit avec plus de détails, comme catalyseurs de préparation du benzaldéhyde, le vanadate d'argent, le vanadate de cérium, le vanadate de lanthane, le vanadate de plomb, l'arséniate d'argent, et le pentoxyde de vanadium (brevets des Pays-Bas nos 6 514 682, 6 514683, 6 410 777).Lesdits procédés ne sont toutefois pas satisfaisants à grande échelle industrielle en ce qui concerne les rendements en substance finale et les rendements par unité de volume et de temps. Comme le mon-trent des travaux publiés dans Journal of Applied Chemistry de 1'URSS, volume 41 (1968) pages 1316 et 1317, on peut également oxyder le toluène par l'oxygène en phase liquide dans des métaux qui renferment le catalyseur, Comme catalyseur, on se sert d'oxyde de molybdène sur des grains de ferre-chrome. Ledit procédé est coûteux et non rentable et, en outre, sa mise en oeuvre correspondante à grande échelle industrielle serait insatisfaisante en ce qui concerne la simplicité et la souplesse du déroulement des modes opératoires ainsi qu'en ce qui concerne le rendement en substance finale. Conformément à l'invention, la demanderesse a maintenant trouvé que l'on obtient avantageusement le benzaldéhyde en continu par oxydation catalytique du toluène par l'oxygène en phase gazeuse à température élevée lorsqu'on co-nduit la réaction avec un rapport molaire entre le toluène et l'oxygène de l'ordre de 0,1-2 : 1 à une tcmpérature comprise entre 2000C et 600 C et un temps de se- jour de 0,05 à 40 secondes en présence d'un catalyseur oxygéné contenant du molybdène et, comme éléments ;'addition, au moins l'un des éléments choisis parmi le fer, le nickel, le cobalt, l'antimoine, le bismuth, le vanadium , le phosphore, le samarium, le tantale, l'étain, le chrome dans un rapport atomique entre les éléments d'addition et le molybdène de moins de I : 1. D'une manière avan tageuse, on effectue la réaction en présence d'un catalyseur oxygéné qui contient du molybdène et du fer et/ou du nickel. On peut représenter ladite réaction par l'équation suivante Par comparaison avec les procédés connus, le procédé de l'invention fournit le benzaldéhyde, précisément à grande échelle industrielle et d'une nière en partie plus simple et plus économique, avec des rendements globaux, des rendements par unité de volume et de temps et une pureté améliorés. On effectue la réaction de l'invention avec de l'oxygène ou avec des mélanges gazeux renfermant de l'oxygène, d'une manière convenable de l'air, dans un rapport molaire entre le toluène et l'oxyene de l'ordre de 0,1-2, de préférence 0,5-1,5 à 1. Dans les mélanges gazeux précités, en plus de l'oxygène, de l'argon, de la vapeur d'eau, de l'azote, de l'oxyde de carbone, des hydrocarbures inertes dans les conditions de réaction, tels que le méthane, et/ ou de l'anhydride carbonique. On effectue la réaction en continu à une température comprise entre 200 et 6000C, de préférence entre 300 et 5000C, en l'absence de pression ou sous pression. Les temps de séjour s'élèvent à 0,05 - 40 secondes, de préférence à 0,05 15; en particulier à 0,2 - 6 secondes. te molybdène et les éléments d'addition précités sont présents pendant la réaction, en règle générale, essentiellement sous forme de leurs oxydes ou des composés d'oxydation correspondants. Comme composés d'oxydation, on peut mentionner, par exemple, les molybdates de fer, nickel, cobalt, antimoine, bismuth, samarium, tantale, étain et chrome Lesdits molybdates peuvent etre des monoou polymolybdates, en particulier des ortho-, pyro- ou métamolybda- tes.D'une manière correspondante, en ce qui concerne les éléments présents dans le catalyseur, ceux-ci peuvent également être constitués par des composés d'oxydation sous forme des mono- et polymolybdates précités des vanadates, antimoniates, phosphates, chromates ou de dérives hétéropolycycliques correspondants, par exemple des molybdatophosphates, tels que des dodécamolybdatophosphatesO te molybdène et/ou les autres éléments d'addition peuvent également être présents dans le catalyseur sous forme de composés qui se tracsforment en oxydes et /ou en composés d'oxydation précités, par exemple, sous forme de sels, tels que nitrates, chlorures, sulfates, acétates, formiates, oxalates.Eventuellement, les éléments peuvent être également présents sous différentes valences, par exemple l'anhydride antimonieux ou l'anhydride antimonique. L' invention e st fondée sur la constatation que le molybdène et au moins l'un des éléments d'addition précités constituent des catalyseurs particulièrement efficaces dans les conditions mentionnées ci-dessus.- te rapport atomique entre le ou les éléments d'addition et le molybdène s'élève à moins de 1 sur 1, de préférence 0,01-0,95, en particulier 0,1-0,5 :: 1. osque le catalyseur contient plusieurs des éléments d'addition précités, ils peuvent etre présents selon des rapports atomiques quelconques, dans des limites entendues, les uns par rapport aux autres, lesdits rapports dépendant toutefois du rapport atomiqAe-précité entre l'élément d'addition et le molybdène. On préfère, dans le cas de 2 éléments d'addition, un rapport atomique de 0,1 à 1,0 pour l'un des éléments d'addition sur 1 pour l'autre élément, dans le cas de 3 éléments d'addition et davantage, un rapport atomique de 0,1 à 0,5-pour un premier élément, 0,01 à 0,2 pour un second élément et un élément suivant, sur 1 pour l'élément d'addition de plus grand nombre atomique. En dehors des éléments d'addition précités, du tungstène et/ou des métaux alcalins, de préférence du potassium, peuvent encore éventuellement être présents dans le catalyseur, de manière convenable dans chaque cas dans un rapport atomique de 0,01 à 1, en particulier 0,05 à 0,3 sur 1 pour le molybdène. On effectue, en général, la réaction avec une proportion de 100 à 5.000, convenablement de 200 à 3.000 g de toluène par litre de catalyseur et par heure. Les indications en ce qui concerne le molybdène et les autres éléments se rapportent toujours à l'élément respectif (calculé à 100%), quel que soit le composé, la composition du catalyseur ou l&num;tructure du catalyseur dans lequel ledit élément est présent. En plus des éléments précités sous forme de leurs composés, le catalyseur peut encore contenir des supports et éventuellement des diluants. tes dits supports sont, par exemple, la pierre ponce, le bioxyde de titane, la stéatite, en particulier sous forme de sphérules de stéatite, le carbure de silicium, les silices, les alumines, l'amiante, la montmorillonite, la bentonite, la terre d'infusoires, la mullite, l'acide silicique et les silicates.Comme diluants, on peut également mentionner lesdits supports, convenablement sous forme peu poreuse, par exemple, les alumines fortement calcinées, l'aluminosilicate de sodium, l'aluminosilicate de calcium et d'autres alumino-silicates, des sphérules de stéatites ou des silicates de magnésium. Convenablem D'une manière convenable, la proportion du diluant dans la couche catalytique-de l'enceinte réactionnelle décroît dans le sens de l'écoulement du mélange de vapeur de toluène/air, de préférence depuis 80 à 20% en poids de diluant à l'entrée de la couche catalytique jusqu'à 0% en poids de diluant, par rapport au poids du catalyseur, à la sortie de ladite couche. On utilise avantageusement des catalyseurs sous forme de billes, de morceaux ou de boulettes ou sous forme de boudins extrudés ayant un diamètre moyen compris entre 2 et 10 mm. Une addition de poudre de graphite, par exemple, de l'ordre de 2 à 5% en poids par rapport au catalyseur, peut être convenable lors de la préparation des granules extrudés ou des boulettes. On peut avantageusement préparer les catalyseurs par précipitation d'une solution de molybdate d'ammonium par les sels de métaux correspondants, par exemple une solution de nitrate ferrique, nitrate ferreux, sulfate ferrique ou chlorure ferrique, nitrate d'ammenium, nitrate de bismuth, nitrate de cobalt, et séchage du dépôt de molybdate de métal. Par addition du support et du diluant avant ou pendant la précipitation, on peut distribuer finement en même temps le molybdate de métal et le diluant sur le support.On peut également appliquer sur le support la solution de molybdate par immersion ou pulvérisation. I1 est également possible de mélanger le molybdate sec ou humide avec le support et le diluant, de fragmenter éventuellement ledit mélange et, ensuite, de le transformer en granules extrudés correspondants, par exemple au moyen d'une presse à extruder. Après le séchage, on peut encore calciner avantageusement le catalyseur, par exemple à une température comprise entre 3000C et 7000C. On peut également mélanger entre eux le diluant et les composés des éléments du catalyseur sous forme de poudre fine ou de leurs granules d'extrusion, éventuellement fragmenter et/ou mouler ledit mélange pour former des granules extrudés.On peut également mentionner des modes opératoires correspondants dans le cas d'oxydes des éléments de l'invention5 par exemple on peut mélanger l'oxyde de molybdène-et les oxydes d'éléments d'addition correspondants, comme le pentoxyde de vanadium ou l'anhydride antimonieux, éventuellement fragmenter le mélange obtenu et le calciner. I1 est également possible d'appliquer l'oxy- de de molybdène avec les oxydes des éléments d'addition sous forme d'une mince couche, par exemple de O,lmm, sur un support sous forme de billes. On peut corrduire la réaction comme suit : on vaporise le toluène et on le mélange avec un courant d'air chauffé à plus de 1500C. I1 est également possible de mélanger le toluène n'ayant pas réagi et les gaz résiduaires de la réaction contenant de l'oxygène avec de la vapeur de toluène et de l'oxygène frais et de valoriser ainsi les gaz résiduaires dans le circuit. Lesdits mélanges de gaz résiduaire et de quantités supplémentaires de substances de départ peuvent contenir également, d'une manière correspondante, des proB duits d'oxydation du toluène, par exemple, CO, C02, du benzaldéhyde. On envoie le mélange de gaz/vapeur de toluène dans le réac teur à la tempérsture de réaction à travers la couche de catalyseur0 Comme réacteurs, on peut mentionner convenableent des réacteurs tubulaires refroidis par un bain de sel, des réacteurs à couche tourbillonnaire à éléments de refroidissement incorporés ou des réacteurs à plusieurs couches à refroidissement intermédiaire. On sépare alors la substance finale à partir du mélange réactionnel d'une manière courante, par exemple on envoie les gaz quittant le réacteur à travers un ou plusieurs séparateurs refroidis et on isole la substance finale à partir du condensat de mélange réactionnel par distillation fractionnée ou par extraction, par exemple, par une solution aqueuse d'hydroxylamine ou de bisulfite. On recycle dans la réaction les fractions volatiles du mélange réactionnel de manière décrite, convenablement en partie ou totalement afin de valoriser la fraction de la substance de départ non convertie. te benzaldéhyde préparé par le procédé de l'invention est une substance odorante et une substance de départ intéressante pour la préparation de colorants et de parfums. En ce qui concerne ses applications, on peut se référer aux publications précitées et à Ullmann "Encyklopädie der technischen Chemie" tome 4, pages 239 et 240. Dans les exemples suivants, qui illustrent l'invention avec plus de détails sans nullement la limiter dans son cadre et son esprit, les parties indiquées signifient, sauf mention contraire, des parties en poids, opposées aux parties en volumes dans le rapport kg/l. EXEMPLE 1. On soumet dans un premier temps à un malaxage 1000 parties de (NH4)6Mo7024. 4H20 (heptamolybdate d'ammonium) avec 100 parties d'eau pendant 1 heure et demie dans un malaxeur, consécutivement on y ajoute 421 parties de nitrate ferrique (Fe(N03)3. 9H20) et 900 parties d'eau et on malaxe le mélange obtenu pendant 3 heures et demie. Après séchage à 110 C, on chauffe le mélange sous azote de manière progressive pendant l'intervalle de 6 heures à 360 C et on le calcine à ladite température pendant 4 heures. Consécutivement, on ajoute au mélange 3% en poids de poudre de graphite et on le transforme en plaquettes de 3 x 3 mm. EXEMPLE 2. On introduit rapidement, en agitant, 257 parties de Sb203, dissous dans un mélange de 50 parties d'acide nitrique concentré et 50 parties d'eau, au sein d'une solution de 530 parties de (EH4)6Mo7024.4H20 dans 2000 parties d'eau; puis on-évapore le mélange obtenu. Après séchage à 1100C, on le calcine à l'air pendant 12 heures à 5000C et, ensuite, on le transforme en plaquettes de 3 x 3 mm. EXEMPLE 3. On effectue la préparation comme dans l'exemple 2, en ajoutant toutefois en supplément à la solution nitrique de Sb203, 303 parties de Fe(N03)3.9 H20 dans 200 parties d'eau. EXEMPLE 4. On mélange 305 parties de BiO(N03). H20 et 265 parties de (NH4)6Mo7024 , 4 4 H2O et on malaxe le produit, en y ajoutant 75 parties d'eau, pendant 4 heures, On sèche le mélange à 1100C, on le calcine graduellement sous azote à 200-400 C pendant 12 heures et on le met en forme consécutivement de manière analogue à celle de l'exemple 1. EXEMPLE 5. On broie intimement un mélange de 460 parties de MoO3 (à 94% en poids), 43 parties de V2 5 et 257 parties de b 203 pendant 2 heures, puis on le calcine pendant 12 heures à 600 C sous azote. EXEMPLE 6. On évapore 305 parties de BiO (N03).H20, 227 parties de (SH4)6Mo7024.4 H2O et 54 parties de H2W04 dans 2000 parties d'une solution ammoniacale aqueuse à 15% en poids. On malaxe le mélange obtenu dans un malaxeur pendant 8 heures en y ajoutant par portions 170 parties d'eau. Après séchage, on calcine le mélange pendant 6 heures à 400-500 C sous azote et, ensuite, on le transforme en plaquettes de 3 x 3 mm. EXEMPLE 7. On mélange intimement dans un récipient à agitation 268 parties d'un sel d'acide silicique aqueux à 30% en poids, 21 parties de H3P04 concentré, 378 parties de (NH4)6Mo7O24.4H2O et 776 parties de Bi(NO3)3.5H2O, dissous dans 427 parties d'un acide nitrique à 5% en poids. On chauffe la suspension ohtenue à 110 C pendant 15 heures dans un courant d'air, dans des récipients plats, puis on chauffe le résidu dans l'intervalle de 6 heures à 4270C et on le calcine à ladite température pendant 10 heures supplémentaires. On fragmente ensuite le mélange en éclats de 2 à 4 mm. EXEMPLE 8 On prépare les solutions suivantes A 218,1 parties de Ni(NO3)2.6 H2O 6,5 " Co(N03)2.6 H20 O > dans 200 parties d'eau 30,3 " Fe(N03)309 H20 B 2,2 parties de sm2O3 dans 20 parties d'eau et 20 parties de HN03 concentré C 36,4 parties de Bi(N03)3.5 1120 dans 50 parties de HN03 concentré et 50 tarties d'eau D 158,5 parties de (NH4)6Mo7O24.4 H2O 8,64 parties de H3PO4 (à 85%) J On pulvérise finement 110 parties de montmorillonite et on calcine au rouge la poudre obtenue pendant 5 heures à 1000 C. On mélange les solutions A, B et C précitées, on introduit rapidement le mélange dans la solution D en agitant, puis on introduit par portions la montmorillonite, en agitant, dans le mélange des solutions A,B,C et D. On évapore à 11000 la suspension obtenue, et on calcine le rsi- du dans un courant d'air pendant 5 heures à 55000. On fragmente ensuite le mélange et on le transforme en plaquettes de 3 x 3 mm. EXEMPlE 9. On broie 1000 parties d'heptamolybdate d'ammonium avec 421 parties de nitrate ferrique. Après addition de 2000 parties d'eau, on malaxe le mélange pendant 5 heures et, consécutivement, on le sèche progressivement sous azote pendant 6 heures à 120 C et, ensuite, pendant 1 heure à 2000C, 1 heure à 30000 et 1 heure à 3600C. On met en suspension le molybdate de fer ainsi préparé (300 parties) dans 300 parties d'eau et on y ajoute 900 parties en poids de pierre ponce. On sèche consécutivement la pierre ponce imprF gnée de molybdate de fer sous azote à 150-200 C. Réaction selon l'invention (Exemple 1). tes conditions de réaction essentielles ainsi que les quantités de catalyseur et de substances de départ sont indiquées dans le tableau suivant. On introduit la quantité totale de catalyseur (60 parties en volumes) en 4 portions, la première portion des parties en volumes (entrée de la couche catalytique) étant mélangée avec la quantité triple en volumes de diluant, la seconde portion des parties en volumes (section moyenne de la couche catalytique) étant mélangée avec la quantité double de diluant et la troisième portion des parties en volumes (sortie de la couche catalytique) étant mélangée avec la mtme- quantité en volume de diluant, tandis que le reste des parties en volumes est introduit non dilué à la sortie de ladite couche catalytique. Comme diluant, on utilise des sphérules de stéatite unies, de diamètre égal à 0,7 cm.On envoie à travers le réacteur les quantités horaires de gaz/mélange en phase vapeur des substances de départ, indiquées dans ledit tableau. On refroidit ensuite le mélange réactionnel à 20-25 C, la quantité~principale de benzaldéhyde, la vapeur d'eau et le toluène n' ayant pas réagi étant ainsi retirés par condensation. On envoie ensuite le gaz résiduaire dans un piège à refroidissement, refroidi à la carboglace. On réunit le condensat des deux dispositifs de refroidissement et, après séparation en une phase organique et une phase aqueuse, on l'analyse par voie chrematographique. On prélève des échantillons du gaz résiduaire et on évalue leur teneur en toluène et'en benzaldéhyde non condensés ainsi qu'en CO et en C 2 tes quantités de substances de départ introduites, les conditions de réaction, les t4aux de conversion et les rendements sont indiqués dans ledit tableau. Réaction selon l'invention Exemples 2 à 9 On effectue la réaction d'une manière analogue à celle de l'exemple de réaction 1, à la différence que l'on introduit les catalyseurs sans diluant. tes résultats et les conditions de réaction sont également indiqués dans ledit tableau. T A B L E A U Exemple Composants du Rapport atomique Quantité de Quantité vapeur Toluène Temps de sé catalyseur en des composants catalyseur d'air en d'eau parties/ jour en se dehors de l'oxy- (parties en 1000 par- parties/ h. condes. gène. volumes) ties en h. vol./h. 1 Fe, Mo 1,1:6 60 60 25 40 2,1 2 Sb, Mo 3,5:6 20 60 36 40 0,65 3 Sb, Fe, Mo 3,5:1,5:6 87 60 36 40 2,8 4 Bi, Mo 4:6 50 50 35 40 1,7 " " " 150 50 30 40 5,5 5 Sb, V, Mo 3,5:0,95:6 20 60 25 40 0,7 6 Bi, W, Mo 4,7:1:6 50 50 27 40 1,9 7 Bi, P, Mo sur SiO2 4,6:0,6:6 20 50 25 40 0,78 8 Ni, CO, Fe, Bi, 5:0,15:0,5:0,5 80 120 - 10 2,4 P, Mo, Sm 0,59:6:0,085 azote en 1000 parties en volumes/h 9 30% de Fe, Mo sur pierre ponce 1,1::6 200 10 8,8 39 25,5 T A B L E A U Exemple Température Quantité Quantité Rendement Taux de con- Rendement en Rendement en ben de reaction totale de totale de global en version du benzaldéhyde*) zaldéhyde(dans le C toluène de toluène benzaldéhyde toluène par rapport au condensat et les départ converti (dans le con- (% en poids) toluéne intro- gaz résiduaires (parties) (parties) densat)(parties) duit(% en poids) par rapport au to luène converti) (% en poids) 1 370 273 233 25 14,6 10,1 69 2 420 268 179 11 33,2 4,5 13,5 3 400 464 386 11 14,5 2,6 18 390 468 306 23 21,8 5,4 25 4 410 468 351 27 25 6,4 26 400 469 375 34 20 8 40 5 430 464 393 23 11 5,5 50 6 390 460 375 22 8,5 5,3 29 7 430 460 416 8 9,6 1,9 20 8 420 240 228 8 5 3,7 74 9 500 156 151 4 3,3 2,6 78 *)(dans le condensat et les gaz résiduaires) - REVENDICATIONS 1.- Procédé pour la préparation continue de benzaldéhyde par oxydation catalytique du toluène par l'oxygène en phase gazeuse à température élevée, ledit procédé étant caractérisé par le fait que l'on effectue la réaction avec un rapport molaire entre le toluène et l'oxygène de l'ordre de 0,1-2 : 1 à une température comprise entre 2000C et 6000C et pendant un temps de séjour de 0,05 à 40 secondes en présence d'un catalyseur oxygéné contenant du molys dène et, en tant qu'éléments d'addition, au moins l'un des éléments choisis parmi le fer, le nickel, le cobalt, l'antimoine, le bismuth, le vanadium, le phosphore, le samarium, le tantale, l'étain, le chrome dans un rapport atomique entre les éléments d'addition et le molybdène de moins de 1 : 1. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on effectue la réaction en présence d'un catalyseur oxygéné contenant du molybdène et du fer et/ou du nickel.