Brevet FR2269510A1 — publié le 19751128

La présente invention concerne un procédé perfectionné pour l'oxydation d'hydrocarbures aikylaromatiques avec des gaz contenant de l'air ou de i t oxygène, en particulier l'oxydation du pxylène en acide p-toluique et en acide téréphtalique, ainsi que ltoxydation du p-toluate de méthyle en téréphtalate monométhylique. Dans la pratique industrielle, ces réactions servent à la préparation d'acide téréphtalique et de téréphtalate de diméthyle. Le perfectionnement selon l'invention réside en une sélectivité accrue au cours de l'oxydation et permet d'obtenir ainsi des rendevents plus élevés en des produits présentant de l'importance pour la production de fibres, de feuilles, d'objets moulés et de résines à base de polyesters. On sait que, par oxydation catalytique à l'air du p-xylène en phase liquide en l'absence d'un solvant, il est possible d'esvérifier avec du méthano2JL'acide p-toluique formé en premier lieu et d'oxyder le p-toluate de méthyle résultant. Dans la pratique, on réalise ce procédé, connu également sous le nom de procédé Witten, en oxydant ensemble avec de l'air, en continu ou en discontinu, du p-toluate de méthyle et du p-xylène avec des sels de cobalt ou des mélanges de sels de cobalt et de manganèse solubles dans le milieu réactionnel et en estérifiant les acides résultants avec du méthanol.Le mélange, constitué essentiellement par du téréphtalate de diméthyle et du p-toluate de méthyle, est alors récupéré, de préférence par distillation, et le p-toluate de methyle ainsi recueilli est renvoyé vers l'oxydation. On connaît par ailleurs des procédés dans lesquels l'oxyda- tion se fait en solution acétique avec l'aide de catalyseurs à base de métaux lourds, par exemple de manganèse, de cobalt, de nickel, de chrome, de vanadium, de molybdène, de tungstène et de cérium, en présence d'un promoteur bromé sous forme de bromures ou, additionnellement, en présence de substances bromées (voir les demandes Dr-AS 1.418.852 et 1.418.295). Dans ce cas, le r81e du système de catalyseurs est de permettre l'oxydation du p-xylène en acide téréphtalique avec des rendements suffisants. Dans le procédé Witten, de tels systèmes de catalyseurs sont sans intérêt, puisque l'oxydation du p-xylène se déroule avec une vitesse suffisante jusqu'au stade du téréphtalate monométhylique, en passant par le stade intermédiaire du p-toluate de méthyle.C'est alors plut8t la sélectivité du catalyseur, c' est-à-dire le rendement en téréphtalate de diméthyle,qui offre un intdrEt particulier. En ce qui concerne le procédé Witten, on n'a décrit jusqu'ici dans la littérature des brevets, à côté du cobalt seul, que les systèmes de catalyseurs mixtes cobalt-manganèse et cobalt + métaux du sous-groupe 17 (voir la demande Dr-As 2.010.137 et les demandes DT-OS 2.163.031 et 2.047.579). Par rapport à l'état de la technique exposé dans la demande DT-AS 1.418.852, la présente invention permet une amélioration du rendement et de la vitesse de réaction lors de l'oxydation du p-xylène en acidp-toluique et en aeide téréphtalique, ainsi que du p-toluate de méthyle en térdphta- late monométhylique. Pour l'appréciation de la sélectivité d'un catalyseur d'oxydation on peut, en ce qui concerne la réaction intervenant dans le procédé Witten, se référer au fait que la réaction principale l'oxydation des groupes alkyle du xylène et du p-toluate de méthyle - peut être en grande partie suivie par l'indice d'acide du mélange réactionnel, alors que les réactions secondaires se manifestent essentiellement par la formation de C02 , de CO, d'acide acétique et d'acide rormique. D'autres mesures de rendement ne fournissent pas de valeurs précises lors d'oxydations d'essai, à cause de la nature complexe de la composition des produits de réaction. On a trouvé à présent qu'en utilisant des catalyseurs mixtes renfermant les trois composants que sont le cobalt, le manganèse et le cuivre, l'oxydation des composés alkylaromatiques de déroule avec une sélectivité et une vitesse de réaction particulièrement élevées. L'utilisation de ces systèmes de catalyseurs concerne en premier lieu l'oxydation du p-xylène et du p-toluate de méthyle ou de leurs mélanges, telle qu'elle est mise en oeuvre à l'échelle industrielle dans le procédé Witten.Il est cependant clair, que le système de catalyseur selon l'invention pourrait être avantageusement mis en oeuvre pour l'oxydation d'autres alkylaromatiques On a pu établir que, grâce à l'utilisation de ces catalyseurs mixtes, la formation des produits secondaires de l'oxydation -C02, CO, acide acétique et acide formique - diminue, et que le rendement s'a méliore. On peut en outre atteindre des vitesses de réaction plus élevées avec les catalyseurs selon l'invention. L'intérêt de l'in- vention réside donc dans 1'économie de matières premières et l'ac- croissement du rendement espace-temps lors de l'oxydation. Le système de catalyseurs conforme à l'invention peut gtre utilisé aussi bien pour l'oxydation en discontinu que pour l'oxy- dation en continu. Lors de la mise en oeuvre discontinue, il peut être avantageux d t introduire tout d'abord le composant au cobalt et ensuite seulement les deux autres composants, car l'amorçage de la réaction avec le cobalt s'effectue le plus rapidement. les composants du catalyseur du procédé selon l'invention peuvent être mis en oeuvre sous forme de leurs oxydes, de leurs hydroxydes, de leurs sels métalliques, de leurs complexes ou de leurs sels complexes, mais aussi sous forme élémentaire. Par sels métalliques, il faut entendre des sels métalliques inorganiques, par exemple des carbonates et des bromures, et des sels métalliques organiques tels que des sels d'acides aliphatiques à channe linéaire ou ramifiée, saturés ou insaturés, ou d'acide naphténiques, par exemple des formiates, des acétates, des naphténates et des éthylhexanates. Comme composés complexes appropriés, on peut citer par exemple les phtalocyanines et les acétylacétonates. L'utilisation d'une forme élémentaire est également possible et on utilise alors des formes finement divisées dotées d1 une grande surface, par exempl4fa poudre ou de la mousse métallique. Les formes d'utilisation précitées ne sont naturellement données qu'à titre d'exemples illustratifs du procédé général et ne constituent qu'un choix parmi les nombreuses formes d'utilisation possibles. le composant métallique présente cependant une importance particulière en ce qui concerne ltefficacit catalytique. On observe en effet une activité accrue dans le cas de composés complexes déterminés, tels que par exemple la phtalocyanine de cuivre. Dans le procédé discontinu, il est recommandé d'utiliser dans le milieu réactionnel des composés solubles, pour assurer l'amorçage de l'oxydation. Cela présente une moindre importance dans le procédé en continu. les possibilités de faire varier les concentrations des composants individuels dans le mélange réactionnel sont très grandes avec le catalyseur ternaire Co - Mn - Cu. L'amélioration selon l'invention de la sélectivité et du rendement peut s'obtenir dans de larges gammes de concentration. Des limites ne sont en effet imposées vers le haut de la gamme que par le coût du catalyseur, par les difficultés éventuelles lors de la transformation ultérieure des produits intermédiaires, ainsi que par les proportions extrê- mes des composants individuels. Il s'est révélé avantageux de ne pas faire varier la concentration du cobalt dans le milieu réactionnel au-dessous de 10 ppm et au-dessus de 1000 ppm. Les composants manganèse et cuivre sont déjà efficaces à des concentrations de 1 ppm. Le domaine de pression possible pour la réalisation de l'oxy- dation avec utilisation du système de catalyseur selon le procédé de l'invention se situe entre 1 et 200 atmosphères, de préférence entre 2 et 20 atmosphères. Dans le procédé selon 1'invention, le domaine de température se situe entre 800C et 2500C, de préférence entre 13000 et 180 C. Selon une forme de réalisation préférée, le procédé selon l1inven- tion est mis en oeuvre comme suit : Dans la cuve d'óxydation, du p-xylène, du p-toluate de méthyle et de l'air sont mis à réagir après addition de la combinaison de catalyseurs selon ltinvention. Le produit d'oxydation comporte essentiellement, outre des quantités plus faibles de p-carboxyben- zaldéhyde et d'autres intermédiaires d'oxydation, de l'acide ptoluique, de l'acide téréphtalique et du téréphtalate monométhylique.Le produit d'oxydation est ensuite soumis à une estérification avec du méthanol et le produit d'estérification est séparé par distillation en p-toluate de méthyle, qui est renvoyé vers ltoxydation, et en téréphtalate de diméthyle brut, qui est soumis à une purification ultérieure. Les exemples suivants servent à il lustrer le procédé selon l'invention, sans limiter la portée de celle-ci. EXEMPLE 1 Dans un ballon à agitation de 3 1, muni d'un tube d'amenée de gaz, d'un réfrigérant à reflux et d'un séparateur d'eau, on a chargé 1650 g de p-xylène et divers catalyseurs sous forme d'une solution de sel d'acide éthylhexylique à 3% dans le xylène correspondant aux données quantitatives du tableau figurant à la fin de cet exemple. On a ensuite chauffé à 140 C et introduit à cette température 68 1 par heure d'air exempt de 002. Le gaz résiduaire provenant de ltoxydation à été envoyé dans un piège à refroidissement, où il a été mesuré avec un compteur à gaz et la teneur en C02 et en CO du gaz résiduaire a été déterminée en continu au moyen d'appareils d'analyse automatiques. L'eau de réaction formée était recueillie et analysée quant à sa teneur en acide acétique et en acide formique. 1'oxydation a été arrStée après 26 heures. A partir des quantitis d'air résiduaire et d'eau de réaction mesurées et des concentrations correspondantes de CO2, de CO, d'acide acétique et d'acide formique, on a déterminé les sous-produits de l'oxydation formée lors de l'utilisation de divers catalyseurs. Le tableau suivant indique les concentrations de catalyseurs utilisées, ainsi que les quantités en grammes [g] d'acide ptoluique (ApT) résultant de l'oxydation du p-xylene et les quantités déterminées des sous-produits C02, CO, acide acétique et acide formique. La colonne 8 du tableau indique en outre les pertes totales calculées en carbone et la colonne g la perte spécifique en g de carbone g de ApT formé. Les résultats groupés par séries d'essais dans le tableau sont les valeurs moyennes de plusieurs expériences individuelles. les essais correspondant aux séries 1 et 3 sont des essais comparatifs conformes à l'état de la technique. La série d'essais 2 ne tombe pas sous le coup de l'état de la technique examiné, mais n'ap- porte pas non plus d'avantages par rapport à la série d'essais 3. Série Catalyseur ApT CO2 CO Acide Acide Pertes Pertes d'es- [g] [g] [g] acéti- formi- [g] gC/g ApT que que [g] [g] 1 100 ppm Co 560 30 8 2 12,4 0,022 2 100 ppm Co 592 21 6 8,3 0,014 +10 ppm Cu 3 100 ppm Co 600 17 6 7,2 0,012 +10 ppm Mn 4 100 ppm Co 612 15 6 6,6 0,011 +10 ppm Cu +10 ppm Mn EXEMPLE 2 Dans l'appareil décrit dans l'exemple 1, on a chargé 1500g de p-toluate de méthyle (pTM) et le catalyseur correspondant sous forme d'une solution du sel d'acide éthylhexylique à 3% dans le xylène. On a ensuite chauffé à 19500 et on a introduit à cette température 90 lXh d'air exempt de 002. La quantité de téréphtalate monométhylique (TPM) provenant de l'oxydation du pTM et les quantités de produits secondaires obtenues apparaissent, comme dans l'exemple 1, dans le tableau suivant. Les résultats groupés par séries d'essais dans ce tableau représentent les valeurs moyennes de plusieurs expériences individuelles. les essais correspondant aux séries d'essais 5 et 6 sont des essais comparatifs eonformes à l'état de la technique.La série d'essais 7 ne tombe pas sous le coup de l'état de la technique examiné, mais n'apporte pas non plus d'avantages par rapport à la série d'essais 6. Série Catalyseur TPM CO2 CO Acide Acide Pertes Pertes d'es [g] [g] [g] acéti- formi- [g] gC/g TPM sais que que [g] [g] :5 : 100 ppm Co:670 :110 :35 :0,6 : 1,8 : 45,7 : o,o68 6 100 ppm Co 892 54 30 0,1 1,9 28,0 0,031 + 10 ppmMn 7 100 ppm Co 727 62 20 0,4 1,8 26,1 0,036 + 10 ppm Cu 8 100 ppm Co 897 51 27 0,2 1,9 26,1 0,029 : :+ 10 ppm Mh: : : : : : : + 10 ppm Cu 9 100 ppm Co 843 46 24 0,1 2,0 23,4 0,028 + 10 ppm Mn + 100 ppm phtylocyani que de Cu EXEMPLE 2 Dans appareil décrit dans 1 'exemple 1, on a charge 1500g de p-toluate de méthyle (pTM) et le catalyseur correspondant sous forme d'une solution du sel d'acide éthylhexylique à 3% dans le xylène. On a ensuite chauffé à 195 C et on a introduit à cette tem parature 90 1/h d'air exempt de CO2. La quantité de téréphtalate monométhylique (PTM) provenant de l'oxydation du pTM et les quantités de produits secondaires obtenues apparaissent, comme dans l'exemple l,dans le tableau suivant.Les résultats groupés par sé EXEMPLE 3 Pour obtenir un aperçu préliminaire sur la dépendance de la sélectivité des catalyseurs selon l'invention vis-à-vis de la concentration des composants individuels, on a chargé 1500g de ptoluate de méthyle dans l'appareil décrit dans l'exemple 1 et on a oxydé dans les conditions indiquées dans l'exemple 2. On a ensuite introduit en plusieurs fractions des quantités successives déterminées de catalyseur, sous forme d'une solution du sel d'acide éthylhexylique à 3% dans le xylène et on a mesuré en continu la concentration de CO2 et de CO dans le gaz résiduaire.Les valeurs obtenues figurent dans le tableau suivant : N d'essai : Catalyseur : % de C02 dans : % de CO le gaz : dans le gaz: résiduaire résiduaire 1 50 ppm Co 2,6 1,7 : 2 : 100 ppm Co : 2,8 1,4 : 3 : 200 ppm Co : 2,5 : 1,3 4 100 ppm Co 1,5 1,4 + 10 ppm Mn 5 100 ppm Co 1,5 1,3 + 50 ppm Mn : 6 : 100 ppm Co : 1,9 : 1,4 : : + 200 ppm Ma : 7 7 : 100 ppm Co : 1,7 : 0,9 : : + 10 ppm Cu 8 100 ppm Co 1,5 0,8 + 30 ppm Cu 9 100 ppm Co 1,3 0,8 + 10 ppm Mn : + + 10 ppm Ou : 10 : 100 ppm Co : 1,3 : C,8 + 10 ppm Mn : : + 50 ppm Cu :11 : 100 ppm Co : : + 10 ppm Mn : Inhibition de la réaction : : : + 500 ppm Cu : d'oxydation I1 ressort de la série d'essais ci-dessus que les valeurs les plus favorables sont obtenues dans les essais 9 et 10. Par ailleurs,les pertes par combustion dépendent peu de la concentration du catalyseur. On remarque simplement que des concentrations élevées de Cu et de WL avec des concentrations faibles de Co sont peu favorables. EXEMPlE 4 Dans un réacteur en acier inoxydable de 1,5 m muni d'un tube d'amenée d'air, d'un système de chauffage et de refroidissement, d'un réfrigérant à reflux et d'un séparateur d'eau de réaction, on a introduit en continu 85 kg/h de p-xylbne et 130 kg/h dep-toluate de méthyle.0n a chargé en outre en continu une solution acétique à 1,5-3% des catalyseurs métalliques figurant au tableau suivant de sorte qu'il s'établissait la concentration de catalyseur désirée dans le mélange réactionnel. On a maintenu le contenu du réacteur à 1 m3 en soutirant, par l'intermédiaire d'un réglage de niveau automatique, la quantité correspondante de produit de réaction. 60 m3 normaux/h d'air ont été insufflés par le bas dans le réacteur.La température dans le milieu réactionnel était réglée à 1600C et la pression l'était à 6 atmosphères. Les résultats d'essais figurent au tableau suivant. A partir de la quantité et de l'analyse du gaz résiduaire, on a déterminé la quantité de oe2 et de CO, et à partir de la quantité et de l'analyse de l'eau de réaction on a déterminé la quantité respectivement d'acide acétique et d'acide formique. On a déterminé en outre à partir de la quan ité et de l'analyse des produits d'oxydation formés,le mélange d'acides formé en kg/h, calculé en COOH. La colonne 8 du tableau indique en outre les pertes globales calculées en carbone et la colonne 9 la perte spécifique en kg de carbone/kg de mélange d'acides formé, cal culé en COOH.Dans ce tableau, les résultats groupés par séries d'essais représentent les valeurs moyennes de plusieurs expériences individuelles. Les essais correspondant aux séries d'essais 10 et Il sont des essais comparatifs conformes à l'état de la technique. La série d'essais 12 ne tombe pas sous le coup de l'état de la technique examiné, mais n'apporte cependant pas d'avantages par rapport à la série d'essais 11. Série Catalyseur Quantité CO2 CO Acide Acide Pertes Pertes d'es- d'acide kg/ kg/ acéli- formi- kg/ kgC/ sais formée h h que que C/h kg kg-COOH/h kg/h kg/h COOH 10 100 ppm Co 18,2 1,79 0,53 0,166 0,060 0,80 0,044 11 100 ppm Co 18,5 1,50 0,37 0,105 0,058 0,63 0,034 + 10 ppm Mn 12 100 ppm Co 18,7 1,74 0,43 0,104 0,048 0,71 0,038 + 10 ppm Cu 13 100 ppm Co 17,7 1,38 0,33 0,066 0,047 0,56 0,032 + 10 ppm Mn + 10 ppm Mn REVENDICATIONS 1. Procédé pour ltoxydation de p-xylbne, de p-toluate de méthyle et de leurs mélanges, avec de l'oxygène moléculaire ou des gaz contenant de l'oxygène moléculaire, notamment pour la préparation de téréphtalate diméthylique sous une pression de 1 à 200 atmosphères et à une température comprise entre 800C et 25O0C, caractérisé en ce qu'on met en oeuvre un catalyseur d'oxydation comportant les constituants suivants a) cobalt ou un composé du cobalt, b) manganèse ou un composé du manganèse, c) cuivre ou un composé du cuivre. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la concentration de cobalt dans le milieu réactionnel se situe entre 10 et 1000 ppm, de préférence entre 50 et 500 ppm, et que les concentrations de manganèse et de cuivre dans le milieu réactionnel se situent pour chacun de ces éléments entre 1 et 100 ppm, de préférence entre 5 et 50 ppm. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2,caractérisé en ce que le constituant cuivre est mis en oeuvre sous forme de composés complexes, notamment sous forme de phtalocyanine de cuivre. 4. Composés d'oxydation d'hydrocarbures alkyl-aromatiques obtenus par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3.