DE10061555A1 - Schalenkatalysator für die Hydrierung von Maleinsäureanhydrid und verwandten Verbindungen zu gamma-Butyrolacton und Tetrahydrofuran und Derivaten davon - Google Patents
Schalenkatalysator für die Hydrierung von Maleinsäureanhydrid und verwandten Verbindungen zu gamma-Butyrolacton und Tetrahydrofuran und Derivaten davonInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Katalysator für die Hydrierung von C¶4¶-Dicarbonsäuren und/oder deren Derivaten, vorzugsweise Maleinsäureanhydrid, in der Gasphase, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Katalysator 5 bis 100 Gew.-%, vorzugsweise 40 bis 90 Gew.-% Cu-Oxid und 0 bis 95 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 60 Gew.-% eines oder mehrerer Metalle oder deren Verbindungen aus der Gruppe, bestehend aus Al, Si, Zn, La, Ce, den Elementen der Gruppen III A bis VIII A sowie den Gruppen I A und II A als aktive Masse, aufweist und diese Masse auf einem inerten Trägermaterial in Form einer dünnen Schicht aufgebracht ist.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von gegebenenfalls
alkylsubstituiertem γ-Butyrolacton und Tetrahydrofuran durch katalytische Hydrierung in
der Gasphase von Substraten, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus
Maleinsäure und Bernsteinsäure und Derivaten dieser Säuren. Darunter werden im
Rahmen der vorliegenden Erfindung Ester und Anhydride verstanden, wobei diese ebenso
wie die Säuren einen oder mehrere Alkylsubstituenten aufweisen können. Es wird ein
Schalenkatalysator verwendet, der aus einem inerten Trägermaterial mit einer darauf
angebrachten dünnen Schicht enthaltend Cu- und Al-Oxide besteht.
Die Herstellung von γ-Butyrolacton (GBL) und Tetrahydrofuran (THF) durch
Gasphasenhydrierung von Maleinsäureanhydrid (MSA) ist eine seit vielen Jahren bekannte
Reaktion. Zur Durchführung dieser katalytischen Reaktion sind in der Literatur zahlreiche
Katalysatorsysteme beschrieben. Diese sind zum großen Teil Cr-haltig. Je nach
Zusammensetzung des Katalysators und den gewählten Reaktionsparametern werden mit
derartigen Katalysatoren unterschiedliche Produktverteilungen erreicht.
Mögliche weitere Edukte zur Herstellung von GBL und THF sind neben MSA die
Maleinsäure selbst, Bernsteinsäure und deren Anhydrid sowie die Ester dieser Säuren.
Sollen GBL und THF hergestellt werden, die Alkylsubstituenten aufweisen, so bietet es
sich an, von den vorstehend genannten Säuren, Estern und Anhydriden auch die
entsprechend alkylsubstituierten Spezies zu verwenden.
In der US 3,065,243 ist ein Verfahren offenbart, bei dem Kupferchromit als Katalysator
dient. Laut Beschreibung und Beispielen entstehen bei dieser Reaktionsführung noch
beträchtliche Mengen an Bernsteinsäureanhydrid (BSA), das im Kreis gefahren werden
muß. Wie bekannt ist, treten dabei häufig verfahrenstechnische Probleme aufgrund der
Kristallisation des BSA oder auch daraus entstehender Bernsteinsäure mit anschließender
Verstopfung von Rohrleitungen auf.
Die Offenbarung von weiteren Kupferchromit-Katalysatoren zur Hydrierung von MSA
findet sich zum Beispiel in den Druckschriften US 3,580,930, US 4,006,165, der EP-A 638 565
sowie der WO 99/38856. Laut Offenbarung lassen sich mit den dort beschriebenen
Katalysatoren hohe Ausbeuten an GBL erzielen. THF wird jeweils nur in Spuren gebildet.
Oftmals ist es jedoch so, daß höhere Mengen an THF aus mehreren Gründen erwünscht
sind.
Ein Verfahren, das dies gestattet, wird in der US 5,072,009 offenbart. Die gemäß diesem
Patent verwendeten Katalysatoren entsprechen der allgemeinen Formel Cu1ZnbAlcMdOx, in
der M mindestens ein Element ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus den
Gruppen IIA und IIIA, VA, VIII, Ag, Au, den Gruppen IIIB bis VIIB sowie Lanthaniden
und Aktinoiden des Periodensystems der Elemente; b ist eine Zahl zwischen 0,001 und
500, c eine Zahl zwischen 0,001 und 500 und d eine Zahl von 0 bis < 200 und x entspricht
der Anzahl an Sauerstoffatomen, die nach den Valenzkriterien notwendig sind. Obwohl
ausgesagt wird, daß die Katalysatoren entsprechend dieser Patentschrift kein Chrom
enthalten müssen, werden in allen Beispielen chromhaltige Katalysatoren beschrieben.
Nach diesen Beispielen wird eine maximale THF-Ausbeute von 96% erhalten, die
Hydrierung wird bei Drücken von 20 bis 40 bar durchgeführt.
Ein zweistufiges Katalysatorsystem zur Hydrierung von MSA ist in der Patentschrift US 5,149,836
beschrieben. Der Katalysator für die erste Stufe ist chromfrei, der Katalysator
für die zweite Stufe basiert auf Cu-Zn-Cr-Oxiden.
Prinzipiell nachteilig an allen oben beschriebenen Katalysatorsystemen ist die
Anwesenheit von Chromoxid, dessen Verwendung aufgrund der akuten Toxidität
vermieden werden sollte. Auch derartige Cr-freie Katalysatorsysteme zur Herstellung von
GBL durch Hydrierung von MSA sind im Stand der Technik beschrieben. Beispiele für
derartige Katalysatorsysteme finden sich in den Druckschriften WO 99/35139 (Cu-Zn-
Oxid), WO 95/22539 (Cu-Zn-Zr) sowie der US 5,122,495 (Cu-Zn-Al-Oxid). Alle diese
Katalysatorsysteme ermöglichen hohe Ausbeuten an GBL, bis zu 98%, dabei wird die
Bildung von THF jedoch nicht oder nur in Spuren beobachtet. Zwar läßt sich dessen
Bildung, wie bekannt ist, durch eine Erhöhung der Reaktionstemperatur oder längere
Verweilzeiten im Reaktor begünstigen, gleichzeitig steigt jedoch auch der Anteil
unerwünschter Nebenprodukte, beispielsweise Butanol, Butan, Ethanol oder Ethan.
Ein ausschließlich aus Cu- und Al-Oxiden aufgebauter Katalysator für die MSA-
Gasphasenhydrierung zu GBL wird in der WO 97/24346 offenbart. Auch hier finden sich
die gleichen Nachteile wie bei den im vorstehenden Absatz beschriebenen Druckschriften,
nämlich nur untergeordnete Bildung von THF, die lediglich durch extreme
Reaktionsbedingungen gesteigert werden kann.
Die Verwendung eines Katalysators mit prinzipiell gleicher Zusammensetzung wie in der
WO 97/24346 beschrieben, nämlich basierend auf Cu-Al-Oxiden, wird auch in der JP 2 233 631
offenbart. Das Ziel dieser Erfindung liegt dabei darin, die Hydrierung von MSA
so durchzuführen, daß als Hauptprodukte THF und 1,4-Butandiol neben nur geringen oder
gar keinen Mengen GBL entstehen. Dieses wird dann durch die Verwendung der auf
gemischten Cu-Al-Oxiden basierenden Katalysatoren sowie durch Einhalten bestimmter
Reaktionsbedingungen erreicht. Typische, mit diesem Verfahren erhaltene Mischungen
enthalten ca. 15 bis 20 Mol-% 1,4-Butandiol und 60 bis 80 Mol-% THF, wobei die Menge
an THF sogar entsprechend einem Beispiel auf über 99 Mol-% gesteigert werden kann.
Dies wird dadurch erreicht, daß GBL als Lösungsmittel eingesetzt wird, und zwar in einem
mehrfachen Überschuß. Wird dagegen ohne Lösungsmittel gearbeitet, sinken die
Ausbeuten beträchtlich, auf Werte um 75%.
Alle die in den oben genannten Druckschriften offenbarten Katalysatoren weisen als
gemeinsames Merkmal auf, daß sie einen einheitlichen Strukturaufbau besitzen. Dabei sind
die vorliegenden Komponenten innig miteinander vermischt, wodurch die Struktur im
wesentlichen homogen wird und der Katalysator keine größeren, unterschiedlich
aufgebauten Bestandteile aufweist.
Die EP-A 0 404 408 dagegen offenbart einen Katalysator für die MSA-Hydrierung, dessen
Aufbau prinzipiell anders ist als der Katalysatoren in den vorstehend genannten
Referenzen. Das katalytisch aktive Material entspricht dabei im wesentlichen dem
Material, das in der oben zitierten US 5,072,009 offenbart ist. Das Material wird dann auf
einen im wesentlichen inerten, mindestens teilweise porösen, eine äußere Oberfläche
aufweisenden Träger aufgetragen. Das katalytisch aktive Material haftet an der äußeren
und inneren Oberfläche des Trägers. Im Gegensatz zu dem entsprechenden, nicht auf
einem Träger angebrachten Katalysator, der als Hauptprodukt THF liefert, entsteht hierbei
GBL als bevorzugtes Produkt. Auch hierbei enthalten sämtliche in den Beispielen
verwendeten Katalysatoren Cr. Nachteilig ist hierbei auch die große Menge an gebildetem
BSA.
Alle die in den vorstehend genannten Druckschriften beschriebenen Katalysatortypen
weisen den Nachteil auf, daß sie noch eine große Menge an unerwünschtem Nebenprodukt
liefern bzw. nur für die Herstellung eines der prinzipiell erwünschten Hauptprodukte THF
und GBL einsetzbar sind. Häufig enthalten die Katalysatoren auch Cr.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Katalysator für die
Gasphasenhydrierung von Maleinsäure und/oder Bernsteinsäure und/oder den oben
erwähnten Derivaten zur Verfügung zu stellen, der variabel zur Herstellung von
gegebenenfalls substituiertem THF und/oder GBL einsetzbar ist. Der Katalysator soll dabei
Cr-frei sein. Insbesondere soll dieser Katalysator unter entsprechenden
Reaktionsbedingungen hohe Ausbeuten an THF mit gleichzeitig geringer Bildung von
unerwünschtem Nebenprodukt ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Katalysator für die Hydrierung von C4-
Dicarbonsäuren und/oder deren Derivaten in der Gasphase, dadurch gekennzeichnet, daß
dieser Katalysator 5 bis 100 Gew.-% Cu-Oxid und 0 bis 95 Gew.-% eines oder mehrerer
Metalle oder deren Verbindungen aus der Gruppe bestehend aus Al, Si, Zn, La, Ce, den
Elementen der Gruppe IIIA bis VIIIA sowie der Gruppe IA und IIA als aktive Masse
aufweist und diese Masse auf einem inerten Trägermaterial in Form einer dünnen Schicht
aufgebracht ist.
Die Gruppen des Periodensystems der Elemente werden im Zusammenhang mit der
vorliegenden Erfindung nach der alten IUPAC-Nomenklatur bezeichnet.
Unter dem Begriff C4-Dicarbonsäuren und deren Derivate werden im Bezug auf die
vorliegende Anmeldung verstanden Maleinsäure und Bernsteinsäure, die gegebenenfalls
einen oder mehrere C1-C6-Alkylsubstituenten aufweisen sowie die Anhydride und Ester
dieser gegebenenfalls alkylsubstituierten Säuren. Ein Beispiel einer solchen Säure ist
Citraconsäure. Vorzugsweise wird MSA eingesetzt.
Die Aktivmasse eines erfindungsgemäßen Katalysators besteht aus an sich bekanntem Cu-
Oxid, das optional eines oder mehrere weitere Metalle aus der vorstehend genannten
Gruppe oder deren Verbindungen aufweisen kann. Vorzugsweise enthält die Aktivmasse
kein Cr. Der Anteil an Cu-Oxid liegt bei Werten von 5 bis 100 Gew.-%, vorzugsweise 40
bis 90 Gew.-%. Das andere oder die anderen Metalle bzw. deren Verbindungen sind in
Anteilen von 0 bis 95 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 60 Gew.-% vorhanden. Es wurde
beobachtet, daß sich die Aktivität des Katalystors mit steigendem Cu-Oxid-Anteil
prinzipiell erhöht. Der Katalysator kann in der Aktivmasse noch eines oder mehrere
andere, an sich bekannte Metalle aus der Gruppe bestehend aus Al, Si, Zn, La, Ce, den
Elementen der Gruppen IIIA bis VIIIA sowie den Gruppen IA und IIA oder eine
Verbindung dieser Metalle enthalten, wobei die Verbindung vorzugsweise ein Oxid ist.
Vorzugsweise wird ein Metall aus der Gruppe bestehend aus Al, Si, Ti, Zn, Zr, La
und/oder Ce oder eine Verbindung davon, vorzugsweise ein Oxid, eingesetzt. Insbesondere
geeignet sind Zn, Zr und/oder Al oder deren Verbindungen. Der gemischte,
erfindungsgemäß verwendete Katalysator kann die jeweiligen Metalle in Form eines
Salzes, vorzugsweise des Oxids, oder in elementarer Form enthalten. Diese entstehen
insbesondere unter einer reduzierenden Wasserstoffatmosphäre.
Der erfindungsgemäße Katalysator besteht vorzugsweise ausschließlich aus Cu-Oxid und
Zn, Zr oder Al-Oxid, neben den üblichen, dem Fachmann bekannten Verunreinigungen.
Dabei liegt die Menge an Cu-Oxid bei Werten von 10 bis 90 Gew.-%, Zn, Zr- und/oder
Al-Oxid sind in Mengen von 90 bis 10 Gew.-% vorhanden.
Die Aktivmasse wird auf an sich bekannte Weise dargestellt, beispielsweise durch
Ausfällen der entsprechenden Metallcarbonate und/oder Hydroxide in wässriger Lösung,
Waschen, Trocknen und Calcinieren. Die Metallcarbonate oder Hydroxide sind
beispielsweise durch Lösen der entsprechenden Metallsalze in Wasser und Zugabe von
Sodalösung erhältlich. Als Metallsalze kommen beispielsweise Nitrate, Sulfate, Chloride,
Acetate oder Oxalate zum Einsatz. Die Masse wird dann auf dem Träger in üblicher Weise
aufgebracht, beispielsweise indem das pulvrige Oxidgemisch in einer Rührtrommel in
Anwesenheit eines Binders oder Klebers mit dem Träger vermischt wird. Es ist auch
möglich, den Träger mit Precursor-Substanzen der Aktivmasse, beispielsweise den
erwähnten Carbonaten, Nitraten, Oxalaten oder Hydroxiden der jeweiligen Metalle zu
behandeln. Die jeweiligen Metallverbindungen können dabei vermischt und in einem
Arbeitsschritt oder auch nacheinander aufgebracht werden. Dieser vorbehandelte Träger
wird dann einer Wärmebehandlung zur Herstellung der Aktivmasse unterzogen.
Es ist schließlich auch möglich, den Katalysator herzustellen, indem die pulvrige
Aktivmasse und der Träger im Wasser oder einer organischen Flüssigkeit suspendiert und
das Wasser oder die organische Flüssigkeit bis zur Trockenheit, beispielsweise durch
Erwärmen, entfernt werden.
Der Anteil der Aktivmasse an der Gesamtmasse des Katalysators liegt bei Werten von 5
bis 60 Gew.-%, vorzugsweise 15 bis 30 Gew.-%. Im Fall des Überschreitens dieser Werte
wird ein Verhalten erreicht, das sich demjenigen eines Vollkatalysators mit der gleichen
Aktivmassenzusammensetzung annähert. Bei zu niedrigem Gehalt an Aktivmasse ist
dagegen eine zu niedrige Aktivität bezogen auf die Raumerfüllung des Katalysators
festzustellen.
Materialien, die sich zur Herstellung des Trägers eignen, sind dabei an sich bekannte, nicht
poröse Trägermaterialien. Die Träger sollten dabei eine Oberfläche von < 0,5 m2/g sowie
eine Porosität von < 0,05 cm3/g aufweisen. Gegenüber porösen Trägern, die beispielsweise
entsprechend der EP-A 404 408 verwendet werden, erreicht man derart eine höhere
mechanische Stabilität sowie ein höheres Schüttgewicht des Katalysators. Zudem existiert
keine Grenze, oberhalb derer der Träger aufgrund der Beladung des gesamten
Porenvolumens keine Aktivmasse mehr aufnehmen kann. Beispiele geeigneter
Trägermaterialien umfassen Aluminiumoxid, Sinterkorund (hochgeglühtes α-Al2O3),
Aluminiumsilikate wie beispielsweise Mullit, Magnesiumsilikate wie beispielsweise
Steatit, Magnesium-Aluminium-Silikate wie beispielsweise Cordierit, Glas,
Siliciumcarbid, Siliciumdioxid, Stahl und andere, dem Fachmann bekannte keramische
Materialien. Der Träger ist inert. Eine rauhe Oberfläche des Trägermaterials erleichtert
gegebenenfalls das Anhaften der Aktivmasse. Vorzugsweise ist das Trägermaterial
ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Steatit, Mullit, Cordierit, Siliciumcarbid und
hochgeglühtem Aluminiumoxid. Insbesondere ist das Trägermaterial Steatit.
Das Trägermaterial wird vor dem Beschichten in geeignete, als Träger dienende
Formkörper gebracht. Die Geometrie dieses inerten Formkörpers und somit des
resultierenden, erfindungsgemäßen Schalenkatalysators ist nicht kritisch. Geeignet sind
beispielsweise Kugeln, Sattelformen, Voll- und Hohlzylinder.
Die erfindungsgemäßen Katalysatoren weisen aufgrund der Verwendung nicht poröser
Träger und des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens eine spezifische Struktur auf.
Dabei befindet sich die Aktivmasse in Form einer dünnen, zusammenhängenden Schicht
auf der äußeren Oberfläche des Trägers. Im Träger selbst befindet sich in Ermangelung
von Poren und aufgrund des gewählten Beschichtungsverfahrens keine Aktivmasse.
Für die Umsetzung der Reaktion sind Reaktoren, in denen der Katalysator als Festbett
angeordnet ist, geeignet. Besonders bevorzugt sind Rohrbündelreaktoren, um die bei der
Reaktion frei werdende Wärme günstig abzuführen. MSA wird verdampft und mit einem
Wasserstoff enthaltenden Gasstrom durch den Reaktor geleitet. Bevorzugt ist ein Gemisch
mit hohem Wasserstoffgehalt. In einigen Fällen wirkt sich die Zuführung anderer
gasförmiger Komponenten, wie Wasserdampf, Kohlenwasserstoffe wie beispielsweise
Methan, Ethan oder n-Butan oder Kohlenmonoxid, günstig auf die Selektivität, Aktivität
oder Langzeitstabilität aus.
Die Konzentration des MSA liegt bei 0,1 bis 5 Vol.-%, bevorzugt zwischen 0,2 und 2 Vol.-
%. Bei wesentlich höheren MSA-Konzentrationen kondensiert MSA im Reaktor aus und
belegt den Katalysator mit einem Flüssigkeitsfilm. Wesentlich geringere Konzentrationen
als die vorstehend angegebenen sind prinzipiell möglich, jedoch würden diese die Raum-
Zeit-Ausbeute verringern und das Verfahren unnötig verteuern. Die Temperatur der
Reaktion wird auf Werte von 150 bis 400°C, vorzugsweise 200 bis 300°C, eingestellt.
Höhere Temperaturen begünstigen die Bildung von Nebenprodukten, tiefere Temperaturen
führen zu einem unnötigen Aktivitätsverlust des Katalysators. Der Druck wird auf Werte
von 0,5 bis 50 bar, vorzugsweise 1 bis 10 bar eingestellt. Die GHSV (Gas Hourly Space
Velocity = Volumenstrom des Reaktionsgases bei Normalbedingungen bezogen auf das
Katalysatorschüttvolumen) wird so eingestellt, daß ein vollständiger MSA-Umsatz erreicht
wird. Dies erleichtert die Aufarbeitung des Produktgemisches und erspart die Rückführung
von nicht umgesetztem MSA. Die GHSV liegt bei 10 bis 50 000 h-1, vorzugsweise
zwischen 100 und 10.000 h-1. Durch Variation der GHSV läßt sich die Produktverteilung
steuern. Das Produktgemisch kann nach dem Fachmann bekannten Verfahren getrennt
werden. Bevorzugt wird mindestens ein Teil des nicht umgesetzten Wasserstoffs im Kreis
gefahren und damit erneut in der Hydrierung eingesetzt.
Generell wird der Katalysator vor dem Einsatz in die Reaktion einer Aktivierung, im
allgemeinen einer Wasserstoffvorbehandlung, unterzogen. Dadurch wird die aktive
Katalysatorspezies hergestellt. Dies geschieht durch ein teilweises Reduzieren der in der
Katalysatormischung vorhandenen Oxide zum elementaren Metall, das in der
erfindungsgemäßen katalytischen Reaktion aktiv ist.
Es hat sich gezeigt, daß durch Variation der Reaktionsparameter die Bildung der
gewünschten Endprodukte gesteuert werden kann. Dies sind insbesondere Druck,
Temperatur und GHSV. So läßt sich generell bei hohen Werten von Druck und Temperatur
sowie niedrigen GHSV-Werten eine erhöhte, teils auch ausschließliche Bildung von THF
feststellen. Dagegen führen niedrige Druck- und Temperaturwerte und hohe GHSV-Werte
zur vermehrten Bildung von GBL.
Der erfindungsgemäße Katalysator besitzt eine ausreichende Standzeit. Für den Fall, daß
die Aktivität und/oder Selektivität des Katalysators dennoch im Laufe seiner Betriebszeit
sinken sollte, kann er durch dem Fachmann bekannte Maßnahmen regeneriert werden.
Hierzu zählt eine reduktive Behandlung des Katalysators im Wasserstoffstrom bei erhöhter
Temperatur. Gegebenenfalls kann der reduktiven Behandlung eine oxidative vorausgehen.
Hierbei wird die Katalysatorschüttung mit einem molekularen Sauerstoff enthaltenden
Gasgemisch, beispielsweise Luft, bei erhöhter Temperatur durchströmt. Weiterhin besteht
die Möglichkeit, den Katalysator mit einem geeigneten Lösungsmittel, beispielsweise
Methanol, THF oder GBL, zu waschen und anschließend durch einen Gasstrom zu
trocknen.
Die Erfindung wird nun in den nachfolgenden Beispielen erläutert.
In einem beheizbaren und mit Rührwerk ausgestatteten Fälltopf werden 1,5 l Wasser
vorgelegt und auf 80°C erwärmt. In dieses Fällgefäß werden im Verlauf einer Stunde
eine Metallsalzlösung bestehend aus 877 g Cu(NO3)2.2,5H2O und 1472 g
Al(NO3)3.9H2O in 2000 ml Wasser und gleichzeitig eine 20 Gew.-% Sodalösung
unter Rühren zudosiert. Die Sodadosierung wird so gewählt, daß sich im Fällgefäß
ein pH-Wert von 6 einstellt. Nach vollständiger Zugabe der Metallsalzlösung wird
weiter Sodalösung zudosiert, bis im Fällgefäß ein pH-Wert von 8 erreicht ist und
weitere 15 min bei diesem pH-Wert gerührt. Der Gesamtverbrauch an Sodalösung
liegt bei 5,5 kg. Die gebildete Suspension wird abfiltriert und mit Wasser gewaschen,
bis das ablaufende Waschwasser kein Nitrat (< 25 ppm) mehr enthält. Der
Filterkuchen wird zunächst bei 120°C getrocknet und anschließend bei 600°C
calciniert.
500 ml oberflächlich aufgerauhter Steatit-Kugeln des Durchmessers 4-5 mm (Fa.
Chemtech) werden in einer Tränktrommel vorgelegt und mit 10 ml Wasser/Glycerin-
Gemisch (3 : 1) besprüht. Anschließend werden 170 g der auf eine Korngröße von
< 100 µm gemahlenen Aktivmasse und weitere 140 ml des Wasser-Glycerin-
Gemisches kontinuierlich zugegeben, so daß der Träger homogen mit Pulver belegt
wird. Der beschichtete Träger wird zunächst bei 120°C für 2 h und dann bei 300°C
für 2 h unter Luftzirkulation getrocknet.
500 ml oberflächlich aufgerauhter Steatit-Kugeln des Durchmessers 2-3 mm (Fa.
Chemtech) werden in einer Tränktrommel vorgelegt und mit 15 ml Wasser/Glycerin-
Gemisch (3 : 1) besprüht. Anschließend werden 163 g der auf eine Korngröße von < 100 µm
gemahlenen Aktivmasse aus Beispiel 1 und weitere 150 ml des Wasser-Glycerin-
Gemisches kontinuierlich zugegeben, so daß der Träger homogen mit Pulver belegt wird.
Der beschichtete Träger wird zunächst bei 120°C für 2 h und dann bei 300°C für 2 h unter
Luftzirkulation getrocknet.
500 ml oberflächlich aufgerauhter Steatit-Kugeln des Durchmessers 2-3 mm (Fa.
Chemtech) werden in einer Tränktrommel vorgelegt und mit 15 ml Wasser/Glycerin-
Gemisch (3 : 1) besprüht. Anschließend werden 433 g der auf eine Korngröße von < 100 µm
gemahlenen Aktivmasse aus Beispiel 1 und weitere 370 ml des Wasser-Glycerin-
Gemisches kontinuierlich zugegeben, so daß der Träger homogen mit Pulver belegt wird.
Der beschichtete Träger wird zunächst bei 120°C für 2 h und dann bei 300°C für 2 h unter
Luftzirkulation getrocknet.
In einem beheizbaren und mit Rührwerk ausgestatteten Fälltopf werden 2,7 l Wasser
und 224 g Böhmit (Pural SB, Fa. Condea, ca. 72% Al2O3-Gehalt) vorgelegt und auf
50°C erwärmt. In dieses Fällgefäß werden im Verlauf einer halben Stunde 2500 ml
einer Metallsalzlösung enthaltend 993 g Cu(NO3)2.3H2O und 1187 g
Zn(NO3)2.6H2O und gleichzeitig eine 20 Gew.-% Sodalösung unter Rühren
zudosiert. Die Sodadosierung wird so gewählt, daß sich im Fällgefäß ein pH-Wert
von 6,2 einstellt. Der Verbrauch an Sodalösung liegt bei 4,6 kg. Die gebildete
Suspension wird abfiltriert und mit Wasser gewaschen, bis das ablaufende
Waschwasser kein Nitrat (< 25 ppm) mehr enthält. Der Filterkuchen wird zunächst
bei 120°C getrocknet und anschließend bei 300°C calciniert.
500 ml oberflächlich angerauhter Steatit-Kugeln des Durchmessers 4-5 mm (Fa.
Chemtech) werden in einer Tränktrommel vorgelegt und mit 10 ml Wasser/Glycerin-
Gemisch (3 : 1) besprüht. Anschließend werden 170 g der auf eine Korngröße von <
200 µm gemahlenen Aktivmasse aus Beispiel 4a und weitere 125 ml des Wasser-
Glycerin-Gemisches kontinuierlich zugegeben, so daß der Träger mit Pulver belegt
wird. Der beschichtete Träger wird zunächst bei 120°C für 2 h und dann bei 300°C
für 2 h unter Luftzirkulation getrocknet.
Die Präparation aus Beispiel 4a wird wiederholt mit dem Unterschied, daß das
Material bei 800°C calciniert wird.
500 ml oberflächlich aufgerauhter Steatit-Kugeln des Durchmessers 4-5 mm (Fa.
Chemtech) werden in einer Tränktrommel vorgelegt und mit 10 ml Wasser/Glycerin-
Gemisch (3 : 1) besprüht. Anschließend werden 170 g der auf eine Korngröße von <
200 µm gemahlenen Aktivmasse aus Beispiel 5a und weitere 50 ml des Wasser-
Glycerin-Gemisches kontinuierlich zugegeben, so daß der Träger homogen mit
Pulver belegt wird. Der beschichtete Träger wird zunächst bei 120°C für 2 h und
dann bei 300°C für 2 h unter Luftzirkulation getrocknet.
500 ml oberflächlich aufgerauhter Steatit-Kugeln des Durchmessers 4-5 mm (Fa.
Chemtech) werden in einer Tränktrommel vorgelegt und mit 10 ml Wasser/Glycerin-
Gemisch (3 : 1) besprüht. Anschließend werden 285 g der auf eine Korngröße von < 200 µm
gemahlenen Aktivmasse aus Beispiel 5a und weitere 70 ml des Wasser-Glycerin-
Gemisches kontinuierlich zugegeben, so daß der Träger homogen mit Pulver belegt wird.
Der beschichtete Träger wird zunächst bei 120°C für 2 h und dann bei 300°C für 2 h unter
Luftzirkulation getrocknet.
200 ml des Katalysators aus Beispiel 1 (Gesamtmasse 216,1 g) werden in einen
Rohrreaktor gefüllt. Der Reaktor ist temperiert und wird von oben nach unten mit dem
Reaktionsgas durchströmt. MSA wird als Schmelze in einen bei 200°C betriebenen
Verdampfer gepumpt, wo es in einem Wasserstoffstrom verdampft und dann durch den
Reaktor geleitet wird. Der Druck im Reaktor betrug 5 bar. Die GHSV wurde durch
Variation des Volumenstroms durch den Reaktor so eingestellt, daß ein vollständiger
MSA-Umsatz erzielt wurde. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 wiedergegeben.
Vor dem Einspeisen des MSA-Wasserstoffgemisches wurde der Katalysator einer
Wasserstoffvorbehandlung unterzogen. Dazu wurde zunächst der Reaktor mit 200 Nl/h
Stickstoff bei Atmosphärendruck gespült und gleichzeitig innerhalb einer Stunde auf eine
Temperatur in der Katalysatorschüttung von 180°C aufgeheizt. Danach wurde der
Stickstoffvolumenstrom auf 950 Nl/h erhöht und zusätzliches 50 Nl/h Wasserstoff
eingespeist. Dabei wurde eine leichte Temperaturerhöhung in der Katalysatorschüttung auf
etwa 250°C beobachtet. Nachdem die Temperatur in der gesamten Katalysatorschüttung
auf 190°C abgekühlt war, wurde der Stickstoffvolumenstrom allmählich auf 500 Nl/h
erniedrigt und der Wasserstoffstrom auf 500 Nl/h erhöht. Schließlich wurde der
Stickstoffvolumenstrom abgeschaltet und der Wasserstoffstrom auf 600 Nl/h angehoben.
Beispiel 7 wurde wiederholt mit dem Unterschied, daß 200 ml des Katalysators aus
Beispiels 2 eingesetzt werden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 wiedergegeben.
Beispiel 7 wurde wiederholt mit dem Unterschied, daß 200 ml des Katalysators aus
Beispiel 3 eingesetzt werden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 wiedergegeben.
Beispiel 7 wurde wiederholt mit dem Unterschied, daß 200 ml des Katalysators aus
Beispiel 4 eingesetzt werden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 wiedergegeben.
Beispiel 7 wurde wiederholt mit dem Unterschied, daß 200 ml des Katalysators aus
Beispiel 5 eingesetzt werden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 wiedergegeben.
Beispiel 7 wurde wiederholt mit dem Unterschied, daß 200 ml des Katalysators aus
Beispiel 6 eingesetzt werden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 wiedergegeben.
400 g der Aktivmasse aus Beispiel 1 werden auf eine Korngröße von < 1 mm zerkleinert,
mit 3 Gew.-% Graphitpulver versetzt, intensiv durchmischt und zu Tabletten von 3 mm
Durchmesser und 3 mm Höhe verpreßt.
Beispiel 7 wurde wiederholt mit dem Unterschied, daß 100 ml des Vollkatalysatos aus
Vergleichsbeispiel 1 eingesetzt wurden. Die Ergebnisse der katalytischen Tests sind in
Tabelle 1 angegeben.
Aus Tabelle 1 ist zu erkennen, daß der Schalenkatalysator bei vergleichbarer
Temperatur und MSA-Eingangskonzentration eine höhere THF-Selektivität liefert
als der Vollkatalysator aus der gleichen Aktivmasse (Experiment 7.1 und 1x). Die
Aktivität des Schalenkatalysators bezogen auf das Volumen der Schüttung ist etwas
geringer, es kann beim Vollkatalysator eine höhere GHSV eingestellt werden.
Allerdings wiegt der Vorteil höherer Selektivität erheblich stärker, da die
Mehrkosten für Katalysator und einem größeren Reaktor bei den
Gesamtverfahrenskosten zu vernachlässigen sind. Andererseits liefert der
Schalenkatalysator bei einer nur leichten Erhöhung der GHSV hohe GBL-
Ausbeuten, ohne daß gleichzeitig große Mengen BSA gebildet werden (Experiment
7.3). Selbst durch Variation der Temperatur der GHSV- oder MSA-Konzentration
kann aber die THF-Selektivität beim Vollkatalysator nicht über 80% gesteigert
werden (Experiment 1x, 2x, 3x). Es ist daher mit dem Schalenkatalysator ein
wesentlich flexiblerer Produktmix THF-GBL einzustellen als mit dem
Vollkatalysator. Dieser liefert eine wesentlich geringere GBL-Ausbeute bei
gleichzeitig vermehrter BSA-Bildung (Experiment 4x).
Claims (10)
1. Katalysator für die Hydrierung von C4-Dicarbonsäuren und/oder deren Derivaten,
vorzugsweise Maleinsäureanhydrid, in der Gasphase, dadurch gekennzeichnet, daß
dieser Katalysator 5 bis 100 Gew.-%, vorzugsweise 40 bis 90 Gew.-% Cu-Oxid und 0
bis 95 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 60 Gew.-% eines oder mehrerer Metalle oder
deren Verbindungen aus der Gruppe bestehend aus Al, Si, Zn, La, Ce, den Elementen
der Gruppen IIIA bis VIIIA sowie den Gruppen IA und IIA als aktive Masse
aufweist und diese Masse auf einem inerten Trägermaterial in Form einer dünnen
Schicht aufgebracht ist.
2. Katalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere oder die
weiteren Metalle ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Al, Si, Ti, Zn, Zr, La
und/oder Ce oder einer Verbindung davon, vorzugsweise eines Oxids, insbesondere
aus der Gruppe bestehend aus Zn, Zr und/oder Al oder eines Oxids davon, wobei
dieses zu 10 bis 90 Gew.-% und das Cu-Oxid zu 90 bis 10 Gew.-% vorliegt.
3. Katalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial
eine Oberfläche von < 0,5 m2/g und eine Porosität von < 0,05 cm3/g aufweist.
4. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das
Trägermaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid,
Sinterkorund, Aluminiumsilikaten, Magnesiumsilikaten, Magnesium-Aluminium-
Silikaten, Glas, Siliciumcarbid, Siliciumdioxid und Stahl, vorzugsweise Steatit, Mullit,
Cordierit, Siliciumcarbid und Sinterkorund, insbesondere Steatit.
5. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dessen
Aktivmasse bezogen auf die Katalysator-Gesamtmasse 5 bis 60 Gew.-%,
vorzugsweise 15 bis 30 Gew.-%, beträgt.
6. Verfahren zur Hydrierung von C4-Dicarbonsäuren und/oder deren Derivaten,
vorzugsweise Maleinsäureanhydrid, in der Gasphase, dadurch gekennzeichnet, daß die
Hydrierung in Gegenwart eines Katalysators nach einem der Ansprüche 1 bis 5
durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die GHSV bei Werten von
10 bis 50 000 h-1, vorzugsweise 100 bis 10.000 h-1, liegt.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Reaktionstemperatur bei Werten von 150 bis 400°C, vorzugsweise 200 bis 300°C und
der Druck während der Reaktion bei Werten von 0,5 bis 50 bar, vorzugsweise 1 bis 10 bar,
liegt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
Konzentration an C4-Dicarbonsäure oder dessen Derivat bei Werten von 0,5 bis 5 Vol.%,
vorzugsweise 0,2 bis 2 Vol.%, liegt.
10. Verfahren zur Herstellung eines Katalysators nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschte Aktivmasse hergestellt und mittels an
sich bekannter Verfahren auf einem geeigneten Träger aufgebracht wird oder
Precursor-Verbindungen der entsprechenden Aktivmasse mittels an sich bekannter
Verfahren auf das Trägermaterial aufgebracht und die Precursor-Verbindungen in die
Aktivmasse überführt werden.
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