DE102006062331A1 - Production of vinyl chloride - Google Patents
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Abstract
Geträgerter, basifizierter und halogenhaltiger Katalysator, hergestellt durch Imprägnierungstechniken, auf einem Trägermaterial enthaltend Metallsalze mit mindestens einem Platinmetall, weiterhin mindestens einem Metall, das seine Oxidationszahl um +1 ändern kann, sowie weiterhin genau ein Alkalimetall, wobei ein Trägermaterial mit einer spezifischen Oberfläche, welche kleiner ist als 10 m<SUP>2</SUP>/g, eingesetzt wird, der Katalysator erhalten wird, indem das mit dem Metallsalz imprägnierte Trägermaterial zunächst getrocknet wird, und das imprägnierte und getrocknete Katalysatorvormaterial bei 300 bis 500°C calciniert wird.A supported, base and halogenated catalyst prepared by impregnation techniques on a support material containing metal salts with at least one platinum metal, further at least one metal capable of changing its oxidation number by +1, and further exactly one alkali metal, wherein a support material having a specific surface area is less than 10 m <SUP> 2 </ SUP> / g, the catalyst is obtained by first drying the metal salt-impregnated support material and calcining the impregnated and dried catalyst precursor at 300 to 500 ° C.
Description
Die
Erfindung richtet sich auf ein katalytisches Verfahren und eine
Vorrichtung zur Herstellung von monomerem Vinylchlorid, im folgenden
als VCM bezeichnet, woraus letztlich Polyvinylchlorid, PVC, hergestellt wird,
sowie den hierfür
erforderlichen Katalysator. Bei der katalytischen Umsetzung von
1,2-Dichlorethan, im folgenden als EDC bezeichnet, zu VCM entsteht
Chlorwasserstoff HCl. EDC wird daher bevorzugt aus Ethylen C2H4 und Chlor Cl2 derart hergestellt, dass hinsichtlich des
bei den Umsetzungen erzeugten und verbrauchten Chlorwasserstoffes
HCl eine ausgewogene Bilanz entsprechend den folgenden Reaktionsgleichungen
erreicht wird:
Das herkömmliche Verfahren zur Herstellung von VCM mit ausgewogener HCl-Bilanz, im folgenden kurz "ausgewogenes VCM-Verfahren" genannt, besitzt:
- – eine Direktchlorierung, in der aus Ethylen C2H4 und Chlor Cl2 der eine Teil des benötigten EDC erzeugt wird und als sogenanntes Rein-EDC abgegeben wird.
- – eine Oxichlorierung, in der aus Ethylen C2H4, Chlorwasserstoff HCl und Sauerstoff O2 der andere Teil des EDC erzeugt wird und als sogenanntes Roh-EDC abgegeben wird.
- – eine fraktionierende EDC-Reinigung, in der das Roh-EDC zusammen mit dem aus der VCM-Fraktionierung rezirkulierten Rück-EDC von den in der Oxichlorierung und von den in der EDC-Pyrolyse gebildeten Nebenprodukten befreit wird, um ein für den Einsatz in der EDC-Pyrolyse geeignetes, sogenanntes Feed-EDC zu gewinnen.
- – eine EDC-Pyrolyse, in der das Rein-EDC mit dem Feed-EDC zusammengeführt und in der das dann Spalt-EDC genannte Gemisch thermisch gespalten wird; das erhaltene Spaltgas enthält VCM, Chlorwasserstoff HCl und nichtumgesetztes EDC sowie Nebenprodukte.
- – eine VCM-Fraktionierung, in der das als Produkt gewünschte Rein-VCM aus dem Spaltgas abgetrennt und die anderen wesentlichen Spaltgasbestandteile Chlorwasserstoff HCl und nichtumgesetztes EDC als Wertstoffe gesondert zurückgewonnen und als wiederverwertbarer Einsatz als Rück-HCl bzw. Rück-EDC im ausgewogenen VCM-Verfahren rezirkuliert werden.
- - A direct chlorination in which from ethylene C 2 H 4 and chlorine Cl 2 of a part of the required EDC is generated and is discharged as a so-called pure EDC.
- - An oxychlorination in which from ethylene C 2 H 4 , hydrogen chloride HCl and oxygen O 2, the other part of the EDC is produced and is discharged as a so-called crude EDC.
- A fractional EDC purification in which the crude EDC, together with the recycle EDC recirculated from the VCM fractionation, is freed from the by-products formed in the oxychlorination and the by-products formed in the EDC pyrolysis, for use in the EDC pyrolysis suitable to win so-called feed EDC.
- - An EDC pyrolysis, in which the pure EDC merges with the feed EDC and in which the mixture then called gap EDC is thermally cleaved; the resulting cracked gas contains VCM, hydrogen chloride HCl and unreacted EDC, as well as by-products.
- A VCM fractionation in which the pure VCM desired as product is separated from the cracked gas and the other essential cracked gas constituents hydrochloric acid HCl and unconverted EDC are recovered separately as recyclables and recycled as reusable use as back HCl or reverse EDC in the balanced VCM Procedures are recirculated.
Nachteilig wirken sich bei diesem Verfahren die relativ hohen Investkosten und Betriebsmittelkosten durch das komplexe Reaktionssystem aus. Außerdem werden bei der pyrolytischen EDC-Spaltung unerwünschte polychlorierte Nebenprodukte gebildet, die als Precursoren für eine Verkokung dienen. Darüber hinaus muss der EDC-Spaltofen noch durch Zufuhr von z. B. Erdgas extern befeuert werden, obwohl die Exothermie der beiden Schritte Direktchlorierung und Oxichlorierung ausreichend wäre, um die EDC-Spaltung mit ausreichender Wärme zu versorgen. Weitere Nachteile sind darüber hinaus dem Fachmann geläufig.adversely This process has a relatively high investment cost and resource costs through the complex reaction system. Furthermore become in the pyrolytic EDC cleavage unwanted polychlorinated by-products formed as precursors for serve a coking. About that In addition, the EDC cracking furnace must still by supplying z. B. natural gas externally fired, although the exothermic nature of the two steps Direct chlorination and oxychlorination would be sufficient for the EDC cleavage with sufficient heat to supply. Further disadvantages are also familiar to the person skilled in the art.
Durch den stark endothermischen Charakter der pyrolytischen Dehydrochlorierung, bei der es sich um eine thermische Cracking-Reaktion handelt, besteht die Schwierigkeit der Zufuhr zusätzlicher Wärme zu dem Reaktantengemisch, um die Spaltung bei der notwendigen hohen Temperatur durchzuführen. Bei der direkten Chlorierung von Ethylen und Oxychlorierung von Ethylen zu EDC fallen theoretisch ausreichende Wärmemengen zur pyrolytischen Spaltung von EDC unter Bildung von VCM an. Gern würde man daher alle beteiligten Reaktionen gleichzeitig durchführen. Dabei könnte die durch die exothermen Reaktionen gebildete Wärme für die endotherme pyrolytische Spaltung von EDC verwendet werden.By the strongly endothermic nature of pyrolytic dehydrochlorination, which is a thermal cracking reaction the difficulty of feeding additional Heat too the reactant mixture to the cleavage at the necessary high Temperature to perform. In the direct chlorination of ethylene and oxychlorination of Ethylene to EDC theoretically fall sufficient amounts of heat to pyrolytic Cleavage of EDC to form VCM. You would like to therefore carry out all the reactions involved simultaneously. there could the heat generated by the exothermic reactions for the endothermic pyrolytic Cleavage of EDC can be used.
Verfahren
mit gemeinsamer Direktchlorierungs- und pyrolytischer Spaltreaktion
sind beispielsweise in der
In
der
Es
ist darüber
hinaus bereits bekannt, dass zur Erzeugung von halogenierten Kohlenwasserstoffen, insbesondere
Vinylchlorid, durch kombinierte Oxichlorierung und Dehydrochlorierung
Metallmischoxid- oder Metallmischhalogenid-Katalysatoren verwendet werden können. Im
der
Die
In
der
Nachteilig
bei den beschrieben Erfindungen wirken sich die Bildung von Oxygenaten
(
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Katalysator zur Herstellung von VCM bereitzustellen, mit dessen Verwendung die bekannten Schwierigkeiten nicht mehr auftreten, sowie die entsprechenden Verfahren zu seiner Herstellung und seiner erfindungsgemäßen Verwendung.The The object of the invention is therefore to provide a catalyst for the production from VCM, with the use of which the known difficulties no longer occur, as well as the appropriate procedures to his Production and its use according to the invention.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen geträgerten, basifizierten und halogenhaltigen Katalysator, hergestellt durch Imprägnierungstechniken, auf einem Trägermaterial enthaltend Metallsalze mit mindestens einem Platinmetall, weiterhin mindestens einem Metall, das seine Oxidationszahl um +1 ändern kann, sowie weiterhin genau ein Alkalimetall, wobei
- – ein Trägermaterial mit einer spezifischen Oberfläche, welche kleiner ist als 10 m2/g, eingesetzt wird,
- – der Katalysator erhalten wird, indem das mit dem Metallsalz imprägnierte Trägermaterial zunächst getrocknet wird, und
- – das imprägnierte und getrocknete Katalysatorvormaterial bei 300 bis 500°C calciniert wird.
- A support material having a specific surface area which is less than 10 m 2 / g is used,
- - The catalyst is obtained by the metal salt impregnated carrier material is first dried, and
- - The impregnated and dried catalyst precursor is calcined at 300 to 500 ° C.
Als Trägermaterial kann TiO2, α-Al2O3, γ-Al2O3, ZrO2, SiO2, Aktivkohle oder AlSiOx verwendet werden.The support material used may be TiO 2 , α-Al 2 O 3 , γ-Al 2 O 3 , ZrO 2 , SiO 2 , activated carbon or AlSiO x .
In Ausgestaltungen der Erfindung ist hinsichtlich der Calcinierung des Katalysators vorgesehen,
- – dass die Calcinierung unter reduzierender Atmosphäre, vorzugsweise unter Wasserstoff-Atmosphäre, durchgeführt wird,
- – dass die Calcinierung unter inerter Atmosphäre durchgeführt wird, wobei insbesondere Stickstoff-Atmosphäre oder Edelgas-Atmosphäre zum Einsatz kommen.
- That the calcination is carried out under a reducing atmosphere, preferably under a hydrogen atmosphere,
- - That the calcination is carried out under an inert atmosphere, in particular nitrogen atmos phased or inert gas atmosphere are used.
In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung ist hinsichtlich der verwendeten Metalle vorgesehen,
- – dass die Konzentration des Platinmetalls zwischen 0,1 und 2 Gewichtsprozent beträgt,
- – dass die Konzentration des Metalls, welches seine Oxidationszahl um +1 ändern kann, zwischen 0,5 und 10 Gewichtsprozent beträgt,
- – dass die Konzentration des Alkalimetalls zwischen 0,5 und 10 Gewichtsprozent beträgt,
- – dass als Metall, welches seine Oxidationszahl um +1 ändern kann, ein Metall oder mehrere Metalle aus einer aus Eisen, Kupfer, Cer und Lanthan gebildeten Gruppe ausgewählt wird,
- – dass als Platinmetall Palladium, als Metall, welches seine Oxidationszahl um +1 ändern kann Eisen, und als Alkalimetall Natrium ausgewählt werden, wobei vorzugsweise Palladium, Eisen und Natrium jeweils eine Konzentration von 1 Gewichtsprozent aufweisen,
- That the concentration of the platinum metal is between 0.1 and 2 percent by weight,
- That the concentration of the metal, which can change its oxidation number by +1, is between 0.5 and 10% by weight,
- That the concentration of the alkali metal is between 0.5 and 10% by weight,
- That as metal which can change its oxidation number by +1, one or more metals are selected from a group formed from iron, copper, cerium and lanthanum,
- That as platinum metal palladium, as metal, which can change its oxidation number by +1 iron, and be selected as alkali metal sodium, wherein preferably palladium, iron and sodium each have a concentration of 1 weight percent,
In einer besonderen Ausgestaltung des Katalysators wird dieser dadurch erhalten, dass zu seiner Herstellung die folgenden Arbeitschritte durchgeführt werden:
- a) Herstellung je einer Lösung von 1-Masse% PdCl2 in ca. 5%iger wässriger HCl und einer wässrigen Lösung, die 5%ig an FeCl3 und 4,3%ig an NaCl ist,
- b) Hinzugabe von 17 kg α-Al2O3 pro 30 Liter der PdCl2-Lösung und 10 Liter der FeCl3/NaCl-Lösung,
- c) 45 Minuten intensives Rühren, um eine möglichst vollständige und gleichmäßige Imprägnierung des Trägers zu gewährleisten,
- d) Abzug des überschüssige Lösungsmittel in einem bewegten System bei 100°C durch Anlegen eines leichten Vakuums,
- e) Vollständige Trocknung der erhaltenen Pellets über 12 Stunden bei 110°C,
- f) Calcinierung der trockenen Pellets unter reiner H2-Atmosphäre zunächst für 1 Minute bei 50°C, danach Aufheizung während 30 Minuten auf 375°C und anschließendem halten dieser Temperatur während 5 Stunden,
- g) Entfernung des Katalysators aus dem Ofen mit unmittelbar anschließender Abkühlung auf Raumtemperatur innerhalb von 1 Minute.
- a) Preparation of a solution of 1 mass% PdCl 2 in about 5% aqueous HCl and an aqueous solution which is 5% FeCl 3 and 4.3% NaCl,
- b) addition of 17 kg of α-Al 2 O 3 per 30 liters of the PdCl 2 solution and 10 liters of the FeCl 3 / NaCl solution,
- c) 45 minutes of intensive stirring to ensure the most complete and uniform impregnation of the carrier,
- d) removal of the excess solvent in a moving system at 100 ° C by applying a slight vacuum,
- e) complete drying of the pellets obtained over 12 hours at 110 ° C,
- f) calcination of the dry pellets under pure H 2 atmosphere first for 1 minute at 50 ° C, then heating for 30 minutes at 375 ° C and then keep this temperature for 5 hours,
- g) removal of the catalyst from the oven with immediate cooling to room temperature within 1 minute.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung betreffen die Verwendung des Katalysators zur Herstellung von VCM oder, alternativ, zur simultanen Herstellung von EDC und VCM, jeweils zusammen mit Wasser aus Ethylen, Chlorwasserstoff und Sauerstoff. Der Katalysator wird hierbei vorzugsweise als Wirbelschichtmaterial in einem Wirbelschichtreaktor, wie er der herkömmlichen Oxichlorierung entspricht, eingesetzt, kann aber auch in einem Fließ- oder Festbettreaktor eingesetzt werden.Further Embodiments of the invention relate to the use of the catalyst for the production of VCM or, alternatively, for simultaneous production of EDC and VCM, each together with water from ethylene, hydrogen chloride and oxygen. The catalyst is in this case preferably as a fluidized bed material in a Fluidized bed reactor, as it corresponds to the conventional oxychlorination, used, but can also be used in a flow or fixed bed reactor become.
Durch eine derartige Verfahrensführung wird bei der Umsetzung von Ethylen mit einer Chlorquelle und einem sauerstoffhalitigen Gas bei Temperaturen zwischen 200 und 400°C VCM mit einer hohen Ausbeute als Hauptprodukt gebildet. Das Produktgas ist frei von Oxygenaten und die Totaloxidation wird weitestgehend unterdrückt. Des Weiteren wird keine Verkokung des Katalysators beobachtet und die Bildung von unerwünschten Nebenprodukten ist gering, was Vorteile des erfindungsgemäßen katalytischen Verfahrens sind. Als Chlorquelle kann hierbei auch EDC aus einem vorgeschalteten Direktchlorierungsreaktor dienen.By such a procedure is used in the reaction of ethylene with a chlorine source and a oxygen-containing gas at temperatures between 200 and 400 ° C VCM with formed a high yield as the main product. The product gas is free of oxygenates and the total oxidation is suppressed as much as possible. Of Further, no coking of the catalyst is observed and the Formation of unwanted By-products is low, which benefits the catalytic Procedure are. As a chlorine source can also EDC from a serve upstream direct chlorination.
Als Beispiel liefern Katalysatoren, die als Aktivkomponenten Pd, Fe und Na enthalten, bei einer Temperatur von 330°C Ethylenumsätze von ca. 90%. Die Selektivität zu Vinylchlorid liegt zwischen 55% und 60% und die Selektivität zu EDC liegt zwischen 30% und 35%. Als Nebenprodukte entstehen Ethylchlorid mit einer Selektivität von 2–4%, 1,1,2-Trichlorethan mit einer Selektivität von 1–2% und CO2 mit einer Selektivität von 3–6%.As an example, catalysts containing as active components Pd, Fe and Na, at a temperature of 330 ° C ethylene conversions of about 90%. The selectivity to vinyl chloride is between 55% and 60% and the selectivity to EDC is between 30% and 35%. As by-products are formed ethyl chloride with a selectivity of 2-4%, 1,1,2-trichloroethane with a selectivity of 1-2% and CO 2 with a selectivity of 3-6%.
Die Erfindung wird im folgenden an weiteren Beispielen näher erläutert. Unter Verwendung von geträgerten Edelmetall-/Übergangsmetall-Trägerkatalysatoren wurde die Oxichlorierung mit VCM-Bildung mit Ethylen einer Chlorquelle (HCl, Chlor, EDC) und einem sauerstoffhaltigem Gas (Sauerstoff, Luft) als Einsatzstoff untersucht.The The invention is explained in more detail below with reference to further examples. Under Use of supported Noble metal / transition metal-supported catalysts For example, oxychlorination with VCM formation with ethylene became a source of chlorine (HCl, chlorine, EDC) and an oxygen-containing gas (oxygen, Air) was investigated as starting material.
Als Aktivkomponenten der Katalysatoren wurden in der Regel Palladium, Eisen und Natrium gewählt, die in Form Ihrer Chloride auf verschiedene Träger aufgebracht wurden (incipient wetness method und excess solvent method). Die Metallgehalte wurden in den Grenzen Pd: 0,1–2 Gew%; Fe: 0,5–10 Gew%; Na: 0,5–10 Gew% variiert. Die Metallmischchlorid-Katalysatoren wurden auf verschiedenen Trägermaterialien TiO2, γ-Al2O3, α-Al2O3 und SiO2 aufgebracht. Die verwendeten Trägermaterialien unterscheiden sich durch ihre Acidität und Oberfläche (TiO2: ca. 320 m2/g, γ-Al2O3: ca. 200 m2/g, SiO2: ca. 150 m2/g, α-Al2O3: ca. 5–35 m2/g). Dies hergestellten Katalysatoren wurden unter verschiedenen Atmosphären (Luft, Argon, Wasserstoff) zwischen 350 und 400°C calciniert. Es zeigte sich, dass die Calcinieratmosphäre einen deutlichen Einfluss auf die katalytischen Eigenschaften hat. Die durchgeführten Tests zur Trägervariation zeigten, dass kleine Oberflächen (5–35 m2/g) und die Vermeidung von Restacidität zu sehr guten katalytischen Ergebnissen führen. An einem Metallmischchlorid-Katalysator auf α-Al2O3 als Träger lagen Ethylen-Umsätze bei Reaktionstemperaturen von 330°C bei ca. 90%. Als Hauptprodukte traten VCM und EDC auf. Beide Produkte erreichten eine summarische Selektivität von ca. 85–90%. Selektivitäten von Ethylchlorid und 1,1,2-Trichlorethan überschritten zusammen 4–5% nicht.Palladium, iron and sodium, which have been applied to various supports in the form of their chlorides (incipient wetness method and excess solvent method), have generally been chosen as the active components of the catalysts. The metal contents were within the limits Pd: 0.1-2% by weight; Fe: 0.5-10% by weight; Na: 0.5-10% by weight varies. The metal mixed chloride catalysts were applied to various support materials TiO 2 , γ-Al 2 O 3 , α-Al 2 O 3 and SiO 2 . The carrier materials used differ by their aci dität and surface (TiO 2: about 320 m 2 / g, γ-Al 2 O 3: about 200 m 2 / g, SiO 2: about 150 m 2 / g, α-Al 2 O 3: ca. 5-35 m 2 / g). The catalysts prepared were calcined under various atmospheres (air, argon, hydrogen) between 350 and 400 ° C. It was found that the calcination atmosphere has a significant influence on the catalytic properties. Carrier variation assays revealed that small surfaces (5-35 m 2 / g) and the avoidance of residual acidity lead to very good catalytic results. On a metal mixed chloride catalyst on α-Al 2 O 3 as a carrier were ethylene conversions at reaction temperatures of 330 ° C at about 90%. The main products were VCM and EDC. Both products achieved a summary selectivity of about 85-90%. Selectivities of ethyl chloride and 1,1,2-trichloroethane did not together exceed 4-5%.
In einer Variation der Calcinierbedingungen wurde festgestellt, dass die Calcinierung unter Wasserstoff die besten Katalyseergebnisse erbringt. Es scheint so, als ob calcinieren unter Luft und zu einem geringeren Teil auch untere Argon vermehrt oxidische Teilchen generiert, die insbesondere am Beginn der Reaktion zu stärkerer Totaloxidation bzw. der Bildung von Koks führten. Die Calcinierung unter Wasserstoffatmosphäre führte darüber hinaus zu einer besseren Beherrschbarkeit der Reaktion.In a variation of the calcining conditions was found that Calcination under hydrogen is the best catalytic result he brings. It seems as if calcining under air and to a lower part also lower argon generates increased oxidic particles, especially at the beginning of the reaction to greater total oxidation or led to the formation of coke. The calcination under hydrogen atmosphere also led to a better Controllability of the reaction.
Alle für die folgenden Versuchsreihen verwendeten Katalysatoren wurden mittels Imprägnierungstechnik (incipient wetness und excess solvent method) hergestellt. Die Metallchloride dienten als precursor. In einer typischen Synthese wurde die entsprechenden Menge des Metallchloride in Salzsäure gelöst. Zu dieser Lösung wurde der Träger gegeben und die Lösung innerhalb von 30 Minuten bis 2 Stunden adsorbiert. Die nicht adsorbierte Lösung wurde vorsichtig abgetrennt und der Katalysator anschließend für 3–4 Stunden bei Rautemperatur getrocknet. Im Anschluss erfolgte eine Trocknung für 12 Stunden in einem Ofen bei 110°C gefolgt von einer Calcinierung unter verschiedenen Atmosphären bei 300–500°C für 3–5 Stunden.All for the Catalysts used in the following series of experiments were impregnation technique (incipient wetness and excess solvent method). The metal chlorides served as a precursor. In a typical synthesis, the corresponding Amount of metal chlorides dissolved in hydrochloric acid. To this solution was the carrier given and the solution adsorbed within 30 minutes to 2 hours. The unadsorbed solution was carefully separated and the catalyst then for 3-4 hours dried at room temperature. This was followed by drying for 12 Hours in an oven at 110 ° C followed by calcination under different atmospheres 300-500 ° C for 3-5 hours.
Ein typischer Syntheseansatz für das Katalysatorsystem wird erfindungsgemäß wie folgt ausgeführt. Zunächst werden getrennt eine Lösung von 1-Masse% PdCl2 in ca. 5%iger wässriger HCl sowie eine wässrige Lösung, die 5%ig an FeCl3 und 4,3%ig an NaCl ist, hergestellt. Anschließend werden zu 17g α-Al2O3 30 ml der PdCl2-Lösung und 10 ml der FeCl3/NaCl-Lösung hinzugegeben. Dieses System wird dann ca. 45 Minuten intensiv gerührt, um eine möglichst vollständige und gleichmäßige Imprägnierung des Trägers zu gewährleisten. Um einen vollständige und zugleich gleichmäßige Beladung mit den Aktivkomponenten PdCl2, FeCl3 und NaCl zu erhalten, wird das überschüssige Lösungsmittel in einem bewegten System bei 100°C durch Anlegen eines leichten Vakuums (Rotationsverdampfer) abgezogen. Im Ergebnis dieses Trocknungsprozesses werden vorgetrocknete, gleichmäßig beladene, Katalysatorpellets erhalten, die für ca. 12 Stunden bei 110°C vollständig getrocknet werden. Diese trockenen Katalysatoren werden abschließend unter reiner H2- Atmosphäre nach folgendem Temperaturprogramm calciniert. Zunächst wird die Temperatur für 1 Minute bei 50°C gehalten, danach wird über 30 Minuten auf 375°C aufgeheizt und dann diese Temperatur für 5 Stunden gehalten. Nach Abstellen des H2-Gasstromes wird der Katalysator sofort aus dem Ofen entfernt, die Abkühlzeit auf Raumtemperatur beträgt ca. 1 Minute.A typical synthesis approach for the catalyst system is carried out according to the invention as follows. First, a solution of 1 mass% PdCl 2 in about 5% aqueous HCl and an aqueous solution which is 5% FeCl 3 and 4.3% NaCl, prepared separately. Then, to 17 g of α-Al 2 O 3, 30 ml of the PdCl 2 solution and 10 ml of the FeCl 3 / NaCl solution are added. This system is then stirred intensively for about 45 minutes to ensure the most complete and uniform impregnation of the carrier. In order to obtain a complete and at the same time uniform loading with the active components PdCl 2 , FeCl 3 and NaCl, the excess solvent is removed in a moving system at 100 ° C. by applying a slight vacuum (rotary evaporator). As a result of this drying process, pre-dried, uniformly loaded, catalyst pellets are obtained, which are completely dried for about 12 hours at 110 ° C. These dry catalysts are finally calcined under pure H 2 - atmosphere according to the following temperature program. First, the temperature is kept at 50 ° C for 1 minute, then heated to 375 ° C over 30 minutes and then held for 5 hours. After switching off the H 2 gas stream, the catalyst is immediately removed from the oven, the cooling time to room temperature is about 1 minute.
Die
nachfolgende Tabelle 1 gibt eine Zusammenfassung über Charakteristika
der verwendeten Träger.
Die
nachfolgende Tabelle 2 zeigt eine Übersicht der verwendeten Katalysatoren.
Die katalytischen Tests wurden in einem Festbettreaktor (Glas) zwischen 240 und 370°C durchgeführt, der mit einem Ofen elektrisch beheizt wurde. Das Katalysatorvolumen betrug 5 ml und wurde 1:1 mit Inertmaterial verdünnt. Die für die Versuche aufgebaute Apparatur verfügte über Dosiermöglichkeiten für Ethylen, O2, HCl, Cl2, O2/N2 sowie 1,2-Dichlorethan (EDC). Die Reaktion von Ethylen mit HCl und Sauerstoff verläuft unter Volumenkontraktion. Zur Vermeidung von Kondensation höher siedender chlorierter Kohlenwasserstoffe wurde der Reaktoraustrag beheizt und das Volumen des Produktgas nach Verlassen des Reaktors mit einem Stickstoffstrom vergrößert. Der Gasstrom wurde dann durch ein Gassammelgefäß geleitet, das der Probenahme für die GC diente.The catalytic tests were carried out in a fixed bed reactor (glass) between 240 and 370 ° C, which was electrically heated with a furnace. The catalyst volume was 5 ml and was diluted 1: 1 with inert material. The apparatus constructed for the experiments had metering possibilities for ethylene, O 2 , HCl, Cl 2 , O 2 / N 2 and 1,2-dichloroethane (EDC). The reaction of ethylene with HCl and oxygen proceeds under volume contraction. To avoid condensation of higher-boiling chlorinated hydrocarbons, the reactor effluent was heated and the volume of product gas after leaving the reactor was increased with a stream of nitrogen. The gas stream was then passed through a gas collection vessel used for sampling for the GC.
Tabelle
3 zeigt die Ergebnisse der Vergleichsbeispiele 1–3 für die Oxichlorierung von Ethylen
an einem Katalysatoren, der als Aktivkomponenten 1 Gew.% Pd, Fe
und Na auf α-Al2O3 mit einer Oberfläche von
5,5 m2/g als Träger verwendet und vor der Benutzung
bei 260°C
für 2–3 Stunden
unter Luft erhitzt wird.
- GHSV = 1000 h–1;. τ = 3,6 s; C2H4:HCl:O2 = 1:3:1,
- DCE: Dichlorethylen, HOAC: Essigsäure
- Auffällig ist die zwischen 5 und 7% liegende Selektivität zu Essigsäure.
- GHSV = 1000 h -1 ;. τ = 3.6 s; C 2 H 4 : HCl: O 2 = 1: 3: 1,
- DCE: dichloroethylene, HOAC: acetic acid
- Striking is the between 5 and 7% lying selectivity to acetic acid.
Für die folgenden Beispiele 4–15 wurden die folgenden Versuchsbedingungen eingestellt: Als Einsatz-Gas wurde Ethylen, Chlorwasserstoff und Sauerstoff in einem molaren Verhältnis von Ethylen/Chlorwasserstoff/Sauerstoff von 1/3/1 verwendet. Die Raumgeschwindigkeit betrug 1000 h–1 entsprechend einer Verweilzeit von τ = 3,6 s. Die Verwendung eines Inertgases war nicht notwendig. Die Reaktionstemperatur wurde zwischen 270°C und 330°C variiert. Die Reaktionsergebnisse bei Verwendung der Katalysatoren α-1, α-2, α-3, γ-Al2O3, TiO2 und SiO2 sind in den Tabellen 4–7 zusammengefasst.For the following Examples 4-15, the following experimental conditions were set: The feed gas used was ethylene, hydrogen chloride and oxygen in a molar ratio of ethylene / hydrogen chloride / oxygen of 1/3/1. The space velocity was 1000 h -1 corresponding to a residence time of τ = 3.6 s. The use of an inert gas was not necessary. The reaction temperature was varied between 270 ° C and 330 ° C. The reaction results using the catalysts α-1, α-2, α-3, γ-Al 2 O 3 , TiO 2 and SiO 2 are summarized in Tables 4-7.
Tabelle
4 zeigt die Ergebnisse der Beispiele 4–6 für Katalysator α-1: (350°C Luft, 5
h)
- α-1; GHSV = 1000 h–1;. τ = 3,6 s; C2H4:HCl:O2 = 1:3:1
- α-1; GHSV = 1000 h -1 ;. τ = 3.6 s; C 2 H 4 : HCl: O 2 = 1: 3: 1
Die Ethylenumsätze liegen an diesem Katalysator im untersuchten Temperaturbereich zwischen ca. 30 und 80%. Als Hauptprodukte sind im oberen Temperaturbereich VCM und EDC zu beobachten. Insbesondere bei 270°C Reaktionstemperatur wird erstaunlich viel EC gebildet (S bis 22,2%). VCM und EDC erreichen eine summarische Selektivität von ca. 61–79%. Bei 330°C sind die Selektivitäten am höchsten. Hier geht die Bildung von EC auch zugunsten der beiden Hauptprodukte deutlich zurück (S-EC ca. 3%). Die Selektivität zu TCE nimmt mit steigender Temperatur leicht zu. Wahrscheinlich ist hier, dass mit steigender Temperatur die Möglichkeit der Addition von Chlor an VCM verstärkt auftritt.The ethylene conversions of this catalyst are in the investigated temperature range between about 30 and 80%. The main products in the upper temperature range VCM and EDC are observed. Insbeson At 270 ° C reaction temperature surprisingly much EC is formed (S to 22.2%). VCM and EDC achieve a total selectivity of about 61-79%. At 330 ° C the selectivities are highest. Here, the formation of EC also clearly decreases in favor of the two main products (S-EC approx. 3%). The selectivity to TCE increases slightly with increasing temperature. Probably here is that with increasing temperature the possibility of adding chlorine to VCM increasingly occurs.
Tabelle
5 zeigt die Ergebnisse der Beispiele 7–9 für Katalysator α-2: (350°C Luft, 5
h)
- α-2; GHSV = 1000 h–1;. τ = 3,6 s; C2H4:HCl:O2 = 1:3:1
- α-2; GHSV = 1000 h -1 ;. τ = 3.6 s; C 2 H 4 : HCl: O 2 = 1: 3: 1
Die katalytischen Untersuchungen mit dem Katalysator α-2 mit einer höheren Oberfläche von 9,3 m2/g verliefen ähnlich gut wie die zuvor beschriebenen Versuche, allerdings werden nicht die hohen Ethylen-Umsätze und VCM-Selektivitäten erreicht.Catalytic studies with the higher surface area catalyst of 9.3 m 2 / g performed similarly well as the previously described experiments, but not the high ethylene conversions and VCM selectivities are achieved.
Tabelle
6 zeigt die Ergebnisse der Beispiele 10–12 für Katalysator α-3: (350°C Luft, 5
h)
- α-3; GHSV = 1000 h–1;. τ = 3,6 s; C2H4:HCl:O2 = 1:3:1α-3; GHSV = 1000 h -1 ;. τ = 3.6 s; C 2 H 4 : HCl: O 2 = 1: 3: 1
Ein deutlich anderes Verhalten zeigt der Katalysator α-3 mit einer signifikant höheren Oberfläche (ca. 35 m2/g). Neben einer deutlich geringeren Anfangsaktivität überwiegt bei den Nebenprodukten die EC Bildung, EDC wird nur in geringen Mengen gebildet. Bei Temperatursteigerung zeigte sich, dass die Aktivität vollkommen zusammenbrach, nach Ausbau des Katalysators überzog eine schwarze Bedeckung die Katalysatorteilchen (Koksbildung).The catalyst α-3 shows a significantly different behavior with a significantly higher surface area (about 35 m 2 / g). In addition to a significantly lower initial activity outweighs the EC by-products, EDC is formed only in small amounts. When the temperature increased, it was found that the activity collapsed completely; after removal of the catalyst, a black covering coated the catalyst particles (coke formation).
Tabelle
7 zeigt die Ergebnisse der Beispiele 13–15 für die Oxichlorierung von Ethylen
an den Katalysatoren γ-Al2O3, TiO2,
SiO2:
- GHSV = 1000 h–1;. τ = 3,6 s; C2H4:HCl:O2 = 1:3:1
- GHSV = 1000 h -1 ;. τ = 3.6 s; C 2 H 4 : HCl: O 2 = 1: 3: 1
Bei Verwendung von γ-Al2O3, TiO2, SiO2 als Träger zeigte sich eine starke Koksbildung. Nach Ausbau des Katalysators überzog eine schwarze Bedeckung die Katalysatorteilchen.When using γ-Al 2 O 3 , TiO 2 , SiO 2 as a carrier showed a strong coke formation. After removal of the catalyst, a black cover coated the catalyst particles.
Zusammenfassend
kann festgestellt werden, dass mit den Katalysatoren α-1 sehr gute Ergebnisse
erzielt werden konnten. Weiterhin zeigte die Versuchsreihe, dass
Restaciditäten
und BET-Oberflächen > 10 m2/g der
Träger
negative Folgen für
Aktivität
und Selektivität
haben. Folgende Reihung der Trägergüte, insbesondere
bezüglich
der VCM Selektivität,
ergibt sich aus den Tests:
Tabelle
8 zeigt die Ergebnisse der weiteren Versuchen 16–23, bei denen verschiedene
Calcinierungsbedingungen, siehe hierzu Tabelle 2, untersucht und
die sich daraus ergebenden Katalysatoren α-4, α-5, α-6, und α-7 mit Katalysator α-1, wie in
Tabelle 4 in den Beispielen 4–6
aufgeführt,
verglichen wurden. Die übrige Versuchsdurchführung entspricht
derjenigen der Versuche 1–15.
- GHSV = 1000 h–1;. τ = 3,6 s; C2H4:HCl:O2 = 1:3:1
- GHSV = 1000 h -1 ;. τ = 3.6 s; C 2 H 4 : HCl: O 2 = 1: 3: 1
Die Versuche mit den unter Wasserstoff calcinierten Katalysatoren zeigen Ethylen-Umsätze bis ca. 85%. Die Selektivitäten der Hauptprodukte VCM und EDC zeigen eine summarische Selektivität bis knapp 90%. Die Ergebnisse an den Katalysatoren, die unter Argon calciniert wurden, sind ähnlich zu denen mit Katalysatoren die unter Wasserstoff calciniert wurden. In keinem Fall wurde eine störende Bildung von Essigsäure beobachtet.The Experiments with the catalysts calcined under hydrogen show Ethylene sales up to approx. 85%. The selectivities The main products VCM and EDC show a summary selectivity of almost 90%. The results on the catalysts, which calcined under argon were are similar to those with catalysts which were calcined under hydrogen. In no case was a disturbing Formation of acetic acid observed.
Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele betreffen die Verwendung des Katalysators in Verfahren für die Erzeugung von VCM, wobei vor allem die Einbindung in das "ausgewogene VCM-Verfahren" dargestellt werden soll, die Verwendung jedoch nicht darauf beschränkt ist. Anhand von 2 vereinfachten Verfahrensblockfließbildern wird die Anwendung verdeutlicht:The following embodiments relate to the use of the catalyst in production processes of VCM, in particular the integration into the "balanced VCM process" but the use is not limited thereto. Simplified by 2 Process block flow diagrams the application is clarified:
Das Produktgas, das den VCM/EDC-Reaktor IV über Verbindung 10 verlässt, besteht überwiegend aus VCM und EDC (sowie Ethylchlorid, Trichlorethan, COx, Wasser und nichtumgesetzter Chlorwasserstoff und Ethylen). Nach Kondensation des Produktgases in einen Wärmetauscher V wird bei Bedarf die wässrige Phase über Verbindung 21 zur Phasentrennungs-Unit VI befördert. Hier findet ein Trennung von organischer und wässriger Phase statt. Die nicht kondensierten Gase werden über Verbindung 11 in die Kolonne VII überführt.The product gas leaving the VCM / EDC reactor IV via compound 10 consists predominantly of VCM and EDC (as well as ethyl chloride, trichloroethane, CO x , water and unreacted hydrogen chloride and ethylene). After condensation of the product gas in a heat exchanger V, if necessary, the aqueous phase is conveyed via compound 21 to the phase separation unit VI. Here a separation of organic and aqueous phase takes place. The uncondensed gases are transferred via compound 11 in the column VII.
Die wässrige Phase der Phasentrennungs-Unit VI wird über Verbindung 22 zur HCl-Aufbereitung befördert, wo nach bekannten Methoden eine Trennung von Wasser und Chlorwasserstoff durchgeführt wird. Die organische Phase wird über Verbindung 23 in die Kolonnen zur Abtrennung der Leichtsieder VII überführt. In der Kolonne werden die Leichtsieder (u. a. COx, Ethylen, und Spuren an Chlorwasserstoff). über Verbindung 17 abgetrennt. Chlorwasserstoff und Ethylen können aus diesem Strom zurück gewonnen werden. Der Produktstrom verlässt die Kolonne VII über Verbindung 12 und wird in eine Trocknungskolonne VIII überführt. Nach Entfernung des Wassers über Verbindung 14 wird das Produkt über Verbindung 13 in eine weitere Kolonne IX überführt. Nach bekannten Methoden findet eine Abtrennung von VCM statt. VCM wird über Verbindung 15 ausgetragen und für die Polymerisation zu PVC zwischengelagert oder direkt in einen Polymerisationsreaktor überführt.The aqueous phase of the phase separation unit VI is conveyed via compound 22 for HCl treatment, where separation of water and hydrogen chloride is carried out by known methods. The organic phase is transferred via compound 23 into the columns for the separation of the low boilers VII. In the column, the low boilers (including CO x , ethylene, and traces of hydrogen chloride). separated via compound 17. Hydrogen chloride and ethylene can be recovered from this stream. The product stream leaves the column VII via compound 12 and is transferred to a drying column VIII. After removal of the water via compound 14, the product is transferred via compound 13 into a further column IX. By known methods, a separation of VCM takes place. VCM is over verbin tion 15 and temporarily stored for the polymerization to PVC or transferred directly into a polymerization reactor.
Ethylchlorid wird über Verbindung 16 in den VCM/EDC-Reaktor IV zurückgeführt. Über Verbindung 18 gelangt der restliche Produktstrom bestehend aus überwiegend EDC in die Kolonne X in der eine Reinigung des EDC nach bekanten Methoden durchgeführt wird. Abgetrenntes EDC kann über Verbindung 19 in den VCM/EDC-Reaktor IV zurückgeführt werden. Schwersieder werden über Verbindung 20 abgetrennt und können zur HCl Rückgewinnung in eine Verbrennung geschickt werden.ethyl will over Compound 16 is recycled to the VCM / EDC reactor IV. About connection 18 reaches the residual product stream consisting mainly of EDC in the column X in which a cleaning of the EDC according to known methods is performed. Separated EDC can over Compound 19 can be recycled to the VCM / EDC reactor IV. High boilers are going through connection 20 separated and can for HCl recovery be sent to a burn.
Das Produktgas, das den VCM/EDC-Reaktor II über Verbindung 7 verlässt, besteht überwiegend aus VCM und EDC (sowie Ethylchlorid, Trichlorethan, COx, Wasser und nichtumgesetzter Chlorwasserstoff und Ethylen). Nach Kondensation des Produktgases in einen Wärmetauscher III wird die wässrige Phase über Verbindung 14 zur Phasentrennungs-Unit IV befördert. Hier findet eine Trennung von organischer und wässriger Phase statt. Die nicht kondensierten Gase werden über Verbindung 8 in die Kolonne V überführt.The product gas leaving the VCM / EDC reactor II via compound 7 consists predominantly of VCM and EDC (as well as ethyl chloride, trichloroethane, CO x , water and unreacted hydrogen chloride and ethylene). After condensation of the product gas in a heat exchanger III, the aqueous phase is conveyed via compound 14 to the phase separation unit IV. Here a separation of organic and aqueous phase takes place. The non-condensed gases are transferred via compound 8 in the column V.
Die wässrige Phase der Phasentrennungs-Unit IV wird bei Bedarf über Verbindung 15 zur HCl-Aufbereitung befördert, wo nach bekannten Methoden eine Trennung von Wasser und Chlorwasserstoff durchgeführt wird. Die organische Phase wird über Verbindung 16 in die Kolonnen zur Abtrennung der Leichtsieder V überführt. In der Kolonne werden die Leichtsieder (u. a. COx, Ethylen, und Spuren an Chlorwasserstoff) über Verbindung 12 abgetrennt. Chlorwasserstoff und Ethylen können aus diesem Strom zurück gewonnen werden. Der Produktstrom verlässt die Kolonne V über Verbindung 9 und wird in eine Trocknungskolonne VI überführt. Nach Entfernung des Wasser über Verbindung 13 wird das Produkt über Verbindung 10 in eine weitere Kolonne VII überführt. Nach bekannten Methoden findet eine Abtrennung von VCM statt. VCM wird über Verbindung 11 ausgetragen und für die Polymerisation zu PVC zwischengelagert oder direkt in einen Polymerisationsreaktor überführt.The aqueous phase of the phase separation unit IV is conveyed as required via compound 15 for HCl treatment, where a separation of water and hydrogen chloride is carried out by known methods. The organic phase is transferred via compound 16 in the columns for the separation of the low boilers V. In the column, the low boilers (including CO x , ethylene, and traces of hydrogen chloride) are separated via compound 12. Hydrogen chloride and ethylene can be recovered from this stream. The product stream leaves the column V via compound 9 and is transferred to a drying column VI. After removal of the water via compound 13, the product is transferred via compound 10 into a further column VII. By known methods, a separation of VCM takes place. VCM is discharged via compound 11 and stored for the polymerization to PVC or transferred directly into a polymerization reactor.
Ethylchlorid wird über Verbindung 17 in den VCM/EDC-Reaktor II zurückgeführt. Über Verbindung 18 gelangt der restliche Produktstrom bestehend aus überwiegend EDC in die Kolonne VIII in der eine Reinigung des EDC nach bekanten Methoden durchgeführt wird. Abgetrenntes EDC kann über Verbindung 19 und 6 in den VCM/EDC-Reaktor II zurückgeführt werden. Schwersieder werden über Verbindung 20 abgetrennt und können zur HCl Rückgewinnung in eine Verbrennung geschickt werden.ethyl will over Compound 17 returned to the VCM / EDC reactor II. About connection 18 reaches the residual product stream consisting mainly of EDC in the column VIII in which a cleaning of the EDC by known methods is performed. Separated EDC can over Compounds 19 and 6 are recycled to the VCM / EDC reactor II. High boilers are about Compound 20 separated and can for HCl recovery be sent to a burn.
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