DE102010015006A1 - Catalyst for the hydrogenation of aqueous polyhydric alcohol solutions - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Katalysator zur Hydrierung von Glycerol zu 1,2-Propandiol. Durch die Verwendung von Gallium im Katalysator konnte eine Wasserbeständigkeit erreicht werden. Es können jetzt wässrige Glycerollösungen ohne vorherige Trocknung zu 1,2-Propandiol hydriert werden.The invention relates to a catalyst for the hydrogenation of glycerol to 1,2-propanediol. The use of gallium in the catalyst made it possible to achieve water resistance. Aqueous glycerol solutions can now be hydrogenated to 1,2-propanediol without prior drying.
Description
[Beschreibung und Einleitung des allgemeinen Gebietes der Erfindung][Description and Introduction of the General Field of the Invention]
Die vorliegende Erfindung betrifft einen wasserstabilen Katalysator zur Hydrierung von mehrwertigen Alkoholen.The present invention relates to a water-stable catalyst for the hydrogenation of polyhydric alcohols.
[Stand der Technik][State of the art]
In
In
In der
Katalysatoren auf Kupfer-Zink-Basis haben den Vorteil, dass diese günstig hergestellt werden können.Catalysts based on copper-zinc have the advantage that they can be produced inexpensively.
Der große Nachteil der Kupfer-Zink-Katalysatoren ist, dass bei wasserhaltigen Edukten die Katalysatoren sehr schnell deaktiviert werden. Damit ist es notwendig die Edukte vorher zu trocknen, was eine zusätzliche Verfahrensstufe bedeutet. Weiterhin kommt es auch durch das entstehende Reakitonswasser zu einer Deaktivierung des Katalysators. Dies ist durch kontinuierliche Abtrennung des Reaktionswassers verhinderbar, was aber einen hohen Aufwand bedeutet.The big disadvantage of the copper-zinc catalysts is that with water-containing educts the catalysts are deactivated very quickly. This makes it necessary to dry the starting materials beforehand, which means an additional process stage. Furthermore, it comes through the resulting Reakitonswasser to deactivate the catalyst. This can be prevented by continuous separation of the water of reaction, which means a lot of effort.
[Aufgabe][Task]
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.The object of the present invention is to overcome the disadvantages of the prior art.
[Lösung der Aufgabe][Solution of the task]
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Verwendung eines Katalysators, der durch Wasser nicht erheblich deaktiviert wird.This object is achieved by the use of a catalyst which is not significantly deactivated by water.
Überraschenderweise konnte durch den Einsatz von Gallium im Katalysator bei der Hydrierung einer wässrigen, mehrwertigen Alkohollösung eine erhebliche Deaktivierung des Katalysators verhindert werden (siehe
Die Erfindung ist aber nicht nur auf den Einsatz von Gallium beschränkt. So ist ebenfalls Indium, Thallium oder Blei in den angegeben Bereichen einzusetzen. Die aufgeführten Elemente können einzeln oder in Kombinationen eingesetzt werden.However, the invention is not limited to the use of gallium. So is also indium, thallium or lead in the specified ranges use. The listed elements can be used individually or in combinations.
Das Gallium oder die Kombination von Elementen wurde in Verbindung mit einem Kupferkatalysator eingesetzt. Der Kupfer-Katalysator ist als Kupfer oder als Kupfer-Legierung ausgeführt. Die Kupferlegierung besteht vorzugsweise aus einer Kupfer-Zink Legierung. Das Verhältnis von Kupfer zu Gallium liegt in einem Bereich von 3:1 bis 1:2.The gallium or combination of elements was used in conjunction with a copper catalyst. The copper catalyst is designed as copper or as a copper alloy. The copper alloy is preferably made of a copper-zinc alloy. The ratio of copper to gallium ranges from 3: 1 to 1: 2.
Der Katalysator wird aus den Metallen, Metalloxiden oder Metallsalzen hergestellt. Als Metallsalze werden zum Beispiel, aber nicht darauf beschränkt, Nitrate, Nitride, Sulfide, Sulfate, Sulfite, Phosphate, Phosphite, Halogene (z. B. Fluorid, Chlorid, Bromid, Iodid). Perchlorate oder organische Anionen wie z. B. Acetat oder Acetylacetonat ausgewählt.The catalyst is made from the metals, metal oxides or metal salts. Examples of metal salts include, but are not limited to, nitrates, nitrides, sulfides, sulfates, sulfites, phosphates, phosphites, halogens (eg, fluoride, chloride, bromide, iodide). Perchlorates or organic anions such. As acetate or acetylacetonate.
Der Katalysator umfasst Gallium in einem Bereich von 1...50%.The catalyst comprises gallium in a range of 1 to 50%.
Kupfer wird in einem Bereich von 10...80% und Zink in einem Bereich von 0...70% dem Katalysator zugegeben.Copper is added in a range of 10 ... 80% and zinc in a range of 0 ... 70% to the catalyst.
Der Katalysator wird bevorzugt in einer vorreduzierten Form eingesetzt.The catalyst is preferably used in a prereduced form.
Die mehrwertige Alkohollösung umfasst bevorzugt eine Glycerollösung. Das Glycerol wird hauptsächlich zu 1,2-Propandiol und Wasser hydriert. Als ein weiteres Nebenprodukt tritt 1,2-Ethandiol auf.The polyhydric alcohol solution preferably comprises a glycerol solution. The glycerol is hydrogenated mainly to 1,2-propanediol and water. As a further by-product, 1,2-ethanediol occurs.
Die wässrige mehrwertige Alkohollösung besteht aus 50 bis 90% Alkohol. Durch den Einsatz des Katalysators entfällt die Trocknung des Alkohols. Damit ist keine nachteilige Trocknung auf 95 oder 99% Alkohol notwendig. Weiterhin führt das entstehende Reaktionswasser nicht mehr zu einer erheblichen Deaktivierung des Katalysators. Entsprechend ist eine Abtrennung des entstehenden Reaktionswassers nicht mehr notwendig.The aqueous polyhydric alcohol solution consists of 50 to 90% alcohol. The use of the catalyst eliminates the drying of the alcohol. Thus, no disadvantageous drying to 95 or 99% alcohol is necessary. Furthermore, the resulting water of reaction no longer leads to a significant deactivation of the catalyst. Accordingly, a separation of the resulting water of reaction is no longer necessary.
So konnte bei einer 50%-igen wässrigen mehrwertigen Alkohollösung die Aktivität des galliumhaltigen Katalysators im Vergleich zum deaktivierten Kupfer-Zink-Katalysator gezeigt werden (siehe
Der galliumhaltige, wasserstabile Katalysator ist besonders zur Wiederaufarbeitung (Recycling) geeignet. Während Kupfer-Zink-Katalysatoren nach dem Recycling einen erheblichen Akivitätsverlust aufweisen (bis zu 30%) wurden bei galliumhaltigen Katalysatoren keine nennenswerten Aktivitätsverluste (0 bis 5%) festgestellt. Diese Katalysatoren sind besonders für kontinuierliche Verfahren geeignet.The gallium-containing, water-stable catalyst is particularly suitable for reprocessing (recycling). While copper-zinc catalysts have a significant loss of activity after recycling (up to 30%), gallium-containing catalysts showed no significant loss of activity (0 to 5%). These catalysts are particularly suitable for continuous processes.
Die Verfahrensführung ist durch den Katalysator wesentlich verbessert worden. Eine Trocknung des eingesetzten mehrwertigen Alkohols z. B. Glycerol ist nicht mehr notwendig. Entsprechend kann der Trocknungsschritt eingespart werden.The process has been significantly improved by the catalyst. Drying of the polyhydric alcohol used z. B. Glycerol is no longer necessary. Accordingly, the drying step can be saved.
[Ausführungsbeispiele][Embodiments]
Präparation des KatalysatorsPreparation of the catalyst
Zunächst werden 4,85 g (20,9 mmol) Cu(NO3)2·2,5H2O, 12,20 g (41 mmol) Zn(NO3)2·6H2O und 2,68 g Ga(NO3)3·xH2O in 300 ml Wasser gelöst. Diese Lösung wird zu 300 ml destilliertes Wasser bei 70°C zugetropft. Der pH-Wert wird dabei durch gleichzeitiges Zutropfen von ca. 200 ml einer 0,38 M Na2CO3-Lösung konstant auf 7 gehalten. Der hellblaue Niederschlag wird abfiltriert, mit dest. Wasser gewaschen und getrocknet. Das trockene Rohprodukt wird 3 h bei 400°C im Luftstrom (100 ml/min) kalziniert (Aufheizrate: 2°C/min).First, 4.85 g (20.9 mmol) of Cu (NO 3 ) 2 .2.5H 2 O, 12.20 g (41 mmol) of Zn (NO 3 ) 2 .6H 2 O and 2.68 g of Ga ( NO 3 ) 3 x xH 2 O in 300 ml of water. This solution is added dropwise to 300 ml of distilled water at 70 ° C. The pH is kept constant at 7 by simultaneous dropwise addition of about 200 ml of a 0.38 M Na 2 CO 3 solution. The light blue precipitate is filtered off, with dist. Washed water and dried. The dry crude product is calcined at 400 ° C for 3 h in an air stream (100 ml / min) (heating rate: 2 ° C / min).
Falls der Katalysator vor der Reaktion reduziert wird, so erfolgt dies für 2 h im Wasserstoffstrom (100 ml/min) bei 260°C (Aufheizrate: 2°C/min).If the catalyst is reduced before the reaction, this is done for 2 h in a stream of hydrogen (100 ml / min) at 260 ° C (heating rate: 2 ° C / min).
Man erhält einen Katalysator mit 29% Kupfer, 58% Zink und 13% Gallium.A catalyst containing 29% copper, 58% zinc and 13% gallium is obtained.
Beim Einsatz von 8,5 g Cu(NO3)2·2,5H3O, 5,6 g Zn(NO3)2·6H2O und 5,2 g Ga(NO3)3·xH2O erhält man einen Katalysator mit 50% Kupfer, 26% Zink und 24% Gallium.When using 8.5 g of Cu (NO 3 ) 2 .2.5H 3 O, 5.6 g of Zn (NO 3 ) 2 .6H 2 O and 5.2 g of Ga (NO 3 ) 3 .xH 2 O a catalyst with 50% copper, 26% zinc and 24% gallium.
Beim Einsatz von 8,5 g Cu(NO3)2·2,5H2O, 5,6 g Zn(NO3)2·6H2O und 5,2 g Ga(NO3)3·xH2O erhält man einen Katalysator mit 50% Kupfer, 28% Zink und 24% Gallium.When using 8.5 g of Cu (NO 3 ) 2 .2.5H 2 O, 5.6 g of Zn (NO 3 ) 2 .6H 2 O and 5.2 g of Ga (NO 3 ) 3 .xH 2 O a catalyst with 50% copper, 28% zinc and 24% gallium.
Beim Einsatz von 10,7 g Cu(NO)2·2,5H2O, 1,9 g Zn(NO3)2·6H2O und 3,6 g Ga(NO3)3·xH2O erhält man einen Katalysator mit 71% Kupfer, 10% Zink und 19% Gallium.10.7 g of Cu (NO) 2 .2.5H 2 O, 1.9 g of Zn (NO 3 ) 2 .6H 2 O and 3.6 g of Ga (NO 3 ) 3 .xH 2 O are obtained a catalyst with 71% copper, 10% zinc and 19% gallium.
Beim Einsatz von 4,85 g Cu(NO3)2·2,5H2O und 2,68 g Ga(NO3)3·xH2O erhält man einen Katalysator mit 70% Kupfer und 30% Gallium.Using 4.85 g of Cu (NO 3 ) 2 .2.5H 2 O and 2.68 g of Ga (NO 3 ) 3 .xH 2 O, a catalyst containing 70% copper and 30% gallium is obtained.
Beim Einsatz von 5,7 g Cu(NO3)2·2,5H2O und 7,5 g Ga(NO3)3·xH2O erhält man einen Katalysator mit 49% Kupfer und 51% Gallium.When using 5.7 g of Cu (NO 3 ) 2 .2.5H 2 O and 7.5 g of Ga (NO 3 ) 3 .xH 2 O, a catalyst with 49% copper and 51% gallium is obtained.
Beim Einsatz von 2,4 g Cu(NO3)2·2,5H2O und 6,4 g Ga(NO3)3·xH2O erhält man einen Katalysator mit 32% Kupfer und 67% Gallium.The use of 2.4 g of Cu (NO 3 ) 2 .2.5H 2 O and 6.4 g of Ga (NO 3 ) 3 .xH 2 O gives a catalyst with 32% copper and 67% gallium.
Die Präparation des Cu-Zn-Katalysators ohne Gallium erfolgt analog der Präparation des Cu-Zn-Ga-Katalysators.The preparation of the Cu-Zn catalyst without gallium is analogous to the preparation of the Cu-Zn-Ga catalyst.
Zum Recycling des Katalysators wird dieser vom Reaktionsgemisch durch Filtration abgetrennt, mit 500 ml Wasser gewaschen und über Nacht bei 50°C getrocknet. To recycle the catalyst, it is separated off from the reaction mixture by filtration, washed with 500 ml of water and dried overnight at 50.degree.
HydrierungsdurchführungHydrierungsdurchführung
In einem Autoklav werden 177 g einer wässrigen 90%-igen Glycerollösung und 3 g Menge an vorreduziertem Katalysator mit 29% Kupfer, 58% Zink und 13% Gallium vorgelegt. Es wird ein Wasserstoffdruck von 30 bar eingestellt und der Reaktor auf die Reaktionstemperatur 220°C aufgeheizt. Ist diese erreicht, wird ein Wasserstoffdruck von 50 bar eingestellt und über den Reaktionsverlauf durch Zugabe von Wasserstoff gehalten. Nach 7 Stunden wurde ein 96%-iger Umsatz erhalten. Mit einer Selektivität von 81% ist 1,2-Propandiol entstanden.An autoclave is charged with 177 g of an aqueous 90% glycerol solution and 3 g of prereduced catalyst with 29% copper, 58% zinc and 13% gallium. A hydrogen pressure of 30 bar is set and the reactor is heated to the reaction temperature 220 ° C. When this is reached, a hydrogen pressure of 50 bar is set and maintained over the course of the reaction by adding hydrogen. After 7 hours, a 96% conversion was obtained. With a selectivity of 81%, 1,2-propanediol has been formed.
Bei Verwendung einer wässrigen 70%-igen Glycerollösung und 12 g Katalysator mit 70% Kupfer und 30% Gallium wurde bei 220°C und 7 Stunden ein 89%-iger Umsatz erreicht.When using an aqueous 70% glycerol solution and 12 g of catalyst with 70% copper and 30% gallium was achieved at 220 ° C and 7 hours 89% conversion.
Vergleichsexperiment mit 50%-iger Glycollösung:Comparison experiment with 50% glycol solution:
Bei Verwendung einer wässrigen 50%-igen Glycerollösung und 3 g Katalysator mit 66% Kupfer und 34% Zink wurde bei 220°C und 7 Stunden nur ein 12%-iger Umsatz erreicht.When using an aqueous 50% glycerol solution and 3 g of catalyst with 66% copper and 34% zinc, only a 12% conversion was achieved at 220 ° C and 7 hours.
Bei Verwendung einer wässrigen 50%-igen Glycerollösung und 3 g Katalysator mit 29% Kupfer, 58% Zink und 13% Gallium wurde bei 220°C und 7 Stunden ein 36%-iger Umsatz erreicht.When using an aqueous 50% glycerol solution and 3 g of catalyst with 29% copper, 58% zinc and 13% gallium was achieved at 220 ° C and 7 hours, a 36% conversion.
[Abbildungsverzeichnis][List of Figures]
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20131101 |