DE102013014241A1 - Process for the preparation of a catalyst, catalyst and process for the oxidative dehydrogenation of hydrocarbons - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysators, wobei ein Katalysator in Form eines Metalloxidkatalysators bereitgestellt wird, der zumindest ein Element aus der Gruppe Mo, Te, Nb, V, Cr, Dy, Ga, Sb, Ni, Co, Pt und Ce aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen dass der Katalysator K einer Nachbehandlung zur Erhöhung des Anteils der M1-Phase unterzogen wird, wobei der Katalysator K unter Erzeugung eines nachbehandelten Katalysators K' mit Wasserdampf bei einem Druck unterhalb von 100bar in Kontakt gebracht wird und/oder mit Sauerstoff in Kontakt gebracht wird. Weiterhin betrifft die Erfindung einen durch das Verfahren hergestellten Katalysator K' sowie ein Verfahren zur oxidativen Dehydrierung mit einem erfindungsgemäßen Katalysator K'.The invention relates to a process for producing a catalyst, wherein a catalyst is provided in the form of a metal oxide catalyst comprising at least one element selected from Mo, Te, Nb, V, Cr, Dy, Ga, Sb, Ni, Co, Pt and Ce having. According to the invention it is provided that the catalyst K is subjected to a post-treatment to increase the proportion of the M1 phase, wherein the catalyst K is brought into contact with water vapor at a pressure below 100 bar to produce a post-treated catalyst K 'and / or in contact with oxygen is brought. The invention further relates to a catalyst K 'produced by the process and to a process for the oxidative dehydrogenation with a catalyst K' according to the invention.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysators gemäß Anspruch 1, einen hierdurch hergestellten Katalysator gemäß Anspruch 11 sowie ein Verfahren zur oxidativen Dehdrierung gemäß Anspruch 12.The invention relates to a process for the preparation of a catalyst according to
Bei einem derartigen Verfahren zur Herstellung eines Katalysators, der insbesondere bei einer oxidativen Dehydrierung verwendet werden soll, wird ein Katalysator in Form eines Metalloxidkatalysators bereitgestellt, der zumindest ein Element aus der Gruppe Mo, Te, Nb, V, Cr, Dy, Ga, Sb, Ni, Co, Pt und Ce aufweist.In such a process for producing a catalyst to be used particularly in an oxidative dehydrogenation, there is provided a catalyst in the form of a metal oxide catalyst comprising at least one of Mo, Te, Nb, V, Cr, Dy, Ga, Sb , Ni, Co, Pt and Ce.
Derartige Metalloxidkatalysatoren sowie insbesondere Metalloxidkatalysatoren der allgemeinen Zusammensetzung MovTeNbOx sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden auch für oxidative Verfahren verwendet. So beschreiben z. B.
Weiterhin ist im Stand der Technik die oxidative Dehydrierung (auch als ODH bezeichnet) von Ethan und Propan zu den korrespondierenden Olefinen in
Weiterhin findet sich eine ausführliche Darlegung der Bedeutung der M1-Phase für die Propanoxidation zu Propylen in
Schließlich wird auch in
Bei einem oxidativen Verfahren wie der ODH wird Sauerstoff (z. B. in Form von Luft) eingesetzt. Daher kann es am Austritt der Reaktoreinrichtung zu einem Restgehalt an O2 kommen. Dieser bedeutet eine Herausforderung im anschließenden Zerlegungsteil, wo es zu Anreicherungen und Bildung von zündfähigen Gemischen kommen kann.In an oxidative process such as ODH, oxygen (eg in the form of air) is used. Therefore, it may come to the outlet of the reactor device to a residual content of O 2 . This means a challenge in the subsequent decomposition part, where it can lead to accumulations and formation of ignitable mixtures.
Bisher bekannte Katalysatoren können zumeist nicht im Bereich niedriger Sauerstoffrestkonzentrationen betrieben werden. Im allgemeinen wird hier bei Erhitzen des Materials unter reduzierenden Bedingungen eine teilweise Selbstreduktion beobachtet, so dass ein Teil des Metalls nicht mehr als Oxid vorliegt, wodurch die Stabilität der Kristallstruktur beeinträchtigt wird, was bis zum Zusammenbruch dieser Struktur führen kann. Nach dem Stand der Technik kann dies einerseits daher nur durch eine entsprechende Verdünnung oder aber durch die Einschaltung eines zusätzlichen Apparates zur Sauerstoffentfernung stromab der Reaktoreinrichtung, wie z. B. in
Weiterhin betrifft die
Die
Weiterhin beschreibt die
Hiervon ausgehend liegt daher der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Katalysators bzw. einen Katalysator sowie ein Verfahren zur oxidativen Dehydrierung mit einem solchen Katalysator anzugeben.On this basis, it is an object of the present invention to provide an improved process for the preparation of a catalyst or a catalyst and a process for the oxidative dehydrogenation with such a catalyst.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a method having the features of
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den zugehörigen Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments are specified in the associated subclaims.
Nach Anspruch 1 ist vorgesehen, dass der Katalysator einer Nachbehandlung zur Erhöhung des Anteils der M1-Phase unterzogen wird (vorliegend wird der M1- bzw. -M2-Anteil im folgenden stets als Gewichtsprozent angegeben, wobei sich dieser M1-Anteil oder M2-Anteil jeweils auf das gesamte Katalysatormaterial in kristalliner und amorpher Form bezieht), wobei der Katalysator unter Erzeugung eines nachbehandelten Katalysators mit Wasserdampf bei einem Druck unterhalb von 100 bar, vorzugsweise unterhalb von 80 bar, vorzugsweise unterhalb von 50 bar in Kontakt gebracht wird und/oder mit Sauerstoff in Kontakt gebracht wird.According to
Durch die erfindungsgemäße Nachbehandlung des fraglichen Katalysators kann eine Optimierung des Katalysators für oxidative Reaktionen, insbesondere für die oxidative Dehydrierung von Alkanen, erreicht werden. Insbesondere erfolgt dies durch die oben genannte Beaufschlagung mit Wasserdampf (auch als Steaming bezeichnet) und/oder die oben dargelegte Beaufschlagung mit Sauerstoff. Es hat sich gezeigt, dass hierdurch in überraschender Weise der Anteil der wirksamen M1-Phase bei insbesondere vergleichsweise niedrigen Drücken erhöht werden und der Katalysator somit robuster und stabiler gestaltet werden kann. Dies betrifft z. B. den Betrieb bei niedrigen Sauerstoffkonzentrationen. Zugleich wird der Anteil an unselektiven Nebenprodukten (CO und CO2), die entscheidend zur Wärmefreisetzung beitragen, minimiert, so dass sich entsprechende Vorteile für ein technisches Verfahren unter Verwendung des nachbehandelten Katalysators ergeben.By the aftertreatment of the catalyst according to the invention, an optimization of the catalyst for oxidative reactions, in particular for the oxidative dehydrogenation of alkanes, can be achieved. In particular, this is done by the above-mentioned exposure to steam (also referred to as steaming) and / or the above exposure to oxygen. It has been shown that this surprisingly increases the proportion of the effective M1 phase in particular comparatively low pressures and thus the catalyst can be made more robust and stable. This concerns z. As the operation at low oxygen concentrations. At the same time, the proportion of unselective by-products (CO and CO 2 ), which contribute significantly to the release of heat, minimized, so that there are corresponding advantages for a technical process using the aftertreated catalyst.
Die Kontaktierung des Katalysators bei der Nachbehandlung mit Wasserdampf und/oder Sauerstoff erfolgt vorzugsweise, indem der Katalysator mit einem Strom aufweisend Wasserdampf und/oder Sauerstoff beaufschlagt wird. Dies kann insbesondere in einer Reaktoreinrichtung durchgeführt werden, in der der nachbehandelte Katalysator anschließend für eine ODH verwendet wird (siehe unten).The contacting of the catalyst in the aftertreatment with water vapor and / or oxygen is preferably carried out by the catalyst is subjected to a stream comprising water vapor and / or oxygen. This can be carried out in particular in a reactor device in which the aftertreated catalyst is subsequently used for an ODH (see below).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Katalysator bei der Nachbehandlung bei einer Temperatur von zumindest 200°C, vorzugsweise bei einer Temperatur von zumindest 350°C, vorzugsweise bei einer Temperatur von zumindest 350°C, vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 200°C bis 650°, vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 300°C bis 650°C, vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 350°C bis 600°C, vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 350°C bis 550°C, vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 350°C bis 400°C, oder vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 400°C bis 500°C, mit dem Wasserdampf in Kontakt gebracht wird.According to a preferred embodiment it is provided that the catalyst in the after-treatment at a temperature of at least 200 ° C, preferably at a temperature of at least 350 ° C, preferably at a temperature of at least 350 ° C, preferably at a temperature in the range of 200 ° C to 650 °, preferably at a temperature in the range of 300 ° C to 650 ° C, preferably at a temperature in the range of 350 ° C to 600 ° C, preferably at a temperature in the range of 350 ° C to 550 ° C. , preferably at a temperature in the range of 350 ° C to 400 ° C, or preferably at a temperature in the range of 400 ° C to 500 ° C, is brought into contact with the water vapor.
Des Weiteren ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Katalysator bei der Nachbehandlung bei einer Temperatur von zumindest 200°C, vorzugsweise bei einer Temperatur von zumindest 350°C, vorzugsweise bei einer Temperatur von zumindest 400°C, vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 200°C bis 650°, vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 300°C bis 650°C, vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 350°C bis 600°C, vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 350°C bis 550°C, vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 350°C bis 400°C, oder vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 400°C bis 500°C, mit dem Sauerstoff in Kontakt gebracht wird.Furthermore, it is provided according to a preferred embodiment of the invention that the catalyst in the after-treatment at a temperature of at least 200 ° C, preferably at a temperature of at least 350 ° C, preferably at a temperature of at least 400 ° C, preferably at a temperature in the range of 200 ° C to 650 ° C, preferably at a temperature in the range of 300 ° C to 650 ° C, preferably at a temperature in the range of 350 ° C to 600 ° C, preferably at a temperature in the range of 350 ° C to 550 ° C, preferably at a temperature in the range of 350 ° C to 400 ° C, or preferably at a temperature in the range of 400 ° C to 500 ° C, is brought into contact with the oxygen.
Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass der Katalysator bei der Nachbehandlung mit dem Wasserdampf bei einem Druck im Bereich von 0,5 bar bis 100 bar, vorzugsweise 0,5 bar bis 90 bar, vorzugsweise 0,5 bar bis 80 bar, vorzugsweise 0,5 bar bis 70 bar, vorzugsweise 0,5 bar bis 60 bar, vorzugsweise 0,5 bar bis 50 bar, vorzugsweise 0,5 bar bis 40 bar, vorzugsweise 0,5 bar bis 30 bar, vorzugsweise 0,5 bar bis 20 bar, vorzugsweise 0,5 bar bis 10 bar, vorzugsweise 0,5 bar bis 5 bar, vorzugsweise 0,5 bar bis 4 bar, vorzugsweise 0,5 bar bis 3 bar, vorzugsweise 0,5 bar bis 2 bar, vorzugsweise 0,5 bar bis 1,5 bar, vorzugsweise 0,8 bar bis 1,2 bar, vorzugsweise 0,9 bar bis 1,1 bar, vorzugsweise bei 1 bar, in Kontakt gebracht wird. Furthermore, it is provided according to a preferred embodiment that the catalyst in the aftertreatment with the steam at a pressure in the range of 0.5 bar to 100 bar, preferably 0.5 bar to 90 bar, preferably 0.5 bar to 80 bar, preferably 0.5 bar to 70 bar, preferably 0.5 bar to 60 bar, preferably 0.5 bar to 50 bar, preferably 0.5 bar to 40 bar, preferably 0.5 bar to 30 bar, preferably 0.5 bar to 20 bar, preferably 0.5 bar to 10 bar, preferably 0.5 bar to 5 bar, preferably 0.5 bar to 4 bar, preferably 0.5 bar to 3 bar, preferably 0.5 bar to 2 bar, preferably 0 , 5 bar to 1.5 bar, preferably 0.8 bar to 1.2 bar, preferably 0.9 bar to 1.1 bar, preferably at 1 bar, is brought into contact.
Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Katalysator bei der Nachbehandlung mit dem Sauerstoff bei einem Druck im Bereich von 0,5 bar bis 100 bar, vorzugsweise 0,5 bar bis 90 bar, vorzugsweise 0,5 bar bis 80 bar, vorzugsweise 0,5 bar bis 70 bar, vorzugsweise 0,5 bar bis 60 bar, vorzugsweise 0,5 bar bis 50 bar, vorzugsweise 0,5 bar bis 40 bar, vorzugsweise 0,5 bar bis 30 bar, vorzugsweise 0,5 bar bis 20 bar, vorzugsweise 0,5 bar bis 10 bar, vorzugsweise 0,5 bar bis 5 bar, vorzugsweise 0,5 bar bis 4 bar, vorzugsweise 0,5 bar bis 3 bar, vorzugsweise 0,5 bar bis 2 bar, vorzugsweise 0,5 bar bis 1,5 bar, vorzugsweise 0,8 bar bis 1,2 bar, vorzugsweise 0,9 bar bis 1,1 bar, vorzugsweise bei 1 bar, in Kontakt gebracht wird.Furthermore, it is provided according to a preferred embodiment of the invention that the catalyst in the aftertreatment with the oxygen at a pressure in the range of 0.5 bar to 100 bar, preferably 0.5 bar to 90 bar, preferably 0.5 bar to 80 bar , preferably 0.5 bar to 70 bar, preferably 0.5 bar to 60 bar, preferably 0.5 bar to 50 bar, preferably 0.5 bar to 40 bar, preferably 0.5 bar to 30 bar, preferably 0.5 bar up to 20 bar, preferably 0.5 bar to 10 bar, preferably 0.5 bar to 5 bar, preferably 0.5 bar to 4 bar, preferably 0.5 bar to 3 bar, preferably 0.5 bar to 2 bar, preferably 0.5 bar to 1.5 bar, preferably 0.8 bar to 1.2 bar, preferably 0.9 bar to 1.1 bar, preferably at 1 bar, is brought into contact.
Bevorzugt wird der bereitgestellte Katalysator vor der Nachbehandlung durch Calcinieren einer Katalysator-Präkursor-Mischung erhalten. Hierzu wird die Katalysator-Präkursor-Mischung, die vorzugsweise mittels einer Hydrothermalsynthese erhalten wird, z. B. in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre für eine vordefinierbare Zeitspanne, insbesondere im Bereich von 2 h bis 4 h, einer vordefinierbaren Temperatur, insbesondere im Bereich von 175°C to 250°C, ausgesetzt und bevorzugt sodann in einem Strom eines inerten Gases für eine vordefinierbare Zeitspanne, insbesondere im Bereich von 2 Stunden bis 6 Stunden, einer vordefinierbaren Temperatur ausgesetzt, insbesondere im Bereich von 600°C bis 650°C. Die jeweilige Temperatur wird vorzugsweise mit einer Heizrate im Bereich von 5°C/min bis 15°C/min eingestellt. Der Strom des inerten Gases liegt vorzugsweise im Bereich von 50 mL/min bis 150 ml/min, bevorzugt 100 ml/min. Die Calcinierung kann bei Atmosphärendruck stattfinden.Preferably, the catalyst provided is obtained before the post-treatment by calcining a catalyst-precursor mixture. For this purpose, the catalyst precursor mixture, which is preferably obtained by means of a hydrothermal synthesis, z. B. in an oxygen-containing atmosphere for a predefinable period of time, in particular in the range of 2 h to 4 h, a predefinable temperature, in particular in the range of 175 ° C to 250 ° C, exposed and then preferred in a stream of an inert gas for a pre-definable Period of time, in particular in the range of 2 hours to 6 hours, exposed to a predefinable temperature, in particular in the range of 600 ° C to 650 ° C. The respective temperature is preferably set at a heating rate in the range of 5 ° C / min to 15 ° C / min. The flow of the inert gas is preferably in the range from 50 ml / min to 150 ml / min, preferably 100 ml / min. The calcination can take place at atmospheric pressure.
Bei der genannten Hydrothermalsynthese wird bevorzugt eine wässrige Lösung von Ammoniumheptamolybdat-Tetrahydrat, Tellursäure, Vanadylsulfat und Niob(V)-Ammonium-Oxalat-Hydrat bei bevorzugt 80°C under Rühren gemischt, wobei die resulierende Suspension bei erhöhter Temperatur, vorzugsweise bei Temperaturen im Bereich von 175°C bis 185°C, und einer Synthesedauer im Bereich von bevorzugt 24 Stunden bis 120 Stunden gerührt wird.In the said hydrothermal synthesis, an aqueous solution of ammonium heptamolybdate tetrahydrate, telluric acid, vanadyl sulfate and niobium (V) ammonium oxalate hydrate is preferably mixed with stirring at 80 ° C., the resulting suspension being stirred at elevated temperature, preferably at temperatures within the range from 175 ° C to 185 ° C, and a synthesis time in the range of preferably 24 hours to 120 hours is stirred.
Durch das Calcinieren werden insbesondere die flüchtigen Bestandteile der Präkursor-Mischung entfernt und insbesondere die Metallelemente des Katalysators in ihre jeweiligen Oxide umgewandelt.In particular, the calcination removes the volatile constituents of the precursor mixture and in particular converts the metal elements of the catalyst into their respective oxides.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem bereitgestellten, der Nachbehandlung zu unterziehenden Katalysator um einen Metalloxid-Katalysator aufweisend die Elemente Mo, V, Te, Nb.According to a preferred embodiment, the catalyst to be subjected to the post-treatment is a metal oxide catalyst comprising the elements Mo, V, Te, Nb.
Bevorzugt handelt es sich bei dem bereitgesellten, der Nachbehandlung zu unterziehenden Katalysator um einen Katalysator der Klasse MoVaTebNbcOx, wobei a bevorzugt im Bereich von 0,05 bis 0,4 liegt, und wobei b bevorzugt im Bereich von 0,02 bis 0,2 liegt, und wobei c bevorzugt im Bereich von 0,05 bis 0,3 liegt.Preferably it is in the ready joined, the post-treatment to be subjected to catalyst is a catalyst of the class MoV a Te b Nb c O x, where a is preferably in the range of 0.05 to 0.4, and wherein b is preferably in the range of 0 , 02 to 0.2, and wherein c is preferably in the range of 0.05 to 0.3.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegt a bevorzugt im Bereich von 0,12 bis 0,25, wobei b bevorzugt im Bereich von 0,04 bis 0,1 liegt, und wobei c bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 0,18 liegt.In a further embodiment, a is preferably in the range of 0.12 to 0.25, wherein b is preferably in the range of 0.04 to 0.1, and wherein c is preferably in the range of 0.1 to 0.18.
In der oben angegenen Formel MoVaTebNbcOx ist x ist die molare Zahl des Sauerstoffs, der an die Metallatome des Katalysators bindet, welche aus der relativen Menge und Valenz der Metallelemente folgt. Dies kann auch durch die Formel MosVa pTeb qNbc rOx ausgedrückt werden, wobei s, p, q, r die Oxidationsstufen von Mo, V, Te bzw. Mb sind, und wobei gilt 2·x = s + p·a + b·q + c·r. Mo kann sowohl in der Oxidationsstufe +5 als auch in der Oxidationsstufe +6 vorliegen. V kann in der Oxidationsstufe +4 und +5 vorliegen, in Abhängigkeit von der Position im Kristall. Niob liegt in der Oxidationsstufe +5 vor. Tellur liegt in der Oxidationsstufe +4 vor.In the above formula MoV a Te b Nb c O x , x is the molar number of oxygen that binds to the metal atoms of the catalyst, which follows from the relative amount and valency of the metal elements. This can also be expressed by the formula Mo s V a p Te b q Nb c r O x , where s, p, q, r are the oxidation states of Mo, V, Te and Mb, respectively, and 2 x = x s + p · a + b · q + c · r. Mo can be present in the oxidation state +5 as well as in the
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist weiterhin vorgesehen, dass der Katalysator bei der Nachbehandlung für eine Zeitspanne von zumindest einer Stunde, insbesondere für eine Zeitspanne im Bereich von einer Stunde bis einer Woche, insbesondere für eine Zeitspanne im Bereich von einer Stunde bis 24 Stunden insbesondere für eine Zeitspanne im Bereich von einer Stunde bis 12 Stunden, insbesondere für eine Zeitspanne im Bereich von einer Stunde bis 11 Stunden, insbesondere für eine Zeitspanne im Bereich von einer Stunde bis 10 Stunden, insbesondere für eine Zeitspanne im Bereich von einer Stunde bis 9 Stunden, insbesondere für eine Zeitspanne im Bereich von einer Stunde bis 8 Stunden, insbesondere für eine Zeitspanne im Bereich von einer Stunde bis 7 Stunden, insbesondere für eine Zeitspanne im Bereich von einer Stunde bis 6 Stunden, insbesondere für eine Zeitspanne im Bereich von einer Stunde bis 5 Stunden, insbesondere für eine Zeitspanne im Bereich von einer Stunde bis 4 Stunden, insbesondere für eine Zeitspanne im Bereich von einer Stunde bis 3 Stunden, insbesondere für eine Zeitspanne im Bereich von einer Stunde bis 2 Stunden, mit Wasserdampf in Kontakt gebracht wird.According to a preferred embodiment, it is further provided that the catalyst in the after-treatment for a period of at least one hour, in particular for a period of time in the range of one hour to one week, in particular for a period in the range of one hour to 24 hours, especially for a Time range in the range of one hour to 12 hours, in particular for a period in the range of one hour to 11 hours, in particular for a period in the range of one hour to 10 hours, in particular for a period in the range of one hour to 9 hours, in particular for a period in the range of one hour to 8 hours, in particular for a period in the range of one hour to 7 hours, in particular for a period of time Range of one hour to 6 hours, in particular for a period in the range of one hour to 5 hours, in particular for a period in the range of one hour to 4 hours, in particular for a period in the range of one hour to 3 hours, in particular for a Time span in the range of one hour to two hours, is brought into contact with water vapor.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Katalysator bei der Nachbehandlung für eine Zeitspanne von zumindest einer Stunde, insbesondere für eine Zeitspanne im Bereich von einer bis fünf Stunden, insbesondere für eine Zeitspanne um Bereich von einer bis 4 Stunden, insbesondere für eine Zeitspanne um Bereich von einer bis 3 Stunden, insbesondere für eine Zeitspanne um Bereich von einer bis 3 Stunden, insbesondere für eine Zeitspanne um Bereich von einer bis 2 Stunden mit Sauerstoff in Kontakt gebracht wird.According to a preferred embodiment it is provided that the catalyst in the after-treatment for a period of at least one hour, in particular for a period in the range of one to five hours, in particular for a period of time of one to 4 hours, in particular for a period of time Range of one to three hours, especially for a period of time of one to three hours, especially for a period of time in the range of one to two hours is brought into contact with oxygen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist weiterhin vorgesehen, dass der Katalysator bei der Nachbehandlung mit einer Mischung aufweisend Wasserdampf und Sauerstoff in Kontakt gebracht wird, wobei hierbei bevorzugt die Temperatur von Wasserdampf und Sauerstoff, die Zeitspanne des Kontakts mit der Mischung sowie der herrschende Druck in der jeweiligen Schnittmenge der Bereiche für Wasserdampf und Sauerstoff bei separater Kontaktierung liegen.According to a preferred embodiment, it is further provided that the catalyst is brought into contact during the aftertreatment with a mixture comprising water vapor and oxygen, wherein in this case preferably the temperature of water vapor and oxygen, the period of contact with the mixture and the prevailing pressure in the respective Intersection of the areas for water vapor and oxygen with separate contacting are.
Alternativ wird bevorzugt der Katalysator bei der Nachbehandlung in einer beliebigen Abfolge, insbesondere abwechselnd, entweder mit Wasserdampf oder mit Sauerstoff in Kontakt gebracht, insbesondere jeweils bei den oben genannten Bedingungen hinsichtlich Temperatur, Druck und Zeitspanne, wobei auch hier Sequenzen vorliegen können, in denen der Katalysator mit der oben genannten Mischung aus Wasserdampf und Sauerstoff beaufschlagt wird.Alternatively, the catalyst is preferably brought into contact with the after-treatment in any sequence, in particular alternately, either with water vapor or with oxygen, in particular in the above-mentioned conditions in terms of temperature, pressure and time span, where also sequences can be present in which Catalyst with the above mixture of water vapor and oxygen is applied.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Katalysator bei der Nachbehandlung mit dem Sauerstoff in Kontakt gebracht, indem dem Katalysator Sauerstoff in Form von reinem Sauerstoff (wobei die Konzentration von Sauerstoff vorzugsweise zumindest 90 Vol.-%, zumindest 95 Vol.-%, zumindest 98 Vol.-% oder zumindest 99 Vol.-% beträgt), in Form von Luft, insbesondere sauerstoffangereicherte oder -abgereicherte Luft, oder in Form eines Gemisches aufweisend Sauerstoff sowie mindestens ein weiteren Gas, insbesondere aus der Gruppe Dampf, He, Ar und N2, zugeführt wird, wobei Sauerstoff in dem Gemisch vorzugsweise mit einer Konzentration größer oder gleich 10 Vol.-%, insbesondere größer oder gleich 20 Vol.-%, insbesondere größer oder gleich 30 Vol.-%, insbesondere größer oder gleich 30 Vol.-%, insbesondere größer oder gleich 40 Vol.-%, insbesondere größer oder gleich 50 Vol.-%, insbesondere größer oder gleich 60 Vol.-%, insbesondere größer oder gleich 70 Vol.-%, insbesondere größer oder gleich 80 Vol.-%, insbesondere größer oder gleich 90 Vol.-%, insbesondere größer oder gleich 95 Vol.-%, insbesondere größer oder gleich 98 Vol.-%, insbesondere größer oder gleich 99 Vol.-% vorliegt.According to a preferred embodiment, the catalyst is brought into contact with the oxygen in the after-treatment, by oxygen in the form of pure oxygen (the concentration of oxygen preferably at least 90 vol .-%, at least 95 vol .-%, at least 98 vol % or at least 99% by volume), in the form of air, in particular oxygen-enriched or depleted air, or in the form of a mixture comprising oxygen and at least one further gas, in particular from the group steam, He, Ar and N 2 , wherein oxygen in the mixture preferably with a concentration greater than or equal to 10 vol .-%, in particular greater than or equal to 20 vol .-%, in particular greater than or equal to 30 vol .-%, in particular greater than or equal to 30 vol. %, in particular greater than or equal to 40% by volume, in particular greater than or equal to 50% by volume, in particular greater than or equal to 60% by volume, in particular greater than or equal to 70% by volume, in particular Other greater than or equal to 80 vol .-%, in particular greater than or equal to 90 vol .-%, in particular greater than or equal to 95 vol .-%, in particular greater than or equal to 98 vol .-%, in particular greater than or equal to 99 vol .-% is present ,
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der für die Nachbehandlung des Katalysators benötigte Sauerstoff mittels einer bekannten Druckwechseladsorption bereitgestellt.According to a further preferred embodiment, the oxygen required for the aftertreatment of the catalyst is provided by means of a known pressure swing adsorption.
Weiterhin wird das erfindungsgemäße Problem durch einen Katalysator mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst, der durch das erfindungsgemäße Herstellungs- bzw. Nachbehandlungsverfahren hergestellt wurde.Furthermore, the problem according to the invention is solved by a catalyst having the features of
Weiterhin wird das erfindungsgemäße Problem durch ein Verfahren zur oxidativen Dehydrierung mit dem Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.Furthermore, the problem of the invention by a method for oxidative dehydrogenation with the features of
Danach ist vorgesehen, dass das ODH-Verfahren die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens umfasst, wobei ein Einsatzstoffstrom enthaltend ein Alkan (vorzugsweise mit zwei bis vier Kohlenstoffatomen), insbesondere Ethan, in einer Reaktoreinrichtung dem nachbehandelten Katalysator zugeführt wird, wobei durch oxidatives Dehydrieren des Alkans mit Sauerstoff in Gegenwart des nachbehandelten Katalysators ein alkenhaltiger Produktstoffstrom erzeugt wird.Thereafter, it is envisaged that the ODH process comprises the process steps of the production process according to the invention, wherein a feed stream containing an alkane (preferably having two to four carbon atoms), in particular ethane, is fed in a reactor means the aftertreated catalyst, wherein by oxidative dehydrogenation of the alkane with Oxygen in the presence of the aftertreated catalyst an alkene-containing product stream is generated.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Katalysator außerhalb der Reaktoreinrichtung der Nachbehandlung unterzogen wird, z. B. an einem von der Reaktoreinrichtung entfernten Ort, und sodann in in nachbehandelter Form, d. h., nach der Nachbehandlung, zur Reaktoreinrichung transportiert wird und dort in der Reaktoreinrichtung bestimmungsgemäß angeordnet wird. Hiernach kann der nachbehandelte Katalysator in der Reaktoreinrichtung für die ODH verwendet werden.According to a preferred embodiment it is provided that the catalyst outside the reactor device is subjected to the aftertreatment, z. Example, at a location remote from the reactor device location, and then transported in after-treated form, ie, after the aftertreatment, to Reaktoreinrichung is and is arranged as intended in the reactor device. After this, the aftertreated catalyst can be used in the reactor equipment for the ODH.
Gemäß einer bevorzugten alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der (ggf. calcinierte) Katalysator vor der Nachbehandlung bestimmungsgemäß in der Reaktoreinrichtung angeordnet wird, und dann in der Reaktoreinrichtung der Nachbehandlung unterzogen wird und nach erfolgter Nachbehandlung in der gleichen Reaktoreinrichtung für die ODH verwendet wird. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass die ggf. bereits vorhandenen technischen Einrichtungen, wie z. B. eine Wasserdampf- oder Sauerstoffeinspeisung in die Reaktoreinrichtung bereits vorhanden sind und daher für die Nachbehandlung genutzt werden können.According to a preferred alternative embodiment, it is provided that the (possibly calcined) catalyst is disposed in the reactor device according to the intended purpose before the aftertreatment, and then subjected to aftertreatment in the reactor device and used after the aftertreatment in the same reactor device for the ODH. This has the particular advantage that any existing technical facilities, such. B. a steam or oxygen feed into the reactor device are already present and can therefore be used for the aftertreatment.
Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, dass mehrere, z. B. parallel geschaltete, Reaktoreinrichtungen verwendet werden. So kann z. B. in einer Reaktoreinrichtung eine ODH durchgeführt werden, während in einer anderen Reatoreinrichtung der Katalysator gerade ausgetauscht wird oder ein Katalysator erfindungsgemäß nachbehandelt wird oder ein Katalysator mit einer geeigneten Prozedur regeneriert wird. Hierdurch kann z. B. sichergestellt werden, dass eine ODH kontinuierlich durchgeführt werden kann. So kann z. B. von einer Reaktoreinrichtung mit auswechslungsbedürftigem Katalysator auf eine Reaktoreinrichtung mit frischem, nachbehandeltem Katalysator umgeschaltet werden. In der aus dem Prozess genommenen Katalysatoreinrichtung kann dann ein neuer Katalysator eingefüllt werden und dort ggf. nachbehandelt werden während die ODH in der anderen Reaktoreinrichtung weiterläuft.In principle, there is the possibility that several, z. B. parallel connected, reactor devices can be used. So z. B. in a reactor device an ODH be performed while in another reactor means the catalyst is being replaced or a catalyst is post-treated according to the invention or a catalyst is regenerated with a suitable procedure. As a result, z. B. be ensured that an ODH can be carried out continuously. So z. B. be switched from a reactor device with catalyst in need of replacement to a reactor device with fresh, post-treated catalyst. In the taken out of the process catalyst device then a new catalyst can be filled and there optionally aftertreated while the ODH continues in the other reactor device.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Verdünnungsmittel in die Reaktoreinrichtung eingeleitet wird, das inert ist oder zumindest eine inerte Komponente aufweist, insbesondere um die Wärmetönung bei der oxidativen Dehydrierung des Alkans zu kontrollieren, insbesondere um eine Explosion bei der oxidativen Dehydrierung des Alkans zu verhindern.According to a further preferred embodiment it is provided that a diluent is introduced into the reactor device which is inert or has at least one inert component, in particular to control the heat of reaction in the oxidative dehydrogenation of the alkane, in particular an explosion in the oxidative dehydrogenation of the alkane to prevent.
Bevorzugt wird als Verdünnungsmittel einer der folgenden Stoffe oder eine Kombination mehrerer der folgenden Stoffe verwendet: Wasserdampf, Stickstoff und/oder Luft.The diluent used is preferably one of the following substances or a combination of several of the following: water vapor, nitrogen and / or air.
Weiterhin kann zur Beherrschung der Wärmetönung bei der ODH auch der Katalysator selbst mit einem inerten Material verdünnt werden bzw. sein. Hierbei kann der Katalysator vor der erfindungsgemäßen Nachbehandlung mit dem inerten Material verdünnt werden oder nach der erfindungsgemäßen Nachbehandlung. Bei dem inerten Material kann es sich vorzugsweise um einen der folgenden Stoffe oder eine beliebige Kombination der folgenden Stoff handeln: Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Siliciumcarbid, Quartz oder Keramik.Furthermore, to control the heat of reaction in the ODH, the catalyst itself may be diluted with an inert material. In this case, the catalyst can be diluted before the aftertreatment according to the invention with the inert material or after the aftertreatment according to the invention. The inert material may preferably be one of the following or any combination of the following: alumina, silica, silicon carbide, quartz or ceramics.
Der (insbesondere nachbehandelte) Katalysator kann z. B. in der Reaktoreinrichtung in Form zumindest eines Festbetts vorliegen, das aus zumindest einer Mehrzahl an jenen Katalysator aufweisenden ersten Partikeln gebildet ist, wobei insbesondere jene ersten Partikel auch das inerte Material aufweisen und/oder wobei das Festbett zum Verdünnen des Katalysators eine Mehrzahl an mit den ersten Partikeln vermischte zweite Partikel aufweist, die aus dem inerten Material gebildet sind.The (in particular post-treated) catalyst may, for. B. in the reactor device in the form of at least one fixed bed, which is formed from at least a plurality of those catalyst having first particles, in particular those first particles also have the inert material and / or wherein the fixed bed for diluting the catalyst with a plurality of the first particles mixed second particles, which are formed from the inert material.
Weiterhin wird in die Reaktoreinrichtung bevorzugt Sauerstoff oder Luft zur Bereitstellung von Sauerstoff als Oxidationsmittel eingeleitet. Hierbei kann Stickstoff in der Luft angereichert oder abgereichtert sein, weiterhin kann Sauerstoff in der Luft angereichert oder abgereichert sein.Furthermore, oxygen or air is preferably introduced into the reactor device to provide oxygen as the oxidant. In this case, nitrogen can be enriched or discharged in the air, furthermore, oxygen can be enriched or depleted in the air.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen durch die nachfolgenden Figurenbeschreibungen von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren erläutert werden.Further details and advantages of the invention will be explained by the following description of exemplary embodiments with reference to the figures.
Es zeigen:Show it:
Zur erfindungsgemäßen Nachbehandlung kommt gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bevorzugt ein Katalysator K der Zusammensetzung
- – MoV0,08-0,4Te0,02-0,2Nb0,08-0,30Ox,
- – insbesondere MoV0,12-0,25Te0,0a-0,10Nb0,10-0,18Ox,
- MoV 0.08-0.4 Te 0.02-0.2 Nb 0.08-0.30 O x ,
- In particular MoV 0.12-0.25 Te 0.0a-0.10 Nb 0.10-0.18 O x ,
Für die praktische Ausführung kommt es dann auf eine Maximierung von Aktivität und Selektivität an.For practical implementation, it then depends on maximizing activity and selectivity.
Im Falle des bevorzugen, oben angegeben Katalysators K wird diese Maximierung unter anderem durch den Anteil der M1-Phase begünstigt. Der Anteil dieser M1-Phase ist entscheidend für die selektive Oxidation von Kohlenwasserstoffen und ein möglichst hohes Verhältnis M1:M2 ist anzustreben.In the case of the preferred catalyst K mentioned above, this maximization is promoted inter alia by the proportion of the M1 phase. The proportion of this M1 phase is crucial for the selective oxidation of hydrocarbons and the highest possible ratio M1: M2 is to be strived for.
Hierzu kann der Katalysator K zunächst durch eine geeignete Synthese hergestellt werden. Im Falle der vorliegenden Erfindung kann z. B. die Hydrothermalsynthese verwendet werden (vergleiche Beispiel 1).For this purpose, the catalyst K can first be prepared by a suitable synthesis. In the case of the present invention, for. B. the hydrothermal synthesis can be used (see Example 1).
Überraschenderweise wurde festgesellt, dass durch die erfindungsgemäßen Behandlungsschritte der Anteil an der M1-Phase weiter gesteigert werden konnte, wobei M1-Anteile von über 90 Gew.-% erreicht wurden.Surprisingly, it was found that the proportion of the M1 phase could be further increased by the treatment steps according to the invention, whereby M1 contents of more than 90% by weight were achieved.
Wie in
Es hat sich gezeigt, dass für die oben angegebenen Katalysatoren die M1-Konzentration gesteigert werden kann, wenn der Katalysator z. B. gemäß den Beispielen 2 und 3 mit Wasserdampf (so genanntes ”Steaming”) als auch mit Sauerstoff oder Luft gemäß den Beispielen 4 und 5 behandelt wird.It has been found that for the above catalysts, the M1 concentration can be increased when the catalyst z. B. according to Examples 2 and 3 with steam (so-called "steaming") as well as with oxygen or air according to Examples 4 and 5 is treated.
Die verwendete Luft kann hierbei auch synthetisch hergestellt sein oder sauerstoff- oder stickstoffangereichert sein. Zur Bereitstellung kommt dabei insbesondere die Verwendung von Druckwechseladsorptions-Verfahren in Betracht oder der Rückgriff auf eine vorhandene Luftzerlegungsanlage, sofern entsprechende Infrastruktur vorhanden ist. Ferner kann auch ein solcher Behandlungsschritt durch die Einspeisung eines weiteren Inert- oder Verdünnungsmediums erfolgen oder auch eine Mischung kann Verwendung finden (z. B. Mischung aus Wasserdampf und (z. B. synthetischer) Luft oder Sauerstoff). The air used here may also be synthetically produced or be enriched in oxygen or nitrogen. In particular, the use of pressure swing adsorption process or the recourse to an existing air separation plant, if appropriate infrastructure is available, comes into consideration. Furthermore, such a treatment step can also take place by feeding in a further inert or dilution medium or a mixture can also be used (for example a mixture of steam and (for example synthetic) air or oxygen).
Weiterhin hat sich gezeigt, dass der V-Anteil auf der Oberfläche des Katalysators eine relevante Größe darstellt. Diesbezüglich wurde festgestellt, dass – abgesehen vom Anteil der kristallinen M1-Phase, die Menge des Vanadiums an der Oberfläche, die mittels LEIS-Spektroskopie (hierbei handelt es sich um das so genannte Low-energy ion scattering, ein spektroskopisches Verfahren, das die chemische Zusammensetzung der äußersten Schicht eines Festkörpers bestimmen kann) gemessen wurde, sowohl mit der Ethen-Ausbeute als auch mit dem M1-Anteil korreliert, wie in
Beispiel 1example 1
Zur Durchführung der erfindungsgemäßen Nachbehandlung wurden mehrere MoVyTe0.1Nb0.1Ox-Katalysatoren mit y aus dem Bereich 0,25 bis 0,45 durch eine hydrothermale Synthese hergestellt. Für die Herstellung von 10 g of MoVyTe0.1Nb0.1Ox-Katalysator, wurde eine entsprechende Menge an Ammoniumheptamolybdat (NH4)6Mo7O24·4H2O in 40 mL doppelt destilliertem Wasser gelöst und auf 80°C erhitzt. Te, V und Nb Präkursoren – Tellursäure Te(OH)6, Vanadylsulfat VOSO4 und Ammoniumnioboxalat C4H4NNbO9·xH2O – wurden jeweils in 10 mL doppelt destilliertem H2O gelöst. Zunächst wurde die Te-Lösung bei 80°C dem Mo hinzugefügt. Nach 20 Minuten Umrühren wurde die V-Lösung über 20 Minuten tropfenweise hinzugefügt. Nach 15 Minuten Umrühren der Mo-V-Te-Lösung wurde die Nb-Lösung hinzugefügt und die Vier-Elementen-Mischung für weitere 10 Minuten umgerührt. Die Synthesetemperatur wurde während der gesamten Mischprozedur der Reaktanden oberhalb von 80°C gehalten. Die Lösung wurde sodann in einen Autoklav gegeben und mit doppelt destilliertem Wasser auf ein Volumen von 280 mL aufgefüllt.To carry out the aftertreatment according to the invention, several MoV y Te 0.1 Nb 0.1 O x catalysts with y from the range 0.25 to 0.45 were prepared by a hydrothermal synthesis. For the preparation of 10 g of MoV y Te 0.1 Nb 0.1 O x catalyst, an appropriate amount of ammonium heptamolybdate (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 .4H 2 O was dissolved in 40 mL double-distilled water and heated to 80 ° C , Te, V and Nb precursors - telluric acid Te (OH) 6 , vanadyl sulfate VOSO 4 and ammonium niobium oxalate C 4 H 4 NNbO 9 · xH 2 O - were each dissolved in 10 mL of double distilled H 2 O. First, the Te solution was added to the Mo at 80 ° C. After stirring for 20 minutes, the V solution was added dropwise over 20 minutes. After stirring the Mo-V-Te solution for 15 minutes, the Nb solution was added and the four-element mixture was stirred for an additional 10 minutes. The synthesis temperature was maintained above 80 ° C throughout the mixing procedure of the reactants. The solution was then placed in an autoclave and made up to a volume of 280 mL with double distilled water.
Das restliche Gasvolumen wurde vor der Synthese mit N2 gespült. Die hydrothermale Behandlung wurde bei Temperaturen im Bereich von 175°C bis 185°C durchgeführt und die Synthesedauer betrug 24 bis 120 Stunden. Danach wurde der Katalysator filtriert, mit doppelt destilliertem Wasser gewaschen und über Nacht bei 80°C getrocknet. Die Calcinierung wurde in zwei Schritten durchgeführt: 2 Stunden bei 250°C in synthetischer Luft gefolgt von einer thermalen Behandlung bei 600°C (Heizrate 10°C/min) für weitere 2 Stunden bei einem Strom eines inerten Gases (z. B. N2, Ar or He) von 100 ml/min.The remaining volume of gas was purged with N 2 prior to synthesis. The hydrothermal treatment was carried out at temperatures in the range of 175 ° C to 185 ° C and the synthesis time was 24 to 120 hours. Thereafter, the catalyst was filtered, washed with double-distilled water and dried at 80 ° C overnight. The calcination was carried out in two steps: 2 hours at 250 ° C in synthetic air followed by a thermal treatment at 600 ° C (
Beispiel 2Example 2
Es wurde festgestellt, dass das Beaufschlagen der Katalysatoren K mit Wasserdampf bei Temperaturen zwischen 400°C und 500°C und einem Druck von 1 bar während einer Zeitspanne von 1 Stunde bis 24 Stunden (1 Woche bei 400°C ergab ähnliche Ergebnisse) die katalytische Leistung in Bezug auf die Aktivität erhöht. Durch Analyse der Katalysatoren mittels XRD vor und nach der Dampfbehandlung konnte festgestellt werden, dass diese Steigerung durch einen erhöhten Anteil der M1-Phase bedingt ist (XRD steht für X-ray diffraction, wobei die durch diese Technik erhaltenen Diffraktogramme einer Rietveld-Gitter-Verfeinerung unterzogen wurden, um den Anteil der unterschiedlichen kristallinen Phasen in Gew.-% zu berechnen. Der amorphe Beitrag wurde ebenfalls quantifiziert, und zwar durch Kalibirierung anhand eines amorphen und eines hochkristallinen Standards).It was found that the application of the catalysts K with steam at temperatures between 400 ° C and 500 ° C and a pressure of 1 bar for a period of 1 hour to 24 hours (1 week at 400 ° C gave similar results) the catalytic Performance in terms of activity increased. Analysis of the catalysts by XRD before and after the steam treatment has shown that this increase is due to an increased proportion of the M1 phase (XRD stands for X-ray diffraction, the diffraction patterns obtained by this technique being a Rietveld lattice refinement The amorphous contribution was also quantified by calibration using an amorphous and a highly crystalline standard).
So wurde z. B. eine Probe mit nomineller Formel MoV0.25Te0.1Nb0.1Ox (chemische Zusammensetzung durch ICP-OES bestimmt: MoV0.13Te0.06Nb0.10Ox, wobei es sich bei ICP-OES um die so genannte Inductive Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry handelt) mit Wasserdampf bei 500°C bei 1 bar für 2 Stunden kontaktiert. Hierbei wurde eine Steigerung des M1-Gehaltes um ca. 5 Gew.-% (von 45 Gew.-% auf 51 Gew.-%) beobachtet. Im Einklang mit diesem Zuwachs der aktiven M1-Phase wurde gemäß Tabelle 1 ein Zuwachs der Ethen-Ausbeute im Aktivitätstest beobachtet (Temperatur im Bereich von 370°C bis 430°C, 300 mg Katalysator, Gesamtstrom im Bereich von 33 bis 74 mL/ min, Gaszusammensetzung: molares Verhältnis von C2H6:O2:He = 1:1:9): Tabelle 1
Beispiel 3Example 3
Weiterhin wurde. eine Probe mit nomineller Formel MoV0.40Te0.10Nb0.10Ox (chemische Zusammensetzung durch ICP-OES bestimmt: MoV0.20Te0.05Nb0.10Ox) mit Wasserdampf bei 400°C und 1 bar für 2 Stunden kontaktiert. Hierbei wurde eine Steigerung des M1-Gehaltes gemäß Tabelle 2 um ca 5 Gew.-% (von 84 Gew.-% auf 89 Gew.-%) beobachtet Tabelle 2
Beispiel 4Example 4
Die Nachbehandlung der MoVTeNbOx-Katalysatoren für 1 bis 2 Stunden bei 400°C und einem Druck von 1 bar unter einem Strom mit 10 Vol.-% 02 und 90 Vol.-% He oder einem synthetischen Luftstrom erhöhten ebenfalls die Ethanumsetzung. Dieser Zuwachs konnte wiederum einem Anstieg der M1-Konzentration zugeordnet werden, und zwar wie zuvor durch weitere Kristallisation der amorphen Komponente und durch Umsetzung der M2-Phase in die M1-Phase.The post-treatment of the MoVTeNbOx catalysts for 1 to 2 hours at 400 ° C and a pressure of 1 bar under a flow of 10 vol .-% 02 and 90 vol .-% He or a synthetic air flow also increased the ethane reaction. This increase could again be attributed to an increase in the M1 concentration, as before by further crystallization of the amorphous component and by conversion of the M2 phase into the M1 phase.
So wurde z. B. eine Probe mit nomineller Formel MoV0.45Te0.1Nb0.1Ox (chemische Zusammensetzung durch ICP-OES bestimmt: MoV0.25Te0.07Nb0.10Ox) 2 Stunden bei 400°C und einem Druck von 1 bar mit O2 kontaktiert (synthetische Luft mit 21 Vol.-% O2). Hierbei wurde beobachtet, das der M1-Gehalt um 5 Gew.-% durch die Nachbehandlung gestiegen ist (von 20 Gew.-% auf 25 Gew.-%).So z. B. a sample with nominal formula MoV 0.45 Te 0.1 Nb 0.1 O x (chemical composition determined by ICP-OES: MoV 0.25 Te 0.07 Nb 0.10 O x ) 2 hours at 400 ° C and a pressure of 1 bar with O 2 contacted ( synthetic air with 21 vol.% O 2 ). It was observed that the M1 content increased by 5% by weight through the post-treatment (from 20% by weight to 25% by weight).
Der frische Katalysator K enthielt etwa 3,5 Gew.-% M2-Phase, jedoch nur 0,05 Gew.-% M2-Phase nach der Nachbehandlung mit O2. Durch in-situ XRD wurde beobachtet, dass die Nachbehandlung mit O2 eine Rekristallisation der inaktiven M2-Phase in die aktive M1-Phase (vgl.
Als Folge der höheren M1-Konzentration des nachbehandelten Katalysators K' konnte eine Erhöhung der Ethen-Ausbeute in den Aktivitätstests (Temperatur 370°C bis 430°C, 300 mg bis 315 mg Katalysator, Strom 33 mL/min bis 74 mL/min) festgestellt werden. Diese Ergebnisse sind in der Tabelle 3 zusammengefasst: Tabelle 3
Beispiel 5Example 5
Weiterhin wurde eine Probe mit nomineller Formel MoV0.40Te0.1Nb0.1Ox (chemische Zusammensetzung durch ICP-OES bestimmt: MoV0.27Te0.09Nb0.10Ox) 2 Stunden bei 400°C und einem Druck von 1 bar mit O2 kontaktiert. Hierbei wurde gemäß Tabelle 4 beobachtet, dass der M1-Gehalt um 1 Gew.-% durch die Nachbehandlung gestiegen ist (von 49 Gew.-% auf 50 Gew.-%). Tabelle 4
Danach werden als Einsatzgase (Einsatzstoffstrom E) ein Alkan, vorliegend Ethan, sowie Sauerstoff und/oder Luft als Oxidationsmittel
Hierbei kann der Katalysator K' in bereits nachbehandelter Form in die Reakoreinrichtung
In Gegenwart des Katalysators K' wird das Ethan oxidativ unter Entstehung eines ethylenhaltigen Produktstoffstromes P dehydriert (anstelle von Ethan kommen als Einsatz insbesondere auch Propan und/oder Butan in Frage). Hierbei handelt es sich um einen stark exothermen Vorgang. Insbesondere bei der Bildung von Nebenprodukten durch Überoxidation zu CO und CO2 wird überproportional viel Wärme frei. Zur kontrollierten Reaktion außerhalb von Explosionsbereichen wird daher ein inertes Verdünnungsmittel V in die Reaktoreinrichtung
Der ethylenhaltige Stoffstrom P wird aus der Reaktoreinrichtung
In einer CO2-Entfernungseinheit
Nach der CO2-Entfernungseinheit
Die Reaktoreinrichtung
Als Prozessdaten für die Reaktoreinrichtung
- – Druck in
der Reaktoreinrichtung 1 0,5 bar bis 35 bar, bevorzugt 1 bar bis 15 bar, besonders bevorzugt 2von bar bis 10 bar. - – Temperatur in
der Reaktoreinrichtung 1 zwischen 250°C bis 650°C, bevorzugt 280°C bis 550°C, besonders bevorzugt 350°C bis 480°C. - – Feedzusammensetzungen (Einsatzstrom E): bevorzugt 5 Vol.-
% bis 60 Vol.-% Ethan, 1 Vol.-% bis 40 Vol.-% O2, 0 Vol.-% bis 70 Vol.-% H2O, Rest N2, bevorzugt 10 Vol.-% bis 55 Vol.-% Ethan, 5 Vol.-% bis 35 Vol.-% O2, 0 Vol.-% bis 60 Vol.-% H2O, Rest N2, besonders bevorzugt 30 Vol.-% bis 50 Vol.-% Ethan, 10 Vol.-% bis 30 Vol.-% O2, 0 Vol.-% bis 50 Vol.-% H2O, Rest N2. - – Die WHSV (weight hourly space velocity) liegt vorzugsweise im Bereich von 1.0
kg bis 40 kg C2H6/h/kgKat, bevorzugtim Bereich von 2 kg bis 25 kg C2H6/h/kgKat, besonders bevorzugtim Bereich von 5kg bis 20 kg C2H6/h/kgKat.
- - Pressure in the
reactor device 1 from 0.5 bar to 35 bar, preferably 1 bar to 15 bar, more preferably 2 bar to 10 bar. - - Temperature in the
reactor device 1 between 250 ° C to 650 ° C, preferably 280 ° C to 550 ° C, more preferably 350 ° C to 480 ° C. - Feed compositions (feed stream E): preferably 5% by volume to 60% by volume of ethane, 1% by volume to 40% by volume of O 2 , 0% by volume to 70% by volume of H 2 O, balance N 2, preferably 10 vol .-% to 55 vol .-% ethane, 5 vol .-% to 35 vol .-% O2, 0 vol .-% to 60 vol .-% H 2 O, remainder N 2, more preferably 30% by volume to 50% by volume of ethane, 10% by volume to 30% by volume of O 2 , 0% by volume to 50% by volume of H 2 O, balance N 2 .
- The WHSV (weight hourly space velocity) is preferably in the range of 1.0 kg to 40 kg C 2 H 6 / h / kg cat, preferably in the range of 2 kg to 25 kg C 2 H 6 / h / kg cat, particularly preferably in the range from 5 kg to 20 kg C 2 H 6 / h / kg cat.
Als Prozessdaten für die Reaktoreinrichtung
- – Druck in
der Reaktoreinrichtung 1 0,5 bar bis 35 bar, bevorzugt 1 bar bis 15 bar, besonders bevorzugt 2von bar 10 bar. - – Temperatur in
der Reaktoreinrichtung 1 zwischen 250°C bis 650°C, bevorzugt 280°C bis 550°C, besonders bevorzugt 350°C bis 480°C. - – Feedzusammensetzungen (Einsatzstrom E): bevorzugt 1 Vol.-
% bis 20 Vol.-% Ethan, 1 Vol.-% bis 15 Vol.-% O2, 10 Vol.-% bis 95 Vol.-% H2O, Rest N2,bevorzugt 1 Vol.-% bis 15 Vol.-% Ethan, 1 Vol.-% bis 10 Vol.-% O2, 20 Vol.-% bis 90 Vol.-% H2O, Rest N2, besonders bevorzugt 2 Vol.-% bis 8 Vol.-% Ethan, 1 Vol.-% bis 5 Vol.-% O2, 25 Vol.-% bis 80 Vol.-% H2O, Rest N2, - – die WHSV liegt bevorzugt im Bereich von 2.0
kg bis 50 kg C2H6/h/kgKat, bevorzugtim Bereich von 5kg bis 30 kg C2H6/h/kgKat, besonders bevorzugtim Bereich von 10 kg bis 25 kg C2H6/h/kgKat. - – Der Anteil des Intermaterials an dem Festbett bzw. Katalysator K, K' beträgt vorzugsweise 30 Vol.-
% bis 90 Vol.-%,bevorzugt 50 Vol.-% bis 85 Vol.-%, besonders bevorzugt 60 Vol.-% bis 80 Vol.-%. Ein folgendes optionales zweites oder weiteres Festbett kann ohne Intertmaterial ausgeführt sein.
- - Pressure in the
reactor device 1 from 0.5 bar to 35 bar, preferably 1 bar to 15 bar, more preferably 2bar 10 bar. - - Temperature in the
reactor device 1 between 250 ° C to 650 ° C, preferably 280 ° C to 550 ° C, more preferably 350 ° C to 480 ° C. - Feed compositions (feed stream E): preferably 1% by volume to 20% by volume of ethane, 1% by volume to 15% by volume of O 2 , 10% by volume to 95% by volume of H 2 O, Residual N 2 , preferably 1 vol.% To 15 vol.% Ethane, 1 vol.% To 10 vol.% O 2 , 20 vol.% To 90 vol.% H 2 O, balance N 2 , particularly preferably 2% by volume to 8% by volume of ethane, 1% by volume to 5% by volume of O 2 , 25% by volume to 80% by volume of H 2 O, balance N 2 ,
- - The WHSV is preferably in the range of 2.0 kg to 50 kg C 2 H 6 / h / kgKat, preferably in the range of 5 kg to 30 kg C 2 H 6 / h / kgKat, more preferably in the range of 10 kg to 25 kg C 2 H 6 / h / kg cat.
- The proportion of the intermaterial on the fixed bed or catalyst K, K 'is preferably 30% by volume to 90% by volume, preferably 50% by volume to 85% by volume, particularly preferably 60% by
volume 80% by volume. A following optional second or further fixed bed can be designed without intert material.
Ein weiterer Aspekt ist die Vermeidung explosionsfähiger Atmosphären, um eine Gefährdung von Mensch, Anlage und Umwelt auszuschließen.Another aspect is the avoidance of potentially explosive atmospheres in order to exclude hazards to people, the plant and the environment.
Im Zerlegungsteil
Im Falle des erfindungsgemäßen Katalysators K können solche zusätzlichen Apparate jedoch entfallen, in dem die Reaktoreinrichtung
Dies kann auch genutzt werden, um ein mehrstufiges Reaktordesign zu betreiben, in dem in jeder Stufe nur geringe Mengen O2 zugesetzt werden, so dass auch hier sicherer Betrieb außerhalb der relevanten Explosionsbereiche möglich ist. Dies fördert zudem die selektive Bildung von Ethylen und unterdrückt die Weiteroxidation zu CO und CO2. Ferner kann so die Wärmeentwicklung sicher kontrolliert werden, da nur bei Oxidation, also in Anwesenheit einer entsprechenden Menge O2, Wärme freigesetzt wird. In jeder weiteren Reaktorstufe erfolgt dann erneut Einspeisung einer entsprechenden Menge von O2. Zwischen den Reaktionsstufen kann wahlweise jeweils noch eine Zwischenkühlung erfolgen. Im Grenzfall kann es sich sogar um einen Reaktionsapparat handeln, der entsprechende gestufte O2-Einspeisung aufweist. Eine solche Verfahrensführung ist nur mit einem geeigneten robusten Katalysator K' möglich, wie er durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird.This can also be used to operate a multistage reactor design, only small amounts of O 2 are added in the in each stage, so that safe operation outside the relevant explosion areas is also possible here. This also promotes the selective formation of ethylene and suppresses the further oxidation to CO and CO2. Furthermore, the heat development can be safely controlled, as only in oxidation, ie in the presence of a corresponding amount of O 2 , heat is released. In each further reactor stage is then again feeding a corresponding amount of O 2 . Intermediate cooling can optionally be carried out between the reaction stages. In the limiting case, it may even be a reaction apparatus which has the appropriate staged O 2 feed. Such process operation is possible only with a suitable robust catalyst K 'as provided by the present invention.
Beispiel 6 Example 6
Um die oxidative Dehydrierung (z. B. von Ethan zu Ethen) zu optimieren, ist es wünschenswert, eine sehr geringe Konzentration von O2 am Reaktorausgang zu erzielen. Das bedeutet eine niedrige Konzentration von Sauerstoff im Einsatz E für die Reaktoreinrichtung
Es wurden daher unterschiedliche Sauerstoffkonzentration in die Reaktoreinrichtung
Dies zeigt im Ergebnis die Robustheit eines durch die erfindungsgemäße Nachbehandlung optimierten Katalysators K', der mit Vorteil einen Betrieb unter niedrigen Sauerstoffkonzentrationen am Austritt der Reaktoreinrichtung
Beispiel 7Example 7
Ein Gasstrom von 24,63 NI/h bestehend aus 81,8 Vol.-% N2, 9, 1 Vol.-% 02 und 9,1 Vol.-% Ethan wird durch eine Katalysatorschüttung (Länge 72 mm) bestehend aus 4,0 g eines erfindungsgemäßen MoVaTebNbcOx-Katalysator K', der mit Dampf nachbehandelt wurde, und aus 22,7 g Inertmaterial (Kugeln Glasschrot, Durchmesser ca. 2 mm) geleitet, die sich in einem elektrisch temperierten Rohrreaktor befindet. Der Druck wird bei einer Temperatur von 370°C und 400°C zwischen 1 und 5 bar variiert. Das Produktgas wird mittels eines Wärmetauschers mit Wasserkühlung gekühlt und anschliessend die Zusammensetzung mittels Gaschromatographie analysiert. Dabei ergeben sich die aus der folgenden Tabelle 5 ersichtlichen und rechnerisch ermittelten Umsätze und Selektivitäten. Tabelle 5
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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