DE10302095A1 - Production of propene oxide, used as chemical intermediate, involves passing nitrogen-hydrogen-oxygen-propene mixture over catalyst in ceramic membrane reactor and removing product from permeation side with inert sweep gas - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Propenoxid aus Propen unter Einsatz eines katalytischen Membranreaktors.The invention relates to a method for the production of propene oxide from propene using a catalytic Membrane reactor.
Propenoxid gehört mit 4,5 Mill. t/a Produktion zu den größten chemischen Zwischenprodukten mit einem jährlich ca. 4 % steigenden Bedarf. Die Herstellung von Propenoxid erfolgt hauptsächlich nach 3 Technologien: [i] den Chlorhydrinprozess, [ii] den indirekten Oxydationsprozess über Peroxide (Halon-Verfahren) bzw. H2O2 und [iii] über die direkte Oxidation.With 4.5 million t / a production, propene oxide is one of the largest chemical intermediates with an annual increase in demand of around 4%. The production of propene oxide is mainly based on 3 technologies: [i] the chlorohydrin process, [ii] the indirect oxidation process via peroxides (Halon process) or H 2 O 2 and [iii] via direct oxidation.
- [i] Mehr als 50% der Propenoxid-Produktion erfolgt über den mehrstufigen Chlorhydrinprozess, der wegen des Einsatzes von Chlor und der anfallenden salzlastigen Abwässer als umweltunfreundlich einzuschätzen ist.[i] More than 50% of propene oxide production takes place via the multi-stage chlorohydrin process, which is due to the use of chlorine and the resulting saline wastewater as environmentally unfriendly is to be assessed.
- [ii] Beim zweistufigen Prozess erfolgt die indirekte Oxidation von Propen mittels H2O2 oder organischen Peroxiden (Halonprozess). Nachteilig in diesen Verfahren sind die hohen H2O2-Kosten sowie der Fakt, dass aus Sicherheitsgründen die Anlagengrößen begrenzt sein müssen. Zur Zeit in Entwicklung befinden sich Verfahren der Direktoxidation des Propens in Methanol mit 30 %-igem H2O2 in der Flüssigphase mit Katalysatoren wie Titansilikalith (TS-1), titanmodifiziertem HZSM-5 bzw. platinimprägniertem TS-1. Es werden Propenoxid-Ausbeuten bis 67% bei Selektivitäten von 97% erreicht.[ii] In the two-stage process, propene is oxidized indirectly using H 2 O 2 or organic peroxides (halon process). Disadvantages of these processes are the high H 2 O 2 costs and the fact that the plant sizes have to be limited for safety reasons. Processes for the direct oxidation of propene in methanol with 30% H 2 O 2 in the liquid phase with catalysts such as titanium silicalite (TS-1), titanium-modified HZSM-5 or platinum-impregnated TS-1 are currently under development. Yields of propene oxide up to 67% with selectivities of 97% are achieved.
- [iii] Gesucht sind Verfahren der Propenoxid-Herstellung durch Direktoxidation, die wirtschaftlicher und umweltfreundlicher als bisherige sind und sich möglichst in einer Stufe realisiert lassen. Möglich sind solche Verfahren durch katalytische Direktoxydation von Propen mit Sauerstoff oder durch Direktoxidation von Propen mit H2O2. Vorteilhaft realisiert werden könnten diese Verfahren bei Einsatz von Membranreaktoren, weil gleichzeitig die Abtrennung von Propenoxid erfolgen kann.[iii] Processes of propene oxide production by direct oxidation are sought which are more economical and environmentally friendly than previous ones and which can be implemented in one step if possible. Such processes are possible by catalytic direct oxidation of propene with oxygen or by direct oxidation of propene with H 2 O 2 . These processes could advantageously be implemented using membrane reactors because propene oxide can be separated off at the same time.
Die Synthese von Propenoxid aus Propen und Sauerstoff in Gegenwart von Wasserstoff und Stickstoff kann an Gold-Katalysatoren auf TiO2-SiO2-Trägern, Titansilikalith (TS-1) und MCM-41 im Temperaturbereich 25–100°C in der Gasphase erfolgen. Bisherige Versuche zur einstufigen Herstellung von Propenoxid, die katalytische Direktoxidation von Propen mit Sauerstoff in der Gasphase, erfüllen nicht die Forderungen an technische Verfahren bezüglich Propenausbeute sowie Standzeit der Katalysatoren. Aus der Literatur bekannt ist, dass bei Verwendung von Goldkatalysatoren hohe Selektivitäten (99%) aber nur geringe Ausbeuten (2%) erreicht werden und die katalytischen Aktivitäten nach kurzer Zeit bereits abfallen [T.A. Nijhulus, B.J. Huizinga, M. Makkeee, J.A. Moulijin, Ind. Eng. Chem. Res. 38 (1999) 884–891; T. Hayashi, K, Tanaka, M. Haruta, Am. Chem. Soc., Div. Pet. Chem. 41 (1996) 71].The synthesis of propene oxide from propene and oxygen in the presence of hydrogen and nitrogen can be carried out on gold catalysts on TiO 2 -SiO 2 supports, titanium silicalite (TS-1) and MCM-41 in the temperature range 25–100 ° C in the gas phase. Previous attempts to produce propene oxide in one step, the catalytic direct oxidation of propene with oxygen in the gas phase, did not meet the requirements for technical processes with regard to propene yield and service life of the catalysts. It is known from the literature that high selectivities (99%) but only low yields (2%) are achieved when using gold catalysts and that the catalytic activities already decrease after a short time [TA Nijhulus, BJ Huizinga, M. Makkeee, JA Moulijin, Ind. Eng. Chem. Res. 38 (1999) 884-891; T. Hayashi, K, Tanaka, M. Haruta, Am. Chem. Soc., Div. Pet. Chem. 41 (1996) 71].
Wenig Informationen liegen zur Abtrennung von Propenoxides mit Membranen vor. M. Kobayashi, J. Togawa, T. Kanno, J. Horiuchi, K. Tada [Desalination 144(2002)399–403] leiteten durch eine mikroporöse anorganische Glasmembran mit eingelagertem Katalysator das Reaktionsgas und erhielten durch diese Fahrweise auf Grund der kurzen Verweilzeit am Katalysator eine höhere Selektivität als vergleichsweise mit einer Diffusions- oder Pfropfen-Fahrweise. Die poröse Glasmembran erlaubte keinerlei Produkttrennung.Little information is available for separation of propenoxides with membranes. M. Kobayashi, J. Togawa, T. Kanno, J. Horiuchi, K. Tada [Desalination 144 (2002) 399-403] through a microporous inorganic glass membrane with embedded catalyst the reaction gas and received through this driving style due to the short dwell time a higher one on the catalytic converter selectivity compared to a diffusion or grafting style. The porous Glass membrane did not allow any product separation.
Aus der
In der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Propen durch einstufige Direktoxidation und bei gleichzeitiger Trennung von dem eingesetzten Gasgemisch mit hoher Selektivität und Ausbeute herzustellen.The invention is based on the object Propene through one-step direct oxidation and simultaneous separation of the gas mixture used with high selectivity and yield manufacture.
Erfindungsgemäß besteht das Verfahren darin,
dass man ein Gasgemisch, bestehend aus Stickstoff, Wasserstoff,
Sauerstoff und Propen über
eine Katalysatorschicht leitet, die auf einer geträgerten,
porösen Membran
angeordnet ist, das entstandene Propenoxid nach Permeieren durch
die hydrophile Membran und den Träger permeationsseitig mittels
eines inerten Sweepgasstromes von dem Membranträger kontinuierlich abführt, und
die anderen Reaktionsprodukte und nicht umgesetzten Gase eingangsseitig
aus dem Reaktor abführt,
wobei die Membran die oberste Schicht eines porösen keramischen Ultrafiltrationsträgers mit
asymmetrischen Schichtaufbau bildet und eine Porengröße von <1 nm und einen Trennfaktor
für Propenoxid/Restgase im
Bereich von 4 bis 50 hat,
und wobei der Sweepgasstrom den gleichen
Druck hat wie das Gasgemisch auf der Eingangsseite der Membran,
aber einen unterschiedlichen – vorzugsweise
geringeren – Partialdruck
wie das eingangsseitige Gasgemisch hat, und Drucke im Bereich von
1 bis 9 bar liegen und die Katalysatortemperatur im Bereich von
25 bis 250°C
liegt.According to the invention, the method consists in passing a gas mixture consisting of nitrogen, hydrogen, oxygen and propene over a catalyst layer which is arranged on a supported, porous membrane, the propene oxide formed after permeating through the hydrophilic membrane and the carrier on the permeation side by means of a inert sweep gas stream is continuously removed from the membrane support, and the other reaction products and unreacted gases are removed from the inlet side of the reactor, the membrane forming the top layer of a porous ceramic ultrafiltration support with an asymmetrical layer structure and a pore size of <1 nm and a separation factor for propene oxide / residual gases in the range from 4 to 50,
and wherein the sweep gas flow has the same pressure as the gas mixture on the inlet side of the membrane, but has a different - preferably lower - partial pressure as the inlet-side gas mixture, and pressures are in the range from 1 to 9 bar and the catalyst temperature in the range from 25 to 250 ° C.
Die in der Erfindung eingesetzten Membranen bestehen im wesentlichen aus vier Schichten oxidischen Materials mit unterschiedlicher Porosität und einer selektiv trennenden Membranschicht, durch die Propenoxid und Wasser bevorzugt gegenüber den anderen Reaktionsprodukte permeieren. Der Katalysator befindet sich als Schicht oder Schüttung auf oder in der Membran. In den Membranreaktor wird das Feedgasgemisch, bestehend aus Propen, Sauerstoff, Wasserstoff und einen Inertgas als Verdünner, z.B. Stickstoff, eingeführt. Entstandene Produkte, Propenoxid und Wasser, permeieren durch die in Katalysatornähe befindliche Membran. Nicht umgesetzte Reaktionsteilnehmer, die im Retentat aus dem Reaktor kommen, können dem Feedeinsatzgas wieder zugefügt werden. Damit wird eine Kreislauffahrweise realisierbar. Durch den Einsatz von Membranen in Rohr- Kapillargeometrie oder als Hohlfaser ist die Bildung großflächiger technischer Module möglich.The used in the invention Membranes essentially consist of four layers of oxide Materials with different porosity and a selectively separating Membrane layer through which propene oxide and water are preferred over the permeate other reaction products. The catalyst is in place as a layer or fill on or in the membrane. The feed gas mixture, consisting of propene, oxygen, hydrogen and an inert gas as a thinner, e.g. Nitrogen. Resulting products, propene oxide and water, permeate through the near the catalyst membrane. Unreacted reactants in the Retentate coming out of the reactor can feed the feed gas again added become. This enables a circular procedure to be implemented. By the Use of membranes in tube-capillary geometry or as a hollow fiber is the formation of large-scale technical Modules possible.
Der Träger wird ausgewählt unter Al2O3, TiO2, SiO2, ZrO2 und Gemischen davon.The carrier is selected from Al 2 O 3 , TiO 2 , SiO 2 , ZrO 2 and mixtures thereof.
Der Katalysator wird unter Au-TiO2-SiO2 oder Au-Titansilikalith ausgewählt.The catalyst is selected from Au-TiO 2 -SiO 2 or Au-titanium silicalite.
Bei dem Verfahren wird die Porengröße des asymmetrischen Trägers von der Permeationsseite zur Eingangsseite von 3000 nm bis auf 5 nm abnehmend eingestellt. In diesem Zusammenhang bedeutet "asymmetrischer Schichtaufbau" ein Aufbau, der ausgehend vom grobporigen Grundkörper eine zu einer Seite hin abnehmende Porengröße hat, so dass die Poren an der Oberfläche der innersten Schicht den kleinsten Durchmesser aufweisen. Diese innerste Schicht stellt zugleich die Funktionsseite des Körpers dar, auf der sich die Membran befindet bzw. eingebaut wird. Auf dieser innersten Schicht erfolgt auch die Abscheidung der Molekularsiebmembran, die Porengrößen <1 nm, vorzugsweise im Bereich 0,3–0,8 nm haben kann.In the process, the pore size is asymmetrical carrier from the permeation side to the input side from 3000 nm to 5 nm decreasing. In this context, "asymmetrical layer structure" means a structure that starting from the large-pored body has a decreasing pore size towards one side, so that the pores on the surface of the innermost layer have the smallest diameter. This innermost layer also represents the functional side of the body, on which the membrane is located or installed. On this innermost layer is also the deposition of the molecular sieve membrane, the pore sizes <1 nm, preferably in the range 0.3-0.8 nm can have.
Unter „Trennfaktor" wird das Verhältnis der Zusammensetzung der Komponenten A und B im Permeat relativ zu der Zusammensetzungsverhältnis dieser Komponenten im Retentat verstanden. Der Trennfaktor beim erfindungsgemäßen Verfahren liegt vorzugsweise im Bereich von 5–30, wobei Trennfaktoren >30 besonders bevorzugt sind.The ratio of " Composition of components A and B in the permeate relative to the composition ratio understood these components in the retentate. The separation factor at method according to the invention is preferably in the range 5-30, with separation factors> 30 being particularly preferred are.
Vorteilhaft ist der Druck bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vom Membrantyp abhängig. Er bewegt sich im Bereich von 1 bis 8 bar.The pressure is advantageous with the method according to the invention depending on the membrane type. It ranges from 1 to 8 bar.
Bevorzugte Temperaturen liegen im Bereich von 50–200 °C, vorteilhaft 140–180 °C, insbesondere 165–185 °C.Preferred temperatures are in Range of 50-200 ° C, advantageous 140-180 ° C, especially 165-185 ° C.
Das Verhältnis der Gase im zugeführten Gasgemisch (Feedgas) liegt vorteilhaft im Bereich von N2:H2:O2:Propen = 60–80:5–15: 5–15:5–15, insbesondere 65–72:8–12:6–10:6–10.The ratio of the gases in the supplied gas mixture (feed gas) is advantageously in the range of N 2 : H 2 : O 2 : propene = 60-80: 5-15: 5-15: 5-15, in particular 65-72: 8-12 : 6-10: 6-10.
Durch membranunterstützte Reaktionsführung wird am Katalysator entstandenes Propenoxid und Reaktionswasser durch die permselektive Membran abgeführt, so dass am Katalysator Propenoxid von Neuem gebildet werden kann. Die Triebkraft für den permeativen Transport von Propenoxid und Wasser durch die Membran bildet die geringe Partialdruckdifferenz zur Permeatseite. Durch die unmittelbare Abführung des gebildeten Propenoxid aus der Katalysatornähe wird die Weiterreaktion von Propenoxid zu COx und Oligomeren weitgehend verhindert, die auf der Katalysatoroberfläche adsorbiert werden und Ursache für die Desaktivierung des Katalysators sind.Through membrane-supported reaction control, propene oxide and water of reaction formed on the catalyst are removed through the permselective membrane, so that propene oxide can be formed again on the catalyst. The driving force for the permeative transport of propene oxide and water through the membrane is the small partial pressure difference to the permeate side. The direct removal of the propene oxide formed from the vicinity of the catalyst largely prevents the further reaction of propene oxide to CO x and oligomers which are adsorbed on the catalyst surface and are the cause of the deactivation of the catalyst.
Die Herstellung der Membranen für den Reaktor kann auf verschiedene Weise erfolgen. Zum Einsatz kommen asymmetrisch aufgebaute anorganische Keramikträger. Diese sind inert gegen organische Lösungsmittel und temperaturresistent bis mindestens 300°C. Durch chemische Modifizierung der Oberfläche können Porengrößen und Wechselwirkungen in den Poren eingestellt werden, die Trennungen bis in den molekularen Bereich ermöglichen. Vorteilhaft sind insbesondere SiO2-modifizierte Keramiken bzw. Zeolith-Membranen. Präpariert werden diese durch:
- – in situ-Hydrolyse von Tetraalkylorthosilicaten,
z. B. Tetraethylorthosilikat (TEOS) in den Poren eines Ultrafiltrations-Keramikträgers mit
definierten Wassermengen (hydrothermal) [gemäß
DE 18722902 A1 DE 10021580 A1 - – durch Aufbringen einer Gelschicht auf Keramikträger. Das Gel wird durch Hydrolyse von Metallalkoholaten oder Salzen Metalloxidsole unter stark sauren Bedingungen bei Wasserdefizit hergestellt. Eine ultramikroporöse Membranschicht bildet sich durch Vernetzung während der Trocknung/Kalzinierung aus.
- – Durch Kristallisation von (a) Silikalith-Schichten durch SiO2-in situ-Kristallisation oder (b) Al-reicher ZSM-5-Schichten mit Hilfe von Impfkristallen (Seeds) auf Keramiken.
- - In situ hydrolysis of tetraalkyl orthosilicates, e.g. B. tetraethyl orthosilicate (TEOS) in the pores of an ultrafiltration ceramic support with defined amounts of water (hydrothermal) [according
DE 18722902 A1 DE 10021580 A1 - - by applying a gel layer on a ceramic substrate. The gel is produced by hydrolysis of metal alcoholates or salts of metal oxide sols under strongly acidic conditions with a water deficit. An ultramicroporous membrane layer is formed by crosslinking during the drying / calcination.
- - By crystallization of (a) silicalite layers by SiO 2 in situ crystallization or (b) Al-rich ZSM-5 layers with the aid of seed crystals on ceramics.
Letzteres Verfahren erfolgt derart, dass eine Vorbehandlung des Trägers durch Auftragen von Keimkristallen (Seed) des entsprechenden Molekularsiebtyps durchgeführt wird und anschließend – nach dem Ausheizen des Seed-beschichteten Trägers bei 400 bis 600 °C – aus wäßrigen verdünnten Gelen auf den Seed-beladenene Trägern das nachfolgedn erläuterte Verfahren durchgeführt wird. Der Vorteil von Trägern mit Seedkristallen besteht in dem gezielten phasenreinen Kristallwachstum auf dem Träger bei weitgehender Unterdrückung sekundärer Keimbildung in der Volumenphase. Dabei ist eine begrenzte Beeinflussung der Kristallorientierung in der Schicht und die Bildung dünner Kristallschichten möglich. Dieses nachfolgende Verfahren besteht darin dass der asymmetrische Träger mit den Keimkristallen mit einer für die Molekularsiebsynthese geeigneten flüssigen Zusammensetzung in einem geschlossenen System derart in Kontakt gebracht wird, dass ein wiederholter Wechsel von Flüssigkeits- und Dampfphase wenigstens für den Bereich der Funktionsoberfläche erfolgt, wobei Dampf- und Flüssigphase sich in einem thermodynamischen Gleichgewicht befinden, und wobei der Zeitraum der Behandlung im Bereich von 8 bis 100 Stunden bei einer Temperatur von 80 bis 200 °C und bei einem Druck von atmosphärischem Druck bis zu autogenem Druck des Systems liegt.The latter process is carried out in such a way that a pretreatment of the carrier is carried out by applying seed crystals of the appropriate molecular sieve type and then - after the seed-coated carrier has been heated at 400 to 600 ° C. - from aqueous diluted gels to the seed-loaded carriers the method explained below is carried out. The advantage of carriers with seed crystals is the targeted phase-pure crystal growth on the carrier with largely un suppression of secondary nucleation in the volume phase. A limited influence on the crystal orientation in the layer and the formation of thin crystal layers is possible. This subsequent process consists in bringing the asymmetric carrier with the seed crystals into contact with a liquid composition suitable for molecular sieve synthesis in a closed system in such a way that there is a repeated change of liquid and vapor phases at least for the area of the functional surface, steam and the liquid phase are in a thermodynamic equilibrium, and the treatment period is in the range of 8 to 100 hours at a temperature of 80 to 200 ° C and at a pressure from atmospheric to autogenous pressure of the system.
Der wiederholte Wechsel von Flüssig- und Dampfphase für die zu behandelnden Oberflächen erfolgt vorteilhaft 0,2 bis 15 Mal pro Minute, vorzugsweise 1 bis 10 Mal, insbesondere 3 bis 5 Mal pro Minute. Ein solcher Wechsel kann beispielsweise durch Installation des geschlossenen Behälters auf einem Taumelrüttler erfolgen, der diese sehr langsame Bewegung durchführt, wobei die Taumelbewegung noch durch eine Drehung des Behälters um seine Längsachse mit ca. 1 U/min überlagert werden kann, so dass alle Teile des Rohres sich gleichmäßig abwechselnd in der Flüssig- oder Dampfphase befinden. Dabei ist der Behälter zu etwa 30 bis 90 % seines freien Volumens mit dem Synthesegel gefüllt.The repeated change from liquid and Vapor phase for the surfaces to be treated is advantageously carried out 0.2 to 15 times per minute, preferably 1 to 10 times, especially 3 to 5 times per minute. Such a change can, for example, by installing the closed container a tumbler take place who performs this very slow movement, whereby the wobble movement by rotating the container its longitudinal axis with approx. 1 rpm superimposed can be so that all parts of the tube alternate evenly in the liquid or vapor phase. The container is about 30 to 90% of its size free volume filled with the synthesis gel.
Die für die selektive Abtrennung von Propenoxid und Wasser eingesetzten Membranen wurden vorzugsweise durch in situ-Hydrolyse von Tetraethylorthosilikat (TEOS) in der γ-Al2O3-Schicht eines Ultrafiltations-(UF-)Trägers oder Aufbringen von SiO2-Polymersolen auf diese Schicht präpariert.The membranes used for the selective separation of propene oxide and water were preferably obtained by in situ hydrolysis of tetraethyl orthosilicate (TEOS) in the γ-Al 2 O 3 layer of an ultrafiltration (UF) support or by applying SiO 2 polymer sols thereon Prepared layer.
Besondere Vorteile für Trennprobleme, wie sie zum Beispiel auch bei chemischen Reaktionen auftreten, bieten anorganische Membranen auf Grund ihrer Resistenz gegen organische Verbindungen, so auch für Propenoxid sowie ihrer hohen thermischen Belastbarkeit > 300°C.Special advantages for separation problems, such as occur in chemical reactions, for example inorganic membranes due to their resistance to organic Compounds, including propene oxide as well as their high thermal load capacity> 300 ° C.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, dass ein Membranreaktor zur Durchführung des Verfahrens der Propenoxidsynthese eingesetzt wird. Dieser besteht aus einem porösen keramischen Ultrafiltrationsträger mit asymmetrischen Schichtaufbau, wobei der Träger eine hydrophile Membranschicht auf der Eingangsseite mit Porengröße im Bereich von 0,3 bis 0,8 nm enthält und einen Trennfaktor für Propenoxid/Restgase bis >30 hat und dass auf der Membranschicht eine Katalysatorschicht eingangsseitig mit einer Schichtdicke von 0,1 bis 1,5 mm angeordnet ist.An essential feature of the invention is that a membrane reactor to carry out the Process of propene oxide synthesis is used. This exists from a porous ceramic ultrafiltration carrier with an asymmetrical layer structure, the carrier being a hydrophilic membrane layer on the input side with pore size in the range from 0.3 to 0.8 nm contains and a separation factor for Propene oxide / residual gases up to> 30 has and that on the membrane layer a catalyst layer on the input side is arranged with a layer thickness of 0.1 to 1.5 mm.
In Membranreaktoren kann eine beachtliche Leistungserhöhung hinsichtlich der Propenoxid-Ausbeuten und Umsätze von Propen bei Einsatz der in der Literatur genannten Katalysatoren erreicht werden [T.A. Nijhulus, B.J. Huizinga, M. Makkeee, J.R. Moulijin, Ind. Eng. Chem. Res. 38 (1999) 884-891; T. Hayashi, K, Tanaka, M. Haruta, Am. Chem. Soc., Div. Pet. Chem. 41 (1996) 71]. Wesentlich für die Leistungssteigerung ist, dass entstan denes Propenoxid aus der Katalysatorumgebung über die Membran entfernt werden kann. Die partielle Oxidation von Propen zu Propenoxid ist eine in eine Richtung laufende Reaktion. Eine Steuerung der Reaktion wie bei Gleichgewichtsreaktionen durch Abzug einer Komponente, ist somit nicht möglich. Der Mechanismus der Epoxidierung von Propen an Au-Katalysatoren ist bisher nicht geklärt. Angenommen wird, dass die Reaktionen nach folgenden Modellen ablaufen können:
- – [F. Bocuzzi, A. Chlorino, S. Tsubota, M. Haruta, J. Phys. Chem. 100 (1996) 3625] Am Au/TiO2-Katalysatorsystem besteht ein Gleichgewicht Ti4+O-Au ↔ Ti3+O-Au+ an der Oberfläche. Molekularer Sauerstoff wird am den Ti3+-Kation zum negativ geladenen O-Spezies. Mit der Anlagerung von H2 entstehen Hydroperoxo- oder Peroxid-Spezies, die mit an Ti adsorbiertem Propen zu Propenoxid reagieren. Die Schlüsselrolle des Au erscheint als Bindungsvermittler für C3H6 und vermeidet den direkten Elektronentransfer von H2 und O2.
- – Im Modell von Olivera et al. [P.P. Oliveri, E.M. Patrito, H. Sellers, Surf. Sci. 313 (1994) 25] für Au/Ti-Silikalith der folgende Mechanismus angenommen. Au auf der Oberfläche generiert aus H2 und O2 in situ H2O2. Dieses reagiert auf isolierten Ti4+-Zentren und dann mit adsorbiertem Propen auf der SiO2-Matrix. Die Menge an Ti-Atomen in Ti-Silikatlith ist strukturbedingt gering, die Au- und Ti-Atome sind in der SiO2-Matrix dispers verteilt und voneinander isoliert. Die hohe Dispersion von Ti-Atomen, das mesoporöse Netzwerk der SiO2-Matrix bewirkt die Stabilisierung von Propenoxid und erlaubt Reaktionen bei höherer Temperatur.
- - [F. Bocuzzi, A. Chlorino, S. Tsubota, M. Haruta, J. Phys. Chem. 100 (1996) 3625] On the Au / TiO 2 catalyst system there is an equilibrium of Ti 4+ O-Au ↔ Ti 3+ O-Au + on the surface. Molecular oxygen becomes a negatively charged O species on the Ti 3+ cation. The addition of H 2 produces hydroperoxo or peroxide species, which react with propene adsorbed on Ti to form propene oxide. The key role of Au appears as a binding mediator for C 3 H 6 and avoids the direct electron transfer of H 2 and O 2 .
- - In the model by Olivera et al. [PP Oliveri, EM Patrito, H. Sellers, Surf. Sci. 313 (1994) 25] for Au / Ti silicalite the following mechanism was adopted. Au on the surface generated from H 2 and O 2 in situ H 2 O 2. This reacts on isolated Ti 4+ centers and then with adsorbed propene on the SiO 2 matrix. The amount of Ti atoms in Ti silicate lithium is small due to the structure, the Au and Ti atoms are dispersed in the SiO 2 matrix and isolated from one another. The high dispersion of Ti atoms and the mesoporous network of the SiO 2 matrix stabilize propene oxide and allow reactions at higher temperatures.
Besonders bevorzugte Membranreaktoren sind solche in Form eines Rohres, eines Multikanalrohrs, eines Systems von Kapillaren, eines geschlossenen Moduls oder einer Kombination davon. Besonders bevorzugt ist ein Rohr.Particularly preferred membrane reactors are those in the form of a pipe, a multi-channel pipe, a system of capillaries, a closed module or a combination from that. A tube is particularly preferred.
Die Erfindung soll nachstehend durch Beispiele näher erläutert werden, die nicht als Einschränkung der Erfindung zu sehen sind. Die folgenden Beispiele zeigen, welche Verbesserungen der Propenoxid-Abtrennung durch den Einsatz von Membranen bzw. von Membranreaktoren erreicht werden können.The invention is intended below Examples closer explained that are not considered a limitation of Invention can be seen. The following examples show which Improvements in propene oxide separation through the use of membranes or can be achieved by membrane reactors.
Beispiel 1example 1
Für die Lösung der Aufgabe wird ein Membranreaktor in Rohrgeometrie eingesetzt, wie in P. Kölsch, M. Noack, R. Schäfer, G. Georgi, R.Omorjan, J. Caro, J. Membr. Sci. 198 (2002) 119–128 beschrieben wurde. Über ein Multifunktionsventil können Proben zu einem on line-verbundenem GC ausgeschleust und analysiert werden. Mit den Analysendaten sind Stoffbilanzen der Reaktion möglich.A membrane reactor in tube geometry is used to solve the problem, as in P. Kölsch, M. Noack, R. Schäfer, G. Georgi, R.Omorjan, J. Caro, J. Membr. Sci. 198 (2002) 119-128. Via a multifunction valve, samples can be discharged to an online connected GC and analyzed. With the analysis data, material balances of the reaction are possible.
Die Propenoxid-Ausbeute, -Selektivität und Trennfaktor (Propenoxid/Restgase) wurden im Membran-Reaktor mit einer durch TEOS in situ-Hydrolyse hergestellten Membran ermittelt. Im Vergleich dazu wurden aber auch Ausbeuten und Selektivitäten im Co-Feed-Reaktor, der dem Rohrreaktor entspricht, ermittelt. Ein Co-Feed-Reaktor liegt vor, wenn Sweepgaseingang und Permeatausgang des Membranreaktor verschlossen werden und die Membranschicht eine dichte Struktur aufweist, so dass kein Gasfluss bzw. Gasaustausch erfolgen kann. Ein solcher Co-Feed-Reaktor entspricht damit in Näherung einem Rohrreaktor.The propene oxide yield, selectivity and separation factor (Propene oxide / residual gases) were passed through in the membrane reactor TEOS membrane determined in situ hydrolysis. Compared but also yields and selectivities in the co-feed reactor, which the Corresponds to the tubular reactor. A co-feed reactor is present when sweep gas input and permeate outlet of the membrane reactor are closed and the Membrane layer has a dense structure, so that no gas flow or gas exchange can take place. Such a co-feed reactor corresponds with that in approximation a tubular reactor.
Die Ergebnisse für den Katalysator 1 des Typs Au-TiO2-SiO2 sind in der Tabelle 1 wiedergegeben. Deutlich wird, dass die Ausbeuten um den Faktor 3-5 und die Selektivitäten um etwa den Faktor 2-3 im Membranreaktor höher liegen als vergleichsweise im Co-Feed-Reaktor. Höherer Druck bewirkt ebenfalls einen Anstieg in Ausbeute und Selektivität. Es lagen gleiche Versuchsbedingungen vor, die erreichten Umsätze waren allerdings unterschiedlich.The results for the catalyst 1 of the Au-TiO 2 -SiO 2 type are shown in Table 1. It becomes clear that the yields are 3-5 times higher and the selectivities are about 2-3 times higher in the membrane reactor than in the co-feed reactor. Higher pressure also increases yield and selectivity. The test conditions were the same, but the sales achieved were different.
Tabelle 1: Propen-Ausbeute Y(PO) und Selektivität S(PO) im Co-Feed- und Membran-Reaktor, ermittelte Trennfaktoren im Membranreaktor (Membran γ-121, Katalysator 1) Table 1: propene yield Y (PO) and selectivity S (PO) in the co-feed and membrane reactor, separation factors determined in the membrane reactor (membrane γ-121, catalyst 1)
Versuchsbedingungen: 180°C, Feed – 30ml/min N2:H2:02:Propen = 70;10:10:10, Membran-Reaktor: 2 Ausgänge, Sweepgas: 40m1/min Argon;Test conditions: 180 ° C, feed - 30ml / min N 2 : H 2 : 0 2 : propene = 70; 10: 10: 10, membrane reactor: 2 outputs, sweep gas: 40m1 / min argon;
Beispiel 2Example 2
Mit einem Membranreaktor, der vergleichbar mit dem in Beispiel 1 war, erfolgten Messungen zur Trennung von Propenoxid von den restlichen Reaktionsgasen (Propen, H2, O2, N2) mit dem Katalysator 2 ebenfalls des Typs Au-TiO2-SiO2, der allerdings eine geringere Propenoxid-Ausbeute und -Selektivität lieferte. Das Beispiel zeigt, dass die reproduzierbare Herstellung der Katalysatoren des Typs Au-TiO2-SiO2 noch nicht gelöst ist. Abhängig vom Druck wurden die in der Tabelle 2 ermittelten Propenoxid-Ausbeuten und -Selektivitäten ermittelt. Sowohl in den Ausbeuten als auch in den Selektivitäten werden bei dieser Fahrweise mit dem Membranreaktor im Vergleich zum Co-Feed-Reaktor, der einem Rohrreaktor entspricht, bessere Ergebnisse erhalten.With a membrane reactor which was comparable to that in Example 1, measurements were carried out to separate propene oxide from the remaining reaction gases (propene, H 2 , O 2 , N 2 ) with the catalyst 2, likewise of the Au-TiO 2 -SiO 2 type , which, however, provided a lower propene oxide yield and selectivity. The example shows that the reproducible preparation of the catalysts of the Au-TiO 2 -SiO 2 type has not yet been solved. Depending on the pressure, the propene oxide yields and selectivities determined in Table 2 were determined. Both in the yields and in the selectivities, better results are obtained with this procedure with the membrane reactor compared to the co-feed reactor, which corresponds to a tubular reactor.
Tabelle 2: Druckeinfluss auf die Propenoxid-Ausbeute Y(PO) und Propenoxid-Selektivität S(PO), (Membran γ-121, Katalysator 2) Table 2: Pressure influence on the propene oxide yield Y (PO) and propene oxide selectivity S (PO), (membrane γ-121, catalyst 2)
Versuchsbedingungen: Feed: 21ml/min N2, 3ml/min O2, Propen, H2, 140°C, im Membranreaktor 40 ml/min Ar-SweepgasTest conditions: Feed: 21 ml / min N 2 , 3 ml / min O 2 , propene, H 2 , 140 ° C, in the membrane reactor 40 ml / min Ar sweep gas
Beispiel 3Example 3
Mit einem Membranreaktor, der vergleichbar mit dem von Beispiel 1 war, erfolgten Messungen zur Trennung von Propenoxid von den Reaktionsgasen, wobei in diesem Fall im Reaktor statt des Katalysators eine inerte Substanz vorlag. Es erfolgte somit keine Reaktion im Reaktor, geprüft wurde bei diesen Versuchen die Trennwirkung der Membran.With a membrane reactor that is comparable with that of Example 1, measurements were made to separate Propene oxide from the reaction gases, in this case in the reactor an inert substance was present instead of the catalyst. It was done thus no reaction in the reactor, was tested in these experiments Separation effect of the membrane.
Mit Gasgemischen der Zusammensetzung N2: H2: Propen: O2: Propenoxid = 70:10:7,5:7,5, die ähnlich der Zusammensetzung der Gase nach Reaktion in den Synthesen von Propenoxid aus Propen sind, erfolgte die permeative Charakterisierung der Membranen hinsichtlich der Trennselektivität und der Flüsse an keramischen Membranen, die durch in situ-Hydrolyse von Tetraethylorthosilikat hergestellt wurden. Eingesetzt wurde hier dieselbe Membran wie sie in den Beispielen 1 und 2 beschrieben wurde.Permeative characterization was carried out with gas mixtures of the composition N 2 : H 2 : propene: O 2 : propene oxide = 70: 10: 7.5: 7.5, which are similar to the composition of the gases after reaction in the syntheses of propene oxide from propene of the membranes with regard to the separation selectivity and the flows on ceramic membranes, which were prepared by in situ hydrolysis of tetraethyl orthosilicate. The same membrane as that described in Examples 1 and 2 was used here.
An den durch TEOS-in situ-Hydrolyse auf UF-Al2O3-Supporten hergestellten Membranen wurden bei Drücken von 0,25 bis 4 bar mit einer 500 ml/min Sweepgasspülung Propenoxid/Restgas-Trennfaktoren von >30 und bei Flüssen von 240 l/m2 h bei 25°C (bei geringem Druckabfällen über der Membran) ermittelt.On the membranes produced by TEOS in situ hydrolysis on UF-Al 2 O 3 supports, propene oxide / residual gas separation factors of> 30 and at flows of 240 were used at pressures from 0.25 to 4 bar with a 500 ml / min sweep gas purge l / m 2 h at 25 ° C (with low pressure drops across the membrane) determined.
Beispiel 4Example 4
In einer Apparatur, wie Beispiel 3 beschrieben, wurden die permeative Trennselektivität und erreichbaren Flüsse der 5iO2-Membran für das Gasgemisch der Zusammensetzung N2: H2: Propen: O2: Propenoxid = 70: 10:7, 5: 7, 5, die ähnlich der Zusammensetzung der Gase nach Reaktion in den Synthesen von Propenoxid aus Propen sind, ermittelt. An durch polymere SiO2-Sol-Gel-Beschichtung von UF-Al2O3-Supporten hergestellten Membranen wurden Propenoxid/Restgas-Trennfaktoren bis 28 und Flüsse bis 90 l/m2h erhalten; die Trennfaktoren fallen bei höheren Drücken (>1 bar) stark ab.In an apparatus as described in Example 3, the permeative selectivity and achievable flows of the 5iO 2 membrane for the gas mixture of the composition N 2 : H 2 : propene: O 2 : propene oxide = 70: 10: 7, 5: 7, 5 , which are similar to the composition of the gases after reaction in the syntheses of propene oxide from propene. Propene oxide / residual gas separation factors of up to 28 and flows of up to 90 l / m 2 h were obtained on membranes produced by polymeric SiO 2 sol gel coating of UF-Al 2 O 3 supports; the separation factors drop sharply at higher pressures (> 1 bar).
Beispiel 5Example 5
In einer Apparatur, wie im Beispiel 3 beschrieben, wurden die permeative Trennselektivität und erreichbaren Flüsse einer Zeolith-Membran für das Gasgemisch der Zusammensetzung N2: H2: Propen: O2: Propenoxid = 70:10: 7, 5: 7, 5, die ähnlich der Zusammensetzung der Gase nach Reaktion in den Synthesen von Propenoxid aus Propen sind, ermittelt. An MFI-Membranen erfolgten Permeationsmessungen bis 8 bar Druckdifferenz an der Membran bei Temperaturen von 25–150°C; Trennfaktoren (Propenoxid/Restgas) 4 bis 5 wurden gefunden. Die Flussraten dieser Membranen betrugen bis 68 l/m2h.In an apparatus as described in Example 3, the permeative selectivity and achievable flows of a zeolite membrane for the gas mixture of the composition N 2 : H 2 : propene: O 2 : propene oxide = 70:10: 7, 5: 7, 5 , which are similar to the composition of the gases after reaction in the syntheses of propene oxide from propene. Permeation measurements of up to 8 bar pressure difference on the membrane were carried out on MFI membranes at temperatures of 25-150 ° C; Separation factors (propene oxide / residual gas) 4 to 5 were found. The flow rates of these membranes were up to 68 l / m 2 h.
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