DE1273495B - Process for the preparation of a silica catalyst containing phosphoric acid - Google Patents
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES -^W^ PATENTAMTFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY GERMAN - ^ W ^ PATENT OFFICE
AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL
Tnt. Cl.:Tnt. Cl .:
Deutsche Kl.:German class:
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C07cC07c
12 g-11/82
12 ο-1/01 12 g -11/82
12 ο-1/01
P 12 73 495.1-41 (U 6576)P 12 73 495.1-41 (U 6576)
13. Oktober 1959October 13, 1959
25. Juli 1968July 25, 1968
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines für die Umsetzung von Olefinen geeigneten Phosphorsäurekatalysators, wie er zur Alkylierung von aromatischen Kohlenwasserstoffen, z. B. mit Alkylhalogeniden oder Monoolefinen, sowie zur Polymerisierung von im Normalzustand gasförmigen Monoolefinen verwendet werden kann. Die Herstellung von bis zu 90 Gewichtsprozent Phosphorsäure enthaltenden Kieselsäurekatalysatoren aus einem innigen Gemisch einer fünfwertigen Phosphor enthaltenden Phosphorsäure mit einem festen Kieselsäurematerial durch Erhitzen auf erhöhte Temperatur und anschließende Calcinierung bei einer Temperatur oberhalb 315° C ist an sich bekannt.The invention relates to a process for the preparation of one suitable for the conversion of olefins Phosphoric acid catalyst as used for the alkylation of aromatic hydrocarbons, e.g. B. with alkyl halides or monoolefins, as well as for the polymerization of monoolefins which are gaseous in the normal state can be used. The manufacture of up to 90 percent by weight of phosphoric acid containing Silica catalysts from an intimate mixture of a pentavalent phosphorus-containing phosphoric acid with a solid silica material by heating to an elevated temperature and then Calcination at a temperature above 315 ° C is known per se.
Es besteht jedoch das Bedürfnis nach besonders hochwertigen und haltbaren Katalysatoren dieser Art wegen des steigenden Bedarfs an hochklopffesten Treibstoffen für Flugzeuge und Kraftfahrzeuge durch Alkylierung von Aromaten mit Olefinen oder katalytische Kondensation von Butenen und anschließende Hydrierung zu Isooctanen. Außerdem werden verschiedene Polymere von Olefinen, besonders Propylen, als Zwischenprodukt bei der Herstellung von Waschmitteln oder von Kunststoffen benötigt.However, there is a need for particularly high-quality and durable catalysts for these Art due to the increasing need for high-knock-resistant fuels for aircraft and automobiles Alkylation of aromatics with olefins or catalytic condensation of butenes and subsequent Hydrogenation to isooctanes. In addition, various polymers of olefins, especially propylene, required as an intermediate product in the manufacture of detergents or plastics.
Die bisher bekannten und verwendeten festen Phosphorsäurekatalysatoren besitzen jedoch mindestens jeweils einen wesentlichen Nachteil. Sie waren durch Vermischen eines Kieselsäurematerials mit einer Phosphorsäure in einem Gewichtsverhältnis von P2O6 zu Kieselsäure von etwa 2 hergestellt. Eine solche Mischung wird dann in geformte Teilchen übergeführt und bei etwa 260 bis 43O0C calciniert. Der calcinierte Katalysator enthält dann etwa 60 bis 65 Gewichtsprozent P2O5. Die so hergestellten Katalysatoren sind wirksame Kondensationskatalysatoren und besitzen eine erwünschte äußere Druckfestigkeit (im allgemeinen von etwa 4,5 bis etwa 10 kg), wenn sie frisch bereitet sind, doch besitzen sie eine Tendenz zum Zerfall während des Gebrauchs durch Erweichen oder verlieren ihre Aktivität zu schnell. Um eine hohe Aktivität dieser Katalysatoren aufrechtzuerhalten, ist es notwendig, kleine Mengen Wasserdampf der reagierenden Charge zuzusetzen, um den Feuchtigkeitsverlust des Katalysators zu vermindern, welcher die Katalysatoraktivität vermindert, und den Zerfall von schweren Kohlenwasserstoffen unter Teerbildung zu verhindern. Bekanntlich haben handelsübliche feste Phosphorsäurekatalysatoren gute Aktivität, wenn sie bei Temperaturen im Bereich von etwa 370°C calciniert wurden, doch nimmt ihre Druckfestigkeit im Gebrauch schnell ab. Außerdem verbessern zwar wesentlich höhere Calcinierungstemperaturen von z. B. 4600CHowever, the previously known and used solid phosphoric acid catalysts each have at least one significant disadvantage. They were made by mixing a silica material with a phosphoric acid in a weight ratio of P 2 O 6 to silica of about 2. Such a mixture is then converted into shaped particles and calcined at about 260 to 43o C 0. The calcined catalyst then contains about 60 to 65 percent by weight P 2 O 5 . The catalysts so prepared are effective condensation catalysts and have a desirable external compressive strength (generally from about 4.5 to about 10 kg) when freshly prepared, but they have a tendency to decompose by softening or lose their activity during use fast. In order to maintain high activity of these catalysts, it is necessary to add small amounts of water vapor to the reacting charge in order to reduce moisture loss from the catalyst which degrades catalyst activity and to prevent the breakdown of heavy hydrocarbons to form tar. It is known that commercially available solid phosphoric acid catalysts have good activity when calcined at temperatures in the range of about 370 ° C., but their compressive strength decreases rapidly with use. In addition, although much higher calcination temperatures of z. B. 460 0 C
Verfahren zur Herstellung eines Phosphorsäure
enthaltenden Kieselsäure-KatalysatorsProcess for the production of a phosphoric acid
containing silica catalyst
Anmelder:Applicant:
Universal Oil Products Company,Universal Oil Products Company,
Des Piaines, JIl. (V. St. A.)Des Piaines, JIl. (V. St. A.)
Vertreter:Representative:
Dr. H.-H. Willrath, Patentanwalt,Dr. H.-H. Willrath, patent attorney,
6200 Wiesbaden, Hildastr. 186200 Wiesbaden, Hildastr. 18th
Als Erfinder benannt:Named as inventor:
Mitchell Sebastian Bielawski,Mitchell Sebastian Bielawski,
Mount Prospect, JlL;Mount Prospect, JIL;
Julian Maris Mavity, Palatine, JIl. (V. St. A.)Julian Maris Mavity, Palatine, JIl. (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 13. Oktober 1958
(766 673)Claimed priority:
V. St. v. America October 13, 1958
(766 673)
die Druckfestigkeiten bis zu gewissem Maße, sie vermindern aber gleichzeitig die Aktivität der Katalysatoren. Es sind deshalb zahlreiche Verfahren beschrieben worden, um die handelsüblichen festen Phosphorsäurekatalysatoren zu verbessern, indem z. B. eine Mischung von Phosphorsäure und Kieselsäurematerial bei etwa 485 bis 5950C calciniert wird. Es ist außerdem bereits bekannt, Teilchen aus Kieselsäurematerial, welche durch Calcinierung bei 650 bis 1100°C oder mehr hergestellt wurden, mit Phosphorsäure zu imprägnieren und anschließend bei vorzugsweise 300 bis 4000C zu calcinieren. Hierbei werden Katalysatoren erhalten, welche eine verbesserte strukturelle Stabilität und etwa die gleiche Aktivität besitzen wie die im Handel erhältlichen festen Phosphorsäurekatalysatoren. Keine dieser Modifikationen zeigte jedoch eine genügende Verbesserung, um die bereits benutzten festen Phosphorsäurekatalysatoren des Handels zu verdrängen.the compressive strengths to a certain extent, but at the same time they reduce the activity of the catalysts. Therefore, numerous methods have been described to improve the commercially available solid phosphoric acid catalysts by, for. B. a mixture of phosphoric acid and silica material at about 485 to 595 0 C is calcined. It is previously also known to impregnate particles of silica material, which has been prepared by calcination at 650 to 1100 ° C or more with phosphoric acid and then calcined at preferably 300 to 400 0 C. In this way, catalysts are obtained which have improved structural stability and approximately the same activity as the commercially available solid phosphoric acid catalysts. However, none of these modifications showed sufficient improvement to displace the solid phosphoric acid catalysts already in use on the market.
Aus der kanadischen Patentschrift 560 670 ist ein Verfahren zur Herstellung von Olefinpolymerisier-From the Canadian patent 560 670 a process for the preparation of olefin polymerisers is
809 587/552809 587/552
katalysatoren bekannt, bei dem Kieselsäuregel nach P2O5, von 3,0 bis 7,5 Gewichtsteilen je Gewichtsteil 2stündiger Erhitzung auf etwa 200 bis 6755C mit Kieselsäurematerial herstellt, diese Mischung auf eine Phosphorsäure vermischt, das Gemisch pulverisiert Temperatur im Bereich von 95 bis 2320C so lange und bei etwa 190 bis 213° C getrocknet und anschlie- erhitzt, bis sie einen halbfesten formbaren Zustand ßend bei etwa 315 bis 539 0C calciniert wird. Der 5 erreicht hat, die noch heiße Mischung durch Extrufertige Katalysator enthält 50 bis 90 Gewichtsprozent dieren in geformte Teilchen überführt und schließlich Phosphorsäure und einen Teilchendurchmesser von die geformten Teilchen bei einer Temperatur im Beetwa 20 bis 180 μ, reich von 460 bis 76O0C calciniert.catalysts known in the silica gel according to P 2 O 5 , from 3.0 to 7.5 parts by weight per part by weight of 2 hours of heating to about 200 to 675 5 C with silica material, this mixture mixed with a phosphoric acid, the mixture pulverized temperature in the range of heated 95-232 0 C a time and at about 190 to 213 ° C dried and subse- until a semi-solid formable state is ßend calcined at about 315-539 0 C. The 5 has reached, the still hot mixture through extruder-ready catalyst contains 50 to 90 percent by weight of dieren converted into shaped particles and finally phosphoric acid and a particle diameter of the shaped particles are calcined at a temperature in the bed about 20 to 180 μ, ranging from 460 to 76O 0 C. .
Im Gegensatz hierzu sollen gemäß der Erfindung Wesentlich für das Verfahren der Erfindung ist derIn contrast to this, according to the invention, the is essential for the method of the invention
pillenförmige Katalysatoren gewonnen werden, wie io ungewöhnlich hohe P2O5-Gehalt, der bei den bekannten man sie üblicherweise durch Extrudieren erhält. vergleichbaren Katalysatoren unter 3,0 Gewichtsteilen Hierfür ist es aber notwendig, die Masse in einem je Gewichtsteil Kieselsäurematerial liegt, und die halbfesten plastisch verformbaren Zustand und nicht Erhitzung der Mischung bis zur Erzielung eines halbin Pulverform vorliegen zu haben, damit die Form- festen formbaren Zustandes, in welchem sich die gebung auf diese Weise möglich ist. Auch ist die gemäß 15 Masse dann unmittelbar extrudieren läßt, der kanadischen Patentschrift 560 670 erzielbare Vorzugsweise wird gemäß der Erfindung derPill-shaped catalysts are obtained, such as an unusually high P 2 O 5 content, which is usually obtained in the known ones by extrusion. comparable catalysts less than 3.0 parts by weight.For this, however, it is necessary to have the mass in one part by weight of silica material, and to have the semi-solid, plastically deformable state and not heating the mixture until it is semi-powdered, so that the form-solid, malleable state in which the environment is possible in this way. Also, according to 15 mass can then be extruded directly, the Canadian patent 560 670 achievable. Preferably, according to the invention, the
Bruchfestigkeit nicht ausreichend, die dort für einen Katalysator in der Weise hergestellt, daß man ein bei 538p C calcinieren Katalysator nach 500stündigem Gemisch aus 25 bis 10 Gewichtsprozent kieselsäure-Einsatz in einer Olefinpolymerisation nur 2,0 kg haltigem Feststoff und 75 bis 90 Gewichtsprozent beträgt. 20 Polyphosphorsäure mit 79 bis 85 GewichtsprozentBreaking strength not, there made sufficiently for a catalyst in such a manner that one is at 538 p C calcined catalyst according 500stündigem mixture of 25 to 10 weight percent silica-use in an olefin polymerization only 2.0 kg containing solids and 75 to 90 weight percent of a . 20 Polyphosphoric acid at 79 to 85 percent by weight
Zur Herstellung pillenforanger Katalysatoren aus P2O5 vor der Verformung auf etwa 170 bis 180qC Phosphorsäure und Kieselsäure wird ferner in den erhitzt. Außerdem ist es bei dem Verfahren nach der USA.-Patentschriften 2 525 145 und 2 584 102 ein Erfindung vorteilhaft, daß man die Calcinierung der Zusatz von Borsäure bzw. B2O3 oder eine Nach- Katalysatorformlinge 0,5 bis 2 Stunden bei 530 bis behandlung der calcinieren Masse mit einer flüchtigen 25 675 0C in einem inerten Gas vornimmt. Phosphorhalogenverbindung beschrieben. Auch hier- Die gemäß der Erfindung hergestellten Kataly-For the production of pill-orange catalysts from P 2 O 5 before shaping to about 170 to 180 q C phosphoric acid and silica is also heated in the. In addition, it is advantageous in the method of the USA. Patents 2,525,145 and 2,584,102 an invention in that the calcination of the addition of boric acid or B 2 O 3 or a post-catalyst moldings 0.5 to 2 hours at 530 until treatment of the calcined mass with a volatile 25 675 0 C in an inert gas undertakes. Phosphorus halogen compound described. Here, too, the catalysts produced according to the invention
mit werden jedoch keine Katalysatoren von befriedi- satoren eignen sich besonders für die Polymerisation gend beständiger Abriebfestigkeit und Druckfestigkeit ungesättigter Kohlenwasserstoffe und die Alkylierung erzielt. Trotz eines beträchtlichen Aufwandes an von Aromaten mit einem ersetzbaren Wasserstoffatom Phosphoroxychlorid fällt ζ. B. die Druckfestigkeit nach 30 am Ringkern mit Olefinen oder Alkylhalogeniden. einem etwa 2stündigem Einsatz auf ungefähr den Sie zeichnen sich durch ihre hohe Bruchfestigkeit aus, halben Wert. denn in der Praxis wurde festgestellt, daß der gebrauchteHowever, with are no catalysts from satisfactory catalysts are particularly suitable for the polymerization The constant abrasion resistance and compressive strength of unsaturated hydrocarbons and alkylation achieved. Despite a considerable amount of aromatics with a replaceable hydrogen atom Phosphorus oxychloride falls ζ. B. the compressive strength after 30 on the ring core with olefins or alkyl halides. about 2 hours of use on about the They are characterized by their high breaking strength, half value. because in practice it was found that the used
Nach einem älteren Vorschlag erfolgt die Herstellung Katalysator nach 580stündigem Einsatz bei der Alky* von Phosphorsäure und Silicophosphorsäure ent- lierung von Benzol mit äthylenhaltigem Krackabgas haltenden Polymerisationskatalysatoren durch Ver- 35 noch eine Druckfestigkeit von über 5 besaß und wähmischen von pulverförmiger Kieselgur mit Phosphor- rend des 2stündigen Einsatzes bei der Propylenpolysäure, Formen des so erhaltenen Gemisches unter merisierung die ursprüngliche Druckfestigkeit von Ausübung eines hohen Druckes, bis die Masse ein über 12,2 keine Verminderung zeigte, während der glasartiges Aussehen angenommen hat, und Calci- prozentuale Propylenumsatz am höchsten bei den nieren der geformten Stücke. Der Druck muß hierbei 40 Katalysatoren war, die bei einer Temperatur über mindestens 10 kg/cm2, vorzugsweise 15 kg/cm2 oder 460° C calciniert worden waren, mehr betragen und die Druckbehandlung bei erhöhter Im Gebrauch dieser Katalysatoren entfällt dieAccording to an older proposal, the catalyst is produced after 580 hours of use in the alkylation of phosphoric acid and silicophosphoric acid from benzene with ethylene-containing cracking waste gas-containing polymerization catalysts by means of a compressive strength of over 5 and mixing of powdered kieselguhr with phosphorus end des 2 hours of use in the propylene polyacid, shaping the mixture thus obtained with merization of the original compressive strength by exerting a high pressure until the mass showed no reduction in excess of 12.2, while the glass-like appearance has assumed, and calcium percent propylene conversion is highest with the kidneys of the shaped pieces. The pressure here must be more than 40 catalysts which had been calcined at a temperature above at least 10 kg / cm 2 , preferably 15 kg / cm 2 or 460 ° C., and the pressure treatment at higher temperatures is not necessary
Temperatur nicht über 150°C durchgeführt werden. Rehydratisierung mit Wasserdampf, welche beim Diese Druckbehandlung macht das Herstellungsver- Gebrauch der bekannten bei etwa 400 bis 500 oder fahren jedoch umständlich und teuer. 45 510° C calcinierten Katalysatoren erforderlich war.Temperature cannot be carried out above 150 ° C. Rehydration with water vapor, which at This pressure treatment makes the manufacturing use of the known at about 400 to 500 or drive, however, cumbersome and expensive. 45 510 ° C calcined catalysts was required.
Während also Phosphorsäurekatalysatoren von Im Gegensatz zu anderen Verfahren ist es auch nichtSo while phosphoric acid catalysts are unlike other processes, neither is it
genügender Aktivität, genügender Widerstandskraft nötig, daß die gasförmigen Olefine gereinigt oder gegen übermäßige Hydrierung und gleichzeitig von konzentriert werden. Solche Olefingase erscheinen in verbesserter mechanischer Haltbarkeit insbesondere kleineren Konzentrationen in verschiedenartigen Rafin Pillenform gegenüber den festen Phosphorsäure- 50 finierungsgasströmen, meist verdünnt mit nicht umkatalysatoren des Handels nicht nach den erwähnten setzbaren Gasen, wie Wasserstoff, Stickstoff, Methan, Verfahrensweisen aus pastenartigen Massen von Äthan und Propan. Ein brauchbares Raffinerieabgas Phosphorsäure und kieselsäureartigem Material, z. B. von einer katalytischen Krackanlage enthält z. B. Kieselgur, hergestellt werden können, wurde gemäß 4,0 % Stickstoff, 0,2%Kohlenmonoxyd, 5,4%Wasserder Erfindung gefunden, daß ein Katalysator herge- 55 stoff, 37,8 °/0 Methan, 10,3% Äthylen, 24,7% Äthan, stellt werden kann, der alle diese vorteilhaften Eigen- 6,4% Propylen, 10,7% Propan und 0,5% C4«Kohlenschaften besitzt, und zwar zielt die Erfindung auf die Wasserstoffe; der Gesamtolefingehalt beträgt also nur Gewinnung von Katalysatoren ab, die in Pillenform 16,7 Molprozent.sufficient activity, sufficient resistance that the gaseous olefins are purified or concentrated against excessive hydrogenation and at the same time. Such olefin gases appear in improved mechanical durability, especially in lower concentrations, in various Rafin pill form compared to the solid phosphoric acid 50 finierungsgasströmmen, mostly diluted with non-commercial catalysts not according to the mentioned settable gases, such as hydrogen, nitrogen, methane, procedures from paste-like masses of ethane and Propane. A useful refinery off-gas is phosphoric acid and silica-like material, e.g. B. from a catalytic cracking plant contains e.g. B. diatomaceous earth can be prepared in accordance with 4.0% nitrogen, 0.2% carbon monoxide, 5.4% Wasserder invention it has been found that a catalyst manufactured fabric 55, 37.8 ° / 0 methane, 10.3% Ethylene, 24.7% ethane, can be provided, which has all these advantageous properties of 6.4% propylene, 10.7% propane and 0.5% C 4 "carbon properties, and the invention aims at the hydrogens; the total olefin content is only obtained from catalysts that are 16.7 mole percent in pill form.
ungewöhnlich hohe Aktivitäten und große mechanische Die Phosphorsäuren, die bei der Herstellung desunusually high activities and great mechanical The phosphoric acids used in the manufacture of the
Haltbarkeit im Gebrauch ohne Anwendung zusätzlicher 60 Katalysators der Erfindung verwendet werden, sind Maßnahmen, wie z. B. ständige Befeuchtung des z. B. Orthophosphorsäure, Pyrophosphorsäure, Katalysators während des Betriebes, miteinander (H4P2O7), Triphosphorsäure (H8P3O10), Tetraphosphor«, vereinigen, also ihre nach der Calcinierung vorliegende säure (H6P4O13) und/oder Hexametaphosphorsäure. Zusammensetzung während der Kondensationsreak- Zweckmäßig verwendet man jedoch Phosphorsäuren tion lange Zeit behalten. 65 mit einem relativ hohen Verhältnis von P2O5 zumDurability in use without using additional catalyst of the invention are measures such as. B. constant moistening of the z. B. orthophosphoric acid, pyrophosphoric acid, catalyst during operation, combine with each other (H 4 P 2 O 7 ), triphosphoric acid (H 8 P 3 O 10 ), tetraphosphorus, that is, their acid present after calcination (H 6 P 4 O 13 ) and / or hexametaphosphoric acid. Composition during the condensation reaction, however, it is useful to keep phosphoric acids for a long time. 65 with a relatively high ratio of P 2 O 5 to
Derartige vorteilhafte Katalysatoren werden gemäß gebundenen Wasser.Such advantageous catalysts are bound water.
der Erfindung dadurch hergestellt, daß man eine Man kann z. B. von einer Säure ausgehen, die etwaof the invention produced by having a one can, for. B. assume an acid that is about
Mischung mit einem Phosphorgehalt, berechnet als 75 bis etwa 100 % H3PO4 oder etwas freies Phosphor-Mixture with a phosphorus content, calculated as 75 to about 100% H 3 PO 4 or some free phosphorus
pentoxyd enthält. Folglich kann sie einen bestimmten Prozentsatz von Pyrosäure enthalten. Innerhalb dieses Konzentrationsbereiches haben die Säuren verschiedene Viskosität und lassen sich leicht mit den Adsorptionsmaterialien vermischen.Contains pentoxide. As a result, it can contain a certain percentage of pyroic acid. Inside this Concentration range, the acids have different viscosities and can easily be mixed with the adsorption materials mix.
Es wurde gefunden, daß Pyrophosphorsäure mit dem Kieselsäurematerial bei Temperaturen etwas über dem Schmelzpunkt (610C) vereinigt werden kann und die Erhitzungsdauer etwas von derjenigen abweichen kann, die bei Orthosäure angewendet wird.It has been found that pyrophosphoric acid can be combined with the silica material at temperatures somewhat above the melting point (61 ° C.) and the heating time can differ somewhat from that which is used with ortho acid.
Triphosphorsäure kann ebenso für die Herstellung von Katalysatoren nach der Erfindung verwendet werden.Triphosphoric acid can also be used for the preparation of catalysts according to the invention will.
Eine andere Phosphorsäure für die Herstellung des Katalysators nach der Erfindung ist Tetraphosphorsäure, welche dem Doppeloxyd der Formel 3 H2O · 2 P2O5 entspricht. Jedoch ist es nicht notwendig, die Tetraphosphorsäure vor ihrer Anwendung zu kristallisieren, sondern die gesamte Tetraphosphorsäuremischung kann direkt mit Kieselsäurematerial vereinigt werden.Another phosphoric acid for the preparation of the catalyst according to the invention is tetraphosphoric acid, which corresponds to the double oxide of the formula 3 H 2 O · 2 P 2 O 5 . However, it is not necessary to crystallize the tetraphosphoric acid prior to its use, rather the entire tetraphosphoric acid mixture can be combined directly with the silica material.
Polyphosphorsäure, wie sie bei der Erhitzung von Orthophosphorsäure und/oder Pyrophosphorsäure in geeigneter Vorrichtung entsteht und deren Gehalt an P2O6 etwa 79 bis etwa 85 Gewichtsprozent beträgt, kann auch verwendet werden und hat sich als besonders zweckmäßig erwiesen. Bei einem P2O5-Gehalt von 79,5% enthält sie 24,5 °/0 Orthophosphorsäure, 45,2% Pyrophosphorsäure, 26,0 % Triphosphorsäure und 4,3% nicht identifizierte Phosphorsäure, oder bei einem P2O5-Gehalt von 84 Gewichtsprozent besteht sie aus 57 Gewichtsprozent Triphosphorsäure, 17 Gewichtsprozent Hexametaphosphorsäure, 11% Pyrophosphorsäure, 5 Gewichtsprozent Orthophosphorsäure und 10 Gewichtsprozent nicht identifizierten Phosphorsäuren.Polyphosphoric acid, such as is produced when orthophosphoric acid and / or pyrophosphoric acid is heated in a suitable device and whose P 2 O 6 content is about 79 to about 85 percent by weight, can also be used and has proven to be particularly useful. In a P 2 O 5 content of 79.5% containing 24.5 ° / 0 orthophosphoric acid, 45.2% pyrophosphoric acid, 26.0% triphosphoric acid, and 4.3% of unidentified phosphoric acid, or with a P 2 O 5 -Content of 84 percent by weight, it consists of 57 percent by weight triphosphoric acid, 17 percent by weight hexametaphosphoric acid, 11% pyrophosphoric acid, 5 percent by weight orthophosphoric acid and 10 percent by weight unidentified phosphoric acids.
Die nach der Erfindung verwendeten kieselsäureartigen Feststoffe sind z. B. Diatomeenerden, Kieselgur und künstlich hergestellte poröse Kieselsäure oder Diatomite, die natürlich vorkommende Kieselgure darstellen, welche durch Erhitzung bei etwa 205 bis 3700C getrocknet wurden und etwa 90% Kieselsäure enthalten. Der Rest besteht aus Metalloxyden und einem Glühverlust von etwa 3,7 %. Die zweite Klasse von Kieselsäurefeststoffen besteht aus Aluminium-Silikaten, wie Fullerden und Tonen, z. B. Bentonit, Montmorillonit, säurebehandelter Ton. Jedes Adsorbens übt seinen eigenen spezifischen Einfluß auf die Wirksamkeit des Katalysators aus, die nicht unbedingt identisch sein muß mit denjenigen von anderen Vertretern dieser Klasse.The silica-like solids used according to the invention are, for. B. diatomaceous earths, kieselguhr and artificially produced porous silica or diatomites, which are naturally occurring kieselguhrs, which have been dried by heating at about 205 to 370 ° C. and contain about 90% silica. The remainder consists of metal oxides and a loss on ignition of about 3.7%. The second class of silica solids consists of aluminum silicates such as full earths and clays, e.g. B. bentonite, montmorillonite, acid-treated clay. Each adsorbent has its own specific influence on the effectiveness of the catalyst, which does not necessarily have to be identical to that of other representatives of this class.
Bei der Herstellung des Katalysatorgemisches nach der Erfindung wird beispielsweise Polyphosphorsäure (84% P2O6) bei etwa 17O0C mit Diatomeenerde von Raumtemperatur in einem Gewichtsverhältnis von etwa 3,0 bis 7,5 vermischt. Das Gemisch ist schwach feucht und wird in einer Presse bei etwa 1700C plastisch, so daß es in Stücke zerschnitten werden kann. Die Teilchen werden dann etwa 0,25 bis 8 Stunden, vorzugsweise etwa 0,5 bis 2 Stunden calciniert.In the preparation of the catalyst mixture according to the invention, polyphosphoric acid (84% P 2 O 6), for example mixed at about 17O 0 C with diatomaceous earth from room temperature in a weight ratio of about 3.0 to 7.5. The mixture is slightly moist and becomes plastic in a press at about 170 ° C. so that it can be cut into pieces. The particles are then calcined for about 0.25 to 8 hours, preferably about 0.5 to 2 hours.
Der feste Phosphorsäurekatalysator der Erfindung ist besonders für eine Verfahrensweise mit festem Bett geeignet. Beim kontinuierlichen Verfahren können die Durchsatzgeschwindigkeiten im Bereich von etwa 0,1 bis 20 oder mehr variiert werden.The solid phosphoric acid catalyst of the invention is particularly useful for solid operation Suitable for bed. In the continuous process, the throughput speeds can be in the range of about 0.1 to 20 or more can be varied.
Auch können in kompakten Fließbettverfahren das Katalysatorbett und die Reaktionskomponenten im Gleichstrom oder im Gegenstrom aneinander vorbeifließen, oder der Katalysator kann in Form von calcinierten Strangpreßlingen in die Reaktionszone gebracht werden. Wenn das Alkylierungsmittel oder die Polymerisationscharge gasförmig ist, kann das Wirbelschichtverfahren angewandt werden.The catalyst bed and the reaction components can also be used in compact fluidized bed processes flow past one another in cocurrent or in countercurrent, or the catalyst can be in the form are brought into the reaction zone by calcined extrudates. When the alkylating agent or the polymerization charge is gaseous, the fluidized bed process can be used.
Ein fester Phosphorsäurekatalysator (Katalysator A) wurde hergestellt durch Einrühren von 43,2 g Diatomeenerde in 160 g Polyphosphorsäure (83,5 % P2O5), welche vorher 20 Minuten auf 1700C vorerhitzt war. Nach 5 Minuten Mischen wurde in einem Ofen bei etwa 1700C ungefähr 30 Minuten erhitzt. Nach den ersten 10 Minuten wurde die Masse jede 5 Minuten gerührt. Vor der Einführung in den Ofen war die Masse feucht und plastisch und blieb weitere 15 Minuten praktisch unverändert in Aussehen und Konsistenz. Während der letzten 5 Minuten entstand jedoch eine harte Masse, die dann aus dem Ofen genommen und mittels einer hydraulischen Presse bei 17O0C extrudiert wurde. Die Preßstränge wurde in Pillen geschnitten und 1 Stunde auf 1700C erhitzt, wonach sie in einem Muffelofen 1 Stunde bei 5600C calciniert wurden.A solid phosphoric acid catalyst (Catalyst A) was prepared by stirring 43.2 g of diatomaceous earth in 160 g of polyphosphoric acid (83.5% P 2 O 5), which was preheated before 20 minutes 170 0 C. After mixing for 5 minutes, the mixture was heated in an oven at about 170 ° C. for about 30 minutes. After the first 10 minutes the mass was stirred every 5 minutes. Before it was put into the oven, the mass was moist and plastic and remained practically unchanged in appearance and consistency for another 15 minutes. During the past 5 minutes, however, a hard mass, which was then removed from the oven and extruded by means of a hydraulic press at 17O 0 C was formed. The Preßstränge was cut into pills and 1 hour at 170 0 C heated, whereafter they were calcined in a muffle furnace for 1 hour at 560 0 C.
Dieser Katalysator wurde für die Alkylierung von Benzol mit Äthylen in folgender Weise benutzt:This catalyst was used for the alkylation of benzene with ethylene in the following way:
Benzol und eine synthetische Mischung aus Äthylen, Äthan und Methan wurden in einen geschlossenen Reaktor mit 193 g Katalysator A eingeführt. Die Reaktion wurde unter Druck von 63 Atm. bei einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 0,75, einem Benzol-Äthylen-Molverhältnis von etwa 10, einer Temperatur von 2900C und einem Wassergehalt von 0,26 Molprozent, bezogen auf den gesamten Ansatz, durchgeführt. Die Versuche wurden in Perioden von 22, 22 und 48 Stunden vorgenommen. Eine spektrometrische Maßanalyse des Ansatzes und des ausströmenden Gases zeigte, daß die Umwandlung des Äthylens praktisch vollständig war. Die gesamten flüssigen Produkte wurden fraktioniert destilliert und die gewünschten Fraktionen einer Infrarotanalyse unterworfen, welche zeigte, daß 85 bis 88% des umgesetzten Äthylens oder 93 bis 95% des umgesetzten Benzols als Äthylbenzol vorlagen.Benzene and a synthetic mixture of ethylene, ethane and methane were introduced into a closed reactor with 193 g of catalyst A. The reaction was carried out under a pressure of 63 atm. at an average rate of 0.75, a benzene-ethylene molar ratio of about 10, a temperature of 290 ° C. and a water content of 0.26 mol percent, based on the total batch. The experiments were carried out in periods of 22, 22 and 48 hours. A spectrometric analysis of the dimensions of the batch and of the gas flowing out showed that the conversion of the ethylene was practically complete. All of the liquid products were fractionally distilled and the desired fractions subjected to infrared analysis, which showed that 85 to 88% of the reacted ethylene or 93 to 95% of the reacted benzene was present as ethylbenzene.
Diese Ergebnisse werden in der folgenden Tabelle veranschaulicht,These results are illustrated in the following table,
% umgesetztes Äthylen, be
rechnet als Äthylbenzol ...
Höhere Aromaten % converted ethylene
% converted ethylene, be
counts as ethylbenzene ...
Higher aromatics
85,1
14,999
85.1
14.9
88,1
11,999
88.1
11.9
87,9
12,197
87.9
12.1
% umgesetztes Benzol, be
rechnet als Äthylbenzol ...
Höhere Aromaten total quantity
% converted benzene, be
counts as ethylbenzene ...
Higher aromatics
93,0
7,0100.0
93.0
7.0
94,3
5,7100.0
94.3
5.7
94,5
5,5100.0
94.5
5.5
Zwei weitere Versuche wurden unter ähnlichen Bedingungen ausgeführt, jedoch bei einer Temperatur von 3150C; die Ergebnisse dieser beiden einzelnen Versuche werden in der folgenden Tabelle veranschaulicht.Two further experiments were carried out under similar conditions, but at a temperature of 315 ° C .; the results of these two separate experiments are illustrated in the table below.
%. umgesetztes Äthylen, berechnet
als Äthylbenzol
Höhere Aromaten % converted ethylene
%. converted ethylene, calculated
than ethylbenzene
Higher aromatics
85,6
14,498
85.6
14.4
86,1
13,998
86.1
13.9
% umgesetztes Benzol, berechnet
als Äthylbenzol
Höhere Aromaten total quantity
% converted benzene, calculated
than ethylbenzene
Higher aromatics
93,0
7,0100.0
93.0
7.0
93,2
6,8100.0
93.2
6.8
% umgesetztes Äthylen .. 5 % converted ethylene .. 5
% umgesetztes Äthylen,
berechnet als Äthylbenzol% converted ethylene,
calculated as ethylbenzene
% umgesetztes Benzol,
berechnet als Äthylbenzol% converted benzene,
calculated as ethylbenzene
86,686.6
87,3187.31
94,1094.10
86,786.7
88,3988.39
94,4394.43
86,786.7
89,1589.15
95,0395.03
Der Katalysator wurde nach einer gesamten Laufzeit von 123 Stunden analysiert, und es wurde gefunden, daß der Gehalt an freiem P2O5 von 12,2% auf 16,7% angestiegen war, während sich der Gehalt an titrierbaremP2O5von 58,0 % auf 56,9 %verringerthatte.The catalyst was analyzed after a total run time of 123 hours, and it was found that the content of free P 2 O 5 was increased from 12.2% to 16.7%, while the content of titrierbaremP 2 O 5 is from 58 .0% to 56.9%.
Um die Vorteile des Katalysators A zu veranschaulichen, wurde der Versuch unter Verwendung von festem Phosphorsäurekatalysator (Katalysator B) wiederholt, welcher nur etwa 75% Phosphorsäure enthielt und bei einer niedrigeren Temperatur, nämlich bei 310 bis 36O0C, calciniert wurde, also nicht im Einklang mit der Erfindung ist. Das Benzol wurde in den Reaktor eingeführt, welcher 185 g Katalysator B enthielt. Das synthetische Gemisch von Äthylen, Äthan und Methan wurde ebenfalls eingeführt. Die Bedingungen waren ähnlich wie beim vorigen Versuch, d. h. der Druck betrug 63 Atm., die Durchsatzgeschwindigkeit 0,75, das Benzol-Äthylen-Molverhältnis etwa 10,8, der Feuchtigkeitsgehalt, bezogen auf den gesamten Ansatz, 0,26 Molprozent und die Temperatur 2900C. Die Versuchsdauer betrug 12, 24, 24 und 23 Stunden. Die Ergebnisse dieser Versuche werden in der folgenden Tabelle dargestellt.To take advantage of the catalyst A to illustrate, was repeated the experiment using solid phosphoric acid catalyst (catalyst B), which is only about 75% of phosphoric acid containing 0 C and at a lower temperature, namely at 310 to 36O, was calcined, ie not in Is consistent with the invention. The benzene was introduced into the reactor which contained 185 grams of Catalyst B. The synthetic mixture of ethylene, ethane and methane was also introduced. The conditions were similar to the previous experiment, ie the pressure was 63 atm., The throughput rate 0.75, the benzene-ethylene molar ratio about 10.8, the moisture content, based on the entire batch, 0.26 mol percent and the temperature 290 ° C. The duration of the experiment was 12, 24, 24 and 23 hours. The results of these tests are shown in the table below.
Bei einem anderen Versuch bestand der Ansatz aus einer synthetischen Mischung von Äthylen, Stickstoff, Wasserstoff und Methan (Äthylengehalt etwa 12 Molprozent). Der aromatische Ansatz bestand aus thiophenfreiem Benzol, und im ersten Teil des Versuchs enthielt er etwa 0,4 Gewichtsprozent Isopropylalkohol, welcher das Wasser für die Hydration des Katalysators liefern sollte. Die Versuchsbedingungen waren die folgenden: Druck etwa 65 Atm., Temperaturbereich von etwa 290°C am Anfang bis etwa 315°C am Ende des Versuches, Durchsatzgeschwindigkeit 0,57 und Benzol-Olefin-Molverhältnis etwa 8. Der Katalysator wurde in der gleichen Weise hergestellt wie Katalysator A, d. h., es wurde eine Mischung von etwa 80% Polyphosphorsäure und 20% Diatomeenerde bereitet, die dann extrudiert und in Teilchen geschnitten wurde, die 1 Stunde bei 5600C calciniert wurden. Die Ergebnisse eines 580stündigen Dauertests, und zwar in bezug auf Aktivität, Stabilität, Produktverteilung und Qualität des Katalysators, sind in folgender Tabelle zusammengestellt. In another experiment, the approach consisted of a synthetic mixture of ethylene, nitrogen, hydrogen and methane (ethylene content about 12 mole percent). The aromatic batch consisted of thiophene-free benzene, and in the first part of the experiment it contained about 0.4 percent by weight isopropyl alcohol, which was supposed to provide the water for the hydration of the catalyst. The test conditions were as follows: pressure about 65 atm., Temperature range from about 290 ° C at the beginning to about 315 ° C at the end, flow rate 0.57 and benzene-olefin molar ratio about 8. The catalyst was processed in the same way prepared as catalyst A, ie a mixture of about 80% polyphosphoric acid and 20% diatomaceous earth was prepared, which was then extruded and cut into particles, which were calcined at 560 ° C. for 1 hour. The results of a 580 hour long-term test with regard to activity, stability, product distribution and quality of the catalyst are shown in the table below.
Katalysatoralter in Stunden:Catalyst age in hours:
Beginn der Umlaufzeit Beginning of the orbital period
Ende der Umlaufzeit End of the orbit period
Molprozent Wasser (gesamter Ansatz) ...Mol percent water (entire batch) ...
Katalysatortemperatur, 0C Catalyst temperature , 0 C
% umgesetztes Äthylen (Durchschnitt) ..% converted ethylene (average) ..
% umgesetztes Propylen % converted propylene
% umgesetztes Äthylen, berechnet als% ethylene converted calculated as
Äthylbenzol Ethylbenzene
s-Butylbenzol s-butylbenzene
Diäthylbenzol Diethylbenzene
Rückstände, berechnet als DiäthylbenzoleResidues calculated as diethylbenzenes
Gesamtmenge total quantity
% umgesetztes Propylen, berechnet als% propylene converted calculated as
Cumol Cumene
«-Methylstyrol «-Methylstyrene
Gesamtmenge total quantity
% umgesetztes Benzol, berechnet als% benzene converted calculated as
Toluol toluene
Äthylbenzol Ethylbenzene
Cumol Cumene
α-Methylstyrol α-methylstyrene
s-Butylbenzol s-butylbenzene
Diäthylbenzol Diethylbenzene
Rückstände Residues
Gesamtmenge total quantity
125125
290 77,4 100,0290 77.4 100.0
81,581.5
14,1 4,414.1 4.4
100,0 100,0100.0 100.0
100,0100.0
0,20.2
84,884.8
5,45.4
7,3 2,37.3 2.3
248
268248
268
0,250.25
100,0 100,0 317
82,6
100,0100.0 100.0 317
82.6
100.0
100,0100.0
372
388372
388
317
85,5317
85.5
100,0100.0
468
484468
484
318
90,0318
90.0
484
580484
580
0,006 318
90,00.006 318
90.0
91,2 0,7 3,1 5,091.2 0.7 3.1 5.0
100,0100.0
0,1 95,30.1 95.3
Der flüssige Ansatz der Periode von der 372. bis zur 580. Stunde enthielt reines Benzol ohne Isopropylalkohol. Vor dieser Periode wurde der Isopropylalkohol dehydriert, um 0,25 Molprozent Wasser zu liefern. Die Ergebnisse zeigen, daß die Alkylierung des Benzolansatzes unter im wesentlichen trocken Bedingungen, d. h. nach 364 Stunden und bei annähernd 317° C, eine Verbesserung in der Äthylenumsetzung wie auch eine wesentliche Verbesserung in der Wirksamkeit der Umsetzung des Äthylens und des Benzols zu Äthylbenzol bewirkte. Während des letzten Viertels des Versuchs (zwischen der 460. und der 580. ^Stunde) wurden weniger als 10% des umgesetzten Äthylens und nur 5% des umgesetzten Benzols in Material umgesetzt, dessen Siedepunkt über dem des Äthylbenzols lag.The liquid mixture for the period from the 372nd to the 580th hour contained pure benzene without isopropyl alcohol. Prior to this period, the isopropyl alcohol was dehydrated to add 0.25 mole percent water deliver. The results show that the alkylation of the benzene batch is essentially dry Conditions, d. H. after 364 hours and at approximately 317 ° C, an improvement in the ethylene conversion as well as a substantial improvement in the effectiveness of the conversion of ethylene and benzene to ethylbenzene caused. During the last quarter of the attempt (between the 460th and 580th ^ hour) less than 10% of the ethylene converted and only 5% of the benzene converted into material implemented whose boiling point was above that of ethylbenzene.
Der Katalysator wurde nach Beendigung des Versuchs aus dem Reaktor entfernt und zeigte eine Oberflächendruckfestigkeit von etwa 5,27 kg, einen Kohlenstoffgehalt von weniger als l°/0 und einen freien P2O5-Gehalt, der von 12,4% auf etwa 17% angestiegen war, während anscheinend kein Verlust der gesamten titrierbaren P2O5-Menge eingetreten war; der frische Katalysator besaß einen gesamten titrierbaren P2O5-Gehalt von 58,30% und der gebrauchte Katalysator von 58,26%. (Die gesamte titrierbare P2O6-Menge stellt einen leicht bestimmbaren analytischen Wert dar, welcher für Vergleichsversuche sehr geeignet ist, jedoch nicht den wirklichen gesamten P2O5-Gehalt darstellt, der durch die sorgfältigere bzw. umständlichere gravimetrische Analyse bestimmt werden kann.)The catalyst was removed after completion of the test from the reactor and exhibited a surface compressive strength of about 5.27 kg, a carbon content of less than l ° / 0 and a free P 2 O 5 content, of from 12.4% to about 17 % had increased while there was apparently no loss of the total titratable amount of P 2 O 5 ; the fresh catalyst had a total titratable P 2 O 5 content of 58.30% and the used catalyst of 58.26%. (The total titratable amount of P 2 O 6 represents an easily determinable analytical value, which is very suitable for comparative experiments, but does not represent the real total P 2 O 5 content, which can be determined by the more careful or more complicated gravimetric analysis .)
Es ist zu ersehen, daß der besondere Katalysator, welcher bei der Reaktion benutzt wurde und aus einer Mischung aus 80% Polyphosphorsäure vor der Calcinierung hergestellt wurde und bei relativ hoher Temperatur von über 530° C calciniert wurde, als Alkylierungs- oder Kondensationskatalysator bei relativ niederen Temperaturen und ohne zusätzlichen Feuchtigkeitszusatz zur Aufrechterhaltung der Aktivität des Katalysators verwendet werden kann.It can be seen that the particular catalyst which was used in the reaction and of a Mixture of 80% polyphosphoric acid was prepared before calcination and at relatively high levels Temperature of over 530 ° C was calcined, as an alkylation or condensation catalyst at relatively low temperatures and without additional moisture to maintain activity of the catalyst can be used.
Claims (3)
USA.-Patentschriften Nr. 2 525145, 2 584102; kanadische Patentschrift Nr. 560 670.Considered publications:
U.S. Patent Nos. 2,525,145, 2,584,102; Canadian Patent No. 560,670.
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BE583542A (en) | 1900-01-01 |
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