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Verfahren zur Herstellung von teilweise geschwefelten Nickelkatalysatoren
Nickelmetallkatalysatoren, die das Nickel insbesondere auf einem Träger enthalten,
sind bekannt.
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Bekannt ist weiterhin die hohe Reaktivität solcher Materialien gegen
Schwefel und Schwefelverbindungen, und zwar insbesondere gegen Schwefelverbindungen,
die in der täglichen Praxis der Erdölraffination auftreten können. Typische Beispiele
hierfür sind Schwefelwasserstoff und Mercaptane.
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Das Nickelmetall der Katalysatoren nimmt Schwefel aus diesen Verbindungen
unter Bildung von Schwefel-Nickel-Verbindungen auf. Diese Erscheinung wird nach
alten Vorschlägen, einerseits z. B. zur Entschwefelung von Erdölfraktionen und andererseits
zur Bildung von geschwefelten Nickelkatalysatoren, ausgenutzt.
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Bei den bekannten Verfahren zur Schwefelung von Nickelkatalysatoren
steigt normalerweise der Schwefelungsgrad, bis schließlich ein durch und durch geschwefelter
Katalysator erhalten wird. Sollen teilweise geschwefelte Nickelkatalysatoren erhalten
werden, dann müssen besondere Verfahrensmaßnahmen getroffen werden. So wird die
Schwefelung von Nickeloxyd bei dem Verfahren nach der USA.-Patentschrift 2 780 584
unter sorgfältiger Kontrolle von Druck und Temperatur, gegebenenfalls in Gegenwart
von Wasserstoff, bis zum gewünschten Schwefelungsgrad durchgeführt und dann abgebrochen.
Als Schwefelungsmittel werden Schwefelwasserstoff oder Schwefeldioxyd verwendet.
Dieses Verfahren ist schwer reproduzierbar und außerdem in der Durchführung sehr
aufwendig. Insbesondere bei Nickeloxydteilchen mit unterschiedlicher Größe kann
es vorkommen, daß der Katalysator zwar einen mittleren Schwefelungsgrad zeigt, der
dem gewünschten Wert entspricht, es sich jedoch dann herausstellt, daß die einzelnen
Teilchen des Katalysators zum Teil Überaktivität und zum Teil Unteraktivität zeigen.
Hierunter leidet die Selektivität des Katalysators.
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Es ist auch ein Verfahren zur Herstellung von teilweise geschwefelten
Katalysatoren vorgeschlagen worden, bei dem man feinverteiltes metallisches Nickel
bei Temperaturen von 0 bis 200"C mit Thiophenen, Thiacycloalkanen mit wenigstens
4 Kohlenstoffatomen im Ring und/oder Dialkylmonosulfiden schwefelt. Diese Schwefelverbindungen
haben die Eigenschaft, im angegebenen Temperaturbereich mit Nickel nur bis zur partiellen
Schwefelung des Nickels zu reagieren. Nach Erreichen der partiellen Schwefelung
kann man unbegrenzte Mengen dieser Schwefelverbindungen über den Katalysator führen,
ohne daß eine weitere Schwefelung eintritt. Es besteht somit bei diesem Verfahren
keine Gefahr, daß die
Schwefelung der Katalysatoren zu weit fortschreitet.
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Die Erfindung vermeidet die Nachteile der bekannten Verfahren. Dabei
werden beim erfindungsgemäßen Verfahren Nickelkatalysatoren erhalten, die gegenüber
Luft stabil sind.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von teilweise
geschwefelten Nickelkatalysatoren durch Schwefelung von Nickel mit Thiophenen, Thiacycloalkanen
mit wenigstens 4 Kohlenstoffatomen im Ring und/oder Dialkylmonosulfiden bei Temperaturen
von 0 bis 200"C unter Aufnahme von 1 bis 40 Molprozent Schwefel, bezogen auf das
elementare Nickel im unbehandelten Katalysator, wobei das Nickel vor der Schwefelung
in elementarer und feinverteilter oder dispergierter Form mit einem freien Sauerstoff
enthaltenden Gas bei solchen Nickelbettemperaturen behandelt wird, daß die Temperatur
in jedem Teil des Bettes unter 250"C liegt, wobei diese Behandlung auf eine oberflächliche
Oxydation beschränkt wird, und das derart oxydierte Nickel dann geschwefelt wird.
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Auf Grund der Oberflächenoxydation sind die Nickelkatalysatoren gegenüber
Luft stabil. Somit können größere Mengen produziert werden, als sie für eine einzelne
Anlage erforderlich sind. Auf Grund ihrer Stabilität gegenüber Luft sind die Katalysatoren
auch transportfähig. Es werden spezielle Einrichtungen am Einsatzort zur Aktivierung
der Katalysatoren durch Umwandlung von Nickelverbindungen in elementares Nickel
überflüssig.
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Die Behandlung mit dem sauerstoffhaltigen Gas wird im allgemeinen
wenigstens bei Umgebungstemperatur
durchgeführt. Vorzugsweise liegt
die Temperatur im Bereich von 20 bis 100"C, und als sauerstoffhaltiges Gas wird
besonders Luft eingesetzt.
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Erst im Anschluß an die Oberflächenoxydation wird der Katalysator
mit einer der schwefelhaltigen Verbindungen behandelt. Variierbare Bedingungen der
Behandlung mit den Schwefelverbindungen sind die Temperatur, der Druck und die Strömungsgeschwindigkeit.
Die Schwefelverbindungen werden gewöhnlich in der Dampfphase oder als Lösung in
einem Lösungsmittel angewendet. Vor dem Einsatz wird der Katalysator vorzugsweise
mit Wasserstoff behandelt.
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Die Katalysatoren können gemäß der Erfindung unter Verwendung von
trägerfreiem elementarem Nickel hergestellt werden. Vorzugsweise wird das Nickel
als Auftrag auf einem Katalysatorträger verwendet. Das Nickel kann in beliebiger
zweckmäßiger Weise gebildet werden, z. B. a) durch Zersetzung von Nickelnitrat durch
Wärme und anschließende Reduktion oder b) durch Zersetzung von Nickelformiat durch
Wärme.
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Die Herstellung von Katalysatoren aus elementarem Nickel auf Trägern
kann in bekannter Weise erfolgen. Die folgenden drei Methoden werden lediglich als
Beispiel beschrieben. a) Der Katalysator kann nach einer Imprägniermethode hergestellt
werden. Hierbei löst man ein Nickelsalz, z. B. Nickelnitrat, in Wasser und imprägniert
damit das Trägermaterial. Das Trägermaterial hat zweckmäßig die Form von Granulat
jeder gewünschten Größe, das aus dem gemahlenen Trägermaterial geformt wird. Nach
der Imprägnierung wird der Katalysator getrocknet. Er liegt dann in einer Form vor,
in der er für lange Zeit ohne Verschlechterung gelagert werden kann. Zum Gebrauch
muß der Katalysator aktiviert werden. Dies geschieht durch Erhitzen zwecks Zersetzung
des Salzes. Im Falle des Nitrats ist hierzu eine Temperatur von etwa 500 bis 550"C
erforderlich, durch die das Nickel in das Oxyd umgewandelt wird. Die endgültige
Aktivierung durch Reduktion zu metallischem Nickel kann in strömendem Wasserstoff
oder wasserstoffhaltigem Gas bei Temperaturen von 150 bis 600"C und Drücken von
1 bis 15 kg/cm2 erfolgen. Die Behandlungsdauer hängt von der Temperatur ab.
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Als typische Bedingungen bei Verwendung von Sepiolith als Katalysatorträger
kommen 16 Stunden bei 500"C und Normaldruck in Frage. Eine Schädigung des Sepioliths
tritt jedoch auch nicht ein, wenn er auf Temperaturen oberhalb von 6000 C erhitzt
wird. b) Der Katalysator kann durch Mischen von trockenem Nickellormiat mit dem
pulverförmigen Katalysatorträger und anschließendes Granulieren des Gemisches hergestellt
werden. Diese Herstellungsmethode hat den Vorteil, daß ein Salz, wie das Nickelformiat,
in nicht oxydierender Atmosphäre, z. in einem Inertgas oder in strömendem Wasserstoff,
bei Temperaturen von 150 bis 300"C unmittelbar (ohne den Umweg « über die Oxydstufe)
zu Nickel reduziert wird. Bei -250"C genügt gewöhnlich eine Behandlungsdauer von
4 Stunden. Diese Methode hat den Vorteil, daß keine großen Katalysatormengen auf
Temperaturen von 500"C und darüber erhitzt werden müssen. c) Der Katalysator kann
nach einem Verfahren hergestellt werden, bei dem der wasserlösliche Komplex ausgenutzt
wird, der bei der Auflösung von
Nickelformiat in Ammoniak gebildet wird. Dieser Komplex
zerfällt durch Erhitzen, wobei wieder Nickelformiat entsteht. Bei Verwendung dieses
wasserlöslichen Komplexes können Katalysatoren nach der Imprägniermethode aus normalerweise
wasserunlöslichen Verbindungen hergestellt werden, z. B. aus Nickelformiat, das
in Ammoniakwasser gelöst und in Form dieser Lösung zur Imprägnierung von Granulat
des Trägermaterials dient. Der Katalysator wird dann getrocknet. Die Aktivierung
erfolgt auf die unter b) beschriebene Weise.
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Wenn der Nickelkatalysator nach der Reduktion mit der Luft in Berührung
kommt, kann spontane Oxydation des Nickels zum Oxyd stattfinden.
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Der aktivierte Katalysator enthält vorzugsweise 2 bis 200/o Nickel,
bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators.
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Für die Behandlung mit Gasen, die freien Sauerstoff enthalten, und
mit schwefelhaltigen Verbindungen der genannten Art eignen sich Katalysatoren, die
aus Nickel auf Aluminiumoxyd, Kieselgur, Kreide und Kieselsäuregel bestehen. Bevorzugt
wird Nickel aus Sepiolith.
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Sepiolith ist ein im Handel erhältliches Tonmineral, das in der Natur
vorkommt und auch synthetisch hergestellt werden kann. Er hat die Idealformel H4MgDSil2080
(OH) lo 6 HaO und ist auch als Meerschaum bekannt.
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Sepiolith hat gegenüber einigen anderen Trägern, wie Aluminiumoxyd,
den Vorteil, daß das Nickelsalz während des Erhitzens des Katalysators zwecks Umwandlung
des Nickelsalzes in das Oxyd nicht mit dem Sepiolith reagiert und die endgültige
Reduktion bei niedrigerer Temperatur durchgeführt werden kann, als sie für Nickel-Aluminiumoxyd-Katalysatoren
erforderlich ist.
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Eine besondere Klasse von schwefelhaltigen Verbindungen zur Verwendung
bei der Herstellung der Katalysatoren bilden die Thiophene. Vorzugsweise werden
schwefelhaltige Verbindungen mit 4 bis 10 Kohlenstoffatomen im Molekül verwendet.
Zweckmäßig wird zur Modifizierung des Katalysators ein Benzin verwendet, das Schwefel
überwiegend oder ausschließlich in Form von Thiophenen enthält.
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Vorzugsweise werden dampfgekrackte Benzine eingesetzt, die hergestellt
werden, indem Erdöldestillatfraktionen, z. B. primäre Flashdestillat- oder Naphthafraktionen,
die vorzugsweise im Bereich von 50 bis 250"C sieden, in Gegenwart von Wasserdampf
gekrackt werden. Die Kracktemperaturen bei der Herstellung der beim Verfahren gemäß
der Erfindung eingesetzten Benzine liegen vorzugsweise oberhalb von 593°C. Geeignet
sind Temperaturen im Bereich von 593 bis 760"C. Die Krackung erfolgt zweckmäßig
bei Drücken im Bereich von 1 bis 5,2 kg/cm2.
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Der Gesamtschwefelgehalt der Benzine liegt vorzugsweise-bei 0,005
bis 0,2 Gewichtsprozent.
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Soll der Katalysator zur Behandlung von-Einsatzmaterialien verwendet
werden, die die zur teilweisen Deaktivierung des teiloxydierten Nickelkatalysators
erforderlichen Schwefelverbindungen enthalten, kann die Deaktivierung gegebenenfalls
während der Anfahrzeit vorgenommen werden.
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Die gemäß der Erfindung hergestellten Katalysatoren sind im allgemeinen
nicht so aktiv wie Katalysatoren aus elementarem Nickel, die nicht mit schwefelhaltigen
Verbindungen behandelt worden
sind. Zwar schließt dies ihre Verwendung
für Verfahren aus, bei denen hochaktive Katalysatoren gebraucht werden, jedoch gibt
es gewisse Verfahren, bei denen sie den unbehandelten Nickelkatalysatoren überlegen
sind. So eignen sich die Katalysatoren zur Verwendung bei Isomerisierungsverfahren,
z. 3. bei der Isomerisierung von olefinischen Kohlenwasserstoffen durch Verschieben
der Doppelbindung.
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Besonders gut eignen sich die Katalysatoren für gewisse Verfahren
zur selektiven Hydrierung, etwa zur Hydrierung von stark ungesättigten Kohlenwasserstoffen,
wie Dienen und Acetylenen, zu Monoolefinen, gegebenenfalls in Gegenwart von Monoolefinen,
Wasserstoff und/oder Kohlenoxyd.
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Beispielsweise kann der Katalysator zur selektiven Hydrierung von
dampfgekracktem Benzin zwecks Zerstörung der Harzbildner, z. B. von Dienen, eingesetzt
werden, ohne daß eine wesentliche Umwandlung von Monoolefinen zu Paraffinen stattfindet
Die Arbeitsbedingungen, die vorzugsweise zur Durchführung dieser Hydrierung angewendet
werden, sind in der britischen Patentschrift 848 232 genannt. Materialien, die eine
zur Vorbehandlung der Katalysatoren geeignete organische Schwefelverbindung enthalten,
sind dampfgekrackte Benzine, die einen Schwefelgehalt im Bereich von 0,005 bis 0,04
Gewichtsprozent aufweisen und bei Kracktemperaturen oberhalb von 593°C erhalten
worden sind.
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Die zur Bildung des Katalysators verwendete Nickelverbindung kann
in einem Nickelkatalysator enthalten sein, der in einer Hydrierreaktion, z. B. bei
der vorstehend genannten Behandlung von dampfgekracktem Benzin, bis zur Erschöpfung
gebraucht worden ist. Der ausgebrauchte Katalysator wird vorzugsweise einer Behandlung
unterworfen, durch
die sein Nickelgehalt in eine Nickelverbindung der vorstehend
genannten Art umgewandelt wird, bevor die erneute Umwandlung in elementares Nickel
und die Behandlung mit einer schwefelhaltigen Verbindung gemäß der Erfindung vorgenommen
werden.
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Beispiel 1 Bei Normaldruck wurden folgende Versuche durchgeführt:
a) Aktivierung: Nickelformiat auf Sepiolith (10 Gewichtsprozent Ni) wurde durch
lstündige Behandlung in Wasserstoff bei 1000 V/V/Std. und 250°C aktiviert und dann
auf die Behandlungstemperatur gekühlt. b) Oxydation: Der aktivierte Nickelkatalysator
wurde dann mit sauerstoffhaltigen synthetischen Gemischen oder mit Luft unter den
in Tabelle 1 genannten Bedingungen behandelt. Die Temperatur wurde mit Thermoelementen
im Katalysatorbett gemessen. Die angegebene Temperatur ist das registrierte Maximum.
c) Schwefelung: Die behandelten Katalysatoren wurden entweder mit V2O/0 Thiophen
oder mit 1 °/o Thiacyclopentan, gelöst in n-Heptan, bei 2 V/V/Std. behandelt. d)
Aktivitätsteste: Diese wurden unmittelbar nach der Behandlungsstufe und erneut nach
der Schwefelung so durchgeführt, daß n-Heptan, das 10°/o Isopren enthielt, bei 2V/V/Std.
und 100°C in Wasserstoff als Trägergas über den Katalysator geleitet wurde. Das
Ausmaß der Hydrierung des Diens wurde durch Gaschromatographie gemessen.
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Tabelle 1
Ver- Pro Ni-Atom Isopren-Aktivitätstest |
such Behandlung übergeleitete bei 100°C |
Nr. Sauerstoffatome Paraffin Monoolefin Dien |
32 Gemisch von He mit 10/o 02, 18 bis 250"C, 1 Stunde, 1,06
100 0 0 |
Schwefelung mit 0,5 0/o Thiophen in n-C7, 1000 C, |
0,5 Stunden .................. .................. 4,1 95,9
0 |
33 Os1°/o O2 in He, 18 bis 250°C, 5 Stunden .......... 1,00
100 0 0 |
Schwefelung mit 0,5 0/o Thiophen in n-C7, 100"C, |
0,5 Stunden . .................. 1,6 98,4 0 |
38 1,80/o O2 in He, 22°C, 20 Minuten .................. 0,93
- - - |
Schwefelung mit 1°/o Thiacyclopentan, 100"C, |
1 Stunde .................. 2,8 86,2 11,0 |
56 a) Behandlung mit Luft |
bei 105°c, 10 Minuten .................. ... 1,38 100 0 0 |
bei 152°C, 10 Minuten . .................. 0,94 20,4 79,6 0 |
bei 206°C, 15 Minuten .................. ... 1,68 Spur 5,5
94, 5 |
Behandlung mit H2 |
bei 1055c, 50 Minuten .................. ... 1,9 97,6 0,5 |
bei 105"C, 4,5 Stunden .................. ... 33,0 67,0 0 |
bei 105°C, 7,5 Stunden. .................. 35,0 65,0 0 |
bei 105°C, 96 Stunden .................. 100,0 0 0 |
b) Erneute Behandlung mit Luft |
bei 306°C, 15 Minuten .................. ... 1,82 4,1 1,8 94,1 |
Behandlung mit H2 bei 105"C, 4 Stunden ..... 0 2,2 97,8 |
Schwefelung mit 0,5 0/o Thiophen in n-C7, 107 |
bis 206°c, 3 Stunden .................. 8,8 90,3 0,9 |
Die ersten drei Versuche zeigen, daß die Behandlung mit sauerstoffhaltigen
Gemischen bei Temperaturen bis zu 250"C und anschließende Schwefelung bei 100°C
mit Thiophen und Thiacyclopentan einen Katalysator ergibt, der normale Aktivität
und Selektivität aufweist.
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Der erste Teil des Versuchs 56 veranschaulicht, daß trotz eines anfänglichen
Aktivitätsabfalls nach erschöpfender Behandlung mit Luft, insbesondere bei den höheren
Temperaturen, die Aktivität durch Wasserstoffbehandlung bei 100°C wiederhergestellt
werden kann. Der zweite Teil des Versuchs 56 zeigt, daß ein Katalysator, der bis
zur Erschöpfung mit Luft bei 300"C behandelt worden ist, durch Schwefelung bei 200"C
wieder aktiv und selektiv gemacht werden kann.
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Der erste Teil des Versuchs 56 veranschaulicht, daß trotz eines anfänglichen
Aktivitätsabfalls nach erschöpfender Behandlung mit Luft, insbesondere bei den höheren
Temperaturen, die Aktivität durch Wasserstoffbehandlung bei 100°C wiederhergestellt
werden kann. Der zweite Teil des Versuchs 56 zeigt, daß ein Katalysator, der bis
zur Erschöpfung mit Luft bei 300"C behandelt worden ist, durch Schwefelung bei 200"C
wieder aktiv und selektiv gemacht werden kann.
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Beispiel 2 Zwei weitere Versuche wurden durchgeführt, um die Ausführbarkeit
der Schwefelung eines sauerstoffbehandelten Katalysators zu veranschaulichen. Bei
diesen Versuchen wurde ein Gemisch von 8,5 Volumprozent Sauerstoff in Stickstoff
über den aktivierten Nickelkatalysator bei 60 bzw. 210°C und Normaldruck geleitet.
Dann wurden Hydrierversuche durchgeführt, bei denen als Einsatzmaterial 10°/o Isopren
in n-Heptan mit einem Thiophengehalt von 0,48 g/ 100 cm3 Ausgangsmaterial bei 100°C,
15 kg/cm2 und 2 V/V/Std. mit Wasserstoff als Trägergas (250 V/V/Std.) verwendet
wurde. Das Ausmaß der Hydrierung des Isoprens ergibt sich aus Tabelle 2.
Tabelle
2
Isopren-Aktivitätstest |
Oxydationsbehandlung Mono- |
olenn |
60°C, 230 V/V/Std., stunde 3,0 97,0 0 |
210°C, 160 V/V/Std., stunde | 0,8 99,2 0 |
Patentansprüche : 1. Verfahren zur Herstellung von teilweise geschwefelten Nickelkatalysatoren
durch Schwefelung von Nickel mit Thiophenen, Thiacycloalkanen mit wenigstens 4 Kohlenstoffatomen
im Ring und/oder Dialkyhnonosulfiden bei Temperaturen von 0 bis 200"C unter Aufnahme
von 1 bis 40 Molprozent Schwefel - bezogen auf das elementare Nickel im unbehandelten
Katalysator -, d a d II r c h g ek e n n z e i c h n e t, daß das Nickel vor der
Schwefelung in elementarer und feinverteilter oder dispergierter Form mit einem
freien Sauerstoff enthaltenden Gas bei solchen Nickelbettemperaturen behandelt wird,
daß die Temperatur in jedem Teil des Bettes unter 250"C liegt, wobei diese Behandlung
auf eine oberflächliche Oxydation beschränkt wird, und das derart oxydierte Nickel
dann geschwefelt wird.