DE19804712A1 - Verfahren zur Standzeitverlängerung von mit Goldteilen belegten Trägerkatalysatoren für die Oxidation ungesättigter Kohlenwasserstoffe - Google Patents
Verfahren zur Standzeitverlängerung von mit Goldteilen belegten Trägerkatalysatoren für die Oxidation ungesättigter KohlenwasserstoffeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von mit nanoskaligen Gold
partikeln belegten Trägerkatalysatoren für die katalytische Herstellung von Epoxiden
aus ungesättigten Kohlenwasserstoffen in der Gasphase durch Oxidation
ungesättigter Kohlenwasserstoffe mit molekularem Sauerstoff in Gegenwart von
molekularem Wasserstoff, sowie die Verwendung dieser behandelten Katalysatoren
für die Herstellung von Epoxiden.
Direktoxidationen von ungesättigten Kohlenwasserstoffen mit molekularem Sauer
stoff in der Gasphase verlaufen normalerweise - selbst in Gegenwart von Katalysato
ren - nicht unterhalb von 200°C, und es ist daher schwierig, oxidationsempfindliche
Oxidationsprodukte, wie z. B. Epoxide, Alkohole oder Aldehyde, selektiv herzustel
len, da die Folgereaktionen dieser Produkte häufig schneller als die Oxidation der
eingesetzten Olefine verlaufen.
Propenoxid stellt eine der wichtigsten Grundchemikalien der Chemischen Industrie
dar. Das Einsatzgebiet liegt mit einem Anteil von über 60% im Kunststoffsektor,
speziell zur Herstellung von Polyetherpolyolen für die Synthese von Polyurethanen.
Daneben werden noch größere Marktanteile im Bereich der Glykole, besonders bei
den Schmier- und Frostschutzmitteln, von den Propenoxid-Derivaten belegt.
Heute werden weltweit etwa 50% des Propenoxids über das "Chlorhydrin-Ver
fahren" synthetisiert. Weitere 50%, mit steigender Tendenz, liefern die "Oxiran-
Verfahren".
Beim Chlorhydrinverfahren (F. Andreas et al.; Propylenchemie, Berlin 1969) wird
durch Reaktion von Propen mit HOCl (Wasser und Chlor) zuerst das Chlorhydrin
und anschließend hieraus durch Abspaltung von HCl mit Kalk bzw. Natronlauge das
Propenoxid gebildet. Das Verfahren ist kostenintensiv, weist aber bei entsprechender
Optimierung eine hohe Selektivität (<90%) bei hohen Umsätzen auf. Der
Chlorverlust beim Chlorhydrin-Verfahren in Form wertloser Calciumchlorid- bzw.
Natriumchlorid-Lösungen und die damit verbundene hohe Salzfracht im Abwasser
haben frühzeitig zur Suche nach chlorfreien Oxidationssystemen geführt.
Die Oxiranverfahren verwenden anstelle des anorganischen Oxidationsmittels HOCl
organische Verbindungen zur Übertragung von Sauerstoff auf Propen. Die indirekte
Epoxidation beruht auf der Tatsache, daß organische Hydroperoxide in flüssiger
Phase ihren Peroxidsauerstoff selektiv auf Olefine unter Bildung von Epoxiden
übertragen können. Die Hydroperoxide gehen dabei in Alkohole über.
Hydroperoxide werden durch Autoxidation mit Luft oder molekularen Sauerstoff aus
den entsprechenden Kohlenwasserstoffen erzeugt. Ein gravierender Nachteil der
indirekten Oxidation ist die wirtschaftliche Abhängigkeit des Propenoxidwertes vom
Marktwert des Koppelproduktes, sowie die kostenintensive Herstellung der
Oxidationsmittel.
Mit Titansilicalit (TS 1) als Katalysator (Notari et al., US 44 10 501 (1983) und US 47 01 428)
war es erstmalig möglich, Propen mit Wasserstoffperoxid in der Flüssig
phase unter sehr milden Reaktionsbedingungen mit Selektivitäten < 90% zu
epoxidieren (Clerici et al., EP-A 230 949).
Die Propenoxidation gelingt mit geringer Ausbeute in der Flüssigphase an platinme
tallhaltigen Titansilikaliten mit einem Gasgemisch bestehend aus molekularem
Sauerstoff und molekularem Wasserstoff (JP-A 92/352771).
In EP-A 0 709 360 A1 (Haruta et al.) wird erstmalig eine Gasphasen-Direktoxidation
von Propen zu Propenoxid mit 100%iger Selektivität beschrieben. Es handelt sich
hierbei um eine katalytische Gasphasenoxidation mit molekularem Sauerstoff in
Gegenwart des Reduktionsmittels Wasserstoff. Als Katalysator wird spezielles Titan
dioxid mit einer Anatas-Rutil Mischmodifikation (P 25, Degussa) verwendet, das mit
nanoskaligen Goldteilchen belegt ist. Die beschriebenen Au/TiO2-Katalysatoren und
neue Katalysatoren mit nanoskaligen Goldteilchen, hergestellt auf der Basis von
Titanoxidhydraten als Träger, erreichen nach 10-30 min den höchsten Propenumsatz.
Dieser anfängliche hohe Propenumsatz fällt aber bereits nach 100-300 min auf die
Hälfte, auch bei Anwendung von moderaten Reaktionstemperaturen (40-50°C), ab.
Für eine wirtschaftliche Nutzung ist daher die Entwicklung von Katalysatoren mit
stark erhöhter Katalysatorstandzeit unbedingt weiter notwendig.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Katalysatorstandzeiten von
mit nanoskaligen Goldpartikeln belegten Trägerkatalysatoren für die katalytische
Herstellung von Epoxiden aus ungesättigten Kohlenwasserstoffen in der Gasphase.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Standzeitverlängerung von mit
Goldteilchen belegten Trägerkatalysatoren für die Oxidation ungesättigter
Kohlenwasserstoffe, bei dem man den Katalysator vor oder während seiner
Verwendung zur Oxidation ungesättigter Kohlenwasserstoffe mit der wäßrigen oder
alkoholischen Lösung eines neutral oder sauer reagierenden Reagens in Kontakt
bringt, wäscht, trocknet und gegebenenfalls kalziniert.
Bevorzugt werden hierbei Reagenzien aus der Gruppe der Alkali- und
Erdalkalisulfate bzw. -fluoride sowie verdünnte Säuren eingesetzt.
Besonders bevorzugt sind die neutral reagierenden Reagenzien aus der Gruppe
Na2SO4, MgSO4 sowie Säuren wie z. B. Schwefelsäure oder Flußsäure.
Die Verlängerung der Standzeit kann bei allen mit Goldteilchen belegten Trägerkata
lysatoren auf der Basis von Titansilicalit, Titanoxid (Rutil und/oder Analog-
Modifikationen) oder Titanoxidhydrat vorteilhaft erreicht werden. Bevorzugt wurden
diese Katalysatoren dabei nach der "deposition-precipitation"-Methode hergestellt.
Es ist überraschend, daß insbesondere die Behandlung der Katalysatoren mit neutral
oder durch Hydrolyse sauer reagierenden Salzen (z. B. Natriumsulfat,
Magnesiumsulfat, Natriumhydogensulfat) und/oder mit Säuren wie Schwefelsäure
und Flußsäure eine deutliche Standzeitverlängerung bei höheren Aktivitäten,
verglichen mit den in schwach basischen Milieu hergestellten Kontakten, ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird der reduzierte Goldkontakt vor
seiner Verwendung zur Epoxidierung mit einer verdünnten Säure oder mit der
Lösung eines neutral oder sauer reagierenden Salzes in Wasser oder einem Alkohol
umgesetzt, von dieser Lösung abgetrennt, gegebenenfalls mit Wasser und/oder einem
Lösungsmittel gewaschen, getrocknet, gegebenenfalls kalziniert und anschließend
zur Epoxidierung eines Olefins eingesetzt. Die Konzentration der zur Behandlung
des Katalysators verwendeten Salzlösung kann zwischen 0,0001 mol/l und der
Sättigungsgrenze, vorzugsweise zwischen 0,01 und 1 mol/l, die Konzentration der
Säuren wird vorzugsweise zwischen 0,01 und 0,2 mol/l eingestellt. Temperatur und
Dauer der Katalysatorbehandlung können in weiten Grenzen gewählt werden und
werden nur begrenzt durch die Stabilität des Katalysators gegenüber den Salz- und/oder
Säurelösungen. Die zur Behandlung des Katalysators verwendete Salz- und
Säurelösungen können vorteilhaft mehrfach wieder eingesetzt werden, wobei die
Zahl der möglichen Wiederverwendungen in starkem Maße von der Konzentration
der Salz- und/oder Säurelösungen und dem Mengenverhältnis von Salz- und/oder
Säurelösungen und behandeltem Katalysator abhängt.
Die Testversuche ergaben, daß die Standzeiten des Katalysators bei gleicher oder
höherer Aktivität auf das Dreifache verlängert werden kann, wenn die wäßrige
Suspension des Katalysators z. B. mit 0,05 m Schwefelsäure auf pH 4,0 bis pH 7,5,
bevorzugt pH 5,5-6,5, eingestellt wird.
In einer weiteren ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die
Behandlung des Katalysators über die Gasphase. Dazu wird der Katalysator z. B. in
einer rotierenden Trommel einem erhitzten Luftstrom ausgesetzt, der geringe
Mengen an Säure enthält. Salze können in analoger Weise in Form feiner
Nebeltröpfchen auf den bewegten Katalysator aufgesprüht werden. Die Salzmenge
kann dabei so gewählt werden, daß die Salzkonzentration in der Reaktionsmischung
zwischen 0,0001 und 1 mol/l, vorzugsweise zwischen 0,001 und 0,1 mol pro mol
Träger liegt. Die erfindungsgemäße Behandlung des Katalysators mit den obigen
Salzen und/oder Säuren kann auch kontinuierlich oder diskontinuierlich während der
Epoxidierungsreaktion durchgeführt werden.
Die Epoxidierung von ungesättigten Kohlenwasserstoffen in Gegenwart eines
Goldpartikel enthaltenen Katalysators, der vor oder während der Epoxidations
reaktion mit einem neutral oder sauer reagierenden Salz und/oder Säure behandelt
wird, besitzt gegenüber bekannten Verfahren den Vorteil, daß bei verringerter
Nebenproduktbildung und gleicher oder gesteigerter katalytischer Aktivität die
Standzeit des Katalysators auf das Dreifache verlängert wird.
Bevorzugt werden die so behandelten Katalysatoren zur Epoxidierung von Ethen,
Propen, 1-Buten, 2-Buten, Butadien, Pentene und Hexene eingesetzt. Die
Epoxidierung von Propen, 1-Buten und 1-Penten ist dabei bevorzugt.
Die erfindungsgemäß behandelten Katalysatoren werden zur Epoxidierung von
Propen in Gegenwart der Gase Sauerstoff und Wasserstoff eingesetzt. In Gegenwart
dieser Gase werden bei 150°C neben den Hauptprodukten Wasser, Propan und CO2
auch die Oxygenate Propenoxid und Aceton gefunden. Bei Senkung der Reaktions
temperatur auf < 100°C, bevorzugt 30-60°C, wird die Wasserbildung stark, die CO2-
Bildung vollständig zurückgedrängt. Bei einer Temperatur zwischen 30-60°C werden
neben dem Hauptprodukt Propenoxid (ca. 4-5% Ausbeute) nur noch Spuren von
Aceton (ca. 1% bezogen auf Propenoxid) gefunden. Der Wasseranteil beträgt das
2fache (molar) des Propenoxidanteils.
Die Zusammensetzung der Gasphase, welche Propen, Sauerstoff, Wasserstoff und
eventuell ein Inertgas enthält, ist nicht nur für die Raum-Zeit-Ausbeute wichtig, son
dern auch für die Sicherheit. Theoretisch können alle molaren Zusammensetzungen
der Gase Propen/Sauerstoff/Wasserstoff/Stickstoff eingesetzt werden. Daher sind
bevorzugte Gasverhältnisse für die Oxidationsreaktion von Propen folgende Ver
hältnisse: H2/Kohlenwasserstoff/Sauerstoff Stickstoff: 20-80%/10-50%/1-10%/0-50%;
bevorzugt H2/Kohlenwasserstoff/Sauerstoff/Stickstoff: 30-75%/15-40/3-8%/0-20%.
Der molekulare Sauerstoff, der für die Reaktion eingesetzt wird,
kann vielfältiger Herkunft sein, z. B. reiner Sauerstoff, Luft oder andere Sauer
stoff/Inertgasmischungen.
Nachfolgend soll die Erfindung an Beispielen näher erläutert werden.
Die Verlängerung der Katalysatorstandzeit wird am Beispiel der Epoxidierung von
Propen gezeigt.
Standardreaktionsbedingungen: Bei dem Reaktor handelt es sich um einen Fest
bettrohrreaktor (1 cm Durchmesser, 20 cm Länge) aus doppelwandigem Glas, der
mittels eines Wasser-Thermostaten auf 46°C temperiert wird. Dem Reaktor ist eine
statische Misch- und Temperierstrecke vorgeschaltet. Der Gold-Trägerkatalysator
wird auf einer Glasfritte vorgelegt. Die Katalysatorbelastung beträgt 1,8 l/g Kat. h.
Die Eduktgase werden mittels Massendurchflußregler in den Reaktor von oben nach
unten eindosiert. Die Eduktgasverhältnisse sind O2/H2/C3H6 : 0,1/1,3/0,4 l/h.
Das Reaktionsgasgemisch wird mittels Gaschromatographie mit einem FID- (alle
sauerstoffhaltigen organischen Verbindungen, Ausnahme CO2) und WLD-Detektor
(Permanentgase, CO, CO2, H2O) analysiert. Die in Tabelle 1 angegebenen
Propenoxid-Ausbeuten sind gemittelte Analysenwerte nach einer Stunde
Reaktionszeit. Die Anlage wird über ein zentrales Meßwerterfassungssystem
gesteuert.
Alle Katalysatoren werden mit TEM (Trasmission Elctron Microscopy) hinsichtlich
der Goldpartikelgröße untersucht.
Zur Suspension von 10 g Titanoxidhydrat (BET Oberfläche von 380 m2/g, 0,6%
Sulfatanteil, 12% Wasser; Vorstufe zum Anatas) in 300 ml deionisiertem Wasser
werden bei RT unter Rühren 100 mg H(AuCl4), gelöst in 100 ml deionisiertem
Wasser, innerhalb von 60 min zugetropft. Zur Fällung des Goldhydroxides wird mit
einer 0,5 molaren Na2CO3-Lösung der pH-Wert auf 8 eingestellt; die schwach gelbe
Suspension entfärbt sich. Die Suspension wird 3 h bei RT gerührt, der Feststoff
abgetrennt und 4 mal mit je 25 ml VE-Wasser gewaschen. Zur Trocknung wird der
Feststoff 2 h bei 150°C und 1 h bei 200°C gehalten, und anschließend wird der
getrocknete Kontakt an der Luft 2 h bei 250°C und 1 h bei 400°C kalziniert. Man
erhält einen Katalysator mit 0,5 Gew.-% Gold. Die Charakterisierung mit TEM
ergibt nanoskalige Goldpartikel mit mittleren Teilchendurchmessern von 1-6 nm. Die
BET Oberfläche beträgt 120 bis 150 m2/g.
Ergebnisse der katalytischen Reaktion analog den Standardreaktionsbedingungen
sind in Tabelle 1 zusammengefaßt.
Eine Lösung von 0,104 g HAuCl4×H2O in 400 ml destilliertem Wasser wird auf 70°C
aufgeheizt, mit einer wäßrigen 0,1 N NaOH-Lösung auf pH 7,5 gebracht und bei
intensiven Rühren 5 g Titandioxid (Anatas-Rutil-Mischoxid; P 25 der Firma
Degussa) in einer Portion hinzugefügt und 1 h weiter gerührt. Der Feststoff wird 5
mal mit je 3 Liter destilliertem Wasser gewaschen, bei Raumtemperatur im Vakuum
für 12 Stunden getrocknet und 4 h bei 400°C kalziniert. Man erhält einen Gold-
Titandioxid-Katalysator mit 1 Gew.-% Gold. Die Charakterisierung mit TEM ergibt
nanoskalige Goldpartikel mit mittleren Teilchendurchmesser von 1-8 nm. Die BET
Oberfläche beträgt 50 m2/g.
Die Katalysatorpräparation erfolgt analog der Katalysatorpräparation 1 oder
Katalysatorpräparation 2, aber es wird der kalzinierte Katalysator (10 g) in 50 ml
deionisierten Wasser suspendiert, die Suspension unter Rühren mit 0,1 n
Schwefelsäure auf pH 6,0 eingestellt, 1 h nachgerührt, der Katalysator abgetrennt,
drei mal mit 100 ml Wasser gewaschen, bei 150°C getrocknet und 4 h bei 400°C
kalziniert. Der so hergestellte Kontakt wird zur Propenoxidation nach der
Standardfahrweise eingesetzt.
Ergebnisse der katalytischen Reaktion analog den Standardreaktionsbedingungen
sind in Tabelle 1 und 2 zusammengefaßt.
Die Katalysatorpräparation erfolgt analog der Katalysatorpräparation 1 bzw. 2, aber
es wird der kalzinierte Katalysator (10 g) in 100 ml deionisiertem Wasser
suspendiert, 10 mmol Salz hinzugegeben, 1 h bei Raumtemperatur gerührt, der
Katalysator abgetrennt, 1 h bei 150°C getrocknet und 4 h bei 400°C kalziniert. Der
so erhaltene Kontakt wird zur Propenoxidation nach der Standardfahrweise
eingesetzt.
Die Ergebnisse der katalytischen Reaktion analog den Standardreaktionsbedingungen
sind für die Salze Natriumsulfat, Natriumhydrogensulfat, Natriumfluorid,
Lithiumfluorid und Magnesiumsulfat in Tabelle 1 und 2 zusammengefaßt.
Die Katalysatorpräparation erfolgt analog der Katalysatorpräparation 1, aber der
kalzinierte Katalysator (10 g) wird in 50 ml deionisiertem Wasser suspendiert, die
Suspension unter Rühren mit 0,1 n Flußsäure auf pH 6,0 eingestellt, 1 h nachgerürt,
der Katalysator abgetrennt, drei mal mit 100 ml Wasser gewaschen, bei 150°C
getrocknet und 4 h bei 400°C kalziniert. Der so hergestellte Kontakt wird zur
Propenoxidation nach der Standardfahrweise eingesetzt.
Die Ergebnisse der katalytischen Reaktion analog den Standardreaktionsbedingungen
sind in Tabelle 1 zusammengefaßt.
Claims (4)
1. Verfahren zur Standzeitverlängerung von mit Goldteilen belegten Trägerkata
lysatoren für die Gasphasenepoxidierung, dadurch gekennzeichnet, daß der
Katalysator vor oder während seiner Verwendung zur Oxidation ungesättigter
Kohlenwasserstoffe mit der Lösung einer neutral oder sauer reagierenden
Verbindung in Kontakt gebracht, anschließend gewaschen, getrocknet und
gegebenenfalls kalziniert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator mit
neutral oder sauer reagierenden Verbindung aus der Gruppe der Alkali- und
Erdalkalisulfate sowie Titanylsulfat und/oder Hydrogensulfate und/oder
Fluoride und/oder Säuren in Kontakt gebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit Gold
teilchen belegte Katalysatoren auf der Basis von Titanoxidhydrat, Titandioxid
oder Titansilikalit eingesetzt werden.
4. Verwendung von gemäß nach einem der Ansprüche 1 bis 3 behandelten
Katalysatoren zur Epoxidierung von ungesättigten Kohlenwasserstoffe in der
Gasphase.
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