DE2001102C3 - Verfahren zum Oligomerisieren von Äthylen unter Verwendung eines heterogenen nickelhaltigen Katalysators - Google Patents

Verfahren zum Oligomerisieren von Äthylen unter Verwendung eines heterogenen nickelhaltigen Katalysators

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Description

Es ist bekannt daß man Äthylen in olefinische Produkte von höherem Molekulargewicht beispielsweise in Dimere, Trimere und Tetramere, unter Verwendung sowohl homogener als auch heterogener Katalysatoren, die Nickel enthalten, umwandeln kann. Es hängt jedoch in starkem Maße vom jeweils eingesetzten Katalysator ab, von welcher Art die Komponenten des erhaltenen Umsetzungsprodukt-Gemisches und in weichen relativen Anteilen sie in diesem Gemisch enthalten sind. Für die Anwendung der erhaltenen Olefine in verschiedenen bedeutenden chemischen Vei fahren wäre es zweckmäßig, wenn man ein Umsetzungsproduktgemisch herstellen könnte, welches einen relativ hohen Anteil an Olefinen im Bereich der höheren Molekulargewichte, insbesondere von höheren, vorwiegend unverzweigten α-ungesättigten Olefinen, erhalten würde.
Erfindungsgemäß läßt sich dieses technische Problem lösen, wenn die Oligomerisierung des Äthylen in Anwesenheit eines speziellen heterogenen Katalysators durchgeführt wird.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zum Oligomerisieren von Äthylen in nichtgasförmiger Phase in Gegenwart eines Katalysators aus ^Cyclopentenyl-ji-cyclopenUidienyl-Nickel auf einem festen anorganischen Oxid als Träger, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man in Gegenwart eines der Katalysators oligomerisiert, dessen Träger auf einen Gehalt von 0,01 bis. 5 Gewichtsprozent Schwefel, bezogen auf das Oxid, sulfidiert worden ist.
Der Anmeldungsgegenstand unterscheidet sich dadurch von der Lehre der älteren DE-OS 19 17 871, daß bei letzterer ein nicht sulfidiertes Trägermaterial verwendet wird.
Das Katalysator-Trägermaterial besteht aus einem im allgemeinen festen anorganischen Oxid, welches in der nachstehend erläuterten Weise mit Schwefel oder einer Schwefelverbindung sulfidiert wurde. Erfindungsgemäß als Trägermaterialien geeignete anorganische Oxide bestehen vorzugsweise im wesentlichen aus mindestens einem Metalloxid, zur Hauptsache aus Siliciumdioxid und/oder Aluminiumoxid. Derartige Trägermaterialien sind als feuerfeste Metalloxide bekannt. Beispiele dafür sind sowohl synthetische Materialien als auch säurebehandelte Tone oder die als Molekularsiebe bekannten kristallinen Alumosilikate mit Netzstruktur. Synthetische feuerfeste Oxide werden gegenüber natürlich vorkommenden Materialien oder Molekularsieben bevorzugt. Beispiele für synthetische feuerfeste Oxide sind
Siliciumdioxid, Aluminiumoxid,
Siliciumdioxid Aluminiumoxid,Siüciumdioxid-Magnesiumoxid, Wolframoxid-Aluminiumoxid,
Wolframoxid-Siliciumdioxid-Aluminiumoxid,
Boroxid-Aluminiumoxid, Siliciumdioxid-Aluminiumoxid-Zirkonoxid, Molybdänoxid-Siliciumdioxid-Aluminiumoxid und
Siliciumdioxid-Titanoxid-Zirkonoxid.
Die beim erfindungsgemäßen Verfahren als Trägermaterialien bevorzugten feuerfesten Oxide sind kieselsäurehaltige feuerfeste Oxide, die als Hauptkomponente Siliciumdioxid enthalten. Ein besonders bevorzugtes kieselsäurehaltiges feuerfestes Oxid ist Siliciumdioxid-Aluminiumoxid.
Um aus dem eingesetzten Äthylen einen relativ hohen Anteil unverzweigter «-Olefine zu erhalten, muß das als Trägermaterial dienende anorganische Oxid mit Schwefel oder einer Schwefelverbindung sulfidiert worden sein. Im allgemeinen kann man neben Schwefel jede beliebige Schwefelverbindung als Sulfidierungsmittel einsetzen, mit der Maßgabe, daß der von Schwefel verschiedene Anteil der Verbindung gegenüber dem Katalysator-Trägerma.terial im wesentlichen inert ist. Um die störenden Nebenreaktionen des Sulfidierungsmittels mit dem Katalysator-Trägermaterial zu unterdrücken, ist es demgemäß im allgemeinen zweckmäßig, Schwefelverbindungen einzusetzen, die außer Schwefelatom lediglich Wasserstoff- und Kohlenstoffatome enthalten, z. B. Schwefelwasserstoff und schwefelhaltige Kohlenwasserstoffverbindungen.
Eine Klasse geeigneter schwefelhaltiger Kohlenwasserstoffverbindungen sind Olefin-Episulfide, wie Alkenepisulfide oder Cycloalkenepisulfide mit bis zu IOC-Atomen.
Beispiele für geeignete Alkenepisulfide sind Propylenepisulfid, Buten-2-episulfid und Octen-3-episulfid. Brauchbare Cycloalkenepisulfide sind beispielsweise Cyclopentenepisulfid, Cyclohexenepisulfid und Cyclodecenepisulfid. Eine weitere Klasse erfindungsgemäß geeigneter schwefelhaltiger Kohlenwasserstoffverbindungen sind Dialkylsulfide und Dialkyldisulfide mit bis zu 10 C-Atomen. Beispiele für geeignete Dialkylsulfide sind Dimethylsulfid, Methyläthylsulfid, Diäthylsulfid, Äthylbutylsulfid und Dibutylsulfid. Verwendbare Dialkyldisulfide sind beispielsweise Dimethyldisulfid, Diäthyldisulfid, Propylbutyldisulfid und Äthyloctyldisulfid. Weitere geeignete schwefelhaltige Kohlenwasserstoffverbindungen sind Alkylalkenylsulfide, wie Methylallylsulfid. Äthylallylsulfid oder Methyl-2-butcnylsulfid; aliphatische Mercaptane, wie Äthylmercaptan, Propylmercaptan oder Cyclohexylmercaptan; Alkyldithiocarbonsäuren, wie Thionothioessigsäure, Thionothiopropionsäure oder Thionothiobuttersäure, und aliphatischc Thioketone, wie Dimethylthion, Methyläthylthion, Methylbuiylthion, 2,4-Pentandithion odor Cyrlohexanthion. Gegebenenfalls werden auch Gemische von Schwefel-
verbindungen einer oder mehrerer der vorgenannten Klassen eingesetzt.
Schwefel und aliphatische Schwefelverbindungen mit einem hohen Schwefelanteil, insbesondere niedere (bis zu 4 C-Atome aufweisende) Olefin-episuIFide, Dialkylsulfide und Dialkyldisulfide, werden als Sulfidierungsmittel bevorzugt
Bei der Sulfidierung des Katalysator-Trägermaterials, die nach jedem beliebigen, mehr oder weniger bekannten Verfahren erfolgen kann, behandelt man das Trägermaterial mit einem solchen Anteil des Su'fidierungsmittels, daß 0,01 bis 5 Gew.-%, vorzugsweise 0,1 bis 3 Gew.-%, bezogen auf das Trägermaterial, Schwefel aufgebracht werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung wird das Trägermaterial zur Sulfidierung mit einer Lösung des Sulfidierungsmittels in einem im wesentlichen inerten flüssigen Verdünnungsmittel behandelt Als Verdünnungsmittel eignen sich beispielsweise Kohlenwasserstoffe, die keine aliphatisch ungesättigten Bindungen aufweisen, wie Hexan, Octan, Dekan, Dodekan, Cyclohexan, Dekahydronaphthalin, Benzol, Toluol oder Xylol. Man kann das Katalysator-Trägermaterial, das Sulfidierungsmittel und das Verdünnungsmittel bei jeder beliebigen geeigneten Temperatur miteinander in Berührung bringen. Vorzugsweise wird bei Temperaturen von 20 bis 1500C gearbeitet Der dabei anzuwendende Druck ist nicht wichtig, vorausgesetzt, daß er dazu ausreicht, das Reaktionsgemisch in einer im wesentlichen nichtgasförmigen Phase zu halten. Drücke von etwa 1 bis 50 Atmosphären werden bevorzugt angewendet. Vor der Behandlung mit dem Sulfidierungsmittel braucht das Katalysator-Trägermaterial nicht besonders vorbehandelt zu werden, doch werden im allgemeinen bessere Ergebnisse erzielt, wenn das Trägermaterial vorher etwa 6 bis 24 Stunden lang bei Temperaturen von 450 bis 600° C calcini irt worden ist.
Man kann das Katalysator-Trägermaterial nach der Sulfidierung nach herkömmlichen Verfahren, wie durch Filtration oder Dekantieren, vom Verdünnungsmittel abtrennen.
Der im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Katalysator wird hergestellt, indem man das als Trägermaterial dienende sulfidierte anorganische Oxid und das jr-Cyclopentenyl-jr-cyclopentadienyl-nickel miteinander in Berührung bringt. Obwohl man gelegentlich auch andere herkömmliche Kontaktmethoden anwenden kann, bringt man das Trägermaterial vorzugsweise mit einer Lösung der Nickelverbindung in einem als Verdünnungsmittel geeigneten flüssigen Kohlenwasserstoff in Berührung. Als solche Verdünnungsmittel eignen sich beispielsweise Kohlenwasserstoffe, die keine aliphatisch ungesättigten Bindungen aufweisen, wie Hexan, Heptan, Octan, Dekan, Dodekan, Cyclohexan, Dekahydronaphthalin, Benzol, Toluol oder Xylol. Die Menge der mit dem sulfidierten Katalysator-Trägermaterial in Berührung zu bringenden Nickelverbindung ist nicht kritisch, so lange ausreichend Nickel in den Träger eingelagert wird, um einen ausreichenden Kontakt zwischen dem Äthylen und dem Katalysator während der Oligomerisierung sicherzustellen. Anteile des π-Cyclopentcnyl-jr-cyclopentadienyl-nickels von 0,1 bis 15 Gew.-Vo, bezogen auf das Trägermaterial, sind ausreichend; derartige Anteile von 0,5 bis 5 Gew.-°/o werden bevorzugt.
Die Komponenten des Katalysators können bei jeder beliebigen Temperatur in Berührung gebracht werden, wobei Temperaturen im Bereich von 50 bis 200°C bevorzugt angewendet werden. Auch der hierbei vorherrschende Druck ist nicht kritisch, vorausgesetzt daß er dazu ausreicht, das Reaktionsgemisch in im wesentlichen nichtgasförmiger Phase zu halten. Drücke im Bereich von 1 bis 50 Atmosphären werden bevorzugt angewendet
Nach der Behandlung des sulfidierten Katalysator-Trägermaterials mit dem jr-Cyclopentenyl-w-cyclopentadienyl-nickel kann man den Katalysator gegebenen-ο falls nach herkömmlichen Verfahren, wie Filtration oder Dekantieren, vom Verdünnungsmittel abtrennen. In den meisten Fällen ist es jedoch zweckmäßiger, das Gemisch aus Verdünnungsmittel und Katalysator direkt beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Oligomerisie-
ren von Äthylen einzusetzen, da dabei die Gegenwart eines Verdünnungsmittels ebenfalls zweckmäßig ist
Im erfindungsgemäßer. Verfahren zum Oligomerisieren von Äthylen bringt man zweckmäßig das Äthylen, den Katalysator und ein Verdünnungsmittel, das dem bei der Herstellung des Katalysators verwendeten Verdünnungsmittel entspricht oder ein ähnliches Verdünnungsmittel ist, in nichtgasförmiger Phase miteinander in Berührung. Bei bestimmten abgewandelten Ausführungsformen des Verfahrens der Erfindung kann
2r> ein Teil des erhaltenen Oligomer-Produkts sehr gut zumindest teilweise als Verdünnungsmittel dienen, in welchem Falle weniger Verdünnungsmittel benötigt wird. In den meisten Fällen wird jedoch zusätzliches Verdünnungsmittel eingesetzt, wobei Anteile von bis zu
3d 5 Mol Verdünnungsmittel pro Mol Äthylen ausreichen. Die Äthylen-Oligomerisierung wird im allgemeinen unter inerten Bedingungen durchgeführt, so daß der Reaktionsraum praktisch wasserfrei und im wesentlichen sauerstofffrei ist.
r> Die Menge des für die Oiigomerisierung verwendeten Katalysators ist nicht kritisch. Im allgemeinen ergeben Katalysatoranteile von 1 bis 200 Gew.-%, bezogen auf Äthylen, befriedigende Ergebnisse, wobei Katalysatormengen von l0 bis 100 Gew.-°/o, bezogen auf Äthylen,
■to bevorzugt werden.
Es ist nicht kritisch, auf welche genaue Weise das Äthylen mit dem Katalysator in Berührung gebracht wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung werden der Katalysator und
4") das Verdünnungsmittel in einen Autoklav oder einen entsprechenden Druckreaktor eingespeist, dann wird das Äthylen zugeführt und dieses Reaktionsgemisch wird während des gewünschten Zeitraums bei der Reaktionstemperatur und unter dem Reaktionsdruck
ίο gerührt. Gemäß einer anderen Ausführungsform wird die Äthylenbeschickung als Lösung in flüssiger Phase in einem Verdünnungsmittel kontinuierlich durch eine Reaktionszone hindurchgeleitet, in welcher der Katalysator angeordnet ist. Bei jeder Ausführungsform kann
Ti die Oligomerisierung bei mäßigen Temperaturen und Drücken durchgeführt werden. Geeignete Reaktionstemperaturen liegen im Bereich von 20 bis 200°C, vorzugsweise im Bereich von 35 bis 1000C. Die Reaktion erfolgt bei oder oberhalb Atmosphärendruck.
w) Der spezielle Reaktionsdruck ist dabei nicht kritisch, so lange das Reaktionsgemisch sich im wesentlichen nicht in einer gasförmigen Phase befindet. Typische Drücke liegen im Bereich von 1 bis 80 Atmosphären, wobei 2 bi*- 35 Atmosphären bevorzugt werden.
hi Nach Beendigung der Umsetzung können die gebildeten Oligomerenprodukte in an sich bekannter Weise isoliert werden, beispielsweise durch fraktionierte Destillation, selektive Extraktion oder Adsorption.
Das Verdünnungsmittel und nicht umgesetzte Olefinbeschickung werden gegebenenfalls im Kreislauf in die Reaktionszone zurückgeführt
Die auf diese Weise gewonnenen Oligomerisierungs-Produkte des Äthylens sind für die verschiedensten Anwendungszwecke verwendbar und stellen Handelschemikalien dar. Oligomere, welche noch äthylenischen Charakter haben, können durch eine herkömmliche Oxosynthese in Aldehyde übergeführt werden, welche im allgemeinen dann mittels üblicher Katalysatoren zu den entsprechenden Alkoholen hydrierbar sind. Andererseits können als Umsetzungsprodukte anfallende Olefine durch eine mittels Schwefelsäure katalysierte Wasseranlagerung in sekundäre und tertiäre Alkohole übergeführt werden. Die auf diese Weise zugänglichen Ci2-C2o-Alkohole lassen sich nach Umsetzung mit Äthylenoxid in Gegenwart eines basischen Katalysators, wie Natriumhydroxid, zu bekannten Detergentien äthoxylieren und Alkohole mit niedrigem Molekulargewicht können durch Umsetzung mit mehrbasischen Säuren, wie Phthalsäure, unter Bildung von Weichmachern für Polyvinylchlorid verestert werden. Die beim Verfahren der Erfindung gewonnenen unverzweigten Cn-Cis-a-Olefine werden mit Vorteil für Umwandlungen eingesetzt, wie für Umwandlungen zu als biologisch abbaufähigen Detergentien geeigneten a-Olefinsu'fonaten, wobei beispielsweise eine Behandlung mit Schwefeltrioxid vorgenommen wird.
Die Beispiele erläutern das Verfahren der Erfindung.
Beispiel 1
A) Es wird ein sulfidiertes Siliciumdioxid-Aluminiumoxid-Trägermaterial hergestellt, indem 100 g Siliciumdioxid-Aiuminiumoxid (25% Aluminiumoxid, spezifische Oberfläche = etwa 500 m2/g) und 0,5 ml Cyclohexenepisulfid in 20 ml n-Heptan etwa 18 Stunden lang bei einer Temperatur von etwa 25° C in Berührung gebracht werden. Das erhaltene sulfidierte Trägermaterial wird abfiltriert, mit Isopentan gewaschen und bei etwa 25° C unter vermindertem Druck getrocknet. Die Elementaranalyse zeigt, daß das Siliciumdioxid-Aluminiumoxid-Trägermaterial bis zu 1,0 Gew.-% Schwefelgehalt, bezogen auf das Trägermaterial, sulfidiert wurde.
Dann wird ein Katalysator hergestellt, indem man einen Autoklav mit 2,0 g des vorgenannten sulfidierten SiliciumdioxiJ-AIuminiumoxid-Trägermaterials, 0,1 g w-Cyclopentenyl-TT-cyclopentadienyl-nickel und 20 ml n-Heptan beschickt und das Gemisch eine Stunde lang auf 10O0C erhitzt. Nach dem Abkühlen des Autoklavs wird der erhaltene Katalysator zum Oligomerisieren von Äthylen eingesetzt. Zu diesem Zweck wird bei Raumtemperatur und unter Drücken von 14 bis 21 Atmosphären Äthylen eingespeist, und es findet eine exotherme Reaktion statt. Bei mehreren neuerlichen Beschickungen werden die gleichen Ergebnisse erzielt. Anschließend wird das Produktgemisch abgezogen und gaschromatographisch analysiert. Tabelle I zeigt die Ergebnisse dieses Versuchs (Versuch A).
B) Das Verfahren A) wird zur Herstellung eines Katalysators angewendet, wobei π-Cyclopentenyl-jrcyclopentadienyl-nickel mit einem nichtsulfidierten Siliciumdioxid-Aluminiumoxid-Trägermaterial in Berührung gebracht wird. Auch dieser Katalysator wird gemäß A) in Anwesenheit von n-Heptan bei der Oligomerisierung von Äthylen eingesetzt. Die Ergebnisse dieses Versuches sind gleichfalls in Tabelle I angegeben.
Tabelle I Beispiel Versuch 2 B
A
5 50-75
Reaktionsbedingungen 50-60 1
Temperatur, C 1 28
ZeiUh 14-21 11,6
Druck, Atmosphären 2,3
10 Insgesamt umgewandeltes
Äthylen, g 58
Selektivität, Gew.-% 47 25
C4 27 10
15 C6 9 4
C8 7 2
Cio 10
Cu-Cm
20 Linearität des Olefin- 100
produktes, % 100 81
C4 95 63
Q 86 48
Q 86 -
2 j C10 82
C12-C32 38
C-Verteilung, % 95 62
Buten-1 5
3(1 Buten-2
A) 100 g eines im Handel erhältlichen Katalysators, der ein Siliciumdioxid-Aluminiumoxid-Trägermaterial
D mit Spaltwirkung enthält, werden etwa 18 Stunden lang bei etwa 25°C mit 0,05 ml Dimethyldisulfid (CH3SSCH3) in 20 ml n-Heptan verrührt. Das erhaltene sulfidierte Siliciumdioxid-Aluminiumoxid wird abfütriert, mit n-Pentan gewaschen und bei 25° C unter vermindertem Druck getrocknet. Aus der Elementaranalyse geht hervor, daß das Siliciumdioxid-Aluminiumoxid bis zu 0,34 Gew.-% Schwefelgehalt, bezogen auf das Siliciumdioxid-Aluminiumoxid, sulfidiert worden ist.
B) Nach einer entsprechenden Arbeitsweise wird unter Verwendung von Dimethyldisulfid ein sulfidiertes Siliciumdioxid-Aluminiumoxid mit einem Schwefelgehalt von 0,13 Gew.-% hergestellt.
C) Nach einer A) entsprechenden Arbeitsweise werden 10 g eines Siliciumdioxid-Aluminiumoxid-Trägermaterials mittels 0,04 ml Methylallylsulfid (CH3S-C3H5) sulfidiert. Das erhaltene Siliciumdioxid-Aluminiumoxid enthält 0,13 Gew.-% Schwefel.
D) Nach einer A) entsprechenden Arbeitsweise werden 10,0 g eines Siliciumdioxid-Aluminiumoxid-
v, Trägermaterials mittels einer Lösung von 0,1 g elementarem Schwefel (S8) in 40 ml Toluol sulfidiert. Das erhaltene Siliciumdioxid-Aluminiumoxid enthält 1,0 Gew.-% Schwefel.
Aus den gemäß A), B), C) und D) erhaltenen
bo sulfidierten Siliciumdioxid-Aluminiumoxid-Trägermaterialien werden dann Katalysatoren hergestellt, indem man nach einem Beispiel 1 B) entsprechenden Verfahren jeweils 2,0 g der sulfidieren Träpernaterialien mit jeweils 0,1 g ir-Cyclopentenyl-ji-cyclopentadienylnickel
b1) in n-Heptan behandelt. Jeder der erhaltenen Katalysatoren wird anschließend zum Oligomerisieren von Äthylen eingesetzt. Aus Tabelle Il sind die dabei erzielten Ergebnisse ersichtlich.
Tabelle II Verbuch B C [■)
Λ 'H1SSC' CH1SC-H, Ss
t 11-,SSCH;, 0,14 0.13 1 0
Sulfiuiuruiigsmitlel 0.34
Auf dem Trägermaterial
aufgebrachtes S. Ciew.-% 35-40 so 50
Reaktionsbedingungen 45-50 2 1 2
Temperatur, C 3 32 32 28
Zeit, h 2ft 5.5 1.2 0,5
Druck. Atmosphären 1.4
Umgewandeltes Äthylen, g 63 73 71
Selektivität, % 60 17 12 15
C4 18 9 10 8
c„ 8 4 4 7
Cs 6 7 - -
C11, X
Ci2 90 90 91
Linearität des Olefinprodukles. ", 88 79 90 81
C6 88 78 90 72
Cs SS 81 - -
C11, SH
C1: 74 95 82
Q-Verteilung, % 92 26 5 12
Buten-1 S
Butene-2 (eis und trans)

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum OHg jmerisieren von Äthylen in nichtgasförmiger Phase in Gegenwart eines Katalysators aus iT-Cyclopentenyl-jp-cyclopentadienyl-Nickel, aufgebraucht auf einem festen anorganischen Oxid als Träger, dadurch gekennzeichnet, daß man in Gegenwart eines Katalysators oligomerisiert, dessen Träger auf einen Gehalt
von 0,01 bis 5 Gewichtsprozent Schwefel, bezogen auf das Oxid, sulfidiert worden ist
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man in Anwesenheit eines Katalysators oligomerisiert, dessen Trägermaterial auf einen Gehalt von 0,1 bis 3 Gewichtsprozent Schwefel, bezogen auf das Oxid, sulfidiert worden ist
DE2001102A 1969-01-13 1970-01-12 Verfahren zum Oligomerisieren von Äthylen unter Verwendung eines heterogenen nickelhaltigen Katalysators Expired DE2001102C3 (de)

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