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"Verfahren zur katalytischen Dehydrierung" Die vorliegende Erfindung
betrifft ein katalytisches Verfahren zur Dehydrierung monoolefinischer Kohlenwasserstoffe
mit mindestens 4 Kohlenstoffatomen in einer Kette und einer Gesamtanzahl von 4 bis
8 Kohlenstoffatomen, oder alkylsubstituierten aromatischen Kohlenwasserstoffen oder
ringhalogenierten aromatischen Kohlenwasserstoffen, bei denen mindestens eine Alkylgruppe
mindestens 2 C-Atome aufweist unter Bildung von Verbindungen, die ein größeres Maß
der Unsättigung aufweisen als die Ausgangsverbindung. Monoolefine
werden
zu den entsprechenden Die-nen m'Jt der gleichen Anzahl von Kohlenstoffatomen in
der Kette dehydriert. Die aromati schen Verbindungen werden zu vinylaromatischen
Derivaten umgewandelt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß man eine dampfförmige
Mischung aus dem Kohlenwasserstoff, Dampf und einem sau er stof£haltigen Gas durch
ein Strontiumnickelphosphatkatalysatorbett bei einer Reaktoreinlaßtemperatur von
400 bis 7000C und einer Raumgeschwindigkeit von etwa 50 bis etwa 1000, bezogen auf
den Kohlenwasserstoff, leitet. Das Verfahren kann cyclisch oder kontinuierlich betrieben
werden.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in einer größeren Zunahme
der Katalysatorumwandlung pro Grad Temperaturanstieg.
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Ein-weiterer Voeteil besteht in der extrem geringfügigen Kohlenstoffabscheidung
auf der Katalysatoroberfläche.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß mit dem Katalysa tor eine
hohe Umwandlung bzw. Selektivität und eine hohe Selektivität erreichbar sind, wodurch
die Ausbeute an dem gewünschten Produkt pro I)urchführung durch den Reaktor beträchtlich
erhöht wird.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das Verfahren über längere
Zeitdauern ohne merklichen Verlust der Dehydrierungsaktivität des Katalysators betrieben
werden kann.
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Der Strontiumnickelphosphat-Katalysator kann durch eine der folgenden
Verfahrensweisen hergestellt werden:
(1) Indem man einen Strom,
der eine Mischung wasserlöslicher Nickel- und Strontiumsalze und einen anderen Strom,
der ein alkalisches Phospllat, wie Ammoniumphosphat enthält, in ein Reaktionsgefäß
einleitet und den pH-Wert bei 5,0 bis 9,5 hält; (?) man eine wäßrige Lösung, die
die entsprechenden Verhältnisse einer Strontiumverbindung, einer Nickelverbindung
und Phosphorsäure aufweist, als einen Strom in den Reaktor einführt und wäßrigen
oder gasförmigen Ammoniak als zweiten Strom in einer derartigen Geschwindigkeit
einleitet, daß man den gewünschten pH-Wert der Mischung aufrechterhält; (3) oder
indem man eine Lösung oder eine Aufsehlämmung von Strontiumhydrochlorid mit einer
Lösung einer Nicken verbindung in wäßriger Phosphorsäure vermischt und den oben
angegebenen pH-Wert einhält. Der Niederschlag wird in bekannter Weise abgetrennt,
gewünschtenfalls gewaschen und getrocknet. Das getrocknete Material wird dann vermahlen,
so daß es durch ein Sieb mit einer Maschenweite von 1,68 mm (t2 mesh sieve (U.S.
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Series)) dringt, mit einer geringen Menge von 1 bis 5 % eines Gleitmittels,
wie Graphit, vermahlen, zu Pellets verformt und in Luft oder einer Mischung von
Dampf und Luft bei 450 bis 7500G geröstet, um das Gleitmittel zu entfernen. Gewünschtenfalls
kann der Katalysator in granulärer Form ohne in Pellets überführt worden zu -sein,
eingesetzt werden. Vorzugsweise wird eine geringe Menge von 0,2 bis 10 Gew.- Chromoxyd
mit dem hatalysatormaterial vermischt. Wenn der Katalysator in die Form von Pellets
gebracht werden soll, wird das Chromoxyd vor der Pelletisierungsstufe zugegeben.
Verfahren zur Herstellung des Katalysators sind in der US-Patentschrift 3 541 172
beschrieben.
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Die Kohlenwasserstoffe, die nach dem erfinsungsgemäßen Verfahren dehydriert
werden können, schließen aliphatische Kohlenwassersdtoffe mit mindestens 4 Kohlenstoffatomen
in einer geraden Kette und einer Gesamtanzahl von 4 bis 8 Kohlenstoffatomen im Molekül
ein, wie n-Butan, das zu einer Mischung von n-Butenen un Butadien überführt wird,
n-Butene zu Butadien, 2-Methylbutan zu dem entsprechenden 2-Methylbuten und Isopren,
2-Methynbutenezu Isopren.
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2,5-Dimethylbutan zu den entsprechenden 2,3-Dimethylbutenen und 2,3-Dimethylbutadien,
2,3-Dimethylbutene zu 2,3-Dimethylbutadine, n-Pentan zu einer Mischung von Pentenenund
Pentadienen, Pentene zu Pentadienen, n-Hexan zu Hexandienen, Hexene zu Hexadiene,
n-Heptan zu Heptenen und Heptadienen, Heptene eu Heptadienen, n Octan zu Octenen
und Octadienen und Octene zu Octadienen.
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Aromatische Kohlenwasserstoffe, die am aromatischen Kern mindestens
einen Alkylsubstituenten mit 2 C-Atomen aufweisen, können ebenfalls zu dem entsprechenden
Alkenyl derivat dehydriert werden. Beispiele von Verbindungen, die zu ungesättigten
Derivaten dehydriert werden können, schließen ein: Äthylbenzol zu Styrol, Cumol
zu α-Methylstyrol, m- und p-Diathylbenzol zu Divinylbenzol, Äthylnaphthalin
zu Vinylnaph thalin und Halogenäthylbenzole zu Halogenstyrolen.
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Die Reaktoreinlaßtemperatur, bei der die Dehydrierung der oben angegebenen
Kohlenstoffe bewirkt werden kann, erstreckt sich in einem Bereich von etwa 400 bis
etwa 700°C, wobei der bevorzugte Bereich bei etwa 450 bis etwa 6500C liegt.
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Das Dampf/Kohlenwasserstoff-Verhältnis in dem Beschickungs
material,
das in den Reaktor eingeführt wird, kann 5:1 bis etwa 40:1 auf Volumenbasis betragen.
Das bevorzugte lcaumenverhältnis von Dampf:Kohlenwassersdtoff beträgt etwa 1:1 bis
etwa 20:1 Volumen pro Volumen Kohlenwasserstoff.
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Der durchschnittliche Reaktionsdruck kann sich von etwa 0,212 bis
etwa 3,52 kg/cmS 3 bis 50 psia) erstrecken.
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Der bevorzugte Bereich liegt bei etwa 0,7 bis etwa 2,12 kg/cm² (10
bis 30 psia).
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Die Reaktionszeit hängt teilweise von den anderen bei der Reaktion
verwendeten Bedingungen ab. Diese Bedingungen umfassen die Art des zu dehydrierenden
Kohlenwasserstoffs, das Verhältnis von Dampf zu Kohlenwasserstoff, die angewandte
Temperatur und der Anteil an in den Reaktor eingeführtem Sagerstoff.
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Das Volumenverhältnis von Sauerstoff*Kohlemfasserstoff kann etwa 0,05
bis etwa 1,5 betragen. Dabei muß Sorge getragen werden, daß man in dem Reaktor eine
nicht explosive Mischung aufrechterhält, Dies kann am besten dadurch erreicht werden,
daß man stöchiometrische Sauerstoffmengen unterhalb oder weit oberhalb jener Mengen
hält, bei denen Explosion eintritt oder indem man den Strom mit einem nicht-brennbaren
Verdünnungsmittel, wie Dampf oder Stickstoff, verdünnt.
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Die folgenden Beispiele sollen die vorliegende Erfindung weiter erläutern.
Alle Raumgeschwindigkeiten sind auf Normaltemperatur und -druck bezogen (0°C und
760 mm Hg).
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In den Beispielen ist die Umwandlung (Konversion) die Menge an umgesetztem
Kohlenwasserstoff, die Selektivität der Anteil des Kohlenwasserstoffs, der zu dem
gewünschten
Produkt mit einem größeren Ausmaß der Unsättigang als
es bei dem eingeführten Kohlenwasserstoff der Pall ist, umgewanw delt wird und die
Ausbeute wird dadurch erhalten, indem man die Konversion mit der Selektivität multipliziert.
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Beispiel 1 Dieses Beispiel erläutert das Verfahren, bei dem Buten
zu Butadien unter Verwendung ein es acyclischen Dehydrierungs/ Katalysatorregenerierungs-Verfahren
dehydriert wird.
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Ein Katalysatorbett aus 150 ml 90 bis 95%igem ß-Strontiumnickelphosphat
und 5 bis 10 % Nickelstrontiumpyrophosphat wurde in einen Röhrenofen mit einem Durchmesser
von 2,54 cm (1 inch), der mit Heizsteuergeräten, Buten-,Damp£- und tuft-Einlässen,
einem WAsserkondensator und Einrichtungen zur Bestimmung und Analyse des Produktes
versehen war, gegeben.
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Die Einlaßtemperatur in dem Reaktor wurde bei 6250C gehalten und die
Butanbeschickung wurde mit einem Durchsatz von 200 Volumen pro Volumen Katalysator
pro Stunde zugeführt.
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ner Regenerierungsdampf und der Verfahrensdampf wurden bei 4000 Volumen/Volumen/Stunde
gehalten und die Regenerierungsluft wurde bei 400 Volumen/Volumen/Stunde zugeführt.
in 30 Minuten lang dauernder Zyklus bestand aus 15 Minuten Betrieb, bei dem Buten-haltige
Beschickung zugeführt anorde, 2 Minuten Spülen mit Dampf, 11 Minuten Regenerieren
mit Hilfe von Dampf und Luft und einem 2 Minuten lang dauernden Spülen mit Dampf.
Während dieser Untersuchungen wurde Sauerstoff während des Dehydrierungsveiles des
Zyklus in Mengen von 20 bis 50 Vol.-%, bezogen auf das Buten in dem Beschickungsstrom
zugeführt. Zusätzlich ist ein Vergleichsansatz, bei dem kein Sauerstoff zugegeben
wurde, angegeben,
um den Unterschied zwischen dem erfindungsgemäßen
Verfahren, zu einem ähnlichen Vorfahren, bei dem kein Sauerstoff in den Reaktor
eingeführt wird, zi zeigen. Die bei diesen Unter-# suchungen erhakltenen Werte,
die in jedem Fall über zwei Zyklen ermittelt wurden, sind in der folgenden Tabelle
zusammengefaßt: TABELLE 1 Zyklus Vol.-% %C %S %Aubeute Nr. °2 in dem Beschickungsmaterial
7-8 0 26,6 96,0 25,6 24-25 20 36,4 91,9 33,0 33-34 35,1 44,1 86,9 38,3 44-45 50,)
50,9 83,4 42,5 C = Konversion S = Selektivität Das Butadien in dem Abstrom wurde
aus Werten berechnet, die man mit Hilfe eines Dampfphasenchromatogramms erhielt.
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Beispiel 2 Bei diesen Untersuchungen wurden sowohl die Reactoreinlaßtemperatur
wie auch die Konzentration an Sauerstoff, der in Form von Luft zugeführt wurde,
variiert. Die n-Butanbeschiclwng wurde mit einem Durchsatz von etwa 200 Volumen/
Volumen/Stunde zugeführt. Die Vorrichtung und Verfahrensweisen waren im übrigen
die in Beispiel 1 beschriebenen.
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Der Katalysator war ein ß-Strontiumnickelphosphat, hergestellt durch
Vermischen einer Lösung, die 0,067 Mol/Ltr.
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Sr(OH)2 enthielt, mit einer Lösung, die 0,054 Mol Ni(N03)2.
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0,2466 Mol H3P04 und 0,090 Mol N113 pro Liter enthielt, bei einem
pH-Wert von etwa 8,8 bis 8,9 hergestellt. In der folgenden Tabelle sind die bei
diesen Untersuchungen erhaltenen Werte, die über mehrere Zyklen bei jeder Unter--suchung
ermittelt wurden, angegeben.
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TABELLE II Einlaßtemp. Vol.-% % C % S % Y C-Abscheidung °C Sauerstoff
g/100 g Katalysator 600 0 28,4 97,0 27,4 0,0075 600 6,6 34,2 95,1 32,6 0,0081 600
13,3 38,8 93,3 36,2 0,0085 600 20,7 43,8 90,6 39,6 600 25,8 49,8 89,2 44,4 0,0159
600 30,0 52,8 87,4 46,1 0,0263 600 34,8 55,3 86,7 48,0 0,0331 600 40,1 57,4 84,6
48,5 0,0350 600 45,0 58,5 82,5 48,2 0,0353 600 49,4 60,0 80,2 48,1 0,0519 625 0
39,0 95,4 37,2 0,0207 625 6,4 42,5 94,5 110,2 0,0165 625 12,6 46,6 93,3 43,5 0,0149
625 21,0 51,5 90,0 46,4 0,0196 625 25,3 56,4 89,9 50,6 0,0316 625 35,0 60,2 85,8
51,7 0,0447 625 44,4 65,3 83,8 54,7 0,0566 625 55,1 69,6 79,8 55,5 0,0756 625 65,1
71,3 78,4 55,9 0,0710 625 75,4 74,7 75,8 56,6 0,0553 625 84,1 75,5 71,1 53,7 0,0507
650 0 49,7 94,4 46,9 0,0314 650 20,2 59,6 90,6 53,9 0,0217 650 35,6 67,4 85,7 57,7
0,0497 650 51,9 72,5 81,3 59,0 0,0570 Kohlenstoff wurde während des Regenerierungszyklus
bei diesem und in anderen Beispielen durch Absorption von CO2 in Ascarit (Natriumhydroxid-Asbest)
bestimmt.
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B e i s p i e l 3 Die Vorrichtung und die VersahrensstuS'en dieser
Reihe von Untersuchungen waren die gleichen wie die in Beispiel 1 beschrieben. In
allen Fällen betrug das Dampf/Buten-Ver hältnis 20:1 und Buten wurde in einer Menge
von 200 Volumen/Volumen/Stunde in den Reaktor eingeführt. Während der Untersuchungen
wurde die Temperatur, die Konzentration an Sauerstoff im Vol.-$ variiert. Bei einem
Teil der Untersuchungen wurde-Sauerstoff als Luft und bei einem anderen Teil als
reines 02 zugeführt; Der Katalysator war der gleiche wie der in Beispiel 2 beschriebene.
Die erhaltenen Werte sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt:
TABELLE
III Einlaßtemp. Vol-% % C % S % Ausbeute °C Sauerstoff Luft 600 0 35,3 96,0 33,9
600 20,2 45,5 91,2 41,5 600 35,5 54,2 86,5 46,8 600 50,4 61,3 84,8 51,5 625 o 45,7
. 95,2 43,5 625 19,9 55,8 88,9 50,2 625 35,0 62,7 86,1 54,0 625 49,9 69,2 82,8 57,8
650 0 56,8 93,1 52,8 650 20,0 64,4 89,0 57,3 650 34,7 71,2 84,7 60,3 650 50,1 76,1
80,9 61,6 nur O2 625 20,3 54,5 90,1 49,1 625 35,0 62,1 85,3 52,9 625 50,1 68,2 81,2
55,4
Beispiel 4 Dieses Beispiel zeigt die Ergebnisse, die mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren bei einem kontinuierlichen Verfahrensbetrieb anstelle
der oben angegebenen zyklischen Verfahrensweise erzielbar sind. Das kontinuierliche
Verfahren unter scheidet sich von dem zyklischen Verfahren dadurch, daß Buten, Dampf
und Sauerstoff während langer Zeitdauern eingeführt wurden, ohne daß Katalysatorregenerierungsstufen
eingeschaltet wurden. Der Reaktor war der gleiche wie der weiter oben beschriebene.
Der Katalysator war der, der bei den Ansätzen des Beispiels 3 verwendet wurde. Bei
einer Reaktoreinlaßtemperatur von 625°C, einem Dampf/Buten-Verhältnis von 20:1 und
einem Sauerstoffgehalt von 50 Vol.-, bezogen auf das Buten, lag bei einem 18-stündigem
Betrieb die Umwandlung zwischen 51,9 und 54,7 %, die Selektivität zwischein 72,5
und 74,4 % und die Ausbeute betrug 37,9 bis 39,8 .
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Nach dem 18-stündigem Betrieb wurde das Dampf/Buten-Verhältnis auf
40:1 gesteigert. Die übrigen Beschiclrungsverhältnisse und Reaktionsbedingungen
blieben wie die oben beschriebenen und der Ansatz wurde weitere 18 Stunden fortgesetzt.
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Die Umwandlung betrug 45,6 bis 56,2 %, die Selektivität 83,2 bis 86,5
% und die Ausbeute 38,7 bis 47,4 %.
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Nach Ablauf der 36 Stunden wurde die Reaktion über das Wochenende
unterbrochen. Dann wurde die Reaktion erneut in Gang gebracht unter Verwendung des
40:1 Dampfverhältnisses, einem Durchsatz von 200 Volumen/Volumen/Stunde Buten und
bezogen auf das Buten 50 Io Sauerstoff und einer Reaktorenlaßtemperatur von 625°C.
Dieser kontinuierliche Ansatz wurde ohne Unterbrechung 4 Tage durchgeführt. Nach
24 Standen wurde die Beschickung während 22 Std. auf 100 Vol/Vol/Std.
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vermindert und dann ohne Veränderung des Verhältnisses der Bestandteile
auf 200 Volumen/Volumen/Stunde gesteigert. Die endgültige Probe zeigte eine 55,1
%ige Umwandlung, eine
Selektivität von 84,7 % und eine Ausbeute
von 46,7 . Der Umwandlungsbereich während der 4 Tage betrug 48 bis 68 /%, die Selektivität
betrug 82,4 bis 86,6 % und die Ausbeute lag bei 38,7 bis 57,9 .
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B e i s p i e l 5 Die Ansätze dieses Beispiels erfolgten zyklisch,
wobei 2-Methyl-2-buten als Beschickungsmaterial dehydricrt wurde.
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Die Analyse zeigte, daß der Kohlenwasserstoff 96,2 Gew.-% 2-Methyl-2-buten,
1,5 Vo trans-Penten-2 und 2,3 Vo cis-Penten-2 bestand. Es wurden die in Beispiel
1 beschriebenen Zykluszeiten angewandt. Der Beschickungsdurchsatz betrug 200 Volumen/Volumon/Stunde
2 Methyl-2-buten, wobei ein Dampf Kohlenwassertoff-Verhältnis von 20:1 verwendet
wurde. Der Katalysator war der gleiche wie der in Beispiel 3 beschriebene. Bei diesen
Untersuchungen ergaben sich die in der folgenden Tabelle zusammengefaßten Werte:
TABELLE IV Einlaßtemp. Mol O2 g Beschickung kondensiertes °C Mol Isopenten für 2
Zyklen Produkt g Gew.-% Isopren 575 0 48,6 45S9 30,0 575 0,193 48,6 45,4 35,6 575
0,339 48,6 41,0 38,0 600 0 48,6 44,5 59,6 600 0,198 48,6 43,4 44,9 600 0,338 48,6
45,0 46,2
Der Reaktionsabstrom wurde durch einen eisgekühlten Kühler
und dann durch Trockeneisfallen geleitet. Das flüssige Kondensat aus jeder der Kühleinheiten
wurde gesammelt und Isopren wurde aus Proben der gesamten Kondensate mit Hilfe gaschromatographischer
Verfahren bestimmt.
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Beispiel 6 In einem zyklischen Verfahren wurde anstelle von n-Buten
n-Butan zugeführt und Sauerstoff wurde in Form von Luft verwendet. Dabei wurden
die folgenden angegebenen Werte erhalten: TABELLE V Einlaß- n-Butan Vol.-% % C %
S % Y Butadien temp. °C V/V/Std. Sauerstoff Buten-Verhältnis 600 199 0 3,0 89,5
2,6 0,95 600 201 9,7 5,3 77,0 4,1 1,36 600 201 - 20,2 6,7 70,4 4,7 1,45 625 200
0 2,9 72,7 2,1 0,17 625 201 11,4 7,6 70,0 5,3 1,78 625 200 19,8 9,7 611,5 6,2 2,17
650 200 0 7,1 60,2 4,3 2,34 650 199 19,7 15,6 58,2 9,1 2,84 650 102 0 7,8 65,4 5,1
2,?0 650 103 19,7 11,7 61,2 7,2 3,74 650 101 40,8 17,6 59,5 10,4 2,16
B
e i s p i e l 7 Bei diesem Beispiel wurde Athylbenzol zu Styrol oxydehydriert.
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Der Katalysator war der gleiche wie der in Beispiel 2 verwendete.
Der Reaktor bestand aus einem Rohr aus rostfreiem Stahl mit den Abmessungen 1,90
x 91,4 cm (3/4 x 36 inch), der mit 70 ml des Satalysators gepackt war. Äthylbenzol
wurde in einer Menge von 48,66 v Std. und Wasser in Form von Dampf wurde in einer
Menge von 74,15 g/Std. in den Reaktor eingeführt. Als Sauerstoffquelle wurde Luft
mit verschiedenen Durchsätze eingeführt. Der Ansatz wurde kontinuierlich bei einer
Temperatur von 6500C während 82 Stunden ausgeführt. Der Reaktorabstrom wurde kondensiert
und in einem Scheidetrichter gesammelt. Periodisch wurde die Probe in die organische
und die wäßrige Schicht getrennt und die organische Schicht wurde durch Bromieren
auf den Styrolgehalt hin untersucht.
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In der folgenden Tabelle sind die dabei erhaltenen Werte zusammengefaßt:
TABELLE VI Reaktionszeit Schnitt Luftdurchsatz Gew.-% Styrol in in Stunden Nr. (ft.3/hr)
1/Std. gewonnenem org.
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(STP) Produkt 1 1 (0,63) 17,8 30,4 2 2 (0,84) 23,8 29,4 10 5 (0,85)
24,0 28,8 22 8 (0,84) 23,8 27,2 30 10 (0,88) 24,9 28,0 42 13 (0,82) 23,2 27,2 50
15 (0,85) 24,0 27,4 60 19 (0,85) 24,0 27,8 82 25 (0,82) 23,2 27,4
Während
der letzten 28 Stunden wurden die Schnitte 16 bis 25 vermischt und gasphasenchromatographisch
analysiert. Die berechneten Ergebnisse zeigten eine 29,59 Mol-%ige Umwandlung von
Äthylbenzol, wobei eine Selektivität zu Styrol von 94,25 % erreicht wurde.
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Wiederholte man das Vorfahren ohne Luftzusatz bei Verwendung der gleichen
Dampf- und Äthylbenzolzuführungen, wie sie angegeben wurden, nahm die Konversion
schnell ab, wie es anhand der in der folgenden Tabelle angegebenen Werte, die während
des 67-stündigen Ansatzes gewonnen wurden, ersichtlich ist.
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Reaktionszeit Schnitt Gew.-% Styrol in Stunden Nr. in gewonnenem
org. Produkt 1 1 28,8 2 2 22,4 4 3 18,2 6 4 14,2 8 5 12,8 18 10 14,0 31 14 12,0
43 17 10,4 55 20 10,0 67 23 9,4
Wähend des Ansatzes wurden die
Schnitte 4 bis 23, die die letzten 63 Stunden darstellen, zu analysenzwecken vermischt.
Die berechneten Werte zeigen eine 13,69 Mol-%ige Umwandlung von Äthylbenzol, wobei
eine Selel::tivität von 88,39 % erzielt wurde.