DE2226854B2 - Verfahren zur Herstellung von Festbett-Katalysatorpartikeln sowie deren Verwendung zur katalytischen Hydrokonversion - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Festbett-Katalysatorpartikeln sowie deren Verwendung zur katalytischen HydrokonversionInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
von Festbcti-Katalysatorpartikeln zur Umwandlung
von Kohlenwasserstoffen uus einem salzhaltigen gallertartigen Präzipitat durch I !erstellen wäßriger Lösungen
oder Sole von Verbindungen von zu der Katalyse üblichen Elementen. Vereinigung der Lösungen oder
Sole. Ausfällen eines dispergierten Hydrogels oder gallertartigen Prii/ipitatcs aus der Lösung und Abtrennen
des gallertartigen Präzipitates aus der erhaltenen Aufschlämmung, Trocknen und Brennen des gewaschenen
Präzipitates. das dadurch gekennzeichnet ist. daß man
ii) das salzhaltige gallcriariige Präzipitat nach Ab
trennen aus der Aufschlämmung bis zu einem Feuchtigkeitsgehalt von 55 bis 83 Gew.-°/o partiell
oder langsam trocknet.
I)) das dabei erhaltene sal/hallige gallertartige Präzipitat
durch Agglomerieren oder Extrudieren zu salzhaltigen Makropartikcln formt und
c) dann das Salz aus den Makropartikcln (ohne daß sie ihre form verlieren) auswäscht und
d) die gewaschenen Makropartikel nach Trocknen und Brennen gegebenenfalls noch sulfidiert,
sowie deren Verwendung zur katalytischer Hydrokonversion.
Feste Katalysatoren werden in großem Maße in der Erdölraffinerie und auf verwandten Gebie en benutzt,
um bestimmte chemische Umwandlungen von reinen Verbindungen und komplexen Verbindungsgemischen
selektiv zu beschleunigen. Die festen Katalysatoren stehen hinsichtlich Form und Größe, entsprechend der
Art und Weise, in der die zu beschleunigenden Reaktionen durchgeführt werden sollen, in einer
Vielzahl von Ausführungen zu Verfügung, nämlich als Pulver, Mikrosphäroide, unregelmäßige Körnchen und
geformte Partikel, wie Kügelchen oder Extrudate. Katalysatoren in Pulver- und Mikrosphäroidform
werden beispielsweise bei Prozessen verwendet, bei denen der Katalysator gegenüber den flüssigen, der
ίο Behandlung unterworfenen Reaktionsteilnehmern in
Bewegung gehalten wird, wie z. 3. beim katalytischen
Fluidkracken verdampfter Kohlenwasserstoffe und beim Schlamm- oder Siedebett-Kontaktverfahren flüssiger
Kohlenwasserstoffe. Bei derartigen Prozessen
'5 findet ein Rückvermischen der Ausgangsstoffe und
Reaktionsprodukte mit dem Katalysator ?vjtt, aber es
ist leichter, in der Reaktionszone eine konstante Temperatur aufrechtzuerhalten. Bei anderen Kohlenwasserstoffumwandlungen
erwies es sich als vorteilhafte ter, die Reaktiensteilnehmer durch ein Bett vors
Katalysatorpartikel zu schicken, um die Rückvermischung von Ausgangsstoffen und Produkten zu beschränken
und die Vorteile einer lungeren Kontaktzeit auszunutzen, wobei im Reaktionsgefäß besondere
« Maßnahmen zur Temperaturregelung vorgesehen sein können. Um den Druckabfall innerhalb des Festbetts
von Katalysatorpartikeln gering zu halten, werden die Partikel in Form von Makropartikeln bestimmter
Größe verwendet, die beispielsweise durch Pelletisieren
so oder Extrudieren oder Agglomerieren während der
Katalysatorherstellung erhalten werden können. Die Extrusion ist ein weniger kostspieliges Formungsverfahren
als das Pelletisieren, aber es ist oft problematisch. Extrudat-Katalysatoren mit der gewünschten hohen
*» Festigkeit. Dichte und Haltbarkeit zu erzeugen, ohne
Techniken anzi enden, die die Eigenschaften des Katalysators nachteilig beeinflussen. Das Agglomerieren
wird bis jetzt nur selten /ur Formung von Katalysatoren angewandt.
Wenn früher Katalysatorpartikcl durch Extrusion
oder Pelletisieren geformt wurden, so wurde dieser Prozeß als eine der letzten Operationen des Herstellungsverfahrens
durchgeführt. So wurde beispielsweise ein Material für den anorganischen Oxidiräger des
■»> Katalysators, wie Tonerde, Kieselerde oder ein Cogel
aus Kieselerde und Tonerde zunächst vollkommen gereinigt, wie es für das Trocknen und Brennen am
Schluß erforderlich ist. dann cxlrudiert und in kurze Stücke zerschnitten, die dann gebrannt wurden und clic
harten, porösen Partikel des anorganischen Oxidträgers bildeten. Wenn ein Melirkomponentcn-Katalysator
hergestellt werden sollte, wie etwa durch Beimischung eines Metalls als Hydrierungs-Dehydrierungs-Beschleunigcr
in dem Katalysator, so geschah dies gewöhnlich durch Imprägnieren der geformten Trägerparlikcl mil
einer Lösung, der dieser Beschleuniger zugesetzt war. Es wurde auch vorgeschlagen, einen gereinigten,
getrockneten, aber noch nicht gebrannten, synthetischen Kieselerde-Tonerde Träger mit der Lösung einer
Verbindung des betreffenden Metalls zu tränken, das Gemisch zu der für die Extrusion geeigneten Konsistenz
zu kneten, wenn nötig Wasser zuzusetzen und es dann zu extrudieren, um schließlich die erhaltenen Mehrkomponenten-Katalysatorpartikel
zu brennen. Es kann aber in dieser Weise nur eine begrenzte Anzahl von speziellen Katalysatorgemischen hergestellt werden.
Wie bereiis erwähnt, können feste Katalysatoren in släbchenähnlicher oder anderer Form bei -Binär Vielzahl
von Umwandlungsverfahren benutzt werden, und die Komponenten und die Zusammensetzung des Katalysators
unterscheiden sich entsprechend dem jeweiligen Prozeß und den Reaktionen, die selektiv beschleunigt
werden sollen, wesentlich. Von besonderem Interesse sind Mehrkomponenten-Katalysatoren, das heißt Katalysatoren,
die mindestens drei wesentliche Komponenten enthalten. Katalysatoren, die bei der Fesibett-Katalyse
verwendet werden sollen, müssen eine möglichst lange Lebensdauer besitzen, so daß sie nur in großen
Abständen entfernt und durch eine frische Füllung ersetzt werden müssen. Wenn ein technisches Verfahren
der Katalysatorherstellung sich nur zur Produktion von ein oder zwei speziellen Katalysatorzusammensetzungen
eignet, so sind die Fertigungseinrichtungen eine große Zeit über unbenutzt, es sei denn, es wird mit
wenig effizienten Durchsätzen gearbeitet, um nach und nach die benötigten Mengen anzusammeln. Demgemäß
wäre ein vielseitiges Verfahren von großem Vorteil, das sich zur Herstellung einer großen Vielzahl von iü
Katalysatoren unterschiedlicher Zusammensetzung in Form von beispielsweise stäbchenähnlichen Partikeln
eignet, zwecks Verwendung in Festbetten, durch die die der Umsetzung unterworfene Flüssigkeit unter geeigneten
Bedingungen von Zeit, Temperatur und Druck hindurchgeleitet werden kann, um die gewünschten
Umsetzungen selektiv zu katalysieren. In diesem Fall könnten die Fertigungsanlagen ständig mit hoher
Kapazität betrieben werden, und es könnten zu verschiedener Zeil verschieden ' Katalysatoren herge- jo
stellt werden, vorausgesetzt, uas gleiche Verfahren eignet sich zur Herstellung verschiedener Katalysatoren
von gleichmäßig hoher QuaL'tät, s~. daß Nachfrage
nach ihnen besteht.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, eine J5 Lösung oder ein Sol der Verbindungen herzustellen,
diese Lösungen oder Sole zu vereinigen, daraus ein dispergiertes Hydrogel oder gallertartiges Präzipitat
auszufällen und dieses aus der Aufschlämmung abzutrennen, dieses Präzipitat zu waschen und dann zu -to
trocknen und zu brennen (vgl. Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie 1964, Bd. 15, Seiten 716 (vorl.
Abs.), 717 (2. Abs.). 718 (3. Ade. von unten). 722 (I. Abs.)
und 723(1. Abs.)).
Gemäß der GB-PS 13 03 840 wird eine kristalline -»5
Aluminosilicatzeolithe, die in eine kieselsaure Matrix
eingearbeitet sind, enthaltender Katalysator hergestellt. wobei das Alkalimetall enthaltende kristalline Aluminosilicatzeolith
mit einem nichlgewaschenen Kieselsäure-Hydroge!
vermischt wird, das Gemisch schnell gctrock- w
net und erneut in Wasser aufgeschlämmt, dann filtriert und auf dem Filter mit Wasser gewaschen wird, dann
das erhaltene Gemisch mit Ammoniumsalzlösung (pH 4.5 — 6) und dann mit einer 2. Ammoniumsalzlösung mit
höherem pH-Wert einer Ausiauschbehnndlung unter- '>?
worfen und dann ohne zwischenzeitliches Waschen !^'trocknet wird.
Aus der US-PS 33 21534 ist ein Verfahren zur Herstellung von Nickelsilicat-Katalysatoren, die Molybdän
enthalten, bekannt, wobei man eine Natriumsilical- w>
und eine Natriummolybdat-Lösung miteinander vermischt, mit der Nickelsalz-Lösung versetzt, den
erhaltenen Niederschlag abirennt, mit Wasser wäscht, trocknet, formt und calciniert und reduziert.
Gelkatalysatoren, die Siliziumdioxid und Zirkonerde t<<
enthalten, werden gemäß der US-PS 24 81 493 hergestellt, indem man Zirkonsilicai-Erze mit Natriumhydroxid
und Natriumfluorid schmilzt, die Schmelze kühlt, das gekühlte Produkt granuliert, das Granulat mit wäßriger
Natriumsüieat-Lösung vermahlt, die Suspension mit
Säure auf einen pH-Wert von 2^—8 einstellt, das
Gemisch rührt und das nach Absetzen erhaltene Hydrogel trocknet, dem Basenaustausch unterwirft und
zu Pellets fomrt
Die US-PS 29 44 005 betrifft die katalytische Umwandlung von Kohlenwasserstoffdestillaten unter Anwendung
von Katalysatoren, die auf einer als Träger dienenden kieselsauren Crackkomponente eine Hydrierungs-Dehydrierungskomponente
enthalten, wobei diese Katalysatoren durch Imprägnieren der Trägerkomponente mit der Hydrierungs-Dehydrierungskomponente
und anschließendes Trocknen, Calcinieren, Reduzieren und gegebenenfalls Sulfidieren hergestellt werden.
In der US-PS 29 44 006 wird ebenfalls die katalytische
Umwandlung von Kohlenwasserstoffen beschrieben, die unter Verwendung von Katalysatoren, die auf einer
als Träger dienenden kieselsauren Crackkomponente als Hydrierungskomponente Nickelsulfid oder Kobaltsulfid
enthalten, durchgeführt wird. Die verwendeten Katalysatoren werden dabei entweder durch Imprägnieren
eines synthetischen Siliziumoxid/Aluminiumoxid-Trägers mit ausreichend Nickelnitri.t, Zersetzen
des Nitrats und Sulfidieren oder durch Imprägnieren eines Siliziumoxid/Aluminiumoxid-Trägers mit einer
Nickelverbindung, Trocknen des imprägnierten Trägers, Erhitzen des Preduktes, Reduzieren und Sulfidieren
hergestellt.
Aus der US-PS 25 06 923 ist ein Verfahren zur Umwandlung von Kohlenwasserstoffen in Gegenwart
eines Siliziumoxid-Aluminiumoxid-Katalysalors bekannt, wobei der Katalysator aus einem Präzipitat
hergestellt wurde, indem das Präzipitat nach Abtrennen aus der Lösung 8 Stunden bei 121 °C getrocknet, dann
mit Wasser gewaschen, mit Ammo.iiumsulfat behandelt,
anschließend erneut mit Wasser gewaschen und dann getrocknet und calciniert wurde. Ein Formen, insbesondere
Extrudieren des Katalysators, insbesondere nach partiellem Trocknen, findet gemäß diesem Verfahren
nicht statt und wird auch an keiner Stelle dieser Patentschrift erwähnt.
Die US-PS 32 48 342 beschreibt die Herstellung eines
Katalysators aus Metallen der Eisengruppe zusammen mit einem synthetischen siliziumhaltigen Träger, wobei
Wasser, eine wasserlösliche Verbindung eines Metalls der Eisengruppe und der Träger vermischt werden, ein
im wesentlichen gleichmäßiges Gemisch gebildet, dieses extrudicrl, getrocknet und calciniert wird. Es wird
kommerziell hergestelltes nicht-calciniertes Siliziumoxid-Aluminiumoxid
verwendet und in dasselbe werden dann die Katalysatorkomponenten eingearbeitet. Gemäß
diesem Verfahren wird weder partiell getrocknet noch findet ein Auswaschen von Salz aus den
Katalysatorparlikeln slats oder ist dieser Patentschrift ein Hinweis darauf zu entnehmen.
Gemäß der US-PS 27 68 145 wird ein Siliziumoxid-Aluminiumoxid-Katalysator
in Form von Mikrokügelchen durch Sprühtrocknen von hydratisierlem Aluminiumoxid-Siliziumoxid
hergestellt, wobei eine Aufschlämmung von feinteiligen ungewaschenen Partikeln
aus hydratisiertem Siliziiimoxid-Aluminiumoxid hergestellt
wird, die Aufschlämmung zu einem Feuchtigkeitsgehall von unter etwa 4% sprühgetrocknet wird, das
sprühgetrocknete Produkt zur Entfernung der löslichen Salze gewaschen und das gewaschene Material
calcinitrt wird. Die Herstellung von extrudierten
und/oder agglomerierten Katalysatorpartikeln findet in dieser Patentschrift keine Erwähnung ebensowenig wie
ein partielles Trocknen auf einen Feuchtigkeitsgehalt von 55—83 Gew,-%. Das Sprühtrocknen ist zur
Herstellung von Katalysatoren in Form von Makropartikeln ungeeignet und unbefriedigend, da gemäß diesem
Verfahren Mikropartikel erhalten werden.
Formung-'.methoden zur Herstellung von 'Makropartikeln
sind Extrusion und Agglomerierung. Die Pelletisierung ist als unbefriedigend für die Zwecke der
vorliegenden Erfindung anzusehen. Das Sprühen oder »Sprühtrocknen«, wie es gemäß der Literatur ausgeführt
wird, erwies sich zur Formung der Partikel bei der erfindungsgemäßen Katalysatorherstellung ebenfalls als
unbefriedigend.
Beim Sprühtrocknen nach den Angaben der Literatur werden im Gegensatz zu den Makropartikeln des
erfindungsgemäßen Verfahrens Mikropartikel erhalten. Der Ausdruck »Makropartikel« bezieht sich hier auf
Panikcl, die größer als Mikropartikel. insbesondere als
die gewöhnlich beim »Sprühtrocknen« erhaltenen, sind. Gemäß dem Verfahren der vorstehend genannten
US-PS 27 68 145 werden durch Sprühtrocknen Mikrokügelchen, die gewöhnlich hauptsächlich einen Durchmesser
von 20 bis 80 Mikron besitzen, erhalten. Über 85 Prozent der Teilchen, die nach dem Verfahren dieser
US-PS erhalten wurden, hatten eine Größe entsprechend einer lichten Maschenweite von 0,42 mm oder
darunter. Dagegen weisen Makropartikel eine Größe entsprechend einer lichten Maschenweite von erheblich
mehr als 0,42 mm auf, das heißt sie haben Durchmesser von 0,8 oder 1,6 mm und darüber.
Nach den Ausführungen der US-PS 27 68 145 und
31 24 540 können die nach dem Sprühtrockenverfahren erhaltenen Mikrokügelchen anschließend gewaschen
werden. Aber die nich dem Sprühtrockenverfahren gemäß der Literatur hergestellten ungewaschenen
Partikel besitzen nicht nur eine erheblich geringere Größe al., die erfindungsgemäß erzeugten Makropartikel,
sondern haben auch einen geringeren Feuchtigkeitsgehalt als diese. Nach bekannten Methoden der
Sprühtrocknung hergestellte Mikrokügelchen enthalten im allgemeinen durchweg weniger als etwa 50
Volumenprozent Wasser. Wie nachfolgend dargelegt wird, enthalten die erfindungsgemäß hergestellten
ungewaschenen Partikel vorzugsweise mehr als 50 Volumenprozent Wasser. Versuche mit bekannten
Sprühtrockenmethoden zur Gewinnung von Partikeln
mit verhältnismäßig hohem Feuchtigkeitsgehalt erwiesen sich als erfolglos. Das »Sprühtrocknen« nach den
Literati:rangaben ist deshalb keine geeignete Methode,
um die erfindungsgemäß herstellbaren Katalysatoren herzustellen.
Partikel, insbesondere Katalysatorpartikel wurden früher auch in der Weise geformt, daß man kleine
Tröpfchen, beispielsweise eines Hydrosols in Öl tropfen ließ (Tropfenformung). Dieses Verfahren liegt nicht
innerhalb des Rahmens der Erfindung. Erfindungsgemäß werden die Partikel geformt, nachdem die
gallertartige Präzipilätrnasse bis zu einem bestimmten Wassergehalt getrocknet worden ist, während bei der
Tropfenformung vor der Formung der Partikel keine Trocknung des gallertartigen Präzipitates erfolgt.
Wie vorstehend angedeutet, ist erfindungsgemäß die Agglomerierung ein geeignetes Verfahren zur Formung
der Makropartikel. Viv Ausdruck »Agglomerierung« bedeutet hier zugleich eine Zusammenballung oder
Anhäufung von Partikeln oder Stoffen und bezieht sich insbesondere auf die Formung von Makropartikeln
durch Rühren oder andersartige Bewegung eines gallertartigen Präzipitates, im allgemeinen unter gleichzeitiger
Trocknung. Außerdem bezieht sich der Begriff »Agglomerierung« hierin auf die Formung von salzhaltigen
Makropartikeln eines gallertartigen Präzipitates, wobei die Makropartikel einen erheblichen Gehalt an
flüchtigen Bestandteilen oder Feuchtigkeit, gewöhnlich mehr als 50 Gewichtsprozent flüchtige Bestandteile,
ίο aufweisen, aber doch genügend fest sind, um ihre
Ausgangsform zu bewahren, wenn sie zur Entfernung von Salzen oder verunreinigenden Ionen gewaschen
werden.
Es wurde gefunden, daß Hydrogel-Makropartikel durch Agglomerierung geformt werden können, indem
man einen wasserhaltigen, ungewaschenen gallertartigen Filterkuchen in einen Granulator (unter Rühren
befindliche Schale) bringt und rührt, während gleichzeitig Warmluft über das gallertari.^e Präzipitat geleitet
2u wird. Es wurden Kügeichen von etva 0,8 bis I.bmm
Durchmesser gebildet, deren Gehalt an flüchtigen Bestandteilen etwa 68 Gewichtsprozent betmg. Die
Kügelchen wurden erfolgreich gewaschen, d. h. sie fielen nicht auseinander, sondern behielten im wesentlichen
ihre Gestalt, und der größte Teil der verunreinigenden Ionen konnte durch Waschen aus den
Kügelchen entfernt werden.
Gemäß einer bevorzugten Au^führungsform der Erfindung zur Herstellung von Katalysatoren in Gestalt
von geformten, festen Partikeln wird eine salzhaltige gallertartige Präzipitatmasse. die bis zu einem bestimmten
Wassergehalt getrocknet wurde, e\trudiert und liefert salzhaltige Extrudat-Formpartikel, die salzfrei
gewaschen werden können, ohne ihre Form zu verlieren, und die beim anschließenden Trocknen und
Ausglühen schrumpfen können und so die gewünschten Katalysatorpartikel bilden.
Der Ausdruck »salzhaltig« wird hierin allgemein verwendet und bedeutet nicht nur. daß das Präzipiuit
f· aCl sowie Na- und Cl-Ionen enthält, sondern schließt
auch andere Kationen und Anionen ein. die sich zu
Salzen verbinden können. Es sind hier aoer besonders Anionen. Kationen und Salze gemeint, die die
Eigenschaften des Katalysators in schädlicher Weise beeinflussen und daher Fremdstoffe oder Verunreinigungen
bilden, wenn sie in dem Fertigkatalysator noch vorhanden sind. Umfaßt ist auch ein »Salz«, wie HCl. die
in einem Kieselerdegel zurückgeblieben sein kann, das durch Zugabe von HCI zu Kieselerdesol hergestellt
wird.
Es wurde nun gefunden, daß beim Extrudieren einer formbaren, plastischen Masse von gemischten wasserhaltigen
Oxiden, die eine wäßrige Salzlösung mit starken Ionen absorbiert enthalten, sich ciese Masse in
ein festes Hydrogel zu verwandeln scheint, des gewaschen werden kann, wenn der Wassergehalt der
Masse vor der Formung, besonders der Formung durch Extrusion, durch jorgfältiges Trocknen auf einen engein
Bereich pingestellt wurde. Ob ein echtes Hydrogel gebildet wird, ist nicht leicht nachzuweisen, aber es ist
ganz offensichtlich, daß die Extrusion zu waschbaren Formleilchen führt, die ihre Gestalt während des
Waschens behalten, während die Masse vor dem Extrudieren gewöhnlich bei dem Versuch, sie zu
waschen, sich in eine formlose Gallerte oder eine Dispersion von Feststoffen zurückverwandelt.
Wenn nach den bisher vorgeschlagenen Methoden Mehrkomoonenten-Katalvsatoren durch eremeinsame
Ausfällung von wasserhaltigen Melalloxiden der die
wesentlichen Katalysatorkomponenten bildenden Elemente als Aufschlämmung gallertartiger Präzipitate in
einem wäßrigen Medium hergestellt werden sollten, so mußte die ausgefällte Masse in der Tat vor dem
Trocknen gewaschen werden, weil sich die verunreinigenden Salze nach dem Trocknen nicht mehr vollständig auswaschen ließen. Das Waschen machte es
erforderlich, die Präzipitate wiederholt zu filtrieren, /um Waschen wieder iuif/.uschlämmen. wieder /u
filtrieren, wieder auf/.usehl.immen usw., um die gemischten
wasserhaltigen Oxide in gereinigtem Zustand, frei von absorbierten Salzanionen und -kationcn. zu
erhalten. Die Extrusion der gereinigten wasserhaltigen Oxide nach dem Trocknen war manchmal erfolgreich,
mißlang aber auch häufig und führte nicht /u den festen
Partikeln gewünschter Dichte, so daß auf das Pellelisie
ren zurückgegriffen werden muütc. Dadurch wurden die
vorgeschlagenen Methoden kostspieliger als die herkömmlichen Imprägnierungsmelhoden.
Die erfindungsgemäß hergestellten salzhaltigen Extrudatstäbchen können in einem Gegenstromsystem
kontinuierlich mit Waschflüssigkeit von allen Verunreinigungen befrei! werden, ohne daß zwischendurch
aufgcschlämmt. filtriert oder ein ähnliches Verfahren angewandt werden muß. um die gewaschenen Feststoffe
von der Waschflüssigkeit abzutrennen: es genügt vielmehr ein einfaches Abfließenlassen der überschüssigen
Waschflüssigkeit von den geformten Stäbchen, da das Extrudat seine Kohärenz und Stäbchen!" >rm behalt
(wenn auch bei der Handhabung ein gewisses /erbrechen in kürzere Stäbchen eintreten kann, wenn
diese anfänglich zu lang sind).
Nach einer kennzeichnenden erfinüungsgemäßen Methode zur Herstellung von Mehrkomponenten-Katalysatoren
wird zunächst eine Aulschlämmung der
gallertartigen Priizipitate >n einem stark ionischen
wäßrigen Medium, vorzugsweise bei eine·-. pH-Wert
von b —8 hergestellt, um die Löslichkeit der teuren
Elemente in dem wäßrigen \Κ\'".ιηι herabzusetzen: es
kann aber auch in einem pll lU-rei.h von 3.5 bis 9
gearbeitet werden, ohne daU \,c ' je·,schalten des
fertigen Katalysators ungünstig beeinllußi werden. Die
gallertartigen Präzipitate ent'v.iiien erfindi;ngsgem,iß
gewöhnlich feinverteilte wasserhaltige Oxide von mindestens zwei, gemäß besonders bevorzugter Ausführungsformen
von mindestens drei Elementen, wie Magnesium. Aluminium. Silizium, /mn. Titan. Zirkon.
Kupfer. Silber. Gold. Vanadium. Molybdän. Wolfram. Chrom, Mangan. Rhenium. Eisen. Kobalt. Nickel. Platin.
Palladium, Phosphor, Arsen oder Antimon, wobei mindestens ein wasserhaltiges Oxid durch Brennen in
einen porösen Oxidträger mit großer Oberfläche umwandelbar sein muß. Die ungewaschene gallertartige
Präzipitatmasse, die die vorstehend genannten wasserhaltigen Oxide enthält und in der die ionenhaltige
wäßrige Flüssigkeit absorbiert ist, wird aus der Aufschlämmung abgetrennt, beispielsweise durch Filtration. Diese ungewaschene Masse wird durch Zerbrökkeln des Filterkuchens in zusammenhaftende Stücke
zerlegt, die mehr als 85 Gewichtsprozent Wasser enthalten. Die Stücke der Präzipitatmasse werden in
einer Atmosphäre hoher relativer Feuchtigkeit partiell getrocknet, bis sie einen Wassergehalt von 55—83
Gewichtsprozent aufweisen. Die partiell getrockneten Stücke, in denen noch die ionenhaltige Flüssigkeit
eingeschlossen ist, werden wieder vereinigt, und die so erhaltene Masse wird extrudiert, wobei Extrudat-Stäb-
chen erhalten werden, die einen größeren Durchmesser
besitzen als für die Teilehen des fertigen Katalysators erwünscht ist. Die Stäbchen werden gewaschen, bis sie
im wesentlichen frei sind von den verunreinigenden Ionen aus dem absorbierten wäßrigen Medium, dann
getrocknet und gebrannt. Hierbei entstehen durch Schrumpfung direkt die gewünschten Katalysatorpartikel.
Ein wichtiger Faktor für die Erzielung möglichst guter Resultate bei der Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens sind Methoden, tue die salzhaltige
gallertartige Masse aiii einen fur die Extrusion geeigneten Wassergehalt bringen, der in einem engen
Bereich liegt, wobei darauf zu achten ist. daß die verschiedenen Stücke der Masse gleichmäßig, d. h. nicht
zu wenig und nicht zu stark getrocknet werden. Ein zu starkes Trocknen ist vor allem zu vermeiden, da der
EmschiuB von zu siaik geinn kiiL-U-m M.iion.i! die
Widerstandsfähigkeit des fertigen Produktes herabsetzt. Eine geeignete Methode zur Vermeidung einer zu
starken oder zu schwachen Trocknung der verschiedenen Anteile besteht darin, die Stücke des Filterkuchens
partiell zu trocknen, sie dann nochmals durchzuarbeiten
und zur weiteren Trocknung wieder zu teilen, bevor die
Extrusion durchgeführt wird. Nützlich ist ein langsames
Trocknen in einer Atmosphäre bestimmter Feuchtigkeit bei niedr;..'.M Temperaturen, am ein zu starkes
Trocknen einzelner Anteile zu vermeiden. Zu stark getrocknete Anteile können gegebenenfalls auf Grund
ihrer Dichte abgetrennt werden, was Jurch Flotation in einer Flüssigkeit von geeignetem spezifischem Gewicht
geschehen kann.
Der für die anschließende Extrusion des salzhaltigen Materials optimale Wassergehalt hangt von der
Zusammensetzung des herzustellenden Katalysators ab, liegt aber im allgemeinen im Bereich von 6j bis etwa 80
oder 85 Gew.-1Vo. und zwar an der oberen Grenze dieses
Bereichs für Träger mit überwiegend Kieselerde und an der unteren Grenze für überwiegend Tonerde enthaltende
Träger. Etwa 69 — 75 Prozent Wasser erwiesen sich als geeignet für fast alle Kombinationen der
untersuchten Komponenten. Extrudate in Form kleiner Rundstäbchen können auch aus ungewaschenen Präzipitaten
hergestellt werden, die mehr als 80 Prozent Wasser enthalten, aber in diesen Fällen ist ein sehr
vorsichtiges Handhaben nötig, um bein; Waschen in großtechnischem Maßstab ein Zerdrücken. Zerbröckeln
oder einen anderen nachteiligen Formverlust zu verhindern. Das Extrudat wird fester, wenn man es vor
dem Waschen mehrere Stunden stehenläßt, mögliche.-weise infolge einer langsamen Vernetzung der Hydrogelbindungen. Salzhaltige Extrudate können auch aus
Präzipitatmassen hergestellt werden, die weniger als 65 Prozent Wasser aufweisen, doch muß in diesem Falle
viel gründlicher gewaschen werden, um die absorbierten Salze zu entfernen. Auch tritt beim Waschen ein
stärkeres Zerbrechen ein und die Extrusion gestaltet sich schwieriger; Probleme ergeben sich auch manchmal
aus dem zu starken Austrocknen der Oberfläche infolge
von Reibungswärme, es sei denn, daß der Träger einen hohen Gehalt an Tonerde aufweist. Empfehlenswert ist
das Arbeiten mit einem Kolbenextruder zur Formung der Präzipitatmasse, deren Wassergehalt im günstigen
Bereich liegt, da Materialien mit diesem Feuchtigkeitsgehalt oft recht weich sind und deshalb in einem
kontinuierlich arbeitenden Schneckenextruder nicht in befriedigender Weise geformt werden können.
schens und Trocknens neigen die erfindungsgemäß hergestellten /ylinderförmigen F.xtrudate von sich aus
zum Zerbrechen in stäbchenförmige Stücke, die zu kleinen Rundstäbchen schrumpfen, deren Verhältnis
Länge zu Durchmesser in einem Bereich liegt, wie er für Katalysatoren, die in Festbetten zur katalytischen
Umwandlung von flüssigen Kohlenwasserstoffen benutzt werden sollen, günstig ist, ohne daß es bei dem
Verfahren zu einem übermäßigen Druckabfall kommt (Verhältnis L/D 1 — 3). Ks ist daher nicht nötig, die
Kxirudaie in der Länge /u /erteilen, dies kann aber
geschehen, wenn ein Produkt gewünscht wird, dessen Teilchen eine sehr gleichmäßige Größe besitzen.
Der hierin verwendete Ausdruck Extrudat-»Stäbchen« soll jede Form bezeichnen, die durch Extrusion
(el. h. durch einen Prozeß, bei dem ein formbares Material durch eine sich verengende Durchtrittsöffnung
gepreßt wird) erhalten werden kann. Es sind also nicht nur feste zylindrische Stäbchen gemeint, sondern auch
I lohlröhrchcn und andere geformte Teilchen, die durch
spezielle Spritzdüsen erhalten werden, welche z. B. Kxtrudalc mt sternchenförmigem, rechtwinkligem oder
halbmondförmigem Querschnitt liefern. Aus nachfolgend zu erläuternden Gründen ist es aber vorteilhaft,
Extrudate in der üblichen Zylinderform herzustellen.
Bei Anwendung der nachfolgend beschriebenen Technik sind die Teilchen des fertigen gebrannten
Katalysators hart, glasartig, transparent und gelähnlich,
si" zeigen einen muschligcn Bruch, wie er für echte
Hydrogele charakteristisch ist. Die mikroskopische Untersuchung des fertigen Katalysators beweist, daß im
wesentlichen ein festes Xerogel-Klümpchen vorliegt. Auch bei starker Vergrößerung ist keine Struktur zu
erkennen. Ein mit dem Mikrotom hergestelltes Scheibchen eines Katalysatorteilchens ist klar und transparent,
wenn auch gewöhnlich gefärbt. Es können Katalysatorpartikel mit hoher Dichte (1.4-1,7 g/cm1), großer Härte
(Druckfestigkeit über 15 kg) und einer Verschleißfestigkeit (weniger als 6 Prozent Abriebverlust bei halbstündigem
Umwälzen in einer Drehtrommel) hergestellt werden, wie sie bisher nur bei Kieselerde-Tonerde-Mikrosphäroiden
beobachtet werden konnte, die nach dem Tropfenverfahren erzeugt wurden. Es können aber auch
Katalysatorteilchen mit geringer Dichte hergestellt werden. Ferner können erfindungsgemäß Katalysatorteilchen
hergestellt werden, die hohe Dichte und Härte mit großer Oberfläche (über 300 m2/g), geringem
Porenvolumen (0,25—0,4 cmVg) und einer engen Verteilung
der Porengröße vereinen: die Katalysatorteilchen können überwiegend Mikroporen mit einem
Durchmesser unter 1000 A und weniger als 10 Prozent des Porenvolumens Makroporen mit einem Durchmesser
über lOOOÄ besitzen. Diese Eigenschaften spiegeln
sich bei den Katalysatoren in einer höheren Aktivität und größeren Stabilität wider (sie behalten ihre hohe
Aktivität während einer längeren Gebrauchsdauer), verglichen mit Katalyatoren ähnlicher Zusammensetzung,
die nach den herkömmlichen Imprägnierungsmetho-den hergestellt wurden.
Wie bereits ausgeführt, ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft, wenn es zur Herstellung
von Mehrkomponenten-Katalysatoren mit mindestens drei Komponenten benutzt wird. Mindestens
eine Komponente ist ein poröser anorganischer
Oxidträger mit großer Oberfläche, der aus einem wasserhaltigen Oxid eines Elements der Gruppe HA
(insbesondere Magnesium), HIA (insbesondere Aluminium), ilVA (insbesondere Silizium) oder IVB (insbssonde-
-'ο
re Titan oder Zirkon) gebildet wird. Ferner ist mindestens eine Komponente ein Katalysator für eine
spezifische Reaktion, der aus einem Element der Gruppen IB (Kupfer, Silber oder Gold), VB (Vanadium).
VIB (Molybdän. Wolfram oder Chrom). VIIB (Mangan oder Rhenium) oder VIII (Eisen, Nickel, Kobalt, Platin
oder Palladium) gebildet wird. Diese spezifischen Katalysatoren werden im Gegensatz zu dem anorganischen
Oxidträger oft als »Metalle« bezeichnet. Die Erfindung betrifft insbesondere die Herstellung von
Katalysatoren, bei denen die spezifisch wirkende Komponente ein Hydricrungs-Dehydrierungs-Beschlcuniger
ist. der aus einer Verbindung eines Elements der Gruppe VIII, insbesondere Nickel, gebildet wird,
sowie deren Verwendung. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die dritte Komponente
des Katalysators entweder ein weiterer poröser anorganischer Oxidträger oder ein sonstiger Träger,
Beschleuniger oder Modifizierer, oder ist die dritte Komponente ein weiterer Katalysator. Beschleuniger
oder Modifizicrer für eine spezifische Reaktion, der in
diesem Falle aus einem anderen Element der vorstehend genannten Gruppen gebildet wird, zu denen noch die
Gruppe VA (Phosphor, Antimon oder Arsen) hinzukommt. In vielen Fällen sind vier oder mehr Elemente
zugegeben.
Ein hervorzuhebendes erfindungsgemäßes Merkmal besteht darin, daß Mehrkomponenten-Katalysatoren
innerhalb außerordentlich breiter Bereiche der jeweiligen Mengenverhältnisse der Komponenten und ohne
Begrenzung der Anzahl der Komponenten hergestellt werden können, die alle als geformte feste Partikel in
dem Katalysator vorliegen, der zum Kontakt mit den Reaktionsteilnehmern im Festbett verwendet werden
soll. Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft für die Gewinnung von Katalysatoren, die
zusammen mit dem anorganischen Oxidträger einen hohen Prozentgehalt an »Metallen« aufweisen, u. zw. 10
Gewichtsprozent Metalle und sogar 15 bis 30 Gewich-.;-prozent oder mehr. Im Gegensatz, dazu ist bei den
üblichen Methoden der Katalysatorherstellung, bei denen das Katalysatormetall auf einen vorgeformten
Träger beispielsweise durch Imprägnierung niedergeschlagen wird, die Menge des Beschleunigers, die
hineingebracht werden kann, durch die Wasserlöslichkeit des Salzes und das Porenvolumen des Trägers
begrenzt.
Es ist zu beachten, daß erfindungsgemäß in dem gebrannten Katalysatorteilchen alle Komponenten als
Oxide vorliegen, wenn auch ohne Zweifel noch eine gewisse Menge fest gebundenes Wasser und/oder
verbindende Hydroxylgruppen vorhanden sind. Das Oxid kann unter Umständen für einen Hydrierungs-Dehydrierungs-Beschleuniger
nicht die aktivste Form sein, was es erforderlich macht, dieses Metalloxid entweder
durch einen zusätzlichen Schritt am Schluß der Katalysatorherstellung oder als Teil des Prozesses zu
Beginn, für die zu beschleunigenden Reaktionen in eine aktivere Form umzuwandeln. Auch während des
Gebrauchs kann das Metalloxid in die aktivere Form umgewandelt werden. Wenn beispielsweise ein erfindungsgemäß
hergestellter Katalysator, der aus Nickeloxid, Kieselerde und Tonerde besteht, bei einem
Hydrokonversionsprozeß (z. B. Hydrocracking oder
Hydrotreating) von Ölen eingesetzt werden soll, so ist es angebracht, das Nickeloxid zunächst mindestens teilweise
in Nickelsulfid umzuwandeln.
Die folgenden Beispiele für erfindungsgemäß her-
stellbare Mehrzweckkatalysatoren dienen der weiteren Erläuterung der vorliegenden Erfindung.
(1) Ein sticksloffempfindlicher Katalysator für den Hydrokonversionsprozeß, der Kobalt- und/oder
Nickeloxid, Kieselerde und/oder Tonerde enthält und im Sutfidzustand zur Umwandlung von
Kohlenwasserstoffen mit geringem Gehalt an Verunreinigungen (weniger als 200 ppm Stickstoff)
in niedriger siedende Kohlenwasserstoffe verweildet wird, wobei er mit den Kohlenwasserstoffen in
Gegenwart von überschüssigem Wasserstoff bei Temperaturen von 290—425'C und Drücken über
34,3 bar in Berührung gebracht wird;
(2) Ein stickstoffunempfindlicher Katalysator für den Hydrocracking-Prozeß, der Nickel- und/oder Kobaltoxid,
Wolfram- oder Molybdänoxid, Kieselerde. uiiu/ouL'i Tonerde eninäii und im Suiiiu/usianu /.ur
Umwandlung von Kohlenwasserstoffen mit hohem Gehalt an Verunreinigungen (mehr als 200 ppm )()
Stickstoff) in niedriger siedende oder hochwertigere Kohlenwasserstoffe verwendet wird, wobei er
mit diesen Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von überschüssigem Wasserstoff bei Temperaturen von
370—4550C und Drücken über 34,3 bar in Beruh- v.
rung gebracht wird;
(3) Ein schwefelaktiver Katalysator für den Hydrofining-Hydrocracking
Prozeß, der Kobalt- oder Nickeloxid, Wolfram- oder Molybdänoxid, Kieselerde
und/oder Tonerde enthält und im Sulfidzu- J()
stand zur Umwandlung von Kohlenwasserstoffen mit hohem Gehalt an Verunreinigungen in
niedriger siedende oder hochwertigere, weniger verunreinigte Kohlenwasserstoffe verwendet wird,
wobei er mit diesen Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von überschüssigem Wasserstoff bei
Temperaturen von 315—455'C und Drücken über
34.3 bar in Berührung gebracht wird;
(4) Ein schwefelaktiver Hydrierkatalysator, der Nickeloxid, Molybdänoxid und Tonerde enthält und
im Sulfidzustand zur Reinigung von verunreinigten Kohlenwasserstoffen unter geringfügigem Hydrocracken
zu niedriger siedenden oder hochwertigeren Kohlenwasserstoffen verwendet wird, wobei er
mit den Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von überschüssigem Wasserstoff bei Temperaturen von
315—425°C und Drücken über 13,73 bar in Berührung gebracht wird.
Alle vorstehend genannten Katalysatoren können in gleicher Weise verwendet werden, wenn bei ihrer ™
Herstellung noch Titandioxid, Zirkondioxid oder Oxide anderer, vorstehend aufgeführter Metalle zugesetzt
wurden.
Bei den früheren Methoden der Herstellung entsprechender Katalysatoren war es ganz offensichtlich, «
welche Komponenten den feuerfesten anorganischen Oxidträger bildeten und welche als Hydrierungs-Dehydrierungs-Beschleuniger
oder -Modifizierer wirkten, weil im allgemeinen der anorganische Oxidträger, wie
z. B. Tonerde oder Kieselerde/Tonerde zuerst herge- *>o
stellt und dann mit Lösungen imprägniert wurde, die Verbindungen der Katalysatormetalle, wie z. B. Nickel-
und Molybdänverbindungen, enthielten. Wenn aber erfindungsgemäß das fertige Katalysaiorieiichen das
Aussehen eines Xerogels oder eines alle Komponenten umfassenden Cogels besitzt, und wenn die Elemente, die
die wesentlichen Komponenten des Katalysators bilden, alle gemeinsam als wasserhaltige Oxide ausgefällt und
dann zu den Fertigteilchen verarbeitet wurden, so ist es nicht so offensichtlich, welche Komponenten den
Träger und welche die Beschleuniger bilden. Bei früheren Katalysatoren konnte die Komponente, die auf
dem Träger verteilt oder niedergeschlagen war, auf Grund ihrer Neigung Kristallite zu bilden, die während
der Verwendung des Katalysators größer wurden, leicht von dem Träger unterschieden werden. Die erfindungsgemäß
hergestellten Katalysatoren zeigen wenig Neigung zur Bildung wachsender Metallkristallite. und
falls sich irgendwelche Kristallite bilden, so sind diese viel kleiner und stärker verteilt als bei den meisten
früheren Katalysatoren. Es sei also darauf hingewiesen, daß die Bezeichnungen »Träger« und »Katalysator« für
die verschiedenen Katalysatorkomponenten hierin nur aus Gründen der Konvenienz benutzt werden und nicht
die wahre Natur des Katalysators beschränken. Der Katalysator muß aber mindestens ein Oxid enthalten,
das fähig ist, selbst einen porösen Oxidträger zu bilden. Der Fachmann wird bei der üblichen Verwendung
dieser Bezeichnungen erkennen, welche Gruppen von Elementen und Verbindungen gemeint sind.
Wie vorstehend beschrieben, wird erfindungsgemäß bei dor Herstellung von Katalysatoren eine Aufschlämmung
gallertartiger Präzipitate in einem stark ionenhaltigen wäßrigen Medium hergestellt. Die ausgewählten
Elemente, die in dem Katalysator enthalten sein sollen, werden also am besten zunächst in eine wäßrige Lösung
gebracht ode·' es werden Sole von Verbindungen der ausgewählten Elemente hergestellt. Wenn beispielsweise
Nickel in dem Katalysator vorhanden sein soll, kann ein lösliches Nickelsalz in Wasser gelöst werden oder
metallisches Nickel kann mit Säure umgesetzt und mit Wasser verdünnt werden, wobei die gleiche Lösung
erhalten wird. Die Lösung einer Aluminiumverbindung kann entsprechend hergestellt werden oder Nickel und
Aluminium können als Verbindungen in einer einzigen Lösung gelöst werden; desgleichen Verbindungen von
Zirkon und/oder Titan. Diese und ähnliche Metalle bilden alle saure Salze, die in sauren Lösungen löslich
sind. Geeignete Salze sind Chloride, Nitrate, Acetate, Carbonate, Sulfate. Phosphate und andere. Um die
chemischen Verhältnisse zu vereinfachen, wird gewöhnlich ein gemeinsames Anion zur Herstellung der
löslichen Salze benutzt, und am bequemsten sind erfindungsgemäß die Chloride.
Wenn Silizium in dem Katalysator anwesend sein soll, so kann dieses Element als Äthylsilikat, Kieselerdesol,
Natrium- oder ein anderes Alkalisilikat oder in Form einer anderen löslichen Verbindung in Lösung gebracht
werden. Molybdän oder Wolfram können (mit Schwierigkeiten) als Molybdänsäure oder Wolframsäure in
Lösung gebracht werden, leichter aber als Ammoniummolybdat oder Ammoniumwolframat, aber es können
auch Alkaliverbindungen, wie Natriummolybdat oder Natriumwolframat in wäßriger Lösung benutzt werden.
Ein bequemer Weg zur Herstellung einer Wolframlösung ist die Auflösung von Ammoniumparawolframat in
einer wäßrigen Lauge.
Die zur Herstellung des gewünschten Katalysators benötigten Lösungen müssen vereinigt und zu einer
Aufschlämmung des gallertartigen Präzipitates oder gemischter gallertartiger Präzipitate verarbeitet werden,
wobei in der Aufschiämniung narärüch auch alle Anionen, wie z. B. Chloridionen, und alle Kationen, wie
z. B. Natriumionen anwesend sind, die bei der Herstellung der Lösungen verwendet wurden.
Es sei daran erinnert, daß diese Natrium- und
ί3
J4
Chloridionen bekanntlich in Katalysatoren, die zur Beschleunigung von Hydrokonversionen bei Kohlenwasserstoffen
benutzt werden und daher eine Katalysa torgruppe von großem Interesse für das erfindungsgemäüe
Verfahren bilden, besonders schädliche Verunreinigungen darstellen und berücksichtigt sei auch, daß
diese Kationen und Anionen während der Katalysatorherstellung in beträchtlichem Maße mitgeschleppt
werden müssen, da sie sich mit der gallertartigen Masse in Kontakt befinden, bis die fertigen Extruclale gebildet
worden sind. Trotzdem hat es sich als günstig erwiesen. genau diese salzbildenden Kationen und Anionen /u
verwenden.
Nach der bevorzugten Methode zur Herstellung ties gallertartigen Prä/.ipitates werden die vorstehend
beschriebenen sauren wäßrigen Lösungen zu eitler einzigen wäßrigen Lösung oder einem Sol mit saurem
μί ί- w'ci ί vci einigt. Nacitucm uic sau ι c Losung uuei u«iS
Sol mit den Verbindungen der gewünschten Elemente hergestellt worden ist, wird ungefähr auf Neutralität
titriert, indem langsam unter ständigem Durchmischen eine geeignete Base, beispielsweise eine wäßrige Lauge
oder besser eine Ammoniaklösung zugegeben wird. Ls scheiden sich im wesentlichen alle Metalle und
Kieselerde aus und bilden feinverteilte unlösliche wasserhaltige Oxide oder dispergierte Huirogele. d. h.
die gewünschte Aufschlämmung gallertartiger Präzipitate in einem stark ionenhal'igen wäßrigen Medium.
Wie ausgeführt, enthalten r"ie gallertartigen I'räzipitate
feinverteilte wasserhaltige Oxide der die Katalysatorkomponenten bildenden Elemente, worunter dispergierte
Hydrogele, hydratisierte Oxide. Hydroxide und andere zu verstehen sind. Für die Praxis ist es vielleicht
rein spekulativ, akademisch und unwesentlich, über die
Natur der ausgefällten Verbindungen Betrachtungen anzustellen, da durch die nachfolgend beschriebenen
Schritte erfindungsgemäß der gewünschte Oxid-Katalysator hergestellt wird.
Die beschriebene gallertartige P.-äzipitatm.'.sse wird
aus der Aufschlämmung abgetrennt, beispielsweise durch Filtration auf einem Oliverfilter. u.ihei ein
Filterkuchen des gallertartigen Präzipitates erhalten wird, in weichem die stark ionenhaltige wäßrige
Flüssigkeit eingeschlossen ist. die die salzbildenden Anionen und Kationen aus den Lösungen enthält, die
zur Herstellung der Aufschlämmung vereinigt worden waren. Das absorbierte wäßrige Medium ist bereiis
stark ionenhaltig, und es wird bei den anschließenden Verfahrensschritten noch stärker ionenhaltig. da ein Teil
des Wassers zur Verdampfung gebracht wird. Die Aufschlämmung der gallertartigen Präzipitate war
ausreichend verdünnt, so daß sich in der Aufschlämmung Verbindungen, die zur Bildung echter Gele
neigen, nicht unter Gelbildung absetzen konnten, was außerdem auch durch gute Durchmischung verhindert
wurde. Im allgemeinen liegt die Gesamtkonzentration an Kieselerde und Metallen in der Aufschlämmung,
ausgedrückt als trockene Oxide, nur bei 2—3 Gewichtsprozent aber das voluminöse gallertartige Präzipitat
mit dem locker gebundenen Wasser und dem absorbierten wäßrigen Medium macht tatsächlich 30 bis
Prozent oder mehr des Volumens der Aufschlämmung aus. Ein Filterkuchen kann so 90 bis 95 Gewichtsprozent
Wasser enthalten, und die Molkonzentration der salzbildenden Ionen darin kann etwa gleich der
Molkonzentration der trockenen Oxide sein.
Die ungewaschene gallertartige Präzipitatmasse wird nun in zusammenhaftende Teile aufgeteilt, die vegen
der absorbierten ioncnhaUigen wäßrigen Flüssigkeit
mehr als 83 Gewichtsprozent Wasser, gewöhnlich 85 — 90 Prozent oder mehr enthalten. Dieses Zerlegen
der Masse kann auf dem Oüverfilur durchgeführt
werden, indem unmittelbar vo·" der Entleerung der
Lauftrommel ein Luftstrom in umgekehrter Richtung nach außen durch den Filterkuchen geleitet wird.
Die zusammenhaftenden Teile des Filterkuchen werden leicht verformt und zerbrechen, wenn man sie
zu waschen versucht. Sie kön.ien bis zu dem gewünschten Wassergehalt getrocknet werden, ir .!cm
man feuchte Luft durch die lockere Masse strömen iaßt, was bei niedriger Tempeiatur, möglichst unter ivi C
aber übei 32 C geschieht. Die zusaniinenha'ige..Je.-ι
Teile des I ilterkuchen.s. die mehr als H~>
[Vo,-ein ">» .user
als ionenhaltige wäßrige Flüssigkeit eingeschlossen enthalten, sollen bis zu einem Wassergehalt von Vi-MS
i'ÖLivitO! wciucii. w
Bereich innerhalb dieses breiten Bereichs angestrebt wird, der für den jeweils herzustellenden Katalysator
geeignet ist und, wie bereits dargelegt, gewöhnlich bei 65 — 80 bzw. 65 —8J Gewichtsprozent liegt. Die
einzelnen Portionen des Filtcrkuchens. die als Stücke oder Schnitzel vorliegen, sollen möglichst eine Größe
und Dicke besitzen und genügend einheitlich sein, damit
das Trockenmittel frei durch die locker aufgeschüttete flache Schicht strömen kann und ein langsames
gleichmäßiges Trocknen erfolgt. Geeignet sind Chips von etwa 1.6 -4.8 mm Dicke und IJ--2.5 cm Lange.die
sich leicht formen lassen. Die Geschwindigkeit, mit der
ein Teilehen dieser Art trocknet, ist .lern Verhältnis
Oberflache : Volumen des Teilchens proportional. I.in
Kügelchen mit einem Durchmesser von i,2 mm trocknet beispielsweise um ein Mehrfaches schneller als
ein Kügelchen von 6.4 mm Durchmesser. Wenn die Chips oder Stückchen des Filierkuchens keine einncithehe
Größe besitzen, brechen leicht kleine Teilchci. \or
den großen ab. die dann schneller trocknen und einer,
niedrigeren Wassergehalt erreichen .ils die rroHcn. Vias
zu einem wenig widerstandsfähigen k.iuk^:i<
■■ fuhren kann, vvcnr. il.is zu stark geimikneie Maien,, m das
Evrudat gelangt. Es ·μ ^-m.üIi m ";j;k:u·- Fi; en von
Vorteil, mit Vorrn.hni..u-. :i zu arbeiten, ci.e den
Filterkuchen in Teile einheitlicher Grürte und Form
zerlegen, wie sie zum Trocknen geeignet sind, und si;h
nicht darauf zu verlasset·,, daß Jer Filterkuchen von selbst in einheitlich- Stücke zerfallt. Zur Unterstützung
einer gleichmäßigen Trocknung der gallertartigen Präzipitatmasse können die Stücke nach partielle!
Trocknung auch nochmals \ ereinigt, durchgearbeitet und dann in gleichmäßigere Teilchen zerlegt werden, die
dann weiter getrocknet werden, bis der für die Extrusion günstige Wassergehalt erreicht ist. Dieses Nachformen
kann durch Extrusion bewerkstelligt werden, wobei weiche Stäbchen gebildet werden. Die Extrusion ist eine
besonders gute Methode zur Herstellung einheitlicher Teilchen, die gleichmäßig trocknen, weil die Extrude te
wegen ihres einheitlichen Durchmessers auch ungefähr das gleiche Verhältnis Oberfläche : Volumen aufweisen,
unbeschadet gewisser Unterschiede in der Länge der Stäbchen, wenn die Länge erheblich größer ist als der
Durchmesser. Das beruht darauf, daß die Endfläche eines langen Stäbchens nur einen geringen Teil der
Gesamtoberfläche ausmacht.
Wenn die partiell getrockneten, zusammenhaltenden Teilchen den gewünschten Feuchtigkeitsgehalt erreicht
haben, werden sie wieder vereinigt, durchgearbeitet und extrudiert, wobei die Extrudat-Stäbchen erhalten
werden, die dann von den verunreinigenden Ionen der Salze frei gewaschen werden können. Die partiell
getrocknete Masse wird beispielsweise in den Zylinder eines Kolbenextruders eingefüllt, und der Kolben preßt
die Teilchen zunächst zu einer plastischen Masse zusammen und drückt die Masse dann durch eine Düse.
Die Größe der Öffnung ist so gewählt, daß stäbcher.förmige
Extrudate entstehen, deren Durchmesser größer ist als er für den fertigen Katalysator gewünscht ist, da
bei dem anschließenden Trocknen und Brennen noch eine Schrumpfung erfolgt. Um fertige Katalysatorpellets
mit einem Durchmesser von etwa 3,2 mm zu erhalten, wird beispielsweise ein Extrudat hergestellt,
dessen Stäbchen einen Durchmesser von etwa 4,8 mm haben.
Wenn das in den Extruder eingefüllte Material einheitlich auf den richtigen Feuchtigkeitsgehalt getrocknet
worden ist, liefert die Extrusion des salzhaltigen Materials ein klares, weiches, wachsartiges Extrudat.
das frei von inneren und äußeren Mängeln ist.
Durch sorgfältiges Trocknen der aufgeteilten gallertartigen Präzipitatmasse vor der abschließenden Extrusion
auf den richtigen Feuchtigkeitsgehalt wird nicht nur ein Material erhalten, dessen Konsistenz für die
Extrusion zu festen Stäbchen, die beim anschließenden Waschen nicht auseinanderfallen, geeignet ist, sondern
es w;rd auch verhindert, daß die absorbierten Salze innerhalb des erzeugten hydrogelartigen Materials
irreversibel gebunden werden. Wenn das Material vor der Extrusion bis zu einem zu geringen Feuchtigkeitsgehalt
getrocknet worden ist, so können zwar durch Extrusion noch erfolgreich feste Stäbchen erzeugt
werden, es wurde dann jedoch gefunden, daß ein Teil der Nairiumionen insbesondere auch durch wiederholtes
Waschen nicht mehr cntfcrni werden kann. Wenn gemischte wasserhaltige Oxide von Nickel. Kieselerde
und Tonerde, die Wasser und Natriumchlorid (in Form von Ionen) eingeschlossen enthielten, bis zu einer
Wasserkonzentration von 70 Gewichtsprozent getrocknet und dann exlrudicrt wurden, so setzte das
anschließende Waschen mit 6 Volumentcilcn Ammoniumbicarbonat und einem Teil Wasser die Natriumkonzentration
in dem fertigen Katalysator auf 400 ppm herab. Etwa 350 ppm Na blieben zurück, wenn nur bis zu
8C Prozent Wasser getrocknet, extrudiert und gewaschen
wurde. Wenn dagegen das Material bis zu einem Wassergehalt von 60 Gewichtsprozent getrocknet,
extrudiert und in der gleichen Weise gewaschen wurde, so betrug die verbleibende Natriumkonzentration
600 ppm. Wenn bis zu 30 Prozent Wasser vor der Extrusion getrocknet wurde, so blieben nach dem
Waschen des Extrudalcs 1600 ppm Na zurück. Der Wassergehalt der partiell getrockneten, zusammenhaftenden
Teilchen des salzhaltigen gallertartigen Präzipitates dieser Art darf daher vor der Extrusion nicht unter
60 Prozent herabgesetzt werden, und vorzugsweise sollte der Wassergehalt mindestens 69 Prozent betragen.
Es ist überraschend, daß für den Wassergehalt ein enger Bereich existiert, in dem die Extrudatstäbchen fest
genug sind, um beim Waschen ihre Form zu behalten, aber noch nicht so fest oder trocken sind, daß das
Natrium darin eine Bindung eingegangen ist.
Die Extrudatstäbchen können direkt gewaschen verden, um die salzbildenden Anionen und Kationen zu
entfernen. Dies geschieht am besten im Gegenstrom und kann stufenweise durchgeführt werden. Beim
letzten Waschvorgang wird beispielsweise reines (demineralisiertes) Wasser benutzt, das durch das in
einem Behälter befindliche Extrudat geleitet oder umgewälzt wird. Das Abwasser, das Ionen enthält, die in
den zu waschenden Stäbchen zurückgeblieben sind wird dann in die nächste Waschstufe stromaufwärts
geleitet und dort verwendet. Die aufströmende Waschflüssigkeit ist vorzugsweise eine verdünnte Lösung von
Ammoniumacetat, Ammoniumcarbonat oder Ammoniumbicarbonat,
die den Ersatz von Natrium- und Chloridionen in dem Extrudat unterstützt. Wenn
Ammonium- und Acetat- oder Carbonationen zum Schluß noch in geringer Menge in dem Extrudai
vorhanden sind, so ist das wenig problematisch, da diese Stoffe sich bei der anschließenden Trocknung verflüchtigen
oder zersetzen. Die verdünnte Ammoniumacetat· lösung wird weiter geführt und stromaufwärts ir
weiteren Waschstufen verwendet, wobei sie ständig ar Anionen und Kationen aus den Extrudatstäbcher
konzentrierter wird. Die Waschflüssigkeit aus der erster Stufe wird verworfen oder zur Wiederaufbereitung
geschickt. Nachdem die Stäbchen von absorbierter Ionen frei gewaschen sind, können sie etwa be
Atmosphärendruck mit gesättigtem Dampf behandel werden, um die Eigenschaften so einzuregulieren, daf.
die Dichte der Teilchen am Schluß durch weitere Dampfbehandlung herabgesetzt werden kann. Wenigei
dichte Teilchen sind jedoch gewöhnlich weniger haltbai als dichtere, deshalb muß in dieser Hinsicht eir
Gleichgewicht erreicht werden. Ob dampfbehandeli oder nicht, die gewaschenen Stäbchen können nur
getrocknet und gebrannt werden.
Erfindungsgemäß können Katalysatoren mit ,-.euer
und außerordentlich erwünschten Eigenschaften herge stellt werden, bei deren Verwendung für die jeweiliger
Prozesse wichtige Vorteile erzielt werden.
Der nachfolgende Vegleich der Katalysatoren A unc B zeigt die überlegenen Eigenschaften der erfindungs
gemäß herstellbaren Katalvsatoren im Vergleich zt einem Katalysator, bei dessen Herstellung ein Sprüh
trocknungsverfahren angewandt wurde und vor Bildunj der Partikel gewaschen wurde.
Katalysator A wurde nach dem folgenden Verfahrer hergestellt:
Gleichzeitiges Ausfällen der Katalysatorkomponen ten unter Bildung eines Hydrogels. Sprühtrocknen untci
Reduktion des Feuchtigkeitsgehaltes von etwa 80% bi: etwa 30% im Hydrogel, Waschen und Filtrieren de:
sprühgetrockneten Materials und anschließendes weite res Trocknen und dannn Pelletisieren unter Herstellunj
des Katalysators in Form von Tabletten.
Katalysator B wurde gemäß dem erfindungsgemäßer Verfahren hergestellt, wobei nach der Herstellung dei
Katalysator-Makropartikel gewaschen wurde. Dai hergestellte Hydrogelmatcrial wurde cxtruciiert unc
dann gewaschen und anschließend dem abschließender Trocknen unterworfen.
Die Katalysatoren A und B hatten beide nach den endgültigen Brennen die folgende Zusammensetzung:
30% Aluminiumoxid. 57.3% Siliziumoxid und l2.7°/<
Nickel.
w) Die Prüfung auf die Katalysatoraktivität wurde be
den folgenden Verfahrensbedingungen:
Beschickung:
Druck:
Druck:
Flüssigkeitraumgeschwindigkeit:
Wasserstoffmenge:
Temperatur:
Wasserstoffmenge:
Temperatur:
leichtes Kalifornia-Kreislauföl
85,43 kg/cm2
85,43 kg/cm2
1.5
I 366 960 l/Std/n^Ölbeschiekung
etwa 3163C
030 113/11
durchgeführt Es wurden die folgenden Ergebnisse erzielt:
Bei der Hydrokonversion ergab der Katalysator B im Vergleich zu Katalysator A überraschenderweise
überlegene Ergebnisse. Unver den gleichen Bedingungen betrug die Verschmutzungsgeschwindigkeit (d.h.
Temperaturanstieg pro Zeiteinheit zur Erzielung konstanter prozentualer Umwandlung zum Produkt) für
den Katalysator A 0,053° C/Std. und für den Katalysator B lediglich 0,019°C/Std. Dieses Ergebnis zeigt, daß der
Katalysator B, d.h. der erfindungsgemäß hergestellte Katalysator, dem zum Vergleich herangezogenen
Katalysator A überlegen ist.
Nach dem partiellen Trocknen des gallertartigen Präzipitates aus wasserhaltigen Metalloxiden wird das
Präzipitat zu Makropartikeln geformt und zur Entfernung der Salze (Verunreinigungen) gewaschen. Es
können verschiedene Formungsmethoden angewandt werden, wobei jedoch die Extrusion besonders gute
Resultate liefert. Es wurde gefunden, daß die Partikel des Extrudates eine überraschend hohe Festigkeit
besitzen und daß die Salze überraschend voiiständig aus
den Extrudatpartikeln ausgewaschen werden können, ohne daß große Mengen Waschflüssigkeit benötigt
werden. Es kann — ohne Beschränkung darauf — angenommen werden, daß ein Grund für die unerwartet
erfolgreiche Katalysatorherstellung durch Extrusion eines salzhaltigen Präzipitates und anschließendem
Waschen darin zu suchen ist, daß bei der Extrusion des partiell getrockneten, salzhaltigen Präzipitates eine
»kreuzweise Verflechtung« der wasserhaltigen Oxide stattfindet, wodurch stabile Makropartikel gebildet
werden, die. obwohl sie noch eine große Menge flüchtiger Bestandteile enthalten, leicht zur Entfernung
der verunreinigenden Salze gewaschen werden können, ohne ihre Form zu verlieren.
Die waschbaren salzhaltigen Extrudatstäbchen, die aus der partiell getrockneten gallertartigen Präzipitatmassc
wasserhaltiger Metalloxide hergestellt werden, werden hierin als zylinderförmige Stäbchen beschrieben,
es können aber auch Extrudate jeder anderen gewünschten Form und/oder Größe, einschließlich
Hohlzylindern hergestellt werden, die dann in kurze Stückchen zerschnitten werden können. Erfindungsgemäß
hergestellte Makropartikel besitzen vorzugsweise Durchmesser von ciwa 0,8 bis 16 mm. Auch sehr große
oder dicke Makropartikel oder Extrudat-Formteilchen können durch Waschen von den verunreinigenden
Ionen befreit werden, doch muß dies gründlicher und mit mehr Waschflüssigkeit geschehen; große Formteilchen
entwickeln beim Trocknen und Brennen leicht oberflächliche Risse, wenn diese Prozesse nicht langsam
und mit großer Sorgfalt durchgeführt werden.
Es können bei der Katalysatorherstellung noch
weitere Schritte durchgeführt und dem fertigen Kalalysator, dem Extrudat oder bei einer früheren Stufe
der Herstellung weitere Komponenten zugesetzt werden. Wenn beispielsweise ein Katalysator hergestellt
werden soll, der Fluorid enthält, so kann dieses als Ammoniumfluorid an jedem geeigneten Punkt des
Herstellungsprozesses zugesetzt werden. Fluorid kann natürlich auch in einer der Ausgangslösungen oder in
der Aufschlämmung der gallertartigen Präzipitate
anwesend sein. Es wurde gefunden, daß Fluorid, anders als Chlorid, mit vielen der porösen, trägerbildenden
Oxide zu reagieren scheint, so daß sich die gewünschte Menge dieses Ions beim Waschprozeß nach der
partiellen Trocknung und Extrusion nicht entfernen läßt.
Molekularsiebe oder Zeolithe können der Lösung oder
der Aufschlämmung des gallertartigen Präzipitates ebenfalls zugesetzt werden. Nach einer besonders
vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens werden die ungewaschenen oder unvollständig gewaschenen oder deionisierten Molekularsiebe vor
der Extrusion und vor dem Waschen zugesetzt; die Siebe können dann gleichzeitig mit der Hauptmenge des
salzhaltigen Extrudates gewaschen werden, z. B. mit
einer wäßrigen Ionenaustauscherlösung. Diese Methode kann auch bei der Herstellung eines Katalysators
angewandt werden, der ganz aus einen porösen Mehrkomponenten-Oxidwträger« bildenden Oxiden besteht, wie die bei Isomerisierungen verwendeten
is Siliziumoxid-AIuminiumoxid-Magnesiumoxid-Katalysatoren. Natürlich sind die beschriebenen Methoden auch,
wenn ein Katalysator letztlich in Form von Körnchen, kleinen Teilchen oder Pulver benutzt wer&ea soll, anwendbar, denn das getrocknete und gewaschene Extru-
M dat kann vor oder nach dem Brennen zerkleinert werden.
Die folgenden Beispiele dienen zur weiteren Erläuterung der vorliegenden Erfindung.
Nickel-Aluminiumoxid-Katalysator
zur Hydrokonversion
zur Hydrokonversion
Aluminiumoxid wurde in wäßriger Lösung mit Salzsäure zu einer 20%igen Aluminiumchloridlösung
umgesetzt. In entsprechender Weise wurde aus Nickelpulver mit HCI in Wasser eine 30%ige Nickelchloridlösung
hergestellt.
586 g der Aluminiumchloridlösung wurden in ein großes Gefäß gebracht. Es wurden 248 g der Nickelchloridlösung und 180 g Eisessig zugesetzt. Eine zweite Lösung wurde dur< Ί Verdünnen von 1153 g Wasserglas (Natriumsilikat) m.i 2 Litern Wasser zubereitet. Diese frisch hergestellte verdünnte Lösung wurde der ersten Lösung langsam unter lebhaftem Rühren zugesetzt, wobei ein klares SoI mit Tonerde. Nickel und Kieselerde erhalten wurde. Diese klare Lösung wurde nun mil verdünntem Ammoniakwasser (16,5 Gew.-% NH4OH) versetzt. Die Zugabe erfolgt langsam und unter Rühren.
586 g der Aluminiumchloridlösung wurden in ein großes Gefäß gebracht. Es wurden 248 g der Nickelchloridlösung und 180 g Eisessig zugesetzt. Eine zweite Lösung wurde dur< Ί Verdünnen von 1153 g Wasserglas (Natriumsilikat) m.i 2 Litern Wasser zubereitet. Diese frisch hergestellte verdünnte Lösung wurde der ersten Lösung langsam unter lebhaftem Rühren zugesetzt, wobei ein klares SoI mit Tonerde. Nickel und Kieselerde erhalten wurde. Diese klare Lösung wurde nun mil verdünntem Ammoniakwasser (16,5 Gew.-% NH4OH) versetzt. Die Zugabe erfolgt langsam und unter Rühren.
«5 bis die Lösung des gallertartigen Präzipitates einen
pH-Wert von 7,5 besaß. Die Lösung wurde anschließend eine Stunde auf 65°C erwärmt, dann heiß filtriert. Der
erhaltene Filterkuchen wurde vom Filterpapier abgetrennt und gleichmäßig auf einem Trockenbrett
ausgebreitet. Der wieder vereinigte Ft^rkuchen wurde
dann gleichmäßig quadratisch gekerbt, wobei Segmente von etwa 12,7 mm Kantenlänge gebildet wurden. Das
Material wurde anschließend langsam im Trockenofen bei I2O°C getrocknet. Hierbei schrumpfte der Filterkuchen
langsam und zerbrach an den Kerblinien. Das Material nahm bei dem richtigen Feuchtigkeitsgehalt
zwischen 70 und 80 Prozent, vorzugsweise etwa 75 Prozent flüchtiger Bestandteile ein charakteristisches
Aussehen an, es wurde transparent. Es war zu erkennen,
daß das ganze quadratische Präzipitatstückchen sehr gleichmäßig getrocknet war. Alle Teilchen wurden,
sobald der gewünschte Gehalt an flüchtigen Bestandteilen erreicht war, aus dem Ofen entfernt. Das Material
wurde nun geformt. Es wurde cxtrudiert, wobei es die Form des fertigen Katalysators erreichte, dann wurde
gewaschen, getrocknet und gebrannt. Der fertige Katalysator enthielt 6 Gewichtsprozent Nickel und 12
Gewichtsprozent Aluminiumoxid.
Nickel-Molybdän-AIuminiumoxid-Katalyator
zur Hydrokonversion
Aluminiumchlorid- und Nickelchloridlösungen wur- s
den, wie in Beispiel 1 beschrieben, hergestellt; 183 g Molybdänsäure wurde in 366 cm3 konzentrierter HCl
gelöst Durch Erwärmen wurde eine klare Lösung erhalten. Sieben Liter destilliertes Wasser wurden in
einem großen Gefäß mit 286 g Nickelchloridlösung, ι ο 3450 g Aluminiumchloridlösung und 250 g Eisessig
versetzt Dann wurde die Molybdänsäurelösung zugesetzt Anschließend wurde das Gemisch mit verdünntem
Ammoniak neutralisiert, bis ein pH-Wert von 7 erreicht
war und dann wurde eine Stunde auf 93° C erwärmt Nach dem Erwärmen hatte sich ein pH-Wert von 6,0
eingestellt Das Material wurde filtriert und wie in
Beispiel 1 beschrieben, getrocknet Wie gefunden
wurde, war der opiimale Gehalt an flüchtigen Bestandteilen für die Extrusion dieses Katalysators
niedriger als bei dem vorhergehenden Präparat; er betrug vorzugsweise etwa 65—70%. Das Material mit
diesem Prozentgehalt wurde in einem Kolbenextruder extrudiert und ergab salzhaltige Extrudatstäbchen mit
einem Durchmesser von etwa 4,0 mm. Die Stäbchen wurden dann im Gegenstrom mit wäßriger Ammoniumacetatlösung im wesentlichen frei von absorbierten
Natrium- und Chloridionen gewaschen, und der letzte Waschvorgang wurde mit demineralisiertem Wasser
durchgeführt Die gewaschenen Stäbchen wurden mit feuchter Luft getrocknet und gebrannt Während des
Waschens und Trocknens schrumpften die stäbchenförmigen Teilchen und besaßen dann einen Durchmesser
von etwa 2,5 mm und eine Länge von etwa 5,0 mm.
Claims (2)
1. Verfahren zur Herstellung von Festbett-Katalysatorpartikeln zur Umwandlung von Kohlenwasserstoffen
aus einem salzhaltigen gallertartigen Präzipitat durch Herstellen wäßriger Lösungen oder Sole
von Verbindungen von zu der Katalyse üblichen Elementen, Vereinigung der Lösungen oder Sole,
Ausfällen eines dispergierten Hydrogels oder gallertartigen Präzipitates aus der Lösung und
Abtrennen des gallertartigen Präzipitates aus der erhaltenen Aufschlämmung, Trocknen und Brennen
des gewaschenen Präzipitates, dadurch gekennzeichnet, daß man
a) das salzhaltige gallertartige Präzipitat nach Abtrennen aus der Aufschlämmung bis zu
einem Feuchtigkeitsgehalt von 55 bis 83 Gew.-% partiell oder langsam trocknet,
b; das dabei erhaltene buiziiaiiige gallertartige
Präzipitat durch Agglomerieren oder Extrudieren zu salzhaltigen Makropartikeln formt und
c) dann das Salz aus den Makropartikeln (ohne daß sie ihre Form verlieren) auswäscht und
d) die gewaschenen Makropartikel nach Trocknen und Brennen gegebenenfalls noch sulfidiert.
2. Verwendung eines nach Anspruch 1 hergestellten Katalysator» zur katalytischer) Hydrokonversion.
Priority Applications (10)
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