DE2513320A1 - Katalysator zur herstellung von ungesaettigten nitrilen - Google Patents
Katalysator zur herstellung von ungesaettigten nitrilenInfo
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Description
PATENTANWALT DR. HANS-GÜNTHER EGGERT1 DIPLOMCHEMIKER
5 KÖLN 51. OBERLÄNDER UFER 90
Köln, den 24.März 1975 Eg/Ax/Fi/7
PRODUITS CFIIMIQUES UGINE KUHLMANN/ 25 boulevard de l'Amiral Bruix, Paris 16 /Frankreich
Die Erfindung betrifft die Herstellung von ungesättigten Nitrilen aus Olefinen, insbesondere die Ammoxydation
von Propylen oder Isobuten zu Acrylnitril bzw. Methacrylnitril in der Dampfphase in Gegenwart von Katalysatoren
auf Basis von Antimon und Zinn.
Aus zahlreichen Patentschriften, insbesondere den französischen
Patentschriften 1 299 139 und 1 293 088, ist es bekannt, daß die Katalysatoren auf Basis von Antimon-
und Zinnoxyden die Herstellung von ungesättigten Nitrilen aus Olefinen ermöglichen. Ferner ist es aus anderen
Patentschriften, insbesondere aus dem Zusatzpatent 81 246 zur französischen Patentschrift 1 299 139 und aus
den französischen Patentschriften 2 176 770 und 2 176 139 bekannt, daß Oxyde von mehrwertigen Metallen wie Eisen,
Kupfer, Vanadium, Titan, Calcium und Barium vorteilhaft den Kombinationen der Oxyde von Antimon und Zinn zugesetzt
werden können, um die Oxydation von Propylen zu Acrylnitril in Gegenwart von .Ammoniak durchzuführen.
Weitere Kombinationen von Oxyden von mehrwertigen Metal- ι
len mit Oxyden von Antimon und Zinn werden in allgemeiner
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ρ _
Weise in Patentschriften, z„B„ in den französischen
Patentschriften 2 020 512 und 2 065 317 und in der britischen Patentschrift 1 280 073 genannt»
Einige dieser Kombinationen, insbesondere die in der 'französischen Patentschrift 2 176 771 beschriebenen,
führen zu hohen Umsätzen von Propylen zu Acrylnitril, erfordern jedoch verhältnismäßig lange Kontaktzeiten, die
zu Produktionsleistungen führen, die für die großtechnischen Erfordernisse ungenügend sind.
Im Rahmen einer Untersuchung über die Aktivierung von Katalysatoren, die auf Antimon und Zinn basieren und mit
einem oder mehreren anderen Oxyden von mehrwertigen Metallen kombiniert sind und für die Ammoxydation von
Olefinen bestimmt sind, wurde von der Anmelderin gefunden, daß die Leistungen solcher Kombination von Oxyden erheblich
verbessert v/erden können, wenn ihnen eine oder mehrere Verbindungen wenigstens eines der die Gruppe IA
des Periodensystems bildenden einwertigen Metalle, d.h. der Alkalimetalle, insbesondere Kalium, zugesetzt werden.
Eine solche Verbesserung ist ganz erheblich bei Katalysatoren auf Basis von Oxyden von Antimon, Zinn,
Wolfram und Kupfer, die, wie die Arbeiten der Anmelderin außerdem gezeigt haben, als solche bereits besonders
interessant sind.
Die Verwendung der Katalysatoren gemäß der Erfindung ermöglicht insbesondere die Herstellung von Acrylnitril
aus Propylen mit hohem Umsatz des Olefins und hoher Selektivität für das ungesättigte Nitril unter Bedingungen,
die zu ausgezeichneter Produktionsleistung führen.
Bei Verwendung dieser Katalysatoren ist es nicht notwendig, eine Vorbehandlung des Katalysators unter einer
besonderen Atmosphäre, ζ.B.Ammoniak, Wasserstoff oder
Propylen, vorzunehmen, wie in der US-PS 3 625 867 beschrieben, oder in das Gemisch der Reaktionsteilnehmer
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einen gasförmigen Kohlenwasserstoff, z.B. Methan, wie in der FR-PS 2 151 947 beschrieben, oder Kohlenoxyd oder
Kohlendioxyd einzuführen, wie in der FR-PS 2 151 946 beschrieben O
Die Katalysatoren gemäß der Erfindung können durch die Bruttoformel
SbaSNb(Mec)m(Ad)nOe (1)
dargestellt werden, in der Me ein mehrwertiges Metall wie Eisen, Kupfer, Wolfram, Kobalt, Nickel, Titan, Uran,
Mangan, Thorium, Ger und Aluminium, A ein Metall der Gruppe IA des Periodensystems, nämlich Lithium, Natrium,
Kalium, Rubidium, Cäsium oder Francium, a eine Zahl von 1 bis 10, b eine Zahl von 1 bis 10, c eine Zahl von
0,01 bis 5 und d eine Zahl von 0,01 bis 5 ist, m und η ganze Zahlen von 1 oder mehr sind und e die Zahl der
Sauerstoffatome der sauerstoffhaltigen Kombination ist,
die durch Kombinieren der Metallelemente der vorstehenden Formel (1) erhalten wird. Die Zahl e ist nicht entscheidend
wichtig und hängt von der Zahl und der Art der Kombinationen ab, die zwischen den sauerstoffhaltigen Verbindungen,
die den Katalysator gemäß der Erfindung bilden, vorgenommen werden.
Der Katalysator gemäß der Erfindung kann nach verschiedenen
Verfahren hergestellt werden, z.B. durch inniges Mischen der Oxyde, durch getrenntes oder gemeinsames
Ausfällen aus löslichen Salzen oder Verbindungen der den Katalysator bildenden Elemente, durch getrennte oder
gleichzeitige thermische Zersetzung von Verbindungen, die durch Erhitzen in die Oxyde umgewandelt werden können,
oder durch eine Kombination dieser verschiedenen Methoden,
Der alkalische Bestandteil wird im allgemeinen während der Herstellung in Form des Hydroxyds oder in Form einer
löslichen oder unlöslichen Verbindung, beispielsweise im Falle von Kalium in Form von Kaliumnitrat, -carbonat
oder -antimoniat eingeführt.
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Unabhängig vom Herstellungsverfahren muß der Katalysator vor dem Einsatz einer Wärmebehandlung bei Temperaturen
zwischen 550 und 100O0C, vorzugsweise zwischen 700 und 9000G, unter einer sauerstoffhaltigem Atmosphäre, Z0Bo
Luft, unterworfen werden- Nach dieser Wärmebehandlung sind die Katalysatoren der genannten Formel einsatzbereit.
Sie erwiesen sich als besonders vorteilhaft für die Katalyse von Ammoxydationsreaktionen von Olefinen, insbesondere
Propylen, unter üblichen bekannten Arbeitsbedingungen,
Im Falle der Ammoxydation von Propylen werden als Reaktionsteilnehmer
Sauerstoff, Ammoniak und Propylen gegebenenfalls in Mischung mit Paraffinkohlenwasserstoffen,
wie sie im allgemeinen in technischem Propylen vorhanden sind, doh. u<,ao Äthan und Propan, verwendet. Als Sauerstoffquelle
wird aus Wirtschaftlichkeitsgründen im allgemeinen
Luft verwendet. Die Molverhältnisse von Sauerstoff zu Propylen und von Ammoniak zu Propylen können in
einem weiten Bereich variieren„ Das Kolverhältnis von
Sauerstoff zu Propylen liegt im allgemeinen zwischen 0,5:1 und 3:1, vorzugsweise oberhalb von 1,5:1» Das Molverhältnis
von Ammoniak zu Propylen liegt im allgemeinen zwischen 0,7 und 3, vorzugsweise zwischen 0,9 und 1,5.
Die Reaktion zur katalytischen Umwandlung von Propylen zu Acrylnitril wird im allgemeinen in Gegenwart von
Wasserdampf oder eines inerten Verdünnungsmittels durchgeführt, das 5 bis 40 Vol„-$, im allgemeinen 10 bis 25/&
des Gesamtvolumens der Reaktionsteilnehmer ausmacht.
Die Reaktionstemperatur liegt zwischen 350 und 5200C und
in den meisten Fällen zwischen 380 und 500°Co Der Druck
kann unter oder über Normaldruck liegen und liegt in den meisten Fällen in der Nähe von Normaldrücke Die für normale
Temperatur- und Druckbedingun^en (0°C, 760 mm Hg) berechnete Kontaktzeit kann in sehr weiten Grenzen, z.B.
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zwischen 0,5 und 10 Sekunden liegen und liegt im allgemeinen zwischen 1 und 6 Sekunden. Besonders gute Ergebnisse
werden "bei Kontaktzeiten von 2 bis 4 Sekunden erhalten,
die den Erfordarnissen des großtechnischen Betriebs entsprechen.
Der Katalysator kann in Abhängigkeit vom Reaktortyp, in dem er eingesetzt wird, insbesondere in Abhängigkeit
davon, ob er im Festbett oder in der Wirbelschicht verwendet werden muß, in die Form von Pellets, Strängen,
Granulat oder feinen Teilchen gebracht werden. Er kann als solcher, d.h. trägerlos lediglich in Form der hergestellten
Gemische von Oxyden, verwendet oder in geeigneter Weise nach bekannten Verfahren auf einen Katalysatorträger
vom klassischen Typ, z.B. Siliciumdioxyd, aufgebracht werden.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Verwendung des Katalysators gemäß der Erfindung für die Ammoxydationsreaktion
von Olefinen. Die genannten Umsätze des Olefins drücken die Zahl der Mole des Olefins aus, die
pro 100 Mol des eingeführten Olefins in ein gegebenenes Produkt umgewandelt worden sind,
413 g einer wässrigen Salpetersäurelösung mit 18,5 Gew.-yo
HNO, werden unter Rühren auf 95°C erhitzt. In dieser
Lösung werden 438 g Antimonoxyd SbpO, in Pulverform dispergiert.
Der Dispersion werden 180 g Zinn in Pulverform zugesetzt, während die Temperatur bei 97 bis 99°C gehalten
wird. Die Suspension läßt man anschließend 15 Minuten sieden, worauf sie unter ständigem Rühren auf 40 G gekühlt
wird. Der Rührer wird abgestellt, worauf dekantiert und die überstehende Flüssigkeit abgehebert wird.
Der zurückbleibende Brei wird 15 Minuten unter Rühren zunächst mit 4 1 kalten Wasser gewaschen, worauf dekantiert,
die überstehende Flüssigkeit abgehebert und das
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Produkt erneut mit 4 1 Wasser bei 98-100 C gewaschen wird
Nach Abkühlung auf 400C, Dekantieren und Abhebern der
überstehenden Flüssigkeit wird der Brei erneut in 2,5 Wasser suspendiert und auf 6O0C gebracht« Dann werden
43,5 g Wolframsäureanhydrid WO·, und dann 90,6 g Kupfernitrat
Cu(N0^)p<,3 HpO zugesetzt. Der pH-Wert wird durch
Zusatz von Ammoniak auf 6,3 bis 6,5 eingestellt. Dann wird gekühlt, dekantiert und die überstehende Flüssigkeit
abgehebert, worauf eine Lösung von 2,1 g Kaliumhydroxyd in der kleinsten Wassermenge unter Rühren dem Brei zugemischt
wird.· Dann wird 16 Stunden bei 1500C getrocknet«
Das getrocknete Pulver wird nach Zusatz von 1 Gew.-°/o
Graphit, der als Gleitmittel dient, tablettiert. Die Tabletten werden 16 Stunden einer Wärmebehandlung bei
775 C unter einem Luftstrom unterworfen.
In einen katalytischen Reaktor, der aus einem Glasrohr in U-Form von 10 mm Innendurchmesser besteht, werden
30 ml des in dieser Weise hergestellten Katalysators gefüllt, der die Form von Tabletten von 4 x 5 mm hat,
und dessen Metallelemente Sb, Sn, W, Cu und K im Verhältnis von 4:2:0,25:0,5:0,05 vorliegen. Das Rohr wird in
ein Bad aus geschmolzenen Nitraten getaucht, die auf 480 C erhitzt sind. Durch den Katalysator werden stündlich
18 1 eines Gasgemisches geleitet, das aus 6 Mol.-fo Propylen, 7 Mol.-$£ Ammoniak, 70 Mol.-jS Luft und 17 Mol.-jS
Wasser besteht. Unter diesen Bedingungen werden 72,8$
des Propylens in Acrylnitril umgewandelt, während 8,Ui
in die Kohlenoxyde COp und CO umgewandelt werden.
Unter den gleichen Bedingungen wird das gleiche Gasgemisch über einem Katalysator behandelt, der kein Kalium
enthält, dessen andere Metallbestandteile, d.h. Sb, Sn, W und Cu im gleichen Verhältnis von 4:2:0,25:0,5 vorliegen.
Von 4400C ab ist festzustellen, daß 23,2;S des eingesetzten
Propylens in Oxyde des Kohlenstoffs umgewandelt werden, während nur 61,65ε des Propylens zu Acrylnitril
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umgesetzt werden.
Bei einer Wiederholung des in Beispiel 1 beschriebenen Versuchs unter den gleichen Bedingungen mit dem gleichen
Katalysator aus Sb, Sn, W, Cu und K im Mengenverhältnis von 4:2:0,25:0,5:0,05, jedoch mit einem Durchsatz des
Gemisches der gasförmigen Reaktionsteilnehmer von 27 1/ Stunde werden 68'/o des Propylens in Acrylnitril und 11,2^0
in COp und CO umgewandelt.
Unter den gleichen Bedingungen, jedoch unter Verwendung eines Katalysators, der kein Kalium enthält, dessen
übrige Metallbestandteile jedoch im gleichen Mengenverhältnis vorliegen, werden nur 64,5?ό des Propylens in
Acrylnitril und 19,6$ in COp und CO umgewandelt.
Ein Katalysator wird hergestellt, indem zunächst auf die in Beispiel 1 beschriebene Weise einschließlich der
Zugabe des Wolframsäureanhydrids gearbeitet wird. Gleichzeitig mit dem Wolframsäureanhydrid werden 54,6 g Kobaltnitrat
Co(NO^)2.6 H2O und 292,5 g einer wässrigen Eisen-(Ill)-nitratlösungjdie
46 Gew.-^ Pe(NO,), enthält, zugesetzt.
Die Suspension wird dann auf 60°C gebracht und durch Zugabe von Ammoniak auf pH 8 bis 8,2 eingestellt.
Uach Abkühlung, Dekantieren und Abziehen der überstehenden Flüssigkeit wird eine Lösung von 2,1 g Kaliumhydroxyd in
der Mindestwassermenge zugesetzt und dem Brei durch Rühren zugemischt. Das Gemisch wird 16 Stunden bei 1500C
getrocknet. Das erhaltene trockene Pulver wird nach Zugabe von 1 Gew.-^ Graphit, der als Gleitmittel dient,
tablettiert. Die Tabletten werden 16 Stunden bei 775°C unter einem Luftstrom gehalten.
In die in Beispiel 1 beschriebene Apparatur werden 30 cm
des in der vorstehend beschriebenen Weise hergestellten und der Wärmebehandlung bei 775°C unterworfenen Kataly-509840/11U
sators in Form von Tabletten von 4 x 5 mm gefüllt, dessen
Metairbestandteile Sb, Sn, ¥, Co, Fe und K im Mengenverhältnis von 4:2:0,25:0,25:0,75:0,05 vorliegen. Das Bad
der geschmolzenen Nitrate wird auf 470 G erhitzt. Durch
den Katalysator werden stündlich 36 1 eines Gasgemisches
geleitet, das die gleiche Zusammensetzung wie in Beispiel 1 hat, d.h. aus 6 MoI0-^o Propylen, 7 Mol.-J» Ammoniak,
70 Mol.-# Luft und 17 Mol.-96 Wasser besteht. Hierbei
werden 54,8$ des Propylens in Acrylnitril und 15,6$ in
COp und CO umgewandelt.
Ein Versuch wird unter den gleichen Bedingungen, jedoch unter Verwendung eines Katalysators durchgeführt, der
kein Kalium enthält, dessen, übrige Metallbestandteile jedoch das gleiche Mengenverhältnis haben. Hierbei werden
27,5/u des Propylens von 400°C ab in COp und CO umgewandelt«
Bei dieser Temperatur werden nur 18,9$ des
Propylens zu Acrylnitril umgesetzt.
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Claims (4)
1) Für die Herstellung von ungesättigten Nitrilen durch Ammoxydation von Olefinen dienende Katalysatoren,
die auf Antimon- und Zinnoxyden basieren, mit einem oder mehreren anderen Oxyden von mehrwertigen Metallen
und einer oder mehreren Verbindungen von einwertigen Metallen kombiniert sind und die allgemeine Formel
Sbaßnb(Mec)m(Ad)nOe (I)
haben, in der Me ein mehrwertiges Metall, A ein einwertiges Metall, a eine Zahl von 1 bis 10, b eine
Zahl von 1 bis 10, c eine Zahl von 0,01 bis 5 und d eine Zahl von 0,01 bis 5 ist, η und m ganze Zahlen
von 1 oder mehr als 1 sind und e die Zahl der Sauer-• atoffatome der sauerstoffhaltigen Kombination ist,
die durch Kombination der Metallemente der Formel (i) erhalten wird.
2) Katalysatoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf den Oxyden von Antimon, Zinn, Wolfram,
Kupfer und Kalium basieren.
3) Verfahren zur Herstellung von ungesättigten Nitrilen durch Ammoxydation von Olefinen, dadurch gekennzeichnet,
daß man Katalysatoren nach Anspruch 1 und 2 verwendet.
4) Verfahren zur Herstellung von Acrylnitril durch Ammoxydation
von Propylen, dadurch gekennzeichnet, daß man Katalysatoren nach Anspruch 1 und 2 verwendet.
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