DE2525506C2 - Verfahren zur Herstellung eines Nickel und/oder Kobalt und Zinkoxid enthaltenden Katalysators - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Nickel und/oder Kobalt und Zinkoxid enthaltenden Katalysators

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Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Nickel und/oder Kobalt und Zinkoxid enthaltenden Katalysators mit dem Ziel, eine höhere Selektivität bei der Hydrierung von «^-ungesättigten Ketonen zu den entsprechenden gesättigten Ketonen zu erreichen, wobei der Katalysator durch eine spezielle
Zn
Behandlung eine Abschwächung seiner Al'.vität (partielle Vergiftung) erfährt.
Für die direkte Herstellung von höheren gesättigten Ketonen aus Aldehyden bzw. Ketonen [z. B. 2-Methyloctanon-3 aus Butanaj und Methyiisopropylketon nach dem Schema (I)]
wird gewöhnlich ein Trägerkontakt verwendet, der als Aldolisierungskomponente Zinkoxid und als Hydrierur>gskomponente Nickel (gegebenenfalls auch Kobalt und Kupfer) enthält
Für den Erfolg ist es dabei unerheblich, ob die aldolisierende und die hydrierende Komponente auf getrennten Katalysatorbestandteilen oder homogen, d. h. auf denselben Kontaktpartikeln angeordnet werden. Im Falle getrennter Anordnung wird im folgenden *o auch die Bezeichnung »Mischkontakt« verwendet werden.
Die Umsetzung wird meist in der Gasphase durchgeführt, obwohl bei der Umsetzung in flüssiger Phase sich eine höhere Katalysatorlebensdauer erzielen läßt als in der Gasphase. Die Problematik des Verfahrens in flüssiger Phase ist jedoch die selektive Hydrierung der Doppelbindung des intermediär gebildeten «,^-ungesättigten Ketons zu bewirken, ohne daß auch die im Reaktionsmedium enthaltenen Carbonylgruppen, und zwar ebenso die Carbonylgruppen des «^-ungesättigten Ketons wie die des eingesetzten Aldehyds und Ketons angegriffen werden.
Nach F. Zymalkowski: Katalytische Hydrierung (F. Enke Verlag. Stuttgart 1965, Seite 84) bewirken nämlich gerade Zink-Ionen als Zusätze zu Metallen der Gruppe VIII des Periodensystems der Elemente (sogenannten Übergangsmetalle) eine Hydrierung der Carbonylgruppe unter Erhalt der Doppelbindung. Dem entspricht, daß es möglich ist. durch Zinkzusätze Katalysatoren der «> Gruppe VIII so zu vergiften, daß 2. B. nur die C-C-Dreifachbindung, nicht aber die C-C-Doppelbindung hydriert wird (deutsche Auslegeschrift 11 15 238).
Der Effekt, daß Hydrierkatalysatoren der Gruppe VIII in Gegenwart von zweiwertigem Zink (ζ. Β. ·>5 Zinkoxid) bevorzugt die Carbonylgruppe, nicht aber die Doppelbindung hydrieren, scheint bei Gasphasenreaktionen nur eine untergeordnete Rolle zu spielen, da die bekanntgewordenen Hydrierungen von a,/?-ungesättigten Ketonen und Direktverfahren der vorgenannten Art, soweit deren Katalysatorsystem ein Metall der Gruppe VIII sowie Zinkoxid enthält, bevorzugt in der Gasphase durchgeführt werden; hierzu wird auf die japanische Patentveröffentlichung 72 15 180, die französische Patentschrift 13 28 143 (hier wird ein Gemisch von gesättigtem Keton und gesättigtem Alkohol erhalten) und die deutsche Offenlegungsschrift 20 23 512 verwiesen.
Bei dem technisch vorteilhaften Verfahren in Flüssigphase bewirkt die Gegenwart von Zinkoxid bei der für die Reaktion notwendigen Temperatur von 180 bis 2200C dagegen eine weitgehende Hydrierung der im Reaktionsmedium enthaltenen Carbonylgruppen, so daß als Hauptprodukt die den eingesetzten Aldehyden und Ketonen entsprechenden Alkohole, geringe Mengen des dem gesuchten Keton entsprechenden Alkohols und in vielen Fällen überhaupt '«.ein Zielprodukt erhalten werden.
Aufgabe der Erfindung ist demnach die Schaffung eines Nickel und/oder Kobalt und Zinkoxid sowie einen chemisch unbeteiligten Träger enthaltenden Katalysators zur Herstellung von Ketonen, die durch Aldolkondensation niedermolekularer Aldehyde oder Ketone mit niedermolekularen Ketonen und Hydrierung der zwischenzeitlich gebildeten «,jj-ungesättigten Ketone bei einer Temperatur oberhalb von etwa 150°C in flüssiger Phase erhältlich sind.
Es wurde gefunden, daß ein solcher Katalysator erhalten werden kann, wenn man einen Nickel oder Kobalt oder deren Verbindungen und Zinkoxid sowie einen chemisch unbeteiligten Träger enthaltenden Katalysator mit einem Zinksalz einer Carbonsäure nachbehandelt. Die Nachbehandlung kann an der nicht reduzierten, Nickel oder Kobalt als Verbindungen oder besser an der reduzierten, metallisches Kobalt oder
Nickel enthaltenden Masse vorgenommen werden.
Ein so passivierter Katalysator ergibt als wesentliches Reaktionsprodukt das gesättigte Keton (ζ. B. 2-Methyloktanon-3 aus Butanal und Methylisopropylketon) bei fast vollständigem Umsatz der Rohstoffe
Hierfür wird der zweckmäßig bereits im Reaktor angeordnete Katalysator mit einer Lösung oder Suspension eines Zinksalzes einer — bevorzugt niedermolekularen geradkettigen oder verzweigten aliphatischen — Carbonsäure (ζ. Β. Zinkacetat oder Zink-2-äthylhexanat, gegebenenfalls aber auch Zinkbenzoat) behandelt Zweckmäßig wird als Lösungs-(Dispersions-)mittel für das Zinksalz das vorgesehene Reaktionsgemisch von Aldehyd und Keton verwendet. Verwendet man z. B. Zinkacetat, so sollte dieses gelöst sein, da Kristalle des Salzes die Pumpen beschädigen können. Ein Zusatz von bis zu 10% Wasser und 2 bis 5% der dem Aldehyd entsprechenden Carbonsäure können das Lösen erleichtern. Zinksalze organischer Säuren, die in dem Reakiionsgemisch schwer löslich, deren Kristalle aber so weich sind., daß sie ohne Beeinträchtigung der Pumpen gefördert werden können, können ais Suspension verwendet werden.
Mit einer solchen Lösung oder Suspension wird der Kontakt nun einige Stunden oder Tage lang, beispielsweise während 72 Stunden, behandelt Dies kann etwa durch Umpumpen der betreffenden Lösung oder Suspension bei einer Temperatur zwischen etwa 50 und 160°C geschehen. Die günstigste Mindesteinwirkungsdauer und -temperatur wird zweckmäßig durch einen Versuch ermittelt; als Anhaltspunkt kann ein Zeitraum von etwa 10 bis 200 L.unden dienen — die längste Dauer ist im allgemeinen nicht kritisch und wird durch wirtschaftliche Gesichtspunkte hestimmt.
Nach dieser Behandlung wird die Temperatur auf 180 bis 2200C, d.h. die Reaktionstemperatur, angehoben und mit normalem Zulauf begonnen. Durch die Verwendung des Reaktionsgemisches als Lösungsmittel erübrigt sich eine separate Spülung.
Die besten Ergebnisse erzielt man, wenn man zu der Lösung des Zinksalzes einer kurzkettigen aliphatischen Carbonsäure (ζ. B. Zinkacetat), etwa 0,01 bis 20% eines Zinksalzes einer höheren aliphatischen Carbonsäure mit etwa 11 bis 20 C-Atomen, ζ. B. Zinkstearat oder -palmitat hinzugibt Diese Salze sind in Aldehyden oder Ketonen im allgemeinen schwer löslich, ihre Kristallkörner sind aber so klein und weich, daß ihre Suspension mit den üblichen Kolbenpumpen ohne Materialbeschädigungen gepumpt werden kann.
Die Verwendung eines solchen Zinksalzgemisches verkürzt die Behandlungszeit gegenüber der alleinigen Verwendung des Acetats z. B. von 72 auf 48 Stunden. Zusätzlich wird ein reproduzierbarer Vergiftungsgrad des Trägerkontaktes gewährleistet, der zur besseren Handhabung der Reaktion wünschenswert ist. Offenbar kommt es zu einer sehr feinen Ablagerung schwerlöslicher Salze auf dem Katalysator bzw. der Kontaktmasse, die nicht in kurzer Zeit wieder heruntergelöst bzw. abgewaschen wird.
Im einzelnen kann zur Herstellung erfindungsgemäßer Katalysatoren das folgende gesagt werden;
Nickel bzw. Kobalt und gegebenenfalls Kupfer oder andere übliche Dotierungsbestandteile werden getrennt oder gemeinsam mit Zink in bekannter Weise zu einem Katalysator verarbeitet. Dabei wird ein chemisch im wesentlichen unbeteiligter Träger, der z. B. y-Aluminiumoxid oder ein anderer inerter Träger sein kann, in geeigneter Form (Stränge, Kugeln, Körner etc.) mit den katalytisch wirksamen Metallen bzw. deren Salzen behandelt oder diese gemeinsam mit einem Vorprodukt für den Träger gefällt, verknetet oder sonstwie vereinigt Nach geeigneter Vorbehandlung (Erhitzen, Tempern, Reduzieren z. B. im Wasserstoffstrom) wird die Kontaktmasse dann in der erfindungsgemäßen Weise behandelt Geeignete Katalysatoren haben z. B. Nickel- bzw. Kobaltgehalte zwischen 3 und 50%; der Träger besteht zweckmäßig aus einem Aluminiumoxid, einem Titandioxid oder Zirkondioxid. Kieselsäure, 'Bims und andere Silikate haben bisher weniger überzeugt Als weiterer (Metall)bestandteil kommt vor allem Kupfer in Betracht Dieses wird im allgemeinen nur in untergeordneten Mengen (z. B. 1 bis 2%, bezogen auf das Gewicht des gesamten Katalysators) verwendet
Der Zinkgehalt liegt — bei einem entsprechenden Träger wie oben — z. B. bei 1 bis 10%; Zinkoxid kann aber, da es bei der Reduktion des Nickels nicht angegriffen wird, auch trägerfrei verwendet werden, sofern es als Bestandteil eines Mischkontaktes vorgesehen ist Die Verwendung trägerfreier Nickel- bzw. Kobaitkonlakte ist grundsätzlich ebenfalls möglich, aber anscheinend ohne besonderen Vorteil und daher aus wirtschaftlichen Gründen im allgemeinen nicht üblich.
Das Verfahren zur Herstellung des Katalysators ist im Ergebnis deshalb überraschend, weH nach der herrschenden Lehre d'ur Weiterreduktion des Ketons zum Alkohol gerade als Wirkung des Zinks verstanden wird; die »Passivierung« war keineswegs zu erwarten.
Die für die Wirkung der neuen Katalysatoren geeigneten Reaktionsbedingungen sind im allgemeinen von denen nicht verschieden, die für die bekannten Katalysatoren gewählt werden; man hydriert z. B. das zu aldolisierende Reaktionsgemisch oberhalb von 1500C bis gegen 2500C bei einem Wasserstoffdruck von 20 bis 80 bar. Es sind im allgemeinen keine Lösungsmittel erforderlich, sofern der Druck hoch genug gewählt wird. Die Gegenwart von Lösungsmitteln, auch von Wasser in untergeordneten Meng«:, ist aber im allgemeinen auf die Durchführung der Reaktion ohne Einfluß.
Das Verfahren zur Herstellung des Katalysators steht im Zusammenhang mit der Herstellung ungesättigter und im weiteren gesättigter Ketone.
Beispielsweise können Ketone der allgemeinen Formel
R1-CO-R2
erhalten werden, wobei Ri und/oder Rj einen geradkettigen oder verzweigten Alkylrest bedeutet und die Summe der Kohlenstoffatome aus Ri und R2 wenigstens 4 beträgt. Wenigstens ein Rest besitzt i. a. mindestens 3 C-Atome. Im allgemeinen sind Ketone mit insgesamt mehr als 20 C-Atomen einschließlich der Ketogruppe technisch weniger interessant, obwohl ihre Synthese nach der Erfindung möglich ist.
Als Ausgangsstoffe für solche Ketone werden daher gewöhnlich einerseits Aldehyde mit z.B. 2 bis 17 Kohlenstoffatomen verwendet oder Ketone mit z. B. 3 bis 17 C-Atomen= Andererseits werden z, B. Ketone mit 3 bis 17 C-Atomen verwendet. In der Regel hat das Ausgangsketon eine Ketogruppe in 2-Stellung, d. h.. es besitzt eine isolierte Methylgruppe im Anschluß an die Ketogruppe.
Geeignete Aldehyde sind demnach z. B. Acetaldehyd, Propionaldehyd, n- und i-Butyraldehyd, Pentanal-1, 2-Methylbutanal und 2-Methylpentanal.
Geeignete Ketone sind entsprechend z. B. Aceton, Methyläthylketon, Methylisopropylketon, 4-Methylheptanon-2 und andere, die Ketogruppe in 2-Stellung aufweisende, im allgemeinen gesättigte, geradkettige oder verzweigte Ketone.
Man verfährt mit Vorteil bei der Reaktion derart, daß der zu verwendende Aldehyd in einer stöchiometrisch geringeren Menge vorliegt, wenn man Wert auf eine besonders einheitliche Reaktion legt Da das erhaltene StoffgemiscJ; sich aber i. a. leicht trennen läßt kann, ζ. Β. ίο aus wirtschaftlichen Gründen, auch anders verfahren werden. Wenn der Aldehyd im Oberschuß vorliegt, wird in der Regel das bereits gebildete neue Keton in gewissem Umfang in ein weiteres, wiederum längerkettiges Keton umgewandelt
Beispiel 1 Tabelle 1
Nach 78 Stunden Ohne
Vorbehandlung Vorbe
mit 6% Zink- handlung
2-Athyl-hexanat
55
60
Beispiel 2
Nach dem üblichen Reduzieren eines Katalysators, enthaltend 16% Ni und 4% ZnO auf Al2O3, wird eine 500C warme Lösung aus 30,0 Gewichtsprozent Aceton, 30,7 Gewichtsprozent 2-Methylpropanal (dieses enthält 1,4 Gewichtsprozent Methylpropionsäure), 8,1 Gewichtsprozent Wasser und 5,6 Gewichtsprozent Zink-2-Äthylhexanat in der 5,6 Gewichtsprozent Zink-palmitat suspendiert sind, in den Reaktor gefüllt.
In verschiedenen Versuchen werden nacheinander 15-, 30- bzw. 45stündige Vorbehandlung unter Stickstoff bei 1000C untersucht Jeweils wird nach dem Aufheizen auf 2000C und Umstellen auf Wasserstoff mit einem Zulauf von 62 Gewichtsprozent Aceton und 38 Gewichtsprozent 2-Methylpropanal begonnen. Nach jeweils 24 Stunden wird eine Probe gaschromatographisch analysiert (Tabelle 2; unter Vernachlässigung des enthaltenen Wassers).
20
In diesem Beispiel und den folgenden wird ein 3-i-Rohrreaklor verwendet, der mit einem Katalysator in Tablettenform der jeweils aufgeführten Zusammensetzung gefüllt ist Der Durchmesser der Tabletten beträgt 4 mm. Bei der Reaktion wird ein Durchsatz von 1 Liter Reaktionsgemisch je Liter Katalysator und Stunde eingehalten sowie eine Temperatur von 2000C und ein Druck von 30 bar (entsprechend einem Wasserstoffpartialdruck von etwa 5 bar).
Der Kontakt in Tablettenform, bestehend aus 2 Gewichtsteilen eines Katalysators, der 10% Nickel, 10% Kobalt und 4% Kupfer auf Aluminiumoxid enthält und 1 Gewichtsteil eines Katalysators, der 20 Gewichtsprozent Zinkoxid auf Aluminiumoxid enthält, wird wie üblich reduziert und dann 3 Liter einer 300C warmen Lösung von 53 Gewichtsprozent Aceton, 32^ Gewichtsprozent 2-Methylpropanal (dieses enthält 1,4 Gewichtsprozent Methylpropionsäure), 8,5 Gewichtsprozent Wasser und 6 Gewichtsprozent Zink-2-Äthylhexanat in den Reaktor gefüllt Die Flüssigkeit wird bei 160° C unter SticKstoff für 78 Stunden im Kreis geführt.
Danach wird die Temperatur auf 2000C angehoben, die bisherige Füllung durch ein Gemisch von 62% Aceton und 38% 2-Methylpropanal und Stickstoff durch Wasserstoff ersetzt Nach 24 Stunden kontinuierlichem Betrieb mit diesem Gemisch wird eine Probe gaschromatographisch analysiert Zum Vergleich ist ohne die erfindungsgemäße Behandlung verfahren worden.
Das Ergebnis des Beispiels und des Vergleichsversuchs sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben, wobei die Angaben ohne Berücksichtigung des enthaltenen Wassers zu verstehen sind.
Aceton 30,1
Methylpropanal 4,6
Isopropanol 0,7
Methylpropanol 10,6
5-Methyl-Hexanon-2 36,8
5-Methyl-Hexanol-2 0,1
5-Methyl-Hexen-3-oi^2 8,5
22,4
1,8
36,2
32,8
0,3
1,4
Tabelle 2 Passivierungsdauer (in Stunden) 30 45
15 34,0 34,9
42,6 2,7 6,7
Aceton 2,0 5,4 1,2
Methylpropanal 10,1 16,6 4J
Isopropanol 24,7 37,1 33,9
Methylpropanol 17,3 2,3 0,6
5-Methyl-
Hexanon-2		 3,5 1,1 5,6
5-Methyl-
HexanoI-2		 0,9
5-Methyl-
Hexen-3-on-2		 Beispiel 3
Nach dem üblichen Reduzieren eines Katalysators, bestehend aus 4 Gewichtsteilen Tabletten der Zusammensetzung 10% Ni, 10% Co, 4% Cu auf Al2O3 und 1 Gewichtsteil Tabletten aus 20% ZnO auf AbO3 werden 3 Liter einer 500C warmen Lösung mit 66,> Gewichtsprozent Methylisopropylketon, 16,7 Gewichtsprozent Butanal, 83 Gewichtsprozent Wasser, 1,7 Gewichtsprozent Buttersäure und 33 Gewichtsprozent Zinkacetat, in der 33 Gewichtsprozent Zinkstearat suspendiert sind, in den Reaktor gefüllt und dessen Inhalt während 48 Stunden bei 1300C unter Stickstoff mit der ständig umgewälzten Suspension behandelt.
Nach dem Aufheizen auf 200°C und Umstellen auf Wasserstoff wird mit einem Zulauf aus 80 Gewichtsprozent Methylisopropylketon und 20% Butanal begonnen. Nach 24 Stunden wird eine Probe gaschromatographisch (Tabelle 3; unter Vernachlässigung des enthaltenen Wassers) analysiert.
Tabelle 3
Butanal:
Butanol:
Methylisopropylketon:
2-Methylbutanol-3:
2-Methyloktanono:
2-Methylokten-4-on-3:
2-MethyloktanoI-3:
1,6%
1,1%
64,1%
0,5%
17,1%
3,5%
0%
Beispiel 4
Nach dem üblichen Reduzieren eines Katalysators der Zusammensetzung 8% Ni, 8% Co, 4% ZnO auf > AI2O3 werden 3 Liter einer 25°C warmen Suspension von 7,3 Gewichtsprozent Zinkstearat in 90,9 Gewichtsprozent Aceton und 1,8 Gewichtsprozent 2-Methylpropionsäure in den Reaktor gefüllt und für die Dauer von 48 Stunden unter Stickstoff bei 1400C umgewälzt. Danach wird auf 2000C aufgeheizt, auf Wasserstoff umgestellt und kontinuierlich ein Zulauf von 65,8 Gewichtsprozent Aceton und 34,2 Gewichtsprozent Benzaldehyd in der auch in Beispiel 1 durchgesetzten stündlichen Menge aufgegeben. Nach 24 Stunden wird eine Probe analysiert (Tabelle 4; gaschromatographisch, ohne Berücksichtigung des enthaltenen Wassers).
Tabelle 4
Aceton: 47,5%
Benzaldehyd: 1,4%
Isopropanol: 0.6%
Benzylalkohol: 3,2%
4-Phenylbutanon-2: 26,4%
4-Phenylbutanol-2: 0%
4-Phenylbuten-3-on-2: 3,8%
Beispiel 5
Der Reaktor wird mit einem Katalysator gefüllt, der 10% Nickeloxid, 10% Kobaltoxid und 4% Zinkoxid auf AI2Ojenlhält.
Man behandelt während 48 Stunden bei 180° C (vor der reduzierenden Behandlung) mit 3 Litern einer Suspension von 7,3% Zinkstearat in einem Gemisch von 63,0 Gewichtsprozent Aceton, 27,9 Gewichtsprozent 2-Äthylhexanol und 1.8 Gewichtsprozent 2-Methylpropionsäure. Nach Ablassen der Lösung und Trocknen mit Stickstoff wird wie üblich reduziert. Nach dieser Vorbereitung..wiril ein Gemisch von 693 Gewichtsprozent Aceton und 30,7 Gewichtsprozent 2-Äthylhexanol kontinuierlich bei 2000C Reaktionstemperatur umgesetzt.
Eine nach 24 Stunden gezogene Probe besitzt folgende Zusammensetzung (gaschromatographisch). Wasser unberücksichtigt:
20 Tabelle Aceton:
2-Äthylhexanol:
Isopropanol:
2-Äthylhexanol:
5-Äthylnonanon-2:.
5-Äthylnonanol-2:
5-Äthylnonan-3-on-2:
50.6% 3,4% 0,9% 3,4%
20,7% 0,3% 2.6%

Claims (2)

  1. Patentansprüche:
    L Verfahren zur Herstellung eines Nickel und/oder Kobalt und Zinkoxid sowie einen chemisch unbeteiligten Träger enthaltenden Katalysators zur Herstellung von Ketonen, die durch Aldolkondensation niedermolekularer Aldehyde oder Ketone mit niedermolekularen Ketonen und Hydrierung der zwischenzeitlich gebildeten «^-ungesättigten Ketone bei einer Temperatur oberhalb von etwa 1500C in flüssiger Phase erhältlich sind, dadurch gekennzeichnet, daß man den Nickel oder Kobalt oder deren Verbindungen und Zinkoxid sowie einen chemisch unbeteiligten Träger enthaltenden Katalysator mit einem Zinksalz einer Carbonsäure nachbehandelt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Nachbehandlung ein gelöstes Zinksalz einer aliphatischen Carbonsäure mit weniger als 10 Kohlenstoffatomen im Molekül und/oder ein Zinksalz einer aliphatischen Carbonsäure mit mehr als 10 Kohlenstoffatomen im Molekül als Suspension verwendet werden.
DE2525506A 1975-06-07 1975-06-07 Verfahren zur Herstellung eines Nickel und/oder Kobalt und Zinkoxid enthaltenden Katalysators Expired DE2525506C2 (de)

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