DE2706516B2 - Metallphthalocyanin-Katalysator und dessen Verwendung - Google Patents

Metallphthalocyanin-Katalysator und dessen Verwendung

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Description

Gemäß der US-PS 29 88 500 werden saure Erdöldestillate mit einer feststehenden Schicht eines mit einem Aktivkohleträger zusammengesetzten Metallphthalocyaninkatalysators gesüßt.
Gemäß der US-PS 28 53 432 wird ein sulfoniertes Derivat eines Metallphthalocyanins in einem alkalischen Medium gelöst, um mit diesem Mercaptane aus einem Kohlenwasserstoffstrom zu extrahieren, wobei das alkalische Medium durch Oxidation von Mercaptanen zu Disulliden im gleiche oder in einem getrennten Kessel regenriert wird.
Die US-PS 30 74 958 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von schwerlöslichen Metallphthalocyaninverbindungen durch Erhitzen eines Gemisches, das ein Phthalsäurederivat, Harnstoff oder einen anderen Stickstoffdonor, einen Metalldonor und Ammoniumchlorid enthält.
Nippon Kagoku Zasshi, 79, Seiten 396 bis 399 (1958), beschreibt die Herstellung von Phthalocyanintetrasulfonaten, hauptsächlich Tetrasulfonat, durch Umsetzung von Triammonium-4-sulfophthalat bei 2400C. Es wurden auch verschiedene Modifikationen dieser Methode beschrieben, wie in Inorg. Chem., 4. Seiten 469 bis 475 (1965), unter Verwendung von Nitrobenzol als Lösungsmittel und in Kinet Katal, 8, Seiten 1325 bis 1330 (1967), unter Umsetzung in der Schmelze oder im Trockenen bei 200 bis 2100C während 6 Stunden.
Ein anderes eng verwandtes Verfahren zur Herstellung von sulfonierten Phthalocyaninen ist in Rocz. Chem. 41, Seiten 1703 bis 1710 (1967), beschrieben. Dieses Verfahren ist ähnlich dem in Nippon Kagoku Zasshi, doch ist in der Literaturstelle erwähnt, daß die maximale Reaktionstemperatur 2400C betragen soll. Das in dieser Studie verwendete Metall war Rhenium. Die Oxidation von Mercaptanen wurde dabei nicht untersucht.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgaibe bestand nun darin, diese bekannten Verfahren zu verbessern und Metallphthalocyanin-Kataly.satoren größerer Aktivität zu bekommen.
Der erfindungsgemäße Metallphthalocyanin-Katalysator, erhalten durch Erhitzen eines Gemisches einer 4-Sulfophthalsäure und/oder eines Derivates derselben, eines aus Kobaltsulfatheptahydrat, Vanadylsulfat, Mangansulfat und/oder Rhodiumnitrat bestehenden Metallsalzes, eines aus Ammoniummolybdat und/oder Molybdänsäure bestehenden Promotors, einer Ammoniumdonorverbindung und Wasser, ist dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch während '/2 Stunde bis zu 10 Stunden bei 255 bis 325° C erhitzt worden ist.
Vorzugsweise arbeitet man bei einem Druck, der eine flüssige Phase aufrechthält.
Es liegt auch innerhalb des Erfindungsgedankens, die Temperatur allmählich auf den angegebenen Bereich von 255 bis 325° C zu steigern. Versuche haben gezeigt, daß dies nicht bevorzugt ist, wenn eine maximale Mercaptanoxidationsaktivität erwünscht ist. Es ist jedoch möglich, durch eine oder mehrere vorausgehende Erhitzungsstufen bei niedrigeren Temperaturen, wie bei 120 bis 15O0C während '/2 Stunde bis zu 2 Stunden und anschließend bei 150 bis 2500C während 1/2 Stunde bis zu 2 Stunden zu gehen und dann erst in den Temperaturbereich nach der Erfindung zu gehen. Es kann auch erwünscht sein, den angegebenen Temperaturbereich von 255 bis 3250C langsam aufzubauen, um gasförmige Materialien, die durch den Phasenwechsel oder durch chemische Reaktion gebildet werden, zu entfernen. Es ist nicht verständlich, was bei Temperaturen oberhalb 255° C anderes als bei den niedrigen Temperaturen nach dem Stand der Technik vorgeht, doch wurde beobachtet, daß ein anderes Produkt erhalten wird.
Ein Arbeiten bei Temperaturen oberhalb 325° C scheint nicht möglich zu sein, da das Material bei solchen Temperaturen selbst verascht oder verbrennt. Ein Arbeiten bei Temperaturen von 310 bis 325° C ist nur möglich, wenn Vorkehrungen getroffen werden, um die Anwesenheit von Sauerstoffgas aus dem Gemisch auszuschließen, oder wenn überschüssiges Wasser zugeführt und Druck angewendet wird.
Die Derivate der 4-Sulfophthalsäure sind beispielsweise die Säuresalze, wie diejenigen mit einem Kation von Lithium, Kalium, Rubidium, Caesium, Barium, Strontium, Calcium, Magnesium, Beryllium, Titan, Scandium, Zirkon, Mangan oder Rhenium. Beispiele socher Salze sind Natrium-4-sulfophthalat, Dinatrium-4-sulfophthalat, Trinatrium-4-sulfophthalat, Lithium-4-sulfophthalat. Dilithium-4-sulfophthalat, Beryllium-4-sulfophthalat, Magnesium-4-sulfophthalat, CaIcium-4-sulfophthalat, KaIium-4-sulfophthalat, Dikalium^-sulfophthalat, Scandium-4-sulfophthalat, Titan-4-sulfophthalat oder Mangan-4-sulfophthalat. Bevorzugt verwendet man Triammonium-4-sulfophthalat, 4-Sulfophthalsäure, Natrium-4-sulfophthalat und/oder Dinatrium-4-sulfophthalat.
Die Ammoniumdonorverbindung zersetzt sich unter Bildung von Ammonik oder eines Ammoniumrestes. Geeignete Ammoniumdonorverbindungen sind beispielsweise Harnstoff, Ammoniumchromalaun, Ammoniumeisenalaun, Caesiumalaun, Kaliamalaun (Kalinid), Kaliummanganalaun, Rubidiumalaun, Natriumalaun, Thalliumalaun, Ammoniumacetatalaun, Ammoniumbenzoat, Ammoniumborat, Ammoniumchromat, Ammoniumnitrat, Ammoniumgallat, Hydrazin, Harnstoffcalciumfluorid, Harnstoffhydrochlorid und Harnstoffnitrat.
Die Katalysatorherstellung kann entweder ansatzweise oder kontinuierlich erfolgen. In einem kontinuierlichen Verfahren können die Reaktionspartner miteinander in einem Reaktor mit Stopfenfluß und/oder einem Reaktor mit kontinuierlich gerührtem Behälter, die auf geeigneten Temperaturen und Drücken ausreichend lange gehalten werden, um das erwünschte katalytische
Material zu bilden, in Kontakt gebracht werden.
Die erfindungsgemäßen Katalysatoren können zur Oxidation schwefelhaltigen Verbindungen mit Sauerstoff oder sauerstoffhaltigem Gas in einem kontinuierlichen Verfahren mit feststehender Schicht verwendet werden, doch ist der Katalysator nach der Erfindung in alkalischen Medien relativ löslich, so daß er mit größerem Vorteil in einem flüssig-flüssigen Verfahren verwendet wird.
Auf diese Weise können z. B. Mercaptane in verschiedenen Beschickungsmaterialien, wie Methylmercaptan oder Äthylmercaptan in Naturgas oder Tertiärdodecylmercaptan oder aromatische Mercaptane, wie Thiophenol, in schwererem Rohöl oder in Kerosin, zu Disulfiden oxidiert werden.
Auch kann Schwefelwasserstoff, der z. 3. beim Raffinieren von Rohöl, bei der Chemikalienherstelliing oder bei der Stahlproduktion erzeugt wird, zu elementarem Schwefel oxidiert werden.
Der Katalysator kann auch in verschiedenen elektrochemischen Umsetzungen, biochemischen Umsetzungen, Hydroformylierungsreaktionen, beim Reformieren, Alkylieren, Umalkylieren, bei Diels-Alder-Reaktionen, beim Cycloakylieren, Dehydrieren, Decyclodehydrieren, beim Oxidieren verschiedener Verbindungen zu Ketonen und Carbonsäuren, beim Reduzieren anorganischer Verbindungen in wäßrigen oder organischen Lösungen usw. verwendet werden.
Bei der Mercaptanumwandlung verwendet man den erfindungsgemäßen Katalysator bei einer Temperatur von 0 bis 500° C, einem Druck von 1 bis 100 at absolut und vorzugsweise in flüssiger Phase. Oxidationsmittel, die verwendet werden können, sind reiner Sauerstoff oder mit einem anderen Gas vermischter Sauerstoff, wie Gemische von Sauerstoff und Stickstoff, z. B. Luft.
Zweckmäßig wird die Schwefelverbindung in einem alkalischen Medium von pH 8 bis 14, vorzugsweise von pH 11 bis 14, umgewandelt. Der Katalysator kann auf einem festen Träger, wie auf Aktivkohle oder einem anderen Träger, dispergiert oder in einem alkalischen flüssigen Medium, wie Natronlauge, dispergiert werden.
Vergleichsbeispiel 1
Ein Katalysator wurde nach der in »Nippon Kagoku Zasshi«, 79, S. 396 bis 399 (1958), beschriebenen Methode hergestellt. In einem Reaktionsbecher wurden 20,0 g (0,067 Mol) Triammonium-4-sulfophthalat, 30,0 g (0,5 Mol) Harnstoff, 5,31 g (0,0189 MoI) Kobaltsulfatheptahydrat, 0,3 g Ammoniummolybdat und 30,0 g Wasser miteinander vermischt. Das Gemisch wurde allmählich während 6 Stunden bei Atmosphärendruck von 120 auf 220° C erhitzt. Die Reaktionsmasse wurde dann gekühlt und zu einem Pulvermaterial vermählen.
Die Mercaptanoxidationsaktivität dieses Katalysators wurde für die Umwandlung von Thiophenol in sein entsprechendes Disulfid in Gegenwart von Sauerstoff getestet. 1,28 g Thiophenol wurden unter 1 at O2-Druck bei 22° C in diesem Test verwendet. Die Zeit, welche erforderlich war, um die l,?8g Thiophenol in sein entsprechendes Disulfid umzuwandeln, betrug 37,5 Minuten.
Vergleichsbeispiel 2
Ein Katalysator wurde unter Abwandlung der Methode des Vergleichsbeispiels 1 nach der Lehre gemäß »Kinet Katal«, 8, S. 1325 bis 1330 (1967), 302 g Triammonium-4-sulfophthalat, 976 g Harnstoff, 142 g Kobaltsulfatheptahydrat und 0,5 g Ammoniummolybdat wurden miteinander vermischt. Von diesem Gemisch wurde ein Anteil von 450 g in einen 2-l-Behälter eingeführt, der dann 4,75 Stunden auf 220 bis 235° C erhitzt wurde. Das Reaktionsprodukt ließ man abkühlen, entfernte es aus dem Reaktor und pulverisierte es vor dem Testen seiner Aktivität.
Die Mercaptanoxidationsaktivität dieses Katalysators wurde für die Umwandlung von Thiphenol in dessen entsprechendes Disulfid in Gegenwart von ίο Sauerstoff getestet. Die erforderliche Zeit, um 1,28 g Thiphenol in sein entsprechendes Disulfid umzuwandeln, lag bei 29 Minuten.
Beispiel 1
20 g (0,67 Mol) Triammonium-4-sulfophthalat, 30,0 g (0,5 Mol) Harnstoff, 5,31 g (0,0189 Mol) Kobaltsulfatheptahydrat, 3,0 g Ammoniummolybdat und 30,0 g Wasser wurden in einem Becherglas miteinander vermischt. Das Reaktionsgemisch wurde in einem Sandbad 2 Stunden auf 160 bis 170° C, sodann 2 Stunden auf 210 bis 220° C und schließlich 2 Stunden auf 260 bis 270° C erhitzt. Das Reaktionsgemisch wurde nun gekühlt. Die Reaktionsmasse war ein blauschwarzes Material. Cs wurde zu einem Pulver vermählen.
Die Thiophenolumwandlungszeit für diesen Katalysator betrug 25 Minuten. Um dieses bessere Ergebnis zu bestätigen, wurde ein zweiter Katalysator auf gleiche Weise hergeslellt und getestet. Die Thiophenolumwandlungszeit lag bei 22 Minuten.
Beispiel 2
Dieses Beispiel zeigt einen bevorzugten Weg zur Herstellung von Katalysatoren nach der Erfindung. 20 g Triammonium-4-sulfophthalat, 5,31 g Kobaltsulfatheptahydrat, 30 g Harnstoff, 0,3 g Ammoniummolybdat und 30 g Wasser wurden miteinander verrührt und sodann 4,5 Stunden auf etwa 265° C erhitzt. Dieser Katalysator hatte eine Thiophenolumwandlungszeit von 20 Minuten.
Beispiel 3
Dieses Beispiel zeigt den derzeit besten Weg zur Herstellung von Katalysatoren nach der Erfindung. Es wurden die gleichen Reaktionspartner wie in Beispiel 2 verwendet, sie wurden 5 Stunden gerührt und auf 270° C erhitzt. Der Katalysator hatte eine Thiophenolumwandlungszeit von 15 Minuten.
Beispiel 4
In diesem Beispiel wurden 226 kg Kobaltphthalocyanintetrasulfonatkatalysator hergestellt. 0,1 kg Molybdänsäure und 73 kg Kobaltsulfat wurden in 465 kg einer 50 gewichts-°/o-igen Lösung von 4-Sulfophthalsäure aufgelöst. 315 kg Harnstoff wurden dann zugesetzt und gelöst. Die Lösung wurde auf Böden gegeben und dann in einen Ofen überführt. Das angewendete Reaktionstemperaturschema war a) 177°C während 2 Stunden, b) 218° C während 2 Stunden und c) 260° C während 4 Stunden. Sodannn ließ man den Ofen sich abkühlen, und die Böden wurden herausgenommen und entladen. Das Produkt wurde gemahlen und abgepackt. Der Katalysator hatte eine Thiophenolumwandlungszeit von 15 Minuten.
Dieses Verfahren ist eine Methode zur Herstellung des Kobaltphthalocyanintetrasulfonatkatalysators in einer Industrieanlage. Es sei darauf hingewiesen, daß dieses Verfahren durch die Lehre der Erfindung gedeckt ist, da die letzte Erhitzungsstufe, die Stufe c), innerhalb des erfindungsgemäßen Temperaturbereiches liegt.

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Metallphthalocyanin-Katalysator, erhalten durch Erhitzen eines Gemisches einer 4-SulfophthaI-säure und/oder eines Derivates derselben, eines aus Kobaltsulfatheptahydrat, Vanadylsulfat, Mangansulfat und/oder Rhodiumnitrat bestehenden Metallsalzes, eines aus Ammoniummolybdat und/oder Molybdänsäure bestehenden Promotors, einer Ammoniumdonorverbindung und Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch während '/2 Stunde bis zu 10 Stunden bei 255 bis 3250C erhitzt worden ist.
2. Verbindung eines Katalysators nach Anspruch 1 zur Oxidation einer schwefelhaltigen Verbindung mit Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Gas in Gegenwart eines alkalischen Mediums.
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