DE2707013C3 - Katalysator und dessen Verwendung - Google Patents
Katalysator und dessen VerwendungInfo
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Description
30
Die Erfindung betrifft Katalysatoren mit einer Nickel- und einer Wolframkorciponeiite,. die besonders für die
abbauende Hydrierung beim Hydro; racken von Koh- j5 lenwasserstoffen brauchbar sind
Kohlenwasserstoffumwandlungskatalysatoren mit einer Nickel- und einer Wolframkomponente sind
beispielsweise aus den US-PS 35 23 913, 36 39 272, 36 61 805 und 37 51 380 bekannt
Aus der US-PS 32 16 922 ist ein Verfahren für die Herstellung von Hydrokrackkatalysatoren bekannt, die
ein Kieselsäure-Tonerdegemisch als Träger enthalten. Dieser Träger wird dadurch erhalten, daß zunächst
Kieselsäuregel aus einer Wasserglaslösung ausgefällt und anschließend nach Alterung des Gels Aluminiumhydroxid
darauf ausgefällt wird. Als Aluminiumsalz, aus welchem das Aluminiumhydroxid gebildet wird, wird
Aluminiumsulfat verwendet, welches in solcher Menge zugesetzt wird, daß das Molverhältnis von Kieselsäure in
zu Tonerde in dem fertigen Träger etwa 5 :1 beträgt. Die Verwendung von Katalysatoren, deren Träger in
der beschriebenen Weise erhalten wurde, ist aber nicht günstig beim Hydrockracken von Schnelldestillaten.
Die GB-PS 11 83 778 beschreibt ein Verfahren zur %s
Herstellung eineis Tonerde-Kieselsäure-Nickel-Wolfram-Hydrokrackkatalysators,
dessen Träger so hergestellt wird, daß man zunächst aus einer Silikationen enthaltenden wäßrigen Lösung ein Kieselsäuregel
ausfällt, das Gel bei erhöhter Temperatur altert, w Aluminiumhydroxid auf dem gealterten Gel durch
Zugabe einer wäßrigen Aluminiumnitratlösung und einer alkalisch reagierenden Lösung ausfällt, die
resultierende Ausfällung von Aluminiumhydroxid auf Kieselsäure abtrennt, trocknet und schließlich caclci- 1,-,
niert und sodann Wolfram und Nickel auf dem Katalysatorträger aufbringt und anschließend den die
Metallsalze umfassenden Träger oxidiert.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe bestand nun darin, einen Katalysator für Kohlenwasserstoffumwandlungsverfahren,
insbesondere Hydrokrackverfahren mit besserer Aktivität, Selektivität und
Stabilität gegen Deaktivierung zu bekommen.
Der erfindungsgemäße Katalysator mit einer Nickel- und einer Wolframkomponente auf einem Kieselsäure-Tonerdeträgermaterial,
erhalten durch Ump-rägnieren eines Kieselsäure-Tonerdeträgermaterials mit einer
wäßrigen Lösung eines Nickelsalzes und eines Wolframsalzes, anschließendes Trocknen, Calcinieren und
gegebenenfalls Sulfidieren ist dadurch gekennzeichnet, daß man ein durch gemeinsames Gelieren hergestelltes
Kieselsäure-Tonerdeträgermaterial mit einem Porenvolumen von wenigstens 0,5cm3/g, das zu 40 bis
60 Gew.-% aus Tonerde und zu 60 bis 40 Gew.-°/o aus Kieselsäure besteht, mit der wäßrigen Lösung eines
Nickelsalzes und eines Wolframsalzes imprägniert, wobei die Konzentration dieser Salze in der wäßrigen
Lösung so eingestellt wird, daß man auf dem Trägermaterial ein Atomverhältnis von Nickel zu
Nickel plus Wolfram von 0,1 bis 0,3 erhält und das Gesamtgewicht von Wolfram und Nickel, als Element
gerechnet, 1 bis 25 Gew.-% des fertigen Katalysators
beträgt, und daß man das imprägnierte Trägermaterial nach dem Trocknen und Calcinieren in Gegenwart von
Wasserstoff reduziert
Dieser Katalysator nach der Erfindung besitzt nicht nur eine verbesserte katalytische Aktivität, sondern läßt
sich auch wirtschaftlicher produzieren als bekannte Katalysatoren, da keine übermäßigen Metallgehalte
verwendet werden.
Der gemeinsam gelierte Kieselsäure-Tonerdeträger befindet sich zweckmäßig in einem Xerogelzustand, d. h.
er ist genügend getrocknet, um die übliche mikroporöse Struktur zu liefern, und hat daher eine große verfügbare
Oberfläche. Es ist auch möglich, ein starres Kieselsäure-Tonerdeträgermaterial zu verwenden, das nur bei
relativ niedriger Temperatur, wie T l25°C, getrocknet
wurde und noch merkliche Mengen an Wasser enthält. Dabei muß aber der Trocknungsgrad ausreichen, um im
wesentlichen das gesamte Wasser aus den Poren des Trägermaterials zu entfernen.
Der erfindungsgemäße Katalysator wird bevorzugt zum Hydrokracken von Kohlenwasserstoffölen verwendet.
Dabei bekommt man beispielsweise eine maximale Produktion von Flüssiggas im Propan/Butanbereich
aus im Benzinsiedebereich siedenden Destillaten. Beschickungsmuterialien, wie Kerosine, leichte
Gasöle, schwere Gasöle, Gasöle mit vollem Siedebereich und Schwarzöle können leicht in niedriger
siedende, normalerweise flüssige Produkte umgewandelt werden, wie in Benzine, Kerosine, Mitteldestillate
oder Schmieröle.
Das Hydrokracken erfolgt zweckmäßig bei einer maximalen Katalysatorbett-Temperatur von etwa 316
bis 482°C, einem Druck von etwa 34 bis 340 atü und einer stündlichen Flüssigkeitsraumgeschwindigkeit von
etwa 0,1 bis etwa 10. Dabei kann der Katalysator in einer Luftatmosphäre bei einer Temperatur von etwa
538eC oxidiert werden, bevor er mit der frischen
Beschickung in Kontakt gebracht wird. Zweckmäßig wird er in einer feststehenden Schicht verwendet,
obwohl er auch in einem Fließbettverfahren benutzt werden kann.
Bevorzugt ist ein Imprägnierverfahren, bei dem ein vorher calciniertes, vorgeformtes Trägermaterial, welches
in mehrstufiger Arbeitsweise ausgefällt wurde, mit
geeigneten löslichen Verbindungen des Nickelsalzes und des Wolframsalzes in Berührung gebracht wird. Die
Imprägnierung schließt anschließendes Trocknen bei einer Temperatur von beispielsweise etwa 149° C und
eine Oxidation bei einer Temperatur von beispielsweise etwa 593° C ein. Eine andere Imprägniermethode
besteht in einer gemeinsamen Ausfällung aller Katalysatorkomponenten einschließlich jener des Trägermaterials.
Ein besonders wirksamer Kieselsäure-Tcnerde-Nickel-Wolfram-Hydrokrackkatalysator
kann hergestellt werden, wenn der Tonerdegehalt des gemeinsam gelierten Kieselsäure-Tonerdeträgers im Bereich von
etwa 43 bis etwa 57 Gew.-% Tonerde gehalten wird.
Es ist in der Katalysetechnik üblich, daß dann, wenn man von katalytisch aktiven Metallen redet, damit das
Vorliegen solcher Metalle im elementaren Zustand oder in irgendeiner anderen Form, wie als Oxid, Sulfid oder
Halogenid gemeint sein solL Ungeachtet des Zustands, in welchem die metallischen Komponenten tatsächlich
vorliegen, werden ihre Konzentrationen immer so berechnet, als lägen sie im elementaren Zustand vor.
Das durch gemeinsames Gelieren hergestellte Kieselsäure-Tonerdeträgermaterial
kann als Kugeln, Pillen, Pellets, Extrudate oder Granalien hergestellt und
benutzt werden. Nach einer bevorzugten Methode wird eine wäßrige Wasserglaslösung, die auf eine Kieselsäurekonzentration
von etwa 5 bis etwa 15Gew.-% verdünnt ist, mit Salzsäure oder einer anderen
geeigneten Mineralsäure angesäuert Das resultierende Sol wird bei einem pH-Wert von etwa 4 bis etwa 4,8
unter Bildung eines Hydrogels sauer gealtert, und das Hydrogel wird weiterhin bei einem pH-Wert von etwa
6,5 bis etwa 7,5 gealtert Das Kieselsäurehydrogel wird
dann sorgfältig mit einer wäßrigen Aluminiumsalzlösung ausreichender Konzentration vermischt um einen
erwünschten Tonerdegehalt in dem Kieselsäure-Tonerdeprodukt zu bekommen. Das Kieselsäure-Tonerdesol
wird dann bei einem pH-Wert von etwa 8 durch Zugabe eines basischen Ausfällungsmittels, zweckmäßig von
wäßriger Armoniumhydroxidlösung, ausgefällt. Das Kieselsäure-Tonerdematerial, das als ein in einer
Mutterlauge aufgeschlämmtes Hydrogel vorliegt, wird durch Filtration gewonnen, mit Wasser gewaschen und
bei einer Temperatur von etwa 93° C bis etwa 2600C
getrocknet. Das Trocknen erfolgt vorzugsweise durch Sprühtrocknen, wobei die gemeinsarr gelierte Kieselsäure-Tonerde
als Mikrokugeln im Gemisch mit einem geeigneten Bindemittel, wie Graphit oder Polyvinylalkohol,
gewonnen und anschließend extrudiert oder anderweitig zu Pillen oder Pellets gleichmäßiger Form
und Größe komprimiert wird.
Eine besonders bevorzugte Methode zur Herstellung eines gemeinsam gelierten Kieselsäure-Tonerdeträgermaterials
ist die bekannte Öltropfmethode unter Bildung von Makrokugeln. Beispielsweise wird ein als
Tonerdequelle verwendetes Tonerdesol mit einer angesäuerten Wasserglaslösung als Kieselsäurequelle
und mit einem geeigneten Geliermittel, wie beispielsweise Harnstoff und/oder Hexamethylentetramin, vermischt.
Das Gemisch wird noch unterhalb der Gelierungstemperatur mit Hilfe einer Düse oder einer
rotierenden Scheibe in ein heißes ölbad, das auf Geliertemperatur gehalten wird, eingespritzt und in
dem ölbad als Tröpfchen dispergiert, die während des Durchgangs durch das ölbad sich in kugelige Gelteilchen
umwandeln. Das Tonerdesol wird vorzugsweise nach einer Methode heifc-itellt, bei der Aluminiumgranalien
mit einer Menge von behandeltem bzw. entionisiertem Wasser vermischt werden und dazu in
ausreichender Menge Salzsäure zugesetzt wird, um einen Teil des Aluminiummetalles aufzulösen und das
erwünschte Sol zu bilden. Zweckmäßig arbeitet man dabei etwa bei Rückflußtemperatur des Gemisches.
Die kugeligen Gelteilchen, die nach der öltropfmethode
hergestellt wurden, werden, gewöhnlich in einem Ölbad, während einer Zeit von wenigstens 10 bis 16
Stunden gealtert und sodann in einem basischen
ίο Medium während wenigstens 3 bis 10 Stunden gealtert
und schüeßlich mit Wasser gewaschen. Eine geeignete Gelierung des Gemisches in dem ölbad sowie
anschließende Alterung der Gelkugeln bekommt man nicht leicht unterhalb etwa 49° C, und bei etwa 990C
neigt die schnelle Entwicklung der Gase zum Zerbrechen und zu anderen Schwächungen der Kugeln. Wenn
man während der Bildung und Alterung einen ausreichenden Druck oberhalb Atmosphärendruck
aufrechterhält, um das Wasser in der flüssigen Phase zu halten, kann man eine höhere Temperatur häufig mit
verbesserten Ergebnissen anwenden, f^enn die Gelteilchen
bei Oberatmosphärendruck gealtert werden, ist keine alkalische Alterungsstufe erforderlich.
Die Kugeln werden mit Wasser gewaschen, vorzugsweise mit einem Wasser, das eine kleine Menge an Ammoniumhydroxid und/oder Ammoniumnitrat enthält Nach dem Waschen werden die Kugeln bei einer Temperatur von etwa 93°C bis etwa 316°C während etwa 6 bis 24 Stunden oder mehr getrocknet, und sodann werden sie bei einer Temperatur von etwa 427° C bis etwa 76O°C während 2 bis etwa 12 Stunden oder mehr calciniert
Die Kugeln werden mit Wasser gewaschen, vorzugsweise mit einem Wasser, das eine kleine Menge an Ammoniumhydroxid und/oder Ammoniumnitrat enthält Nach dem Waschen werden die Kugeln bei einer Temperatur von etwa 93°C bis etwa 316°C während etwa 6 bis 24 Stunden oder mehr getrocknet, und sodann werden sie bei einer Temperatur von etwa 427° C bis etwa 76O°C während 2 bis etwa 12 Stunden oder mehr calciniert
Das Nickelsalz und das Wolframsalz werden mit dem gemeinsam gelierten Kieselsäure-Tonerdeträgermaterial
nach irgendeiner gemeinsamen Imprägniermethode vereinigt. So kann das Trägermaterial mit einer
wäßrigen Imprägnierlösung, die ein lösliches Nickelsalz und ein lösliches Wolframsalz enthält, getränkt werden.
Eine geeignete Methode besteht im Eintauchen des Trägermaterials in die Imprägnierlösung und Eindampfen
derselben zur Trockene in einem Rotationswasserdampftrockner. Eine andere geeignete Methode besteht
im Eintauchen des Trägermaterials in die wäßrige Imprägnierlösung bei Raumtemperatur bis zum vollständigen
Eindringen der Lösung in das Trägermaterial. Nach Absorption der Imprägnierlösung läßt man die
freie Oberflächenflüssigkeit von dem Träger ablaufen und trocknet diesen in einer Calciniereinrichtung mit
sich bewegendem Förderband.
Für die Imprägnierung wird als Nickelsalz zweckmäßig Nickelnitrat und als Wolframsalz zweckmäßig
Ammoniiimmetawolframat verwendet. Das Atomverhältnis
von Nickel zu Nickel plus Wolfram auf dem Trägermaterial wird vorzugsweise auf 0,15 bis 0,25
eingestellt, da in diesem Bereich die höchste Aktiviiät
erhalten wird.
Der Katalysator wird gewöhnlich bei einer Temperatur von etwa 930C bis etwa 3600C während etwa 1
Stunde bis etwa Ό Stunden vor der Calcinierung getrocknet. Die Calcinierung erfolgt in einer oxidierenden
Atmosphäre bei einer Temperatur von etwa 3718C bis 649° C. Die oxidierende Atmosphäre isi zweckmäßig
Luft, obwohl auch andere Gase, die molekularen Sauerstoff umfassen, verwendet werden können.
Nach der Calcinier.ip.g wird der Katalysator gewöhnlich
etwa xh Stunde bis etwa 10 Stunden bei einer
Temperatur im Bereich von etwa 371°C bis 538°C in Gegenwart von Wasserstoff reduziert. Der Katalysator
kann auch in der Sulfidform verwendet werden. Hierzu wird er nach der Reduktion einer Sulfidierung
unterzogen, indem Schwefelwasserstoff oder eine andere geeignete schwefelhaltige Verbindung vorzugsweise
bei erhöhter Temperatur von etwa 2600C bis 593"C in Berührung mit dem Katalysator gebracht wird.
Der reduzierte Katalysator wird vorzugsweise durch Kontakt des Katalysators mit einem Wasserstoffstrom,
der etwa 1 bis 20 oder mehr Volumen-% Schwefelwasserstoff
enthält, bei erhöhter Temperatur von etwa 2600C bis 593°C sulfidiert. Wenn der zu hydrokrackende
Erdölkohlenwasserstoff Schwefelverbindungen enthält, kann die Sulfidierung zweckmäßig in situ in den
Anfangsstufen des Hydrokrackverfahrens erfolgen. Der sulfidierte Katalysator enthält zweckmäßig 0,05 bis
1 Gew.-% Schwefel, berechnet auf Elementengrundla-
r,
Die Zcicimüiig uicfii uci visücilcii DciViüi'iSii äiiuii UCl
Verbesserungen und Vorteile, die man durch Herstellung eines Tonerde-Nickel-Wolfram-Hydrokrackkatalysators
nach der Erfindung bekommt, und zeigt die Abhängigkeit der relativen Katalysatcraktivität von
dem Atomverhältnis von Nickel zu Nickel plus Wolfram.
Dieses Beispiel beschreibt die Herstellung und das Testen von acht Kieselsäure-Tonerde-Nickel-Katalysatoren,
von denen jeder ein Atomverhältnis von Nickel zu Nickel plus Wolfram im Bereich von 0,1 bis 0,55 jn
besitzt. Das Trägermaterial für jeden dieser Katalysatoren war gemeinsam gelierte Kieselsäure-Tonerde, die
nach der oben beschriebenen öltropfmethode hergestellt
worden war. Das fertige Trägermaterial besaß die Form von Kugeln von 1,6 mm und enthielt 50% ^
Tonerde.
Acht Ansätze von gemeinsam geliertem Trägermaterial mit den oben beschriebenen Eigenschaften wurden
mit einer wäßrigen Lösung von Nickelnitrat und Ammoniummetawolframat imprägniert. Jeder Ansatz
wurde mit einer derart hergestellten Lösung imprägniert,
daß man das erwünschte Nickel-Wolfram-Atomverhältnis in dem fertigen Katalysator bekam. Die
imprägnierten Kugeln wurden getrocknet und dann bei einer Temperatur von 593°C oxidiert. Die acht Ansätze
des fertigen Katalysators werden nachfolgend als Katalysatoren 1 bis 8 bezeichnet und besaßen ein
Atomverhältnis von Nickel zu Nickel plus Wolfram von 0,55,0,45,0,33,0,23,0,21,0,20,0,18 bzw. 0,10.
Jeder der auf diese Weise hergestellten Katalysatoren wurde dann beim Hydrokracken eines Vakuumgasöles
verwendet, dessen Eigenschaften in der nachfolgenden Tabelle I aufgeführt sind.
Eigenschaften des Vakuumgasöles
Spezifisches Gewicht bei 15° C
Destillation, 0C
Anfangssiedepunkt
5
Destillation, 0C
Anfangssiedepunkt
5
10
30
0^352
332
371
382
414
371
382
414
50 443
70 477
90 521
95 541
Gesamtschwefelgehalt, Gew.-% 2.79
Gesamlstickstoffgehalt,Gew.-% 0,16
Das Standardtestverfahren zur Bestimmung de relativen Aktivität wurde in der Weise durchgeführi
daß das oben beschriebene Gasöl bei 102 atü, eine maximalen KatalysatorbcC Temperatur von 413°C un<
in Gegenwart von 13001 Wasserstoff je I Beschickuni
behandelt wurde. Für jeden Katalysator wurden dre Testperioden von etwa 8 Stunden Dauer mit stündlichei
Flüssigkeitsraumgeschwindigkeiten, die von etwa 1,0 bi etwa 4,0 variierten, durchgeführt. Der normalerweisi
flüssige Produktauslauf aus jeder der Testperiodei wurde einer Destination unterzogen, um die rvienge ai
Kohlenwasserstoffen zu bestimmen, die unterhalb eine
Temperatur von 343°C siedete, und diese dre Prozentsätze wurden gegen die angewendeten Raum
geschwindigkeiten aufgetragen. Die relative Aktivitä wird durch das erforderliche Verhältnis der stündlichei
Flüssigkeitsraumgeschwindigkeit, um einen Produktaus lauf zu produzieren, von dem 60 Vol.-% bei eine
Temperatur von 343"C destillierbar sind, und Vergleicl
dieser stündlichen Flüssigkeitsraumgeschwindigkeit mi derjenigen des Standardkatalysator bestimmt. Bezug
lieh jedes gegebenen Testkatalysators zeigt ein relativei
Aktivitätskoeffizitnt oder -faktor größer als 100 einer Katalysator mit einem höheren Grad an Hydrokrackak
tivität als der Standardbezugskatalysator.
Jeder der acht Ansätze von fertigem Katalysatoi wurde nach dem oben beschriebenen Standardtestver
fahren zur Bestimmung der relativen Aktivität unterzo gen. und die dabei erhaltenen Werte sind in Tabelle I
und in grafischer Form in der beiliegenden Zeichnung wiedergegeben.
Tahelle F! | Hydrokrackaktivität | Kc'talysator- |
Bewertung der | Atomverhältnis | aktivität |
Katalysator | Ni | |
Ni+ W | 136 | |
0,55 | 140 | |
1 | 0,45 | 149 |
2 | 0,33 | 152 |
3 | 0,23 | 162 |
4 | 0,21 | 163 |
5 | 0,20 | 154 |
6 | 0,18 | 151 |
7 | 0,10 | |
8 | ||
60 Aus den Werten der Tabelle II und der Zeichnung isl
ersichtlich, daß die Kieselsäure-Tonerde-Nickel-Wolfram-Katalysatoren
mit einem Atomverhältnis von etwa 0,1 bis etwa 0,3 eine bessere Hydrokrackaktivität
besitzen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1. Katalysator mit einer Nickel- und einer Wolframkomponente auf einem Kieselsäure-Tonerdeträgermaterial,
erhalten durch Imprägnieren eines Kieselsäure-Tonerdeträgermaterials mit einer wäßrigen
Lösung eines Nickelsalzes und eines Wolframsalzes, anschließendes Trocknen, Calcinieren und
gegebenenfalls Sulfidieren, dadurch gekennzeichnet,
daß man ein durch gemeinsames Gelieren hergestelltes Kieselsäure-Tonerdeträgermaterial
mit einem Porenvolumen von wenigstens 0,5 cm3/g, das zu 40 bis 60 Gew.-% aus Tonerde und
zu 60 bis 40 Gew.-% aus Kieselsäure besteht, mit der
wäßrigen Lösung eines Nickelsalzes und eines Wolframsalzes imprägniert, wobei die Konzentration
dieser Salze in tier wäßrigen Lösung so eingestellt wird, daß man auf dem Trägermaterial sin
Atomverhältris von Nickel zu Nickel plus Wolfram
von 0.1 bis CJ erhält und das Gesamtgewicht von
Wolfram und Nickel, als Element gerechnet, 1 bis 25 Gew.-% des fertigen Katalysators beträgt, und daß
man das imprägnierte Trägermaterial nach dem Trocknen und Calcinieren in Gegenwart von
Wasserstoff reduziert
Z Verwendung eines Katalysators nach Anspruch 1 zum Hydrokracken eines Kohlenwasserstofföls.
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