DE2755901C2 - Verfahren zur Herstellung von aromatischen Kohlenwasserstoffen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von aromatischen Kohlenwasserstoffen

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Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von aromatischen Kohlenwasserstoffen durch Kontaktieren eines Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterials bei einer Temperatur von 450 bis 7000C mit einem Gallium enthaltenden Trägerkatalysator auf Basis von Aluminosilicaten mit einem Molverhältnis von Siliciumdioxid : Aluminiumoxid von 20 : 1 bis 70 :1 gemäß den vorstehenden Ansprüchen 1 bis 3.
Übliche Aluminosilicate, die Zeolithe und Aluminiumoxyd enthalten, wurden bisher zur Herstellung von Katalysatoren für die Herstellung von aromatischen Kohlenwasserstoffen aus offenkettigen Kohlenwasserstoffen verwendet. Die offenkettigen Kohlenwasserstoffe werden bei erhöhter Temperatur in der Flüssigphase oder Dampfphase über den Katalysator geleitet. Zeolithe der verschiedensten Typen, insbesondere solche mit einem hohen Siliciumdioxyd/Aluminiumoxyd-Verhältnis, wurden für die Herstellung dieser Katalysatoren vorgeschlagen. Als Beispiele dieser Zeolithe sind Mordenit und die ZSM-Zeolithe zu nennen. Diese Zeolithe enthalten bekanntlich Gallium in Form seines Oxyds, das teilweise oder ganz an die Stelle des im Zeolith enthaltenen Aluminiumoxyds tritt. Diese Zeolithe enthalten jedoch Gallium als Teil der Kristallstruktur des Zeoliths, wobei das Gallium nicht-ionisch ist. Die Aus-Kaujan on jjrorriHtiScher! KohleriV1/'"''''^''*''*^0^ O1IC' 'Ί'**- sen offenkettigen Kohlenwasserstoffen waren jedoch bei Verwendung von Katalysatoren, die aus diesen Zeolithen hergestellt worden sind, unbefriedigend.
Es wurde nun gefunden, daß durch Verwendung von Katalysatoren, die Gallium enthalten und aus speziellen Typen von Aluminosilicaten hergestellt werden, erhöhte Ausbeuten an aromatischen Kohlenwasserstoffen erhalten werden können.
Es wurde ferner gefunden, daß eine überraschend hohe katalytische Aktivität insbesondere bei Kohlenwasserstoffumwandlungsverfahren erzielt wird, wenn der Zeolith nicht so hergestellt wird, daß Gallium einen Teil der Kristallstruktur bildet, sondern daß Gallium entweder im Austausch gegen eines der Kationen oder Protonen oder durch Imprägnierung in die Hohlräume des Zeoliths eingeführt wird
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Her-Stellung von aromatischen Kohlenwasserstoffen durch Kontaktieren eines Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterials bei einer Temperatur von 450 bis 700° C mit einem Gallium enthaltenden Trägerkatalysator auf Basis von Aluminosilicaten mit einem Molverhältnis von Siliciumdioxid : Aluminiumoxid von 20 :1 bis 70 :1, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man ein C3-Ci2-Kohlenwasserstoff-Einsatzmatenal mit einem Aluminosilicat-Trägerkatalysator in Berührung bringt, auf den eine Galliumverbindung durch Imprägnieren aufgebracht und/ oder in dem Kationen oder Protonen gegen Galliumionen ausgetauscht worden sind, wobei die in dem Katalysator enthaltene Galliummenge 0,1 bis 10,0 Gew.-%, bezogen auf das gesamte Aluminosilicat, beträgt und wobei der Katalysator gegebenenfalls vor dem Kontaktieren mit dem Kohlenwasserstoff-Einsatzmatcrial durch Erhitzen auf 400 bis 6500C aktiviert worden ist.
Unter einem C3-C^-Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial ist hier ein Einsatzmaterial zu verstehen, das eine einzelne Kohlenwasserstoffkomponente oder Gemisehe von gesättigten und/oder ungesättigten C3- Ci 2- Kohlen wasserstoff en enthält. Zweckmäßig wird ein C3- C8-Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial verwendet. Q-Einsatzmaterialien, die Isobutan und/ oder Isobuten enthalten, sind besonders vorteilhaft.
Das Gallium in der Katalysatormasse kann als Galliumoxyd und/oder als Galliumionen vorliegen, wenn Kationen in dem als Träger dienenden Aluminiumsilicat gegen Galliumionen ausgetauscht worden sind. Für den Fall, daß die Kationen im Aluminiumsilicat gegen GaI-liumionen ausgetauscht werden, wird das Galliumion zweckmäßig als wäßrige Lösung eines Galliumsalzes, z. B. Galliumnitrat, Galliumchlorid oder Galliumsulfat, eingeführt. Diese Katalysatoren können nach üblichen Ionenaustauschverfahren hergestellt werden. Die in dieser Weise hergestellten Katalysatoren werden anschließend getrocknet. Beispielsweise kann eine wäßrige Lösung einer Galliumverbindung, z. B. Galliumnitrat, mit dem Aluminosilicat bei Umgebungstemperatur oder erhöhter Temperatur beispielsweise durch Erhitzen am Rückfluß in Berührung gebracht werden. Das ausgetauschte Aluminosilicat wird dann durch Dekantieren und anschließende Filtration abgetrennt, mehrmals mit entionisiertem Wasser gewaschen und abschließend getrocknet. Vor der Zugabe zur wäßrigen Lösung der GaI-liumverbindung kann das Aluminosilicat einer Säurebehandlung unterworfen werden.
Als Aluminosilicate, in denen ein solcher Austausch mit Galliumionen durchgeführt werden kann, kommen Zeolith-ß und Zeolithe der allgemeinen Formel
in Frs~e ir! der M eirs Ka
tion, das ein positiv geladenes Ion aus der aus Metallionen, organischen Ionen und Protonen der Wertigkeit η bestehenden Gruppe ist, Wentweder Aluminium, Gallium oder ein Gemisch von Aluminium und Gallium und Y entweder Silicium oder Germanium, y eine ganze Zahl zwischen 20 und 70 und ζ eine ganze Zahl von 0 bis 40 ist. Das Metallion ist vorzugsweise ein Alkalimetalloder Erdalkalimetallion, vorzugsweise das Natrium-
oder Kaliumion. Die organischen Ionen können zweckmäßig durch die Formel R1 R2 R3 R4 N+ oder durch ein vom Diamin R1 R2 N (CH2), NR3 R4 oder Pyrrolidin abgeleitetes Ton, worin R1 R2 R3 und R4 für H, CH3, C2H5, C3H7 oder C4H9 stehen können und χ den Wert 2, 3,4,5 oder 6 hat, dargestellt werden. S^esonders bevorzugt wird die ZSM-Art der Zeolithe, z.B. ZSM-5, ZSM-8. ZSM-11, ZSM-12 und ZSM-35. Diese Zeolithe werden ausführlich in einer Reihe von Veröffentlichungen, zu denen die US-PS 39 70 544 gehört, beschrieben. Das Verfahren gemäß der Erfindung kann auch unter Verwendung von Katalysatoren durchgeführt werden, in denen das Gallium rcur auf der Oberfläche des Aluminosilicate imprägniert oder in die intrakristallinen Zeolithhohlräume als Galliumverbindung, die während der Aktivierung.des Katalysators vor dem Kontakt mit dem Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial Galliumoxyd bildet, eingeführt worden ist Als Beispiel einer geeigneten Galliumverbindung ist Galliumnitrat zu nennen. Diese Katalysatoren können nach üblichen Imprägnierverfahren hergestellt werden.
Die Imprägnierung kann erreicht werden, indem eine Lösung, zweckmäßig eine wäßrige Lösung einer Galliumverbindung, z. B. Galliumnitrat, hergestellt und ein übliches Aluminiumsilicat dieser wäßrigen Lösung unter gutem Rühren zugesetzt wird, wobei eine Paste gebildet wird. Die Paste wird anschließend bei erhöhter Temperatur unter vermindertem Druck getrocknet.
Wenn die Katalysatormasse unter Verwendung einer Galliumverbindung, die in wäßriger Lösung ionisiert, z. B. Galliumnitrat, hergestellt wird, wird zwangsläufig ein Teil der Galliumionen gegen die Kationen im Aluminosilicat ausgetauscht, auch wenn die Herstellung durch Imprägnierung des Aluminosilicate erfolgen soll.
Unabhängig davon, welches Verfahren zur Herstellung des Katalysators angewandt wird, liegt die in der Kalalysatormasse vorhandene Galliummenge zwischen 0,1 und 10%, vorzugsweise zwischen 0,5 und 7 Gew.-°/o des gesamten Aluminosilicats in der Katalysatormasse.
Die Katalysatormasse wird zweckmäßig vor dem Kontakt mit dem Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial aktiviert. Die Aktivierung wird durchgeführt, indem der Katalysator auf eine Temperatur zwischen 400 und 65O0C, vorzugsweise zwischen 500 und 6000C, erhitzt wird. Die Aktivierung kann in einer Wasserstoffatmosphäre, in Luft oder einem unter den Reaktionsbedingungen inerten Gas, z. B. Stickstoff, durchgeführt werden, wobei eine Wasserstoffatmosphäre besonders bevorzugt wird. Die Aktivierung kann vor der Reaktion im Röhrenreaktor selbst vorgenommen werden. Die Katalysatormasse wird zweckmäßig als Festbett eingesetzt.
Das vorstehend beschriebene Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial wird anschließend in der Dampfphase bei einer Temperatur zwischen 450 und 7000C, vorzugsweise zwischen 500 und 6000C, in einer inerten Atmosphäre über den Katalysator geleitet. Die inerte Atmosphäre kann durch ein unter den Reaktionsbedingungen inertes Gas, z. B. Stickstoff, gebildet werden. Die Produkte der Reaktion werden dann identifiziert und isoliert.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele weiter erläutert.
Beispiel 1
4,88 g Galliumnitrat wurden in 20 ml destilliertem Wasser gelöst. Nach Zugabe von 13 g Zeolith-ß wurde das Gemisch gut gerührt, wobei eine Paste gebildet wurde. Die Katalysatormasse wurde im Vakuum-Wärmeschrank 60 Stunden getrocknet.
15 cm3 der Katalysatormasse (6% Gallium) wurden in einen Reaktor gefüllt und in einem Luftstrom 18 Stunden bei 5500C gehalten. Der Reaktor wurde auf 4500C gekühlt, worauf Isobuten bei Normaldruck so eingeführt wurde, daß die Kontaktzeit 7,1 Sekunden betrug. Die Analyse des Produktstroms ergab, daß 86,1 Gew.-% des Isobutens umgesetzt worden waren. Die Hauptprodukte der Reaktion waren 17,2 Gew.-% Ci-C3-Kohlenwasserstoffe, 33,9 Gew.-% andere Q-Kohlenwasserstoffe und 24,9 Gew.-% Aromaten.
Beispiel 2
0,88 g Galliumnitrat wurden in 20 ml destillierten Wasser gelöst Nach Zugabe von 13 g Zeolith ZSM-12 wurde das Gemisch gut gerührt, wobei eine Paste gebildet wurde. Die Katalysatormasse wurde 16 Stunden im Vakuum-Wärmeschrank getrocknet
15 cm3 der Katalysatormasse (1 Gew.-°/o Gallium) wurden in einen Reaktor gefüllt und 18 Stunden in einem Luftstrom bei 55O0C gehalten. Der Reaktor wurde auf 5000C gekühlt, worauf Isobuten bei Normaldruck so eingeführt wurde, daß die Kontaktzeit 6,94 Sekunden betrug. Die Analyse des Produktstroms ergab, daß 97,1% des Isobutens umgesetzt worden waren. Die Hauptprodukte der Reaktion waren 19,7 Gew.-% Q — Q-Kohlenwasserstoffe, 21,3 Gew.-% andere Ct-Kohlenwasserstoffe und 39,4 Gew.-% Aromaten.
Beispiel 3
15 cm3 des mit Gallium (1 Gew.-%) imprägnierten, auf die in Beispiel 2 beschriebene Weise hergestellten Zeoliths ZSM-12 wurden in einem Reaktor 18 Stunden in einem Luftstrom bei 5500C erhitzt. Dann wurde Isobuten bei 5500C, Normaldruck und einer Kontaktzeit von 6,3 Sekunden eingeführt. Die Analyse des Produkt-Stroms ergab, daß 66,5 Gew.-% des Isobutens umgesetzt worden waren. Die Hauptprodukte der Reaktion waren 22,5 Gew.-% Ci-C3-Kohlenwasserstoffe, 18,6 Gew.-% G-Kohlenwasserstoffe und 35,9 Gew.-% Aromaten.
Beispiel 4
4,88 g Galliumnitrat wurden in 20 ml Wasser gelöst. Nach Zusatz von 13 g Zeolith ZSM-8 wurde das Gemisch gut gerührt, wobei eine Paste gebildet wurde, die 60 Stunden im Vakuum-Wärmeschrank getrocknet wurde.
In einen Reaktor wurden 15 cm3 der Katalysatormasse (6 Gew.-% Gallium) gefüllt und 2 Stunden in einem Luftstrom bei 5500C erhitzt. Die Temperatur wurde dann auf 6500C erhöht, worauf Isobuten bei Normaldruck und einer Kontaktzeit von 5,7 Sekunden eingeführt wurde. Hierbei wurden 84,7 Gew.-% des Isobutens umgesetzt. Die Hauptprodukte der Reaktion waren 22,5 Gew.-% Ci-C3-Kohlenwassers!offe, 18,6 Gew.-%
fin Ci-Kohlenwassprstoffe und 35.9 Gew.-% Aromaten.
Beispiel 5
4,88 g Gallium wurden in 20 ml Wasser gelöst. Nach Zusatz von 3,51 g Kieselsol "Ludox" (40 Gew.-% Gallium) wurden 11,7 g Zeolith ZSM-5 zugesetzt, worauf das Gemisch gut gerührt und über Nacht im Vakuum-Wärmeschrank getrocknet wurde.
Beispiel 8
ίο
15
20
In einen Reaktor wurden 15 cm3 der Katalysatormasse (6 Gew.-% Gallium) gefüllt und 6 Stunden im Luftstrom bei 550°C erhitzt. Dann wurde Isobuten bei 550°C, Normaldruck und einer Kontaktzeit von 6,17 Sekunden eingeführt. Hierbei wurden 99,6 Gew.-% des Isobutens umgesetzt. Die Hauptprodukte der Reaktion waren 38,8 Gew.-% Q-C3-Kohlenwasserstoffe, 3,5 Gew.-% andere Q- Kohlenwasserstoffe, und 47,3 Gew.-% Aromaten.
Beispiel 6
In einem Luftstrom wurden 15 cm3 des mit Gallium (6 Gew.-%) imprägnierten, auf die in Beispiel 5 beschriebene Weise hergestellten Zeoliths ZSM-5 2 Stunden auf 55O0C erhitzt. Dann wurde Isobutan bei 5500C und Normaldruck mit einer Kontaktzeit von 5,67 Sekunden eingeführt Hierbei wurden 98,8 Gew.-°/o des Isobutans umgesetzt. Die Hauptprodukte der Reaktion waren 45,3 Gew.-% C1-C3Kohlenwasserstoffe, 2,5 Gew.-% andere C4-Kohlenwasserstoffe und 44,9 Gew.-% Aromaten.
Beispiel 7
8,2 g Galliumnitrat wurden in 100 ml Wasser gelöst. Der Lösung wurde eine Ammoniaklösung zugesetzt, bis sie einen pH-Wert von 2,5 hatte. Der Galliumlösung wurden dann 22 g Zeolith zugesetzt, worauf das Gemisch 24 Stunden unter Rückfluß erhitzt und dann filtriert wurde. Die erhaltene Aufschlämmung wurde 24 Stunden in destilliertem Wasser stehen gelassen. Das Gemisch wurde erneut filtriert und im Vakuum-Wärmeschrank 15 Stunden bei 150° C getrocknet
In einen Reaktor wurden 15 cm3 dieses gegen Gallium (1,69 %) ausgetauschten ZSM-5-KataIysators gefüllt und in einem Luftstrom 18 Stunden bei 550° C gehalten. Dann wurde Isobutan bei 550°C und Normaldruck mit einer Kontaktzeit von 5,86 Sekunden eingeführt Hierbei wurden 93,8 Gew.-% des Isobutans umgesetzt Die Hauptprodukte der Reaktion des Isobutans waren 37,1 Gew.-% Ci-C3-Kohlenwasserstoffe, 2,6 Gew.-°/o andere C4-Kohlenwasserstoffe und 44,5 Gew.-°/o Aromaten. Rg. 1 zeigt die Änderung des Aromatengehalts im Kohienwasserstoffprodukt in Voi.-% mit der Zeit für die gegen Gallium ausgetauschte ZSM-5-Katalysatormasse und für den ZSM-5-Zeolith allein. Die vorteilhafte Wirkung des Galliumaustausches ist deutlich erkennbar.
Wirkung der Vorbehandlung mit Wasserstoff auf den gallium-ausgetauschten Zeolith ZSM-5. Der Galliumaustausch erhöht die Ausbeute an Aromaten und verlängert die Lebensdauer des Katalysators. Ein Vergleich der Beispiele 6 und 7 zeigt ferner, daß durch die Vorbehandlung mit Wasserstoff die Ausbeute an unerwünschten Ci —C3-Kohlenwasserstoffen verringert wird.
Beispiel 9
9 g Galliummetall wurden in 150 ml konzentrierter Salpetersäure gelöst. 90 ml dieser Lösung wurden dann durch Zugabe einer Ammoniaklösung auf 200 ml verdünnt. Nach weiterer Zugabe von 200 ml entionisiertem Wasser wurde eine Lösung mit einem pH-Wert von 2 erhalten. Mit dieser Lösung wurden 130 g Zeolith ZSM-8 24 Stunden unter Rückfluß erhitzt Nach dem Erhitzen wurde die verbliebene Lösung dekantiert und der Feststoff mit entionisiertem Wasser gut gewaschen. 110 g des gallium-ausgetauschten Zeoliths ZSM-8 wurden dann mit Kieselsol, das 16,5 g Siliciumdioxyd enthielt, aufgeschlämmt Die erhaltene Aufschlämmung wurde über Nacht im Vakuum-Wärmeschrank bei 450C getrocknet und dann zu Granulat einer Teilchengröße von 0,5 bis 2,0 mm verarbeitet. Der erhaltene Katalysator enthielt 1,7 Gew.-% Gallium, gemessen bei Gewichtskonstanz bei 5500C. Der Katalysator wurde vor dem Einsatz 2 Stunden bei 550° C in Wasserstoff reduziert.
Ein leichtes katalytisch gekracktes Benzin (Siedeanfang 26° C, Siedeende 136,5° C) mit einer Bromzahl von 114,7 und einer Research-Oktanzahl (ohne Blei) von 93,4 wurde über 58 cm3 des in der oben beschriebenen Weise hergestellten Katalysators bei einer durchschnittlichen Bettemperatur von 4810C und einer Raumströmungsgeschwindigkeit von 2 (bezogen auf Flüssigzustand) verarbeitet. Das erhaltene Produkt hatte eine Bromzahl von 33 und eine Research-Oktanzahl (ohne Blei) von 96,1. Dies läßt erkennen, daß ein wesentlicher Anteil der im leichten katalytisch gekrackten Benzin vorhandenen Olefine in Aromaten umgewandelt worden war.
50
In einen Reaktor wurden 15 cm3 des gallium-ausgetauschten (1,69 Gew.-%), auf die in Beispiel 7 beschriebene Weise hergestellten Zeoliths gefüllt und in einem Luftstrom 18 Stunden bei 550° C erhitzt Die Katalysatormasse wurde dann weitere 3 Stunden in strömendem Wasserstoff erhitzt Dann wurde Isobutan bei 550° C und Normaldruck mit einer Kontaktzeit von 5,86 Sekunden eingeführt
Hierbei wurden 85,7% des Isobutans umgesetzt Die Hauptprodukte der Reaktion waren 283 Gew.-% Ci-C3-Kohlenwasserstoffe, 0.3 Gew.-% andere C4-Kohlenwasserstoffe und 47,4 Gew.-% Aromaten. Flg. 1 zeigt die Änderung des Aromatengehalts im Kohlenwasserstoffprodukt in Vol.-% mit der Zeit für den in Wasserstoff erhitzten, galliumausgetauschten Katalysator und für den in Wasserstoff vorbehandelten Zeolith ZSM-5. Die Abbildung zeigt deutlich die vorteilhafte Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von aromatischen Kohlenwasserstoffen durch Kontaktieren eines Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterials bei einer Temperatur von 450 bis 7000C mit einem Gallium enthaltenden Trägerkatalysator auf Basis von Aluminosilicaten mit einem Molverhältnis von Siliciumdioxid : Aluminiumoxid von 20 : 1 bis 70 : 1, da durch gekennzeichnet, daß man ein C3- Cn-KoIilenwasserstoff-Einsatzmaterial mit einem Aluminosilicat-Trägerkatalysator in Berührung bringt, auf den eine Galliumverbindung durch Imprägnieren aufgebracht und/oder in dem Kationen oder Protonen gegen Galliumionen ausgetauscht worden sind, wobei die in dem Katalysator enthaltene Galliummenge 0,i bis 10,0 Gew.-o/o, bezogen auf das gesamte Aluminosilicat, beträgt und wobei der Katalysator gegebenenfalls vor dem Kontaktieren mit dem Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial durch Erhitzen auf 400 bis 6500C aktiviert worden ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminosilicat-Trägerkatalysator mit einer Galliumverbindung imprägniert worden ist, die während der Aktivierung Galliumoxid bildet.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Aluminosilicat-Trägerkatalysator Metallkationen, organische Kationen und/ oder Protonen gegen Galliumionen ausgetauscht worden sind.
DE2755901A 1976-12-20 1977-12-15 Verfahren zur Herstellung von aromatischen Kohlenwasserstoffen Expired DE2755901C2 (de)

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