Die Disproportionierung aromatischer Kohlenwasserstoffe
in Gegenwart von Zeolithkatalysatoren ist von Grandio
et al. in Oil and Gas Journal, Bd. 69, Nr. 48 (1971) beschrieben
worden. Die US-Patentschriften 31 26 422, 34 13 374,
35 98 878, 35 98 879 und 36 07 961 zeigen Dampfphasen-Disproportionierung
von Toluol über verschiedenen Katalysatoren.
Bei diesen Verfahren zeigen die erhaltenen Xylole eine
Gleichgewichtszusammensetzung, nämlich etwa 24% p-, 54% m-
und 22% o-Verbindung.
Von den Xylolisomeren ist das m-Xylol das am wenigsten
erwünschte; p-Xylol ist von besonderem Wert für die Herstellung
von Terephthalsäure, die eine Zwischenstufe bei der
Herstellung von Kunstfasern ist. Xylolisomerengemische, entweder
als solche oder zusammen mit Äthylbenzol, die im allgemeinen
die Gleichgewichtskonzentration an p-Xylol enthalten,
sind bisher durch kostspielige Superfraktionierung und vielstufiges
Ausfrieren getrennt worden.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Katalysator bereitzustellen,
der viele verfügbare Zufuhrmaterialien mit
hoher Selektivität in p-Dialkylbenzole überführt.
Dies wird erfindungsgemäß mit dem Katalysator nach dem
Anspruch 1 erreicht. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Katalysators
wiedergegeben.
Die in den erfindungsgemäßen Katalysatoren bevorzugt
eingesetzten Zeolithe sind Zeolithe ZSM-5, ZSM-11, ZSM-12,
ZSM-35 oder ZSM-38: Gewöhnlich ist es von Vorteil, sie in
einer Form einzusetzen, die sich durch die Gegenwart von
Wasserstoffkationen auszeichnet. Die bevorzugten Katalysatoren
sind weiter solche, in denen der Zeolith eine Aktivität
alpha im Bereich von 5 bis 200 aufweist.
Der Katalysator muß natürlich nicht nur Zeolith allein
sein. Er kann genausogut eine Zusammensetzung eines wie zuvor
erwähnten Zeoliths mit einem Binder enthalten, z. B. einem
natürlich vorkommenden oder synthetischen refraktären Oxid.
Geeignete natürlich vorkommende Oxide sind Montmorillonit
oder Kationen, geeignete synthetische Oxide Siliciumdioxid,
Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Zirkonoxid, Thoriumoxid,
Berylliumoxid und/oder Titanoxid. Im Einsatz macht der Binder
1 bis 99, bevorzugt 20 bis 95 Gewichtsprozent des Katalysators
aus, wobei ein besonders bevorzugter Anteil 30 bis 40 Gewichtsprozent
ist.
Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung wird im Rahmen
eines Verfahrens zur selektiven Herstellung von p-Dialkylbenzolen,
in denen jede Alkylgruppe 1 bis 4 Kohlenstoffatome
enthält, ein C₁-C₄-Monoalkylbenzol, ein C₂-C₁₅-Olefin und/oder
ein C₃-C₄₄-Paraffin oder ein Gemisch jedes dieser Stoffe
mit Benzol unter Umwandlungsbedingungen mit einem wie vorstehend
beschriebenen Katalysator in Berührung gebracht. Zu
den bevorzugten Bedingungen gehört eine Temperatur von 250
bis 750°C, ein Druck zwischen 0,1 und 101 bar und eine gewichtsmäßige
stündliche Raumströmungsgeschwindigkeit zwischen
0,1 und 2000.
Wird bei einer Temperatur von 400 bis 700°C, einem
Druck von 1 bis 101 bar und einer Raumgeschwindigkeit von 0,1
bis 100 gearbeitet, kann mit äußerst vorteilhaften Ergebnissen
Toluol disproportioniert oder mit einem Alkylierungsmittel
mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen alkyliert werden. Eine bevorzugte
Raumströmungsgeschwindigkeit für diese beiden Umwandlungen
ist 1 bis 50. Die gleichen Bedingungen sind auch auf
die Verwendung von C₃-C₄₄-Paraffinen anwendbar. Wird bei
einer Temperatur von 300 bis 700°C, einem Druck von 1 bis
101 bar und einer stündlichen Raumgeschwindigkeit von 1 bis 1000 gearbeitet,
können C₃-C₁₅-Olefine mit dem Katalysator zu den gewünschten
p-Dialkylbenzolen in Berührung gebracht werden.
Die brauchbareren, erfindungsgemäß zu erzielenden Produkte
sind p-Xylol, p-Diäthylbenzol oder p-Äthyltoluol; unter
gewissen Umständen kann ihre Ausbeute gesteigert werden, wenn
die Reaktion in Gegenwart von Wasserstoff durchgeführt wird,
wobei das Molverhältnis von Wasserstoff zu Kohlenwasserstoffzufuhr
in geeigneter Weise 2 bis 20 ist.
Der obige Katalysator ist besonders für die selektive
Herstellung von p-dialkylsubstituierten Benzolen mit
Alkylgruppen mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen durch Kontaktieren
einer Kohlenwasserstoffvorverbindung geeignet, wie z. B. von
monoalkylsubstituierten Benzolen mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen
im Alkylsubstituenten, C₂-C₁₅-Olefinen oder eines
C₃-C₄₄-Paraffins oder deren Gemisch unter Umwandlungsbedingungen
mit einem solchen Katalysator.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform gehört zu dem
Verfahren die Überführung spezieller Vorverbindungen in
Xylole, bei denen der Anteil an p-Xylol erheblich über der
normalen Gleichgewichtskonzentration und bevorzugt über 40 Gew.-%
des Xylolprodukts liegt, das in Gegenwart des
genannten Katalysators bei einer Temperatur zwischen etwa
250 und etwa 750°C bei einem Druck zwischen etwa 0,1 und etwa
101 bar unter Anwendung einer gewichtsmäßigen stündlichen
Raumströmungsgeschwindigkeit an Zufuhrmaterial zwischen etwa
0,1 und etwa 2000 entsteht. Diese gewichtsmäßige stündliche
Raumströmungsgeschwindigkeit ist auf das Gewicht der Katalysatorzusammensetzungen
bezogen, d. h. auf das Gesamtgewicht an
aktivem Katalysator und Binder für diesen. Das abströmende Reaktionsprodukt
wird abgetrennt und destilliert, um das gewünschte
Produkt zu entfernen, z. B. p-Xylol, und nicht umgesetztes
Produkt wird zur weiteren Umsetzung rückgeführt.
Die beim erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Zufuhr
an Kohlenwasserstoff-Vorstufe oder -Ausgangsmaterial kann
ein monoalkylsubstituiertes Benzol mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen
im Alkylsubstituenten, wie z. B. Toluol; ein C₂-C₁₅-
Olefin, wie Äthylen, Propylen, die Butene, Pentene, Hexene,
Heptene, Octene, Nonene, Decene, Pentadecene oder deren Gemische
untereinander oder ein C₃-C₄₄-Paraffin, wie Butan,
Hexan, Octan, Dodecan, Eicosan, Dotriacontan, Tetracontan oder
deren Gemische untereinander sein. Bevorzugt sind solche Paraffine
geradkettig oder nur geringfügig verzweigt.
Typisch für die hier betrachteten Verfahren ist die
Disproportionierung von Toluol zu Benzol und Xylol, wobei der
Anteil an erhaltenem p-Xylol weit über der normalen Gleichgewichtskonzentration
liegt. Ein solches Verfahren wird bei
einer Temperatur zwischen etwa 400 und etwa 700°C bei einem
Druck zwischen etwa 1 at und etwa 101 bar unter Anwendung
einer gewichtsmäßigen stündlichen Raumströmungsgeschwindigkeit
zwischen etwa 1 und etwa 50 durchgeführt.
Ein anderes zur Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren
geeignetes Zufuhrmaterial ist ein an C₂-C₁₅-Olefingehalt
reicher Strom. So können Äthylen, Propylen, Butene, Bentene,
Hexene, Diene, wie Butadien, Pentadiene, Cycloolefine,
wie Cyclopenten und Cyclohexen, alkylsubstituierte Cycloolefine,
wie Äthylcyclopenten, Cyclopentadien und Cyclohexadien,
wirksam zu p-dialkylsubstituierten Benzolen in hoher Ausbeute
unter Einsatz des zuvor beschriebenen Katalysators umgewandelt
werden. Die solche Olefinzufuhrmaterialien verwendende Umwandlung
erfolgt bei einer Temperatur im ungefähren Bereich von
300 bis 700°C, einem Druck zwischen Atmosphärendruck und 100 at
und unter Anwendung einer gewichtsmäßigen stündlichen Raumströmungsgeschwindigkeit
zwischen etwa 1 und etwa 1000. Als
Quellen für die Olefinreaktionskomponente können entweder
praktisch reine Ströme von C₂-C₁₅-Olefin oder an solchen Reaktionskomponenten
reiche Raffinations- oder chemische Ströme
verwendet werden, d. h. im allgemeinen können mehr als 25 Volumenprozent
verwendet werden.
Ein weiteres Zufuhrmaterial, das erfindungsgemäß wirksam
zur selektiven Herstellung von p-dialkylsubstituierten
Benzolen mit Alkylgruppen mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen eingesetzt
werden kann, schließt paraffinische Kohlenwasserstoffe
mit zwischen 3 und 44 Kohlenstoffatomen ein. Repräsentativ
für solche Paraffine sind Butane, Pentane, Hexane, Heptane,
Octane, Dodecane, Eicosan, Dotriacontan, Tetracontan und alkylsubstituierte
Derivate dieser Paraffine. Bei Verwendung solcher
paraffinischer Zufuhr gehört zu den Reaktionsbedingungen der
Kontakt mit dem oben beschriebenen kristallinen Aluminiumsilicatzeolith-
Katalysator bei einer Temperatur zwischen etwa 400 und
700°C, einem Druck zwischen etwa Atmosphärendruck und etwa
101 bar und einer gewichtsmäßigen stündlichen Raumströmungsgeschwindigkeit
zwischen etwa 0,1 und etwa 100.
Die Verwendung von Aromatengemischen als Zufuhr ist
auch möglich. Beispielsweise wird ein Gemisch aus Methylbenzol
und Toluol selektiv in ein an p-Diäthylbenzol und p-Äthyltoluol
reiches Gemisch überführt, wobei letzteres bei hohen Verhältnissen
von Toluol zu Äthylbenzol in dem Zufuhrmaterial überwiegt.
Die Reaktion von Benzol, Toluol, Äthylbenzol, Propylbenzol
oder Butylbenzol mit C₂-C₂₀-Olefinen oder C₅-C₂₅-
Paraffinen bei 250 bis 500°C führt zu p-Dialkylbenzolen.
Diese Reaktion wird vorzugsweise unter einem Druck über 14 bar
durchgeführt.
Beispielsweise liefert Benzol und Äthylen bei einem
Molverhältnis von 1 : 2 bis 10 : 1 p-Diäthylbenzol neben Äthylbenzol
(P = 28 bar, T = 427°C);
Toluol und 1-Octen liefern p-Äthyltoluol und ein Gemisch
aus an p-Isomeren reichem n- und i-Propyltoluol.
Ohne Zusatz von Aromaten liefern C₂-C₁₅-Olefine und
C₃-C₄₄-Paraffine jeweils ein Gemisch aus an p-Dialkylbenzolen
reichen Aromaten. Die Olefine und die höheren Paraffine sind
reaktiver und erfordern schwächere Arbeitsbedingungen, z. B.
eine Temperatur von 250 bis 600°C und bevorzugt 300 bis 550°C
während die niederen Paraffine, z. B. C₃-C₅-Paraffine, Aromaten
mit praktischer Rate nur über 400°C liefern. Die Aromatisierung
kann bei Atmosphärendruck oder bei erhöhtem Druck erfolgen;
niedriger Wasserstoffdruck kann verwendet werden, um die Katalysatoralterung
zu verzögern, aber ein hoher Wasserstoffpartialdruck
über 14 bar verringert die Bildung
von Aromaten. Die Bildung von p-dialkylierten Benzolen
mit Alkylgruppen über C₁ wird durch höheren Druck und niedrigere
Temperatur begünstigt; beispielsweise entsteht p-Äthyltoluol
entweder aus Dodecan oder 1-Buten bei 400°C, während p-Xylol
das bei höherer Temperatur bevorzugt gebildete Dialkylbenzol
ist.
Die Methylierung von Toluol in Gegenwart des oben beschriebenen
Katalysators
erfolgt durch Kontakt des Toluols
mit einem Methylierungsmittel, bevorzugt Methanol, bei einer
Temperatur zwischen etwa 300 und etwa 750° und bevorzugt zwischen
etwa 400 und etwa 700°C. Bei den höheren Temperaturen
sind die Zeolithe mit hohem Siliciumdioxid/Aluminiumoxid-Verhältnis
bevorzugt. Beispielsweise ist der Zeolith ZSM-5 mit
einem SiO₂/Al₂O₃-Verhältnis von 300 und darüber bei hohen Temperaturen
sehr stabil. Die Reaktion erfolgt im allgemeinen bei
Atmosphärendruck, der Druck kann aber innerhalb des ungefähren
Bereichs von 1 Atmosphäre bis 70 bar
liegen. Eine gewichtsmäßige stündliche Raumströmungsgeschwindigkeit
zwischen 1 und etwa 2000 wird angewandt. Das
Molverhältnis von Methylierungsmittel zu Toluol liegt im allgemeinen
zwischen etwa 0,05 und etwa 5. Wird Methanol als
Methylierungsmittel eingesetzt, so hat sich als geeignetes
Molverhältnis von Methanol zu Toluol ein solches von etwa
0,1 bis 8 Mol/Methanol pro Mol Toluol erwiesen. Bei Verwendung
anderer Methylierungsmittel, wie z. B. Methylchlorid, Methylbromid,
Dimethyläther oder Dimethylsulfid, kann das Molverhältnis
von Methylierungsmittel zu Toluol innerhalb des vorgenannten
Bereichs variieren. Die Reaktion erfolgt in geeigneter
Weise unter Anwendung einer gewichtsmäßigen stündlichen
Raumströmungsgeschwindigkeit zwischen etwa 1 und etwa 2000 und
bevorzugt zwischen etwa 5 und etwa 1500 Gewichtsteilen Zufuhrmaterial
pro Gewicht des Katalysators pro Stunde. Das überwiegend
aus p-Xylol zusammen mit verhältnismäßig kleineren
Mengen an m-Xylol und o-Xylol bestehende Reaktionsprodukt kann
durch jede geeignete Maßnahme oder Einrichtung, wie z. B. durch
Hindurchleiten durch einen Wasserkühler und anschließendes
Führen der organischen Phase durch eine Säule aufgetrennt
werden, in der die Xylolisomeren chromatographisch getrennt
werden.
Erfindungsgemäß werden die oben beschriebenen Vorstufen
oder Ausgangsmaterialien der Zufuhr unter Umwandlungsbedingungen
mit einem Katalysator in Teilchenform enthaltenden
Bett in Berührung gebracht, der ein kristallines Aluminosilicat
enthält, das (1) eine Aktivität, ausgedrückt als
alpha-Wert, zwischen etwa 2 und etwa 5000, (2) eine Xylol-
Sorptionskapazität < 1 g/100 g Zeolith und (3) eine o-Xylol-
Sorptionszeit für 30% dieser Kapazität von < 38 min aufweist,
wobei die Sorptionskapazität und die Sorptionszeit bei 120°C
und einem Xyloldruck von 5,99 ± 1,06 mbar gemessen sind, und
(4) einen Zwangsindex von 1 bis 12.
Der alpha-Wert gibt die relative Aktivität des Katalysators
hinsichtlich eines hochaktiven Siliciumdioxid/Aluminiumoxid-
Krackkatalysators wieder. Zur Bestimmung des alpha-Werts,
wie er hier verwendet wird, wird die n-Hexanumwandlung bei etwa
538°C bestimmt. Die Umwandlung wird durch Variieren
der Raumströmungsgeschwindigkeit so variiert, daß ein
Umwandlungsgrad von 10 bis 60% n-Hexan erhalten wird, und in
eine Geschwindigkeitskonstante pro Einheitsvolumen Zeolith umgerechnet
und mit der eines Siliciumdioxid/Aluminiumoxid-Katalysators
verglichen, der auf ein Bezugsnormal einer Aktivität
bei 538°C gebracht ist. Die katalytischen Aktivitäten
der Katalysatoren sind als Vielfaches dieses Standards
ausgedrückt, d. h. des Siliciumdioxid/Aluminiumoxid-Standards.
Dieser Bezugskatalysator enthält etwa 10 Gew.-% Al₂O₃,
Rest SiO₂. Dieses Verfahren der Bestimmung des alpha-Werts,
modifiziert wie oben beschrieben, ist ausführlicher im Journal
of Catalysis, Band VI, Seiten 278-287, 1966, beschrieben.
Die Messungen der Kohlenwasserstoff-Sorptionskapazitäten
und -Geschwindigkeiten werden bequemerweise gravimetrisch
im Wärmegleichgewicht durchgeführt. Insbesondere wurde gefunden,
daß eine Gleichgewichts-Sorptionskapazität von Xylol,
entweder p-, m-, o-Xylol oder deren Gemische, vorzugsweise p-Xylol,
da dieses Isomere das Gleichgewicht innerhalb der kürzesten
Zeit von wenigstens 1 g/100 g Zeolith, gemessen bei
120°C und einem Xyloldruck von 5,99 ± 1,06 mbar und einer
Orthoxylol-Sorptionszeit für 30% dieser Kapazität von < 10 min
(bei gleichen Temperatur- und Druckbedingungen), erforderlich
ist, um die gewünschte selektive Herstellung von p-dialkylsubstituierten
Benzolen zu erreichen.
Es wurde gefunden, daß Zeolithe, die eine sehr hohe
Selektivität der p-Dialkylbenzolbildung aufweisen, sehr lange
Zeit bis zu und über 1000 min erfordern, um o-Xylol in einer
Menge von 30% der Gesamt-Xylol-Sorptionskapazität zu sorbieren.
Für solche Materialien ist es angebrachter, die Sorptionszeit
für einen geringeren Sorptionsgrad, z. B. 5%, 10% oder
20% Kapazität, zu bestimmen und die Sorptionszeit für 30%
unter Anwendung der folgenden Multiplikationsfaktoren F, wie
für 5% Sorption veranschaulicht, abzuschätzen:
t0,3 = F · t0,05 |
Faktor (F) zur Ermittlung |
% Sorptionskapazität |
der 30%-Sorptionszeit |
5 |
36 |
10 |
9 |
20 |
2,2 |
Bei der Bestimmung der Zeolithkristall-Größe können
herkömmliche Elektronenabtastmikroskopiertechniken angewandt
werden, wobei die minimale Kristallabmessung eines gegebenen
Kristalls als Bezugsgröße genommen wird. Die erfindungsgemäß
in erheblichem Anteil verwendeten kristallinen Aluminosilicat-
Zeolithe zeichnen sich im wesentlichen durch eine Kristallgröße
< etwa 0,5 µm aus. Es wird in Betracht gezogen, daß
die Menge an Zeolith solcher Kristallgröße derart ist, daß
ein dirigierender Einfluß auf die gewünschte selektive Herstellung
p-dialkylsubstituierter Benzole ausgeübt wird. Im allgemeinen
liegt Zeolith einer solchen Kristallgröße in überwiegendem
Anteil vor, d. h. in einer 50 Gew.-% überschreitenden
Menge, und diese kann bis zu 100 Gew.-%
des insgesamt verwendeten Zeoliths ausmachen.
Zusätzlich zur Anwendung der Elektronenabtastmikroskopie
als Hilfsmittel bei der Auswahl eines wirksamen kristallinen
Aluminiumsilicat-Zeoliths zur Verwendung in dem hier eingesetzten
Katalysator haben sich Messungen der Kohlenwasserstoff-Sorptionskapazitäten
und -Raten zur Charakterisierung
eines solchen Katalysators als nützlich erwiesen. Solche
Messungen erfolgen praktischerweise gravimetrisch im
Wärmegleichgewicht.
Bei dem erfindungsgemäßen Katalysator, der eine
besondere Brauchbarkeit bei der selektiven Disproportionierung
von Toluol zu p-Xylol besitzt, enthält der
Zeolith innerhalb seiner inneren Kristallstruktur amorphes
Siliciumdioxid innig verteilt, das dem kristallinen
Zeolith im Anschluß an dessen Bildung in einer Menge von
etwa 0,1 bis 10 Gew.-% und im allgemeinen im ungefähren
Bereich von 2 bis 10 Gew.-% zugesetzt wurde.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung liegt zumindest
ein Teil des Zeoliths in Form von Kristallen von 0,5
bis 20, bevorzugt 1 bis 6 µm Größe vor.
Es wurde gefunden, daß ein solcher Katalysator in geeigneter
Weise durch Sorption einer siliciumhaltigen Verbindung,
im allgemeinen eines Silans, in die Poren eines kristallinen
Aluminosilicatzeoliths mit dem oben angegebenen Siliciumdioxid/
Aluminiumoxid-Verhältnis und den Zwangsindexeigenschaften
herstellbar ist. Die Molekulargrößen der eingesetzten Siliciumverbindung
sind so, daß sie leicht in die Poren des
kristallinen Aluminosilicatzeoliths sorbiert wird. Die in den
Poren des kristallinen Aluminosilicats enthaltene sorbierte
Siliciumverbindung wird der katalysierten Hydrolyse unterworfen,
entweder der basenkatalysierten Hydrolyse, z. B. durch Kontakt
mit einer Lösung wäßrigen Ammoniaks, oder der sauerkatalysierten
Hydrolyse in Gegenwart von Lewis- oder Brønsted-Säuren, z. B.
durch Kontakt mit einer wäßrigen Salzsäurelösung, worauf
in Luft bei einer Temperatur zwischen etwa 300 und etwa 700°C
gebrannt wird, um amorphes Siliciumdioxid innerhalb der Poren
des kristallinen Aluminosilicatzeoliths zu ergeben.
Nach einer bevorzugten präparativen Technik werden die
Kristalle des Zeoliths in einer praktisch alkalimetallfreien
Form, d. h. mit weniger als etwa 1,5 Gew.-% Alkalimetall
und bevorzugt unter Ersatz wenigstens eines Teils seiner
ursprünglichen Kationen durch Wasserstoff, dann mit einer
siliciumhaltigen Verbindung solcher Größe in Berührung gebracht,
daß diese leicht in die Poren des Zeoliths sorbiert wird. Im
allgemeinen ist die verwendete siliciumhaltige Verbindung ein
Silan der folgenden Formel:
in der R₁ und R₂ Wasserstoff, Fluor, Chlor, Methyl, Äthyl,
Amino, Methoxy oder Äthoxy, R₃ Wasserstoff, Fluor, Chlor,
Methyl, Amino oder Methoxy und R₄ Wasserstoff oder Fluor
sind. Andere geeignete siliciumhaltige Verbindungen sind
Siloxane, wie Disiloxane, Trisiloxane und höhere Siloxane bis
zu Decasiloxanen, und Polysilane, wie z. B. Disilane, Trisilane
und höhere Silane bis zu Decasilanen. In Betracht kommt auch
die Verwendung von Derivaten der vorgenannten Siloxane und
Polysilane mit Methyl-, Chlor- oder Fluorsubstituenten, sofern
ein solches Siliciumatom nicht mehr als einen solcher Substituenten
aufweist.
Die verwendete Siliciumverbindung kann entweder in
Form einer Flüssigkeit oder eines Gases unter den Kontaktbedingungen
mit dem Zeolith vorliegen. Dessen Poren werden bevorzugt,
aber nicht notwendigerweise, mit der flüssigen oder gasförmigen
Siliciumverbindung gesättigt. Danach erfährt die Siliciumverbindung
katalysierte Hydrolyse, wie oben beschrieben,
z. B. durch Kontakt des die sorbierte Siliciumverbindung enthaltenden
Zeoliths mit einer geeigneten Säure oder Base für eine
zur Durchführung der gewünschten Hydrolyse unter Wasserstoffentwicklung
ausreichende Zeit. Das anfallende Produkt wird dann
in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, wie z. B. Luft, bei
einer Temperatur zwischen etwa 300 und etwa 700°C für 1 bis
24 h gebrannt, um einen Katalysator des angegebenen kristallinen
Aluminiumsilicatzeolith-Typs mit in seiner Innenstruktur
enthaltenem Siliciumdioxid zu ergeben.
Die Menge des in den Zeolith eingearbeiteten Siliciumdioxids
hängt von mehreren Faktoren ab. Einer hiervon ist die
Zeit, für die Zeolith und siliciumhaltige Quelle miteinander
in Kontakt gehalten werden. Bei längeren Kontaktzeiten und
im übrigen gleichen Faktoren gelangt eine größere Siliciumdioxidmenge
in den Zeolith. Weitere Faktoren, von denen die in
den Zeolith eingebrachte Siliciumdioxidmenge abhängt, sind
die Temperatur, die Konzentration der behandelnden Verbindung
in dem Kontaktmedium, der Trocknungsgrad des Zeoliths vor dem
Kontakt mit der siliciumhaltigen Verbindung, die Bedingungen
für die Hydrolyse und das Brennen des Zeoliths nach seinem
Kontakt mit der behandelnden Verbindung und die Menge und Art
des in den Zeolith eingearbeiteten Bindemittels.
Besonders bevorzugt sind Zeolithe mit einem
Siliciumdioxid/Aluminiumoxid-Verhältnis von wenigstens
etwa 12. Der Zwangsindex liegt innerhalb des ungefähren
Bereichs von 1 bis 12. Dieses Zeolithe führen zu gründlichen
Umwandlungen aliphatischer Kohlenwasserstoffe in aromatische
Kohlenwasserstoffe in industriell angestrebten Ausbeuten
und sind im allgemeinen bei Umwandlungsreaktionen, an denen aromatische
Kohlenwasserstoffe beteiligt sind, hochwirksam. Obgleich
sie ungewöhnlich niedrige Aluminiumoxidgehalte aufweisen,
d. h. hohe Siliciumdioxid/Aluminiumoxid-Verhältnisse, sind sie
hoch aktiv, selbst wenn das Siliciumdioxid/Aluminiumoxid-Verhältnis
über 30 liegt. Die Aktivität ist überraschend, da katalytische
Aktivität im allgemeinen Aluminiumgitteratomen und
mit diesen verbundenden Kationen zugeschrieben wird. Diese Zeolithe
wahren ihre Kristallinität für lange Zeitspannen trotz
der Gegenwart von Hochtemperaturdampf, der irreversiblen Zusammenbruch
des Gitters anderer Zeolithe induziert, z. B. solcher
des X- und A-Typs. Weiter können kohlenstoffhaltige Ablagerungen,
wenn sie sich gebildet haben, durch Brennen bei höheren als üblichen
Temperaturen zur Wiederherstellung der Aktivität entfernt
werden. In zahlreichen Atmosphären entwickeln die Zeolithe
dieser Klasse sehr geringe Koksbildungsfähigkeit, was
zu sehr langen Einsatzzeiten zwischen regenerierenden Brennvorgängen
führt.
Ein wichtiges Merkmal der Kristallstruktur dieser
Klasse von Zeolithen besteht darin, daß sie zwangsläufigen
Zu- und Abgang zu bzw. von dem interkristallinen freien Raum
dank einer Porengröße < etwa 0,5 nm und Porenöffnungen einer Größe
entsprechend einem 10gliedrigen Ring von Sauerstoffatomen
bietet. Es versteht sich natürlich, daß diese Ringe solche
sind, die sich aus der regelmäßigen Anordnung der Tetraeder
ergeben, die das anionische Gitter des kristallinen Aluminosilicats
bilden, wobei die Sauerstoffatome selbst an die
Silicium- oder Aluminiumatome in den Tetraedermitten gebunden
sind. Kurz zusammengefaßt besitzen die bevorzugten, erfindungsgemäß
brauchbaren Zeolithe in Kombination ein Siliciumdioxid/
Aluminiumoxid-Molverhältnis von wenigstens etwa 12
und eine Struktur, die zwangsläufigen Zugang zu dem freien
Kristallraum bietet.
Das genannte Siliciumdioxid/Aluminiumoxid-Verhältnis
kann durch herkömmliche Analyse bestimmt werden. Dieses Verhältnis
soll so eng wie möglich das Verhältnis in dem starren
anionischen Gitter des Zeolithkristalls bedeuten und Aluminium
im Bindemittel oder in kationischer oder anderer Form
innerhalb der Kanäle ausschließen. Wenngleich Zeolithe mit
einem Siliciumdioxid/Aluminiumoxid-Verhältnis von wenigstens
12 brauchbar sind, werden bevorzugt Zeolithe mit höheren Verhältnissen
von wenigstens etwa 30 verwendet. Solche Zeolithe
erlangen nach ihrer Aktivierung eine intrakristalline Sorptionskapazität
für n-Hexan, die über der für Wasser liegt, d. h.,
sie entwickeln hydrophobe Eigenschaften. Vermutlich ist
dieser hydrophobe Charakter erfindungsgemäß von Vorteil.
Die Zeolithe der erfindungsgemäß brauchbaren Art sorbieren
frei n-Hexan und haben eine Porengröße < etwa 0,5 nm. Zudem
muß die Struktur größeren Molekülen zwangsläufigen Zugang
bieten. Gelegentlich ist es möglich, aus einer gegebenen
Kristallstruktur heraus zu beurteilen, ob ein solcher zwangsläufiger
Zugang vorliegt. Wenn z. B. die einzigen Porenöffnungen
in einem Kristall durch 8-gliedrige Ringe von Sauerstoffatomen
gebildet werden, ist ein Zutritt durch Moleküle, die
im Querschnitt größer sind als n-Hexan, ausgeschlossen, und
der Zeolith entspricht nicht dem gewünschten Typ. Öffnungen
10-gliedriger Ringe sind bevorzugt, wenngleich gelegentlich
übermäßige faltenartige Verwerfung oder Porenblockade diese
Zeolithe unwirksam machen kann. 12-gliedrige Ringe scheinen
im allgemeinen nicht ausreichend Zwangszugang zu bieten, um
die vorteilhaften Umwandlungen hervorzurufen, obgleich Faltenstrukturen
existieren, wie z. B. TMA-Offretit, ein bekannter,
wirksamer Zeolith. Auch sind Strukturen denkbar, die aufgrund
einer Porenblockade oder aus anderem Grund arbeiten
könnten.
Statt zu versuchen, aus der Kristallstruktur zu beurteilen,
ob ein Zeolith den nötigen zwangsläufigen Zugang besitzt
oder nicht, kann einfach der "Zwangsindex" bestimmt werden,
indem ein Gemisch gleicher Gewichtsmengen n-Hexan und
3-Methylpentan über eine kleine Probe, etwa 1 g oder weniger,
des Katalysators bei Atmosphärendruck nach der folgenden Arbeitsweise
geleitet wird. Eine Zeolithprobe in Form von Pellets
oder Extrudat wird auf Teilchengröße etwa grobem Sand entsprechend
gebrochen und in einem Glasrohr angeordnet. Vor dem
Test wird der Zeolith für wenigstens 15 min mit einem Luftstrom
von 538°C (1000°F) behandelt. Dann wird er mit Helium gespült
und die Temperatur zwischen 288 und 510°C (550 und 950°F)
eingestellt, um eine Gesamtumwandlung zwischen 10 und 60% zu
ergeben. Das Kohlenwasserstoffgemisch wird mit einer stündlichen
Raumströmungsgeschwindigkeit auf Flüssigkeitsbasis von 1
(d. h. 1 Volumen flüssiger Kohlenwasserstoff pro Volumen Zeolith
pro Stunde) über den Zeolith bei Heliumverdünnung mit einem
Molverhältnis von Helium zu gesamtem Kohlenwasserstoff von
4 : 1 geleitet. Nach 20 Betriebsminuten wird eine Probe der abströmenden
Produkte entnommen und analysiert, am bequemsten
gaschromatographisch, um den jeweils unverändert gebliebenen
Anteil der beiden Kohlenwasserstoffe zu bestimmen.
Der "Zwangsindex" wird wie folgt berechnet:
Der Zwangsindex nähert sich dem Verhältnis der Krackgeschwindigkeitskonstanten
für die beiden Kohlenwasserstoffe.
Erfindungsgemäß geeignete Zeolithe sind solche mit einem
Zwangsindex im ungefähren Bereich von 1 bis 12. Zwangsindexwerte
für einige typische Zeolithe sind:
Zeolith |
Zwangsindex |
ZSM-5 |
8,3 |
ZSM-11 |
8,7 |
ZSM-12 |
2 |
ZSM-38 |
2 |
ZSM-35 |
4,5 |
TMA-Offretit |
3,7 |
Beta |
0,6 |
ZSM-4 |
0,5 |
H-Zeolon |
0,4 |
REY |
0,4 |
amorphes SiO₂/Al₂O₃ |
0,6 |
Erionit |
38 |
Es ist zu erkennen, daß die obigen Zwangsindexwerte
die aufgeführten Zeolithe typischerweise charakterisieren,
daß diese aber das kumulative Ergebnis mehrerer zu ihrer Bestimmung
und Berechnung verwendeter Variablen sind. So kann
für einen gegebenen Zeolith in Abhängigkeit von der innerhalb
des genannten Bereichs von 288 bis 510°C angewandten Temperatur
mit der dazugehörigen Umwandlung zwischen 10 und 60% der
Zwangsindex innerhalb des angegebenen Näherungsbereichs von
1 bis 12 variieren. Ähnlich können andere veränderliche Größen,
wie z. B. die Kristallgröße des Zeoliths, die Anwesenheit
möglicher eingeschlossener Verunreinigungen und mit dem Zeolith
innig kombinierter Bindemittel den Zwangsindex beeinflussen.
Für den Fachmann ist es daher klar, daß der Zwangsindex,
wie er hier verwendet wird, wenngleich er ein äußerst brauchbares
Mittel zur Charakterisierung der interessierenden Zeolithe
darstellt, nur ein Näherungswert ist, wobei die Art
seiner Bestimmung mit der gelegentlichen Möglichkeit der Zusammenstellung
extremer Veränderlicher zu berücksichtigen ist.
In allen Fällen jedoch hat der Zwangsindex bei einer Temperatur
innerhalb des oben genannten Bereichs von 288 bis 510°C
für jeden gegebenen, hier interessierenden Zeolithen einen
Wert innerhalb des ungefähren Bereichs von 1 bis 12.
Zur Klasse der hier definierten Zeolithe gehören beispielsweise
ZSM-5, ZSM-11, ZSM-12, ZSM-35, ZSM-38 und andere
ähnliche Materialien. Auf die US-PS 37 02 886, die den ZSM-5
beschreibt und beansprucht, wird hiermit ausdrücklich Bezug
genommen.
ZSM-11 ist insbesondere in der US-PS 37 09 979 beschrieben,
deren gesamter Inhalt hier ausdrücklich miteinbezogen
wird.
ZSM-12 ist insbesondere in der US-PS 38 32 449 beschrieben,
auf deren gesamten Inhalt hiermit ausdrücklich Bezug
genommen wird.
ZSM-38 kann, ausgedrückt in Molverhältnissen an Oxiden
im wasserfreien Zustand, wie folgt identifiziert werden:
(0,3-2,5)R₂O : (0-0,8)M₂O : Al₂O₃ : < 8 SiO₂,
wobei R ein organisches, stickstoffhaltiges Kation ist, das
sich von einer 2-(Hydroxyalkyl)trialkylammonium-Verbindung
ableitet, und M ein Alkalimetallkation ist, und zeichnet sich
durch ein bestimmtes Pulver-Röntgenbeugungsmuster aus.
In einer bevorzugten synthetisierten Form hat der
Zeolith eine Formel, ausgedrückt in Molverhältnissen der
Oxide im wasserfreien Zustand, wie folgt:
(0,4-2,5)R₂O : (0-0,6)M₂O : Al₂O₃ : xSiO₂,
wobei R ein organisches, stickstoffhaltiges Kation, von einer
2-(Hydroxyalkyl)trialkylammonium-Verbindung abgeleitet, wobei
Alkyl Methyl und/oder Äthyl ist, M ein Alkalimetall, insbesondere
Natrium, und x < 8 bis etwa 50 ist.
Der synthetische ZSM-38-Zeolith besitzt eine bestimmte,
sich unterscheidende Kristallstruktur, dessen Röntgenbeugungsmuster
im wesentlichen die wichtigen, in Tabelle I aufgeführten
Linien zeigt. Es ist festzustellen, daß dieses Röntgenbeugungsmuster
(wesentliche Linien) dem natürlichen Ferrierits
ähnelt, mit einer bemerkenswerten Ausnahme, daß nämlich das
Muster des natürlichen Ferrierits eine wesentliche Linie bei
1,133 nm aufweist.
d (nm · 10-1) |
I/IO |
9,8±0,20 |
stark |
9,1±0,19 |
mittel |
8,0±0,16 |
schwach |
7,1±0,14 |
mittel |
6,7±0,14 |
mittel |
6,0±0,12 |
schwach |
4,37±0,09 |
schwach |
4,23±0,09 |
schwach |
4,01±0,08 |
sehr stark |
3,81±0,08 |
sehr stark |
3,69±0,07 |
mittel |
3,57±0,07 |
sehr stark |
3,51±0,07 |
sehr stark |
3,34±0,07 |
mittel |
3,17±0,06 |
stark |
3,08±0,06 |
mittel |
3,00±0,06 |
schwach |
2,92±0,06 |
mittel |
2,73±0,06 |
schwach |
2,66±0,05 |
schwach |
2,60±0,05 |
schwach |
2,49±0,05 |
schwach |
Ein weiteres Merkmal des ZSM-38 ist seine Sorptionskapazität,
die dafür sorgt, daß der Zeolith eine erhöhte Kapazität
für 2-Methylpentan (hinsichtlich der n-Hexan-Sorption
nach dem Verhältnis n-Hexan/2-Methylpentan), verglichen mit
einer Wasserstoff-Form natürlichen Ferrierits, aufweist, erhalten
durch Calcinieren einer ausgetauschten Ammoniumform.
Das charakteristische Sorptionsverhältnis n-Hexan/2-Methylpentan
für ZSM-38 (nach Brennen bei 600°C) ist < 10, während
das Verhältnis für natürlichen Ferrierit erheblich größer
als 10 ist, z. B. sogar 34 oder höher.
Der Zeolith ZSM-38 kann in geeigneter Weise hergestellt
werden, indem eine Lösung mit Quellen für ein Alkalimetalloxid,
bevorzugt Natriumoxid, ein organisches, stickstoffhaltiges
Oxid, ein Aluminiumoxid, ein Siliciumoxid und Wasser
einer Zusammensetzung, ausgedrückt in Molverhältnissen der
Oxide, innerhalb der folgenden Bereiche hergestellt wird:
wobei ein organisches, stickstoffhaltiges Kation, abgeleitet
von einer 2-(Hydroxyalkyl)trialkylammonium-Verbindung, und M
ein Alkalimetallion ist, und das Gemisch erhalten wird, bis
sich Zeolithkristalle bilden (die Menge an OH- wird nur aus
den anorganischen Quellen an Alkali ohne Beitrag an organischer
Base berechnet). Dann werden die Kristalle von der Flüssigkeit
abgetrennt und gewonnen. Typische Reaktionsbedingungen bestehen
im Erhitzen des genannten Reaktionsgemischs auf eine Temperatur
von etwa 90°C bis etwa 400°C für etwa 6 h bis etwa
100 Tage. Ein noch stärker bevorzugter Temperaturbereich ist
etwa 150 bis etwa 400°C, wobei die Zeit bei einer solchen
Temperatur bei etwa 6 h bis etwa 80 Tagen liegt.
Der Aufschluß der Gelteilchen erfolgt bis zur Kristallbildung.
Das feste Produkt wird vom Reaktionsmedium abgetrennt,
z. B. durch Kühlen auf Raumtemperatur, Filtrieren und Waschen
mit Wasser. Das kristalline Produkt wird dann für etwa 8 bis
24 h z. B. bei 110°C getrocknet.
ZSM-35 kann, ausgedrückt in Molverhältnissen der Oxide
und im wasserfreien Zustand, folgendermaßen identifiziert werden:
(0,3-2,5)R₂O : (0-0,8)M₂O : Al₂O₃ : < 8 SiO₂,
wobei R ein organisches, stickstoffhaltiges Kation, abgeleitet
von Äthylendiamin oder Pyrrolidin, und M ein Alkalimetallkation
ist, und zeichnet sich durch ein spezielles Pulver-
Röntgenbeugungsmuster aus.
Bei einer bevorzugten synthetisierten Form hat der
Zeolith, ausgedrückt in Molverhältnissen an Oxiden und im wasserfreien
Zustand, folgende Formel:
(0,4-2,5)R₂O : (0-0,6)M₂O : Al₂O₃ : xSiO₂,
wobei R ein organisches, von Äthylendiamin oder Pyrrolidon abgeleitetes
stickstoffhaltiges Kation, M ein Alkalimetall, insbesondere
Natrium, und x < 8 bis etwa 50 ist.
Der synthetische Zeolith ZSM-35 besitzt eine definierte,
sich unterscheidende Kristallstruktur, deren Röntgenbeugungsmuster
im wesentlichen die in Tabelle II aufgeführten
wichtigen Linien zeigt. Es ist zu erkennen, daß dieses Röntgenbeugungsmuster
(bezüglich wichtiger Linien) ähnlich dem natürlichen
Ferrierits ist, mit der wichtigen Ausnahme, daß das Beugungsmuster
natürlichen Ferrierits eine wesentliche Linie bei
1,133 nm hat. Eine genaue Überprüfung einzelner ZSM-35-Proben
mag eine sehr schwache Linie bei 1,13-1,15 nm zeigen, diese
sehr schwache Linie jedoch hat sich nicht als eine für ZSM-35
wesentliche Linie erwiesen.
Ein weiteres Merkmal für ZSM-35 ist seine Sorptionskapazität,
die ihm eine erhöhte Kapazität für 2-Methylpentan
(bezüglich der n-Hexan-Sorption gemäß dem Verhältnis n-Hexan/
2-Methylpentan) im Vergleich mit einer Wasserstoff-Form natürlichen
Ferrierits, erhalten durch Brennen einer ausgetauschten
Ammoniumform, verleiht. Das charakteristische Sorptionsverhältnis
n-Hexan/2-Methylpentan für ZSM-35 (nach Brennen bei
600°C) ist < 10, während das Verhältnis für natürlichen
Ferrierit erheblich < 10 ist, z. B. sogar 34 oder darüber.
d (nm · 10-1) |
I/IO |
9,6±0,20 |
sehr stark bis |
|
sehr sehr stark |
7,10±0,15 |
mittel |
6,98±0,14 |
mittel |
6,64±0,14 |
mittel |
5,78±0,12 |
schwach |
5,68±0,12 |
schwach |
4,97±0,10 |
schwach |
4,58±0,09 |
schwach |
3,99±0,08 |
stark |
3,94±0,08 |
mittel-stark |
3,85±0,08 |
mittel |
3,78±0,08 |
stark |
3,74±0,08 |
schwach |
3,66±0,07 |
mittel |
3,54±0,07 |
sehr stark |
3,48±0,07 |
sehr stark |
3,39±0,07 |
schwach |
3,32±0,07 |
schwach-mittel |
3,14±0,06 |
schwach-mittel |
2,90±0,06 |
schwach |
2,85±0,06 |
schwach |
2,71±0,05 |
schwach |
2,65±0,05 |
schwach |
2,62±0,05 |
schwach |
2,58±0,05 |
schwach |
2,54±0,05 |
schwach |
2,48±0,05 |
schwach |
Zeolith ZSM-35 kann in geeigneter Weise hergestellt
werden, indem eine Lösung mit Quellen für ein Alkalimetalloxid,
bevorzugt Natriumoxid, ein organostickstoffhaltiges
Oxid, ein Aluminiumoxid, ein Siliciumoxid und Wasser folgender,
in Molverhältnissen der Oxide innerhalb der folgenden
Bereiche ausgedrückter Zusammensetzung hergestellt wird:
wobei R ein organisches, stickstoffhaltiges Kation, abgeleitet
von Pyrrolidin oder Äthylendiamin, und M ein Alkalimetallion
ist, und das Gemisch bis zur Zeolithkristallbildung erhalten
wird (die Menge an OH- errechnet sich nur aus den anorganischen
Quellen für Alkali ohne Beitrag irgendeiner organischen
Base). Dann werden die Kristalle von der Flüssigkeit abgetrennt
und gewonnen. Typische Reaktionsbedingungen bestehen
im Erhitzen des obigen Reaktionsgemischs auf eine Temperatur
von etwa 90 bis etwa 400°C für etwa 6 h bis etwa 100 Tage.
Ein stärker bevorzugter Temperaturbereich zwischen etwa 150
und etwa 400°C, wobei die Zeit bei dieser Temperatur im Bereich
zwischen etwa 6 h und etwa 80 Tagen liegt.
Der Aufschluß der Gelteilchen erfolgt bis zur Kristallbildung.
Das feste Produkt wird vom Reaktionsmedium abgetrennt,
z. B. durch Kühlen des Ganzen auf Raumtemperatur, Filtrieren
und Waschen mit Wasser. Das kristalline Produkt wird
getrocknet, z. B. bei 110°C für etwa 8 bis 24 h.
Die beschriebenen speziellen Zeolithe, wenn sie in Gegenwart
organischer Kationen hergestellt sind, sind katalytisch
inaktiv, möglicherweise, weil der intrakristalline Frei
raum durch organische Kationen der sie bildenden Lösung besetzt
ist. Sie können durch Erhitzen in einer inerten Atmosphäre
bei 538°C für beispielsweise 1 h und anschließenden
Basenaustausch mit Ammoniumsalzen sowie Brennen bei 538°C
in Luft aktiviert werden. Die Anwesenheit organischer Kationen
in der Herstellungslösung mag nicht absolut notwendig für die
Bildung dieser Art von Zeolithen sein; die Anwesenheit dieser
Kationen jedoch scheint die Bildung dieser speziellen Art des
Zeoliths zu begünstigen. Allgemeiner ist es wünschenswert, diese
Art von Katalysator durch Basenaustausch mit Ammoniumsalzen
und anschließendes Calcinieren in Luft bei etwa 538°C
für etwa 15 min bis etwa 24 h zu aktivieren.
Zuweilen können natürliche Zeolithe in diese Art von
Zeolithkatalysator nach verschiedenen Aktivierungsverfahren
und anderen Behandlungen, wie z. B. Basenaustausch, Dampfbehandlung,
Aluminiumoxidextraktion und Calcinieren, in Kombinationen,
überführt werden. Natürliche Mineralien, die so
behandelt werden können, umfassen Ferrierit, Brewsterit,
Stilbit, Dachiardit, Epistilbit, Heulandit und Clinoptilolit.
Bevorzugte kristalline Aluminosilicate sind ZSM-5, ZSM-11,
ZSM-12, ZSM-38 und ZSM-35, wobei ZSM-5 besonders bevorzugt
ist.
Bei einem bevorzugten Aspekt der Erfindung werden die
Zeolithe so ausgewählt, daß sie eine Kristallgitterdichte in
trockener Wasserstoff-Form von nicht wesentlich unter 1,6 g/cm³
haben. Es hat sich gezeigt, daß Zeolithe, die allen drei
dieser Kriterien genügen, höchst wünschenswert sind, da sie
die Produktion von Kohlenwasserstoffprodukten im Siedebereich
des Benzins leicht auf ein Maximum bringen. Daher sind die bevorzugten
Zeolithe gemäß der Erfindung solche mit einem
Zwangsindex, wie oben definiert, von etwa 1 bis etwa 12, einem
Siliciumdioxid/Aluminiumoxid-Verhältnis von wenigstens etwa
12 und einer Trockenkristalldichte von nicht weniger als etwa
1,6 g/cm³. Die Trockendichte für bekannte Strukturen kann aus
der Zahl der Silicium- und Aluminiumatome pro 10 nm³ errechnet
werden, wie z. B. auf Seite 19 der Veröffentlichung über
Zeolithstruktur von W.M. Meier angegeben. Diese Veröffentlichung,
auf deren Inhalt hiermit ausdrücklich Bezug genommen
wird, findet sich in "Proceedings of the Conference on Molecular
Sieves, London, April 1967", Society of Chemical Industry,
London, 1968. Ist die Kristallstruktur unbekannt, kann die
Kristallgitterdichte nach klassischen pyknometrischen Methoden
bestimmt werden. Beispielsweise kann sie durch Eintauchen der
trockenen Wasserstoff-Form des Zeoliths in ein organisches
Lösungsmittel bestimmt werden, das vom Kristall nicht sorbiert
wird. Möglicherweise hängt die ungewöhnlich anhaltende Aktivität
und Stabilität dieser Klasse von Zeolithen mit der hohen
anionischen Kristallgitterdichte von nicht weniger als etwa
1,6 g/cm³ zusammen. Diese hohe Dichte muß natürlich mit einem
verhältnismäßig kleinen Ausmaß an innerhalb des Kristalls zur
Verfügung stehendem freien Raum verknüpft sein, was zu stabileren
Strukturen führen könnte. Dieser freie Raum jedoch ist
als Ort der katalytischen Aktivität von Bedeutung.
Kristallgitterdichten einiger typischer Zeolithe sind
folgende:
Wurde der Zeolith in der Alkalimetallform synthetisiert,
wird er bequemerweise in die Wasserstoff-Form umgewandelt,
im allgemeinen über die Ammoniumform als Folge eines
Ammoniumaustauschs und durch Brennen der Ammoniumform
zur Wasserstoff-Form. Zusätzlich zur Wasserstoff-Form können
andere Formen des Zeoliths verwendet werden, in dem das ursprüngliche
Alkalimetall auf weniger als etwa 1,5 Gewichtsprozent
gesenkt worden ist. So kann das ursprüngliche Alkalimetall
des Zeoliths durch Ionenaustausch mit anderen geeigneten
Ionen der Gruppe Ib bis VIII des Periodensystems einschließlich
z. B. Nickel, Kupfer, Zink, Palladium, Calcium oder
Seltene Erdmetalle, ersetzt werden.
Bei der praktischen Durchführung des gewünschten Umwandlungsprozesses
kann es wünschenswert sein, den zuvor beschriebenen
kristallinen Aluminiumsilicatzeolith in einem anderen,
gegenüber der in dem Prozeß angewandten Temperatur
und anderen Bedingungen widerstandsfähigen Material einzuarbeiten.
Zu solchen Matrixmaterialien gehören synthetische oder
natürlich vorkommende Substanzen sowie anorganische Materialien,
wie Ton, Siliciumdioxid und/oder Metalloxide. Letztere
können entweder natürlich vorkommen oder in Form gelatinöser
Fällungen oder Gele, Gemische von Siliciumdioxid und Metalloxide
eingeschlossen, sein. Natürlich vorkommende Tone, die mit dem
Zeolith zusammengesetzt werden können, umfassen solche aus den
Gruppen der Montmorillonite und Kaoline, wozu die Gruppen der
Subbentonite und die Kaoline gehören, die gewöhnlich als Dixie
McNamee-Georgia und Florida-Tone bekannt sind, oder andere, in
denen der mineralische Hauptbestandteil Halloysit, Kaolinit,
Dickit, Nacrit oder Anauxit ist. Solche Tone können im Rohzustand,
so wie sie ursprünglich abgebaut werden, verwendet
werden, oder zunächst gebrannt, mit Säure behandelt oder
chemisch modifiziert werden.
Zusätzlich zu den obigen Materialien können die hier
verwendeten Zeolithe mit einem porösen Matrixmaterial zusammengesetzt
werden, wie z. B. Aluminiumoxid, Siliciumdioxid/
Aluminiumoxid, Siliciumdioxid/Magnesiumoxid, Siliciumdioxid/
Zirkonoxid, Siliciumdioxid/Thoriumoxid, Siliciumdioxid/
Berylliumoxid, Siliciumdioxid/Titanoxid sowie ternäre Gemische,
wie Siliciumdioxid/Aluminiumoxid/Thoriumoxid, Siliciumdioxid/
Aluminiumoxid/Zirkonoxid, Siliciumdioxid/Aluminiumoxid/
Magnesiumoxid und Siliciumdioxid/Magnesiumoxid/Zirkonoxid.
Die Matrix kann in Form eines Cogels vorliegen. Die relativen
Anteile an Zeolithkomponente und anorganischer Oxidgelmatrix
können stark mit dem Zeolithgehalt im Bereich zwischen etwa
1 und etwa 99 Gewichtsprozent, gewöhnlicher im Bereich zwischen
etwa 5 und etwa 80 Gewichtsprozent des Gemischs variieren.
Der hier beschriebene Umwandlungsprozeß kann ansatzweise,
halbkontinuierlich oder kontinuierlich mit einem Festbett-
oder Bewegtbett-Katalysatorsystem durchgeführt werden.
Nach dem Einsatz wird der Katalysator einer Regenerationszone
zugeführt, in der Koks vom Katalysator in einer sauerstoffhaltigen
Atmosphäre, z. B. Luft, bei erhöhter Temperatur weggebrannt
wird, worauf der regenerierte Katalysator der Umwandlungszone
zum weiteren Kontakt mit dem Zufuhrmaterial wieder
zugeführt wird. Insbesondere ist es möglich, die gewünschte
Umwandlung in Gegenwart von Wasserstoff bei einem Wasserstoff/
Ausgangsmaterial-Molverhältnis zwischen etwa 2 und etwa 20
und einem Wasserstoffdruck zwischen 1 at bis zu 100 at
durchzuführen. Es hat sich gezeigt, daß die Anwesenheit von
Wasserstoff in der Reaktionszone die Alterungsgeschwindigkeit
des Katalysators ganz beträchtlich senkt.
Wenn auch das vorstehende Verfahren unter Bezugnahme
auf die selektive Herstellung von p-dimethylsubstituierten
Benzolen, dargestellt an p-Xylol, beschrieben wurde, kommt es
doch in Betracht, andere p-dialkylsubstituierte Benzole, bei
denen die Alkylgruppe 1 bis 4 Kohlenstoffatome enthält, ähnlich
selektiv herzustellen. So kommt es unter Anwendung der
hier beschriebenen Technik in Betracht, daß bei Auswahl geeigneten
Ausgangsmaterials, Äthylbenzol/Toluol-Gemisch selektiv
in p-Äthyltoluol überführt werden kann; ebenso entsteht ein
p-Äthyltoluol aus Dodecan oder 1-Buten, zusätzlich zu p-Xylol;
Äthylbenzol kann selektiv in Diäthylbenzol, Propylbenzol in
Dipropylbenzol und Butylbenzol selektiv in Dibutylbenzol überführt
werden.
Die folgenden Beispiele dienen der Veranschaulichung
des Katalysators und des erfindungsgemäßen Verfahrens, ohne
die Erfindung hierauf zu beschränken.
Beispiel 1
HZSM-5 mit einer Kristallitgröße von etwa 0,03 µm
wurde wie folgt hergestellt:
a) Herstellung der Lösung |
Silicatlösung |
41,23 kg |
Natriumsilicat |
23,86 kg |
H₂O |
118 g |
Dispersionsmittel |
|
(Natriumsalz polymerisierter, substituierter, benzolischer Alkylsulfonsäure, kombiniert mit einem Suspensionsmittel) |
Saure Lösung |
1430 g |
Al₂(SO₄)₃ · xH₂O (MG=595) |
3440 g |
H₂SO₄ |
4890 g |
NaCl |
24,49 kg |
H₂O |
|2840 g |
NaCl |
2390 g |
n-Propylbromid |
4590 g |
Methyl-äthyl-keton |
Weitere Flüssigkeit |
1180 g |
H₂O |
b) Arbeitsweise
Die Silicatlösung und die saure Lösung wurden in
einer Mischdüse zu einem Gel gemischt, das in einen 132 Liter
Autoklaven gebracht wurde, in den zuvor 1180 g Wasser gegeben
worden waren.
Das Gel wurde zu Schaum gerührt bzw. geschlagen, und
2840 g NaCl wurden zugesetzt und gründlich eingemischt. Das
Rühren wurde beendet und die Lösung der organischen Stoffe
wurde als Schicht auf das Gel gegeben. Der Autoklav wurde
hermetisch verschlossen und ohne Rühren auf etwa 104°C
erhitzt und 14 bis 15 h auf dieser Temperatur gehalten, um
die organischen Stoffe vorreagieren zu lassen. Am Ende der
Vorreaktionszeit wurde mit dem Rühren begonnen, um die Anfangskristallisationszeit
zu starten. Nach etwa 75 bis 80 h wurde
die Temperatur auf 160°C erhöht und zum Abschluß der
Kristallisation etwa 3 h gehalten. Überschüssige oder nichtumgesetzte
organische Stoffe wurden schnellverdampft und der
Autoklaveninhalt gekühlt und ausgebracht. Das Produkt wurde
durch Röntgenbeugung analysiert und erwies sich als 100%ig
kristalliner ZSM-5. Die chemische Analyse des gründlich gewaschenen
kristallinen Produkts war wie folgt:
Nach gründlichem Waschen und Trocknen bei etwa 121°C
wurde der Zeolith durch die folgenden Schritte in die
katalytisch aktive Form überführt:
- a) 3stündiges Vorbrennen in einer 100%igen N₂-Atmosphäre
bei 538°C, Atmosphärendruck und programmierter
Aufheizgeschwindigkeit von 2,78°C/min von Raumtemperatur
auf 538°C.
- b) Ionenaustausch mit 1n NH₄NO₃ bei Raumtemperatur
für 1 h unter Verwendung von 5 ml Austauschlösung pro Gramm
trockenen Zeoliths.
- c) Waschen mit 4 Volumina Wasser.
- d) Wiederholen der Stufen (b) und (c) und Trocknen bei
121°C in Luft.
Der ausgetauschte Zeolith wurde analysiert, er enthielt
0,01 Gewichtsprozent Natrium und hatte einen alpha-Wert von
162. Er zeichnete sich durch eine o-Xylol-Sorptionskapazität
von 5,6 Gewichtsprozent und eine o-Xylol-Sorptionszeit für 30%
dieser Kapazität von <1,3 min aus. Die beiden letzteren Messungen
erfolgten bei 120°C und einem Kohlenwasserstoff-Partialdruck
von etwa 5,05 mbar.
Beispiel 2 (Vergleich)
Toluol wurde über den mikrokristallinen HZSM-5-Katalysator
des Beispiels 1 bei 1 bar Druck, 600°C und
einer gewichtsmäßigen stündlichen Raumströmungsgeschwindigkeit
von 50 geleitet. Die Toluolumwandlung betrug 15 Gewichtsprozent,
und die p-Xylol-Ausbeute, als Prozent der Xylole,
war 25%, d. h., entsprach etwa der normalen Gleichgewichtskonzentration
an p-Xylol.
Beispiel 3
Eine 5 g-Probe des HZSM-5-Katalysators der in Beispiel
1 beschriebenen Art wurde in ein mit einer Frittenglasscheibe
ausgestattetes Glasrohr gebracht. Dimethylsilan wurde mit 40 ml/min
durch das HZSM-5-Bett geleitet. Nach 15 min hatte das
HZSM-5 0,60 g Dimethylsilan sorbiert. Das Produkt wurde zu
200 ml einer 15%igen wäßrigen Ammoniaklösung zwecks Silanhydrolyse
gegeben. Es entwickelte sich rasch Wasserstoff. Nach
1 h wurde das Produkt filtriert und mit 1°C/min auf 538°C
zum Calcinieren aufgeheizt und bei dieser Temperatur 6 h gehalten.
Die vorstehende Arbeitsweise wurde insgesamt dreimal
wiederholt, um einen mit Siliciumdioxid beladenen HZSM-5-Katalysator
mit einem Gehalt von 5 Gewichtsprozent Siliciumdioxidzusatz
zu ergeben.
Dieser Katalysator sorbierte 4,1 g o-Xylol/100 g Zeolith
bei 120°C und einem o-Xyloldruck von 5,05 mbar. Die Sorption
erreichte 30% der Kapazität in 2,7 min. Der Katalysator
hatte einen alpha-Wert von 75.
Beispiel 4
Toluol wurde über den Katalysator des Beispiels 3 bei
600°C, 1 bar Druck, einer gewichtsmäßigen stündlichen
Raumströmungsgeschwindigkeit von 40 und einem Wasserstoff/
Kohlenwasserstoff-Verhältnis von 2 geleitet. Die Toluolumwandlung
betrug 2 Gewichtsprozent und die p-Xylolausbeute, als
Prozent der Xylole, war 62. Bei realistischerer Toluolumwandlung,
z. B. 20%, betrug die Selektivität zu p-Xylol nur 27%,
d. h., praktisch wie beim Gleichgewicht, was anzeigt, daß die
Sorptionszeit bis zum Erreichen von 30% der Kapazität von
nur 2,7 min zu gering war.
Die spezielle Selektivität für p-Dialkylaromaten, die
mit den hier beschriebenen Katalysatoren zu erreichen ist,
hängt vom besonderen Zufuhrmaterial und den Betriebsbedingungen
ab. Bei der Toluoldisproportionierung ist der p-Xylol-Gehalt
der gebildeten Xylole am höchsten bei geringer Toluol-Umwandlung.
Außerdem hat sich gezeigt, daß die erfindungsgemäßen Katalysatoren
ein äußerst überraschendes und ungewöhnliches
Phänomen aufweisen: Bei gegebenem Prozentsatz an Toluolumwandlung
steigt die p-Xylol-Selektivität mit steigender Temperatur
über den ungefähren Bereich von 400 bis 700°C.
Zu Zwecken des Vergleichs der p-Selektivität verschiedener
Katalysatoren ist daher zu wünschen, sie bei der gleichen
Betriebstemperatur, z. B. 550°C, und dem gleichen Prozentsatz
an Toluol-Umwandlung, z. B. 20%, durch Einstellen
der Toluol-Zufuhrgeschwindigkeit zu vergleichen. Die p-Selektivität
kann für diese Bezugsbedingungen direkt oder durch Extrapolation
anderer tatsächlicher Betriebsbedingungen erhalten werden.
p-Xylol-Selektivitäten (% p-Xylol, bezogen auf die
gesamten Xylole) für die obigen Standardbedingungen (20%
Toluol-Umwandlung bei 550°C) und o-Xylol-Sorptionszeiten,
t0,3 (30% der Kapazität bei 120°C) sind in der folgenden
Tabelle wiedergegeben:
Beispiel 5
Der Katalysator des Beispiels 3 wurde mit 1-Buten
bei 400°C, einer gewichtsmäßigen stündlichen Raumströmungsgeschwindigkeit
von 4 und 1 bar Druck in Berührung gebracht.
Das flüssige Produkt, das 89% des Gewichts des Zufuhrmaterials
ausmachte, enthielt 13,4 Gewichtsprozent Xylol und 3,9 Gewichtsprozent
Äthyltoluol. Die Xylol-Fraktion enthielt 37%
p-Xylol und die Äthyltoluol-Fraktion 43% p-Äthyltoluol. Die
Gleichgewichtswerte für diese p-Isomeren sind 24 bzw. 32%.
Beispiel 6
Eine 5 g-Probe des HZSM-5 von 0,02 bis 0,05 µm Kristallgröße
wurde in ein Glasrohr gebracht, das mit einer Glasfrittenscheibe
ausgestattet war. Dimethylsilan wurde durch das HZSM-5-
Bett mit 40 ml/min geleitet. Nach 15 min hatte das HZSM-5 0,60 g
Dimethylsilan sorbiert. Das Produkt wurde zu 200 ml 15%iger wäßriger
Ammoniaklösung zur Hydrolyse des Silans gegeben. Es entwickelte
sich rasch Wasserstoff. Nach 1 h wurde das Produkt filtriert
und mit 1°C/min auf 538°C gebrannt und bei dieser Temperatur
6 h gehalten.
Die vorstehende Arbeitsweise wurde insgesamt dreimal
wiederholt, um einen mit Siliciumdioxid beladenen HZSM-5-Katalysator
mit 5 Gewichtsprozent zugesetztem Siliciumdioxid zu ergeben.
Beispiel 7
Ein mit Siliciumdioxid modifizierter HZSM-5-Katalysator
wurde wie in Beispiel 6 unter Verwendung von HZSM-5 einer
Kristallgröße von 1 bis 2 µm anstelle des HZSM-5-Materials mit
0,02 bis 0,05 µm hergestellt.
5,2 Gewichtsteile Toluol wurden mit 0,13 Gewichtsteilen
des obigen Katalysators bei einer Temperatur von 600°C und
einer stündlichen Flüssigkeitsraumströmungsgeschwindigkeit von
20 in Berührung gebracht. Der p-Xylol-Gehalt des Xylol-Produkts
wurde gaschromatographisch zu 79% ermittelt. Dieser Wert ist
erheblich höher als die 30% Xylol-Gehalt, die bei vergleichbaren
Reaktionsbedingungen unter Verwendung des Ausgangs-HZSM-5
beobachtet wurden.
Beispiel 8
Zu 1,42 g Phenylmethylsilicon (Molekulargewicht 1686),
gelöst in 40 ml n-Hexan, wurden 4 g NH₄-ZSM-5 einer Kristallitgröße
von 1 bis 2 µm zugesetzt. Diese Probe des NH₄-ZSM-5
enthielt 35% Aluminiumoxid als Bindemittel. Das Gemisch wurde
unter Anwendung eines Rotationsverdampfers über 2 h langsam
eingeengt. Der Rückstand wurde in Luft mit 1°C/min auf
538°C gebrannt und dann bei dieser Temperatur 7 h gehalten,
um mit Siliciumdioxid modifiziertes HZSM-5 mit 14 Gewichtsprozent
Siliciumdioxid zu ergeben.
Beispiel 9
Zu 0,73 g Phenylmethylsilicon (Molekulargewicht 1686),
gelöst in 40 ml n-Hexan, wurden 4 g NH₄-ZSM-5 einer Kristallitgröße
von 1 bis 2 µm gegeben. Das Gemisch wurde unter Einsatz
eines Rotationsverdampfers über 0,5 h eingeengt. Der Rückstand
wurde in Luft mit 1°C/min auf 538°C gebrannt und dann bei
dieser Temperatur 7 h gehalten, um einen mit Siliciumdioxid
modifizierten, hiervon 7,5 Gewichtsprozent enthaltenden HZSM-5
zu ergeben.
Beispiel 10
Zu 0,32 g Methylhydrogensilicon (Molekulargewicht
3087), gelöst in 40 ml n-Hexan, wurden 4 g NH₄-ZSM-5 einer
Kristallitgröße von 1 bis 2 µm gegeben. Das Gemisch wurde unter
Einsatz eines Rotationsverdampfers über 0,5 h eingeengt.
Der Rückstand wurde in Luft mit 1°C/min auf 538°C gebrannt
und dann bei dieser Temperatur 7 h gehalten, um mit
Siliciumdioxid modifiziertes, hiervon 7,5 Gewichtsprozent enthaltendes
HZSM-5 zu ergeben.
Beispiel 11
Zu 0,40 g Dimethylsilicon (Molekulargewicht 4385),
gelöst in 40 ml n-Hexan, wurden 4 g NH₄-ZSM-5 einer Kristallitgröße
von 1 bis 2 µm gegeben. Das Gemisch wurde unter Einsatz
eines Rotationsverdampfers über 0,5 h eingeengt. Der Rückstand
wurde in Luft mit 1°C/min auf 538°C gebrannt und bei dieser
Temperatur 7 h gehalten, um mit Siliciumdioxid modifiziertes,
hiervon 7,5 Gewichtsprozent enthaltendes HZSM-5 zu ergeben.
Beispiel 12
Eine Probe des mit Siliciumdioxid modifizierten HZSM-5,
hergestellt wie in Beispiel 11 wurde pelletisiert, auf eine
Größe von 0,59 bis 1,4 mm klassiert und in
einem Strömungsreaktor auf Toluol-Disproportionierung bei Atmosphärendruck
und unter Wasserstoffstrom bei einem Wasserstoff/
Kohlenwasserstoff-Molverhältnis von 2 getestet. Die Reaktion
wurde bei 550 bis 600°C und gewichtsmäßigen stündlichen Raumströmungsgeschwindigkeiten
von 8 bis 22 durchgeführt. Die Ergebnisse
sind in der folgenden Tabelle IV zusammengefaßt:
Aus deren Daten ist zu ersehen, daß die Selektivität
gegenüber p-Xylol bei gleicher Umwandlung und Temperatur
nach Modifizieren mit Siliciumdioxid beträchtlich höher war
und daß diese Selektivität nach dem Regenerieren des Katalysators
durch Wegbrennen kohlenstoffhaltiger Ablagerungen in
Luft bei 540°C hoch blieb.
Beispiel 13
Eine Probe des mit Siliciumdioxid modifizierten HZSM-5,
hergestellt wie in Beispiel 9, wurde pelletisiert, auf eine
Größe von 0,59 bis 1,4 mm klassiert und auf
Toluol-Disproportionierung bei atmosphärischem Druck und unter
strömendem Wasserstoff bei einem Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-
Molverhältnis von 2 getestet. Die Reaktion wurde bei einer Temperatur
von 550°C und gewichtsmäßigen stündlichen Raumströmungsgeschwindigkeiten
von 6 bis 25 durchgeführt. Die Ergebnisse sind
in Tabelle V zusammengefaßt.
Aus deren Ergebnissen geht hervor, daß der mit Siliciumdioxid
modifizierte HZSM-5-Katalysator (in Luft bei
540°C) voll regenerierbar ist und verglichen mit dem unmodifizierten
Katalysator bei gleicher Umwandlung und Temperatur
beträchtlich höhere p-Xylol-Selektivität zeigt.
Beispiel 14
Ein mit Siliciumdioxid modifizierter HZSM-5-Katalysator,
hergestellt ähnlich wie in Beispiel 9, jedoch mit
einem Siliciumdioxidgehalt von 1,9 Gewichtsprozent, wurde in
einem Strömungsreaktor bei atmosphärischem Druck und strömendem
Wasserstoff bei einem Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-
Molverhältnis von 2 auf seine Toluol-Disproportionierung getestet.
Die Reaktion wurde bei 550°C und gewichtsmäßigen
stündlichen Raumströmungsgeschwindigkeiten von 5 bis 20
durchgeführt. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle VI
zusammengefaßt.
Beispiel 15
Eine Probe von mit Siliciumdioxid modifiziertem
HZSM-5, hergestellt wie in Beispiel 10, wurde auf Toluol-
Disproportionierung, wie in Beispiel 60, getestet. Die Ergebnisse
zeigt die folgende Tabelle VII.
Beispiel 16
Die Toluol-Disproportionierung wurde mit einer Probe
eines mit Siliciumdioxid modifizierten HZSM-5-Katalysators,
hergestellt wie in Beispiel 8, durchgeführt. Die Reaktion erfolgte
bei 500°C und 42 bar Manometer. Das Wasserstoff/
Kohlenwasserstoff-Molverhältnis betrug 2 und die gewichtsmäßige
stündliche Raumströmungsgeschwindigkeit 7. In 18
Tagen Betrieb fiel die Toluol-Umwandlung leicht von 38 auf 35%,
während das p-Xylol im Xylol von 58% auf 70% stieg.
Beispiel 17
Eine Alkylierung von Toluol mit Methanol wurde in Gegenwart
einer Probe eines mit Siliciumdioxid modifizierten
HZSM-5-Katalysators, hergestellt wie in Beispiel 9, durchgeführt.
Das Toluol/Methanol-Molverhältnis betrug 4, eingesetzt
wurde ein pelletisierter Katalysator einer Größe von 0,59 bis
1,4 mm. Die Reaktion wurde bei einer Temperatur
von 400 bis 550°C und atmosphärischem Druck bei einer gewichtsmäßigen
stündlichen Raumströmungsgeschwindigkeit von 10 unter
strömendem Wasserstoff bei einem Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-
Molverhältnis von 2 durchgeführt. Die Ergebnisse sind in der
folgenden Tabelle VIII zusammengefaßt und zeigen eine hohe p-
Xylol-Selektivität.