DE2820110A1 - Verfahren zur herstellung von thiophenolen - Google Patents

Verfahren zur herstellung von thiophenolen

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Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Thiophenolen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.
Thiophenole sind bekannte Substanzen, die als Antioxidantien, Polymerisationsinhibitoren und als Zwischenprodukte für die Herstellung anderer Chemikalien, aber auch zu zahlreichen
anderen Zwecken verwendet werden.
Trotz ihrer verbreiteten Anwendung sind die Thiophenole nach wie vor ausgesprochen teuere Substanzen. Die Kosten für ihre Herstellung werden wesentlich durch Kosten zur Unterdrückung einer Umweltbelastung durch die Prozeßabfallprodukte belastet. Trotz zahlreicher Versuche in dieser Richtung ist bislang kein wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung der Thiophenole bekannt .
Aus der US-PS 2 490 257 ist ein Verfahren zur Herstellung
von Thiophenolen bekannt, nach dem Chlorbenzol und Schwefelwasserstoff in der Dampfphase in Gegenwart von Holzkohle umgesetzt werden.
Aus der US-PS 3 799 989 ist ein nichtkatalytisches Verfahren zur Herstellung der Thiophenole bekannt, das ebenfalls auf
einer Umsetzung von Chlorbenzol mit Schwefelwasserstoff beruht.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung der Thiophenole ist
aus der US-PS 3 671 593 bekannt, nach welchem Cyclohexan mit Schwefel oder einem Schwefelchlorid umgesetzt wird. Auch ist
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bekannt, Phenylsulfonsäurechloride mit Hydrazin zu reduzieren.
Aus jüngerer Zeit ist aus der US-PS 3 883 599 ein verbessertes Verfahren bekannt, nach dem ein entsprechendes Cyclohexylmercaptan mit SO2 in der Gasphase in Gegenwart eines Inertgases und eines Dehydrierungskatalysators dehydriert wird.
Aus der US-PS 4 006 186 ist schließlich ein Verfahren bekannt, nach dem Phenylsulfonsäurechlorid mit Hydrazinhydroiodid und Hydrazinhydrochlorid zum entsprechenden Sulfonhydrazid umgesetzt wird und das so erhaltene Zwischenprodukt in einer zweiten Stufe in das entsprechende Disulfid überführt wird, das dann mit Hydrazin und einem Alkalimetallsalz oder Alkalimetallhydroxid zum Thiophenolat umgesetzt wird, aus dem schließlich mit einer anorganischen Säure das Thiophenol freigesetzt wird.
Nachteilig an den bekannten Verfahren ist, daß sie entweder in aufwendiger Weise mehrstufig ausgebildet sind, oder daß sie zur Freisetzung von Chlor oder Chlorwasserstoff führen, die umweltbelastende Substanzen sind und deren Entfernung kostenaufwendig ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Thiophenolen zu schaffen, das ohne Freisetzung umweltbelastender Nebenprodukte oder Abfallprodukte wirtschaftlich in einer Stufe durchführbar ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art, das durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gekennzeichnet ist.
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Die Erfindung schafft also ein Verfahren zur Herstellung von Thiophenolen, bei dem die entsprechenden Benzolverbindungen mit Schwefelwasserstoff in Berührung mit einem Absorptionskatalysator umgesetzt werden.
Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung das Blockschaltbild einer Anlage zur Durchführung des Verfahrens und
Fig. 2 in schematischer Darstellung das Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
"Thiophenole", die nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt werden können, sind Thiophenol (C6H5SH), das auch als Phenylmercaptan oder Phenylthiol bezeichnet werden kann, sowie alle substituierten Thiophenole. "Substituierte Thiophenole" sind im Rahmen der vorliegenden Beschreibung und der Ansprüche Thiophenole, die am Benzolring einfach, zweifach, dreifach, vierfach oder fünffach substituiert sind, und zwar mit Hydroxylgruppen, Nitrogruppen, Halogenatomen, Alkylresten mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen oder Alkoxyresten mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, wobei in Gegenwart von mehr als einem Substituenten alle Substituenten gleich sind.
Eine der Ausgangssubstanzen des Verfahrens der Erfindung ist die dem Ziel-Thiophenol entsprechende Benzolverbindung. Als solche Benzolverbindung kommen also beispielsweise neben Benzol selbst folgende Substanzen in Frage: m-Kresol, Xylol, o-Dichlorbenzol, p-Dichlorbenzol, Nitrobenzol, Anisol, p-Chlortoluol, Dodecylbenzol oder Hexylphenol.
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Als Absorptionskatalysator wird ein Material mit großer spezifischer Oberfläche verwendet, vorzugsweise mit einer spezifischen Oberfläche im Bereich von ca. 1 bis ca. 1000 m2/g. Vorzugsweise benutzt werden folgende Absorptionskatalysatoren: Aktivkohle, Ölkohle, verschiedene Holzkohlesorten, verkokte Ölkohle, Aluminiumoxid, Ton, Kieselsäuregele, Molekularsiebe sowie Kombinationen dieser Werkstoffe. Vorzugsweise können die Absoprtionskatalysatoren in Verbindung mit Cokatalysatoren eingesetzt werden, wobei die Cokatalysatoren dem Absoprtionskatalysator zugemischt sein können oder die Absoprtionskatalysatoren mit den Cokatalysatoren getränkt sein können. Als Cokatalysatoren werden vorzugsweise Zinksulfid, Cobaltsulfid, Cadmiumsulfid und andere Übergangsmetallsulfide verwendet werden. Auch können verschiedene Kombinationen der genannten Katalysatortypen eingesetzt werden, beispielsweise also Gemische getränkter Katalysatoren mit ungetrankten Katalsystören. Vorzugsweise werden als Katalysatoren Aktivkohlen und mit Zinksulfid getränkte Aktivkohlen eingesetzt.
Die Reaktanden können im stöchiometrischen Verhältnis eingesetzt werden. Vorzugsweise wird jedoch der Schwefelwasserstoff in einem wesentlichen stöchiometrischen Überschuß eingesetzt. Insbesondere wird der Schwefelwasserstoff vorzugsweise im stöchiometrischen Überschuß von mindestens 100 % verwendet.
Die Umsetzung wird bei einer Reaktionstemperatur im Bereich von ca. 5 00 bis ca. 900 0C durchgeführt. Die Reaktionstemperatur liegt vorzugsweise im Bereich zwischen ca. 600 und ca. 800 0C. Weiterhin wird die Reaktion vorzugsweise unter Druck durchgeführt, und zwar unter Drücken bis zu 7 bar und darüber.
Die Reaktion wird in der Gasphase ausgeführt. Sie kann
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prinzipiell in jedem geeigneten Reaktor ausgeführt werden. Das Reaktionsprodukt kann nach einem Durchgang durch den Absorptionskatalysator abgezogen werden. Alternativ kann das Verfahren kontinuierlich geführt werden, wobei das am Reaktor austretende Gas im Kreislauf geführt wird.
Anlagen zur Durchführung des Verfahrens nach zwei verschiedenen Methoden sind schematisch in den Zeichnungen dargestellt.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Anlage ist ein Festbettreaktor vorgesehen, der den Absorptionskatalysator enthält. Dem Festbettreaktor 10 ist eine Vorheizstufe 12 vorgeschaltet. Die Vorheizstufe 12 ist als Heizschlange ausgebildet. Die Vorheizstufe 12 und der Reaktor 10 sind beide in einen elektrischen Ofen 14 eingesetzt. Über die Leitung 16 wird gasförmiger Schwefelwasserstoff und über die Leitung 18 die Benzolverbindung zugeführt. Der Schwefelwasserstoff und die Benzolverbindung werden miteinander vermischt. Das Gemisch wird in der Vorheizstufe 12 verdampft und auf eine Temperatur im Bereich von ca. 300 bis ca. 600 0C vorgewärmt. Im einzelnen hängt die Temperatur, auf die das Gemisch vorgewärmt wird, von der speziell eingesetzten Benzolverbindung ab. Das Gasgemisch wird dann durch den Reaktor 10 geleitet, in dem eine Temperatur im Bereich von 500 0C bis ca. 900 0C aufrechterhalten wird. Das den Reaktor über die Abzugsleitung 20 verlassende Produktgas wird anschließend kondensiert, wobei das Thiophenol in reiner Form anfällt. Die nicht kondensierbaren Nebenprodukte können anschließend über einen in den Figuren nicht dargestellten, mit anorganischer Lauge beschickten Wäscher geführt werden.
Eine weitere Anlage zur Durchführung des Verfahrens ist in der Fig. 2 dargestellt. Statt des in Fig. 1 gezeigten Festbettreaktors wird ein elektrisch beheizter Fließbettreaktor 22 eingesetzt. Der den Absorptionskatalysator enthaltende
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Fließbettreaktor 22 wird durch eine Graphitelektrode 24 geheizt/ die von einem in der Figur nicht dargestellten Transformator beaufschlagt wird, über die Leitung 26 wird Schwefelwasserstoffgas und über eine Leitung 30 die Benzolverbindung in einen Verdampfer 28 gegeben. Das verdampfte Gemisch gelangt anschließend über die Leitung 32 in den Windkasten 34 des Reaktors 22. Die Zuleitung 32 ist elektrisch geregelt beheizt, so daß das Reaktionsgemisch im Windkasten auf einer Temperatur im Bereich von ca. 200 bis ca. 250 0C gehalten wird, ehe es in den Reaktor 22 gegeben wird. Der Windkasten 34 dient der Stabilisierung und Homogenisierung des Gasdruckes im Reaktor 22. Wie auch beim Festbettreaktor wird im Fließbettreaktor eine Reaktionstemperatur im Bereich von ca. 500 bis ca. 900 0C aufrechterhalten. Nachdem das Reaktionsgemisch durch den Reaktor 22 geführt worden ist, verläßt es den Reaktor über eine Abzugsleitung 36 und wird anschließend unter Freisetzung des Thiophenols kondensiert. Die nicht kondensierbaren Nebenprodukte können anschließend in einem mit wässriger Lauge beaufschlagten Waschturm ausgewaschen werden. Während des Prozesses ausgetragener Katalysator kann über eine Eintragsschleuse 38 ergänzt werden.
Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Beispiel 1
Das Verfahren wird in einem Festbettreaktor der in Fig. 1 gezeigten Art durchgeführt. Der Reaktor 10 ist ein Quarzglasrohr mit einem Innendurchmesser von 2,5 cm und einer Länge von 33 cm. Die Vorheizschlange besteht ebenfalls aus einem Quarzrohr, das einen Innendurchmesser von 0,6 cm und eine Länge von 91 cm hat.
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Der Reaktor 10 wird mit aus Kohle hergestellter Aktivkohle beschickt und auf 600 0C erwärmt. Die Temperatur in der Vorheizung wird auf 400 0C eingesetellt. Die Vorheizung wird mit 0,15 mol/h Benzol und 0,28 mol/h Schwefelwasserstoff beschickt. Die Reaktionsausgangssubstanzen werden im Vorerhitzer verdampft und vorgewärmt, bevor sie in den Reaktor 10 gelangen.
Das gasförmige Reaktionsproduktgemisch wird in einem mit Wasser gekühlten Kondensator abgeschreckt. Die Reaktionsprodukte werden anhand der Retentionszeiten einer kombinierten Gas-Plüssigkeit-Chromatographie im Vergleich zu Standardproben von Thiophenol und Benzol analysiert und identifiziert. Das flüssige Kondensat enthält 3 Gew.-% Thiophenol und 97 Gew.-% nicht umgesetztes Benzol.
Beispiele 2 bis 4
Die Prozesse werden in einem Fließbett-reaktor der in Fig. 2 gezeigten Art durchgeführt.
Der Fließbettreaktor 22 ist ein Edelstahlrohr mit einem Innendurchmesser von 8 cm und einer Länge von 6 9 cm. Am Kopf des Reaktors ist ein erweiterter Abschnitt aus einem gleichen Edelstahlrohr mit einem Innendurchmesser von 13 cm und einer Länge von 51 cm als Trennzone und Absetzzone angeordnet. Im Kopfbereich der Trennzone ist radial eine Kupplung mit einem Innendurchmesser von 1,9 cm als Eintragsöffnung 38 vorgesehen, durch die ausgetragener Katalysator nachgefüllt werden kann. Dieser Eintragsöffnung direkt radial gegenüber ist eine weitere Kupplung mit einem lichten Durchmesser von 1,9 cm vorgesehen, die dem Anschluß der Abzugsleitung 36 für die gasförmigen Reaktionsprodukte dient.
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Am Fuß des Reaktors ist ein Windkasten 34 angeflanscht. Zwischen dem Fußflansch des Reaktors und dem Kopfflansch des Windkastens ist eine 16 mm starke Edelstahlscheibe eingespannt, die als Verteilerscheibe dient. Die Verteilerscheibe weist in einer Anordnung mit hexagonaler Netzstruktur 9 Bohrungen mit einem Durchmesser von 24 mm auf. Über dieser Verteilerplatte liegt eine ca. 15 cm hohe Schüttung aus Silikatschamotte mit einem mittleren Korndurchmesser von 32 mm, um die Verteilerplatte vor der hohen Fließbettemperatur zu schützen.
Durch den Edelstahlflansch am Kopf des Reaktors ist eine Graphitelektrode durchgeführt. Die Graphitelektrode 24 hat einen Durchmesser von 12 mm und ist sorgfältig in der Mittelachse des Reaktors justiert. Die Elektrode wird über einen Transformator mit einem 60 Hz-Einphasenwechselstrom beaufschlagt.
Die Ausgangssubstanzen werden in einem solchen Mengenverhältnis aufgegeben, daß H2S im Überschuß von 200 Mol-% vorliegt. Das Benzol ist in einem Reservoir aufbewahrt, das als Glasrohr mit einem Innendurchmesser von 10 cm und einem Fassungsvermögen von 7,6 1 ausgebildet ist. Die gasförmigen bzw. dampfförmigen Ausgangssubstanzen werden dem Reaktorwindkasten 34 über eine elektrisch geregelt beheizte Zuleitung zugeführt. Um eine Kondensation der Ausgangssubstanzen zu verhindern, ist auch der Windkasten elektrisch und geregelt so beheizt, daß die Temperatur des Gasgemisches im Windkasten auf 240 0C gehalten wird. Der Zulaufvolumenstrom des Benzols wird mittels eines direkt ablesbaren Rotameters genau dosiert. Die Verdampfungsgeschwindigkeit wird durch Regelung der den elektrischen Widerstandsheizungselementen des Verdampfers zugeführten elektrischen Leistung konstant gehalten, so daß im Verdampfer stets ein konstantes Dampfniveau aufrechterhalten bleibt. Die Temperatur im Reaktor wird auf 450 bis 650 0C eingestellt
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und geregelt.
Das gasförmige Reaktionsprodukt verläßt den Reaktor über die Abzugsleitung 36, wird durch einen Zyklon geleitet und anschließend in einen senkrechten Glaskühler kondensiert. Die Reaktorabzugslextung 36 und der Zyklon sind zur Unterdrückung einer Kondensation elektrisch beheizt. Der Produktkondensator ist ein gebräuchlicher Glaskühler mit ca. 0,3 m2 aktiver Kondensationsoberfläche. Um einen möglichst großen Kondensationswirkungsgrad zu erzielen, wird als Kühlmittel Perchlorethylen verwendet, das mit einer Temperatur von -5 0C auf den Kondensator gegeben wird. Das Perchlorethylen wird mit einem handelsüblichen Kühlaggregat rückgekühlt, das auf eine Kühlleistung von -19 0C eingestellt ist.
Die den Kondensator verlassenden Gase werden abgefackelt. Sie können direkt in den Kamin gegeben werden.
Als Absorptionsmaterial im Fließbettreaktor 22 wird verkokte Ölkohle eingesetzt.
Die Prozeßparameter und die Versuchsergebnisse sind in der Tabelle 1 zusammengefaßt.
Tabelle 1
2 3 4
Beispiel 550 600 650
Temperatur (0C) 10,3 9,9 9,3
Verweilzeit (s)
Ausbeute (Gew.-%,bezogen
auf Benzol): 1,5 1,3 1,6
Thiophenol 1,8 1,2 3,9
Diphenylsulfid 1,6 0,7 1,7
Biphenyl
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282011ü
Beispiele 5 bis 7
Die Reaktionen werden in derselben Anlage durchgeführt wie die Beispiel 2 bis 4. Der Reaktor ist mit einer körnigen, aus bitumöser Kohle gewonnenen und bei hoher Temperatur mit Dampf aktivierten Aktivkohle ("BPL-Aktivkohle") beschickt. Die Parameter und die Ergebnisse der drei gefahrenen Umsetzungen sind in der Tabelle 2 zusammengestellt.
Tabelle 2
5 6 7
Beispiel 550 600 650
Temperatur (0C) 9,8 9,3 8,5
Verweilzeit (s)
Ausbeute (Gew.-%, bezogen
auf Benzol) 1,0 1,3 1,4
Thiophenol 0,4 0,8 1,3
Diphenylsulfid 1,9 1,9 1,9
Biphenyl
Beispiele 8 bis 10
In diesen Beispielen wird als Absorptionsmaterial ein Gemisch aus 67 Gew.-% verkokter Ölkohle und 33 Gew.-% mit Zinksulfid imprägnierter Aktivkohle eingesetzt. Die imprägnierte Aktivkohle wird in an sich bekannter und gebräuchlicher Weise hergestellt. Dazu wird BPL-Aktivkohle mit einer Zinkacetatlösung getränkt und anschließend getrocknet, über die getrocknete getränkte Aktivkohle wird dann bei einer Temperatur
von 200 0C H2S geleitet. Das Zinkacetat wird dabei zu Zinksulfid umgesetzt.
Für die Durchführung der Reaktion wird die gleiche Anlage wie in den Beispielen 2 bis 4 eingesetzt. Die Verfahrensparameter und die erhaltenen Ergebnisse sind in der Tabelle zusammengestellt.
Tabelle 3
8 9 10
Beispiele 550 600 650
Temperatur (0C) 10,9 10,4 9,7
Verweilzeit (s)
Ausbeute (Gew.-%t bezogen
auf Benzol) 1,8 1,6 1,5
Thiophenol 1,8 1,3 1,4
Diphenylsulfid 2,6 2,0 2,1
Biphenyl
Beispiele 11 bis 13
In der in den Beispielen 2 bis 4 beschriebenen Anlage werden die Reaktionen mit einem Absorptionsmaterial durchgeführt, das aus einem Gemisch aus 67 Gew.-% BPL-Aktivkohle und 33 Gew.-% mit Zinksulfid imprägnierter BPL-Aktivkohle besteht. Die mit Zinksulfid imprägnierte BPL-Aktivkohle wird in der in den Beispielen 8 bis 10 beschriebenen Weise hergestellt.
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Die Prozeßparameter und die erhaltenen Ergebnisse sind in der Tabelle 4 zusammengestellt.
Tabelle 4
11 12 13
Beispiele 550 600 650
Temperatur (0C) 9,1 8,5
Verweilzeit (s)
Ausbeute (Gew.-%, bezogen
auf Benzol) 0,8 1,0 1,2
Thiophenol 0,2 0,4 1,4
Diphenylsulfid 1,2 1,7 2,3
Biphenyl
Beispiele 14 bis 15
Die Reaktionen werden in der in den Beispielen 2 bis 4 beschriebenen Anlage ausgeführt. Als Absorptionsmaterial dient ein Gemisch aus 87 Gew.-% verkokter Ölkohle und 13 Gew.-% Zinksulfid. Die erhaltenen Ergebnisse und die Prozeßparameter sind in der Tabelle 5 zusammengestellt.
Tabelle 5
809850 14 15 16
Beispiele 550 600 650
Temperatur (0C) 9,6 9,9 8,9
Verweilzeit (s)
Ausbeute (Gew.-%, bezogen
auf Benzol)
0,8
0,7
0,4
3,8
1,4
0,7
2,5
1,8
1,1
Thiophenol
Diphenylsulfid
Biphenyl
/0639
Leerseif

Claims (15)

JABGBR, GRAMS & PONTANI PATENTANWÄLTE 2 B 2 0 1 1 DIPL.CHEM. DR. KLAUS JAEGER DIPL.-ING. KLAUS D. GRAMS DR.-ING. HANS H. PONTANI GAUTING · BERGSTR. 48Vj 8031 STOCKDORF · KREUZWEG 34 8752 KLEINOSTHEIM · HIRSCHPFAD STA-37 Stauffer Chemical Company Westport, Conn., U.S.A. Verfahren zur Herstellung von Thiophenolen Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Thiophenolen, dadurch gekennzeichnet , daß die entsprechende Benzolverbindung mit Schwefelwasserstoff in Berührung mit einem Absorptionskatalysator umgesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktion bei einer Temperatur im Bereich von ca. 500 bis ca. 900 0C durchgeführt wird.
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TELEPHON: (O 89) 8 5O 2O 3O; 85 74O 8O; (O 6O 27) 88 25 · TELEX: 5 21 777 isar d
QRfGINAL WSPECTEO
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktion bei einer Temperatur im Bereich von ca. 600 bis ca. 800 0C durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Absorptionskatalysator eine spezifische Oberfläche im Bereich von ca. 1 bis ca. 1.000 m2/g aufweist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß als Katalysator Aktivkohle eingesetzt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Katalysator verkokte Ölkohle enthält oder aus dieser besteht.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Katalysator aktivierte, insbesondere mit Wasserdampf bei hoher Temperatur aktivierte Kohle eingesetzt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil des eingesetzten Katalysators mit einem Cokatalysator versetzt oder beladen ist.
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9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Cokatalysator ein übergangsmetallhalogenid oder ein übergangsmetallchalcogenid eingesetzt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet , daß als Katalysator ein Gemisch aus verkokter Ölkohle und mit Zinksulfid imprägnierter aktivierter Kohle eingesetzt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet , daß als Absorptionskatalysator ein Gemisch aus aktivierter Kohle und mit Zinksulfid imprägnierter aktivierter Kohle eingesetzt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Katalysator im Gemisch mit einem Cokatalysator eingesetzt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Cokatalysator ein übergangsmetallhalogenid oder ein übergangsmetallchalcogenid ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet , daß als Absorptionskatalysator eine verkokte Ölkohle und als Cokatalysator
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Zinksulfid im Gemisch miteinander verwendet werden.
15. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Herstellung von Thiophenol (C6H5SH) durch Umsetzen von Benzol mit H3S.
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