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MONSANTO COMPANY St. Louis, Missouri / USA
Verfahren zur Herstellung eine.s Phosphor-Vanadin-Sauerstoff-Komplex-Katalysators
x/R 130012/0748 _/2-
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C23-54-OO77A GW
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Katalysatoren, die für die Herstellung von
Maleinsäureanhydrid durch Oxidation von nicht-aromatischen Kohlenwasserstoffen brauchbar sind. Insbesondere ist die
vorliegende Erfindung auf Katalysatorvorstufen mit verbesserter Druckfestigkeit und Abriebbeständigkeit abgestellt,
die nach Calcinierung in Katalysatoren überführt werden, welche für die Herstellung von Maleinsäureanhydrid aus
nicht-aromatischen Kohlenwasserstoffen, insbesondere aus η-Butan, mit ausgezeichneten Ausbeuten geeignet sind.
Maleinsäureanhydrid ist auf der ganzen Welt eine Verbindung
von signifikantem kommerziellen Interesse. Es wird allein oder in Verbindung mit anderen Säuren bei der Herstellung,
von Alkyd- und Polyesterharzen eingesetzt. Es ist ebenso aach ein vielseitiges Zwischenprodukt für chemische Synthesen,
und ist beispielsweise ein sehr reaktives Dienophil in Diels-Alder-Reaktionen. Um diesen Bedarf an Maleinsäureanhydrid
für die verschiedenartigen Verwendungen zu decken, werden jedes Jahr erhebliche Mengen an Maleinsäureanhydrid
hergestellt.
Aus dem Stande der Technik sind eine Anzahl von Katalysatoren bekannt, die für die Umwandlung von organischen Ausgangsmaterialien
in Maleinsäureanhydrid brauchbar sind. Beispiels-
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weise lehrt die US-Patentschrift 4 111 963 ein Verfahren zur Erhöhung der Produktivität von Phosphor-Vanadin-Sauerstoff-Katalysatoren,
bei welchem man bei der Herstellung derartiger Katalysatoren eine bestimmte Reihenfolge der
Herstellungsstufen einhält. In der US-Patentschrift 4 092
wird ein Verfahren zur Verbesserung der Ausbeute an Maleinsäureanhydrid aus Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterialien
durch Zusatz eines Porenmodifiziermittels zu einer Phosphor-Vanadin-Sauerstoff-Katalysatorvorstufe
zur Schaffung eines Katalysators beschrieben, in welchem das Porenvolumen von Poren mit Durchmessern zwischen etwa 0,8 Mikron und etwa
10 Mikron größer als 0,02 cm /g ist. Die US-Patentschrift 4 017 521 beschreibt ein Verfahren zur Oxidation verschiedener
Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterial-Verbindungen zu Maleinsäureanhydrid in Gegenwart eines Phosphor-Vanadin-Sauerstoff-Katalysators
, hergestellt durch ein Verfahren unter Verwendung eines organischen Lösungsmittels, und der
eine hohe innere Oberfläche - von etwa 10 bis 50 m /g aufweist. Die US-Patentschrift 3 915 892 betrifft die Herstellung
eines Phosphor-Vanadin-Sauerstoff-Katalysators unter Verwendung einer sorgfältig geregelten Folge von Stufen
zur Erwärmung der Vorstufe zwecks Herstellung des Katalysators. Die US-Patentschrift 3 293 268 lehrt ein Verfahren
zur Oxidation von gesättigten, aliphatischen Kohlenwasserstoffen zu Maleinsäureanhydrid unter gesteuerten Tempe-
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raturbedingungen in Gegenwart eines Phosphor-Vanadin-Sauerstoff-Katalysators
. Außerdem betreffen zahlreiche Literaturstellen des Standes der Technik Phosphor-Vanadin-Sauerstoff-Katalysatoren,
die eine kleine Menge eines Promotor-Elementes zur Steigerung der Ausbeute an Maleinsäureanhydrid
enthalten.
Obwohl die Katalysatoren des Standes der Technik gewöhnlich annehmbare Ausbeuten an Maleinsäureanhydrid liefern,
leiden sie ungeachtet dessen an zahlreichen Nachteilen. In bevorzugten Verfahren des Standes der Technik werden Phosphor-Vanadin-Sauerstoff-Katalysatoren
zu Pillen, Pellets, Tabletten oder Strangpreßprofilen vor der Calcinierung, d.h.
während sie sich noch in der Herstellungsstufe der Katalysatorvorstufe befinden, formiert. Diese nichtcalcinierten
Strukturen erfordern gewöhnlich, daß während der Handhabung und Lagerung Vorsichtsmaßregeln getroffen werden, da derartige
Strukturen eine sehr niedrige Druckfestigkeit und Abriebbeständigkeit aufweisen. Die niedrige Druckfestigkeit
und Abriebbeständigkeit führt ihrerseits zu starkem Stäuben, Bruch, sowie zu Abriebproblemen. Darüber hinaus ist sowohl
die Katalysatorvorstufe, als auch der Katalysatorstaub toxisch. Bei Versuchen zur Verbesserung der Druckfestigkeit
und der Abriebbeständigkeit und dadurch bedingtes Verringern der Stäube-, Bruch- und Abriebprobleme, sowie der
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dadurch bedingten Verluste, wurden hochdichte Formen unter Verwendung höherer Verformungsdrucke angewandt- Diese hochdichten
Formen sind jedoch nach der Calcinierung, welche den Katalysator liefert, infolge einer Abnahme ihrer Porosität
weniger aktiv als die weniger dichten Formen. Im Endergebnis wird die Leistungsfähigkeit derartiger Katalysatoren nachteilig
beeinflußt.
Demzufolge wäre eine Katalysatorvorstufe mit verbesserter Druckfestigkeit und Abriebbeständigkeit, deren Leistungsfähigkeit
nach der Umwandlung in den aktiven Katalysator nicht nachteilig beeinflußt ist, ein entschiedener Fortschritt
gegenüber dem Stande der Technik.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Phosphor-Vanadin-Sauerstoff-Katalysatorvorstufen-Strukturen
mit verbesserter Druckfestigkeit und Abriebbeständigkeit zu schaffen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Verfestigung der Phosphor-Vanadin-Sauerstoff-Katalysatorvorstufe-Strukturen
zu schaffen, derart, daß eine Handhabung und Lagerung vor der Calcinierung mit minimalen Verlusten infolge von Stäuben, Bruch und Abrieb
möglich ist.
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Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung von Phosphor-Vanadin-Sauerstoff-Katalysatorvorstufe-Strukturen
mit verbesserter Beständigkeit gegenüber Stäuben, Bruch und Abrieb.
Ein zusätzliches Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung von Phosphor-Vanadin-Sauerstoff-Katalysatorvorstufe-Strukturen
mit ausreichender Druckfestigkeit und Abriebbeständigkeit, um ein direktes Einfüllen der nichtcalcinierten Strukturen in
Reaktoren für die Herstellung von Maleinsäureanhydrid zwecks einer in situ-Calcinierung zu ermöglichen.
Ein weiteres Ziel dieser Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Phosphor-Vanadin-Sauerstoff-Kata
lysatoren mit hoher Leistungsfähigkeit zu schaffen, um herausragend gute Ausbeuten an Maleinsäureanhydrid zu erzie
len.
Ein weiteres Ziel dieser Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Phosphor-Vanadin-Sauerstoff-Kata
lysatoren zu schaffen, die besonders für die Umwandlung von η-Butan in Kaieinsäureanhydrid geeignet sind.
Diese und andere Ziele der vorliegenden Erfindung werden
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durch das hier offenbarte, verbesserte Verfahren zur Herstellung von Phosphor-Vanadin-Sauerstoff-Katalysatoren mit
einem Atomverhältnis von Phosphor zu Vanadin im Bereich von etwa 1 : 2 bis etwa 2 : 1 erreicht, bei welchem man
(a) Vanadin- und Phosphorverbindungen unter solchen Bedingungen in Kontakt bringt, die eine Katalysatorvorstufe
liefern, in welcher mehr als 50 Atomprozent des Vanadins im vierwertigen Zustand vorliegen,
(b) die Katalysatorstufe gewinnt,
(c) die Katalysatorvorstufe zu Strukturen formiert, und
(d) die Katalysatorvorstufe-Strukturen bei einer Temperatur im Bereich zwischen etwa 3000C und etwa 600°C calciniert,
das dadurch gekennzeichnet ist, daß man die Katalysatorvorstufe-Strukturen
vor der Stufe (d) während eines Zeitraums von etwa 1 Stunde bis etwa 6 Stunden auf eine Temperatur
zwischen etwa 150°C und etwa 3000C erhitzt.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung soll der Ausdruck "mittlere Druckfestigkeit" das Mittel einer Anzahl von
Bestimmungen (gewöhnlich 10 oder mehr) der Druckfestigkeit der Strukturen einer gegebenen Katalysatorvorstufe-Probe
bedeuten. Unter dem Ausdruck "Druckfestigkeit" soll die maximale Kraft verstanden werden, die man auf eine Struktur
einwirken lassen kann, bevor sie ihre nominelle, geometrische Integrität verliert. Der Ausdruck "Abrieb" soll den
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Vorgang des Verschleißens oder Feinmahlens durch Reibung
und Bruch ler Strukturen zu Staub und Feinststoffen bedeuten. Der A isdruck "Prozent Abrieb" bedeutet den Gewichtsverlust
in Gramm durch Reibung und Bruch der Strukturen, geteilt durch das Gewicht in Gramm der ursprünglichen Strukturen,
und Multiplikation des erhaltenen Quotienten mit 100. Der Ausdruck "Ausbeute" bedeutet das Verhältnis der
erhaltenen Mole Maleinsäureanhydrid zu den Molen der in den Reaktor eingeführten Beschickung. Der Ausdruck "Raumgeschwindigkeit"
bedeutet das stündliche Volumen an gasförmi-
3 ger Beschickung, angegeben in Kubikzentimeter (cm ) bei
15,50C und atmosphärischem Standarddruck, geteilt durch
das Katalysator-Schüttvolumen, angegeben in Kubikzentimetern,
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wobei die Angabe in cm /cm /h erfolgt.
Die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Katalysatoren sind besonders für die Umwandlung von η-Butan in
Maleinsäureanhydrid brauchbar. Die Katalysatorvorstufen
sind dadurc.i gekennzeichnet, daß sie eine verbesserte mittlere
Druckfestigkeit und einen verbesserten prozentualen Abrieb zeicen. Wenn die Katalysatorvorstufen in den aktiven
KatalysatOL umgewandelt werden, wird darüber hinaus ihre Leistungsfähigkeit nicht nachteilig beeinflußt. Diese unterscheidenden
charakteristischen Eigenschaften werden durch das Verfahren zur Herstellung der Katalysatorvorstufen und
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der Katalysatoren bewirkt. Einzelheiten des Herstellungsverfahrens,
der unterscheidenden charakteristischen Eigenschaften der Katalysatorvorstufen und Katalysatoren, sowie
Mittel zur Bestimmung derartiger charakteristischer Eigenschaften,
als auch die Verwendung derartiger Katalysatoren zur Umwandlung von nicht-aromatischen Kohlenwasserstoffen
in Maleinsäureanhydrid werden nachfolgend beschrieben.
1. Katalysatorhersteilung
Ganz allgemein gesagt, werden die Katalysatoren der vorliegenden Erfindung hergestellt, indem man eine Phosphorverbindung
und eine Vanadinverbindung unter Bedingungen in Kontakt bringt, die eine Katalysatorvorstufe mit einem Atomverhältnis
von phosphor zu Vanadin zwischen etwa 1 : 2 und etwa 2 : 1 liefern und in der mehr als 50 Atomprozent des
Vanadins in vierwertigem Zustand vorliegen. Die Katalysatorvorstufen werden gewonnen und zu irgendwelchen geeigneten
Strukturen - zum Beispiel zu Tabletten, Pillen, Pellets, Strangpreßprofilen - zur Verwendung in einem Reaktor für
die Herstellung von Maleinsäureanhydrid verformt. Fallis
gewünscht, kann man vor der Formierung der Struktur ein Porenmodifikationsmittel zusetzen. Anschließend wird die
strukturierte Katalysatorvorstufe während eines Zeitraums von etwa 1 Stunde bis etwa 6 Stunden einer Wärmebehandlung
bei einer Temperatur zwischen etwa 150°C und etwa 3000C
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unterworfen, um sowohl die mittlere Druckfestigkeit, als auch die Abriebbeständigkeit zu verbessern. Anschließend
an die Wärmebehandlung werden die hitzegehärteten Katalysatorvorstufen
bei einer Temperatur zwischen etwa 3OO°C und etwa 60O0C zur Formierung des Katalysators calciniert.
Die als Quelle für Vanadin in den Katalysatorvorstufen brauchbaren Vanadinverbindungen sind solche, die dem Fachmann
bekannt sind. Geeignete Vanadinverbindungen sind nachstehend aufgeführt, wobei jedoch diese Aufzählung die vorliegende
Erfindung nicht beschränken soll: Vanadinoxide, wie Vanadinpentoxid, Vanadintetroxid, Vanadintrioxid, und
dergleichen; Vanadinoxyhalogenide, wie Vanadylchlorid, Vanadyldichlorid, Vanadyltrichlorid, Vanadylbromid, Vanadyldibromid,
Vanadyltribromid, und dergleichen; Vanadin enthaltende Säuren, wie Metavanadinsäure, Pyrovanadinsäure,
und dergleichen; Vanadinsalze, wie Ammoniummetavanadat, Vanadinsulfat, Vanadinphosphat, Vanadylformiat, Vanadyloxylat,
und dergleichen. Von diesen Vanadinverbindungen wird jedoch Vanadinpentoxid bevorzugt.
Die als Quelle für Phosphor in den Katalysatorvorstufen brauchbaren Phosphorverbindungen sind solche, die dem Fachmann
bekamt sind. Geeignete Phosphorverbindungen umfassen: Phosphorsäuren, wie Orthophosphorsäure, Metaphosphorsäure,
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und dergleichen; Phosphoroxide, wie Phosphorpentoxid, und dergleichen; Phosphorhalogenide, wie Phosphorpentachlorid,
Phosphoroxybromid, Phosphoroxychlorid, und dergleichen; dreiwertige Phosphorverbindungen, wie phosphorige Säure,
Phosphortrihalogenide (beispielsweise Phosphortrichlorid), organische Phosphite (beispielsweise Trimethylphosphit),
manchmal auch als Phosphonate bezeichnet, und dergleichen. Von diesen aufgeführten Verbindungen werden Orthophosphorsäure
und Phosphorpentoxid bevorzugt, wobei eine Mischung von Orthophosphorsäure und phosphoriger Säure besonders
bevorzugt wird.
Zur Herstellung der Katalysatorvorstufen nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren wird eine geeignete Vanadinverbindung mit einer geeigneten Phosphorverbindung in einem sauren
Medium in Kontakt gebracht und die Mischung zur Auflösung der Ausgangsmaterialien erhitzt. Ein Reduktionsmittel wird
zur Reduktion von fünfwertigem Vanadin zu vierwertigem Vanadin, und zur Aufrechterhaltung des Vanadins in vierwertigem
Zustand angewandt. Wie dem auf diesem Gebiete tätigen Fachmann wohlbekannt ist, können Wasserstoffhalogensäure-
oder Oxalsäurelösungen, die milde Reduktionsmittel sind, nicht nur als saures Medium, sondern auch als reduzierendes
Mittel für das fünfwertige Vanadin dienen. Eine dreiwertige
Phosphorverbindung kann ebenfalls als reduzierendes Mittel
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für das fünfwertige Vanadin eingesetzt werden, als auch
als Phosphorquelle zur Schaffung der Katalysatorvorstufen dienen. Phosphorige Säure ist die dreiwertige Phosphorverbindung
der Wahl zur Verwendung bei der Herstellung der Katalysatorvorstufen insofern, als sie, wie oben angegeben,
eine bevorzugte Verbindung ist und sie zusätzlich als saures Medium für die Durchführung der gewünschten Reduktion
des fünfwertigen Vanadins zum vierwertigen Vanadin dienen kann. Falls gewünscht, kann ein grenzflächenaktives
Mittel zu der Mischung zur Steuerung der Teilchengröße und Verhinderung der Agglomeration der Katalysatorvorstufen
während der Herstellung derselben zugesetzt werden, obwohl dies nicht unbedingt erforderlich ist. Grenzflächenaktive
Mittel, die für eine Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind, werden in der US-Patentschrift 4 149
beschrieben.
Die geeignete Menge an grenzflächenaktivem Mittel, falls ein
solches verwendet wird, in dem erfindungsgemäßen Verfahren kann innerhalb weiter Bereiche variieren. Es wurde festgestellt,
daß die Menge an grenzflächenaktivem Mittel zumindest etwa 0,05 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht der
trockenen Katalysatorvorstufe, betragen sollte, da bei niedrigeren Konzentrationen die Wirkung des grenzflächenaktiven
Mittels beträchtlich abgeschwächt ist. Andererseits
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gibt es keine obere Grenze für die Menge an grenzflächenaktivem Mittel, das eingesetzt werden kann, obzwar es den
Anschein hat, daß kein Vorteil bei der Verwendung von mehr als etwa 1,0 Gewichtsprozent erhalten wird, und es wird
gewöhnlich bevorzugt, zwischen etwa 0,1 und etwa 0,5 Gewichtsprozent, bezogen auf das Trockengewicht der Katalysatorvorstufe,
einzusetzen.
Die saure Lösung, welche die Phosphorverbindung und die Vanadinverbindung enthält, wird erhitzt, bis eine blaue
Lösung erhalten wird, welche anzeigt, daß zumindest 50 Atomprozent des Vanadins in vierwertigem Zustand vorliegt.
Der zur Auflösung der Phosphorverbindung und der Vanadinverbindung, sowie zur Schaffung einer wesentlichen Menge
des Vanadins in vierwertigem Zustand und zur Schaffung der Katalysatorvorstufen erforderliche Zeitbedarf variiert
von Charge zu Charge,je nach den als Ausgangsmaterialien
eingesetzten Verbindungen und der Temperatur, auf welche die Verbindungen erhitzt wurden. Im allgemeinen jedoch
ist ein Erhitzen der Lösung während eines Zeitraum von etwa 4 Stunden auf zumindest 1000C ausreichend. Es ist jedoch
für einen auf diesem Gebiete tätigen Fachmann ersichtlich, daß man einen aliquoten Teil der Lösung analysieren kann,
um sicherzustellen, daß zumindest 50 Atomprozent des Vanadins in vierwertigem Zustand vorliegt.
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Das Atomverhältnis von Phosphor zu Vanadin in dem Ausgangsmaterial
ist wichtig, da es das Atomverhältnis von Phosphor zu Vanadin in dem fertiggestellten Katalysator steuert.
Wenn Phosphor-Vanadin-Sauerstoff-Katalysatorvorstufen ein Phosphor zu Vanadin-Atomverhältnis von unterhalb etwa 1 :
oder über 2 : 1 enthalten, ist die Ausbeute an Maleinsäureanhydrid bei Verwendung der aus diesen Vorstufen hergestellten
Katalysatoren so niedrig, daß sie nicht mehr von kommerzieller Bedeutung ist. Es wird bevorzugt, daß Phosphor-Vanadin-Sauerstoff-Katalysatorvorstufen
ein Atomverhältnis von Phosphor zu Vanadin zwischen etwa 1 : 1 und etwa 1,5 : 1 aufweisen. Wenn der Katalysator dazu verwendet
wird, eine Beschickung, die hauptsächlich η-Butan ist, in Maleinsäureanhydrid umzuwandeln, wird es besonders bevorzugt,
daß die Katalysatorvorstufen ein Atomverhältnis von Phosphor zu Vanadin zwischen etwa 1 : 1 und 1,2 : 1 aufweisen.
Nachdem die Vanadin- und Phosphorverbindungen in Berührung gebracht worden sind und eine wesentliche Menge des Vanadins
in vierwertigem Zustand vorliegt, ist es erforderlich, die Phosphor-Vanadin-Sauerstoff-Katalysatorvorstufen zu gewinnen.
Arbeitsweisen zur Gewinnung der Katalysatorvorstufen
sind dtm auf diesem Gebiete tätigen Fachmann wohlbekannt.
Beispielsweise können die Katalysatorvorstufen aus wässeriger
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Lösung auf einem Träger, wie Aluminiumoxid oder Titandioxid abgeschieden werden, oder es können die KataIysatorvorstufen
wahlweise durch sanftes Erwärmen bis zur Trockene unter Bildung von festen, Phosphor-Vanadin-Sauerstoff-Katalysator-·
Vorstufen gewonnen werden. Die letztgenannte Arbeitsweise wird bevorzugt.
Wie bereits oben erwähnt, können Porenmodifiziermittel, die zur Erhöhung der Gesamtporosität einer gegebenen Katalysator-Struktur
brauchbar sind, falls gewünscht, angewandt werden. Geeignete Verfahren, welche die Porenmodifiziermittel
und deren Verwendung betreffen, sind in der US-Patentschrift 4 092 269 beschrieben.
Nachdem die Phosphor-Vanadin-Sauerstoff-Katalysatorvorstufen gewonnen worden sind, und zwar ohne Rücksicht darauf,
ob sie ein Porenmodifiziermittel enthalten oder nicht, werden sie zu für eine Verwendung in einem Maleinsäureanhydrid-Reaktor
geeigneten Strukturen geformt. Arbeitsweisen zur Formierung geeigneter Strukturen aus Vorstufen für eine
Verwendung in einem Wirbelbett-Reaktor oder in einem Reaktor mit stehendem Rohr vom Wärmeaustauscher-Typ sind dem
auf diesem Gebiete tätigen Fachmann wohlbekannt. Beispielsweise können die Katalysatorvorstufen für eine Verwendung in
einem Wirbelbett-Reaktor durch Abscheiden der Phosphor-Vanadin-Sauerstoff-Katalysatorvorstufe
auf einem Träger struk-
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turiert werden. Wahlweise können getrocknete Katalysatorvorstufen für eine Verwendung in einem Wirbelbett-Reaktor
zerkleinert werden. Andererseits können Katalysatorvorstufen für eine Verwendung in einem Reaktor mit stehendem Rohr
vom Wärmeaustauscher-Typ durch Extrudieren einer Paste der Vorstufen durch eine Düse, oder durch Sprühkristallisation,
durch Tablettieren, und dergleichen, der Vorstufen strukturiert werden. Und wie bereits oben erwähnt, können die
Katalysatorvorstufen ein Porenmodifiziermittel, falls gewünscht, enthalten.
Nachdem die Phosphor-Vanadin-Sauerstoff-Katalysatorvorstufen
zu Strukturen verformt worden sind, die in einem Reaktor für die Herstellung von Maleinsäureanhydrid verwendet
werden, erhitzt man die Vorstufen unter Bedingungen und während eines Zeitraums, der ausreicht, die Strukturen
zu verfestigen, ohne unerwünschte, mit einer Calcinierung verbundene Phasenänderungen oder -übergänge zu induzieren.
Das Bestreben, die Durchführung einer Calcinierung der Katalysatorvorstufen während der Wärmebehandlung zu vermeiden,
besteht deswegen, weil der calcinierte, nichtkonditionierte (nachfolgend diskutierte) Katalysator die Tendenz aufweist,
Wasser zu adsorbieren, und hierdurch eine wesentliche Reduktion in der Katalysatoraktivität bewirkt wird.
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Die Wärmebehandlung kann entweder in einer inerten Atmosphäre, oder in Sauerstoff, oder in einer Sauerstoff enthaltenden
Atmosphäre durchgeführt werden, wie beispielsweise in einer solchen, wie sie nachstehend für die Calcinierungsstufe
diskutiert wird.
Die während der Warmebehandlungsstufe des erfindungsgemäßen
Verfahrens angewandten Temperaturbedingungen können innerhalb ziemlich weiter Grenzen liegen. Im allgemeinen
sind Temperaturen zwischen etwa 15O°C und etwa 300°C geeignet,
wobei die bevorzugte Temperatur zwischen etwa 20O0C
und etwa 28O°C, und gewöhnlich zwischen etwa 22O°C und etwa
26O0C liegt. Bei den bevorzugten Temperaturen erfolgt die
gewünschte Verfestigung der Katalysatorvorstufen-Strukturen in Abwesenheit von Calcinierungsphasenübergängen. Es ist
jedoch zu ersehen, daß die tatsächlich angewandte Temperatur in einem gewissen Ausmaß von der Erhitzungsrate bis
zu den gewünschten Temperaturen und der Länge der Zeit, während welcher die Temperatur aufrechterhalten wurde, abhängen
wird.
Die für die gewünschte Verfestigung der Katalysatorvorstufe-Strukturen
auf dem Wege über eine Wärmebehandlung benötigte Zeit ist nicht entscheidend. Geeignete Erhitzungszeiten können
von etwa 1 Stunde bis etwa 6 Stunden variieren, wobei
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etwa 2 Stunden gewöhnlich ausreichend sind. Der tatsächlich angewandte Zeitraum jedoch wird in einem gewissen Ausmaß
mit den angewandten Temperaturen variieren. Da außerdem bei Temperaturen von etwa 3OO°C oder höher der Bereich der CaI-cinierung
erreicht wird und da, wie weiter oben angegeben, eine Calcinierung während der Wärmebehandlungsstufe zu
vermeiden ist, verschlimmert ein verlängertes Erhitzen bei derartigen Temperaturen das Problem. Daher ist gewöhnlich
die Erhitz^ngszeit um so kürzer, je höher die angewandten · Temperaturen liegen, insbesondere bei etwa 30O0C und höher.
Im Anschluß an die Wärmebehandlung werden die Katalysatorvorstufen
bei Temperaturen im Bereich zwischen etwa 3000C und etwa 6000C während eines geeigneten Zeitraums, gewöhnlich
zumindest 2 Stunden, in entweder einer inerten Atmosphäre, wie Stickstoff oder einem Edelgas, oder in Sauerstoff,
oder in einem Sauerstoff enthaltenden Gas, wie Luft, zur Umwandlung der Katalysatorvorstufen in die Katalysatoren
der vorliegenden Erfindung calciniert. Wenn die Calcinierung in einer inerten Atmosphäre durchgeführt wird,
erfolgt die Umwandlung der Katalysatorvorstufe in den Katalysator ohne eine übermäßige Oxidation des vierwertigen
Vanadins in das fünfwertige Vanadin.
Wenn eine Atmosphäre aus freiem Sauerstoff oder eine Sauer-
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ORIGINAL INSPECTED
stoff enthaltende Atmosphäre verwendet wird, wird es vorgezogen, die Katalysatorvorstufen zu calcinieren, bis etwa
20 Atomprozent bis etwa 90 Atomprozent des Vanadins in fünfwertiges
Vanadin umgewandelt worden sind. Wenn mehr als etwa 90 Atomprozent des Vanadins, gewöhnlich durch eine zu lange
Calcinierung, oder bei einer zu hohen Temperatur, zum fünfwertigen Vanadin oxidiert worden sind, nimmt die Selektivität
des erhaltenen Katalysators und die Ausbeute an Maleinsäureanhydrid in markanter Weise ab. Andererseits scheint
die Oxidation von weniger als etwa 20 Atomprozent Vanadin während der Calcinierung in einer Sauerstoff enthaltenden
Atmosphäre nicht vorteilhafter zu sein, als eine Calcinierung in einer inerten Atmosphäre.
Es ist für einen auf diesem Gebiete tätigen Fachmann ohne weiteres ersichtlich, daß die nichtcalcinierten Strukturen
infolge der Verfestigung der Katalysatorvorstufe-Strukturen durch Wärmebehandlung wahlweise in einen geeigneten Reaktor
für die Herstellung von Maleinsäureanhydrid vor der Calcinierung überführt werden können, ohne daß Schwierigkeiten
infolge von Stäuben, Bruch und Abrieb zu beobachten sind, wie sie gewöhnlich bei Phosphor-Vanadin-Sauerstoff-Katalysatorvorstufen-(und
-Katalysator-)Strukturen auftreten. Die Vorstufe-Strukturen können dann in dem Reaktor, das
heißt in situ, unter geeigneten Bedingungen, wie sie vor-
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stehend zur Schaffung des aktiven Katalysators beschrieben wurden, calciniert werden. Dies kann insofern in hohem
Maße vorteilhaft sein, als die Wasseradsorption durch den calcinierten und nichtkonditionierten Katalysator, als auch
bei der Handhabung des calcinierten Katalysators, vermieden wird.
Es ist selbstverständlich zu ersehen, daß die exakten CaI-cinierungsbedingungen
von dem Verfahren zur Herstellung der Katalysatorvorstufen, der Anordnung der Anlage, der
Additive zu den Katalysatorvorstufen, und dergleichen abhängen werden; es wurde jedoch festgestellt, daß eine
Calcinierung bei Temperaturen zwischen etwa 4OO°C und etwa 500°C während eines Zeitraums von etwa 4 Stunden gewöhnlich
ausreichend ist, ohne Rücksicht darauf, ob die Katalysatorvorstufe-Strukturen vorher calciniert worden sind, oder
erst nachdem sie in den Reaktor für die Herstellung von Maleinsäureanhydrid eingefüllt worden sind.
Der durch Calcinieren der Katalysatorvorstufen formierte
Phosphor-Vanadin-Sauerstoff-Katalysator kann (in einem
geeigneten Reaktor) zur Umwandlung von nicht-aromatischen Kohlenwasserstoffen in Maleinsäureanhydrid eingesetzt werden.
Eine Mischung von Kohlenwasserstoff und freien Sauerstoff enthaltendem Gas, wie beispielsweise Luft, kann mit
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dem Katalysator bei Temperaturen zwischen etwa 35O°C und
600°C bei Konzentrationen im Bereich von etwa 1 Molprozent bis etwa 10 Molprozent Kohlenwasserstoff mit einer
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Raumgeschwindigkeit bis zu etwa 3000 cm /cm /h zur Herstellung von Maleinsäureanhydrid in Kontakt gebracht werden.
Es sei jedoch bemerkt, daß die anfängliche Ausbeute an Maleinsäureanhydrid niedrig sein kann, und, falls dies tatsächlich
der Fall ist, der Katalysator, wie dies dem Fachmann bekannt ist, durch In-Kontakt-bringen des Katalysators
mit niedrigen Konzentrationen an Kohlenwasserstoff und Luft bei niedrigen Raumgeschwindigkeiten während eines Zeitraums
vor Beginn der Produktgewinnung "konditioniert" werden kann.
2. Analyse des Katalysators
Nachdem die Katalysatoren, die man durch Calcinierung der wärmebehandelten Katalysatorvorstufen der vorliegenden
Erfindung erhalten hat, während eines Zeitraums von zumindest 16 Stunden zur Umwandlung von nicht-aromatischen Kohlenwasserstoffen
zu Maleinsäureanhydrid konditioniert worden sind, haben die Katalysatoren einen Gehalt an vierwertigem
Vanadin von zwischen etwa 20 Atomprozent und 100 Atomprozent.
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Der Gehalt an Atomprozent von vierwertigem Vanadin (im
Gesamtvanadin) kann durch den "vierwertigen Vanadin-Test"
bestimmt werden. Bei diesem Test wird eine Probe des Katalysators in verdünnter Schwefelsäure gelöst und anschliessend
das vierwertige Vanadin mit einer standardisierten Permanganat-Lösung in einer ersten Titration titriert.
Das fünfwertige Vanadin wird dann durch Zugabe von Natriumsulfit zur vierwertigen Stufe reduziert und das vierwertige
Vanadin mit der standardisierten Permanganat-Lösung in einer zweiten Titration titriert. Der Prozentgehalt an
vierwertigem Vanadin kann berechnet werden, indem man die Anzahl der Milliliter der standardisierten Permanganat-Lösung
aus der ersten Titration durch die Anzahl der Milliliter der standardisierten Permanganat-Lösung aus der zweiten
Titration dividiert und den Quotient mit 100 multipliziert, wodurch man die Prozentzahl erhält.
Wie bereits oben erwähnt, können die Phosphor-Vanadin-Sauerstoff-Katalysatorvorstufen-Strukturen
durch Erhitzen derartiger Strukturen bis auf eine Temperatur zwischen etwa 150 C und etwa 300°C während eines Zeitraums von zwischen
etwa 1 Stunde und etwa 6 Stunden wesentlich verfestigt werden. Das heißt, die Strukturen zeigen eine erhöhte mittlere
Druckfestigkeit und Abriebbeständigkeit, wodurch die Handhabung derartiger Strukturen erleichtet wird, ohne daß
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das Stäuben, der Bruch und die Abriebschwierigkeiten auftreten,
wie sie gewöhnlich bei Phosphor-Vanadin-Sauerstoff-Katalysatorvorstufe-Strukturen
vorhanden sind.
Die Abriebbeständigkeit, berechnet als prozentualer Abrieb, wird durch einen Abrieb-Test bestimmt, in welchem die Menge
in Gramm an Staub und Feinstteilchen gemessen wird, die aus einem spezifizierten Gewicht einer Probe der lose gelagerten
Strukturen durch Reibung und Bruch unter angegebenen Bedingungen gebildet werden. Der prozentuale Abrieb kann
dann berechnet werden, indem man das Gewicht in Gramm des Staubes und der Feinstteilchen (Anfangsgewicht, Gramm minus
anschließendem Gewicht, Gramm) durch das Anfangsgewicht in Gramm der Probe dividiert, und den Quotienten mit 100 multipliziert,
wodurch man die Prozentzahl erhält.
Der Test ist im Detail in Beispiel 3 beschrieben, wobei die Ergebnisse in den Tabellen I und II angegeben sind.
Wie leicht zu ersehen ist, führt die Wärmebehandlung von nichtcalcinierten Katalysatorvorstufen-Strukturen mit
steigenden Temperaturen (bis zu den bevorzugten Temperaturen) zu einem abnehmenden prozentualen Abrieb.
Die mittlere Druckfestigkeit wird durch einen Druckfestigkeits-Test
bestimmt, bei welchem die maximale Kraft, die
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auf die in Rede stehende Struktur, sei es Tablette,.Pille,
Extrudat, und dergleichen, angewandt werden kann, bevor
sie ihre nominale, geometrische Integrität verliert,
gemessen wird. Gewöhnlich werden zehn oder mehr Bestimmungen mit einer gegebenen Probe von Strukturen gemacht und
die für die Druckfestigkeit erhaltenen Werte gemittelt, um eine mittlere Druckfestigkeit zu erhalten.
Der Druckfestigkeits-Test ist im Detail in Beispiel 4
beschrieben, wobei die Ergebnisse in den Tabellen I und II niedergelegt sind. Wie leicht zu ersehen ist, führt die
Wärmebehandlung von nichtcalcinierten Katalysatorvorstufen-Strukturen
bei steigenden Temperaturen (bis zu den bevorzugten Temperaturen) zu einem Anstieg der mittleren Druckfestigkeit.
3. Herstellung von Maleinsäureanhydrid
Die durch Calcinierung der wärmebehandelten Katalysatorvorstufen der vorliegenden Erfindung erhaltenen Katalysatoren
sind in einer Vielzahl von Reaktoren zur Umwandlung von
nicht-aromatischen Kohlenwasserstoffen in Maleinsäureanhydrid brauchbar. Sowohl Wirbelbett-Reaktoren, als auch Reaktoren
mit stehendem Rohr vom Wärmeaustauscher-Typ sind
zufriedenstellend, und Einzelheiten des Betriebes derartiger Reaktoren sind dem auf diesem Gebiete tätigen Fachmann
- /25 -
130 012/0748
wohlbekannt. Die Reaktion zur Umwandlung von nicht-aromatischen Kohlenwasserstoffen in Maleinsäureanhydrid erfordert
lediglich das In-Kontakt-bringen der Kohlenwasserstoffe, vermischt mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Gas,
wie beispielsweise Luft, oder mit Sauerstoff angereicherte Luft, mit dem Katalysator bei erhöhten Temperaturen. Die
Kohlenwasserstoff/Luft-Mischung wird mit dem Katalysator bei einer Konzentration von etwa 1 Molprozent bis etwa
10 Molprozent Kohlenwasserstoff bei einer Raumgeschwindig-
3 3 3 3
keit von etwa 100 cm /cm /h bis etwa 3000 cm /cm /h bei
Temperaturen zwischen etwa 3000C und etwa 600°C zur Schaffung
ausgezeichneter Ausbeuten an Maleinsäureanhydrid in Kontakt gebracht. Das durch Verwendung der wärmebehandelten
Katalysatoren der vorliegenden Erfindung hergestellte Maleinsäureanhydrid kann nach einer ganzen Reihe von dem auf
diesem Gebiete tätigen Fachmann bekannten Verfahren gewonnen werden. Zum Beispiel kann Maleinsäureanhydrid durch
direkte Kondensation, oder durch Absorption in geeigneten Medien mit anschließender Abtrennung und Reinigung des
Anhydrids erhalten werden.
Eine große Anzahl von nicht-aromatischen Kohlenwasserstoffen mit 4 bis 10 Kohlenstoffatomen kann unter Verwendung des
gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Katalysators in Maleinsäureanhydrid umgewandelt werden. Es ist
- /26 -
130012/0748
- 2er-
lediglich erforderlich, daß der Kohlenwasserstoff nicht weniger als vier Kohlenstoffatome in einer geraden Kette
enthält. Beispielsweise ist der gesättigte Kohlenwasserstoff η-Butan zufriedenstellen, jedoch ist Isobutan (2-Methylpropan)
für eine Umwandlung in Maleinsäureanhydrid nicht zufriedenstellend, obgleich seine Gegenwart nicht
schädlich ist. Andere geeignete, gesättigte Kohlenwasserstoffe, außer η-Butan, schließen die Pentane, die Hexane,
die Heptane, die Octane, die Nonane, die Decane, und Mischungen irgendwelcher dieser Kohlenwasserstoffe,mit
oder ohne η-Butan, ein.
Ungesättigte Kohlenwasserstoffe sind ebenfalls für die
Umwandlung in Maleinsäureanhydrid unter Verwendung des wärmebehandelten Katalysators der vorliegenden Erfindung geeignet.
Geeignete ungesättigte Kohlenwasserstoffe umfassen die Butene (1-Buten und 2-Buten), 1,3-Butadien, die Pentene,
die Hexene, die Heptene, die Octene, die Nonene, die Decene, und Mischungen irgendwelcher dieser Verbindungen, mit oder
ohne die Butene.
Cyclische Verbindungen, wie Cyclopentan, Cyclopenten,
oxygenierte Verbindungen, wie Furan, Dihydrofuran, oder auch Tetrahydrofurfuralalkohol, sind ebenfalls zufriedenstellend.
- /27 -
130012/0748
Von den voreirwähnten Ausgangsmaterialien ist η-Butan der
bevorzugte gesättigte Kohlenwasserstoff und die Butene sind die bevorzugten ungesättigten Kohlenwasserstoffe, wobei
η-Butan von allen Ausgangsmaterialien besonders bevorzugt wird.
Es sei bemerkt, daß die vorerwähnten Ausgangsmaterialien nicht notwendigerweise reine Substanzen sein müssen, sondern
sie können Kohlenwasserstoffe von technischer Reinheit sein.
Das Hauptprodukt aus der Oxidation der oben erwähnten Ausgangsmaterialien
ist Maleinsäureanhydrid, obwohl kleine Mengen an Citraconsäureanhydrid (Methylmaleinsäureanhydrid)
ebenso gebildet werden können, wenn das Ausgangsmaterial ein Kohlenwasserstoff ist, der mehr als vier Kohlenstoffatome
enthält.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung die Wärmebehandlung von Phosphor-Vanadin-Sauerstoff-Katalysatorvorstufen
bei Temperaturen zwischen etwa 15O°C und etwa 300 C während eines Zeitraums von etwa 1 Stunde bis etwa
6 Stunden, bevor man diese Vorstufen Calcinierungsbedingungen unterwirft. Diese Behandlung liefert Katalysatorvorstufen
mit erhöhter Druckfestigkeit und Äbriebbeständigkeit. Die Katalysatorvorstufen werden nach der Calcinierung
- /28 -
130012/0748
in Phosphor-Vanadin-Sauerstoff-Katalysatoren überführt, die
für die Umwandlung von nicht-aromatischen Kohlenwasserstoffen, insbesondere von η-Butan, in Maleinsäureanhydrid
brauchbar sind.
Die nachfolgenden Beispiele dienen der Erläuterung der vorliegenden
Erfindung, sollen diese jedoch in keiner Weise beschränken.
B e i s ρ i e 1 1
Zu einer Mischung von 340,0 g (1,87 Mol) Vanadinpentoxid,
1150 ml Wasser und 2,3 g Sterox® NJ nichtionisches grenzflächenaktives
Mittel (Nonylphenol-Äthylenoxid-Kondensat, molares Verhältnis von etwa 1 : 10) wurden 228,0 g (1,98
Mol) 85%ige Orthophosphorsäure und 173,0 g (2,06 Mol) 97,6%ige phosphorige Säure zugegeben. Das Atomverhältnis
von Phosphor zu Vanadin betrug etwa 1,08 : 1. Die wässerige Mischung aus Vanadin- und Phosphorverbindungen wurde
in einen 2 Liter Parr-Autoklav überführt, der mit einer Thermometerhülse, zwei 6flügeligen Rührern und einer Entlüftung
versehen war, und auf etwa 100°C erwärmt. Der Autoklav wurde anschließend verschlossen. Die Mischung wurde
unter Rühren mit einer Rührgeschwindigkeit von 1000 Umdrehungen pro Jlinute (UpM) auf etwa 1500C in etwa 50±10 Minuten
erhitzt und auf dieser Temperatur etwa 4 Stunden lang
- /29
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gehalten. Nach diesem Zeitraum wurde der Autoklav auf etwa 800C in 50±10 Minuten abgekühlt und geöffnet. Die wässerige
Aufschlämmung der Phosphor-Vanadin-Sauerstoff-Katalysatorvorstufe
wurde in eine offene, schüsseiförmige Kasserolle überführt und in einem Ofen bei 1200C zur Trockene eingedampft.
Die zurückbleibenden Feststoffe wurden so fein gemahlen, daß sie ein 18 mesh (0,9 ram)-Sieb (U.S. Standard-Siebgröße)
passierten und zu Tabletten mit einem Durchmesser von 0,48 cm unter Verwendung von 1 Gewichtsprozent Graphit
als pelletisierendes Gleitmittel geformt. Es wurden niedrige Tablettierdrucke angewandt, wie dies durch die
mittlere Druckfestigkeit von 8,54 Newton (1,92 pounds) für die nicht wärmebehandelten Tabletten angezeigt wird (Tabelle
I). Proben dieser Tabletten wurden in 116 mm Verdampfungsschalen aus Porzellan placiert und, beginnend bei Raumtemperatur,
in einem Ofen auf Temperaturen im Bereiche von 1000C bis 33O°C in Stufenintervallen erhitzt. Die angezeigte Temperatur
wurde 4 Stunden lang aufrechterhalten. Die Ergebnisse sind in der Tabelle I niedergelegt.
Bei s ρ i e 1 2
Das im Beispiel 1 beschriebene Verfahren wurde wiederholt, mit der Ausnahme, daß höhere Tablettierdrucke angewandt
wurden, wie dies durch die mittlere Druckfestigkeit (Tabelle II) von 28,17 Newton (6,33 pounds) für die nicht wärme-
- /30 -
130012/0748
behandelten Tabletten angezeigt ist. Die Ergebnisse sind in der Tabelle II niedergelegt.
B £ i s' ρ i e 1 3
Dieses Beispiel erläutert den Abrieb-Test, wie er zur Bestimmung des prozentualen Abriebs der Phosphor-Vanadin-Sauerstoff-Katalysatorvorstufen
(oder -Katalysatoren) verwendet wird.
Es wurde ein 17,78 cm (7,0 inch) hohes, mit einer aufschraubbaren Kappe versehenes Gefäß mit einem Außendurchmesser von
9,525 cm (3,75 inch) und einem Inhalt von 0,946 1 (1,0 quart)' verwendet, das an den Innenseiten zwei 1,27 cm (0,5 inch)
hohe und 8,89 cm (3,5 inch) lange der Länge nach an den Innenseiten in einem Winkel um 180° versetzt einzementierte
Prellbleche aus rostfreiem Stahl enthielt.
Die Katalysatorvorstufen-Proben aus den Beispielen 1 und 2 wurden getrennt gesiebt, wobei zur Entfernung von irgendwelchem
Staub und Feinstteilchen ein 10 mesh (1,68 mm)-Sieb (U.S. Standard-Siebgröße) verwendet wurde. Annähernd 50,00 g
von jeder der gesiebten Proben wurden genau gewogen (Anfangsgewicht in Gramm) und in die oben beschriebene Apparatur
überführt. Das mit Prellblechen versehene Gefäß, welches die Katalysatorvorstufe enthielt, wurde auf eine Walzenmühle
- /31 -
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placiert und bei 160 + 5 Umdrehungen pro Minute (UpM) 15 Minuten
lang gedreht. Die Probe wurde dann aus dem Gefäß entfernt, gesiebt und gewogen (abschließendes Gewicht in Gramm),
um die Menge an Abriebmaterial, welches durch das 10 mesh (1,68 mm)-Sieb hindurchging, zu bestimmen. Der prozentuale
Abrieb wurde wie folgt berechnet:
% Abrieb = AnfangsgewiCn'<- (9)'"'"' Abschließendes Gewicht (g) χ 1QQ
Anfangsgewicht (g)
Die Ergebnisse für die Beispiele 1 und 2 werden in den Tabellen I bzw. II in den Spalten mit der Überschrift "Abrieb (%)"
gezeigt.
B e·· i s p' i e 1 4
Dieses Beispiel erläutert den zur Bestimmung der mittleren Druckfestigkeit (gemessen als longitudinale Seitendruckfestigkeit
für Tabletten) der Phosphor-Vanadin-Sauerstoff-Katalysatorvorstufe-Strukturen angewandten Druckfestigkeits-Test.
Es wurde ein John Chatillon and Sons Universal Test Stand, Model LTCM (motorisiert, variable Geschwindigkeitseinheit),
versehen mit Chatillon Dial Push/Pull Guages, entweder Model DPP-IO [10 pounds (44,50 Newton) maximum], oder Model DPP-50
[50 pounds (222,50 Newton) maximum], abhängig von dem vorweggenommenen Bereich der Druckfestigkeit, als Versuchs-
apparatur eingesetzt.
- /32 -
130012/0748
Tabelle I
Wärmebehandlung von bei niedrigen Tablettierdrucken foT-mi g-r-t'pn,- tvi chtcalcinierten Phosphor-Vanadin-Sauer stoff-Katalysatorvorstufe-Tabletten
Gewicht (g) Gewichtsverlust ,, . ,
Ein Aus (g) (%) (%)
5,96 6,80 4,20 3,16 3,32 4,55 3,26
|
Probe
Nr . |
Temp. |
Zeit: R.T.*
bis Temp.
(min) |
|
1 |
R.T.* |
- |
1300 |
2
3 |
100
150 |
36
90 |
|
4 |
200 |
63 |
ο
-«α |
5 |
250 |
50 |
co |
6 |
300 |
45 |
|
7 |
330 |
55 |
75,19 |
74,81 |
0,38 |
0,51 |
75,12 |
74,71 |
0,41 |
0,55 |
75,16 |
74,61 |
0,55 |
0,73 |
75,14 |
74,25 |
0,89 |
1,18 |
75,10 |
73,50 |
1,60 |
2,13 |
75,20 |
73,32 |
1,88 |
2,50 |
* R.T. ist Raumtemperatur — Etwa 200C bis etwa 25°C
Tabelle
I (Fortsetzung)
Wärmebehandlung von bei niedrigen Tablettierdrucken formierten, nichtcalcinierten Phosphor-Vanadin-Sauerstoff -Katalysatorvorstufe-Tabletten
ACS**
Probe
Nr.
Mittlere N |
Std. Abw.*** |
8,54 |
2,14 |
11,21 |
2,89 |
15,53 |
6,90 |
21,00 |
7,39 |
28,97 |
8,81 |
51,31 |
15,00 |
38,23 |
8,54 |
Gewichtsprozent Vanadin
4+
5+
V4+ + V5+
Prozent V4+/(V4+ + V5+)
27.00 0,00 27,00 27,97 0,00 27,97 28,48 0,00 28,48 28,53 0,00 28,53
28,10 0,00 28,10
28.01 0,42 28,43 27,50 0,96 28,46
100,00
100,00
100,00
100,00
100,00
98,52
96,63
** ACS ist die mittlere Druckfestigkeit in Newton (N) *** Std. Abw. ist die mittlere quadratische Abweichung
CO
CD
- Λ
cn ι
Tabelle II
Wärmebehandlung von bei hohen Tablettierdrucken formierten, nichtcalcinierten Phosphor-Vanadin-Sauer
stoff-Katalysatorvorstufe-Tabletten
Gewicht (g) Gewichtsverlust Abrieb
Ein Aus (g) (%) (%)
13,52
14,03
13,82
11,27
10,56
10,10 Jj
11,19 '
|
Probe
Nr. |
Temp.
(0C) |
Zeit: R.T.* |
|
1 |
R.T.* |
bis Temp,
(min) |
|
2 |
100 |
_ |
co
O |
3 |
150 |
36 |
O |
4 |
200 |
90 |
*-»
O |
5 |
250 |
63 |
-J |
6 |
300 |
50 |
C& |
7 |
330 |
45 |
|
|
55 |
|
75,15 |
74,56 |
0,59 |
0,78 |
75,03 |
74,39 |
0,64 |
0,85 |
75,11 |
74,23 |
0,88 |
1,17 |
75,05 |
73,62 |
1,43 |
1,91 |
75,06 |
73,21 |
1,85 |
2,46 |
75,02 |
72,84 |
2,18 |
2,91 |
* R.T. ist Raumtemperatur — Etwa 20°C bis etwa 25°C
Tabelle II (Fortsetzung)
Wärmebehandlung von bei hohen Tablettierdrucken formierten, nichtcalcinierten Phosphor-Vanadin-Sauerstoff-Katalysatorvorstufe-Tabletten
ACS
Gewichtsprozent Vanadin
|
Probe
Nr. |
Mittlere N |
Std. Abw.*** |
V4+ |
V5+ |
V4+ + V5+ |
|
1 |
28,17 |
9,75 |
27,08 |
0,00 |
27,08 |
CO |
2 |
32,97 |
6,76 |
27,34 |
0,00 |
27,34 |
O
O |
3 |
44,63 |
11,66 |
28,91 |
0,00 |
28,91 |
NJ
's. |
4 |
67,06 |
17,76 |
27,90 |
0,00 |
27,90 |
O
■-4 |
5 |
83,62 |
26,12 |
28,28 |
0,00 |
28,28 |
•P»
CO |
6 |
100,48 |
39,61 |
28,76 |
0,48 |
29,24 |
|
7 |
92,25 |
29,19 |
27,70 |
1,11 |
28,81 |
Prozent V4+/(V4+ + V5+)
100,00
100,00
100,00
100,00
100,00
98,36
96,15
UJ (Ti
** ACS ist die mittlere Druckfestigkeit in Newton (N) *** Std. Abw. ist die mittlere quadratische Abweichung
co
OJ
cn ^
Die Tablette wurde an ihrer Seite unter dem Zentrum des.
Kolbens placiert und das Instrument in automatischer Weise bei einer Einstellung von 2 betrieben. Die maximale,, während
des Versuches ausgeübte Kraft wurde als Druckfestigkeit für die Tablette angesehen. Von einer gegebenen
Tablettenprobe wurden gewöhnlich 10 oder mehr Bestimmungen durchgeführt und die Druckfestigkeitswerte gemittelt, um
eine mittlere Druckfestigkeit zu bilden. Die Ergebnisse sind in den vorstehenden Tabellen I und II niedergelegt.
B e i s ρ i e 1 5
Dieses Beispiel erläutert die Wirkung von Zeit/Temperatur auf die Verfestigung der Phosphor-Vanadin-Sauerstoff-Katalysatorvorstufe-Strukturen
.
Die Katalysatorvorstufen-Proben (Tabletten, hergestellt
gemäß dem in Beispiel 2 beschriebenen Verfahren) wurden unter Verwendung eines 10 mesh (1,68 mm)-Siebs (U.S. Standard-Siebgröße)
zur Entfernung von irgendwelchen Staub und Feinstteilchen gesiebt. Annähernd 75,00 g von jeder der
gesiebten Proben wurden genau gewogen und in Porzellan-Abdampf schalen in einem Ofen bei Raumtemperatur (23°C) mit
Unterwindfeuerung placiert. Die Temperatur des Ofens wurde während eines Zeitraums von 67 Minuten auf 25O°C erhöht und
während des Versuches aufrechterhalten. Die Proben wurden
- /37 -
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aus dem Ofen zu verschiedenen Zeitintervallen entfernt und der prozentuale Abrieb und die mittlere Druckfestigkeit
bestimmt, um die Wirkung der Zeit bei einer spezifizier€ea
Temperatur auf die Verfestigung der Strukturen während der
f Wärmebehandlung zu messen. Die Ergebnisse wurden in der
nachfolgenden Tabelle III niedergelegt.
Die in der Tabelle III enthaltenen Ergebnisse zeigen, daß die meisten der beobachteten Verbesserungen beim prozentualen
Abrieb und der mittleren Druckfestigkeit während der annähernd lstündigen Aufheizung bis 25O°C eintreten
und daß nach der lstündigen Aufheizung bis und dem 2stündigen Halten bei 250 C lediglich nahe an der niedrigsten
Grenze liegende Verbesserungen erzielt werden. Demzufolge kann die gewünschte Verfestigung der Katalysatorvorstufen-Strukturen
durch Erhitzen der Strukturen auf die bevorzugten Temperaturen während eines Zeitraums von etwa 2 Stunden
bewirkt werden.
Beispiel 6
Das in Beispiel 1 beschriebene Verfahren wurde wiederholt,
mit der Ausnahme, daß das Sterox® NJ-nichtionische grenzflächenaktive
Mittel weggelassen wurde und die Tabletten, beginnend bei Raumtemperatur, in einem Ofen mit Unterwindfeuerung
über einen lstündigen Aufheizzeitraum bis 300 C
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erhitzt wurden, welche Temperatur für 3 Stunden aufrechterhalten wurde. Die wärmebehandelten Tabletten wurden in
einen Reaktor mit feststehendem Rohr von 335,28 cm (11 foot) Länge und einem inneren Durchmesser von 2,1 cm
(0,83 inch) eingefüllt und in situ durch langsames Erhöhen der Temperatur von etwa 170°C bis etwa 37O°C über einen
Zeitraum von 24 Stunden zur Umwandlung der Katalysatorvorstufe in den aktiven Katalysator calciniert.
Der Katalysator wurde zur Umwandlung von η-Butan in Maleinsäureanhydrid während zumindest 16 Stunden bei Temperaturen
zwischen etwa 37O°C und etwa 45O°C konditioniert, wobei
man einen Beschickungsstrom, der 1,5 Molprozent n-Butan in Luft enthielt, bei einer Raumgeschwindigkeit von etwa
3 ^
1450 cm /cm /h anwandte. Nach diesem Zeitraum wurde die
Temperatur auf etwa 4000C eingestellt und nach etwa 100
Stunden Betrieb die Ausbeute an Maleinsäureanhydrid bestimmt. Die Ausbeute an Maleinsäureanhydrid für den konditionierten
Katalysator und die mittlere Druckfestigkeit der nicht wärmebehandelten Katalysatorvorstufe-Tabletten und der wärmebehandelten
Katalysatorvorstufe-Tabletten waren folgende:
- /39 -
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ORIGINAL INSPECTED
Tabelle III
|
Probe
Nr. * |
Temp.
(°C) |
Zeit bei
Temp,
(h) |
Zeit/Temperatur-Effekt auf die |
(g) |
Gewichtsverlust |
(%) |
Druckfestigkeit |
Mittlere |
ACS** |
\ |
|
1 |
23 |
- |
|
Aus |
(S) |
- |
|
28,84 |
N Std. AbW. |
|
|
2" |
248 |
- |
Gewicht |
- |
- |
1,25 |
Abrieb
(%) |
55,00 |
9,26 |
I |
|
3 |
250 |
1 |
Ein |
74,12 |
0,94 |
1,53 |
13,88 |
86,73 |
29,73 |
|
4 |
250 |
2 |
76,08 |
73,94 |
1,15 |
1,65 |
9,78 |
90,69 |
18,07 |
co |
5 |
250 |
4 |
75,06 |
73,82 |
1,24 |
1,70 |
8,12 |
86,06 |
18,65 |
O
σ |
6 |
250 |
6 |
75,09 |
74,09 |
1,28 |
1,80 |
8,37 |
111,38 |
25,54 |
|
7 |
250 |
24 |
75,06 |
74,00 |
1,36 |
1,98 |
9,65 |
95,23 |
34,53 |
σ
-j |
|
|
75,37 |
73,71 |
1,49 |
9,33 |
|
23,72 |
co |
75,36 |
|
9,42 |
|
|
75,20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O I
* Tabletten, formiert bei hohen Tablettierdrucken
** ACS ist die mittlere Druckfestigkeit in Newton (N)
*** Std. Abw. ist die mittlere quadratische Abweichung _
55 Die Probe wurde aus dem Ofen entfernt, sobald die Temperatur von 2480C erreicht war. CjO
cn
Mittlere Druckfestigkeit, Newton
Nicht wärme- Wärmebehandelte Ausbeute, behandelte Tabletten Tabletten Molprozent
12,91 62,30 52,0
Die Ergebnisse zeigen eindeutig, daß die wärbehandelten Strukturen den nicht wärmebehandelten Strukturen sowohl
hinsichtlich der Druckfestigkeit, als auch der Abriebbeständigkeit
überlegen sind.
Das übliche Stäuben, der Bruch und die mit den Phosphor-Vanadin-Sauerstoff-Katalysatorvorstufen
verknüpften Abriebprobleme werden daher im wesentlichen durch Erwärmen der Katalysatorvorstufen-Strukturen bis auf eine Temperatur
zwischen etwa 15O°C und etwa 300°C während eines Zeitraums von etwa 1 Stunde und etwa 6 Stunden vor der Calcinierung
eliminiert.
Es ist daher offensichtlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren
die oben angegebenen Ziele und Aufgaben in zufriedenstellender Weise löst. Obwohl die vorliegende Erfindung
anhand verschiedener spezifischer Beispiele und Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es selbstverständlich, daß
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sie nicht auf diese Beispiele beschränkt sein soll und daß dem auf diesem Gebiete tätigen Fachmann nach Kenntnisnahme
der Beschreibung und der Ansprüche viele wahlweise Ausführungsformen,
Modifikationen und Variationen ohne erfinderisches Zutun möglich sind. Demzufolge sollen alle derartigen
wahlweisen Ausführungsformen, Modifikationen und Variationen,
soweit sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen, von dieser auch umfaßt werden.
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