DE3341776A1 - Katalysator, verfahren zu seiner herstellung und seine verwendung - Google Patents
Katalysator, verfahren zu seiner herstellung und seine verwendungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Katalysator enthaltend einen metallischen
Träger mit einer katalytischen Metall enthaltenden Oberflächenschicht, mit Ausnahme der Edelmetalle, wobei
die katalytische Oberflächenschicht aus einem homogenen metallischen
Träger als Grundlage durch Oxidieren und nachfolgendes Reduzieren der Oberfläche des metallischen Trägers
bei einer Temperatur, bei welcher das aktive Metall im wesentlichen nicht zusammensintert, gebildet wird.
Ein solcher Katalysator sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Katalysators ist aus dem USA-Patent Nr.
1 936 564 bekannt.
Der Träger oder die Grundlage gemäß dem USA-Patent 1 936 besteht jedoch aus einem massiven Gegenstand, wobei die Ausmaße
oder das Verhältnis von Masse des Trägers im Hinblick auf die katalytische metallische Oberflächenschicht schlecht
ist, die Wärmeleitung des massiven Trägers nicht akzeptierbar ist und der Katalysator nicht als Filtrationsmedium verwendet
werden kann, wodurch das katalytisch behandelte flüssige Medium in einem katalysatorfreien Zustand nur durch
getrennte Filtrationsmittel erhalten werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist deshalb die Bereitstellung eines Katalysators, der die oben genannten Nachteile nicht aufweist,
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, weil der Träger
ein Gewebe oder Filz von Fasern mit einem Durchmesser zwischen 4 und 100 μπι ist.
Ein solcher erfindungsgemäßer Katalysator zeigt den großen Vorteil, daß er leicht hergestellt werden kann, indem man
den Träger nur einer Oberflächenbehandlung unterwirft, daß der metallische faserige Träger leicht die während der chemischen
Reaktionen gebildete Wärme ableiten kann, daß das
metallische faserförmige Gewebe eine große mechanische Festigkeit aufweist und einen geringen Widerstand gegen Gas- oder
Flüssigkeitsfluß, so daß der Katalysator nach Beendigung der katalytischen Reaktionen leicht von einem flüssigen Medium
abgetrennt werden kann, daß das metallische faserige Gewebe eine große Oberfläche aufweist und daß die katalytisch wirkende
schwammförmige Masse innerhalb des Gewebes gut geschützt wird, wodurch der Katalysator eine lange Lebensdauer besitzt.
Darüber hinaus kann die Filtrationskapazität des Gewebes leicht durch Veränderung der Dicke des Gewebes reguliert oder verändert
werden.
Es ist bereits ein Katalysator bekannt, der ein metallisches Netz oder Gaze enthält, die mit einer katalytischen metallischen
Schicht überzogen sind, die durch Abscheidung einer Lösung eines Esters eines Alkohols und einer anorganischen
Säure auf den Metallgazedrähten erhalten wird, wobei die anorganische Säure ein Metall der Gruppen IVa bis VIIa des
Periodischen Systems enthält. Aus der Literatur ist zum Beispiel die Verwendung einer Mischung von Vanadinsäure, Permanganatsäure
und Kupferacetat, die mit Cyclopentanol und Äthylenglykol verestert ist, bekannt (vgl. US-A 3 951 866 und
GB-A 1 440 789).
Nach Applizieren der Lösung auf den Metalldrähten wird die metallische Gaze getrocknet und nach dem Erhitzen unter Bildung
einer Schicht von aktivem Metalloxid schließlich in einer Wasserstoffatmosphäre reduziert.
Ein solcher Katalysator ist zur Reinigung von Verbrennungsgasen von Dieselmotoren sehr nützlich, aber für andere
chemische Reaktionen weniger geeignet als das erfindungsgemäße Gewebe.
-3
Der erfindungsgemäße Katalysator wird vorzugsweise durch Oxidation
und nachfolgende Reduktion der Oberfläche des metallischen Trägers bei einer Temperatur gebildet, bei welcher das
aktive Metall im wesentlichen nicht zusammensintert und die Trägeroberfläche mindestens ein Metall aus der Gruppe VIII
oder Ib des Periodischen Systems enthält.
Bei der Oxidation der Oberfläche der Fasern, wie z. B. von Nickel, wird Nickeloxid gebildet, das nachfolgend reduziert
wird, z. B. mittels Wasserstoff.
Die verbesserte Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Katalysators
ist vermutlich auf die spezielle Art der Verankerung der katalytisch aktiven Schicht in der faserigen Masse des
Gewebes oder Filzes zurückzuführen, da die katalytische Schicht aus dem ursprünglichen metallischen Träger gebildet wird und
so gut wie möglich auf dem Träger verankert gehalten werden sollte.
Ein erfindungsgemäßer Katalysator kann auch sehr leicht durch Reoxidieren und Reduzieren regeneriert werden.
Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung von Katalysatoren ohne Träger besteht im Erhitzen der Verbindungen der oben genannten
Metalle, im allgemeinen von Nitraten, Hydroxiden, Carbonaten oder basischen Carbonaten, in Luft unter Bildung
von Metalloxiden, die nachfolgend ohne Sinterung der katalytischen Metallteile reduziert werden. Das Herstellungsverfahren
hat den Nachteil, daß die genannten Metallverbindungen zuerst hergestellt werden müssen.
Es ist auch möglich, solche Katalysatoren durch Reduktion von Metallchloriden herzustellen, was jedoch den Nachteil
besitzt, daß Chlorwasserstoff enthaltende Gase nach der Herstellung der Metallchloride verwendet werden müssen.
V-'
Das Metall der Trägeroberfläche des erfindungsgemäßen Katalysators
kann aus einer Legierung bestehen, wobei es von Vorteil ist, daß die Legierung mindestens 50 % aktives Metall enthält.
Vorzugsweise ist das aktive Metall Nickel, aber auch Kupfer oder Eisen sind verwendbare Metalle.
Der Träger besteht aus Fasern, die ein Gewebe oder Filz oder eine metallische Wollmasse bilden. Die Fasern können auch durch
Sintern ihrer sich berührenden Oberflächen miteinander verbunden werden.
Der Träger besteht wirksamerweise aus einem Gewebe oder Filz von Fasern mit einem Durchmesser zwischen 10 und 50 μΐη.
Es muß festgestellt werden, daß es bekannt ist, als Katalysatoren zur Oxidation von Ammoniak zu Salpetersäure Edelmetallgazen,
z. B. Platingazen, zu verwenden, sowie Streifen aus Platin-Rhodium-Legierungen (vgl. DE-C-1 594 716), während
Metallfasergewebe als Katalysatoren für die katalytische Nachverbrennung von Verbrennungsgasen bekannt sind (vgl.
DE-A 2 829 035).
Es ist weiterhin bekannt, ein katalytisches Gewebe oder Filzprodukt
auf der Basis von Fasern aus Silber, Platin, Rhodium, Palladium oder Legierungen davon herzustellen. Diese Katalysatoren
erfordern jedoch keine vorausgehende Aktivierungsbehandlung, zum Beispiel durch Oxidation und Reduktion, und werden
nur in Reaktionen in der Gasphase unter Bildung gasförmiger Endprodukte verwendet, die nicht filtriert werden
brauchen.
Abgesehen von der größeren Wirksamkeit und seiner einfachen
Herstellung besitzt der erfindungsgemäße' Katalysator den
großen Vorteil, daß er sehr leicht nach der katalytischen Reaktion entfernt werden kann. Nach der Hydrierung von fetten
ölen mittels eines Nickelkatalysators muß der letztere abfiltriert
werden, was für Pulverkatalysatoren eine mühsame Behandlung ist, während bei Anwendung eines erfindungsgemäßen
Katalysators eine solche Filtrationsstufe überhaupt nicht notwendig
ist, da der Katalysator, insbesondere wenn er in Form eines Filzes oder Gewebes vorliegt, selbst als Filtermedium
dienen kann.
Ein großer Vorteil ist es, wenn der Metallträger aus Nickel zusammengesetzt ist. Weiters sind aber auch andere Metalle,
wie z. B. Kupfer, ein gutes Basisprodukt zur Bildung von drahtförmigen metallischen Trägern gemäß der Erfindung.
Wenn der drahtförmige metallische Träger in Form eines Gewebes oder Filzes der Oxidation und Reduktion unterworfen
wird, muß darauf geachtet werden, daß während der Reduktion die Temperatur unterhalb der Temperatur bleibt, bei welcher
die katalytische Aktivität, vermutlich durch Sinterung der aktiven Stellen, verloren geht. Die Fasern des Filzes oder
Gewebes können offensichtlich vor der endgültigen Reduktion durch Sinterung miteinander verbunden werden.
Die erfindungsgemäßen Katalysatoren können selbstverständlich
durch ein oder mehrere Gitter gestützt werden.
Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysators enthaltend einen metallischen Träger
mit einer katalytischen Metall-enthaltenden Oberfläche, mit Ausnahme der Edelmetalle, wonach die katalytische Oberflächenschicht
aus einem homogenen metallischen Träger als Grundlage durch Oxidieren und nachfolgendes Reduzieren der Oberfläche
des metallischen Trägers bei einer Temperatur, bei welcher
COPY
das aktive Metall im wesentlichen nicht zusammensintert, gebildet wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der metallisch«·
Träger in Faserform gebracht oder aus Fasern mit einem Durchmesser zwichen 4 und 100 μπι gebildet wird, und daß vor oder
nicht vor den Oxidations- und Reduktionsbehandlungen ein Gewebe oder Filz aus solchen Fasern gebildet wird.
Der Katalysator wird vorzugsweise durch Oxidation und nachfolgende
Reduktion der Trägeroberfläche bei einer Temperatur gebildet, bei welcher das aktive Metall nicht wesentlich gesintert
wird, und die Trägeroberfläche enthält mindestens ein Metall aus der Gruppe VIII oder Ib des Periodischen Systems.
Die Erfindung betrifft schließlich die Verwendung eines erfindungsgemäßen
Katalysators in katalytischen Verfahren, insbesondere in der flüssigen Phase, wobei die Vorteile durch
die Tatsache gebildet werden, daß die erfindungsgemäßen Katalysatoren
eine sehr große Wärmeleitfähigkeit besitzen, eine größere mechanische Festigkeit, und einen geringen Widerstand
gegen Gas- oder Flüssigkeitsfluß, so daß sie in Form eines Filzes oder Gewebes als Filtrationsmedium verwendbar sind.
Ein Nickelfilz oder Gewebe gemäß der US-Pat:entschrift Nr.
3 469 297 mit Fasern von 22 μπι und einem Gewicht von 150 g/m2
wird in Luft bei einer Temperatur von 8000C zwei Stunden
lang oxidiert, und danach werden die Nickelfasern einer Reduktion mit Wasserstoff bei 4000C während zwei Stunden unterworfen.
Der so hergestellte Katalysator wurde zur Bildung von Benzol aus Cyclohexan bei verschiedenen Temperaturen verwendet, wobei
die in Tabelle A aufgezeigten Ergebnisse erhalten werden. Weiterhin kann festgestellt werden, daß man mit dem erfindungsgemäßen
Katalysator bei hohen Temperaturen fast nur Me-
BAD ORIGINAL COPY 1
than erhält. Bei niederen Temperaturen werden große Mengen von Benzol erhalten. Bei Verwendung eines Nickelgewebes oder
-filzes mit Fasern von 12 und 50 μπι werden ebenfalls sehr
gute Ergebnisse erhalten.
Es werden Nickelfasern verwendet, die einen Durchmesser von 50 μπι besitzen und durch Fräsen von Nickel erhalten werden.
Die Nickelwolle wird in Luft bei 8000C zwei Stunden lang oxidiert
und bei 4000C zwei Stunden lang reduziert.
Die Dehydrierung von Cyclohexan zu Benzol bei verschiedenen Temperaturen ergibt Ergebnisse, die in Tabelle B aufgezeigt
werden.
Die gleichen Ergebnisse können mit Fasernerhalten werden, die aus der Schmelze gemäß dem im europäischen Patent Nr.
0000926 beschriebenen Verfahren erhalten werden.
Durch Fräsen erhaltene Kupferwolle mit einem Faserdurchmesser von 35 μπι wird durch Erhitzen in Luft bei 8000C während zwei
Stunden oxidiert, wonach sich eine Reduktion mit Wasserstoff bei 2000C während zwei Stunden anschließt. Die Aufheizgeschwindigkeit
ist 2°C/m.
Danach wird der Katalysator in der Konvertierungsreaktion von Kohlenmonoxid mit Dampf unter Bildung von Kohlendioxid
und Wasserstoff verwendet.
Die Testergebnisse, die an bei Temperaturen von 6000C und
von 8000C oxidierter Kupferwolle durchgeführt wurden, zeigen,
daß beim Erhitzen bei 6000C die Konvertierung von Kohlenmonoxid
mit Wasser schlechter ist, als wenn auf 8000C erhitzt wird (s. Fig. 3).
■Λ4·
Ein wie in Beispiel I beschriebener Nickelfilz mit Fasern von einem Durchmesser von 22 um wird für die Hydrierung von Aceton
in der Gasphase unter Bildung von 2-Propanol verwendet. Bei höheren Temperaturen treten Nebenreaktionen auf.
Zur Hydrogenolyse von Octan wird ein Nickelfilz gemäß Beispiel
verwendet, wobei, abgesehen von Methan, hauptsächlich Heptan und Hexan gebildet werden, bei steigender Temperatur aber die
Mengen von fithan gegenüber Heptan ansteigen, die bei noch höheren Temperaturen zu niederen Kohlenwasserstoffen gespalten
werden.
In einen Reaktor werden ein zu hydrierendes SojabohnenÖl sowie
ein Nickelfilz oder Gewebe mit einem Faserdurchmesser von 22 um gemäß Beispiel I eingebracht.
Die Hydrierung mit Wasserstoff wird bei einem Druck von 10 Pa (1 kg/cm2) und einer Temperatur von 1800C bis zu einer
Jodzahl von 60 durchgeführt.
Nach Beendigung der Reaktion erhält man direkt aus dem Reaktor eine flüssige Verbindung, die beim Abkühlen fest wird
und keine Metallteile enthält. Das heißt, daß der Filz oder das Gewebe als Filtermedium wirkte. Die Fig. 1 und 2 zeigen
elektronenmikroskopische Bilder von Nickelfasern mit einer katalytischen Schicht an den äußeren Seiten der Nickelfasern
sowie ihren Vorläufer. Die Fig. 1 zeigt die Fasern nach Oxidation und Reduktion, während Fig. 2 die Fasern nach Oxidation
aber ohne Reduktion zeigt. Es ist ersichtlich, daß die nach der Reduktion gebildete Oberflächenschicht viel duktiler
als nach der Oxidation ist.
Kohlenmonoxid wird mit Wasserstoff in Gegenwart eines Nickelfilzes
gemäß Beispiel I zur Reaktion gebracht. Man erhält Methan in Wasser, wobei sich zeigt, daß der Nickelkatalysator
die Reaktion stark beschleunigt.
Benzol wird mit Wasserstoff in Gegenwart eines Nickelfilzes gemäß Beispiel I hydriert, aber mit Faserdurchmessern von
4, 8, 12 bzw. 22 μπι. In allen Fällen wird eine hervorragende
Ausbeute an Cyclohexan erhalten.
Dehydrierung von Cyclohexan bei verschiedenen Temperaturen über einem Nickelfilz mit Fasern von 22 μπι
Temp. | C1 | C2 | Gew. | -% Alkane | C5 | 8 | C6 | 3 | Benzol |
(0C) | 62,5 | 0,5 | C3 | cn | 2, | 2 | 1, | 0 | |
282 | 40,2 | 1,0 | 1,4 | 1,8 | 4, | 2 | 1, | 7 | 28,5 |
299 | 44,5 | 1,7 | 2,5 | 3,5 | 3, | 9 | o, | 7 | 45,8 |
312 | 51,5 | 3,2 | 3,4 | 4,2 | 2, | 5 | o, | 7 | 38,3 |
326 | 65,4 | 4,7 | 5,0 | 5,2 | 2, | o, | 28,5 | ||
342 | 94,8 | 3,7 | 5,8 | 4,5 | - | - | 14,9 | ||
358 | 99,6 | 0,4 | 1,2 | 0,2 | - | - | - | ||
371 | 100 | - | - | - | - | - | - | ||
383 | - | - | - | ||||||
Dehydrxerung von Cyclohexan bei verschiedenen Temperaturen über einem Nickelfilz mit Fasern von 50 μπι
Temp. | C1 | C2 | Gew.-% | Alkane | C5 | C6 | Benzol |
(0O | 70,0 | 0,2 | C3 | C4 | 1,0 | 0,2 | |
291 | 62,3 | θ,4 | 0,3 | 0,5 | 1,0 | 0,2 | 24,6 |
306 | 43,1 | 0,8 | 0,8 | 1,1 | 1,6 | 0,2 | 32,2 |
324 | 59,7 | 1,6 | 1,6 | 1,6 | 1,2 | 0,1 | 36,8 |
334 | 64,0 | 2,2 | 2,4 | 1,7 | 1,8 | - | 31,8 |
346 | 74,1 | 2,6 | 2,9 | 2,1 | 0,6 | - | 25,9 |
359 | 81,1 | 2,7 | 2,6 | 1,5 | 0,3 | - | 18,4 |
373 | 87,0 | 3,2 | 2,3 | 0,9 | 0,2 | - | 12,5 |
386 | 99,8 | 0,2 | 1,7 | 0,6 | - | - | 7,3 |
400 | - | - | - | ||||
Claims (15)
1. Katalysator, enthaltend einen metallischen Träger mit einer katalytischen Metall-enthaltenden Oberflächenschicht,
mit Ausnahme der Edelmetalle, wobei die katalytische Schicht aus einem homogenen metallischen Träger als Grundlage durch
Oxidieren und nachfolgendes Reduzieren der Oberfläche des metallischen Trägers bei einer Temperatur, bei welcher das
aktive Metall im wesentlichen nicht zusammensintert, gebildet wird, dadurch gekennzeichnet,daß der Träger ein Gewebe
oder Filz von Fasern mit einem Durchmesser zwischen 4 und 100 μπι ist.
2. Katalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Träger Nickel enthält.
_ ο —
3. Katalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Träger Kupfer oder Eisen enthält.
4. Katalysator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall des
Trägers aus einer Legierung besteht.
5. Katalysator nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle von Nickel die Temperatur der Reduktion unterhalb 5000C liegt.
6. Katalysator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus
einem Gewebe oder Filz von Fasern mit einem Durchmesser von 10 bis 50 μπι besteht und daß die Fasern vorzugsweise an ihren
sich berührenden Oberflächen durch Sintern miteinander verbunden sind.
7. Katalysator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägeroberfläche
mindestens ein Metall aus der Gruppe VIII und/oder Gruppe Ib des Periodischen Systems enthält.
8. Verfahren zur Herstellung eines Katalysators enthaltend einen metallischen Träger mit einer katalytischen Metall-enthaltenden
Oberfläche, mit der Ausnahme der Edelmetalle, wobei die katalytische Schicht aus einem homogenen metallischen
Träger als Grundlage durch Oxidieren und nachfolgendes Reduzieren der Oberfläche des metallischen Trägers bei einer
Temperatur, bei welcher das aktive Metall im wesentlichen nicht zusammensintert, gebildet wird, dadurch gekennzeichnet,
daß der metallische Träger in Faserform gebracht oder aus Fasern mit einem Durchmesser zwischen 4 und 100 pm gebildet
wird und daß vor oder nicht vor den Oxidations- und Reduktionsbehandlungen ein Gewebe oder Filz aus solchen Fasern
gebildet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,daß
die Trägeroberfläche mindestens ein Metall aus der Gruppe VIII oder Ib des Periodischen Systems enthält.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Träger Nickel enthält.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis
10, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Träger Kupfer
oder Eisen enthält.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis
11, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall des Trägers eine Legierung enthält.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis
12, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle von Nickel die Reduktion
bei einer Temperatur unterhalb von 5000C stattfindet.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus einem Gewebe
oder Filz von Fasern mit einem Durchmesser von 10 bis 50 μΐη besteht und daß vorzugsweise die Fasern an ihren sich,
berührenden Oberflächen durch Sintern miteinander verbunden sind.
15. Verfahren zur Durchführung chemischer Reaktionen, insbesondere
in der flüssigen Phase, unter Verwendung eines Katalysators, dadurch gekennzeichnet, daß ein Katalysator
nach einem der Ansprüche 1 bis 14 verwendet wird.
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