DE3920048A1 - Alumosilikat-katalysatorformkoerper und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
Alumosilikat-katalysatorformkoerper und verfahren zu seiner herstellungInfo
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- B01J29/40—Crystalline aluminosilicate zeolites; Isomorphous compounds thereof of the pentasil type, e.g. types ZSM-5, ZSM-8 or ZSM-11, as exemplified by patent documents US3702886, GB1334243 and US3709979, respectively
Description
Die Erfindung betrifft Alumosilikat-Katalysatorkörper, bestehend
aus einem Zeolithpulver und Additiven in Form von Binde- und/
oder Gleitmitteln sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Bei der Formgebung von Alumosilikaten zu stabilen Extrudaten,
Granulaten oder Preßlingen werden vielfach Aluminium enthaltende
Bindemittel bzw. Zusatzstoffe verwendet. Dies geht jedoch nicht
bei kieselsäurereichen bzw. Al2O3-armen Zeolithen mit besonderen
katalytischen Eigenschaften, wie z. B. bei Zeolithen der
Pentasilgruppe.
Nach EP 01 02 544 (BASF) wird ein Kieselsäureesther z. B. Tetra
methylorthosilikat als Bindemittel bzw. Zusatzstoff für bruch
feste Zeolithkatalysatoren der Pentasil-Gruppe vorgeschlagen.
Die festigkeitssteigernde Wirkung dieser Additive beruht auf
einer chemischen Umsetzung mit dem Zeolithpulver und erfordert
daher eine genaue Abstimmung des eingesetzten Materials.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Binde- bzw.
Gleitmittel für die Herstellung von bruchfesten Alumosilikat
körpern bereitzustellen, das für eine breite Palette von
Zeolithen anwendbar und sich in einem einfachen Aufbereitungs
verfahren mit dem Zeolithpulver vermischen läßt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Patentan
sprüchen angegebenen Merkmale gelöst. Es hat sich gezeigt, daß
SiO2-Abgasstaub aus der Siliziumgewinnung mit der erfindungs
gemäßen Körnung die rheologischen Eigenschaften des Zeolith
pulvers bei der Formgebung entscheidend verbessert und gleich
zeitig die Festigkeit der Extrudate, Aufbaugranulate und Preß
granulate erhöht ohne die katalytischen Eigenschaften zu beein
trächtigen.
Selbst bei den erfindungsgemäß hohen Zusatzmengen SiO2-Abgas
staubes zu dem Zeolithmaterial bleibt die Formselektivität des
Ausgangspulvers erhalten oder wird noch gesteigert (s. Beispiele
1 bis 3).
Die Abrieb- und Bruchfestigkeit der Formkörper kann gesteuert
werden: durch die Zusatzmenge von SiO2-Abgasstaub, durch den Des
agglomerationsgrad der Zeolithpulver, durch den Preßdruck bei
Strang-, Preß- und Aufbaugranulaten und durch den Feststoffgehalt
der Zeolith-Suspensionen bei der Fließbettsprühgranulation.
Die zusätzlichen Gleit- und Bindemittel, wie sie üblicherweise
bei der Formgebung von Pulvern eingesetzt werden wie Methylzellu
losen, Polyvinylalkohole und Stanzöle, haben keinen nennenswerten
Einfluß auf die Endfestigkeit der bei Temperaturen von 400-700°C
aktivierten Katalysatoren bzw. Katalysatorträger. Die Funktion
dieser Zusatzstoffe beschränkt sich im wesentlichen auf die Bin
dung der Pulver zu verpreßbaren bzw. aufgranulierbaren "grünen
Massen", die bereits bei Temperaturen < 300°C zunehmend verloren
geht. Selbst die Gleitfunktion der üblichen Additive ist für Zeo
lithe nicht ausreichend.
Durch die kugeligen Partikel des SiO2-Abgasstaubes, die im 0,1-
5 µm-Bereich liegen, werden die Gleiteigenschaften der "grünen
Massen" wesentlich verbessert und damit die leichte Herstellung
von hervorragenden Extrudaten ermöglicht.
Die spezielle Körnung des erfindungsgemäßen SiO2-Pulvers wurde
mit einem Lasergranulometer Typ Cilas-715 ermittelt, die Rein
dichte mit einem Helium-Pyknometer gemessen. Bei der Bestimmung
der BET-Oberfläche nach DIN 66 132, Ausgabe 1975, wurde ein
Ströhlein-Areameter und folgende Vorbehandlung verwendet:
Durch Aufheizen auf 110°C für 24 h wurden die Probekörper
getrocknet. Danach wurde in halbstündlichem Wechsel mit Stick
stoff gespült und abwechselnd evakuiert bis die Probekörper
vollständig desorbiert waren. Fig. 1 zeigt eine TEM-Aufnahme
(Transmissions-Elektronenmikroskop) mit 63 000-facher Ver
größerung. Man erkennt deutlich die rundlich-kugeligen Partikel,
die in einem speziellen Kornspektrum gemäß Anspruch 9 vorliegen.
Anwendung:
Während Kieselsäureester und Kieselsole im alkalischen Bereich als Binde- oder Gleitmittel nicht eingesetzt werden können, ist der SiO2-Abgasstaub auch hier voll funktionsfähig. Damit eröff net sich die Möglichkeit, die Formgebung der Pulver in der Natriumform durchzuführen, was das Herstellungsverfahren der Zeolith-Katalysatoren wesentlich vereinfacht und wirtschaft licher gestaltet.
Während Kieselsäureester und Kieselsole im alkalischen Bereich als Binde- oder Gleitmittel nicht eingesetzt werden können, ist der SiO2-Abgasstaub auch hier voll funktionsfähig. Damit eröff net sich die Möglichkeit, die Formgebung der Pulver in der Natriumform durchzuführen, was das Herstellungsverfahren der Zeolith-Katalysatoren wesentlich vereinfacht und wirtschaft licher gestaltet.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß Na-Zeolithextrudate und
Granulate sowohl aus Na-Zeolithpulvern im unzerkleinerten und
zerkleinerten Zustand, die z. B. mit 30% SiO2-Abgasstaub herge
stellt wurden, nach dem Aktivieren bei 550°C über eine hervor
ragende Festigkeit verfügen und problemlos einem Ionenaustausch
mit z. B. einer Ammoniumnitratlösung unterzogen werden können,
ohne daß die Festigkeit der Extrudate wesentlich reduziert wird.
Die Erfindung wird durch folgende Beispiele belegt:
a) Na-ZSM-5-Pulver mit einem durchschnittlichen Korndurchmesser
von 6 µm wurde mit Tylose MHB 30 000 in einer Menge von
2,6% und Stanzöl in einer Menge von 2,7% bezogen auf Gesamt
feststoffmenge zu extrudierfähigem Granulat mit der erforder
lichen Menge Wasser vermischt und zu Extrudaten (⌀ 0,5 cm,
5 cm lang) stranggepreßt.
Nach dem Aktivieren bei 550°C lag die Festigkeit bei
2,3 N/mm2.
b) Zum Vergleich wurde das gleiche Na-ZSM-5-Pulver mit 30%
SiO2-Abgasstaub, Tylose MHB 30 000 (2,6%) und Stanzöl
(2,7%) zu extrudierfähigem Granulat mit der erforderlichen
Menge Wasser vermischt und zu Extrudaten (⌀ 5 cm, 5 cm
lang) stranggepreßt.
Nach dem Aktivieren bei 550°C lag die Festigkeit bei
7,5 N/mm2.
a) H-ZSM-5-Pulver mit einem durchschnittlichen Korndurchmesser
von ca. 6,5 µm wurde mit Tylose MHB 30 000 (2,5%) und Stanz
öl (2,6%) zu extrudierfähigem Granulat mit der erforderli
chen Menge Wasser vermischt und zu Extrudaten (⌀ 0,5 cm,
5 cm lang) stranggepreßt.
Nach dem Aktivieren bei 550°C lag die Festigkeit bei
0,3 N/mm2.
Die katalytische Formselektivität bei der Ethylbenzoldispro
portionierung (nach Karge) ergab:
89,7% para-Dimethylbenzol
10,3% meta-Dimethylbenzol
0% ortho-Dimethylbenzol
89,7% para-Dimethylbenzol
10,3% meta-Dimethylbenzol
0% ortho-Dimethylbenzol
b) Zum Vergleich wurde das gleiche H-ZSM-5-Pulver mit 30%
SiO2-Abgasstaub, Tylose (2,5%) und Stanzöl (2,6%) zu
extrudierfähigem Granulat mit der erforderlichen Menge
Wasser vermischt und zu Extrudaten (⌀ 0,5 cm, 5 cm lang)
stranggepreßt.
Nach dem Aktivieren bei 550°C lag die Festigkeit bei
3,6 N/mm2.
Die katalytische Formselektivität bei der Ethylbenzoldispro
portionierung (nach Karge) ergab:
92,7% para-Dimethylbenzol
7,3% meta-Dimethylbenzol
0% ortho-Dimethylbenzol
92,7% para-Dimethylbenzol
7,3% meta-Dimethylbenzol
0% ortho-Dimethylbenzol
a) H-Zeolithpulver mit einem d50 von ca. 6 µm wurde mit 2%
Tylose MH 50 und 1% Moviol und der erforderlichen Menge
Wasser vermischt und mit Hilfe eines Fließbettsprühgranula
tors granuliert. Die bei 500°C aktivierten Granulate
(⌀ 3 mm) wurden dem unter Tab. 1 angeführten Abriebtest
unterworfen.
Die Ergebnisse sind im Vergleich zu den Proben b) und c) in
Tab. 1 aufgeführt.
b) Zum Vergleich wurde der Mischung a) 30% des SiO2-Abgasstau
bes zugesetzt bei sonst gleichen Bedingungen. Die Ergebnisse
des Abriebtests der bei 500°C aktivierten Granulate sind der
Tab. 2 zu entnehmen.
c) Als weitere Variante zu a) und b) wurde das dort eingesetzte
H-ZSM-5-Pulver auf einen d50 von ca. 3 µm desagglomeriert,
mit 30% SiO2-Abgasstaub vermischt und Moviol wie unter a)
und b) zugegeben und der Fließbettsprühgranulation unter
zogen. Nach der Aktivierung bei 500°C wurden die Granulate
dem Abriebtest unterworfen.
Die Ergebnisse zeigen eindeutig die verstärkende Wirkung des
SiO2-Abgasstaubes b), die durch Desagglomerierung des Zeolith
pulvers noch wesentlich verbessert wird c).
Die Formselektivität bleibt bei allen 3 Versuchen unverändert.
10 g Granulat wurde in einer 250 ml PVC-Flasche unter Zugabe von
100 g Aluminiumoxid-Mahlkugeln (5-10 µm ⌀) im Turbula-Trommel
mischer mehrere Minuten behandelt.
Claims (12)
1. Alumosilikat-Katalysatorformkörper, bestehend aus einem
Zeolithpulver und Additiven in Form von Binde- und/oder
Gleitmitteln, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steigerung der
Abrieb- und Bruchfestigkeit ein SiO2 enthaltendes Pulver,
bestehend aus runden Partikeln mit einer Teilchengröße von
0,1-5 µm in einer Menge von 5-70 Gew.-% zugegeben wird.
2. Alumosilikat-Katalysatorformkörper nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Menge des SiO2-Pulvers 15-35%
bezogen auf die Gesamtmenge an Alumosilikat beträgt.
3. Alumosilikat-Katalysatorformkörper nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das SiO2-
Pulver in einem alkalischen Medium zugegeben wird.
4. Alumosilikat-Katalysatorformkörper nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das SiO2-
Pulver in einem sauren Medium zugegeben wird.
5. Alumosilikat-Katalysatorformkörper nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das SiO2-
Pulver zu einem Alumosilikatpulver zugegeben wird, dessen
mittlere Teilchengröße 1-6 µm beträgt.
6. Alumosilikat-Katalysatorformkörper nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das
SiO2-Pulver folgende Zusammensetzung aufweist:
SiO₂|86-98%
SiC 0,1 -1,0%
K₂O 0,2 -3,5%
Al₂O₃ 0,1 -0,8%
MgO 0,2 -3,5%
SO₄2- 0,1 -0,4%
Na₂O 0,1 -1,8%
CaO 0,05-0,3%
Fe₂O₃ 0,01-1,0%
Glühverlust 0,5 -4%
davon C (frei) 0,2 -2%
7. Alumosilikat-Katalysatorformkörper nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das SiO2-
Pulver eine Reindichte von 2,2 g/cm3 aufweist.
8. Alumosilikat-Katalysatorformkörper nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das SiO2-
Pulver eine spezifische Oberfläche von 20-22 m2/g auf
weist.
9. Alumosilikat-Katalysatorformkörper nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das
SiO2-Pulver folgende Körnung aufweist:
Sekundärpartikel:
< 1 µm 30%
<10 µm 5%
Primärpartikel:
0,1-0,3 µm
< 1 µm 30%
<10 µm 5%
Primärpartikel:
0,1-0,3 µm
10. Alumosilikat-Katalysatorformkörper nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als SiO2-
Pulver ein Abgasstaub aus der Siliziumherstellung zugegeben
wird.
11. Verfahren zur Herstellung von Alumosilikat-Katalysatorform
körpern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, durch
Mischen eines Zeolithpulvers mit Binde- und/oder Gleit
mitteln, Verarbeitung der Mischung zu Formkörpern, brennen
der Formkörper, ggf. Ionenaustausch und nachfolgende
Aktivierung, dadurch gekennzeichnet, daß als Bindemittel
ein SiO2-Pulver, bestehend aus runden Partikeln mit einer
mittleren Teilchengröße von 0,1-5 µm in einer Menge von
5-70 Gew.-% bezogen auf die Alumosilikatmenge zugegeben
wird.
12. Verfahren zur Herstellung eines Alumosilikat-Katalysator
formkörpers nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch
gekennzeichnet, daß als Bindemittel ein Abgasstaub aus der
Ferrosiliziumherstellung verwendet wird, der in einer Menge
von 15-35% bezogen auf die Alumosilikatmenge in die
Mischung zugegeben wird.
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