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Diese Erfindung bezieht sich auf
die selektive Hydrierung von Verunreinigungen in einem kohlenwasserstoffhaltigen
Beschickungsmaterial. Diese Erfindung bezieht sich genauer auf ein
Verfahren zur selektiven Hydrierung von Verbindungen mit Dreifachbindung
gegenüber
Verbindungen mit irgendeiner Doppelbindung und/oder selektiven Hydrierung
von Verbindungen mit zwei Doppelbindungen gegenüber Verbindungen mit einer
einzigen Doppelbindung und/oder selektiven Hydrierung von Verbindungen
mit Dreifachbindung und Verbindungen mit zwei Doppelbindungen gegenüber Verbindungen
mit einer einzigen Doppelbindung und/oder selektiven Hydrierung
von Verbindungen, die kumulierte Doppelbindungen haben gegenüber solchen
bei denen die Doppelbindungen durch eine oder mehrere Einfachbindungen
separiert sind. Solche Reaktionen umfassen, sind aber nicht darauf
beschränkt,
die selektive Hydrierung von acetylenischen und/oder dienischen Verunreinigungen
in einem Beschickungsmaterial, das wenigstens ein Monoolefin enthält wie zum
Beispiel die selektive Hydrierung von Methylacetylen und Propadien
(oder MAPD) in einem Beschickungsmaterial, das Propylen enthält, die
selektive Hydrierung von Butadien gegenüber Buten, die selektive Hydrierung
von Vinyl- und Ethylacetylen und 1,2-Butadien in einem Beschickungsmaterial
das 1,3-Butadien enthält,
die selektive Hydrierung von Acetylen gegenüber Ethylen und die selektive
Hydrierung von C5 und C6 Diolefinen
gegenüber
C5 und C6 Monoolefinen.
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich bei einer anderen Ausführungsform
auch auf die selektive Hydrierung von Olefinen und Dienen in einem
Strom, der Olefine, Diene und Aromaten enthält.
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Obwohl es nicht beabsichtigt ist,
den Umfang der vorliegenden Erfindung auf irgendeine spezifische selektive
Hydrierung zu beschränken,
wird die Erfindung inbesondere in Bezug auf die selektive Hydrierung von
acetylenischen und/oder dienischen Verunreinigungen in einer Beschickung
mit wenigstens einem Monoolefin beschrieben.
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In der petrochemischen Industrie
werden Ströme
erzeugt, die ein oder mehrere Monoolefine enthalten und die auch
als Verunreinigungen acetylenische Verbindungen und/oder Diene enthalten.
Beispielsweise enthalten Propylenund/oder Buten-Fraktionen, die
in verschiedenen Pyrolyseverfahren, insbesondere bei Pyrolyse in
Gegenwart von Dampf, erhalten werden, als Verunreinigungen acetylenische
Verbindungen und/oder Diene, und im Allgemeinen sowohl acetylenische
Verbindungen als auch Diene. Acetylenische Verunreinigungen schließen Acetylen,
Methylacetylen und Diacetylen ein und dienische Verunreinigungen
schließen
Propadien, 1,2-Butadien und 1,3-Butadien ein. Ein Propylen-Strom,
der aus einem Dampfpyrolyseverfahren gewonnen wird, enthält allgemein
sowohl Methylacetylen als auch Propadien-Verunreinigungen.
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In der petrochemischen Industrie
wird ein solcher Strom einem selektiven Hydrierungsverfahren unterzogen,
um die acetylenischen und/oder dienischen Verunreinigungen zu hydrieren,
während
man die Hydrierung des gewünschten
Monoolefins minimiert. Ein solches Verfahren kann mit einer katalytischen
Hydrierung unter Verwendung eines auf einen Träger geladenen Katalysators
durchgeführt
werden, beispielsweise einem Edelmetallkatalysator wie einem Palladiumkatalysator,
der auf einen geeigneten Träger
geladen ist.
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US
3,489,809 offenbart ein Verfahren zur selektiven Entfernung
von stärker
ungesättigten
Kohlenwasserstoffen aus einem weniger stark ungesättigten
Kohlenwasserstoffstrom unter Verwendung eines Katalysators, der
auf einen einheitlichen, bienenwabenartigen, keramischen Träger geladen
ist.
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EP 0 827 944 A1 offenbart ein Verfahren zur
Hydrierung von mehrfachungesättigten
Kohlenwasserstoffen, worin der Katalysator auf ein gewebtes oder
gestricktes Gewebe oder auf eine Folie geladen ist.
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Die vorliegende Erfindung ist auf
ein verbessertes Verfahren zur selektiven Hydrierung von Verunreinigungen
in einer kohlenwasserstoffhaltigen Beschickung gerichtet.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zur selektiven Hydrierung einer oder
mehrerer Verunreinigungen in einer kohlenwasserstoffhaltigen Beschickung
gemäß Anspruch
1 oder Anspruch 19 bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Hydrieren
der Verunreinigung bzw. Verunreinigungen in Gegenwart eines selektiven,
auf einem partikulären
Träger
geladenen Hydrierungskatalysators. Der auf den Träger geladene
Katalysator wird von einer siebartigen Struktur getragen. Der Begriff „geladen
auf das Sieb" schließt sowohl
ein Beschichten des auf einen Träger
geladenen Katalysators auf das Sieb, als auch ein Festhalten des
auf einen Träger
geladenen Katalysators in den Zwischenräumen des Siebs ein. Der Katalysator, der
auf das Sieb geladen ist, umfasst bei einer Ausführungsform einen Katalysator,
der auf einen partikulären Träger geladen
ist, wobei der auf einen Träger
geladene Katalysator von einem Sieb getragen wird . Bei einer anderen
Ausführungsform
ist der Katalysator auf einen partikulären Träger geladen, der auf einem
Träger
oder mehreren anderen Trägern
geladen ist, die von dem Sieb getragen werden.
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Bei einer Ausführungsform ist das Verfahren
zur selektiven Hydrierung einer Verunreinigung ein Verfahren zur
selektiven Hydrierung von Verbindungen mit Dreifachbindung gegenüber Verbindungen
mit irgendeiner Doppelbindung und/oder selektiven Hydrierung von
Verbindungen mit zwei Doppelbindungen gegenüber einer einzelnen Doppelbindung.
Repräsentative
Beispiele solcher selektiven Hydrierungsreaktionen umfassen, sind
aber nicht darauf beschränkt,
die selektive Hydrierung von acetylenischen und/oder dienischen Verunreinigungen
in einer Beschickung, die mindestens ein Monoolefin enthält, wie
zum Beispiel die selektive Hydrierung von Methylacetylen und Propadien
(MAPD) in einer Propylen-haltigen Beschickung, die selektive Hydrierung
von Butadien gegenüber
Buten, die selektive Hydrierung von Acetylen gegenüber Ethylen,
und die selektive Hydrierung von C5- und
C6-Diolefinen gegenüber C5-und C6-Monoolefinen.
Andere Reaktionen umfassen selektives Hydrieren von Verbindungen
mit Dreifachbindung und solchen, die kumulierte Doppelbindungen
enthalten gegenüber
jenen, bei denen die Doppelbindungen durch eine oder mehrere Einfachbindungen separiert
sind. Bei einer Ausführungsform
ist die selektive Hydrierung ein Verfahren zur selektiven Hydrierung von
Ethyl- und Vinylacetylen und 1,2-Butadien gegenüber 1,3-Butadien.
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Bei einer Ausführungsform ist die selektive
Hydrierung ein Verfahren zur selektiven Hydrierung einer Verunreinigung,
die aus der Gruppe, bestehend aus Acetylen-Verbindungen, Dienen
und Mischungen davon in einer Beschickung, die mindestens ein Monoolefin
und die Verunreinigung enthält,
ausgewählt
ist. Die Verunreinigung wird in Gegenwart eines selektiven Hydrierungskatalysators,
der auf einen partikulären
Träger
geladen ist, selektiv hydriert. Der geträgerte Katalysator wird von
einer siebartigen Struktur getragen.
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Bei einer anderen Ausführungsform
ist das Verfahren zur selektiven Hydrierung einer Verunreinigung ein
Verfahren zur selektiven Hydrierung von Dienen und Styrol in einem
Strom, der Diene, Styrol, Olefine und Aromaten enthält. Ein
Beispiel einer solchen Beschickung ist eine Pyrolyse-Kraftstoffbeschickung.
Die selektive Hydrierung wird in Gegenwart eines selektiven Hydrierungskatalysators,
der auf einen partikulären
Träger geladen
ist, bewirkt, wobei der geträgerte
Katalysator von einer siebartigen Struktur getragen wird, wie hier
beschrieben.
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Genauer umfasst das siebartige Material
Fasern oder Drähte,
wie zum Beispiel ein Draht- oder Fasersieb, ein Metallfilz oder
Gaze, Metallfaserfilter oder ähnliches.
Die siebartige Struktur umfasst mehr als eine Drahtschicht, zum
Beispiel eine gestrickte Struktur aus Drähten oder eine gewebte Struktur
aus Drähten
und umfasst eine Vielzahl von Draht- oder Faserschichten, um ein
dreidimensionales Netzwerk zu bilden. Die Trägerstruktur umfasst eine Vielzahl
von Schichten aus Fasern, die in den Schichten statistisch orientiert
sind. Ein oder mehrere Metalle können
zur Herstellung eines Metallsiebs verwendet werden. Alternativ können die
Siebfasern aus anderen Materialien als nur Metallen allein oder
aus Kombinationen mit Metallen hergestellt oder sie enthalten, wie
zum Beispiel Kohlenstoff oder Metalloxide oder keramisches Material.
Bei einer Ausführungsform
schließt
das Sieb Metall ein. In dem Fall, in dem das Sieb den Katalysator
trägt,
ist das Material, das das Sieb bildet, bei einer Ausführungsform
nicht-katalytisch bezüglich
der selektiven Hydrierung von Verunreinigungen in einer Hydrierungsbeschickung.
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Die siebartige Struktur umfasst eine
Vielzahl von Faserschichten, um ein dreidimensionales Netzwerk aus
Materialien zu bilden. Die Dicke eines solchen Trägermaterials
beträgt
vorzugsweise mindestens 5 μm
und übersteigt
im Allgemeinen nicht 10 mm. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
ist die Dicke des Netzwerks mindestens 50 μm und weiter bevorzugt mindestens
100 μm und übersteigt
im Allgemeinen nicht 2 mm.
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Im Allgemeinen ist die Dicke oder
der Durchmesser der Fasern, die die Vielzahl der Faserschichten bilden,
weniger als 500 μm,
vorzugsweise weniger als 150 μm
und weiter bevorzugt weniger als 30 μm. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
beträgt
die Dicke oder der Durchmesser der Fasern 8 bis 25 μm.
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Die dreidimensionale siebartige Struktur
kann, wie in US-Patent-Nr. 5,304,330, 5,080,963, 5,102,745 oder
5,096,663 beschrieben, hergestellt werden. Es muss jedoch verstanden
werden, dass solche siebartigen Strukturen auch durch andere Verfahren,
als in den genannten Patenten beschrieben, gebildet werden können.
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Die siebartige Struktur, die bei
der vorliegenden Erfindung verwendet wird (ohne den auf ein Trägermaterial
geladenen Katalysator auf dem Sieb), hat ein Porenvolumen von mindestens
45 %, vorzugsweise mindestens 55 %, und weiter bevorzugt mindestens
65 %, und noch weiter bevorzugt mindestens 90 %. Im Allgemeinen übersteigt
das Porenvolumen nicht 95 %. Der Begriff „Porenvolumen", wie er hier verwendet
wird, wird durch Dividieren des Volumens der Struktur, das offen
ist, durch das Gesamtvolumen der Struktur (offenes plus siebartiges
Material) bestimmt und mit 100 multipliziert.
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Die Anmelder haben herausgefunden,
dass man, wenn man eine selektive Hydrierung einer Verunreinigung
bzw. von Verunreinigungen in einer kohlenwasserstoffhaltigen Beschickung
in Gegenwart eines selektiven Hydrierungskatalysators durchführt, wobei
der selektive Hydrierungskatalysator von einer siebartigen Struktur,
wie hier vorstehend beschrieben, getragen wird, eine verbesserte
Selektivität
erhält.
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Der Katalysator, den man anwenden
kann, kann ein dem Fachmann bekannter selektiver Hydrierungskatalysator
sein. Solche Katalysatoren umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind,
Edelmetallkatalysatoren einschließlich Palladium, Platin, Rhodium,
Ruthenium und dergleichen, die Metallaktivatoren, fein verteilte Kupferkatalysatoren
oder Katalysatoren, die Nickel, Silber oder Gold enthalten, enthalten
können
oder nicht. Bei einer Ausführungsform
umfasst der Katalysator Palladium, Platin, Silber, Nickel oder eine
Kombination davon. Bei einer anderen Ausführungsform hat der Katalysator
einen Metallgehalt von 0,05 % bis 25 %. Repräsentative Beispiele solcher
Katalysatoren sind im US-Patent-Nr. 4,762,956 beschrieben. Solche
Katalysatoren sind auf einen partikulären Träger geladen. Solche Träger umfassen,
sind aber nicht darauf beschränkt,
Kohlenstoff, Aluminiumoxid, Aluminiumhydroxide, Siliziumdioxid,
Zirkoniumdioxid, Titandioxid, Kaolin und/oder Tonverbindungen, MgAl2O4, MgO, Zeolithe
und Mischungen davon. Der Begriff partikulär, wie hier verwendet, schließt ein und
umfasst sphärische
Teilchen, längliche
Teilchen, Fasern usw.
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Bei einer Ausführungsform ist der Katalysator
ein Palladiumkatalysator, der einen Aktivator, wie zum Beispiel
einen Metallaktivator, enthalten kann oder nicht. Palladium-Katalysatoren,
die einen Aktivator enthalten, umfassen, sind aber nicht darauf
beschränkt,
Pd/Ag-Katalysatoren, Pd/Au-Katalysatoren, Pd/Cr-Katalysatoren, Pd/Pb/CaCO3-Katalysatoren.
Alternativ ist der Palladium-Katalysator
praktisch frei von Aktivatoren.
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Bei einer Ausführungsform enthält der auf
ein Trägermaterial
geladene Palladiumatalysator eine katalytische Menge an Palladium,
die auf einen Aluminiumoxidträger
geladen ist, der im wesentlichen kristallines α-Aluminiumoxid ist. Der auf
einen Träger
geladene Palladiumkatalysator kann einen Aktivator, wie z.B. Silber, enthalten.
Der Katalysator hat einen durchschnittlichen Porenradius von 200Å bis 2000Å, vorzugsweise
von 300Å bis
1500Å und
weiter bevorzugt von 300Å bis
600Å.
Die Porengrößenverteilung
ist so, dass mindestens 80 % der Poren einen Radius von 100Å bis 3000Å haben,
vorzugsweise von 100Å bis
1000.
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Wie hier dargelegt, hat der Katalysator
eine katalytisch wirksame Menge an Palladium, wobei der Palladiumgehalt
im allgemeinen wenigstens 0,01 Gew.-% und vorzugsweise mindestens
0,1 Gew.-% des Katalysators beträgt,
und weiter bevorzugt von 0,1 Gew.-% bis 1,0 Gew.-% des Katalysators.
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Der Katalysatorträger hat im Allgemeinen ein
Oberfläche
von nicht mehr als 50 m2/g und beträgt vorzugsweise
3 m2/g bis 30 m2/g.
Der Porosität
beträgt
im Allgemeinen von 0,2 bis 1,0 ml/g und vorzugsweise von 0,3 ml/g
bis 0,6 ml/g. Die Oberflächenazidität des Katalysators,
wie durch Adsorption von Pyridin bei 120°C gemessen, beträgt unter
Normaldruck von 0,002 bis 0,05 mMol Pyridin, das pro Gramm Katalysator
absorbiert ist.
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Der Katalysator hat allgemein eine
aktive Palladiumoberfläche
von 20 bis 200 m2/g und vorzugsweise von
40 bis 120 m2/g, wie mit Sauerstoff-Wasserstoff-Titration gemessen.
Dazu kommt, dass das Palladium in Form von Kristalliten mit einer
durchschnittlichen Größe von mindestens
25Å und
im allgemeinen nicht größer als
110Å vorliegt.
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Der Aluminiumoxid-Träger wird
vorzugsweise aus einer Mischung von β-Al2O3·3H2O, α-Al2O3·H2O und amorphem Aluminiumhydroxid hergestellt,
wobei β-Al2O3·3H2O in der Mischung in einer Menge von 5 Gew.-% bis
35 Gew.-% vorliegt. Solche auf einen Träger geladene Palladiumkatalysatoren
sind genauer im US-Patent-Nr. 4,762,956 beschrieben.
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Es muss jedoch verstanden werden,
dass der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht auf die hier beschriebenen
spezifischen auf einen Träger
geladene Palladiumkatalysatoren beschränkt sind.
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Allgemein hat der teilchenförmige Katalysatorträger eine
Oberfläche
von 0,1 bis 300 m2/g, vorzugsweise von 1
m2/g bis 200 m2/g,
und eine durchschnittliche Teilchengröße von 20 nm bis 300 μm, vorzugsweise
von 0,5 μm
bis 100 μm.
Der partikuläre
Träger
hat vorzugsweise einen mittleren Porendurchmesser von 10 nm bis 20 μm. Der Katalysator,
der auf den partikulären
Träger
geladen ist, umfasst, bezogen auf den Katalysator und partikulären Träger, 0,01
% bis 25 % und vorzugsweise von 0,2 % bis 15 % des auf einen Träger geladenen Katalysators.
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Gemäß einem anderen Aspekt der
vorliegenden Erfindung ist der geträgerte Katalysator (Katalysator, der
auf einen partikulären
Träger
geladen ist) auf einer siebartigen Struktur getragen in einer Menge,
bezogen auf das Sieb und auf den geträgerten Katalysator, von mindestens
5 Gew.-% und vorzugsweise mindestens 10 Gew.-% , wobei die Menge
des auf einen Träger
geladenen Katalysators im Allgemeinen 90 Gew.-%, oder noch allgemeiner
80 Gew.-% nicht übersteigt.
Bei einer Ausführungsform,
bei der das Porenvolumen der siebartigen Struktur vor der Zugabe
des auf einen Träger
geladenen Katalysators 90 % beträgt,
beträgt
der Gewichtsprozentsatz des auf einen Träger geladenen Katalysators
10 % bis 50 %, und wenn das Porenvolumen 95 % beträgt, beträgt der Gewichtsprozentsatz
des auf einen Träger
geladenen Katalysators 20 % bis 90 %. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
wird die siebartige Struktur, die den auf einen Träger geladenen
Katalysator enthält,
in einer Menge verwendet, um ein Porenvolumen in der Reaktionszone
von mindestens 50 % und vorzugsweise mindestens 70 % bereit zu stellen
sind. Im Allgemeinen übersteigt
das Porenvolumen bei einer solchen bevorzugten Ausführungsform
nicht 95 %.
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Es muss verstanden werden, dass der
siebartige Träger,
der den geträgerten
Katalysator trägt,
auch in anderen als den hier beschriebenen Formen verwendet werden
kann. Beispielsweise kann der siebartige Träger aus Ringen, Teilchen, Bändern etc.
gebildet und im Reaktor als Festbett verwendet werden. Bei einer Ausführungsform
sind die Teilchenabmessungen kleiner als die Festbettteilchen, die
aus dem Stand der Technik bekannt sind.
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Der auf den Träger geladene Katalysator, der
von der siebartigen Struktur getragen wird, kann auf dem siebartigen
Träger
als Beschichtung auf den Drähten
oder Fasern, die die siebartige Struktur bilden, vorliegen und/oder
kann in den Zwischenräumen
der siebartigen Struktur vorliegen und festgehalten werden.
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Bei einer Ausführungsform, bei der der auf
einen partikulären
Träger
geladene Katalysator als Beschichtung auf der siebartigen Struktur
vorliegt, kann die siebartige Struktur zuerst mit dem partikulären Träger beschichtet
werden, gefolgt von der Zugabe des Katalysators zu dem partikulären Träger, der
als Beschichtung der siebartigen Struktur vorliegt. Alternativ kann
der Katalysator, der auf einen partikulären Träger geladen ist, auf das Sieb
aufgebracht werden. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Katalysator,
der auf einen partikulären
Träger
geladen ist, auf einen partikulären
Träger
aufgebracht werden, der auf die siebartige Struktur aufgebracht
wurde. Der partikuläre
Träger
mit oder ohne Katalysator kann auf die siebartige Struktur durch eine
Vielzahl von Verfahren, wie Eintauchen oder Sprühen, aufgebracht werden. Nach
dem Beschichten des partikulären
Trägers
ohne Katalysator auf das Sieb wird der Träger mit einer Lösung, die
den Katalysatorvorläuferstoff
enthält,
getränkt
und thermisch behandelt, um den Katalysator zu erhalten.
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Die geträgerten Katalysatorteilchen
können
auf die siebartige Struktur durch Inkontaktbringen der siebartigen
Struktur mit einer flüssigen
Beschichtungszusammensetzung (vorzugsweise in Form eines Beschichtungsbades)
aufgebracht werden, die die Teilchen so in einer Flüssigkeit
dispergiert enthält,
dass die Beschichtungszusammensetzung in die siebartige Struktur
eintritt oder eingesaugt wird und eine poröse Beschichtung auf den inneren
und äußeren Bereichen
der siebartigen Struktur bildet.
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Alternativ ist die siebartige Struktur
mit einem partikulären
Träger
beschichtet, der den aktiven Katalysator enthält, oder die siebartige Struktur
kann mit Teilchen eines Katalysatorvorläuferstoffs beschichtet sein.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
hat die flüssige
Beschichtungszusammensetzung eine kinematische Viskosität von nicht
mehr als 175 cSt (centi-Stokes) und eine Oberflächenspannung von nicht mehr als
300 dyn/cm.
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Bei einer Ausführungsform ist der auf einen
Träger
geladene Katalysator oder der Katalysatorträger auf das Sieb durch Eintauchbeschichtung
beschichtet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das dreidimensionale
siebartige Material vor dem Beschichten oxidiert, zum Beispiel durch
Erhitzen in Luft bei einer Temperatur von 300°C bis zu 700°C. In manchen Fällen, wenn
das siebartige Material mit organischem Material verunreinigt ist,
wird das siebartige Material vor der Oxidation gereinigt, z. B.
durch Waschen mit einem organischen Lösungsmittel wie Aceton.
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Das Beschichtungsbad ist vorzugsweise
eine Lösungsmittelmischung
aus organischen Lösungsmitteln
und Wasser, in der die Teilchen dispergiert sind. Die Polarität des Lösungsmittelsystems
ist vorzugsweise niedriger als die von Wasser, um eine hohe Löslichkeit
des Katalysators zu vermeiden und um eine gute Aufschlämmung zum
Beschichten zu erreichen. Das Lösungsmittelsystem
kann eine Mischung aus Wasser, Amiden, Estern und Alkoholen sein.
Die kinematische Viskosität
des Beschichtungsbades beträgt
vorzugsweise weniger als 175 cSt und die Oberflächenspannung beträgt vorzugsweise
weniger als 300 dyn/cm.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfasst die beschichtete siebartige Struktur Metalldrähte oder
Fasern, und die beschichteten Metalldrähte oder Fasern werden in einer
solchen Weise ausgewählt
oder behandelt, dass die Oberflächenspannung
höher als
50 dyn/cm ist, wie durch das in „Advances in Chemistry, 43,
Contact Angle, Wettability and Adhesion, American Chemical Society,
1964" beschriebene Verfahren
bestimmt.
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Zur Beschichtung einer siebartigen
Struktur, die Metallfasern einschließt, hat die flüssige Beschichtungszusammensetzung
vorzugsweise eine Oberflächenspannung
von 50 bis 300 dyn/cm, und weiter bevorzugt von 50 bis 150 dyn/cm,
gemessen mit Hilfe des Kapillarröhrchen-Verfahrens,
wie von T.C. Patton, „Paint Flow
and Pigment Dispersion",
2n
d Ed., Wiley-Interscience,
1979, Seite 223, beschrieben. Zugleich hat die flüssige Beschichtungszusammensetzung
eine kinematische Viskosität
von nicht mehr als 175 cSt, gemessen mit einem Kapillarviskosimeter
und wie beschrieben in P.C. Hiemenz, „Principles of colloid and
Surface Chemistry",
2nd Ed., Marcel Dekker Inc., 1986, Seite
182.
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Bei einer solchen Ausführungsform
ist die Oberflächenspannung
des zu beschichtenden Metalls mit der Viskosität und Oberflächenspannung
der flüssigen
Beschichtungszusammensetzung so abgestimmt, dass die flüssige Beschichtungszusammensetzung
in das Innere der Struktur gesaugt wird, um eine Partikelbeschichtung
auf der siebartigen Struktur zu bewirken. Das Metall, das beschichtet
werden soll, hat vorzugsweise eine Oberflächenspannung, die größer als
50 dyn/cm ist, und ist vorzugsweise höher als die Oberflächenspannung
der flüssigen
Beschichtungszusammensetzung, um eine spontane Benetzung und Eindringung
der Flüssigkeit
in das Innere des Siebes zu erhalten.
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In dem Fall, wenn das Metall der
zu beschichtenden Struktur nicht die gewünschte Oberflächenspannung
hat, kann die Struktur hitzebehandelt werden, um die gewünschte Oberflächenspannung
zu erzeugen.
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Die flüssige Beschichtungszusammensetzung
kann ohne Bindemittel oder Haftmittel, um eine Anhaftung der partikulären Beschichtung
an die Struktur zu bewirken, hergestellt werden.
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Die Oberfläche der zur beschichtenden
Struktur kann auch chemisch oder physikalisch verändert werden,
um die Anziehung zwischen der Oberfläche und den Teilchen, die die
Beschichtung bilden, zu erhöhen, z.B.
durch Hitzebehandlung oder chemische Modifikation der Oberfläche. Die
Oberfläche
der Struktur kann durch Beschichten der nicht-katalytischen Trägerpartikel
modifiziert werden, um die Anhaftung zu verbessern.
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Der Feststoffgehalt des Beschichtungsbads
beträgt
allgemein von 2 % bis 50 %, vorzugsweise von 5 % bis 30 %.
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Das Bad kann auch Zusätze wie
Tenside, Dispersionsmittel etc. enthalten. Im Allgemeinen beträgt das Gewichtsverhältnis von
Zusätzen
zu Teilchen im Beschichtungsbad von 0,0001 bis 0,4 und weiter bevorzugt von
0,001 bis 0,1.
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Das siebartige Material wird vorzugsweise
durch ein- oder mehrmaliges Eintauchen des siebartigen Materials
in das Beschichtungsbad beschichtet, wobei man es zwischen den Eintauchvorgängen trocknet
oder brennt. Die Temperatur des Bades ist vorzugsweise bei Raumtemperatur,
sie muss aber ausreichend unter dem Siedepunkt der Flüssigkeit
in dem Bad sein.
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Nach dem Beschichten wird das siebartige
Material, das eine poröse
Beschichtung einschließt,
die eine Vielzahl von Teilchen umfasst, getrocknet, wobei das Material
dazu vorzugsweise in vertikaler Position ist. Das Trocknen wird
vorzugsweise durch Kontakt mit einem strömenden Gas (wie zum Beispiel
Luft) bei einer Temperatur von 20°C
bis 150°C,
weiter bevorzugt von 100°C
bis 150°C
ausgeführt.
Nach dem Trocknen wird das beschichtete siebartige Material vorzugsweise
gebrannt, z.B. bei einer Temperatur von 250°C bis 800°C, vorzugsweise 300°C bis 500°C, am meisten
bevorzugt bei 400°C.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden
Temperatur und Gasfluss abgestimmt, um eine Trocknungsrate zu erzeugen,
die die Katalysatorbeschichtung nicht negativ beeinflusst, zum Beispiel
durch Rissbildung, Verstopfen der Poren etc. In vielen Fällen ist
eine langsamere Trocknungsrate bevorzugt.
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Die Dicke der gebildeten Beschichtung
kann variieren. Im Allgemeinen beträgt die Dicke mindestes 1 μm und im
Allgemeinen nicht mehr als 100 μm.
Typischerweise übersteigt
die Dicke der Beschichtung nicht 50 μm, und noch typischerweise nicht
30 μm.
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Der Innenanteil des beschichteten
Siebmaterials hat eine Porosität,
die ausreichend ist, um den Teilchen, die die Beschichtung umfassen,
das Eindringen oder Wandern in das dreidimensionale Netzwerk zu
ermöglichen.
Somit bestimmt die Porengröße des dreidimensionalen
Materials und die Teilchengröße der Teilchen,
die die Beschichtung umfassen, effektiv die Menge und Gleichmäßigkeit
der Beschichtung, die im Inneren des Materialnetzwerks abgelegt
werden kann und/oder die Beschichtungsdicke des Netzwerks. Je größer die
Porengröße ist,
desto größer ist
die Beschichtungsdicke, die gleichmäßig gemäß der Erfindung beschichtet werden
kann.
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Für
den Fall, dass die Teilchen in Form eines Katalysatorvorläuferstoffs
vorliegen, wird das Produkt nach der Ablagerung der Teilchen behandelt,
um den Katalysatorvorläuferstoff
in einen aktiven Katalysator umzuwandeln. Für den Fall, dass die Teilchen,
die im dreidimensionalen Materialnetzwerk abgelagert werden, ein Katalysatorträger sind,
kann der aktive Katalysator oder Katalysatorvorläuferstoff auf einen solchen
Träger
z.B. durch Sprayen, Eintauchen oder Tränken aufgetragen werden.
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Bei Verwendung eines Beschichtungsbads
kann das Beschichtungsbad in einigen Fällen Zusätze enthalten. Diese Zusätze verändern die
physikalischen Eigenschaften des Beschichtungsbads, insbesondere
die Viskosität
und die Oberflächenspannung,
so dass während
des Eintauchens die Durchdringung des Siebs stattfindet und eine
Beschichtung mit einer homogenen Verteilung im Inneren und Äußeren des
Siebs erhalten werden kann. Sole verändern nicht nur die physikalischen
Eigenschaften des Beschichtungsbads, sondern wirken auch als Bindungsmittel.
Nach der Ablagerung wird der Gegenstand getrocknet und gebrannt.
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Als repräsentative Stabilisierungsmittel
können
genannt werden: ein Polymer wie Polyacrylsäure, Acrylamine, organische
quartäre
Ammoniumverbindungen oder andere spezielle Mischungen, die auf Basis der
Teilchen ausgewählt
werden. Alternativ kann ein organisches Lösungsmittel für den gleichen
Zweck verwendet werden. Beispiele solcher Lösungsmittel sind Alkohole oder
flüssige
Paraffine. Die Kontrolle des pH der Aufschlämmung, z.B. durch Zugabe von
HNO3, ist eine weitere Methode, um die Viskosität und Oberflächenspannung
der Beschichtungsaufschlämmung
zu ändern.
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Bei einer Ausführungsform, bei der die siebartige
Struktur eine Vielzahl von Metallfaserschichten umfasst, kann der
partikuläre
Träger
mit oder ohne Katalysator auf den siebartigen Katalysatorträger durch
ein elektrophoretisches Verfahren aufgebracht werden, wie in
US 6,217,732 (U.S. Anmeldenummer
09/156,023), eingereicht am 17. September 1998, beschrieben. Bei
einem solchen Verfahren wird eine drahtsiebartige Struktur als eine
der Elektroden verwendet und der partikuläre Träger, wie z. B. ein Aluminiumoxidträger mit der
notwendigen Teilchengröße mit oder
ohne Katalysator (was auch vorzugsweise Aluminiumoxid in Form eines
Sols zur Förderung
des Anheftens von größeren Teilchen
auf das Drahtsieb einschließt),
wird in einem Beschichtungsbad suspendiert. Ein Potential wird zwischen
den Elektroden angelegt, eine davon ist die siebartige Struktur,
die aus einer Vielzahl von Faserschichten gebildet ist, und die
siebartige Struktur wird elektrophoretisch mit dem Aluminiumoxidträger mit
oder ohne Katalysator beschichtet. Wenn der Aluminiumoxidträger keinen
Katalysator enthält,
kann der Katalysator dann zu der Katalysatorstruktur durch Tränken oder
Eintauchen der Struktur (die die Aluminiumoxidbeschichtung enthält) in eine
geeignete Lösung,
die den Katalysator und möglichst
einen oder mehr Aktivatoren enthält,
zugegeben werden.
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Wie oben gezeigt, kann der auf einen
Träger
geladene Katalysator von dem Siebmaterial durch Einfangen oder Zurückhalten
des partikulären
Trägers
in den Zwischenräumen
des Siebs getragen werden. Beispielsweise kann der partikuläre Träger bei
der Herstellung einer siebartigen Struktur, die eine Vielzahl von Schichten
von statistisch orientierten Fasern umfasst, in die Mischung eingebracht
werden, die zur Herstellung der siebartigen Struktur verwendet wird,
wobei die siebartige Struktur mit dem in den Zwischenräumen des Siebs
zurückgehaltenen partikulären Träger hergestellt
wird. Beispielsweise können
solche siebartigen Strukturen, wie in den vorgenannten Patenten
beschrieben, hergestellt werden, und wobei ein geeigneter Träger zu dem
Sieb, das Fasern und einen Binder wie zum Beispiel Cellulose enthält, zugesetzt
wird. Die hergestellte Siebstruktur enthält den partikulären Träger, der
in der Siebstruktur zurückgehalten
wird. Der partikuläre
Träger,
der in der Siebstruktur zurückgehalten
ist, wird dann mit den Katalysatorvorläuferstoffen getränkt und
thermisch behandelt, um den Katalysator zu erhalten.
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Alternativ kann der hier oben beschriebene
selektive Hydrierungskatalysator direkt auf das Sieb aufgebracht
werden, das mit einer Oxidschicht beschichtet wurde. Beispielsweise
kann das Sieb erhitzt werden, um eine Oxidschicht zu bilden. Der
Katalysator kann dann durch chemische Dampfabscheidung oder andere Mittel
aufgetragen werden. Bei einer solchen Ausführungsform haben die Fasern
des Siebs vorzugsweise einen Durchmesser von weniger als 30 μm, und mehr
bevorzugt von 8 μm
bis 25 μm.
Vorzugsweise umfasst das Sieb eine Vielzahl von Faserschichten,
die in der Schicht statistisch orientiert sind.
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Obwohl die vorliegende Erfindung
jede Reaktion, die mit selektiver Hydrierung von Verunreinigungen in
einer kohlenwasserstoffhaltigen Beschickung verbunden ist, umfasst,
wird die Erfindung jetzt insbesondere bezüglich der selektiven Hydrierung
von acetylenischen und/oder dienischen Verunreinigungen in einer
Beschickung, die mindestens ein Monoolefin enthält, beschrieben.
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Bei einer Ausführungsform wird die selektive
Hydrierung der acetylenischen und/oder dienischen Verunreinigungen
in einer Einstufen-Hydrierung in Gegenwart des geträgerten Katalysators,
wie hier beschrieben, durchgeführt.
Bei einer Ausführungsform
wird die Beschickung als eine Flüssigkeit
eingebracht und kann teilweise oder vollständig während der Hydrierung verdampft
werden. Gemäß einer
Ausführungsform
wird die Hydrierung in der flüssigen
Phase durchgeführt,
wobei man nicht mehr als 5 % der Beschickung während der Hydrierung verdampft.
Es kann jedoch von Vorteil sein, die Reaktion mit Verdampfung von
mehr als 5 % der Beschickung durchzuführen.
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Bei einer solchen Ausführungsform
werden eine Beschickung, die selektiv hydriert werden soll, und ein
Wasserstoff enthaltendes Gas in den katalytischen Hydrierungsreaktor
bei einer Temperatur von 0°C
bis 50°C
eingebracht, und die Auslasstemperatur der katalytischen Hydrierungszone übersteigt
im Allgemeinen nicht 60°C.
Die katalytische Hydrierungszone wird im Allgemeinen bei einem Druck
von 14 bis 35 kg/cm2 betrieben.
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Abhängig vom Grad der acetylenischen
und/oder dienischen Verunreinigungen in der Beschickung, der Einlasstemperatur
und der zulässigen
Auslasstemperatur, kann es nötig
sein, einen Teil des Produktes in die Reaktionszone zurückzuführen (das
Zurückgeführte wird
vor der Einbringung in die Reaktionszone mit der Beschickung und
Wasserstoff gemischt).
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Im Allgemeinen überschreitet das Rückführungsverhältnis (basierend
auf frischer Kohlenwasserstoffbeschickung), falls angewendet, nicht
5 : 1, und vorzugsweise überschreitet
es nicht 3 : 1; entsprechend kann das Rückführungsverhältnis im Bereich von 0 : 1
bis 5 : 1 liegen.
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Der Wasserstoff wird in den Reaktor
in einer Menge eingebracht, die ausreicht, um die erforderliche selektive
Hydrierung von acetylenischen und/oder dienischen Verunreinigungen
zu bewirken, wobei eine Erhöhung
des Verhältnisses
von Wasserstoff/Verunreinigungen zu einer Verringerung der Selektivität der Hydrierung
führt.
Im Allgemeinen wird das molare Beschickungsverhältnis von Wasserstoff zu Verunreinigung
durch die Konzentration an Verunreinigung bestimmt. Der Wasserstoff
kann in einem geeigneten Verdünnungsmittel, wie
zum Beispiel Methan, eingebracht werden.
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Ein oder mehrere Reaktoren können zur
Entfernung der Verunreinigungen verwendet werden, wobei das Wasserstoff/Verunreinigungs-Verhältnis im
zweiten von zwei Reaktoren in Reihe im Allgemeinen größer als
im ersten ist und durch die Einlasskonzentration der Verunreinigung
bestimmt wird und durch die Einlasskonzentration der Verunreinigung
in den zweiten Reaktor bestimmt wird.
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Die Auswahl einer geeigneten HSV
(engl.: hourly space velocity) der Flüssigkeiten sollte dem Fachmann
klar sein. Allgemein wird ein Anstieg an Selektivität bei höherer HSV
der Flüssigkeit
erhalten.
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Bei einer Ausführungsform wird ein Propylenstrom,
der Methylacetylen und Propadien als Verunreinigungen enthält, einer
selektiven Hydrierung gemäß der vorliegenden
Erfindung so unterzogen, dass solch ein propylenhaltiger Strom im
Allgemeinen 0,5 bis 5,0 Mol-% und in einigen Fällen sogar größere Mengen
von solchen Verunreinigungen enthält.
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In einigen Fällen, was von dem Verunreinigungsgehalt
der Beschickung als auch von anderen Faktoren abhängt, kann
das Produkt aus der ersten selektiven katalytischen Hydrierung einer
zweiten katalytischen Hydrierung unterzogen werden. Im Fall der
Verwendung eines zweiten Reaktors oder Reaktorzone wird eine solche
zweite Reaktorzone im Allgemeinen bei einem Druck ähnlich dem
Druck der ersten katalytischen Hydrierungsstufe betrieben. Der zweite
Reaktor wird im Allgemeinen bei einer Einlasstemperatur in der Größenordnung
von 30°C
bis 50°C
und bei einer Auslasstemperatur, die 60°C nicht überschreitet, betrieben. Die
zweite Stufe wird im Allgemeinen mit einem molaren Wasserstoff/Verunreinigungs-Verhältnis von
3 bis 40 Mol an Wasserstoff/Mol Verunreinigung betrieben, wenn die
erste Stufe vorzugsweise mit weniger als 5 Gew.-% Verdampfung der
Beschickung betrieben wird.
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Bei einer anderen Ausführungsform
wird die Beschickung, die die Verunreinigung enthält, als
Dampf bei einer Temperatur im Allgemeinen zwischen 37,8°C (100°F) und 121,1°C (250°F) zugeführt. Das
molare Wasserstoff/Verunreinigungs-Verhältnis in der Beschickung liegt
im Allgemeinen zwischen 1,1 und 5,0. Ein oder mehrere Reaktoren
können
verwendet werden.
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Bei einer anderen Ausführungsform
wird die Beschickung, die die Verunreinigung enthält, einer
Destillationssäule,
wobei die siebartige Struktur, die den Katalysator enthält oder
mit Katalysator beschichtet ist, auch als Destillationsfüllung dient,
zugeführt.
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Bei allen oben genannten Ausführungsformen
kann Kohlenmonoxid entweder in der Beschickung vorhanden sein oder
der Beschickung als ein selektiver Aktivator zugegeben werden. Das
Kohlenmonoxid kann entweder zum Wasserstoff oder zu der kohlenwasserstoffhaltigen
Beschickung zugegeben werden.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug
auf die folgenden Beispiele beschrieben, es ist jedoch nicht beabsichtigt,
den Umfang der vorliegenden Erfindung dadurch zu beschränken.
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Beispiel 1
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sEs wurde ein partikulärer Katalysator
und der gleiche auf ein Sieb geträgerter Katalysator bei der
selektiven Hydrierung von Methylacetylen und Propadien in einem
Strom, der Propylen enthält,
verwendet. Der partikuläre
Katalysator ist ein Palladium-Silber-Katalysator auf Aluminiumoxid
mit einer Oberfläche
von 8 m2/g. Der Katalysator wurde auf ein
Sieb wie folgt geladen: Der Katalysator wurde auf eine mittlere
Teilchengröße von 3 μm gemahlen.
Danach wurde eine Aufschlämmung
der Teilchen in Wasser mit 10 % Feststoffanteil hergestellt. Zu
dieser Aufschlämmung
wurden 0,1 g kommerziell erhältliches
kationisches Acrylamidpolymer und 0,2 g eines 20 %-igen Aluminiumoxid-Sols
(NyacolTM) pro 10 g des geträgerten Katalysators
zugegeben. Die Aufschlämmung
wurde in ein Bad mit zwei rostfreien Stahlelektroden, die mit dem
positiven Pol einer Spannungsversorgung verbunden sind, geschüttet. Eine
Siebprobe mit einer Dicke von 0,8 mm, mit Fasern aus rostfreiem
Stahl von 12 μm
Durchmesser und einem Porenvolumen von 90 %, wurde zurechtgeschnitten,
um sie den Dimensionen der Elektroden anzupassen. Das Sieb wurde
mit Aceton gespült
und an Luft bei 300°C
für eine
Stunde gebrannt, um organische Verunreinigungen zu entfernen. Das
Sieb wurde in gleichen Abständen und
parallel zu den Elektroden angeordnet und mit dem negativen Pol
der Spannungsversorgung verbunden. Ein Potential von 10 Volt wurde
für 60
Sekunden angelegt, währenddessen
der auf einen Träger
geladene Katalysator auf dem Sieb abgeschieden wurde. Das beschichtete
Sieb wurde aus dem Bad entfernt und bei 500°C für eine Stunde an Luft gebrannt.
Die Menge des auf einen Träger
geladenen Katalysators, die auf dem Sieb abgeschieden wurde, betrug
22 des Gesamtgewichts des Siebes und des geträgerten Katalysators. Das beschichtete
Netz wurde in Streifen von ungefähr
5 mm mal 10 mm geschnitten. Die Katalysatoren wurden in den Reaktor
zwischen 1 mm großen α-Al2O3-Kügelchen und Glaswolle eingebracht.
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Die Aktivitäten der Palladium-Silber-Extrudate
und des gleichen Katalysators, der auf ein Sieb aufgebracht wurde,
wurde für
die selektive Hydrierung von Methylacetylen und Propadien in einem
Strom, der Propylen enthält,
gemessen. Die Beschickung in den Reaktor, der einen äußeren Durchmesser
von 19,05 mm (0,75 Zoll) hatte, bestand aus:
0,78 Gew.-% bis
0,84 Gew.-% Methylacetylen
0,32 Gew.-% bis 0,33 Gew.-% Propadien
21,3
Gew.-% bis 23,5 Gew.-% Propylen
gelöster Wasserstoff, molares Verhältnis H2/(MA + PD) = 0,75–0,83 Rest-Isobutan
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Die selektive Hydrierung wurde bei
einer LHSV (engl.: liquid hourly space velocity) von 367 bis 369 Std.–1 durchgeführt.
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Am Ende der Reaktion wurde die Propadien-Umwandlung
(%) und Selektivität
(%) der Reaktion in Gegenwart des partikulären Katalysators allein und
des gleichen auf einem Sieb geträgerten
Katalysators gemessen. Die Selektivität ist folgendermaßen definiert:
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Erzeugtes Propylen/(Methylacetylen
+ umgewandeltes Propadien) × 100.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 unten angegeben. Tabelle
1
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Beispiel 2
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Ein selektiver Hydrierungskatalysator,
der Pd und Ag auf einem inerten Träger enthält, wurde in einer Eiger-Kugelmühle für 15 Minuten
bei 4000 upm gemahlen, um eine Aufschlämmung mit 25 Gew.-% an Feststoffen
herzustellen und um eine mittlere Teilchengröße von 1,5 μm zu erzeugen. Zu dieser Aufschlämmungsmischung
wurden 1 Gew.-% von Nyacol-Aluminiumoxid-Sole auf Basis des Feststoffgewichts
in der Aufschlämmung
zugegeben, und die Aufschlämmung
wurde auf 17,3 % verdünnt.
Eine 0,8 mm dicke Platte aus rostfreiem Stahl, die 12 μm Fasern
bei einer Porosität
von 90 % enthält,
wurde zugeschnitten, gewellt und in 16 verschiedene Plattengrößen geformt.
Die unterschiedlichen Plattengrößen wurden
dann mit dieser Aufschlämmungsmischung
durch Eintauchen der einzelnen Platten beschichtet. Die überschüssige Aufschlämmung wurde
von den Platten durch Schütteln
und Abtupfen mit einem Papiertuch entfernt. Die Platten wurden dann
bei 120°C
für 15
Minuten getrocknet. Nach dem Trocknen wurden die Platten bündelweise
für eine
Hitzebehandlung in Luft bei 500°C
gestapelt. Insgesamt wurden 22 Bündel,
wobei der durchschnittliche Prozentsatz an Katalysator auf den beschichteten
Bündeln 14,4
% beträgt,
hergestellt. Diese Bündel
wurden in einen Festbettreaktor gegeben und erfolgreich für die selektive
Hydrierung von MAPD in der Gasphase verwendet.
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Beispiel 3
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Ein selektiver Hydrierungskatalysator,
der Pd und Ag auf einem inerten Träger enthält, wurde in einer Eiger-Kugelmühle für 15 Minuten
bei 4000 upm gemahlen, um eine Aufschlämmung mit 21 Gew.-% an Feststoffen
herzustellen und um eine mittlere Teilchengröße von 1,5 μm zu erzeugen. Zu dieser Aufschlämmungsmischung
wurden 1 Gew.-% von Nyacol-Aluminiumoxid-Sole auf Basis des Feststoffgewichts
in der Aufschlämmung
zugegeben, und die Aufschlämmung
wurde auf 10 % verdünnt.
Eine Platte aus rostfreiem Stahl, die aus 12 μm Fasern hergestellt wurde,
und eine Dicke von 0,8 mm mit einer Porosität von 90 % aufwies, wurde zugeschnitten,
gewellt und mit einer flachen Platte in einen Monolithen mit 17
mm Außendurchmesser und
45 mm Länge
gerollt. Insgesamt wurden 22 Monolithe hergestellt. Die verschiedenen
Monolithe wurden dann mit dieser Aufschlämmungsmischung durch Eintauchbeschichtung
der einzelnen Monolithe beschichtet. Die überschüssige Aufschlämmung auf
der Platte wurde mit einem Luftschaber entfernt. Die Monolithe wurden dann
bei 120°C
für 20
Minuten getrocknet und in Luft bei 500°C für eine Stunde behandelt. Insgesamt
wurden 22 Monolithe hergestellt, wobei der durchschnittliche Prozentsatz
an Katalysator auf den beschichteten Monolithen 8,63% beträgt. Diese
Monolithe wurden in einen Festbettreaktor eingebracht und erfolgreich
zur selektiven Hydrierung einer flüssigen Phase von 1,3-Butadien
verwendet.