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Technisches Gebiet
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Diese
Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf die Disproportionierung/Isomerisierung
von β-Naphthoesäuresalzen.
Genauer gesagt bezieht sich diese Erfindung auf Katalysatoren, die
bei der Disproportionierung/Isomerisierung von β-Naphthoesäuresalzen verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung stellt als Alternative zu den im Stand
der Technik für
Disproportionierungsreaktionen typischerweise verwendeten Metallhalogenidkatalysatoren
halogenidfreie Katalysatoren auf Kupferbasis bereit. Die Katalysatoren
zeigen bei der Disproportionierung von Kaliumnaphthoat zu den Kaliumsalzen
von 2,6-NDA besonders gute Ausbeuten und eine hohe Selektivität. Der Katalysator
umfasst einen Mischkatalysator aus Verbindungen von Kupfer, Zink
und Zirconium. Die erfindungsgemäßen halogenidfreien
Katalysatoren bieten gute Stabilität, Aktivität und Selektivität in einer
Disproportionierungs/Isomerisierungsreaktion.
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Allgemeiner Stand der
Technik
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Im
Stand der Technik ist bekannt, dass aromatische Carbonsäuren nützlich sind
als Rohmaterialien für die
Herstellung von Polyestern für
Fasern, Folien und Weichmacher. Ein Verfahren zur Herstellung aromatischer
Carbonsäuren
ist die Oxidation. Eine Alkyl- oder Acyl-substituierte aromatische
Verbindung wird durch Verwendung eines Schwermetallkatalysators
in der Flüssigphase
in die korrespondierende aromatische Carbonsäure umgewandelt. Die U.S.-Patente
Nr. 2,833,816; 3,870,754; 4,933,491 und 4,950,786 offenbaren zum Beispiel
Verfahren zur Herstellung von Naphthalindicarbonsäure durch
Oxidation.
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In
einem weiteren Verfahren können
Naphthalinmonocarbonsäure
und andere Naphthalindicarbonsäuren
als 2,6-Naphthalindicarbonsäure
unter Anwendung einer Disproportionierungs/Isomerisierungsreaktion,
der sogenannten Henkel-Umlagerungsreaktion, in 2,6-Naphthalindicarbonsäure umgewandelt
werden. Henkel und Cie patentierten in den späten 50er-Jahren als erste die
Reaktion von Naphthoesäuresalzen
zu 2,6-Naphthalindicarbonsäure. (Siehe
U.S.-Patent Nr. 2,823,231 und U.S.-Patent Nr. 2,849,482).
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Die
Henkel- und Cie-Patente sowie viele andere Referenzen im Stand der
Technik lehren die bevorzugte Verwendung von Cadmiumhalogenid sowie
anderer Metallhalogenide als Katalysatoren in Disproportionierungsreaktionen.
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Das
U.S.-Patent Nr. 3,546,282 offenbart die Verwendung von Eisen-, Zink-,
Cadmium- und Kupferoxiden, die Beispiele zeigen jedoch, dass Cadmiumsalze
am effektivsten waren.
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Ein
Patent, das einen anderen Standpunkt vertritt, ist das U.S.-Patent
Nr. 3,766,258, welches die Verwendung einer Katalysatorzusammensetzung,
bestehend aus basischem Kupfercarbonat, Cadmiumfluorid und Kaliumcarbonat,
lehrt. In Spalte 1, Zeile 60, wird erklärt, dass die Erfindung in einem
Verfahren zur Herstellung von Terephthalsäure aus einem Metallsalz von
Benzoesäure
besonders nützlich
ist. In den Beispielen werden die Produkte durch Wasserextraktion
und anschließende
Ansäuerung/Filtration
isoliert. Es wird keine Analysentechnik geoffenbart, und wahrscheinlich
wird nicht umgesetztes Kaliumnaphthoat irrtümlicherweise als Disäureprodukt
gezählt.
Bei der vorliegenden Erfindung wird in Beisp. 10 nachgewiesen, dass
basisches Kupfercarbonat, das nicht so behandelt wurde wie in der
vorliegenden Erfindung gelehrt, eine schädliche Nebenreaktion fördert.
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Die
DE-A-31 48 987 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Alkalimetallsalzes
einer aromatischen Dicarbonsäure
aus dem korrespondierenden Salz der Monocarbonsäure bei hoher Temperatur und
hohem Druck in Gegenwart eines halogenidfreien Metallkatalysators,
umfassend Oxide von Kupfer und Zink oder Aluminium und zumindet
ein weiteres Metalloxid.
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Es
würde im
Stand der Technik eine erhebliche Verbesserung darstellen, wenn
ein Disproportionierungs/Isomerisierungskatalysator verfügbar wäre, der
eine gute Selektivität
für das
2,6-Isomer des Kaliumsalzes von Naphthalindicarbonsäure bietet,
und zwar ohne Bedenken hinsichtlich einer extremen Toxizität und Reaktorkorrosion,
welche für
die derzeit im Stand der Technik akzeptierten Schwermetallhalogenide
typisch sind.
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Die
vorliegende Erfindung stellt effektive halogenidfreie Katalysatoren
für eine
Disproportionierungsreaktion bereit.
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Offenbarung
der Erfindung
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Gemäß dem Vorangegangenen
stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren bereit, wie es im
nachfolgenden Anspruch 1 angegeben ist. Bevorzugte Merkmale der
Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen dargelegt.
Spezifische Beispiele zeigen bei Verwendung der erfindungsgemäßen Katalysatoren
gute Ausbeuten und eine hohe Selektivität bei der Disproportionierung
von Naphthoesäuresalzen
zu 2,6-Naphthalindicarbonsäure.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Die
Ausgangsmaterialien für
eine Disproportionierung, bei welcher der erfindungsgemäße Katalysator nützlich ist,
sind β-Naphthoesäuresalze.
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Die
erhaltenen Reaktionsprodukte sind industriell wertvolle Dicarbonsäuren oder
die Salze davon, wie zum Beispiel 2,6-Naphthalindicarbonsäure.
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Es
ist von Vorteil, die obenstehend erwähnte Carbonsäure in Form
eines Alkalimetallsalzes zu verwenden. Vorzugsweise werden die Kaliumsalze
oder die Natriumsalze verwendet. Die Lithium-, Rubidium- und Cäsiumsalze
können
zwar verwendet werden, werden es aus Gründen der Wirtschaftlichkeit
jedoch im Allgemeinen nicht. Es ist auch möglich, Mischungen von Salzen
zweier verschiedener Metalle zu verwenden. Reaktionsmaterialien,
welche die obenstehend erwähnten
Salze bilden, können
ebenfalls verwendet werden.
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Für die Disproportionierungsreaktion
geeignete Temperaturen liegen im Bereich von 340°C bis 500°C. Bessere Ergebnisse sind dort
zu beobachten, wo die Temperatur 400°C bis 480°C beträgt. Die bevorzugte Temperatur
beträgt
440°C bis
460°C. Dieser
Temperaturbereich ist jedoch stark eingeschränkt. Ein Anheben der Temperatur
verbessert im Allgemeinen die Umwandlung; bei höheren Temperaturen werden jedoch
der Zerfall durch Decarboxylierung und Teerung gravierender. Im
Allgemeinen nimmt der Zerfall des organischen Materials und Produkts
bei Temperaturen über
500°C erhebliche
Ausmaße
an und führt
zu einer Verkohlung, daher sollten derart hohe Temperaturen über sehr
lange Zeiträume
hinweg vermieden werden.
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Die
erfindungsgemäße Disproportionierungs/Isomerisierungsreaktion
kann bei 300 bis 600°C
und bei 4.826 bis 6.895 kPa CO2 in Gegenwart
eines halogenidfreien Katalysators, umfassend CuCO3,
ZnCO3 und Zirconiumcarbonat, stattfinden.
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Die
Disproportionierungsreaktion wird unter dem Druck von gasförmigem Kohlendioxid
durchgeführt. Die
gasförmige
Mischung kann ein inertes Gas oder Gase wie z.B. Stickstoff, Methan
oder andere gasförmige paraffinische,
olefinische und aromatische Kohlenwasserstoffe enthalten. Im Falle
einer Gasmischung ist CO2 vorzugsweise zumindest
als 10% der Mischung vorhanden. Die Gegenwart von Sauerstoff sollte
aufgrund der Tatsache, dass dieser die Ausbeuten beeinflussen kann,
vermieden werden. Geeignete CO2-Drücke betragen 1.379
bis 68.950 kPa g (200 bis 10.000 psig). Die Istdrücke hängen von
den Partialdrücken
anderer vorhandener Gase ab. Ein noch mehr bevorzugter CO2-Druckbereich erstreckt sich von 2.413 bis
7.584 kPa g (350 bis 1100 psig). Um die Reaktion zu beschleunigen
und das Auftreten von Nebenreaktionen zu unterdrücken, beträgt die Reaktionstemperatur
vorzugsweise etwa 450°C
und der Druck 5.860 bis 6.550 kPa g (850 psig bis 950 psig).
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Das
Reaktionsmedium oder Dispergiermittel kann jedwede Verbindung von
ausreichender thermischer Stabilität sein. Es beschränkt sich
nicht auf aromatische Verbindungen, aromatische Verbindungen sind jedoch
geeignet. Beispiele für
geeignete Lösungsmittel
umfassen eine einzelne Verbindung oder eine Mischung von Verbindungen,
die ausgewählt
sind aus einer Vielfalt von aprotischen polycyclischen aromatischen Verbindungen
wie z.B. Naphthalin, Methylnaphthalin, Dimethylnaphthalin, Diphenylether,
Dinaphthylether, Terphenyl, Anthracen, Phenanthren und Mischungen
davon. Die polycyclische aromatische Verbindung wird in einer Menge
von 1 bis 6 Mal, vorzugsweise 2 bis 4 Mal, der Menge des Ausgangsmaterials,
bezogen auf das Gewicht, verwendet.
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Die
Gegenwart von Wasser sollte im Reaktionssystem vermieden werden.
Außerdem
ist es wünschenswert,
Sauerstoff soweit wie möglich
aus dem System zu entfernen.
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Bei
der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst der Disproportionierungs/Isomerisierungskatalysator
Mischungen einer Kupferverbindung, einer Zinkverbindung und zumindest
einer Verbindung, die ausgewählt
ist aus der Gruppe, bestehend aus Aluminium, Zirconium, Magnesium
und einer seltenen Erde sowie Mischungen davon.
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Der
Kupfergehalt des Katalysators kann über einen weiten Bereich variieren,
beispielsweise von 10 Gew.% bis 80 Gew.%, berechnet als Oxid und
bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators. Für eine bestmögliche Verbindung
von anfänglicher
Katalysatoraktivität
und Katalysatorstabilität
wird jedoch ein Kupfergehalt im Bereich von 25 Gew.% bis 75 Gew.%,
berechnet als Oxid, insbesondere von 30 Gew.% bis 70 Gew.%, berechnet
als Oxid, bevorzugt. Bei allen Verhältnissen, die hier detailliert
angeführt
sind, handelt es sich um Metallatome, falls nicht anders angegeben.
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Der
Zinkgehalt des Katalysators liegt typischerweise im Bereich von
10 Gew.% bis 80 Gew.%, berechnet als Oxid und bezogen auf das Gesamtgewicht
des Katalysators. Vorzugsweise liegt der Zinkgehalt des Katalysators
im Bereich von 15 Gew.% bis 75 Gew.%, berechnet als Oxid, insbesondere
von 20 Gew.% bis 70 Gew.%, berechnet als Oxid. Das Verhältnis von
Zink zu Kupfer im Katalysator bewegt sich im Allgemeinen im Bereich
von 1:5 bis 5:1 und vorzugsweise im Bereich von 1:4 bis 2:1.
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Der
Katalysator umfasst außerdem
zumindest eine Verbindung, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend
aus Aluminium, Zirconium, Magnesium, einer seltenen Erde und Mischungen
davon.
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Bei
Verwendung einer Seltenerdverbindung liegt der Seltenerdgehalt des
Katalysators typischerweise im Bereich von 0,1 Gew.% bis 20 Gew.%,
berechnet als Oxid und bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators.
Vorzugsweise liegt der Seltenerdgehalt des Katalysators im Bereich
von 0,2 Gew.% bis 15 Gew.%, berechnet als Oxid, insbesondere von
0,3 Gew.% bis 10 Gew.%, berechnet als Oxid.
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Wie
hier verwendet, beziehen sich die Begriffe „seltene Erde" und „Lanthanoid" auf jene Reihe von Elementen,
deren Ordnungszahlen von 57 (Lanthan) bis 71 (Lutetium) reichen.
Bezüglich
der Seltenerd(Lanthanoid)-Reihe sind Mischmetalle ohne weiteres
im Handel erhältlich.
Für die
Zwecke der vorliegenden Erfindung wird die seltene Erde ausgewählt aus
der Gruppe, bestehend aus Praseodym, Neodymium, Yttrium, Lanthan,
Samarium, Thorium, Cer und Mischungen davon, wobei Lanthan bevorzugt
wird.
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Wenn
der Katalysator Aluminium enthält,
liegt der Aluminiumgehalt des Katalysators typischerweise im Bereich
von 0,05 Gew.% bis 30 Gew.%, berechnet als Oxid und bezogen auf
das Gesamtgewicht des Katalysators. Vorzugsweise liegt der Aluminiumgehalt
des Katalysators im Bereich von 0,4 Gew.% bis 20 Gew.%, berechnet
als Oxid, insbesondere von 0,6 Gew.% bis 10 Gew.%, berechnet als
Oxid.
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Wenn
der Katalysator Zirconium enthält,
liegt der Zirconiumgehalt des Katalysators typischerweise im Bereich
von 0,05 Gew.% bis 30 Gew.%, berechnet als Oxid und bezogen auf
das Gesamtgewicht des Katalysators. Vorzugsweise liegt der Zirconiumgehalt
des Katalysators im Bereich von 0,4 Gew.% bis 20 Gew.%, berechnet
als Oxid, insbesondere von 0,6 Gew.% bis 10 Gew.%, berechnet als
Oxid.
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Wenn
der Katalysator Magnesium enthält,
liegt der Magnesiumgehalt des Katalysators typischerweise im Bereich
von 0,05 Gew.% bis 30 Gew.%, berechnet als Oxid und bezogen auf
das Gesamtgewicht des Katalysators. Vorzugsweise liegt der Magnesiumgehalt
des Katalysators im Bereich von 0,4 Gew.% bis 20 Gew.%, berechnet
als Oxid, insbesondere von 0,6 Gew.% bis 10 Gew.%, berechnet als
Oxid.
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Wenn
Mischungen einer seltenen Erde und/oder Aluminium und/oder Zirconium
und/oder Magnesium verwendet werden, liegt die im Katalysator vorhandene
Gesamtmenge typischerweise im Bereich von 0,05 Gew.% bis 30 Gew.%,
berechnet als Oxid und bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators.
Vorzugsweise liegt die im Katalysator vorhandene Gesamtmenge im
Bereich von 0,4 Gew.% bis 20 Gew.%, berechnet als Oxid, insbesondere
von 0,6 Gew.% bis 10 Gew.%, berechnet als Oxid.
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Bei
einer Ausführungsform
umfasst der Katalysator Kupfer, Zink und Zirconium. Bei einer anderen Ausführungsform
umfasst der Katalysator Kupfer, Zink und Aluminium. Bei einer weiteren
Ausführungsform umfasst
der Katalysator Kupfer, Zink, Aluminium und Zirconium. Bei einer
weiteren Ausführungsform
umfasst der Katalysator Kupfer, Zink und eine seltene Erde. Bei
einer weiteren Ausführungsform
umfasst der Katalysator Kupfer, Zink, Magnesium und eine seltene
Erde.
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Zur
Herstellung der erfindungsgemäßen Katalysatoren
können
verschiedene Verfahren eingesetzt werden. Beispielsweise können einzelne
Lösungen
der Metalle vorbereitet und zusammengemischt werden, gefolgt von
der Hinzufügung
einer wässrigen
alkalischen Lösung.
Alternativ können
eine erste wässrige
Lösung
mit einem Kupfer- oder Zinksalz und eine zweite Lösung mit
einer löslichen
Base und zumindest einem löslichen
Salz von zumindest einem zweiten Metall hergestellt werden, und
diese beiden Lösungen
werden dann gleichzeitig in ein Wasser enthaltendes Gefäß gegeben.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
werden die Katalysatoren hergestellt, indem aus einer wässrigen
Lösung
thermisch zersetzbare Verbindungen von Kupfer, Zink und einer seltenen
Erde und/oder Aluminium und/oder Zirconium und/oder Magnesium kopräzipitiert
werden und das Präzipitat
gewaschen und calciniert wird, um die Metalloxide zu ergeben. Der
Katalysatorvorläufer
wird einer Reduktionsbehandlung unterzogen, um den aktiven Katalysator
zu ergeben.
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Es
versteht sich von selbst, dass der Katalysator üblicherweise in der Form seines
Vorläufers
gehandhabt und gelagert wird, welcher im Handel allerdings als „Katalysator" bezeichnet wird,
obwohl er genau genommen kein Katalysator im Sinne jenes Mittels
ist, das an chemischen Reaktionen wie einer Disproportionierung/Isomerisierung
teilnimmt. Die Reduktion des Vorläufers zum Katalysator wird
normalerweise vom Betreiber des chemischen Verfahrens vorgenommen.
Der Vorläufer
kann in Formen vorliegen, wie vom Verwender des Katalysators benötigt, z.B.
als Pellets, oder kann in seinem Zustand vorliegen, den er vor dem
Formungsvorgang hatte, z.B. als Pulver oder als leicht komprimiertes
Pulver.
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Die
Ausgangsform, bei der Kupfer, Zink und seltene Erde und/oder Aluminium
und/oder Zirconium und/oder Magnesium verwendet werden, ist das
Oxid, obwohl Verbindungen, die leicht in das Oxid umzuwandeln sind,
z.B. die entsprechenden Metallcarbonate, anfangs ebenfalls zweckmäßigerweise
verwendet werden, da diese während
einer Vorbehandlung im Anschluss an die Bildung der anfänglich hergestellten
Katalysatorzusammensetzung in das Oxid umgewandelt werden. Eine
Vorbehandlung des Katalysators in Wasserstoff und der Betrieb des
Katalysators in der Reaktionsumgebung bewirken eine zumindest teilweise
Reduktion einiger der Metalle, wie zum Beispiel Kupfer, auf niedrigere
Oxidationsstufen, und es ist beabsichtigt, dass Katalysatoren mit
diesen reduzierten Stufen in den Schutzbereich dieser Erfindung
fallen.
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Beim
Verfahren zur Herstellung des Katalysators sollten die Reaktionsbedingungen
für die
Präzipitation
sorgfältig
kontrolliert werden. Die Temperatur für die Präzipitation liegt vorzugsweise
im Bereich von 20°C bis
100°C, vorzugsweise
von 50°C
bis 85°C,
und der pH-Wert wird während
des Fällungsvorgangs
bei zwischen 5,5 und 7,5, vorzugweise zwischen 6,0 und 7,0 und noch
bevorzugter zwischen 6,3 und 6,7, gehalten. Das Fällungsmittel
ist ein Alkalimetall oder eine Ammoniumcarbonatlösung. Das so erhaltene Präzipitat
ist eine Mischung von Carbonaten, basischen Carbonaten, Oxiden,
hydratisierten Oxiden und Hydroxiden. Das Präzipitat wird vorzugsweise mehrmals
mit Wasser gewaschen, abgelagert, erneut aufgeschlämmt und
danach getrocknet und calciniert, und zwar vorzugsweise in Luft
bei einer Temperatur von 200°C
bis 400°C,
wobei eine Temperatur von 250°C
bis 350°C
bevorzugt wird. Die Trocknung erfolgt bei einer Temperatur, die
ausreicht, um das Wasser zu entfernen. Zweckmäßigerweise wird dieser Schritt
durch eine geeignete Steigerung der Temperatur von der Raumtemperatur
langsam bis hin zur Trocknungstemperatur und danach hinauf zur Calcinierungstemperatur
mit der Calcinierung kombiniert. Das calcinierte Material wird beispielsweise
durch Pelletisierung unter Druck geformt, wobei als Bindemittel
Aluminiumoxid oder als Schmiermittel Graphit verwendet wird. Die
Oxidmischung wird vor ihrer Verwendung als Katalysator in einer
wasserstoffhaltigen Atmosphäre vorbehandelt,
um sie in ihren aktivsten Zustand zu versetzen. Die Vorbehandlung
wird bewerkstelligt, indem der Katalysator bei einer Temperatur
im Bereich von 100°C
bis 400°C
mit einem Strom von Wasserstoff oder von Wasserstoff, vermischt
mit einem inerten Gas oder einem Verdünnungsmittel, kontaktiert wird.
Geeignete Verdünnungsgase
für die
aktivierende Gasmischung umfassen Stickstoff, die Edelgase und Mischungen
davon.
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Außerdem wurde
bei der vorliegenden Erfindung das Sintern des Katalysators vor
der Verwendung bei einer Temperatur von 800–1000°C, vorzugsweise von 900–960°C, entdeckt.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
wird eine wässrige
Lösung
von Kupfer-, Zink- und Zirconiumsalzen eingesetzt. Vorzugsweise
werden Kupfernitrat, Zinknitrat und Zirconiumnitrat verwendet. Eine
zweite Lösung
von Alkalimetall oder vorzugsweise Ammoniumcarbonat wird vorbereitet.
Die beiden Lösungen
werden auf eine Temperatur von 20°C
bis 85°C
erhitzt und gleichzeitig in solchen Mengen in den Fällbehälter dosiert,
dass der pH-Wert im Fällbehälter zwischen
5,5 und 7,5 gehalten wird. Zusätzliches
Wasser kann entweder anfänglich
im Fällbehälter verwendet
oder gleichzeitig mit der Salzlösung
und der Präzipitationslösung hinzugefügt werden.
Das resultierende Präzipitat
wird gründlich
gewaschen, getrocknet, bei 300°C
calciniert und bei Temperaturen im Bereich von 100°C bis 400°C in Wasserstoff
aktiviert.
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Einer
der erfindungsgemäßen, beispielhaft
dargestellten Katalysatoren (Beispiele 1 und 7–9), der eine gute Selektivität bietet
und dabei Toxizitätsprobleme
und metallurgische Bedenken vermeidet, wird in Form von gemischten
Kupfer-, Zink- und Zirconiumcarbonaten hergestellt. Der Katalysator
wird in einer Menge von 0,05 Gew.% bis 25 Gew.% verwendet, bezogen
auf das als Ausgangsmaterial verwendete Alkali-β-naphthoat, kann jedoch auch
in größeren Mengen
verwendet werden.
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Der
Katalysator kann in der gesamten Reaktionsmischung gleichmäßig und
fein verteilt werden, indem eine wässrige Lösung der als Ausgangsmaterial
dienenden Salze, in welcher der Katalysator aufgelöst oder suspendiert
ist, in trockenes Pulver umgewandelt wird.
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Im
U.S.-Patent Nr. 3,766,258 wird eine Katalysatorzusammensetzung geoffenbart,
die basisches Kupfercarbonat, Cadmiumfluorid und Kaliumcarbonat
umfasst. In den Beispielen werden die Produkte jedoch durch Wasserextraktion
und anschließende
Ansäuerung/Filtration
isoliert. Es wird keine Analysentechnik geoffenbart, und wahrscheinlich
wird nicht umgesetztes KNA irrtümlicherweise
als Disäureprodukt
gezählt.
Im Gegensatz dazu vermeidet die vorliegende Erfindung die Verwendung
von Cadmiumfluorid und die damit zusammenhängenden Bedenken hinsichtlich
einer extremen Toxizität
und Reaktorkorrosion.
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Die
nachfolgenden Beispiele veranschaulichen die vorliegende Erfindung
weiter und ermöglichen
dem Fachmann ein vollständigeres
Verständnis
der Erfindung. Selbstverständlich
sind diese Beispiele nur für
den Zweck einer Veranschaulichung und Erläuterung dargelegt und sollten
nicht als die Erfindung in irgendeiner Weise einschränkend gedeutet
werden.
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BEISPIEL 1
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Dieses
Beispiel zeigt die Herstellung der erfindungsgemäßen Mischmetallcarbonat-Katalysatoren. Die Mischmetallcarbonate
wurden hergestellt, indem eine Lösung
von gemischten Nitraten, bestehend aus 96 Gramm (0,41 Mol) Kupfernitrat,
60 Gramm (0,2 Mol) Zinknitrat, 3,0 Gramm (0,008 Mol) Zirconylnitrat
in einem Liter Wasser, vorbereitet, auf 85°C erhitzt und in ein Trichtergefäß gegeben
wurde. In einen zweiten Trichter wurde eine heiße (50°C) 1,0-molare Lösung von
Ammoniumcarbonat gegeben, und zwar in einer ausreichenden Menge,
um einen molaren Überschuss
gegenüber
den Metallnitraten bereitzustellen. Die beiden Lösungen wurden über einen
Zeitraum von etwa 20 Minuten gleichzeitig in ein Gefäß gegeben,
das 1 Liter kräftig gerührtes Wasser
bei 65°C
enthielt. Die Zugabemengen wurden solcherart eingestellt, um den
pH-Wert der Mischung bei etwa 6,5 zu halten. Nach beendeter Hinzugabe
wurde der Schlamm 20 Minuten lang bei 85°C abgelagert und danach sich
setzen gelassen, wonach er durch Dekantierung und erneute Aufschlämmung 5 Mal
gewaschen wurde, bevor er filtriert und bei 125°C 16 Stunden lang getrocknet
wurde. Der Metallgehalt ist ungefähr: Cu0,41,
Zn0,2, Zr0,005.
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Der
erfindungsgemäße Katalysator
wird aus den Mischmetallnitraten hergestellt, indem eine 12-Gramm-Mischung
von Cu(II)-, Zn- und Zr-Carbonaten 2 Stunden lang bei ungefähr 900–960°C gesintert wird.
Das resultierende schwarze Pulver wurde aus dem Ofen herausgenommen
und in einem Trockenschrank gelagert. Die im Vergleichsbeispiel
10 verwendete Carbonatmischung wurde nicht gesintert und führte zu
einer geringen Ausbeute und einer erheblichen Decarboxylierung.
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BEISPIEL 2
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Beispiel
2 zeigt die Herstellung eines Lanthan enthaltenden Katalysators.
Eine Lösung
von gemischten Nitraten, 96 Gramm (0,41 Mol) Kupfernitrat, 60 Gramm
(0,2 Mol) Zinknitrat, 3,3 Gramm (0,008 Mol) Lanthannitrat in einem
Liter Wasser wurde auf 85°C
erhitzt und in ein Trichtergefäß gegeben.
In einen zweiten Trichter wurde eine 50°C heiße 1-molare Lösung von Ammoniumcarbonat gegeben,
und zwar in einer ausreichenden Menge, um einen Überschuss gegenüber den
Metallnitraten bereitzustellen. Zwei Lösungen wurden über einen
Zeitraum von etwa 20 Minuten gleichzeitig in ein Gefäß gegeben,
das 1 Liter kräftig
gerührtes
destilliertes Wasser bei 65°C
enthielt. Die Zugabemengen wurden solcherart eingestellt, um den
pH-Wert der Mischung bei einem pH von etwa 6,5 zu halten. Nach beendeter
Hinzugabe wurde der Schlamm 20 Minuten lang bei 85°C abgelagert
und danach sich setzen gelassen und durch Dekantierung und erneute
Aufschlämmung 5
Mal gewaschen, bevor er filtriert und getrocknet wurde. Die gemischten
Carbonate wurden getrocknet und danach bei 900–960°C 4 Stunden lang gesintert.
Das resultierende Oxidmaterial wurde bei 9.072 kg (20.000 lbs) isostatisch
komprimiert und danach zerkleinert und gesiebt.
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BEISPIEL 3
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Das
Katalysatorherstellungsverfahren des Beispiels 1 wurde befolgt,
abgesehen davon, dass anstelle des Lanthannitrats 3,47 g (0,008
Mol) Cernitrat verwendet wurden.
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BEISPIEL 4
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Das
Katalysatorherstellungsverfahren des Beispiels 2 wurde befolgt,
abgesehen davon, dass anstelle des Lanthannitrats 3,00 g (0,008
Mol) Zirconylnitrat verwendet wurden.
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BEISPIEL 5
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Das
Katalysatorherstellungsverfahren des Beispiels 1 wurde befolgt,
abgesehen davon, dass zur Nitratsalzlösung 2,2 g (0,009 Mol) Magnesiumnitrathexahydrat
hinzugefügt
wurden.
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BEISPIEL 6
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Ein
Cu/Zn/Zr-Katalysator wurde wie in Beispiel 1 hergestellt, danach
wurde der Katalysator mit 10 Gew.% Catapal D-Tonerde (vertrieben
von Vista Chemical Corporation) und einer geringen Menge Essigsäure als
Peptisationsmittel vermischt. Die Mischung wurde erhitzt und danach
extrudiert und wie in Beispiel 1 beschrieben calciniert.
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BEISPIEL 7
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Das
Katalysatorherstellungsverfahren des Beispiels 1 wurde befolgt,
abgesehen davon, dass 120 g (0,55 Mol) Kupfernitrat verwendet wurden
und das Lanthannitrat durch 12,0 g (0,3 Mol) Aluminiumnitrat-Nonahydrat
ersetzt wurde.
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BEISPIELE 8–10
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Die
Beispiele 8 bis 10 veranschaulichen die Erfindung, umfassend die
Verwendung der Cu(II)-, Zn-, Zr-Carbonate in einer Disproportionierungsreaktion.
In einem Trockenschrank wurden 2,7 g Katalysator mit 1,0 g K2CO3 und 5 g Kalium-2-naphthoat
kombiniert. Diese feste Zusammensetzung wurde zu einem feinen Pulver zermahlen
und in einen rotierenden Autoklaven geladen. Der Autoklav wurde
mit 1.724 kPa g (250 psig) CO2 gefüllt und
in einem Ofen rotieren gelassen. Die Ofentemperatur betrug 450°C. Die Verweilzeit
betrug ungefähr 30
Minuten. Das resultierende Produkt war ein dunkelbrauner Feststoff.
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Die
Produkte wurden durch Protonen-Kernresonanzspektroskopie analysiert,
indem das rohe Reaktionsprodukt genommen und in heißem D
2O/KOH, das die Mono- und Disäuresalze
auflöste,
aufgeschlossen wurde. Die lösliche
Fraktion wurde filtriert und analysiert. In einem eigenen Kernspinresonanzversuch
wird Naphthalin analysiert, indem das rohe Produkt des Durchlaufs
in DMSO, das vorzugsweise Naphthalin auflöst, aufgeschlossen wird. Unter
Anwendung geeigneter interner Standards für die quantitative Bestimmung
wurde Folgendes festgestellt:
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BEISPIEL 11
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(nicht Teil der Erfindung)
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Beispiel
11 zeigt die Herstellung des Kupfer(II)-Carbonatkatalysators. Der
Katalysator wird hergestellt, indem ein Mol basisches Kupfercarbonat
[CuCO3·Cu(OH)2] mit 2 Mol KOH erhitzt wird. Die beiden
Feststoffe werden zuerst unter einer inerten Atmosphäre in einer
elektrischen Mühle
vermischt. Die Feststoffmischung wird danach unter Vakuum mehrere
Stunden lang auf zumindest 175°C
erhitzt. Das resultierende schwarze Pulver wurde aus dem Ofen herausgenommen
und in einem Trockenschrank gelagert.
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BEISPIELE 12–16
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(nicht Teil der Erfindung)
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In
den Beispielen 12 bis 16 wurde der in Beispiel 11 hergestellte Katalysator
in einer Disproportionierungsreaktion verwendet. Die Disproportionierungsreaktion,
bei welcher der Kupfer(II)-Katalysator des Beispiels 11 verwendet
wurde, wurde in folgender Weise durchgeführt:
In einem Trockenschrank
wurden 2,7 g Katalysator mit 1,0 g Alkalimetallcarbonat (K oder
Cs) und 5 g Kalium-2-naphthoat kombiniert. Die Reaktionsmischung
wurde als nächstes
zu einem feinen Pulver zermahlen und in einen Autoklaven geladen.
Der Autoklav wurde mit 1.724 kPa g (250 psig) CO2 gefüllt und
danach erhitzt. Für
den Durchgang 181B wurde dieselbe Reaktionsmischung in einen Autoklaven
gegeben und rotiert. Die Reaktionsbedingungen sind in Tabelle II
angegeben. Das resultierende Produkt war ein dunkelbrauner Feststoff.
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Die
Produkte wurden durch Protonen-Kernresonanzspektroskopie analysiert,
indem das rohe Reaktionsprodukt genommen und in heißem D
2O/KOH, das die Mono- und Disäuresalze
auflöste,
aufgeschlossen wurde. Die lösliche
Fraktion wurde filtriert und analysiert. In einem eigenen Kernspinresonanzversuch
wird Naphthalin analysiert, indem das rohe Produkt des Durchlaufs
in DMSO, das vorzugsweise Naphthalin auflöst, aufgeschlossen wird. Unter
Anwendung geeigneter interner Standards für die quantitative Bestimmung
wurden die Ergebnisse notiert und in Tabelle II aufgezeichnet: