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Diese
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schützen der katalytischen Aktivität eines
SAPO-Molekularsiebs und ein Verfahren zur Herstellung eines Olefinprodukts,
indem aktivierter Katalysator mit einem sauerstoffhaltigen (Oxygenat-)Einsatzmaterial
in Kontakt gebracht wird. Diese Erfindung betrifft insbesondere
ein Verfahren zum Schützen
der katalytischen Aktivität
eines SAPO-Molekularsiebs durch Abschirmen der katalytischen Stellen
des Molekularsiebs.
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Silicoaluminiumphosphate
(SAPOs) sind als Adsorbentien und Katalysatoren verwendet worden.
Als Katalysatoren sind SAPOs in Verfahren wie katalytischem Wirbelschichtcracken,
Hydrocracken, Isomerisierung, Oligomerisierung, der Umwandlung von
Alkoholen oder Ethern und der Alkylierung von Aromaten verwendet
worden. Insbesondere die Verwendung von SAPOs zur Umwandlung von
Alkoholen oder Ethern in Olefinprodukte, insbesondere Ethylen und
Propylen, gewinnt für
kommerzielle Produktionseinrichtungen im Großmaßstab zunehmend an Interesse.
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Wie
bei der Entwicklung neuer kommerzieller Produktionseinrichtungen
im Großmaßstab im
Verbrauchschemikaliengeschäft
bekannt ist, entstehen viele Probleme bei der Maßstabvergrößerung von Labor- und Pilotanlagenbetrieben.
Dies ist insbesondere in katalytischen Reaktionssystemen eine Überlegung,
bei denen der Betrieb im Großmaßstab mehrere
Größenordnungen
größer als
in typischen Pilotmaßstabeinrichtungen
ist. Konventionelle Labormaßstabverfahren
zur Herstellung von Olefinprodukten aus sauerstoffhaltigem Einsatzmaterial
werden beispielsweise mit Katalysatorbeladungen von etwa 5 Gramm
durchgeführt.
Konventionelle große
Pilotanlagenverfahren können
bis zu 50 kg Katalysator verwenden, wobei in der Größenordnung
von 20 kg/h Ethylen- und Propylenprodukt hergestellt werden, aber
dies ist nichtsdestotrotz winzig im Vergleich zu dem, was eine kommerzielle
Produktionseinrichtung im Großmaßstab produzieren
würde,
wenn es heutzutage eine gäbe.
Es wäre
wünschenswert,
kommerzielle Produktionseinrichtungen im Großmaßstab zu betreiben, die eine
Katalysatorbeladung von ungefähr
1000 kg bis 700 000 kg erfordern können und ungefähr 600 bis
400 000 kg/h Ethylen- und Propylenprodukt produzieren, falls ein
zuverlässiges
Verfahren zur Bereitstellung einer solch großen Katalysatormenge verwendet
werden könnte.
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Das
Betreiben von kommerziellen Produktionseinrichtungen im Großmaßstab stellt
in der Tat in der Entwicklung der Katalysatorproduktion-zum-Gebrauch-Kette
große
Herausforderungen dar. Mit Produktion-zum-Gebrauch-Kette ist der
gesamte Bereich der Aktivitäten
beginnend mit der Produktion von Molekularsieb einschließlich solcher
Aktivitäten
wie Erhalten von Ausgangsmaterial bis weiter zum Kristallisationsprozess
gemeint. Zu der Produktion-zum-Gebrauch-Kette gehören auch
dazwischenliegende Aktivitäten,
die Formulierung des Siebs mit Bindemitteln und anderen Materialien,
Aktivierung des hergestellten Siebs und des fertigen Katalysators,
Lagerung, Transport, Beladung, Entladen von Molekularsieb und fertigem
Katalysator sowie andere Praktiken einschließen, die mit der Handhabung
und Herstellung des Siebs und fertigen Katalysators für seine
letztendliche Verwendung verbunden sind. Die Produktion-zum-Gebrauch-Kette endet
an dem Punkt, an dem das Molekularsieb in das Reaktionssystem eingebracht
wird. Für
erfindungsgemäße Zwecke bedeutet
das Ende der Produktion-zum-Gebrauch-Kette nicht notwendigerweise
den Moment, an dem das Molekularsieb in das Reaktionssystem eingebracht
wird, da Systeme im Großmaßstab sehr
groß sind
und Augenblicksmessungen praktisch nicht machbar sind. In Systemen
im Großmaßstab kann
die Produktion zum-Gebrauch-Kette zu irgendeiner Zeit innerhalb von
12 Stunden nach Laden eines aktivierten Katalysators in das Reaktionssystem
als abgeschlossen angesehen werden.
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Da
Informationen, die sich auf die Produktion von Olefinprodukten durch
katalytische Umwandlung von sauerstoffhaltigem Einsatzmaterial beziehen,
bislang auf Labor- und Kleinpilotmaßstabaktivitäten begrenzt
waren, wurde – wenn überhaupt – wenig
Aufmerksamkeit auf Probleme gelenkt, die mit den dazwischenliegenden
Aktivitäten
in der Produktion-zum-Gebrauch-Kette
verbunden sind. Um den Einfluss von Lagerung, Transport, usw. auf
die Katalysatoraktivität
hat man sich beispielsweise wenig gekümmert, da Aktivität im Kleinmaßstab recht
leicht zu handhaben ist. Während
heutzutage nur relativ geringe Mengen an Katalysator gelagert und
transportiert werden, müssen
für kommerzielle
Betriebe große
Mengen an Materialien gehandhabt werden. Dies kann die Lagerung
großer
Mengen an Sieb- und Katalysatormaterialien für erhebliche Zeitspannen an
mehreren Orten und unter recht drastischen industriellen Bedingungen
erfordern.
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Wenn
die Handhabung von Sieb und Katalysator in der Katalysatorproduktion-zum-Gebrauch-Kette an
Volumen und Komplexizität
zunimmt, besteht die Wahrscheinlichkeit, dass Millionen von Dollar
im Katalysatorbestand gebunden werden und der Wert von Sieb und
Katalysator verloren geht, wenn die Qualität nicht in jeder Stufe erhalten
bleibt. Qualitätsverlust
führt notwendigerweise
zu Verlust an Produktqualität
sowie Verlust an Produktquantität,
und diese Produktverluste können
die Kosten des Siebs und des Katalysators bei weitem übertreffen.
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Obwohl
einige Arbeiten veröffentlicht
wurden, die die dazwischenliegenden Aktivitäten in der Katalysatorproduktion zum-Gebrauch-Kette
betreffen, wurden wenige der damit verbundenen Probleme angesprochen.
Beispielsweise erörtert
US-A-4 681 864 von Edwards et al.
die Verwendung von SAPO-37-Molekularsieb als kommerziellem Crackkatalysator.
Es wird offenbart, dass aktiviertes SAPO-37-Molekularsieb schlechte Stabilität aufweist
und diese Stabilität
unter Verwendung eines speziellen Aktivierungsverfahrens verbessert werden
kann. Bei diesem Verfahren wird organisches Struktursteuerungsmittel
von der Kernstruktur des Siebs unmittelbar vor dem Kontaktieren
mit dem zu crackenden Einsatzmaterial entfernt. Das Verfahren erfordert, dass
das Sieb in der katalytischen Crackanlage einer Temperatur von 400
bis 800°C
unterworfen wird.
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US-A-5 185 310 von
Degnan et al. offenbart ein anderes Verfahren zur Aktivierung von
Silicoaluminiumphosphat-Molekularsiebzusammensetzungen. Dieses Verfahren
verlangt das Kontaktieren von kristallinem Silicoaluminiumphosphat
mit Gel-Aluminiumoxid
und Wasser und anschließendes
Erhitzen der Mischung auf mindestens 425°C. Das Erhitzungsverfahren wird
zuerst in Gegenwart von an Sauerstoff verarmtem Gas und dann in
Gegenwart von oxidierendem Gas durchgeführt. Das Ziel des Erhitzungsverfahrens
besteht in der Erhöhung
der Säureaktivität des Katalysators.
Die Säureaktivität wird infolge
des innigen Kontakts zwischen dem Aluminiumoxid und dem Sieb erhöht.
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Briend
et al., J. Phys. Chem. 1995, 99, 8270 bis 8276, lehren, dass SAPO-34
seine Kristallinität
verliert, wenn das Struktursteuerungsmittel aus dem Sieb entfernt
worden ist und das vom Struktursteuerungsmittel befreite, aktivierte
Sieb Luft ausgesetzt worden ist. Es werden jedoch Daten präsentiert,
die nahelegen, dass dieser Kristallinitätsverlust mindestens über einen
kurzen Zeitraum reversibel ist. Selbst über einen Zeitraum von vielleicht
zwei Jahren legen die Daten na he, dass der Kristallinitätsverlust
reversibel ist, wenn bestimmte Struktursteuerungsmittel verwendet
werden.
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EP-A2-0 203 005 erörtert auch
die Verwendung von SAPO-37-Molekularsieb
in einem Zeolithkatalysatorverbund als kommerziellem Crackkatalysator.
Gemäß dem Dokument
bleibt die kristalline Struktur des SAPO-37-Zeolith-Verbunds stabil,
falls das organische Struktursteuerungsmittel in dem SAPO-37-Molekularsieb gehalten
wird, bis ein Katalysatorverbund, der Zeolith und das SAPO-37-Molekualrsieb
enthält,
während des
Gebrauchs aktiviert wird, und falls der Katalysator danach unter
Bedingungen gehalten wird, in denen die Einwirkung von Feuchtigkeit
minimiert wird.
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Wie
aus der vorliegenden Offenbarung ersichtlich ist, haben wir nun
gefunden, dass ein aktiviertes SAPO-Molekularsieb einen Verlust
an katalytischer Aktivität
zeigt, wenn es einer feuchtigkeitshaltigen Umgebung ausgesetzt wird,
und dass dieser Verlust zwischen dem Zeitpunkt der Aktivierung des
Katalysators und sogar nach nur einem Tag Lagerung stattfindet.
Wichtiger noch haben wir nun gefunden, dass der Verlust der katalytischen
Aktivität
nach einem bestimmten Zeitraum nicht reversibel ist. Es ist daher
erwünscht,
ein aktiviertes SAPO-Molekularsieb
zu erhalten und dieses Molekularsieb in einen katalytischen Prozess
einzubauen, bevor der Verlust der katalytischen Aktivität zu groß wird.
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Um
mindestens eines der vielen Probleme zu überwinden, die dem Stand der
Technik innewohnen, liefert die Erfindung ein Verfahren zum Schützen der
katalytischen Aktivität
eines Silicoaluminiumphosphat-Molekularsiebs, das zur Umwandlung
eines sauerstoffhaltigen Einsatzmaterials in Olefinprodukt, insbesondere
Olefinprodukt, das Ethylen, Propylen oder beides ent hält, verwendet
wird. Schutz vor Verlust der katalytischen Aktivität wird bereitgestellt,
indem katalytische Stellen des Molekularsiebs vor dem Kontaktieren
mit dem sauerstoffhaltigen Einsatzmaterial mit einer Abschirmung
bedeckt werden. Katalytischer Kontakt, d.h. Kontakt von Einsatzmaterial
mit Molekularsieb unter katalytischen Umwandlungsbedingungen, muss
erfolgen, bevor ein Parameter, der hier als der Methanolaufnahmeindex
definiert ist, zu stark absinkt. Zudem sollte man die Methanolumwandlung
in Gew.-% des Katalysators, bestimmt bei Standardparametern, nicht
unter einen Mindestprozentsatz absinken lassen. Absinken des Methanolaufnahmeindex
oder zu niedrige Methanolumwandlung führen wahrscheinlich zu einem
Katalysator, der in einem Verfahren im Großmaßstab geringen oder keinen
praktischen Nutzen hat.
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Erfindungsgemäß wird ein
Verfahren bereitgestellt, das wie in einem der beigefügten Ansprüche definiert
ist. In einer Ausführungsform
kann die Abschirmung auf verschiedene Weisen bereitgestellt werden.
Die Abschirmung kann das Struktursteuerungsmittel sein, das tatsächlich zur
Herstellung des Molekularsiebs verwendet wird. Wie in der Technik
bekannt ist, bildet das Struktursteuerungsmittel die poröse Struktur
innerhalb des Molekularsiebs. Herkömmlich wird das Struktursteuerungsmittel
durch Calcinieren entfernt, wobei es im Wesentlichen von dem Molekularsieb
gebrannt wird. Wenn das Struktursteuerungsmittel für die richtige
Zeit in der intrakristallinen Struktur bleibt, schützt dies
jedoch die katalytischen Stellen, die sich innerhalb der porösen Struktur
des Molekularsiebs befinden.
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Selbst
wenn das Struktursteuerungsmittel entfernt wird, kann das Molekularsieb
dennoch geschützt werden,
indem andere Typen von Abschirmungen zur Verfügung gestellt werden, um die katalytischen
Stellen zu bedecken. Beispielsweise kann kohlenstoffhaltiges oder
kohlenstoffartiges Material als Abschirmung verwendet werden. Eine
Weise zur Bereitstellung des kohlenstoffhaltigen oder kohlenstoffartigen
Materials besteht im partiellen Calcinieren oder Verbrennen des
Struktursteuerungsmittels, wodurch genug Kohlenstoffmaterial in
den Poren des Molekularsiebs verbleibt, um die Abschirmung bereitzustellen.
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Eine
wasserfreie Umgebung kann auch als Abschirmung wirken, selbst wenn
das Struktursteuerungsmittel oder kohlenstoffhaltige oder kohlenstoffartige
Material entfernt worden ist. Eine wasserfreie Umgebung ist eine,
deren Wassergehalt herabgesetzt worden ist. Es kann entweder eine
gasförmige
oder flüssige
Umgebung sein.
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In
einer speziellen Ausführungsform
des Schützens
der katalytischen Aktivität
eines Silicoaluminiumphosphat-Molekularsiebs umfasst die Erfindung
die Bereitstellung eines Silicoaluminiumphosphat-Molekularsiebs
mit katalytischen Stellen, die durch Bedecken mit einer Abschirmung
vor Verlust der katalytischen Aktivität geschützt sind, und Einbringen des
Molekularsiebs in ein Reaktionssystem für sauerstoffhaltiges Material, wobei
das Molekularsieb einen Methanolaufnahmeindex von mindestens 0,15
zum Zeitpunkt des Kontakts mit sauerstoffhaltigem Material unter
Bedingungen hat, die wirksam sind, um das sauerstoffhaltige Material
in Olefinprodukt umzuwandeln. Um Schutz für Lagerung und Transport zu
liefern, sollte die Abschirmung innerhalb des Molekularsiebs mindestens
12 Stunden vor Kontakt mit sauerstoffhaltigem Material bereitgestellt
werden. Längere
Lagerungs- und Transportbedingungen können erfordern, dass die Abschirmung
für längere Zeiträume bereitgestellt
wird, z.B. 24 Stunden, 1 Monat oder vielleicht viele Monate.
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Das
geschützte
Molekularsieb ist in kommerziellen Verfahren im Großmaßstab zur
Herstellung von Olefinprodukt aus sauerstoffhaltigem Einsatzmaterial
sehr vorteilhaft, insbesondere bei der Herstellung von Ethylen oder
Propylen enthaltenden Olefinen aus Einsatzmaterial, das Methanol
oder Dimethylether enthält. In
einer speziellen Ausführungsform
zur Herstellung eines Olefinprodukts aus einem sauerstoffhaltigen
Einsatzmaterial ist die Erfindung ein Verfahren, bei dem Silicoaluminiumphosphat-Molekularsieb
mit katalytischen Stellen innerhalb des Molekularsiebs bereitgestellt
wird, eine Abschirmung bereitgestellt wird, um die katalytischen
Stellen vor Kontakt mit Wassermolekülen zu schützen, die Abschirmung entfernt
wird und das Sieb nach Entfernung der Abschirmung mit sauerstoffhaltigem
Einsatzmaterial unter Bedingungen kontaktiert wird, die wirksam
sind, um Olefinprodukt zu produzieren, wobei das aktivierte Sieb,
das das sauerstoffhaltige Einsatzmaterial kontaktiert, einen Methanolaufnahmeindex
von mindestens 0,15, vorzugsweise 0,4, insbesondere mindestens 0,6
und am meisten bevorzugt mindestens 0,8 aufweist.
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In
einer anderen Ausführungsform
wird ein Verfahren zur Herstellung eines Olefinprodukts aus einem sauerstoffhaltigen
Einsatzmaterial bereitgestellt, bei dem ein Struktursteuerungsmittel
aus einem Silicoaluminiumphosphat-Molekularsieb entfernt wird und
das Molekularsieb mit dem sauerstoffhaltigen Einsatzmaterial unter
Bedingungen kontaktiert wird, die wirksam sind, um das Einsatzmaterial
in ein Olefinprodukt umzuwandeln, bevor der Methanolaufnahmeindex
unter 0,15, vorzugsweise 0,4, insbesondere 0,6, am meisten bevorzugt
0,8 absinkt.
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Es
ist erwünscht,
dass das aktivierte Molekularsieb, das mit sauerstoffhaltigem Einsatzmaterial
kontaktiert wird, eine Methanolumwandlung von mindestens 10 Gew.-%
bei einer Stan dardbetriebszeit (time an stream, TOS) von 5 Minuten
und einem stündlichen
Massendurchsatz (WHSV) von 25 h–1 hat.
Das Molekularsieb sollte vorzugsweise eine Methanolumwandlung von
mindestens 15 Gew.-% bei einer Standardbetriebszeit von 5 Minuten
und einem WHSV von 25 h–1 haben, insbesondere
eine Methanolumwandlung von mindestens 20 Gew.-% bei einer Standardbetriebszeit
von 5 Minuten und einem WHSV von 25 h–1.
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Die
Abschirmung kann ex situ (außerhalb
des Reaktors als solchem) oder in situ entfernt werden. In einer
bevorzugten Ausführungsform
ist die Abschirmung das Struktursteuerungsmittel, und das Struktursteuerungsmittel
wird außerhalb
der Reaktoranlage als solche entfernt, um Verunreinigung des Produkts
zu minimieren, insbesondere Stickstoffverunreinigung aufgrund von
Stickstoffkomponenten in einem stickstoffhaltigen Struktursteuerungsmittel,
das als Abschirmung verwendet werden kann.
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In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
kann das Molekularsieb ohne Abschirmung auf einer Temperatur von
mindestens 150°C
gehalten werden, nachdem die Abschirmung entfernt worden ist, wobei
wenig, falls überhaupt,
Katalysatoraktivität
infolge von Einwirkung von Feuchtigkeit auf katalytische Stellen
verloren geht. In dieser Ausführungsform
wird das Molekularsieb vorzugsweise auf einer Temperatur von 150
bis 800°C,
insbesondere auf einer Temperatur von 175 bis 600°C und am
meisten bevorzugt auf einer Temperatur von 200 bis 500°C gehalten,
um die Katalysatoraktivität
aufrechtzuerhalten.
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Das
Struktursteuerungsmittel ist vorzugsweise ein stickstoffhaltiger
Kohlenwasserstoff. Der stickstoffhaltige Kohlenwasserstoff ist vorzugsweise
ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus Tetraethylammoniumhydroxidsalz, Cyclopentylamin,
Ami nomethylcyclohexan, Piperidin, Triethylamin, Cyclohexylamin,
Triethylhydroxyethylamin, Morpholin, Dipropylamin, Pyridin, Isopropylamin
und Mischungen davon. Das Silicoaluminiumphosphat-Molekularsieb
ist vorzugsweise ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus SAPO-5, SAPO-8, SAPO-11, SAPO-16, SAPO-17,
SAPO-18, SAPO-20,
SAPO-31, SAPO-34, SAPO-35, SAPO-36, SAPO-37, SAPO-40, SAPO-41, SAPO-42,
SAPO-44, SAPO-47, SAPO-56, metallhaltigen Formen und Mischungen
davon.
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Das
sauerstoffhaltige Einsatzmaterial ist vorzugsweise ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus Methanol, Ethanol, n-Propanol, Isopropanol, C4-
bis C20-Alkoholen, Methylethylether, Dimethylether,
Diethylether, Diisopropylether, Formaldehyd, Dimethylcarbonat, Dimethylketon,
Essigsäure
und Mischungen davon. Insbesondere ist das sauerstoffhaltige Einsatzmaterial
Methanol oder Dimethylether.
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Das
Silicoaluminiumphosphat-Molekularsieb kann mit Bindemittelmaterial
bereitgestellt werden, und das Struktursteuerungsmittel kann durch
Erwärmen
auf eine Temperatur zwischen 200°C
und 800°C
entfernt werden. Um das sauerstoffhaltige Material in Olefinprodukt
umzuwandeln, wird das Verfahren vorzugsweise bei einer Temperatur
zwischen 200°C
und 700°C
durchgeführt.
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Die
vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die detaillierte
Beschreibung der Erfindung zusammen mit den angefügten Zeichnungen
näher erläutert, wobei
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1 die
Methanolumwandlung unter Verwendung von Molekularsieb auf Morpholinbasis
zeigt, das unter verschiedenen Umgebungsbedingungen gealtert worden
ist;
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2 die
Methanolaufnahme eines Molekularsiebs auf Morpholinbasis zeigt und
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3 die
Methanolumwandlung unter Verwendung eines SAPO-34-Molekularsiebs
zeigt, das unter verschiedenen Bedingungen gelagert worden ist.
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Insbesondere
SAPO-Katalysatoren sind anfällig
für Strukturveränderungen
infolge von fortgesetzter Einwirkung von selbst niedrigen Feuchtigkeitsniveaus.
Autoritäten
wie Paulitz et al., Microporous Materials, 2, 223-228 (1994) haben
jedoch durch Röntgenbeugung
(XRD), Kernresonanz (NMR), Infrarot (IR) und Stickstoff-(N2)-Adsorptionsanalysen gezeigt, dass die
Strukturveränderung
größtenteils
reversibel ist. Wir haben jedoch gefunden, dass, obwohl Adsorptionsanalysen
zeigen, dass die Strukturveränderung
größtenteils
reversibel ist, diese Daten als Indikator für den Verlust der katalytischen
Aktivität
unzuverlässig
sind. Wir haben insbesondere gefunden, dass SAPO-Molekularsiebe
katalytische Aktivität
verlieren, wenn die katalytischen Stellen lediglich einige Stunden
nach der Aktivierung einer Umgebung an der offenen Luft ausgesetzt
werden, und dass der Verlust der katalytischen Aktivität nach einem
bestimmten Punkt irreversibel ist.
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Die
Möglichkeit
des irreversiblen Verlusts der katalytischen Aktivität stellt
für die
kommerzielle Produktion-zum-Gebrauch-Kette ein Problem dar, wenn
Lagerung und Transport von Molekularsieb und Katalysator über einen
relativ langen Zeitraum erfolgen können. Das Molekularsieb wie
hergestellt kann beispielsweise ungefähr von 12 Stunden bis zu vielen
Monaten gelagert werden, vielleicht bis zu einem Jahr, bevor es
letztendlich als aktivierter Katalysator verwendet wird.
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SAPO-Molekularsieb
sowie das SAPO-Molekularsieb, das mit anderem katalytischem Material
gemischt wird, kann durch richtiges Abschirmen der katalytischen
Stellen vor negativen Auswirkungen von Feuchtigkeit in dem Molekularsieb
geschützt
werden. Das ordentliche Abschirmen kann auf verschiedene Weise erreicht
werden. Die katalytischen Stellen können abgeschirmt werden, indem
ein Struktursteuerungsmittel innerhalb des Molekularsiebs gehalten
wird, indem die Stellen mit einem kohlenstoffhaltigen oder kohlenstoffartigen
Material bedeckt werden oder indem das Sieb sogar ohne Struktursteuerungsmittel
in einer wasserfreien Umgebung gehalten wird. Die Entfernung von
Struktursteuerungsmittel oder kohlenstoffhaltigem oder kohlenstoffartigem
Material von den aktiven Stellen des Molekularsiebs führt zu einem
aktivierten Molekularsieb, was bedeutet, dass das Molekularsieb
katalytische Stellen aufweist, die offen und bereit zum Kontaktieren
von Einsatzmaterial sind. Die wasserfreie Umgebung dient als Abschirmung
für das
aktivierte Molekularsieb in dem Sinne, dass sie aktive Katalysatorstellen
vor Kontakt mit offenen Luftbedingungen abschirmt, insbesondere
Feuchtigkeit in der Luft.
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Um
das SAPO-Molekularsieb als Katalysator zu verwenden, muss die Abschirmung
entfernt werden, so dass die katalytischen Stellen des Molekularsiebs
offen zum Kontaktieren mit Einsatzmaterial sind. Nachdem die Abschirmung
entfernt worden ist, sind die katalytischen Stellen jedoch offen
für Kontakt
mit Feuchtigkeit oder anderen Komponenten, die in der örtlichen
Umgebung vorhanden sein können,
und führen
zu Verlust von katalytischer Aktivität. Verlängerte Einwirkung solcher Bedingungen
auf katalytische Stellen führt
im Allgemeinen zu einem irreversiblen Verlust der katalytischen
Aktivität
der ausgesetzten Stelle. An einem bestimmten Punkt hat das Molekularsieb
keinen praktischen Wert in einem katalytischen Verfahren im Großmaßstab. Ein
katalytisches Verfahren im Großmaßstab wie
hier definiert ist eines mit einer Reaktorbeladung über 50 kg, besonders
eines mit einer Reaktorbeladung über
500 kg, insbesondere eines mit einer Reaktorbeladung über 5000
kg.
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Längere Einwirkung,
oder der Punkt, an dem der Verlust der katalytischen Aktivität unerwünscht wird, ist
erfindungsgemäß definiert
durch einen Methanolaufnahmeindex. Erfindungsgemäß ist der Methanolaufnahmeindex
definiert als das Verhältnis
zwischen der maximalen Methanoladsorptionskapazität (Gew.-%)
eines aktivierten SAPO-Molekularsiebs (d.h. der Anfangsmethanoladsorptionskapazität) und der
Methanoladsorptionskapazität
(Gew.-%) des aktivierten SAPO-Molekularsiebs zum Zeitpunkt des katalytischen
Kontakts mit einem Einsatzmaterial (d. h. der Methanoladsorptionskapazität bei Einsatzmaterialkontakt).
Der Zeitpunkt des katalytischen Kontakts mit einem Einsatzmaterial
markiert das Ende der Produktion-zum-Gebrauch-Kette.
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Der
Zeitpunkt des katalytischen Kontakts bedeutet den Zeitpunkt, an
dem das aktivierte SAPO-Molekularsieb mit Einsatzmaterial unter
Bedingungen kontaktiert wird, die wirksam sind, um das Einsatzmaterial
in Produkt umzuwandeln, wobei das Produkt messbare Anteile an Ethylen
und Propylen enthält.
Dies bedeutet jedoch nicht, dass die Methanoladsorptionskapazität bei Einsatzmaterialkontakt
in dem genauen Moment berechnet werden muss, in dem Einsatzmaterial
aktiviertes Molekularsieb kontaktiert. Das liegt daran, das es möglicherweise
nicht möglich
ist, eine solche genaue Berechnung durchzuführen, insbesondere bei der
Bewertung von Reaktionssystemen im Großmaßstab. Daher muss die Methanoladsorpionskapazität bei Einsatzmaterialkontakt
so bald wie durchführbar
vor Kontakt mit Einsatzmaterial bewertet werden. Bei in situ aktiviertem
Molekularsieb ist. die Zeit zwischen Aktivierung und tatsächlichem Kontakt
mit Einsatzmaterial ausreichend kurz, so dass die Anfangsmethanoladsorptionskapazität im Wesentlichen
der Methanoladsorptionskapazität
bei Einsatzmaterialkontakt entspricht, was zu einem Methanolaufnahmeindex
von ungefähr
1 führt.
Bei einer ex situ Aktivierung sollte die Methanoladsorptionskapazität bei Einsatzmaterialkontakt
so nahe wie durchführbar
an tatsächlichem
Kontakt mit Einsatzmaterial unter katalytischen Umwandlungsbedingungen
bewertet werden. Unter bestimmten Bedingungen, insbesondere bei
Umgang mit Systemen im Großmaßstab, kann
so nahe wie durchführbar
sich bis zu 12 Stunden zwischen Aktivierung und tatsächlichem
Kontakt unter katalytischen Umwandlungsbedingungen hinziehen.
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Es
ist erfindungsgemäß bevorzugt,
dass der Methanolaufnahmeindex mindestens 0,15, vorzugsweise mindestens
0,4, insbesondere mindestens 0,6 und am meisten bevorzugt mindestens
0,8 beträgt.
Obwohl bei einem Methanolaufnahmeindex unter 0,15 eine gewisse katalytische
Aktivität
auftreten kann, hat das Molekularsieb in diesem Zustand keinen praktischen
Wert als Katalysator im kommerziellen Maßstab. Irreversibler Verlust
der katalytischen Aktivität
ereignet sich wahrscheinlich unterhalb dieses Punktes in dem Maß, dass
der Katalysator in einem katalytischen Verfahren im Großmaßstab nicht
länger
von Vorteil ist.
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Die
katalytische Aktivität
des Molekularsiebs zur Verwendung als Katalysator zur Umwandlung
von sauerstoffhaltigem Material in Olefinprodukt wird als ausreichend
aufrechterhalten oder geschützt
angesehen, wenn das Molekularsieb den gewünschten Methanolaufnahmeindex
zum Zeitpunkt des Kontakts mit sauerstoffhaltigem Material unter
Bedingungen hat, die wirksam sind, um das sauerstoffhaltige Material
in Olefinprodukt umzuwandeln. Da der Methanolaufnahmeindex im Zeitverlauf
absinkt, falls das Molekularsieb auf ungeeignete Weise gehandhabt
wird, sollte der Kontakt mit sauerstoffhaltigem Material unter Reaktionsbedingungen
stattfinden, bevor der Methanolaufnahmeindex unter 0,15 sinkt.
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Zur
Berechnung des Methanolaufnahmeindexes muss die Methanoladsorptionskapazität gemessen werden.
Techniken zum Messen der Methanoladsorptionskapazität sind Durchschnittsfachleuten
bekannt. Bei einer bevorzugten Technik werden etwa 5 mg Probe in
ein thermogravimetrisches Analysegerät (TGA) eingebracht. Die Probe
wird einem Wärmebehandlungsverfahren
unterzogen, bei dem (1) von Raumtemperatur auf 450°C mit einer
Aufheizrate von 20°C/Minute
in Luft erhitzt wird und (2) bei 450°C 40 Minuten in Luft gehalten wird
und in Luft auf 30°C
abgekühlt
wird. Nachdem die Probe 30°C
erreicht hat, wird der Luftstrom auf einen methanolhaltigen Stickstoffstrom
mit einem Methanol-Partialdruck
von 0,09 atm umgeschaltet. Die Probe wird mit dieser Stickstoff/Methanol-Mischung
180 Minuten kontaktiert. Die Methanoladsorptionskapazität ist der Gew.-%
Gewichtsanstieg nach dem 180-minütigen
Kontakt mit dem Methanoldampf.
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Zum
Erhalten eines SAPO-Molekularsiebs mit dem geeigneten Methanolaufnahmeindex
kann die Abschirmung in situ entfernt werden. Das heißt, dass
die Abschirmung, ob Struktursteuerungsmittel, kohlenstoffhaltiges
oder kohlenstoffartiges Material oder wasserfreie Flüssigkeit
oder wasserfreies Gas, im Inneren des Reaktors oder des Regenerators
während
des Betriebs entfernt werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform
wird das Struktursteuerungsmittel oder kohlenstoffhaltige oder kohlenstoffartige
Material jedoch ex situ entfernt. Dies bedeutet, dass es bevorzugt
ist, die katalytischen Stellen des Molekularsiebs außerhalb
des Reaktors zu aktivieren. Dies liegt daran, dass es weniger wahrscheinlich
ist, dass das Ab schirmungsmaterial die Reaktionsprodukte verunreinigt.
Dies ist besonders vorteilhaft, wenn das gewünschte Produkt des Methanolreaktionsverfahrens
einen sehr niedrigen Gehalt an irgendwelchen Stickstoff oder Schwefel
enthaltenden Verunreinigungen haben soll. In Fällen, in denen die Abschirmung
ein Molekularsieb-Struktursteuerungsmittel ist, das eine Stickstoffkomponente
enthält,
und das gewünschte
Produkt des Reaktionsverfahrens Ethylen ist, kann es beispielsweise
erwünscht
sein, das Struktursteuerungsmittel ex situ zu entfernen, da die
Anwesenheit sehr geringer Stickstoffmengen in dem Ethylen die nachfolgende
Umwandlung des Ethylenprodukts in Polyethylen nachteilig beeinflussen
kann. In weniger empfindlichen Reaktionssystemen kann jedoch Struktursteuerungsmaterial
enthaltender Katalysator als Frischkatalysator zugesetzt und in
situ aktiviert werden. Selbst in empfindlicheren Reaktionsverfahren
kann der Frischzusatz direkt in den Reaktor erfolgen, d.h. in situ
Zugabe, da die Frischzugabe gesteuert werden kann, um Katalysator über einen
Zeitraum in relativ geringen Mengen zuzugeben, wodurch eine mögliche Produktverunreinigung
minimiert wird. Die Frischzugabe erfolgt vorzugsweise direkt in
eine Rückgabeleitung,
die regenerierten Katalysator aus einem Regenerator zurück in den
Reaktor führt,
oder die Zugabe erfolgt in den Regenerator selbst. Die Zugabe von
Katalysator außerhalb
des Reaktors selbst wird als ex situ-Zugabe angesehen, was Zugabe
in die Rückgabeleitung
oder den Regenerator einschließt.
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Wenn
ex situ Aktivierung des Molekularsiebs durchgeführt wird, ist es wichtig, den
Methanolaufnahmeindex nicht unter den gewünschten Wert von 0,15, vorzugsweise
0,4, insbesondere 0,6 und am meisten bevorzugt 0,8 sinken zu lassen,
bevor das Molekularsieb in einem Reaktionsverfahren verwendet wird.
Wie bereits gesagt liegt dies daran, dass der irreversible Verlust der
katalytischen Aktivität,
der durch ein deutliches Absinken des Methanolaufnahmeindex sowie
der Methanolumwandlung wiedergegeben wird, ein Niveau erreicht,
das für
den praktischen Betrieb unerwünscht
ist.
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Es
wurde auch gefunden, dass der Verlust der Katalysatoraktivität deutlich
verringert wird, nachdem der aktivierte Katalysator in ein geheiztes
System eingespeist wurde, egal ob Reaktor, Regenerator oder irgendein
anderer Teil des Betriebssystems oder irgendein Typ von Lagerungsumgebung,
selbst wenn keine Abschirmung vorhanden ist. Es wurde gefunden,
dass sich bei einer Temperatur von mindestens etwa 150°C die Katalysatoraktivität stabilisiert.
Dies bedeutet, dass Feuchtigkeit bei einer Temperatur von 150°C oder darüber sehr
wenig Einfluss auf aktive Katalysatorstellen hat. Es ist bevorzugt,
aktives Molekularsieb auf einer Temperatur von 150 bis 800°C, insbesondere
einer Temperatur von 175 bis 600°C
und am meisten bevorzugt einer Temperatur von 200 bis 500°C zu halten,
um die Katalysatoraktivität
zu halten.
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Unerwünschtes
Absinken des Methanolaufnahmeindex kann durch richtige Handhabung
während
Lagerung oder Transport kontrolliert werden. In Umgebungen, die
unter 150°C
gehalten werden, bedeutet dies, dass die katalytische Aktivität akzeptabel
sein wird, solange es eine ausreichende Abschirmung der katalytischen
Stellen vor der Verwendung in einem katalytischen Verfahren gibt.
Durch Lagerung oder Transport des Molekularsiebs oder des Katalysators,
der das Molekularsieb enthält,
mit seinem Struktursteuerungsmittel oder mit einem akzeptablen kohlenstoffhaltigen
oder kohlenstoffartigen Material, das die katalytischen Stellen vor
Kontakt mit Feuchtigkeit abschirmt, kann ausreichende Abschirmung
aufrechterhalten werden. Selbst im aktivierten Zustand kann ausreichende
Abschirmung durch La gerung oder Transport des aktivierten Molekularsiebs
oder Katalysators, der das Molekularsieb enthält, in einer wasserfreien Umgebung
aufrechterhalten werden.
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Es
ist auch bevorzugt, dass das aktivierte SAPO-Molekularsieb unter
Standardmethanolumwandlungsbedingungen eine Methanolumwandlung von
mindestens 10 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 15 Gew.-%, am meisten
bevorzugt mindestens 20 Gew.-% hat. Für erfindungsgemäße Zwecke
bedeutet Standardmethanolumwandlungsbedingungen, dass die Methanolumwandlung
nach einer Betriebszeit (TOS) von 5 Minuten und einem WHSV von 24
h–1 ermittelt
wird. Methanolumwandlung wie hier definiert ist der Gewichtsprozentsatz
Methanol, der in Produkt umgewandelt wird, wobei jeglicher in dem
Produkt vorhandene Dimethylether nicht als Teil des umgewandelten
Produkts eingeschlossen wird. Das Verfahren zum Berechnen der Methanolumwandlung
wird unter Verwendung eines kontinuierlichen Standardreaktors mit
1,27 cm (% Zoll) Durchmesser aus rostfreiem Stahl mit Festbett durchgeführt. Eine
Probe des Molekularsiebs oder eines Katalysators, der das Molekularsieb
enthält,
wird zu dem Reaktor gegeben und 100 % Methanol als Einsatzmaterial zugegeben.
Die Reaktion wird bei 450°C,
einem Reaktordruck von 273,7 kPa (25 psig) (d. h. einem Methanol-Partialdruck
von 273,7 kPa (25 psig) und einem stündlichen Massendurchsatz (WHSV)
von 25 h–1 durchgeführt. Die
Reaktionsprodukte werden vorzugsweise mit einem Online-Gaschromatographen
(GC) analysiert. Nach 5 Minuten Betriebszeit (d. h. nach 5 Minuten
des Kontaktierens von Methanol mit Molekularsieb unter Reaktionsbedingungen)
wird die Methanolumwandlung berechnet als: 100 – (Gew.-% Methanol + Gew.-% DME),
die in dem Produkt zurückbleiben.
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Beim
Testen der Methanolumwandlung ist WHSV definiert als Gewicht des
Einsatzmaterials, das im Zeitverlauf (pro Stunde) in den 1,27 cm
(½ Zoll)
Reaktor eingespeist wurde, geteilt durch das Gewicht der Silicoaluminiumphosphat-Molekularsiebkomponente
des Katalysators in dem Reaktor. Die Silicoaluminiumphosphat-Molekularsiebkomponente
des Katalysators soll nur den Silicoaluminiumphosphat-Molekularsiebanteil bedeuten,
der in dem Katalysator enthalten ist. Dies schließt Katalysatorkomponenten
wie Nicht-Silicoaluminiumphosphat-Molekularsiebe, Bindemittel, Verdünnungsmittel,
Inertstoffe, Seltenerdkomponenten, usw. aus.
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Die
erfindungsgemäßen Silicoaluminiumphosphat-Molekularsiebe
umfassen eine dreidimensionale mikroporöse Kristallgerüststruktur
aus tetraedrischen [SiO2]-, [AlO2] – und
[PO2]-Einheiten. Die Art des Einbaus von
Si in die Struktur kann durch 29Si-MAS-NMR
ermittelt werden, siehe Blackwell und Patton, J. Phys. Chem., 92,
3965 (1988). Die gewünschten
SAPO-Molekularsiebe zeigen einen oder mehrere Peaks in dem 29Si-MAS-NMR mit einer chemischen Verschiebung δ(Si) im Bereich
von –88
bis –94
ppm und mit einer kombinierten Peakfläche in jenem Bereich von mindestens
20 % der gesamten Peakfläche
aller Peaks mit einer chemischen Verschiebung δ(Si) im Bereich von –88 ppm
bis –115
ppm, wobei sich die chemische δ(Si)-Verschiebung
auf externes Tetramethylsilan (TMS) bezieht.
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Silicoaluminiumphosphat-Molekularsiebe
werden im Allgemeinen als mikroporöse Materialien mit 8-, 10-
oder 12-gliedrigen Ringstrukturen klassifiziert. Diese Ringstrukturen
können
eine durchschnittliche Porengröße im Bereich
von etwa 3,5 bis 15 Å haben.
Bevorzugt sind die kleinporigen SAPO-Molekularsiebe mit einer durchschnittlichen
Porengröße im Bereich
von etwa 3,5 bis 5 Å,
insbesondere 4,0 bis 5,0 Å.
Diese bevorzugten Porengrößen sind
typisch für
Molekularsiebe mit 8-gliedrigen Ringen.
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Silicoaluminiumphosphat-Molekularsiebe
umfassen im Allgemeinen ein Molekülgerüst von tetraedrischen [SiO2]-, [AlO2]- und [PO2]-Einheiten
mit gemeinsamen Ecken. Dieser Gerüsttyp ist zur Umwandlung verschiedener
sauerstoffhaltiger Materialien in Olefinprodukte wirksam.
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Die
tetraedrischen [PO2]-Einheiten in der Gerüststruktur
des erfindungsgemäßen Molekularsiebs
können
durch eine Vielzahl von Zusammensetzungen geliefert werden. Beispiele
für diese
phosphorhaltigen Zusammensetzungen schließen Phosphorsäure, organische
Phosphate wie Triethylphosphat und Aluminiumphosphate ein. Die phosphorhaltigen
Zusammensetzungen werden mit reaktiven Silicium und Aluminium enthaltenden
Zusammensetzungen unter den geeigneten Bedingungen gemischt, um
das Molekularsieb zu bilden.
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Die
tetraedrischen [AlO2]-Einheiten in der Gerüststruktur
können
durch eine Vielzahl von Zusammensetzungen geliefert werden. Beispiele
für diese
aluminiumhaltigen Zusammensetzungen schließen Aluminiumalkoxide wie Aluminiumisopropanolat,
Aluminiumphosphate, Aluminiumhydroxid, Natriumaluminat und Pseudoböhmit ein.
Die aluminiumhaltigen Zusammensetzungen werden mit reaktiven Silicium
und Phosphor enthaltenden Zusammensetzungen unter den geeigneten
Bedingungen gemischt, um das Molekularsieb zu bilden.
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Die
tetraedrischen [SiO2]-Einheiten in der Gerüststruktur
können
durch eine Vielzahl von Zusammensetzungen geliefert werden. Beispiele
für diese
siliciumhaltigen Zusammensetzungen schließen Siliciumdioxidsole und
Siliciumalkoxide wie Tetraethylorthosilicat ein. Die siliciumhaltigen
Zusammensetzungen werden mit reaktiven Aluminium und Phosphor enthaltenden
Zu sammensetzungen unter den geeigneten Bedingungen gemischt, um
das Molekularsieb zu bilden.
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Erfindungsgemäß können auch
substituierte SAPOs verwendet werden. Diese Verbindungen sind im Allgemeinen
als MeAPSOs oder metallhaltige Silicoaluminiumphosphate bekannt.
Das Metall kann Alkalimetallionen (Gruppe IA), Erdalkalimetallionen
(Gruppe IIA), Seltenerdionen (Gruppe IIIB einschließlich der
Lanthanoidelemente: Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Europium,
Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium
und Lutetium, sowie Scandium oder Yttrium) und die zusätzlichen Übergangskationen
der Gruppen IVB, VB, VIB, VIIB, VIIIB und IB einschließen.
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Me
steht vorzugsweise für
Atome wie Zn, Mg, Mn, Co, Ni, Ga, Fe, Ti, Zr, Ge, Sn und Cr. Diese
Atome können über eine
tetraedrische [MeO2]-Einheit in das tetraedrische
Gerüst
eingefügt
werden. Die tetraedrische [MeO2]-Einheit
trägt in
Abhängigkeit
von dem Wertigkeitszustand des Metallsubstituenten eine elektrische
Nettoladung. Wenn die Metallkomponente einen Wertigkeitszustand
von +2, +3, +4, +5 oder +6 hat, liegt die elektrische Nettoladung
zwischen –2
und +3. Einbau der Metallkomponente wird in der Regel bewirkt, indem
die Metallkomponente während
der Synthese des Molekularsiebs zugefügt wird. Ionenaustausch nach
der Synthese kann jedoch auch verwendet werden.
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Geeignete
Silicoaluminiumphosphatsiebe schließen SAPO-5, SAPO-8, SAPO-11,
SAPO-16, SAPO-17, SAPO-18, SAPO-20, SAPO-31, SAPO-34, SAPO-35, SAPO-36,
SAPO-37, SAPO-40, SAPO-41, SAPO-42, SAPO-44, SAPO-47, SAPO-56, die
metallhaltigen Formen davon und Mischungen davon ein. Bevorzugt
sind SAPO-18, SAPO-34, SAPO-35,
SAPO-44 und SAPO-47, insbesondere SAPO-18 und SAPO-34 ein schließlich der
metallhaltigen Formen davon und Mischungen davon. Der hier verwendete
Begriff Mischung ist synonym mit Kombination und wird als Stoffzusammensetzung
mit zwei oder mehr Komponenten in variierenden Proportionen ungeachtet
ihres physikalischen Zustands angesehen.
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Die
Silicoaluminiumphosphat-Molekularsiebe werden durch hydrothermale
Kristallisationsverfahren synthetisiert, die im Allgemeinen in der
Technik bekannt sind, siehe beispielsweise
US-A-4 440 871 ,
US-A-4 861 743 ,
US-A-5 096 684 und
US-A-5 126 308 , auf deren Herstellungsverfahren
hier vollständig
Bezug genommen wird. Eine Reaktionsmischung wird gebildet, indem
reaktive Silicium-, Aluminium- und Phosphorkomponenten zusammen
mit mindestens einem Struktursteuerungsmittel gemischt werden. Die
Mischung wird im Allgemeinen versiegelt und vorzugsweise unter autogenem
Druck auf eine Temperatur von mindestens 100°C, vorzugsweise 100 bis 250°C erhitzt,
bis ein kristallines Produkt gebildet wird. Die Bildung des kristallinen
Produkts kann ungefähr
von etwa 2 Stunden bis zu 2 Wochen benötigen. In einigen Fällen erleichtert
Rühren
oder Impfen mit kristallinem Material die Bildung des Produkts.
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Das
Molekularsiebprodukt wird in der Regel in Lösung gebildet. Es kann jedoch
durch Standardmittel gewonnen werden, wie Zentrifugation oder Filtration.
Das Produkt kann auch gewaschen, durch dieselben Mittel gewonnen
und getrocknet werden.
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Als
Ergebnis des Kristallisationsprozesses enthält das gewonnene Sieb in seinen
Poren mindestens einen Teil des Struktursteuerungsmittels, das zur
Herstellung der Anfangsreaktionsmischung verwendet wird. Die kristalline
Struktur wickelt sich im Wesentlichen um das Struktursteuerungsmittel
herum, und das Struktursteuerungsmittel muss entfernt werden, um
katalytische Aktivität
zu erhalten. Nachdem das Struktursteuerungsmittel entfernt worden
ist, weist die verbleibende kristalline Struktur etwas auf, das
in der Regel als intrakristallines Porensystem bezeichnet wird.
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Das
SAPO-Molekularsieb kann ein oder mehrere Struktursteuerungsmittel
(Template) enthalten. Template sind Struktursteuerungsmittel und
enthalten in der Regel Stickstoff, Phosphor, Sauerstoff, Kohlenstoff, Wasserstoff
oder eine Kombination davon und können auch mindestens eine Alkyl-
oder Arylgruppe enthalten, wobei in der Alkyl- oder Arylgruppe 1
bis 8 Kohlenstoffatome vorhanden sind. Mischungen von zwei oder
mehr Struktursteuerungsmitteln können
Mischungen unterschiedlicher Siebe produzieren, oder vorwiegend
ein Sieb, wenn ein Struktursteuerungsmittel stärker steuernd wirkt als ein
anderes.
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Ausgewählte Struktursteuerungsmittel
schließen
Tetraethylammoniumsalze, Cyclopentylamin, Aminomethylcyclohexan,
Piperidin, Triethylamin, Cyclohexylamin, Triethylhydroxyethylarm,
Morpholin, Dipropylamin (DPA), Pyridin, Isopropylamin und Kombinationen
davon ein. Bevorzugte Struktursteuerungsmittel sind Triethylamin,
Cyclohexylamin, Piperidin, Pyridin, Isopropylamin, Tetraethylammoniumsalze
und Mischungen davon. Die Tetraethylammoniumsalze schließen Tetraethylammoniumhydroxid
(TEAOH), Tetraethylammoniumphosphat, Tetraethylammoniumfluorid,
Tetraethylammoniumbromid, Tetraethylammoniumchlorid und Tetraethylammoniumacetat
ein. Bevorzugte Tetraethylammoniumsalze sind Tetraethylammoniumhydroxid
und Tetraethylammoniumphosphat.
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In
dieser Erfindung können
die Struktursteuerungsmittel verwendet werden, um die katalytischen
Stellen des SAPO-Mole kularsiebs vor Kontakt mit Wassermolekülen abzuschirmen.
Da die Struktursteuerungsmittel in der mikroporösen Struktur des Siebs vorhanden
sind, sind Wassermoleküle
nicht in der Lage, in die Poren des Siebs einzutreten, wodurch jeglicher
Kontakt mit den Katalysatorstellen verhindert wird. Dies bedeutet, dass
ein Molekularsieb, das Struktursteuerungsmittel enthält, sogar
in Form von feuchtem Filterkuchen gelagert werden kann, ohne nennenswert
an katalytischer Aktivität
zu verlieren, nachdem es einmal aktiviert worden ist. Bei Aufbewahrung
in Form von feuchtem Filterkuchen wird das Molekularsieb typischerweise
getrocknet, ohne das Struktursteuerungsmittel zu entfernen. Dann
kann das Molekularsieb calciniert werden, um das Struktursteuerungsmittel
zu entfernen.
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Kohlenstoffhaltiges
oder kohlenstoffartiges Material kann auch verwendet werden, um
die katalytischen Stellen des SAPO-Molekularsiebs abzuschirmen. In dieser
Ausführungsform
kann sich kohlenstoffhaltiges oder kohlenstoffartiges Material in
der mikrokristallinen Porenstruktur befinden oder kann abgesetzt
werden, um den Poreneingang zu bedecken. Das kohlenstoffhaltige
oder kohlenstoffartige Material kann innerhalb der kristallinen
Porenstruktur angeordnet werden, indem das Struktursteuerungsmaterial
partiell verbrannt wird, so dass Kohlenstoffrückstand in dem Molekularsieb
verbleibt. Kohlenstoffhaltiges oder kohlenstoffartiges Material
kann auch direkt auf das Äußere des
Molekularsiebs aufgebracht werden, um die Porenöffnungen zu blockieren.
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Wie
in der Technik bekannt ist, muss Molekularsieb oder Katalysator,
der das Molekularsieb enthält, vor
Gebrauch in einem katalytischen Verfahren aktiviert werden. Die
Aktivierung wird derart durchgeführt,
dass Struktursteuerungsmittel von dem Molekularsieb entfernt wird,
was aktive katalytische Stellen mit den mikroporösen Kanälen des Molekularsiebs zurücklässt, die
offen für
Kontakt mit Einsatzmaterial sind. Das Aktivierungsverfahren wird
in der Regel durch Calcinieren oder im Wesentlichen durch Erhitzen
des Struktursteuerungsmittels auf eine Temperatur von 200 bis 800°C in Gegenwart
von sauerstoffhaltigem Gas bewirkt. Es kann in einigen Fällen erwünscht sein,
in einer Umgebung mit niedriger Sauerstoffkonzentration zu erhitzen. Dieser
Verfahrenstyp kann zur partiellen oder vollständigen Entfernung des Struktursteuerungsmittels
aus dem intrakristallinen Porensystem verwendet werden. In anderen
Fällen,
insbesondere bei kleineren Struktursteuerungsmitteln, kann vollständige oder
partielle Entfernung aus dem Sieb durch konventionelle Desorptionsverfahren
bewirkt werden, wie jene, die zur Herstellung von Standardzeolithen
verwendet werden.
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Nachdem
das Molekularsieb oder der Katalysator, der das Molekularsieb enthält, aktiviert
worden ist, kann eine wasserfreie Umgebung als Abschirmung gegen
Wassermoleküle
geliefert werden, die Katalysatorstellen in dem Molekularsieb kontaktieren.
Eine solche Umgebung kann geliefert werden, indem das Sieb mit einer
Gas- oder Flüssigkeitsbedeckung
unter wasserfreien Bedingungen bedeckt wird. Die wasserfreie Gas- oder
Flüssigkeitsbedeckung
weist, wie hier bereitgestellt, eine begrenzte Wassermenge auf.
Die wasserfreie Gasbedeckung kann unter Vakuumbedingungen oder unter
atmosphärischem
oder größeren Druckbedingungen
bereitgestellt werden und enthält
weniger als etwa 1,2 Vol.-% Wasser, vorzugsweise weniger als 0,2 Vol.-%
Wasser, insbesondere weniger als etwa 0,02 Vol.-% Wasser. Die wasserfreie
flüssige
Bedeckung weist weniger als etwa 200 ppm Wasser, vorzugsweise weniger
als etwa 100 ppm Wasser, insbesondere weniger als etwa 50 ppm Wasser
auf. Die wasserfreie Umgebung kann während Lagerung, Transport oder
Ladung des Katalysators angewendet werden.
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Die
wasserfreie Gasbedeckung ist eine, die unter Standard-Temperatur- und -Druckbedingungen
ein Gas ist und nicht in erheblichem Maße mit der Molekularsiebstruktur
reagiert. Das Gas ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend
aus Stickstoff, Helium, CO, CO2, H2, Argon, O2, leichten
Alkanen (insbesondere C1- bis C4-Alkanen,
besonders Methan und Ethan), Cycloalkanen und Mischungen davon,
z. B. Luft. Die Gasbedeckung kann auf beliebigem Druck gehalten
werden, einschließlich
unter Vakuum oder bei Drücken über Standard,
selbst wenn das Gas bei Drücken über Standard
flüssig
wird, solange die Bedingungen wasserfrei bleiben.
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Die
wasserfreie flüssige
Bedeckung ist unter Standard-Temperatur- und -Druckbedingungen eine Flüssigkeit
und reagiert nicht in erheblichem Maße mit der Molekularsiebstruktur.
Die Flüssigkeit
ist vorzugsweise ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus Alkanen, Cycloalkanen, C6-
bis C30-Aromaten, Alkoholen, insbesondere
verzweigten C4+-Alkoholen.
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In
dieser Erfindung wird das Molekularsieb für ein katalytisches Verfahren
gebrauchsfertig gemacht, indem die Abschirmbedingungen entfernt
werden. Falls die Gas- oder Flüssigkeitsbedeckung
unter wasserfreien Bedingungen verwendet wird, um ein bereits aktiviertes
Molekularsieb abzuschirmen, muss die Bedeckung oder Flüssigkeit
lediglich durch eine beliebige Standardtechnik entfernt werden.
Dies kann so einfach wie bloßes Öffnen des
bedeckten Systems gegenüber
der Atmosphäre
oder durch Verwendung von beliebiger Standardfiltrations- oder -trenntechnik
sein.
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Falls
kohlenstoffhaltiges oder kohlenstoffartiges Material als Abschirmung
verwendet wird, kann es auch entfernt werden, indem das Sieb ausreichenden
Temperaturbedingungen ausgesetzt wird, um das kohlenstoffhaltige
oder kohlenstoffartige Material zu zersetzen. Das kohlenstoffhaltige
oder kohlenstoffartige Material wird vorzugsweise durch Calcinieren
bei einer Temperatur von etwa 200 bis 800°C entfernt.
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Es
ist bevorzugt, dass das Molekularsieb nach Entfernung der Abschirmung
nicht wasserhaltigen Bedingungen ausgesetzt wird. Ansonsten kann
es zu einem irreversiblen Verlust der katalytischen Wirkung kommen.
Das Molekularsieb kann jedoch in seiner nicht abgeschirmten Form
in einer wasserhaltigen Umgebung gelagert, transportiert oder in
ein Reaktorsystem geladen werden, solange der Methanolaufnahmeindex
nicht unter 0,15, vorzugsweise 0,4, insbesondere 0,6, am meisten
bevorzugt 0,8 absinkt.
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Die
Silicoaluminiumphosphat-Molekularsiebe können mit anderen Materialien
gemischt (vermischt) werden. Falls sie vermischt werden, wird die
resultierende Zusammensetzung in der Regel als Silicoaluminiumphosphat-(SAPO)-Katalysator
bezeichnet, wobei der Katalysator das SAPO-Molekularsieb enthält.
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Materialien,
die mit dem Molekularsieb vermischt werden können, können verschiedene inerte oder katalytisch
aktive Materialien oder verschiedene Bindemittelmaterialien sein.
Diese Materialien schließen
Zusammensetzungen wie Kaolin und andere Tone, verschiedene Formen
von Seltenerdmetallen, andere Nicht-Zeolithkatalysatorkomponenten, Zeolithkatalysatorkomponenten,
Aluminiumoxid oder Aluminiumoxidsol, Titandioxid, Zirkoniumdioxid,
Quarz, Siliciumdioxid oder Siliciumdioxidsol und Mischungen davon
ein. Diese Komponenten sind auch zur Verminderung der Gesamtkatalysatorkosten
wirksam, wirken als Wärmesenke, um
die Wärmeabschirmung
des Katalysators während
der Regenerierung zu unterstützen,
verdichten den Katalysator und erhöhen die Katalysatorfestigkeit.
Beim Mischen mit Nicht-Silicoaluminiumphosphat-Molekularsiebmaterialien
liegt die Menge an Molekularsieb, die in dem fertigen Katalysatorprodukt
enthalten ist, im Bereich von 10 bis 90 Gew.-% des Gesamtkatalysators,
vorzugsweise 30 bis 70 Gew.-% des Gesamtkatalysators.
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In
einer Ausführungsform
dieser Erfindung wird ein sauerstoffhaltiges Material enthaltendes
Einsatzmaterial in einer Reaktionszone einer Reaktorvorrichtung
mit aktiviertem Molekularsiebkatalysator unter Verfahrensbedingungen
kontaktiert, die wirksam sind, um leichte Olefine zu produzieren,
d. h. bei einer wirksamen Temperatur, einem wirksamen Druck, einem
wirksamen WHSV (stündlichen
Massendurchsatz) und gegebenenfalls mit einer wirksamen Menge an
Verdünnungsmittel,
die zur Produktion leichter Olefine korreliert werden. Das sauerstoffhaltige
Einsatzmaterial wird typischerweise mit dem Katalysator kontaktiert,
wenn sich das sauerstoffhaltige Material in der Dampfphase befindet.
Das Verfahren kann jedoch in Flüssig- oder gemischter Dampf/Flüssig-Phase
durchgeführt
werden. Wenn das Verfahren in einer Flüssigphase oder gemischten Dampf/Flüssig-Phase
durchgeführt
wird, können
in Abhängigkeit
von dem Katalysator und den Reaktionsbedingungen unterschiedliche
Umwandlungen und Selektivitäten
von Einsatzmaterial zu Produkt resultieren.
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Olefine
können
im Allgemeinen in einem weiten Temperaturbereich produziert werden.
Ein effektiver Betriebstemperaturbereich kann etwa 200°C bis 700°C sein. Am
unteren Ende des Temperaturbereichs kann die Bildung der gewünschten
Olefinprodukte deutlich langsam werden. Am oberen Ende des Temperaturbereichs
bildet das Verfahren möglicherweise
keine optimale Produktmenge. Eine Betriebstemperatur von mindestens
300°C und
bis zu 500°C
ist bevorzugt.
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Aufgrund
der Art des Verfahrens ist es möglicherweise
erwünscht,
das erfindungsgemäße Verfahren durch
Verwendung der Molekularsiebkatalysatoren in einem dynamischen Bettsystem
oder irgendeinem System aus einer Vielfalt von Transportbetten statt
in einem Festbettsystem durchzuführen.
Es ist besonders erwünscht,
das Reaktionsverfahren mit hohen Durchsätzen zu betreiben.
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Die
Umwandlung von sauerstoffhaltigen Materialien zur Herstellung leichter
Olefine kann in einer Vielfalt von katalytischen Reaktoren im Großmaßstab durchgeführt werden,
einschließlich,
aber nicht begrenzt auf Wirbelbettreaktoren und Gleichstrom-Steigrohrreaktoren,
wie in "Free Fall
Reactor", Fluidization
Engineering, D. Kunii und O. Levenspiel, Robert E. Krieger Publishing
Co., NY, USA, 1977 beschrieben ist, auf das in seiner Gesamtheit
hier Bezug genommen wird. Weiterhin können in dem Umwandlungsverfahren
Freifallreaktoren im Gegenstrom verwendet werden, siehe beispielsweise
US-A-4 068 136 und "Riser Reactor", Fluidization and Fluid-Particle
Systems, Seiten 48 bis 59, F. A. Zenz und D. F. Othmo, Reinhold
Publishing Corp., NY, USA, 1960, auf deren Beschreibungen hier ausdrücklich Bezug
genommen wird.
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Es
kann jedes Standardreaktorsystem von kommerzieller Größe verwendet
werden, einschließlich Festbett-
oder Bewegtbettsystemen. Die Reaktorsysteme im kommerziellen Maßstab können mit
einem stündlichen
Massendurchsatz (WHSV) von 1 h–1 bis 1000 h–1 arbeiten.
Im Fall von Reaktoren mit kommerziellen Maßstab ist WHSV definiert als
Gewicht Kohlenwasserstoff in dem Einsatzmaterial pro Stunde pro
Gewicht Silicoaluminiumphos phat-Molekularsiebgehalt des Katalysators.
Der Kohlenwasserstoffgehalt ist sauerstoffhaltiges Material und
jeglicher Kohlenwasserstoff, der gegebenenfalls mit dem sauerstoffhaltigen
Material kombiniert sein kann. Der Silicoaluminiumphosphat-Molekularsiebgehalt
soll nur den Silicoaluminiumphosphat-Molekularsiebanteil bedeuten, der in
dem Katalysator enthalten ist. Dies schließt Komponenten wie Bindemittel,
Verdünnungsmittel,
Inertmaterialien, Seltenerdkomponenten usw. aus.
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Es
ist sehr erwünscht,
mit einer Temperatur von mindestens 300°C und einer temperaturkorrigierten normalisierten
Methansensitivität
(TCNMS) von weniger als etwa 0,016, vorzugsweise weniger als etwa
0,012, insbesondere weniger als etwa 0,01 zu arbeiten. Es ist besonders
bevorzugt, dass die Reaktionsbedingungen zur Herstellung von Olefin
aus sauerstoffhaltigem Material einen WHSV von mindestens etwa 20
h–1 zur
Herstellung von Olefinen und eine TCNMS von weniger als etwa 0,016
aufweisen.
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TCNMS
ist hier definiert als die normalisierte Methanselektivität, wenn
die Temperatur unter 400°C liegt.
Die NMS ist definiert als die Methanproduktausbeute, geteilt durch
die Ethylenproduktausbeute, wobei jede Ausbeute auf Gew.-%-Basis
gemessen oder in diese umgewandelt wird. Wenn die Temperatur 400°C oder mehr
beträgt,
ist die TCNMS durch die folgende Gleichung definiert, in der T die
durchschnittliche Temperatur innerhalb des Reaktors in °C ist:
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Der
Druck kann ebenfalls über
einen weiten Bereich variieren, einschließlich autogener Drücke. Wirksame
Drücke
können
Drücke
von etwa 0,1 kPa bis etwa 10 MPa sein, sind jedoch nicht notwendigerweise
darauf beschränkt.
Bevorzugte Drücke liegen
im Bereich von etwa 5 kPa bis etwa 5 MPa, wobei der am meisten bevorzugte
Bereich etwa 50 kPa bis etwa 0,5 MPa beträgt. Die genannten Drücke sind
unter Ausschluss von jeglichen sauerstoffverarmten Verdünnungsmitteln
und beziehen sich so auf den Partialdruck der sauerstoffhaltigen
Verbindungen und/oder deren Mischungen mit Einsatzmaterial. Am unteren
und oberen Ende der genannten Druckbereiche sind die Selektivitäts-, Umwandlungs-
und/oder Reaktionsgeschwindigkeit möglicherweise nicht optimal.
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In
dem Einsatzmaterial können
ein oder mehrere inerte Verdünnungsmittel
vorhanden sein, beispielsweise in einer Menge von 1 bis 99 Mol.%,
bezogen auf die Gesamtanzahl der Mol von allen Einsatzmaterial- und
Verdünnungsmittelkomponenten,
die der Reaktionszone (oder dem Katalysator) zugeführt werden.
Typische Verdünnungsmittel
schließen
Helium, Argon, Stickstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff,
Wasser, Paraffine, Alkane (insbesondere Methan, Ethan und Propan),
Alkylene, aromatische Verbindungen und Mischungen davon ein, sind
jedoch nicht notwendigerweise darauf beschränkt. Die bevorzugten Verdünnungsmittel
sind Wasser und Stickstoff. Wasser kann entweder in flüssiger oder
in Dampfform injiziert werden.
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Das
Verfahren kann chargenweise, halbkontinuierlich oder kontinuierlich
durchgeführt
werden. Das Verfahren kann in einer Einzelreaktionszone oder einer
Anzahl von in Reihe oder parallel angeordneten Reaktionszonen durchgeführt werden.
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Das
Umwandlungsniveau der sauerstoffhaltigen Materialien kann aufrechterhalten
werden, um das Niveau unerwünschter
Nebenprodukte zu verringern. Die Umwandlung kann auch ausreichend
hoch gehalten werden, um die Notwendigkeit kommerziell unerwünschter
Rückführungsniveaus
nicht umgesetzter Einsatzma terialien zu vermeiden. Eine Reduktion
unerwünschter
Nebenprodukte zeigt sich, wenn die Umwandlung von 100 % auf etwa
98 Mol.-% oder weniger geht. Die Rückführung von bis zu etwa 50 Mol.-%
des Einsatzmaterials ist kommerziell akzeptabel. Daher betragen
Umwandlungsniveaus, die beide Ziele erreichen, etwa 50 Mol.-% bis
etwa 98 Mol.-% und wünschenswerterweise
etwa 85 Mol.-% bis etwa 98 Mol.-%. Es ist jedoch auch akzeptabel,
Umwandlungen zwischen 98 Mol.-% und 100 Mol.-% zu erreichen, um
das Rückführungsverfahren
zu vereinfachen. Die Umwandlung von sauerstoffhaltigem Material
kann unter Verwendung einer Reihe von Verfahren, die Durchschnittsfachleuten
vertraut sind, auf diesem Niveau gehalten werden. Beispiele schließen die
Einstellung von einem oder mehreren der Folgenden ein, sind jedoch
nicht notwendigerweise darauf beschränkt: Reaktionstemperatur, Druck,
Durchflussrate (d.h. WHSV), Niveau und Grad der Katalysatorregenerierung,
Menge der Katalysatorrezirkulation, spezifische Reaktorkonfiguration,
Einsatzmaterialzusammensetzung und andere Parameter, die die Umwandlung
beeinflussen.
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Falls
Regenerierung erforderlich ist, kann der Molekularsiebkatalysator
kontinuierlich als Bewegtbett in eine Regenerationszone eingebracht
werden, wo er regeneriert werden kann, wie beispielsweise durch
Entfernung von kohlenstoffhaltigen oder kohlenstoffartigen Materialien
oder durch Oxidation in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre. In einer
bevorzugten Ausführungsform
wird der Katalysator einer Regenerierungsstufe unterzogen, indem
kohlenstoffhaltige oder kohlenstoffartige Ablagerungen abgebrannt
werden, die sich während
der Umwandlungsreaktionen angesammelt haben.
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Das
sauerstoffhaltige Einsatzmaterial umfasst mindestens eine organische
Verbindung, die mindestens ein Sauerstoffatom enthält, wie
aliphatische Alkohole, Ether, Carbonylverbindun gen (Aldehyde, Ketone, Carbonsäuren, Carbonate,
Ester und dergleichen), und das Einsatzmaterial kann gegebenenfalls
mindestens eine Verbindung enthalten, die Halogenverbindung, Merkaptan,
Sulfid oder Amin enthält,
solange die optionalen Komponenten die Leistung des Katalysators
nicht erheblich beeinträchtigen.
Wenn das sauerstoffhaltige Material ein Alkohol ist, kann der Alkohol
einen aliphatischen Anteil mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen, insbesondere
1 bis 4 Kohlenstoffatomen einschließen. Ausgewählte Alkohole schließen niedere
geradkettige und verzweigte aliphatische Alkohole, ihre ungesättigten
Gegenstücke
und die Stickstoff-, Halogen- und Schwefelanaloga davon ein, sind
jedoch nicht notwendigerweise darauf beschränkt. Beispiele für geeignete
sauerstoffhaltige Verbindungen schließen Methanol, Ethanol, n-Propanol,
Isopropanol, C4- bis C20-Alkohole,
Methylethylether, Dimethylether, Diethylether, Diisopropylether,
Formaldehyd, Dimethylcarbonat, Dimethylketon, Essigsäure und
Mischungen davon ein, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Bevorzugte
sauerstoffhaltige Verbindungen sind Methanol, Dimethylether oder
eine Mischung davon.
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Das
Verfahren zur Herstellung des bevorzugten erfindungsgemäßen Olefinprodukts
kann die zusätzliche
Stufe der Herstellung dieser Zusammensetzungen aus Kohlenwasserstoffen
wie Öl,
Kohle, Teersand, Schiefer, Biomasse und Erdgas einschließen. Verfahren
zur Herstellung der Zusammensetzungen sind in der Technik bekannt.
Diese Verfahren schließen
Fermentierung zu Alkohol oder Ether, Herstellung von Synthesegas
und nachfolgende Umwandlung des Synthesegases in Alkohol oder Ether
ein. Synthesegas kann nach bekannten Verfahren erezeugt werden,
wie Dampfreformieren, autothermes Reformieren und partielle Oxidation.
-
Fachleute
werden auch erkennen, dass die nach der erfindungsgemäßen Umwandlungsreaktion
von sauerstoffhaltigem Material zu Olefin produzierten Olefine zur
Bildung von Polyolefinen, insbesondere Polyethylen und Polypropylen,
polymerisiert werden können.
Verfahren zur Herstellung von Polyolefinen aus Olefinen sind in
der Technik bekannt. Katalytische Verfahren sind bevorzugt. Besonders
bevorzugt sind Metallocen-, Ziegler/Natta- und säurekatalytische Systeme, siehe
beispielsweise
US-A-3
258 455 ,
US-A-3
305 538 ,
US-A-3
364 190 ,
US-A-5 892 079 ,
US-A-4 659 685 ,
US-A-4 076 698 ,
US-A-3 645 992 ,
US-A-4
302 565 und
US-A-4
243 691 , auf deren jeweilige Beschreibungen von Katalysator
und Verfahren hier ausdrücklich
Bezug genommen wird. Diese Verfahren beinhalten im Allgemeinen das
Kontaktieren des Olefinprodukts mit Polyolefin bildendem Katalysator
bei einem Druck und einer Temperatur, die zur Bildung des Polyolefinprodukts
wirksam sind.
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Ein
bevorzugter Polyolefin bildender Katalysator ist ein Metallocenkatalysator.
Der bevorzugte Arbeitstemperaturbereich liegt zwischen 50 und 240°C, und die
Reaktion kann bei niedrigem, mittlerem oder hohem Druck durchgeführt werden,
der ungefähr
im Bereich von etwa 1 bis 200 bar liegt. Für in Lösung durchgeführte Verfahren
kann inertes Verdünnungsmittel
verwendet werden, und der bevorzugte Arbeitsdruckbereich liegt zwischen
10 und 150 bar, wobei ein bevorzugter Temperaturbereich zwischen
120 und 230°C
liegt. Bei Gasphasenverfahren ist bevorzugt, dass die Temperatur
im Allgemeinen im Bereich von 60 bis 160°C liegt und dass der Arbeitdruck
zwischen 5 und 50 bar liegt.
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Die
Erfindung wird in Bezug auf die folgenden Beispiele besser verständlich,
die spezielle Ausführungsformen
innerhalb des gesamten Schutzumfangs der Erfindung wie beansprucht
illustrieren sollen.
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BEISPIEL 1
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Proben
von SAPO-34, der Morpholin-Struktursteuerungsmittel enthielt, wurden
erhitzt, um das Struktursteuerungsmittel zu entfernen. Eine Probe
wurde 5 Stunden in N2 auf 650°C erhitzt,
gefolgt von 3 Stunden bei 650°C
in Luft in einem geschlossenen Ofen, um das Struktursteuerungsmittel
zu entfernen. Die Probe wurde 4 Tage über Silikagel (relative Feuchtigkeit < 20 % bei 20°C) gelagert.
Eine zweite Probe wurde auf gleiche Weise erwärmt, wurde jedoch 3 Tage bei
80 % relativer Feuchtigkeit und 20°C gelagert. In einer dritten
Probe wurde das Struktursteuerungsmittel in der gleichen Weise entfernt.
Die dritte Probe wurde jedoch unmittelbar nach Entfernung des Struktursteuerungsmittel
bei 150°C
in einen kontinuierlichen Festbettreaktor überführt. Die dritte Probe wurde
als die "0 Tage
gealterte" Probenportion
bezeichnet. Jede Portion wurde dann einzeln in einem kontinuierlichen
Festbettreaktor bewertet. Die Reaktionstemperatur wurde auf 450°C gehalten.
Der Druck in dem Reaktor wurde auf 273,7 kPa (25 psig) gehalten.
Methanoleinsatzmaterial wurde kontinuierlich mit einem WHSV von
25 h–1 in
den Reaktor eingespeist. Reaktionsprodukte wurden mit einem Online-GC
analysiert, das mit einem FID- und TCD-Detektor ausgestattet war. 1 zeigt
Gew.-% umgewandeltes Methanol als Funktion der TOS (in Minuten).
Die Methanolumwandlung der ersten Probe nach einer TOS von 5 Minuten betrug
ungefähr
27 Gew.-%. Die Methanolumwandlung der zweiten Probe nach einer TOS
von 5 Minuten betrug ungefähr
0 Gew.-%. Die Methanolumwandlung der dritten Probe nach einer TOS
von 5 Minuten betrug ungefähr
100 Gew.-%.
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BEISPIEL 2
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Proben
von SAPO-34, die Morpholin-Struktursteuerungsmittel enthielten,
wurden erhitzt, um das Struktursteuerungsmittel zu entfernen. Eine
Probe wurde 5 Stunden bei 650°C
in N2 erhitzt, gefolgt von 3 Stunden bei
650°C in
Luft in einem geschlossenen Ofen, um das Struktursteuerungsmittel
zu entfernen. Die Probe wurde einen Tag unter Umgebungsbedingungen
gelagert. Eine zweite Probe wurde in derselben Weise erhitzt, jedoch
5 Tage unter Umgebungsbedingungen gelagert. In einer dritten Probe
wurde das Struktursteuerungsmittel in situ (d.h. in einem kontinuierlichen
Festbettreaktor) 5 Stunden unter Stickstoff bei 650°C entfernt,
gefolgt von Luft bei 650°C
für 3 Stunden.
Die dritte Probe wurde als die "0
Tage gealterte" Probenportion
bezeichnet. Die Methanolaufnahme der Probenportionen mit entfernten
Struktursteuerungsmitteln wurden gemäß dem folgenden Verfahren gemessen:
Etwa
5 mg Probe wurden in ein thermogravimetrisches Analysegerät (TAG)
Perkin Elmer TGS-2 eingebracht. Die Probe wurde einer Wärmebehandlung
unterzogen, wobei (1) von Raumtemperatur mit einer Aufheizrate von
20°C/Min
in Luft auf 450°C
erhitzt wurde, (2) 40 Minuten bei 450°C in Luft gehalten wurde und
in Luft auf 30°C
abgekühlt
wurde. Nachdem die Probe 30°C
erreichte, wurde der Luftstrom auf einen methanolhaltigen Stickstoffstrom
mit einem Methanol-Partialdruck von 0,09 atm umgeschaltet. Die Probe
wurde dann 180 Minuten mit dieser Stickstoff/Methanol-Mischung kontaktiert,
und die Methanoladsorptionskapazität wurde als Gewichtsprozentanstieg
nach den 180 Minuten Kontakt mit dem Methanoldampf berechnet. 2 zeigt
die Methanoladsorptionskapazität
oder Methanolaufnahme als Funktion der Zeit. Die horizontalen Linienfragmente zeigen
das Sättigungsniveau.
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Der
Methanolaufnahmeindex wurde basierend auf dem Sättigungsniveau gealterter Proben
gegen Sättigungsniveau
der "0 Tage gealtert/in
situ"-Probe berechnet.
Die 0 Tage gealtert/in situ-Probe wurde als der Basisfall mit einem
Methanolaufnahmeindex von 1 definiert. Der Methanolaufnahmeindex
für die
1 Tag lang im Labor gealterte Probe war rechnerisch ungefähr 0,85,
und der Methanolaufnahmeindex der 5 Tage lang im Labor gealterten
Probe war rechnerisch ungefähr
0,65.
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BEISPIEL 3
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Eine
Probe SAPO-34, die DPA/TEAOH-Struktursteuerungsmittel enthielt,
wurde getrocknet, wobei das Struktursteuerungsmittel an Ort und
Stelle blieb. Die Probe wurde 25 Tage gelagert, dann mit SiC (0,36
g SAPO/5 g SiC) gemischt. Das Struktursteuerungsmittel wurde dann
in situ (d. h. in einem kontinuierlichen Festbettreaktor) unter
Stickstoff eine Stunde bei 625°C
entfernt. Nach Entfernung des Struktursteuerungsmittels wurde dem
Reaktor kontinuierlich Methanol mit einem WHSV von 25 h–1 zugeführt, während die
Reaktionstemperatur auf 450°C
und der Reaktionsdruck auf 259,9 kPa (23 psig) gehalten wurden.
Reaktionsprodukte wurden mit einem Online-GC, das mit einem FID-
und TCD-Detektor ausgestattet war, auf Ethylen- und Propylenausbeute
analysiert. Methanolumwandlung wurde berechnet als: 100 – (Gew.-%
Methanol + DME), die in dem Produkt zurückblieben. Die Daten sind in 3 mit
der Bezeichnung "frisches
calciniertes Sieb" gezeigt.
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BEISPIEL 4
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Eine
Probe SAPO-34, die DPA/TEAOH-Struktursteuerungsmittel enthielt,
wurde filtriert und in Form von feuchtem Filterkuchen gelagert,
wobei das Struktursteuerungsmittel an Ort und Stelle blieb. Nachdem
der Filterkuchen 44 Tage gelagert worden war, wurde er getrocknet,
dann wurde das Struktursteuerungsmittel entfernt und die Methanolumwandlung
gemäß dem Verfahren
von Beispiel 3 berechnet. Die Daten sind in 3 gezeigt.
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BEISPIEL 5
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Eine
Probe SAPO-34, die DPA/TEAOH-Struktursteuerungsmittel enthielt,
wurde filtriert und in Form von feuchtem Filterkuchen gelagert,
wobei das Struktursteuerungsmittel an Ort und Stelle blieb. Nachdem
der Filterkuchen 73 Tage gelagert worden war, wurde er getrocknet,
dann wurde das Struktursteuerungsmittel entfernt und die Methanolumwandlung
gemäß dem Verfahren
von Beispiel 3 berechnet. Die Daten sind in 3 gezeigt.
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BEISPIEL 6
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Eine
Probe SAPO-34, die DPA/TEAOH-Struktursteuerungsmittel enthielt,
wurde getrocknet, wobei das Struktursteuerungsmittel an Ort und
Stelle blieb. Die Probe wurde 132 Tage unter Umgebungsbedingungen
gelagert. Dann wurde das Struktursteuerungsmittel entfernt und die
Methanolumwandlung gemäß dem Verfahren
von Beispiel 3 berechnet. Die Daten sind in 3 gezeigt.
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BEISPIEL 7
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Ein
vom Struktursteuerungsmittel befreites SAPO-34 wurde 18 Monate unter
Umgebungsbedingungen gealtert. Die Methanoladsorptionskapazität wurde
gemäß dem Verfahren
von Beispiel 2 ermittelt. Aus der Anfangsmethanoladsorptionskapazität und der
Methanoladsorptionskapazität
bei Einsatzmaterialkontakt wurde der Methanolaufnahmeindex mit 0,12
berechnet.
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Die
Methanolumwandlung einer Probe des 18 Monate lang gealterten SAPO-34
wurde gemäß dem Verfahren
von Beispiel 3 bewertet. Nach einer TOS von 2 Minuten betrug die
Methanolumwandlung 26,97 Gew.-%. Nach einer TOS von 5 Minuten war
die Methanolumwandlung erheblich auf 0,63 Gew.-% abgesunken.
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Die
Daten zeigen, dass ein Silicoaluminiumphosphat-Molekularsieb mit
einem Methanolaufnahmeindex von 0,12 für einen kurzen Zeitraum katalytisch
aktiv ist. Die katalytische Akti vität eines solchen Molekularsiebs
sinkt jedoch sehr rasch ab, was anzeigt, dass ein Molekularsieb
mit einem so niedrigen Methanolaufnahmeindex für Reaktionssysteme weniger
erwünscht
ist, da es dazu neigt, die Frequenz zu erhöhen, mit der das Molekularsieb
regeneriert werden muss.