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Diese Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur
Herstellung von Methyl-tert.-butylether durch die Reaktion von
tert.-Butanol und Methanol in der Gegenwart einer
Katalysatorzusammensetzung, die durch Abscheiden einer geringen Menge
Phosphor auf Titanoxid hergestellt ist. Die Erfindung ist
insbesondere vorteilhaft, als die Reaktion in einer Stufe unter
relativ milden Bedingungen abläuft, der Katalysator
hervorragende Selektivität zum gewünschten Etherprodukt zeigt
und hohe Niveaus an tert.-Butanol-Umsetzung erreicht werden. Das
Verfahren könnte kommerzielles Potential besitzen, die Produkte
erfordern keine extensive Destillation und das Verfahren
verwendet ein preiswertes, leicht verfügbares Ausgangsmaterial.
Typischerweise wird MTBE kontinuierlich in ca. 30% Konzentration
im rohen Flüssigprodukt unter relativ milden Bedingungen durch
Leiten von 2:1-Methanol/tert.-Butanol über einen extrudierten
Phosphorsäure-auf-Titanoxid-Katalysator erzeugt.
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Es ist den Fachleuten auf diesem Gebiet bekannt, daß Ether,
einschließlich unsymmetrischer Ether, hergestellt werden können,
indem ein Alkohol mit einem anderen Alkohol zur Reaktion
gebracht wird, um das gewünschte Produkt zu bilden. Die
Reaktionsmischung, die einen Katalysator und/oder ein
Kondensationsmittel enthält, kann getrennt und weiterbehandelt
werden, um das Erreichen des gewünschten Produktes zu
ermöglichen. Eine solche weitere Behandlung schließt
üblicherweise einen oder mehrere Destillationsvorgänge ein.
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Methyl-tert.-butylether findet zunehmende Verwendung als eine
Mischkomponente in hochoktanigem Benzin, da die gegenwärtigen
Benzinadditive auf der Basis von Blei und Mangan nach und nach
auslaufen. Gegenwärtig beruhen alle kommerziellen Verfahren zur
Herstellung von Methyl-tert.-butylether (MTBE) auf der
Flüssigphasenreaktion von Isobutylen und Methanol (Gl. 1), die
durch kationisches Ionenaustauschharz katalysiert wird (siehe
z.B.: Hydrocarbon Processing, Oct. 1984, S. 63; Oil and Gas J.,
Jan. 1, 1979, S. 76; Chem. Economics Handbook-SRI, Sept. 1986,
S. 543-705: P). Die kationischen Ionenaustauschharze, die bei
der MTBE-Synthese verwendet werden, besitzen normalerweise die
Sulfonsäure-Funktionalität (siehe: J. Tejero, J. Mol. Catal., 42
(1987) 257; C. Subramamam et al., (Can. J. Chem. Eng., 65 (1987)
613).
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Mit der sich ausbreitenden Verwendung von MTBE als einem
annehmbaren Benzinadditiv ist jedoch die Verfügbarkeit von
Rohmaterialien ein wachsendes Problem. Historisch gesehen ist
das kritische Rohmaterial Isobutylen (Oil and Gas J., June 8,
1987, S. 55). Es wäre daher vorteilhaft, ein Verfahren zur
Herstellung von MTBE zu besitzen, das nicht Isobutylen als einen
Baustein benötigt. Genauer gesagt wäre es vorteilhaft, ein
effizientes Verfahren zur Herstellung von MTBE durch Reaktion
von Methanol mit tert.-Butylalkohol zu besitzen, da tert.-
Butanol (TBA) durch Isobutan-Oxidation kommerziell leicht
verfügbar ist.
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In US-Patent Nr. 4,144,138 (1979) (Rao et al.) wird ein
Verfahren zur Gewinnung von Methyl-tert.-butylether aus dem
Ablauf der Veretherungsreaktion durch azeotrope Destillation
offenbart, um Methanol/Ether azeotrop über Kopf zu gewinnen, das
mit Wasser gewaschen wird, um reines Ether-Raffinat zu ergeben,
wobei das letztere azeotrop destilliert wird, um
Ethanol/Methanol-Überkopfprodukt zu liefern, das zum
Wasserwaschen rückgeführt wird.
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Die Herstellung von Methyl-tert.-butylether aus Methyl- und
tert.-Butylalkoholen wird bei S.V. Rozhkov et al., Prevrashch
Uglevodorodov, Kislotno-Osnovn. Geterogennykh Katal. Tezisy
Dokl. Vses Konf., 1977, 150 (C.A. 92:58165y) diskutiert. Hier
durchlaufen das TBA und Methanol Veretherung über stark sauren
KU-2-Sulfopolystyrol-Kationenaustauschern unter milden
Bedingungen. Diese Literaturstelle enthält Daten über
grundlegende Parameter solch eines Verfahrens. Es wird auch
hervorgehoben, daß, obgleich eine Anlage zur Veretherung über
Kationenaustauschern keinerlei größere Probleme darstellt, die
Überlegungen die Tatsache einschließen, daß das Rückführen
großer Mengen tert.-butylalkohol und Methanol sowie Isobutylen
bewirkt, daß der Prozeß etwas teurer ist. Ebenso wird das
Fortschreiten der Reaktion über Kationenaustauschern
üblicherweise durch verschiedene Adsorptions- und
Diffusionsfaktoren, durch Quellphänomene und durch die variable
Verteilung der Komponenten zwischen der Lösungs- und
Ionenaustausch-Phase kompliziert. Außerdem besitzen besagte
saure Kationenaustauscher mit einem organischen (Polystyrol oder
Polymethacrylat) Rückgrat im allgemeinen einen sehr begrenzten
Stabilitätsbereich im Hinblick auf Arbeitstemperaturen, wobei
Temperaturen über 120ºC normalerweise zu irreversibler
Zerstörung des Herzes und Verlust katalytischer Aktivität
führen.
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Es wäre ein wesentlicher Fortschritt in der Technik, wenn
Methyl-tert.-butylether kontinuierlich aus tert.-Butylalkohol
und Methanol statt aus Methanol und Isobutylen erzeugt werden
könnte, unter Verwendung eines anorganischen, heterogenen
Katalysators, der gegen Temperaturen über 120ºC, vorzugsweise
gegen Temperaturen bis zu 200ºC thermisch stabil ist. Es wäre
auch vorteilhaft, wenn der Katalysator einige andere Probleme
verringern könnte, die die Kommerzialisierung hindert haben, wie
etwa bei Destillation inhärente Extraschritte.
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Gemäß bestimmter ihrer Aspekte umfaßt das neuartige Verfahren
dieser Erfindung zur Herstellung von Methyl-tert.-butylether aus
tert.-Butylalkohol und Methanol in einer Stufe das Umsetzen von
tert.-Butylalkohol und Methanol in Gegenwart eines Katalysators,
der einen Titanoxid-Träger umfaßt, der mit Fluorophosphorsäure
oder Difluorophosphorsäure imprägniert ist. Zusätzlich zu den
umrissenen Verbesserungen ist ein zusätzliches Merkmal, daß der
Katalysator weniger empfindlich gegen Verunreinigungen im
Ausgangsmaterial als andere Katalysatoren zu sein scheint.
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Die Reaktion kann wie folgt dargestellt werden
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Im allgemeinen können die Co-Reaktanten Methanol und tert.-
Butanol in jedem Verhältnis gemischt werden, um den gewünschten
Methyl-tert.-butylether zu erzeugen, aber vorzugsweise sollte
das Molverhältnis von Methanol zu tert.-Butanol in der
Ausgangsmischung zwischen 10:1 und 1:10 liegen, wenn die
Ausbeute an gewünschtem MTBE maximiert werden soll. Um maximale
Selektivität zu MTBE zu erreichen und optimale Umsetzung pro
Durchgang, ist ein Überschuß an Methanol im flüssigen
Ausgangsmaterial wünschenswert. Das bevorzugte Molverhältnis von
Methanol zu tert.-Butanol beträgt von 1:1 bis 5:1.
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Der auf dem Katalysator in der vorliegenden Erfindung
imprägnierte Phosphor liegt als eine Fluorophosphor- oder
Difluorophosphorsäure-Gruppe vor, die chemisch an den Titanoxid-
Träger gebunden ist. Die genaue Natur der Bindung ist nicht
vollständig verstanden, aber man glaubt, daß sie das folgende
einschließt:
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Die Fluorophosphorsäure oder Difluorophosphorsäure kann in den
inerten Träger in einer flüssigen oder gasförmigen Form bei
Vorhandensein oder Abwesenheit eines inerten Verdünnungsmittels
eingebracht werden.
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Der Titanoxid-Träger kann in Form von Pulvern, Pellets,
Kügelchen, Formkörpern und Extrudaten vorliegen. Die hier
beschriebenen Beispiele zeigen die Vorteile der Verwendung von
Pellets und Extrudaten. Titanoxid-Pellets können durch Extrusion
oder Kompaktierung in einer konventionellen
Pelletierungsvorrichtung unter Verwendung eines Pelletierungs-Hilfsmittels, wie
etwa Graphit, hergestellt werden. Ein Extrudat, das gut
funktioniert, ist HSA-Titanoxid-Trägerextrudat von Norton
Company, mit einer Oberfläche von 51 m²/g.
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Wie in den Beispielen gezeigt werden wird, sind die Träger
vorzugsweise von hoher Reinheit und hoher Oberfläche. Es ist
beim Verfahren dieser Erfindung festgestellt worden, daß größere
Umsetzung von tert.-Butanol und Methanol erreicht wird, wenn die
Oberfläche des Trägers im allgemeinen > 10 m²/g ist.
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Die pelletierten Katalysatorzusammensetzungen der vorliegenden
Erfindung werden vorzugsweise als ein Katalysator-Festbett in
einem kontinuierlichen Reaktionssystem eingesetzt. In einem
kontinuierlichen Verfahren dieser Art ist die Kontaktzeit der
Reaktanten mit dem Katalysator einer der in Zusammenhang
stehenden Faktoren, die die Fachleute auf diesem Gebiet,
zusammen mit Temperatur, Druck, Bettgeometrie, Pelletgröße, etc.
einstellen werden, um eine gewünschte Reaktionsgeschindigkeit
und damit eine gewünschte prozentuale Umsetzung der Reaktanten
zu erreichen. Somit ist es bei einem kontinuierlichen Verfahren
nicht notwendig, die Reaktion bis zur Vervollständig zu treiben,
weil nicht-umgesetzte Komponenten des Ausgangsmaterials zum
Reaktor rückgeführt werden können.
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Zylindrisch geformte Katalysatorpellets mit einem Durchmesser,
der im wesentlichen deren Länge entspricht, können verwendet
werden. Durchmesser und Längen, die im Bereich von etwa 0,794 mm
(1/32 inch) bis etwa 9,525 mm (3/8 inch) liegen, haben
wünschenswerte Maße. Man wird verstehen, daß die Form und
Abmessungen der Pellets für die vorliegende Erfindung nicht
kritisch sind und daß Pellets jeder geeigneten Form und
Abmessungen verwendet werden können, wie von jemandem gewünscht,
der das Verfahren der vorliegenden Erfindung in die Praxis
umsetzen möchte.
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Wenn zylindrische Katalysatorpellets der oben beschriebenen Art
verwendet werden, kann die gewichtete stundenbezogene
Raumgeschwindigkeit innerhalb weiter Grenzen variiert werden
(z.B. 0,1 bis 10 w/hr/w), um ein gewünschte
Umsetzungsgeschwindigkeit zu erhalten, wie oben erläutert. Normalerweise
werden Raumgeschwindigkeiten von 0,5 bis 2 w/hr/w eingesetzt.
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Katalysatorlebensdauer ist ein wichtiger Faktor bei der
Durchführung einer kontinuierlichen Reaktion. Wenn z.B. ein
Katalysator leicht vergiftet wird oder wenn Katalysatorpellets
keine guten strukturellen Eigenschaften besitzen, wird die
wirtschaftlichkeit des Verfahrens negativ beeinflußt. Die
Katalysatoren der vorliegenden Erfindung sind relativ
unempfindlich gegenüber Vergiftung, so daß dies kein Problem
darstellen sollte.
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Als eine Konsequenz werden die Katalysatorzusammensetzungen der
vorliegenden Erfindung vorzugsweise in einem kontinuierlichen
Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Methyl-tert.-
butylether-Reaktionsprodukten aus tert.-Butanol und Methanol
verwendet. Solche Katalysatorzusammensetzungen können über
längere Zeiträume verwendet werden, ohne die Notwendigkeit zur
Regeneration. Nichtsdestoweniger wird bei Ablauf von Zeit
langsam eine Desaktivierung auftreten. Die Desaktivierung kann
qualitativ durch den Verlust an Butanol-Umsetzung oder als der
Anstieg der Temperatur, die erforderlich ist, um eine im
wesentlichen konstante Umsetzungsgeschwindigkeit für das tert.-
Butanol und Methanol zu halten, gemessen werden.
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In allgemeinen wird die Katalysatorzusammensetzung durch
Imprägnieren eines vorgeformten Pellets hergestellt. Ein
geeignetes, zu verwendendes Verfahren ist, Titanoxid-Pellets in
eine Lösung der Fluorophosphor- oder Difluorophosphorsäure in
einem wäßrigen oder polaren organischen Lösungsmittel (wie etwa
Aceton), vorzugsweise bei Umgebungstemperatur, unterzutauchen.
Höhere Temperaturen von 100º bis 150ºC können verwendet werden,
falls gewünscht. Diese Behandlung sollte, vorzugsweise mit
Rühren, für 0,1 bis 5 Stunden fortgesetzt werden, was ausreicht,
um es ermöglichen, daß die Lösung die Poren des Titanoxid-
Pellets durchdringt. Geeigneterweise sollte die Menge an Lösung
der Säure, die verwendet wird, angemessen sein, um vollständiges
Untertauchen der Titanoxid-Pellets zu ermöglichen. Größere
Mengen der Lösung können verwendet werden, falls erwünscht, aber
es besteht kein besonderer Vorteil darin, dies zu tun. Am Ende
des Untertauchschritts kann die überschüssige Lösung aus den
behandelten Pellets verdampft werden oder die Pellets können aus
der Lösung entfernt und trocknen gelassen (z.B. einem
Trockenofen) werden.
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Die pelletierten Katalysatorzusammensetzungen der vorliegenden
sollten kalziniert werden. Sie können vor Verwendung oder
möglicherweise, in einigen Fällen, in situ kalziniert werden,
wenn sie als Katalysatoren bei Temperaturen oberhalb von 50ºC
eingesetzt werden. Wenn die Katalysatoren vor der Verwendung
calziniert werden sollen, wird Kalzinierung geeigneterweise für
2 bis 24 Stunden bei einer Temperatur von wenigstens 100ºC
durchgeführt, aber unterhalb der Temperatur, bei der thermische
Zerstörung der chemischen Bindung auftritt. Dies kann durch
Routineexperimente für einen bestimmten Katalysator bestimmt
werden. Temperaturen über 900ºC sollten vermieden werden. Ein
geeigneter Kalzinierungstemperaturbereich ist normalerweise 100º
bis 800ºC und bevorzugter 150º bis 350ºC.
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Die Gewichtsprozente Fluorophosphorsäure zu Titanoxid-Träger
sollten derart sein, daß die Konzentration des Phosphor im
formulierten Katalysator im Bereich von 0,1 Gew.-% bis 30 Gew.-%
liegt, obgleich Konzentrationen außerhalb dieses Bereichs
ebenfalls eingesetzt werden können. Eine geeignete Phosphormenge
ist 1-10 Gew.-%.
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Die Tatsache, daß dieses Verfahren unter relativ milden
Arbeitsbedingungen durchgeführt werden kann, ist ein attraktives
Merkmale dieser Erfindung. Veretherung kann im allgemeinen bei
Temperaturen von 20º bis 200ºC durchgeführt werden. Der
bevorzugte Bereich ist 100º bis 180ºC. Der Gesamtarbeitsdruck
kann von 0 bis 1000 psig (100 bis 6995 kPa) betragen. Der
bevorzugte Druckbereich ist 50 bis 500 psig (445 bis 3550 kPa).
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Typischerweise wird MTBE kontinuierlich in bis zu ca. 30 Gew.-%
Konzentration im rohen Flüssigprodukt bei stundenbezogenen
Gesamtflüssigkeitsraumgeschwindigkeiten (LHSV) von wenigstens
0,1 und bis zu 10 und relativ milden Bedingungen erzeugt, wobei:
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LHSV = Volumen des gesamten flüssigen Einsatzmaterials, das pro Stunde durch den Reaktor läuft/Katalysatorvolumen im Reaktor
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Insbesondere bringt die Herstellung des Katalysators dieser
Erfindung das Imprägnieren der Fluorophosphor- oder
Difluorophosphorsäure auf den Titanoxid-Träger unter Verwendung der
Technik der beginnenden Feuchte in der folgenden Art und Weise
mit sich:
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Eine Lösung von Fluorophosphorsäure (8,6 g) in Aceton (17,9 g)
wurde unter Rühren zu 52,4 g HSA-Titanoxid-Trägerextrudat (von
Norton Company, Oberfläche 51 m²/g) zugegeben. Die Flüssigkeit
wurde unter periodischen Rühren und Erwärmen auf 55ºC auf die
Extrudate absorbiert. Die Mischung wurde dann
rotationsverdampft, um überschüssige Flüssigkeit zu entfernen, und bei 150ºC
für 40 Minuten und 350ºC für drei Stunden und 15 Minuten unter
Stickstoffstrom kalziniert.
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Analysen zeigten das Vorhandensein von: 3,0% Phosphor
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0,6% Fluor
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Diese Probe wurde in Beispiel I und in den in Tabelle I
zusammengefaßten Durchläufen verwendet.
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Die folgenden Beispiele veranschaulichen die einstufige Synthese
von MTBE aus TBA und MeOH (Gl. 2) unter Verwendung von Phosphor-
auf-Titanoxid, insbesondere Phosphorsäuren und
Fluorophosphorsäuren auf Titanoxid mit hoher Oberfläche. Die Beispiele sind
zum Zwecke der Veranschaulichung gedacht, und es ist
verständlich, daß die Erfindung dadurch nicht eingeschränkt
werden soll.
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Umsetzung von tert.-Butanol (TBA, Gew.-%) wird in den folgenden
Beispielen unter Verwendung der Gleichung geschätzt:
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(Gew.-% Konz. TBA im Einsatzmaterial - Gew.-% Konz. TBA im Produkt)/Gew.-% Konz. im Einsatzmaterial x 100
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Ausbeuten von Methyl-tert.-butylether (MTBE, Mol-%) werden
geschätzt aus:
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Mole MTBE in Produktflüssigkeit/Mole umgesetztes TBA x 100
BEISPIEL I
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Dieses Beispiel veranschaulicht die Co-Synthese von Methyl-
tert.-butylether aus tert.-Butanol und Methanol unter Verwendung
eines Fluorophosphorsäure-auf-Titanoxid-Katalysators.
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Die Synthese wurde in einem Rohrreaktor (0,563" [14 mm]
Innendurchmesser; 12" [305 mm] lang), konstruiert aus rostfreiem
Stahl 316, mit Aufwärtströmung betrieben und angebracht in einem
Ofen, kontrollierbar auf ± 1,0ºC, und versehen mit Pumpen, die
Durchflußkontrolle auf < + 1 cm³/h ermöglichen, durchgeführt.
Der Reaktor wurde auch mit einer Druckregulierungseinrichtung
und einer Ausrüstung zur Überwachung von Temperatur, Druck und
Durchflußgeschwindigkeit versehen.
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Der Reaktor wurde zu Beginn des Experiments mit 25 cm³
Fluorophosphorsäure-auf-Titanoxid-Katalysator beladen, dessen
Herstellung oben beschrieben wurde und identifiziert, als in
Beispiel I und den in Tabelle I zusammengefaßten Durchläufen
verwendet. Ein Sieb aus Glasperlen wurde am oberen und am
unteren Ende des Reaktor angeordnet, um sicherzustellen, daß die
Extrudate im Mittelabschnitt blieben. Das Katalysatorbett wurde
zunächst über Nacht durch Behandlung mit Methanol/tert.-Butanol
(2:1-Mischung) bei 100ºC, 300 psi (2069 kPa) Rückdruck und einer
Flüssigkeitsdurchflußgeschwindigkeit von 25 cm³/h konditioniert.
Dieselbe Lösung von Methanol (1581,6 g, 40,0 Mol) plus tert.-
Butanol (1482,4 g, 20,0 Mol) wurde dann durch das
Katalysatorbett mit 25 cm³/h gepumpt, während der Reaktor bei 100ºC bei
einem Gesamtdruck von 300 psi (2069 kPa) gehalten wurde.
Produktproben wurden periodisch gezogen, entweder durch
Auffangen in einem mit Trockeneis gekühlten Behälter oder durch
Sammeln stromaufwärts (on-line) in einer Bombe aus rostfreiem
Stahl 316. Typische Analysendaten für unter diesen Bedingungen
gezogenen Proben sind in Tabelle I zusammengefaßt.
Katalysatorleistung bei anderen Arbeitstemperaturen und
Flüssigkeitsdurchflußgeschwindigkeiten wurde ebenfalls
gemessen, nachdem über Nacht Gleichgewichtsbedingungen erreicht
worden waren. Zusammengefaßte Daten für diese Durchläufe sind
ebenfalls in Tabelle I angegeben. Bemerkenswert ist die
Tatsache, daß die Fluorophosphorsäure auf Titanoxid MTBE in
Konzentrationen bis zu ca. 26% Konzentration im rohen
Flüssigprodukt ergab, wenn durchgeführt mit LHSV von 1 (z.B.
Proben, 13 und 15). Die Arbeitsbedingungen in beiden Fällen
(150ºC,
300 psi [2069 kPa] ) sind gemäßigt. Dieser Katalysator
wurde über den Temperaturbereich 100-180ºC gescreent. Bei 150ºC,
LHSV = 1, zeigte Probe #15:
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geschätzte TBA-Umsetzung pro Durchlauf = 66%
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MTBE-Ausbeute (Grundlage: umgesetztes TBA) = 64 Mol-%
TABELLE I
Beispiel I
Katalysator
Ausgangsmaterial-Probe
Durchflußrate (cm³/h)
Druck (psig) (kPa)
Temp. (ºC)
Probe
PRODUKTZUSAMMENSETZUNG (GEW.-%)c
a Fluorophosphorsäure auf Titanoxid, Herstellung wie oben beschrieben
b On-line-Probe
c i-C&sub4;, Isobutylen; MeOH, Methanol, tBA, t-Butanol
BEISPIEL II
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In diesem Beispiel wird MTBE unter Befolgung der Verfahren von
Beispiel I aus Methanol und tert.-Butanol unter Verwendung eines
Difluorophosphorsäure-auf-Titanoxid-Katalysators erzeugt, der
mit einem Verfahren hergestellt worden ist, das ähnlich zu dem
oben beschriebenen ist. Dasselbe Titanoxid von Norton Company
wurde als der inerte Träger verwendet und nach Behandlung mit
Difluorophosphorsäure und Kalzinierung zeigten Analysen 0,6%
Phosphor- und 0,5% Fluorgehalt.
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Daten für die Erzeugung von MTBE aus MeOH plus TBA unter
Verwendung von 25 cm³ des Difluorophosphorsäure-auf-Titanoxid-
Katalysators und der Ausrüstung plus Verfahren von Beispiel I
sind in Tabelle II zusammengefaßt.
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Hier kann man sehen, daß nach Screenen dieses Katalysators über
den Temperaturbereich 100-180ºC, bei einer LHSV von 1, MTBE in
bis zu ca. 29% Konzentration im rohen Flüssigprodukt (siehe
Beispiel #20) hergestellt werden kann.
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Für diese Probe (#20):
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geschätzte TBA-Umsetzung pro Durchlauf = 81%
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MTBE-Ausbeute (Grundlage: umgesetztes TBA) = 55 Mol-%
TABELLE II
Beispiel III
Katalysator
Ausgangsmaterial-Probe
Durchflußrate (cm³/h)
Druck (psig) (kPa)
Temp. (ºC)
Probe
PRODUKTZUSAMMENSETZUNG (GEW.-%)
a Difluorophosphorsäure auf Titanoxid, hergestellt wie oben beschrieben
b On-line-Probe