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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von silberhältigen Katalysatoren,
die zur Herstellung von Ethylenoxid geeignet sind.
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Katalysatoren
für die
Bildung von Ethylenoxid aus Ethylen und molekularem Sauerstoff sind
im allgemeinen Silberträgerkatalysatoren.
Derartige Katalysatoren sind typischerweise mit Alkalimetallen dotiert.
Im
US-Patent 3,962,136 ,
erteilt am 8. Juni 1976, und im
US-Patent
4,010,115 , erteilt am 1. März 1977, wird ausgeführt, daß kleine
Mengen der Alkalimetalle Kalium, Rubidium und Cäsium in Silberträgerkatalysatoren
als Promotoren von Nutzen sind. Die Anwendung anderer Co-Promotoren,
wie Rhenium, oder Rhenium zusammen mit Schwefel, Molybdän, Wolfram
und Chrom wird in den
US-Patenten
4,766,105 , erteilt am 23. August 1988, und
4,808,738 , erteilt am 28. Februar
1989, beschrieben. Das
US-Patent
4,908,343 , erteilt am 13. März 1990, offenbart einen Silberträgerkatalysator,
der ein Gemisch aus einem Cäsiumsalz
und einem oder mehreren Alkalimetall- und Erdalkalimetallsalzen
enthält.
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In
EP-A-0 207 550 wird
ein Verfahren zur Herstellung eines Ethylenoxidbildungskatalysators
durch Aufbringen von Silber auf einen Träger beschrieben, in welchem
Verfahren der Träger
durch Vermischen einer Aluminiumverbindung mit einem Salz eines
Metalles der Gruppe 1A des Periodensystems der Elemente, insbesondere
Kalium, Rubidium und Cäsium,
und durch Kalzinieren des erhaltenen Gemisches hergestellt worden
ist.
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In
EP-A-0 244 895 wird
ein silberhältiger
Katalysator zur Ethylenoxidproduktion beschrieben, der ebenfalls
auf einem kalziniertem, mit Alkalimetall angereichertem Träger aufgebaut
ist und der weiterhin durch die Zugabe eines Alkalimetalles und
eines Fluoridanions zu der Katalysatorzusammensetzung gekennzeichnet
ist.
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In
EP-A-0 315 911 wird
ein Silberabscheidungskatalysator zur Ethylenoxidproduktion beschrieben,
der einen Träger
aufweist, der hauptsächlich
aus alpha-Aluminiumoxid besteht, welcher Träger bei Anwendung eines Dimethylgelbindikators
mit einem pKa-Wert
von +3,3 keine Azidität
zeigt und bei Anwendung eines Bromthymolblauindikators mit einem
pka-Wert von +7,1 keine Basizität
zeigt. Gemäß der Beschreibung
wird das angegebene Säure/Base-Gleichgewicht
des Trägers
durch Regeln der darin enthaltenen Menge an Siliziumoxid beziehungsweise
Natrium oder Kalium erzielt. In den Beispielen wird ein alpha-Aluminiumoxidträger, der
sowohl Siliziumoxid als auch Natrium enthält, in eine Lösung von
Natriumbicarbonat eingetaucht, mit über hitztem Dampf auf 150°C erhitzt
und anschließend
mit den anderen Katalysatorkomponenten imprägniert.
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In
der
US-A-4,207,210 wird
ein Verfahren zur Herstellung eines Ethylenoxidbildungskatalysators
beschrieben, das ein Vorimprägnieren
eines porösen
feuerfesten Trägers
mit einer wäßrigen Lösung eines
Salzes eines höheren
Alkalimetalles, ausgewählt
unter Kalium, Rubidium, Cäsium
und deren Gemischen, ein wenigstens teilweises Trocknen des Trägers bei
100 bis 200°C
und anschließend
ein Imprägnieren
des vorimprägnierten
Trägers
mit einer Silber enthaltenden flüssigen
Phase umfaßt.
In der Beschreibung wird angegeben, daß der Zweck des Vorimprägnierens
darin liegt, die Selektivität
zu verbessern, daß aber
die niederen Alkalimetalle Lithium und Natrium für diesen Zweck unwirksam sind.
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Es
wurde nun gefunden, daß Katalysatoren,
die mit einer Promotormenge von Kalium vordotiert, vorbehandelt
oder vorimprägniert
sind, eine verbesserte Selektivität und/oder Selektivitätsstabilität gegenüber den
mit Katalysatoren erzielten Werten aufweisen, die nicht solcherart
vordotiert worden sind.
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Die
Erfindung bezieht sich daher auf ein Verfahren zur Herstellung eines
Katalysators zur Bildung von Ethylenoxid aus Ethylen und molekularem
Sauerstoff in der Dampfphase, welches Verfahren ein Ablagern einer
vordotierenden Menge von Kalium auf einem geformten, porösen, feuerfesten
Träger,
ein Trocknen des Trägers
und anschließend
ein Ablagern einer katalytisch wirksamen Menge von Silber, einer
Promotormenge von Alkalimetall, einer Promotormenge von Rhenium
und gegebenenfalls einer Promotormenge eines Rhenium-Copromotors,
ausgewählt
unter Schwefel, Molybdän,
Wolfram, Chrom, Phosphor, Bor und Gemischen hievon, auf dem Träger und
ein anschließendes
Trocknen des Trägers
umfaßt.
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Im
allgemeinen liegt in der Dampfphasenreaktion von Ethylen mit Sauerstoff
zur Ausbildung von Ethylenoxid das Ethylen in einer wenigstens doppelten
Menge (auf molarer Basis) gegenüber
Sauerstoff vor, häufig jedoch
in einer viel höheren
Menge. Die Umwandlung wird daher entsprechend dem Molprozentsatz
an Sauerstoff berechnet, der in der Reaktion zur Ausbildung von
Ethylenoxid und etwaigen oxygenierten Nebenprodukten verbraucht
worden ist. Die Sauerstoffumwandlung hängt von der Reaktionstemperatur
ab, und die Reaktionstemperatur ist ein Maß für die Aktivität des verwendeten
Katalysators. Der Wert T40 gibt die Temperatur bei
40 Molprozent Sauerstoffumwandlung im Reaktor an und wird in °C ausgedrückt. Diese
Temperatur für
einen beliebigen gegebenen Katalysator ist höher, wenn die Umwandlung von
Sauerstoff höher
ist. Darüber
hinaus hängt
diese Temperatur stark von dem verwendeten Katalysator und von den
Reaktionsbedingungen ab. Die Selektivität (auf Ethylenoxid) gibt die
Molmenge an Ethylenoxid im Reaktionsprodukt, verglichen mit der Gesamtmolmenge
an umgewandeltem Ethylen, an. In dieser Beschreibung wird die Selektivität als S40 angegeben, was die Selektivität bei 40
Mol-% Sauerstoffumwandlung bedeutet, und die Aktivität wird als
T40 angegeben. Die Selektivität des Katalysators
ist von Bedeutung, weil sie bestimmt, wie wirksam das Verfahren
arbeitet. Für
die höchste
Wirksamkeit ist es beispielsweise wünschenswert, unerwünschte Nebenreaktionen
des Verfahrens durch Verwenden eines Katalysators mit hoher Selektivität zu minimieren.
Gleichfalls von Bedeutung für
die Gesamteffizienz und somit für
die Wirtschaftlichkeit ist die Stabilität der Selektivität des Katalysators.
Es ist wünschenswert,
daß der
Katalysator seine Selektivität über einen
langen Zeitraum aufrecht erhält, und
jede Verbesserung hinsichtlich einer Verlängerung der nutzbaren Lebensdauer
des Katalysators durch Aufrechterhalten eines höheren Selektivitätsausmaßes ist
von äußerster
Bedeutung für
die Betriebseffizienz und Wirtschaftlichkeit.
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Die
gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellten Katalysatoren umfassen eine katalytisch
wirksame Menge an Silber, eine Promotormenge an Alkalimetall, eine
Promotormenge an Rhenium und gegebenenfalls eine Promotormenge an
einem Rheniumcopromotor, ausgewählt
unter Schwefel, Chrom, Molybdän,
Wolfram, Phosphor, Bor und deren Gemischen, aufgebracht auf einen
porösen
feuerfesten Träger,
der mit einer vordotierenden Menge von Kalium vorbehandelt worden
ist.
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Im
allgemeinen werden die gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellten Katalysatoren durch Imprägnieren von geformten porösen feuerfesten
Trägern
mit Kalium, gelöst
in einem geeigneten Lösungsmittel, ausreichend
zur Ablagerung von 10 bis 5.000, vorzugsweise von 15 bis 500 Teilen
des Kaliumvordotierungsmittels pro Million Gewichtsteile Gesamtkatalysator
auf dem Träger.
Der poröse
feuerfeste Träger
wird dann getrocknet und anschließend mit Silberionen oder -verbindungen,
-komplexen und/oder -salzen imprägniert, aufgelöst in einem
geeigneten Lösungsmittel,
in ausreichender Menge, um eine Ablagerung von 1 bis 40, vorzugsweise
1 bis 25 Gew.-% Silber, bezogen auf das Gewicht des Gesamtkatalysators,
auf dem Träger
zu ergeben. Der imprägnierte
Träger
wird anschließend
von der Lösung
abgetrennt und die abgeschiedene Silberverbindung wird zu metallischem
Silber reduziert. Gleichfalls auf dem Träger abgeschieden werden geeignete Ionen
oder Verbindungen und/oder Salze von Alkalimetall, gelöst in einem
geeigneten Lösungsmittel,
und zwar vor, gleichzeitig mit oder anschließend an die Abscheidung des
Silbers. Ferner werden geeignete Rheniumionen oder -verbindungen,
-komplexe und/oder -salze, gelöst
in einem geeigneten Lösungsmittel,
auf dem Träger
abgeschieden, und zwar vor, gleichzeitig mit oder anschließend an
die Abscheidung des Silbers. Gegebenenfalls werden geeignete Ionen
oder Salze, Komplexe und/oder Verbindungen von Schwefel, Molybdän, Wolfram,
Chrom, Phosphor und/oder Bor, gelöst in einem geeigneten Lösungsmittel,
auf dem Träger
abgeschieden, und zwar vor, gleichzeitig mit oder im Anschluß an die
Abscheidung des Silbers und/oder des Alkalimetalles und/oder des
Rheniums.
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Der
in diesen Katalysatoren verwendete Träger oder ein entsprechendes
Stützmaterial
kann im weitesten Sinne ein beliebiger Vertreter aus der großen Anzahl
von üblichen
porösen
feuerfesten Katalysatorträgern
oder Katalysatorstützmaterialien
sein, die in Gegenwart von Ethylenoxideinsatzmaterialien, -produkten und
unter den herrschenden Reaktionsbedingungen als verhältnismäßig inert
angesehen werden. Derartige konventionelle Materialien sind dem
Fachmann bekannt und können
natürlichen
oder künstlichen
Ursprungs sein und weisen vorzugsweise eine makroporöse Struktur
auf, daß heißt eine
Struktur mit einer Oberflächengröße unter
etwa 10 m2/g und vorzugsweise unter etwa
3 m2/g. Besonders geeignete Träger sind
jene von aluminiumhältiger
Zusammensetzung, wenngleich andere Materialien wie Kohle, Bimsstein,
Magnesia, Zirkoniumoxid, Kieselguhr, Fuller-Erde, Siliziumcarbid, poröse Agglomerate
mit einem Gehalt an Siliziumoxid und/oder Siliziumcarbid, Siliziumoxid,
Magnesiumoxid, ausgewählte
Tone, künstliche
und natürliche
Zeolithe und keramische Massen gleichfalls als Träger verwendet
werden können.
Für die
Herstellung von Katalysatoren gemäß der vorliegenden Erfindung
besonders geeignete feuerfeste Trägermaterialien umfassen die
Aluminiumoxide, insbesondere jene, die alpha-Aluminiumoxid umfassen. Im Falle von
alpha-aluminiumoxidhältigen
Trägern
werden jene bevorzugt, die eine spezifische Oberfläche, bestimmt
nach der BET-Methode, von 0,03 bis 10, vorzugsweise von 0,05 bis
5, stärker
bevorzugt von 0,1 m2/g bis 3 m2/g
und ein Wasserporenvolumen, bestimmt nach konventionellen Wasserabsorptionsmethoden,
von 0,1 bis 0,75 ml/g aufweisen. Die BET-Methode zur Bestimmung
spezifischer Oberflächengrößen wird
im einzelnen in Brunauer, S., Emmet, P. Y. und Teller, E., J. Am.
Chem. Soc., 60, 309-16 (1938) beschrieben.
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Der
Träger
wird zu Teilchen, Klumpen, Stücken,
Pellets, Ringen, Kugeln, Wagenrädern
und dergleichen von einer zur Anwendung in Festbettreaktoren geeigneten
Größe verformt.
Konventionelle handelsübliche
Festbettreaktoren liegen typisch in der Form einer Vielzahl von
parallelen langgestreckten Rohren (in einem geeigneten Mantel) vor,
die mit Katalysator gefüllt
sind. In solchen Reaktoren ist es wünschenswert, einen Träger zu verwenden,
der zu einer abgerundeten Form verformt ist, wie z. B. Kugeln, Pellets,
Ringe, Tabletten und dergleichen mit Durchmessern von etwa 2,5 mm
bis etwa 20 mm.
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Die
Katalysatoren werden nach einer Methode hergestellt, worin ein Kaliumvordotierungsmittel
in Form von löslichen
Salzen und/oder Verbindungen auf dem Träger abgelagert wird, der dann
einem Trocknen oder einer thermischen Behandlung unterworfen wird,
die ausreicht, um eine Ablagerung der Kaliumsalze und, ohne durch
eine spezielle Theorie gebunden sein zu wollen, eine angenommene
Komplexbildung mit den anionischen Komponenten auf der Oberfläche des
Katalysators zu ermöglichen.
Anschließend
werden ein oder mehrere Alkalimetallpromotoren, der Rheniumpromotor
und gegebenenfalls der Rheniumcopromotor in Form von löslichen
Salzen und/oder Verbindungen auf dem Katalysator und/oder auf dem
Träger
vor, gleichzeitig mit oder anschließend an die Ablagerung des
Silbers und jeder weiteren Komponente abgelagert. Die bevorzugte Methode
besteht darin, Silber, Alkalimetallpromotor, Rhenium und gegebenenfalls
Rheniumcopromotor gleichzeitig auf dem Träger abzulagern, daß heißt in einer
einzigen Imprägnierstufe.
Kalium muß jedoch
vor allen anderen Katalysatorkomponenten auf dem Träger abgelagert
werden, und der Träger
muß dann
bis zu einem Ausmaß getrocknet
werden, das ausreicht, um das Alkalimetall auf dem Träger zu fixieren,
bevor eine Ablagerung der anderen Katalysatorkomponenten vorgenommen
wird.
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Im
allgemeinen wird der Träger
mit Kaliumvordotierungsmittel in Salz-, Verbindungs- oder Kaliumkomplexform,
aufgelöst
in einer wäßrigen oder
im wesentlichen wäßrigen Lösung, in
Kontakt gebracht, bei einer Temperatur im Bereich von 200°C bis 1.000°C getrocknet
und dann mit Silber in Salz-, Verbindungs- oder Komplexform, aufgelöst in einer
wäßrigen Lösung, in
Kontakt gebracht, so daß der
Träger
mit dieser wäßrigen Lösung imprägniert wird;
anschließend
wird der imprägnierte
Träger
von der wäßrigen Lösung abgetrennt,
beispielsweise durch Zentrifugieren oder Filtrieren, und wird dann
getrocknet. Der solcherart erhaltene imprägnierte Träger wird erhitzt, um das Silber
zu metallischem Silber zu reduzieren. Zweckmäßig wird er auf eine Temperatur
im Bereich von 50°C
bis 600°C
während
einer Zeitspanne erhitzt, die ausreicht, um eine Reduktion des Silbersalzes,
der Silberverbindung oder des Silberkomplexes zu metallischem Silber
zu verursachen und eine Schicht aus feinverteiltem Silber auszubilden,
die an die Oberfläche
des Trägers
gebunden ist, sowohl an die Außenoberfläche als
auch an die Porenoberfläche.
Während
dieser Erhitzungsstufe können
Luft oder ein anderes oxidierendes Gas, ein reduzierendes Gas, ein
Inertgas oder Gemische hievon über
den Träger
geführt werden.
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Obwohl
Alkalimetalle in einem reinen metallischen Zustand existieren, sind
sie in dieser Form nicht zur Anwendung geeignet. Die Alkalimetalle
werden als ein Ion oder eine Verbindung, gelöst in einem geeigneten Lösungsmittel,
für Imprägnierungszwecke
verwendet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Kaliumverbindung aus der Gruppe ausgewählt, die aus Kaliumacetat,
Kaliumnitrat, Kaliumchlorid, Kaliumoxid, Kaliumhydroxid, Kaliumoxalat
und deren Gemischen besteht, wobei Kaliumnitrat, Kaliumoxalat, Kaliumacetat
und Gemische hievon speziell bevorzugt werden. Besonders bevorzugte
Kaliumpromotoren sind Kaliumnitrat und Kaliumacetat. In einer bevorzugten
Ausführungsform
wird die Lithiumverbindung aus der aus Lithiumhydroxid, Lithiumoxid,
Lithiumchlorid, Lithiumcarbonat, Lithiumacetat, Lithiumoxalat und
deren Gemischen bestehenden Gruppen ausgewählt, wobei Lithiumhydroxid, Lithiumoxid,
Lithiumacetat und deren Gemische besonders bevorzugt werden. Speziell
bevorzugte Lithiumpromotoren sind Lithiumhydroxid und Lithiumacetat.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Cäsiumverbindung
aus der aus Cäsiumacetat,
Cäsiumacetylacetonat,
Cäsiumchlorid,
Cäsiumcarbonat,
Cäsiumnitrat,
Cäsiumoxalat,
Cäsiumhydroxid
und deren Gemischen bestehenden Gruppe ausgewählt, wobei Cäsiumnitrat,
Cäsiumacetat,
Cäsiumchlorid
und deren Gemische besonders bevorzugt werden. Speziell bevorzugte
Cäsiumpromotoren
sind Cäsiumnitrat
und Cäsiumacetat.
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Auf
dem vordotierten Trägermaterial
werden Promotormengen wenigstens eines Alkalimetallpromotors unter
Anwendung einer geeigneten Lösung
abgelagert. Die Menge des auf dem vordotierten Träger abgelagerten
Alkalimetallpromotors liegt im allgemeinen zwischen 10 und 5.000,
vorzugsweise zwischen 15 und 2.000 und stärker bevorzugt zwischen 20
und 1.500 Teilen pro Million Gewichtsteile Gesamtkatalysator. Am meisten
bevorzugt liegt die Menge zwischen 50 und 1.000 Teilen pro Million
Gewichtsteile Gesamtkatalysator.
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Die
Alkalimetallpromotoren liegen auf dem Katalysatoren in der Form
von Kationen oder Verbindungen von Komplexen oder Oberflächenverbindungen
oder Oberflächenkomplexen
statt als die äußerst aktiven
freien Alkalimetalle selbst vor, wenngleich sie der Einfachheit
halber in der vorliegenden Beschreibung und in den Ansprüchen als ”Alkalimetall” oder ”Alkalimetallpromotoren” bezeichnet
werden. Der Einfachheit halber wird die Menge des auf dem Träger abgelagerten
Alkalimetalles oder auf dem Katalysator vorliegenden Alkalimetalles
als das Metall ausgedrückt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfaßt
wenigstens ein Hauptanteil (mehr als 50%) der Alkalimetallpromotoren
die höheren
Alkalimetalle. So wie er hier gebraucht wird, bezieht sich der Ausdruck ”höhere Alkalimetalle” und ähnliche
Ausdrücke
auf die Alkalimetalle, die aus der aus Kalium, Rubidium, Cäsium und deren
Gemischen bestehenden Gruppe ausgewählt sind. Ein bevorzugter Alkalimetallpromotor
ist Cäsium.
Ein besonders bevorzugter Alkalimetallpromotor ist Cäsium plus
wenigstens einem weiteren Alkalimetall. Das zusätzliche Alkalimetall ist vorzugsweise
unter Natrium, Lithium und Gemischen hievon ausgewählt, wobei
Lithium bevorzugt wird.
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Der
Träger
wird auch mit Rheniumionen, -salzen, -verbindungen und/oder -komplexen
imprägniert. Dies
kann gleichzeitig mit der Zugabe des Alkalimetallpromotors, zuvor
oder danach erfolgen; oder gleichzeitig mit der Zugabe des Silbers,
zuvor oder danach; oder gleichzeitig mit der Zugabe des Rheniumcopromotors, zuvor
oder danach, soferne ein solcher zugesetzt wird. Vorzugsweise liegen
Rhenium, Alkalimetall, Rheniumcopromotor, soferne zugegen, und Silber
in der selben Imprägnierlösung vor.
Die bevorzugte Rheniummenge, berechnet als Metall, die auf dem Träger oder
Katalysator abgeschieden oder zugegen ist, liegt in einem Bereich
von 0,1 bis 10, stärker
bevorzugt von 0,2 bis 5 Mikromol je Gramm Gesamtkatalysator oder,
anders ausgedrückt,
in einem Bereich von 19 bis 1.860, vorzugsweise von 37 bis 930 Teilen
pro Million Gewichtsteilen Gesamtkatalysator.
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Zur
Anwendung in der Herstellung der vorliegenden Katalysatoren geeignete
Rheniumverbindungen sind solche Rheniumverbindungen, die in einem
entsprechenden Lösungsmittel
solubilisiert werden können. Vorzugsweise
ist das Lösungsmittel
ein wasserhältiges
Lösungsmittel.
Stärker
bevorzugt ist das Lösungsmittel das
gleiche Lösungsmittel,
das zur Ablagerung des Silbers und des Alkalimetallpromotors verwendet
wird. Beispiele für
geeignete Rheniumverbindungen umfassen die Rheniumsalze, wie Rheniumhalogenide,
Rheniumoxihalogenide, Rhenate, Perrhenate, Rheniumoxide und Rheniumsäuren. Eine
bevorzugte Verbindung zur Anwendung in der Imprägnierlösung ist das Perrhenat, vorzugsweise
Ammoniumperrhenat. Die Alkalimetallperrhenate, Erdalkalimetallperrhenate,
Silberperrhenate, andere Perrhenate und Rheniumheptoxid können aber gleichfalls
in geeigneter Weise verwendet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung liegt das auf dem Katalysator vorliegende
Rhenium in einer Form vor, die in einer verdünnten, wäßrigen Basenlösung extrahierbar
ist.
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Das
US-Patent 4,766,105 erteilt
die Lehre, daß bei
Zugabe eines Rheniumcopromotors zu einem Alkalimetall/Rhenium-dotierten
Silberträgerkatalysator
eine Verbesserung der Anfangsselektivität erreicht wird. Während geeignete
Katalysatoren in Abwesenheit eines Rheniumcopromotors hergestellt
werden können, wird
es bevorzugt, daß die
Katalysatoren einen Rheniumcopromotor enthalten. Wenn ein Copromotor
verwendet wird, so wird er aus der Gruppe ausgewählt, die aus (vorzugsweise
einer Verbindung von) Schwefel, Molybdän, Wolfram, Chrom, Phosphor,
Bor und deren Gemischen besteht. In einer derzeit bevorzugten Ausführungsform
wird der Copromotor in einer oxianionischen Form auf den Katalysator
aufgebracht. Bevorzugt werden Sulfate, Molybdate, Wolframate, Chromate,
Phosphate und Borate. Die Anionen können mit unterschiedlichen
Gegenionen versehen sein. Bevorzugt werden Ammonium, Alkalimetall,
gemischtes Alkalimetall und Wasserstoff (das heißt Säureform).
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Die
bevorzugte Menge an Rheniumcopromotorverbindung, die auf dem Träger oder
Katalysator zugegen ist oder abgelagert ist, liegt im Bereich von
0,1 bis 10, vorzugsweise von 0,2 bis 5 Mikromol, ausgedrückt als
Element, pro Gramm Gesamtkatalysator.
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Ein
Verfahren zur Herstellung des silberhältigen Katalysators findet
sich im
US-Patent 3,702,259 .
Weitere Methoden zur Herstellung der silberhältigen Katalysatoren, die zusätzlich höhere Alkalimetallpromotoren enthalten,
können
in den
US-Patenten 4,010,115 ;
4,356,312 ;
3,962,136 und
4,012,425 aufgefunden werden. Verfahren
zur Herstellung von silberhältigen
Katalysatoren, die höhere
Alkalimetallpromotoren und Rheniumpromotoren enthalten, können im
US-Patent 4,761,394 aufgefunden
werden, und Verfahren zur Herstellung von silberhältigen Katalysatoren,
die höhere
Alkalimetallpromotoren und Rheniumpromotoren sowie einen unter Schwefel,
Chrom, Molybdän
und/oder Wolfram ausgewählten
Rheniumcopromotor enthalten, finden sich im
US-Patent 4,766,105 .
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Allgemein
gesprochen umfaßt
das Imprägnierverfahren
ein Vorimprägnieren
des Trägers
mit einer oder mit mehreren Lösungen,
umfassend Kalium, ein Trocknen des imprägnierten Trägers, ein Imprägnieren des
solcherart vordotierten Trägers
mit einer oder mit mehreren Lösungen,
die Silber, Alkalimetallpromotor, Rhenium und gegebenenfalls einen
Rheniumcopromotor enthält
oder enthalten, und ein Trocknen des Trägers. Wie in der vorliegenden
Beschreibung und in den Ansprüchen
verwendet, bedeutet die Ausdrucksweise ”Imprägnieren des Trägers mit
einer oder mit mehreren Lösungen,
die Silber, Alkalimetall, Rhenium und/oder Rheniumcopromotor enthält bzw.
enthalten”,
sowie eine ähnliche
oder verwandte Terminologie, daß der
Träger in
einer Einfach- oder Mehrfachimprägnierung
mit einer Lösung,
die Silber, Alkalimetall, Rhenium und Rheniumcopromotor in unterschiedlichen
Mengen enthält,
imprägniert
wird; oder in Mehrfachimprägnierungen
mit zwei oder mehreren Lösungen
imprägniert
wird, wobei jede Lösung
wenigstens eine Komponente, ausgewählt unter Silber, Alkalimetall,
Rhenium und Rheniumcopromotor, enthält, mit der Maßgabe, daß alle Komponenten individuell
in wenigstens einer der Lösungen
vorliegen. Für
die Zwecke der Vorimprägnierstufe
wird die Konzentration des Gruppe I-Elementes (ausgedrückt als
das Element) im Bereich von 1 × 10–5 bis
zu 1 und vorzugsweise von 5 × 10–4 bis
0,1 g/l betragen, wenn eine einzige Vorimprägnierungsstufe angewandt wird.
In der Imprägnierungsstufe
wird die Konzentration des Silbers (ausgedrückt als das Metall) in der
silberhältigen
Lösung
im Bereich von 1 g/l bis zur Löslichkeitsgrenze
liegen, wenn eine einzige Imprägnierung
vorgenommen wird. Die Konzentration des Alkalimetallpromotors (ausgedrückt als
das Metall) wird von 1 × 10–3 bis
zu 12 und vorzugsweise von 10 × 10–3 bis
12 g/l betragen, wenn eine einzige Imprägnierungsstufe angewandt wird.
Die Konzentration des Rheniums (ausgedrückt als das Metall), wird von
5 × 10–3 bis
20 und vorzugsweise von 50 × 10–3 bis
20 g/l betragen, wenn eine einzige Imprägnierungsstufe ausgeführt wird.
Die Konzantration des Rheniumcopromotors (ausgedrückt als
das Element), soferne zugegen, wird von 1 × 10–3 bis
20 und vorzugsweise von 10 × 10–3 bis
20 g/l betragen, wenn eine einzige Imprägnierungsstufe ausgeführt wird.
Die innerhalb der vorstehend angeführten Bereiche ausgewählten Konzentrationen
werden vom Porenvolumen des Katalysators, von der letztlich gewünschten
Menge im fertigen Katalysator sowie davon abhängen, ob die Imprägnierung
einmal oder mehrmals ausgeführt
wird. Geeignete Konzentrationen können leicht durch Routineversuche bestimmt
werden.
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Die
Silbermenge, die auf dem Träger
abgelagert oder während
der Imprägnierung
auf dem Träger
zugegen ist, muß eine
katalytisch wirksame Menge an Silber sein, daß heißt eine solche Menge, die die
Umsetzung von Ethylen und Sauerstoff zur Ausbildung von Ethylenoxid
katalysiert. Vorzugsweise wird diese Menge von 1 bis 40, stärker bevorzugt
von 1 bis 25 und noch mehr bevorzugt von 5 bis 20 Gew.-% des Gesamtkatalysators
ausmachen.
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Es
hat sich gezeigt, daß die
gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellten Silberkatalysatoren eine hohe Anfangsselektivität und/oder
hohe Selektivitätsstabilitäten für die Ethylenoxidproduktion
in der direkten Oxidation von Ethylen mit molekularem Sauerstoff
zu Ethylenoxid zeigen. Die Bedingungen zur Ausführung einer derartigen Oxidationsreaktion
in Gegenwart der Silberkatalysatoren gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen
allgemein gesprochen jene, die bereits im Stand der Technik beschrieben
sind. Dies trifft beispielsweise hinsichtlich geeigneter Temperaturen,
Drücke,
Verweilzeiten, Verdünnungsmaterialien
wie Stickstoff, Kohlendioxid, Dampf, Argon, Methan oder andere gesättigte Kohlenwasserstoffe,
auf die Anwesenheit von Moderierungsmittel zur Regelung der katalytischen
Wirkung, beispielsweise 1,2-Dichlorethan, Vinylchlorid, Ethylchlorid
oder chlorierte Polyphenylverbindungen, auf die Erwünschtheit
der Anwendung von Rücklaufoperationen
oder auf die Anwendung aufeinanderfolgender Umwandlungen in verschiedenen
Reaktoren zur Erhöhung
der Ethylenoxidausbeuten und auf etwaige weitere spezielle Bedingungen
zu, die in Verfahren zur Herstellung von Ethylenoxid ausgewählt werden
können.
Im allgemeinen werden Drücke
im Bereich vom Atmosphärendruck
bis etwa 3.500 kPa angewandt. Höhere
Drücke
sind jedoch nicht ausgeschlossen. Der als Reaktionskomponente eingesetzte
molekulare Sauerstoff kann von konventionellen Quellen erhalten
werden. Die geeignete Sauerstoffzufuhr kann aus im wesentlichem
oder relativ reinem Sauerstoff, einem konzentrierten Sauerstoffstrom,
der Sauerstoff als Hauptmenge und geringere Mengen an einem oder
an mehreren Verdünnungsmitteln,
wie Stickstoff und Argon, umfaßt,
oder aus einem anderen sauerstoffhältigen Strom, wie Luft, bestehen.
Es ist daher offensichtlich, daß die
Anwendung der Katalysatoren gemäß der vorliegenden
Erfindung in Ethylenoxidreaktionen keineswegs auf die Anwendung
spezifischer Bedingungen unter jenen beschränkt ist, die als wirksam bekannt
sind. Lediglich zu Illustrationszwecken zeigt die nachfolgende Tabelle
einen Bereich von Bedingungen, die mit häufigen derzeitigen technischen
Ethylenoxidreaktoreinheiten angewandt werden. TABELLE I
*GHSV | 1.500–10.000 |
Eingangsdruck | 1200–3000 kPa |
Einspeisung | |
Ethylen | 1–40% |
O2 | 3–12% |
Ethan | 0–3% |
Argon
und/oder Methan- und/oder Stickstoffverdünnungsmittel | Rest |
Chlorkohlenwasserstoffmoderator | 0,3–50 ppmv
Gesamtmenge |
Kühlmitteltemperatur | 180–315°C |
Katalysatortemperatur | 180–325°C |
O2-Umwandlungsgrad | 10–60% |
EO-Produktion
(Arbeitsrate) | 32–56 kg EO/m3 Katalyator/h |
- * Volumeneinheiten Gas bei Standardtemperatur
und Standarddruck, die über
eine Volumeneinheit gepackten Katalysator pro Stunde passieren.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellten Silberkatalysatoren wird Ethylenoxid gebildet,
wenn ein sauerstoffhältiges
Gas mit Ethylen in Gegen wart der vorliegenden Katalysatoren bei
einer Temperatur im Bereich von etwa 180°C bis etwa 330°C und vorzugsweise
200°C bis
325°C in
Berührung
gebracht wird.
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Die
nachfolgenden erläuternden
Ausführungsformen
sind keine erfindungsgemäßen Ausführungsformen,
erläutern
jedoch die Herstellung und Wirkungen der Erfindung.
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Erläuternde Ausführungsformen
-
Erläuternde
Ausführungsform
1
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Teil A: Herstellung einer Silberoxalat/Ethylendiaminvorratslösung zur
Anwendung in der Katalysatorherstellung:
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- 1) Auflösen
von 415 Gramm (g) von reagentienreinem Natriumhydroxid in 2.340
Milliliter (ml) entionisiertem Wasser. Einstellen der Temperatur
auf 50°C.
- 2) Auflösen
von 1.699 g ”Spectropure” (hochreinem)
Silbernitrat in 2.100 ml entionisiertem Wasser. Einstellen der Temperatur
auf 50°C.
- 3) Langsames Zusetzen von Natriumhydroxidlösung zur Silbernitratlösung unter
Rühren
und Aufrechterhalten einer Temperatur von 50°C. Weiteres Rühren während 15
Minuten nach vollständiger
Zugabe, dann Absenken der Temperatur auf 40°C.
- 4) Einsetzen sauberer Filterwände und Abziehen von möglichst
viel Wasser aus dem in Stufe (3) gebildeten Niederschlag, um Natrium-
und Nitrationen zu beseitigen. Messen der Leitfähigkeit des abgetrennten Wassers
und Wiederzufügen
von soviel frischem entionisiertem Wasser, als durch die Filterwände abgenommen
wurde. Rühren
während
15 Minuten bei 40°C.
Wiederholen dieses Vorganges, bis die Leitfähigkeit des abgetrennten Wassers
unter 90 μOhm/cm
liegt. Anschließend
wieder Zusetzen von 1.500 ml entionisiertem Wasser.
- 5) Zusetzen von 630 g hochreinem Oxalsäuredihydrat in Anteilen von
etwa 100 g. Halten der Temperatur auf 40°C und Rühren zum gründlichen Vermischen. Langsames
Zusetzen der letzten Oxalsäuredihydratportion
und Überwachen
des pH-Werts, um sicherzustellen, daß der pH-Wert nicht unter 7,8
fällt.
- 6) Abtrennen von möglichst
viel Wasser aus dem Gemisch unter Anwendung sauberer Filterwände zur
Ausbildung einer hochkonzentrierten silberhältigen Aufschlämmung. Abkühlen der
Silberoxalataufschlämmung auf
30°C.
- 7) Zusetzen von 699 g 92 gew.-%igem Ethylendiamin (8% entionisiertes
Wasser). Während
der Zugabe darf die Temperatur 30°C
nicht übersteigen.
-
Die
obige Vorgangsweise führt
zu einer Lösung
mit einem Gehalt an ungefähr
27 bis 33 Gew.-% Silber.
-
Teil B: Katalysator-Vordotierungsmethode:
-
Für den Katalysator
A wurde zur Ablagerung von 14 Teilen pro Million (ppm) (2,0 Mikromol/Gramm)
an Lithiumionen die folgende Lösung
bereitet. 30 ml Monoethanolamin wurden mit 570 ml entio nisiertem
Wasser verdünnt,
um ein Gesamtvolumen von 600 ml zu ergeben. 0,1083 g Lithiumhydroxidmonohydrat
wurden in der vorstehenden Lösung
aufgelöst.
400 g Katalysatorträger
I (99 Gew.-% alpha-Aluminiumoxid, BET-Oberfläche 0,48 m2/g,
Wasserporenvolumen 0,465 ml/g) wurden dann bei 3,33 bis 6,66 kPa
Vakuum 3 Minuten vakuumimprägniert.
Am Ende dieser Zeitspanne wurden das Vakuum aufgehoben und die überschüssige Lösung wurde vom
Träger
dekantiert. Der Träger
wurde dann durch kontinuierliches Schütteln in einem 8.500 l/h-Luftstrom
7 Minuten lang bei 270°C
getrocknet, und anschließend
in einem Luftstromofen vier Stunden lang bei 600°C kalziniert.
-
Für den Katalysator
B wurde die vorstehende Methode wiederholt, mit dem Unterschied,
daß anstelle von
Lithiumhydroxidmonohydrat 0,2764 g Kaliumnitrat (4 Mikromol/g) verwendet
wurden, um 156 ppm Kaliumionen auf dem Träger abzulagern.
-
Für den Katalysator
C wurde kein Vordotieren des Katalysatorträgers I ausgeführt.
-
Für den Katalysator
D wurde zur Ablagerung von 14 Teilen pro Million (ppm) Lithiumionen
(2,0 Mikromol/g) die folgende Lösung
bereitet. 12,5 g Monoethanolamin wurden mit 237,5 g entionisiertem
Wasser verdünnt,
um ein Gesamtgewicht von 250 g zu ergeben. 0,0548 g Lithiumhydroxidmonohydrat
wurden in der vorstehenden Lösung
aufgelöst.
Dann wurden 150 g Katalysatorträger
II (alpha-Aluminiumoxid 98,5 Gew.-%, BET-Oberfläche 0,51 m2/g,
Wasserporenvolumen 0,38 ml/g) bei 3,33 bis 6,66 kPa Vakuum drei
Minuten lang im Vakuum imprägniert.
Am Ende dieser Zeitspanne wurde das Vakuum aufgehoben und die überschüssige Lösung vom
Träger
dekantiert. Der Träger
wurde dann durch kontinuierliches Schütteln in einem 8.500 l/h-Luftstrom
sieben Minuten lang bei 270°C
getrocknet, woran sich ein Kalzinieren in einem Luftstromofen während vier
Stunden bei 600°C
anschloß.
-
Für den Katalysator
E wurde kein Vordotieren des Katalysatorträgers II vorgenommen.
-
Für den Katalysator
F wurde zur Ablagerung von 345 Teilen pro Million (ppm) Cäsiumionen,
bezogen auf den fertigen Katalysator, die folgende Lösung bereitet.
Eine wäßrige Cäsiumhydroxidvorratslösung mit
einem Gehalt an 46,5 Gew.-% Cäsium
wurde durch Auflösen
von 0,463 g Vorratslösung
in entionisiertem Wasser auf ein Gesamtgewicht von 200 g verdünnt. 40
g Katalysatorträger
III (alpha-Aluminiumoxid > 98
Gew.-%, BET-Oberfläche
0,68 m2/g, Wasserporenvolumen 0,37 ml/g)
wurden dann bei 3,33 bis 6,66 kPa Vakuum 3 Minuten lang vakuumimprägniert.
Am Ende dieser Zeitspanne wurde das Vakuum aufgehoben und die überschüssige Lösung vom
Träger
dekantiert. Der Träger
wird dann durch kontinuierliches Schütteln in einem 8.500 l/h-Luftstrom
bei 270°C,
drei Minuten bei 120 bis 150°C
und vier Minuten bei 250°C
getrocknet. An diese Trocknungsstufe schließt sich ein Kalzinieren in
Luft an, das etwa zwei Stunden zum Erhitzen von Raumtemperatur auf
700°C benötigt. Die
Temperatur wurde vier Stunden lang auf 700°C gehalten und anschließend innerhalb
von etwa zwei Stunden auf Raumtemperatur abgesenkt.
-
Für den Katalysator
G wurde kein Cäsiumvordotieren
des Katalysatorträgers
III vorgenommen.
-
Für den Katalysator
H wurde zur Ablagerung von 500 Teilen pro Million (ppm) Cäsiumionen
die folgende Lösung
bereitet. 50 g Monoethanolamin wurden mit 950 g entionisiertem Wasser
verdünnt.
2,466 g Cäsiumhydroxid
(50%ige Lösung)
wurden mit der obigen Lösung
vermischt. Dann wurden 600 g Katalysatorträger IV bei 3,33 bis 6,66 kPa
Vakuum drei Minuten lang vakuumimprägniert. Am Ende dieser Zeitspanne
wurde das Vakuum aufgehoben und die überschüssige Lösung wurde vom Träger dekantiert.
Anschließend
wurde der Träger
durch kontinuierliches Schütteln
in einem 850 l/h-Luftstrom während
10 Minuten bei 250°C
in 100 g-Chargen
getrocknet. Der Träger
wurde dann vier Stunden lang bei 800°C kalziniert.
-
Für den Katalysator
I wurde kein Vordotieren des Katalysatorträgers IV ausgeführt.
-
Teil C: Herstellung von imprägnierten
Katalysatoren
-
Zur
Herstellung des imprägnierten
Katalysators A wurde eine Lösung
durch Zusetzen von 0,1939 g Cäsiumhydroxid
zu 350 g der oben hergestellten Silberoxalat/Ethylendiaminlösung (spezifisches
Gewicht = 1,553 g/ml) bereitet. 50 g der resultierenden Lösung wurden
zur Herstellung eines Katalysators mit einer Cäsium-Zielbeladung von 315 ppm
verwendet.
-
Für den Katalysator
A wurden etwa 30 g des oben hergestellten, mit Lithium vordotierten
Trägers
drei Minuten bei Raumtemperatur unter ein Vakuum von 3,33 kPa gebracht.
Etwa 50 g dotierte Imprägnierlösung wurden
dann zugesetzt, um den Träger
zu bedecken, und das Vakuum wurde weitere drei Minuten lang auf 3,33
kPa gehalten. Am Ende dieser Zeitspanne wurde das Vakuum aufgehoben
und die überschüssige Imprägnierlösung wurde
durch Zentrifugieren während
zwei Minuten bei 500 Umdrehungen pro Minuten vom Träger abgetrennt.
Der imprägnierte
Träger
wurde dann durch kontinuierliches Schütteln in einem 8.500 l/h-Luftstrom, der über eine
Querschnittsfläche
von etwa 19 bis 32 cm2 5 Minuten lang bei
250°C strömte, gehärtet. Der
gehärtete
Katalysator war dann zum Testen bereit.
-
Für den Katalysator
B wurde die vorstehende Methode wiederholt, außer daß der mit Kalium dotierte Träger als
Trägermaterial
verwendet wurde. Zusätzlich
wurde 0,2424 g Cäsiumhydroxid
zu 350 g der oben hergestellten Silberoxalat/Ethylendiaminlösung zugesetzt,
um eine Cäsium-Zielbeladung
von 330 ppm zu ergeben.
-
Für den Katalysator
C wurde die obige Methode angewandt, mit dem Unterschied, daß unmodifizierter Träger I als
Trägermaterial
verwendet wurde. Zusätzlich
wurden 0,1873 g Cäsiumhydroxid
zu 350 g der oben hergestellten Silberoxalat/Ethylendi aminlösung zugesetzt,
um eine Cäsium-Zielbeladung
von 255 ppm zu ergeben.
-
Die
vorstehend für
die Katalysatoren A, B und C angeführten Methoden führten zu
Katalysatoren auf diesem Träger,
die etwa 13,5 Gew.-% Silber und die nachfolgenden annähernden
Dotierungsmittelgehalte (ausgedrückt
in Teilen pro Million Gewichtsteile, bezogen auf das Gewicht des
Gesamtkatalysators, d. h. ppmw) enthielten und die nahezu optimal
hinsichtlich Cäsium
für die
gegebenen Silbergehalte und das gegebenen Trägermaterial hinsichtlich Anfangsselektivität unter
den nachstehend beschriebenen Testbedingungen waren.
| Kalium-Vordotierung, ppmw | Lithium-Vordo- tierung, ppmw | Cäsium, ppmw |
|
Katalysator
A | - | 14 | 315 |
Katalysator
B | 156 | - | 330 |
Katalysator
C | - | - | 255 |
-
Für jeden
der Katalysatoren D und E wurden in ein 10 ml-Becherglas 0,3222
g (NH4)ReO4 und
ungefähr
3,0 g Ethylendiamin/H2O (Gewichtsverhältnis 50/50)
eingebracht und das Gemisch wurde unter Rühren auflösen gelassen. 0,1572 g Li2SO4·4H2O wurden in 2 ml Wasser in einer Wägeschale
aufgelöst
und dann zur Perrhenatlösung
zugesetzt. 0,6777 g LiNO3 wurden in 3 ml
Wasser aufgelöst
und zur Perrhenatlösung
zugesetzt. Die Perrhenat/Sulfat/Nitratlösung wurde gerührt, um
eine vollständige
Auflösung
zu ergeben. Diese Lösung
wurde zu 366 g der oben hergestellten Silberlösung (spezifisches Gewicht
= 1,476 g/ml) zugesetzt und die erhaltene Lösung wurde mit Wasser auf ein
Gesamtgewicht von 402 g verdünnt.
Zu einer 100 g-Portion der Silberoxalat-Dotierungsmittellösung wurden
0,1872 g wäßrige CsOH-Lösung (46,5%
Cs) zugesetzt, um die Endimprägnierlösung zu
bereiten, mit dem Ziel, einen Endkatalysator-Cäsiumgehalt von etwa 430 ppm
zu ergeben. Die Hälfte
dieser mit Cäsium
dotierten Lösung
wurde zur Herstellung eines Katalysators verwendet.
-
Für den Katalysator
D wurden etwa 30 g mit Lithium vordotierter Träger II drei Minuten lang bei
Raumtemperatur unter ein Vakuum von 3,33 kPa gebracht. Etwa 50 g
der oben hergestellten dotierten Imprägnierlösung wurden dann zugeführt, um
den Träger
zu bedecken, und das Vakuum wurde weitere drei Minuten lang bei
3,33 kPa gehalten. Am Ende dieser Zeitspanne wurde das Vakuum aufgehoben
und die überschüssige Imprägnierlösung wurde
durch Zentrifugieren während
zwei Minuten bei 500 Umdrehungen pro Minute von dem Träger abgetrennt.
Dann wurde der imprägnierte
Träger
durch kontinuierliches Schütteln
in einem 8.500 l/h-Luftstrom,
der über
eine Querschnittsfläche
von etwa 19 bis 32 cm2 6 Minuten lang bei
260 bis 270°C
strömte,
gehärtet.
Der gehärtete
Katalysator war dann reif zum Testen.
-
Für den Katalysator
E wurde die vorstehende Methode wiederholt, mit dem Unterschied,
daß ein
unmodifizierter Katalysatorträger
II verwendet wurde.
-
Die
vorstehend für
die Katalysatoren D und E angegebenen Methoden ergaben Katalysatoren
auf diesem Träger,
die etwa 13,5 Gew.-% Silber und die nachstehenden annähernden
Dotierungsmittelgehalte (ausgedrückt
in Teilen pro Million, bezogen auf das Gewicht des Gesamtkatalysators,
d. h. ppmw) aufwiesen und die annähernd optimal hinsichtlich
Cäsium
für die
gegebenen Silbergehalte und den Träger im Bezug auf Anfangsselektivität unter
den nachstehend beschriebenen Testbedingungen waren.
Katalysator | Lithium-Vordotierung, ppmw | Rhenium,
ppwm | Cäsium, ppmw |
| | |
D | 14 | 279 | 430 |
E | - | 279 | 430 |
-
Katalysator F (rheniumhältig, vordotiert
mit Cs)
-
Zur
Herstellung des imprägnierten
Katalysators F wurden in ein 10 ml Becherglas 0,168 g (NH4)ReO4 und etwa 3
g entionisiertes Wasser eingebracht und das Gemisch wurde unter
Rühren
auflösen
gelassen. 0,080 g Li2SO4·H2O wurden in 1 ml Wasser in einer Wägeschale
aufgelöst
und dann zur Perrhenatlösung
zugesetzt. 0,345 g LiNO3 wurden in 2 ml
Wasser aufgelöst
und zu der Perrhenatlösung
zugesetzt. Die Perrhenat/Lithiumsulfat/Lithiumnitrat-Lösung wurde
gerührt,
um ein vollständiges
Auflösen
sicherzustellen. Diese Dotierungsmittellösung wurde dann zu 189,7 g
der oben hergestellten Silberlösung
(spezifisches Gewicht = 1,55 g/ml) zugesetzt und die erhaltene Lösung wurde
mit Wasser auf ein Gesamtgewicht von 204 g verdünnt. Ein Viertel dieser Lösung wurde
zur Herstellung eines Katalysators verwendet. 0,0923 g der CsOH-Vorratslösung mit
einem Gehalt an 46,5 Gew.-% Cäsium
wurden zu einer 51 g-Portion der Silberoxalat/Dotierungsmittellösung zugesetzt,
um die Endimprägnierlösung auszubilden.
-
Die
solcherart bereitete Endimprägnierlösung wurde
dann zum Imprägnieren
eines mit Cäsium
vordotierten Trägers
in der nachfolgend beschriebenen Weise verwendet.
-
Etwa
30 g des oben für
den Katalysator F beschriebenen, mit Cäsium vordotierten Trägers wurden
drei Minuten lang bei Raumtemperatur unter ein Vakuum von 3,33 kPa
gebracht. Etwa 50 g der dotierten Imprägnierlösung wurden dann zugesetzt,
um den Träger
zu überdecken,
und das Vakuum wurde weitere drei Minuten lang auf 3,33 kPa gehalten.
Am Ende dieser Zeitspanne wurde das Vakuum aufgehoben und überschüssige Imprägnierlösung wurde
durch Zentrifugieren während
zwei Minuten bei 500 Umdrehungen pro Minuten von dem Träger abgetrennt.
Dann wurde der imprägnierte
Träger
durch kontinuierliches Schütteln
in einem 8.500 l/h-Luftstrom, der über eine Querschnittsfläche von
etwa 19 bis 32 cm2 strömte, 5 bis 6 Minuten lang bei 250
bis 270°C
gehärtet.
Der gehärtete,
mit Cäsium
vordotierte Katalysator (Katalysator F) war dann reif zum Testen.
-
Katalysator G (rheniumhältig, keine
Vordotierung mit Cs)
-
Der
Katalysator G wurde in gleicher Weise wie Katalysator F hergestellt,
mit dem Unterschied, daß der Katalysatorträger nicht
mit Cäsium
vordotiert war und daß 0,128
g der CsOH-Vorratslösung
zu einer 51 g-Portion der Silbervorratslösung zugesetzt wurden.
-
Katalysator H (kein Rhenium, Vordotierung
mit Cs)
-
Zur
Herstellung des imprägnierten
Katalysators H wurde eine Lösung
durch Zusetzen von Cäsiumhydroxid
(0,3129 g, 43,6% Cäsium)
zu 350 g der vorstehend bereiteten Silberoxalat/Ethylendiaminlösung (spezifisches
Gewicht = 1,553 g/ml) bereitet.
-
Die
so bereitete Imprägnierlösung wurde
dann zum Imprägnieren
eines mit Cäsium
vordotierten Trägers
in der nachfolgend beschriebenen Weise verwendet.
-
Etwa
30 g des oben im Teil B für
Katalysator H beschriebenen, mit Cäsium vordotierten Trägers wurden
drei Minuten lang bei Raumtemperatur unter ein Vakuum von 3,33 kPa
gebracht. Etwa 50 g der mit Cäsium dotierten
Imprägnierlösung wurden
dann eingeführt,
um den Träger
zu überdecken,
und das Vakuum wurde weitere drei Minuten lang auf 3,33 kPa gehalten.
Am Ende dieser Zeitspanne wurde das Vakuum aufgehoben und überschüssige Imprägnierlösung wurde
durch Zentrifugieren während
zwei Minuten bei 500 Umdrehung pro Minute von dem Träger beseitigt.
Der Imprägnierte
Träger
wurde dann durch kontinuierliches Schütteln in einem 8.500 l/h-Luftstrom
bei 250°C
während
5 Minuten (über
eine Querschnittsfläche
von ungefähr
19 bis 32 cm2) gehärtet. Der gehärtete, mit
Cäsium
vordotierte Katalysator (Katalysator H) war dann reif zum Testen.
-
Katalysator I (kein Rhenium, keine Vordotierung
mit Cs)
-
Der
Katalysator I wurde in gleicher Weise wie Katalysator H bereitet,
mit dem Unterschied, daß der Katalysatorträger nicht
mit Cäsium
vordotiert wurde und daß die
Menge an Cäsiumhydroxid
so eingestellt wurde, daß 270
ppm Cäsium
auf dem fertigen Katalysator abgelagert waren.
-
Die
oben für
die Katalysatoren F, G, H und I angegebenen Methoden führten zu
Katalysatoren auf diesem Träger,
die ungefähr
13,5 bis 14,5 Gew.-% Silber und die nachstehend angegebenen ungefähren Dotiermittelgehalte
(ausgedrückt
in Teilen pro Million Gewichtsteile, bezogen auf das Gewicht des
Gesamtkatalysators, d. h. ppmw) enthielten und die annähernd optimal
an Cäsium
für die
gegebenen Silber- und Rheniumgehalte, soferne zugegen, und Schwefelgehalte
und für
den Träger
hinsichtlich der Anfangsselektivität unter den nachstehend beschriebenen
Testbedingungen waren.
| Cäsium-Vordo
tierung, ppmw | Cs,
ppmw | Re,ppmw | s,
ppmw |
| | |
Katalysator
F | 345 | 420 | 280 | 48 |
Katalysator
G | 0 | 580 | 280 | 48 |
Katalysator
H | 510 | 200 | 0 | 0 |
Katalysator
I | 0 | 270 | 0 | 0 |
-
Der
tatsächliche
Silbergehalt des Katalysators kann nach einer Reihe von veröffentlichten
Standardmethoden bestimmt werden. Der tatsächliche Rheniumgehalt auf den
nach den vorstehenden Verfahren hergestellten Katalysatoren kann
durch Extraktion mit Wasser und anschließende spektrophotometrische
Bestimmung des Rheniums im Extrakt bestimmt werden. Der tatsächliche
Cäsiumgehalt
auf dem Katalysator kann durch Anwendung einer Cäsiumhydroxidvorratslösung, die
mit einem radioaktiven Cäsiumisotop
markiert worden ist, in der Katalysatorherstellung bestimmt werden.
Der Cäsiumgehalt
des Katalysators kann dann durch Messen der Radioaktivität des Katalysators
bestimmt werden. In alternativer Weise kann der Cäsiumgehalt des
Katalysators durch Auslaugen des Katalysators mit siedendem entionisiertem
Wasser bestimmt werden. In diesem Extraktionsverfahren wird das
Cäsium,
wie auch andere Alkalimetalle, durch Extraktion aus dem Katalysator
durch Sieden von 10 g Gesamtkatalysator in 20 ml Wasser während 5
Minuten, Wiederholen dieses Vorganges zwei weitere Male, Vereinigen
der vorstehend erhaltenen Extraktionen und Bestimmen der vorliegenden
Alkalimetallmenge durch Vergleich mit Standardlösungen von Referenz-Alkalimetallen
unter Anwendung der Atomabsorptionsspektroskopie (unter Verwendung
eines Perkin Elmer Models 1100 B oder äquivalente Vorrichtungen) gemessen.
-
Teil D: Katalysatorversuche
-
Teil D.1: Mit Katalysatoren A–C
-
3
bis 5 g zerkleinerter Katalysator (1,41 bis 0,84 mm, d. h. 14 bis
20 mesh) wurde in ein U-förmiges Rohr
aus rostfreiem Stahl mit 1/4 Zoll Durchmesser eingebracht. Das U-Rohr
wurde in ein geschmolzenes Metallbad (Hitzemedium) eingetaucht und
die Enden wurden mit einem Gasströmungssystem verbunden. Das Gewicht
des verwendeten Katalysators und die Gaseinlaßströmungsgeschwindigkeit wurden
so eingestellt, um eine Gasraumgeschwindigkeit von 3.300 ml Gas
pro ml Katalysator pro Stunde zu ergeben. Der Gaseinlaßdruck beträgt 1.550
kPa.
-
Das
Gasgemisch, das während
des gesamten Versuchsbetriebes (einschließlich Anfahren) durch das Katalysatorbett
(in einem einmaligen Durchgangsbetrieb) geführt wurde, bestand aus 30%
Ethylen, 8,5% Sauerstoff, 5% Kohlendioxid, 54,5% Stickstoff und
2,0 bis 6,0 ppmv Ethylchlorid.
-
Die
Anfangs-Reaktortemperatur (Hitzemedium) betrug 225°C. Nach einer
Stunde bei dieser Anfangstemperatur wurde die Temperatur eine Stunde
lang auf 235°C
angehoben und dann eine Stunde lang auf 245°C eingestellt. Die Temperatur
wurde dann so angepaßt,
um einen konstanten Sauerstoffumwandlungsgrad von 40% zu erzielen.
Die Leistungsdaten bei diesem Umwandlungsgrad wurden üblicherweise
dann erhalten, wenn der Katalysator während einer Gesamtdauer von
wenigstens 1 bis 2 Tagen an stream war. Zufolge geringfügiger Abweichungen
in der Einsatzgaszusammensetzung, den Gasströmungsgeschwindigkeiten und
der Kalibrierung von Analyseinstrumenten, die zur Bestimmung der
Einsatz- und Produktgaszusammensetzungen verwendet wurden, können die
gemessenen Selektivitäten
und Aktivitäten
eines bestimmten Katalysators von einem Versuchsdurchgang zum nächsten Versuch
sehr geringfügig
variieren. Um einen aussagekräftigen
Vergleich der Leistung von Katalysatoren zu ermöglichen, die zu verschiedenen
Zeitpunkten getestet wurden, wurden alle in dieser erläuternden
Ausführungsform
beschriebenen Katalysatoren gleichzeitig mit einem Bezugskatalysator
getestet. Sämtliche
Leistungsdaten, die in dieser veranschaulichenden Ausführungsform
angegeben sind, wurden hinsichtlich der mittleren Anfangsleistung
des Vergleichskatalysators korrigiert (S40 =
81,0%; T40 = 230,0°C).
-
Die
Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle II angeführt. Sämtliche
Selektivitätswerte
sind als Prozent ausgedrückt. TABELLE
II Anfangsleistung
des Katalysators (Werte bei 40% Umwandlung erhalten)
Katalysator | Anfangsselektivität |
A(Li) | 82,0% |
B(K) | 81,8% |
C | 81,0% |
-
Wie
aus Tabelle II zu entnehmen ist, wies der Katalysator, der unter
Anwendung eines vordotierten Lithiumträgers bereitet worden war (Katalysator
A), eine höhere
Anfangsselektivität
auf als ein Katalysator, der ohne Anwendung eines vordotierten Kaliumträgers (Katalysator
C) bereitet worden war, und wurde daher begünstigt. Es ist auch zu ersehen,
daß der
Katalysator, der unter Verwendung eines vordotierten Kaliumträgers bereitet
worden war (Katalysator B), eine höhere Anfangsselektivität aufwies
als ein Katalysator, der ohne Anwendung eines vordotierten Lithiumträgers bereitet
worden war (Katalysator C), und wurde daher bevorzugt.
-
Teil D. 2: Mit Katalysatoren D und E
-
Die
Anfangsbedingungen waren die gleichen, wie sie zuvor für den Katalysator
A bis C beschrieben wurden.
-
Nach
dem Gewinnen der Anfangsleistungswerte für die Selektivität bei 40%
Umwandlung wurden die Katalysatoren sehr strengen Alterungsbedingungen
unterworfen. Unter diesen Bedingungen wurde der Katalysator auf
entweder 85% Umwandlung oder auf ein Maximum von 285°C für eine 10-Tagesperiode
erhitzt, um die Alterung des Katalysators zu beschleunigen. Nach
dieser 10-tägigen
Alterungsperiode wurden die Katalysatoren wiederum auf 40% Umwandlung
gebracht und unter Standardbedingungen re-optimiert. Die Selektivität wurde
wiederum gemessen und mit dem Ursprungswert des frischen Katalysators
verglichen. Sobald der neue Selektivitätswert bestimmt war, wurde
dieser Zyklus wiederholt, und die Selektivitätsabnahme des Katalysators
wurde kontinuier lich unter Standard-40%-Umwandlungsbedingungen in
10 Tageszyklen hinsichtlich seines frischen Anfangsleistungswertes
gemessen. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle III angegeben.
Alle Selektivitätswerte
sind als Prozent ausgedrückt.
Die Anfangsleistungen der Katalysatoren D und E wurden als gleich
groß bestimmt,
innerhalb des experimentellen Fehlers. Es wurden Anfangswerte für S40 von 86,4% ± 0,4% und für T40 von 264°C ± 3°C erhalten.
-
-
Wie
aus Tabelle III ersichtlich, nahm die Selektivität des Katalysators E, der ohne
Anwendung eines vordotierten Lithiumträgers hergestellt worden war,
viel rascher ab als dies bei Katalysator D der Fall war, der unter
Anwendung eines vordotierten Lithiumträgers hergestellt worden war.
-
Teil D.3: Mit Katalysatoren F und G
-
Die
Anfangsbedingungen waren wie oben für die Katalysatoren A bis C
beschrieben, mit dem Unterschied, daß die Menge an verwendetem
zerkleinertem Katalysator 1,5 bis 2 g betrug, die Gasraumgeschwindigkeit
bei 6.800 lag und der konstante Ethylenoxidproduktionsgrad 1,5%
betrug.
-
1,5
bis 2 g zerkleinerter Katalysator (0,841 bis 0,595 mm, d. h. 20
bis 30 mesh) wurden in ein U-förmiges
Rohr aus rostfreiem Stahl mit 1/4 Zoll Durchmesser eingebracht.
-
Das
Gasgemisch, das während
des gesamten Versuchsbetriebes (einschließlich Anfahren) durch das Katalysatorbett
(in einem einmaligen Durchgangsbetrieb) geführt wurde, bestand aus 25%
Ethylen, 7% Sauerstoff, 5% Kohlendioxid, 63% Stickstoff und 1,0
bis 6,0 ppmv Ethylchlorid.
-
Alle
Selektivitätsdaten,
die in dieser veranschaulichenden Ausführungsform angegeben sind,
wurden hinsichtlich der mittleren Anfangsleistung des Vergleichskatalysators
korrigiert (S1,5 = 81,7%).
-
Nach
dem Gewinnen der Anfangsleistungswerte für die Selektivität bei 1,5%
Ethylenoxidbildung wurden die Katalysatoren sehr strengen Alterungsbedingungen
unterworfen. Nach der Bestimmung der Anfangsleistungswerte wurden
die Katalysatoren F und G während
einer Langzeitperiode getestet, um die Stabilität der Katalysatoren zu bestimmen.
-
Die
Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle IV angegeben. TABELLE
IV Selektivitätsverlust*
gegenüber
frischem Katalysator kumulierte Ethylenoxidproduktion (kg Ethylenoxid/l
Katalysator)
Katalysator | 80 | 160 | 240 | 320 | 400 | 480 | 560 |
F (Re/Cs) | –0,6 | –1,9 | –2,3 | –2,6 | –3,8 | –3,8 | –4,3 |
G (Re) | –0,9 | –1,6 | –2,2 | –5,0 | –5,7 | –6,3 | –6,6 |
- * Selektivitätsverlust % = {s1,5,
% (gealtert)} – {S1,5, % (frisch)}
-
Teil D.4: Mit Katalysatoren H und I
-
Die
Anfangsbedingungen waren die gleichen, wie sie oben für die Katalysatoren
A bis C beschrieben worden waren. Sämtliche in dieser veranschaulichenden
Ausführungsform
angegebenen Leistungsdaten sind bezüglich der durchschnittlichen
Anfangsleistung des Bezugskatalysators (S40 =
81,0%; T40 = 230°C) korrigiert. Die Anfangsleistungen
der Katalysatoren F und G wurden als gleich groß bestimmt, innerhalb des experimentellen
Fehlers.
-
Nach
Gewinnung der Anfangsleistungswerte für die Selektivität bei 40%
Umwandlung wurden die Katalysator sehr strengen Alterungsbedingungen
unterworfen. Das Testen unter strengen Bedingungen wurde unter den
folgenden Bedingungen vorgenommen: GHSV 30.000, 7% CO
2,
8,5% O
2, 30% Ethylen, 5,6 ppm EC, Rest N
2. Der Reaktordruck betrug 1.550 kPa, die
Sauerstoffumwandlung wurde konstant auf 25% gehalten. Die Ergebnisse
sind in der nachfolgenden Tabelle V angeführt. Alle Selektivitätswerte
sind als % ausgedrückt. TABELLE
V Selektivitätsverlust*
gegenüber
frischem Katalysator Gesamtanzahl Tage unter sehr strengen Testbedingungen
(Werte erhalten bei 25% Umwandlunsbedingungen)
Katalysator | 1
Tag | 10
Tage | 20
Tage | 30
Tage |
H (Cs) | 0% | 0% | –1% | –1,5% |
I | 0% | 0% | –1,8% | –2,3% |
- * Selektivitätsverlust (%) = {S25,
% (gealtert)} – {S25, % (frisch)
-
Wie
aus den Tabellen IV und V ersichtlich, fielen die Katalysatoren,
die unter Anwendung eines vordotierten Cäsiumträgers bereitet worden waren,
sowohl der rheniumhältige
Katalysator (Katalysator F) als auch der rheniumfreie Katalysator
(Katalysator H), weniger rasch ab als rheniumhältige und rheniumfreie Katalysatoren,
die ohne Anwendung eines vordotierten Cäsiumträgers hergestellt worden waren,
das sind die Katalysatoren G bzw. I, und sie wurden daher deutlich
bevorzugt.