NL7905643A

NL7905643A - Werkwijze voor de bereiding van koolwaterstoffen.

Info

Publication number: NL7905643A
Application number: NL7905643A
Authority: NL
Original assignee: Shell Int Research
Priority date: 1979-07-20
Filing date: 1979-07-20
Publication date: 1981-01-22
Also published as: US4331774A; AU534457B2; GB2053960B; GB2053960A; BE884248A; IT8023550A0; CA1141779A; JPS5616427A; DE3027358A1; ZA804362B; AU6062380A; FR2461691A1; FR2461691B1

Description

( i K 5515 ΠΕΤ

Aanvrager: Shell Internationale Research Maatschappij B.V.

Carel van Bylandtlaan 30, ’s-Gravenhage

Korte aanduiding: Werkwijze voor de bereiding van koolwaterstoffen

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor de bereiding van een aromatisch koolwaterstofmengsel uit een mengsel van koolmonoxyde en waterstof onder toepassing van een mengsel van twee katalysatoren waarvan de ene het 5 vermogen bezit om de omzetting van een H^/CO mengsel in acyclisehe zuurstofhoudende koolwaterstoffen te katalyseren en ce andere een kristallijn silicaat is dat het vermogen bezit om de omzetting van acyclisehe zuurstofhoudende koolwaterstoffen in aromatische koolwaterstoffen te 10 katalyseren. Genoemde kristallijne silicaten zijn gekenmerkt doordat zij de volgende eigenschappen bezitten a) thermisch stabiel tot een temperatuur boven 600°C, b) een röntgenpoederdiffractiepatroon dat onder meer de in tabel A vermelde reflecties bevat,

O

7905643 \ V 4 -2-

Tabel A

Straling: Cu-Κα _Golflengte 0,15418 nm 2 Q relatieve intensiteit

7,8-8,2 S

8,7-9,1 Μ

11.8- 12,1 Z

12.4- 12,7 Z

14.6- 14,9 Z

15.4- 15,7 Z

15.8- 16,1 Z

17.6- 17,9 Z

19.2- 19,5 Z

20.2- 20,6 Z

20.7- 21,1 Z

23.1- 23,4 ZS

23.8- 24,1 ZS

24.2- 24,8 S

29,7-30,1 M

waarin de gebruikte letters de volgende betekenis hebben: ZS = zeer sterk; S = sterk; M = matig; Z = zwak; Θ = de hoek volgens Bragg.

c) in de formule welke de samenstelling van het silicaat, 5 uitgedrukt in molen van de oxyden, weergeeft en waarin naast oxyden van waterstof, alkali-en/of aardalkalimetaal en silicium, een oxyde van een driewaardig metaal A voorkomt, bedraagt de A20 /Si02 mol.verhouding (verder kortheidshalve in deze octrooiaanvrage aangeduid als m) 10 minder dan 0,1.

Bij een onderzoek door Aanvraagster inzake bovengenoemde werkwijze onder gebruikmaking van katalysator-mengsels waarin als kristallijne silicaatcomponent een aluminiumsilicaat is toegepast, is gebleken dat de acti-15 viteit en selectiviteit van deze katalysatormengsels sterk afhankelijk is van m van het aluminiumsilicaat. Gebleken ü Ï79 0 5 6 4 3 « i is dat katalysatormengsels waarin een aluminiumsilicaat veerkcmt met een lage waarde voor m, een hoge selectiviteit en een lage activiteit vertonen, terwijl katalysator-mengsels waarin een aluminiumsilicaat voorkomt met een 5 hoge waarde voor m, juist het tegengestelde gedrag vertonen.

Voor toepassing van de werkwijze op technische schaal bestaat behoefte aan een katalysatormengsel dat zowel een hoge activiteit als een hoge selectiviteit bezit.

Bij voortgezet onderzoek door Aanvraagster inzake 10 bovengenoemde werkwijze is gevonden dat aan deze wens tegemoet kan worden gekomen door toepassing van een kristallijn silicaat dat de onder a) - c) vermelde eigenschappen bezit en als driewaardig metaal gallium bevat. Gebleken is namelijk dat voor katalysatormengsels waarin het 15 kristallijne aluminiumsilicaat is vervangen door een kristallijn galliumsiltcaat, het katalytisch gedrag bij bovengenoemde werkwijze onafhankelijk is van m van het galliumsilicaat. Zowel met galliumsilicaten met een lage waarde voor m als met galliumsilicaten met een hoge 20 waarde voor m kunnen katalysatormengsels worden bereid welk bij toepassing van bovengenoemde werkwijze de hoge selectiviteit vertonen van een katalysatormengsel dat een aluminiumsilicaat met een lage waarde voor m en tegelijkertijd de hoge activiteit van een katalysator-25 mengsel dat een aluminiumsilicaat met hoge waarde voor m bevat.

De onderhavige octrooiaanvrage heeft derhalve betrekking op een werkwijze voor de bereiding van een aromatisch koolwaterstofmengsel waarbij een I^/CO mengsel 30 in contact wordt gebracht met een mengsel van twee katalysatoren waarvan er een het vermogen bezit om de omzetting van een I^/CO mengsel in acyclische zuurstofhou-dende koolwaterstoffen te katalyseren en de andere een kristallijn galliumsilicaat is dat de onder a) - c) 7905645 j ί -H- vermelde eigenschappen bezit.

Bij de werkwijze volgens de uitvinding wordt uitgegaan van een H^/CO mengsel. Een dergelijk mengsel kan zeer geschikt worden bereid door stoomvergassing van een kool-5 stofhoudende materiaal. Voorbeelden van dergelijke materialen zijn bruinkool, anthraciet, cokes, ruwe aardolie en fracties daarvan alsmede oliën gewonnen uit teerzand en bitumineuze leisteen. De stoomvergassing wordt bij voorkeur uitgevoerd bij een temperatuur tussen 900 en 1500°C en een druk tussen 10 10 en 50 bar. Bij de werkwijze volgens de uitvinding wordt bij voorkeur uitgegaan van een H^/CO mengsel waarvan de mol.verhouding ligt tussen 0,25 en 1,0.

De werkwijze volgens de uitvinding wordt bij voorkeur uitgevoerd bij een temperatuur van 200-500°C en in het 15 bijzonder van 3OO-H50°C, een druk van 1-150 bar en in het bijzonder van 5-100 bar en een ruimtelijke doorvoersnelheid van 50-5000 en in het bijzonder van 300-3000 NI gas/ 1 katalysator/uur.

Bij de werkwijze volgens de uitvinding wordt een 20 mengsel van twee katalysatoren toegepast welke gemakshalve als katalysatoren X en Y zullen worden aangeduid. Katalysator X is de katalysator welke het vermogen bezit om de omzetting van een H2/C0 mengsel in acyclische zuurstof-houdende koolwaterstoffen te katalyseren en katalysator Y 25 is het kristallijne galliumsilicaat. Als katalysatoren X worden bij voorkeur toegepast katalysatoren welke in staat zijn om een H^/CO mengsel om te zetten naar in hoofdzaak methanol en/of dimethylettier. Zeer geschikt voor het onderhavige doel zijn katalysatoren welke zink tezamen met chroom 30 bevatten. Bij toepassing van een dergelijke katalysator kiest men bij voorkeur een katalysator waarin het atomaire percentage van zink betrokken op de som van zink en chroom ten minste 60$ en in het bijzonder 60-80$ bedraagt.

Het katalysatormengsel dat bij de werkwijze volgens de 7905643 * * -5- uitvinding wordt toegepast kan een macrcmengsei. of een micromengsel zijn. In het eerste geval bestaat het kata-1ysatormengsei uit twee soorten macrcdeeltjes waarvan de ene soort volledig bestaat uit katalysator X en de andere 5 volledig uit katalysator Y. In het tweede geval bestaat het katalysator mengsel uit één soort macrodeeltjes waarbij elk macrodeeltje is cpgebouwd uit een groot aantal microdeeltjes van elk van de katalysatoren X en Y. Katalysatormengsels in de vorm van micromengsels kunnen bijvoorbeeld worden 10 bereid door een fijn poeder van katalysator X innig te mengen met een fijn poeder van katalysator Y en vormgeving aan het mengsel tot grotere deeltjes bijvoorbeeld door extrusie of persen. Bij de werkwijze volgens de uitvinding worden bij voorkeur katalysatormengsels in de vorm van 15 micromengsels toegepast. Met het oog op de activiteit van de katalysatormengsels past men bij voorkeur mengsels toe welke per volume deel van katalysator Y, 1-5 volume-delen van katalysator X bevatten.

Het kristallijne galliumsilicaat dat in de katalysator-2C mengsels als katalysator Y aanwezig is, is o.a. gedefinieerd aan de hand van het röntgenpoederdiffractiepatroon.

Bit röntgenpoederdiffractiepatroon dient onder meer de in tabel A vermelde reflecties te bevatten. Het volledige röntgenpoederdiffractiepatroon van een typisch 25 voorbeeld van een galliumsilicaat dat in aanmerking komt voor toepassing volgens de uitvinding is weergegeven in tabel B (Straling: Cu-Ka : golflengte: 0,15^18 nm).

Sj 7905643 4 * -6-

Tabel B

2 Q relatieve intensiteit omschrijving

(100. I/IoJ

8,00 55 SP

8,90 36 SP

9,10 20 SR

11.95 7 NL

12.55 3 NL

13.25 4 NL

13.95 10 NL

14.75 9 BD

15.55 7 BD

15.95 9 BD

17.75 5 BD

19,35 6 NL

20.40 9 NL

20.90 10 NL

21,80 4 NL

22.25 8 NL

23.25 100X) SP

23.95 45 SP

24.40 27 SP

25.90 11 BD

26,70 9 BD

27.50 4 NL

29.30 7 NL

29.90 11 BD

31.25 2 NL

32.75 4 NL

34.40 4 NL

36,05 5 BD

37.50 4 BD

45.30 9 BD

K r x) I = intensiteit van de sterkte gescheiden reflectie 1/ die in het patroon voorkomt.

! 79 0 5 6 4 3 -7-

Λ S

De in tabe.1 3 gebruikte letters ter omschrijving van ce reflecties hebben de volgende betekenis: SP = scherp; SR = schouder; NL = normaal; BD = breed; 6 is de hoek volgens Bragg.

5 De kristallijne galliumsilicaten welke in de katalysator- mengsels worden toegepast kunnen worden bereid uitgaande van een waterig mengsel dat de volgende verbindingen bevat: een of meer verbindingen van een alkali-en/of aardalkali-10 metaal(M), een of meer verbindingen welke een organisch katicn (R) bevatten of waaruit een dergelijk kation tijdens de bereiding van het silicaat wordt gevormd, een of meer siliciumverhindingen en een of meer galliumverbindingen. De bereiding vindt plaats door het mengsel op verhoogde 15 temperatuur te houden tot het silicaat is gevormd en vervolgens de kristallen van het silicaat af te scheiden van de moederloog en de kristallen te wassen, te drogen en te calcineren. In het waterige mengsel waaruit de silicaten worden bereid dienen de verschillende verbindingen in 20 (je volgende verhouding, uitgedrukt in molen van de oxy-den aanwezig te zijn: CM)2/n0:R20 = 0,1-20,

Ro0:Si02 = 0,01-0,5,

Si02:Ga20^ > 1C, en

25 H2Q:Si02 = 5-50; n is de valentie van M

Bij de bereiding van de silicaten gaat men bij voorkeur uit van een fcasismengsel waarin M aanwezig is in een natriumverbinding en R in een tetrapropylammoniumverbinding.

De waarde van m dient voor de galliumsilicaten welke 30 in aanmerking komen cm te worden toegepast bij de werkwijze volgens de uitvinding te liggen beneden 0,1. Bij voorkeur wordt gebruik gemaakt van galliumsilicaten waarvoor m tenminste 0,0015 en in het bijzonder ten minste 0,002 bedraagt.

Hoewel de kristallijne silicaten welke bij de werk- 7905643 -8- wijze volgens de uitvinding worden toegepast, worden aangeduid als galliumsilicafcen, kunnen zij naast gallium een kleine hoeveelheid aluminium bevatten. De siliciumverbin-dingem welke uit economisch oogpunt in aanmerking komen 5 voor de bereiding van kristallijne silicaten op technische schaal, bevatten als regel een kleine hoeveeheid aluminium als verontreiniging. Dit aluminium wordt gewoonlijk ten minste voor een deel in het bereide silicaat aangetroffen.

De op bovenbeschreven wijze bereide silicaten bevatten 10 alkali-en/of aardalkalimetaalionen. Onder toepassing van geschikte uitwisselingsmethoden kunnen deze worden vervangen door andere kationen zoals waterstofionen of ammoniumionen. De kristallijne galliumsilicaten welke in de katalysatormengsels worden toegepast bezitten bij voor-15 keur een alkalimetaalgehalte van minder dan 0,1 gew.i en in het bijzonder van minder dan 0,05 gew.%. In de katalysatormengsels kan desgewenst nog een bindermateriaal zoals bentoniet of kaolien worden opgenomen.

De werkwijze volgens de uitvinding kan zeer geschikt 20 worden uitgevoerd door de voeding in opwaartse- of neerwaartse richting door een verticaal opgestelde reactor te leiden waarin zich een vast- of bewegend bed van het betreffende katalysatormengsel bevindt. De werkwijze kan bijvoorbeeld worden uitgevoerd door een voeding in op-25 waartse richting door een verticaal opgesteld katalysator-bed te leiden, waarbij een zodanige gassnelheid wordt toegepast dat expansie van het katalysatorbed optreedt.

Desgewenst kan de werkwijze ook worden uitgevoerd onder toepassing van een suspensie van het katalysatormengsel 30 in een koolwaterstofolie. Afhankelijk of de werkwijze wordt uitgevoerd onder gebruikmaking van een vast katalysatorbed, een geëxpandeerd katalysatorbed of een kata-lysatorsuspensie bestaat voorkeur voor katalysatordeeltjes met een diameter tussen resp. 1 en 5 mm, 0,5 en 2,5 mm

7905643 O

4» -9- en 20 en 150 μ .

De uitvinding wordt thans toegei.icht aan de hand van het volgende voorbeeld.

Voorbeeld

Er werden negen kristallijne silicaten (silicaten 1-9) 5 bereid door mengsels van SiO^, NaOH, f_ (C^H^^N^OH en hetzij NaA10_, hetzij Ga(N0_)_ in water in een autoclaaf 2 3 3 0 onder autogene druk gedurende 24 uren op 150°C te verhitten. Na afkoeling van de reaetiemengsels werden de ontstane silicaten afgefiltreerd, gewassen met water tot de pH van 10 het waswater circa 8 bedroeg, gedroogd bij 120°C en gecalcineerd bij 5C0°C. De silicaten 1-9 hadden de volgende eigenschappen.

a) thermisch stabiel tot een temperatuur boven 800°C.

b) een röntgenpoederdiffractiepatroon in hoofdzaak over-

15 eenstemmend met dat vermeld in tabel B

c) een waarde voor m zoals vermeld in tabel C

Tabel C

Silicaat nr Ga„0„/Si0„ Al„0^/Si0^ - —2—3-2— —2—3-2— 1 0,0185 2 0,0179 3 0,0083 4 0,0058 5 0,0046 6 0,0026 7 - 0,0196 8 - 0,0064 9 - 0,0022

De molaire samenstelling van de waterige mengsels waaruit de silicaten 1-9 werden bereid kan als volgt worden weergegeven 2q xNa20.4,5 /"(C H^N^O-y Ga^.z Al^.25 Si02.450 waarin x,y en z de in tabel D vermelde waarden bezitten.

79 0 5 6 4 3 \

* V

-10-

Tabel D

Silicaat nr x_ _χ_ _z_ 1 1 0,33 2 3 0,33 3 1 0,22 4 1 0,125 5 1 0,063 6 1 0,043 7 1 - 0,33 8 1 - 0,125 9 1 - 0,042

Uit de silicaten 1-9 werden resp. de silicaten 10-18 bereid door de silicaten 1-9‘te koken met 1,0 molair NH^NO^ oplossing, te wassen met water, opnieuw te koken met 1,0 molair NH^NO^ oplossing en te wassen, te drogen 5 bij 120°C en te calcineren bij 500°C. Er werden vervol- ens negen katalysatormengsels (katalysatormengsels A-I) bereid door mengen van een ZnO-Cr^O^ compositie met elk van de silicaten 10-18. Het atomaire Zn percentage van de ZnO-Cr^O^ compositie bedroeg 70%. De katalysatormeng- 10 seis bevatten alle per gewichtsdeel silicaat, 10 gewichts- delen van de ZnQ-C^O^ compositie. De katalysatormengsels A-I werden beproefd voor de bereiding van een aromatisch koolwaterstofmengsel uit een H^/C0 mengsel. De beproeving vond plaats in een reactor van 50 ml waarin zich een vast 15 katalysatorbed bevond met een volume van 7,5 ml. In een negental experimenten werd een H^/CO mengsel met een H^/CO mol. verhouding van 0,5 bij een temperatuur van 375°C, een druk van 60 bar en een ruimtelijke doorvoer- snelheid van 1000 Nl.l” .uur^over elk van de katalysa- 20 tormengsels A-I geleid. In alle gevallen werd een product + , verkregen waarvan de C_ fractie voor meer dan 50 gew.% b uit aromaten bestond. De overige resultaten van de experimenten zijn vermeld in tabel E.

‘ 7905643 v \ \ -11-

Tabel F.

Exp. Kat. Silicaat Conversie van C_+ selecti- nr. mengsel nr. het synthese- vitei.t,gew.? nr. gas na cp _ _ _ 10 uur, % _ 1 A 10 67 77 2 B 11 68 75 3 C 1? 67 72 4 D 13 67 78 5 E 1¾ 67 78 6 F 15 66 78 7 G 16 66 50 8 H 17 60 58 9 I 18 41 79

Van de in tabel E vermelde experimenten zijn alleen de experimenten 1-6, waarbij een katalysatormengsel werd toegepast dat een kristallijn galliumsilïcaat bevatte, experimenten volgens de uitvindingen. De experimenten 5 7-9, waarbij een katalysatormengsel werd toegepast dat een kristallijn aluminiumsilicaat bevatte, vallen buiten het kader van de uitvinding. Zij zijn ter vergelijking opgenomen.

Uit de in tabel E vermelde resultaten blijkt dat 10 bij de omzetting van een E^/CO mengsel in een aromatisch kcolwaterstofmengsel onder toepassing van een katalysatormengsel dat een kristallijn aluminiumsilicaat bevat, zowel de activiteit als de selectiviteit van het katalysatormengsel sterk afhankelijk zijn van m van het daarin 15 opgenomen silicaat. Uit de resultaten blijkt verder dat indien in het katalysatormengsel het aluminiumsilicaat wordt vervangen door een galliumsilieaat, katalysator-mengsels verkregen worden waarvan de activiteit en selectiviteit voor genoemde omzetting onafhankelijk zijn van 20 ra van het daarin opgenomen silicaat.

79056*’

Claims

1. Werkwijze voor de bereiding van een aromatisch koolwater s to fmengsel, met het kenmerk, dat een mengsel van kool-monoxyde en waterstof in contact wordt gebracht met een mengsel van twee katalysatoren waarvan de ene het vermogen 5 bezit om de omzetting van een H^/CO mengsel in acyclische zuurstofhoudende koolwaterstoffen te katalyseren en de andere een kristallijn galliumsilicaat is, welk silicaat de volgende eigenschappen bezit a) thermisch stabiel tot een temperatuur boven 600°C, 10 b) een röntgenpoederdiffractiepatroon dat onder meer de in tabel A vermelde reflecties bevat, Tabel A Straling: Cu-Ka_Golflengte 0,15*118 nm 2. relatieve intensiteit 7,8-8,2 S 8,7-9,1 M 11.8- 12,1 Z 12.4- 12,7 Z 14.6- 14,9 Z 15.4- 15,7 Z 15.8- 16,1 Z 17.6- 17,9 Z 19.2- 19,5 Z 20.2- 20,6 Z 20.7- 21,1 Z 23.1- 23,4 ZS 23.8- 24,1 ZS 24.2- 24,8 S 29,7-30,1 M waarin de gebruikte letters de volgende betekenis hebben: ZS = zeer sterk; S = sterk; M = matig; Z = zwak; Θ = de hoek volgens Bragg. . 7905641 \ -13- c) in de formule welke de samenstelling van het silicaat uitgedrukt Ln molen van de oxyden, weergeeft en waarin naast oxyden van waterstof, alkali-en/of aardalkalimetaal en silicium, galliumoxyde voorkomt, bedraagt 5 de Ga^^/SiOg mol. verhouding(m) minder dan 0,1.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de molaire verhouding tussen waterstof en koolmonoxyde in de voeding ligt tussen 0,25 en 1,0.

3· Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, IQ dat deze wordt uitgevoerd bij een temperatuur van 200-500°C, een druk van 1-150 bar en een ruimtelijke doorvoersnel-heid van 50-5000 NI gas/1 katalysator/uur.

4. Werkwijze volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat deze wordt uitgevoerd bij een temperatuur van 300-M50°C, 15 een druk van 5-100 bar en een ruimte.'.!jke doorvoersnelheid van 3Q0-3C0Q NI gas/1 katalysator/uur.

5. Werkwijze volgens een der conclusies 1-¾, met het kenmerk, dat het katalysatormengsel is opgebouwd uit een katalysator X en een katalysator Y waarbij katalysator X 20 in staat is om een H^/CO mengsel om te zetten naar in hoofdzaak methanol en/of dimethylether en katalysator Y het kristallijne galliumsilicaat is.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat als katalysator X een compositie wordt toegepast welke zink 25 tezamen met chroom bevat.

7. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat in de katalysator X het atomaire percentage van zink betrokken op de som van zink en chroom ten minste 60% bedraagt.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat in de katalysator X het atomaire percentage van zink betrokken op de som van zink en chroom 60-80? bedraagt.

9. Werkwijze volgens een der conclusies 5-8, met het kenmerk, dat het katalysatormengsel per volumedeel \ 7905643 -14- van katalysator Y, 1-5 volumedelen van katalysator X bevat.

10. Werkwijze volgens een der conclusies 1-11, met het kenmerk, dat het katalysatormengsel een kristallijn galliumsilicaat bevat waarvan m ten minste 0,0015 bedraagt.

^ 11. Werkwijze volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat m ten minste 0,0020 bedraagt.

12. Werkwijze volgens een der conclusies 1-11, met het kenmerk, dat het katalysatormengsel een kristallijn silicaat bevat met een alkalimetaalgehalte van minder dan 0,05 gew.i.

13. Werkwijze voor de bereiding van een aromatisch koolwater- stofmengsel, in hoofdzaak zoals in het voorafgaande beschreven en in het bijzonder onder verwijzing naar de experimenten 1-6 uit het voorbeeld.

14. Aromatische koolwaterstofmengsels welke zijn bereid 15 onder toepassing van een werkwijze volgens conclusie 13· I 7905643