-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Trägerkatalysator, Verfahren zu
dessen Herstellung sowie Verfahren zur Metathese von nicht-aromatischen
ungesättigten
Kohlenwasserstoffverbindungen unter Verwendung des Trägerkatalysators.
-
Die
Metathese von nicht-aromatischen ungesättigten Kohlenwasserstoffverbindungen
ist eine seit langem etablierte Methode, um C-C-Verbindungen aufzubrechen
und neu zu knüpfen
(z. B. Mol, J. C., Chapt. 4.12.2 „Alkene Metathesis" in „Handbook
of Heterogeneous Catalysis",
Eds. Ertl, G., Knözinger,
H., Weitkamp, J., VCH, Weinheim 1997; Weissermehl, K., Arpe, H.-J.,
Chapt. 3.4 „Olefin-Metathese" in „Industrielle
Organische Chemie",
4. Aufl., VCH, Weinheim 1994). Für
eine heterogen katalysierte Metathese wurden verschiedene Typen
von Katalysatoren beschrieben. Für
den Temperaturbereich bis zu ca. 120°C ist die Verwendung geträgerter Re2O7- oder Re(CO)10-Katalysatoren üblich (Mol,
J. C., Chapt. 4.12.2 „Alkene
Metathesis" in „Handbook
of Heterogeneous Catalysis",
Eds. Ertl, G., Knözinger,
H., Weitkamp, J., VCH, Weinheim 1997). Als Träger kommt für den Fachmann hierfür auch Al2O3 in Betracht.
Dieses liegt im fertigen Katalysator als eta oder gamma Al2O3 vor. Als Vorläufer für das Trägermaterial
werden üblicherweise
Formkörper,
wie z. B. Stränge, Kugeln,
Splitt oder Tabletten eingesetzt. Bei der Herstellung der Formkörper werden
die Trägermaterialien üblicherweise
bei Temperaturen von ca. 400–600°C kalziniert,
wobei die reine gamma-Al2O3-Phase, ggf. je
nach Raktionsbedingungen auch eta-Al2O3, erhalten wird. Der Phasenübergang
zu delta oder theta- Al2O3 ist
unter diesen Bedingungen jedoch ausgeschlossen.
-
DE 19,947,352 beschreibt
einen Katalysator der mindestens drei Komponenten umfasst: Einen
Aluminiumoxidträger,
der wenigstens zu 0,5 % aus delta-Al
2O
3 besteht, 0,01 – 20 wt.-% Rheniumoxid und
0,01–5 wt.-%
Cs. Hierzu wird zuerst ein Katalysatorvorläufer durch Aufbringen der aktiven
Komponenten auf reines delta-Al
2O
3 hergestellt und nachträglich bei Temperaturen von
750°C–1000°C calciniert.
Nachteilig bei den oben genannten Katalysatoren ist zum einen das
Vorhandensein einer Alkalimetallkomponente, was zu einer reduzierten
Lebensdauer des Katalysators aufgrund einer allmählicher Bildung grobkristalliner,
unreaktiver Alkaliperrhenate führt
und bei höheren
Konzentrationen bei verschiedenen Metathesereaktionen auch zu einer Beeinträchtigung
der Aktivität
führen
kann. Zum zweiten führt
das Calcinieren der Rehaltigen Katalysatorvorläufern bei Temperaturen von
ca. 800°C
oder höher
zu deutlichen Verlusten an aktiver Komponente durch Verdampfen von
Rheniumperoxid, was die Wirtschaftlichkeit des Prozesses erheblich
beeinträchtigt.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung war es, Trägerkatalysatoren für die Metathese
von Kohlenwasserstoffen mit einer nicht-aromatischen C-C-Doppelbindung
oder C-C-Dreifachbindung
bereitzustellen, die eine hohe Aktivität über eine möglichst langen Zeitraum während ihres
Einsatzes beibehalten. Weiterhin bestand die Aufgabe darin, einen
wirtschaftlichen Prozess bereitzustellen, mit denen solche Katalysatoren
herstellbar sind.
-
Demgemäß wurde
ein Verfahren zur Herstellung eines Trägerkatalysators gefunden, der
zu mindestens 75 Gew.-% aus Al2O3 besteht, dessen Anteil an Al2O3 in der delta- oder theta-Modifikation, bezogen auf den
Anteil an Al2O3 mindestens
1 % beträgt,
und der eine Rheniumverbindung und ggf. einen Promotor als Aktivkomponente
(A) enthält,
wobei man
- a) aus einem üblichen Träger (T) , der zu mindestens
75 Gew.-% aus Al2O3 besteht
und auf dem ggf. ein Promotor aufgebracht ist, einen modifizierten
Träger
(T) herstellt, dessen Anteil an Al2O3 in der delta- oder theta-Modifikation,
bezogen auf den Anteil an Al2O3 mindestens
1 % beträgt,
indem man den üblichen
Träger
(T) bei einer Temperatur von 750 bis 1100°C calciniert,
- b) aus dem modifizierten Träger
(T) einen Trägerkatalysator-Precursor
herstellt, indem man auf den modifizierten Träger (T) die Aktivkomponente
(A), umfassend die Rheniumverbindung aufbringt und
- c) den Trägerkatalysator-Precursor
bei einer Temperatur von 500 bis 750°C calciniert.
-
Als
Träger
(T) wird üblicherweise
handelsübliches
Al2O3 eingesetzt.
Solches Al2O3 besteht
meistens hauptsächlich
aus gamma Al2O3.
Der Anteil an delta und theta Al2O3 bezogen auf alle Al2O3 Modifikationen beträgt in Summe meistens weniger
als 1 %. Es ist jedoch auch möglich,
als Träger
(T) Al2O3 einzusetzen,
welches höhere
Gehalte an delta und theta Al2O3 aufweist,
wenn der Trägerkatalysator
einen höheren
Gehalt daran aufweisen soll. Wichtig ist, dass der Gehalte an delta
und theta Al2O3,
den der eingesetzte Träger
(T) aufweist, niedriger ist als der Gehalt im erfindungsgemäßen Trägerkatalysator.
-
Statt
handelsüblicher
gamma Al2O3-Träger besteht
auch die Möglichkeit,
eine Vorstufe hiervon, wie Hydrargillit, Böhmit oder Pseudoböhmit direkt
bei den für
die Erzeugung von delta oder theta Al2O3 notwendigen Temperaturen zu calcinieren,
ohne zunächst
das gamma Al2O3 als
Zwischenstufe zu isolieren. Derart hergestellte delta- oder thetahaltige
Trägerformkörper sind
prinzipiell als kommerzielles Nischenprodukt zugänglich.
-
Neben
Aluminiumoxid erhält
der Träger
(T) ggf. weitere üblicher
Trägermaterialien,
bevorzugt solche aus der Gruppe der SiO2, Alumosilikate, TiO2, ZrO2, MgO, CeO2 oder ZnO.
-
Um
die physikalische Eigenschaften des Katalysators zu verbessern,
können über das
eigentliche Trägermaterial
hinaus auch noch weitere Schmiermittel und Zuschlagstoffe beigemischt
werden, wie z.B. Graphit, Zement, Gips oder Muscovit.
-
Der
erfindungsgemäße Katalysator
und ggf. schon der Träger
(T) liegt bevorzugt als Formkörper
vor. Unter Formkörpern
im Sinne dieser Erfindung sind Formkörper mit Geometrien zu verstehen,
wie sie für
Katalysatoren allgemein üblich
sind, also Kugeln, Splitt, Stränge
oder Tabletten. Der kleinste mittlere Durchmesser solcher Formkörper beträgt üblicherweise
mehr als 0,5 mm und der größte mittlere
Durchmesser weniger als 5 mm.
-
Zur
Herstellung der Formkörper
eignen sich alle gängigen
Formgebungsverfahren wie Extrusion oder Tablettierung.
-
Das
Calcinieren findet bevorzugt bei einer Temperatur von 750 bis 1100°C statt.
Unter Calcinieren ist das Erhitzen in einer oxidativen Gasatmosphäre zu verstehen,
z.B. einer Gasatmosphäre,
die Sauerstoff und ansonsten inerte Bestandteile enthält. Die
bevorzugte Gasatmosphäre
ist Luft.
-
Durch
die Verlängerung
der Zeitdauer und Erhöhen
der Temperatur der Calcinierung lässt sich der Anteil an Al2O3 in der delta-
oder theta-Modifikation im Verhältnis
zur gamma-Modifikation erhöhen.
Calcinierungstemperaturen von mehr als 1100°C werden nicht empfohlen, weil
unter diesen Bedingungen ein Übergang
zu alpha-Al2O3 stattfindet,
der wiederum unerwünscht
ist, da die Oberfläche
des Trägermaterials
dann zu stark abnimmt. Bevorzugt beträgt der Anteil an Al2O3 in der delta-
oder theta-Modifikation,
bezogen auf den Anteil an Al2O3,
mindestens in Summe 10 %.
-
Der
Träger
kann gegebenenfalls mit Alkoholen vorbehandelt werden oder durch
Aufbringen von z. B. Phosphorsäure,
Salzsäure,
Schwefelsäure
oder Ammoniumhydrogenphosphat sauer modifiziert werden. Diese Modifizierung
kann nach oder bevorzugt vor dem Calcinieren erfolgen.
-
Das
Calcinieren dauert aus technischen Gründen üblicherweise zwischen 1 und
20 h – insgesamtist die
Zeitdauer jedoch eher unkritisch. Die Träger weisen nach der Behandlung
eine Oberfläche
von 20 bis 200 m2/g, bevorzugt größer als
40 m2/g, auf und ein Porenvolumen von wenigstens
0,20, bevorzugt wenigstens 0,35 ml/g, auf. Die Porenstruktur des
modifizierten Trägers
(T) ist nach dem Calcinieren derart beschaffen, dass das Maximum
der Verteilungsfunktion für
den Porendurchmesser im Bereich der Mesoporen (Porenweiten von 2nm
bis 50 nm) üblicherweise
bei Werten oberhalb von 10 nm, bevorzugt oberhalb 12 nm, zu liegen kommt.
Die Bestimmung der Porengröße und -volumen
und deren Verteilung erfolgt nach DIN 66133 von Juni 1993 und DIN
66134 vom Februar 1998, herausgegeben von dem Deutschen Institut
für Normung
e.V.
-
Aus
dem modifizierten Träger
(T) wir ein Trägerkatalysator-Precursor
durch Aufbringen der Aktivkomponente (A) hergestellt, die mindestens
eine Verbindung des Rheniums enthält. In Betracht kommen dabei
die Sulfide, Oxide, Nitride, Carbonyle, Halogenide oder Säuren. Besonders
bevorzugt sind Ammoniumperrhenat oder, insbesondere, Perrheniumsäure und
Rheniumheptoxid. Die Rheniumkomponente kann in allen üblichen Verfahren
auf das Trägermaterial
aufgebracht werden. Hierzu gehören
beispielsweise Methoden wie Tränkung in überstehender
Lösung,
sog. Trockentränken
(d.h. berechnet auf die jeweilige Wasseraufnahmen, Sublimation (speziell
für Carbonyle).
Falls notwendig, wird bevorzugt Wasser als Lösungsmittel für die Rheniumkomponente
eingesetzt, es können
aber auch organische Lösungsmittel,
wie z. B. Alkohole oder Dioxan eingesetzt werden. Der Anteil der
Aktivkomponenten (A) am Trägerkatalysator
beträgt üblicherweise
0,1 bis 30 Gew.-%. Bevorzugt ist als Aktivkomponente Rheniumoxid
in einer Menge von 0,5 bis 15 wt%. Besonders bevorzugt liegt das
Rheniumoxid in Kristalliten die kleiner als 1 nm sind auf der Oberfläche vor.
Dieses geht mit Rheniumoberflächen
(bestimmt mittels N2O-Chemisorption) einher,
die größer als
0,4 m2/g sind, wie in DE-A-19,837,203 für Schalenkatalysatoren
ausgeführt
wird.
-
Zusätzlich zur
Rhenium-Komponente kann die Aktivkomponente (A) noch einen Promotor,
d.h. eine oder mehrere weitere Verbindungen, die die Aktivität oder Selektivität des fertigen
Katalysators optimieren, umfassen. Als Beispiele seien hier Phosphoroxid,
Eisenoxid, Zirkonoxid, Siliciumdioxid, Tantaloxid, Nioboxid, Wolframoxid,
Molybdänoxid,
Oxide der Elemente aus der Lanthanoidenreihe, Vanadiumoxid, Blei-
oder Zinn-Verbindungen
genannt. Die zusätzlichen
Verbindungen können
vor, nach oder gleichzeitig mit der Rheniumkomponente aufgebracht
werden, wobei gegebenenfalls auch Zwischschenkalzinierungen bei
Temperaturen von bis zu 600°C
möglich
sind. Vermieden wird dagegen gemäß Erfindungsgegenstand
die Gegenwart von Alkalimetallen, da diese zum einen stabile grobkristalline
Alkaliperrhenate bilden können,
was die Gesamtlebensdauer des Katalysators verkürzt, zum anderen bei höheren Konzentrationen
auch die Katalysatoraktivität unmittelbar
herabsetzen können,
was mit dem Einsatz einer größeren Katalysatormasse
ausgeglichen werden müsste.
-
Durch
eine geeignete Auswahl von hochreinen Einsatzmaterialien entsprechender
Spezifikation haben die erfindungsgemäßen Trägerkatalsatoren im Allgemeinen
einen Gesamtalkaligehalt von weniger als 0,1 Gew.-% (als Metall
gerechnet), bevorzugt von weniger als 700 Gew.-ppm, besonders bevorzugt
von weniger als 100 Gew.-ppm. Insbesondere die Werte für die höheren Homologen,
d.h. der Kalium-, Rubidium- und Cä siumgehalt, liegen bei jeweils
weniger als 50 Gew.-ppm, bevorzugt weniger als 30 Gew.-ppm, besonders
bevorzugt bei weniger als 10 Gew.-ppm.
-
Vor
dem Einsatz wird der Trägerkatalysator-Precursor
bei Temperaturen von wenigstens 400°C, bevorzugt wenigstens 550°C aber nicht
mehr als 750°C
in einem sauerstoffhaltigen Strom calciniert und anschließend auf
die Reaktionstemperatur, bevorzugt in einem inerten Strom, wie etwa
N2, abgekühlt. Der Wechsel zwischen der
sauerstoffhaltigen und der Inertgasatmosphäre erfolgt üblicherweise bei Temperaturen
oberhalb 200°C,
bevorzugt bei Temperaturen oberhalb 300°C aber nicht mehr als 750°C. Soll der
Katalysator nicht unmittelbar eingesetzt sondern zunächst gelagert
werden, kann das Abkühlen
auch unter Luft erfolgen – allerdings
sollte vor dem Einsatz dann eine weitere Aktivierung nach oben beschriebener
Prozedur erfolgen.
-
Der
intensivste Reflex liegt bei Aluminiumoxiden typischerweise im Bereich
2 theta > 66° und 2 theta < 68°. Daneben
treten bei Anwesenheit der delta- bzw. theta-Modifikation zusätzliche Reflexe auf. Als Folge hiervon
ist bei den erfindungsgemäßen Trägerkatalysatoren
das Maximum mindestens eines Reflexes im Bereich 2 theta > 32,5° und 2 theta < 37,4° zu finden,
bevorzugt mindestens das Maximum zweier Reflexe. Bevorzugt sind
Trägerkatalysatoren,
bei denen mindestens für
einen Reflex mit Lage des Maximums im Bereich 2 theta > 32,5° und 2 theta < 37,4° gilt, daß das Intensitätsverhältnis (counts/counts)
zu dem Reflex im Bereich 2 theta > 66° und 2 theta < 68° wenigstens
0,05, bevorzugt wenigstens 0,15, ganz besonders bevorzugt wenigstens
0,35 beträgt.
-
Insbesondere
bevorzugt sind auch Materialien bei denen zusätzlich Reflexe auch im Bereich
2 theta > 50,0° und 2 theta < 53,0° unter den
genannten Messbedingungen zu erkennen sind.
-
Die
erfindungsgemäßen Trägerkatalysatoren
eignen sich insbesondere zur Herstellung von einer Verbindung mit
einer nicht-aromatischen C-C-Doppelbindung oder C-C-Dreifachbindung (Verbindung
A) aus einer anderen Verbindung oder Mischung anderer Verbindungen
mit einer nicht-aromatischen C-C-Doppelbindung oder C-C-Dreifachbindung
(Verbindung B), wobei man die Verbindung (B) bei einer Temperatur
von 50 bis 500°C
mit einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Trägerkatalysator
nach einem der Ansprüche
15 bis 18 in Kontakt bringt.
-
Solche
Verfahren sind allgemein bekannt und z.B. in „Industrielle Organische Chemie", Klaus Weissermel,
Hans-Jürgen
Erpel, 5. Auflage, Verlag Wiley, VCH, 1998, Kapitel 3.4 und Handbook
of Heterogeneous Catalysis",
Herausgegeben von G. Ertl, H. Knözinger
und J. Weitkamp, Volume 5, VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim,
Kapitel 4.12.2, Alkene Metathesis, Seiten 2387 bis 2399, beschrieben.
Sie können
aber auch zur Metathese von ungesättigten Estern, Nitrilen, Ketonen,
Aldehyden, Säuren oder
Ethern eigesetzt werden, wie es beispielsweise in Xiaoding, X.,
Imhoff, P., von den Aardweg, C. N., and Mol, J. C., J. Chem. Soc.,
Chem. Comm. (1985), p. 273 beschrieben ist. Häufig wird bei der Umsetzung
von substituierten Olefinen ein sogenannter Co-Katalysator, beispielsweise
Zinn-, Blei- oder Aluminiumalkyle eingesetzt, um die Aktivität zusätzlich zu
steigern.
-
Hierbei
können
die nach den erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Trägerkatalysatoren
auf die gleiche Weise eingesetzt werden, wie die bekannten Metathesekatalysatoren.
-
Besonders
günstig
können
die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Katalysatoren in Metatheseverfahren zur Herstellung
von Propen durch Metathese einer Mischung, die 2-Buten und Ethylen oder
1-Buten und 2-Butene enthält,
sowie von 3-Hexen und Ethylen durch Metathese von 1-Buten eingesetzt werden.
Entsprechende Verfahren sind im Detail in DE-A-19813720, EP-A-1134271,
WO 02/083609, DE-A-10143160 beschrieben.
-
Die
vorgenannten C4-Ausgangsverbindungen werden üblicherweise
in Form eines sogenannten Raffinat II bereitgestellt. Bei dem Raffinat
II handelt es sich um C4-Schnitte, die im
Allgemeinen einen Gehalt an Butenen von 30 bis 100, bevorzugt 40
bis 98 Gew.-% aufweisen. Neben den Butenen können vor allem noch gesättigte C4-Alkane
vorhanden sein. Die Gewinnung solcher Raffinate II ist allgemein
bekannt und z.B. in der EP-A-1134271 beschrieben.
-
Insbesondere
können
1-Buten enthaltende Olefinmischungen oder 1-Buten eingesetzt werden,
das durch Abdestillieren einer 1-Buten reichen Fraktion aus Raffinat
II, gewonnen wird. Aus der verbleibenden, an 2-Butenen reichen Fraktion
kann ebenfalls 1-Buten gewonnen werden, indem man die 2-Buten reiche
Fraktion einer Isomerisierungsreaktion unterwirft und anschließend destillativ
in eine 1-Buten und eine 2-Buten
reiche Fraktion auftrennt. Dieses Verfahren ist in der DE-A-10311139
beschrieben.
-
Die
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Katalysatoren eignen sich insbesondere für Reaktionen
in flüssiger
Phase, bei Temperaturen von 10 bis 150°C bei einem Druck von 5 bis
100 bar.
-
Experimenteller
Teil
-
Die
nachstehenden XRD-Messungen wurden mit einem D-5000 Diffraktometer
der Fa. Siemens mit Cu-K-alpha Strahlung, Messung mit variablen
V-20 Blenden primär-
und sekundärseitig
und einem Sekundärmonochromator
zur Reduktion der Fluoreszenzstrahlung durchgeführt. Gemessen wurde in Schritten
von 0,02° mit
einer „step
time" von 3,6 s.
Nahe beieinanderliegende Signale können im Diffraktogramm durch Überlagerung
einen verbreiterten oder asymetrischen Peak bilden. Mittels mathematischer
Modellierung wären
diese zwar theoretisch trennbar, je nach Randbedingungen des angewendeten
Modells können
die Ergebnisse einer solchen „peak
fitting"-Prozedur
jedoch stark streuen. Um solche Unsicherheiten auszuschließen wird
der Begriff Reflex im Folgenden daher so verstanden, dass zwingend
ein Maximum vorhanden sein muss, das sich für das bloße Auge eindeutig vom Rauschen
abhebt. Verbreiterte oder asymmetrische Signale werden folglich als
einzelner Reflex betrachtet. Die Lage des Maximums (=höchste Signalintensität) ist hierbei
die entscheidende Größe.
-
Beispiel 1: Herstellung
eines erfindungsgemäßen Katalysators
(A – 85999)
-
Kommerzielle
D10-21-Stränge
(1,5 mm gamma-Al2O3-Stränge der
Fa. BASF AG) wurden 2 h bei 850°C
in Luft getempert (während
der Herstellung waren die Stränge
Temperaturen von max. 600°C
ausgesetzt). Anschließend
wurden die Stränge
mit einer wässrigen
Perrheniumsäurelösung auf
90 % der Wasseraufnahme getränkt
und bei 120°C
während
6 h an Luft getrocknet. Anschließend wurde die Temperatur innerhalb
von 2 h auf 520, in weiteren 15 min auf 550°C angehoben und der Katalysator
bei dieser Temperatur während
2 h kalziniert. Der Katalysator wurde unter Luft abgekühlt und
gelagert. Der fertige Katalysator enthielt 9,5 wt.-% Re2O7. Das mittels Quecksilberporosimetrie bestimmte
Porenvolumen betrug 0,53 ml/g, die Oberfläche war 129 m2/g.
Das Maximum in der Verteilungsfunktion über die Porengrößenverteilung
im Bereich der Mesoporen lag bei 13 nm. Mittels Röntgendiffraktometrie
(Bild 1) wurde ein Gemisch aus delta- und theta-Al2O3-Phase identifiziert. Es sind Reflexe mit
Maxima bei 2 theta = 32,76° und
2 theta = 37,05° zu
finden. Das Intensitätsverhältnis (counts/counts)
der beiden Reflexe im Verhältnis
zum Hauptreflex bei 67,07° beträgt 0,36
bzw. 0,45. Es war ein zusätzlicher,
sehr schwacher Reflex bei 2 theta = 50,6° zu erkennen.
-
Der
Cs-Gehalt bei dieser Probe ist < 10
ppm (Nachweisgrenze). Die K- und Na-Gehalte lagen jeweils < 30 ppm (Nachweisgrenze).
-
Beispiel 2: Herstellung
eines erfindungsgemäßen Katalysators
(B – 86000)
-
Ein
Katalysator wurde wie in Beispiel 1 hergestellt, jedoch wurden die
Trägerstränge diesmal
2 h bei 1000°C
an Luft vorbehandelt.
-
Der
fertige Katalysator enthielt 9,9 wt.-% Re2O7. Das mittels Quecksilberporosimetrie bestimmte
Porenvolumen betrug 0,44 ml/g, die Oberfläche war 89 m2/g.
Das Maximum in der Verteilungsfunktion über die Porengrößenverteilung
im Bereich der Mesoporen lag bei 15 nm. Mittels Röntgendiffraktometrie
(Bild 2) wurde ein Gemisch aus delta- und theta -Al2O3-Phase identifiziert. Es waren Reflexe mit
Maxima bei 2 theta = 32,79° und
2 theta = 36,73° zu
finden. Das Intensitätsverhältnis (counts/counts)
der beiden Reflexe im Verhältnis
zum Hauptreflex bei 67,34° betrug
0,51 bzw. 0,45.
-
Im
XRD war keine gamma -Phase mehr zu erkennen. Zusätzlicher war ein deutlicher
Reflex bei 2 theta = 50,7° zu
erkennen. Der Cs-Gehalt bei dieser Probe ist < 10 ppm (Nachweisgrenze). Die K- und
Na-Gehalte lagen jeweils < 30
ppm (Nachweisgrenze).
-
Beispiel 3: Herstellung
eines Vergleichsbeispiels (C – 85850)
-
Ein
Katalysator wurde wie in Beispiel 1 hergestellt, jedoch wurden die
Trägerstränge nicht
zusätzlich vorbehandelt.
-
Der
fertige Katalysator enthielt 9,0 wt.-% Re2O7. Das mittels Quecksilberporosimetrie bestimmte
Porenvolumen betrug 0,52 ml/g, die Oberfläche war 158 m2/g.
Das Maximum in der Verteilungsfunktion über die Porengrößenverteilung
im Bereich der Mesoporen lag bei 9,8 nm. Mittels Röntgendiffraktometrie
(Bild 3) wird reines γ-Al2O3 identifiziert.
Alle Reflexmaxima lagen außerhalb
des Bereichs 2 theta = 32,5 bis 37,4°. Auch im Bereich 2 theta > 50,0° und 2 theta < 53,0° war unter
den gewählten
Messbedingungen kein Reflex zu erkennen. Der Cs-Gehalt bei dieser
Probe war < 10
ppm (Nachweisgrenze). Die K- und Na-Gehalte lagen jeweils < 30 ppm (Nachweisgrenze).
-
Beispiele 4–6: Vergleich
der Performance der Katalysatoren A-C
-
In
einen Rohrreaktor wurden jeweils 9 g Katalysator eingebaut. Der
Zulauf besteht aus 162 g/h einer Mischung von ca. 85–90 % linearen
Butenen, ca. 2,5 % Isobuten und Rest Butane (sog. Raffinat II).
Um den etwas geringeren Rheniumgehalt der Probe C zu kompensieren
wurde die Feedbelastung in dieser Messung um ca. 5 % verringert.
Die Reaktionsbedingungen sind jeweils 35°C und 35 bar. Die Zusammensetzung
des Austrittsstroms aus dem Reaktor wird mit einem on-line-GC verfolgt.
Stellvertretend für
die zahlreichen Komponenten wurden in der folgenden Tabelle die
Mengen der wichtigsten bzw. größten Produkte,
i.e. Propen, trans-2-Penten und trans-3-Hexen zu unterschiedlichen
Messzeiten dargestellt. Alle nicht gezeigte Produkte (Ethylen, cis-2-Penten, cis-3-Hexen,
2-Methyl-2-Buten bzw. 2-Methyl-2-Penten) wiesen prinzipiell einen ähnlichen
zeitlichen Verlauf und vergleichbare Unterschiede bei längeren Laufzeiten
auf.
-
-
Es
ist zu erkennen, dass die erfindungsgemäßen Katalysatoren insgesamt
höhere
Anfangsaktivitäten aufweisen
(Differenzen bis zu ca. 40%) und speziell bezüglich der leichteren Produkten
(hier: Propen) etwas langsamer desaktiveren, so dass auch nach längerer Laufzeit
noch höhere
Umsätze
erzielt werden, was die gesamte Ausbeute deutlich steigert.
-
Beispiele 7, 8: TEM-Bilder
von alkalimetallhaltigen Katalysatoren (Vergleichsbeispiele)
-
Katalysator
D (84325) wurde durch Tränkung
von Perrheniumsäure
auf einen Aluminiumoxid-Träger hergestellt,
der ca. 250 ppm Na (bezogen auf das Metall) als Verunreinigung enthält. Bei
einer Untersuchung mittels TEM (Transmissionenelektronenmikroskopie,
Bild 4) waren grobe Na-Re-haltige Kristalle zu sehen. Im Gegensatz
dazu bildete reines Rheniumoxid eine hochdisperse Phase auf Al2O3-Trägern. Diese
Einheiten waren üblicherweise
kleiner als 4 nm und zumeist nicht mittels TEM zu erkennen.
-
Eine
weitere Re2O7/Al2O3-Probe, Katalysator
E (MS33), wurde nachträglich
mit einer Cs(NO3)-Lösung getränkt, getrocknet und der Katalysator
bei 550°C
nochmals calciniert. Der Katalysator enthielt 600 ppm Cs. Auch hier
sind mittels TEM stäbchenförmige, grobe
Cs-Re-haltige Kristallite zu erkennen (Bild 5).
-
Wie
dem Fachmann bekannt ist, laufen katalytische Reaktionen an der
Oberfläche
solcher Katalysatoren ab. Dabei wird um so weniger Edelmetall benötigt, je
höher die
Dispersion der aktiven Substanz ist. Durch die Bildung von grobkristallinen
Alkaliperrhenaten wird die Dispersion der Re2O7-Phase auf Al2O3-haltigen Trägermaterialien stark verringert,
so dass generell eine höhere
Gesamtbeladung mit Rhenium notwendig ist, um dieselbe katalytische
Aktivität
zu erzielen.