DE69621628T2 - Verfahren zur herstellung von ammoxidationskatalysatoren - Google Patents
Verfahren zur herstellung von ammoxidationskatalysatorenInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung von gemischten Oxiden von Vanadium, Antimon und Eisen, sowie die Verwendung dieser Oxide als Katalysatoren für die Ammoxidation von Alkanen.
- Einige gemischte Oxide von Vanadium und Antimon oder von Vanadium, Antimon und anderen Metallen sind bekannte Verbindungen, die unter zahlreichen anderen gemischten Oxiden in dem Patent FR-A- 2 072 334 beschrieben wurden.
- In dem Patent US 5 008 427 wurde ein Verfahren zur Ammoxidation von Propan oder Butan in Anwesenheit eines Katalysators beschrieben, der insbesondere Oxide von Vanadium, Antimon und Eisen oder Titan oder Chrom oder Gallium oder Zinn sowie gegebenenfalls noch andere Metalle umfassen kann. Diese Katalysatoren weisen das wesentliche Merkmal auf, daß sie bei einer Temperatur von gleich oder höher als 780ºC kalziniert wurden.
- In gleicher Weise wurde in dem Patent EP-A-0 558 424 ein Verfahren zur Ammoxidation von Alkanen beschrieben, das durch gemischte Oxide von Vanadium, Antimon, Eisen und/oder Gallium und/oder Indium katalysiert wird. Die Herstellung dieser gemischten Oxide erfolgt durch Vermischen der wäßrigen Suspensionen von Verbindungen der verschiedenen Metalle, Erhitzen unter Rühren und anschließendes Verdampfen des Wassers, Trocknen und Kalzinierung. Ein derartiger Katalysator zeigt eine geringe Selektivität an Acrylnitril bei der Ammoxidation von Propan.
- Das Patent US 4 257 921 beschreibt die Herstellung eines Katalysators für die Ammoxidation von Alkanen durch Fällung ausgehend von einer sauren Lösung von Verbindungen der verschiedenen Metalle mit Neutralisierung durch Ammoniak. Der erhaltene Katalysator weist ebenfalls eine geringe Selektivität an Acrylnitril auf und begünstigt eher die Verbrennung der Alkane.
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung eines gemischten Oxides von Vanadium, Antimon und Eisen, das der folgenden empirischen Formel entspricht
- V Sba Feb Ox (I)
- in der
- - a eine ganze oder gebrochene Zahl von gleich oder höher 0,1 darstellt,
- - b eine ganze oder gebrochene Zahl von gleich oder höher 0,5 darstellt,
- - x eine ganze oder gebrochene Zahl darstellt, die durch den Oxidationsgrad der anderen Elemente bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Verbindungen von jeweils Vanadium, Antimon und Eisen in Lösung in mindestens einem gesättigten Alkohol oder in saurem Wasser mit einem pH-Wert von unterhalb oder gleich 2 gebracht werden,
- - die auf diese Weise erhaltene alkoholische Lösung oder die wäßrige Lösung in Kontakt mit einer wäßrigen Lösung gebracht wird, die ein Ammoniumsalz enthält, um das gemischte Oxid auszufällen,
- - das erhaltene gemischte Oxid abgetrennt und kalziniert wird.
- Die in dem Verfahren eingesetzten Verbindungen von Vanadium, Antimon und Eisen sollen in einem gesättigten Alkohol oder in einer Mischung von gesättigten Alkoholen oder in Wasser löslich sein. In der vorliegenden Beschreibung betrachtet man eine Verbindung dann als löslich, wenn ihre Löslichkeit, gemessen bei 25ºC, mindestens 5 Gramm pro Liter von gesättigtem Alkohol oder von Wasser beträgt. Diese Verbindungen können zusammen eingetragen werden. Sie können auch zunächst getrennt in einem Alkohol in Lösung gebracht werden, und die verschiedenen auf diese Weise erhaltenen alkoholischen Lösungen werden anschließend untereinander vermischt. Sie können ebenso zuerst getrennt in Wasser in Lösung gebracht werden, und die verschiedenen auf diese Weise erhaltenen wäßrigen Lösungen werden anschließend untereinander vermischt. Im allgemeinen, aber nicht einschränkend, stellt man eine alkoholische Lösung oder eine wäßrige Lösung durch Auflösen der verschiedenen Verbindungen her, ohne zwischendurch Lösungen von jeder der Verbindungen, von Vanadium, von Antimon und von Eisen herzustellen.
- Um die Zersetzung oder die Ausfällung von einigen Verbindungen, insbesondere von Eisensalzen, zu vermeiden, bevorzugt man die Verwendung einer wäßrigen sauren Lösung mit einem pH-Wert von unterhalb oder gleich 2, wenn die Herstellung der Katalysatoren der Erfindung in Wasser durchgeführt wird.
- In dem Fall, wo Säure zur Herstellung dieser wäßrigen sauren Lösung verwendet wird, kann es jede starke Mineralsäure oder organische Säure sein, die geeignet ist, eine Lösung mit einem pH- Wert von unterhalb oder gleich 2, vorzugsweise einen pH-Wert von 0,5 bis 1 zu ergeben.
- Als nicht einschränkende Beispiele für derartige Säuren kann man insbesondere Chlorwasserstoffsäure, Bromwasserstoffsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure oder Trifluoressigsäure nennen.
- Der Einfachheit halber verwendet man vorzugsweise die Säure, die dem eingesetzten Eisensalz entspricht, ohne daß dies zwingend notwendig ist.
- Häufig verwendet man Chlorwasserstoffsäure, im allgemeinen in Form von wäßrigen Lösungen mit einer Konzentration in Gewicht pro Gewicht von 10% bis 20%.
- In der vorliegenden Beschreibung deckt der im Rahmen des Verfahrens zur Herstellung der Katalysatoren verwendete Ausdruck "wäßrige Lösung", außer bei gegenteiliger Erwähnung, auch die vorstehend genannten sauren wäßrigen Lösungen ab.
- Als Beispiele für lösliche Verbindungen des Vanadiums kann man Vanadylacetylacetonat, Vanadyltrichlorid, Vanadiumtrifluorid, Vanadiumtetrafluorid, Vanadiumpentafluorid, Vanadiumtribromid, Vanadiumdichlorid, Vanadiumtrichlorid, Vanadiumtetrachlorid und Vanadiumtriiodid nennen.
- Als Beispiele für lösliche Verbindungen des Antimons kann man Antimonpentachlorid, Antimontrichlorid, Antimontribromid, Antimontrifluorid, Antimontriiodid, Antimontrioxid und Antimonhydrid nennen.
- Als Beispiele für lösliche Verbindungen des Eisens kann man Eisendichlorid, Eisentrichlorid, Eisendibromid, Eisentribromid, Eisendiiodid, Eisen(II)-nitrat, Eisen(II)-sulfat, Eisen(III)- sulfat, Eisen(II)-thiosulfat, Eisen(III)-formiat, Eisen(III)- acetat, Eisen(III)-acetylacetonat, Eisen(III)-benzoat, Eisen- (III)-oleat, Eisen(II)-lactat und Eisen(III)-lactat nennen.
- Die in dem Verfahren der Erfindung eingesetzten gesättigten Alkohole sind insbesondere die Alkanole und die Cycloalkanole. Vorzugsweise wird man die Alkanole und die Cycloalkanole verwenden, deren Siedetemperatur nicht zu hoch ist, um die Operationen der Abtrennung oder der Rückgewinnung durch Destillation oder Verdampfen zu vereinfachen. So sind die Alkanole mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen wie Methanol, Ethanol, n-Propanol, 2-Propanol, n-Butanol, 2-Butanol, tert.-Butanol, die Pentanole und die Hexanole sowie Cyclohexanol bevorzugt.
- Die vorstehend erhaltene alkoholische Lösung oder die wäßrige Lösung wird anschließend mit einer wäßrigen Lösung eines Ammoniumsalzes vermischt, so daß die gemischten Oxide ausfallen. Vorzugsweise arbeitet man in einer wäßrigen Lösung eines Ammoniumcarboxylates (beispielsweise Acetat, Citrat, Tartrat), von Ammoniumoxalat, Ammoniumcarbonat, Ammoniumhydrogenphosphat, die ermöglichen, einen pH-Wert zwischen 5 und 9, vorzugsweise nahe 7 zu erreichen. So weist Ammoniumacetat in einer Konzentration von 2 mol pro Liter in Wasser einen pH-Wert von nahe 7 auf.
- Um den pH der Lösung vorzugsweise auf einem Wert von nahe 7 zu halten, kann es notwendig sein, die eventuell bei der Fällung der gemischten Oxide gebildete Azidität (beispielsweise gebildete Halogenwasserstoffsäure, wenn man ein Antimonhalogenid und/oder ein Eisenhalogenid und/oder ein Vanadiumhalogenid einsetzt) oder die eventuelle Azidität der eingesetzten wäßrigen Lösung mit Hilfe einer basischen Verbindung schrittweise zu neutralisieren. Es ist in dem Verfahren der Erfindung vorzuziehen, diese Neutralisation durch schrittweisen, kontrollierten Zusatz von Ammoniak zu realisieren.
- Nach der Fällung der gemischten Oxide der Erfindung werden sie von der Flüssigkeit aus gesättigtem Alkohol/Wasser oder Wasser durch jede bei diesem Typ von Operation üblicherweise angewendete Technik abgetrennt, insbesondere durch Filtration. Anschließend führt man eine Trocknung der isolierten gemischten Oxide durch, unter atmosphärischem Druck oder unter reduziertem Druck und bei einer Temperatur, die beispielsweise zwischen 30ºC und 200ºC liegt, ohne daß diese Werte eine kritische Bedeutung hätten.
- Die gemischten Oxide der Formel (I) werden anschließend einer Kalzinierung bei einer Temperatur von 400ºC bis 800-ºC unterzogen. Vorzugsweise wird diese Kalzinierung bei einer Temperatur von 500ºC bis 750ºC durchgeführt.
- Unter den wie vorstehend definierten gemischten Oxiden der Formel (I) bevorzugt man diejenigen, worin
- - a eine ganze oder gebrochene Zahl von gleich oder unter 100 darstellt,
- - b eine ganze oder gebrochene Zahl von gleich oder unter 100 darstellt,
- - x eine ganze oder gebrochene Zahl darstellt, die durch den Oxidationsgrad der anderen Elemente bestimmt wird.
- Schließlich bevorzugt man noch in besonderer Weise die gemischten Oxide der Formel (I), in denen
- - a eine ganze oder gebrochene Zahl von 0,5 bis 50 darstellt,
- - b eine ganze oder gebrochene Zahl von 1 bis 50 darstellt,
- - x eine ganze oder gebrochene Zahl darstellt, die durch den Oxidationsgrad der anderen Elemente bestimmt wird.
- Die vorliegende Erfindung hat ebenfalls ein Verfahren zur Ammoxidation von Alkanen in der Dampfphase und in Anwesenheit eines festen Katalysators zum Gegenstand, der mindestens eine aktive Phase umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte aktive Phase mindestens ein gemischtes Oxid der empirischen allgemeinen Formel (I) umfaßt und daß sie gemäß dem vorstehend definierten Verfahren hergestellt wird.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Alkane mit 3 bis 12 Kohlenstoffatomen pro Molekül in der Dampfphase mit Ammoniak und Sauerstoff und in Anwesenheit eines Katalysator zur Reaktion gebracht, dessen aktive Phase soeben beschrieben wurde.
- Selbstverständlich kann man im Rahmen des vorliegenden Verfahrens Verdünnungsgase verwenden, die unter den Bedingungen der Reaktion inert sind, wie Helium, Stickstoff und Argon. In gleicher Weise kann der Wasserdampf der gasförmigen Reaktionsmischung in weiten Grenzen zugesetzt werden. So kann das Reaktionsgas (Alkan, Ammoniak, Sauerstoff) durch ein inertes Verdünnungsmittel und/oder Wasserdampf verdünnt werden. In dieser Gesamtheit kann der Gehalt an Wasserdampf in weiten Grenzen variieren, insbesondere von 0% bis 50% und vorzugsweise zwischen 3% und 30%. Im Hinblick auf eine gute Durchführung des Verfahrens der Erfindung wird der Gehalt an Reaktionsgas mindestens 3% betragen und vorzugsweise mindestens 20%.
- In dem Reaktionsgas können die jeweiligen Volumengehalte an Alkan, Ammoniak und Sauerstoff in weiten Grenzen variieren.
- Der Gehalt an Alkan in dem Reaktionsgas liegt vorzugsweise zwischen 5% und 70%, derjenige an Ammoniak vorzugsweise zwischen 3% und 50% und der von Sauerstoff vorzugsweise zwischen 3% und 45%.
- Im Hinblick auf eine gute Durchführung des Verfahrens der Erfindung sollte die Zusammensetzung der Reaktionsmischung vorzugsweise so gewählt werden, daß sie außerhalb des Explosionsbereiches liegt.
- Ausgehend von Propan wird man eine Mischung erhalten, die im wesentlichen Propylen und Acrylnitril enthält. Das Acrylnitril ist ein industrielles Zwischenprodukt über eine breite Palette und das Propylen ist ein traditioneller Grundstoff, der für die Herstellung von Acrylnitril und verschiedenen anderen, dem Fachmann bekannten Zwischenprodukten verwendet wird.
- Ausgehend von Isobutan wird man eine Mischung erhalten, die im wesentlichen Methacrylnitril und Isobuten oder n-Butene enthält.
- Das Verfahren gemäß der Erfindung eignet sich ganz besonders für die Ammoxidation von Propan.
- Wenn das eingesetzte Alkan auch von technischer Qualität sein kann, so sollte es keine größeren Mengen an ethylenisch ungesättigten Verbindungen umfassen. So enthält das eingesetzte Propan im allgemeinen nur geringe Mengen von Propylen, beispielsweise unter 10%.
- Das Verfahren gemäß der Erfindung wird in Form einer Reaktion in der Dampfphase realisiert. Demzufolge kann irgendeine Vorrichtung, die sich für die Realisierung von Reaktionen der Ammoxidation oder der Oxidation in der Dampfphase eignet, verwendet werden. Das Verfahren kann kontinuierlich oder diskontinuierlich geführt werden und es kann die Anwendung eines festen Bettes oder eines fluidisierten Bettes umfassen.
- Die Temperatur der Reaktion liegt im allgemeinen zwischen 300ºC und 550ºC und vorzugsweise zwischen 400ºC und 500ºC.
- Der Gesamtdruck der Reaktionsmischung kann über dem atmosphärischen Druck liegen oder mit ihm gleich sein. Er liegt im allgemeinen zwischen 1 und 6 bar, vorzugsweise zwischen 1 und 4 bar. Der Gasdurchsatz wird in der Weise fixiert, daß die stündliche Volumengeschwindigkeit zwischen 100 und 36000 h&supmin;¹ beträgt, vorzugsweise zwischen 200 und 20000 h&supmin;¹.
- Die stündliche Volumengeschwindigkeit definiert sich als das Verhältnis Gesamtgasvolumen/Katalysatorvolumen/Stunde.
- Selbstverständlich wird der Fachmann seinerseits einen Kompromiß zwischen der Temperatur, dem Gasdurchsatz, der genauen Beschaffenheit des eingesetzten Katalysators und den verschiedenen anderen Parametern unter Berücksichtigung seiner Produktionsziele finden.
- Der in dem Verfahren zur Ammoxidation von Alkanen verwendete Katalysator kann nur ein oder auch mehrere gemischte Oxide von Vanadium, Antimon und Eisen enthalten, wie sie vorstehend definiert wurden, die die aktive Phase des Katalysators bilden, oder außerdem ein mineralisches Oxid wie beispielsweise Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Siliciumaluminiumoxid, Zirkoniumdioxid, Ceroxid, Magnesiumoxid, Titanoxid, Nioboxid umfassen, auf das die genannte aktive Phase aufgebracht oder mit dem die aktive Phase vermischt wird, unter Anwendung der verschiedenen, dem Fachmann bekannten Techniken, wie Imprägnierung oder Ablagerung durch "Slurry".
- Die katalytische Phase, die von der aktiven Phase allein oder von der auf ein Mineraloxid aufgebrachten oder mit dem genannten Mineraloxid vermischten aktiven Phase gebildet wird, kann anschließend in eine Masseform oder in einen besonderen Zustand gebracht werden, sie kann somit in Form von Pulver oder beispielsweise in Form von Kügelchen, Pastillen, Extrudaten, zerbrochenen Teilchen nach verschiedenen bekannten Techniken verwendet werden.
- Für eine Durchführung des Verfahrens im Festbett können diese Techniken beispielsweise die Tablettierung oder die Umhüllung auf einem inerten Substrat oder auf einem keramischen oder metallischen Substrat vom monolithischen Typ sein.
- Für eine Durchführung des Verfahrens im bewegten Bett oder im fluidisierten Bett wird die katalytische Phase im allgemeinen durch Versprühen, Trocknen und Kalzinierung in Form gebracht. Die katalytischen Phasen können beispielsweise durch Pressen in Form gebracht werden, so daß man Tabletten erhält. Diese Tabletten können anschließend gegebenenfalls zu Splittern zerstoßen werden. Die genauen Werte für den Druck, den Durchmesser und die Dicke der Tabletten sowie die Granulometrie der Splitter können vom Fachmann in Abhängigkeit vom zulässigen Chargenverlust im Reaktor ausgewählt werden.
- Eine Variante zur Herstellung der katalytischen Phase kann darin bestehen, die Synthese der aktiven Phase und ihr Aufbringen auf ein mineralisches Oxid oder ihr Vermischen mit dem genannten mineralischen Oxid in einer einzigen Stufe zu realisieren.
- Die katalytischen Phasen können ebenfalls auf ein inertes Substrat aufgebracht werden oder dieses umhüllen. Die Beschaffenheit dieses Substrates ist nicht kritisch, sobald es gegenüber den Reaktanden unter den gewählten Reaktionsbedingungen chemisch inert ist. Als Beispiele für geeignete Substrate, die sich für die Herstellung der im Rahmen des Verfahrens gemäß der Erfindung verwendeten Katalysatoren eigen, kann man nennen: Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Siliciumaluminiumoxid, gefritteten Ton, Carborund, Magnesiumoxid, Magnesiumsilicat, Diatomeenerde. Dieses Substrat ist vorzugsweise nicht porös und kann insbesondere auf der Basis eines feuerfesten Oxides in besonderer Form gebildet werden, wobei das am meisten verwendete Substrat auf der Basis von Ton besteht. Dieses Substrat kann beispielsweise aus inerten, vollen, festen und rauhen Tonkügelchen mit einem Durchmesser zwischen 0,5 mm und 6 mm bestehen. Der genaue Wert für den Durchmesser der Teilchen kann in Abhängigkeit vom zulässigen Chargenverlust im Reaktor ausgewählt werden. Dieses Substrat kann ebenfalls durch Emaillieren nicht porös gemacht werden.
- Dieses Substrat kann ebenfalls ein keramisches Substrat sein, das vorzugsweise in Form einer inerten und rauhen Struktur vom monolithischen Typ vorliegt, die Kanäle oder Leitungen aufweist. Derartige Träger sind gut bekannt und in der Literatur ausführlich beschrieben. Die verwendeten keramischen Substrate sind außerdem solche, die als hauptsächliches Material Cordierit, Aluminiumoxid, Mullit, Porzellan, Borcarbid oder Silicium umfassen.
- Diese Substrate können ebenfalls aus einem metallischen Substrat bestehen und sie sind gut bekannt. Die geeigneten metallischen Substrate sind insbesondere solche, die ausgehend von Legierungen von Eisen, Nickel oder Chrom erhalten werden, oder solche, die ausgehend von Legierungen von Eisen, Chrom, Aluminium und Kobalt erhalten werden, wie sie unter der Marke KANTHAL bekannt sind, oder solche, die ausgehend von Legierungen von Eisen, Chrom, Aluminium und Yttrium zugänglich sind, bekannt unter der Marke FECRALLOY. Das Metall kann außerdem Kohlenstoffstahl oder einfaches Gußeisen sein.
- Wenn man auf einen umhüllten Katalysator zurückgreift, so kann die Menge der katalytischen Phase in weiten Grenzen variieren und in der Praxis zwischen 1 Gew.-% und 50 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 5 Gew.-% und 35 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtheit von Substrat + katalytische Phase.
- So können einige Katalysatoren, die für eine Durchführung des Verfahrens im Festbett nützlich sind, durch Umhüllung der als Zwischenprodukt oder Fertigprodukt in zerkleinerter Form vorliegenden katalytischen Phasen in an sich bekannter Weise erhalten werden. Diese klassische Methode besteht darin, rund um die inerten, aber rauhen Kügelchen herum eine Schicht von der als Zwischenprodukt oder Fertigprodukt vorliegenden katalytischen Phase aufzubringen. Wenn die Kügelchen mit der gewünschten Menge an katalytischer Phase bedeckt sind, werden sie an warmer Luft bei einer Temperatur zwischen 70ºC und 150ºC während 30 Minuten getrocknet und anschließend in einen Ofen gebracht, um bei einer Temperatur zwischen 300ºC und 600ºC, vorzugsweise zwischen 450ºC und 500ºC während mindestens 3 Stunden kalziniert zu werden.
- Einige Katalysatoren, die für eine Durchführung des Verfahrens im bewegten Bett oder im fluidisierten Bett nützlich sind, können nach der an sich bekannten Technik des Versprühens in die Atmosphäre, vorzugsweise in eine nicht reduzierende, erhalten werden. Durch eine derartige Operation, gegebenenfalls gefolgt von einer Kalzinierung bei einer Temperatur in der Größenordnung von 400ºC bis 800ºC, erhält man Pulver in sphärischer Form mit einem Durchmesser zwischen 5 um und 700 um. Die Pulver bestehen mindestens zu 80 Gew.-% aus Teilchen mit einem Durchmesser zwischen 5 um und 200 um und sind im Rahmen einer Anwendung im fluidisierten Bett bevorzugt.
- Die katalytische Phase, allein oder auf die beschriebene Weise in eine Masseform oder in einen besonderen Zustand gebracht, bildet den Katalysator.
- Die Produkte der Reaktion können aus den abströmenden Gasen durch jedes geeignete Mittel gewonnen werden. Die abströmenden Gase können beispielsweise einen Kondensator passieren, der verdünnte Schwefelsäure enthält, um das nicht umgesetzte Ammoniak zu neutralisieren. Die Gase können anschließend eine gekühlte Absorptionskolonne passieren, um das Acrylnitril, das Acetonitril und die Cyanwasserstoffsäure zu kondensieren, wobei die nicht kondensierten Dämpfe hauptsächlich nicht umgesetztes Propan, Propylen, leichte Kohlenwasserstoffe und gegebenenfalls CO&sub2; enthalten. Anschließend kann man das Acrylnitril und die Cyanwasserstoffsäure vom Acetonitril durch Destillation abtrennen und danach die gewonnene Mischung Acrylnitril/Cyanwasserstoffsäure ihrerseits destillieren, um das Acrylnitril von der Cyanwasserstoffsäure zu trennen.
- Die folgenden Beispiele veranschaulichen die vorliegende Erfindung.
- Man stellt eine Lösung von 7,77 g FeCl3,56H&sub2;O, 3,05 g Vanadylacetylacetonat und 17,22 g SbCl&sub5; in 100 ml einer wäßrigen Lösung von Chlorwasserstoffsäure mit einer Konzentration von 15 Gew.-% her. Anschließend wird die Lösung tropfenweise in 500 ml einer wäßrigen Lösung gegossen, die Ammoniumacetat (2 mol/Liter) enthält, um einen anfänglichen pH-Wert in der Größenordnung von 7,0 zu erhalten. Während der Fällung der gemischten Oxide von V, Sb und Fe neigt der pH-Wert dazu, sich im Verhältnis der Freisetzung von Chlorwasserstoffsäure und der Anwesenheit von Chlorwasserstoffsäure in der wäßrigen Lösung zu verringern, und er wird daher durch Zusatz einer konzentrierten Lösung von Ammoniak (30 Gew.-%) konstant gehalten.
- Der auf diese Weise gebildete Niederschlag wird durch Filtration isoliert, mit Wasser gewaschen, 12 Stunden lang bei 140ºC getrocknet und anschließend 3 Stunden lang bei 700ºC kalziniert. Die auf diese Weise erhaltene Verbindung der Formel VSb&sub5;Fe2,5Ox wird danach unter einem Druck von 4300 bar gepreßt. Man erhält auf diese Weise Tabletten mit 3 cm Durchmesser und etwa 0,5 cm Dicke. Diese Tabletten werden zu Splittern mit einer Granulometrie zwischen 0,3 und 0,8 cm gebrochen, die den Katalysator (A) in Übereinstimmung mit der Erfindung bilden.
- Man stellt verschiedene gemischte Oxide her, indem man die in Beispiel 1 beschriebene Verfahrensweise verfolgt, jedoch unter Verwendung von unterschiedlichen Mengen an Vanadylacetylacetonat (Beispiele 2 und 5) oder Antimonpentachlorid und Eisen(III)-chlorid (Beispiele 3, 4, 6 und 7).
- Man erhält auf diese Weise die gemischten Oxide gemäß der Erfindung mit den folgenden Formeln:
- Beispiel 2 VSb&sub1;&sub0;Fe&sub5;Ox (Referenz B)
- Beispiel 3 VSb12,5Fe&sub5;Ox (Referenz C)
- Beispiel 4 VSb17,5Fe&sub5;Ox (Referenz D)
- Beispiel 5 VSb&sub2;&sub0;Fe&sub1;&sub0;Ox (Referenz E)
- Beispiel 6 VSb&sub2;&sub5;Fe&sub1;&sub0;Ox (Referenz 57
- Beispiel 7 VSb&sub3;&sub0;Fe&sub1;&sub0;Ox (Referenz G)
- Man stellt eine Lösung von 7,77 g FeCl&sub3;, 6H&sub2;O, 1,52 g Vanadylacetylacetonat und 21,4 g SbCl&sub5; in 100 ml absolutem Ethanol her. Anschließend wird die ethanolische Lösung tropfenweise in 500 ml einer wäßrigen Lösung gegossen, die Ammoniumacetat (2 mol/Liter) enthält, um einen anfänglichen pH-Wert in der Größenordnung von 7,0 zu erhalten. Während der Fällung der gemischten Oxide von V, Sb und Fe neigt der pH-Wert dazu, sich im Verhältnis der Freisetzung von Chlorwasserstoffsäure zu verringern, und er wird daher durch Zusatz einer konzentrierten Lösung von Ammoniak (30 Gew.-%) konstant gehalten.
- Der auf diese Weise gebildete Niederschlag wird durch Filtration isoliert, mit Wasser gewaschen, 12 Stunden lang bei 140ºC getrocknet und anschließend 3 Stunden lang bei 700ºC kalziniert. Die auf diese Weise erhaltene Verbindung der Formel VSb12,5Fe&sub5;Ox wird danach unter einem Druck von 4300 bar gepreßt. Man erhält auf diese Weise Tabletten mit 3 cm Durchmesser und etwa 0,5 cm Dicke. Diese Tabletten werden zu Splittern mit einer Granulometrie zwischen 0,3 und 0,8 cm gebrochen, die den Katalysator (H) in Übereinstimmung mit der Erfindung bilden.
- Men stellt mit der beim Katalysator (H) angewendeten Verfahrensweise, jedoch unter Einsatz von unterschiedlichen Mengen an Eisen(III)-chlorid und Antimonpentachlorid einen Katalysator (J) gemäß der Erfindung her, der die Zusammensetzung VSb&sub2;&sub0;Fe&sub1;&sub0;Ox aufweist.
- Eine Probe von Katalysator, die zuvor bei einer Temperatur von 150ºC unter Spülung mit Helium 10 Minuten lang auf eine Meßstation gebracht wurde, wird anschließend einem Gasstrom ausgesetzt, dessen Zusammensetzung bei jedem Beispiel sehr genau sein wird und der Propan, Ammoniak, Sauerstoff, Helium und gegebenenfalls Wasserdampf umfaßt.
- Der Gesamtdruck der Reaktionsmischung beträgt zwischen 1 bar und 6 bar, und er wird ebenfalls bei jedem Beispiel sehr genau sein. Der Gesamtdurchsatz der Gase wird in der Weise definiert, daß eine stündliche Volumengeschwindigkeit (VVH) zwischen 100 und 36000 h&supmin;¹ vorliegt, deren Wert bei jedem Beispiel genau angegeben wird.
- Volumen der aktiven Phase: 25 cm³
- Das Prinzip des Tests zur Ammoxidation von Propan ist das folgende:
- - man bringt den Katalysator auf eine Temperatur T&sub1;, beispielsweise 310ºC, und nach 30 Minuten Stabilisierung bei der Temperatur T&sub1; bestimmt man durch Gasphasen-Chromatographie die Zusammensetzung der Mischung am Ausgang des Reaktors.
- - Man berechnet den Prozentsatz der mit dem untersuchten Katalysator bei der Eintrittstemperatur T&sub1; erhaltenen Umwandlung und der Selektivitäten nach den Verhältnissen des Typs:
- Umwandlung von Propan (in Mol-%) = umgewandeltes Propan/eingesetztes Propan
- Selektivität an Acrylnitril (in Mol-%) = in Acrylnitril umgewandeltes Propan/umgewandeltes Propan
- - Anschließend bringt man den Katalysator in Schritten von 20ºC von 310ºC auf 550ºC und bestimmt alle 40 Minuten den Prozentsatz der Umwandlung und die Selektivitäten.
- In den nachfolgenden Beispielen zur Ammoxidation werden die folgenden Vereinbarungen angewendet:
- Temp = Reaktionstemperatur
- tc = Kontaktzeit
- TTC&sub3;H&sub6; = Umwandlung von Propan
- SACN = Selektivität an Acrylnitril
- SACN+C&sub3;H&sub8; = Selektivität an Acrylnitril und Propylen
- SAMMOX = Selektivität an Acetonitril, an Cyanwasserstoffsäure und an anderen Nebenprodukten der Ammoxidation
- Prod ACN = Produktivität an Acrylnitril, ausgedrückt in g gebildetes Acrylnitril/Liter Katalysator x Stunde
- Die Ergänzung der Selektivitäten zu 100% entspricht der Bildung von CO und CO&sub2; sowie gegebenenfalls von Methan, Ethan und Ethylen.
- Man führt die Ammoxidation von Propan wie vorstehend beschrieben durch, unter Verwendung der aus den erfindungsgemäß hergestellten gemischten Oxiden A, B, C, D, E, F, G, H und J bestehenden aktiven Phasen als Katalysatoren.
- Die besonderen Durchführungsbedingungen sind die folgenden:
- - stündliche Volumengeschwindigkeit = 1800 h&supmin;¹ oder 3600 h&supmin;¹ oder 7200 h&supmin;¹
- - Gesamtdruck = 1,3 bar
- - volumenmäßige Zusammensetzung der Reaktionsmischung:
- C&sub3;H&sub8; = 25%
- NH&sub3; = 10%
- O&sub2; = 20%
- He = 45%
- Die Temperaturbedingungen und die erhaltenen Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 1 zusammengefaßt. Tabelle 1
Claims (16)
1. Verfahren zur Herstellung eines gemischten Oxides, umfassend
Vanadium, Antimon und Eisen, das der folgenden empirischen Formel
entspricht
VSbaFebOx (I)
in der
- a eine ganze oder gebrochene Zahl von gleich oder höher
0,1 darstellt,
- b eine ganze oder gebrochene Zahl von gleich oder höher
0,5 darstellt,
- x eine ganze oder gebrochene Zahl darstellt, die durch den
Oxidationsgrad der anderen Elemente bestimmt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
- die Verbindungen von jeweils Vanadium, Antimon und Eisen
in Lösung in mindestens einem gesättigten Alkohol gebracht
werden,
- die auf diese Weise erhaltene alkoholische Lösung in
Kontakt mit einer wäßrigen Lösung gebracht wird, die ein
Ammoniumsalz enthält, um das gemischte Oxid auszufällen,
- das erhaltene gemischte Oxid abgetrennt und kalziniert
wird.
2. Verfahren zur Herstellung eine gemischten Oxides, umfassend
Vanadium, Antimon und Eisen, das der folgenden empirischen Formel
entspricht
VSbaFebOx (I)
in der
- a eine ganze oder gebrochene Zahl von gleich oder höher
0,1 darstellt,
- b eine ganze oder gebrochene Zahl von gleich oder höher
0,5 darstellt,
- x
eine ganze oder gebrochene Zahl darstellt, die durch den
Oxidationsgrad der anderen Elemente bestimmt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
- die Verbindungen von jeweils Vanadium, Antimon und Eisen
in Lösung in einer wäßrigen, sauren Lösung mit einem
pH-Wert von unterhalb oder gleich 2 gebracht werden,
- die auf diese Weise erhaltene wäßrige Lösung in Kontakt
mit einer wäßrigen Lösung gebracht wird, die ein
Ammoniumsalz enthält, um das gemischte Oxid auszufällen,
- das erhaltene gemischte Oxid abgetrennt und kalziniert
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die für
die Herstellung der wäßrigen, sauren Lösung verwendete Säure jede
starke Mineralsäure oder organische Säure ist, die fähig ist,
eine Lösung mit einem pH-Wert von unterhalb oder gleich 2 und
vorzugsweise einem pH-Wert von 0,5 bis 1 zu ergeben.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die für die Herstellung der wäßrigen, sauren Lösung
verwendete Säure unter Chlorwasserstoffsäure,
Bromwasserstoffsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure, Trifluoressigsäure ausgewählt
wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die lösliche Verbindung des Vanadiums unter
Vanadylacetylacetonat, Vanadyltrichlorid, Vanadiumtrifluorid,
Vanadiumtetrafluorid, Vanadiumpentafluorid, Vanadiumtribromid,
Vanadiumdichlorid, Vanadiumtrichlorid, Vanadiumtetrachlorid,
Vanadiumtriiodid ausgewählt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die lösliche Verbindung des Antimons unter
Antimonpentachlorid, Antimontrichlorid, Antimontribromid, Antimontrifluorid,
Antimontriiodid, Antimontrioxid, Antimonhydrid
ausgewählt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die lösliche Verbindung des Eisens unter
Eisendichlorid, Eisentrichlorid, Eisendibromid, Eisentribromid,
Eisendiiodid, Eisen(II)-nitrat, Eisen(II)-sulfat, Eisen(III)-sulfat,
Eisen(II)-thiosulfat, Eisen(III)-formiat, Eisen(III)-acetat,
Eisen(IIT)-acetylacetonat, Eisen(III)-benzoat, Eisen(III)-oleat,
Eisen(II)-lactat, Eisen(III)-lactat ausgewählt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 5, 6 oder 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die eingesetzten gesättigten Alkohole Alkanole
und Cycloalkanole sind, vorzugsweise Alkanole mit 1 bis 6
Kohlenstoffatomen und Cyclohexanol.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die erhaltene alkoholische oder wäßrige Lösung
anschließend mit einer wäßrigen Lösung eines Ammoniumsalzes
vermischt wird, so daß die gemischten Oxide ausfallen, vorzugsweise
mit einer wäßrigen Lösung eines Ammoniumcarboxylates, von
Ammoniumoxalat, Ammoniumcarbonat, Ammoniumhydrogenphosphat, die
ermöglichen, einen pH-Wert zwischen 5 und 9, vorzugsweise in der Nähe
von 7 zu erhalten.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man
den pH-Wert der Lösung auf einem Wert von nahe 7 hält, indem man
schrittweise die bei der Fällung des gemischten Oxides gebildete
oder von der eingesetzten wäßrigen Lösung stammende Azidität mit
Hilfe einer basischen Verbindung, durch schrittweise
kontrollierte Zugabe von Ammoniak, neutralisiert.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die gemischten Oxide nach ihrer Abtrennung einer
Kalzinierung bei einer Temperatur von 400ºC bis 800ºC
unterzogen werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß es bei der Herstellung von gemischten Oxiden der
allgemeinen Formel (I) angewendet wird, in der
- a eine ganze oder gebrochene Zahl von gleich oder unter
100 und vorzugsweise eine ganze oder gebrochene Zahl von
0,5 bis 50 darstellt,
- b eine ganze oder gebrochene Zahl von gleich oder unter
100 und vorzugsweise eine ganze oder gebrochene Zahl von
1 bis 50 darstellt,
- x eine ganze oder gebrochene Zahl darstellt, die durch den
Oxidationsgrad der anderen Elemente bestimmt wird.
13. Verwendung eines festen Katalysators, erhalten durch ein
Verfahren zur Herstellung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, in
einem Verfahren zur Ammoxidation von Alkanen in der Dampfphase.
14. Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die
Alkane, die 3 bis 12 Kohlenstoffatome pro Molekül umfassen, unter
Propan und Isobutan ausgewählt und in der Dampfphase mit Ammoniak
und Sauerstoff zur Reaktion gebracht werden.
15. Verwendung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch
gekennzeichnet, daß in dem reaktiven Gas, das aus Alkan, Ammoniak,
und Sauerstoff besteht, der Gehalt an Alkan zwischen 5% und
70%, der Gehalt an Ammoniak zwischen 3% und 50% und der Gehalt
an Sauerstoff zwischen 3% und 45% betragen.
16. Verwendung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß die Temperatur der Reaktion zwischen 300ºC und
550ºC liegt.
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