DE2063174A1 - Process for the production of unsaturated hydrocarbons with the aid of a zirconium oxide catalyst - Google Patents
Process for the production of unsaturated hydrocarbons with the aid of a zirconium oxide catalystInfo
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Description
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1Α-38 9391-38,939
Beschreibung zu der PatentanmeldungDescription of the patent application
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Verfahren zur Herstellung von ungesättigten Kohlenwasserstoffen mit Kilfe eines Zirkonoxid-KatalysatorsProcess for the production of unsaturated hydrocarbons with the help of a zirconium oxide catalyst
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung ungesättigter Kohlenwasserstoffe durch katalytisches Dampferacken von gesättigten KohlenwasserstoffenThe present invention relates to a process for the production of unsaturated hydrocarbons by catalytic Steam puffs of saturated hydrocarbons
besonders/ und auf hierfür geeignete Katalysatoren. Sie betrifft em Verfahren zur Herstellung von Äthylen und Propylen durch Dampferacken von gesättigten Kohlenwasserstoffen in Gegenwart einee Zirkonoxid-Katalysators.especially / and on suitable catalysts. It affects em Process for the production of ethylene and propylene by steaming saturated hydrocarbons in the presence a zirconia catalyst.
10982(7/187410982 (7/1874
Äthylen und Propylen werden üblicherweise durch thermisches Cracken höherer Kohlenwasserstoffe, wie leichtem Naphtha in Gegenwart von Dampf hergestellt. Dieses Verfahren des Dampfcrackens wird normalerweise so durchgeführt, daß man das Dampf-Kohlenwasserstoff-Gemisch durch leere Rohrg leitet, die auf eine Temperatur oberhalb von 8000C in der Crackzone erhitzt sind. Bei Verwendung von leichtem Naphtha als Ausgangsmaterial entstehen bei einem typischen Dampfcrack-Verfahren 18 Gew.-fi Methan und Wasserstoff, 32 Gew.-^ Äthylen, 5 Gew.-^ Äthan, 18 Gew.-^ Propylen, 5 Gew.-$ Butadien, 4 Gew.-$ Butylen und 18 Gew.-^ Benzin/Treibstoff, jeweils bezogen auf das Ausgangsmaterial.Ethylene and propylene are commonly produced by thermal cracking of higher hydrocarbons such as light naphtha in the presence of steam. This method of steam cracking is normally carried out so that one-hydrocarbon vapor mixture passes through the empty Rohrg which are heated to a temperature above 800 0 C in the cracking zone. When using light naphtha as the raw material process steam cracking -fi methane and hydrogen, 32 wt .- ^ ethylene, 5 wt .- ^ ethane, 18 wt .- ^ propylene, 5 wt .- $ butadiene arise 18 percent in a typical. , 4% by weight of butylene and 18% by weight of gasoline / fuel, each based on the starting material.
Die hohe Temperatur und der starke Wärmefluß in der Crackzone stellen hohe Anforderungen an die Materialien des Reaktors. Darüber hinaus ist das erforderliche Verhältnis zwischen Raumgeschwindigkeit, Temperaturverteilung, Druckabfall in dem System und linearer Geschwindigkeit von verhältnismäßig großer Bedeutung und erfordert wesentliche Vorarbeiten im halbtechnischen Maßstab.The high temperature and the strong heat flow in the cracking zone place high demands on the materials of the Reactor. In addition, there is the required relationship between space velocity, temperature distribution, pressure drop in the system and linear velocity is of relatively great importance and requires substantial preparatory work on a semi-industrial scale.
Es ist auch bekannt, ungesättigte Kohlenwasserstoffe durch katalytisches Cracken von höheren gesättigten Kohlenwasserstoffen bei Temperaturen von 500 bis 7000C unter Verwendung von Siliciumoxid-Aluminiumoxid-Katalysatoren herzustellen. Diese Verfahren werden jedoch durch Kohlenstoffabscheidungen auf dem Katalysator, die laufend während des Verfahrens entferntwerden müssen, sehr mühsam.It is also known to produce unsaturated hydrocarbons by catalytic cracking of higher saturated hydrocarbons at temperatures of 500 to 700 ° C. using silicon oxide-aluminum oxide catalysts. However, these processes become very cumbersome with carbon deposits on the catalyst which must be continually removed during the process.
Es wurde kürzlich in der französischen Patentschrift 1 127 494 beschrieben, daß Katalysatoren, die für das Dampferacken geeignet sind, fähig sein sollten, die C-C-Bindungen der Kohlenwasserstoff-Ketten aufzuspalten und die Reaktion zwischen Dampf und Kohlenstoff zu beschleunigen, und daß sie darüber hinaus eine geringe Dehydrierungs-Aktivität besitzenIt was recently described in French patent specification 1,127,494 that catalysts used for steam baking are suitable, should be able to split the C-C bonds of the hydrocarbon chains and the reaction between steam and carbon, and that they also have a low dehydrating activity
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sollen. Die zuletzt genannte Eigenschaft ist wichtig, da eine zu hohe Dehydrierungs-Aktivität zur Bildung von freiem Kohlenstoff führt". Es wurde auch vorgeschlagen, daß diese wünschenswerten Eigenschaften durch Kombination von Zirkonoxid mit einem oder einer Reihe von anderen Oxiden, wie den Oxiden der seltenen Erden, Antimonoxid und inaktiven Oxiden, die reich an Magnesiumoxid sind, erreicht werden könnten. Weitere Oxide, die gegebenenfalls in kleinen Mengen in dem Katalysator enthalten sein können, sind Eisen-, Aluminium-? Kupfer^ Calcium-, Barium-; Silicium-und Titanoxid. Es wird dort gesagt, daß ein stabiler Katalysator, der zu keiner Kohlenstoffabscheidung führt, eine geringe Porosität und eine spezifischeshould. The latter property is important because too much dehydration activity leads to the formation of free carbon It has also been suggested that these desirable properties can be achieved by combining zirconia with one or a number of other oxides, such as the rare earth oxides, antimony oxide, and inactive oxides, the rich in magnesium oxide could be achieved. Other oxides, optionally in small amounts in the catalyst may contain are iron, aluminum? Copper ^ Calcium, barium; Silicon and titanium oxide. It is said there that a stable catalyst that does not lead to carbon deposition has a low porosity and a specific
Oberfläche im Bereich von 0,02 - 1 m /g besitzt, erhalten werden kann durch Erhitzen eines Gemisches von Zirkonoxid und anderen Oxiden auf eine Temperatur von mindestens 13000G. Diese Behandlung soll zu einer Lösung der Oxide durch Feststoff-Diffusion führen.Surface in the range of 0.02-1 m / g can be obtained by heating a mixture of zirconium oxide and other oxides to a temperature of at least 1300 ° C. This treatment should lead to a solution of the oxides by solid diffusion.
In Beziehung auf die Herstellung und Verwendung von Zirkonoxid-Kaxalysatoren bestehen jedoch Probleme. Es ist bekannt, das Oxidpulver zu Perlen der gewünschten Größe und Form zusammenzupressen und eine geeignete mechanische Festigkeit der Perlen durch Erhitzen auf eine Temperatur oberhalb von 1000 C oder sogar 13000G zu erreichen. Reines Zirkonoxid unterliegt jedoch bei ungefähr 10000C einer reversiblen allotropen Umwandlung, die zu einer beachtlichen Änderung des Volumens (ungefähr 9^) führt. Diese Voluiuenänderung besitzt eine nachteilige Wirkung auf ciie mechanischen Eigenschaften der Katalysa uorteilchen, und es ist datier notwendig, das Zirkonoxid in eine stabilisierte Form überzuführen. Das kann durch Reaktion mit bestimmten inaktiven Oxiden, wie Magnesiumoxid erreicht werden. Es ist bekannt, daß diese Reaktion durch die Gegenwart bestimmter anderer Oxide, wie Oxide der seltenen Erden, z.B. Lanthanoxid,beschleunigt wird.However, there are problems related to the manufacture and use of zirconia analyzer. It is known to compress the oxide powder into beads of the desired size and shape and to achieve a suitable mechanical strength of the beads by heating at a temperature above 1000 C or even 1300 0 G. However, pure zirconium oxide is subject to a reversible allotropic transformation at approximately 1000 ° C., which leads to a considerable change in volume (approximately 9 ^). This change in volume has an adverse effect on the mechanical properties of the catalyst particles, and it is now necessary to convert the zirconium oxide into a stabilized form. This can be achieved by reacting with certain inactive oxides such as magnesium oxide. It is known that this reaction is accelerated by the presence of certain other oxides, such as rare earth oxides, for example lanthanum oxide.
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4 L --j o J ι 4 4 L --j o J ι 4
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von ungesättigten Kohlenwasserstoffen, wie z.B. Äthylen und Propylen, durch Dampfcracken von gesättigten Kohlenwasserstoffen in Gegenwart eines Zirkoncxid-Katalysators zu entwickeln, der durch ein Verfahren heraesteilt worden ist, dasdas Erhitzen auf eine Temperatur unterhalb von 10000C umfaßt, wobei noch eine deutliche Abscheidung von Kohlenstoff auf dem Katalysator vermieden wird.It is an object of the present invention, a method for producing unsaturated hydrocarbons such as ethylene and propylene, to develop by steam cracking of saturated hydrocarbons in the presence of a Zirkoncxid catalyst which has been esteilt by a method fro a, dasdas heating to a temperature below 1000 0 C, a significant deposition of carbon on the catalyst is still avoided.
Es hat sich jetzt gezeigt, daß ein Erhitzen des Katalysators auf Temperaturen oberhalb von 1000 C und gleichzeitige Reaktion aes Zirkonoxids mit einem oder mehreren inaktiven Oxiden nicht notwendig ist, wenn mindestens ein Teil des Ausgangsmaterials, aus dem der Zirkonoxid-Katalysator hergestellt worden ist, aus amorphen Zirkonoxid und/oder einer Zirkonverbindung, aie beim Erhitzen in amorphes Zirkonoxid übergeführt wird, besteht.It has now been shown that heating the catalyst to temperatures above 1000 C and simultaneous Reaction of a zirconium oxide with one or more inactive oxides is not necessary if at least one Part of the starting material from which the zirconium oxide catalyst has been produced from amorphous zirconium oxide and / or a zirconium compound which is converted into amorphous zirconium oxide when heated.
Es hat sich weiter gezeigt, daß die Beständigkeit geeenüber der Kohlenstoffabscheidung eines derartigen Zirkonoxid-Katalysators wesentlich verbessert werden kann durch Zusatz einer Alkalimetallverbindung zu dem Katalysator. Diese beschleunigende Wirkung einer Alkaliverbindung ist von anderen Dampfkohlenwasserstoff-Heaktionen in Gegenwart eines Katalysators bekannt.It has further been found that the resistance can be ge e enüber of carbon deposition of such a zirconium oxide catalyst substantially improved by addition of an alkali metal compound to the catalyst. This accelerating effect of an alkali compound is known from other steam hydrocarbon reactions in the presence of a catalyst.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von ungesättigten Kohlenwasserstoffen, wie Äthylen und Propylen durch katalytische Gasreaktion, bei der ein Ausgangsmaterial, das im wesentlichen aus gesättigten Kohlenwasserstoffen besteht, bei einer Temperatur unterhalb von 1100 C und einem Druck von 0,1 bis 50 Atmosphären in Gegenwart von zusätzlichem Dampf mit einem Zirkonoxid-Katalysator umgesetzt wird, der aus einem Ausgangsmaterial hergestellt woraen ist, aas zumindest teilweise amorphes Zirkonoxid ist und/oder eine- Zirkonverbindung, die sich beim Erhitzen in amorphesThe present invention relates to a process for the production of unsaturated hydrocarbons such as ethylene and propylene by gas catalytic reaction using a feedstock consisting essentially of saturated hydrocarbons consists, at a temperature below 1100 C and a pressure of 0.1 to 50 atmospheres in the presence of additional steam is reacted with a zirconium oxide catalyst made from a raw material is, aas is at least partially amorphous zirconium oxide and / or a zirconium compound, which when heated in amorphous
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Zirkcnoxid umwandelt, wobei der Sirkonoxid-Katalysator 0,1 bis 10 5e;v.-fo einer Alkaliverbindung, berechnet als Oxid, enthält.Converts zirconium oxide, the sirconium oxide catalyst 0.1 to 10 5e; v.-fo of an alkali compound, calculated as oxide.
Die Erfindung cetrifft auch einen Katalysator zur Herstellung von ungesättigten Kohlenwasserstoffen, wie Äthylen und propylen, aus gesättigten Kohlenwasserstoffen in Gegenwart vcn Dampf, der aus einem Ausgangsmaterial hergestellt worden ist, vor. dem zumindest ein Teil an er ph es Zirkcnoxid und/oder eine Zirk^nvercindung, die sich beim irh^tzen in amorphes Zirkcnoxid umv.ancelt, ist, wobei dieser Katalysator 0,1 bis 10 wew.-^j, berechnet als ^xid, einer .al.kaliveroir.dung enthält.The invention also relates to a catalyst for manufacture of unsaturated hydrocarbons such as ethylene and propylene, from saturated hydrocarbons in the presence vcn steam produced from a starting material has been before. at least a part of the zirconium oxide and / or a circular connection that occurs when etching in amorphous zirconium oxide umv.ancelt, is this catalyst 0.1 to 10 wew .- ^ j, calculated as ^ xid, an .al.kaliveroir.dung contains.
Sei einer cevcrzufcten Ausführungsfcrm cies erfindungsgemci£en Verfahrens wir α die reaktion bei einer Temperatur im Bereich vcn 200 bis 90C0O, vorzugsweise im Bereich von 500 eis 850 0 durchgeführt. Ls ist auch vorzuziehen, l;rucke iiu Bereic:. vcn 1 bis 15 Atmosphären, gemessen am Auslaß des Reaktors, anzuwenden.Is a cevcrzu fc th Ausführungsfcrm cies erfindungsgemci £ en procedure we α the reaction at a temperature in the range 200 to 90C VCN 0 O, preferably in the range of 500 ice 850 0 performed. Ls is also preferable to l ; jerk iiu area :. from 1 to 15 atmospheres measured at the outlet of the reactor.
Das üusgangsmaterial kann aus einem einzigen gesättigten Kohlenwasserstoff oder einem Semisch von gesättigten Kohlenwasserstoffen bestehen, und es kann einen kleineren Anteil vcn ungesättigten Kohlenwasserstoffen enthalten, wenn das für die herstellung der gewünschten Produkte erforderlich ist. G-eeignete Kohlenwasserstoffe sind u.a. Propan, Butan, sowie flüssige Kohlenwasserstoffe, wie leichtes l^aphtiia und sofcar Rohöle. Bei aem erfindungsgemäßen VerfsJr-ren und Katalysator stört das Vorhandensein von Schwefel nicht, der sogar erwünscht sein kann, da er die freie xuetallooeriläche des Reaktors schützen kann. Jer Schwefel kann ursprünglich in dem Ausgangsaaterial vorx.an^en sein oaer er kann in Form des freien Elements oaer in iorm von Vercmaungen, wie organischen SchwelelvfcrLincungen, üchweielwasserstoff und Schwelelkox-ienstoif zugesetzt weraer..The feedstock can consist of a single saturated hydrocarbon or a mixture of saturated hydrocarbons, and it can contain a minor proportion of unsaturated hydrocarbons if necessary for the manufacture of the desired products. G-eeignete hydrocarbons include propane, butane, and liquid hydrocarbons such as light l ^ aphtiia and so fc ar crudes. In the case of a process and catalyst according to the invention, the presence of sulfur does not interfere, which may even be desirable since it can protect the free metal surface of the reactor. The sulfur can originally be present in the starting material or it can be added in the form of the free element or in the form of compounds, such as organic carbonising compounds, sulphurous hydrogen and carbon dioxide.
τ» a/·...·/·*.· BAOORIQiNAL - 6 10 93^7/197^τ »a / · ... · / · *. · BAOORIQiNAL - 6 10 93 ^ 7/197 ^
2 O G 3 1 7 A2 O G 3 1 7 A
Es sollte soviel Dampf augesetzt werden, daß"sich" in dem Reaktor ein Gewichtεverhältnis von Dampf zu Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterial von 0,01 bis 10 ergibt. Das Ver-"' hältnis sollte vorzugsweise so niedrig wie möglich sein, damit gerade noch eine deutliche Kohlenst .off abescheidnung auf dem Katalysator vermieden wird, z.B. 0,1 bis 1,0.So much steam should be exposed that "is" in the reactor a weight ratio of steam to hydrocarbon feedstock gives from 0.01 to 10. The ratio should preferably be as low as possible so Just a clear carbon deposit on the Catalyst is avoided, e.g. 0.1 to 1.0.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei niedrigen Temperaturen arbeiten und die geringe erforderliche Energie ergibt eine hohe thermische Effektivität. Die an die ausrüstung zu stellenden Anforderungen werden dadurch vermindert, was zu geringeren Kosten und auch, zu einer geringeren Angreifbarkeit der Materialien bei dem Verfahren führt. Die Form/ Arbeitserfordernisse sind weniger streng, was zu größerer Flexibilität und sicherheit, verglichen mit dem thermischen Crack-Prozeß,führt.The method according to the invention can work at low temperatures and the low energy required results in a high thermal effectiveness. The requirements to be placed on the equipment are thereby reduced, which leads to lower costs and also to a lower vulnerability of the materials in the process. The shape / work requirements are less stringent, which leads to greater flexibility and safety compared to the thermal cracking process.
Der Katalysator ist ein Zirkonoxid-Katalysator, der aus einem Ausgangsmaterial hergestellt woraen ist, von dem mindestens ein Teil amorphes Zirkonoxid oder eine Zirkonverbindung, die sich beim Erhitzen in amorphes Zirkonoxid um-""-""' wandelt, ist. Das Ausgangsgemisch wird in Pulverform hergestellt und dann in Teile der gewünschten Form und Große gepreßt. Die notwendige Festigkeit wird während der Wärmebehandlung erhalten. Der erfindungsgemaß verwendete Katalysator kannThe catalyst is a zirconia catalyst that is made from a starting material, at least part of which is amorphous zirconium oxide or a zirconium compound, which turn into amorphous zirconium oxide when heated - "" - "" ' walks, is. The starting mixture is produced in powder form and then pressed into parts of the desired shape and size. The necessary strength is obtained during the heat treatment. The catalyst used in the present invention can
ausgezeichnete lüecnanische Eigenschaften durch eine einfache Wärmebehandlung unterhalb von 10000C, vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 700 bis 90O0C,erhalten. Auf diese Weise werden die Probleme, die durch die allotrope umwandlung von Zirkonoxid bei ungefähr 10000C auftreten, vermieden. Dieses Ergebnis wurde durch die Gegenwart von amorphem Zirkonoxid in den Katalysatorteilchen während der Wärmebehandlung erreicht.excellent Lüecnanische properties by a simple heat treatment below 1000 0 C, preferably at a temperature in the range from 700 to 90O 0 C, obtained. In this way, the problems that occur due to the allotropic conversion of zirconium oxide at approximately 1000 ° C. are avoided. This result was achieved by the presence of amorphous zirconia in the catalyst particles during the heat treatment.
Wenn Katalysatorteilchen nur aus kristallinem Zirkonoxid hergestellt werden, erreichen sie keine entsprechendeIf catalyst particles are made from crystalline zirconia only, they will not achieve equivalent
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mechanische Festigkeit durch Erhitzen auf Temperaturen unterhalb von 100O0C. Das liegt daran, daß die Zirkonoxid-Kristalle nicht miteinander zu reagieren beginnen, solange die Temperatur nicht wesentlich höher liegt als 10000G. „eixn jeuoch amorphes Zirkonoxid zugegen ist, beginnt aie äeaktion bei Temperaturen, aie sehr viel unter 100O0C liegen. Das amorphe Zirkonoxid kann entweder in dem pulverförmiger* Ausgangsmaterial, aus dem aie Kaoalysatorteilchen hergestellt worden sind, enthalten sein oder es kann während des Erhitzens durch Umwandlung einer Zirkonverbindung, .die in dem pulverförmigen Ausgangsmaxerial enthalten ist, entstehen. Beispiele für Zirkonverbindungen, die beim Erhitzen in amorpnes Zirkonoxid übergeführt werden, sind basisches Zirkoncarbonat und Zirkonhydroxid. mechanical strength by heating to temperatures below 100O 0 C. This is because that the zirconia crystals do not begin to react with each other, as long as the temperature is not much higher than 1000 G. 0 "eixn jeuoch amorphous zirconium oxide is present, begins aie äeaktion at temperatures aie very much are at 100O 0 C. The amorphous zirconium oxide can either be contained in the powdery starting material from which the analyzer particles have been produced, or it can be formed during heating by converting a zirconium compound contained in the powdery starting material. Examples of zirconium compounds which are converted into amorphous zirconium oxide when heated are basic zirconium carbonate and zirconium hydroxide.
Das Molverhältnis von amorphem Zirkonoxid zu Gesamtzirkonoxid ist nicht sehr kritisch. Das Verhältnis kann so gering wie 10?S sein, oder es kann aas gesamte Zirkonoxid in Form von amorphem Zirkonoxid oder einer Zirkonverbindung, aie sich beim Erhitzen in amorphes Zirkonoxid umwandelt, vorliegen. Der Anteil sollte vorzugsweise mindestens *\5°/o betragen. The molar ratio of amorphous zirconia to total zirconia is not very critical. The ratio can be as low as 10 µS, or all of the zirconia can be in the form of amorphous zirconia or a zirconium compound that converts to amorphous zirconia when heated. The proportion should preferably be at least * \ 5 %.
Es ist wichtig, daß sich während der Verwendung beim Dampferacken von Kohlenwasserstoffen kein Kohlenstoff auf dem Zirkonoxid-Katalysator ansammelt. Es ist bekannt, daß Alkalimetalle die Heaktion zwischen Kohlenstoff und Dampf beschleunigen, und die Gegenwart einer Alkaliνerbindung in dem Zirkonoxid-Katalysator führt zu einer Verringerung oder Vermeidung der Ablagerung von Kohlenstoff. Es hat sich gezeigt, daß eine Menge von 0,1 bis 10 Gew.-% Alkaliverbindung, berechnet als Oxid, die Abscheidung von Kohlenstoff wirksam verhindert, wobei der bevorzugte Bereich von 0,3 bis 7 Gew.-# Alkali, berechnet als Oxid, beträgt. Die Alkaliverbindung kann auf verschiedene Weisen zugegeben werden. Sie kann zu dem pulverförmigen Ausgangsmaterial zugegeben werden oder sie kann zu dem Katalysator nach der Wärmebehandlung durch Imprägnieren It is important that carbon does not build up on the zirconia catalyst during use in steam-cracking hydrocarbons. It is known that alkali metals accelerate the reaction between carbon and steam, and the presence of an alkali compound in the zirconia catalyst tends to reduce or avoid the deposition of carbon. It has been found that an amount of 0.1 to 10 wt -.% Alkali metal compound calculated as oxide, the deposition of carbon is effectively prevented, with the preferred range of 0.3 to 7 wt .- # alkali metal, calculated as oxide , amounts to. The alkali compound can be added in various ways. It can be added to the powdery starting material or it can be added to the catalyst after the heat treatment by impregnation
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mit einer lösung einer Alkaliverbindung zugesetzt werden. Sie kann auch zu dem Katalysator in Form eines Alkalimetall-Dampfes oder eines Dampfes einer Alkaliverbindung zugesetzt werden. Beispiele für geeignete Alkaliverbindungen sind die Nitrate, Oxide und Hydroxide. Besonders geeignet sind Kaliumverbindungen. . · can be added with a solution of an alkali compound. It can also be added to the catalyst in the form of an alkali metal vapor or a vapor of an alkali compound can be added. Examples of suitable alkali compounds are Nitrates, oxides and hydroxides. Potassium compounds are particularly suitable. . ·
Die' Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert. .The invention is illustrated by the following examples explained in more detail. .
Die Zusammensetzung und die Eigenschaften der Katalysatoren der Beispiele 1 bis 6 sind in der Tabelle I angegeben. Die Beispiele 1, 2 und 3 zeigen Vergleichskatalysatoren und die Beispiele 4, 5 und 6 erfindungsgemäße Katalysatoren. Die genaue Herstellung der einzelnen Katalysatoren wird im folgenden beschrieben.The composition and the properties of the catalysts of Examples 1 to 6 are given in Table I. Examples 1, 2 and 3 show comparative catalysts and Examples 4, 5 and 6 show catalysts according to the invention. The exact preparation of the individual catalysts is described below.
321 g eines nassen Filterkuchens aus basischem Zirköiicarbonat, der 46 Gew.-$ Zirkon, berechnet als Oxid, enthielt, wurden in 4,2 1 Wasser zusammen mit 39 g Siliciumdioxid und 169 g Magnesiumoxid suspendiert. 130 g Lanthannitrat, La(NO,,), .6 HpO, wurden in der Suspension gelöst. Dann wurde ein.geringer Überschuß von konzentriertem wäßrigen Ammoniak zugegeben, um das Hydroxid auszufällen. Die entstehende Suspension wurde filtriert und gewaschen. Der Filterkuchen wurde 16 h bei 15O0C getrocknet und 4 h in einer Kugelmühle zusammen mit 4 Gewe-$ Graphit und 3 Gew.-$> Cellu-' losefasern vermählen. Das entstehende Pulver wurde zu . Tabletten mit einer Höhe und einem Durchmesser von 9 mm gepreßt und 2h bei 1TOp0C gebrannt.321 g of a wet filter cake of basic zirconium carbonate containing 46% by weight of zirconium, calculated as oxide, were suspended in 4.2 l of water together with 39 g of silicon dioxide and 169 g of magnesium oxide. 130 g of lanthanum nitrate, La (NO ,,), .6 HpO, were dissolved in the suspension. A slight excess of concentrated aqueous ammonia was then added to precipitate the hydroxide. The resulting suspension was filtered and washed. The filter cake was dried for 16 hours at 15O 0 C and 4 hours in a ball mill together with 4 percent by e - milled loose fibers $ graphite, and 3 wt .- $> cellulose '. The resulting powder turned to. Compressed tablets with a height and a diameter of 9 mm and calcined at 1TOp 0 C for 2 hours.
400 g kristallines Zirkonoxid wurden mit 17 g Graphit400 g of crystalline zirconium oxide were mixed with 17 g of graphite
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und 13 g Cellulosefasern vermischt und 4 h in einer Kugelmühle gemahlen. Anschließend wurde das Gemisch zu Tabletten mit einer Höhe und einem Durchmesser von 9 mm gepreßt. Die Tabletten wurden dann bei 85O0C gebrannt. Die gebrannten Tabletten besauen nahezu keine mechanische Festigkeit und zerfielen beim Handhaben zu einem Pulver, so daß kein Versuch mit diesem Katalysator'durchgeführt wurde.and 13 g of cellulose fibers mixed and ground in a ball mill for 4 hours. The mixture was then compressed into tablets with a height and a diameter of 9 mm. The tablets were then fired at 85O 0 C. The burned tablets have almost no mechanical strength and disintegrated into a powder when handled, so that no experiment was carried out with this catalyst.
870 g eines nassen Filterkuchens aus basischem Zirkoncarbonat, der 46 Gew.->", berechnet als Oxid,enthielt, wurde 16 h bei 1500C getrocknet. Die getrocknete Substanz wurde mit 17 Gramm Graphit und 13 g Cellulosefasern vermischt und 4 h in einer Kugelmühle gemahlen. Anschließend wurde das Gemisch zu Tabletten geformt. Die Tabletten wurden dann 2 h bei 8500C gebrannt. Der entstehende Katalysator bestand aus praktisch reinemZrO2*870 g of a wet filter cake made of basic zirconium carbonate which contained 46% by weight, calculated as oxide, was dried for 16 h at 150 ° C. The dried substance was mixed with 17 g of graphite and 13 g of cellulose fibers and for 4 h in one ball mill. Subsequently, the mixture was formed into tablets. the tablets were then calcined 2 hours at 850 0 C. the resulting catalyst consisted of practically reinemZrO 2 *
Eine Suspension wurde aus 320 g ZrO2 in 5 1 Wasser bei 650C hergestellt. Anschließend wurden 27ö Zr(NO3). · 5 H2O hierin gelöst. Zu diesem Gemisch wurden 226,5 g NH.HCO, zugegeben. Die .ausfällung dauerte 15 min. Das Gemisch wurde dann 1 h gerührt und anschließend filtriert. Der Niederschlag wurde gut mit Wasser gewaschen. Dieser Niederschlag wurde 16 h bei 12O0C und anschließend 1 h bei 4000C getrocknet. Der getrocknete Niederschlag wurde mit 17 g Graphit und 13 g Cellulosefasern vermischt und 1 h in einer Kugelmühle vermählen» Anschließend wurde das Gemisch zu Tabletten geformt. Die Tabletten wurden dann 2 h auf 8500C erhitzt. 125 ml dieser Tabletten wurden mit einer lösung von 35 g KNO^ in 100 ml Wasser imprägniert und anschließend weitere 2 h bei 4000C gebrannt. Der entstehende Katalysator enthielt 6 Gew.-?o K, A suspension was prepared from 320 g of ZrO 2 in 5 1 of water at 65 0 C. This was followed by 27ö Zr (NO 3 ). · 5H 2 O dissolved therein. 226.5 g of NH.HCO were added to this mixture. Precipitation took 15 minutes and the mixture was stirred for 1 hour and then filtered. The precipitate was washed well with water. This precipitate was for 16 hours at 12O 0 C and then dried for 1 hour at 400 0 C. The dried precipitate was mixed with 17 g of graphite and 13 g of cellulose fibers and ground in a ball mill for 1 hour. The mixture was then shaped into tablets. The tablets were then heated to 850 ° C. for 2 h. 125 ml of these tablets were impregnated with a solution of 35 g of KNO ^ in 100 ml of water and then burned at 400 ° C. for a further 2 hours. The resulting catalyst contained 6 wt .-? O K,
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Dieser,Katalysator wurde entsprechend Katalysator 5 hergestellt mit der Ausnähme, daß sich die Tabletten während des 2 Stunden langen Brennens "bei 85O0C in unmittelbarer Iahe · :This catalyst was prepared in accordance with catalyst 5 with the exception that the tablets during the 2 hours long burning "at 85O 0 C in the immediate vicinity ·:
en/ einer kaliumoxidhaltigen Substanz befand. Auf diese Weise' wurde Kalium über die Dampfphase auf den Katalysator übertragen. Der entstehende Katalysator enthielt 0,4 Gew.-r-fo Kalium, berechnet als Oxid.en / a substance containing potassium oxide. In this way potassium was transferred to the catalyst via the vapor phase. The resulting catalyst contained 0.4% by weight r-fo potassium, calculated as the oxide.
217 kg einer wäßrigen Paste von basischen Zirkoncarbonat, die 46 Gew.-^ Zirkon, berechnet als Oxid, enthielt, wurde in ^ 500 1 Wasser suspendiert. 14,5kg Kaliumnitrat wurden in"der"" Suspension gelöst, die dann zu einem Pulver getrocknet würde. Das Pulver wurde mit 4 kg Graphit und 3 kg Cellulosefaserh vermischt und zu Ringen mit einem äußeren Durehmesper von 1b mm, einem inneren Durchmesser von 6 mm und einer Höhe von" 10 mm gepreßt. Die,Ringe, wurden schließlich 2 h-bei 85O0C gebrannt. Der entstehende Zirkonoxid-Katalysator. enthielt 6,7 Gew.-^ Kalium, berechnet als Oxid. \Z 217 kg of an aqueous paste of basic zirconium carbonate containing 46% by weight of zirconium, calculated as oxide, was suspended in 500 l of water. 14.5 kg of potassium nitrate were dissolved in "the" suspension, which was then dried to a powder. The powder was mixed with 4 kg of graphite and 3 kg of cellulose fiber to form rings with an outer diameter of 1 mm and an inner diameter of 6 mm and pressed to a height of "10 mm. Those rings were finally calcined for 2 hours at 85O 0-C. The resulting zirconium oxide catalyst. contained 6.7 wt% potassium calculated as oxide. \ Z
Untersuchung der Katalysatoren im Labormaßstab " " ' Investigation of the catalysts on a laboratory scale ""'
Alle Katalysatoren,außerdem nach Beispiel 2 hergestellten^ wurden in einem elektrisch beheizten Röhrenreaktor mit einem inneren Durchmesser von 25 mm untersucht· Die Katalysator- . !Tabletten oder ^ringe wurden zerstoßen und 125, ml einer Siebfraktion von 5 bis 4 mm wurde in den Reaktor gegeben. ;:An-:.. schließend wurde ein Gemisch aus Kohlenwasserstoff und ,Dampf mit einem eventuellen Dampf-zu-Kohlenv/asserstpff-Gewichtsverhältnis von 0,4 eingeleitet. Das Dampf-Kohlenwasserstoff-Gemisch wurde zunächst durch einen Vorerhitzer und dann ..durch den Reaktor geleitet, wobei die Kaumgeschwindigkeit 4*2 Plüssigkeitsvolumina zu Volumen Katalysator . h betrug.All catalysts, also prepared according to Example 2 ^ were examined in an electrically heated tubular reactor with an inner diameter of 25 mm. The catalyst. Tablets or rings were crushed and 125 ml of a sieve fraction of 5 to 4 mm was placed in the reactor. ;: Arrival: .. closing a mixture of hydrocarbon and steam was introduced at a possible steam to Kohlenv / asserstpff weight ratio of 0.4. The steam-hydrocarbon mixture was first passed through a preheater and then ... through the reactor, the low velocity being 4 * 2 volumes of liquid to volume of catalyst. h was.
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Das Ausgangsmaterial ging von oben nach unten durch den Reaktor. Die Temperatur betrug am oberen Ende des Katalysators 59O0C, in der Mitte und am unteren Ende des Katalysatorbetts 75O°C... Das aus dem Reaktor austretende Gemisch wurde durch in den Auslaß ües Reaktors eingespritztes Wasser abgeschreckt und die Zusammensetzung des austretenden gasförmigen Produktes wurde gaschromatographisch bestimmt. Es wurden 2 verschiedene Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterialien, verwendet, wovon das eine dichte Naphtha-Fraktion mit einer gewichtsmäßigen Zusammensetzung von 24,1$ Isopentan, 53,6$ η-Pentan, 13,5$ Isobexan, 5,65a η-Hexan und 3,2$ Aromaten und das andere im wesentlichen reines n-Heptan war. Die Ausbeute an Äthylen ist im allgemeinen höher, wenn man von Heptan ausgeht, als wenn man von Naphtha ausgeht. Die Ausbeuten von 2 verschiedenen Katalysatoren können daher nur dann verglichen werden, wenn das gleiche Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterial verwendet wird. Weitere Einzelheiten der Versuche und ihrer Ergebnisse sind in der Tabelle II angegeben.The starting material went through the reactor from top to bottom. The temperature was at the upper end of the catalyst 59 ° 0 C, in the middle and at the lower end of the catalyst bed 75O ° C ... The light emerging from the reactor mixture water injected was quenched by TUs in the outlet of the reactor and the composition of the outgoing gaseous product was determined by gas chromatography. Two different hydrocarbon starting materials were used, one of which was a dense naphtha fraction with a composition by weight of 24.1 $ isopentane, 53.6 $ η-pentane, 13.5 $ isobexane, 5.65a η-hexane and 3 , 2 $ aromatics and the other was essentially pure n-heptane. The ethylene yield is generally higher when starting from heptane than when starting from naphtha. The yields of 2 different catalysts can therefore only be compared if the same hydrocarbon starting material is used. Further details of the experiments and their results are given in Table II.
Der Katalysator 2 (Vergleichskatalysator) wurde aus kristallinem Zirkonoxid ohne Zusatz von amorphem Zirkonoxid oder einer Verbindung, die sich beim Erhitzen in amorphes Zirkonoxid umwandelt, hergestellt. Daher erhielt dieser Katalysator beim Erhitzen auf 8500C keine mechanische Festigkeit und es konnten damit keine Versuche durchgeführt werden.The catalyst 2 (comparative catalyst) was prepared from crystalline zirconium oxide without adding amorphous zirconium oxide or a compound which converts to amorphous zirconium oxide when heated. This catalyst therefore did not receive any mechanical strength when heated to 850 ° C. and no tests could be carried out with it.
Der Katalysator 1 (Vergleichskatalysator) besaß eine Zusammensetzung, bei der ein stabiler Katalysator entstehen sollte, der nach dem Erhitzen auf 13000C gegenüber Kohlenetoff-Ablagerung stabil sein sollte. Bei dem vorliegenden Beispiel wurde versucht, ob ein Erhitzen auf eine so hohe Temperatur vermieden werden könnte, wenn man den Katalysator aus basischem Zirkoncarbonat herstellte. Obwohl bei 11000C eine auereichende Festigkeit erhalten wurde, besaß er keine Stabilität gegenüber einer Kohlenstoff-Abscheidung.The catalyst 1 (Comparative Catalyst) had a composition in which a stable catalyst should arise, which should be stable after heating at 1300 0 C against Kohlenetoff deposition. In the present example, an attempt was made to see if heating to such a high temperature could be avoided by making the catalyst from basic zirconium carbonate. Although except calibrating strength was obtained at 1100 0 C, he had no stability towards carbon deposition.
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109 6^7/197 4109 6 ^ 7/197 4
Der katalysator 3 (Vergleichskatalysator) wurde gemäß der Erfindung hergestellt, mit der Ausnahme, daß kein Alkali in der Katalysatormasse enthalten war. folglich besaß der Katalysator eine geringe Widerstandsfähigkeit gegenüber eier Kohlenstoff-Abscheidung.The catalyst 3 (comparative catalyst) was according to of the invention, with the exception that no alkali was included in the catalyst mass. consequently the possessed Catalyst has a low resistance to eggs Carbon deposition.
Die restlichen Katalysatoren 4S 5 und 6 entsprechen der vorliegenden Erfindung. Sie besitzen alle eine ausreichende Festigkeit und ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber der Kohlenstoff-Abscheidung ist zufriedenstellend, da praktisch kein Kohlenstoff auf dem Katalysator gefunden wurde, nachdem er einige 100 h verwendet worden war.The remaining catalysts 4 S 5 and 6 in accordance with the present invention. They all have sufficient strength and their resistance to carbon deposition is satisfactory since virtually no carbon was found on the catalyst after it was used for several hundred hours.
Der Katalysator 6 wurde auch im halbtechnischen Maßstab in einem Röhrenreaktor untersucht, der auf eine Lange von 6 m erhitzt war und einen inneren Durchmesser von 30 mm besaß. 40 1 des Katalysators 6 wurden in den Reaktor gegeben. Der Reaktor wurde mit einer Reihe von Ölbr.ennern erhitzt. In diesen Reaktor wurden 200 kg/h einer Faphtha-Fraktion mit einem Siedebereich von 38 bis 1120C, die weniger als 0,2 Vol.-Aromaten und 1 bis 2 YoI,-fo Naphthene enthielt, eingeleitet. Außerdem wurden 120 kg/h Dampf in den Reaktor eingeleitet, was ein Dampf-zu-liaphtha-Gewichtsverhältnis von 0,6 ergab. Der Einlaßdruck betrug 10,9 ata, der Auslaßdruck 1,5 ata. Die Temperatur betrug am Einlaß 5100C, in der Mitte 75O0C und am Auslaß 8250C. Die Anlage arbeitete unter diesen Bedingungen 490 h, wobei man eine mittlere Ausbeute, bezogen auf das Kohlenwasseretoff-Ausgangsmaterialjvon 29,5 Gew.-^ Cp^4J 18,9 Gew.-# C3K6, 10,0 Gew.~?ö C4E8, 5,2 Gew.-$ C4H6, 17,7 Gevi. CH4, 6,8 Gew.-$> C2H6, 2,5 Gew.-^ CO2, 7,0 Gew.-# gesättigte Kohlenwasserstoffe mit einer Kohlenstoffanzahl von mehr als 4 und 1,5 Gew.-5ε H2 erhxielt. Während des Versuchs trat kein Anzeichen einer Kohlenstoff-Ansammlung auf dem Katalysator auf und nach dem Versuch fanden sich nur 2 bis 3 Gew.-5» C auf dem Katalysator, was absolut zulässig ist. - 13 _The catalyst 6 was also examined on a pilot-scale in a tubular reactor heated to a length of 6 m and an internal diameter of 30 mm. 40 liters of the catalyst 6 were added to the reactor. The reactor was heated with a series of oil burners. Into this reactor were 200 kg / h of a Faphtha fraction having a boiling range of 38-112 0 C, less than 0.2 parts by volume of aromatic compounds and 1 to 2 Yoi, -fo naphthenes containing initiated. In addition, 120 kg / h of steam were introduced into the reactor, giving a steam to liaphtha weight ratio of 0.6. The inlet pressure was 10.9 ata and the outlet pressure was 1.5 ata. The temperature at the center was at the inlet of 510 0 C, 75O 0 C and outlet 825 0 C. The unit was operated under these conditions for 490 hours while an average yield, based on the Kohlenwasseretoff-Ausgangsmaterialjvon 29.5 wt .- ^ Cp ^ 4 J 18.9 wt .- # C K 3 6, 10.0 wt. ~? ö C 4 e 8, 5.2 wt .- $ C 4 H 6, 17.7 Gevi. CH 4 , 6.8% by weight > C 2 H 6 , 2.5% by weight CO 2 , 7.0% by weight of saturated hydrocarbons with a carbon number of more than 4 and 1.5% by weight H 2 obtained. During the experiment there was no sign of carbon accumulation on the catalyst and after the experiment only 2 to 3% by weight were found on the catalyst, which is absolutely permissible. - 13 _
1098^7/19741098 ^ 7/1974
Katalysator Nr,Catalyst no,
Molverhältnis amorphes ZrO2Q q zu Gesamt-ZrO2,f$) *Molar ratio of amorphous ZrO2 Q q to total ZrO 2 , f $) *
Spezifische Oberflächespecific surface
7,5 -- 4,5 1,37.5-4.5 1.3
Porosität, (vol. -$>) 36 - 39 32 * 40Porosity, (vol. - $>) 36 - 39 32 * 40
C. Wt .- $> ZrO 0
C.
1098^7/197*1098 ^ 7/197 *
!Tabelle II! Table II
Versuch' Nr. A B O B E Attempt 'No. A BOBE
Katalysator Nr. 1. -54 5 .6Catalyst No. 1. -54 5 .6
Druek,(ata) · " 2,0 1,5 1,3 1,3 1,3 Ausgangsmaterial Heptan Heptan Naphtha Heptan Heptan Ausbeute*: Gew.-JiDruek, (ata) · "2.0 1.5 1.3 1.3 1.3 Starting material heptane heptane naphtha heptane heptane Yield *: weight percent
Bauer des Versuchs,(h)Pawn of trial, (h)
Kohlenstoff; auf^ dem Katalysator, (Gew. -'Carbon; on ^ the Catalyst, (wt.
* Bezogen ams das-Kohlenwasserstofi-Ausgangsmaterial* Based on the hydrocarbon feedstock
Patentansprüche ' - 15 - Claims ' - 15 -
109 8^7/1974109 8 ^ 7/1974
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