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DE2219736B2 - Verfahren zum Isomerisieren von bestimmten n-Paraffinen oder einer bestimmten Leichtbenzinfraktion - Google Patents

Verfahren zum Isomerisieren von bestimmten n-Paraffinen oder einer bestimmten Leichtbenzinfraktion

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Publication number
DE2219736B2
DE2219736B2 DE2219736A DE2219736A DE2219736B2 DE 2219736 B2 DE2219736 B2 DE 2219736B2 DE 2219736 A DE2219736 A DE 2219736A DE 2219736 A DE2219736 A DE 2219736A DE 2219736 B2 DE2219736 B2 DE 2219736B2
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DE
Germany
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catalyst
mordenite
reaction
weight
hydrogen
Prior art date
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Granted
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DE2219736A
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English (en)
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DE2219736C3 (de
Inventor
Tomonori Yokohama Shioiri
Sinji Kawasaki Takase
Masaru Kawasaki Ushio
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Eneos Corp
Original Assignee
Nippon Oil Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Nippon Oil Corp filed Critical Nippon Oil Corp
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Publication of DE2219736B2 publication Critical patent/DE2219736B2/de
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Isomerisieren von η-Paraffinen mit 4 bis 7 Kohlenstoffatomen oder einer Leichtbenzinfraktion mit einem Siedebereich von 10 bis 9O0C bei Temperaturen von 100 bis 3000C und einem Druck bis etwa 90 bar in Gegenwart von Wasserstoff und einem natürlichen oder synthetischen Mordenit in der Wasserstoff- oder Ammoniumform, dem als Bindemittel ein hochschmelzendes anorganisches Oxid in einem Anteil von 0 bis 9 Teilen pro Teil MonJenit zugesetzt worden ist, und auf dem 0,01 bis 5 Gew.-% Platin oder Palladium, berechnet als Metall, aufgetragen worden sind, als Katalysator.
Für Benzin als Treibstoff werden verschiedene Eigenschaften gefordert, einschließlich eines bestimmten Destillationsverhaltens, fehlender Korrosionswirkung und geeigneter Flüchtigkeit. Unter diesen Eigenschaften wird eine hohe Oktanzahl als wesentlich angesehen.
Benzin stellt ein Gemisch aus zahlreichen verschiedenen Kohlenwasserstoffen dar; der überwiegende Anteil stellt gesättigte Kohlenwasserstoffe dar.
Zur Verwendung in einem hochgezüchteten Benzinmotor wird ein Benzin benötigt, welches in der niedersiedenden Komponente niedermolekulare gesättigte Kohlenwasserstoffe mit hohen Oktanzahlen enthält, wie beispielsweise Isopentane und Isohexane, denn es ist erforderlich, daß das verwendete Benzin in sämtlichen Destillaten hohe Oktanzahlen aufweist.
In der Erdöl-Raffinationstechnik wurden verschiedene Verfahren zum Isomerisieren von gesättigten Kohlenwasserstoffen zur Bildung von stark verzweigten Kohlenwasserstoffen ausgearbeitet und zum praktisehen Einsatz gebracht
All die^p Isomerisierungsverfahren sind unter Verwendung eines Katalysators durchgeführte katalytische Isomerisierungsprozesse. Die in diesen Verfahren verwendeten Katalysatoren können grob in drei
ίο Klassen eingeteilt werden: Metallhalogenid-Katalysatoren des Friedel-Crafts-Typs wie Aluminiumchlorid oder Aluminiumbromid, die in Kombination mit wasserfreiem Chlorwasserstoff oder Bromwasserstoff verwendet werden; sogenannte Katalysatoren mit doppelter Funktion, die eine Metallkomponente mit hydrierender Funktion, wie Nickel, Platin oder Palladium, auf einem hochschmelzenden Oxyd als Träger, wie Aluminiumoxyd oder Siliziumdioxyd-Aluminiumoxyd enthalten; und kombinierte Platin-AIuminiumoxyd-Halogenid-Katalysatoren.
Wenn bei der Isomerisierungsreaktion von Kohlenwasserstoffen, die mehr als fünf Kohlenstoffatome (mehr als Pentan) enthalten, ein Katalysator verwendet wird, der überwiegend aus einem Metallhalogenid, wie Aluminiumchlorid, besteht, so ist die Isomerisierungsreaktion von Nebenreaktionen, wie Polymerisation, Kondensation, Disproportionierung und Cyclisierung und einer raschen Verschlechterung des Katalysators begleitet Darüber hinaus erfordert der stark korrosive Katalysator die Verwendung einer korrosionsbeständigen Legierung für die Hauptteile der Vorrichtung. Außerdem ist es nachteilig, daß der von der Vorrichtung abgezogene Aluminiumchlorid-Schlamm beispielsweise durch Neutralisation oder Verbrennung unschädlich gemacht werden muß.
Andererseits erfordern sogenannte Katalysatoren mit doppelter Funktion, wie Platin-Aluminiumoxyd, die von den angegebenen Nachteilen von Aluminiumchlorid-Katalysatoren frei sind, die Verwendung einer relativ hohen Temperatur zur Durchführung der Reaktion, damit eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit erzielt wird.
Bekanntlich ist die Zusammensetzung von Paraffinkohlenwasserstoffisomeren beim thermodynamischen Gleichgewicht um so günstiger im Hinblick auf das stark verzweigte Isomere, je niedriger die Temperatur ist. Infolgedessen wird die Oktanzahl des Produkts, das bei dem Verfahren unter Verwendung eines Katalysators mit doppelter Funktion, der eine hohe Reaktionstemperatur erfordert, erzielt wird, in gleicher Weise durch das thermodynamische Gleichgewicht bestimmt, wie die Zusammensetzung des Produkts im Hinblick auf die Temperatur.
Obwohl kombinierte Platin-Aluminiumoxyd-Katalysatoren, die durch Methoden, wie Sublimation oder Tränken mit Aluminiumchlorid imprägniert wurden, und von denen angenommen wird, daß sie in Kombination die Vorteile von Aluminiumchlorid-Katalysatoren, bei niedrigen Temperaturen aktiv zu sein und
M) die Vorteile von zweifach-funktionellen Katalysatoren, frei von korrosiver Wirkung zu sein, keinen Aktivator, wie Chlorwasserstoff, zu erfordern und keinen störenden Schlamm zu erzeugen, aufweisen, sich bei relativ niederen Temperaturen wirksam erwiesen haben, wobei
br> nur wenig Nebenreaktionen auftreten, und obwohl sie den beiden vorher genannten Katalysatoren überlegen sind, haben sie gewisse Nachteile. Diese Nachteile bestehen darin, daß der Katalysator vergiftet wird,
wenn nicht der Wassergehalt des Ausgangskohlenwasserstoffes unter einigen Teilen pro 1 000 000 Teilen gehalten wird und daß die Regenerierung des verbrauchten Katalysators nicht leicht durchgeführt werden kann.
In neuerer Zeit haben kristalline Aluminosilikate des Zeolith-Typs Aufmerksamkeit erregt als Träger, der Aluminiumoxyd oder Siliziumdioxyd-Aluminiumoxyd überlegen ist Es hat sich gezeigt, daß aus einer Kombination von Platin und kristallinem Aluminosilikat des Zeolith-Typs bestehende Katalysatoren hohe katalytische Aktivitäten besitzen. Nach den Ausführungen von J. A. Rabo, P. E. Pickart und R. L Maize ist ein Katalysator MB 5390, hergestellt vom Department of Molecular Sieve Products of Linde Corporation, Tonawanda, N. Y, USA, wasserbeständig und kann in wirksamer Weise für die Isomerisierungsreaktion von n-Pentan und η-Hexan bei einer Reaktionstemperatur von 335 bis 340° C angewendet werden (Industrial and Engineering Chemistry, Bd. 53, Nr. 9, S. 735 [1961]). Auf Grund des Röntgendiagramms und der chemischen Analyse wurde der Katalysator als dekationisiertes Molekularsieb Y, auf das eine geringe Menge an Palladium aufgetragen ist, charakterisiert (Noboru Yamamoto, Katsundo Fujii und Yoshitaka Demaru, journal of Petroleum Society of Japan, Bd. 9, Nr. 7, S. 531 [1966]).
Um Kohlenwasserstoffe mit hohen Oktanzahlen zu erzielen, sind jedoch Katalysatoren erwünscht, die bei niederen Temperaturen wirksam sind.
Ein weiteres kristallines Aluminosilikat des Zeolith-Typs, das als Katalysator verwendet werden kann, ist Mordenit Mordenit-Katalysatoren, die eine metallische Hydrierungskomponente enthalten, wie Platin oder Palladium, sind bei etwas niedrigeren Temperaturen wirksam, wie die später gegebenen Vergleichsbeispiele zeigen. Im Hinblick auf die Verbesserung der Oktanzahl besteht jedoch ein Bedarf für Katalysatoren, die bei weit niedrigeren Temperaturen Wirksamkeit aufweisen.
Die Verwendung eines solchen Mordenit-Katalysators in der Wasserstofform, der eine metallische Hydrierungskomponente, wie Platin, enthält, zur Isomerisierung von geradkettigen Paraffinen ist beispielsweise aus der DE-AS 14 68 991 und der AT-PS 2 54 836 bekannt.
Um die Aktivität von Platin-Aluminiumoxyd-, Palladium-Aluminiumoxyd- und anderen Katalysatoren mit zweifacher Funktion für die Isomerisierungsreaktion zu erhöhen, sind verschiedene Methoden bekannt. Dazu gehören (1) die Anlagerung von Aluminiumchlorid durch Sublimation oder durch Tränken, (2) die Einführung von Halogenen durch Umsetzen des Katalysators mit Halogenierungsmitteln wie CCl4, S2Cl2, SOCl2 oder POCl2. Ein Versuch hat gezeigt, daß diese Katalysatoren bei einer niedrigeren Temperatur wirksam sind, nämlich bei 165° C. Alle diese Katalysatoren sind jedoch so stark hygroskopisch wie das vorher erwähnte Aluminiumchlorid und bei Berührung mit Feuchtigkeit wird ihre katalytische Aktivität so stark vermindert, daß eine Wiederherstellung der Aktivität durch übliche Methoden, wie Trocknen oder Kalcinieren unmöglich wird.
Andererseits hat die Anmelderin ein Verfahren gefunden, das ermöglicht, durch Umsetzung mit einem haiogenierten Kohlenwasserstoff ein Halogen in ein kristallines Aluminosilikat des Zeolith-Typs einzuführen (DE-OS 20 10 551). Dieses Verfahren wird jedoch nur auf kristallines Aluminosilikat des Faujasit-Typs angewendet, nicht jedoch auf Mordenit.
Sowohl Mordenit als auch Faujasit werden mineralogisch in die Klasse der Aluminosilikaie des Zeolith-Typs eingeteilt; beide Materialien unterscheiden sich jedoch in ihren Eigenschaften, wie der chemischen Zusammensetzung, der Kristallstruktur und der Reaktivität gegenüber haiogenierten Kohlenwasserstoffen. Insbesondere unterliegt Mordenit, der einen weit geringeren Anteil an Aluminium enthält als Faujasit, nicht so leicht wie Faujasit der Halogenierung und wenn er halogeniert wird, erreicht er nicht einen so hohen Halogengehalt wie Faujasit
So wurde beispielsweise bei einem Versuch zur Halogenierung eines handelsüblichen Reformier-Katalysators, bestehend aus im wesentlichen 100% Aluminiumoxyd, auf das Platin aufgetragen ist, mit CCU (3. Welt-Erdölkongreß, Amsterdam 1964, A. G. Goble und P.A. Laurance), leicht ein Katalysator mit einem Chlorgehalt von 13,6% erzielt Durch Behandlung von Zeolith des Faujasii-Typs mit CCl2F2 erhält man einen Zeolith mit einem Gehalt an 0,12% Fluor und 0,16% Chlor.
Die Halogenierung von Mordenit mit sehr niedrigem Aluminiuingehalt im Vergleich mit Zeolith des Faujasit-Typs ist schwierig durchzuführen und aus diesem Grund war es unerwartet, daß die Kombination mit einem Halogen in einer Menge möglich ist die ausreicht, um die katalytische Aktivität zu verbessern. So beträgt das Molverhältnis von Siliziumdioxyd zu Aluminiumoxyd (SiO2/Ai2O3) 2 bis 5 bei Zeolith des Faujasit-Typs und über 9 bei Mordenit Dieser spezielle Fall der Halogenierung war zumindest bei Mordenit nicht bekannt
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfugung zu stellen, welches ermöglicht, die Isomerisierungsreaktion bei niederen Temperaturen in Gegenwart eines Katalysators hoher Aktivität durchzuführen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Isomerisieren von η-Paraffinen mit 4 bis 7 Kohlenstoffatomen oder einer Leichtbenzinfraktion mit einem Siedebereich von 10 bis 90° C bei Temperaturen von 100 bis 300° C und einem Druck bis etwa 90 bar in Gegenwart von Wasserstoff und einem natürlichen oder synthetischen Mordenit in der Wasserstoff- oder Ammoniumform, dem als Bindemittel ein hochschmelzendes anorganisches Oxid in einem Anteil von 0 bis 9 Teilen pro Teil Mordenit zugesetzt worden ist, und auf dem 0,01 bis 5 Gew.-% Platin oder Palladium, berechnet als Metall, aufgetragen worden sind, als Katalysator, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Mordenit ein Molverhältnis von S1O2/AI2O3 von 9 bis 50 aufweist und daß der Katalysator bei einer Temperatur im Bereich von Raumtemperatur bis 600° C, gegebenenfalls in Gegenwart von Wasserdampf, mit einem Fluor und gegebenenfalls Chlor enthaltenden Halogenkohlenwasserstoff bis zu einer Halogenaufnahme von 0,05 bis 13,0 Gew.-% behandelt worden ist.
Der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als
to Katalysator verwendete halogenierte Mordenit ist ein Isomerisierungskatalysator mit überlegenen Eigenschaften im Vergleich mit nicht halogeniertem Mordenit. Bei dem erfindungsgemäß eingesetzten Katalysator hat keinerlei Zerstörung der Kristallstruktur des
t)5 Mordenits durch die Halogenierungsreaktion stattgefunden und der Katalysator ist daher bei niedrigeren Temperaturen wirksamer als die bisher bekannten Mordenit-Katalysatoren. Mit Hilfe des erfindungsgemä-
Ben Verfahrens kann in wirksamer Weise die Isomerisierung von gesättigten Kohlenwasserstoffen durchgeführt werden, um sie in verzweigte gesättigte Kohlenwassei'stoffe oder in ein Gemisch von stärker verzweigten Kohlenwasserstoffen überzuführen.
Darüber hinaus bewirkt das erfindungsgemäße Verfahren die Isomerisierung von in Erdölkohlenwasserstoffen vorliegenden alicyclischen Kohlenwasserstoffen und die Ringöffnung von solchen alicyciischen Kohlenwasserstoffen, wobei diese in aliphatische Kohlenwasserstoffe übergeführt werden. Gegebenenfalls vorliegende aromatische Kohlenwasserstoffe werden durch hydrierende Sättigung der aromatischen Ringe mit Hilfe von Wasserstoff in alicyclische Kohlenwasserstoffe übergeführt, welche dann durch Isomerisierung oder Ringöffnung in gesättigte aliphatische Verbindungen umgewandelt werden.
Erfindungsgemäß werden die Isomerisierung von gesättigten Kohlenwasserstoffen, die Hydrierung von aromatischen Kohlenwasserstoffen und die Isomerisierung oder Ringöffnungsreaktion von alicyclischen Kohlenwasserstoffen bei Verwendung von Mordenit in Kombination mit einer aktiven Metallkomponente mit Hydrierungsfunktion, wie Platin oder Palladium, in wirksamer Weise bei Temperaturen katalysiert, die 60 bis 100° C niedriger sind als bei Verwendung von nicht halogeniertem Mordenit, der die aktive Meiallkomponente der gleichen Art in dem gleichen Mengenanteil enthält.
Bei dem erfindungsgemäßen Isomerisierungsverfahren werden Katalysatoraktivitäten erreicht, die durch das Vorliegen von Feuchtigkeit nicht beeinträchtigt werden, die gewöhnlich in den Ausgangskohlenwasserstoffen enthalten ist. Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Katalysatoren besitzen wirksame und beständige katalytische Aktivität bei Temperaturen, die weit niedriger sind, als bei bisher bekannten Zeolith enthaltenden Katalysatoren und Verfahren zur Isomerisierung gesättigter Kohlenwasserstoffe.
Die Leichtbenzinfraktion mit einem Siedebereich von 10 bis 9O0C kann aus Schieferöl, aus dem Verkoken von Kohle oder Kohlenwasserstoff-Destillaten aus der Fischer-Tropsch-Synthese durch Reaktion von Wasserstoff und Kohlenmonoxid stammen.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann Benzin mit überlegenen Antiklopfeigenschaften erhalten werden.
Als Ausgangsmaterial für die erfindungsgemäß eingesetzten Katalysatoren kann entweder natürlicher oder synthetischer Mordenit verwendet werden. Als Beispiel für natürlichen Mordenit ist der in Shiraishi City, Miyagi Prefecture, Japan, gewonnene Mordenit zu erwähnen. Synthetische Mordenite sinrl die durch Norton Corporation unter der Handelsbezeichnung Zeolon Na und unter der Handelsbezeichnung Zeolon H vertriebenen Produkte. Diese Mordenite sollen lediglich als Beispiele gegeben werden: die erfindungsgemäß geeigneten Mordenite sind jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt.
Natürlicher Mordenit enthält häufig austauschbare Kationen, wie Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium, Strontium oder andere Metallkationen. In den meisten Fällen hat der Mordenit eine geringe Adsorptionsfähigkeit für Verbindungen mit einer Molekulargröße von mehr als 5 Ä. Dies ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, daß die Porenöffnungen in dem Mordenit nicht groß genug sind, um so große Moleküle eintreten oder austreten zu lassen.
Es ist bekannt, daß Mordenit mit diesen kleinen Porenöffnungen durch Waschen mit Wasser, Ionenaustausch mit Natrium- oder Ammoniumionen oder Säurebehandlung mit Chlorwasserstoffsäure, Schwefelsäure oder anderen Säuren in Mordenit mit großen Porenöffnungen übergeführt werden kann.
Synthetischer Mordenit kann ebenfalls aus der Form mit kleinen öffnungen in die Form mit großen Öffnungen übergeführt werden. Die Mordenit-Form mit
ίο großen Porenöffnungen ist ebenfalls synthetisch zugänglich und im Handel erhältlich.
Kristallines Aluminosilikat des Mordenit-Typs, einschließlich Mordenit selbst, ist eine kristalline Masse, in der SiOi-Tetraeder und AlC>4-Tetraeder unter Bildung einer dreidimensionalen Gitterstruktur verbunden sind. Die Gitterstruktur bildet Hohlräume, in denen Kationen, wie Metallkationen oder Ammoniumionen entsprechend der negativen Ladung von AIO4 angeordnet sind. Bei Zeolith-Katalysatoren, die andere Zeolithe enthalten, beispielsweise Zeolith des Faujasit-Typs, wie Zeolith Y oder X, ist bekannt, daß das Alkalimetall dem Ionenaustausch mit einem mehrwertigen Metallion, wie Calcium, Magnesium, Lanthan, Dysprosium, Zink oder Cadmium zugänglich ist, wobei ein hochaktiver Katalysator erhalten wird, der wirksam zum Cracken, Hydrocracken oder für die Alkylierungsreaktion ist. Andererseits besitzen aus Mordenit erhaltene Katalysatoren, die diese Metalle enthalten, so niedere Aktivitäten, daß sie nicht wirksam sind. Dies kann auf den
jo Unterschied der Kristallstruktur zwischen Zeolith des Mordenit-Typs und Zeolith des Faujasit-Typs, wie des Y- oder X-Typs, zurückgeführt werden. Zur Herstellung des erfindungsgemäß eingesetzten Katalysators werden Metallionen innerhalb der Hohlräume von Mordenit
J5 vor der Verwendung mit Wasserstoff- oder Ammoniumionen unter Bildung von Mordenit der Wasserstoffoder Ammonium-Form ausgetauscht.
Während der Ionenaustausch-Behandlung mit Wasserstoffionen wird die
Al
Si-Bindung
in Mordenit hydrolysiert und dabei ein Teil der Aluminiumatome entfernt. Wie gut bekannt ist, führt diese Behandlung nicht zur Zerstörung der Kristallstruktur von Mordenit. Der Mordenit, aus dem durch eine solche Behandlung ein Teil des Aluminiums entfernt wurde, wird manchmal Mordenit mit Aluminiumunterschuß genannt. Einige solcher Mordenite haben ein Molverhältnis Siliziumdioxyd zu Aluminiumoxyd (Molverhältnis Si(VAI2O3) von mehr als 100.
Beim Verfahren der Erfindung kann Mordenit mit einem Süiziumdioxyd-Aluminiumoxyd-Molverhältr.is im Bereich von 9 bis 50 eingesetzt werden und zu bevorzugen ist Mordenit mit diesem Molverhältnis im Bereich von 9 bis 35.
Mordenit ist in einer Vielfalt verschiedener Formen
bo zugänglich, wie als feines Pulver, als pulverisierte Teilchen oder kleine Körner. Die Erfindung soll nicht auf die Verwendung einer besonderen Form oder Gestalt beschränkt sein; die Beschreibung dieser Formen erfolgt lediglich aus Gründen der Bequemlich-
h> keit. Mordenit kann nach dem Verpressen, Tablettieren oder Extrudieren angewendet werden. Bei der Durchführung des Verformens kann Mordenit entweder für sich oder im Gemisch mit einem Bindemittel, wie
Bentonit, Diatomeenerde, Kaolin, Aluminiunioxyd, Siliziumdioxyd, Siliziumdioxyd-Aluminiumoxyd oder einem anderen hochschmelzenden anorganischen Oxyd, geformt werden. Das Vermischen ist mit keinem wesentlichen Einfluß auf die katalytische Aktivität verbunden. Das Bindemittel wird vorzugsweise nach dem Entfernen von Metallkationen, wie den vorliegenden Alkali- und Erdalkalimetallionen nach geeigneten Methoden eingesetzt.
Zum Verformen kann auch ein Gemisch aus Mordenit mit einem Hydrosol oder einem Hydrogel, beispielsweise von Aluminiumoxyd, Siliziumdioxyd oder Siliziumdioxyd-Aluminiumoxyd, verwendet werden. Das Bindemittel kann in einem Verhältnis von 0 bis 9 Teilen Bindemittel auf einen Te:! des Mordenit-Katalysators verwendet werden.
Platin oder Palladium, das der erfindungsgemäße Katalysator enthalten soll, wird durch Methoden, wie Tränken, Vermischen oder Ionenaustausch auf den Katalysator aufgetragen. Es ist bekannt, daß in Zeolith, der hohe Ionenaustauschfähigkeit besitzt, ein gewünschtes Metallion in einfacher und wirksamer Weise mit Hilfe von Ionenaustausch eingebracht werden kann.
Bei der Herstellung von Mordenit, der aufgetragenes Platin oder Palladium enthält, wird die Anwendung der lonenaustauschmethode bevorzugt; es kann jedoch auch Imprägnieren oder Verkneten angewendet werden. Das Platin oder Palladium kann entweder vor oder nach dem Verformen aufgetragen werden.
Platin oder Palladium wird auf den Mordenit in einer Menge von 0,01 bis 5,00 Gew.-%, bezogen auf den fertiggestellten Katalysator, aufgetragen. Wenn es in einer Menge von weniger als 0,01 Ge\v.-% aufgetragen ist, so sind die Aktivität und die Stabilität nicht zufriedenstellend. Die Verwendung des Edelmetalls in einer Menge von mehr als 5,00 Gew.-% ist nicht wirtschaftlich, weil keine verstärkte Wirkung erzielt wird.
Geeignete Fluor und gegebenenfalls Chlor enthaltende Halogenverbindungen sind halogenierte Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise CF4, CHF3, CH2F2, CCl3F, CChF2, CCIF3. CH2ClF, CHCl2F, CHClF2, CCIF2-CCIF2, CF3QH5, CF2ClC6H5 und C6H5F.
Wesentlich ist die Reaktion zwischen der Halogenverbindung und Mordenit, die völlig abseits aller vorhergehenden Beispiele liegt und die offensichtlich, wenn auch aus ungewissen Gründen, verschieden ist von der vorher beschriebenen Reaktion zwischen Zeolith des Faujasit-Typs und einem Halogenierungsmittel. Während Zeolith des Faujasit-Typs durch die Reaktion mit CCU zu chloriertem Zeolith mit einem Chlorgehalt von bis 20% führt, bindet Zeolith des Mordenit-Typs höchstens einige Prozent Chlor. Andererseits wird die Einführung von Fluor leichter bei dem Mordenit-Typ als bei dem Faujasit-Typ durchgeführt Wenn beispielsweise mit einer Halogenverbindung umgesetzt wird, die sowohl Fluor als auch Chlor enthält, wie CHClF2, wird Mordenit selektiv mit Fluor umgesetzt, während Faujasit nicht eine so hohe Selektivität zeigt wie Mordenit.
Die Halogenierungsreaktion von Mordenit mit dem genannten Halogenierungsmittel findet bei Temperaturen von Raumtemperatur bis 6000C statt. Die Erfahrung hat gezeigt, daß die Einführung von Halogen vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 160 bis 3200C mit hoher Wirksamkeit vorgenommen werden kann.
Die angegebene Halogenverbindung kann für die Reaktion ohne Verdünnung oder verdünnt mit einem Gas wie Helium, Argon, Kohlendioxyd, Luft, Stickstoff oder Sauerstoff eingesetzt werden.
Wenn die Umsetzung bei einer relativ hohen -> Temperatur von mehr als 3000C durchgeführt wird, wird das Halogen leicht eingeführt. Andererseits könnte die Kristallstruktur des Aluminosilikats zerstört werden. Eine besonders ausgeprägte Zerstörung wird bei den Molekularsieben A, X und Y beobachtet. Mordenit
κι verliert ebenfalls die Kristallstruktur, wenn auch in geringerem Grad. Es wurde jedoch experimentell festgestellt, daß bei Durchführung in Gegenwart von Wasserdampf die Halogenierungsreaktion mit Hilfe des Halogenierungsmittels ohne Verlust der Kristallinität
υ bewirkt wird.
Die Halogenierung mit einem relativ weniger reaktiven fluorierten Kohlenwasserstoff, beispielsweise CF4 und CHF3, oder einem halogenierten Kohlenwasserstoff, wie Polytetrafluorethylen oder Polytrifluor-
2(i chloräthylen war ohne wesentliche Zerstörung der Zeolith-Struktur möglich.
Es ist möglich,die Reaktion zwischen dem Halogenierungsmittel und Mordenit entweder in einem Kreisprozeß oder ansatzweise durchzuführen. Die Reaktion
2) kann bei vermindertem Druck, Normaldruck oder bei erhöhtem Druck vorgenommen werden.
Erfindungsgemäß wird ein Katalysator verwendet, der 0,05 bis 13,0 Gew.-% Halogen enthält. Bei einem Halogengehalt von weniger als 0,01 Gew.-°/o ist die
j» Wirkung der Halogenierung nicht merklich, während bei einem Halogengehalt von mehr als 15 Gew.-% nicht nur das Auftreten der Nebenreaktionen verstärkt wird, sondern auch die Halogenierung nicht wirtschaftlich ist.
Die Isomerisierungsreaktion von gesättigten Kohlen-
J5 Wasserstoffen unter Verwendung des erfindungsgemäßen Katalysators kann entweder ansatzweise oder in einem kontinuierlichen Kreisprozeß durchgeführt werden.
Der Katalysator kann in Form von Körnern, Tabletten, Extrudat oder Pulver eingesetzt werden. Er kann in Form eines Festbetts oder in Suspension oder in einem bewegten oder fluidisierten Bett angewendet werden. Um die Aktivität des Katalysators während langer Dauer aufrechtzuerhalten, ist es wesentlich, die Isomerisierung in Gegenwart eines Wasserstoff enthaltenden Gases durchzuführen. Da jedoch die Isomerisierungsreaktion nur von einer Veränderung des Kohlenwasserstoffskeletts begleitet ist, tritt kein wesentlicher Verbrauch von Wasserstoff auf. Wenn andererseits das Ausgangsmaterial auch olefinische, aromatische oder alicyclische Kohlenwasserstoffe enthält, so treten gleichzeitig Reaktionen ein, welche die Hydrierung des Olefins und des aromatischen Rings und die Ringöffnung des Naphthenrings umfassen, und welche Wasserstoff verbrauchen. Außerdem reichern sich in manchen Fällen, wenn es erforderlich ist, eine geringe Menge an Wasserstoff zuzuführen, durch Nebenreaktionen gebildete leichte Kohlenwasserstoffe, wie Methan, in dem Reaktionsgefäß an.
bo Die Reaktionstemperatur liegt im Bereich von 100 bis 3000C. Der Reaktionsdruck liegt im Bereich von Normaldruck bis etwa 91 bar, vorzugsweise bei etwa 6 bis 51 bar.
Es ist erforderlich, daß das Molverhältnis von Wasserstoff zu Kohlenwasserstoff zu Beginn der Reaktion oder am Eintritt des Reaktionsgefäßes für ein kontinuierliches Kreisverfahren im Bereich von 0.1 bis 20, vorzugsweise 0.5 bis 10 liegt.
Wenn ein kontinuierliches Reaktionsgefäß verwendet wird, kann die Beschickungsgeschwindigkeit für das Ausgangsmaterial 0,05 bis 20, vorzugsweise 0,5 bis 10, ausgedrückt als auf das Gewicht bezogene Stundenraumgeschwindigkeit, betragen.
Als Ausgangsmaterial geeignete Kohlenwasserstoffe sind gesättigte Kohlenwasserstoffe mit 4 bis 7 Kohlenstoffatomen, wie beispielsweise Butan, Pentan, Hexane, Cyclohexan oder Methylcyclopentan oder ein Gemisch solcher Kohlenwasserstoffe.
Ein weiteres Beispiel für einen als Ausgangsmaterial geeigneten Kohlenwasserstoff ist ein Destillat einer Leichtbenzinfraktion mit einem Siedebeginn bei etwa
100C und einem Endpunkt der Destillation unter 900C. Als Kohlenwasserstoffe, die sich als Ausgangsmaterial eignen, können Naphtha, hydrogecracktes Benzin oder gecracktes Benzin nach fraktionierter Destillation oder ohne fraktionierte Destillation verwendet werden. Wenn auch diese Materialien ohne Entfernung von Verunreinigungen, wie Schwefel- und Stickstoffverbindungen angewendet werden können, wird doch das Ausgangsmaterial vor der Verwendung durch Behandlung mit Säure, Alkali, Hydrierung oder Adsorption (beispielsweise an Kieselsäuregel) gereinigt.
Zum besseren Verständnis der Erfindung werden die nachstehenden Beispiele angegeben.
Beispiel 1
Zu 1000 ml einer 1 molaren wäßrigen Lösung von NH4NO3 wurden 100 g handelsüblicher synthetischer Mordenit in der Na-Form (SiCVAhC^-Molverhältnis 11,1) gegeben. Das Gemisch wurde unter Rückfluß vier Stunden erhitzt, wonach filtriert wurde um den Mordenit von der Mutterlauge abzutrennen. Dieser Vorgang wurde dreimal wiederholt, wobei NH^-Mordenit mit einem niederen Rest-Na-Gehalt von 0,05 Gew. °/o, ausgedrückt als Na2O (SiO2/Al2O3-Molverhältnis 11,0) erhalten wurde, der als Katalysator R bezeichnet wurde.
15 g Katalysator R wurden mit einer wäßrigen Lösung von Tetraaminpalladium(ll)-chlorid behandelt, die durch Zugabe von Na2PdCU zu einem großen Überschuß an wäßrigem Ammoniak hergestellt worden war, um 0,3 Gew.-% Palladium auf den Katalysator aufzutragen. Der resultierende Katalysator wurde mit Wasser gewaschen, mit 3,75 g Bentonit verknetet, das durch dreimaliges Rückfließen mit einer 1 molaren wäßrigen Lösung von Ammoniumchlorid zur Verminderung der Natriumionenkonzentration behandelt worden war. Die geknetete Masse wurde durch eine Spritze extrudiert. Der extrudierte Teig wurde an der Luft und dann bei 120° C während zwei Stunden getrocknet und drei Stunden an der Luft bei 500=C kalziniert. Der so hergestellte Katalysator wurde als Katalysator A bezeichnet.
3 g des Katalysators A wurden in ein Reaktionsrohr aus Quarz gefüllt und während drei Stunden unter Wasserstoff bei 4500C reduziert. Dann wurde CHClF2 mit einer Fließgeschwindigkeit von 50 ml/Min, zusammen mit gasförmigem Stickstoff mit einer Fließrate von 100 ml/Min, während 20 Minuten durch das bei einer Temperatur von 1800C gehaltene Reaktionsrohr geleitet.
Nach Beendigung der Reaktion wurden nicht umgesetzte Materialien durch Durchleiten von gasförmigem Stickstoff mit einer Fließgeschwindigkeit von 100 ml/Min, entfernt. Nach dem Abkühlen unter Stickstoff wurde der resultierende Katalysator in einem feuchtigkeitsdichten Gefäß aufbewahrt. Durch Analyse wurde ein Fluorgehalt von 2,38 Gew.-% und ein Chlorgehalt von 0,11 Gew.-% ermittelt. Dieser Katalysator wurde als Katalysator B bezeichnet.
Unter Verwendung der Katalysatoren A und B und, zu Vergleichszwecken, eines handelsüblichen Zeolith-Katalysators des Pd-Y-Typs (SK-200-Katalysator der Linde Corporation, USA), als Beispiel für einen Zeolith des Y-Typs, wurde die Isomerisieriingsreaktion von η-Hexan in einem rohrförmigen Reaktor aus rostfreiem Stahl durchgeführt. Die Bedingungen und die Ergebnisse der Reaktionen sind in Tabelle 1 gezeigt. Die Produktverteilung wurde durch Gaschromatographie, nach Einstellen des stationären Zustands, 20 Stunden oder mehr nach Beginn der Reaktion, bestimmt.
Die Ergebnisse in Tabelle 1 zeigen, daß zum Erzielen der gleichen Umwandlung der Zeolith-Kataiysator des Pd-Y-Typs eine Reaktionstemperatur um mindestens 700C höher erforderte, als der Pd-Mordenit-Katalysator
A. Dadurch wird die Überlegenheit dieses erfindungsgemäßen Katalysators verdeutlicht. Es ist ersichtlich, daß der halogenierte Mordenit-Katalysator B weit besser ist, denn mit diesem Katalysator wurde die gleiche Umwandlung wie mit nicht halogeniertem Katalysator A bei einer um mindestens 700C niedrigeren Temperatur erreicht
Tabelle 1
Isomerisierung von n-Hexan
Ausgangsmaterial Pd-Y
Katalysator A Katalysator B
Reaktionsbedingungen
Temperatur, C
Druck, bar
Gewichts-Stundenraumgeschwindigkeit
(WHSV), g/g h
Molverhältnis H2Ai-C6
350 280 210
etwa 31 etwa 31 etwa 31
2.3 2.3 2.3
12
Kirlscl/.unti
Ausgangsmalcriul Pd-Y
Katalysator Λ Katalysator Ii
99.75 0.25
100.00
Produklverleilung, Gew.-%
C1
C2
C1
JC4
nC4
iC5
nC5
2,2DMB
2,3DMB
2MP
3MP
n-C
MCP
Insgesamt
Verteilung der C6-Isomeren (Mol-%)
2,2DMB
2,3DMB
2MP
3MP
n-C6
Insgesamt
Beispiel 2
Ein Reaktionsrohr aus Quarz wurde mit 5 g Katalysator A gefüllt, durch den CHClF2 mit einer Fließgeschwindigkeit von 50 ml/Min, zusammen mit gasförmigem Stickstoff in einer Fließgeschwindigkeit von 100 ml/Min, während 10 Minuten bei 200° C geleitet wurde. Nach Beendigung der Reaktion wurde der Katalysator während einer Stunde mit gasförmigem N2 zum Entfernen flüchtiger Substanzen gespült und der resultierende Katalysator wurde unter gasförmigem N2 abgekühlt und in einem feuchtigkeitsundurchlässigen Gefäß aufbewahrt Dieser Katalysator wurde als Katalysator C bezeichnet
Katalysator C enthielt 3,64 Gew.-% Fluor und 0,02 Gew.-% Chlor.
Unter Verwendung von je 2 g Katalysator A und C wurde hydroraffiniertes Naphtha in einer Vorrichtung behandelt, wie sie in Beispiel 1 verwendet worden war. Die Behandlung erfolgte bei einem Reaktionsdruck von etwa 30 bar, einem Molverhältnis von Wasserstoff zu
Tabelle 2
Isomerisierung von hydrierend gereinigtem Naphtha 0.01
0.11
0.01
0.02
0.02
0.03
8.78
4.25
36.92
23.38
26.27
0.20
100.00
8.80
4.26
37.10
23.53
26.32
100.00
0.05
0.25
2.55
2.75
0.77
2.28
0.72
10.92
6.92
32.85
19.68
20.16
0.10
100.00
12.18
7.65
36.29
21.66
22.22
100.00
0.01
0.02
0.23
0.40
0.08
0.32
0.09
14.78
7.58
34.50
20.36
21.58
0.05
100.00
14.96 7.67 34.92 20.61 21.84
100.00
Naphtha von 5 und einer Gewichts-Stundenraumgeschwindigkeit von 2,3 g/g ■ h. Die Reaktionstemperaturen betrugen 200° C bei Verwendung von Katalysator C und 280 bzw. 200° C bei Verwendung von Katalysator A. Vor der Einführung des Ausgangsmaterials erfolgte die Reduktion des Katalysators, indem trockener Wasserstoff mit einer Fließgeschwindigkeit von 100 ml/Min, (getrocknet über Molekularsieb 4A) bei 390° C während drei Stunden durchgeleitet wurde. In Tabelle 2 sind analytische Ergebnisse des als Ausgangsmaterial verwendeten hydroraffinierten Naphtha und der Reaktionsprodukte angegeben. Die Analysenwerte der Produkte wurden 40 Stunden nach Beginn der Reaktion erhalten. Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, zeigt der erfindungsgemäße Katalysator C nicht nur mit n-Hexan
so wie in Beispiel 1, sondern auch bei hydrierend gereinigtem Naphtha eine weit höhere Aktivität als Katalysator A im Hinblick auf offensichtliche Unterschiede der Reaktionstemperatur, den Isomerengehalt in dem Produktöl wie auch im Hinblick auf die
Veränderungen des Benzol- und Naphthengehalts.
Ausgangsmaterial Katalysator A Katalysator A Kalalysator C
Reaktionsbedingungen
Temperatur, 1C
Druck, bar
Gewichts-Stundenraumgeschwindigkeit
g/g -h
Molverhältnis H2/H · C
200
etwa 31
2.3
280
etwa 31
2.3
200 etwa 31
13
Fortsetzung
Ausgangsmaterial Katalysator Λ Katalysator Λ Katalysator C
Produktverteilung, Gew-% C1 C2 C, JC4 nC4 neo-Cj iC5 nC, 2,2DMB 2,3DMB 2MP 3MP nC6 CP MCP CH Benzol
Insgesamt
Zusammensetzung der Cs-Isomeren, Mol-%
0 0 0.59 0
0 0 1.14 0
0 0 10.02 0.41
0 0 5.64 1.33
1.76 1.52 5.64 0.71
0.00 - 0.64 0.05
16.15 14.22 24.70 29.07
24.4! 25.84 12.90 17.03
0.42 0.84 6.26 7.78
1.69 2.40 2.86 4.20
16.10 13.96 11.80 16.04
9.48 9.46 7.99 9.48
20.48 20.86 7.33 8.68
1.88 1.97 0.94 1.61
4.11 5.80 1.09 2.68
0.79 1.19 0.30 0.93
1.89 0.22 0 0.00
100.00 100.00
100.00
100.00
neoCs 39.82 0.00 1.66 0.33
'-C5 60.18 35.50 64.60 62.85
n-C5 100.00 64.50 33.74 36.82
Insgesamt 100.00 100.00 100.00
Zusammensetzung der C6-lsomeren, Mol-% 0.88
2,2DMB 3.51 1.78 17.27 16.84
2,3DMB 33.42 5.05 7.90 9.10
2MP 19.68 29.38 32.55 34.74
3MP 42.51 19.90 22.05 20.53
n-C„ 100.00 43.90 20.23 18.79
Insgesamt 100.00 lOO.OO 100.00
Beispiel
Isomerisierungsreaktionen von η-Butan wurden unter Verwendung der in Beispiel 2 benutzten Katalysatoren A und C durchgeführt.
Ein Röhrenreaktor aus rostfreiem Stahl wurde mit 2 g des Katalysators gefüllt und die Reaktion wurde unter einem Druck von etwa 15 bar, einem Mol-Verhältnis von Wasserstoff zu Butan von 7 und einer Gewichts-Tabelle Isomerisierung von n-Butan Stundenraumgeschwindigkeit von 6 g/g ■ h vorgenommen, wobei die Temperatur so eingestellt wurde, daß der gleiche Umsatz erzielt wurde.
Die analytischen Werte der Produkte wurden nach lOstündiger Versuchsdauer erhalten.
Aus Tabelle 3 ist ersichtlich, daß Katalysator C bei einer weit niedrigeren Temperatur wirksam zur Isomerisierung von Butan ist, als Katalysator A.
Ausgangsmaterial Katalysator A Katalysator C
Reaktionsbedingungen Temperatur, C Druck, bar Gewichts-Stundenraumgeschwindigkeit, g/g - h Molverhältnis H2Ai-C4
320 260
etwa 16 etwa 16
6 6
1 1
Fortsetzung 22 19 736 16 Katalysator C
15
Produktverteilung. Gew.-% Katalysator A 0.19
C, Ausgangs material 0.44
C2 0.25 1.50
C3 0 0.63 46.41
iC, 0 2.17 51.46
nC4 0 42.64 100.00
Insgesamt 0.30 54.31
Zusammensetzung der C4-Isomeren, Mol-% 99.70 100.00 49.32
i-C4 100.00 52.68
n-C4 43.93 100.00
Insgesamt 0.30 56.07
99.70 100.00
100.00
Zersetzungsverhältnis, Gew.-%
Beispiel
15 g des in Beispiel 1 hergestellten Katalysators R (NH«-Mordenit) wurden mit einer Pt(NHj)4 ++ enthal- jo tenden wäßrigen Lösung behandelt, die durch Zugabe eines großen Oberschusses an wäßrigem Ammoniak zu K2PtCl4 hergestellt worden war. Dabei wurde ein Katalysator erhalten, auf den Platin in einer Menge von 0,3 Gew.-°/o, berechnet als Metall, aufgetragen war.
Nach dem Waschen mit Wasser wurde der Mordenit mit Na+ -freiem Kieselsäurehydrogel in einem solchen Verhältnis vermischt, daß 75 Gew.-% Mordenit vorlagen und das Gemisch wurde geknetet und extrudiert. Der extrudierte Teig wurde an der Luft und dann während zwei Stunden bei 1200C getrocknet und drei Stunden bei 50O0C kalciniert. Der resultierende Katalysator wurde als Katalysator D bezeichnet.
Ein aus Quarz bestehendes Reaktionsrohr wurde mit Katalysator D gefüllt und auf 350° C erhitzt. Ein gasförmiges Gemisch aus F2CIC—CCIF2 mit 10 ml/Min, und Luft mit 400 ml/Min, wurde während 30 Minuten durch das Reaktionsrohr geleitet. Das verwendete Gasgemisch enthielt Wasserdampf mit einem Partialdruck von 15 mm Hg, nachdem es vorher durch eine mit Wasser gefüllte Waschflasche geleitet worden war. Dann wurde trockene Luft in einer Fließgeschwindigkeit von 200 ml/Min, bei 3500C während einer Stunde
Tabelle 4
Isomerisierung von n-Pentan
durchgeleitet, um den Katalysator von flüchtigen Substanzen zu reinigen. Der erhaltene Katalysator, der abgekühlt und in einem feuchtigkeitsdichten Gefäß aufbewahrt wurde, wurde als Katalysator E bezeichnet.
Katalysator E enthielt 1,02 Gew.-% Fluor, jedoch kein Chlor.
Eine Menge von je 2 g des Katalysators D und E wurde in ein Reaktionsgefäß aus rostfreiem Stahl gefüllt, in welchem die Isomerisierung von n-Pentan bei einem Reaktionsdruck von 20 kg/cm2 über Atmosphärendruck, einem Molverhältnis Wasserstoff zu Kohlenwasserstoff von 5 und einer Gewichts-Stundenraumgeschwindigkeit von 2,2 g/g · h durchgeführt wurde. Dabei betrug die Reaktionstemperatur 280° C bei Verwendung von Katalysator D und 2200C bei Verwendung von Katalysator E. Die Analysen-Ergebnisse der Produkte sind in Tabelle 4 gezeigt. Diese analytischen Werte wurden 30 Stunden nach Beginn der Zuleitung des Ausgangsmaterials erhalten.
Wie aus Tabelle 4 ersichtlich ist, war im Fall der Katalysatoren D und E, in denen Palladium durch Platin ersetzt war, ebenfalls der erfindungsgemäß behandelte Katalysator E bei einer weit niedrigeren Temperatur wirksam.
Ausgangsmaterial Katalysator D
Katalysator VL
Reaktionsbedingungen
Temperatur, Γ
Druck, bar
Gewichts-Stundenraumgeschwindigkeit, g/g · h
Molverhältnis Η,/n-C;
280
etwa 21
2.2
220
etwa 21
2.2
030141/80
Fortsetzung
Ausgungsmuleriul Katalysator D
Katalysator E
Produktverteilung, Gew.-%
C1
C2
c,
SC4
nC4
neoCs
iC5
nC5
Insgesamt
Zusammensetzung der C5-Isomeren, Mol-%
neoCs
SC5
nCs
Insgesamt
0 0 0 0
0
0
0.45
99.55
100.00
0.45
99.55
100.00
0.19
0.42
1.43
1.00
1.19
0.14
54.11
41.52
100.00
0.15
56.50
43.35
100.00
0.06 0.13 0.27 (J. 14
56.81
42.59
100.00
57.16
42.84
100.00
Beispiel 5
100 g natürlicher Mordenit mit einem Molverhältnis SiCVAbOj von 9,2, der in Miyagi Prefecture, Japan, gewonnen worden war, wurde in einer 2n-wäßrigen Lösung von HCl vier Stunden am Rückfluß erhitzt. Der Vorgang wurde neunmal wiederholt, wobei Mordenit in der Η-Form mit einem Molverhältnis S1O2/AI2O3 von 20,5 erhalten wurde, der als Katalysator S bezeichnet wurde.
15 g Katalysator S wurden in eine Pt(NH3^+ +-Ion enthaltende wäßrige Lösung überführt, die durch Zugabe eines großen Überschusses an wäßrigem Ammoniak zu foPtCI« hergestellt worden war. Dabei wurden 0,3 Gew.-% Platin aufgetragen. Nach dem Waschen mit Wasser wurde der Mordenit mit Bayerit-Hydrogel in einer Menge entsprechend 15 Gew.-% ÄI2O3, bezogen auf den Mordenit, verknetet und die geknetete Masse verformt. Der extrudierte Katalysatorteig wurde an der Luft und dann bei 120° C etwa zwei Stunden getrocknet und an der Luft bei 500°C während drei Stunden kalciniert. Der so erhaltene Katalysator wurde als Katalysator F bezeichnet.
Ein Hochdruck-Röhrenreaktor aus rostfreiem Stahl wurde mit 2 g Katalysator F gefüllt. Darin wurde dann die Isomerisierung von η-Hexan mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 20 Teilen pro 1 Million Teile bei einer Reaktionstemperatur von 280°C, einem Reaktionsdruck von etwa 31 bar, einem Molverhältnis Wasserstoff zu Kohlenwasserstoff von 10 Mol/Mol und einer Gewichts-Stundenraumgeschwindigkeit von 1,3 g/g h durchgeführt. In Tabelle 5 sind die Analysen-Ergebnisse der Produkte angegeben, die 250 Stunden nach Beginn der Zuführung des Ausgangsmaterials erhalten wurden. Ein Quarz-Reaktionsrohr wurde mit 3 g Katalysator F gefüllt, der während drei Stunden getrocknet und unter Wasserstoff bei 450° C reduziert wurde. Nach dem Abkühlen wurde während 10 Minuten bei 220°C CCl2F2 in einer Fließgeschwindigkeit von 50 ml/Min, zusammen mit gasförmigem N2 in einer Fließgeschwindigkeit von 100 ml/Min, durchgeleitet.
Nach Beendigung der Reaktion wurde der resultierende Katalysator eine Stunde unter gasförmigem Stickstoff auf Raumtemperatur abgekühlt und dann in einem feuchtigkeitsdichten Gefäß aufbewahrt. Der so erhaltene Katalysator wurde als Katalysator G
to bezeichnet. Er enthielt 2,80 Gew.-% Fluor und 0,2 Gew.-% Chlor. Das gleiche Hochdruck-Reaktionsgefäß wie in Beispiel 1 wurde mit 2 g Katalysator G gefüllt und darin die Isomerisierung von η-Hexan mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 20 Teilen pro 1 Million Teile
« unter den gleichen Reaktionsbedingungen wie in Beispiel 1 durchgeführt, mit der Abänderung, daß die Reaktionstemperatur 220° C betrug. Die Ergebnisse von Produkt-Analysen 250 Stunden nach Beginn der Zuführung des Ausgangsmaterials sind in Tabelle 5
bo gezeigt. Wie aus Tabelle 5 ersichtlich ist, zeigt der durch Halogenieren von Katalysator F erhaltene Katalysator G überlegene Aktivität im Vergleich mit Katalysator F, der durch Behandeln von natürlichem Mordenit mit Chlorwasserstoffsäure und Auftragen von Platin herge
hr> stellt wurde. Es ist außerdem ersichtlich, daß mit Katalysator G Feuchtigkeit enthaltendes Ausgangsmaterial behandelt werden kann.
Tabelle 5
Isomerisierung von η-Hexan
Ausgangs Katalysator F Katalysator G
material
Reaktionsbedingungen
Tempratur, C 280 220
Druck, bar etwa 26 etwa 26
Gewichts-Stundenraumgeschwindigkeit, g/g - h 1.3 1.3
Molverhältnis H2/n-C6 10 10
Produktverteilung, Gew.-%
C1
C2 0.27 0.09
C3 2.33 0.61
iC4 0.73 0.39
nC4 0.54 0.19
;cs 0.77 0.22
nC5 0.34 0.10
2,2DMB 8.93 13.03
2,3DMB 7.22 7.75
2MP 35.82 35.88
3MP 21.58 21.10
n-C6 99.75 21.47 20.52
MCP 0.25 0.14 0.12
Insgesamt 100.00 100.00 100.00
Zusammensetzung der C6-Isomerenfraktion, Mol-%
2,2DMB 9.40 13.24
2,3DMB 7.60 7.88
2MP 37.69 36.50
3MP 22.71 21.48
n-C6 22.59 20.89
Insgesamt 100.00 100.00
Beispiel 6
Auf 15 g des Katalysators S gemäß Beispiel 5 wurden 0,3 Gew.-% Palladium aufgetragen, indem der Katalysator in eine Pd(NHs)4 ++-Ion enthaltende wäßrige Lösung gegeben wurde, die durch Zusatz eines großen Überschusses an wäßrigem Ammoniak zu Na2PdCl4 hergestellt worden war.
Nach dem Waschen mit Wasser wurde der Mordenit in einer solchen Menge zu einem Aluminiumoxyd-Hydrosol gegeben, daß das Gewichtsverhältnis Mordenit zu AI2Oj 1 betrug. Das Aluminiumoxydsol wurde dann gelatiniert. Die Masse wurde 24 Stunden bei 120°C getrocknet und drei Stunden an der Luft bei 500° C kalciniert. Der resultierende Katalysator wurde als Katalysator H bezeichnet.
3 g des Katalysators H wurden in einen 2-1-Quarz-Kolben gegeben und nach dem Erhitzen auf 3000C unter vermindertem Druck von 20 mm Hg wurde gasförmiges Argon bis zu einem verminderten Druck von 0,53 bar in den Kolben eingeleitet, der dann auf 3500C erhitzt u/iirHp
Ein gasförmiges Gemisch aus Wasserdampf mit
so einem Partialdruck von 0,02 bar und CHF3 mit einem Partialdruck von 0,166 bar wurde mit gasförmigem O2 in einem Partialdruck von 1,33 mbar bis zu einem Gesamtdruck von 0,213 bar vermischt. Das resultierende Gasgemisch wurde in eine 30-ml-Gasbürette unter solchen Bedingungen gegeben, daß der Gesamtdruck etwa 0,2 bar und die Temperatur 50° C betrugen. Dann wurde das Gasgemisch in den Kolben eingeleitet, der Katalysator H und gasförmiges Argon enthielt. Dieser Vorgang wurde zehnmal in Intervallen von 15 Minuten
bo wiederholt.
Nach dreistündigem Erhitzen auf 25O0C unter einem verminderten Druck von 2,67 mbar wurde der Kolben mit gasförmigem N2 auf Normaldruck aufgefüllt und abgekühlt. Der Katalysator, der als Katalysator ]
b5 bezeichnet wurde, wurde entnommen und aufbewahrt. Die Analyse zeigte an. daß Katalysator ] 0,86 Gew.-% Fluor enthielt.
Ein Röhrenreaktor aus rostfreiem Stahl wurde mit je
2 g des Katalysators gefüllt und gasförmiger Wasserstoff wurde in einer Fließgeschwindigkeit von 100 ml/ Min. bei 280° C durchgeleitet. Die Isomerisierung von n-Pentan wurde bei einer Reaktionstemperatur von 280°C, einem Reaktionsdruck von etwa 16 bar, einem Molverhältnis Wasserstoff zu Kohlenwasserstoff von 2 und einer Gewichts-Stundenraumgeschwindigkeit von 4,4 g/g · h durchgeführt
In Tabelle 6 sind die Ergebnisse der Analysen der
Tabelle ο
Isomerisierung von n-Pentan
Zusammensetzung der Produkte gezeigt, die 80 Stunden nach Beginn der Zuführung des Ausgangsmaterials erhalten wurden. Wie aus Tabelle 6 ersichtlich ist, besitzt Katalysator J, der durch Halogenieren von Katalysator H nach dem erfindungsgemäSen Verfahren erhalten wurde, überlegene Aktivität im Vergleich mit Katalysator H, der durch Behandeln von natürlichem Mordenit mit Chlorwasserstoffsäure und Auftragen von Palladium hergestellt wird.
Ausgangsmaterial Katalysator H Katalysator J
Reaktionsbedingungen
Temperatur, C 280 280
Druck, bar etwa 16 etwa 16
Gewichts-Stundenraumgeschwindigkeit, g/g · h 4.4 4.4
Molverhältnis Hj/n-Cs 2 2
Produktverteilung, Gew.-%
C, 0
C2 0 0.06 0.14
C3 0 0.10 0.23
JC4 0 0.08 0.38
nC4 0 0 0.26
neoCs 0 0 0.07
iC5 0.45 57.07 59.70
nC, 99.55 42.69 39.22
Insgesamt 100.00 100.00 100.00
Zusammensetzung der Cs-Isomerenfraktion, Mol-%
neoCs 0 0.07
i-C5 0.45 57.21 60.35
n-Cj 99.55 42.79 39.58
Insgesamt 100.00 100.00 100.00
Zersetzungsverhältnis, Gew.-%
0.24
1.01
Vergleichsbeispie!
100 g synthetischer Mordenit mit einem Molverhältnis S1O2/AI2O3 von 11,1 wurde vier Stunden in einer wäßrigen 2n-Lösung von HCI unter Rückfluß behandelt. Der Vorgang wurde dreimal wiederholt, wobei ein Mordenit in der H-Form erhalten wurde, der 0,04 Gew.-% Na2O enthielt und ein Molverhältnis SiO2/ AbOj von 65 hatte. Der Katalysator wurde als Katalysator T bezeichnet. 15 g des Katalysators wurden in eine Pd(NH3J4 + +-Ionen enthaltende wäßrige Lösung gegeben, die durch Zugabe eines großen Überschusses an wäßrigem Ammoniak zu Na2PdCU hergestellt worden war. wobei 0,3 Gc\v.-% Palladium auf den Katalysator aufgetragen wurden. Nach dem Waschen mit Wasser wurde der resultierende Katalysator mit 3,75 g Bentonit verknetet, aus dem der größte Teil der Na4-Ionen vorher entfernt worden war, und die geknetete Masse wurde verformt. Die verformte Masse wurde an der Luft und danach bei 120° C während zwei Stunden getrocknet und an der Luft bei 500°C während etwa drei Stunden kalciniert. Der so hergestellte
,5 Katalysator wurde als Katalysator K bezeichnet.
Ein Reaktionsrohr aus Quarz wurde mit 3 g Katalysator K gefüllt, der dann unter Wasserstoff während drei Stunden bei 450°C getrocknet und reduziert wurde. Nach dem Abkühlen wurde der reduzierte Katalysator bei 40O°C mit CHF3 mit einer Fließgeschwindigkeit von 10 ml/Min, zusammen mit gasförmigem N2 (der vorher durch Wasser geleitet worden war) mit einer Fließgeschwindigkeit von 200 ml/Min, während einer Stunde in Berührung
μ gebracht. Nach Beendigung der Reaktion wurde der resultierende Katalysator etwa eine Stunde unter gasförmigem Stickstoff auf Raumtemperatur abgekühlt und danach in einem feuchiigkeitsdichten Gefäß
aufbewahrt. Der so hergestellte Katalysator, der als Katalysator L bezeichnet wurde, enthielt 0,8 Gew.-% Fluor.
Ein Hochdruck-Röhrenreaktor aus rostfreiem Stahl wurde mit je 2 g des Katalysators K oder L gefüllt und die Isomerisierung von η-Hexan wurde in diesem Reaktor bei einer Reaktionstemperatur von 2800C, einem Reaktionsdruck von 20 kg/cm2 über Atmosphärendruck, einem Mol-Verhältnis Wasserstoff zu Kohlenwasserstoff von 3 Mol/Mol und einer Gewichts-Stundenraumgeschwindigkeit von 3,5 g/g · h durchgeführt.
Tabelle 7
Isomerisierung von n-Hexan
ίο
In Tabelle 7 sind die Ergebnisse gezeigt, die nacl· 47stündiger Versuchsdauer erzielt wurden. Wie aui Tabelle 7 ersichtlich ist, kann die Halogenierung nich bei einem Mordenit mit extremem Al-UnterschuC durchgeführt werden, der ein Molverhältnis SiCVAbO von 65 aufweist und es besteht fast kein Aktivitätsunter schied zwischen dem nicht halogenierten Katalysator K und dem halogenierten Katalysator L. Es ist dahei kritisch, daß das Molverhältnis SiCVAl2O3 des Morde· nits weniger als 50 beträgt.
Ausgangsmaterial Katalysator K Katalysator L
Reaktionsbedingungen
Temperatur, C 280 280
Druck, bar etwa 21 etwa 21
Gewichts-Stundenraumgeschwindigkeit, g/g · h 3.5 3.5
Molverhältnis H2/n-C6 3 3
Produktverteilung, Gew.-%
C1
C2 1.32 1.36
C3 14.37 11.98
iC4 1.76 2.97
nC4 2.26 2.53
iC5 3.73 2.80
nC5 3.38 1.36
2,2DMB 9.10 9.77
2,3DMB 5.45 5.74
2MP 25.81 26.58
3MP 16.98 17.41
n-C6 99.75 15.83 17.39
MCP 0.25 0.11 0.12
Insgesamt 100.00 100.00 100.00
Zusammensetzung der C6-Isomerenfraktion, Mol-%
2,2DMB 12.38 12.70
2,3DMB 7.46 7.46
2MP 35.24 34.52
3MP 23.24 22.74
n-Q 21.68 22.58
Insgesamt 100.00 100.00
Beispiel 7
Ein Reaktionsrohr aus Quarz wurde mit 3 g des in Beispiel 4 erhaltenen Katalysators D gefüllt. Während der Katalysator auf 350° C erhitzt wurde, wurde gasförmiger Stickstoff mit einer Fließgeschwindigkeit von 50 ml/Min, durch das Reaktionsrohr geleitet
Nach drei Stunden wurde die Fließgeschwindigkeit Fließgeschwindigkeit von 100 ml/Min, während 12 ω Stunden über den auf 240° C erhitzten Katalysator D geleitet
Die Zuführung von gasförmigem CF2Cl2 wurde dann unterbrochen, während die Zuführung des gasförmigen Stickstoffs während drei Stunden bei einer Fließge-
des gasförmigen Stickstoffes auf 100 ml/Min, erhöht und 65 schwindigkeit von 100 ml/Min, fortgesetzt wurde. Dann
die Temperatur auf 240° C vermindert Dann wurde gasförmiges CF2Q2 in einer Fließgeschwindigkeit von 40 ml/Min, zusammen mit gasförmigem Stickstoff einer wurde das Erhitzen beendet Nach dem Abkühlen wurde der resultierende Katalysator in einem feuchtigkeitsdichten Gefäß aufbewahrt Dieser Katalysator wurde
als Katalysator M bezeichnet. Die Analyse zeigte an, daß Katalysator M 10,20 Gew.-% Fluor und 0,01 Gew.-% Chlor enthielt.
Ein Reaktor aus rostfreiem Stahl wurde mit 2 g Katalysator M gefüllt und auf 350° C erhitzt, während gasförmiger Wasserstoff in einer Fließrate von 100 ml/ Min. unter Normaldruck durchgeleitet wurde. Nach 6 Stunden wurde der Druck auf 50 kg/cm2 über Atmosphärendruck und die Temperatur auf 2100C erhöht. Die Isomerisierung von n-Pentan wurde unter den oben
Tabelle 8
Isomerisierung von n-Pentan
angegebenen Druck- und Temperaturbedingungen und bei einer Gewichts-Stundenraumgeschwindigkeit von 2,5 g/g · h und einem Molverhältnis Wasserstoff zu Pentan von 3,0 durchgeführt.
Aus den in Tabelle 8 gezeigten analytischen Werten der Produkte, die 480 Stunden nach Beginn der Reaktion erhalten wurden, ist ersichtlich, daß der 10,20 Gew.-°/o Fluor enthaltende Katalysator M bei 210°C eine wirksame Aktivität besitzt.
Ausgangs Katalysator M
material
Reaktionsbedingungen
Temperatur,' C - 210
Druck, bar - etwa 51
Gewichts-Stundenraumgeschwindigkeit - 2.5
Molverhältnis H2Ai-C5 - 3.0
Katalysator - 2g
Produktverteilung, Gew.-%
C, 0 0.30
C2 0 0.62
C3 0 2.88
■c4 0 1.15
n-C4 0 0.87
i-Cj 0.45 54.61
n-C5 99.55 39.57
Insgesamt 100.00 100.00
Zusammensetzung der C5-Isomerenfraktion
i-C5 0.45 58.00
n-C5 99.55 42.00
Insgesamt 100.00 100.00

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Isomerisieren von n-Paraffinen mit 4 bis 7 Kohlenstoffatomen oder einer Leichtbenzinfraktion mit einem Siedebereich von 10 bis 900C bei Temperaturen von 100 bis 3000C und einem Druck bis etwa 90 bar in Gegenwart von Wasserstoff und einem natürlichen oder synthetischen Morden« in der Wasserstoff- oder Ammoniumform, dem als Bindemittel ein hochschmelzendes anorganisches Oxid in einem Anteil von 0 bis 9 Teilen pro Teil Mordenit zugesetzt worden ist, und auf dem 0,01 bis 5 Gew.-% Platin oder Palladium, berechnet als Metall, aufgetragen worden sind, als Katalysator, dadurch gekennzeichnet, daß der Mordenit ein Molverhältnis von SiO2ZAl2O3 von 9 bis 50 aufweist und daß der Katalysator bei einer Temperatur im Bereich von Raumtemperatur bis 6000C gegebenenfalls in Gegenwart von Wasserdampf, mit einem Fluor und gegebenenfalls Chlor enthaltenden Halogenkohlenwasserstoff bis zu einer Halogenaufnahme von 0,05 bis 13,0 Gew.-% behandelt worden ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mordenit ein Molverhältnis SiO2/Al2O3 von 9 bis 35 aufweist
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den Fluor und gegebenenfalls Chlor enthaltenden Halogenkohlenwasserstoff mit Helium, Argon, Kohlendioxid, Luft, Stickstoff oder Sauerstoff verdünnt
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bi$ 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Behandlung des Katalysators mit dem Fluor und gegebenenfalls Chlor enthaltenden Halogenkohlenwasserstoff bei einer Temperatur von 160 bis 320° C durchführt.
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