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DE2746976C2 - - Google Patents

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DE2746976C2
DE2746976C2 DE2746976A DE2746976A DE2746976C2 DE 2746976 C2 DE2746976 C2 DE 2746976C2 DE 2746976 A DE2746976 A DE 2746976A DE 2746976 A DE2746976 A DE 2746976A DE 2746976 C2 DE2746976 C2 DE 2746976C2
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Description

Es ist bekannt, daß die Aktivität von Silberkatalysatoren und vor allem ihre Selektivität hinsichtlich der Bildung von Äthylenoxid bei der Umsetzung von Äthylen mit molekularem Sauerstoff während ihres Gebrauchs bei der Herstellung von Äthylenoxid oft nachläßt.
Die deutsche Auslegeschrift 25 19 599 beschreibt ein Verfahren zur Reaktivierung solcher bereits benutzter und daher zumindest teilweise inaktivierter Katalysatoren durch Imprägnieren des Katalysators mit einer Imprägnierlösung, die aus 0,2 bis 5 Gewichtsprozent Wasser, 0,05 bis 0,4 Gewichtsprozent Cäsium und/oder Rubidiumnitrat und einem aliphatischen Alkohol mit 1 bis 3 C-Atomen besteht, und anschließendem Verdampfen des Alkohols bei einer Temperatur von 70 bis 120°C, gegebenenfalls Spülen mit Stickstoff, wodurch 1 bis 1000 Teile/Million Cäsium und/oder Rubidium auf dem Katalysator niedergeschlagen werden.
Die durch das oben beschriebene Niederschlagen von Alkalimetallen auf gebrauchten Silberkatalysatoren erreichte Verbesserung der Selektivität ist jedoch nicht immer so hoch, wie man sie sich wünschen würde. Dies kann dann vor allem der Fall sein, wenn der Silberkatalysator bereits Alkalimetalle enthält, wie zum Beispiel der in der britischen Patentschrift 14 13 251 erwähnte, oder wenn der Katalysator durch Verunreinigungen, beispielsweise Schwefelverbindungen, besonders vergiftet ist.
Überraschenderweise hat sich nun herausgestellt, daß bessere Ergebnisse bei der Reaktivierung solcher Katalysatoren erzielt werden können, wenn man den benutzten Silberkatalysator mit Wasser oder einem Gemisch aus Wasser und einem mit Wasser mischbaren organischen Lösungsmittel wäscht, bevor das Alkalimetall auf diesem niedergeschlagen wird. Dies ist sehr überraschend, denn in der deutschen Patentschrift 25 19 599 heißt es, daß die Anwesenheit von mehr als 10 Gewichtsprozent Wasser in der Imprägnierlösung den Katalysator beschädigt. Auch nach Beispiel 20 der genannten deutschen Patentschrift scheint ein benutzter, aber noch ziemlich aktiver Silberkatalysator fast vollkommen entaktiviert zu werden, wenn man ihn mit einer wäßrigen Cäsiumnitratlösung behandelt.
An sich nimmt die Selektivität eines benutzten Silberkatalysators durch eine Wäsche mit Wasser oder einem Gemisch aus Wasser und einem mit Wasser mischbaren organischen Stoff erheblich ab. Es war daher nicht vorauszusehen, daß die Aktivität und/oder Selektivität des Katalysators durch anschließendes Niederschlagen von Natrium, Kalium, Rubidium und/oder Cäsium auf dem gewaschenen Katalysator gesteigert werden kann. Tatsächlich können auf diese Weise jedoch Katalysatoren hergestellt werden, die aktiver und/oder selektiver sind als nicht behandelte benutzte Katalysatoren.
Das Verfahren der Erfindung zur Reaktivierung von Silberkatalysatoren, die bei der Herstellung von Äthylenoxid durch Umsetzung von Äthylen mit molekularem Sauerstoff verwendet worden sind, durch Imprägnieren der verwendeten Silberkatalysatoren mit einer ein organisches Lösungsmittel enthaltenden Alkalisalzlösung sowie anschließendes Trocknen ist daher dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator mit Wasser oder einem Gemisch aus Wasser und einem mit Wasser mischbaren organischen Lösungsmittel gewaschen und danach gegebenenfalls nach einem weiteren Waschen mit einem mit Wasser vermischbaren Lösungsmittel mit einem Siedepunkt unter 100°C bei einer Temperatur bis zu 200°C getrocknet wird und daß auf den gewaschenen und getrockneten Katalysator 0,00004 bis 0,008 Gramm-Äquivalent pro Kilogramm, bezogen auf den gesamten Katalysator, Natrium-, Kalium-, Rubidium- und/oder Cäsium-Ionen niedergeschlagen werden.
Das Gemisch aus Wasser und dem mit Wasser mischbaren organischen Lösungsmittel enthält vorzugsweise mindestens 10 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt mindestens 50 Gewichtsprozent Wasser, jedoch ist Wasser allein das bevorzugte Waschmittel. Beispiele für geeignete organische Lösungsmittel sind Methanol, Äthanol, Isopropanol und Aceton.
Das Waschen kann in an sich bekannter Weise durchgeführt werden, beispielsweise indem man durch den benutzten Silberkatalysator bei Zimmertemperatur das Ein- bis Zehnfache seines Volumens an Wasser hindurchrieseln läßt, oder aber, indem man beispielsweise das 0,5- bis Zehnfache des Katalysatorvolumens an Wasser 2- bis 10mal im Kreislauf über den Katalysator leitet. Nach Abziehen der Flüssigkeit kann dieses Verfahren ein oder mehrere Male mit frischem Wasser wiederholt werden. Nach dem Waschvorgang wird der Katalysator getrocknet. Dies kann durch Erwärmen des Katalysators erfolgen, vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 50 und 200°C, je nach dem zu entfernenden Lösungsmittel. Besser wird der Katalysator durch Spülen mit einem Gasstrom, beispielsweise Stickstoff, Luft, Wasserstoff oder Methan, vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 15 und 200°C, getrocknet. Gegebenenfalls kann, um die Trocknungszeiten zu reduzieren, dem Trocknungsvorgang ein Waschen des Katalysators mit einem niedrig siedenden mit Wasser vermischbaren Lösungsmittel, welches vorzugsweise einen Siedepunkt unter 100°C hat, z. B. Methanol, Äthanol, Isopropanol oder Aceton, vorangehen.
Die Natrium-, Kalium-, Rubidium- und/oder Cäsiumionen können auf dem gewaschenen und getrockneten Katalysator dadurch niedergeschlagen werden, daß man ihn mit einer Lösung einer oder mehrerer Verbindungen dieser Alkalimetalle in einem geeigneten Lösungsmittel, insbesondere einem organischen Lösungsmittel, imprägniert. Beispiele geeigneter Verbindungen sind die Hydroxide, Nitrate, Chloride, Iodide, Bromide, Bicarbonate und Carbonate von Natrium, Kalium, Rubidium oder Cäsium oder organische Derivate dieser Alkalimetalle, z. B. ihre Alkoxide, wie die Isopropoxide, oder ihre mit organischen Carboxylsäuren gebildeten Salze, wie z. B. die Acetate, Oxalate, Tartrate und Laktate. Geeignete Lösungsmittel sind z. B. Alkanole mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, beispielsweise Methanol, Äthanol und Isopropanol, sowie Aceton, Methylacetat und Tetrahydrofuran. Gegebenenfalls kann die Löslichkeit der Alkalimetallverbindungen in dem Lösungsmittel durch Verwendung von Komplexbildnern verbessert werden, beispielsweise durch makrozyklische Polyäther der Art, wie sie in den britischen Patentschriften 11 08 921 und 12 85 367 beschrieben sind, oder durch Zusatz von Wasser. Die in dem Lösungsmittel verwendete Wassermenge beträgt vorzugsweise unter 20 Gewichtsprozent und optimal unter 10 Gewichtsprozent. Aceton ist das bevorzugte Lösungsmittel.
Die Menge an Imprägnierlösung und die Konzentration des darin enthaltenen Alkalimetalls müssen ausreichen, um auf dem Katalysator 0,00004 bis 0,008, vorzugsweise zwischen 0,0001 und 0,002 Gramm-Äquivalente, pro Kilogramm des gesamten Katalysators an Alkalimetallionen auf diesem niederzuschlagen. Gegebenenfalls kann die Imprägnierlösung mehrmals über den Katalysator geleitet werden.
Nach der Imprägnierung mit der eine oder mehrere Alkalimetalle enthaltenden Lösung sollte alles überschüssige Lösungsmittel entfernt werden. Dies kann bei atmosphärischem, unter- oder überatmosphärischem Druck erfolgen. Der Katalysator kann 0,5 bis 48 Stunden, vorzugsweise 2 bis 16 Stunden, auf eine Temperatur von z. B. 50 bis 200°C erwärmt werden, je nach dem zu entfernenden Lösungsmittel.
Während des Trocknungsvorganges kann ein Gas, beispielsweise Stickstoff, Luft, Wasserstoff, ein Edelgas, Kohlendioxid, Methan oder Gemische dieser Gase über den Katalysator geleitet werden. Auch Gefriertrocknen oder Trocknen im Vakuum bei Zimmertemperatur ist möglich.
Gegebenenfalls kann das erfindungsgemäße Verfahren in dem für die Herstellung von Äthylenoxid verwendeten Reaktor durchgeführt werden. Zum Beispiel können Wasser und die Imprägnierlösung mit einer oder mehreren Verbindungen von Natrium, Kalium, Rubidium oder Cäsium nacheinander durch den benutzten Silberkatalysator enthaltenden Reaktor geleitet werden, und die Zwischen- und Endstufe des Trocknungsvorganges können durch Erwärmen des Katalysators in einem geeigneten Gasstrom erfolgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren verbessert nicht nur die Selektivität der Silberkatalysatoren sondern oft auch deren Wirksamkeit. Das bedeutet, daß der Katalysator nach der Reaktivierung einen höheren Umsetzungsgrad bei derselben Reaktionstemperatur ermöglicht als vor dem Reaktivierungsvorgang, oder aber alternativ den gleichen Umsetzungsgrad bei einer niedrigeren Temperatur ermöglicht. Die Verwendung niedrigerer Reaktionstemperaturen ist von praktischem Interesse, da die Bildung unerwünschter Nebenprodukte, wie z. B. Kohlendioxid, Formaldehyd und/oder Acetaldehyd, bei höheren Temperaturen zunimmt. Die reaktivierten Silberkatalysatoren nach der Erfindung können für die Herstellung von Äthylenoxid verwendet werden. Beispielsweise bringt man Äthylen in der Dampfphase mit einem molekularen Sauerstoff enthaltenden Gas bei einer Temperatur zwischen 150 und 300°C, vorzugsweise 190 und 285°C, und optimal 210 und 275°C in Gegenwart eines solchen Katalysators in Berührung. Die weiteren Bedingungen für die Durchführung eines solchen Verfahrens sind im Stand der Technik beschrieben, wie er beispielsweise in der britischen Patentschrift 14 13 251 aufgeführt ist.
Bei einer bevorzugten Anwendungsform der erfindungsgemäß reaktivierten Silberkatalysatoren wird Äthylenoxid durch Kontaktieren eines sauerstoffhaltigen Gases (welche mindestens 95% Sauerstoff enthält) zusammen mit Äthylen, einem Verdünnungsgas und einem Moderator bei einer Temperatur zwischen 190°C und 285°C und vorzugsweise zwischen 210°C und 275°C hergestellt.
Das erhaltene Äthylenoxid wird auf herkömmliche Art und Weise aus den Reaktionsprodukten abgetrennt und gewonnen.
Beispiel 1
Ein benutzter, Kalium enthaltender Silberkatalysator der in der britischen Patentschrift 14 13 251 (Katalysator A) beschriebenen Art wird für die Herstellung von Äthylenoxid dadurch getestet, daß man ihn in ein Reaktorrohr mit einem Innendurchmesser von 2 cm entsprechend einer Bettlänge von 20 cm einfüllt. Dann wird ein 25 Mol-% Äthylen, 8 Mol-% Sauerstoff, 1,7 Teile/Million Dichloräthan und den Rest Stickstoff enthaltender Gasstrom bei atmosphärischem Druck und einer stündlichen Raumgeschwindigkeit von 250 l/l · h über den Katalysator geleitet.
Die bei einer Sauerstoffumsetzung von 40 Mol-% erreichte Äthylenoxid- Selektivität und die für diese Sauerstoffumsetzung erforderliche Temperatur sind aus Tabelle I ersichtlich und dienen zum Vergleich.
Die folgenden Katalysatoren B, C und D werden auf gleiche Weise getestet:
Vergleichskatalysator B wird durch mindestens 10 Minuten langes Tränken von 100 g des Katalysators A in 100 ml Lösung aus 43,3 mg CsCl in 5 Gewichtsprozent Wasser enthaltendem Aceton hergestellt. Nach Entfernen der überschüssigen Lösung wird der Katalysator 16 Stunden lang in einem Ofen bei 120°C getrocknet.
Vergleichskatalysator C wird durch zweimaliges, halbstündiges Waschen von 100 g des Katalysators A mit 200 ml Wasser unter Umrühren bei einer Temperatur von 20°C, Entfernen des überschüssigen Wassers und anschließendes 16stündiges Trocknen in Luft bei einer Ofentemperatur von 120°C erhalten.
Der Katalysator D wird erfindungsgemäß durch mindestens 10 Minuten langes Tränken von 100 g des Katalysators C in 100 ml einer 43,3 mg CsCl enthaltenden Lösung in 5 Gewichtsprozent Wasser enthaltendem Aceton hergestellt. Der Katalysator wird in derselben Art und Weise getrocknet wie Vergleichskatalysator B.
Tabelle I
Aus Tabelle I geht hervor, daß der Katalysator D, der durch Reaktivierung des verbrauchten Katalysators (Katalysator A) nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnen wurde, aktiver und selektiver ist als Katalysator A. Katalysator D ist auch aktiver und selektiver als der durch Behandlung von Katalysator A mit einer Cäsium enthaltenden Lösung ohne vorangegangenes Waschen mit Wasser gewonnene Katalysator B. Die geringe Selektivität des Katalysators C zeigt die ungünstige Wirkung des Waschens des Katalysators nur mit Wasser.
Beispiel 2
Ein verbrauchter, Kalium enthaltender Silberkatalysator der in der britischen Patentschrift 14 13 251 beschriebenen Art (Katalysator E) wird für die Herstellung von Äthylenoxid in ähnlicher Weise getestet wie in Beispiel 1 beschrieben.
Die bei einer Sauerstoffumsetzung von 40 Mol-% erreichte Äthylenoxidselektivität und die für diese Sauerstoffumssetzung erforderliche Temperatur sind aus Tabelle II ersichtlich.
Die folgenden Katalysatoren F, G und H werden auf dieselbe Art und Weise getestet:
Vergleichskatalysator F wird durch zweimaliges, einstündiges Waschen von 200 g des Katalysators E mit 1000 ml Wasser bei einer Temperatur von 20°C und anschließendes 16stündiges Trocknen bei 120°C hergestellt.
Der Katalysator G wird erfindungsgemäß durch mindestens 10 Minuten langes Tränken von 100 g des Katalysators F in 100 ml einer 20 mg NaCl enthaltenden Lösung von 5 Gewichtsprozent Wasser enthaltendem Aceton gewonnen. Der Katalysator wird auf die gleiche Weise getrocknet wie Katalysator F.
Der Katalysator H wird erfindungsgemäß durch mindestens 10 Minuten langes Tränken von 100 g des Katalysators F in 100 ml einer Lösung von 20 mg KCl in 5 Gewichtsprozent Wasser enthaltendem Aceton hergestellt. Der Katalysator wird auf die gleiche Weise getrocknet wie Katalysator F.
Tabelle II
Beispiel 3
Ein benutzter, Kalium enthaltender Silberkatalysator der in der britischen Patentschrift 14 13 251 beschriebenen Art (Katalysator I) wird für die Herstellung von Äthylenoxid dadurch getestet, daß man ihn in ein Reaktorrohr mit einem Innendurchmesser von 2 cm entsprechend einer Bettlänge von 20 cm einfüllt. Dann wird über den Katalysator ein aus 30 Mol% Äthylen, 7,5 Mol-% Sauerstoff, 7 Teilen/Million Vinylchlorid und dem Rest Stickstoff bestehendes Gasgemisch bei atmosphärischem Druck und einer stündlichen Raumgeschwindigkeit des Gases von 240 l/l · h geleitet.
Die bei einer Sauerstoffumsetzung von 40 Mol-% erreichte Äthylenoxid-Selektivität und die für diese Sauerstoffumsetzung erforderliche Temperatur sind aus Tabelle III ersichtlich.
Die nachstehend aufgeführten Katalysatoren J und K werden auf entsprechende Art getestet:
Der Vergleichskatalysator J wird hergestellt durch viermaliges einstündiges Waschen von 100 g des Katalysators I mit 200 ml destilliertem Wasser unter Umrühren bei einer Temperatur von 20°C, Abziehen des überschüssigen Wassers und anschließendes halbstündiges Verrühren des Katalysators mit 200 ml Aceton. Nach Abziehen des überschüssigen Acetons wird der Katalysator 16 Stunden lang in Luft bei einer Ofentemperatur von 120°C getrocknet.
Der Katalysator K wird erfindungsgemäß durch Imprägnieren von 100 g des Katalysators J mit 200 ml einer Lösung von 58 mg CsCl in 5 Gewichtsprozent Wasser enthaltendem Aceton hergestellt. Die Imprägnierung erfolgt dadurch, daß man die Lösung 15 Minuten lang über den Katalysator rieseln läßt und die abfließende Lösung sammelt. Das Verfahren wird viermal wiederholt, indem man die gesammelte Lösung erneut über den Katalysator rieseln läßt, worauf die Imprägnierlösung abgezogen und der Katalysator 16 Stunden lang in einem Ofen bei 120°C getrocknet wird.
Tabelle III

Claims (2)

1. Verfahren zur Reaktivierung von Silberkatalysatoren, die bei der Herstellung von Äthylenoxid durch Umsetzung von Äthylen mit molekularem Sauerstoff verwendet worden sind, durch Imprägnieren der verwendeten Silberkatalysatoren mit einer ein organisches Lösungsmittel enthaltenden Alkalisalzlösung sowie anschließendes Trocknen, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator mit Wasser oder einem Gemisch aus Wasser und einem mit Wasser mischbaren organischen Lösungsmittel gewaschen und danach gegebenenfalls nach einem weiteren Waschen mit einem mit Wasser vermischbaren Lösungsmittel mit einem Siedepunkt unter 100°C bei einer Temperatur bis zu 200°C getrocknet wird und daß auf den gewaschenen und getrockneten Katalysator 0,00004 bis 0,008 Gramm-Äquivalent pro Kilogramm, bezogen auf den gesamten Katalysator, Natrium-, Kalium-, Rubidium- und/oder Cäsium-Ionen niedergeschlagen werden.
2. Verwendung des reaktivierten Silberkatalysators nach Anspruch 1 zur Herstellung von Äthylenoxid.
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