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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
N,N-disubstituierten Hydroxylamins aus Wasserstoffperoxid und dem
entsprechenden disubstituierten Amin in Gegenwart eines Katalysators auf
Basis von Titansilicaliten, der einen Gehalt an Alkalimetall bzw.
Alkalimetallen zwischen 0,05 und 2 Gew.-% aufweist.
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Unter
Titansilicaliten versteht man Zeolithe vom MFI-Typ, in denen ein Teil der Siliciumatome
durch Titanatome ersetzt ist. Diese Titansilicalite sind Gegenstand
zahlreicher Publikationen. So wird in der US-PS 4 410 501 ein Verfahren
zur Herstellung von Titansilicaliten durch Reaktion einer Siliciumquelle
mit einer Titanoxidquelle in wäßrigem Medium
bei einer Temperatur zwischen 130 und 200°C unter autogenem Druck und
in Gegenwart einer Stickstoff enthaltenden Base, wie eines quaternären Ammoniumhydroxids,
beschrieben. In Beispiel 1 dieser Patentschrift wird angegeben,
daß das
quaternäre
Ammoniumhydroxid alkalimetallionenfrei sein muß.
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Gemäß bestimmten
Autoren, insbesondere B. Notari ("Structure-Activity and Selectivity Relationships in
Heterogeneous Catalysis",
Elsevier Science Publishers 1991, S. 248) und G. Bellussi und V.
Fattore ("Zeolite Chemistry
and Catalysis",
Elsevier Science Publishers, 1991, S. 79) erfordert die Synthese
von Titansilicaliten die Verwendung von Reaktanten, die von Verunreinigungen,
insbesondere Alkalimetallen, frei sind. Diese Autoren haben gezeigt,
daß die
Reaktion zwischen einer Siliciumquelle und einem hydrolysierbaren
Titanderivat, wie Alkyltitanaten, in Gegenwart von Alkalimetallen
nicht zur Bildung von Titansilicaliten führt.
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Außerdem müssen die
gemäß der
US-PS 4 410 501 hergestellten
Titansilicalite mehreren Aktivierungsschritten mit Wasserstoffperoxid
und einer starken Säure
unterworfen werden, bevor sie als Katalysatoren verwendet werden
können
(
EP 208 311 ,
EP 267 362 und
EP 314 147 ).
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Darüber hinaus
lehrt die europäische
Patentanmeldung
EP 665 188 ein
Verfahren zur Herstellung von Titansilicaliten aus einer Siliciumquelle
und TiF
4, gegebenenfalls in Gegenwart eines
oder mehrerer Alkalimetalle. Die so hergestellten Titansilicalite
werden mit Salzsäure
gewaschen und dann zur Hydroxylierung von Phenol verwendet.
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Bei
eigenen Untersuchungen wurde nun ein Katalysator auf Basis von Titansilicaliten
entdeckt, der bei Oxidationsreaktionen unter Verwendung von Wasserstoffperoxid
sowohl aktiv als auch selektiv ist.
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Dieser
Katalysator bietet eine höhere
Selektivität
hinsichtlich Wasserstoffperoxid als die aus dem Stand der Technik
bekannten Katalysatoren. Außerdem
hat das Verfahren zu seiner Herstellung den Vorteil, daß es nicht
mit den oben aufgeführten
Nachteilen behaftet ist.
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Der
Katalysator basiert auf Titansilicaliten mit einem Gehalt an Alkalimetall
bzw. Alkalimetallen zwischen 0,05 und 2 Gew.-% und vorzugsweise
zwischen 0,9 und 1,5 Gew.-%. Er kann durch hydrothermale Behandlung
einer Reaktionsmischung aus einer Quelle von vierwertigem Silicium,
Titantetrafluorid (TiF4), einem Strukturbildner,
Wasser und einem oder mehreren Alkalimetallionen hergestellt werden.
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Als
Siliciumquelle kann man üblicherweise
verwendete Siliciumderivate verwenden, wie: feinteilige Siliciumdioxide
in Form von Hydrogelen, Aerogelen oder kolloidalen Suspensionen;
hydrolysierbare Kieselsäureester
wie Alkylorthosilicate der Formel Si(OR)4,
worin R für
einen Alkylrest mit eins bis vier Kohlenstoffatomen (Methyl-, Ethyl-,
Propyl-, Butylreste) steht. Vorzugsweise verwendet man Tetraethylorthosilicat.
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Der
Strukturbildner kann unter den vorher schon vorgeschlagenen Strukturbildnern
und insbesondere unter Tetraalkylammoniumhydroxiden mit 1 bis 4
Kohlenstoffatomen in der Alkylgruppe ausgewählt werden; vorzugsweise verwendet
man Tetrapropylammoniumhydroxid und Tetrabutylammoniumhydroxid.
Da es nicht notwendig ist, quaternäre Ammoniumhydroxide zu verwenden,
die von darin enthaltenen Alkalimetallionen befreit worden sind,
können
handelsübliche
wäßrige Lösungen von
quaternären
Ammoniumhydroxiden geeignet sein.
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Das
Alkalimetallion bzw. die Alkalimetallionen kann bzw. können aus
dem Strukturbildner stammen und/oder in Hydroxid- oder Salzform
zugegeben werden. Das Alkalimetallion kann unter Kalium, Natrium
und Caesium und vorzugsweise unter Kalium und Natrium ausgewählt werden.
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Bei
der hydrothermalen Reaktion arbeitet man unter den üblichen
Bedingungen. Das Verfahren findet in zwei Phasen statt. In der ersten
Phase stellt man eine wäßrige Reaktionsmischung
her, die mindestens eine Siliciumquelle, den Strukturbildner, das
oder die Alkalimetallionen und Titantetrafluorid enthält. Diese
Mischung kann man so lange bei einer Temperatur zwischen etwa 15°C und etwa
50°C halten,
bis die Siliciumquelle hydrolysiert ist; die Dauer dieser Phase
hängt von
der gewählten
Temperatur ab. Im allgemeinen ist eine Dauer zwischen etwa 10 min
und 2 Stunden gut geeignet. Der pH-Wert der Reaktionsmischung liegt
vorzugsweise über
10; gut geeignet ist ein pH-Wert von 10 bis 12. Der Modus der Zugabe
der Reaktanten ist nicht kritisch; so kann die Zugabe des Titantetrafluorids
zu der die Siliciumquelle enthaltenden wäßrigen Mischung vor oder nach
der Zugabe des Strukturbildners erfolgen, und in letzterem Fall vorzugsweise
nach teilweiser Hydrolyse der Siliciumquelle. Das Titantetrafluorid
kann der Hydrolysemischung entweder in Pulverform oder in Form einer
Suspension in einer Trägerflüssigkeit
zugesetzt werden. Da es bei Umgebungstemperatur hydrolysestabil
ist, kann man als Trägerflüssigkeit
Wasser verwenden.
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Während der
zweiten Phase wird der Titansilicalit durch Erhitzen der Reaktionsmasse
aus der ersten Phase auf eine Temperatur von 120 bis 200°C und vorzugsweise
160 bis 190°C
unter autogenem Druck kristallisiert. Die Dauer der Kristallisationsphase
hängt von
den Reaktionsbedingungen ab und liegt im allgemeinen zwischen 1
und 7 Tagen. Bei Verwendung eines Alkylsilicats als Siliciumquelle
wird der bei der Hydrolyse anfallende Alkohol vor der Kristallisationsphase
bei Normaldruck oder vermindertem Druck abdestilliert.
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Die
molaren Mengen von Siliciumderivaten und TiF4 können je
nach gewünschter,
Zusammensetzung des Titansilicalits, d. h. des gewünschten
Si/Ti-Verhältnisses,
innerhalb weiter Grenzen variieren. Diese Mengen können in
der Nähe
der Stöchiometrie
der Reaktion für
die vorgesehene Zusammensetzung liegen oder beträchtlich davon abweichen. Im
allgemeinen kann die molare TiF4-Menge, bezogen auf
1 mol Siliciumderivat und insbesondere 1 mol Alkylorthosilicat,
in einem Bereich von etwa 0,005 bis etwa 0,2 und vorzugsweise von etwa
0,05 bis etwa 0,15 liegen.
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Die
bei dem Verfahren verwendete molare Menge an Strukturbildner, bezogen
auf 1 mol Siliciumderivat und insbesondere 1 mol Alkylorthosilicat,
kann in einem Bereich von etwa 0,1 bis etwa 2 und vorzugsweise von
etwa 0,2 bis etwa 0,6 liegen.
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Die
in der Reaktionsmischung vorliegende Wassermenge ist nicht kritisch
und kann innerhalb weiter Grenzen variieren. Gut geeignet ist im
allgemeinen eine Wassermenge in einem Bereich von etwa 5 bis 100 mol
und vorzugsweise etwa 20 bis etwa 50 mol pro mol Siliciumderivat.
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Der
am Ende der Reaktion erhaltene Katalysator wird von der Reaktionsmischung
abfiltriert, mit Wasser gewaschen, bei einer Temperatur größer gleich
100°C getrocknet
und dann zur Vertreibung des Strukturbildners bei einer Temperatur
größer gleich
500°C calciniert.
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Die
in dem Katalysator vorhandene Titanmenge liegt im allgemeinen zwischen
0,6 und 2,5% und vorzugsweise zwischen 0,8 und 1,5%.
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Die
herstellung des Katalysators unterscheidet sich von derjenigen gemäß der europäischen Patentanmeldung
EP 665 188 hauptsächlich
durch das Fehlen des Waschschritts. Durch das Waschen mit der Säure sollen
ja die Alkalimetalle entfernt werden.
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Der
Katalysator eignet sich ganz besonders zur Herstellung von N,N-disubstituierten
Hydroxylaminen der allgemeinen Formel (I):
worin R
1 und
R
2 gleich, oder verschieden sind und jeweils
für einen
linearen oder verzweigten und vorzugsweise linearen Alkylrest, der
1 bis 8 Kohlenstoffatome und vorzugsweise 1 bis 6 Kohlenstoffatome
aufweist und gegebenenfalls, vorzugsweise am Kettenende, durch unter
Hydroxyl, Fluorid, Alkalimetall- und Erdalkalimetallsulfonaten,
Alkalimetall- und Erdalkalimetallcarboxylaten und Ether ausgewählte Gruppen
substituiert ist, einen Cycloalkylrest mit 5 bis 8 Kohlenstoffatomen oder
einen linearen Rest der Formel C
nH
2n–1,
wobei n eine Zahl zwischen 2 und 6 bedeutet, stehen. R
1 und
R
2 können
auch zusammen mit dem Stickstoffatom miteinander zu einem gesättigten
oder ungesättigten
Ring mit 4 bis 7 Kohlenstoffatomen verbunden sein.
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Gegenstand
der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung eines N,N-disubstituierten
Hydroxylamins der allgemeinen Formel (I) aus Wasserstoffperoxid
und dem entsprechenden Amin. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet,
daß man
in Gegenwart eines Katalysators gemäß obiger Beschreibung durchführt.
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Bevorzugte
entsprechende Amine sind Diethylamin, Dibutylamin, Dihexylamin,
Methylethylamin, Methylpropylamin, Methylbutylamin, Ethylbutylamin,
Ethylhexylamin, Diethanolamin, Divinylamin, Piperidin, Morpholin,
Pyrrolidin und Pyrrolin.
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Besonders
bevorzugte entsprechende Amine sind Diethylamin, Diethanolamin,
Divinylamin, Methylethylamin, Methylpropylamin und Methylbutylamin.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann man mit oder ohne Lösungsmittel
arbeiten. Als Lösungsmittel
kann man Wasser oder jedes beliebige wassermischbare organische
Lösungsmittel,
beispielsweise aliphatische Alkohole und schwere Ether vom Glyme-Typ,
wählen.
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Vorteilhafterweise
wählt man
tert.-Butanol und Diglyme.
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Das
Verfahren kann sowohl kontinuierlich als auch diskontinuierlich
geführt
werden.
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Die
Reaktionstemperatur liegt im allgemeinen zwischen 15 und 150°C und vorzugsweise
zwischen 60 und 90°C.
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Man
kann bei Normaldruck arbeiten und auch bei einem darüber liegenden
Druck, um das Lösungsmittel
und die Reaktanten in flüssigem
Zustand zu halten.
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Der
Katalysator kann entweder in feinteiliger und in der Reaktionsmischung
dispergierter Form eingesetzt oder zu Pellets oder Extrudaten geformt
werden. Die verwendete Katalysatormenge liegt im allgemeinen zwischen
0,5 und 50 Teilen pro 100 Teile Amin und vorzugsweise zwischen 1
und 30 Teilen.
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Das
verwendete Wasserstoffperoxid liegt im allgemeinen in Form einer
wäßrigen Lösung mit
einer Konzentration zwischen 10 und 70 Gew.-% vor. Meistens verwendet
man eine wäßrige Lösung mit
20 bis 40 Gew.-% Wasserstoffperoxid.
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Das
Wasserstoffperoxid wird in einer solchen Menge verwendet, daß das Wasserstoffperoxid/Amin-Molverhältnis bei
diskontinuierlicher Arbeitsweise zwischen 0,2 und 1,5 und vorzugsweise
zwischen 0,9 und 1,2 liegt.
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Beim
Arbeiten in Gegenwart eines Lösungsmittels
ist die verwendete Menge so groß,
daß die
Konzentration des Amins in dem Lösungsmittel
zwischen 1 und 30 Teilen pro 100 Teile Lösungsmittel liegt.
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Bei
diskontinuierlicher Arbeitsweise erhält man am Ende der Reaktion
eine Suspension, die den Katalysator enthält. Letzterer kann durch Filtrieren
der Suspension wiedergewonnen werden, und das so erhaltene Filtrat,
das aus dem nicht umgesetzten Amin und den Reaktionsprodukten besteht,
wird gaschromatographisch analysiert. Die quantitative Bestimmung
des nicht umgesetzten Amins und des N,N-disubstituierten Hydroxylamins
kann auch acidimetrisch erfolgen. Die verschiedenen Reaktionsprodukte
und das nicht umgesetzte Amin können
nach bekannten Methoden, wie Destillation, Kristallisation oder
Extraktion, aus dem Filtrat isoliert werden. Das nicht umgesetzte
Amin und das Lösungsmittel
können
zurückgeführt werden.
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Die
Erfindung wird nun anhand der folgenden Beispiele näher erläutert.
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EXPERIMENTELLER
TEIL
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Katalysatorherstellung
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In
einem 250-cm3-Rundkolben mit Heizvorrichtung
und Rührsystem
werden 25 cm3 Ethylsilicat und 40 cm3 einer einmolaren wäßrigen Lösung von Tetrapropylammoniumhydroxid
(Aldrich). mit 0,1 Gew.-% Natriumionen und 0,32 Gew.-% Kaliumionen
vorgelegt. Man schaltet den Rührer
ein und hält
die Mischung 30 Minuten bei Umgebungstemperatur. Dann gibt man 40
cm3 destilliertes Wasser zu und bringt die
Mischung dann auf 80°C.
Die Mischung wird 2 Stunden bei dieser Temperatur gehalten. Danach
hört man
mit dem Heizen auf und gibt 0,32 g TiF4 zu.
Dann wird die Reaktionsmischung 5 Minuten rühren gelassen und dann in ein
druckfestes Reaktionsgefäß mit Teflon-Innenbeschichtung,
Rührsystem
und Heizvorrichtung überführt. Die
Reaktionsmischung wird dann unter Rühren (300 Umdrehungen pro Minute) über einen
Zeitraum von einer Stunde auf 170°C
gebracht und 2 Tage bei dieser Temperatur gehalten. Der bei der
Reaktion angefallene weiße
Feststoff wird abfiltriert und dann 5mal mit jeweils 250 cm3 destilliertem Wasser gewaschen. Der abfiltrierte
Feststoff wird 12 Stunden bei 120°C
getrocknet und dann 4 Stunden an der Luft calciniert.
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So
erhält
man 5,3 g eines weißen
Feststoffs mit einem Ti-Gehalt von 0,9 Gew.-%, F = 0,07 Gew.-%,
K = 0,8 Gew.-% und Na = 0,045 Gew.-%.
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Das
mittels Röntgenbeugung
und Infrarot analysierte Produkt ergibt für Titansilicalite charakteristische Spektren.
Darüber
hinaus geht aus dem Ultraviolettspektrum hervor, daß das Produkt
kein Nichtgerüst-Titan enthält.
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Im
folgenden ist die Selektivität
zu Diethylhydroxylamin (DEHA), bezogen auf das entsprechende Amin
(DEA), durch die folgende Formel definiert:
worin
(DEA)
i = Zahl der Mole DEA am Anfang
und
(DEA)
f = Zahl der Mole DEA am Ende.
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Ganz
analog ist die Selektivität
zu DEHA, bezogen auf das Wasserstoffperoxid (H
2O
2), durch die folgende Formel definiert:
worin
(H
2O
2)
i =
Zahl der Mole H
2O
2 am
Anfang
und (H
2O
2)
f = Zahl der Mole H
2O
2 am Ende.
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Beispiel 1
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In
einem thermostatisierten Reaktor mit Rührsystem, Vorrichtung zum Eintragen
flüssiger
Reaktanten, Temperaturfühler
und Rückflußkühler mit
angeschlossener Waschflasche werden vorgelegt:
- – 11 g Diethylamin
(0,15 mol)
- – 60
g tert.-Butanol und
- – 2
g gemäß obiger
Verfahrensweise hergestellter Katalysator.
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Man
bringt die Mischung unter Rühren
auf Rückflußtemperatur
(79–80°C) und trägt dann über einen Zeitraum
von einer Stunde 13,1 g einer 35 gew.-%igen wäßrigen Lösung von Wasserstoffperoxid
(0,135 mol) in den Reaktor ein.
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15
Minuten nach Beendigung der Zugabe der wäßrigen Wasserstoffperoxidlösung hört man mit
dem Erhitzen auf. Die zur Bestimmung des Grads der Zersetzung des
Wasserstoffperoxids dienende Waschflasche zeigt, daß keine
Gasentwicklung stattfindet.
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Nach
dem Abkühlen
wird die Menge an nicht verbrauchtem Wasserstoffperoxid mittels
Iodometrie quantitativ bestimmt und die am Ende erhaltene Lösung dann
gaschromatographisch analysiert und auch einer quantitativen Analyse
mittels Acidimetrie unterworfen.
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Aus
den Analysen geht hervor, daß man
am Ende der Reaktion einen Umsatz von Diethylamin (DEA) von 87%
und eine Selektivität
zu Diethylhydroxylamin (DEHA) und zu Nitron, bezogen auf das Diethylamin, von
87% bzw. 11% erhält.
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Die
Analyse der am Ende erhaltenen Lösung
zeigt, daß das
Wasserstoffperoxid vollständig
verbraucht worden ist und die Selektivität zu Diethylhydroxylamin und
Nitron, bezogen auf Wasserstoffperoxid, 84% bzw. 10% beträgt.
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Beispiel 2
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Am
Ende der Reaktion gemäß Beispiel
1 wird der Katalysator von der Lösung
abfiltriert. Der so erhaltene nicht getrocknete Katalysator wird
dann unter den gleichen Bedingungen wie oben beschrieben (Beispiel 1)
verwendet.
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Vergleichsbeispiel 3
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Man
verfährt
wie in Beispiel 1, jedoch mit der Abwandlung, daß der verwendete Katalysator
nach dem Verfahren gemäß Beispiel
2 der
US-PS 4 410 501 hergestellt
wurde.
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In
diesem Fall zeigte die Waschflasche, daß sich während der Reaktion Gas entwickelte.
Folglich ist ein Teil des verbrauchten Wasserstoffperoxids zersetzt
worden.
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Vergleichsbeispiel 4
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Man
verfährt
wie in Beispiel 1, jedoch mit der Abwandlung, daß der verwendete Katalysator
nach dem Verfahren gemäß Beispiel
2 der europäischen
Patentanmeldung
EP 665 188 hergestellt
wurde. Nach Waschen mit Säure
und vor der Verwendung enthielt der Katalysator 1,39 Gew.-% Ti,
0,083 Gew.-%, F, 0,01 Gew.-% K und 0,02 Gew.-% Na.
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Vergleichsbeispiel 5
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Man
verfährt
wie in Beispiel 3, jedoch mit der Abwandlung, daß man den Katalysator mit wäßriger KCl-Lösung (0,1 mol pro Liter) und
wäßriger NaCl-Lösung (0,01
mol pro Liter) vorbehandelt.
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Der
vorbehandelte Katalysator enthielt 1.04 Gew.-% Ti, 0,85 Gew.-% K
und 0,065 Gew.-% Na.
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Die
in den Beispielen 1 bis 5 erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle
1 aufgeführt.
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Beispiel 6
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80
Gewichtsteile des nach der in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen
Arbeitsweise hergestellten Katalysators werden mit 20 Teilen eines
Bindemittels auf Basis von Kieselgel (20 Gew.-% Siliciumoxid) vermischt
und zu Extrudaten mit einem Durchmesser und einer Länge zwischen
1 mm und 1,6 mm geformt. Die Extrudate werden dann 4 Stunden bei
500°C an
der Luft calciniert.
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In
einen doppelwandigen, mit Hilfe eines umlaufenden Thermofluids temperierten
Zylinderreaktor mit einem Innendurchmesser von 20 mm mit Fritte
werden 12 g so hergestellte Extrudate gegeben. Die Katalysatorschüttung ruht
auf der Fritte, die 3 cm vom unteren Teil des Reaktors angeordnet
ist. Der Zylinderreaktor enthält
eine Reaktionszone, die aus der Katalysatorschüttung und einer unmittelbar
davor angeordneten Vorerhitzungszone besteht.
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In
den Reaktor trägt
man kontinuierlich eine 19 gew.-%ige
Lösung
von Diethylamin in Diglyme mit einem Durchsatz von 256 g/h und eine
20 gew.-%ige wäßrige Wasserstoffperoxidlösung mit
einem Durchsatz von 19,3 g/h ein. Vor dem Eintragen in den Reaktor
werden die beiden Lösungen
vermischt.
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Die
Thermofluidtemperatur wird so geregelt, daß man in der Reaktionszone
eine Temperatur von 78°C erhält, und
die gesamte Anlage wird unter Stickstoff gehalten.
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Am
Ausgang des Reaktors wird die Flüssigkeit,
mittels Überlauf
zurückgewonnen,
abgekühlt
und dann aufbewahrt.
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Für eine Betriebsdauer
von 3 Stunden erhält
man die in Tabelle 1 aufgeführten
Ergebnisse.
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