WO2008135581A1 - Iridium catalysts for converting hydrocarbons in the presence of water vapour and especially for the steam dealkylation of alkyl-substituted aromatic hydrocarbons - Google Patents

Iridium catalysts for converting hydrocarbons in the presence of water vapour and especially for the steam dealkylation of alkyl-substituted aromatic hydrocarbons Download PDF

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hydrocarbons
alkyl
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Marco Bosch
Dirk Neumann
Götz-Peter SCHINDLER
Heinrich Laib
Armin Lange De Oliveira
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Basf Se
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Definitions

  • the present invention relates to an iridium-containing catalyst, its use for the reaction of hydrocarbons in the presence of water vapor and in particular its use for the dealkylation of alkyl-substituted aromatic hydrocarbons having 7 to 12 carbon atoms to benzene and a process for the reaction of hydrocarbons in the presence of Water vapor using the iridium-containing catalyst.
  • hydrocarbons in the presence of water vapor can be done by various reactions and processes.
  • a common process is the so-called steam reforming, in which the hydrocarbons are converted in the presence of water vapor to hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide.
  • Alkyl-substituted aromatic hydrocarbons can be reacted in the presence of steam in the so-called steam dealkylation to the corresponding aromatics, hydrogen, CO, CO 2 and further reaction products.
  • the dehydrogenation of hydrocarbons is often carried out in the presence of water, although the water does not participate in the actual dehydrogenation reaction. However, it has an advantageous effect on the catalyst service lives, since the water vapor reduces coke deposition by converting the coke into carbon monoxide and carbon dioxide.
  • US 4,233,186 describes a catalyst for the steam dealkylation of mono- and poly-alkyl-substituted aromatic hydrocarbons, the 0.1 to 5 wt .-% of a metal of group 8, 9 or 10 of the Periodic Table of the Elements (PSE, IUPAC nomenclature) on a Contains spinel carrier.
  • the carrier has the composition (M x MV x) Al 2 O 4, where M denotes a metal from group 8, 9 or 10 of the Periodic Table and M 'is a metal of Group 2, 7, 11 or 12 of the PTE.
  • No. 4,207,169 discloses a catalytic process for the steam dealkylation of alkyl-substituted aromatics on catalysts based on an alumina carrier which contains 0.1 to 1% by weight of rhodium and 0.05 to 1% by weight of titanium dioxide. On the catalyst support further metals of the Pt group, alkali metals and other metals may be applied.
  • No. 3,775,504 relates to the dealkylation of alkyl-substituted aromatics in the presence of water vapor over catalysts comprising at least one group 8, 9 or 10 metal of the PSE on a support, the support comprising at least 50% by weight of ⁇ -Al 2 O 3 has.
  • the catalyst may optionally contain alkali and alkaline earth oxides.
  • the reaction of the alkyl-substituted aromatics proceeds not only in accordance with the steam dealkylation reaction but also with consumption of the resulting hydrogen according to the hydrodealkylation reaction in which alkyl-substituted aromatics react to the corresponding aromatics and alkanes. Both reactions are catalyzed by the same catalyst.
  • Alumina-based catalysts each containing a Group 8, 9 or 10 metal of the PSE, are compared by rhodium-based relative "turn over frequencies" (TOF), which provides a measure of the catalytic activity of the individual metals Rhodium is the most active metal by far and iridium is one of the least active metals, by definition the relative TOF of rhodium is 100%, but iridium is 14% or less Selectivities of the various platinum metals in the vapor dealkylation of toluene to benzene, the metals Rh, Pd, Os, Ir, and Pt have higher benzene selectivities than Ni, Co, and Ru.
  • TOF turn over frequencies
  • Rh perform significantly better than Rh Pt,
  • Pd and Ir have higher selectivities to benzene in the vapor dealkylation of toluene, but at the same time they are significantly less reactive than Rh.
  • Rh is that in catalyzato For the vapor dealkylation of alkyl-substituted aromatics the most commonly used metal. This leads to a dependence on this metal, which can have a negative economic impact on fluctuating raw material costs.
  • the object of the present invention is therefore to provide an alternative catalyst for the reaction of hydrocarbons in the presence of water vapor, with which similar or better yields can be achieved as with the catalysts of the prior art.
  • the catalyst should have long-term stability and high yields even at low molar S / C ratios (steam to carbon, molar ratio of water vapor molecules to C atoms present in the mixture), since less is present at low S / C ratios Steam to be heated and condensed in the workup of the reaction mixture again. This has the consequence that the heat exchanger surfaces can be made smaller.
  • the erf ⁇ ndungswashe catalyst contains as component a) 0.1 to 3 wt .-%, based on the total weight of the catalyst, iridium. In a preferred embodiment, the catalyst contains from 0.2 to 2.0% by weight, preferably from 0.4 to 1.6% by weight, based on the total weight of the catalyst, of iridium.
  • the catalyst according to the invention contains 0.1 to 10.0% by weight, based on the total weight, of at least one promoter, preferably 0.5 to 8.0% by weight, particularly preferably 1.5 to 5, 0th
  • the promoter is selected from the group comprising alkali metals, alkaline earth metals and lanthanides. Particularly preferred promoters are Cs, Ba, Sr, La, Ce, Pr, Nd and Eu.
  • the promoter (s) may be applied to the carrier in the form of their salts, as described below. However, after calcination and activation of the catalyst, they are preferably present as oxides in the catalyst.
  • the catalyst contains a promoter from the above-mentioned group.
  • two promoters from the above-mentioned group are used.
  • the catalyst according to the invention comprises, as component c), 87.0 to 99.8% by weight, based on the total weight of the catalyst, of a support which contains zirconium oxide (ZrO 2).
  • the zirconium oxide may optionally contain 0 to 20% by weight, based on the weight of the zirconium oxide, of one or more elements selected from the group Si, Y, Ce and La as stabilizer.
  • the ZrO 2 may be in monoclinic or tetragonal crystal structure or in mixed crystal structure (X. Turrillas, J. Mater. Res. 1993, 8, 163-168).
  • the stabilizer or stabilizers serve to stabilize a specific crystal structure of the zirconium oxide (R. Franklin et al., Catal. Today 1991, 10, 405-407).
  • the crystal structure of the zirconia can be determined by taking an XRD spectrum. This is a common method of X-ray diffraction.
  • the stabilized zirconium oxide-containing support preferably contains cerium, lanthanum, yttrium and / or silicon, in particular cerium (III) oxide, lanthanum (III) oxide and / or silicon (IV) oxide.
  • cerium (III) oxide, lanthanum (III) oxide and / or silicon (IV) oxide can be used.
  • the stabilized zirconium oxide-containing carrier usually contains up to 15% by weight, preferably 1 to 10% by weight, in particular 3 to 7% by weight, based on the weight of Zirconium oxide, cerium (III) oxide.
  • the stabilized zirconia-containing support usually contains up to 15% by weight, preferably from 2 to 15% by weight, in particular from 5 to 15% by weight, based on the weight of zirconium oxide , Lanthanum (III) oxide
  • the stabilized zirconium oxide-containing support usually contains up to 10% by weight, preferably 1 to 7% by weight, in particular 2 to 5% by weight, based on the Weight of zirconium oxide, silicon (IV) oxide.
  • the stabilized zirconium oxide-containing support generally contains up to 20% by weight, preferably 5 to 15% by weight, in particular 10 to 15 wt .-%, based on the weight of zirconium oxide, cerium (III) oxide and usually up to 20 wt .-%, preferably 1 to 15 wt .-%, in particular 2 to 10 wt. -%, based on the weight of zirconium oxide, lanthanum (III) oxide.
  • the support preferably contains oxides from the group of zirconium oxide having a tetragonal crystal structure, zirconium oxide having a monoclinic crystal structure and stabilized zirconium oxide having a tetragonal crystal structure. Particularly preferred is stabilized zirconia having a tetragonal crystal structure.
  • the amount specified for component c) from 87.0 to 99.8 wt .-% applies to the non-stabilized oxide or oxide mixture as well as for the one or more stabilizers containing oxide or oxide mixture, based on the total amount of the catalyst.
  • the carrier c) may also contain auxiliaries. These are suitable for facilitating the shaping of the carrier. Usual aids are, for example, graphite and waxes, but it is also possible to use silicon dioxide and aluminum oxide as auxiliaries. Another common tool is pore former. These adjuvants can either be added by themselves or in the form of their precursors that are convert to the appropriate excipient during calcining. Examples include silicon dioxide precursors such as tetraethyl orthosilicate (TEOS) and colloidal silica and alumina precursors such as Boehmite, for example Pural ® (Fa. Sasol). Preferably, aluminas are used as auxiliaries.
  • TEOS tetraethyl orthosilicate
  • alumina precursors such as Boehmite
  • aluminas are used as auxiliaries.
  • the carrier c) may contain up to 10% by weight, based on the total weight of the carrier, of auxiliaries.
  • the carrier contains from 0.1 to 10% by weight, preferably from 0.5 to 2% by weight, based on the total weight of the carrier, of auxiliaries.
  • the preparation of the catalyst can be carried out by customary methods known to the person skilled in the art.
  • the zirconia-containing support from corresponding compounds which convert to the corresponding oxide upon calcining.
  • hydroxides, carbonates and carboxylates are suitable.
  • the corresponding oxide or precursors, which are converted to the oxide upon calcination may be prepared by methods known per se, e.g. according to the So 1 gel method, by precipitation, dewatering of the corresponding carboxy late, dry mixing, slurrying or spray drying. In the precipitation, usually soluble metal salts are used, e.g. the corresponding halides, preferably chloride, alkoxides, nitrate, etc., preferably nitrate.
  • Stabilized zirconia-containing supports can i.a. can be prepared by zirconium oxide or the corresponding precursor with soluble salts of the stabilizers, such as described above.
  • the corresponding halides preferably chlorides, alkoxides, nitrates, etc., soaks.
  • the stabilizers on the zirconia-containing carrier by precipitation from corresponding soluble salts of the stabilizers.
  • the corresponding halides preferably chlorides, alkoxides, nitrates, etc., are generally suitable.
  • the stabilized zirconium oxide-containing support from compounds which on calcining convert into zirconium oxide or cerium (III) oxide, lanthanum (III) oxide, silicon (IV) oxide.
  • hydroxides, carbonates and carboxylates are suitable. These are for example precipitated together, spray-dried together etc.
  • the zirconia and stabilized zirconia or precursors prepared by the above processes may be added with the above-mentioned auxiliary agents suitable for facilitating the shaping of the zirconia-containing carrier. Subsequently, the shaping takes place.
  • strands, tablets, spheres, chippings, monoliths, etc. are prepared by the usual methods.
  • the zirconium oxide described above and the stabilized zirconium oxides or the corresponding precursors, which are optionally mixed with auxiliaries, are calcined. This is usually done with air or a mixture of air and nitrogen, at a temperature of 300 to 800 0 C, preferably at 500 to 600 0 C. It may be advantageous to add water vapor to the air or the air / nitrogen mixture.
  • the iridium can now be applied to the zirconia-containing support.
  • the carrier is impregnated with a solution of an iridium precursor.
  • the impregnation can be carried out by the incipient-wetness method, in which the porous volume of the support is filled up with approximately the same volume of impregnating solution and, optionally after maturation, the support is dried; or you work with an excess of solution, the volume of this solution is greater than the porous volume of the carrier.
  • the carrier is mixed with the impregnating solution and stirred for a sufficient time. Furthermore, it is possible to spray the carrier with a solution of the metal precursor.
  • Suitable iridium precursors are the respective metal salts, i.a. Halides, especially chloride, nitrate, acetate, alkaline carbonates, formate, oxalate, citrate, tartrate, iridium-organic compounds, but also iridium complexes.
  • the latter may contain as ligands acetylacetonate, amino alcohols, carboxylates such as oxalates, citrates, etc. or hydroxycarboxylic acid salts, etc.
  • Promoted catalysts are prepared by applying the promoter precursor or the promoter precursors in analogy to the methods for iridium application.
  • Suitable promoter precursors include halides, especially chlorides, nitrates, acetates, alkaline carbonates, formates, oxalates, citrates, tartrates, corresponding me- organometallic compounds, but also promoter complexes.
  • the latter may contain as ligands acetylacetonate, amino alcohols, carboxylates such as oxalates, citrates, etc. or hydroxycarboxylic acid salts, etc.
  • the promoter precursor can be applied together with the iridium precursors. But it is also possible to apply them one after the other. It may also be advantageous to apply the individual precursors in a certain order.
  • the promoter precursors can be applied together or separately. It is also possible to apply the iridium precursor together or separately with one or more promoter precursors. In the case of a separate application, it may also be advantageous to apply the individual precursors in a certain order. Between the applications of the individual solutions, the impregnated carrier can be dried before the next solution is applied.
  • the zirconia-containing support on which the iridium precursor and the promoter precursor (s) has been applied is calcined.
  • the calcination is usually carried out with air or a mixture of air and nitrogen, at a temperature of 300 to 800 0 C, preferably at 400 to 600 0 C. It may be advantageous to add water vapor to the air or the air / nitrogen mixture ,
  • the catalyst thus obtained is usually activated before its use, the reaction of hydrocarbons in the presence of water vapor. For this he is with
  • the activation process is in
  • Presence of water vapor performed.
  • the activation of the catalyst is usually carried out in the reactor in which the reaction of the hydrocarbons is to take place. However, it is also possible to carry out the activation of the catalyst before installation in the corresponding reactor.
  • the catalyst usually has a BET surface area (determined to DIN 66131) of up to 500 m 2 / g, preferably from 10 to 300 m 2 / g, in particular from 20 to 200 m 2 / g, particularly preferably at least 25 m 2 / g on.
  • the pore volume of the catalyst is 0.1 to 1 ml / g, preferably 0.15 to 0.8 ml / g, in particular 0.2 to 0.6 ml / g.
  • the support preferably has a monomodal or bimodal pore size distribution, the proportion of pores having a diameter greater than 10 nm being at least 30% by volume.
  • the cutting hardness of the carrier is at least 5 N / mm.
  • the cutting hardness was measured on a Zwick type BZ2.5 / TS1S apparatus with a preliminary force of 0.5 N, a precursor thrust speed of 10 mm / min, and a subsequent test speed of 1.6 mm / min, certainly.
  • the device had a fixed turntable and a freely movable punch with built-in cutting edge of 0.3 mm thickness.
  • the movable punch with the cutting edge was connected to a load cell for power absorption and moved during the measurement against the fixed turntable on which the catalyst molding to be examined was located.
  • the tester was controlled by a computer, which registered and evaluated the measurement results. The values obtained represent the average of the measurements for each of 10 shaped catalyst bodies.
  • the shaped catalyst bodies had a cylindrical geometry with their average length approximately equal to two to three times the diameter, and were measured with the blade of 0.3 mm thickness loaded with increasing force until the molding was severed.
  • the cutting edge was applied perpendicular to the longitudinal axis of the molding on the molding.
  • the required force per mm diameter of the carrier is the cutting hardness (unit N / mm).
  • catalysts are used in which the dispersity of iridium is at least 20%. The dispersity is measured by volumetric measurement of CO uptake 40 0 C after reduction of the metal atoms in the presence of hydrogen at 450 0 C for at least 2h.
  • the iridium When applied to the substrate, the iridium has a radial concentration distribution on the substrate, with the major portion, i. at least 55% of the iridium, or located directly below the surface of the support material. Such catalysts are also referred to as shell catalysts.
  • the layer in which the iridium is on the substrate usually has a thickness of 50 to 350 micrometers.
  • Another object of the present invention is the use of the above-described catalyst for the reaction of hydrocarbons in the presence of water vapor.
  • These reactions include, for example, steam reforming, in which hydrocarbons are catalytically converted to hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide in the presence of water vapor, and steam dealkylation, in which alkyl-substituted aromatic hydrocarbons react to aromatics, hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide.
  • the dehydrogenation of hydrocarbons in the presence of water is counted among these reactions, although the water vapor is not involved in the actual dehydrogenation reaction, but its presence has a positive effect on the life of the catalyst.
  • the water vapor reduces the deposition of coke and can react with the coke to form hydrogen and carbon monoxide or carbon dioxide.
  • the catalyst according to the invention is preferably used for reacting hydrocarbons having 1 to 12 carbon atoms in the presence of steam. Particular preference is given to reacting mixtures of hydrocarbons having 5 to 10 carbon atoms which are formed in the streamcracker as a by-product in the production of ethylene and / or propylene from naphtha.
  • this is the so-called pyrolysis gasoline, which is obtained after hydrotreating (removal of sulfur components, dienes and olefins with the aid of hydrogen).
  • the pyrolysis gasoline typically consists of a mixture of saturated linear and branched hydrocarbons (paraffins), saturated cyclic hydrocarbons (naphthenes) and alkyl-substituted aromatics.
  • the ratio of saturated hydrocarbons to alkyl-substituted aromatics is typically between 5:95 and 95:75.
  • Individual fractions, such as hydrocarbons with 5 carbon atoms (Cs cut) can be obtained by distillative separation.
  • the separation of the paraffin and naphthenic mixtures of the alkyl-substituted aromatics succeed, for example, by an extractive distillation.
  • the use of the above-described catalyst for the steam dealkylation of alkyl-substituted aromatic hydrocarbons is preferred.
  • Another object of the present invention is a process for the reaction of hydrocarbons in the presence of steam on the catalyst of the invention described above, preferably the reaction of Kohlenwasserstof fen with 1 to 12 carbon atoms.
  • Another preferred object of the present invention is a process for the preparation of benzene by reacting alkyl-substituted benzenes having 7 to 12 carbon atoms in the presence of water vapor on the catalyst according to the invention described above.
  • alkyl-substituted aromatic hydrocarbons can be dealkylated in the presence of the catalyst described above.
  • Alkyl in the context of the present invention means branched and linear C 1 -C 6 -alkyl groups.
  • One or more alkyl-substituted aromatic hydrocarbons means that one, two or more of the H atoms attached to the aromatic nucleus can be replaced by alkyl up to the case where all the corresponding H atoms have been replaced by alkyl.
  • aromatics and “aromatic hydrocarbons” are used synonymously.
  • one or more alkyl-substituted benzenes containing 7 to 12 carbon atoms may be dealkylated.
  • suitable mono-alkyl-substituted benzenes such as toluene, ethylbenzene or propylbenzene, polyhydric alkyl-substituted benzenes such as o-, m- and p-xylenes, mesitylene and mixtures thereof.
  • toluene is used.
  • mixtures containing substantially mono- and poly-alkyl-substituted benzenes are used; For example, the resulting during steam cracking so-called TX cut.
  • Sources of the mono- and poly-alkyl-substituted benzenes having 7 to 12 carbon atoms to be used according to the present invention are:
  • Cokererase extract obtained by scrubbing gas with higher boiling hydrocarbons and / or by adsorption on activated charcoal from raw coal resulting from the coking of coal
  • coal extract obtained by extraction of coal and / or brown coal with solvent such as tetralin or toluene at 350-400 0 C and 100-300 bar,
  • Aromatic fraction which is formed during the reaction of synthesis gas with methanol on zeolite catalysts or directly from synthesis gas by reaction on a bifunctional catalyst such as ZSM-5 / zinc chromite,
  • the feed stream used in the steam dealkylation generally contains at least 50% by weight, preferably at least 80% by weight, particularly preferably at least 90% by weight, of a mono- or polysubstituted alkyl-substituted aromatic hydrocarbon or a mixture thereof ,
  • a feed stream which, in addition to the mono- or poly-alkyl-substituted aromatic hydrocarbon or mixtures thereof, up to 50 wt .-%, preferably up to 30 wt .-%, particularly preferably to to 20 wt .-% of non-aromatics having 7 to 12 carbon atoms.
  • non-aromatics may be paraffins and / or naphthenes.
  • the feed stream may contain up to 40% by weight, preferably up to 10% by weight, more preferably up to 2% by weight, of hydrocarbons having 5 and / or 6 carbon atoms.
  • the so-called BTX cut which is obtained in steam cracking, can also be used as the feed stream.
  • the feed stream may contain sulfur containing compounds, such as e.g. Mercaptans, thiophene, benzothiophene, alkyl-substituted thiophenes and / or benzothiophenes.
  • sulfur containing compounds such as e.g. Mercaptans, thiophene, benzothiophene, alkyl-substituted thiophenes and / or benzothiophenes.
  • the sulfur content of the feed stream may be up to 100 ppm, usually 10 ppm or less, more preferably 2 ppm or less.
  • the dealkylation is usually carried out from 300 to 800 ° C., preferably from 400 to 600 ° C., in particular from 400 to 550 ° C.
  • the pressure is in this case in a range of 1 to 50 bar, preferably from 3 to 30 bar, in particular from 5 to 25 bar.
  • the LHSV Liquid Hourly Space Velocity
  • the LHSV is usually 0.1 to 10 parts by volume of feed stream per part by volume of catalyst per hour (l / l * h), preferably 0.5 to 5 1/1 h, especially at 1 to 3 (l / l «h).
  • the molar ratio of steam / carbon is generally from 0.1 to 10, preferably from 0.2 to 5, in particular from 0.5 to 2.
  • the feed used and the water is evaporated in an evaporator at 100 to 400 0 C, this steam brought in a preheater and / or by a heat network to the desired reaction temperature, preferably at 400 to 600 0 C, in particular 400 to 550 0 C and then introduced into the reactor.
  • Coke and / or coke precursors can form at the active centers and in the pores of the catalyst.
  • Coke is usually high-boiling unsaturated hydrocarbons.
  • Coke precursors are typically low-boiling alkenes, alkynes and / or saturated high molecular weight hydrocarbons.
  • the deposition of the coke or coke precursor has the effect that the activity and / or selectivity of the catalyst is adversely affected.
  • the aim of the regeneration is the removal of the coke or the coke precursor, without the physical properties of the catalyst being adversely affected.
  • the coke precursors can be removed in the presence of an oxygen-containing gas mixture by evaporation in the presence of an inert gas at an elevated temperature (T> 250 0 C) and / or hydrogenation in the presence of a wasserstoffhal- term gas mixture and / or incineration.
  • the regeneration of the catalyst can be carried out in situ or ex situ, preferably an in situ regeneration is carried out.
  • the inlet temperature for the oxidative regeneration is usually between 350 and 550 ° C.
  • the oxygen concentration of the oxygen-containing gas mixture is usually between 0.1 and 10% by volume.
  • the pressure is typically between 0.1 and 10 bar.
  • the oxidative regeneration of the catalyst is carried out in the presence of water vapor.
  • the reactors used are generally fixed-bed reactors, tube-bundle reactors or fluid-bed reactors.
  • the reaction of the alkyl-substituted aromatics by means of steam dealkylation is an endothermic reaction.
  • the heat required to maintain the reaction can be supplied by heating from the outside. In this case, the reaction or reaction zones can be heated, but it is also possible to switch between two reactors or reaction zone an intermediate heating and to heat the reaction mixture.
  • the reaction can also be carried out autothermally, i. the heat requirement of the conversion is covered by a second, exothermic reaction in the system itself.
  • the desired reaction temperature may be established by feeding an oxygen-containing gas into the catalyst bed and by combustion of a portion of the feed hydrocarbon and / or a portion of the dealkylation catalyst The resulting hydrogen and / or the carbon monoxide forming during the reaction and / or the coke formed in the reaction, which generates the necessary heat, whereupon the oxidation is assisted by the catalyst used as an oxygen.
  • enriched air such as a mixture of oxygen and nitrogen, or pure oxygen, but other oxygenated gases may be used in addition to enriched air, provided that the other components of the mixture are inert under the reaction conditions.
  • the supply of the oxygen-containing gas can take place at one or more points of the reactor used / the reactors used, in particular at one or more points along the catalyst bed (s). It is also possible to add the oxygen-containing gas already to the hydrocarbon feed used and the water vapor.
  • the process can be designed so that the dealkylation reaction and the oxidation reaction are carried out in different regions.
  • This is possible in particular in a tray reactor, but also in a cascade of fixed bed reactors.
  • the reaction zones of the vapor decomposition and the reaction zones of the oxidation preferably alternate.
  • respective combustion chambers are interposed between the reactors in which the oxygen-containing gas is reacted with a portion of the hydrocarbon feed and / or a portion of the hydrogen formed in the steam dealkylation, the latter being preferred.
  • the reaction of the hydrogen formed in the reaction with the oxygen of the oxygen-containing gas can be carried out in the presence or in the absence of oxidation catalysts.
  • the oxidation catalysts used are those known to those skilled in the art, preference being given to those which are selective with respect to the oxidation of hydrogen with oxygen, in order to avoid undesired consumption of hydrocarbons used by oxidation.
  • the oxidation catalysts contain, as described in US 4,435,607, a noble metal of groups 8, 9 or 10 of the Periodic Table on a porous support.
  • metals of group 4 can be contained, and if desired, at least one metal of groups 1 or 2 of the periodic table.
  • alumina carriers are preferably used as the carrier.
  • the reaction is carried out in the presence of an oxidation catalyst, in particular if the steam dealkylation reaction and the oxidation reaction are carried out in different regions, for example in a tray reactor or in a reactor cascade with interposed combustion chambers.
  • the molar ratio of oxygen / carbon is usually so It is established that the oxidation of the hydrogen formed in the dealkylation reaction and, if appropriate, the carbon monoxide formed in the steam dealkylation reaction and, if appropriate, the coke formed during the reaction, can produce the heat necessary to maintain the reaction temperature. Furthermore, the molar ratio of oxygen / carbon is adjusted so that practically no hydrocarbons used or formed are burned with the oxygen. In general, the molar ratio of oxygen / carbon is from 1:10 to 1: 2000, preferably from 1:50 to 1: 1000, in particular from 1: 100 to 1: 900.
  • the reaction gas obtained by the process according to the invention is rich in hydrogen and dealkylated aromatic hydrocarbons, in particular benzene and / or alkyl-substituted aromatic hydrocarbons, whose number of alkyl radicals is reduced compared to the alkyl-substituted aromatic hydrocarbons used.
  • the reaction gas contains benzene as the aromatic hydrocarbon, especially for the case when the alkyl-substituted aromatic hydrocarbon used is mainly toluene.
  • Paraffinic compounds may possibly be partially decomposed to methane, carbon dioxide and hydrogen.
  • the dealkylated aromatic hydrocarbons formed and the arm gas formed, which contains the hydrogen formed in the reaction according to the invention, are separated from the reaction gas by customary processes. Furthermore, the arm gas or the hydrogen separated therefrom can be returned to the reaction apparatus.
  • the ratio between cycle gas (in Nl) and feed (in kg) is from 10: 1 to 2000: 1, preferably from 20: 1 to 1000: 1 and especially from 50: 1 to 500: 1.
  • the feed used and the water are evaporated in an evaporator at 100 to 400 0 C, this vapor in a preheater to the desired reaction temperature brought, which is preferably at 400 to 600 0 C, in particular at 400 to 550 0 C, and then introduced into the reactor.
  • the oxygen-containing gas preferably air, is fed.
  • the reaction gas which is obtained according to the erf ⁇ ndungsdorfen method, is passed from the reactor into a heat exchanger and cooled there, preferably at 10 to 100 0 C. It is expedient to integrate the heat released in this process in the process (heat combination), for example to heat the feed stream or other streams to be heated (eg evaporator of the column).
  • the forming liquid phase containing the dealkylated aromatic hydrocarbon, preferably benzene is fed to a phase separator and the organic phase is separated from the water phase. If desired, the organic phase containing the dealkylated aromatic hydrocarbon, preferably benzene, can be further purified, for example by distillation. If desired, the separated off-gas may be returned to the reactor.
  • benzene and, if appropriate, impurities are removed via overheads and hydrocarbons having 7 or more carbon atoms are removed via the bottom in a distillation column.
  • the separated mixture can be recycled to the steam dealkylation.
  • the benzene fraction can be passed to a further distillation column in which the dissolved water and the low boilers are passed overhead via azeotropic distillation Reinbenzol be separated via sump.
  • the columns are carried out as columns with side draw or as dividing wall columns.
  • This embodiment of the process according to the invention makes it possible to produce benzene in high purity, the hydrogen which is formed in the steam dealkylation reaction being used, via a coupling with an oxidation reaction, the heat required, the reaction temperature uphold, win. Therefore, on the one hand, the hydrogen formed can be used immediately, and further the heat is formed directly in the reactor, so that heat losses e.g. can be avoided on external heat exchangers.
  • the monoclinic zirconia support and the Si-stabilized tetragonal zirconia support are commercially available from NorPro under designation SZ 3164 and SZ 6152, respectively.
  • the La, Ce-stabilized tetragonal zirconia support and Ce-stabilized zirconia support were obtained by deformation of the corresponding zirconium hydroxide precursors respectively at the company.
  • the titanium oxide support is the commercially available product P25 from Degussa.
  • BET BET surface area
  • PV pore volume
  • the catalysts were prepared by impregnation of the support material to the maximum water absorption (incipient wetness method). For this purpose, water-soluble salts of the components to be applied were combined together in a solution and the carrier material was impregnated with this solution. In the subsequent step, the catalysts were dried for at least 6 h at 80 0 C. Optionally, the impregnation was repeated to obtain the desired concentrations of the elements on the support. After drying, the catalysts were calcined in a muffle furnace with air addition for 3 hours at 500 0 C.
  • the composition was redetermined after a total run time of 24 hours. Subsequently, reaction was further 12 h at 500 0 C, however, at a LHSV of 1 h "continued 1 (setting III), and again determines the composition of the product stream after 36 hours total run time.
  • composition The analysis of the composition is carried out by gas chromatography.
  • the results are shown in the following Tables 2 to 6.
  • the conversion refers to the conversion of toluene, the selectivity is the benzene selectivity in mol%.
  • the conversion and selectivity were calculated from the gas chromatographic data.
  • the percentages in the parentheses behind the elements indicate the concentration of each element in weight percent based on the total weight of the catalyst.
  • the elements listed under composition are the iridium and the elements of component b) used as promoters.
  • the column Carrier lists the zirconium oxide or stabilized zirconium oxide used as support, which is contained in the catalyst as component c).

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Abstract

The invention relates to a catalyst containing iridium, to the use thereof for converting hydrocarbons in the presence of water vapour, and especially the use thereof for the dealkylation of alkyl-substituted aromatic hydrocarbons comprising between 7 and 12 carbon atoms to form benzene. The invention also relates to a method for converting hydrocarbons in the presence of water vapour using the catalyst containing iridium.

Description

Iridium-Katalysatoren für Umsetzung von Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von Wasserdampf und insbesondere für die Dampfdealkylierung von Alkyl-substituierten aromatischen Kohlenwasserstoffen Iridium catalysts for the reaction of hydrocarbons in the presence of water vapor and in particular for the vapor dealkylation of alkyl-substituted aromatic hydrocarbons
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Iridium enthaltenden Katalysator, seine Verwendung für die Umsetzung von Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von Wasserdampf und insbesondere seine Verwendung für die Dealkylierung von Alkyl-substituierten aromatischen Kohlenwasserstoffen mit 7 bis 12 Kohlenstoffatomen zu Benzol sowie ein Verfahren zur Umsetzung von Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von Wasserdampf unter Einsatz des Iridium enthaltenden Katalysators.The present invention relates to an iridium-containing catalyst, its use for the reaction of hydrocarbons in the presence of water vapor and in particular its use for the dealkylation of alkyl-substituted aromatic hydrocarbons having 7 to 12 carbon atoms to benzene and a process for the reaction of hydrocarbons in the presence of Water vapor using the iridium-containing catalyst.
Die Verwertung von Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von Wasserdampf kann nach verschiedenen Reaktionen und Verfahren geschehen. Ein häufig durchgeführtes Verfahren ist das so genannte Steamreforming, bei dem die Kohlenwasserstoffe in Gegenwart von Wasserdampf zu Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid umgesetzt werden. Alkyl-substituierte aromatische Kohlenwasserstoffe können in Gegenwart von Wasserdampf in der so genannten Dampfdealkylierung zu den entsprechenden Aroma- ten, Wasserstoff, CO, CO2 und weiteren Reaktionsprodukten umgesetzt werden.The utilization of hydrocarbons in the presence of water vapor can be done by various reactions and processes. A common process is the so-called steam reforming, in which the hydrocarbons are converted in the presence of water vapor to hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide. Alkyl-substituted aromatic hydrocarbons can be reacted in the presence of steam in the so-called steam dealkylation to the corresponding aromatics, hydrogen, CO, CO 2 and further reaction products.
Die Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen wird häufig in Gegenwart von Wasser vorgenommen, obwohl das Wasser nicht an der eigentlichen Dehydrierungsreaktion teilnimmt. Es wirkt sich aber vorteilhaft auf die Katalysator-Standzeiten aus, da der Was- serdampf Koksablagerung durch Umsetzung des Koks zu Kohlenmonoxid und Kohlendioxid vermindert.The dehydrogenation of hydrocarbons is often carried out in the presence of water, although the water does not participate in the actual dehydrogenation reaction. However, it has an advantageous effect on the catalyst service lives, since the water vapor reduces coke deposition by converting the coke into carbon monoxide and carbon dioxide.
Die vorstehend aufgeführten Reaktionen zur Umsetzung von Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von Wasserdampf erfolgen üblicherweise in Anwesenheit eines Katalysa- tors. US 4,233,186 beschreibt einen Katalysator zur Dampfdealkylierung von ein- und mehrfach Alkyl-substituierten aromatischen Kohlenwasserstoffen, der 0,1 bis 5 Gew.-% eines Metalls der Gruppe 8, 9 oder 10 des Periodensystems der Elemente (PSE, Nomenklatur nach IUPAC) auf einem Spinellträger enthält. Der Träger weist die Zusammensetzung (MxMVx)Al2O4 auf, wobei M ein Metall aus der Gruppe 8, 9 oder 10 des PSE bezeichnet und M' ein Metall der Gruppe 2, 7, 11 oder 12 des PSE. Mit (Nio,25Mgo,75)Al204 als Träger, der 0,5 Gew.-% Rhodium und 0,1 Gew.-% Iridium als katalytisch wirkende Metalle enthält, werden bei der Umsetzung von Toluol mit Wasserdampf 48,5 Gew.-% des Toluols umgesetzt mit einer Selektivität zu Benzol von 93,5 Gew.-%. Bei Verwendung von 0,1 Gew.-% Palladium anstelle des Iridiums wird ein Toluolumsatz von 45,5 Gew.-% mit einer Benzolselektivität von 95,5 Gew.-% erreicht. Die Ausbeuten an Benzol liegen somit bei 43 bis 45 Gew.-%.The reactions listed above for the reaction of hydrocarbons in the presence of water vapor usually take place in the presence of a catalyst. US 4,233,186 describes a catalyst for the steam dealkylation of mono- and poly-alkyl-substituted aromatic hydrocarbons, the 0.1 to 5 wt .-% of a metal of group 8, 9 or 10 of the Periodic Table of the Elements (PSE, IUPAC nomenclature) on a Contains spinel carrier. The carrier has the composition (M x MV x) Al 2 O 4, where M denotes a metal from group 8, 9 or 10 of the Periodic Table and M 'is a metal of Group 2, 7, 11 or 12 of the PTE. With (Nio, 25 Mgo, 75 ) Al 2 O 4 as carrier, which contains 0.5% by weight of rhodium and 0.1% by weight of iridium as catalytically active metals, in the reaction of toluene with water vapor 48, 5 wt .-% of the toluene reacted with a selectivity to benzene of 93.5 Wt .-%. When using 0.1% by weight of palladium instead of the iridium, a toluene conversion of 45.5% by weight is achieved with a benzene selectivity of 95.5% by weight. The yields of benzene are thus 43 to 45 wt .-%.
US 4,207,169 offenbart ein katalytisches Verfahren zur Dampfdealkylierung von Alkyl- substituierten Aromaten an Katalysatoren auf Basis eines Aluminiumoxid-Trägers, der 0,1 bis 1 Gew.-% Rhodium und 0,05 bis 1 Gew.-% Titandioxid enthält. Auf den Katalysatorträger können weitere Metalle der Pt-Gruppe, Alkalimetalle sowie weitere Metalle aufgebracht sein. Bei Verwendung von Rhodium in Kombination mit Iridium (0,3 bzw. 0,4 Gew.-%) wurden bei Umsetzung von Toluol in Gegenwart von Wasserdampf 39 Gew.-% Benzol erhalten, die Kombination von Rhodium mit Palladium (0,3 bzw. 0,4 Gew.-%) führte je nach Gehalt an weiteren Metallverbindungen zu 37 bzw. 40 Gew.-% Benzolausbeute.No. 4,207,169 discloses a catalytic process for the steam dealkylation of alkyl-substituted aromatics on catalysts based on an alumina carrier which contains 0.1 to 1% by weight of rhodium and 0.05 to 1% by weight of titanium dioxide. On the catalyst support further metals of the Pt group, alkali metals and other metals may be applied. When rhodium was used in combination with iridium (0.3 or 0.4% by weight), 39% by weight of benzene were obtained on reaction of toluene in the presence of steam, the combination of rhodium with palladium (0.3 or 0.4% by weight) 0.4% by weight) led, depending on the content of further metal compounds, to 37% and 40% by weight, respectively, of benzene yield.
US 3,775,504 bezieht sich auf die Dealkylierung von Alkyl-substituierten Aromaten in Gegenwart von Wasserdampf an Katalysatoren, die mindestens ein Metall der Gruppe 8, 9 oder 10 des PSE auf einem Träger enthalten, wobei der Träger mindestens 50 Gew.-% α- Al2O3 aufweist. Des Weiteren kann der Katalysator gegebenenfalls Alkali- und Erdalkalioxide enthalten. Die Umsetzung der Alkyl-substituierten Aromaten ver- läuft nicht allein gemäß der Dampfdealkylierungreaktion sondern auch unter Verbrauch des dabei entstehenden Wasserstoffs gemäß der Hydrodealkylierungreaktion, bei der Alkyl-substituierte Aromaten zu den entsprechenden Aromaten und Alkanen reagieren. Beide Reaktionen werden durch den gleichen Katalysator katalysiert. In dem aufgeführten Beispiel wurde bei der Reaktion von Toluol in Gegenwart eines Katalysators mit 0,55 Gew.-% Pt auf einem Träger, der hauptsächlich aus Ci-Al2O3 bestand, eine Benzolausbeute von 32 Gew.-% erhalten.No. 3,775,504 relates to the dealkylation of alkyl-substituted aromatics in the presence of water vapor over catalysts comprising at least one group 8, 9 or 10 metal of the PSE on a support, the support comprising at least 50% by weight of α-Al 2 O 3 has. Furthermore, the catalyst may optionally contain alkali and alkaline earth oxides. The reaction of the alkyl-substituted aromatics proceeds not only in accordance with the steam dealkylation reaction but also with consumption of the resulting hydrogen according to the hydrodealkylation reaction in which alkyl-substituted aromatics react to the corresponding aromatics and alkanes. Both reactions are catalyzed by the same catalyst. In the example given, in the reaction of toluene in the presence of a catalyst with 0.55 wt% Pt on a support consisting mainly of Ci-Al 2 O 3 , a benzene yield of 32 wt .-% was obtained.
In der US 3,829,519 wird die Umsetzung von Alkyl-substituiertem Benzol mit 7 bis 9 Kohlenstoffatomen in Gegenwart von Wasserdampfund Wasserstoff an einen Katalysa- tor beschrieben, dessen Träger im Wesentlichen aus AI2O3 besteht und mindestens ein Metall der Gruppe 8, 9 oder 10 des PSE enthält. Als bevorzugte aktive Metall- Komponenten werden Iridium und Platin genannt. Bei der Umsetzung findet neben der Dampfalkylierung auch Steamreforming statt und bei Anwesenheit von Aliphaten im Reaktionsgemisch auch deren Umwandlung zu Aromaten. Bei der Umsetzung von To- luol in Gegenwart von Wasserdampfund Wasserstoff wurden bei Einsatz von 0,5 Gew.- % Ir auf -AI2O3 als Katalysator 80 Gew.-% Benzolausbeute erreicht, bei Einsatz von 0,7 Gew.-% Pt auf -Al2O3 79 Gew.-% Benzolausbeute erhalten. Von Duprez (Appl. Catal. A: Gen. 1992, 82, 111-157) wurde eine umfassende Übersicht über Untersuchungen zur Dampfdealkylierung von Toluol und weiteren Alkyl- substituierten Aromaten zusammengestellt. Katalysatoren auf Aluminiumoxid-Basis, die jeweils ein Metall der Gruppe 8, 9 oder 10 des PSE enthalten, werden anhand der auf Rhodium bezogenen relativen „turn over frequencies" (TOF) verglichen. Die TOF stellt ein Maß für die katalytische Aktivität der einzelnen Metalle bei dieser Reaktion dar. Dabei erweist sich Rhodium als das bei weitem aktivste Metall, Iridium dagegen als eines der am wenigsten aktiven Metalle. So liegt der relative TOF des Rhodiums definitionsgemäß bei 100 %, für Iridium jedoch bei maximal 14 %. Duprez führt auch die Selektivitäten der verschiedenen Platinmetalle bei der Dampfdealkylierung von Toluol zu Benzol auf. Die Metalle Rh, Pd, Os, Ir und Pt besitzen danach höhere Benzolselektivitäten als Ni, Co und Ru. Pt, Pd und Ir schneiden jedoch deutlich besser ab als Rh. Pt, Pd und Ir besitzen somit bei der Dampfdealkylierung von Toluol höhere Selektivitäten zu Benzol, sind jedoch gleichzeitig deutlich weniger reaktiv als Rh. Rh ist das in Kata- lysatoren zur Dampfdealkylierung von Alkyl- substituierten Aromaten das am häufigsten eingesetzte Metall. Dies führt zu einer Abhängigkeit von diesem Metall, die sich bei schwankenden Rohstoffkosten wirtschaftlich negativ auswirken kann.In US 3,829,519, the reaction of alkyl-substituted benzene having 7 to 9 carbon atoms in the presence of water vapor and hydrogen is described tor to a catalytic converters, whose carrier consists essentially of Al 2 O 3 and at least one metal of group 8, 9 or 10 of the PSE. Preferred active metal components are iridium and platinum. In addition to vapor alkylation, steam reforming also takes place during the reaction and, in the presence of aliphatics in the reaction mixture, their conversion to aromatics. In the reaction of toluene in the presence of steam and hydrogen, 80% by weight benzene yield was achieved when using 0.5% by weight Ir on .alpha.O.sub.2 O.sub.3 as the catalyst, and 0.7% by weight Pt was used as the catalyst. Al 2 O 3 79 wt .-% benzene yield. Duprez (Appl. Catal. A: Gen. 1992, 82, 111-157) has compiled a comprehensive review of studies on the vapor dealkylation of toluene and other alkyl-substituted aromatics. Alumina-based catalysts, each containing a Group 8, 9 or 10 metal of the PSE, are compared by rhodium-based relative "turn over frequencies" (TOF), which provides a measure of the catalytic activity of the individual metals Rhodium is the most active metal by far and iridium is one of the least active metals, by definition the relative TOF of rhodium is 100%, but iridium is 14% or less Selectivities of the various platinum metals in the vapor dealkylation of toluene to benzene, the metals Rh, Pd, Os, Ir, and Pt have higher benzene selectivities than Ni, Co, and Ru. Pt, Pd and Ir, however, perform significantly better than Rh Pt, Thus, Pd and Ir have higher selectivities to benzene in the vapor dealkylation of toluene, but at the same time they are significantly less reactive than Rh. Rh is that in catalyzato For the vapor dealkylation of alkyl-substituted aromatics the most commonly used metal. This leads to a dependence on this metal, which can have a negative economic impact on fluctuating raw material costs.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist deshalb die Bereitstellung eines alternativen Katalysators zur Umsetzung von Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von Wasserdampf, mit dem sich ähnliche oder bessere Ausbeuten wie mit den Katalysatoren aus dem Stand der Technik erzielen lassen. Der Katalysator soll darüber hinaus langzeitstabil sein und auch bei niedrigen molaren S/C -Verhältnissen (Steam to Carbon; molares Verhältnis von Wasserdampfmolekülen zu im Gemisch vorhandenen C- Atomen) zu hohen Aus- beuten führen, da bei niedrigen S/C -Verhältnissen weniger Wasserdampf erhitzt werden und bei der Aufarbeitung des Reaktionsgemisches wieder kondensiert werden muss. Dies hat zur Folge, dass die Wärmeaustauscherflächen kleiner dimensioniert werden können.The object of the present invention is therefore to provide an alternative catalyst for the reaction of hydrocarbons in the presence of water vapor, with which similar or better yields can be achieved as with the catalysts of the prior art. In addition, the catalyst should have long-term stability and high yields even at low molar S / C ratios (steam to carbon, molar ratio of water vapor molecules to C atoms present in the mixture), since less is present at low S / C ratios Steam to be heated and condensed in the workup of the reaction mixture again. This has the consequence that the heat exchanger surfaces can be made smaller.
Die Aufgabe wird durch einen Katalysator gelöst, derThe problem is solved by a catalyst which
a) 0,l bis 3,0 Gew.-% Ir, b) 0,1 bis 10,0 Gew.-% mindestens eines Promotors und c) 87,0 bis 99,8 Gew.-% eines Trägers enthaltend Zirkonoxid, das gegebenenfalls 0 bis 20 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Zirkonoxids, eines oder mehrerera) 0.1 to 3.0% by weight Ir, b) 0.1 to 10.0% by weight of at least one promoter and c) 87.0 to 99.8% by weight of a support comprising zirconium oxide, optionally 0 to 20% by weight, based on the weight of the zirconium oxide, of one or more
Elemente gewählt aus der Gruppe Si, Y, Ce und La als Stabilisator enthält,Contains elements selected from the group Si, Y, Ce and La as stabilizer,
umfasst. Der erfϊndungsgemäße Katalysator enthält als Komponente a) 0,1 bis 3 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewichts des Katalysators, Iridium. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Katalysator 0,2 bis 2,0 Gew.-%, vorzugsweise 0,4 bis 1,6 Gew.- %, bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators, Iridium.includes. The erfϊndungsgemäße catalyst contains as component a) 0.1 to 3 wt .-%, based on the total weight of the catalyst, iridium. In a preferred embodiment, the catalyst contains from 0.2 to 2.0% by weight, preferably from 0.4 to 1.6% by weight, based on the total weight of the catalyst, of iridium.
Als Komponente b) enthält der Katalysator erfmdungsgemäß 0,1 bis 10,0 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht, mindestens eines Promotors, bevorzugt 0,5 bis 8,0 Gew.- %, besonders bevorzugt 1,5 bis 5,0.As component b), the catalyst according to the invention contains 0.1 to 10.0% by weight, based on the total weight, of at least one promoter, preferably 0.5 to 8.0% by weight, particularly preferably 1.5 to 5, 0th
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Promotor aus der Gruppe umfassend Alkalimetalle, Erdalkalimetalle und Lanthaniden ausgewählt. Besonders bevorzugt sind als Promotoren Cs, Ba, Sr, La, Ce, Pr, Nd und Eu.In a preferred embodiment, the promoter is selected from the group comprising alkali metals, alkaline earth metals and lanthanides. Particularly preferred promoters are Cs, Ba, Sr, La, Ce, Pr, Nd and Eu.
Der oder die Promotoren können in Form ihrer Salze auf den Träger aufgebracht werden, wie nachstehend beschrieben wird. Nach Calcinierung und Aktivierung des Katalysators liegen sie jedoch bevorzugt als Oxide in dem Katalysator vor.The promoter (s) may be applied to the carrier in the form of their salts, as described below. However, after calcination and activation of the catalyst, they are preferably present as oxides in the catalyst.
In einer besonderen Ausführungsform enthält der Katalysator einen Promotor aus der oben genannten Gruppe.In a particular embodiment, the catalyst contains a promoter from the above-mentioned group.
In einer weiteren besonderen Ausführungsform werden zwei Promotoren aus der oben genannten Gruppe eingesetzt.In a further particular embodiment, two promoters from the above-mentioned group are used.
Der erfindungsgemäße Katalysator umfasst als Komponente c) 87,0 bis 99,8 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators, eines Trägers, der Zirkonoxid (Zrθ2)enthält. Das Zirkonoxid kann gegebenenfalls 0 bis 20 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Zirkonoxids, ein oder mehrerer Elemente ausgewählt aus der Gruppe Si, Y, Ce und La als Stabilisator enthalten. Das ZrO2 kann in monokliner oder tetragonaler Kristallstruktur oder in gemischter Kristallstruktur vorliegen (X. Turrillas, J. Mater. Res. 1993, 8, 163 - 168). Der oder die Stabilisatoren dienen zur Stabilisierung einer bestimmten Kristallstruktur des Zirkonoxids (R. Franklin et al., Catal. Today 1991, 10, 405 - 407).The catalyst according to the invention comprises, as component c), 87.0 to 99.8% by weight, based on the total weight of the catalyst, of a support which contains zirconium oxide (ZrO 2). The zirconium oxide may optionally contain 0 to 20% by weight, based on the weight of the zirconium oxide, of one or more elements selected from the group Si, Y, Ce and La as stabilizer. The ZrO 2 may be in monoclinic or tetragonal crystal structure or in mixed crystal structure (X. Turrillas, J. Mater. Res. 1993, 8, 163-168). The stabilizer or stabilizers serve to stabilize a specific crystal structure of the zirconium oxide (R. Franklin et al., Catal. Today 1991, 10, 405-407).
Die Kristallstruktur des Zirkonoxids lässt sich durch Aufnahme eines XRD-Spektrums bestimmen. Dabei handelt es sich um eine übliche Methode der Röntgenbeugung.The crystal structure of the zirconia can be determined by taking an XRD spectrum. This is a common method of X-ray diffraction.
Generell eignen sich als Stabilisatoren für das Zirkonoxid alle Verbindungen, die die tetragonale oder monokline Struktur des Zirkonoxids stabilisieren. Vorzugsweise enthält der stabilisierte Zirkonoxid-enthaltende Träger Cer, Lanthan, Yttrium und/oder Silizium, insbesondere Cer(III)oxid, Lanthan(III)oxid und/oder Silizium(IV)oxid. Es können ein oder mehrere Stabilisatoren eingesetzt werden.As stabilizers for the zirconium oxide, all compounds which are generally suitable Stabilize tetragonal or monoclinic structure of the zirconia. The stabilized zirconium oxide-containing support preferably contains cerium, lanthanum, yttrium and / or silicon, in particular cerium (III) oxide, lanthanum (III) oxide and / or silicon (IV) oxide. One or more stabilizers can be used.
Wird Cer(III)oxid als Stabilisator verwendet, so enthält der stabilisierte Zirkonoxid- enthaltende Träger üblicherweise bis zu 15 Gew.-%, vorzugsweise 1 bis 10 Gew.-%, insbesondere 3 bis 7 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht von Zirkonoxid, Cer(III)oxid. Im Fall des Lanthan(III)oxid enthält der stabilisierte Zirkonoxid-enthaltende Träger in der Regel bis zu 15 Gew.-%, vorzugsweise 2 bis 15 Gew.-%, insbesondere 5 bis 15 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht von Zirkonoxid, Lanthan(III)oxidIf cerium (III) oxide is used as stabilizer, the stabilized zirconium oxide-containing carrier usually contains up to 15% by weight, preferably 1 to 10% by weight, in particular 3 to 7% by weight, based on the weight of Zirconium oxide, cerium (III) oxide. In the case of the lanthanum (III) oxide, the stabilized zirconia-containing support usually contains up to 15% by weight, preferably from 2 to 15% by weight, in particular from 5 to 15% by weight, based on the weight of zirconium oxide , Lanthanum (III) oxide
Wird Silizium(IV)oxid als Stabilsator verwendet, so enthält der stabilisierte Zirkonoxid- enthaltende Träger üblicherweise bis zu 10 Gew.-%, vorzugsweise 1 bis 7 Gew.-%, ins- besondere 2 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht von Zirkonoxid, Silizium(IV)oxid.If silicon (IV) oxide is used as stabilizer, the stabilized zirconium oxide-containing support usually contains up to 10% by weight, preferably 1 to 7% by weight, in particular 2 to 5% by weight, based on the Weight of zirconium oxide, silicon (IV) oxide.
Für den Fall, dass sowohl Cer(III)oxid als auch Lanthan(III)oxid als Stabilisatoren eingesetzt werden, enthält der stabilisierte Zirkonoxid-enthaltende Träger in der Regel bis zu 20 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 15 Gew.-%, insbesondere 10 bis 15 Gew.-%, bezo- gen auf das Gewicht von Zirkonoxid, Cer(III)oxid und in der Regel bis zu 20 Gew.-%, vorzugsweise 1 bis 15 Gew.-%, insbesondere 2 bis 10 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht von Zirkonoxid, Lanthan(III)oxid.In the event that both cerium (III) oxide and lanthanum (III) oxide are used as stabilizers, the stabilized zirconium oxide-containing support generally contains up to 20% by weight, preferably 5 to 15% by weight, in particular 10 to 15 wt .-%, based on the weight of zirconium oxide, cerium (III) oxide and usually up to 20 wt .-%, preferably 1 to 15 wt .-%, in particular 2 to 10 wt. -%, based on the weight of zirconium oxide, lanthanum (III) oxide.
Bevorzugt enthält der Träger Oxide aus der Gruppe Zirkonoxid mit tetragonaler Kris- tallstruktur, Zirkonoxid mit monokliner Kristallstruktur und stabilisiertes Zirkonoxid mit tetragonaler Kristallstruktur. Besonders bevorzugt ist stabilisiertes Zirkonoxid mit tetragonaler Kristallstruktur.The support preferably contains oxides from the group of zirconium oxide having a tetragonal crystal structure, zirconium oxide having a monoclinic crystal structure and stabilized zirconium oxide having a tetragonal crystal structure. Particularly preferred is stabilized zirconia having a tetragonal crystal structure.
Die für die Komponente c) angegebene Menge von 87,0 bis 99,8 Gew.-% gilt für das nicht stabilisierte Oxid oder Oxidgemisch als auch für das einen oder mehrere Stabilisatoren enthaltende Oxid oder Oxidgemisch, bezogen auf die Gesamtmenge des Katalysators.The amount specified for component c) from 87.0 to 99.8 wt .-% applies to the non-stabilized oxide or oxide mixture as well as for the one or more stabilizers containing oxide or oxide mixture, based on the total amount of the catalyst.
Weiterhin kann der Träger c) auch Hilfsmittel enthalten. Diese sind geeignet, die Form- gebung des Trägers zu erleichtern. Übliche Hilfsmittel sind beispielsweise Graphit und Wachse, es können jedoch auch Siliziumdioxid und Aluminiumoxid als Hilfsmittel eingesetzt werden. Ein weiteres gebräuchliches Hilfsmittel sind Porenbildner. Diese Hilfsmittel können entweder selbst zugesetzt werden oder in Form ihrer Precursoren, die sich beim Calcinieren in den entsprechenden Hilfsstoff umwandeln. Beispiele hierfür sind Siliziumdioxid-Precursoren wie Tetraethylorthosilikat (TEOS) und kolloidales Silica sowie Aluminiumoxid-Precursoren wie Boehmite, z.B. Pural ® (Fa. Sasol). Vorzugsweise werden als Hilfsmittel Aluminiumoxide eingesetzt.Furthermore, the carrier c) may also contain auxiliaries. These are suitable for facilitating the shaping of the carrier. Usual aids are, for example, graphite and waxes, but it is also possible to use silicon dioxide and aluminum oxide as auxiliaries. Another common tool is pore former. These adjuvants can either be added by themselves or in the form of their precursors that are convert to the appropriate excipient during calcining. Examples include silicon dioxide precursors such as tetraethyl orthosilicate (TEOS) and colloidal silica and alumina precursors such as Boehmite, for example Pural ® (Fa. Sasol). Preferably, aluminas are used as auxiliaries.
Der Träger c) kann bis 10 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Trägers, an Hilfsmittel enthalten. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Träger 0,1 bis 10 Gew.-%, vorzugsweise 0,5 bis 2 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Trägers, an Hilfsmittel.The carrier c) may contain up to 10% by weight, based on the total weight of the carrier, of auxiliaries. In a preferred embodiment, the carrier contains from 0.1 to 10% by weight, preferably from 0.5 to 2% by weight, based on the total weight of the carrier, of auxiliaries.
Die Herstellung des Katalysators kann nach üblichen, dem Fachmann bekannten Verfahren erfolgen.The preparation of the catalyst can be carried out by customary methods known to the person skilled in the art.
Beispielsweise ist es möglich, den Zirkonoxid-enthaltenden Träger aus entsprechenden Verbindungen herzustellen, die sich beim Calcinieren in das entsprechende Oxid umwandeln. Hierfür sind insbesondere Hydroxide, Carbonate und Carboxylate geeignet. Das entsprechende Oxid bzw. die entsprechenden Precursoren, die beim Calcinieren in das Oxide umgewandelt werden, können nach an sich bekannten Verfahren, wie z.B. nach dem So 1-Gel- Verfahren, durch Fällung, Entwässern der entsprechenden Carboxy- late, Trockenmischen, Aufschlämmen oder Sprühtrocknen, hergestellt werden. Bei der Fällung werden üblicherweise lösliche Metallsalze eingesetzt, wie z.B. die entsprechenden Halogenide, vorzugsweise Chlorid, Alkoxide, Nitrat etc., vorzugsweise Nitrat.For example, it is possible to prepare the zirconia-containing support from corresponding compounds which convert to the corresponding oxide upon calcining. For this purpose, in particular hydroxides, carbonates and carboxylates are suitable. The corresponding oxide or precursors, which are converted to the oxide upon calcination, may be prepared by methods known per se, e.g. according to the So 1 gel method, by precipitation, dewatering of the corresponding carboxy late, dry mixing, slurrying or spray drying. In the precipitation, usually soluble metal salts are used, e.g. the corresponding halides, preferably chloride, alkoxides, nitrate, etc., preferably nitrate.
Stabilisierte Zirkonoxid-enthaltende Träger können u.a. hergestellt werden, indem man wie voranstehend beschrieben, Zirkonoxid bzw. den entsprechenden Precursor mit löslichen Salzen der Stabilisatoren, wie z.B. den entsprechenden Halogeniden, vorzugsweise Chloriden, Alkoxiden, Nitraten etc., tränkt. Es ist aber auch möglich, die Stabilisatoren auf dem Zirkonoxid-enthaltenden Träger durch Fällung aus entsprechenden löslichen Salzen der Stabilisatoren aufzubringen. Als lösliche Salze der Stabilisatoren eig- nen sich wiederum in der Regel die entsprechenden Halogenide, vorzugsweise Chloride, Alkoxide, Nitrate etc.Stabilized zirconia-containing supports can i.a. can be prepared by zirconium oxide or the corresponding precursor with soluble salts of the stabilizers, such as described above. the corresponding halides, preferably chlorides, alkoxides, nitrates, etc., soaks. But it is also possible to apply the stabilizers on the zirconia-containing carrier by precipitation from corresponding soluble salts of the stabilizers. As soluble salts of the stabilizers, in turn, the corresponding halides, preferably chlorides, alkoxides, nitrates, etc., are generally suitable.
Weiterhin ist es möglich, den stabilisierten Zirkonoxid-enthaltenden Träger aus Verbindungen herzustellen, die sich beim Calcinieren in Zirkonoxid bzw. Cer(III)oxid, Lan- than(III)oxid, Silizium(IV)oxid umwandeln. Hierfür sind insbesondere Hydroxide, Carbonate und Carboxylate geeignet. Diese werden beispielsweise gemeinsam ausgefällt, gemeinsam sprühgetrocknet etc.. Das nach den vorstehenden Verfahren hergestellte Zirkonoxid und die stabilisierten Zirkonoxide bzw. die entsprechenden Precursoren können mit den vorstehend aufgeführten Hilfsmitteln, die geeignet sind die Formgebung des Zirkonoxid-enthaltenden Trägers zu erleichtern, versetzt werden. Anschließend erfolgt die Formgebung. In der Regel werden Stränge, Tabletten, Kugeln, Splitt, Monolithe etc., nach den üblichen Verfahren hergestellt.It is furthermore possible to prepare the stabilized zirconium oxide-containing support from compounds which on calcining convert into zirconium oxide or cerium (III) oxide, lanthanum (III) oxide, silicon (IV) oxide. For this purpose, in particular hydroxides, carbonates and carboxylates are suitable. These are for example precipitated together, spray-dried together etc. The zirconia and stabilized zirconia or precursors prepared by the above processes may be added with the above-mentioned auxiliary agents suitable for facilitating the shaping of the zirconia-containing carrier. Subsequently, the shaping takes place. As a rule, strands, tablets, spheres, chippings, monoliths, etc. are prepared by the usual methods.
Das vorstehend beschriebene Zirkonoxid und die stabilisierten Zirkonoxide bzw. die entsprechenden Precursoren, die ggf. mit Hilfsmitteln versetzt werden, werden calci- niert. Dies erfolgt üblicherweise mit Luft oder einem Gemisch aus Luft und Stickstoff, bei einer Temperatur von 300 bis 8000C, bevorzugt bei 500 bis 6000C. Es kann von Vorteil sein der Luft bzw. dem Luft/Stickstoff-Gemisch Wasserdampf beizumengen.The zirconium oxide described above and the stabilized zirconium oxides or the corresponding precursors, which are optionally mixed with auxiliaries, are calcined. This is usually done with air or a mixture of air and nitrogen, at a temperature of 300 to 800 0 C, preferably at 500 to 600 0 C. It may be advantageous to add water vapor to the air or the air / nitrogen mixture.
Auf den Zirkonoxid-enthaltenden Träger kann nun das Iridium aufgebracht werden. Üblicherweise wird der Träger mit einer Lösung eines Iridium-Precursors imprägniert. Die Imprägnierung kann nach der incipient-wetness Methode erfolgen, bei der das poröse Volumen des Trägers durch in etwa gleiches Volumen an Imprägnierlösung aufgefüllt wird und man - ggf. nach einer Reifung - den Träger trocknet; oder man arbeitet mit einem Überschuss an Lösung, wobei das Volumen dieser Lösung größer ist als das poröse Volumen des Trägers. Hierbei wird der Träger mit der Imprägnierlösung gemischt und ausreichend lange gerührt. Weiterhin ist es möglich, den Träger mit einer Lösung des Metall-Precursors zu besprühen.The iridium can now be applied to the zirconia-containing support. Usually, the carrier is impregnated with a solution of an iridium precursor. The impregnation can be carried out by the incipient-wetness method, in which the porous volume of the support is filled up with approximately the same volume of impregnating solution and, optionally after maturation, the support is dried; or you work with an excess of solution, the volume of this solution is greater than the porous volume of the carrier. In this case, the carrier is mixed with the impregnating solution and stirred for a sufficient time. Furthermore, it is possible to spray the carrier with a solution of the metal precursor.
Aber auch andere dem Fachmann bekannte Herstellmethoden, wie z.B. Fällung, Chemi- cal Vapor Deposition, Soltränkung etc. sind möglich.But also other known to those skilled manufacturing methods, such. Precipitation, chemical vapor deposition, sol impregnation etc. are possible.
Geeignete Iridium-Precursoren sind die jeweiligen Metallsalze, u.a. Halogenide, insbesondere Chlorid, Nitrat, Acetat, alkalische Carbonate, Formiat, Oxalat, Citrat, Tartrat, Iridium-organische Verbindungen, aber auch Iridium-Komplexe. Letztere können als Liganden Acetylacetonat, Aminoalkohole, Carboxylate wie Oxalate, Citrate etc. oder Hydroxycarbonsäuresalze, etc. enthalten.Suitable iridium precursors are the respective metal salts, i.a. Halides, especially chloride, nitrate, acetate, alkaline carbonates, formate, oxalate, citrate, tartrate, iridium-organic compounds, but also iridium complexes. The latter may contain as ligands acetylacetonate, amino alcohols, carboxylates such as oxalates, citrates, etc. or hydroxycarboxylic acid salts, etc.
Promotierte Katalysatoren werden hergestellt, indem man den Promotor-Precursor oder die Promotor-Precursoren in Analogie zu den Verfahren zur Iridium-Auftragung auf- bringt.Promoted catalysts are prepared by applying the promoter precursor or the promoter precursors in analogy to the methods for iridium application.
Geeignete Promotor-Precursoren sind u.a. Halogenide, insbesondere Chloride, Nitrate, Acetate, alkalische Carbonate, Formiate, Oxalate, Citrate, Tartrate, entsprechende me- tallorganische Verbindungen, aber auch Promotor-Komplexe. Letztere können als Liganden Acetylacetonat, Aminoalkohole, Carboxylate wie Oxalate, Citrate etc. oder Hydroxycarbonsäuresalze, etc. enthalten.Suitable promoter precursors include halides, especially chlorides, nitrates, acetates, alkaline carbonates, formates, oxalates, citrates, tartrates, corresponding me- organometallic compounds, but also promoter complexes. The latter may contain as ligands acetylacetonate, amino alcohols, carboxylates such as oxalates, citrates, etc. or hydroxycarboxylic acid salts, etc.
Enthält der Katalysator einen Promotor, so kann der Promotor-Precursor gemeinsam mit den Iridium-Precursoren aufgetragen werden. Es ist aber auch möglich diese nacheinander aufzutragen. Es kann auch von Vorteil sein, die einzelnen Precursoren in einer gewissen Reihenfolge aufzutragen.If the catalyst contains a promoter, the promoter precursor can be applied together with the iridium precursors. But it is also possible to apply them one after the other. It may also be advantageous to apply the individual precursors in a certain order.
Enthält der Katalysator mehrere Promotoren, so können die Promotor-Precursoren gemeinsam oder separat aufgetragen werden. Es ist auch möglich, den Iridium-Precursor gemeinsam oder separat mit einem oder mehreren Promotor-Precursoren aufzutragen. Im Fall einer separaten Auftragung kann es auch von Vorteil sein, die einzelnen Precursoren in einer gewissen Reihenfolge aufzutragen. Zwischen den Auftragungen der ein- zelnen Lösungen kann der imprägnierte Träger getrocknet werden, bevor die nächste Lösung aufgebracht wird.If the catalyst contains several promoters, the promoter precursors can be applied together or separately. It is also possible to apply the iridium precursor together or separately with one or more promoter precursors. In the case of a separate application, it may also be advantageous to apply the individual precursors in a certain order. Between the applications of the individual solutions, the impregnated carrier can be dried before the next solution is applied.
Der Zirkonoxid-enthaltende Träger, auf dem der Iridium-Precursor und der oder die Promotor-Precursoren aufgetragen wurden, wird calciniert. Die Calcinierung erfolgt üblicherweise mit Luft oder einem Gemisch aus Luft und Stickstoff, bei einer Temperatur von 300 bis 8000C, bevorzugt bei 400 bis 600 0C. Es kann von Vorteil sein, der Luft bzw. dem Luft/Stickstoff-Gemisch Wasserdampf beizumengen.The zirconia-containing support on which the iridium precursor and the promoter precursor (s) has been applied is calcined. The calcination is usually carried out with air or a mixture of air and nitrogen, at a temperature of 300 to 800 0 C, preferably at 400 to 600 0 C. It may be advantageous to add water vapor to the air or the air / nitrogen mixture ,
Der so erhaltene Katalysator wird üblicherweise vor seinem Einsatz, dem Umsetzen von Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von Wasserdampf, aktiviert. Hierzu wird er mitThe catalyst thus obtained is usually activated before its use, the reaction of hydrocarbons in the presence of water vapor. For this he is with
Wasserstoff oder einem Gemisch aus Wasserstoff und Stickstoff bei Temperaturen vonHydrogen or a mixture of hydrogen and nitrogen at temperatures of
100 bis 8000C, vorzugsweise bei 400 bis 6000C, behandelt. Hierbei kann es von Vorteil sein, mit einem niedrigen Wasserstoffanteil in dem Wasserstoff/Stickstoff-Gemisch zu beginnen und den Wasserstoffanteil kontinuierlich im Verlauf des Aktivierungsprozes- ses zu erhöhen. In einer besonderen Ausführungsform wird der Aktivierungsprozess in100 to 800 0 C, preferably at 400 to 600 0 C, treated. In this case, it may be advantageous to start with a low hydrogen content in the hydrogen / nitrogen mixture and to increase the hydrogen content continuously during the activation process. In a particular embodiment, the activation process is in
Gegenwart von Wasserdampf durchgeführt.Presence of water vapor performed.
Die Aktivierung des Katalysators wird in der Regel in dem Reaktor, in dem die Umsetzung der Kohlenwasserstoffe erfolgen soll, durchgeführt. Es ist aber auch möglich die Aktivierung des Katalysators vor dem Einbau in den entsprechenden Reaktor vorzunehmen.The activation of the catalyst is usually carried out in the reactor in which the reaction of the hydrocarbons is to take place. However, it is also possible to carry out the activation of the catalyst before installation in the corresponding reactor.
Es ist aber auch möglich den Katalysator ohne vorangehende Aktivierung in der Umset- zung der Kohlenwasserstoffe einzusetzen.However, it is also possible to use the catalyst without prior activation in the reaction. tion of hydrocarbons use.
Der Katalysator weist üblicherweise eine BET-Oberfläche (bestimmt nach DIN 66131) von bis zu 500 m2/g, vorzugsweise von 10 bis 300 m2/g, insbesondere von 20 bis 200 m2/g, besonders bevorzugt von mindestens 25 m2/g auf.The catalyst usually has a BET surface area (determined to DIN 66131) of up to 500 m 2 / g, preferably from 10 to 300 m 2 / g, in particular from 20 to 200 m 2 / g, particularly preferably at least 25 m 2 / g on.
In der Regel liegt das Porenvolumen des Katalysators (bestimmt mittel Hg-Porosimetrie nach DIN 66133) bei 0,1 bis 1 ml/g, vorzugsweise bei 0,15 bis 0,8 ml/g, insbesondere bei 0,2 bis 0,6 ml/g.As a rule, the pore volume of the catalyst (determined by means of Hg porosimetry according to DIN 66133) is 0.1 to 1 ml / g, preferably 0.15 to 0.8 ml / g, in particular 0.2 to 0.6 ml / g.
Der Träger weist bevorzugt eine monomodale oder bimodale Porengrößenverteilung auf, wobei der Anteil von Poren mit einem Durchmesser größer als 10 nm mindestens 30 Vol.-% beträgt.The support preferably has a monomodal or bimodal pore size distribution, the proportion of pores having a diameter greater than 10 nm being at least 30% by volume.
Die Schneidhärte des Trägers beträgt mindestens 5 N/mm. Die Schneidhärte wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung an einem Apparat der Firma Zwick, Typ BZ2.5/TS1S mit einer Vorkraft von 0,5 N, einer Vorkraftschubgeschwindigkeit von 10 mm/Min, und einer nachfolgenden Prüfgeschwindigkeit von 1,6 mm/Min, bestimmt. Das Gerät besaß einen festsitzenden Drehteller und einen frei beweglichen Stempel mit eingebauter Schneide von 0,3 mm Stärke. Der bewegliche Stempel mit der Schneide war mit einer Kraftmessdose zur Kraftaufnahme verbunden und bewegte sich während der Messung gegen den festsitzenden Drehteller hin, auf der der zu untersuchende Katalysatorformkörper lag. Das Prüfgerät wurde über einen Computer gesteuert, der die Messergebnisse registrierte und auswertete. Die erzielten Werte stellen den Mittelwert aus den Messungen zu jeweils 10 Katalysatorformkörpern dar. Die Katalysatorformkörper wiesen eine zylindrische Geometrie auf, wobei ihre mittlere Länge in etwa dem Zwei- bis Dreifachen des Durchmessers entsprach, und wurden dabei mit der Schneide von 0,3 mm Stärke mit zunehmender Kraft so lange belastet, bis der Formkörper durchtrennt war. Die Schneide wurde dabei senkrecht zur Längsachse des Formkörpers auf den Formkörper aufgebracht. Die dazu benötigte Kraft pro mm Durchmesser des Trägers ist die Schneidhärte (Einheit N/mm).The cutting hardness of the carrier is at least 5 N / mm. In the context of the present invention, the cutting hardness was measured on a Zwick type BZ2.5 / TS1S apparatus with a preliminary force of 0.5 N, a precursor thrust speed of 10 mm / min, and a subsequent test speed of 1.6 mm / min, certainly. The device had a fixed turntable and a freely movable punch with built-in cutting edge of 0.3 mm thickness. The movable punch with the cutting edge was connected to a load cell for power absorption and moved during the measurement against the fixed turntable on which the catalyst molding to be examined was located. The tester was controlled by a computer, which registered and evaluated the measurement results. The values obtained represent the average of the measurements for each of 10 shaped catalyst bodies. The shaped catalyst bodies had a cylindrical geometry with their average length approximately equal to two to three times the diameter, and were measured with the blade of 0.3 mm thickness loaded with increasing force until the molding was severed. The cutting edge was applied perpendicular to the longitudinal axis of the molding on the molding. The required force per mm diameter of the carrier is the cutting hardness (unit N / mm).
Je nach Auftragungstechnik, Wärmebehandlung, Aktivierung, Trägermaterial und weiteren Faktoren kann die Konzentration an aktiven, d.h. der Reaktion tatsächlich zur Ver- fügung stehenden Metallatomen in oder auf dem Katalysator variieren. Dieses Phänomen wird auch Dispersität genannt. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Katalysatoren eingesetzt, bei denen die Dispersität des Iridiums mindestens 20 % beträgt. Gemessen wird die Dispersität mittels volumetrischer Messung der CO-Aufnahme bei 400C nach Reduktion der Metallatome in Gegenwart von Wasserstoff bei 4500C für mindestens 2h.Depending on the application technique, heat treatment, activation, support material and other factors, the concentration of active, ie the reaction actually available, metal atoms in or on the catalyst can vary. This phenomenon is also called dispersity. According to the present invention, catalysts are used in which the dispersity of iridium is at least 20%. The dispersity is measured by volumetric measurement of CO uptake 40 0 C after reduction of the metal atoms in the presence of hydrogen at 450 0 C for at least 2h.
Nach Auftragung auf das Trägermaterial weist das Iridium auf dem Trägermaterial eine radiale Konzentrationsverteilung auf, wobei sich der Hauptteil, d.h. mindestens 55 % des Iridiums an, beziehungsweise direkt unter der Oberfläche des Trägermaterials befindet. Solche Katalysatoren werden auch als Schalenkatalysatoren bezeichnet. Die Schicht, in der sich das Iridium auf dem Trägermaterial befindet, hat üblicherweise eine Dicke von 50 bis 350 Mikrometer.When applied to the substrate, the iridium has a radial concentration distribution on the substrate, with the major portion, i. at least 55% of the iridium, or located directly below the surface of the support material. Such catalysts are also referred to as shell catalysts. The layer in which the iridium is on the substrate usually has a thickness of 50 to 350 micrometers.
Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung des vorstehend beschriebenen Katalysators zur Umsetzung von Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von Wasserdampf. Zu diesen Umsetzungen gehören beispielsweise das Steamreforming, bei dem Kohlenwasserstoffe in Gegenwart von Wasserdampf katalytisch zu Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid umgesetzt werden, und die Dampfdealkylierung, bei der Alkyl-substituierte aromatische Kohlenwasserstoffe zu Aromaten, Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid reagieren. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch die Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von Wasser zu diesen Umsetzungen gezählt, obwohl der Wasserdampf an der eigentlichen Dehydrie- rungsreaktion nicht beteiligt ist, sich seine Anwesenheit jedoch positiv auf die Lebensdauer des Katalysators auswirkt. Der Wasserdampf vermindert die Ablagerung von Koks und kann mit dem Koks zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid bzw. Kohlendioxid reagieren.Another object of the present invention is the use of the above-described catalyst for the reaction of hydrocarbons in the presence of water vapor. These reactions include, for example, steam reforming, in which hydrocarbons are catalytically converted to hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide in the presence of water vapor, and steam dealkylation, in which alkyl-substituted aromatic hydrocarbons react to aromatics, hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide. In the context of the present invention, the dehydrogenation of hydrocarbons in the presence of water is counted among these reactions, although the water vapor is not involved in the actual dehydrogenation reaction, but its presence has a positive effect on the life of the catalyst. The water vapor reduces the deposition of coke and can react with the coke to form hydrogen and carbon monoxide or carbon dioxide.
Bevorzugt wird der erfindungsgemäße Katalysator zur Umsetzung von Kohlenwasserstoffen mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen in Gegenwart von Wasserdampf verwendet. Besonders bevorzugt werden Gemische aus Kohlenwasserstoffen mit 5 bis 10 Kohlenstoffatomen, die im Streamcracker als Nebenprodukt bei der Herstellung von Ethylen und/oder Propylen aus Naphtha entstehen, umgesetzt. Insbesondere handelt es sich hierbei um das so genannte Pyrolyse-Benzin, welches nach einem Hydrotreating (Entfernung von Schwefelkomponenten, Dienen und Olefinen mit Hilfe von Wasserstoff) erhalten wird. Das Pyrolyse-Benzin besteht typischerweise aus einem Gemisch von gesättigten linearen und verzweigten Kohlenwasserstoffen (Paraffinen), gesättigten cykli- schen Kohlenwasserstoffen (Naphtenen) und Alkyl-substituierten Aromaten. Das Ver- hältnis der gesättigten Kohlenwasserstoffe zu den Alkyl-substituierten Aromaten liegt typischerweise zwischen 5 : 95 und 95 : 75. Einzelne Fraktionen, wie zum Beispiel Kohlenwasserstoffe mit 5 Kohlenstoffatomen (Cs-Schnitt) können durch eine destillati- ve Trennung erhalten werden. Die Trennung der Paraffin- und Naphten-Gemische von den Alkyl-substituierten Aromaten gelingt beispielsweise durch eine Extraktivdestillation.The catalyst according to the invention is preferably used for reacting hydrocarbons having 1 to 12 carbon atoms in the presence of steam. Particular preference is given to reacting mixtures of hydrocarbons having 5 to 10 carbon atoms which are formed in the streamcracker as a by-product in the production of ethylene and / or propylene from naphtha. In particular, this is the so-called pyrolysis gasoline, which is obtained after hydrotreating (removal of sulfur components, dienes and olefins with the aid of hydrogen). The pyrolysis gasoline typically consists of a mixture of saturated linear and branched hydrocarbons (paraffins), saturated cyclic hydrocarbons (naphthenes) and alkyl-substituted aromatics. The ratio of saturated hydrocarbons to alkyl-substituted aromatics is typically between 5:95 and 95:75. Individual fractions, such as hydrocarbons with 5 carbon atoms (Cs cut) can be obtained by distillative separation. The separation of the paraffin and naphthenic mixtures of the alkyl-substituted aromatics succeed, for example, by an extractive distillation.
Erfindungsgemäß ist die Verwendung des vorstehend beschriebenen Katalysators zur Dampfdealkylierung von Alkyl-substituierten aromatischen Kohlenwasserstoffen bevorzugt. Ganz besonders bevorzugt ist die Verwendung des vorstehend beschriebenen Katalysators zur Dampfdealkylierung von Alkyl-substituierten aromatischen Kohlenwasserstoffen mit 7 bis 12 Kohlenstoffatomen, insbesondere seine Verwendung zur Herstellung von Benzol durch Umsetzung von Alkyl-substituierten Benzolen in Ge- genwart von Wasserdampf.According to the invention, the use of the above-described catalyst for the steam dealkylation of alkyl-substituted aromatic hydrocarbons is preferred. Very particular preference is given to the use of the above-described catalyst for the steam dealkylation of alkyl-substituted aromatic hydrocarbons having 7 to 12 carbon atoms, in particular its use for the preparation of benzene by reacting alkyl-substituted benzenes in the presence of water vapor.
Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Umsetzung von Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von Wasserdampf an dem vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Katalysator, bevorzugt die Umsetzung von Kohlenwasserstof- fen mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen.Another object of the present invention is a process for the reaction of hydrocarbons in the presence of steam on the catalyst of the invention described above, preferably the reaction of Kohlenwasserstof fen with 1 to 12 carbon atoms.
Besonders bevorzugt ist ein Verfahren zur Dampfdealkylierung von ein- und mehrfach Alkyl-substituierten aromatischen Kohlenwasserstoffen, bei dem die ein- und mehrfach Alkyl-substituierten aromatischen Kohlenwasserstoffe in Gegenwart von Wasserdampf an dem vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Katalysator zu aromatischen Kohlenwasserstoffen, Wasserstoff, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid umgesetzt werden.Particular preference is given to a process for the steam dealkylation of mono- and poly-alkyl-substituted aromatic hydrocarbons in which the mono- and poly-alkyl-substituted aromatic hydrocarbons in the presence of steam on the catalyst according to the invention described above to aromatic hydrocarbons, hydrogen, carbon dioxide and carbon monoxide be implemented.
Weiterer bevorzugter Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Benzol durch Umsetzung von Alkyl-substituierten Benzolen mit 7 bis 12 Kohlenstoffatomen in Gegenwart von Wasserdampf an dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Katalysator.Another preferred object of the present invention is a process for the preparation of benzene by reacting alkyl-substituted benzenes having 7 to 12 carbon atoms in the presence of water vapor on the catalyst according to the invention described above.
Erfindungsgemäß können ein- oder mehrfach Alkyl-substituierte aromatische Kohlen- Wasserstoffe in Gegenwart des vorstehend beschriebenen Katalysators dealkyliert werden. Alkyl bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung verzweigte und lineare C1- Cβ-Alkylgruppen. Ein- oder mehrfach Alkyl-substituierte aromatische Kohlenwasserstoffe heißt, dass ein, zwei oder mehr der an den aromatischen Kern gebundene H- Atome durch Alkyl ersetzt sein können bis hin zu dem Fall, in dem alle entsprechenden H-Atome durch Alkyl ersetzt sind. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden „A- romaten" und „aromatische Kohlenwasserstoffe" synonym verwendet. Insbesondere können gemäß der vorliegenden Erfindung ein- und mehrfach Alkyl-substituierte Benzole, die 7 bis 12 Kohlenstoffatome enthalten, dealkyliert werden. Vorzugsweise eignen sich mono-Alkyl-substituierte Benzole wie Toluol, Ethylbenzol oder Propylbenzol, mehrfach Alkyl-substituierte Benzole wie o-, m- und p-Xylole, Mesitylen und Gemische davon. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird Toluol eingesetzt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden Gemische, die im Wesentlichen ein- und mehrfach Alkyl-substituierte Benzole enthalten, verwendet; beispielsweise der beim Steamcracken anfallende so genannte TX-Schnitt.According to the invention, mono- or polysubstituted alkyl-substituted aromatic hydrocarbons can be dealkylated in the presence of the catalyst described above. Alkyl in the context of the present invention means branched and linear C 1 -C 6 -alkyl groups. One or more alkyl-substituted aromatic hydrocarbons means that one, two or more of the H atoms attached to the aromatic nucleus can be replaced by alkyl up to the case where all the corresponding H atoms have been replaced by alkyl. In the context of the present invention, "aromatics" and "aromatic hydrocarbons" are used synonymously. In particular, according to the present invention, one or more alkyl-substituted benzenes containing 7 to 12 carbon atoms may be dealkylated. Preferably suitable mono-alkyl-substituted benzenes such as toluene, ethylbenzene or propylbenzene, polyhydric alkyl-substituted benzenes such as o-, m- and p-xylenes, mesitylene and mixtures thereof. In a preferred embodiment, toluene is used. In a further preferred embodiment, mixtures containing substantially mono- and poly-alkyl-substituted benzenes are used; For example, the resulting during steam cracking so-called TX cut.
Quellen für die gemäß der vorliegenden Erfindung einzusetzenden ein- und mehrfach Alkyl-substituierte Benzole mit 7 bis 12 Kohlenstoffatomen sind:Sources of the mono- and poly-alkyl-substituted benzenes having 7 to 12 carbon atoms to be used according to the present invention are:
• Vollhydriertes Pyrolysebenzin, das als Nebenprodukt bei der Herstellung von Ethy- len und Propylen aus Naphtha in Gegenwart von Wasserdampf in einem Steam- cracker anfällt, der so genannte TX-Schnitt wird hieraus gewonnen,Fully hydrogenated pyrolysis gasoline, which is obtained as a by-product in the production of ethylene and propylene from naphtha in the presence of steam in a steam cracker, the so-called TX cut is obtained therefrom.
• Kokereigasextrakt, das durch eine Gaswäsche mit höher siedenden Kohlenwasserstoffen und/oder durch Adsorption an Aktivkohle aus bei der Verkokung von Steinkohle entstehendem Rohgas erhalten wird,Cokererase extract obtained by scrubbing gas with higher boiling hydrocarbons and / or by adsorption on activated charcoal from raw coal resulting from the coking of coal,
• Reformatbenzin, das durch eine katalytische Reformierung von paraffinischen und naphthenischen Rohölen entsteht,• reformate gas produced by catalytic reforming of paraffinic and naphthenic crude oils,
• Alkyl-substituierte Benzole mit mehr als 8 Kohlenstoffatomen, die als Nebenprodukte bei der Disproportionierung von Toluol zu Benzol entstehen,Alkyl-substituted benzenes having more than 8 carbon atoms which are by-produced in the disproportionation of toluene to benzene,
• Kohleöl, das durch eine Hydrierung der Sumpfphase von Stein- und/oder Braunkohle-Suspensionen erhalten wird,Coal oil obtained by hydrogenation of the sump phase of stony and / or lignite suspensions,
• Kohleextrakt, das durch Extraktion von Stein- und/oder Braunkohle mit Lösemittel wie z.B. Tetralin oder Toluol bei 350-4000C und 100-300 bar erhalten wird,• coal extract obtained by extraction of coal and / or brown coal with solvent such as tetralin or toluene at 350-400 0 C and 100-300 bar,
• Aromatenfraktion, die bei der Umsetzung von Synthesegas mit Methanol an Zeo- lithkatalysatoren oder direkt aus Synthesegas durch Umsetzung an einem bifunktionellen Katalysator wie ZSM-5/Zinkchromit gebildet wird,Aromatic fraction which is formed during the reaction of synthesis gas with methanol on zeolite catalysts or directly from synthesis gas by reaction on a bifunctional catalyst such as ZSM-5 / zinc chromite,
• Aromatenfraktion, die durch eine Dehydro zyklisierung von Methan, Ethan, Propan und/oder Butan erhalten wird, dieses Verfahren wird auch Cyclar-Prozess genannt, sowie • Aromatenfraktionen, die bei der Aufarbeitung von kanadischem „sand oil" anfallen.Aromatic fraction obtained by a dehydrocyclization of methane, ethane, propane and / or butane, this process is also called cyclic process, as well • Aromatic fractions resulting from the processing of Canadian "sand oil".
Der in der Dampfdealkylierung eingesetzte Feed-Strom enthält in der Regel mindestens 50 Gew.-%, bevorzugt mindestens 80 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 90 Gew.-%, eines ein- oder mehrfach Alkyl-substituierten aromatischen Kohlenwasserstoffes oder eines Gemisches hiervon.The feed stream used in the steam dealkylation generally contains at least 50% by weight, preferably at least 80% by weight, particularly preferably at least 90% by weight, of a mono- or polysubstituted alkyl-substituted aromatic hydrocarbon or a mixture thereof ,
In einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, einen Feed-Strom einzusetzen, der neben dem ein- oder mehrfach Alkyl-substituierten aromatischen Kohlenwasserstoff oder Gemischen hiervon bis zu 50 Gew.-%, bevorzugt bis zu 30 Gew.-%, besonders bevorzugt bis zu 20 Gew.-% Nichtaromaten mit 7 bis 12 Kohlenstoffatomen enthalten. Diese Nichtaromaten können Paraffine und/oder Naphthene sein.In a further embodiment, it is also possible to use a feed stream which, in addition to the mono- or poly-alkyl-substituted aromatic hydrocarbon or mixtures thereof, up to 50 wt .-%, preferably up to 30 wt .-%, particularly preferably to to 20 wt .-% of non-aromatics having 7 to 12 carbon atoms. These non-aromatics may be paraffins and / or naphthenes.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Feed-Strom bis zu 40 Gew.-%, bevorzugt bis zu 10 Gew.-%, besonderes bevorzugt bis zu 2 Gew.-% an Kohlenwasserstoffen mit 5 und/oder 6 Kohlenstoffatomen enthalten.In a further embodiment, the feed stream may contain up to 40% by weight, preferably up to 10% by weight, more preferably up to 2% by weight, of hydrocarbons having 5 and / or 6 carbon atoms.
In einer weiteren Ausgestaltungsform kann als Feed-Strom auch der sogenannte BTX- Schnitt, der beim Steam-Cracken erhalten wird, eingesetzt werden.In a further embodiment, the so-called BTX cut, which is obtained in steam cracking, can also be used as the feed stream.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Feed-Strom schwefelhaltige Verbindungen wie z.B. Mercaptane, Thiophen, Benzothiophen, Alkyl-substituierte Thiophene und/oder Benzothiophene enthalten. Typischerweise kann der Schwefelgehalt des Feed- Stroms bis zu 100 ppm betragen, üblicherweise liegt er bei 10 ppm oder weniger, insbe- sondere bei 2 ppm oder weniger.In a further embodiment, the feed stream may contain sulfur containing compounds, such as e.g. Mercaptans, thiophene, benzothiophene, alkyl-substituted thiophenes and / or benzothiophenes. Typically, the sulfur content of the feed stream may be up to 100 ppm, usually 10 ppm or less, more preferably 2 ppm or less.
Die Dealkylierung wird üblicherweise von 300 bis 8000C, vorzugsweise von 400 bis 6000C, insbesondere von 400 bis 5500C durchgeführt. Der Druck liegt hierbei in einem Bereich von 1 bis 50 bar, vorzugsweise von 3 bis 30 bar, insbesondere von 5 bis 25 bar.The dealkylation is usually carried out from 300 to 800 ° C., preferably from 400 to 600 ° C., in particular from 400 to 550 ° C. The pressure is in this case in a range of 1 to 50 bar, preferably from 3 to 30 bar, in particular from 5 to 25 bar.
Die LHSV ("Liquid Hourly Space Velocity") liegt in der Regel bei 0,1 bis 10 Volumenteile Feed-Strom pro Volumenteil Katalysator und Stunde (l/l*h), vorzugsweise bei 0,5 bis 5 1/1« h, insbesondere bei 1 bis 3 (l/l«h).The LHSV ("Liquid Hourly Space Velocity") is usually 0.1 to 10 parts by volume of feed stream per part by volume of catalyst per hour (l / l * h), preferably 0.5 to 5 1/1 h, especially at 1 to 3 (l / l «h).
Das Molverhältnis von Wasserdampf/Kohlenstoff (steam/carbon, S/C) liegt in der Regel bei 0,1 bis 10, vorzugsweise bei 0,2 bis 5, insbesondere bei 0,5 bis 2.The molar ratio of steam / carbon (steam / carbon, S / C) is generally from 0.1 to 10, preferably from 0.2 to 5, in particular from 0.5 to 2.
In einer Ausführungsform der erfmdungsgemäßen Verwendung des vorstehend be- schriebenen Katalysators werden der eingesetzte Feed und das Wasser in einem Verdampfer bei 100 bis 4000C verdampft, dieser Dampf in einem Vorheizer und/oder durch einen Wärmeverbund auf die gewünschte Reaktionstemperatur gebracht, die vorzugsweise bei 400 bis 6000C, insbesondere bei 400 bis 5500C liegt und dann in den Reaktor eingeleitet.In one embodiment of the inventive use of the above-described described catalyst, the feed used and the water is evaporated in an evaporator at 100 to 400 0 C, this steam brought in a preheater and / or by a heat network to the desired reaction temperature, preferably at 400 to 600 0 C, in particular 400 to 550 0 C and then introduced into the reactor.
Im Laufe der Reaktion kann sich unter den gegebenen Reaktionsbedingungen Koks und/oder Koks- Vorstufen an den Aktivzentren und in den Poren des Katalysators bilden. Bei Koks handelt es sich üblicherweise um hochsiedende ungesättigte Kohlenwas- serstoffe. Bei Koksvorstufen handelt es sich typischerweise um niedersiedende Alkene, Alkyne und/oder gesättigte hochmolekulare Kohlenwasserstoffe.In the course of the reaction, under the given reaction conditions, coke and / or coke precursors can form at the active centers and in the pores of the catalyst. Coke is usually high-boiling unsaturated hydrocarbons. Coke precursors are typically low-boiling alkenes, alkynes and / or saturated high molecular weight hydrocarbons.
Die Ablagerung des Koks bzw. der Koks- Vorstufe bewirkt, dass die Aktivität und/oder Selektivität des Katalysators negativ beeinträchtigt wird. Um eine optimale Fahrweise zu garantieren, besteht daher die Notwendigkeit, den Katalysator in regelmäßigen Abständen zu regenerieren. Ziel der Regenerierung ist die Entfernung des Koks bzw. der Koksvorstufe, ohne dass die physikalischen Eigenschaften des Katalysators negativ be- einflusst werden.The deposition of the coke or coke precursor has the effect that the activity and / or selectivity of the catalyst is adversely affected. In order to guarantee an optimal driving style, there is therefore the need to regenerate the catalyst at regular intervals. The aim of the regeneration is the removal of the coke or the coke precursor, without the physical properties of the catalyst being adversely affected.
Die Koks- Vorstufen können durch Verdampfen in Gegenwart eines Inertgases bei erhöhter Temperatur (T > 2500C) und/oder Hydrieren in Gegenwart eines wasserstoffhal- tigen Gasgemisches und/oder Verbrennung in Gegenwart eines sauerstoffhaltigen Gasgemisches entfernt werden.The coke precursors can be removed in the presence of an oxygen-containing gas mixture by evaporation in the presence of an inert gas at an elevated temperature (T> 250 0 C) and / or hydrogenation in the presence of a wasserstoffhal- term gas mixture and / or incineration.
Die Entfernung der Koksbeläge erfolgt üblicherweise durch Verbrennen des Koks in Gegenwart eines sauerstoffhaltigen Gasgemisches (= oxidative Regenerierung).The coke deposits are usually removed by burning the coke in the presence of an oxygen-containing gas mixture (= oxidative regeneration).
Die Regenerierung des Katalysators kann in-situ oder ex-situ erfolgen, bevorzugt wird eine in-situ Regenerierung durchgeführt. Die Eintrittstemperatur für die oxidative Re- generierung liegt üblicherweise zwischen 350 und 5500C. Die Sauerstoffkonzentration des sauerstoffhaltigen Gasgemisches liegt üblicherweise zwischen 0,1 und 10 Vo 1.-%. Der Druck liegt typischerweise zwischen 0,1 und 10 bar.The regeneration of the catalyst can be carried out in situ or ex situ, preferably an in situ regeneration is carried out. The inlet temperature for the oxidative regeneration is usually between 350 and 550 ° C. The oxygen concentration of the oxygen-containing gas mixture is usually between 0.1 and 10% by volume. The pressure is typically between 0.1 and 10 bar.
In einer besonderen Ausführungsform wird die oxidative Regenerierung des Katalysa- tors in Gegenwart von Wasserdampf durchgeführt.In a particular embodiment, the oxidative regeneration of the catalyst is carried out in the presence of water vapor.
Nach der oxidativen Regenerierung des Katalysators erfolgt üblicherweise eine Aktivierung in Gegenwart von Wasserstoff. Als Reaktoren werden in der Regel Festbettreaktoren, Rohrbündelreaktoren oder Fließbettreaktoren eingesetzt.After the oxidative regeneration of the catalyst is usually carried out an activation in the presence of hydrogen. The reactors used are generally fixed-bed reactors, tube-bundle reactors or fluid-bed reactors.
In einer Ausgestaltungsform können u.a. einfache Festbettreaktoren, Festbettreaktoren mit vorgeschalteter Verbrennungszone, eine Kaskade von Festbettreaktoren oder Hordenreaktoren eingesetzt werden (Römpp Lexikon Chemie, Herausgeber J. Falbe, M. Regitz, Thieme- Verlag, 10. Auflage, Bd. 5, S. 3739)In one embodiment, i.a. simple fixed bed reactors, fixed bed reactors with upstream combustion zone, a cascade of fixed bed reactors or tray reactors are used (Rompp Lexikon Chemistry, editor J. Falbe, M. Regitz, Thieme Verlag, 10th edition, Bd. 5, p 3739)
Die Umsetzung der Alkyl-substituierten Aromaten mittels Dampfdealkylierung ist eine endotherme Reaktion. Die zur Aufrechterhaltung der Reaktion benötigte Wärme kann durch Heizen von außen zugeführt werden. Dabei können die Reaktion bzw. Reaktionszonen beheizt werden, möglich ist jedoch auch, zwischen zwei Reaktoren oder Reaktionszone eine Zwischenheizung zu schalten und das Reaktionsgemisch aufzuheizen.The reaction of the alkyl-substituted aromatics by means of steam dealkylation is an endothermic reaction. The heat required to maintain the reaction can be supplied by heating from the outside. In this case, the reaction or reaction zones can be heated, but it is also possible to switch between two reactors or reaction zone an intermediate heating and to heat the reaction mixture.
Die Umsetzung kann jedoch auch autotherm durchgeführt werden, d.h. der Wärmebedarf der Umsetzung wird durch eine zweite, exotherm verlaufende Reaktion im System selbst, gedeckt. „Im System selbst" meint im Reaktionsgemisch oder im Reaktionsraum. Beispielsweise kann die gewünschte Reaktionstemperatur erzeugt bzw. aufrechterhalten werden, indem man ein sauerstoffhaltiges Gas in das Katalysatorbett einspeist und durch die Verbrennung eines Teiles des eingespeisten Kohlenwasserstoffes und/oder eines Teiles des bei der Dealkylierung entstehenden Wasserstoffes und/oder des sich bei der Reaktion bildenden Kohlenmonoxids und/oder des bei der Reaktion gebildeten Koks, die notwendige Wärme erzeugt. Die Oxidation wird hierbei ggf. durch den einge- setzten Katalysator unterstützt. Als sauerstoffhaltige Gase kommen in der Regel Luft, angereicherte Luft, wie z.B. ein Gemisch von Sauerstoff und Stickstoff, oder reiner Sauerstoff in Betracht. Es können aber auch neben angereicherter Luft auch andere sauerstoffhaltige Gase verwendet werden unter der Voraussetzung, dass sich die anderen Komponenten des Gemisches unter den Reaktionsbedingungen inert verhalten.However, the reaction can also be carried out autothermally, i. the heat requirement of the conversion is covered by a second, exothermic reaction in the system itself. For example, the desired reaction temperature may be established by feeding an oxygen-containing gas into the catalyst bed and by combustion of a portion of the feed hydrocarbon and / or a portion of the dealkylation catalyst The resulting hydrogen and / or the carbon monoxide forming during the reaction and / or the coke formed in the reaction, which generates the necessary heat, whereupon the oxidation is assisted by the catalyst used as an oxygen. enriched air, such as a mixture of oxygen and nitrogen, or pure oxygen, but other oxygenated gases may be used in addition to enriched air, provided that the other components of the mixture are inert under the reaction conditions.
Die Zufuhr des sauerstoffhaltigen Gases kann an einer oder mehrerer Stellen des eingesetzten Reaktors/der eingesetzten Reaktoren, insbesondere an einer oder mehreren Stellen entlang des Katalysatorbettes/der Katalysatorbetten erfolgen. Es ist auch möglich, das sauerstoffhaltige Gas bereits dem eingesetzten Kohlenwasserstoff-Feed und dem Wasserdampf beizumengen.The supply of the oxygen-containing gas can take place at one or more points of the reactor used / the reactors used, in particular at one or more points along the catalyst bed (s). It is also possible to add the oxygen-containing gas already to the hydrocarbon feed used and the water vapor.
Hierbei kann es sich anbieten, das gebildete Armgas, das den bei der erfmdungsgemä- ßen Reaktion entstehenden Wasserstoff enthält, teilweise oder vollständig, so zurückzu- führen, dass am Eingang des ersten Katalysatorbetts bereits Wasserstoff vorhanden ist, so dass bevorzugt dieser bei der Reaktion gebildete und zurückgeführte Wasserstoff mit dem Sauerstoff des sauerstoffhaltigen Gases unter Erzeugung von Wärme abreagiert.In this case, it may be advisable to partially or completely recover the formed arm gas which contains the hydrogen formed during the inventive reaction. lead, that at the entrance of the first catalyst bed already hydrogen is present, so that preferably this formed during the reaction and recycled hydrogen reacts with the oxygen of the oxygen-containing gas to generate heat.
In einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, ein wasserstoffhaltiges Gas, in den Reaktor einzuspeisen.In a further embodiment, it is also possible to feed a hydrogen-containing gas into the reactor.
Weiterhin kann das Verfahren so gestaltet werden, dass die Dealkylierungsreaktion und die Oxidationsreaktion in unterschiedlichen Bereichen durchgeführt werden. Dies ist insbesondere in einem Hordenreaktor möglich, aber auch in einer Kaskade von Festbettreaktoren. Bei ersteren wechseln sich bevorzugt die Reaktionszonen der Dampfdealky- lierung und die Reaktionszonen der Oxidation ab. Hier kann es von Vorteil sein, sauerstoffhaltiges Gas jeweils in die entsprechende Zone der Oxidation einzuspeisen. Bei der Reaktorkaskade werden entsprechende Verbrennungskammern zwischen die Reaktoren geschaltet, in welchen das sauerstoffhaltige Gas mit einem Teil der eingespeisten Kohlenwasserstoffes und/oder eines Teiles des bei der Dampfdealkylierung entstehenden Wasserstoffes umgesetzt wird, wobei letzteres bevorzugt ist.Furthermore, the process can be designed so that the dealkylation reaction and the oxidation reaction are carried out in different regions. This is possible in particular in a tray reactor, but also in a cascade of fixed bed reactors. In the former, the reaction zones of the vapor decomposition and the reaction zones of the oxidation preferably alternate. Here it may be advantageous to feed oxygen-containing gas in each case into the corresponding zone of the oxidation. In the reactor cascade, respective combustion chambers are interposed between the reactors in which the oxygen-containing gas is reacted with a portion of the hydrocarbon feed and / or a portion of the hydrogen formed in the steam dealkylation, the latter being preferred.
Die Umsetzung des bei der Reaktion gebildeten Wasserstoffs mit dem Sauerstoff des sauerstoffhaltigen Gases kann in Gegenwart oder in Abwesenheit von Oxidationskataly- satoren erfolgen. Als Oxidationskatalysatoren werden die dem Fachmann bekannten eingesetzt, wobei diejenigen zu bevorzugen sind, die selektiv bzgl. der Oxidation von Wasserstoff mit Sauerstoff sind, zur Vermeidung von unerwünschtem Verbrauch von eingesetzten Kohlenwasserstoffen durch Oxidation.The reaction of the hydrogen formed in the reaction with the oxygen of the oxygen-containing gas can be carried out in the presence or in the absence of oxidation catalysts. The oxidation catalysts used are those known to those skilled in the art, preference being given to those which are selective with respect to the oxidation of hydrogen with oxygen, in order to avoid undesired consumption of hydrocarbons used by oxidation.
In einer besonderen Ausführungsform enthalten die Oxidationskatalysatoren wie in US 4,435,607 beschrieben, ein Edelmetall der Gruppen 8, 9 oder 10 des Periodensystems auf einem porösen Träger. Zudem können Metalle der Gruppe 4 enthalten sein, sowie gewünschtenfalls mindestens ein Metall der Gruppen 1 oder 2 des Periodensystems. Als Träger werden vorzugsweise Aluminiumoxidträger verwendet.In a particular embodiment, the oxidation catalysts contain, as described in US 4,435,607, a noble metal of groups 8, 9 or 10 of the Periodic Table on a porous support. In addition, metals of group 4 can be contained, and if desired, at least one metal of groups 1 or 2 of the periodic table. As the carrier, alumina carriers are preferably used.
In einer besonderen Ausführungsform wird in Gegenwart eines Oxidationskatalysators gearbeitet, insbesondere wenn die Dampfdealkylierungsreaktion und die Oxidationsreaktion in unterschiedlichen Bereichen durchgeführt werden, wie beispielsweise in ei- nem Hordenreaktor oder in einer Reaktorkaskade mit zwischengeschalteten Verbrennungskammern.In a particular embodiment, the reaction is carried out in the presence of an oxidation catalyst, in particular if the steam dealkylation reaction and the oxidation reaction are carried out in different regions, for example in a tray reactor or in a reactor cascade with interposed combustion chambers.
Das Molverhältnis von Sauerstoff/Kohlenstoff (oxygen/carbon) wird in der Regel so eingestellt, dass durch die Oxidation des bei der Dealkylierungsreaktion entstehenden Wasserstoffes und ggf. des bei der Dampfdealkylierungsreaktion entstehenden Kohlen- monoxids und ggf. des sich bei der Reaktion bildenden Koks die Wärme erzeugt werden kann, die notwendig ist, die Reaktionstemperatur aufrechtzuerhalten. Weiterhin wird das Molverhältnis von Sauerstoff/Kohlenstoff so eingestellt, dass praktisch keine eingesetzten oder gebildeten Kohlenwasserstoffe mit dem Sauerstoff verbrannt werden. In der Regel liegt das Molverhältnis von Sauerstoff/Kohlenstoff bei 1 :10 bis 1 :2000, vorzugsweise bei 1 :50 bis 1 :1000, insbesondere bei 1:100 bis 1 :900.The molar ratio of oxygen / carbon (oxygen / carbon) is usually so It is established that the oxidation of the hydrogen formed in the dealkylation reaction and, if appropriate, the carbon monoxide formed in the steam dealkylation reaction and, if appropriate, the coke formed during the reaction, can produce the heat necessary to maintain the reaction temperature. Furthermore, the molar ratio of oxygen / carbon is adjusted so that practically no hydrocarbons used or formed are burned with the oxygen. In general, the molar ratio of oxygen / carbon is from 1:10 to 1: 2000, preferably from 1:50 to 1: 1000, in particular from 1: 100 to 1: 900.
In einer weiteren Ausgestaltungsform ist es möglich den Feedstrom, dessen Temperatur unter der Reaktionstemperatur liegt, auf letztere zu erhöhen, indem man den rückge- führten, bei der Dampfdeealkylierung gebildeten Wasserstoff und/oder Kohlenwasserstoffe und/oder gebildetes Kohlenmonoxid, mit Sauerstoff oxidiert.In a further embodiment, it is possible to increase the feed stream, whose temperature is below the reaction temperature, to the latter by oxidizing the recycled, formed in the Dampfdeealkylierung hydrogen and / or hydrocarbons and / or formed carbon monoxide, with oxygen.
Das gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene Reaktionsgas ist reich an Wasserstoff und dealkylierten aromatischen Kohlenwasserstoffen, insbesondere Benzol und/oder Alkyl-substituierten aromatischen Kohlenwasserstoffen, deren Anzahl von Alkyl-Resten im Vergleich zu den eingesetzten Alkyl-substituierten aromatischen Kohlenwasserstoffen verringert ist. In einer besonderen Ausführungsform enthält das Reak- tionsgas als aromatischen Kohlenwasserstoff Benzol, insbesondere für den Fall, wenn es sich bei dem eingesetzten Alkyl-substituierten aromatischen Kohlenwasserstoff hauptsächlich um Toluol handelt.The reaction gas obtained by the process according to the invention is rich in hydrogen and dealkylated aromatic hydrocarbons, in particular benzene and / or alkyl-substituted aromatic hydrocarbons, whose number of alkyl radicals is reduced compared to the alkyl-substituted aromatic hydrocarbons used. In a particular embodiment, the reaction gas contains benzene as the aromatic hydrocarbon, especially for the case when the alkyl-substituted aromatic hydrocarbon used is mainly toluene.
Es wurde auch gefunden, dass ggf. im Feed enthaltene Nichtaromaten mit 7 oder mehr Kohlenstoffatomen aromatisieren. Paraffinische Verbindungen können möglicherweise teilweise zu Methan, Kohlendioxid und Wasserstoff zersetzt werden.It has also been found that aromatize optionally contained in the feed non-aromatics having 7 or more carbon atoms. Paraffinic compounds may possibly be partially decomposed to methane, carbon dioxide and hydrogen.
Aus dem Reaktionsgas werden nach üblichen Verfahren die gebildeten dealkylierten aromatischen Kohlenwasserstoffe und das gebildete Armgas, das den bei der erfin- dungsgemäßen Reaktion entstehenden Wasserstoff enthält, abgetrennt. Weiterhin kann das Armgas oder der hiervon abgetrennte Wasserstoff in die Reaktionsvorrichtung zurückgeführt werden. Typischerweise liegt das Verhältnis zwischen Kreisgas (in Nl) und Feed (in kg) bei 10:1 bis 2000:1, vorzugsweise bei 20:1 bis 1000: 1 und insbesondere bei 50:1 bis 500:1.The dealkylated aromatic hydrocarbons formed and the arm gas formed, which contains the hydrogen formed in the reaction according to the invention, are separated from the reaction gas by customary processes. Furthermore, the arm gas or the hydrogen separated therefrom can be returned to the reaction apparatus. Typically, the ratio between cycle gas (in Nl) and feed (in kg) is from 10: 1 to 2000: 1, preferably from 20: 1 to 1000: 1 and especially from 50: 1 to 500: 1.
In einer Ausführungsform des erfmdungsgemäßen Verfahrens in autothermer Fahrweise werden der eingesetzte Feed und das Wasser in einem Verdampfer bei 100 bis 4000C verdampft, dieser Dampf in einem Vorheizer auf die gewünschte Reaktionstemperatur gebracht, die vorzugsweise bei 400 bis 6000C, insbesondere bei 400 bis 5500C liegt, und dann in den Reaktor eingeleitet. Unmittelbar vor dem Eintritt in das Katalysatorbett, welches den erfϊndungsgemäßen Katalysator enthält, wird das sauerstoffhaltige Gas, vorzugsweise Luft, eingespeist.In one embodiment of the inventive method in autothermal driving, the feed used and the water are evaporated in an evaporator at 100 to 400 0 C, this vapor in a preheater to the desired reaction temperature brought, which is preferably at 400 to 600 0 C, in particular at 400 to 550 0 C, and then introduced into the reactor. Immediately before entering the catalyst bed containing the catalyst according to the invention, the oxygen-containing gas, preferably air, is fed.
Das Reaktionsgas, das gemäß dem erfϊndungsgemäßen Verfahren erhalten wird, wird von dem Reaktor in einen Wärmetauscher geleitet und dort abgekühlt, vorzugsweise auf 10 bis 1000C. Es ist zweckmäßig, die hierbei freiwerdende Wärme in den Prozess zu integrieren (Wärmeverbund), um beispielsweise den Feedstrom oder sonstige aufzuhei- zende Ströme (z.B. Verdampfer der Kolonne) aufzuheizen. Die sich bildende flüssige Phase, welche den dealkylierten aromatischen Kohlenwasserstoff, vorzugsweise Benzol, enthält, wird einem Phasenscheider zugeführt und die organische Phase von der Wasserphase getrennt. Die organische Phase, welche den dealkylierten aromatischen Kohlenwasserstoff enthält, vorzugsweise Benzol, kann gewünschtenfalls weiter aufge- reinigt werden, beispielsweise durch Destillation. Das abgetrennte Armgas kann gewünschtenfalls in den Reaktor zurückgeführt werden.The reaction gas, which is obtained according to the erfϊndungsgemäßen method, is passed from the reactor into a heat exchanger and cooled there, preferably at 10 to 100 0 C. It is expedient to integrate the heat released in this process in the process (heat combination), for example to heat the feed stream or other streams to be heated (eg evaporator of the column). The forming liquid phase containing the dealkylated aromatic hydrocarbon, preferably benzene, is fed to a phase separator and the organic phase is separated from the water phase. If desired, the organic phase containing the dealkylated aromatic hydrocarbon, preferably benzene, can be further purified, for example by distillation. If desired, the separated off-gas may be returned to the reactor.
In einer besonderen Ausführungsform wird in einer Destillationskolonne Benzol sowie ggf. Verunreinigungen über Kopf und Kohlenwasserstoffe mit 7 und mehr Kohlenstoff- atome über Sumpf abgetrennt. Das abgetrennte Gemisch kann in die Dampfdealkylie- rung zurückgeführt werden. Gegebenenfalls kann es von Vorteil sein, dieses Gemisch einer weiteren Destillation zu unterwerfen, wobei Schwersieder abgetrennt werden und nur die entstehende Leichtsiederfraktion in die Dampfdealkylierung zurückgeführt werden.In a particular embodiment, benzene and, if appropriate, impurities are removed via overheads and hydrocarbons having 7 or more carbon atoms are removed via the bottom in a distillation column. The separated mixture can be recycled to the steam dealkylation. Optionally, it may be advantageous to subject this mixture to further distillation, wherein high boilers are separated and only the resulting low boiler fraction are recycled to the steam dealkylation.
Um das in der organischen Phase (in geringen Mengen) gelöste Wasser sowie Leicht- sieder von der Kopffraktion der genannten Destillation abzutrennen, kann die Benzolfraktion in eine weitere Destillationskolonne geleitet werden, in der über eine azeotrope Destillation das gelöste Wasser sowie die Leichtsieder über Kopf und Reinbenzol über Sumpf abgetrennt werden.In order to separate off the water dissolved in the organic phase (in small amounts) and low-boiling components from the top fraction of said distillation, the benzene fraction can be passed to a further distillation column in which the dissolved water and the low boilers are passed overhead via azeotropic distillation Reinbenzol be separated via sump.
In einer besonderen Ausführungsform werden die Kolonnen als Kolonnen mit Seitenabzug oder als Trennwandkolonnen ausgeführt.In a particular embodiment, the columns are carried out as columns with side draw or as dividing wall columns.
In einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich nur eine Kolonne oder auch mehrere Kolonnen zu verwenden. Als Kolonnen können hierbei neben den klassischen Kolonnen auch beispielsweise Kolonnen mit Seitenabzug oder Trennwandkolonnen eingesetzt werden. In weiteren Ausfuhrungsformen werden Einheiten zur Reduzierung des Schwefelgehalts der umzusetzenden Kohlenwasserstoffe in den Prozess eingebaut. Hierbei werden Verfahrensschritte gemäß des Stands der Technik verwendet.In a further embodiment, it is also possible to use only one column or even more columns. Columns which can be used here in addition to the classical columns, for example, columns with side draw or dividing wall columns. In other embodiments, units for reducing the sulfur content of the hydrocarbons to be converted are incorporated into the process. Here, method steps according to the prior art are used.
Diese Ausführungsform des erfmdungsgemäßen Verfahrens ermöglicht es, Benzol in hoher Reinheit herzustellen, wobei der Wasserstoff, der bei der Dampfdealkylierungs- reaktion gebildet wird, dazu verwendet wird, über eine Kopplung mit einer Oxidations- reaktion, die Wärme, die benötigt wird, um die Reaktionstemperatur aufrechtzuerhalten, zu gewinnen. Daher kann zum einen der gebildete Wasserstoff sofort genutzt werden und ferner wird die Wärme direkt im Reaktor gebildet, so dass Wärmeverluste z.B. an externen Wärmetauschern vermieden werden können.This embodiment of the process according to the invention makes it possible to produce benzene in high purity, the hydrogen which is formed in the steam dealkylation reaction being used, via a coupling with an oxidation reaction, the heat required, the reaction temperature uphold, win. Therefore, on the one hand, the hydrogen formed can be used immediately, and further the heat is formed directly in the reactor, so that heat losses e.g. can be avoided on external heat exchangers.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.In the following, the present invention is explained in more detail by means of exemplary embodiments.
BeispieleExamples
Herstellung des KatalysatorsPreparation of the catalyst
Der monokline Zirkonoxidträger und der Si-stabilisierte tetragonale Zirkonoxidträger sind kommerziell erhältlich bei der Fa. NorPro unter Bezeichnung SZ 3164 bzw. SZ 6152. Der La,Ce-stabilisierte tetragonale Zirkonoxidträger und der Ce-stabilisierte Zirkonoxidträger wurden durch Verformung der entsprechenden Zirkoniumhydroxid- Vorstufen erhalten, die jeweils bei der Fa. MEL-Chemicals unter Bezeichnung XZO 892 bzw. XZO 857 erhältlich sind, mit Böhmit der Fa. Sasol (Pural® SB). Bei dem Titanoxidträger handelt es sich um das kommerziell erhältliche Produkt P25 der Fa. Degussa. Die Al,Mg-Spinellträger (I) und (II) wurden durch Fällung der entsprechenden Mengen Mg(NOs)2 und Al(NOs)3 in einer wässrigen Lösung in Gegenwart von Na2CO3 bei pH = 5 hergestellt. Der Feststoff wurde abfiltriert, mit deionisiertem Wasser gewaschen und 72 h bei 1000C getrocknet. Anschließend wurde das Pulver in einem Extruder zu 1,5 mm Stränge verformt. Die Stränge wurden 16 h bei 1200C getrocknet und anschließend im Drehrohrofen bei 6000C kalziniert (Verweilzeit 1 h).The monoclinic zirconia support and the Si-stabilized tetragonal zirconia support are commercially available from NorPro under designation SZ 3164 and SZ 6152, respectively. The La, Ce-stabilized tetragonal zirconia support and Ce-stabilized zirconia support were obtained by deformation of the corresponding zirconium hydroxide precursors respectively at the company. MEL Chemicals under the name XZO 892 or XZO 857 available boehmite Fa. Sasol (Pural ® SB). The titanium oxide support is the commercially available product P25 from Degussa. The Al, Mg spinel supports (I) and (II) were prepared by precipitating the appropriate amounts of Mg (NOs) 2 and Al (NOs) 3 in an aqueous solution in the presence of Na 2 CO 3 at pH = 5. The solid was filtered off, washed with deionized water and dried at 100 ° C. for 72 h. Subsequently, the powder was formed in an extruder into 1.5 mm strands. The strands were dried at 120 ° C. for 16 h and then calcined in a rotary kiln at 600 ° C. (residence time 1 h).
Die BET-Oberfläche (BET) wurde nach DIN 66131 bestimmt, das Porenvolumen (PV) wurde mittels Hg-Porosimetriemessung nach DIN 66133 gemessen. Die Zusammensetzungen, BET und Porenvolumina der eingesetzten Träger sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Tabelle 1The BET surface area (BET) was determined according to DIN 66131, the pore volume (PV) was measured by means of Hg porosimetry measurement according to DIN 66133. The compositions, BET and pore volumes of the carriers used are summarized in Table 1. Table 1
Bezeichnung Anteil [Gew.- %] BET PVDesignation Share [weight%] BET PV
ZrO2 La2O3 Ce2O3 Al, O3 SiO2 TiO2 [m2/g] [ml/g] monokl.-Zrθ2 > 99 - - - 76 0,29 tetr.-La,Ce- 71,9 4,5 15,5 8 1 _ _ 100 0,33ZrO 2 La 2 O 3 Ce 2 O 3 Al, O 3 SiO 2 TiO 2 [m 2 / g] [ml / g] monoclinic ZrO 2> 99 - - - 76 0.29 tetr. La, Ce- 71 , 9 4.5 15.5 8 1 _ _ 100 0.33
ZrO2 tetr. -Ce-ZrO2 68,9 24,2 6 9 - - 141 0,28 tetr.-Si-ZrO2 95,5 - 4,5 - 156 0,32ZrO 2 tetr. -Ce-ZrO 2 68.9 24.2 6 9 - - 141 0.28 tetr-Si-ZrO 2 95.5 - 4.5 - 156 0.32
TiO2 - - - > 99 41 0,25TiO 2 - - -> 99 41 0.25
Die Katalysatoren wurden durch Imprägnierung des Trägermaterials bis zur maximalen Wasseraufnahme (Incipient-Wetness-Method) hergestellt. Dazu wurden wasserlösliche Salze der aufzubringenden Komponenten zusammen in einer Lösung vereint und das Trägermaterial mit dieser Lösung imprägniert. In dem nachfolgenden Schritt wurden die Katalysatoren für mindestens 6 h bei 800C getrocknet. Gegebenenfalls wurde die Imprägnierung wiederholt um die gewünschten Konzentrationen der Elemente auf dem Träger zu erhalten. Nach dem Trocknen wurden die Katalysatoren im Muffelofen unter Luftzugabe 3 h bei 5000C calciniert.The catalysts were prepared by impregnation of the support material to the maximum water absorption (incipient wetness method). For this purpose, water-soluble salts of the components to be applied were combined together in a solution and the carrier material was impregnated with this solution. In the subsequent step, the catalysts were dried for at least 6 h at 80 0 C. Optionally, the impregnation was repeated to obtain the desired concentrations of the elements on the support. After drying, the catalysts were calcined in a muffle furnace with air addition for 3 hours at 500 0 C.
Durchführung der VersucheCarrying out the experiments
Die Versuche wurden in einem 48-fach Rohrreaktor bei einem Druck von 5 bar mit einem Gasgemisch aus 30 Vol.-% Stickstoff, 60,8 Vol.-% Wasser und 9,2 Vol.-% Toluol durchgeführt. Dies entspricht einem S/C -Verhältnis (Steam-to-Carbon) von 0,94. Es wurde jeweils 1 ml Katalysator in Form von Splitt mit einer Teilchengröße von 0,5 bis 1,0 mm eingesetzt. Die Katalysatoren wurden vor der Reaktion im Reaktor mit einem Gasgemisch aus 3 Vol.-% Wasserstoff in Stickstoff 3 h bei 4500C aktiviert.The experiments were carried out in a 48-fold tubular reactor at a pressure of 5 bar with a gas mixture of 30% by volume of nitrogen, 60.8% by volume of water and 9.2% by volume of toluene. This corresponds to a steam-to-carbon (S / C) ratio of 0.94. In each case 1 ml of catalyst in the form of chippings with a particle size of 0.5 to 1.0 mm was used. The catalysts were activated before the reaction in the reactor with a gas mixture of 3 vol .-% hydrogen in nitrogen for 3 h at 450 0 C.
Die Versuche wurden bei einer LHSV (Liquid Hourly Space Velocity) von 2 h"1 durch- geführt (Einstellungen I und II). Bei einigen Versuchen (C, E, F, G und H) wurde die LHSV im Anschluss daran auf 1 h"1 herabgesetzt (Einstellung III).The experiments were carried out at an LHSV (Liquid Hourly Space Velocity) of 2 h "1 (settings I and II), and in some experiments (C, E, F, G and H) the LHSV was subsequently reduced to 1 h "1 lowered (setting III).
Die LHSV ist definiert als die Menge an flüssigem Toluol in ml pro ml Katalysator und Stunde [= l(Toluol)/(l(Kat)*h)].The LHSV is defined as the amount of liquid toluene in ml per ml of catalyst and Hour [= 1 (toluene) / (1 (cat) * h)].
Bei den Versuchen wurde die Temperatur bei 4500C gehalten (I), nach einer Laufzeit (= Time-on-stream = TOS) von 18 h die Zusammensetzung des Reaktionsproduktes be- stimmt und die Temperatur auf 5000C (II) erhöht. Die Zusammensetzung wurde nach einer Gesamtlaufzeit von 24 h erneut bestimmt. Anschließend wurde Umsetzung weitere 12 h bei 5000C, allerdings bei einer LHSV von 1 h"1 (Einstellung III) fortgeführt und nach 36 h Gesamtlaufzeit die Zusammensetzung des Produktstroms erneut bestimmt.In the experiments, the temperature was maintained at 450 ° C. (I), after a running time (= time-on-stream = TOS) of 18 hours the composition of the reaction product was determined and the temperature increased to 500 ° C. (II). The composition was redetermined after a total run time of 24 hours. Subsequently, reaction was further 12 h at 500 0 C, however, at a LHSV of 1 h "continued 1 (setting III), and again determines the composition of the product stream after 36 hours total run time.
Die Analyse der Zusammensetzung erfolgt mittels Gaschromatographie.The analysis of the composition is carried out by gas chromatography.
Die Ergebnisse sind in den folgenden Tabellen 2 bis 6 aufgeführt. Der Umsatz bezieht sich auf den Umsatz an Toluol, die Selektivität ist die Benzolselektivität jeweils in mol- %. Umsatz und Selektivität wurden aus den gaschromatographischen Daten berechnet. Die Prozentzahlen in den Klammern hinter den Elementen geben die Konzentration des jeweiligen Elements in Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators an. Die unter Zusammensetzung aufgeführten Elemente sind das Iridium und die als Promotoren eingesetzten Elemente der Komponente b). In der Spalte Träger ist das als Träger eingesetzte Zirkonoxid bzw. stabilisierte Zirkonoxid, das im Katalysator als Kom- ponente c) enthalten ist, aufgelistet. The results are shown in the following Tables 2 to 6. The conversion refers to the conversion of toluene, the selectivity is the benzene selectivity in mol%. The conversion and selectivity were calculated from the gas chromatographic data. The percentages in the parentheses behind the elements indicate the concentration of each element in weight percent based on the total weight of the catalyst. The elements listed under composition are the iridium and the elements of component b) used as promoters. The column Carrier lists the zirconium oxide or stabilized zirconium oxide used as support, which is contained in the catalyst as component c).
Tabelle 2Table 2
Kat. Zusammensetzung Träger TemperaTOS UmSe- tur M satz lekt.Cat. Composition Carrier TemperaTOS UmSet ter M etect.
[%] [%][%] [%]
A Ir(0,3%),La(5,0%) monokl- I 18 1 >99 erfϊn- ZrO2 dungs- gemäßA Ir (0.3%), La (5.0%) monoclonal I 18 1> 99 erfϊn- ZrO 2 tion according to
II 24 2 96II 24 2 96
B Ir(0,6%),La(5,0%) monokl- I 18 18 93 erfϊn- ZrO2 dungs- gemäßB Ir (0.6%), La (5.0%) monoclonal I 18 18 93 erfϊn- ZrO 2 according to
II 24 49 94II 24 49 94
C Ir(l,2%),La(5,0%) monokl- I 18 39 96 erfϊn- ZrO2 dungs- gemäßC Ir (l, 2%), La (5.0%) monoclonal I 18 39 96 erfϊn- ZrO 2 according to
II 24 81 94II 24 81 94
D Ir(2,4%),La(5,0%) monokl- I 18 51 96 erfϊn- ZrO2 dungs- gemäßD Ir (2.4%), La (5.0%) monoclonal I 18 51 96 erfϊn- ZrO 2 according to
II 24 94 80 monokl.-ZrO? = Zirkonoxid mit monokliner Kristallstruktur.II 24 94 80 monocl. ZrO? = Zirconium oxide with monoclinic crystal structure.
Die Werte aus Tabelle 2 belegen, dass eine Erhöhung der Iridium-Konzentration zu einer höheren Aktivität des Katalysators führt.. The values in Table 2 show that an increase in the iridium concentration leads to a higher activity of the catalyst.
Tabelle 3Table 3
Kat. Zusammensetzung Träger EinTOS Umsatz Selekt. stellung M [%] [%]Cat. Composition Carrier EinTOS Turnover Selekt. position M [%] [%]
E Ir(l,2%),La(5,0%) TiO2 I 18 O - nicht erfϊn- dungs- gemäßE Ir (l, 2%), La (5.0%) TiO 2 I 18 O - not according to the invention
II 24 3 89II 24 3 89
III 36 9 94III 36 9 94
C Ir(l,2%),La(5,0%) monokl- I 18 39 96 erfϊn- ZrO2 dungs- gemäßC Ir (l, 2%), La (5.0%) monoclonal I 18 39 96 erfϊn- ZrO 2 according to
II 24 81 94II 24 81 94
III 36 91 89III 36 91 89
F Ir(l,2%),La(5,0%) tetr.- I 18 16 94 erfϊn- La,Ce-F Ir (l, 2%), La (5.0%) tetr. I 18 16 94 erfϊn- La, Ce
ZrO2 dungs- gemäßZrO 2 according to
II 24 36 97II 24 36 97
III 36 43 95III 36 43 95
G Ir(l,2%),La(5,0%) tetr.-Ce- I 18 29 94 erfϊn- ZrO2 dungs- gemäßG Ir (l, 2%), La (5.0%) tetr.-Ce- I 18 29 94 erfϊn- ZrO 2 according to
II 24 73 95II 24 73 95
III 36 93 91III 36 93 91
H Ir(l,2%),La(5,0%) tetr.-Si- I 18 29 95 erfϊn- ZrO2 dungs- gemäßH Ir (l, 2%), La (5.0%) tetr. Si 18 29 95 erfrn ZrO 2 according to
II 24 76 92II 24 76 92
III 36 94 74 monokl.-ZrO2 = Zirkonoxid mit monokliner Kristallstruktur; tetr.-ZrO2 = Zirkonoxid mit tetragonaler KristallstrukturIII 36 94 74 monoclinic ZrO 2 = zirconium oxide with monoclinic crystal structure; tetr.-ZrO 2 = zirconium oxide with tetragonal crystal structure
Die in Tabelle 3 zusammengefassten Ergebnisse zeigen, dass neben Zirkonoxid mit monokliner Kristallstruktur auch Zirkonoxid mit tetragonale Kristallstruktur ohne merk- liehen Rückgang der Katalysatorperformance eingesetzt werden kann. Das beste Ergebnis wird mit einem mit Cer-stabilisierten Zirkonoxid erzielt. Dagegen zeigt der Katalysator mit Titanoxid als Träger eine sehr niedrige Aktivität. Die tetragonale Phase des Zirkonoxids wird durch Zugabe der Elemente Si, Ce und/oder La stabilisiert.The results summarized in Table 3 show that, in addition to zirconium oxide with a monoclinic crystal structure, it is also possible to use zirconium oxide with a tetragonal crystal structure without a noticeable decrease in catalyst performance. The best result is achieved with a cerium-stabilized zirconia. In contrast, the catalyst with titanium oxide as a carrier shows a very low activity. The tetragonal phase of the zirconia is stabilized by addition of the elements Si, Ce and / or La.
Tabelle 4Table 4
Kat. Zusammensetzung Träger Ein- TOS Um- Se- stellung [h] satz lekt. r%i r%iCat. Composition Carrier one TOS reposition [h] set lect. r% i r% i
J Ir(1, 2%) tetr.-La,Ce- I 18 6 94 erfϊn- Zr°2 dungs ge¬ mäßJ Ir (1, 2%) tetr. La, Ce- I 18 6 94 erfϊn- Zr ° 2 tion ¬ ge
II 24 24 95II 24 24 95
~F Ir(l,2%),La(5,0%) tetr.-La,Ce- ϊ Ϊ8 Ϊ6 94~ erfϊn- ZrO2 dungs ge¬ mäß ~ F Ir (l, 2%), La (5.0%) tetr.-La, Ce- ϊ Ϊ8 Ϊ6 94 ~ erfϊn- ZrO 2 tion ¬ geäß
II 24 36 97 tetr.-ZrO2 = Zirkonoxid mit tetragonaler Kristallstruktur II 24 36 97 tetr.-ZrO 2 = zirconium oxide with tetragonal crystal structure
Tabelle 5Table 5
Kat. Zusammensetzung Träger EinTOS UmSe- stellung M satz lekt.Cat. Composition Carrier OnTOS repaRt M ity lect.
[%] [%][%] [%]
L Ir(0,6%) monokl.-ZrO? 18 >99 nicht erfϊn- dungs ge¬ mäßL Ir (0.6%) monocl. ZrO? 18> 99 not erfϊn- tion ¬ ge
II 24 96II 24 96
M Ir(0,6%),Sr(2,2%) monokl.-Zrθ2 18 16 93 erfϊn- dungs ge¬ mäßM Ir (0.6%), Sr (2.2%) monoclinic ZrO 2 18 16 93 erfϊn- tion ¬ geäß
II 24 40 96II 24 40 96
N Ir(0,6%),La(3,5%) monokl.-ZrO? 18 20 93 erfϊn- dungs ge¬ mäßN Ir (0.6%), La (3.5%) monocl. ZrO? 18 20 93 erfϊn- tion ¬ geäß
II 24 29 95 monokl.-ZrO? = Zirkonoxid mit monokliner KristallstrukturII 24 29 95 monoclinic ZrO? = Zirconium oxide with monoclinic crystal structure
Aus den Werten in den Tabellen 4 und 5 geht hervor, dass durch Zugabe eines Promotors die Aktivität der Iridium-Katalysatoren bei gleich bleibender Selektivität deutlich erhöht werden kann. From the values in Tables 4 and 5, it can be seen that by adding a promoter, the activity of the iridium catalysts can be significantly increased while the selectivity remains the same.
Tabelle 6Table 6
Kat. Zusammensetzung Träger EinTOS UmSe- stellung M satz lekt.Cat. Composition Carrier OnTOS repaRt M ity lect.
[%] [%][%] [%]
O Ir(l,l%),Sr(3,0%) monokl.-Zrθ2 I 18 11 92 erfϊn- dungs ge¬ mäßO Ir (1, 1%), Sr (3.0%) monoclinic ZrO 2 I 18 11 92 erfϊn- tion ge ¬ according to
II 24 13 94II 24 13 94
P Ir(2,2%),Sr(3,0%) monokl.-Zrθ2 I 18 46 94 erfϊn- dungs ge¬ mäßP Ir (2.2%), Sr (3.0%) monoclinic ZrO 2 I 18 46 94 erfϊn- ge ¬ tion
II 24 93 86II 24 93 86
Q Ir(l,l%),La(5,0%) monokl.-Zrθ2 I 18 30 95 erfϊn- dungs ge¬ mäßQ Ir (l, l%), La (5.0%) monocl.-ZrO 2 I 18 30 95 erfϊn- tion ¬ ge
II 24 72 94II 24 72 94
R Ir(2,2%),La(5,0%) monokl.-Zrθ2 I 18 64 93 erfϊn- dungs ge¬ mäßR Ir (2.2%), La (5.0%) monocl.-ZrO 2 I 18 64 93 erfϊn- tion ¬ ge
II 24 99 74 monokl.-ZrCK = Zirkonoxid mit monokliner KristallstrukturII 24 99 74 monoclinic ZrCK = zirconium oxide with monoclinic crystal structure
Die in Tabelle 6 dargestellten Ergebnisse belegen, dass der Zusatz von 3,0 Gew.-% Strontium im Vergleich zum Zusatz von 5,0 Gew.-% Lanthan zu geringeren Katalysatoraktivitäten führt. The results shown in Table 6 demonstrate that the addition of 3.0 wt.% Strontium leads to lower catalyst activities compared to the addition of 5.0 wt.% Lanthanum.

Claims

Patentansprüche claims
1. Katalysator zur Umsetzung von Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von Wasserdampf umfassend1. Catalyst for reacting hydrocarbons in the presence of water vapor comprising
a) 0,1 bis 3,0 Gew.-% Ir, bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators, b) 0,1 bis 10,0 Gew.-% mindestens eines Promotors, bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators, und c) 87,0 bis 99,8 Gew.-% eines Trägers, bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators, enthaltend Zirkonoxid, das gegebenenfalls 0 bis 15 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Zirkonoxids, eines oder mehrere Elemente ausgewählt aus der Gruppe Si, Y, Ce und La enthält.a) 0.1 to 3.0% by weight of Ir, based on the total weight of the catalyst, b) 0.1 to 10.0% by weight of at least one promoter, based on the total weight of the catalyst, and c) 87 From 0 to 99.8% by weight of a support, based on the total weight of the catalyst, comprising zirconium oxide, optionally containing from 0 to 15% by weight, based on the weight of the zirconium oxide, of one or more elements selected from the group of Si, Contains Y, Ce and La.
2. Katalysator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Promotor aus der Gruppe umfassend Alkalimetalle, Erdalkalimetalle und Lanthaniden gewählt ist.2. A catalyst according to claim 1, characterized in that the promoter is selected from the group comprising alkali metals, alkaline earth metals and lanthanides.
3. Katalysator gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Promotor aus der Gruppe umfassend Cs, Ba, Sr, La, Ce, Pr, Nd und Eu gewählt ist.3. A catalyst according to claim 1 or 2, characterized in that the promoter is selected from the group comprising Cs, Ba, Sr, La, Ce, Pr, Nd and Eu.
4. Katalysator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Promotor als Oxid vorliegt.4. Catalyst according to one of claims 1 to 3, characterized in that the promoter is present as an oxide.
5. Katalysator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger gewählt ist aus der Gruppe umfassend Zirkonoxid mit monokliner5. Catalyst according to one of claims 1 to 4, characterized in that the carrier is selected from the group comprising zirconium oxide with monoclinic
Kristallstruktur, Zirkonoxid mit tetragonaler Kristallstruktur, Zirkonoxid mit gemischter Kristallstruktur und mit einem oder mehreren Elementen der Gruppe Si, La, Ce und Y stabilisierten Zirkonoxids mit tetragonaler Kristallstruktur.Crystal structure, tetragonal crystal structure zirconia, mixed crystal structure zirconia and tetragonal crystal structure stabilized zirconia with one or more elements of Si, La, Ce and Y group.
6. Katalysator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem oder mehreren Elementen der Gruppe Si, La, Ce und Y stabilisiertes Zirkonoxid mit tetragonaler Kristallstruktur als Träger eingesetzt wird.6. A catalyst according to any one of claims 1 to 5, characterized in that is used with one or more elements of the group Si, La, Ce and Y stabilized zirconia with tetragonal crystal structure as a carrier.
7. Katalysator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger einer BET-Oberfläche von mindestens 25 m2/g aufweist.7. A catalyst according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the carrier has a BET surface area of at least 25 m 2 / g.
8. Katalysator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger ein Porenvolumen von mindestens 0,1 ml/g aufweist. 8. A catalyst according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the carrier has a pore volume of at least 0.1 ml / g.
9. Verwendung eines Katalysators gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Umsetzung von Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von Wasserdampf.9. Use of a catalyst according to any one of claims 1 to 8 for the reaction of hydrocarbons in the presence of water vapor.
10. Verwendung eines Katalysators gemäß Anspruch 9 zur Dampfdealkylierung von Alkyl-substituierten aromatischen Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von Wasserdampf.10. Use of a catalyst according to claim 9 for Dampfdealkylierung of alkyl-substituted aromatic hydrocarbons in the presence of water vapor.
11. Verwendung eines Katalysators gemäß Anspruch 9 oder 10 zur Herstellung von Benzol durch Umsetzung von Alkyl-substituierten Benzolen in Gegenwart von11. Use of a catalyst according to claim 9 or 10 for the preparation of benzene by reacting alkyl-substituted benzenes in the presence of
Wasserdampf an einem Katalysator beschrieben in einem der Ansprüche 1 bis 8.Water vapor on a catalyst described in any one of claims 1 to 8.
12. Verwendung eines Katalysators gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzung autotherm durchgeführt wird. 12. Use of a catalyst according to one of claims 9 to 11, characterized in that the reaction is carried out autothermally.
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