DE1769998A1 - Vanadinpentoxid und Titandioxid enthaltende Traegerkatalysatoren - Google Patents
Vanadinpentoxid und Titandioxid enthaltende TraegerkatalysatorenInfo
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Description
Badische Anilin- & Soda-Pabrik AG πρήοηβ
Ί /69998
Unsere Zeichen: O.Z. 25 735 Mi/Pe Ludwigshafen/Rhein, den 19.8.1968
Vanadinpentoxid und Titandioxid enthaltende Trägerkatalysatoren
Die vorliegende Erfindung betrifft neue Vanadinpentoxid und
Titandioxid enthaltende Trägerkatalysatoren, die insbesondere für die Oxydation von aromatischen und ungesättigten aliphatischen
Kohlenwasserstoffen zu Carbonsäuren und Carbonsäureanhydriden geeignet sind.
Aus der französischen Patentschrift 1 480 078 sind Trägerkatalysatoren
bekannt, die aus einem inerten, nichtporösen Trägermaterial und einer darauf in dünner Schicht aufgebrachten aktiven
Katalysatormasse bestehen, welche Vanadinpentoxid und Titandioxid enthalten.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die Dauerbelastbarkeit
der bekannten Katalysatoren bei mindestens gleichbleibender Wirksamkeit und die Ausbeute am gewünschten Verfahrensprodukt
zu verbessern.
Es wurden nun Trägerkatalysatoren aus inerten, nichtpoiösen
Trägermaterialien und einer darauf in dünner Schicht aufge-
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brachten aktiven, Vanadinpentoxid und Titandioxid enthaltenden
Masse mit den gewünschten Eigenschaften gefunden, die dadurch gekennzeichnet sind, daß die aktive Masse im wesentlichen aus
einer Mischung von 1 bis 40, insbesondere 1 bis 15, Gewichtsteilen Vanadinpentoxid und 60 bis 99» insbesondere 85 bis 99,
Gewichtsteilen Titandioxid sowie aus 0,01 bis 10 Gew.-5t, bezogen
auf die Gesamtmenge des Vanadinpentoxids und des Titandioxids (= 100 56), einer Phosphorverbindung (berechnet ala
PO. ) besteht, wobei der Vanadinpentoxidgehalt in dem aus
Trägermaterial und aktiver Masse bestehenden Trägerkatalysator 0,05 bis 3 Gew.-# beträgt.
Zur Bereitung der aktiven Masse setzt man dieser feste oder flüssige Phosphorverbindungen zu. Zweckmäßigerweise verwendet
man Alkali- und Ammoniumphosphate, Erdalkaliphosphate, Aluminiumphosphat
oder auch die entsprechenden Meta- oder Pyrophosphate oder Ortho-, Meta- oder Pyrophosphorsäure oder Ester
der Phosphorsäure wie Triisobutylphosphat. Besonders vorteilhaft ist es, die Phosphorverbindung als Phosphorsäure oder in
Form von Phosphorverbindungen mit flüchtigen Kationen zu verwenden, um die im Vanadinpentoxid-Titandioxid-GemiBch enthaltenen
Sulfate, Chloride und dergleichen ebenfalls in Phosphate zu überführen, da besonders die Sulfate die Oxydationsreaktion
nachteilig beeinflussen. Im allgemeinen benötigt man etwa 0,01 bis 5,00, insbesondere 0,02 bis 2,5 Gew.-£, bezogen auf
die Menge der aktiven Masse (= 100 fi), an Phosphorverbindungen
(berechnet als PO- ).
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Die bevorzugte Modifikation des Titandioxids ist Anatas.
Als Trägermaterialien eignen sich nichtporöse inerte Stoffe, wie Quarz, Porzellan, Magnesiumoxid, Siliciumcarbid, Rutil,
Silikate, wie Aluminium-, Magnesium-, Zirkon- und Cersilikat oder Tonerde, und zwar jeweils in kristallinem, amorphem oder
gesintertem Zustand. Die Porosität der Trägermaterialien soll vorzugsweise einer inneren Oberfläche entsprechen, die nicht
größer ist als 3 m /g, insbesondere nicht größer als 0,5 m /g.
Besonders zweckmäßig ist es, das Trägermaterial in Form von Körnern, Kegeln, Pillen, Ringen und dergleichen, vor allem in
Form von Kugeln, zu verwenden, wobei die Kugeln einen Durchmesser von 4 bis 12 mm haben. Die Schichtdicke der aktiven
Masse auf dem Trägermaterial soll bevorzugt 0,01 bis 3,00 mm, insbesondere 0,02 bis 1 mm, betragen.
Neben den für die aktive Katalysatormasse erfindungswesentlichen Bestandteilen Vanadinpentoxid, Titandioxid und der Phosphorverbindung
kann diese in untergeordneten Mengen - etwa bis zu 15 Gew.-56 des Gehaltes an Vanadinpentoxid und Titandioxid
(= 100 56) - andere Stoffe enthalten, z. B. Verbindungen des Eisens, Nickels, Kobalts, Mangans, Zinns, Silbers, Kupfers,
Chroms, Molybdäns, Wolframs, Iridiums, Niobs, Arsens oder Antimons, vorzugsweise in Form der Oxide.
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Als weitere Zusätze besonders bevorzugt sind Lithium-, Zirkon-, Aluminium-, Ger- und Magnesiumverbindungen.
Geeignete Lithiumverbindungen sind neben Lithiumoxid u. a. Lithiumhydroxid, die Lithiumhalogenide, Lithiumcarbonat,
Lithiumsulfat, Lithiumnitrat, Lithiumphosphate, Lithiumformiat,
Lithiumacetat und Lithiumoxalat oder Mischungen dieser Verbindungen.
Der Gehalt an Lithiumverbindungen soll hierbei 10 Gew.-$ (als Li2O), bezogen auf die Menge des Vanadinpentoxid-Titandioxid-Gemisches,
nicht übersteigen.
Als Zirkonverbindungen kommen neben Zirkondioxid z. B. die
Zirkonhalogenide, die Zirkonoxyhalogenide, Zirkonsulfat, Zirkonformiat,
Zirkonoxalat und Zirkonacetat in Betracht.
Die Aluminiumverbindung kann man als Aluminiumoxid, als welches sie im Katalysator später vorliegt, oder als Hydroxid,
Nitrat, Carbonat, Oxalat oder Acetat in die Katalysatormasse einführen.
Aufgrund der Lehre der vorliegenden Erfindung empfiehlt es sich·
weiterhin, die genannten zusätzlichen Katalysatorbestandteile als Phosphate einzusetzen.
Zur Herstellung der Trägerkatalysatoren kann man sich verschiedener,
an sich bekannter Verfahren bedienen, etwa indem man
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eine wässrige, gegebenenfalls mit Verdickungsmittel^ wie Alginaten
oder Polyacrylaten, versehene Suspension der Komponenten für die aktive Masse auf das Trägermaterial aufbringt,
z. B. durch inniges Vermischen in einer Dragiertrommel bei 150 bis 500 0G, vorzugsweise 250 bis 500 0C. Hierbei läßt sich
die Benetzbarkeit des Trägermaterials häufig erhöhen, wenn die Suspension noch organische wasserlösliche Flüssigkeiten, wie
Alkohole oder Dimethylformamid, enthält. Ferner kann die Haftfestigkeit zwischen aktiver Katalysatormasse und Trägermaterial
verbessert werden, wenn man letzteres anätzt, z. B. mit Flußsäure oder Fluorwasserstoff abgebenden Verbindungen
wie Ammoniumfluorid. Auch Zusätze von Harnstoff, Thioharnstoff oder Ammonrhodanid zur aufzubringenden aktiven Masse üben einen
günstigen Effekt auf die Haftfestigkeit der aktiven Masse auf dem Trägermaterial aus.
Zur Darstellung der aktiven Masse ist es nicht erforderlich,
von Vanadinpentoxid oder Titandioxid auszugehen. Vielmehr kann man hierzu die entsprechende Menge eines Salzes, z. B. des
Oxalates, verwenden und das Vanadinpentoxid bzw. Titandioxid alsdann im beschichteten Trägermaterial durch Luftoxydation
bei Temperaturen von 350 bis 600 0C, insbesondere bis 550 0O,
hieraus entwickeln.
Eine andere Möglichkeit, das Trägermaterial mit der aktiven Masse zu versehen, besteht darin, deren Bestandteile bei 150-
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500 C aus der Schmelze einer organischen Substanz, z. B.
Ammonrhodanid, in einer Dragiertrommel auf das Trägermaterial aufzubringen und den Katalysator sodann im Luftstrom zu erhitzen,
wobei die organische Substanz sich verflüchtigt oder verbrennt und wobei gegebenenfalls das Vanadinpentoxid und das
Titandioxid entwickelt wird, sofern man von anderen Verbindungen des Vanadins oder Titans als den Oxiden ausgegangen ist.
Die erfindungsgemäßen Trägerkatalysatoren eignen sich für die Beschleunigung und Lenkung von organischen Oxydationsreaktionen,
vor allem für die Oxydation von aromatischen oder ungesättigten aliphatischen Kohlenwasserstoffen zu Dicarbonsäuren und Dicarbonsäureanhydriden.
Besondere großtechnische Bedeutung haben diese Katalysatoren für die Herstellung von Phthalsäureanhydrid
aus Naphthalin oder o-Xylol sowie ferner für die Herstellung von Maleinsäureanhydrid aus Benzol, Butenen oder Butadien oder
für die Herstellung von Pyromellithsäureanhydrid aus Durol.
Die Durchführung der Oxydationsreaktionen kann in üblicher Weise wie bei Verwendung herkömmlicher Katalysatoren erfolgen,
also durch Überleiten eines gasförmigen Gemisches aus dem zu oxydierenden Kohlenwasserstoff und Sauerstoff oder Sauerstoff
enthaltenden Gasen, wie Luft, über den Trägerkatalysator, vorteilhaft im Röhrenofen, bei normalem oder erhöhtem Druck und
bei Temperaturen des Wärmeaustauschmediums zwischen 350 und 450 0C. Die Katalysatoren können auch im Wirbelbett verwendet
werden.
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Die erfindutigsgemäßen Katalysatoren sind besonders langlebig und ohne Wirkungseinbuße für Dauerbelastung geeignet.
Man besprüht 2 500 g Magnesiumsilikatkugeln von 6 mm Durchmesser in einer auf 300 0O erhitzten Dragiertrommel mit 400 g
einer wässrigen Suspension, die aus Wasser, 42,5 g Formamid, 18,7 g Oxalsäure, 8,5 g Vanadinpentoxid, 133 g Anatas und 1 g
Ammoniumdihydrogenphosphat (entspricht 0,82 g PO. ) hergestellt
wurde. Der Anteil der aktiven Masse im Trägerkatalysator beträgt 4,0 Gew.-Jt>
und der Anteil des Vanadinpentoxids etwa 6 Gew.-56. Der Ehosphatgehalt beträgt rund 0,56 Gew.-?6 des Gehaltes
an Vanadinpentoxid und Titandioxid und die mittlere Schichtdicke der Katalysatormasse auf den Kugeln beträgt ungefähr
0,05 mm.
Nach dem Dragieren wurde dieser Trägerkatalysator 1 Stunde lang im Luftstrom auf 450 0C erhitzt, wonach er gebrauchsfertig war.
Der folgende Versuch veranschaulicht die Aktivität dieses Träge ikatalysa tors :
Durch ein mit dem Trägerkatalysator dicht beschicktes Rohr von 25 mm Durchmesser und 3 m Länge leitet man stündlich bei einer
SaIzbadtemperatür von 385 0C ein Gemisch aus 5 100 1 Luft und
204 g dampfförmigem o-Xylol von 95 $iger !Reinheit.
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Hieraus erhält man Phthalsäureanhydrid und Maleinsäureanhydrid im Gewichtsverhältnis 1 : 0,035» und zwar in einer Gewichtsausbeute, auf die Menge von reinem o-Xylol (= 100 ?6) berechnet,
von 112,0 i». Das Produkt enthält nur 0,01 i» Phthalid und feeigt
eine besonders gute Farb-Hitzestabilität.
Ein auch nur geringfügiges oder vorübergehendes Nachlassen der
Wirksamkeit des Katalysators wurde während der Versuchsdauer
von 6 Monaten nicht beobachtet. Ohne den erfindungsgemäßen
Phosphatzusatz im Katalysator benötigt man eine Salzbadtemperatur
von 405 C, um die gleiche Ausbeute und ReinJieit zu eiv
halten.
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Claims (5)
1. Trägerkatalysatoren für Oxydationsreaktionen aus inerten, nichtporösen Trägermaterialien und einer darauf in dünner
Schicht aufgebrachten aktiven, Vanadinpentoxid und Titandioxid
enthaltenden Masse, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Masse im wesentlichen aus einer Mischung aus 1 bis 40
Gewichtsteilen Vanadinpentoxid und 60 bis 99 Gewichtsteilen
Titandioxid sowie aus 0,01 bis 10 Gew.-^, bezogen auf die
Gesamtmenge des Vanadinpentoxids (= 100 #), einer Phosphorverbindung
(berechnet als PO. ' besteht, wobei der "Vanadinpentoxidgehalt
in dem aus Trägermaterial und aktiver Masse bestehenden Trägerkatalysator 0,05 bis 3 Gew.-^ beträgt.
2. Trägerkatalysatoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Phosphorverbindung als freie Säure oder als Phosphat mit flüchtigem Kation zu der aktiven Katalysatormasse zugesetzt
werden.
3. Trägerkatalysatoren nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet,
daß als Titandioxidmodifikation Anatas verwendet wird.
4. Trägerkatalysatoren nach den Ansprüchen 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet,
daß das Trägermaterial die Form von Kugeln mit 4 bis 12 mm Durchmesser hat.
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5. Trägerkatalysatoren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß diese bis zu 10 $>, bezogen auf die Menge
des Vanadinpentoxid-Titandioxid-Gemisches, Lithiumoxid und/
oder bis zu 15 # Zirkondioxid und/oder Aluminiumoxid enthalten.
Badische Anilin- & Soda-Fabrik AG
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