DE60214774T2 - Regenerierung von trägerkatalysatoren für die hydrierung von kohlenstoffmonoxid - Google Patents

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Description

  • Diese Erfindung betrifft die Regenerierung eines trägergestützten Metallkatalysators, insbesondere eines Kobaltkatalysators, der zur Herstellung höherer Kohlenwasserstoffe aus Synthesegas verwendet wird.
  • Verwandte Anmeldungen
  • Varianten eines Verfahrens zum Aktivieren eines trägergestützten Fischer-Tropsch-Katalysators oder zum Regenerieren eines gebrauchten trägergestützten Fischer-Tropsch-Katalysators, das die Regenerierungsstufen des vorliegenden Patents umfasst, sind auch der Gegenstand der Anmeldungen WO-A-03 068396 (EP-A-1 480 743) und WO-A-03 064356 (EP-A-1 478 612) der Anmelder, die beide dasselbe Prioritätsdatum wie die vorliegende Anmeldung beanspruchen. Ein ähnliches Verfahren ist auch in der WO-A-03 064040 (EP-A-1 480 745) beschrieben, die auch dasselbe Prioritätsdatum hat.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Umwandlung von Synthesegas, d. h. Kohlenmonoxid und Wasserstoff, zu höherwertigen Produkten ist wohl bekannt und wird seit vielen Jahren kommerziell verwendet. Zu typischen Verfahren gehören beispielsweise Methanolsynthesen, Synthese von höheren Alkoholen, Hydroformylierung und Fischer-Tropsch-Synthese. Die Synthesegasmischung wird mit einem geeigneten Katalysator kontaktiert, der typischerweise mindestens ein Gruppe VIII-Metall umfasst. Geeignete Fischer-Tropsch-Katalysatoren umfassen ein oder mehrere katalytische Gruppe VIII-Metalle, wie Eisen, Kobalt und Nickel. Für die Oxygenatsynthese kann auch Kupfer enthalten sein.
  • Es gibt viele Varianten der Formulierung und Herstellung von Katalysatoren, die für die Umwandlung von Synthesegas brauchbar sind. Die Katalysatoren werden allgemein in zwei allgemeine Typen klassifiziert, trägerlose Metalle, die als dispergierte aktive Metalle (Dispersed Active Metals, DAM) bekannt sind, und eine größere Gruppe von Katalysatormetallen, die auf hitzebeständigen Oxiden geträgert sind, wie Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Titandioxid oder Mischungen davon. Solche Katalysatoren, ob sie nun trägergestützt sind oder trägerlos, können durch die Zugabe anderer Metalle oder Metalloxide, die als Promotormetalle bekannt sind, verstärkt werden.
  • Träger für Katalysatormetalle sind allgemein pillierte, pelletierte, perlierte, extrudierte, sprühgetrocknete oder gesiebte Materialien. In der Literatur ist über viele Methoden zur Herstellung trägergestützter Katalysatormetalle berichtet worden. Zu Beispielen für diese Techniken gehören Imprägnierungsweise nach der Verfahrensweise der anfänglichen Feuchte, Aufschlämmungsimprägnierung, Mitfällung (Copräzipitation) und dergleichen. Es ist klar, dass hohe Metallbeladungen allgemein durch Mitfällung oder mehrere, d. h. zwei oder drei, Imprägnierungen erhalten werden, während Katalysatoren mit niedriger Metallbeladung unter Verwendung einer einzigen Imprägnierung hergestellt werden können. Der Katalysatormetallgehalt dieser Katalysatoren kann von einem bis fünfzig Gewichtsprozent variieren. Während der Imprägnierstufen können Promotormetalle oder -metalloxide unter Verwendung von löslichen Salzen der jeweiligen Metalle zugefügt werden, wie Pt, Pd, Rh, Ru, Os, Ir, Mo, W, Cu, Si, Cr, Ti, Mg, Mn, Zr, Hf, Al, Th und dergleichen. Es ist ferner klar, dass die Auswahl einer speziellen Metallkombination und ihrer zu verwendenden Menge von der speziellen Anwendung abhängt, die bei der Umwandlung von Synthesegas verwendet wird. Wenn ein geeigneter Träger mit einem oder mehreren Metallen imprägniert worden ist, wie durch Imprägnierung unter Bildung eines Katalysatorvorläufers, kann er getrocknet und danach in einer sauerstoffhaltigen Umgebung calciniert werden. Der Vorläufer wird danach durch Reduktion bei erhöhter Temperatur in Gegenwart eines reduzierenden Gases aktiviert, das typischerweise Wasserstoff enthält. Der Katalysator wird gegebenenfalls aktiviert, indem er in Gegenwart von flüssigen Kohlenwasserstoffen mit Wasserstoffgas kontaktiert wird, wie in der US-A-5 292 705 offenbart wird.
  • Unabhängig von der speziellen Formulierung und dem Herstellungsverfahren verlieren alle Katalysatoren bei Gebrauch an Produktivität und/oder Selektivität. Die Selektivität kann mit der speziellen Synthese variieren, wird allgemein jedoch in Form des Prozentsatzes einer unerwünschten Substanz in der Produktmischung angegeben. Methanselektivität in einer Fischer-Tropsch-Reaktion ist beispielsweise der Prozentsatz Methan, der mit den gewünschten höheren Kohlenwasserstoffen gebildet wird. Die Verschlechterung der Katalysatorproduktivität kann auf eine Reihe von Phänomenen zurückgeführt werden, zu denen, ohne Einschränkung, die Verunreinigung durch Katalysatorgifte, Abscheidung kohlenstoffhaltiger oder kohlenstoffartiger Rückstände, Sintern, Phasenübergang des Metalls oder der Metalle und dergleichen gehört. Die US-A-5 283 216 offenbart ein Verfahren zum Wiederauffrischen eines Kohlenwasserstoffsynthesekatalysators, der reversibler, partieller Deaktivierung in einem Aufschlämmungssyntheseverfahren unterzogen worden ist, indem der Katalysator bei erhöhten Temperaturen in Gegenwart von flüssigen Kohlenwasserstoffen mit Wasserstoff kontaktiert wird. Es sind jedoch nicht alle deaktivierten Katalysatoren auffrischbar. Es ist kommerziell bedeutsam, die Nutzungszeit eines gebrauchten Katalysators durch verschiedene Behandlungsverfahren zu verlängern, beispielsweise durch Regenerierung.
  • In der Literatur sind verschiedene Katalysatorregenerierungsverfahren beschrieben worden. Diese Techniken basieren in der Regel auf Kontaktieren des gebrauchten Katalysators bei erhöhter Temperatur mit einem sauerstoffhaltigen Gas und/oder Wasserdampf. Diese Behandlung kann verwendet werden, um kohlenstoffhaltige oder kohlenstoffartige Ablagerungen und Gifte zu entfernen und zusätzlich das Metall in sein entsprechendes Oxid oder seine entsprechenden Oxide zu überführen. Der regenerierte Katalysator wird danach durch Reduktion mit einem wasserstoffhaltigen Gas bei erhöhten Temperaturen reaktiviert. Eine derartige Behandlung ist beispielsweise in der US-A-4 399 234 beschrieben.
  • Die US-A-2 369 956 offenbart ein Verfahren zum Regenerieren eines Fischer-Tropsch-Katalysators, bei dem der Katalysator gelöst und anschließend durch erneutes Ausfällen der katalytischen Metalle wiederhergestellt wird. Es wurde jedoch darauf hingewiesen, dass in der Kontaktsubstanz Ablagerungen verblieben, die die Schwierigkeit des Wiederherstellens des Katalysators deutlich erhöhten. Ein Beispiel für solche Substanzen sind die Paraffine mit hohem Molekulargewicht von dem gebrauchten Katalysator, die das Filtrieren des durch Auflösung des Katalysators mit Säure produzierten Metallsalzes erschweren. Da diese Materialien die Reinigung des Salzes erschweren, wird in der Patentschrift gelehrt, dass Kohlenwasserstoffablagerungen auf dem Katalysator zuerst durch Behandlung mit strömendem Wasserstoff bei erhöhten Temperaturen entfernt werden müssen. Das Verfahren der Auflösung und erneuten Ausfällung kann danach durchgeführt werden. Es wird in der Patentschrift auch gelehrt, dass das pyrophore Verhalten des behandelten Katalysators durch Behandlung mit Wasserdampf vor der Auflösung mit starker Säure abgeschwächt werden kann. In der Patentschrift wurde jedoch nichts in Bezug auf die Effizienz des offenbarten Verfahrens oder den Effekt der Einwirkung von starker Säure auf einen Katalysatorträger offenbart, wie er oben beschrieben ist.
  • Die US-A-3 256 205 offenbart ein Verfahren zur Katalysatorregenerierung durch Behandlung mit einer starken Säure bis zu dem Punkt der anfänglichen Feuchte des Katalysators vor der Entfernung kohlenstoffhaltiger oder kohlenstoffartiger Ablagerungen, die sich während des Katalysezyklus angesammelt haben. Es wird spezifisch konstatiert, dass die Entfernung der kohlenstoffhaltigen oder kohlenstoffartigen Ablagerungen schädlich ist, da der Katalysatorträger durch Kontakt mit der verwendeten starken Säure beschädigt wird. Es wird konstatiert, dass geeignete Säuren eine Dissoziationskonstante größer als 10–2 haben und dem Katalysator in einer Menge zugefügt werden, die von dem 0,5-fachen der Stöchiometrie bis zu der Stöchiometrie variiert, die zur Bildung der Salze der in dem Katalysator vorhandenen Metalle erforderlich ist.
  • Khodakov et al. lehren in einer Druckschrift in Oil & Gas Science and Technology Rev. IFP, 54, 525 (1999), dass das Kontaktieren eines reduzierten Kobaltkatalysators mit Wasser und anschließendes Trocknen und Calcinieren in Luft zur Bildung kleinerer Kobaltoxidkristallite im Vergleich zu jenen führt, die durch Zersetzung der anfänglichen Kobaltsalze gebildet worden wären. Es gibt weder Lehre noch Vorschläge, dass die offenbarte Methodik irgendeine Anwendung auf die Katalysatorregenerierung haben könnte.
  • Aus der vorhergehenden Diskussion geht hervor, dass es in der Technik keine eindeutige Anregung gibt, irgendeine spezielle Methodik einzusetzen, um zu versuchen, das Verfahren der Katalysatorregeneration zu verbessern. In der Tat scheinen sich die beiden oben erörterten Patentschriften gegenseitig zu negieren, da die erste lehrt, dass es notwendig ist, die kohlenstoffhaltigen oder kohlenstoffartigen Ablagerungen vor der Behandlung mit Säure von dem Katalysator zu entfernen, während die zweite lehrt, dass die kohlenstoffhaltigen oder kohlenstoffartigen Ablagerungen notwendig sind, um zu verhindern, dass die Säure die Trägerstruktur angreift. Es muss auch berücksichtigt werden, dass es allgemein nicht möglich ist, ein Lösungsmittel auf wässriger Basis auf einem Katalysator zu verwenden, der wachsartige Kohlenwasserstoffablagerung enthält, weil sie hydrophob ist, wie typischerweise mit Fischer-Tropsch-Katalysatoren beobachtet wird. Es scheint somit so zu sein, dass das Verfahren des zweiten Patents sich auf einen Fischer-Tropsch-Katalysator nicht anwenden lässt, da ein Charakteristikum des Verfahrens darin liegt, dass die Poren des gebrauchten Katalysators mit Wachs gefüllt sind, das gutes Benetzen durch wässrige Behandlungslösungen verhindert.
  • Bei Hydroverarbeitungs- und Oxidationskatalysatoren werden kohlenstoffhaltige oder kohlenstoffartige Ablagerungen typischerweise durch Calcinierung mit sauerstoffhaltigem Gas bei erhöhten Temperaturen entfernt. Bei solchen Behandlungen wird die metallhaltige aktive Phase des Katalysators in Oxide umgewandelt. Zur weiteren Verbesserung der katalytischen Aktivität werden kontaminierende Metalle dann durch Behandlung mit basischer Lösung entfernt, insbesondere mit einer, die Ammoniumcarbonat oder Natriumcyanid enthält. Solche Behandlungen werden beispielsweise in der US-A-4 795 726 und der deutschen Patentschrift DE 43 02 992 veranschaulicht.
  • Das Modifizieren von Hydroverarbeitungskatalysatoren wird beispielsweise in der US-A-5 438 028 gelehrt, wobei ein fertiger Katalysator durch die Zugabe eines Modifizierungsmittels in Lösung verbessert wird, anschließend wird der Katalysator getrocknet und gegebenenfalls auf eine Temperatur von 120°C bis etwa 1000°C erwärmt. Das Verfahren schließt keine am Ende erfolgende Reduktionsstufe ein, um den Katalysator zu reaktivieren. Die in Spalte drei offenbarten Modifizierungsmittel sind, mit Ausnahme von Bor, das kein metallisches Element ist, alle bekannte Gifte für Fischer-Tropsch-Katalysatoren. Die US-A-5 389 502 offenbart die Anwendung desselben Verfahrens zur Verbesserung eines Hydroverarbeitungskatalysators, der durch eine oxidative Behandlung regeneriert worden ist. Die Aufbringung des Modifizierungsmittels auf die Oberfläche des Katalysators kann bis zu dem Punkt der beginnenden Feuchte durchgeführt werden. In beiden dieser Patente ist das bevorzugte Modifizierungsmittel Bor.
  • Die US-A-6 201 030 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regenerieren eines teilchenförmigen Katalysators während des Betriebs eines Reaktors. Das Verfahren besteht darin, einen teilweise verbrauchten Katalysator als Aufschlämmung aus einem Reaktor in ein oder zwei Regenerationsstationen, die parallel betrieben werden, abzuziehen, die Aufschlämmung mit Wasserstoff zu behandeln und sie in den Reaktor zurückzuführen. Die beiden Regenerationsstationen werden alternierend im phasenversetzten Betrieb eingesetzt, wodurch kontinuierliches Abziehen und Zurückführen der Aufschlämmung ohne wesentliche Änderung des Flüssigkeitspegels in dem Reaktor erleichtert wird. Das offenbarte Verfahren ist letztendlich kein Mittel zum Regenerieren von schwer deaktiviertem Katalysator oder zum Verbessern der Zuverlässigkeit des Verfahrens, beispielsweise durch Entfernen von Feinteilchen, die sich in der turbulenten Umgebung des Reaktors gebildet haben können.
  • Es ist allgemein bekannt, dass der wirtschaftliche Wert eines gegebenen Katalysators eine Funktion seiner ur sprünglichen Kosten, seiner Aktivität, seiner Regenerierbarkeit und seines Werts als gebrauchter Katalysator ist, z. B. zur Metallrückgewinnung. Aus der vorhergehenden Erörterung geht hervor, dass es im Verlauf vieler Jahre erhebliche Anstrengungen gegeben hat, den wirtschaftlichen Wert von Katalysatoren zu verbessern, da ein Verfahren, das effektiv den Wert eines Katalysators erhöht und/oder seine Gebrauchszeit verlängert, bevor er durch konventionelle Metallrückgewinnung entsorgt werden muss, den Wert jenes Katalysators deutlich verbessert. Effektive Katalysatorregeneration unter gleichzeitigem Erhalt der Zuverlässigkeit des Verfahrens erfordert die Verwendung einer speziellen Vorrichtung oder Kombinationen spezieller Vorrichtungsteile in Kombination mit speziellen Behandlungstechniken. Solche Verfahrenstechniken und Vorrichtungen zu ihrer Durchführung werden gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird eine erhebliche Verbesserung bei der katalytischen Hydrierung von Kohlenmonoxid bereitgestellt, um eine Mischung von Kohlenwasserstoffen zu bilden, wobei der Katalysator ein trägergestützter Fischer-Tropsch-Metallkatalysator ist. Die Nutzungsdauer derartiger Katalysatoren wird nach einem Verfahren zur Behandlung von gebrauchtem Katalysator verlängert, bei dem sein Kohlenwasserstoffgehalt verringert wird, in Gegenwart einer nicht-oxidierenden Atmosphäre mit einer Lösung von einer oder mehreren schwachen organischen Säuren imprägniert wird, in Gegenwart der Imprägnierlösung bei niedrigen Temperaturen oxidiert wird und ein aktiver Katalysator gebildet wird, indem mit wasserstoffhaltigem Gas bei erhöhten Temperaturen reduziert wird.
  • Der Katalysator wird gegebenenfalls vor der Aktivierung in Gegenwart von Oxidationsmittel enthaltendem Gas calciniert. Der aktivierte Katalysator kann auch passiviert werden. Der Katalysator kann außerdem zuerst reduziert werden, wie durch Behandlung mit wasserstoffhaltigem Gas vor der oben beschriebenen Imprägnierungsstufe. Die Reduktion ist vorteilhaft, um bestimmte Verunreinigungen zu beseitigen und die Menge an Katalysatormetall in dem niedrigsten Oxidationszustand oder einem solchen von Null zu maximieren. Die Reduktion kann vorteilhaft gleichzeitig mit der Reduktion der Kohlenwasserstoffe durchgeführt werden, da Behandlung mit einem wasserstoffhaltigen Gas eine Technik zur Herabsetzung des Kohlenwasserstoffgehalts, d. h. zur Entparaffinierung, des Katalysators ist.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Trägergestützte Metallkatalysatoren, die im Wesentlichen reduzierten Metallen entsprechen, die nach einer der bereits erörterten bekannten Techniken auf einer geeigneten Trägerstruktur, typischerweise einem hitzebeständigen anorganischen Oxid wie Titandioxid, Siliciumdioxid, Siliciumdioxid-Aluminiumoxid, Aluminiumoxid und dergleichen gebildet wurden, werden in einem breiten Anwendungsbereich verwendet, wie Hydrierung von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid. Titandioxid ist ein bevorzugtes Trägermaterial für die erfindungsgemäß behandelten Katalysatormetallsubstrate. Hochfahrverfahren für derartige Reaktionen, die spezielle Aktivierungssequenzen beinhalten können, hängen in hohem Maße von der katalytischen Reaktion, dem Verfahrensdesign und insbesondere dem Reaktionsgefäßdesign und der Konfiguration ab. Der Aufschlämmungsblasensäulenreaktor ist ein bevorzugtes Gefäß zur Durchführung von Kohlenmonoxidhydrierreaktionen. Die Verwendung von Aufschlämmungs-Blasensäulen für die CO-Hydrierung ist in Kombina tion mit dem erfindungsgemäßen Katalysatorregenerierungsverfahren besonders zweckmäßig. In derartigen Reaktoren wird der Festphasenkatalysator in einer flüssigen Kohlenwasserstoffphase durch eine Gasphase dispergiert oder in Suspension gehalten, welche kontinuierlich durch die flüssige Phase perlt. Trägergestützte Katalysatoren, die für solche Anwendungen brauchbar sind, enthalten mindestens 5 Gew.- %, vorzugsweise 10 bis 50 Gew.- % des Katalysatormetalls in der reduzierten metallischen Form. Der Katalysator umfasst ein oder mehrere von Co, Ni, Cu, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Re und Pt.
  • In der Kohlenmonoxidhydrierreaktion wird Syngas, das eine Mischung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid umfasst, mit dem Katalysator kontaktiert, wodurch es unter gleichgewichtsverschiebenden oder nicht-gleichgewichtsverschiebenden Bedingungen, vorzugsweise letzteren, unter denen wenig oder keine Konvertierungsgleichgewichtseinstellung stattfindet, in flüssige und gasförmige Produkte, vorzugsweise flüssige C10+-Kohlenwasserstoffe umgewandelt wird. Dieses Kohlenwasserstoffsynthese-(hydrocarbon synthesis, "HCS")-Verfahren wird allgemein bei Temperaturen von 160°C bis 260°C, Drücken von 1,013 bis 101,3 bar (1 atm bis 100 atm), vorzugsweise 10,13 bis 40,52 bar (10 atm bis 40 atm) und Gasdurchsätzen von 100 V/h/V bis 40.000 V/h/V, vorzugsweise 1000 V/h/V bis 15.000 V/h/V durchgeführt. Der Ausdruck "V/h/V" steht für die Standardvolumina von gasförmigen Kohlenmonoxid- und Wasserstoffmischungen bei 25°C und 1,013 bar (1 atm) pro Stunde pro Katalysatorvolumen. Das Molverhältnis von Wasserstoff zu Kohlenmonoxid in dem Syngaseinsatzmaterial beträgt für die Produktion höherer Kohlenwasserstoffe 2,1:1. Dieses Verhältnis kann von 1:1 bis 4:1 variieren und ist vorzugsweise 1,8:1 bis 2,2:1. Diese Reaktionsbedingungen sind wohlbekannt, und ein spezieller Satz von Reaktionsbedingungen kann aus den hier an gegebenen Parametern leicht bestimmt werden. Die in dem Verfahren gebildeten kohlenwasserstoffhaltigen Produkte sind im Wesentlichen frei von schwefel- und stickstoffhaltigen Verunreinigungen.
  • Die nach dem oben beschriebenen Verfahren produzierten Kohlenwasserstoffe werden in der Regel zu wertvolleren Produkten veredelt, indem alle oder ein Teil der C5+-Kohlenwasserstoffe Fraktionierung und/oder Umwandlung unterzogen werden. Mit "Umwandlung" sind ein oder mehrere Verfahrensschritte gemeint, in denen die Molekülstruktur von mindestens einem Teil des Kohlenwasserstoffs verändert wird, und schließt sowohl nicht-katalytische Verarbeitung, z. B. Dampfcracken, als auch katalytische Verarbeitung, z. B. katalytisches Cracken, ein, wobei der Teil oder die Fraktion mit einem geeigneten Katalysator kontaktiert wird. Wenn Wasserstoff als Reaktant vorhanden ist, werden solche Verfahrensstufen in der Regel als Hydroumwandlung und verschiedentlich als Hydroisomerisierung, Hydrocracken, Hydroentparaffinieren, Hydroraffinieren und dergleichen bezeichnet. Schärferes Hydroraffinieren wird in der Regel als Hydrotreating bezeichnet. Diese Reaktionen werden unter Bedingungen durchgeführt, die in der Literatur für die Hydroumwandlung von Kohlenwasserstoffeinsatzmaterialien gut dokumentiert sind, einschließlich paraffinreicher Kohlenwasserstoffeinsatzmaterialien. Veranschaulichende, jedoch nichteinschränkende Beispiele für wertvollere Produkte aus solchen Einsatzmaterialien durch diese Verfahren schließen synthetisches Rohöl, flüssigen Brennstoff, Emulsionen, gereinigte Olefine, Lösungsmittel, Monomere oder Polymere, Schmieröle, medizinische Öle, wachsartige oder wachshaltige Kohlenwasserstoffe, verschiedene stickstoff- oder sauerstoffhaltige Produkte und dergleichen ein. Zu Beispielen für flüssigen Brennstoffe gehören Benzin, Dieselkraftstoff und Düsentreibstoff, während Schmieröl Automobilöl, Jetöl, Turbinenöl und dergleichen einschließt. Industrieöle schließen Brunnenbohrflüssigkeiten, Landwirtschaftöle, Wärmeübertragungsflüssigkeiten und dergleichen ein.
  • Das bei der Kohlenmonoxidhydrierung verwendete Syngas kann nach verschiedenen Mitteln gebildet werden, die Durchschnittsfachleuten bekannt sind, wie in einer Wirbelbett-Syngaserzeugungsanlage, die beispielsweise in der US-A-4 888 131 und der US-A-5 160 456 offenbart ist. Unabhängig von der Quelle enthält Syngas in der Regel chemische Spezies wie Cyanwasserstoff, die mit der Zeit zu Deaktivierung des Katalysators führen. Andere deaktivierende chemische Spezies können während des Kohlenmonoxidhydrierverfahrens selbst gebildet werden. Es ist allgemein bekannt, dass die Deaktivierung durch diese Verunreinigungen durch Behandlung mit Wasserstoff rückgängig gemacht werden kann, wodurch der Katalysator erneuert wird. Bestimmte andere Ursachen der Katalysatordeaktivierung, die nicht durch Wasserstoffbehandlung erneuert werden können, werden oft durch Wasserdampfbehandlung und/oder Calcinierung in Luft angesprochen, wobei solche Behandlungen bei hohen Temperaturen durchgeführt werden.
  • Unabhängig von der speziellen Formulierung, dem speziellen Herstellungsverfahren, der Morphologie und Größe der Katalysatoren verlieren alle Katalysatoren bei Gebrauch an Produktivität und/oder Selektivität. Die Selektivität kann mit der speziellen Synthese variieren, wird allgemein jedoch in Form der Prozent einer unerwünschten Substanz in der Produktmischung angegeben. Methan ist beispielsweise eine unerwünschte Substanz in der Fischer-Tropsch-Produktmischung, da das Ziel des Verfahrens die Bildung von Kohlenwasserstoffen mit höherem Molekulargewicht ist. Ein Verfahren, um den Wert eines Katalysators auszudrücken, ist somit seine Methanselektivität, d. h. die Menge an unerwünschtem Methan in der Reaktormischung.
  • Die Verschlechterung der Katalysatorproduktivität kann auf eine Reihe von Phänomenen zurückgeführt werden, zu denen die Verunreinigung durch Katalysatorgifte, Abscheidung kohlenstoffhaltiger oder kohlenstoffartiger Rückstände, Sintern, Phasenübergang des Metalls oder der Metalle in dem Katalysator und dergleichen gehört. Abrieb des Katalysatorteilchenmaterials kann auch vorkommen und wegen der Anreicherung von Feinteilchen, typischerweise mit weniger als 10 μm Größe, zu Betriebsproblemen in Aufschlämmungsreaktoren führen. Es ist kommerziell wichtig, die Zuverlässigkeit des Verfahrensbetriebs zu verbessern und die Nutzungszeit eines gegebenen Katalysators, bevor er entsorgt werden muss, zu verlängern, beispielsweise durch Regenerierung.
  • Erfindungsgemäß wird das HCS-Verfahren durch ein Verfahren verbessert, nach dem die Nutzungsdauer eines gebrauchten trägergestützten Fischer-Tropsch-Katalysators durch Regenerierung wesentlich verlängert wird. Mit gebraucht ist ein Katalysator gemeint, der Verfahrensbedingungen für die Hydrierung von Kohlenmonoxid ausgesetzt worden ist. Der Katalysator wird zuerst zur Herabsetzung seines Kohlenwasserstoffgehalts behandelt. Diese Verarbeitungsstufe wird oft als "Katalysatorentparaffinierung" bezeichnet. Dies kann nach einer oder mehreren von etlichen Techniken durchgeführt werden. Die Trennung kann beispielsweise durch Schwerkraft- oder Zentrifugaltrennung bewirkt werden, wodurch der Kohlenwasserstoff dekantiert oder durch Filtration entfernt werden kann, wobei jeweils erforderlich ist, dass sich die Kohlenwasserstoffe in einem fließfähigen Zustand befinden. Der Katalysator kann auch mit Lösungsmittel oder überkritischem Fluid behandelt werden, das die Wechselwirkung des Kohlenwasserstoffs mit der Kataly satoroberfläche effektiv schwächt, sodass die flüssigen und festen Phasen leicht in derselben Weise getrennt werden können. Dies wird als Lösungsmittelwäsche bezeichnet. Zu geeigneten Lösungsmitteln gehören beispielsweise Paraffinlösungsmittel oder Naphthas, Alkohole und aromatische Lösungsmittel. Zu überkritischen Fluiden gehören beispielsweise Kohlendioxid, leichte Paraffine und Cyclopentan.
  • Ein anderes Mittel zur Herabsetzung des Kohlenwasserstoffgehalts des Katalysators ist der Kontakt desselben mit einem wasserstoffhaltigen Gas bei erhöhten Temperaturen, d. h. 200°C bis 600°C, vorzugsweise 250°C bis 400°C. Der Wasserstoffdruck ist typischerweise Atmosphärendruck bis 101,3 bar (100 atm), vorzugsweise Atmosphärendruck bis 30,4 bar (30 atm), mit stündlichen Gasdurchsätzen von 100 V/h/V bis 40.000 V/h/V, vorzugsweise 1000 V/h/V bis 20.000 V/h/V, ausgedrückt jeweils als Standardvolumina von gasförmigen Mischungen aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff (25°C, 1,013 bar (1 atm)) pro Stunde pro Katalysatorvolumen. Diese Behandlung ist vorteilhaft, da sie auch mindestens einen Teil des katalytischen Metalls in seinen metallischen Zustand reduziert. Der Katalysator kann alternativ auch mit sauerstoffhaltigem Gas oder Wasserdampf bei erhöhter Temperatur kontaktiert werden, um den Kohlenwasserstoffgehalt effektiv zu reduzieren. Infolge der Oxidation, die während dieser Stufe stattfinden kann, folgt ihr das Kontaktieren mit wasserstoffhaltigem Gas bei erhöhten Temperaturen, um mindestens einen Teil des katalytischen Metalls zu seinem metallischen Zustand zu reduzieren. In dem vorliegenden Verfahren können Lösungsmittelwäsche und Wasserstoffbehandlung vorteilhaft auch kombiniert werden.
  • Selbst wenn eine andere Technik zum Entparaffinieren des Katalysators verwendet wird, folgt ihr vorteilhaft das Kontaktieren mit wasserstoffhaltigem Gas wie bereits erörtert, so dass mindestens ein Teil des entparaffinierten Katalysators in seinem metallischen Zustand vorliegt. Wegen des metallischen Zustands von mindestens einem Teil des Katalysators nach Herabsetzung des Kohlenwasserstoffgehalts muss der Katalysator unter einer nicht-oxidierenden Atmosphäre gewonnen werden, da einige Katalysatoren dazu neigen, pyrophor zu sein. Mit nicht-oxidierend ist gemeint, dass die Atmosphäre nicht reines Inertgas sein muss, sondern oxidierendes Gas umfassen kann, solange während der Gewinnung selbst keine wesentliche Oxidation des Katalysators stattfindet. Eines oder eine Mischung von in der Technik bekannten nicht-oxidierenden Gasen, wie Stickstoff, Argon und dergleichen, kann/können zur Erzeugung einer derartigen Atmosphäre verwendet werden, wobei Stickstoff bevorzugt ist. Die Dauer des Entparaffinierens wird so eingestellt, dass ein niedriger Restkohlenstoffgehalt produziert wird, beispielsweise weniger als 5 Gew.- %, vorzugsweise weniger als 2 Gew.- % und liegt typischerweise im Bereich von 30 Minuten bis etwa 8 Stunden. Wenn die Entparaffinierungsstufe das Kontaktieren des Katalysators mit Lösungsmittel oder überkritischem Fluid beinhaltet oder einschließt, wird er vorzugsweise vor der Imprägnierstufe getrocknet.
  • Erfindungsgemäß wird der entparaffinierte Katalysator mit einer Lösung von einer oder mehreren schwachen organischen Säuren wie in Anspruch 1 definiert imprägniert und danach in Anwesenheit der Imprägnierlösung oxidiert. Geeignete Säuren für das vorliegende Verfahren sind Carbonsäuren mit der allgemeinen Formel R-(COOH)n, wobei n 1 bis 3 ist und R für einen cyclischen oder aliphatischen, gesättigten oder ungesättigten Anteil steht, der mit einer oder mehreren Nitro-, Amino-, Hydroxyl- oder Alkoxylgruppen substituiert sein kann. Zu speziellen Beispielen für geeignete Säuren gehören Ameisensäure, Essigsäure, Citronensäure, Bernsteinsäure, Malonsäure, Propionsäure, Buttersäure, Valeriansäure, Capronsäure, Glutarsäure, Adipinsäure, Milchsäure, Benzoesäure, Phthalsäure, Salicylsäure, Ascorbinsäure, Oxalsäure und dergleichen, ohne dass eine Einschränkung beabsichtigt ist. Kohlensäure gehört zu dem Bereich der schwachen organischen Säuren. Die Imprägnierung mit Kohlensäure erfordert, dass die Lösung mit Kohlendioxid gesättigt wird und daher ausreichender Partialdruck desselben in der Atmosphäre vorhanden ist, um ihre Anwesenheit in der Lösung aufrechtzuerhalten. Zu bevorzugten schwachen organischen Säuren gehören ohne beabsichtigte Einschränkung Essigsäure und Citronensäure. Obwohl Kombinationen von mehr als einer dieser Säuren verwendet werden können, ist es allgemein bevorzugt, sie einzeln zu verwenden.
  • Die Wahl der Lösungsmittel für die Imprägnierung der Lösung hängt hauptsächlich von deren Fähigkeit ab, die erfindungsgemäßen schwachen organischen Säuren zu solubilisieren oder mit ihnen mischbar zu sein. Das Lösungsmittel ist vorzugsweise Wasser, es können jedoch andere Lösungsmittel, z. B. bestimmte organische Lösungsmittel, damit kombiniert werden, vorausgesetzt, dass sie mit Wasser mischbar sind und keine bekannten Katalysatorgifte einbringen. Es können Mischungen von Wasser und unmischbaren organischen Lösungsmitteln sowie Mischungen von Wasser mit Lösungsmitteln in Kombination mit geeigneten Dispergier- oder Emulgiermitteln eingesetzt werden, die vorhanden sind, um eine kontinuierliche Phase zu bilden, d. h. eine Emulsion. Zu solchen anderen geeigneten Flüssigkeiten gehören Kohlenwasserstoffe, insbesondere jene, die von der Fischer-Tropsch-Synthese stammen, dichte Fluids, beispielsweise überkritische Fluids wie leichte Kohlenwasserstoffe in der flüssigen Phase, d. h. C3- 5-Alkane, Cyclopentan und dergleichen. Bevorzugte gemischte Flüssigkeiten schließen Wasser/niedere Alkanole, Wasser/Fischer-Tropsch-Produkte und Was ser/Alkanole/Alkane ein, ohne dass irgendeine Einschränkung beabsichtigt ist.
  • Die Konzentration der schwachen organischen Säure in der Imprägnierlösung hängt von einer Reihe von Faktoren ab, zu denen ihre Löslichkeit, das Volumen der verwendeten Flüssigkeit, die Metallbeladung des Katalysators und dergleichen gehören. Wenn Kohlensäure als die schwache organische Säure verwendet wird, wird die Konzentration der Kohlensäure zudem kontrolliert, indem der Partialdruck des Kohlendioxids in der nicht-oxidierenden Atmosphäre eingestellt wird. Die Imprägnierlösung enthält allgemein 1 Gew.- % bis 30 Gew.- %, vorzugsweise 5 Gew.- % bis 15 Gew.- % der betreffenden Säure. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Menge der vorhandenen Säure unter allen Bedingungen unter der Menge, die erforderlich wäre, um die gesamten vorhandenen Katalysatormetalle in ihre entsprechenden Salze zu überführen, z. B. das Acetat. Die Lösung der Säure kann hergestellt werden, indem sie einfach in dem gewählten Lösungsmittel verdünnt oder gelöst wird.
  • Die Imprägnierung wird in der Regel durchgeführt, bis das trägergestützte Katalysatorsubstrat ein Volumen an Imprägnierlösung absorbiert hat, das mindestens 10 % seines berechneten Porenvolumens entspricht, wobei vorzugsweise Bedingungen der Imprägnierungsweise der anfänglichen Feuchte erreicht werden. Mit der anfänglichen Feuchte ist gemeint, dass der Substratkatalysator eine Lösungsmenge adsorbiert hat, die allgemein seinem berechneten Porenvolumen entspricht. Porenvolumen ist eine erkennbare Menge, die direkt oder indirekt durch bekannte Techniken wie Porosimetrie gemessen werden kann. Das in Frage kommende Volumen der Imprägnierlösung variiert von 10 % bis 1000 % des berechneten Porenvolumens des Katalysators. Das Volumen der Behandlungslösung ist vorzugsweise 30 % bis 200 %, am meisten bevorzugt 70 % bis 100 % des berechneten Porenvolumens des Katalysators.
  • Die Imprägnierlösung bleibt 1 Minute bis 24 Stunden, vorzugsweise etwa 5 bis 120 Minuten, in Kontakt mit dem Katalysator. Die für die Behandlung erforderliche Zeit variiert in Abhängigkeit von Faktoren wie der Metallbeladung des behandelten Katalysators, dessen Menge, der Zusammensetzung und dem Volumen der Behandlungslösung, der Reaktorkonfiguration und dergleichen. Die Behandlung wird bei einer Temperatur von 0°C bis 100°C, vorzugsweise Raumtemperatur, d. h. 20–25°C, bis 80°C durchgeführt. Der Druck ist nicht besonders entscheidend und kann von 0, 101 bis 101, 3 bar (0, 1 bis 100 atm) sein, wobei Atmosphärendruck bevorzugt ist. Es ist jedoch wichtig, dass die Behandlung unter einer nicht-oxidierenden Atmosphäre wie oben definiert durchgeführt wird, vorzugsweise einer inerten Atmosphäre.
  • Nachdem der entparaffinierte trägergestützte Katalysator das gewünschte Volumen der Lösung absorbiert hat, wird er in Gegenwart der Imprägnierlösung mild oxidiert, wenn er mit einem oxidierenden Gas in Kontakt kommt. Erfindungsgemäß ist gefunden worden, dass die Oxidation des Katalysators durch die Anwesenheit der Imprägnierlösung signifikant erhöht wird. Ohne sich auf irgendeine spezielle Theorie festlegen zu wollen, wird angenommen, dass die Anwesenheit der Säure die Bildung der Komplexe des Katalysatormetalls, z. B. Co2+ ermöglicht oder ihre Löslichkeit erhöht. Die Tatsache, dass die Löslichkeit der Komplexe erhöht wird, fördert ihre Verteilung in den Poren der Katalysatoroberfläche. Dieses Dispergieren oder erneute Dispergieren des Katalysatormetalls verbessert die Eigenschaften des Katalysators nach der Aktivierung, wie nachfolgend beschrieben ist.
  • Die Oxidation des Katalysators wird durch Kontakt mit einem Oxidationsmittel enthaltenden Gas durchgeführt. Das Oxidationsmittel enthaltende Gas kann Sauerstoff, Luft, Ozon, Stickoxide oder anderes gasförmiges Oxidationsmittel sein, wobei Luft oder eine Mischung von Sauerstoff und Inertgas bevorzugt ist. Die Konzentration des Sauerstoffs in dem Oxidationsgas liegt allgemein zwischen 10 Vol. ppm und 2,1 Vol. %, vorzugsweise zwischen 1 Vol. % und 21 Vol. %. Der Behandlungsgasdruck ist typischerweise 0, 101 bis 101, 3 bar (0, 1 atm bis 100 atm), vorzugsweise Atmosphärendruck bis 10,13 bar (10 atm), mit stündlichen Gasdurchsätzen von 10 V/h/V bis 10.000 V/h/V, vorzugsweise 100 V/h/V bis 1.000 V/h/V, ausgedrückt jeweils als Standardvolumina des Gases oder der Gasmischung (25°C, 1,013 bar (1 atm)) pro Stunde pro Katalysatorvolumen. Wenn Kohlensäure in der Imprägnierlösung verwendet wird, kann die Oxidationsmittel enthaltende Atmosphäre zudem eine geeignete Menge Kohlendioxid umfassen.
  • Die Oxidation ist in der Regel exotherm, und es muss darauf geachtet werden, die Temperatur unter 100°C und vorzugsweise unter 80°C zu halten. Dies wird allgemein durchgeführt, indem die Konzentration des Oxidationsmittels in dem Behandlungsgas eingestellt wird, um dadurch signifikantes Verdampfen der Imprägnierlösung zu verhindern. Es hat sich herausgestellt, dass ein allmählicher Anstieg der Oxidationsmittelkonzentration in dem Behandlungsgas ein effektives Mittel zur Kontrolle der Exothermie ist. Inkrementeller Ersatz der Imprägnierlösung kann gegebenenfalls während der Oxidation durchgeführt werden. Dies dient dem doppelten Zweck der Verhinderung des Austrocknens des Katalysators und der Unterstützung der Kontrolle der Exothermie durch den Kühleffekt des Verdampfens.
  • Die Oxidationsstufe wird allgemein durchgeführt, bis eine erkennbare Veränderung in dem Katalysator und/oder der Reaktionsumgebung stattfindet. Veränderungen des Katalysators schließen Farbveränderungen ein. Die Änderungen der Reaktionsatmosphäre schließen das Schwinden der Exothermie ein. Dies benötigt allgemein etwa 1 bis 120 Minuten. Nachdem die Oxidation abgeschlossen ist, werden die Katalysatorteilchen vorzugsweise getrocknet, typischerweise bei einer Temperatur von 50°C bis 150°C, gegebenenfalls mit einer Gasspülung.
  • Die behandelten Katalysatorteilchen werden durch Reduktion mit wasserstoffhaltigem Gas bei erhöhten Temperaturen aktiviert, d. h. 200°C bis 600°C, vorzugsweise 250°C bis 400°C. Der Wasserstoffdruck liegt während der Reduktion typischerweise im Bereich von etwa 1,013 bar bis 101,3 bar (1 bis 100 Atmosphären), vorzugsweise 1,013 bis 40,52 bar (1 bis 40 atm), und die stündlichen Gasdurchsätze sind 100 V/h/V bis 40.000 V/h/V, vorzugsweise 1000 V/h/V bis 20.000 V/h/V, ausgedrückt jeweils als Standardvolumina des Gases oder der Gasmischungen (25°C, 1,013 bar (1 atm)) pro Stunde pro Katalysatorvolumen. Es ist gefunden worden, dass die ursprüngliche Aktivität der erfindungsgemäß regenerierten resultierenden trägergestützten Katalysatorteilchen in einem signifikanten Maß wiederhergestellt wurde, sowohl in Hinsicht auf die Produktion der gewünschten Kohlenwasserstoffe als auch in Hinsicht auf die Methanselektivität.
  • Als optionale Stufe in dem vorliegenden Verfahren wird der oben beschriebene trägergestützte Katalysatorvorläufer unter einer Oxidationsmittel enthaltenden Atmosphäre vor der Aktivierungsstufe calciniert. Die Atmosphäre ist vorzugsweise Luft, kann jedoch eine inerte Atmosphäre sein, die eine kontrollierte Sauerstoffmenge enthält, wie z. B. als Produktgasstrom oder Abgasstrom aus einer Lufttrennanlage produziert wird. Derartige Atmosphären mit kontrolliertem Oxidationsmittelgehalt würden 10 ppm bis 21 Vol. %, vorzugsweise 1 Vol. % bis 21 Vol. % Sauerstoff enthalten, wobei der Rest ein nicht-oxidierendes Gas ist, vorzugsweise ein Inertgas, wie Stickstoff. Der Gasstrom in dem Ofen ist 100 bis 10.000, vorzugsweise 1000 bis 5000 GHSV. Die Calcinierung wird bei erhöhten Temperaturen durchgeführt, d. h. 150°C bis 600°C, vorzugsweise 200°C bis 450°C, 1 bis 8 Stunden lang, vorzugsweise 1 bis 4 Stunden. Eine geeignete Vorrichtung für die Calcinierungsstufe kann eine Drehcalciniervorrichtung sein, wie sie in Perry's Chemical Engineer's Handbook, 7. Auflage, Kapitel 12, McGraw-Hill, New York (1997) beschrieben ist, oder eine Wirbelschicht-Verarbeitungsvorrichtung, wie sie nachfolgend beschrieben wird, oder ein HCS-Reaktor selbst.
  • Es ist innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung eine weitere optionale Stufe, den behandelten Katalysator zu passivieren, nachdem die Aktivierung mit wasserstoffhaltigem Gas durchgeführt worden ist. Die Passivierung kann durchgeführt werden, indem der Katalysator mit Kohlenmonoxid enthaltendem Gas oder Kohlenmonoxid und Wasserstoff unter Bedingungen kontaktiert wird, so dass sich das Kohlenmonoxid nicht in erheblichem Maße zersetzt und nicht in einem wesentlichen Ausmaß hydriert wird. Solche Bedingungen wären beispielsweise eine Temperatur unter 150°C, vorzugsweise zwischen 25°C und 100°C, und ein Druck unter 20,26 bar (20 atm), insbesondere zwischen 1,01 und 10,13 bar (1 und 10 atm), und die stündlichen Gasdurchsätze sind 1 V/h/V bis 1000 V/h/V, vorzugsweise 10 V/h/V bis 500 V/h/V, jeweils ausgedrückt als Standardvolumina des Gases oder der Gasmischungen (25°C, 1,013 bar (1 atm)) pro Stunde pro Volumen des Katalysators. Es ist klar, dass trotz der Vorsichtsmaßnahmen, die der Betreiber ergreift, eine gewisse Zersetzung beziehungsweise Hydrierung des Kohlenmonoxids stattfinden kann. Es ist jedoch gefunden worden, dass in der Regel keine signifikante Zersetzung/Hydrierung erfolgt, wenn die Konzentration an Kohlenmonoxid oder Kohlenmonoxid und Wasserstoff in dem Einsatzmaterialgas 5 Vol. % nicht übersteigt. Es hat sich herausgestellt, dass Katalysatoren, die auf diese Weise passiviert worden sind, in der Regel höhere anfängliche Kohlenmonoxid-Hydrieraktivität zeigen als ähnliche, jedoch nicht passivierte Katalysatoren. Zu anderen Passivierungsmitteln gehören beispielsweise Spuren von Sauerstoff oder Kohlendioxid. Ein erheblicher Anteil der ursprünglichen Aktivität und Methanselektivität der erfindungsgemäß behandelten trägergestützten Katalysatorteilchen ist wiederhergestellt worden.
  • Das erfindungsgemäße Behandlungsverfahren kann in einem oder mehreren HCS-Reaktoren, in einer Reihe von Vorrichtungen, die für eine spezielle Stufe oder spezielle Stufen besonders angepasst sind, oder jedweder Kombination davon durchgeführt werden. Die Stufe des Herabsetzens der Kohlenwasserstoffgehalts eines aus einem HCS-Reaktors abgezogenen Katalysators kann vorteilhaft in einem Misch-Absetzreaktor durchgeführt werden, wie er in Perry's Chemical Engineers' Handbook, 7. Auflage, Kapitel 18, McGraw-Hill, New York 1997 beschrieben ist. Ein solches Gefäß ist in der Regel mit einem Heizmantel, Rührwerk und Mitteln zum Abziehen der flüssigen Phase ausgestattet. Nach der darin erfolgten Behandlung wird der Katalysator abgezogen, typischerweise als Aufschlämmung, und zur Lösungsmittelentfernung und zum Trocknen an eine Verarbeitungsvorrichtung weitergeleitet. Die Stufe des Herabsetzens des Kohlenwasserstoffgehalts wird alternativ in dem HCS-Reaktor durchgeführt.
  • Die Verarbeitungsvorrichtung ist ein Gerät, das dem Verfahren Mischen und Verwirbelung verleihen kann. Es ist so konfiguriert, dass Wärmetransfer, Mischen, Flüssigkeitskontaktieren und Gas-Feststoff-Transfer verstärkt werden. Beispiele für geeignete Verarbeitungsvorrichtungen sind durch Gas verwirbelte Betten, vibroverwirbelte Betten, mechanische Mischer, z. B. Koppelkonus-, Keil-, Bandmischer und dergleichen, und Mischer wie Pflug-, Planeten-, Paddelmischer und dergleichen. Diese Vorrichtungen verwirbeln das verarbeitete Material, indem ein Gas direkt hindurchgeleitet wird, durch mechanische Bewegung oder durch eine Kombination beider Wirkungen. Die Verarbeitung in einer derartigen Vorrichtung führt dazu, dass das behandelte Material fluidartige Eigenschaften annimmt, die zu innigem Kontakt zwischen jedem Teilchen und dem Gasstrom führen, wodurch ein extrem effizienter Masse- und Wärmetransfer erzeugt wird. Eine Vorrichtung, die mindestens mechanische Verwirbelung liefert, ist besonders bevorzugt, da das Material, obwohl sowohl eine Aufschlämmung als auch ein Pulver zum leichten Fließen gebracht werden können, während des Trocknungsprozesses von dem einen zu dem anderen das sogenannte "Schlammstadium" durchlaufen wird, in dem es extrem schwer zu verwirbeln ist. Für den Trocknungsvorgang sollte die Verarbeitungsvorrichtung somit, wenn der Katalysator in einer Aufschlämmung ist, mindestens mechanische und vorzugsweise sowohl mechanische als auch Gasverwirbelung aufweisen.
  • Eine bevorzugte Verarbeitungsvorrichtung zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens ist ein Pflugmischer, eine Vorrichtung mit einem ummantelten horizontalen Zylinder mit einer axialen Rührwerkwelle, die mehrere Sätze von Schaufel- oder dreieckigen Rührwerken enthält. Eine derartige Vorrichtung hat in der Regel Einlässe und Auslässe für sowohl Gas als auch Flüssigkeit sowie Einlass und Auslass für das feste Material, das verarbeitet wird. Obwohl dies eine bevorzugte Vorrichtung ist, können beliebige vergleichbare Mischer, die die genannten Fähigkeiten besitzen, genauso verwendet werden, vorausgesetzt, dass sie das Material während des Schlammstadiums des Trocknens weiter verwirbeln können. Eine derartige Vorrichtung erleichtert auch das Lösungsmittelwaschen, das Teil des Verfahrens des Herabsetzens des Kohlenwasserstoffgehalts des Materials sein kann, sowie die nachfolgende Wasserstoffbehandlung bei erhöhten Temperaturen. Dies ist ein bevorzugtes Verfahren zum Herabsetzen des Kohlenwasserstoffgehalts, da die Rückgewinnung des Wachses möglich ist, was eine wichtige Überlegung ist.
  • Die nächste Stufe, Behandlung mit der Imprägnierlösung wie oben beschrieben, kann aus den oben genannten Gründen in ähnlicher Weise in einem mechanischen Mischer, wie einem Pflugmischer, durchgeführt werden. Der Mischer ist vorteilhaft so, dass die Flüssigkeit zugegeben werden kann, während das Material sich in einem verwirbelten Zustand befindet. Weil der Mischer Einlass- und Auslassmittel für Gas hat, kann die nachfolgende Oxidation mit gasförmigem Oxidationsmittel auch darin bewirkt werden, sobald das Material in dem gewünschten Grad imprägniert worden ist. Nach Beendigung der Niedertemperatur-Oxidationsstufe, wie durch Ende der Exothermie deutlich wird, kann das Material in der Verarbeitungsvorrichtung verbleiben oder zur weiteren Verarbeitung entfernt werden, beispielsweise der Entfernung von Feinteilchen, Trocknungs- und Calcinierungsstufen wie oben erörtert. In der Verarbeitungsvorrichtung können gewünschtenfalls alle diese Verfahrensschritte durchgeführt werden. Geeignete Vorrichtungen zur Entfernung von Feinteilchen aus trockenen teilchenförmigen Feststoffen, beispielsweise durch Sieben, Schlämmen aus Wirbelbetten, Gasklassierung und dergleichen, sind in Perry's Chemical Engineers' Handbook, 7. Auflage, Kapitel 17, 19 und 20, McGraw-Hill, New York, 1997, beschrieben.
  • Die letzte Aktivierung des Materials unter Bildung eines aktiven Katalysators kann in einer Wirbelverarbeitungsvorrichtung wie oben beschrieben durchgeführt werden. Für diese Stufe kann eine größere Vielfalt von Vorrichtungen verwendet werden; da diese Materialien keine Schlammphase durchlaufen, können Gasverwirbelungsvorrichtungen verwendet werden, da sie einen hervorragenden Feststoff-Gas-Kontakt liefern. Aus dem gleichen Grund kann für die oben beschriebene optionale Passivierungsstufe eine Gasverwirbelungsvorrichtung verwendet werden, weil das Material wiederum keine Schlammphase durchläuft. Es ist klar, dass eine Reihe verschiedener Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann, was für den Betrieb im Großmaßstab vorteilhaft sein kann. Es ist jedoch, wie oben beschrieben, auch möglich, das gesamte Regenerierungsverfahren des gebrauchten trägergestützten Katalysators in einer mechanischen Verwirbelungsvorrichtung mit der Kapazität des Feststoff-, Gas- und Flüssigkeittransfers durchzuführen.
  • Die Erfindung wird in Bezug auf die folgende experimentelle Arbeit weiter beschrieben.
  • Beispiel 1: Lösungsmittelentparaffinierung des deaktivierten Katalysators (Vergleich)
  • Stücke von Katalysator auf Kobaltbasis auf einem Titandioxidträger in Wachs, die aus einem Fischer-Tropsch-Reaktor entnommen worden waren, der mehr als 200 Tage lang betrieben worden war, die 83 Gramm wogen, wurden in ein Becherglas gegeben und mit Toluol bedeckt. Die Mischung wurde auf 85–90°C erwärmt und von Hand gerührt. Die Stücke zerbrachen während des Erwärmens/Rührens. Nach 5 Minuten wurde die Toluol/Wachs-Lösung dekantiert, frisches Toluol zugegeben und das Verfahren noch zwei Mal wiederholt. Nach dem dritten De kantieren wurde die restliche Toluol/Katalysator-Aufschlämmung in einen Büchner-Trichter überführt und heiß filtriert. Drei Mal wurde heißes Toluol auf den Filterkuchen gegossen und durch angelegtes Vakuum durch den Filterkuchen gezogen. Der Filterkuchen wurde durch Anlagen von Vakuum auf dem Trichter getrocknet, um 58,4 g nicht-pyrophoren Katalysator zu erhalten. Der Katalysator enthielt wesentliche Mengen an reduziertem Kobalt, wie durch seine hohe magnetische Permeabilität gezeigt wurde. Der Katalysator ließ sich mit einem kleinen Permanentmagneten leicht bewegen. Eine zweite Probe wurde in ähnlicher Weise hergestellt, wobei sie zusätzlich über Nacht luftgetrocknet wurde, nachdem sie auf dem Trichter getrocknet wurde. Seine Charakteristika waren die gleichen.
  • Beispiel 2: Wasserstoffentparaffinierung von lösungsmittelentparaffinierten Katalysatoren (Vergleich)
  • Gemäß Beispiel 1 hergestellter Katalysator (120 g) wurde in einen Festbettreaktor eingebracht, der 30 Minuten lang mit Stickstoff gespült wurde. Die Reaktortemperatur wurde auf 100°C und der Gasfluss auf 10 % Wasserstoff in Stickstoff geändert. Die Temperatur wurde danach auf 288°C erhöht und der Gasfluss auf 450 sccm reinen Wasserstoff eingestellt. Der Katalysator wurde drei Stunden lang so gehalten, um die organischen Verbindungen vollständig zu entfernen und die Metallkomponenten zu reduzieren. Der Reaktor wurde abgekühlt und der Gasfluss zu Stickstoff geändert, als er auf unter 100°C abgekühlt war. Als der Reaktor auf Umgebungstemperatur abgekühlt war, wurde der Katalysator unter einer Stickstoffatmosphäre abgezogen, was 118,4 g reduzierten Katalysator ergab. Der Katalysator enthielt wesentliche Mengen an metallischem Kobalt und wurde mit einem Permanentmagneten leicht bewegt.
  • Beispiel 3: Testen des Katalysators aus Beispiel 1 (Vergleich)
  • Der Katalysator aus Beispiel 1 wurde in einem Laborfestbettreaktor getestet. Der Katalysator (2 ml, 2,80 g) wurde mit Quarzverdünnungsmittel (4 ml, 6,54 g) gemischt und in einen Rohrreaktor mit einem Innendurchmesser von 1 cm gegeben. Das Katalysatorbett wurde mit einem Pfropfen Glaswolle an Ort und Stelle gehalten. In das Bett wurde ein Mehrpunkt-Temperaturfühler geschoben, um die Temperaturen zu überwachen. Der Katalysator wurde zuerst mit Wasserstoff bei 375°C, 19,7 atm und 315 sccm Wasserstoff zwei Stunden lang reduziert. Der Katalysator wurde auf 177°C, 19,96 bar (19,7 atm) unter einem Fluss von 10 sccm Argon und 260 sccm Wasserstoff abgekühlt. Nach dem Abkühlen wurde die Einsatzmaterialzusammensetzung auf 12 sccm Argon, 134 sccm Wasserstoff und 94 sccm Kohlenmonoxid/Kohlendioxid-Gemisch geändert, was eine nominelle Einsatzmaterialzusammensetzung von 56,0 H2, 11, 6 % CO2, 4, 9 % Ar und 27,5 % CO ergab, wobei die Prozentsätze als Molprozente angegeben sind. Der Reaktor wurde danach mit 2,8°C/Stunde auf 199°C erwärmt und auf dieser Temperatur 24 Stunden lang gehalten. Der Reaktor wurde danach mit 2,8°C/Stunde auf 213°C erwärmt und für den Rest des Tests auf dieser Temperatur gehalten.
  • Die CO-Umwandlung betrug bei dieser Temperatur 27,3 %, und die Methanselektivität betrug 7,6 %. Nach 24 Stunden unter diesen Bedingungen betrug die CO-Umwandlung 24,3 %, und die Methanselektivität betrug 7,6 %. Methanselektivität ist definiert als Kohlenstoff im Methan, produziert als Fraktion des Kohlenstoffs in dem umgewandelten Kohlenmonoxid.
  • Beispiel 4: Luftregenerierung des lösungsmittelentparaffinierten Katalysators (Vergleich)
  • 30 g Katalysator aus Beispiel 1 wurden in eine Keramikschale gegeben und zwei Stunden lang in Luft bei 300°C calciniert. Der calcinierte Katalysator wurde als trockenes dunkelgraues Pulver gewonnen. Der calcinierte Katalysator wurde gemäß dem in Beispiel 3 beschriebenen Verfahren auf katalytische Aktivität getestet. Die CO-Umwandlung betrug 55,0 %, und die Methanselektivität betrug 10,9 %. Nach 24 Stunden unter diesen Bedingungen betrug die CO-Umwandlung 52,4 %, und die Methanselektivität betrug 10,5 %. Dieses Beispiel zeigt, dass die katalytische Aktivität durch Luftcalcinierung des deaktivierten Katalysators wieder hergestellt werden kann.
  • Beispiel 5: Wässrig bei niedriger Temperatur oxidierter Katalysator unter Verwendung von Wasser und Luft als Oxidationsmittel (Vergleich)
  • Der nach Beispiel 2 hergestellte Katalysator (3,2 g) wurde unter einer Stickstoffatmosphäre in eine 2 oz Flasche gegeben und 0,82 ml Wasser bis zur anfänglichen Feuchte zugefügt. Der imprägnierte Katalysator wurde danach eine Stunde lang unter einer Luftatmosphäre gehalten, danach wurde er bei 80°C in einem Vakuumofen getrocknet und anschließend zwei Stunden lang in Luft bei 300°C calciniert. Der Katalysator wurde gemäß dem in Beispiel 3 beschriebenen Verfahren auf katalytische Aktivität getestet. Die CO-Umwandlung betrug 55,1 %, und die Methanselektivität betrug 9,5 %. Nach 24 Stunden unter diesen Bedingungen betrug die CO-Umwandlung 52,8 %, und die Methanselektivität betrug 9,2 %.
  • Dieses Beispiel zeigt, dass die Aktivitätsrückgewinnung durch Luftoxidation bei niedriger Temperatur in Gegen wart von flüssigem Wasser der Luftcalcinierung im Wesentlichen gleichwertig ist.
  • Beispiel 6: Essigsäure-unterstützte wässrige Niedertemperatur-Luftoxidation von wasserstoffentparaffiniertem Katalysator
  • Eine Lösung wurde hergestellt, indem 7,21 g Eisessig zu entionisiertem Wasser gegeben und auf ein Volumen von 50 ml verdünnt wurde. 2,75 g der Essigsäurelösung wurden unter inerten Bedingungen zu 10 g Katalysator aus Beispiel 2 gegeben. Die Probe wurde danach unter einer Luftatmosphäre gehalten und kräftig gemischt. Es trat eine milde Exothermie auf, die nach mehreren Minuten endete. Nach weiteren 2 Stunden in Luft hatte die Probe eine grünlichgraue Farbe. Die Probe wurde 1 Stunde lang bei 100°C getrocknet und danach 2 Stunden lang bei 300°C calciniert. Es wurden 10,11 g eines dunkelgrauen Pulvers gewonnen. Der Katalysator wurde gemäß dem in Beispiel 3 beschriebenen Verfahren auf katalytische Aktivität getestet. Die CO-Umwandlung betrug 82,1 %, und die Methanselektivität betrug 7,1 %. Nach 1 Tag unter diesen Bedingungen betrug die CO-Umwandlung 78,1 %, und die Methan-Selektivität betrug 7,3 %.
  • Beispiel 7: Ameisensäure-unterstützte wässrige Niedertemperatur-Luftoxidation von wasserstoffentparaffiniertem Katalysator
  • Eine Lösung wurde hergestellt, indem 5,52 g Ameisensäure zu entionisiertem Wasser gegeben und auf ein Volumen von 50 ml verdünnt wurden. 2,80 g der Ameisensäurelösung wurde unter inerten Bedingungen zu 10 g Katalysator aus Beispiel 2 gegeben. Die Probe wurde danach unter einer Luftatmosphäre angeordnet und kräftig gemischt, wobei die resultierende milde Exothermie nach mehreren Minuten endete. Nach weiteren 2 Stunden in Luft war die Probe grünlichgrau. Die Probe wurde 1 Stunde bei 100°C getrocknet und danach 2 Stunden bei 300°C calciniert, um 10,4 g eines dunkelgrauen Pulvers zu ergeben.
  • Der Katalysator wurde gemäß dem in Beispiel 3 beschriebenen Verfahren auf katalytische Aktivität getestet. Die CO-Umwandlung betrug 72,6 %, und die Methanselektivität betrug 7,1 %. Nach 1 Tag unter diesen Bedingungen betrug die CO-Umwandlung 69,4 %, und die Methan-Selektivität betrug 6,9 %.
  • Beispiel 8: Citronensäure-unterstützte wässrige Niedertemperatur-Luftoxidation von wasserstoffentparaffiniertem Katalysator
  • Eine Lösung wurde hergestellt, indem 23,05 g Citronensäure zu entionisiertem Wasser gegeben und auf ein Volumen von 50 ml verdünnt wurde. 2,77 g der Citronensäurelösung wurden unter inerten Bedingungen zu 10 g Katalysator aus Beispiel 2 gegeben. Die Probe wurde danach unter einer Luftatmosphäre gehalten und kräftig gemischt. Es trat eine milde Exothermie auf, die nach mehreren Minuten endete. Nach weiteren 2 Stunden in Luft hatte die Probe eine hellgraue Farbe. Die Probe wurde 1 Stunde lang bei 100°C getrocknet und danach 2 Stunden lang bei 300°C calciniert. Es wurden ungefähr 10 g eines dunkelgrauen Pulvers gewonnen. Der Katalysator wurde gemäß dem in Beispiel 3 beschriebenen Verfahren auf katalytische Aktivität getestet. Die CO-Umwandlung betrug 64,1 %, und die CH4-Selektivität betrug 7,1 %. Nach 1 Tag unter diesen Bedingungen betrug die CO-Umwandlung 60,9 %, und die Methan-Selektivität betrug 7,1 %.
  • Beispiel 9: Calcinierung von wasserstoffentparaffiniertem Katalysator
  • 30 g Katalysator aus Beispiel 1 wurden in eine Keramikschale gegeben und zwei Stunden lang in Luft bei 300°C calciniert. Das Material wurde als trockenes dunkelgraues Pulver gewonnen.
  • Beispiel 10: Essigsäure-unterstützte wässrige Niedertemperatur-Luftoxidation von calciniertem entparaffiniertem Katalysator
  • Eine Lösung wurde hergestellt, indem 7,21 g Eisessig zu entionisiertem Wasser gegeben und auf ein Volumen von 50 ml verdünnt wurde. 2,01 g der Lösung wurden zu 9,07 g des Katalysators von Beispiel 9 gegeben. Die Probe wurde danach unter einer Luftatmosphäre gehalten und kräftig gemischt. Es fand keine Exothermie statt. Nach weiteren 2 Stunden in Luft hatte die Probe eine graue Farbe. Die Probe wurde 1 Stunde bei 100°C getrocknet und danach 2 Stunden bei 300°C calciniert, um 9,04 g eines dunkelgrauen Pulvers zu ergeben. Testen des Katalysators nach dem in Beispiel 3 beschriebenen Verfahren zeigte, dass die CO-Umwandlung 48,1 % war und die Methanselektivität 7,35 % war.
  • Beispiel 11: Kohlensäure-unterstützte wässrige Niedertemperatur-Luftoxidation von wasserstoffentparaffiniertem Katalysator
  • Eine Lösung wurde hergestellt, indem Trockeneis in entionisiertem Wasser gelöst wurde, bis der pH-Wert der Lösung nicht weiter sank. Es wurde ein pH-Wert von etwa 4 bis 6,8 erreicht. 2,70 g der Kohlensäurelösung wurde unter inerten Bedingungen zu 10 g Katalysator aus Beispiel 2 gegeben. Die Probe wurde danach unter einer Luftatmosphäre gehalten und kräftig gemischt. Es trat eine milde Exothermie auf, die nach mehreren Minuten endete. Nach weiteren 4 Stunden in Luft hatte die Probe eine graue Farbe. Die Probe wurde 1 Stunde lang bei 100°C getrocknet und danach 2 Stunden lang bei 300°C calciniert. Es wurden 9,4 g eines dunkelgrauen Pulvers gewonnen.
  • Der Katalysator wurde gemäß dem in Beispiel 3 beschriebenen Verfahren auf katalytische Aktivität getestet. Die CO-Umwandlung betrug 63 %, und die Methanselektivität betrug 6,8 %. Nach 1 Tag unter diesen Bedingungen betrug die CO-Umwandlung 60 %, und die Methan-Selektivität betrug 6,6 %.

Claims (18)

  1. Verfahren zur Regenerierung von trägergestütztem Katalysator, der ein oder mehrere Mitglieder ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Co, Ni, Cu, Ru, Rh, Re, Pd, Pt, Os und Ir umfasst und den Verfahrensbedingungen für die Hydrierung von Kohlenmonoxid ausgesetzt gewesen ist, bei dem in den folgenden Stufen: a) der Kohlenwasserstoffgehalt des Katalysators herabgesetzt wird, um einen entparaffinierten Katalysator zu bilden; b) der entparaffinierte Katalysator unter einer im Wesentlichen inerten Atmosphäre mit einer Lösung von mindestens einer schwachen organischen Säure ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kohlensäure und Säuren mit der Formel R-(COOH)n imprägniert wird, wobei n 1 bis 3 ist und R für einen cyclischen oder aliphatischen, gesättigten oder ungesättigten Anteil steht, der mit einer oder mehreren Nitro-, Amino-, Hydroxyl- oder Alkoxylgruppen substituiert sein kann, um einen imprägnierten Katalysator zu bilden; c) der imprägnierte Katalysator in Anwesenheit der Imprägnierlösung mit einem gasförmigen Oxidationsmittel oxidiert wird, um einen oxidierten Katalysator zu bilden, und d) der oxidierte Katalysator mit einem wasserstoffhaltigen Gas bei Temperaturen von 200°C bis 600°C reduziert wird, um dadurch einen aktiven Katalysator zu bilden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Kohlenwasserstoffgehalt des Katalysators, der regeneriert wird, durch eine der folgenden Stufen herabgesetzt wird: (i) Kontaktieren mit wasserstoffhaltigem Gas bei erhöhten Temperaturen; (ii) Kontaktieren mit Lösungsmittel oder überkritischem Fluid; (iii) Kontaktieren mit Lösungsmittel oder superkritischem Fluid und anschließendes Kontaktieren mit wasserstoffhaltigem Gas bei erhöhten Temperaturen; (iv) Kontaktieren des Katalysators mit sauerstoffhaltigem Gas oder Wasserdampf bei erhöhten Temperaturen und anschließendes Kontaktieren desselben mit wasserstoffhaltigem Gas bei erhöhten Temperaturen und (v) Kontaktieren mit Lösungsmittel oder überkritischem Fluid, Kontaktieren mit sauerstoffhaltigem Gas oder Wasserdampf bei erhöhten Temperaturen und anschließendes Kontaktieren mit wasserstoffhaltigem Gas bei erhöhten Temperaturen, um dadurch einen entparaffinierten Katalysator zu bilden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, das Trocknen des entparaffinierten Katalysators einschließt, wenn Stufe a) (ii) ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Menge in der Imprägnierlösung in Stufe b) weniger als eine Menge ist, die erforderlich wäre, um im Wesentlichen alles des min destens einen Katalysatormetalls in seine entsprechenden Salze umzuwandeln.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem mindestens eine schwache organische Säure in der Imprägnierlösung in Stufe b) aus der Gruppe bestehend aus Ameisensäure, Essigsäure, Citronensäure, Bernsteinsäure und Malonsäure ausgewählt ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die mindestens eine schwache organische Säure Essigsäure ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Menge der in Stufe b) verwendeten Imprägnierlösung 10 % bis 1000 des berechneten Porenvolumens des Katalysators ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Menge der in Stufe b) verwendeten Imprägnierlösung 30 % bis 200 des berechneten Porenvolumens des Katalysators ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das gasförmige Oxidationsmittel in Stufe c) aus der Gruppe bestehend aus Sauerstoff, Luft, Ozon und Stickoxiden ausgewählt ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Temperatur während der Oxidation in Stufe c) unter 100°C gehalten wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Reduktion in Stufe d) mit wasserstoffhaltigem Gas bei einer Temperatur von 200°C bis 600°C erfolgt.
  12. Verfahren nach Anspruch 1, das zusätzlich zwischen den Stufen c) und d) die Stufe des Calcinierens unter einer Oxidationsmittel enthaltenden Atmosphäre einschließt.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Oxidationsmittel enthaltende Atmosphäre Luft ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Oxidationsmittel enthaltende Atmosphäre 10 Vol. ppm bis 21 Vol. % Sauerstoff enthält, wobei der Rest ein nicht-oxidierendes Gas ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 1, das zusätzlich die Stufe des Passivierens des in Stufe d) gebildeten Katalysators einschließt, indem mit kohlenmonoxidhaltigem Gas unter Bedingungen behandelt wird, unter denen das Kohlenmonoxid nicht in erheblichem Maße zersetzt wird, oder mit Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthaltendem Gas unter Bedingungen behandelt wird, unter denen das Kohlenmonoxid nicht in erheblichem Maße hydriert wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Katalysator Kobalt umfasst.
  17. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der gebildete aktive Katalysator zur Herstellung von C10+-Kohlenwasserstoffen durch Hydrierung von Kohlenmonoxid mit Wasserstoff unter HCS-Reaktionsbedingungen verwendet wird.
  18. Verfahren nach den Ansprüchen 17, bei dem mindestens ein Teil der gebildeten Kohlenwasserstoffe durch mindestens eines von Fraktionier- und Umwandlungsverfahren zu wertvolleren Produkten veredelt wird.
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