Катализатор для окисления этилена и способ получения оксида этилена
Настоящее изобретение относится к катализатору для окисления этилена в оксид этилена и к способу получения оксида этилена с применением такого катализатора. Описан катализатор для окисления этилена в оксид этилена, не содержащий рения и переходных металлов, включающий до 30% (мас.) серебра на твердом носителе и содержащий промоторную комбинацию, состоящую, главным образом, из (1) компонента, содержащего щелочной металл, в количестве от 700 млн-1 до 3000 млн-1 от массы данного катализатора; и (2) компонента, содержащего серу в количестве от 40% до 100% массы, эквивалентной количеству, необходимому для образования сульфата щелочного металла, а также, факультативно, фторсодержащего компонента в количестве от 10 млн-1 до 300 млн-1 от массы данного катализатора. Описан также способ получения оксида этилена, включающий проведение реакции этилена с молекулярным кислородом в присутствии вышеуказанного катализатора. Технический результат - повышение селективности катализатора. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 табл.
Предпосылки создания изобретения
Область, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к катализатору для окисления этилена в оксид этилена, состоящему из обязательного сочетания серебра, щелочного металла, такого как цезий, и серы, осажденных на носителе, таком как оксид алюминия, и к получению оксида этилена с применением такого катализатора; факультативно в состав катализатора может быть включен фторсодержащий или хлорсодержащий компонент. Катализатор практически не содержит компонентов, содержащих рений или переходные металлы.
Описание известных технических решений
Процессы производства оксида этилена включают окисление этилена в паровой фазе молекулярным кислородом с применением твердого катализатора, содержащего серебро, на носителе, например на оксиде алюминия. Многие исследователи предпринимали значительные усилия для повышения эффективности и действенности серебряного катализатора для производства оксида этилена. Подробный анализ этих усилий специалистов-предшественников представлен в патенте США №5051395.
Среди множества более ранних публикаций, касающихся этой области, следует упомянуть патент США №4007135 (см. также патент Великобритании №1491447), где описаны различные серебряные катализаторы для производства оксидов этилена и пропилена, содержащие промотирующее количество меди, золота, магния, цинка, кадмия, ртути, стронция, кальция, ниобия, тантала, молибдена, вольфрама, хрома, ванадия и/или предпочтительно бария, сверх количеств этих элементов, присутствующих в иммобилизованной форме в предварительно формованном носителе в качестве примесей или связующих (столбец 2, строки 1-15), серебряные катализаторы для производства оксида пропилена, содержащие промотирующее количество по меньшей мере одного промотора, выбранного из группы, в которую входят литий, калий, натрий, рубидий, цезий, медь, золото, магний, цинк, кадмий, стронций, кальций, ниобий, тантал, молибден, вольфрам, хром, ванадий и барий, сверх количеств этих элементов, присутствующих в иммобилизованной форме в предварительно формованном носителе в качестве примесей или связующих (столбец 2, строки 16-34), а также серебряные катализаторы для производства оксидов этилена и пропилена, содержащие (а) промотирующее количество натрия, цезия, рубидия и/или калия и (b) магний, стронций, кальций и/или предпочтительно барий в промотирующем количестве (столбец 3, строки 5-8).
Патенты США №5057481 и связанный с ним патент №4908343 касаются серебряных катализаторов окисления этилена, содержащих цезий и оксианион элемента, относящегося к группам 3b-7b периодической системы.
В патенте США №3888889 описаны катализаторы, пригодные для окисления пропилена в оксид пропилена, содержащие элементарное серебро и модифицированные соединением элемента группы 5Ь и 6Ь. Хотя в патенте упоминаются носители, их примеры не приведены. Применение цезия не упомянуто.
В публикации европейского патента №0266015 описаны серебряные катализаторы на носителях, промотированные рением, и приведен обширный перечень возможных дополнительных промоторов.
В патенте США №5102848 описаны катализаторы, пригодные для производства оксида этилена, содержащие носитель, импрегнированный серебром, на который нанесен также по меньшей мере один катионный промотор, такой как цезий, и промотор, содержащий (i) сульфат-анион, (ii) фторид-анион и (iii) оксианион элемента, относящегося к группам 3b-6b включительно периодической системы. В патенте описан (столбцы 21 и 22) катализатор 6, содержащий серебро, цезий, серу и фтор на носителе, с содержанием цезия 1096 млн-1; возможно, этот катализатор упомянут для целей сравнения (поскольку он находится вне пределов сущности заявленных катализаторов).
В патенте США 5486628 описан серебряный катализатор, промотированный щелочным металлом, рением и редкоземельным или лантаноидным компонентом.
Патент США 5011807 касается катализатора окисления этилена, содержащего серебро, щелочной металл, переходный металл и серу на оксиде алюминия в качестве носителя. Для целей сравнения описаны катализаторы, содержащие серебро, щелочной металл и серу на оксиде алюминия в качестве носителя, обеспечивающие менее эффективные результаты по сравнению с катализаторами, содержащими переходный металл.
В условиях этого огромного количества данных, запутывающих существо вопроса и часто противоречивых, заявителем создан новый усовершенствованный катализатор для производства оксида этилена.
Краткое описание изобретения
Настоящее изобретение относится к усовершенствованному катализатору окисления этилена на носителе, содержащему промоторную комбинацию, состоящую из обязательного количества компонента на основе щелочного металла, предпочтительно цезия, в сочетании с серосодержащим компонентом, и к приготовлению и применению этого катализатора; катализатор практически не содержит компонентов на основе рения и переходных металлов и может факультативно содержать фторсодержащий или хлорсодержащий компонент.
Подробное описание
Предпочтительные катализаторы, приготовленные в соответствии с настоящим изобретением, содержат до приблизительно 30% (мас.) серебра (в пересчете на металл), осажденного на поверхности и в порах пористого жаростойкого носителя. Эффективными являются количества серебра, превышающие 20% общей массы катализатора, но получаемые при этом катализаторы оказываются излишне дорогостоящими. Предпочтение отдается значениям содержания серебра приблизительно 5-20% (в пересчете на металл) от общей массы катализатора, а особо предпочтительными являются катализаторы с содержанием серебра от 8% до 15%.
Помимо серебра, катализатор в соответствии с настоящим изобретением содержит промоторную комбинацию, состоящую из обязательных количеств щелочного металла и серы. Обязательное количество промотора на основе щелочного металла составляет не менее 500 млн-1 от массы катализатора (в пересчете на щелочной металл); предпочтительное содержание щелочного металла составляет от 700 млн-1 до 3000 млн-1 от массы катализатора. Предпочтительным щелочным металлом является цезий, хотя возможно применение также лития, натрия, калия, рубидия и их смесей. Для введения цезиевого компонента в катализатор с успехом применяют способы импрегнирования, описанные, например, в патенте США 3962136.
Для осуществления изобретения необходимо также наличие в катализаторе серы в качестве промоторного компонента в обязательном количестве по отношению к щелочному металлу. Серосодержащий компонент можно вводить в раствор для импрегнирования в форме сульфата, например сульфата цезия, сульфата аммония, пара-толуолсульфокислоты и т.п. В патенте США 4766105 описано применение серосодержащих промоторных агентов, например в столбце 10, строки 53-60, и эта информация данной ссылкой включена в настоящее описание. Количество серы (в пересчете на элементарную серу) по отношению к массе катализатора в соответствии с настоящим изобретением является критическим показателем и должно составлять от 10% до 150% эквивалентного количества, необходимого для образования сульфата щелочного металла, например Cs2SO4, предпочтительно от 40% до 100% этого количества.
Обнаружено, что применение относительно больших количеств щелочного металла, указанных выше, при котором в обычном случае образовывался бы неактивный катализатор, при использовании в сочетании с вышеуказанным количеством серы обеспечивает получение катализатора, обладающего чрезвычайно высокими характеристиками активности и селективности.
Катализатор также может содержать в качестве факультативного компонента фторсодержащий или хлорсодержащий промотор в количестве от 10 млн-1 до 300 млн-1 (в пересчете на элементарный галоген), предпочтительно от 30 млн-1 до 100 млн-1 от массы катализатора. Для этой цели можно применять фторид или хлорид аммония, фторид или хлорид щелочного металла и т.п.
Катализаторы изготовляют с применением носителей, содержащих оксид алюминия, диоксид кремния, алюмосиликаты или их сочетания. Предпочтительными являются носители, содержащие, главным образом, альфа-оксид алюминия, в частности носители, содержащие до 15% (мас.) диоксида кремния. Носители, которым отдается особое предпочтение, имеют пористость приблизительно 0,1-1,0 см3/т, предпочтительно приблизительно 0,2-0,7 см3/г. Предпочтительные носители имеют также относительно малую удельную поверхность, т.е. приблизительно 0,2-2,0 м2/г предпочтительно 0,4-1,6 м2/г и наиболее предпочтительно 0,5-1,3 м2/г (при определении методом BET, см. J. Am. Chem. Soc. 60, 3098-16 (1938)). Пористость определяют с помощью ртутного порозиметра; см. работу Дрейка и Риттера (Drake and Ritter, Ind. Eng. Chem. Anal. Ed. 17, 787 (1945)). Распределение пор и диаметров пор определяют из значений удельной поверхности и измерений кажущейся пористости.
Для применения в промышленном производстве оксида этилена носители целесообразно формовать в гранулы правильной формы, сферы, кольца и т.п. Желательно, чтобы частицы носителя имели "эквивалентные диаметры" в диапазоне от 3 мм до 10 мм, предпочтительно от 4 мм до 8 мм, которые обычно совместимы с внутренним диаметром трубок, в которые помещен катализатор. "Эквивалентным диаметром" считается диаметр сферы, имеющей то же значение отношения внешней поверхности (т.е. без учета внутренней поверхности пор частицы) к объему, что у применяемых частиц носителя.
Серебро предпочтительно добавляют к носителю путем погружения носителя в раствор для импрегнирования, содержащий комплекс серебра с амином, или способом минимального увлажнения. Жидкость, содержащая серебро, проникает в поры носителя под действием абсорбции, капиллярных сил и/или вакуума. Можно использовать либо однократное импрегнирование, либо ряд последовательных операций импрегнирования с промежуточным высушиванием или без него; выбор методики импрегнирования отчасти зависит от концентрации соли серебра в растворе. Для получения катализатора с содержанием серебра в пределах предпочтительного диапазона растворы для импрегнирования должны содержать, как правило, от 5% (мас.) до 50% (мас.) серебра (в пересчете на металл). Конкретные значения применяемых концентраций, разумеется, определяются, наряду с другими факторами, желательным содержанием серебра в катализаторе, природой носителя, вязкостью жидкости и растворимостью соединения серебра.
Раствор для импрегнирования, как указано выше, представляет собой раствор комплекса серебра с амином; предпочтительный раствор подробно описан в патенте США №3702259, информация из которого включена в настоящее описание данной ссылкой. Для введения цезиевого компонента целесообразно применять методики импрегнирования, описанные в патенте США №3962136.
Для предварительного, одновременного или последующего осаждения различных промоторов можно применять известные способы.
После импрегнирования отделяют избыток импрегнирующего раствора и носитель, импрегнированный серебром и промотором или промоторами, подвергают прокаливанию или активированию. В наиболее предпочтительном варианте осуществления изобретения прокаливание выполняют согласно описанию, представленному в должным образом переданном патенте США №5504052, выданном 2 апреля 1996 г., и в совместно рассматриваемой заявке №08/587281, поданной 16 января 1996 г., информация из которых включена в настоящее описание данными ссылками. Прокаливание выполняют путем нагревания импрегнированного носителя, предпочтительно постепенно, до температуры в пределах от 120°С до 500°С в течение времени, достаточного для превращения нанесенного на носитель серебра в металлическое серебро и для разложения органических соединений и удаления их в форме летучих продуктов.
В продолжении всей процедуры импрегнированный носитель выдерживают в инертной атмосфере, пока его температура превышает 300°С. Вне зависимости от теоретических обоснований считается, что при температурах от 300°С и выше происходит поглощение значительных количеств кислорода в объеме серебра, что оказывает отрицательное влияние на характеристики катализатора. Инертными атмосферами с точки зрения настоящего изобретения являются атмосферы, практически свободные от кислорода.
Альтернативным способом прокаливания является нагревание катализатора в потоке воздуха при температуре, не превышающей 300°С, предпочтительно не выше 280°С.
Катализаторы, приготовленные в соответствии с настоящим изобретением, обладают повышенными рабочими характеристиками, в частности стабильностью, при производстве оксида этилена путем окисления этилена в паровой фазе молекулярным кислородом. В таких процессах обычно используют температуры реакции от приблизительно 150°С до 400°С, как правило, от приблизительно 200°С до 300°С, и давления в реакторе в диапазоне от 0,3 бар до 35 бар. Исходные смеси реагентов содержат от 0,5% до 30% этилена и от 3% до 15% кислорода, остальное составляют относительно инертные вещества, такие как азот, диоксид углерода, метан, этан, аргон и т.п. Как правило, при каждом проходе через катализатор в реакцию вступает лишь часть этилена, и не вступившие в реакцию материалы возвращают в реактор окисления после отделения целевого продукта - оксида этилена и удаления соответствующих продувочных потоков и диоксида углерода во избежание неконтролируемого накопления инертных веществ и/или побочных продуктов.
Недостатком известных катализаторов с рениевым промотором является нестабильность, связанная с применением таких катализаторов. Катализаторы в соответствии с настоящим изобретением, не содержащие рения, обладают повышенной селективностью и повышенной стабильностью.
Изобретение иллюстрируется нижеприведенными примерами.
Пример 1
Приготовляли раствор серебра, используя следующие компоненты (количества указаны в массовых частях):
Оксид серебра - 834 части
Щавелевая кислота - 442 части
Деионизированная вода - 2808 частей
Этилендиамин - 415 частей
Оксид серебра смешивали с водой при комнатной температуре, а затем постепенно добавляли щавелевую кислоту. Перемешивали смесь в течение 15 мин; по истечении этого времени черный цвет суспензии оксида серебра переходил в серовато-коричневый цвет оксалата серебра. Смесь разделяли фильтрованием и промывали твердый осадок 3 л деионизированной воды.
Сосуд, содержащий промытый твердый продукт, помещали в ледяную баню и перемешивали, медленно прибавляя этилендиамин и воду (смесь 72%/28%) так, чтобы температура реакционной массы не превышала 33°С. После добавления всей смеси этилендиамина с водой раствор фильтровали при комнатной температуре. Прозрачный фильтрат использовали в качестве исходного раствора комплекса серебра с амином для приготовления катализатора.
Носитель, использованный в примерах, был получен от фирмы "Нортон" (Norton Co.) и был изготовлен, в основном, из альфа-оксида алюминия в форме цилиндрических гранул размером 5/16 дюйма (7,9 мм). Носитель имел удельную поверхность 0,95 м2/г, удельный объем пор 0,3 см2/г и средний диаметр пор 1,5 мкм.
Для приготовления катализаторов согласно примерам приблизительно 185 частей раствора серебра смешивали с различными количествами следующих материалов:
1. Раствор гидроксида цезия (8% (мас.) Cs в воде).
2. Раствор фторида аммония (3% (мас.) F в воде).
3. Раствор бисульфата аммония (1% (мас.) S в воде).
Количества растворов промоторов подбирали таким образом, чтобы получить концентрации промоторов, указанные в таблицах.
Смесь исходного раствора серебра и растворов промоторов перемешивали для обеспечения однородности, а затем прибавляли к 400 частям носителя. Увлажненный носитель перемешивали в течение 10 мин, после чего прокаливали.
При прокаливании осаждение соединения серебра вызывали путем нагревания катализатора до температуры разложения соли серебра. Этот эффект достигался путем нагревания в печи, имеющей несколько зон нагрева, в регулируемой атмосфере. Катализатор помещали на ленточный транспортер, который входил в печь при температуре окружающей среды. По мере прохождения катализатора от одной зоны к следующей температура постепенно повышалась. После прохождения катализатора через семь зон нагрева она достигала 400°С. После зон нагрева лента транспортера проходила через зону охлаждения, в которой катализатор постепенно охлаждался до температуры ниже 100°С. Общее время пребывания катализатора в печи составляло 22 мин. Атмосферу в печи регулировали путем введения потока азота в различные зоны нагрева. В некоторых случаях, указанных в нижеприведенных таблицах, прокаливание производили в воздухе.
Катализаторы испытывали в трубке, нагреваемой с помощью солевой бани. Через слой катализатора пропускали под избыточным давлением 300 фунтов на 1 кв. дюйм (2,068 МПа) газовую смесь, содержащую 15% этилена, 7% кислорода и 78% инертных веществ, главным образом, азота и диоксида углерода. Температуру реакции устанавливали с расчетом обеспечения производительности по оксиду этилена 160 кг/ч на 1 м3 катализатора; эта температура указана в таблице.
Результаты испытаний катализаторов представлены в нижеприведенных таблицах.
| Таблица 1 | |||||||
| Пример | Содержание Cs, млн-1 | Содержание S, млн-1 | Отношение S/2Cs | Температура, °С | Селективность, % | Оксид этилена в выходном потоке (% об.) | Примечания |
| 1 (Сопоставительный) | 1050 | 0 | 0 | 258 | 77,3 | 1,5 | |
| 2 | 1050 | 85 | 0,672 | 235 | 84,5 | 1,56 |
Обнаружено, что, когда концентрация серы составляет от 20% до 150% эквивалентной концентрации цезия, активность и селективность катализатора значительно возрастают. Это преимущество особенно очевидно в случаях, когда концентрация серы составляет от 50% до 100% эквивалентной концентрации цезия. Два вышеприведенных примера иллюстрируют влияние добавления серы, при котором температура реакции понижалась на 23°, а селективность повышалась на 7% в случае введения серы в критическом количестве по сравнению с аналогичным катализатором, не содержавшим серы.
Введение в катализатор высокой концентрации компонента, содержащего щелочной металл, приводит к практически полной потере активности катализатора. Введение серы, однако, обеспечивает хорошие рабочие характеристики, что иллюстрируется примерами, представленными в нижеприведенной таблице.
| Таблица 2 | |||||||
| Пример | Содержание Cs, млн-1 | Содержание S, млн-1 | Отношение S/2Cs | Температура, °С | Селективность, % | Оксид этилена в выходном потоке (% об.) | Примечания |
| 3 (Сопоставительный) | 2450 | О | 0 | 260 | 30,0 | 0,03 | Катализатор не активен |
| 4 | 2551 | 307 | 1 | 243 | 85,0 | 1,5 | |
| 5 | 1166 | 0 | 0 | 260 | 65,2 | 0,25 | Катализатор не активен |
| 6 | 1092 | 305 | 2,32 | 253 | 83,3 | 1,5 | |
| 7 (Сопоставительный) | 0 | 0 | 260 | 25 | 0,001 | Катализатор не активен | |
| 8 | 3953 | 408 | 0,86 | 254 | 83,6 | 1,5 | |
| 9 | 5418 | 565 | 0,87 | 243 | 83,8 | 1,37 |
Из этой группы примеров видно, что введение серы приводит к резкому возрастанию селективности и активности катализатора (сравни примеры 3 и 4, а также 5 и 6 и примеры 7 и 8).
В отсутствии серы и при введении высоких концентраций цезия (превышающих 1000 млн-1) катализатор практически не активен. Однако введение серы в указанном диапазоне концентраций обеспечивает чрезвычайно высокую селективность, превышающую 84%, и умеренную активность, что следует из нижеприведенной таблицы.
| Таблица 3 | ||||||||
| Пример | Содержание Cs, млн-1 | Содержание S, млн-1 | Отношение S/2Cs | Содержание Ag, % | Промоторы | Температура, °C | Селективность, % | Оксид этилена в выходном по токе (% об.) |
| 10 | 1459 | 180 | 1,0 | 12,27 | Cs2SO4/NH4Cl | 234 | 85,9 | 1,5 |
| 11 | 2282 | 274 | 1,0 | 11,09 | Cs2SO4 | 242 | 85,9 | 1,5 |
| 12 | 1566 | 98 | 0,52 | 11,96 | Cs2SO4/CsOH/NH4Cl | 239 | 86,6 | 1,5 |
| 12 | 1480 | 98 | 0,55 | 11,98 | Cs2SO4/CsOH/NH4Cl | 245 | 86,7 | 1,5 |
| 14 | 1460 | 98 | 0,56 | 11,93 | Cs2SO4/CsOH/NH4Cl | 243 | 86,8 | 1,5 |
| 15 | 1580 | 115 | 0,6 | 11,68 | Cs2SO4/CsOH/NH4Cl | 243 | 87,0 | 1,5 |
В вышеприведенных таблицах отношение S/2Cs, равное 1, означает 100% количества серы, эквивалентного необходимому для образования сульфата цезия. Значение отношения S/2Cs, равное, например, 0,86, означает 86% количества серы, эквивалентного необходимому для образования сульфата цезия.
1. Катализатор для окисления этилена в оксид этилена, не содержащий рения и переходных металлов, включающий до 30 мас.% серебра на твердом носителе и содержащий промоторную комбинацию, состоящую главным образом из (1) компонента, содержащего щелочной металл, в количестве от 700 до 3000 млн-1 от массы данного катализатора; и (2) компонента, содержащего серу в количестве от 40 до 100% массы, эквивалентной количеству, необходимому для образования сульфата щелочного металла, а также, факультативно, фторсодержащего компонента в количестве (10 -300)млн-1 от массы данного катализатора.
2. Катализатор по п.1, где щелочным металлом является цезий.
3. Катализатор по п.1, где носителем является альфа-оксид алюминия.
4. Катализатор по п.1, включающий от 5 до 20 мас.% серебра.
5. Катализатор по п.1, содержащий фторсодержащий компонент в количестве от 10 до 300 млн-1 от массы данного катализатора.
6. Катализатор по п.1, отличающийся тем, что упомянутый твердый носитель содержит альфа-оксид алюминия, содержащий до приблизительно 15 мас.% диоксида кремния.
7. Катализатор по п.6, отличающийся тем, что упомянутый твердый носитель имеет пористость приблизительно 0,1-1,0 см3/г и удельную поверхность приблизительно 0,2-1,0 м2/г.
8. Катализатор по п.6, отличающийся тем, что упомянутый твердый носитель имеет удельную поверхность приблизительно 0,5-1,3 м2/г.
9. Способ получения оксида этилена, включающий проведение реакции этилена с молекулярным кислородом в присутствии катализатора по п.1.
