Получение палладиевозолотых катализаторов

Изобретение относится к способам получения катализаторов и их использованию. Описан способ получения палладиевозолотого катализатора на носителе, включающий: (а) увеличение объема проникновения ртути титандиоксидного носителя до 0,31 мл/г или более путем смешивания двух диоксидов титана с различными размерами частиц, либо путем смешивания спеченного диоксида титана с неспеченным диоксидом титана, либо путем смешивания диоксида титана, высушенного распылением, с диоксидом титана, высушенным без распыления, и пропитывание носителя солью палладия, солью золота и, необязательно, соединением щелочного металла или аммония; и (b) восстановление пропитанного носителя для получения палладиевозолотого катализатора на носителе. Описан способ получения винилацетата, включающий окисление этилена в присутствии уксусной кислоты и палладиевозолотого катализатора, описанного выше. Технический результат - описанные палладиевозолотые катализаторы на носителях обладают повышенной активностью при ацетоксилировании. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 табл., 8 пр.

 

Область, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к палладиевозолотым катализаторам на носителях. Более конкретно, изобретение относится к палладиевозолотым катализаторам на носителях, обладающим повышенной каталитической активностью и устойчивостью активности при ацетоксилировании.

Предпосылки создания изобретения

Палладиевозолотые катализаторы известны. Они применяются при ацетоксилировании. Например, при окислении этилена в присутствии палладиевозолотого катализатора и уксусной кислоты образуется винилацетат, который является мономером, используемым для производства полимеров.

Ацетоксилирование обычно выполняют путем проведения реакции в паровой фазе с применением палладиевозолотого катализатора на носителе. Способы нанесения палладиевозолотого катализатора на носитель также известны. Как правило, эти способы включают осаждение смеси солей палладия и золота на носитель с последующим восстановлением палладия и золота до металлов.

Как палладий, так и золото являются дорогостоящими драгоценными металлами. Поэтому предпринимались многочисленные попытки повышения каталитической активности и уменьшения необходимого количества катализатора. Например, в патенте США №6,022,823 описано прокаливание носителя, пропитанного солями палладия и золота, перед восстановлением металлов. Этот катализатор обладает повышенной активностью.

Таким образом, для химической промышленности по-прежнему является важным поиск усовершенствованных способов повышения каталитической активности палладиевозолотых катализаторов на носителях. В идеальном варианте такой катализатор должен обладать повышенной активностью и требовать меньшего количества драгоценных металлов.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение предлагает способ изготовления палладиевозолотого катализатора на носителе. Способ включает повышение общей пористости носителя из диоксида титана (титандиоксидного носителя). Пористость титандиоксидного носителя можно повысить, например, путем смешивания двух титандиоксидных носителей с различными размерами частиц. Затем титандиоксидный носитель пропитывают солью палладия, солью золота и факультативно соединением щелочного металла или аммония. Затем пропитанный носитель восстанавливают для получения палладиевозолотого катализатора на носителе. Согласно альтернативному варианту пропитанный носитель вначале прокаливают, а затем восстанавливают для получения палладиевозолотого катализатора на носителе.

Изобретение охватывает палладиевозолотой катализатор, полученный способом по настоящему изобретению, и его применение при ацетоксилировании для получения винилацетата и аллилацетата. Катализаторы, полученные в соответствии со способом по настоящему изобретению, обладают повышенной каталитической активностью при ацетоксилировании.

Подробное описание изобретения

Способ по настоящему изобретению включает повышение общей пористости носителя из диоксида титана (титандиоксидного носителя). Пористость носителя можно измерять путем определения общего проникновения ртути. Например, пористость можно измерять с помощью прибора Micromeretics AutoPore IV 9500 с применением трижды дистиллированной ртути. Образцы вакуумируют при давлении 0,05 торр (6,7 Па) в течение 5 мин и измеряют проникновение ртути под давлением 0,05-30000 фунтов на кв. дюйм (0,003-2100 кг/см²) при времени уравновешивания 30 с. Можно применять любой способ повышения пористости диоксида титана. Согласно одному из способов пористость титандиоксидного носителя повышают путем смешивания двух типов диоксида титана, отличающихся размерами частиц. Согласно другому способу пористость титандиоксидного носителя повышают путем смешивания спеченного диоксида титана с неспеченным диоксидом титана. Согласно еще одному способу пористость титандиоксидного носителя повышают путем смешивания диоксида титана, высушенного распылением, с диоксидом титана, высушенным без распыления.

Титандиоксидный носитель, полученный способом по настоящему изобретению, предпочтительно имеет пористость 0,31 мл ртути на г или более. Более предпочтительно титандиоксидный носитель имеет пористость 0,35 мл ртути на г или более. Наибольшее предпочтение отдается титандиоксидному носителю, имеющему пористость 0,40 мл ртути на г или более.

Титандиоксидный носитель факультативно прокаливают. Прокаливание выполняют путем выдерживания диоксида титана при температуре предпочтительно в пределах от 500°С до 900°С, более предпочтительно от 600°С до 800°С и наиболее предпочтительно от 650°С до 750°С.

Прокаленный или непрокаленный носитель пропитывают солью палладия, солью золота и факультативно соединением щелочного металла или аммония. Можно применять любой пригодный способ пропитывания. Например, пропитывание носителя описано в патенте США №6,022,823. Носитель может быть, например, обработан одновременно или последовательно солью палладия, солью золота и соединением щелочного металла или аммония. Пропитывание выполняют предпочтительно в водном растворе. Концентрации растворов и количество каждого из применяемых растворов определяется требуемой концентрацией палладия и золота в готовом катализаторе.

К пригодным солям палладия относятся хлорид палладия, хлорпалладит натрия, нитрат палладия, сульфат палладия и аналогичные соединения, а также их смеси. К пригодным солям золота относятся треххлористое золото, тетрахлорзолотая кислота, тетрахлораурат натрия и аналогичные соединения, а также их смеси. Наиболее широкое применение находят тетрахлораурат натрия и хлорид палладия или хлорпалладит натрия.

К пригодным соединениям щелочных металлов или аммония относятся гидроксиды щелочных металлов или аммония, карбонаты щелочных металлов или аммония, бикарбонаты щелочных металлов или аммония, метасиликаты щелочных металлов или аммония и аналогичные соединения, а также их смеси.

Один из способов пропитывания носителя включает обработку носителя водным раствором соединения щелочных металлов или аммония. Затем обработанный носитель вводят в контакт с водным раствором, содержащим соли палладия и золота.

Согласно другому способу пропитывание растворами палладия и золота выполняют до обработки водным раствором соединения щелочных металлов или аммония. При этой процедуре носитель пропитывается водным раствором солей палладия или золота до практически полного насыщения. В типичных случаях эта операция производится нанесением раствора на носитель капанием до появления влаги. Затем носитель, пропитанный солями палладия и золота, вводят в контакт с соединением щелочного металла или аммония.

Третий способ включает смешивание соединения щелочного металла или аммония с соединениями драгоценных металлов перед введением в контакт с носителем. Контакт с носителем может осуществляться путем нанесения смеси на носитель капанием или орошением до появления влаги либо путем приготовления суспензии порошкообразного носителя в растворе.

Пропитанный катализатор предпочтительно промывают водой для удаления солей щелочных металлов, таких как хлориды, образовавшихся в процессе пропитывния, и сушат перед прокаливанием.

Пропитанный носитель восстанавливают. Факультативно пропитанный носитель перед восстановлением прокаливают, т.е. выдерживают при повышенной температуре в невосстановительной атмосфере. Предпочтительно прокаливание выполняют в условиях, обеспечивающих разложение солей палладия и золота. Более предпочтительно обеспечение разложения при прокаливании по меньшей мере 10% солей палладия и золота.

Прокаливание пропитанного носителя предпочтительно выполняют при температуре в пределах от приблизительно 100°С до приблизительно 600°С. Более предпочтительно температура прокаливания лежит в пределах от 100°С до 300°С. Наибольшее предпочтение отдается температурам в пределах от 150°С до 250°С.

К невосстановительным газам, применяемым при прокаливании, относятся инертные или окисляющие газы, например гелий, азот, аргон, неон, оксиды азота, кислород, воздух, диоксид углерода и аналогичные газы, а также их смеси. Предпочтительно прокаливание выполняют в атмосфере азота, кислорода, воздуха или их смесей.

Степень разложения солей палладия и золота зависит от температуры прокаливания, вида нанесенной соли и длительности прокаливания пропитанного носителя; ее можно контролировать путем мониторинга летучих продуктов разложения. Например, если носитель пропитан карбонатами палладия и золота, можно измерять количество выделяющегося диоксида углерода (CO₂).

После факультативной стадии прокаливания полученный продукт восстанавливают для превращения солей палладия и золота в соответствующие металлы. Восстановление выполняют путем нагревания в присутствии восстановителя. К пригодным восстановителям относятся аммиак, оксид углерода, водород, углеводороды, олефины, альдегиды, спирты, гидразин, первичные амины, карбоновые кислоты, соли карбоновых кислот, сложные эфиры карбоновых кислот и т.п., а также их смеси. Среди восстановителей предпочтение отдается водороду, этилену, пропилену, гидразину в щелочной среде и формальдегиду в щелочной среде, а особое предпочтение - этилену и водороду.

Температуры, применяемые при восстановлении, могут лежать в пределах от комнатной до приблизительно 600°С. Предпочтительно температура восстановления лежит в пределах от 300°С до 600°С. Наиболее предпочтительными являются температуры восстановления в пределах от 450°С до 550°С. В результате восстановления получают палладиевозолотой катализатор на носителе.

Изобретение охватывает палладиевозолотой катализатор на носителе, изготовленный способом по настоящему изобретению. Палладиевозолотой катализатор на носителе предпочтительно содержит от 0,1% (масс.) до 3% (масс.) палладия, от 0,1% (масс.) до 3% (масс.) золота, а массовое отношение палладия к золоту лежит в пределах от 5/1 до 1/3. Более предпочтительно палладиевозолотой катализатор на носителе содержит от 0,5% (масс.) до 1,5% (масс.) палладия и от 0,25% (масс.) до 0,75% (масс.) золота, а массовое отношение палладия к золоту лежит в пределах от 2,5/1 до 1/1,5.

Палладиевозолотые катализаторы на носителях, изготовленные по настоящему изобретению, имеют разнообразные области применения. Они могут быть применены, например, для частичного окисления, для гидрирования, для карбонилирования, в синтезе аммиака, для селективного гидрирования, для ацетоксилирования, для каталитического сжигания или полного окисления, для тройного катализа, удаления NO_x, в синтезе метанола, в синтезе перекиси водорода, для гидроформилирования, для алкилирования и переноса алкилов, для окислительного карбонилирования, для осуществления реакции сочетания олефинов с ароматическими соединениями и для получения метилизобутилкетона из ацетона.

Палладиевозолотые катализаторы на носителях, изготовленные по настоящему изобретению, являются особенно эффективными в производстве винилацетата и аллилацетата. Известны различные способы производства винилацетата и аллилацетата. Производство винилацетата с применением палладиевозолотых катализаторов описано, например, в патентах США №3,743,607 и №3,775,342.

Для применения в производстве винилацетата и аллилацетата палладиевозолотые катализаторы на носителях предпочтительно обрабатывают соединением калия, таким как ацетат калия. Обработку калием можно выполнять путем смешивания катализатора с раствором ацетата калия, фильтрования и сушки обработанного катализатора.

В общих чертах, винилацетат может быть получен путем окисления этилена в присутствии уксусной кислоты и палладиевозолотого катализатора на носителе. Аллилацетат может быть получен аналогичным способом с применением пропилена вместо этилена.

Автором настоящего изобретения неожиданно обнаружено, что катализаторы по настоящему изобретению обладают не только высокой каталитической активностью, но также и высокой стабильностью активности. Один из недостатков известных палладиевозолотых катализаторов заключается в потере активности катализаторов со временем. Настоящее изобретение обеспечивает устранение этого недостатка. Каталитическую активность можно измерить, например, путем определения выхода винилацетата по кислороду. Катализаторы по настоящему изобретению предпочтительно обеспечивают выход винилацетата по кислороду 35% или выше, более предпочтительно 37% или выше и наиболее предпочтительно 40% или выше, измеренный через 100 ч работы в потоке.

Нижеприведенные примеры лишь иллюстрируют настоящее изобретение. Специалистам в отрасли будут очевидны многочисленные изменения, не выходящие за пределы сущности изобретения и объема формулы изобретения.

Получение экструдата

Приготовляют сухую смесь путем смешения 400 г порошкообразного диоксида титана (DT51 производства Millennium Chemicals) с 8,2 г связующего, конкретно указанного для каждого из нижеприведенных примеров. Затем при осторожном перемешивании добавляют 5,5 г пластификатора (полиэтиленоксида), 217 г воды и 16 г концентрированного гидроксида аммония, получая рыхлую сухую смесь. Количества примененных компонентов в массовом выражении и их относительные значения представлены в Таблице 1. Затем эту смесь переносят в смеситель Thermo Haake Rheomix 3000 (внутренний объем 625 мл) и перемешивают, применяя сигмообразные лопасти. Лопасти вращают в противоположных направлениях со скоростью 50 оборотов в минуту (об/мин) с помощью приводной установки Thermo Haake Rheocord 300 p в течение 30 мин для получения хорошо перемешанной пасты из исходных компонентов.

Таблица 1
Состав пасты
Компонент	Масса, г	Относительное количество, % (масс.)
Диоксид титана, порошок	400	61,9
Вода	217	33,6
Пластификатор	5,5	0,9
Вяжущее	8,2	1,3
Гидроксид аммония концентрированный	16	2,5

Пасту извлекают из чаши смесителя и выдерживают в герметичном пластиковом мешке в течение 24 ч для гомогенизации пасты и полного гидратирования вяжущего. Затем экструдируют пасту в цилиндры диаметром 1/8 дюйма (3 мм), применяя установку Thermo Haake Rheomex 202 p с приводом Rheocord 300 р. Экструдат сушат при комнатной температуре в течение не менее 24 ч, а затем при 105°С в течение не менее 16 ч. Прокаливают экструдат при 700°С, применяя линейное повышение температуры от комнатной до 500°С со скоростью 1°С/мин, выдержку при 500°С в течение 1 ч, а затем линейное повышение температуры от 500°С до 700°С со скоростью 10°С/мин и выдержку при 700°С в течение 6 ч.

Ртутная порометрия

Пористость носителя измеряют с помощью прибора Micromeretics AutoPore IV 9500, используя трижды дистиллированную ртуть. Пробы вакуумируют при давлении 0,05 торр (6,7 Па) в течение 5 мин и измеряют проникновение ртути под давлением 0,05-30000 фунтов на кв. дюйм (0,003-2100 кг/см²) при времени уравновешивания 30 с. Характеристики суммарного проникновения представлены в таблице 2.

Приготовление катализатора

NaAuCl₄ (0,987 г), Na₂PdCl₄, (2,645 г) и NaHCO₃ (2,760 г) растворяют в воде (33 мл). Полученный раствор наносят на диоксидтитановый экструдат (100 г), используя любую пригодную пипетку, при окомковывании экструдата во вращающемся тарельчатом окомковывателе до заполнения всего доступного объема пор экструдата. После этого экструдат окомковывают в течение 30 мин, а затем подвергают поверхностной сушке при 80-85°С в течение 1 ч, используя фен. Сушат смесь в сушильном шкафу при 105°С в течение не менее 16 ч, а затем промывают большим количеством деионизированной воды для удаления хлоридов.

Пропитанный диоксид титана, изготовленный, как описано выше, прокаливают в реакторе при 200°С в потоке воздуха под давлением 70 фунтов на кв. дюйм (480 кПа) в течение 3 ч для обеспечения частичного (свыше 10%) разложения осажденных солей драгоценных металлов.

После вышеупомянутого прокаливания реактор продувают азотом, после чего вводят в него смесь 20% водорода с азотом под давлением 70 фунтов на кв. дюйм (480 кПа). Повышают температуру в линейном режиме до 500°С со скоростью 10°С/мин. Поддерживают температуру 500°С в течение 3 ч. Продувают реактор азотом, и полученный готовый катализатор охлаждают в потоке азота до комнатной температуры.

25 г полученного катализатора вводят в контакт с избытком (>50 мл) водного раствора ацетата калия (5% (масс.)) и 0,5% гидроксида калия при комнатной температуре на 10 мин. Разделяют смесь декантированием, и обработанный калием катализатор сушат в сушильном шкафу при 105°С в течение не менее 4 ч.

Испытание катализатора

Оценивают эффективность катализатора при производстве винилацетата, применяя трубчатый реактор вытеснения (из нержавеющей стали, номинальный наружный диаметр 1 дюйм - 25 мм) с уплотненным слоем. Объем слоя составляет 30 мл, и катализатор разбавлен инертным оксидом алюминия в соотношении оксида алюминия к экструдату катализатора 2,5:1. Давление в реакторе составляет 80 фунтов на кв. дюйм (550 кПа), а объемная скорость исходной смеси (при 0°С и давлении 1 атм) по отношению к применяемому катализатору составляет 3800 ч^-1. Состав исходной смеси: этилен 84,7%, уксусная кислота 9,9%, кислород 3,8%, азот 1,6%. Температура охлаждающего средства реактора составляет 130°С. Значения выхода винилацетата по кислороду представлены в таблице 2.

Сопоставительные примеры 1-3

В сопоставительных примерах 1-3 применены известные способы получения палладиевозолотых катализаторов на носителях. Титандиоксидные носители, примененные в этих сопоставительных примерах, согласно результатам измерения объема проникшей ртути, имеют относительно низкую пористость.

Сопоставительный пример 1

В качестве связующего применена натриевая карбоксиметилцеллюлоза. Экструдат и катализатор получены, как описано выше. Достигнутая пористость (по данным ртутной порометрии) и характеристика катализатора (выраженная через выход винилацетата по кислороду после 100 ч работы в потоке) представлены в Таблице 2.

Сопоставительный пример 2

В качестве связующего применена карбоксиметилцеллюлоза. Экструдат и катализатор получены, как описано выше. Достигнутая пористость (по данным ртутной порометрии) и характеристика катализатора (выраженная через выход винилацетата по кислороду после 100 ч работы в потоке) представлены в Таблице 2.

Сопоставительный пример 3

В качестве связующего применена метилцеллюлоза. Экструдат и катализатор получены, как описано выше. Достигнутая пористость (по данным ртутной порометрии) и характеристика катализатора (выраженная через выход винилацетата по кислороду после 100 ч работы в потоке) представлены в Таблице 2.

Примеры 4-8

Примеры 4-8 иллюстрируют настоящее изобретение. В этих примерах применены различные способы повышения пористости носителя. Полученные палладиевозолотые катализаторы на носителях имеют повышенную пористость и улучшенную рабочую характеристику, выраженную через выход винилацетата по кислороду.

Пример 4

В качестве связующего применена карбоксиметилцеллюлоза. Экструдат и катализатор получены, как описано выше, за исключением того, что 300 г ультратонкозернистого диоксида титана DT51 заменены 400 г пигментного диоксида титана (AT1 производства Millennium Chemicals). Общее количество воды также уменьшено с 217 г до 166 г. Сравнение Примера 4 с Сопоставительным примером 2 показывает, что использование пигментного диоксида титана приводит к увеличению общего объема пор, измеряемого по суммарному проникновению ртути. Палладиевозолотой катализатор, нанесенный на этот носитель, имеет улучшенную рабочую характеристику, выраженную через выход винилацетата по кислороду после 100 ч работы в потоке.

Пример 5

В качестве связующего применена метилцеллюлоза. Экструдат и катализатор получены, как описано выше, за исключением того, что из общего количества 400 г порошкообразного диоксида титана 100 г заменены порошкообразным диоксидом титана, спеченным при 850°С в течение 6 ч. Общее количество воды также уменьшено с 217 г до 160 г. Из Таблицы 2 видно, что применение предварительно спеченного диоксида титана приводит к увеличению общего объема пор, измеряемого по суммарному проникновению ртути. Палладиевозолотой катализатор, нанесенный на этот носитель, имеет улучшенную рабочую характеристику, выраженную через выход винилацетата по кислороду после 100 ч работы в потоке.

Пример 6

Экструдат и катализатор получены, как описано выше, за исключением того, что из общего количества 400 г порошкообразного диоксида титана 100 г заменены порошкообразным диоксидом титана, спеченным при 900°С в течение 6 ч. Из Таблицы 2 видно, что применение предварительно спеченного диоксида титана приводит к увеличению общего объема пор, измеряемого по суммарному проникновению ртути. Палладиевозолотой катализатор, нанесенный на этот носитель, имеет улучшенную рабочую характеристику, выраженную через выход винилацетата по кислороду после 100 ч работы в потоке.

Пример 7

В качестве связующего применена карбоксиметилцеллюлоза. Экструдат и катализатор получены, как описано выше, за исключением того, что из общего количества 400 г порошкообразного диоксида титана 100 г заменены порошкообразным диоксидом титана, высушенным распылением. Суспензия диоксида титана в воде высушена распылением в распылительной сушилке диаметром 3 фута (0,9 м). Температура на входе 220°С, температура на выходе 90°С, скорость вращения 27000 об/мин. Использована собранная в циклоне фракция с размерами частиц 10-20 мкм. Общее количество использованной воды также уменьшено с 217 г до 183 г. Из Таблицы 2 видно, что применение высушенного распылением диоксида титана приводит к увеличению общего объема пор, измеряемого по суммарному проникновению ртути. Палладиевозолотой катализатор, нанесенный на этот носитель, имеет улучшенную рабочую характеристику, выраженную через выход винилацетата по кислороду после 100 ч работы в потоке.

Пример 8

Экструдат и катализатор получены, как описано выше, за исключением того, что из общего количества 400 г порошкообразного диоксида титана 100 г заменены порошкообразным диоксидом титана, спеченным при 825°С в течение 6 ч. Из Таблицы 2 видно, что применение предварительно спеченного диоксида титана приводит к увеличению общего объема пор, измеряемого по суммарному проникновению ртути. Палладиевозолотой катализатор, нанесенный на этот носитель, имеет улучшенную рабочую характеристику, выраженную через выход винилацетата по кислороду после 100 ч работы в потоке.

1. Способ получения палладиевозолотого катализатора на носителе, включающий:
(a) увеличение объема проникновения ртути титандиоксидного носителя до 0,31 мл/г или более путем смешивания двух диоксидов титана с различными размерами частиц, либо путем смешивания спеченного диоксида титана с неспеченным диоксидом титана, либо путем смешивания диоксида титана, высушенного распылением, с диоксидом титана, высушенным без распыления, и пропитывание носителя солью палладия, солью золота и необязательно соединением щелочного металла или аммония; и
(b) восстановление пропитанного носителя для получения палладиевозолотого катализатора на носителе.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что титандиоксидный носитель имеет общий объем проникновения ртути 0,35 мл/г или более.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что титандиоксидный носитель имеет общий объем проникновения ртути 0,40 мл/г или более.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что соединение щелочного металла или аммония выбрано из группы, которую составляют гидроксиды, карбонаты, бикарбонаты, метасиликаты и их смеси.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что соединением щелочного металла или аммония является карбонат или бикарбонат.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутая соль палладия выбрана из группы, которую составляют хлорид палладия, хлорпалладит натрия, нитрат палладия, сульфат палладия; и соль золота выбрана из группы, которую составляют треххлористое золото, тетрахлорзолотая кислота, тетрахлораурат натрия и их смеси.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что пропитанный диоксид титана перед восстановлением прокаливают.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что прокаливание выполняют в невосстановительной атмосфере при температуре в пределах от 100°С до 600°С.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что невосстановительная атмосфера выбрана из группы, которую составляют гелий, азот, аргон, неон, оксиды азота, кислород, воздух, диоксид углерода и их смеси.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что температура прокаливания лежит в пределах от 100°С до 300°С.

11. Способ по п.7, отличающийся тем, что восстановление выполняют в присутствии водорода.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что восстановление выполняют при температуре в пределах от 450°С до 550°С.

13. Способ по п.7, дополнительно включающий обработку палладиевозолотого катализатора на носителе солью калия.

14. Палладиевозолотой катализатор на носителе, полученный способом по п.1.

15. Способ получения винилацетата, включающий окисление этилена в присутствии уксусной кислоты и палладиевозолотого катализатора на носителе по п.14.