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Dokumentenidentifikation DE102004057373A1 01.06.2006
Titel Verfahren zur Verbesserung eines festen Katalysators für Exotherme Reaktionen durch Modifizierung der Porenstruktur
Anmelder Datsevich, Leonid, Dr., 95445 Bayreuth, DE
Erfinder Datsevich, Leonid, Dr., 95445 Bayreuth, DE
DE-Anmeldedatum 26.11.2004
DE-Aktenzeichen 102004057373
Offenlegungstag 01.06.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.06.2006
IPC-Hauptklasse B01J 35/10(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung eines festen Katalysators für die Intensivierung exothermer Reaktionen, bei dem ein Netzwerk aus Makroporen beziehungsweise Einkerbungen auf der äußeren Katalysatoroberfläche hergestellt wird.

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Produktivität von Katalysatorpartikeln, durch die Schaffung eines porösen Netzwerkes mit sehr großen Makroporen auf der Katalysatorschale. Insbesondere ist die Erfindung bestimmt für die Verstärkung von exothermen Mehrphasenreaktionen, wie beispielsweise Hydrierreaktionen, bei denen ein Oszillationsmechanismus stattfindet und bei denen Oszillationen durch große Makroporen intensiviert oder erzwungen werden können.

Hintergrund der Erfindung

Katalysatoren in exothermen Reaktionen, insbesondere in Hydrierreaktionen, werden in großer Bandbreite in einer sehr großen Anzahl industrieller Prozesse zum Herstellen von Zwischen- und Endprodukten angewendet: Monomere, Pharmazeutika, Düfte, Lebensmittelprodukte und viele andere chemische Additive, genauso wie Brenn- und Schmierestoffe.

Der Reaktionsmechanismus an einem einzelnen katalytischen Partikel umfasst die folgenden Schritte: Diffusion der reagierenden Komponenten innerhalb der Poren aus der Flüssigkeit außerhalb des katalytischen Partikels bis hin zu den aktiven Zentren innerhalb der Poren, Umsatz der Reaktanden auf den aktiven Zentren und rückläufige Diffusion der Reaktionsprodukte in die Umgebung des Katalysators.

In der Regel nutzt man bei der Ausarbeitung von Katalysatoren und Prozessen die konventionellen Modelle [1]: Diese Modelle betrachten den Transport der Reagenzien in der porösen Struktur als den Prozess, der ausschließlich durch molekulare Diffusion ausgeführt wird. Gemäß diesem konventionellen Verständnis orientieren sich Entwickler und Hersteller von Katalysatoren in Richtung einer Zunahme der Katalysatoraktivität, die, wie betrachtet, direkt mit einer Zunahme in der inneren Oberfläche korrespondiert [2,3].

(Anmerkung: Je größer die innere Oberfläche der Poren des Katalysators ist, desto kleiner ist deren durchschnittlicher Durchmesser. Dies bedeutet, dass der maximale Wert des Oberflächenbereichs begrenzt werden sollte, so dass der durchschnittliche Durchmesser der Poren nicht kleiner als die molekularen Durchmesser der Reagenzien und Produkte werden sollte).

Ein neuer Reaktionsmechanismus, das so genannte „Oszillationsmodell", ist kürzlich entwickelt [4-7] und überprüft [8-10] worden. Gemäß diesem Oszillationsmodell kann bei Reaktionen mit Gas- und/oder Wärmeproduktion die oszillierende Bewegung von Flüssigkeit in Poren stattfinden, was in einer signifikanten Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit resultieren kann. Die Geschwindigkeiten von Flüssigkeitsoszillationen können Werte von 10 bis 100 m/s bei Frequenzen von ca. 10 Hz erreichen.

Gemäß dieser Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, das das Oszillationsverhalten ausnutzt. Als ein Beispiel wird die Hydrierungsreaktion von 1-Okten zu n-Oktan betrachtet, wo ein Anstieg der Katalysatoraktivität eines kommerziellen Ni-Katalysators offenbart wird. Der positive Effekt wurde erreicht durch Schaffung eines Netzwerks von extrem großen Poren (Einkerbungen von mehr als 30&mgr;m) auf der Partikelschale, die eine Intensivierung der Oszillationen in der Katalysatormasse hervorrufen.

Beispiele der konkreten Realisierung

Das erfindungsgemäße Verfahren wurde auf einen kommerziellen Nickelkatalysator (NiSAT G-33 RS, Pillen 6mm × 6mm, hergestellt durch Fa. Süd-Chemie, Deutschland) bei der Hydrierung von 1-Okten zu n-Oktan angewendet. 1 zeigt den Ausschnitt der Katalysatorschale, wo die mit einer Nadel in kreuzweise erzeugten Einkerbungen von 30 bis 60 &mgr;m sichtbar sind.

Wegen eines Netzwerks von Einkerbungen auf der Partikelschale, was in der Eliminierung von einigen der feinen Poren resultiert, mindern extrem große Poren im modifizierten Katalysatorpartikel die Porosität und den Oberflächenbereich, während der durchschnittliche Durchmesser vergrößert wird (siehe Tabelle 1).

Die Reaktionsgeschwindigkeiten der Katalysatorpartikel wurden in einem Rüttelreaktor gemessen (100°C, 11 bar, Reaktorvolumen – 100 cm3, Volumen des anfänglichen 1-Oktens – 60 cm3), der für die Untersuchung von Gas-Flüssig-Fest-Reaktionen konzipiert ist.

Tabelle 2 zeigt die Reaktionsergebnisse nach der Behandlung von sechszufällig ausgewählten Partikeln. Wie dargestellt ist, führt das erfindungsgemäße Verfahren zu einer Reaktionsverbesserung um 20 bis 200%.

Insbesondere muss herausgestellt werden, dass das vorgeschlagene Verfahren, das in dieser Erfindung beschrieben ist, zum Erfordernis des Nicht-Naheliegens korrespondiert. Die Zunahme in der Reaktionsgeschwindigkeit wurde durch die Eliminierung der kleinen Poren in der Partikelschale erreicht, was als Ergebnis zur Abnahme des Oberflächenbereichs führt (siehe Tabelle 1). Dies widerspricht den konventionellen Anforderungen an die poröse Struktur für industrielle Katalysatoren [2,3].

Praktische Bedeutung

Die Erfindung erlaubt eine enorme Erhöhung der Produktivität von Katalysatoren durch ein einfaches Verfahren, das bei der Herstellung von Katalysatoren einfach realisiert werden kann.

Literatur
  • [1] C.N. Satterfield, Mass transfer in heterogeneous catalysis, MIT Press, Cambridge, 1970.
  • [2] J. Hagen, Industrial catalysis. A practical approach, Wiley-VCH, Weinheim, 1999, p. 166.
  • [3] S. Albertazzi, G. Busca, E. Finocchio, R. Glöckler, A. Vaccai, New Pd/Pt on Mg/Al basic mixed oxides for hydrogenation and hydrogenolisis of naphthalene, J. Catal. 223 (2004) 372-381.
  • [4] L.B. Datsevich, Oscillations in pores of a catalyst particle in exothermic liquid (liquid-gas) reactions. Analysis of heat processes and their influence on chemical conversion, mass and heat transfer, Appl. Cat. A 250 (2003) 125-141.
  • [6] L.B. Datsevich, Alternating motion of liquid in catalyst pores in a liquid/liquid-gas reaction with heat or gas production, Catal. Today 79-80 (2003) 341-348.
  • [7] L.B. Datsevich, Some theoretical aspects of catalyst behaviour in a catalyst particle at liquid (liquid-gas) reactions with gas production: oscillation motion in the catalyst pores, Appl. Catal. A 247/1 (2003) 101-111.
  • [8] L.B. Datsevich, Oscillation theory. Part 1. Temperature difference between the center of a catalyst particle and its surface: contradiction to Thiele/Zeldovich model, Appl. Catal. A. 262 (2004) 149-153.
  • [9] L. B. Datsevich, Oscillation Theory: Part 2. Heat flux from the catalyst surface. Contradiction to the Thiele/Zeldovich model, Appl. Catal. A 273 (2004), 151-156.
  • [10] I.V. Koptyug, A.A. Lysova, A.V. Kulikov, V.A. Kirillov, V.N. Parmon, R.Z. Sagdeev, Functional imaging and NMR spectroscopy of an operating gas-liquid-solid catalytic reactor, Appl. Cat. A 267 (2004) 143-148.
Tabelle 1. Kenndaten des NiSAT – Katalysators
Tabelle 2. Vergleich der Reaktionsgeschwindigkeiten vor und nach der Modifikation der Porenstruktur durch das erfindungsgemäße Verfahren

Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Verbesserung eines festen Katalysators für exotherme Reaktionen, bei der man ein Netzwerk aus Makroporen beziehungsweise Einkerbungen ab 30 &mgr;m auf der äußeren Katalysatoroberfläche herstellt.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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