DE3886952T2 - SYNTHETIC, POROUS, CRYSTALLINE MATERIAL, AND THEIR SYNTHESIS AND USE. - Google Patents
SYNTHETIC, POROUS, CRYSTALLINE MATERIAL, AND THEIR SYNTHESIS AND USE.Info
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Description
Diese Erfindung bezieht sich auf ein synthetisches poröses kristallines Material, auf ein Verfahren zu dessen Herstellung und auf dessen Verwendung bei der katalytischen Umwandlung organischer Verbindungen.This invention relates to a synthetic porous crystalline material, to a process for its preparation and to its use in the catalytic conversion of organic compounds.
Es wurde in der Vergangenheit nachgewiesen, daß Zeolithmaterialien, sowohl natürliche als auch syntetische, katalytische Eigenschaften für verschiedene Arten der Kohlenwasserstoffumwandlung aufweisen. Es werden bestimmte Zeolithmaterialien gefordert, poröse kristalline Aluminiosilicate mit einer bestimmten kristallinen Struktur, die durch Röntgenbeugung bestimmt wird, innerhalb der es eine große Anzahl kleinerer Hohlräume gibt, die durch eine Anzahl noch kleinerer Kanäle oder Poren miteinander verbunden sein können. Diese Hohlräume und Poren haben innerhalb eines spezifischen Zeolithmaterials eine einheitliche Größe. Da die Abmessungen dieser Poren derart sind, daß die Adsorption von Molekühlen mit bestimmten Abmessungen erlaubt ist, während die mit größeren Abmessungen zurückgehalten werden, wurden diese Materialien als "Molekularsiebe" bekannt und werden auf vielerlei Weise angewendet, um diese Eigenschaften auszunutzen.Zeolite materials, both natural and synthetic, have been shown in the past to have catalytic properties for various types of hydrocarbon conversion. Certain zeolite materials are required, porous crystalline aluminosilicates with a particular crystalline structure, as determined by X-ray diffraction, within which there are a large number of smaller voids, which may be interconnected by a number of even smaller channels or pores. These voids and pores are of uniform size within a specific zeolite material. Since the dimensions of these pores are such that the adsorption of molecules of certain dimensions is permitted, while those of larger dimensions are retained, these materials have become known as "molecular sieves" and are used in many ways to exploit these properties.
Diese Molekularsiebe, sowohl natürliche als auch synthetische, umfassen eine große Vielzahl kristalliner Silicate, die positive Ionen enthalten. Diese Silicate können als starres dreidimensionales Gitter von SiO&sub4; und dem Oxid eines Elementes der Gruppe IIIA des Periodensystems, z.B. AlO&sub4;, beschrieben werden, bei denen die Tetraeder durch Teilung von Sauerstoffatomen untereinander verbunden sind, wodurch das Verhältnis der Summe der Elemente der Gruppe IIIA, z.B. Aluminium, und der Siliciumatome zu den Sauerstoffatomen 1:2 beträgt. Die elektrochemische Wertigkeit der Tetraeder, die das Element der Gruppe IIIA, z.B. Aluminium, enthalten, wird durch Einschluß eines Kations in den Kristall ausgeglichen, z.B. ein Alkalimetall- oder Erdalkalimetallkation. Dies kann ausgedrückt werden, wobei das Verhältnis des Elementes der Gruppe IIIA, z.B. Aluminium, zur Anzahl der verschiedenen Kationen, z.B. Ca/2, Sr/2, Na, K oder Li, gleich bis eins ist. Ein Typ des Kations kann entweder vollkommen oder teilweise durch einen anderen Kationentyp ausgetauscht werden, wobei Ionenaustauschverfahren in herkömmlicher Weise angewendet werden. Durch diesen Kationenaustausch war es möglich, die Eigenschaften eines gegebenen Silicat durch geeignete Auswahl des Kations zu variieren.These molecular sieves, both natural and synthetic, include a wide variety of crystalline silicates containing positive ions. These silicates can be described as a rigid three-dimensional lattice of SiO₄ and the oxide of an element of Group IIIA of the periodic table, e.g. AlO₄, in which the tetrahedra are interconnected by the sharing of oxygen atoms, whereby the ratio of the sum of the Group IIIA elements, e.g. aluminium, and the silicon atoms to the oxygen atoms is 1:2. The electrochemical valence of the tetrahedra containing the Group IIIA element, e.g. aluminium, is balanced by the inclusion of a cation in the crystal, e.g. an alkali metal or alkaline earth metal cation. This can be expressed as the ratio of the Group IIIA element, e.g. aluminium, to the number of different cations, e.g. Ca/2, Sr/2, Na, K or Li, equal to one. One type of cation can be exchanged either completely or partially by another type of cation using ion exchange techniques in a conventional manner. By this cation exchange it has been possible to vary the properties of a given silicate by appropriate selection of the cation.
Herkömmliche Verfahren führten zur Herstellung einer großen Vielzahl synthetischer Zeolithe. Viele dieser Zeolithe wurden durch einen Buchstaben oder andere geeignete Symbole bezeichnet, wie z.B. Zeolith A (US Patent 2 882 243), Zeolith X (US Patent 2 882 244), Zeolith Y (US Patent 3 130 007), Zeolith ZK- 5 (US Patent 3 247 195), Zeolith ZK-4 (US Patent 3 314 752), Zeolith ZSM-5 (US Patent 3 702 886), Zeolith ZSM-11 (US Patent 3 709 979), Zeolith ZSM-12 (US Patent 3 832 449), Zeolith ZSM- 20 (US Patent 3 972 983), ZSM-35 (US Patent 4 016 245) und Zeolith ZSM-23 (US Patent 4 076 842).Conventional processes have led to the production of a wide variety of synthetic zeolites. Many of these zeolites have been designated by a letter or other suitable symbols, such as zeolite A (US Patent 2,882,243), zeolite X (US Patent 2,882,244), zeolite Y (US Patent 3,130,007), zeolite ZK-5 (US Patent 3,247,195), zeolite ZK-4 (US Patent 3,314,752), zeolite ZSM-5 (US Patent 3,702,886), zeolite ZSM-11 (US Patent 3,709,979), zeolite ZSM-12 (US Patent 3,832,449), zeolite ZSM-20 (US Patent 3,972,983), ZSM-35 (US Patent 4,016,245) and zeolite ZSM-23 (US Patent 4,076 842).
Das SiO&sub2;/Al&sub2;O&sub3;-Verhältnis eines gegebenen Zeoliths ist oft variabel. Zeolith X kann z.B. mit SiO&sub2;/Al&sub2;O&sub3;-Verhältnissen von 3 bis 2, Zeolith Y von 3 bis 6 hergestellt werden. Bei einigen Zeolithen ist die Obergrenze des SiO&sub2;/Al&sub2;O&sub3;-Verhältnisses nicht festgelegt. ZSM-5 ist ein derartiges Beispiel, bei dem das SiO&sub2;/Al&sub2;O&sub3;-Verhältnis mindestens 5 und bis zu den Grenzen der gegenwärtigen analytischen Meßverfahren beträgt. US Patent 3 941 871 (Re 29 948) beschreibt einen porösen kristallinen Silicat, der aus einer Reaktionsmischung hergestellt wird, die kein bewußt zugesetztes Aluminiumoxid enthält, und der das Röntgenbeugungsdiagramm zeigt, das für ZSM-5 charakteristisch ist. US Patente Nr. 4 061 724, 4 073 865 und 4 104 294 beschreiben einen kristallinen Silicat mit variierendem Gehalt an Aluminiumoxid und Metall.The SiO2/Al2O3 ratio of a given zeolite is often variable. For example, zeolite X can be made with SiO2/Al2O3 ratios of 3 to 2, zeolite Y from 3 to 6. For some zeolites, the upper limit of the SiO2/Al2O3 ratio is not fixed. ZSM-5 is one such example where the SiO2/Al2O3 ratio is at least 5 and up to the limits of current analytical measurement techniques. US Patent 3,941,871 (Re 29,948) describes a porous crystalline silicate prepared from a reaction mixture containing no intentionally added alumina and exhibiting the X-ray diffraction pattern characteristic of ZSM-5. US Patent Nos. 4,061,724, 4,073,865 and 4,104,294 describe a crystalline silicate with varying alumina and metal contents.
Nach einem ersten Aspekt besteht diese Erfindung in einem synthetischen porösen kristallinen Material, das durch ein Röntgenbeugungsdiagramm gekennzeichnet ist, das die Werte umfaßt, die im wesentlichen in Tabelle I der Beschreibung aufgeführt sind, und das Gleichgewichts-Adsorptionskapazitäten von mehr als 10 Gew.-% für Wasser, mehr als 4,5 Gew.-% für Cyclohexan-Dampf und mehr als 10 Gew.-% für n-Hexandampf aufweist.According to a first aspect, this invention consists in a synthetic porous crystalline material characterized by an X-ray diffraction pattern comprising the values substantially set out in Table I of the description and having equilibrium adsorption capacities of more than than 10 wt.% for water, more than 4.5 wt.% for cyclohexane vapor and more than 10 wt.% for n-hexane vapor.
Das erfindungsgemäße poröse kristalline Material scheint mit den Zusammensetzungen verwandt zu sein, die als "PSH-3" bezeichnet werden und in US Patent 4 439 409 beschrieben sind. Das erfindungsgemäße kristalline Material scheint jedoch nicht all die Komponenten zu enthalten, die in den Zusammensetzungen PSM-3 scheinbar vorhanden sind. Insbesondere ist die Zusammensetzung dieser Erfindung nicht mit anderen Kristallstrukturen verunreinigt, z.B. ZSM-12 oder ZSM-5, zeigt unübliche Sorptionskapazitäten und eine einzigartige katalytische Anwendbarkeit im Vergleich mit den PSH-3-Zusammensetzungen, die nach US Patent 4 439 409 synthetisiert wurden.The porous crystalline material of the present invention appears to be related to the compositions referred to as "PSH-3" described in U.S. Patent 4,439,409. However, the crystalline material of the present invention does not appear to contain all of the components that appear to be present in the PSM-3 compositions. In particular, the composition of this invention is not contaminated with other crystal structures, e.g., ZSM-12 or ZSM-5, exhibits unusual sorption capacities, and unique catalytic applicability compared to the PSH-3 compositions synthesized in U.S. Patent 4,439,409.
Das kristalline Material diese Erfindung kann durch Kristallisation einer Reaktiosmischung synthetisiert werden, die zusammen mit dem Leitmittel Hexamethylenimin Quellen der erforderlichen Oxide enthält. Es hat sich jedoch als bedeutungsvoll gezeigt, eine Siliciumdioxidguelle zu verwenden, die einen relativ hohen Feststoffgehalt hat, insbesondere wenn das kristalline Material dieser Erfindung ein Silicat ist.The crystalline material of this invention can be synthesized by crystallizing a reaction mixture containing sources of the required oxides together with the hexamethyleneimine precursor. However, it has been found to be important to use a silica source having a relatively high solids content, particularly when the crystalline material of this invention is a silicate.
Nach einem zweiten Aspekt besteht diese Erfindung folglich in einem Verfahren zur Herstellung des synthetischen kristallinen Materials nach dem ersten Aspekt der Erfindung, das die Herstellung einer Reaktionsmischung, die bei der Kristallisation dieses Material bilden kann, wobei diese Reaktionsmischung ausreichende Mengen von Alkali- oder Erdalkalimetallkationen, eine Quelle eines vierwertigen Oxids YO&sub2;, das mindestens etwa 30 Gew.-% festes YO&sub2; enthält, eine Quelle eines dreiwertigen Oxids X&sub2;O&sub3;, Wasser und Hexamethylenimin enthält, und das Halten dieser Reaktionsmischung bei ausreichenden Kristallisationsbedingungen umfaßt, bis Kristalle dieses Materials gebildet sind.Accordingly, in a second aspect, this invention consists in a process for preparing the synthetic crystalline material of the first aspect of the invention, which comprises preparing a reaction mixture capable of forming said material upon crystallization, said reaction mixture containing sufficient amounts of alkali or alkaline earth metal cations, a source of a tetravalent oxide YO₂ containing at least about 30 wt% solid YO₂, a source of a trivalent oxide X₂O₃, water and hexamethyleneimine, and maintaining said reaction mixture under sufficient crystallization conditions until crystals of said material are formed.
Das kristalline Material dieser Erfindung hat die Zusammensetzung, die das molare Verhältnis aufweist: X&sub2;O&sub3;: (n)YO&sub2; worin X ein dreiwertiges Element, z.B. Aluminium, Bor, Eisen und/oder Gallium, vorzugsweise Aluminium ist, Y ein vierwertiges Element, z.B. Silicium und/oder Germanium, vorzugsweise Silicium, ist, und n mindestens 10, üblicherweise von 10 bis 150, vorzugsweise von 10 bis 60 und am bevorzugtesten von 20 bis 40 beträgt. In der so synthetisierten Form hat das Material auf wasserfreier Basis und in bezug auf die Mole der Oxide pro n Mole YO&sub2; die folgende Formel:The crystalline material of this invention has the composition having the molar ratio: X₂O₃: (n)YO₂ wherein X is a trivalent element, e.g. aluminium, boron, iron and/or gallium, preferably aluminium, Y is a tetravalent element, e.g. silicon and/or germanium, preferably silicon, and n is at least 10, usually from 10 to 150, preferably from 10 to 60 and most preferably from 20 to 40. In the form so synthesized, the material has the following formula on an anhydrous basis and in terms of moles of oxides per n moles of YO₂:
(0,005-0,1)Na&sub2;O:(1-4)R:X&sub2;O&sub3;:nYO&sub2;(0.005-0.1)Na₂O:(1-4)R:X₂O₃:nYO₂
worin R der oganische Anteil ist. Die Komponenten Na und R sind als Folge ihres Vorhandenseins während der Kristallisation mit dem Material assoziiert und werden durch Verfahren nach der Kristallisation leicht entfernt, wie es hier nachfolgend besonders beschrieben werden wird.where R is the organic moiety. The components Na and R are associated with the material as a result of their presence during crystallization and are readily removed by post-crystallization processes as will be particularly described hereinafter.
Das erfindungsgemäße kristalline Material ist thermisch stabil und zeigt eine große spezifische Oberfläche (mehr als 400 m²/g) und eine unüblich hohe Sorptionskapazität im Vergleich mit ähnlichen Kristallstrukturen. Wie es aus der oben aufgeführten Formel deutlich wird, wird das kristalline Material dieser Erfindung nahezu frei von Na-Kationen synthetisiert. Es kann folglich ohne Austauschschritt als Katalysator mit saurer Aktivität verwendet werden. Die ursprünglichen Natriumkationen des synthetisierten Materials können jedoch bis zum gewünschten Ausmaß nach in der Technik allgmein bekannter Verfahren zumindest teilweise durch Ionenaustausch durch andere Kationen ersetzt werden. Bevorzugte austauschende Kationen umfassen Metallionen, Wasserstoffionen, eine Wasserstoffvorstufe, z.B. Ammonium, Ionen und Mischungen davon. Besonders bevorzugte Kationen sind die, die die katalytische Aktivität für bestimmte Kohlenwasserstoffumwandlungsreaktionen anpassen. Diese umfassen Wasserstoff, Metalle der Seltenen Erden und Metalle der Gruppen IIA, IIIA, IVA, IB, IIB, IIIB, IVB und VIII des Periodensystems der Elemente.The crystalline material of the invention is thermally stable and exhibits a large specific surface area (more than 400 m2/g) and an unusually high sorption capacity compared to similar crystal structures. As is clear from the formula given above, the crystalline material of this invention is synthesized almost free of Na cations. It can therefore be used as a catalyst with acid activity without an exchange step. However, the original sodium cations of the synthesized material can be replaced, to the desired extent, at least partially by ion exchange with other cations according to methods well known in the art. Preferred exchanging cations include metal ions, hydrogen ions, a hydrogen precursor, e.g. ammonium, ions and mixtures thereof. Particularly preferred cations are those that tailor the catalytic activity for particular hydrocarbon conversion reactions. These include hydrogen, rare earth metals and metals from groups IIA, IIIA, IVA, IB, IIB, IIIB, IVB and VIII of the periodic table of elements.
In seiner kalzinierten Form scheint das erfindungsgemäße kristalline Material aus einer einzelnen Kristallphase mit wenig oder nicht feststellbaren Verunreinigungskristallphasen aufgebaut zu sein und hat ein Röntgenbeugungsdiagramm, das es von den Diagrammen anderer bekannter kristalliner Materialien durch die Linien unterscheidet, die in der nachfolgenden Tabelle I aufgeführt sind: Tabelle I d-Netzebenenabstand (Å) Relative Intensität, I/Io x 100In its calcined form, the crystalline material of the invention appears to be composed of a single crystal phase with little or no detectable impurity crystal phases and has an X-ray diffraction pattern which distinguishes it from the patterns of other known crystalline materials by the lines shown in Table I below: Table I d-Plane spacing (Å) Relative intensity, I/Io x 100
noch spezifischer unterscheidet es sich durch die in der nachfolgenden Tabelle II aufgeführten Linien: Tabelle II d-Netzebenenabstand (Å) Relative Intensität. I/Io x 100More specifically, it is distinguished by the lines listed in Table II below: Table II d-Plane spacing (Å) Relative intensity. I/Io x 100
und noch Spezifischer durch die in der nachfolgenden Tabelle III aufgeführten Linien: Tabelle III d-Netzebenenabstand (Å) Relative Intensität, I/Io x 100and more specifically by the lines listed in Table III below: Table III d-Latch spacing (Å) Relative intensity, I/Io x 100
Insbesondere hat das erfindungsgemäße kalzinierte kristalline Material ein Röntgenbeugungsdiagramm, das die in der nachfolgenden Tabelle IV aufgeführten Linien umfaßt Tabelle IV d-Netzebenenabstand (Å) Relative Intensität. I/Io x 100Diese Werte wurden durch Standardverfahren bestimmt. Die Strahlung war das K-α-Duplett von Kupfer und es wurde ein Beugungsmesser verwendet, der mit einem Szintillationszählgerät und einem zugehörigen Computer ausgestattet war. Die Peak-Höhen I und die Positionen als Funktion von 2 Theta, wobei Theta der Bragg-Winkel ist, wurden durch Algorithmen im Computer bestimmt, der mit dem Beugungsmesser verbunden war. Daraus wurden die relativen Intensitäten 100 I/Io bestimmt, wobei Io die Intensität der stärksten Linie oder des stärksten Peak und d (beobachtet) der Netzebenenabstand in Angström-Einheiten (Å) sind, die den stärksten Linien entsprechen. In den Tabellen I bis IV sind die relativen Intensitäten als Symbole W = schwach, M = mittel, S = stark und VS = sehr stark angegeben. In bezug auf die Intensitäten können diese allgemein wie folgt bezeichnet werden:In particular, the calcined crystalline material of the invention has an X-ray diffraction pattern comprising the lines shown in Table IV below Table IV d-Plane spacing (Å) Relative intensity. I/Io x 100This Values were determined by standard methods. The radiation was the K-α doublet of copper and a diffractometer equipped with a scintillation counter and associated computer was used. The peak heights I and positions as a function of 2 theta, where theta is the Bragg angle, were determined by algorithms in the computer connected to the diffractometer. From this the relative intensities 100 I/Io were determined, where Io is the intensity of the strongest line or peak and d (observed) is the interplanar spacing in Angstrom units (Å) corresponding to the strongest lines. In Tables I to IV the relative intensities are given as symbols W = weak, M = medium, S = strong and VS = very strong. In terms of intensities these can be generally referred to as:
W = 0 - 20W = 0 - 20
M = 20 - 40M = 20 - 40
S = 40 - 60S = 40 - 60
VS = 60 - 100VS = 60 - 100
Es sollte klar sein, daß dieses Röntgenbeugungsdiagramm für alle Arten der erfindungsgemäßen kristallinen Zusammensetzung charakteristisch ist. Die Natriumform und auch die anderen kationischen Formen zeigen im wesentlichen das gleiche Diagramm mit einigen geringen Verschiebungen beim Netzebenenabstand und einer geringen Abweichung bei der relativen Intensität. Andere geringfügige Veränderungen können auftreten, dies hängt vom Verhältnis Y zu X, z.B. Silicium zu Aluminium, der bestimmten Probe als auch dem Grad der Wärmebehandlung ab.It should be clear that this X-ray diffraction pattern is characteristic of all types of the crystalline composition of the invention. The sodium form and also the other cationic forms show essentially the same pattern with some slight shifts in the interplanar spacing and a small deviation in the relative intensity. Other minor changes may occur, depending on the ratio Y to X, e.g. silicon to aluminum, of the particular sample as well as the degree of heat treatment.
Das kristalliene Material dieser Erfindung kann aus einer Reaktionsmischung hergestellt werden, die Quellen von Alkalioder Erdalkalimetall (M), z.B. Natrium oder Kalium, ein Kation, ein Oxid des dreiwertigen Elementes X, z.B. Aluminium, ein Oxid des vierwertigen Elementes Y, z.B. Silicium, das organische Leitmittel (R), das hier nachfolgend ausführlicher beschrieben wird, und Wasser enthält, wobei diese Reaktionsmischung eine auf die Molverhältnisse der Oxide bezogene Zusammensetzung innerhalb der folgenden Bereiche aufweist: Reaktanten Vorteilhaft BevorzugtThe crystalline material of this invention can be prepared from a reaction mixture containing sources of alkali or alkaline earth metal (M), e.g. sodium or potassium, a cation, an oxide of the trivalent element X, e.g. aluminum, an oxide of the tetravalent element Y, e.g. silicon, the organic conductive agent (R) described in more detail hereinafter, and water, said reaction mixture having a composition based on the molar ratios of the oxides within the following ranges: Reactants Advantageous Preferred
Es hat sich gezeigt, daß die Kristallisation des erfindungsgemäßen Materials begünstigt wird, wenn die Quelle von YO&sub2; mindestens 30 Gew.-% festes YO&sub2; enthält, insbesondere wenn YO&sub2; Siliciumdioxid ist. Geeignete handeslübliche Siliciumdioxidquellen umfassen Ultrasil (ein gefälltes sprühgetrocknetes Siliciumdioxid, das etwa 90 Gew.-% Siliciumdioxid enthält) und HiSil (ein gefälltes hydratisiertes SiO&sub2;, das etwa 87 Gew.-% Siliciumdioxid, etwa 6 Gew.-% freies H&sub2;O und etwa 4,5 Gew.-% gebundenes H&sub2;O der Hydratation enthält und eine Partikelgröße von etwa 0,02 µm aufweist). Wenn eine andere Siliciumdioxidquelle verwendet wird, z.B. die Sorte Q (ein Natriumsilicat, das aus etwa 28,8 Gew.-% SiO&sub2;, 8,9 Gew.-% Na&sub2;O und 62,3 Gew.-% H&sub2;O besteht), hat sich gezeigt, daß die Kristallisation wenig oder kein kristallines Material dieser Erfindung ergibt und stattdessen Verunreinigungsphasen anderer Kristallstrukturen gebildet werden, z.B. ZSM-12. Die YO&sub2;-Quelle enthält folglich vorzugsweise mindestens 30 Gew.-% festes YO&sub2;, vorzugsweise Siliciumdioxid, und noch bevorzugter mindestens 40 Gew.-% festes YO&sub2;.It has been found that crystallization of the material of the invention is favored when the source of YO2 contains at least 30 wt.% solid YO2, particularly when YO2 is silica. Suitable commercial silica sources include Ultrasil (a precipitated spray dried silica containing about 90 wt.% silica) and HiSil (a precipitated hydrated SiO2 containing about 87 wt.% silica, about 6 wt.% free H2O and about 4.5 wt.% bound H2O of hydration and having a particle size of about 0.02 µm). When a different source of silica is used, e.g., grade Q (a sodium silicate consisting of about 28.8 wt.% SiO2, 8.9 wt.% Na2O, and 62.3 wt.% H2O), it has been found that crystallization yields little or no crystalline material of this invention and instead impurity phases of other crystal structures are formed, e.g., ZSM-12. The YO2 source thus preferably contains at least 30 wt.% solid YO2, preferably silica, and more preferably at least 40 wt.% solid YO2.
Das organische Leitmittel (R), das bei der Synthese des erfindungsgemäßen kristallinen Materials aus der oben genannten Reaktionsmischung verwendet wird, ist Hexamethylenimin, das die folgende Strukturformel aufweist: The organic conducting agent (R) used in the synthesis of the crystalline material according to the invention from the above-mentioned reaction mixture is hexamethyleneimine, which has the following structural formula:
Die Kristallisation des erfindungsgemäßen kristallinen Materials kann entweder im statischen oder im gerührten Zustand in einem geeigneten Reaktorgefäß durchgeführt werden, z.B. Polypropylengefäße oder mit Teflon ausgekleidete oder aus rostfreiem Stahl bestehende Autoklaven. Die Kristallisation wird im allgemeinen bei einer Temperatur von 80 bis 225ºC während eines Zeitraums von 24 Stunden bis 60 Tagen durchgeführt. Danach werden die Kristalle von der Flüssigkeit abgetrennt und gewonnen.The crystallization of the crystalline material according to the invention can be carried out either in a static or stirred state in a suitable reactor vessel, eg polypropylene vessels or Teflon-lined or stainless steel autoclaves. Crystallization is generally carried out at a temperature of 80 to 225ºC for a period of 24 hours to 60 days. The crystals are then separated from the liquid and recovered.
Die Kristallisation wird durch das Vorhandensein von mindestens 0,01%, vorzugsweise 0,10% und noch bevorzugter 1% Kristallkeime des gewünschten kristallinen Produktes erleichtert (dies basiert auf dem Gesamtgewicht).Crystallization is facilitated by the presence of at least 0.01%, preferably 0.10% and more preferably 1% of crystal nuclei of the desired crystalline product (this is based on total weight).
Vor der Verwendung als Katalysator oder Adsorptionsmittel sollte das synthetisierte kristalline Material kalziniert werden, um einen Teil der oder alle organischen Bestandteile zu entfernen.Before use as a catalyst or adsorbent, the synthesized crystalline material should be calcined to remove some or all of the organic constituents.
Das erfindungsgemäße kristalline Material kann in enger Kombination mit einer Hydrierungskomponente als Katalysator verwendet werden, z.B. Wolfram, Vanadium, Molybdän, Rhenium, Nickel, Kobalt, Chrom, Mangan, oder ein Edelmetall, wie Platin oder Palladium, wenn eine Hydrierungs/Dehydrierungs-Funktion durchgeführt werden soll. Diese Komponente kann in der Zusammensetzung vorliegen, indem eine gleichzeitige Kristallisation, ein Basenaustausch in die Zusammensetzung, ein Imprägnieren in die Zusammensetzung vorgenommen wurde, oder indem sie eng physikalisch damit vermischt ist. Diese Komponente kann in oder auf die Zusammensetzung imprägniert werden, z.B. im Falle von Platin durch Behandlung des Silicat mit einer Lösung, die ein ein Platinmetall enthaltendes Ion enthält. Geeignete Platinverbindung für diesen Zweck umfassen folglich Chlorplatinsäure, Platin(II)-chlorid und verschiedene Verbindungen, die den Platinaminkomplex enthalten.The crystalline material of the invention can be used in close combination with a hydrogenation component as a catalyst, e.g. tungsten, vanadium, molybdenum, rhenium, nickel, cobalt, chromium, manganese, or a noble metal such as platinum or palladium, when a hydrogenation/dehydrogenation function is to be performed. This component can be present in the composition by simultaneous crystallization, base exchange into the composition, impregnation into the composition, or by being intimately physically mixed therewith. This component can be impregnated into or onto the composition, e.g. in the case of platinum by treating the silicate with a solution containing an ion containing a platinum metal. Suitable platinum compounds for this purpose thus include chloroplatinic acid, platinum (II) chloride and various compounds containing the platinum amine complex.
Das kristalline Material der vorliegenden Erfindung kann zu einer Vielzahl von Partikelgrößen geformt werden. Allgemein ausgedrückt können diese Partikel in Form eines Pulvers, eines Granulatkorns oder eines geformten Produktes vorliegen, z.B. in Form eines Extrudats. Im letzteren Fall kann das kristalline Material vor dem Trocknen extrudiert werden, oder teilweise getrocknet und danach extrudiert werden.The crystalline material of the present invention can be formed into a variety of particle sizes. Generally speaking, these particles can be in the form of a powder, a granule or a shaped product, e.g. in the form of an extrudate. In the latter case, the crystalline Material can be extruded before drying, or partially dried and then extruded.
Wenn das kristalline Material dieser Erfindung entweder als Adsorptionsmittel oder als Katalysator bei einem Umwandlungsverfahren für organische Verbindungen angewendet wird, sollte es zumindest teilweise dehydratisiert sein. Dies kann vorgenommen werden, indem es in einer Atmosphäre, z.B. Luft, Stickstoff usw. und bei atmosphärischem Druck, Unterdruck oder Überdruck während eines Zeitraums zwischen 30 Minuten und 48 Stunden auf eine Temperatur im Bereich von 200 bis 595ºC erwärmt wird. Die Dehydratation kann auch bei Raumtemperatur vorgenommen werden, indem das Silicat einfach in ein Vakuum gegeben wird, es ist jedoch ein längerer Zeitraum notwendig, um einen ausreichenden Betrag der Dehydratation zu erhalten.When the crystalline material of this invention is used either as an adsorbent or as a catalyst in an organic compound conversion process, it should be at least partially dehydrated. This can be done by heating it in an atmosphere, e.g. air, nitrogen, etc. and at atmospheric pressure, vacuum or pressure, to a temperature in the range of 200 to 595°C for a period of between 30 minutes and 48 hours. Dehydration can also be done at room temperature by simply placing the silicate in a vacuum, but a longer period of time is necessary to obtain a sufficient amount of dehydration.
Das erfindungsgemäße kristalline Material kann verwendet werden, um eine große Vielzahl organischer Umwandlungsverfahren zu katalysieren, diese umfassen beispielsweise die Hydratation von C&sub2; - C&sub7;- Olefinen, z.B. Propylen, zu Alkoholen und Ethern, wobei die Reaktionsbedingungen eine Temperatur von 50 bis 300ºC, vorzugsweise 90 bis 250ºC, einen Druck von mindestens 5 kg/cm², vorzugsweise mindestens 20 kg/cm², und ein Molverhältnis von Wasser/Olefin von 0,1 bis 30, vorzugsweise 0,2 bis 15 einschließen.The crystalline material of the invention can be used to catalyze a wide variety of organic conversion processes, these include, for example, the hydration of C2 - C7 olefins, e.g. propylene, to alcohols and ethers, wherein the reaction conditions include a temperature of from 50 to 300°C, preferably from 90 to 250°C, a pressure of at least 5 kg/cm2, preferably at least 20 kg/cm2, and a molar ratio of water/olefin of from 0.1 to 30, preferably from 0.2 to 15.
Wie im Falle vieler Katalysatoren kann das kristalline Material dieser Erfindung in ein anderes Material eingearbeitet werden, das gegenüber den Temperaturen und den anderen Bedingungen beständig ist, die bei organischen Umwandlungsverfahren angewendet werden. Diese Materialien umfassen aktive und inaktive Materialien und synthetische oder natürlich vorkommende Zeolithe, als auch anorganische Materialien, wie Tonmaterialien, Siliciumdioxid und/oder Metalloxide, wie Aluminiumoxid. Die letzteren können entweder natürlich vorkommende oder in Form gelatinöser Niederschläge oder Gele sein, einschließlich Mischungen von Siliciumdioxid und Metalloxide. Die Verwendung eines Materials in Verbindung mit dem neuen Kristall, und zwar damit kombiniert oder während der Synthese des neuen Kristalls vorhanden, das aktiv ist, neigt zur Veränderung der Umwandlung und/oder Selektivität des Katalysators bei bestimmten organischen Umwandlungsverfahren. Inaktive Materialien dienen in geeigneter Weise als Verdünnungsmittel, um den Betrag der Umwandlung bei einem gegebenen Verfahren zu steuern, so daß die Produkte ökonomisch und regelmäßig erhalten werden können, ohne daß andere Maßnahmen zur Regelung der Reaktionsgeschwindigkeit angewendet werden. Diese Materialien können in natürlich vorkommende Tone, z.B. Bentonit und Kaolin, eingearbeitet werden, um die Druckfestigkeit des Katalysators bei üblichen Verfahrensbedingungen zu verbessern. Diese Materialien, und zwar Tone, Oxide usw., wirken als Bindemittel für den Katalysator. Es ist erwünscht, einen Katalysator mit guter Druckfestigkeit zu bilden, da es bei der üblichen Anwendung erwünscht ist, das Zusammenbrechen des Katalysators in pulverförmige Materialien zu verhindern. Diese Tonbindemittel wurden normalerweise nur zur Verbesserung der Druckfestigkeit des Katalysators verwendet.As is the case with many catalysts, the crystalline material of this invention can be incorporated into another material that is resistant to the temperatures and other conditions used in organic conversion processes. These materials include active and inactive materials and synthetic or naturally occurring zeolites, as well as inorganic materials such as clays, silica and/or metal oxides such as alumina. The latter can be either naturally occurring or in the form of gelatinous precipitates or gels, including mixtures of silica and metal oxides. The use of a material in association with the new crystal, combined therewith or present during the synthesis of the new crystal, which active tends to alter the conversion and/or selectivity of the catalyst in certain organic conversion processes. Inactive materials conveniently serve as diluents to control the amount of conversion in a given process so that the products can be obtained economically and consistently without resorting to other means of controlling the reaction rate. These materials can be incorporated into naturally occurring clays, e.g., bentonite and kaolin, to improve the crush strength of the catalyst under ordinary process conditions. These materials, namely clays, oxides, etc., act as binders for the catalyst. It is desirable to form a catalyst with good crush strength because in ordinary application it is desirable to prevent collapse of the catalyst into powdery materials. These clay binders have normally been used only to improve the crush strength of the catalyst.
Natürlich vorkommende Tonmaterialien, die mit diesem neuen Kristall zusammengesetzt werden können, umfassen die Montmorillonit- und Kaolin-Gruppe, wobei diese Gruppen die Subbentonite und die Kaoline einschließen, die üblicherweise als Dixie-, McNamee-, Georgia- und Florida-Ton bekannt sind, und andere, bei denen der Hauptmineralbestandteil Halloysit, Kaolinit, Dickit, Naktrit oder Anauxit ist. Diese Tone können im Rohzustand, wie sie ursprünglich abgebaut wurden, angewendet werden, oder am Anfang einer Kalzinierung, Säurebehandlung oder chemischen Modifizierung unterzogen werden. Für die Zusammensetzung mit dem erfindungsgemäßen Kristall vorteilhafte Bindemittel umfassen auch anorganische Oxide, besonders Aluminiumoxid.Naturally occurring clay materials which can be composed with this new crystal include the montmorillonite and kaolin groups, these groups including the subbentonites and the kaolins commonly known as Dixie, McNamee, Georgia and Florida clays, and others in which the main mineral constituent is halloysite, kaolinite, dickite, nactrite or anauxite. These clays can be used in the raw state as originally mined or can be initially subjected to calcination, acid treatment or chemical modification. Binders useful in the composition with the crystal of the invention also include inorganic oxides, particularly alumina.
Zusätzlich zu den oben genannten Materialien kann der neue Kristall mit einem porösen Matrixmaterial zusammengesetzt werden, wie z.B. Siliciumdioxid-Aluminiumoxid, Siliciumdioxid-Magnesiumoxid, Siliciumdioxid-Zirkoniumdioxid, Siliciumdioxid-Thoriumdioxid, Siliciumdioxid-Berylliumoxid, Siliciumdioxid-Titanoxid, als auch ternäre Zusammensetzungen, wie Siliciumdioxid-Aluminiumoxid-Thoriumdioxid, Siliciumdioxid-Aluminiumoxid-Zirkoniumdioxid, Siliciumdioxid-Aluminiumdioxid-Magnesiumoxid und Siliciumdioxid-Magnesiumoxid-Zirkoniumdioxid.In addition to the above materials, the new crystal can be composed with a porous matrix material such as silica-alumina, silica-magnesia, silica-zirconia, silica-thoria, silica-beryllia, silica-titania, as well as ternary compositions such as silica-alumina-thoria, silica-alumina-zirconia, Silica-alumina-magnesia and silica-magnesia-zirconia.
Die relativen Anteile des fein verteilten kristallinen Materials und der anorganischen Oxidmatrix schwanken stark, wobei der Kristallgehalt im Bereich von 1 bis 90 Gew.-% und noch üblicher, insbesondere wenn das Verbundmaterial in Form von Kügelchen hergestellt wird, im Bereich von 2 bis 80 Gew.-% des Verbundmaterials liegt.The relative proportions of the finely divided crystalline material and the inorganic oxide matrix vary widely, with the crystal content ranging from 1 to 90% by weight and more typically, particularly when the composite material is made in the form of beads, ranging from 2 to 80% by weight of the composite material.
Diese Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Beispiele und die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben, wobei die Figuren 1 bis 5 Röntgenbeugungsdiagramme der kalzinierten Produkte der Beispiele 1, 3, 4, 5 bzw. 9 darstellen. Wenn in den Beispielen Sorptionswerte zum Vergleich der Sorptionskapazitäten von Wasser, Cyclohexan und/oder n-Hexan aufgeführt sind, waren dies die Gleichgewichts-Adsorptionswerte, die wie folgt bestimmt wurden:This invention will be described in more detail with reference to the examples and the accompanying drawings, in which Figures 1 to 5 show X-ray diffraction patterns of the calcined products of Examples 1, 3, 4, 5 and 9, respectively. When sorption values are given in the examples to compare the sorption capacities of water, cyclohexane and/or n-hexane, these were the equilibrium adsorption values determined as follows:
Eine gewogene Probe des kalzinierten Adsorptionsmittels wurde in einer Adsorptionskammer mit dem gewünschten reinen Adsorbatdampf in Kontakt gebracht, auf weniger als 1 mm evakuiert und mit 12 Torr Wasserdampf und 40 Torr n-Hexan- oder Cyclohexandampf in Kontakt gebracht, wobei der Druck geringer als der Dampf/Flüssigkeits-Gleichgewichtsdruck des entsprechen Adsorbats bei 90ºC war. Dieser Druck wurde (innerhalb etwa ± 0,5 mm) konstant gehalten, indem der Adsorbatdampf während der Adsorptionsperiode, die 8 Stunden nicht überstieg, von einem Manostat geregelt zugegeben wurde. Wenn das Adsorbat vom neuen Kristall adsorbiert worden war, bewirkte die Druckabnahme, daß das Manostat ein Ventil öffnet, das mehr Adsorbatdampf in die Kammer einließ, damit der oben genannte Regeldruck wieder hergestellt wird. Die Sorption war vollständig, wenn die Druckveränderung nicht ausreichend war, um das Manostat zu aktivieren. Die Gewichtszunahme wurde als Adsorptionskapazität der Probe in g/100 g des kalzinierten Adsorptionsmittels berechnet. Das synthetische Material dieser Erfindung zeigte immer Gleichgewichts-Adsorptionswerte von mehr als 10 Gew.-% für Wasserdampf, mehr als 4,5 Gew.-%, üblicherweise mehr als 7 Gew.-% für Cyclohexandampf und mehr als 10 Gew.-% für n-Hexandampf.A weighed sample of the calcined adsorbent was contacted with the desired pure adsorbate vapor in an adsorption chamber, evacuated to less than 1 mm, and contacted with 12 torr of water vapor and 40 torr of n-hexane or cyclohexane vapor at a pressure less than the vapor/liquid equilibrium pressure of the corresponding adsorbate at 90°C. This pressure was kept constant (within about ± 0.5 mm) by the controlled addition of adsorbate vapor by a manostat during the adsorption period, which did not exceed 8 hours. When the adsorbate had been adsorbed by the new crystal, the decrease in pressure caused the manostat to open a valve which admitted more adsorbate vapor into the chamber to restore the above-mentioned controlled pressure. Sorption was complete when the pressure change was not sufficient to activate the manostat. The weight gain was calculated as the adsorption capacity of the sample in g/100 g of the calcined adsorbent. The synthetic material of this invention always showed equilibrium adsorption values of more than 10 wt.% for water vapor, more than 4.5 wt.%, typically more than 7 wt.% for cyclohexane vapor and more than 10 wt.% for n-hexane vapor.
Wenn der α-Wert geprüft wird, muß darauf hingewiesen werden, daß dieser α-Wert eine ungefähre Kennzeichnung der katalytischen Crackaktivität des Katalysators im Vergleich mit einem Standardkatalysator ist und die relative Geschwindigkeitskonstante (Geschwindigkeit der Umwandlung von n-Hexan pro Volumen des Katalysators pro Zeiteinheit) im Vergleich mit der des stark aktiven Siliciumdioxid-Aluminiumoxid-Crackkatalysators angibt, der als α = 1 angenommen wird (Geschwindigkeitskonstante = 0,016 s&supmin;¹) Diese Prüfung des α-Wertes wird in US Patent 3 354 078 und in Journal of Catalysis, Bd. IV, S. 522- 529 (August 1965) beschrieben. Es muß darauf hingewiesen werden, daß bei einem bestimmten kristallinen Silicatkatalysator die eigenen Geschwindigkeitskonstanten für viele durch Säure katalysierte Reaktionen dem α-Wert proportional sind, und zwar die Geschwindigkeiten für die Disproportionierung von Toluol, die Isomerisierung von Xylol, die Umwandlung von Alken und die Umwandlung von Methanol (siehe "The Active Site of Acidic Aluminosilicate Catalysts," Nature, Bd. 309, Nr. 5969, S. 588-591, 14. Juni 1984).When checking the α value, it must be noted that this α value is an approximate characterization of the catalytic cracking activity of the catalyst compared with a standard catalyst and indicates the relative rate constant (rate of conversion of n-hexane per volume of catalyst per unit time) compared with that of the highly active silica-alumina cracking catalyst, which is assumed to be α = 1 (rate constant = 0.016 s-1). This α value check is described in U.S. Patent 3,354,078 and in Journal of Catalysis, Vol. IV, pp. 522-529 (August 1965). It is important to note that for a given crystalline silicate catalyst, its own rate constants for many acid-catalyzed reactions are proportional to the α value, namely the rates for the disproportionation of toluene, the isomerization of xylene, the conversion of alkenes, and the conversion of methanol (see "The Active Site of Acidic Aluminosilicate Catalysts," Nature, Vol. 309, No. 5969, pp. 588-591, June 14, 1984).
12,86 g Natriumaluminat (43,5% Al&sub2;O&sub3;, 32,2% Na&sub2;O, 25,6% H&sub2;O) wurden in einer Lösung gelöst, die 12,8 g einer 50%igen NaOH- Lösung und 1320 g H&sub2;O enthielt. 57,6 g Hexamethylenimin wurden zugesetzt. Die resultierende Lösung wurde zu 109,4 g Ultrasil, ein gefälliges sprühgetrocknetes Siliciumdioxid (etwa 90% SiO&sub2;) gegeben.12.86 g of sodium aluminate (43.5% Al2O3, 32.2% Na2O, 25.6% H2O) were dissolved in a solution containing 12.8 g of a 50% NaOH solution and 1320 g of H2O. 57.6 g of hexamethyleneimine were added. The resulting solution was added to 109.4 g of Ultrasil, a pleasing spray dried silica (about 90% SiO2).
Die Reaktionsmischung hatte die folgende Zusammensetzung in Molverhältnissen:The reaction mixture had the following composition in molar ratios:
SiO&sub2;/Al&sub2;O&sub3; = 30,0SiO₂/Al₂O₃ = 30.0
OH&supmin;/SiO&sub2; = 0,18OH⊃min;/SiO₂ = 0.18
H&sub2;O/SiO&sub2; = 44,9H₂O/SiO₂ = 44.9
Na/SiO&sub2; = 0,18Na/SiO₂ = 0.18
R/SiO&sub2; = 0,35R/SiO₂ = 0.35
worin R Hexamethylenimin ist.where R is hexamethyleneimine.
Die Mischung wurde in einem Reaktor aus rostfreiem Stahl unter Rühren 7 Tage lang bei 150ºC kristallisiert. Das kristalline Produkt wurde filtriert, mit Wasser gewaschen und bei 120ºC getrocknet. Nach einer Kalzinierung von 20 Stunden bei 583ºC enthielt das Röntgenbeugungsdiagramm die Hauptlinien, die in Tabelle V aufgeführt sind. Figur 1 zeigt das Röntgenbeugungsdiagramm dieses kalzinierten Produktes. Die Sorptionskapazitäten des kalzinierten Materials wurden wie folgt gemessen:The mixture was crystallized in a stainless steel reactor with stirring at 150ºC for 7 days. The crystalline product was filtered, washed with water and dried at 120ºC. After calcination for 20 hours at 583ºC, the X-ray diffraction pattern contained the main lines listed in Table V. Figure 1 shows the X-ray diffraction pattern of this calcined product. The sorption capacities of the calcined material were measured as follows:
H&sub2;O (12 Torr) 15,2 Gew.-%H₂O (12 Torr) 15.2 wt.%
Cyclohexan (40 Torr) 14,6 Gew.-%Cyclohexane (40 Torr) 14.6 wt.%
n-Hexan (40 Torr) 16,7 Gew.-%n-Hexane (40 Torr) 16.7 wt.%
Die spezifische Oberfläche dieses kalzinierten kristallinen Materials wurde mit 494 m²/g gemessen.The specific surface area of this calcined crystalline material was measured to be 494 m²/g.
Die chemische Zusammensetzung dieses kalzinierten Materials wurde wie folgt bestimmt: Komponente Gew.-% Tabelle V 2 Theta, Grad d-Netzebenenabstand (Å)The chemical composition of this calcined material was determined as follows: Component wt.% Table V 2 Theta, degree d-Latium spacing (Å)
Ein Teil des kalzinierten kristallinen Produktes von Beispiel 1 wurde beim α-Versuch geprüft und es wurde ein α-Wert von 224 gefunden.A portion of the calcined crystalline product of Example 1 was tested in the α-test and an α-value of 224 was found.
Mit den in Tabelle VI gezeigten Zusammensetzungen wurden drei getrennte Synthesereaktionsmischungen hergestellt. Diese Mischungen wurden mit Natriumaluminat, Natriumhydroxid, Ultrasil, Hexamethylenimin (R) und Wasser hergestellt. Die Mischungen wurden 7, 8 bzw. 6 Tage lang in einem gerührten (350 U/min) Autoklav aus rostfreiem Stahl bei autogenem Druck bei 150ºC, 143ºC bzw. 150ºC gehalten. Die Feststoffe wurden durch Filtration von allen unreagierten Komponenten getrennt und danach mit Wasser gewaschen, danach wurde bei 120ºC getrocknet. Die Kristalle des Produktes wurden durch Röntgenbeugung, Sorption, spezifische Oberfläche und chemische Analysen analysiert. Es wurde gefunden, daß diese Produkte das neue kristalline Material dieser Erfindung waren. Die Ergebnisse der Sorption, der spezifischen Oberfläche und der chemischen Analysen sind ebenfalls in Tabelle VI gezeigt. Die Röntgenbeugungsdiagramme der kalzinierten Produkte (538ºC, 3 Stunden lang) der Beispiele 3, 4 und 5 sind in den Figuren 2, 3 bzw. 4 gezeigt. Die Messungen der Sorption und der spezifischen Oberfläche betrafen das kalzinierte Produkt. Tabelle VI Beispiel Nummer Synthesemischung, Mol-Verhältnisse Zusammensetzung des Produktes, Gew.-% Asche Molverhältnis Adsorption, Gew.-% Cyclohexan n-Hexan Spezifische Oberfläche, m²/gThree separate synthesis reaction mixtures were prepared with the compositions shown in Table VI. These mixtures were prepared with sodium aluminate, sodium hydroxide, Ultrasil, hexamethyleneimine (R) and water. The mixtures were maintained in a stirred (350 rpm) stainless steel autoclave at autogenous pressure at 150°C, 143°C and 150°C for 7, 8 and 6 days, respectively. The solids were separated from any unreacted components by filtration and then washed with water, followed by drying at 120°C. The crystals of the product were analyzed by X-ray diffraction, sorption, specific surface area and chemical analyses. These products were found to be the new crystalline material of this invention. The results of the sorption, specific surface area and chemical analyses are also shown in Table VI. The X-ray diffraction patterns of the calcined products (538 °C, for 3 hours) of Examples 3, 4 and 5 are shown in Figures 2, 3 and 4, respectively. The sorption and specific surface area measurements were for the calcined product. Table VI Example number Synthesis mixture, molar ratios Composition of product, wt.% Ash Molar ratio adsorption, wt.% Cyclohexane n-hexane Specific surface area, m²/g
Mengen der kalzinierten (538ºC, 3 Stunden lang), kristallinen Silicatprodukte der Beispiele 3, 4 und 5 wurden im α-Versuch geprüft, und es wurde gefunden, daß sie α-Werte von 227, 180 bzw. 187 aufwiesen.Quantities of the calcined (538°C for 3 hours) crystalline silicate products of Examples 3, 4 and 5 were tested in the α test and found to have α values of 227, 180 and 187, respectively.
Eine kalzinierte Probe des kristallinen Silicats von Beispiel 4 wurde mit einer Pt(NH&sub3;)&sub4;Cl&sub2;-Lösung bis zu etwa 1 Gew.-% Pt imprägniert. Dieses Material wurde danach 3 Stunden lang in Luft bei 349ºC erwärmt.A calcined sample of the crystalline silicate of Example 4 was impregnated with a Pt(NH3)4Cl2 solution to about 1 wt% Pt. This material was then heated in air at 349°C for 3 hours.
1g des resultierenden Produktes von Beispiel 7 wurde als Katalysator in einen kleinen Reaktor gegeben, der mit einer Vorwärmeinrichtung ausgestattet und in einem Thermoelement eingebettet war. Der Katalysator wurde danach mit strömenden Wasserstoff auf 482ºC erwärmt, um die Pt-Komponente zu reduzieren. n- Decan und Wasserstoff wurden über den Katalysator geleitet, um eine WHSV von 0,4 h&supmin;¹ bei Decan und ein Molverhältnis von Was-Serstoff/Kohlenwasserstoff von 100/1 zu erhalten. Die Reaktion wurde im Temperaturbereich von 130 - 250ºC und bei atmosphärischem Druck durchgeführt.1 g of the resulting product of Example 7 was added as a catalyst to a small reactor equipped with a preheater and embedded in a thermocouple. The catalyst was then heated to 482°C with flowing hydrogen to reduce the Pt component. n-decane and hydrogen were passed over the catalyst to obtain a WHSV of 0.4 h-1 for decane and a hydrogen/hydrocarbon molar ratio of 100/1. The reaction was carried out in the temperature range of 130 - 250°C and at atmospheric pressure.
Die Ergebnisse dieses Versuches sind in Tabelle VII zusammen mit den Ergebnissen des gleichen Versuchs zusammengefaßt, bei dem jedoch das kristalline Material in ZSM-5 (US Patent 3 702 886), ZSM-11 (US Patent 3 709 979) und Zeolith Beta (US Patent 3 308 069) geändert wurde, die für Vergleichszwecke aufgeführt wurden. Es wird beobachtet, daß der erfindungsgemäße kristalline Silicat ein sehr aktiver Katalysator für die Hydroumwandlung von n-Decan ist und eine gute Isomerisierungsaktivität hat. In Tabelle VII ist "5MN/2MN" das Molverhältnis von 5-Methylnonan/2-Methylnonan. Aufgrund der Position seiner Methylgruppe zeigt 5-Methylnonan eine etwas größere sterische Behinderung für den Eintritt in die Zeolithporen. Das Verhältnis 5MN/2MN liefert eine Information über die Porosität des geprüften Zeolith. Tabelle VII Zeolith-Katalysator SiO&sub2;/Al&sub2;O&sub3; Molverhältnis des Zeolith Temp.(ºC) für eine Umwandlung von 50% % Isomere bei 50% Umwandlung Beispiel 7 BetaThe results of this experiment are summarized in Table VII along with the results of the same experiment but changing the crystalline material to ZSM-5 (US Patent 3,702,886), ZSM-11 (US Patent 3,709,979) and Zeolite Beta (US Patent 3,308,069) which are listed for comparison purposes. It is observed that the crystalline silicate of the present invention is a very active catalyst for the hydroconversion of n-decane and has good isomerization activity. In Table VII, "5MN/2MN" is the molar ratio of 5-methylnonane/2-methylnonane. Due to the position of its methyl group, 5-methylnonane presents a slightly greater steric hindrance to entry into the zeolite pores. The ratio 5MN/2MN provides information about the porosity of the tested zeolite. Table VII Zeolite Catalyst SiO₂/Al₂O₃ Molar Ratio of Zeolite Temp.(ºC) for 50% Conversion % Isomers at 50% Conversion Example 7 Beta
Um den umfangreicheren Ansatz des kristallinen Materials dieser Erfindung nachzuweisen, wurden 1200 g Hexamethylenimin einer Lösung zugesetzt, die 268 g Natriumaluminat, 267 g einer 50%igen NaOH-Lösung und 11800 g H&sub2;O enthielt. Dieser kombinierten Lösung wurden 2280 g Siliciumdioxid Ultrasil zugesetzt. Die Mischung wurde unter Rühren (etwa 200 U/min) bei 145ºC in einem Reaktor mit 5 Gallon kristallisiert. Die Kristallisationszeit betrug 95 Stunden. Das Produkt wurde mit Wasser gewaschen und bei 120ºC getrocknet.To demonstrate the more extensive approach to the crystalline material of this invention, 1200 g of hexamethyleneimine was added to a solution containing 268 g of sodium aluminate, 267 g of a 50% NaOH solution and 11800 g of H2O. To this combined solution was added 2280 g of Ultrasil silica. The mixture was crystallized with stirring (about 200 rpm) at 145°C in a 5 gallon reactor. The crystallization time was 95 hours. The product was washed with water and dried at 120°C.
Das Röntgenbeugungsdiagramm der kalzinierten (538ºC) Produktkristalle ist in Figur 5 gezeigt und weist nach, daß dieses Produkt das kristalline Material dieser Erfindung ist. Die chemische Zusammensetzung des Produktes, die spezifische Oberfläche und die Analyseergebnisse der Adsorption waren wie folgt: Tabelle VIII Zusammensetzung des Produktes SiO&sub2;/Al&sub2;O&sub3;, Molverhältnis Adsorption, Gew.-% Cylohexan n-Hexan Spezifische Oberfläche, m²/gThe X-ray diffraction pattern of the calcined (538°C) product crystals is shown in Figure 5 and proves that this product is the crystalline material of this invention. The chemical composition of the product, the specific surface area and the adsorption analysis results were as follows: Table VIII Composition of the product SiO₂/Al₂O₃, molar ratio Adsorption, wt.% Cyclohexane n-hexane Specific surface area, m²/g
Eine Menge von 25 g des festen Kristallproduktes von Beispiel 9 wurde 5 Stunden lang in einer Atmosphäre aus fließendem Stickstoff bei 538ºC kalziniert, danach wurde sie mit 5% Sauerstoffgas (Rest N²) weitere 16 Stunden lang bei 538ºC gespült.A 25 g quantity of the solid crystal product of Example 9 was calcined in an atmosphere of flowing nitrogen at 538°C for 5 hours, after which it was purged with 5% oxygen gas (balance N2) for an additional 16 hours at 538°C.
Einzelne Proben von 3 g des kalzinierten Materials wurden separat dem Ionenaustausch mit 100ml einer 0,1 n TEABr-, TPABr- und LaCl&sub3;-Lösung unterzogen. Jeder Austausch wurde 24 Stunden lang bei Umgebungstemperatur durchgeführt und dreimal wiederholt. Die ausgetauschten Proben wurden durch Filtration aufgefangen, mit Wasser gewaschen, damit sie frei von Halogenid sind, und getrocknet. Die Zusammensetzungen der ausgetauschten Proben sind nachfolgend in der Tabelle zusammengefaßt, sie zeigen die Austauschkapazität des erfindungsgemäßen kristallinen Silicats für unterschiedliche Ionen. Austauschionen Ionenzusammensetzung, Gew.-%Individual 3 g samples of the calcined material were separately ion exchanged with 100 ml of 0.1 N TEABr, TPABr and LaCl3 solution. Each exchange was carried out for 24 hours at ambient temperature and repeated three times. The exchanged samples were collected by filtration, washed with water to remove halide and dried. The compositions of the exchanged samples are summarized in the table below and show the exchange capacity of the crystalline silicate of the invention for different ions. Exchange ions Ionic composition, wt.%
Die oben genannte mit La-ausgetauschte Probe wurde auf eine Größe von 14 bis 25mesh gebracht und danach 3 Stunden lang in Luft bei 538ºC kalziniert. Das kalzinierte Material hatte einen α-Wert von 173.The above La-exchanged sample was brought to a size of 14 to 25mesh and then placed in Air at 538ºC. The calcined material had an α-value of 173.
Die kalzinierte Probe des mit La-ausgetauschten Materials vom Beispiel 11 wurde 2 Stunden lang einer strengen Dampfbehandlung in 100% Dampf bei 649ºC unterzogen. Diese der Dampfbehandlung unterzogene Probe hatte einen α-Wert von 22, dies zeigt, daß der kristalline Silicat bei einer strengen hydrothermischen Behandlung eine sehr gute Stabilität aufweist.The calcined sample of the La-exchanged material of Example 11 was subjected to a severe steam treatment in 100% steam at 649ºC for 2 hours. This steamed sample had an α value of 22, which shows that the crystalline silicate has very good stability under severe hydrothermal treatment.
Um den erfindungsgemäßen Kristall herzustellen, bei dem X Bor darstellt, wurde eine Menge von 17,5 g Borsäure zu einer Lösung gegeben, die 6,75 g einer 45%igen KOH-Lösung und 290g H&sub2;O enthielt. Dazu wurden 57,8 g Siliciumdioxid Ultrasil gegeben und die Mischung wurde gründlich homogenisiert. Eine Menge von 26,2 g Hexamethylenimin wurde der Mischung zugegeben.To prepare the crystal of the invention, where X represents boron, an amount of 17.5 g of boric acid was added to a solution containing 6.75 g of a 45% KOH solution and 290 g of H₂O. To this was added 57.8 g of Ultrasil silica and the mixture was thoroughly homogenized. An amount of 26.2 g of hexamethyleneimine was added to the mixture.
Die Reaktionsmischung hatte die folgende Zusammensetzung in Molverhältnissen:The reaction mixture had the following composition in molar ratios:
SiO&sub2;/B&sub2;O&sub3; = 6,1SiO₂/B₂O₃ = 6.1
OH&sub2;/SiO&sub2; = 0,06OH₂/SiO₂ = 0.06
H&sub2;O/SiO&sub2; = 19,0H₂O/SiO₂ = 19.0
K/SiO&sub2; = 0,06K/SiO₂ = 0.06
R/SiO&sub2; = 0,30R/SiO₂ = 0.30
worin R Hexamethylenimin ist.where R is hexamethyleneimine.
Die Mischung wurde unter Rühren 8 Tage lang bei 150ºC in einem Reaktor aus rostfreiem Stahl kristallisiert. Das kristalline Produkt wurde filtriert, mit Wasser gewaschen und bei 120ºC getrocknet. Ein Teil des Produktes wurde 6 Stunden lang bei 540ºC kalziniert, und es wurde gefunden, daß es die folgenden Sorptionskapazitäten aufwies:The mixture was crystallized in a stainless steel reactor at 150ºC for 8 days with stirring. The crystalline product was filtered, washed with water and dried at 120ºC. A portion of the product was calcined at 540ºC for 6 hours and found to have the following sorption capacities:
H&sub2;O (12 Torr) 11,7 Gew.-%H₂O (12 Torr) 11.7 wt.%
Cyclohexan (40 Torr) 7,5 Gew.-%Cyclohexane (40 Torr) 7.5 wt.%
n-Hexan (40 Torr) 11,4 Gew.-% Die spezifische Oberfläche des kalzinierten kristallinen Materials wurde mit 405 m²/g gemessen.n-Hexane (40 Torr) 11.4 wt.% The specific surface area of the calcined crystalline material was measured to be 405 m²/g.
Die chemische Zusammensetzung des kalzinierten Materials wurde wie folgt bestimmt:The chemical composition of the calcined material was determined as follows:
N 1,94 Gew.-%N 1.94 wt.%
Na 175 ppmNa 175 ppm
K 0,60 Gew.-%K 0.60 wt.%
Bor 1,04 Gew.-%Boron 1.04 wt.%
Al&sub2;O&sub3; 920 ppmAl₂O₃ 920 ppm
SiO&sub2; 75,9 Gew.-%SiO₂ 75.9 wt.%
Asche 74,11 Gew.-%Ash 74.11 wt.%
SiO&sub2;/Al&sub2;O&sub3;, Molverhältnis 1406SiO₂/Al₂O₃, molar ratio 1406
SiO&sub2;/ (Al+B) &sub2;O&sub3;, Molverhältnis 25,8SiO₂/ (Al+B) ₂O₃, molar ratio 25.8
Ein Teil des kalzinierten kristallinen Produktes von Beispiel 13 wurde mit NH&sub4;Cl behandelt und erneut kalziniert. Das abschließende kristalline Produkt wurde beim α-Versuch geprüft und es wurde ein α-Wert von 1 gefunden.A portion of the calcined crystalline product of Example 13 was treated with NH4Cl and recalcined. The final crystalline product was tested in the α test and found to have an α value of 1.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen kristallinen Materials, bei dem X Bor umfaßt, wurde eine Menge von 35,0 g Borsäure zu einer Lösung gegeben, die 15,7 g einer 50%igen NaOH-Lösung und 1160 g H&sub2;O umfaßte. Dieser Lösung wurden 240 g Siliciumdioxid HiSil zugegeben, danach wurden 105 g Hexamethylenimin zugesetzt. Die Reaktionsmischung hatte die folgende Zusammensetzung in Molverhältnissen:To prepare the crystalline material of the invention, where X comprises boron, an amount of 35.0 g of boric acid was added to a solution comprising 15.7 g of a 50% NaOH solution and 1160 g of H₂O. To this solution was added 240 g of silicon dioxide, HiSil, followed by 105 g of hexamethyleneimine. The reaction mixture had the following composition in molar ratios:
SiO&sub2;/B&sub2;O&sub3; = 12,3SiO₂/B₂O₃ = 12.3
OH&supmin;/SiO&sub2; = 0,056OH⊃min;/SiO₂ = 0.056
H&sub2;O/SiO&sub2; = 18,6H₂O/SiO₂ = 18.6
Na/SiO&sub2; = 0,056Na/SiO2 = 0.056
R/SiO&sub2; = 0,30R/SiO₂ = 0.30
worin R Hexamethylenimin ist. Die Mischung wurde unter Rühren 9 Tage lang bei 300ºC in einem Reaktor aus rostfreiem Stahl kristallisiert. Das kristalline Produkt wurde filtriert, mit Wasser gewaschen und bei 120ºC getrocknet. Die Sorptionskapazitäten des kalzinierten Materials (6 Stunden bei 540ºC) wurden wie folgt gemessen:where R is hexamethyleneimine. The mixture was crystallized in a stainless steel reactor at 300ºC for 9 days with stirring. The crystalline product was filtered, washed with water and dried at 120ºC. The sorption capacities of the calcined material (6 hours at 540ºC) were measured as follows:
H&sub2;O (12 Torr) 14,4 Gew.-%H₂O (12 Torr) 14.4 wt.%
Cyclohexan (40 Torr) 4,6 Gew.-%Cyclohexane (40 Torr) 4.6 wt.%
n-Hexan (40 Torr) 14,0 Gew.-%n-Hexane (40 Torr) 14.0 wt.%
Die spezifische Oberfläche des kalznierten kristallinen Materials wurde mit 438 m²/g gemessen.The specific surface area of the calcified crystalline material was measured to be 438 m²/g.
Die chemische Zusammensetzung des kalzinierten Materials wurde wie folgt bestimmt: Komponente Gew. % SiO&sub2;/Al&sub2;O&sub3;, Molverhältnis SiO&sub2;/(A1+B)&sub2;O&sub3;, MolverhältnisThe chemical composition of the calcined material was determined as follows: Component wt. % SiO₂/Al₂O₃, molar ratio SiO₂/(A1+B)₂O₃, molar ratio
Ein Teil des kalzinierten kristallinen Produktes vom Beispiel 15 wurde beim α-Versuch geprüft und es wurde ein α-Wert von 5 gefunden.A portion of the calcined crystalline product of Example 15 was tested in the α-test and an α-value of 5 was found.
Um die Bedeutung der Anwendung der Siliciumdioxidquelle, die mindestens 30 % festes Siliciumdioxid enthält, beim erfindungsgemäßen Verfahren zu demonstrieren, wurde Beispiel 3 wiederholt, es wurde jedoch Natriumsilicat der Sorte Q als Siliciumdioxidquelle verwendet (das nur etwa 29 Gew.-% festes Siliciumdioxid enthält). In diesem Beispiel wurden 67,6 g Aluminiumsulfat in einer Lösung aus 38,1 g H&sub2;SO&sub4; (96,1%) und 400 g Wasser gelöst. Die resultierende Lösung wurde mit 120 g Hexamethylenimin vermischt und zu einer Mischung aus 712,5 g Natriumsilicat der Sorte Q (28,8% SiO&sub2; und 8,9% Na&sub2;O) und 351 g Wasser gegeben. Die resultierende Mischung, die die folgende als Molverhältnisse ausgedrückte Zusammensetzung aufwies:To demonstrate the importance of using the silica source containing at least 30% solid silica in the process of the invention, Example 3 was repeated but using Q grade sodium silicate as the silica source (containing only about 29% solid silica by weight). In this example, 67.6 g of aluminum sulfate was dissolved in a solution of 38.1 g of H₂SO₄ (96.1%) and 400 g of water. The resulting solution was treated with 120 g of hexamethyleneimine and added to a mixture of 712.5 g of sodium silicate grade Q (28.8% SiO₂ and 8.9% Na₂O) and 351 g of water. The resulting mixture had the following composition expressed as molar ratios:
SiO&sub2;/Al&sub2;O&sub3; = 30,0SiO₂/Al₂O₃ = 30.0
OH /SiO&sub2; = 0,18OH/SiO2 = 0.18
H&sub2;O/SiO&sub2; = 19,4H₂O/SiO₂ = 19.4
Na/SiO&sub2; = 0,60Na/SiO₂ = 0.60
R/SiO&sub2; = 0,35R/SiO₂ = 0.35
wurde gründlich vermischt und unter Rühren 8 Tage lang bei 246ºC in einem Reaktor aus rostfreiem Stahl kristallisiert. Die Feststoffe des Produktes wurden von den unreagierten Komponenten durch Filtration abgetrennt, danach mit Wasser gewaschen, anschließend wurde bei 120ºC getrocknet. Das Produkt wurde durch Röntgenbeugung analysiert, und es wurde gefunden, daß es eine Mischung eines amorphen Materials, Magadiit und Mordenit, ist. Es wurden keinen erfindungsgemäßen Kristalle gefunden.was thoroughly mixed and crystallized with stirring in a stainless steel reactor at 246°C for 8 days. The product solids were separated from the unreacted components by filtration, then washed with water, and then dried at 120°C. The product was analyzed by X-ray diffraction and found to be a mixture of an amorphous material, magadiite and mordenite. No crystals of the invention were found.
In diesem Beispiel wurden die Eigenschaften des erfindungsgemäßen kristallinen Materials bei der Hydratation von Propylen mit denen von ZSM-12 und PSH-3 verglichen, die nach Beispiel 4 von US Patent Nr. 4 439 409 hergestellt worden waren.In this example, the properties of the crystalline material of the present invention in the hydration of propylene were compared with those of ZSM-12 and PSH-3 prepared according to Example 4 of U.S. Patent No. 4,439,409.
Das erfindungsgemäße kristalline Material wurde hergestellt, indem 15,9 Gew.-Teile Hexamethylenimin zu einer Mischung gegeben wurden, die 3,5 Teile 50%iges NaOH, 3,5 Teile Natriumaluminat, 30,1 Teile Siliciumdioxid Ultrasil VN3 und 156 Teile entionisiertes H&sub2;O enthielt. Die Reaktionsmischung wurde direkt auf 290ºF (143ºC) erwärmt und bei dieser Temperatur in einem Autoklav gerührt, um die Kristallisation durchzuführen. Nachdem eine vollständige Kristallinität erreicht worden war, wurden die resultierenden Kristalle durch Filtration von der restlichen Flüssigkeit abgetrennt, mit Wasser gewaschen und getrocknet. Ein Teil der Kristalle wurde mit Aluminiumoxid kombiniert, um eine Mischung aus 65 Gew.-Teilen Zeolith und 35 Gew.-Teilen Aluminiumoxid zu bilden. Der Mischung wurde ausreichend Wasser zugegeben, so daß der resultierende Katalysator zu Extrudaten geformt werden konnte. Dieser Katalysator wurde durch Kalzinieren in Stickstoff bei 1000ºF (540ºC) aktiviert, danach wurde mit wässrigem 1,0 n Ammoniumnitrat ausgetauscht und bei 1000 bis 1200ºF (540 bis 650ºC) in Luft kalziniert.The crystalline material of the present invention was prepared by adding 15.9 parts by weight of hexamethyleneimine to a mixture containing 3.5 parts of 50% NaOH, 3.5 parts of sodium aluminate, 30.1 parts of Ultrasil VN3 silica and 156 parts of deionized H₂O. The reaction mixture was immediately heated to 290°F (143°C) and stirred at that temperature in an autoclave to effect crystallization. After complete crystallinity was achieved, the resulting crystals were separated from the residual liquid by filtration, washed with water and dried. A portion of the crystals were combined with alumina to form a mixture of 65 parts by weight of zeolite and 35 parts by weight of alumina. Sufficient water was added to the mixture so that the resulting catalyst could be extruded. This catalyst was activated by calcination in nitrogen at 1000ºF (540ºC), then exchanged with 1.0N aqueous ammonium nitrate and calcined in air at 1000 to 1200ºF (540 to 650ºC).
Der ZSM-l2 wurde hergestellt, indem ein Gew.-Teil Kristallkeime von ZSM-12 zu einer Mischung gegeben wurde, die 41,5 Teile Siliciumdioxid Hi-Sil 233, 67,7 Teile 50% Tetraethylammoniumbromid, 7,0 Teile 50%iges NaOH und 165,4 Teile entionisiertes H&sub2;O enthielt. Die Reaktionsmischung wurde direkt auf 280ºF (138ºC) erwärmt und bei dieser Temperatur zur Kristallisation in einem Autoklav gerührt. Nachdem die vollständige Kristallinität erreicht worden war, wurden die resultierenden Kristalle durch Filtration von der restlichen Flüssigkeit abgetrennt, mit Wasser gewaschen und getrocknet. Ein Teil der Kristalle wurde mit Aluminiumoxid kombiniert, um eine Mischung aus 65 Gew.-Teilen Zeolith und 35 Teilen Aluminiumoxid zu bilden. Dieser Mischung wurde ausreichend Wasser zugesetzt, so daß der resultierende Katalysator zu Extrudaten geformt werden konnte. Dieser Katalysator wurde durch kalzinieren in Stickstoff bei 1000ºF (540ºC) aktiviert, danach wurde mit wässrigem 1,0 n Ammoniumnitrat ausgetauscht und bei 1200ºF (650ºC) kalziniert.The ZSM-12 was prepared by adding one part by weight of ZSM-12 seed crystals to a mixture containing 41.5 parts of Hi-Sil 233 silica, 67.7 parts of 50% tetraethylammonium bromide, 7.0 parts of 50% NaOH and 165.4 parts of deionized H2O. The reaction mixture was immediately heated to 280°F (138°C) and stirred at that temperature in an autoclave to crystallize. After complete crystallinity was achieved, the resulting crystals were separated from the remaining liquid by filtration, washed with water and dried. One part of the crystals was combined with alumina to form a mixture of 65 parts by weight of zeolite and 35 parts of alumina. To this mixture, sufficient water was added so that the resulting catalyst could be formed into extrudates. This catalyst was activated by calcining in nitrogen at 1000ºF (540ºC), then exchanged with 1.0N aqueous ammonium nitrate and calcined at 1200ºF (650ºC).
Die Hydratation von Propylen wurde bei einer Temperatur von 330ºF (166ºC), einem Druck von 1000 Psig (7000 kPa) und einer WHSV des Propylen von 0,6 durchgeführt. Die Ergebnisse von 2 Tagen unter Dampf sind in der nachfolgenden Tabelle IX verglichen. Tabelle IX Erfindungsgemäßes Material Propylenumwandlung,% Wasserumwandlung,% IPA-Selektivität DIPE-Selektivität Oligomer-Selektivität IPA = Isopropylalkohol DIPE = DiisopropyletherHydration of propylene was carried out at a temperature of 330ºF (166ºC), a pressure of 1000 psig (7000 kPa) and a WHSV of propylene of 0.6. The results of 2 days under steam are compared in Table IX below. Table IX Material of the Invention Propylene Conversion, % Water Conversion, % IPA Selectivity DIPE Selectivity Oligomer Selectivity IPA = Isopropyl Alcohol DIPE = Diisopropyl Ether
Die oben genannten Ergebnisse zeigen, die vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemäßen Materials im Vergleich mit PSH-3 als auch ZSM-12 deutlich, indem eine höhere Umwandlungsgeschwindigkeit in Verbindung mit einer guten Selektivität gegenüber Disopropylbenzol und einer geringen Erzeugung von Propylen-Oligomeren erreicht wird.The above results clearly demonstrate the advantageous properties of the material according to the invention in comparison with PSH-3 as well as ZSM-12, by achieving a higher conversion rate in conjunction with a good selectivity towards disopropylbenzene and a low production of propylene oligomers.
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