DD252555A1 - Verfahren zur komplexen kennzeichnung von kohlenwasserstoffumwandlungskatalysatoren und apparatur - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung dient der physikalisch-chemischen Eigenschaftsbestimmung von Katalysatoren. Erfindungsgemaess wird der Katalysator im Ar-H2-Gemisch unter Aufnahme der TPR-Kurve auf 773 K temperaturprogrammiert aufgeheizt, mit Wasserstoff nachreduziert und anschliessend nacheinander hinsichtlich seiner Aromatisierungsaktivitaet, Spalt- und Isomerisierungsaktivitaet, Dehydrieraktivitaet, Metalldispersitaet und Aciditaet, sowie seines C-Gehaltes untersucht, wobei zwischen den einzelnen Messungen Spuelungen mit Wasserstoff bzw. Argon bei hohen Gasbelastungen vorgenommen werden muessen. Die erfindungsgemaesse Apparatur besteht aus folgenden Bauteilen, die nacheinander geschalten sind: zwei Gasumsteller fuer jeweils vier Gase, Vergleichskammer der Waermeleitfaehigkeitszelle, Dosiervorrichtung fuer NH3-CO-Gemisch, U-foermiger Reaktor, Gasumschalter fuer zwei Gase, dessen Ausgang A mit einer Dosiervorrichtung fuer die GC-Analytik und Ausgang B mit einer Saeule fuer die CO-NH3-Trennung verbunden ist. Der Ausgang dieser Trennsaeule fuehrt zur Messkammer der Waermeleitfaehigkeitszelle. Durch die Erfindung werden Qualitaetskontrollen und Einsatzvorbereitungen in Produktionsanlagen ermoeglicht.
Description
Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur komplexen Bestimmung der Aromatisierungs-, Dehydrier-, Isomerisierungs- und Hydrogenolyseaktivitat, der Metalldispersitat, der Aciditat und des C-Gehaltes von Metall-Tragerkatalysatoren fur die Kohlenwasserstoffumwandlungsreaktionen zum Zwecke der Qualitätskontrolle und fur die Vorbereitung des Katalysatoreinsatzes in Produktionsanlagen mit einer hohen Aussagefahigkeit und einem geringen Kostenaufwand sowie eine Apparatur zur Durchfuhrung des Verfahrens
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur komplexen Bestimmung der Aromatisierungs-, Dehydrier-, Isomerisierungs- und Hydrogenolysereaktivitat, der Metalldispersitat, der Aciditat und des C-Gehaltes von Metall-Tragerkatalysatoren fur die Kohlenwasserstoffumwandlungsreaktionen zu entwickeln, die es gestatten, mit einem möglichst geringen Zeit-, Energie- und Materialaufwand zuverlässige und aussagekraftige physikalisch-chemische Kenngroßen der Katalysatoren zu erhalten
Diese Aufgabe wurde erfindungsgemaß gelost, indem man 100 bis 5000 mg des Katalysators im Ar-H2-Gemisch mit 5 bis 10VoI -% H2 mit einer Aufheizrate von 5 bis 10 K/min auf 773 K hochheizt, 15 min bei dieser Temperatur belaßt, den H2- Verbrauch katharometrisch erfaßt, mindestens 45min im reinen Wasserstoff oder mit Kohlen wasserstoff-Wasserstoff bzw H2-S-Wasserstoffgemischen bei dieser Temperatur nachbehandelt, anschließend bei Temperaturen von 723 bis 773 K mit einem Hexan- oder/und Heptan-Wasserstoffgemisch beschickt und nach mindestens 30min die Aromatisierungsaktivitat bestimmt, danach mit Wasserstoff bei einer Gasbelastung von 10000 bis 20 000 v/v/h 5 mm spult, nachfolgend schockartig auf eine Temperatur von 573 bis 623 K im Wasserstoffstrom abkühlt, nach Einstellen der gewählten Reaktionstemperatur mit einem Butan-Wasserstoff-Gemisch beschickt und nach mindestens 15 min die Hydrogenolyse- und Isomerisierungsaktivitat bestimmt, anschließend bei einer Belastung von 10000 bis 20000v/vh mit Wasserstoff spult, danach auf eine Temperatur im Bereich von 563 bis 573 K im Wasserstoffstrom abkühlt und danach mit einem Cyclohexan-Wasserstoff-Gemisch beschickt, nach mindestens 30 min die Dehydrieraktivitat ermittelt und anschließend 5 mm bei der Reaktionstemperatur mit einer Belastung von mindestens 20000 v/vh 5 min mit Wasserstoff spult und schockartig unter gleichen Stromungsbedingungen auf 773 K aufheizt, 10 bis 60 min, vorzugsweise 20 mm mit Wasserstoff spult, danach schockartig auf 298 K abkühlt, bei dieser Temperatur mit Impulsen, bestehend aus einem NHs-CO-Gemisch, bis zur Sättigung der Oberflache mit den beiden Adsorptiven behandelt, die aufgenommene NH3- und СО-Menge katharometrisch bestimmt, anschließend 2 min mit einem Argonstrom bei einer Belastung von 10000v/vh, danach 2min mit Sauerstoff mit einer Belastung von 1000 bis 10000v/vh spult und nachfolgend im Sauerstoffstrom zur Bestimmung des C-Gehaltes schockartig auf 873 K hochheizt und das anfallende CO2 bestimmt Diese Aufgabe wird weiterhin durch eine Apparatur zur komplexen Kennzeichnung von Kohlenwasserstoffumwandlungskatalysatoren erfindungsgemaß dadurch gelost, daß folgende Bauteile nacheinander geschaltet sind Erster Gasumsteller fur die vier Gase Wasserstoff, H2-n-Heptan- bzw H2-n-Hexan- bzw Нг-n-Hexan-n-Heptan-Gemisch, Нг-n-Butan-Gemisch und Нг-Cyclohexan-Gemisch, zweiter Gasumsteller fur die vier Gase Ar-H2-Gemisch, Argon, Sauerstoff und Gas aus dem ersten Umsteller, VergleichskammerderWarmeleitfahigkeitszelle, Dosiervorrichtung fur NH3-CO-Gemisch, U-formiger Reaktor, dritter Gasumsteller fur zwei Gase, dessen Ausgang A mit einer Dosiervorrichtung fur die GC-Analytik und Ausgang B mit einer Säule fur die Trennung von CO und NH3, deren Ausgang mit der Messkammer der Warmeleitfahigkeitsmeßzelle verbunden ist Überraschenderweise wurde gefunden, daß nach dem erfindungsgemaßen Verfahren an einer Katalysatorprobe mit einem geringen Aufwand komplexe und aussagekraftige Daten zur Kennzeichnung von Katalysatoren fur die Kohlenwasserstoff Umwandlungen erhalten werden Wesentlich fur das erf indungsgemaße Verfahren ist, daß die angegebenen Untersuchungen an dergleichen Probe und in die beschriebenen Reihenfolge vorgenommen werden Weiterhin ist wesentlich, daß zwischen den einzelnen Charakterisierungsschritten die Probe mit Wasserstoff bzw Argon bei hohen Belastungen gespult wird Fur die Durchfuhrung des erfindungsgemaßen Verfahrens ist ferner wichtig, daß nach dem Auf-und Ausheizen im Ar-H2-Gemisch die Probe nach mindestens 45 min im Wasserstoff oder mit Kohlenwasserstoff-Wasserstoff- bzw H2S-Wasserstoff-Gemischen bei 773 K behandelt wird Die Dosiervorgange und Umschaltungen der Gasstrome werden durch automatische Steuerungen betrieben Die Temperaturfuhrung des erfindungsgemaßen Verfahrens wird zweckmaßigerweise über einen Mikrorechner gesteuert Zur Auswertung der TPR-Kurven, der Chemisorptions- und katalytischen Messungen wird ebenfalls ein Mikrorechner eingesetzt
Zwei verschieden hergestellte Pt-Re-AI2O3-Katalysatoren A und B wurden nach folgendem erfindungsgemaßen Verfahren und mit der erfindungsgemaßen Apparatur untersucht 400 mg des Katalysators werden in einen U-formigen Reaktor überfuhrt und mittels Strahlungsofen mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 8 K/mm im Ar-H2-Strom (5l/h,8Vol -% H2) auf 773 K hochgeheizt und 15mm bei dieser Temperatur belassen, wobei der Wasserstoffverbrauch katharometrisch ermittelt wird Hierzu ist der Gasumsteller fur zwei Gase so gehalten, daß das Gas aus dem Reaktor über die Säule zur Meßkammer der Warmeleitfahigkeitszelle strömt
Anschließend wird die Probe45min bei 773 K mit reinem Wasserstoff (15 l/h) nachbehandelt Danach wird bei 753 Kein n-Heptan-Wasserstoff-Gemisch (101/h H2,1,0g n-Heptan/h) über die Probe gefuhrt Nach 30min erfolgt automatisch mit der Dosiervorrichtung eine Probenahme zur Analyse des Reaktionsproduktes Dabei ist der Gasumsteller fur zwei Gase so eingestellt, daß der Reaktorausgang mit der Dosiervorrichtung verbunden ist Nachfolgend wird die Katalysatorprobe mit Wasserstoff (15l/h) 5min bei 753K gespult, schockartig auf eine Temperatur von 623 K im Wasserstoffstrom abgekühlt und bei dieser Temperatur mit einem Butan-Wasserstoff-Gemisch (4I H2/h, 11 Butan/h) beschick; Nach 15min wird das Reaktionsprodukt analysiert Anschließend wird die Probe 5 mm mit reinem Wasserstoff (15 l/h) gespult und danach auf 563 K im Wasserstrom abgekühlt und danach mit einem Cyclohexan-Wasserstoff-Gemisch, (101 H2Ih, 2,1 g Cyclohexan/h)behandelt Nach 30 min wird die Analyse des Reaktionsproduktes vorgenommen Drauffolgend wird der Katalysator 5 min. mit 151/h Wasserstoff bei 563 K gespult und danach schockartig unter
gleichen Strömungsbedingungen auf 773 K aufgeheizt und 20 min bei dieser Temperatur belassen. Nach Abkühlen auf 298 K wird in Abständen von 10 min mittels Probegeber bis zur Sättigung der Oberfläche Gasimpulse (0,5cm3) aus einem NH3-CO-Gemisch (30 Vol.-% NH3) in den Wasserstoffstrom dosiert und über die Probe geleitet, wobei 7 min lang das von der Katalysatorprobe nicht aufgenommene NH3 am auf 198 K abgekühlten Styren-Divinylbenzen-Copolymeren adsorbiert wird und anschließend ЬеіЗБЗК desorbiert und katharometrisch bestimmt wird. Das vom Katalysator nicht aufgenommene CO durchströmt bei 198 K das Copolymere und wird katharometrisch bestimmt.
Anschließend wird die Probe 2min mit Argon (10l/h) und danach 2min mit Sauerstoff (30l/h) gespult und nachfolgend schockartig im Sauerstoffstrom (31/h) auf 873 K erhitzt und das anfallende CO2 bestimmt. Die gezielte Beschickung des Reaktors mit den jeweiligen Gasen erfolgt durch kombinierte Schaltung der beiden (erster und zweiter) Gasumsteller für vier Gase. Die Ergebnisse sind inderTabelle 1 zusammengestellt. Die Tabelle enthält zudem Daten,die an den verschiedenen Apparaturen zur Charakterisierung der Katalysatoren unter den gleichen Bedingungen (Temperatur, Belastung) an jeweils frisch reduzierten Katalysatoren erhalten worden sind.
Kennzeichnung
Thermoreduktions-
verhalten
Aromatisierungsak-
tivitätinMol-%
Toluen
Butanisomerisierungs-
aktivitätinMol-%
i-Butan
Butanhydrogenolyseak-
tivität in Mol-%
Spaltprodukte
Cyclohexandehydrierak-
tivität in Mol-%
Benzen
Aciditätinmol
NH3/g Kat
Dispersität in mol
CO/g Kat
C-GehaltinMa.-%
erfindungsgemäßes Beispiel
Kat. A Kat. B
Ende der Reduktion Ende der Reduktion
bei 604 K bei 721 K
20,8
11,1
9,6
31,8 442,3
15,8 0,53
15,2
4,8
14,3
24,7 414,8
11,1 0,98
Charakterisierung nach bekannten Verfahren Kat. A Kat. B
Ende der Reduktion Ende der Reduk-
bei608K tion bei 718 K
21,1 12,9 13,1
33,7
493,7
17,5
15,9 10,8 15,1
35,8
512,6
18,1
Ein Vergleich des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der Charakterisierung der Katalysatoren an den einzelnen Apparaturen verdeutlicht, daß die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Ergebnisse besser miteinander kongruieren als die nach den bekannten Verfahren erhaltenen Ergebnisse. Zudem werden die Ergebnisse nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einem wesentlich geringeren Kostenaufwand erhalten.
Claims (2)
1. Verfahren zur komplexen Bestimmung der Eigenschaften von Metall-Trägerkatalysatoren für Kohlenwasserstoffumwandlungsreaktionen durch Ermittlung desThermoreduktionsverhaltens, der Metalldispersität, der Acidität, der katalytischen Eigenschaften und des C-Gehaltes im Temperaturbereich von 273 bis 873K unter Einsatz eines mittels Strahlungsofen beheizbaren U-förmigen Strömungsreaktors nach Aktivierung des Katalysators in Luft oder/und Stickstoff, gekennzeichnet dadurch, daß man 100 bis 5000 mg des Katalysators im Ar-H2-Gemisch mit 5 bis 10Vol.-%H2 und einer Aufheizrate von 5 bis 10 K/min auf 773 K hochheizt, 15 min bei dieser Temperatur beläßt, den H2-Verbrauch katharometrisch erfaßt, mindestens 45 min im reinen Wasserstoff oder mit Kohlenwasserstoff-Wasserstoff bzw. H2S-Wasserstoffgemischen bei dieser Temperatur nachbehandelt, anschließend bei Temperaturen von 723 bis 773 K mit einem Hexanoder/und Heptan-Wasserstoffgemisch beschickt und nach mindestens 30 min die katalytische Aromatisierungsaktivität bestimmt, danach mit Wasserstoff bei einer Gasbelastung von 10000 bis 20000v/vh 5min spült, nachfolgend schockartig auf eine Temperatur von 573 bis 623K im Wasserstoffstrom abkühlt, nach Einstellen der gewählten Reaktionstemperatur mit einem Butan-Wasserstoffgemisch beschickt und nach mindestens 15min die Hydrogenolyse- und Isomerisierungsaktivität bestimmt, anschließend bei einer Belastung von 10000 bis 20000v/vh mit Wasserstoff spült, danach auf eine Temperatur im Bereich von 563 bis 573 K im Wasserstoffstrom abkühlt und danach mit einem Cyclohexan-Wasserstoffgemisch beschickt, nach mindestens 30 min die Dehydrieraktivität ermittelt und anschließend 5 min bei der Reaktionstemperatur mit einer Belastung von mindestens 20000v/vh 5min mit Wasserstoff spült und schockartig unter gleichen Strömungsbedingungen auf 773 K aufheizt, 10 bis 60 min, vorzugsweise 20 min mit Wasserstoff spült, danach schockartig auf 298 K abkühlt, bei dieser Temperatur mit Impulsen, bestehend aus einem NH3-CO-Gemisch, bis zur Sättigung der Oberfläche mit den beiden Adsorptiven behandelt, die aufgenommene NH3- und СО-Menge katharometrisch bestimmt, anschließend 2 min mit einem Argonstrom bei einer Belastung von 10000 bis 20000v/vh, danach 2 min mit Sauerstoff bei einer Belastung von 1000 bis 10000v/vh spült und nachfolgend im Sauerstoffstrom zur Bestimmung des C-Gehaltes schockartig auf 873K hochheizt und das anfallende CO2 bestimmt.
2. Apparatur zur komplexen Kennzeichnung von Kohlenwasserstoffumwandlungskatalysatoren, gekennzeichnet dadurch, daß folgende Bauteile nacheinander geschalten sind: Erster Gasumsteller für die vier Gase Wasserstoff, H2-n-Heptan- bzw. H2-n-Hexan- bzw. Нг-n-Hexan-n-Heptan-Gemisch, H2-n-Butan-Gemisch und Нг-Cyclphexan-Gemisch, zweiter Gasumsteller für die vier Gase Ar-H2-Gemisch, Argon, Sauerstoff und Gas aus dem ersten Umsteller, Vergleichskammer der Wärmeleitfähigkeitszelle, Dosiervorrichtung für NH3-CO-Gemisch, U-förmiger Reaktor, dritter Gasumsteller für zwei Gase, dessen Ausgang A mit einer Dosiervorrichtung für die GC-Analytik und Ausgang B mit einer Säule für die Trennung von CO und NH3, verbunden ist, deren Ausgang zu der Meßkammer der Wärmeleitfähigkeitszelle führt.
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der physikalisch-chemischen Eigenschaften von Metall-Trägerkatalysatoren für die Kohlenwasserstoffumwandlungsreaktionen sowie eine Apparatur zur Durchführung dieses Verfahrens. Das bevorzugte Anwendungsgebiet des Verfahrens ist die katalytische und oberflächenchemische Kennzeichnung von Reformingkatalysatoren.
Charakteristik des bekannten Standes der Technik
Die physikalisch-chemische Charakterisierung von technischen Katalysatoren und Versuchskatalysatoren hinsichtlich ihrer katalytischen Aktivität in Laborreaktoren ist hinreichend bekannt (z.B. Chemie-Technik, 4,443,1975). Ebenso bekannt ist der Einsatz der selektiven Gaschemisorption zur Bestimmung der Metalldispersität und der Acidität der Metail-Trägerkatalysatoren (z. B. Catalysis-Science and Technology, Vol. 1,257,1982).
In den Patentschriften DD-PS 220826, DD-PS 220826 und DD-PS 228067 sind Verfahren und Apparaturen zur kombinierten Aktivitäts- und Dispersitätsbestimmung, zur kombinierten Aktivitäts- und Aciditätsbestimmung bzw. zur simultanen Dispersitäts- und Aciditätsbestimmung von Katalysatoren beschrieben. Gegenüber den vorherigen Arbeitsweisen besitzen die beschriebenen Verfahren den Vorteil, daß die Dispersität und Acidität am formierten Katalysator gemessen werden. Dennoch lassen die bisher beschriebenen Verfahren und Apparaturen nur eine teilweise komplexe Charakterisierung der Katalysatoren zu. Die umfassende physikalisch-chemische Kennzeichnung der Katalysatoren, die zur Qualitätskontrolle von Produktions- und Versuchskatalysatoren erforderlich ist, benötigt einen hohen Zeit- und Geräteaufwand. Das trifft auch für die Kennzeichnung formierter Katalysatoroberflächen mit modernen Oberflächenanalysenverfahren wie ESCA, AES, SIMS, ISS, IR, ESR u. a. zu (z. B. J. Vac. Sei. Technol. 13,1091,1976, J. Catalysis 63, 226,1980).
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DD29419386A DD252555A1 (de) | 1986-09-08 | 1986-09-08 | Verfahren zur komplexen kennzeichnung von kohlenwasserstoffumwandlungskatalysatoren und apparatur |
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1986
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