EP4433207A1 - Katalysator mit trilobengeometrie zur herstellung von polytetrahydrofuran - Google Patents

Katalysator mit trilobengeometrie zur herstellung von polytetrahydrofuran

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Publication number
EP4433207A1
EP4433207A1 EP22818313.3A EP22818313A EP4433207A1 EP 4433207 A1 EP4433207 A1 EP 4433207A1 EP 22818313 A EP22818313 A EP 22818313A EP 4433207 A1 EP4433207 A1 EP 4433207A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
shaped catalyst
section
cross
trilobes
acid
Prior art date
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Pending
Application number
EP22818313.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Veronika Wloka
Thomas Heidemann
Ines LOTTENBURGER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BASF SE
Original Assignee
BASF SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BASF SE filed Critical BASF SE
Publication of EP4433207A1 publication Critical patent/EP4433207A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G65/00—Macromolecular compounds obtained by reactions forming an ether link in the main chain of the macromolecule
    • C08G65/02—Macromolecular compounds obtained by reactions forming an ether link in the main chain of the macromolecule from cyclic ethers by opening of the heterocyclic ring
    • C08G65/04—Macromolecular compounds obtained by reactions forming an ether link in the main chain of the macromolecule from cyclic ethers by opening of the heterocyclic ring from cyclic ethers only
    • C08G65/06—Cyclic ethers having no atoms other than carbon and hydrogen outside the ring
    • C08G65/16—Cyclic ethers having four or more ring atoms
    • C08G65/20—Tetrahydrofuran
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J21/00—Catalysts comprising the elements, oxides, or hydroxides of magnesium, boron, aluminium, carbon, silicon, titanium, zirconium, or hafnium
    • B01J21/16—Clays or other mineral silicates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/40—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by dimensions, e.g. grain size
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/50—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their shape or configuration
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/0009—Use of binding agents; Moulding; Pressing; Powdering; Granulating; Addition of materials ameliorating the mechanical properties of the product catalyst

Definitions

  • the invention relates to a process for preparing polytetrahydrofuran, polytetrahydrofuran copolymers or their mono- or diesters.
  • the invention further relates to a shaped catalyst body with a trilobe geometry and the use of the shaped catalyst bodies.
  • telogens not only act as chain-terminating agents, but are also incorporated into the growing polymer chain of PTHF. They not only have the function of a telogen, but are also a comonomer. Examples of such comonomers are dihydroxy telogens such as dialcohols. This can be, for example, ethylene glycol, propylene glycol, butylene glycol, 1,3-propanediol, 1,4-butanediol, 2-butyne-1,4-diol, 2,2-dimethyl-1,3-propanediol, 1,6-hexanediol or low molecular weight be PTHF.
  • PTHF can be prepared in one stage by THF polymerization with water, 1,4-butanediol or low molecular weight PTHF as telogen over acidic catalysts.
  • telogen over acidic catalysts.
  • the relatively low THF conversions which are achieved in particular in the synthesis of PTHF with a molecular weight of 650 to 3000, are a disadvantage.
  • THF is first polymerized, e.g. in the presence of fluorosulfonic acid, to form polytetrahydrofuran esters and these are then hydrolyzed to form PTHF.
  • fluorosulfonic acid e.g. fluorosulfonic acid
  • PTHF polytetrahydrofuran esters
  • higher THF conversions are usually achieved than in single-stage processes.
  • THF polymerization in the presence of carboxylic acid anhydrides, such as acetic anhydride in the presence of acidic catalysts to form PTHF diacetates and subsequent transesterification of the PTHF diacetates, for example with methanol to form PTHF and methyl acetate is particularly advantageous.
  • DE10 2005 058416 A1 discloses a catalyst for the production of PTFH containing a mixture of an acid-activated layered silicate with 0.5 to 10% by weight, based on the layered silicate, of iron(III) oxide and/or cobalt(II, III) oxide.
  • these catalysts can be used in the form of tablets, strands, spheres, rings or grit.
  • the clay minerals are often deformed into cylindrical strands with a round cross section, for example with a diameter of 1.5 mm.
  • catalyst batches with a certain distribution of the extrudate length. This results in reactor fillings with a lower or higher pressure loss. Too wide a distribution of the strand length of these standard extrudates or too high a proportion of fines are unfavorable.
  • the packed weight of these extrudates is relatively high, and the pressure loss can—particularly if the catalyst bed has settled after a relatively long reactor operating time—become too high, so that the catalyst has to be replaced or the space velocity over the catalyst has to be reduced.
  • the object of the invention is to provide a catalyst geometry with which the desired packed weight of the shaped catalyst bodies and thus the desired catalyst filling quantity in the polymerization reactor is achieved without very high pressure drop values resulting in the reactor.
  • the problem is solved by a process for preparing polytetrahydrofuran, polytetrahydrofuran copolymers or their mono- or diesters, with tetrahydrofuran and optionally comonomers are polymerized on shaped catalyst bodies comprising an acid-activated sheet silicate, characterized in that the shaped catalyst bodies are in the form of trilobes.
  • shaped catalyst bodies generally extrudates, in the form of trilobes, characterized in that the cross section of the trilobes is delimited by three convex curves, each touching a circle with diameter d circumscribing the cross section of the trilobes and within this Circle have three points of intersection, the distance a from two points of intersection being 0.45 to 0.65 times, preferably 0.5 to 0.65 times, particularly preferably 0.5 to 0.6 times the diameter d of the circle is.
  • This catalyst geometry causes a particularly low pressure loss for a given shake weight.
  • Convex curves can be open oval curves, that is, the segments of closed oval curves. Special cases of closed oval curves are ellipses and circles.
  • the cross-section of the trilobes preferably has a three-fold rotational symmetry.
  • Figure 2 shows the cross section of comparative trilobes.
  • FIG. 4 shows the cross section of further comparison trilobes.
  • the ratio a:d is accordingly 0.4.
  • the diameter d of the circumscribing circle is preferably in the range from 2 to 5 mm, in particular in the range from 2.5 to 4 mm.
  • the distance a between the points of intersection is accordingly in the range of preferably 0.9 to 3.25 mm, particularly preferably 1 to 2.6 mm and in particular in the range of 1.25 to 2.2 mm.
  • the ratio of length to diameter d of the trilobal shaped catalyst bodies (extrudates) according to the invention is generally from 20:1 to 0.5:1, preferably from 5:1 to 1:1.
  • the finished, dried and calcined shaped catalyst bodies, preferably extrudates can deviate from the ideal geometry described above.
  • the above information therefore also relates in particular to the opening of the extrusion dies (dies) with which the shaped catalyst bodies according to the invention are produced by extrusion. They can be obtained by extrusion through a die having the geometric features described above, subsequent drying and calcination.
  • acid-activated bleaching earths can be used as the acid-activated sheet silicate.
  • these are activated clay minerals from the montmorillonite-saponite group or palygorskite-sepiolite group, particularly preferably montmorillonite, as described, for example, in Klockmann's textbook of mineralogy, 16th edition, F. Euke Verlag 1978, pages 739-765. Materials containing montmorillonite are also referred to as bentonites or occasionally as fuller's earths.
  • the acid-activated sheet silicate is preferably selected from the montmorillonite-saponite group or palygorskite-sepiolite group, montmorillonites being particularly preferred.
  • Suitable sources for the layered silicate are montmorillonite-containing deposits, such as those mentioned in "The Economics of Bentonite", 8th Edition 1997, Roskill Information Services Ltd, London.
  • the raw clays often contain other mineral and non-mineral components in addition to montmorillonite Mineral components can, for example, contain quartz, feldspar, kaolin, muscovite, zeolite, calcite and/or gypsum in different amounts.
  • Preferred phyllosilicates have a high montmorillonite content and a correspondingly low content of secondary components.
  • the montmorillonite content can be determined by determining the methylene blue adsorption using the spot method in accordance with the information sheet "Binding agent testing/testing of binding clays" from the Association of German Foundry Experts (VDG, draft P 69 E of June 1998), preferred raw materials show a methylene blue value of > 250 mg/g, preferably > 290 mg/g, in particular > 320 mg/g.
  • Particularly preferred layered silicates are those whose exchangeable cations consist of a high percentage of alkali metals, in particular sodium. Based on charge equivalents, these raw materials contain > 25% preferably > 40% monovalent exchangeable cations.
  • sodium bentonites as raw materials occur in nature, known sources for sodium-containing bentonites are, for example, in Wyoming/USA or in India, they are also classified according to their origin as “Western Bentonites", “Wyoming bentonites” or according to their properties as “swelling Bentonites "known. Bentonites with a high proportion of alkaline earth cations, especially calcium, are known, for example, as “subbentonites” or “southern bentonites” and can be converted by alkaline activation to sodium-containing bentonites. Such alkaline activated raw materials are also for Catalysts according to the invention are suitable Finally, it is also possible in principle to produce suitable raw materials synthetically. Phyllosilicates of natural origin occasionally contain non-mineral impurities, especially carbon compounds. Bentonites which contain a total carbon content of ⁇ 3%, preferably ⁇ 1%, particularly preferably ⁇ 0.5% are preferred as catalyst raw material.
  • the layered silicate is acid-activated.
  • the layered silicate is treated in a manner known per se with mineral acids such as hydrochloric, sulfuric or nitric acid, either in lumpy or in powder form. Activation in organic acids such as formic or acetic acid is also possible.
  • Sheet silicates also known as clay minerals, which have already been acid-activated by the manufacturer, are marketed, for example, by Clariant under the name “K10” or “KSF” or “Tonsil”.
  • Suitable matrices for producing the shaped catalyst bodies according to the invention have openings which correspond to the cross section of the shaped catalyst bodies.
  • binders, lubricants, pore-forming agents and/or solvents can be added during extrusion.
  • the catalyst can be processed directly without the use of binders, lubricants or pore-forming agents by adding a solvent such as, for example, water, dilute mineral acids, aqueous acid solutions or organic solvents.
  • a solvent such as, for example, water, dilute mineral acids, aqueous acid solutions or organic solvents.
  • the catalyst is generally dried at temperatures of from 30° C. to 200° C. and normal pressure, but it can also be dried under reduced pressure if necessary.
  • the catalyst can then be calcined at temperatures of from 150.degree. C. to 800.degree. C., preferably from 250.degree. C. to 600.degree.
  • a possible pretreatment of the catalyst before use in the polymerization reaction is, for example, drying with inert gases heated to 80 to 200° C., preferably to 100 to 150° C., such as air or nitrogen.
  • Fixed beds of the shaped catalyst bodies according to the invention generally have a shake weight of 600 to 800 g/l, preferably 650 to 770 g/l, the shake weight being determined as described below in the example section.
  • Suitable telogens in the production of PTHF esters are carboxylic anhydrides and/or carboxylic anhydride/carboxylic acid mixtures. Among these, aliphatic and aromatic poly- and/or monocarboxylic acids or their anhydrides containing 2 to 12 carbon atoms are preferred. Examples of preferred telogens are acetic anhydride, propionic anhydride, succinic anhydride and maleic anhydride, optionally in the presence of the corresponding acids. In particular, acetic anhydride is preferred as the telogen.
  • the PTHF acetates formed when using the preferred telogens can be converted into PTHF using various processes (for example as indicated in US Pat. No. 4,460,796).
  • THF copolymers can be prepared by the additional use of cyclic ethers as comonomers, which can be ring-opening polymerized, preferably three-, four- and five-membered rings, such as 1,2-alkylene oxides, for example ethylene oxide or propylene oxide, oxetane, substituted oxetanes, such as 3,3-dimethyloxetane, and THF derivatives such as 3-methyltetrahydrofuran, 3,3-dimethyltetrahydrofuran or 3,4-dimethyltetrahydrofuran, 3-methyltetrahydrofuran being particularly preferred.
  • 1,2-alkylene oxides for example ethylene oxide or propylene oxide
  • oxetane substituted oxetanes
  • THF derivatives such as 3-methyltetrahydrofuran, 3,3-dimethyltetrahydrofuran or 3,4-dimethyltetrahydrofuran, 3-methyltetra
  • the telogen and, if desired, the comonomer are expediently dissolved in THF and fed to the polymerization. Since the telogen leads to chain termination or chain transfer in the polymerization, the average molecular weight of the polymer can be controlled via the amount of telogen used. The more telogen contained in the reaction mixture, the lower the average molecular weight of the PTHF or the relevant PTHF derivative. Depending on the telogen content of the polymerization mixture, PTHF, the relevant PTHF derivatives or THF copolymers with average molecular weights of 250 to 10,000 daltons can be produced in a targeted manner.
  • the process according to the invention is preferably used to produce PTHF, the relevant PTHF derivatives or THF copolymers with average molecular weights of 500 to 5000 daltons, particularly preferably 650 to 4000 daltons.
  • the polymerization is generally carried out at temperatures from 0 to 80° C., preferably from 25° C. to the boiling point of THF.
  • the pressure used is generally not critical to the outcome of the polymerization, which is why atmospheric pressure or the autogenous pressure of the polymerization system is generally used.
  • An exception to this is the copolymerization of THF with the readily volatile 1,2-alkylene oxides, which is advantageously carried out under pressure.
  • the pressure is usually from 0.1 to 20 bar, preferably from 0.5 to 2 bar.
  • the polymerization is advantageously carried out under an inert gas atmosphere.
  • Nitrogen, carbon dioxide or the noble gases can be used as inert gases, for example, nitrogen is preferably used.
  • the hydrogen partial pressure can be chosen between 0.1 and 50 bar.
  • the elements of groups 7 to 10 of the periodic table for example ruthenium, rhenium, nickel, iron, cobalt, palladium and/or platinum, serve as transition metals.
  • the process according to the invention can be operated batchwise or continuously, continuous operation being generally preferred for economic reasons.
  • the reaction can be carried out in conventional reactors or reactor configurations suitable for continuous processes in fixed-bed mode in tubular reactors or fixed-bed reactors.
  • the polymerization reactor can be operated in the upflow mode, i.e. the reaction mixture is passed from bottom to top, or in the trickle-bed mode, i.e. the reaction mixture is passed through the reactor from top to bottom.
  • the educt mixture (feed) of THF and telogen and/or comonomer is fed continuously to the polymerization reactor, the space velocity over the catalyst being 0.01 to 2.0 kg THF/(1-h), preferably 0.02 to 1.0 kg THF/( 1 -h) and more preferably 0.04 to 0.5 kg THF/(1 -h).
  • the polymerization reactor can be operated in a single pass, i.e. without product recycle, or in circulation, i.e. part of the polymerization mixture leaving the reactor is recycled.
  • the ratio of circulation to feed is less than or equal to 150:1, preferably less than 100:1 and preferably less than 60:1.
  • the concentration of the carboxylic anhydride used as telogen in the educt mixture fed to the polymerization reactor is from 0.03 to 30 mol %, preferably from 0.5 to 20 mol %, particularly preferably from 1 to 12 mol %, based on the THF used. If a carboxylic acid is also used, the molar ratio in the feed is usually from 1:20 to 1:20,000, based on the carboxylic anhydride used.
  • the molar ratio in the feed is usually from 0.1 to 60, preferably from 0.5 to 50, particularly preferably from 2 to 40 mol %, based on the THF used.
  • the particularly preferred PTHF acetates or THF copolymer acetates can be worked up by methods known per se. For example, after the unreacted THF and optionally acetic anhydride, acetic acid and comonomer have been removed by distillation, the PTHF acetate or THF copolymer acetate obtained is transesterified with methanol under base catalysis to give PTHF or THF copolymer and methyl acetate.
  • low molecular weight PTHF and/or tetrahydrofuran copolymer having an average molecular weight of 200 to 700 daltons can then be removed by distillation.
  • low molecular weight cyclic oligomers can also be removed by distillation.
  • PTHF or THF copolymer with average molecular weights of 650 to 10,000 daltons remains as the distillation residue.
  • the shaped catalyst bodies according to the invention can be regenerated, for example by heat treatment, as described in EP-A-0 535 515, and/or by washing the catalyst with aqueous and/or organic solvents.
  • the invention also relates to the use of shaped catalyst bodies in trilobe form, in particular in the special trilobe form described above, for the production of polytetrahydrofuran, polytetrahydrofuran copolymers or their mono- or diesters.
  • a defined quantity of product (700-900 ml) is filled into a 1 l measuring cylinder (not conical; diameter approx. 6 cm) via a dosing channel.
  • the measuring cylinder stands on a tamping volumeter (e.g. STAV 2003 from JEL).
  • STAV 2003 tamping volumeter
  • the pressure loss is determined in a vertical tube with a diameter of 100 mm with a sight glass and inflow plate. About 1.0 l of catalyst is introduced, resulting in an initial bed height of about 145 mm. A stream of nitrogen gas is passed through the catalyst-filled tube. The superficial velocity is varied over a range from about 5 to 70 cm/s and the respective differential pressure is measured.
  • This extrusion mass is processed through dies according to FIG. 1 in a Sela extruder to give extrudates in trilobe form, then dried at 120° C. for 2 h and finally calcined in air at 450° C. for 2 h in a muffle furnace.
  • the extrusion composition from Example 1 is processed through dies according to FIG. 2 in a Sela extruder to form an extrudate in trilobe form, then dried at 120° C. for 2 hours and finally calcined in air at 450° C. for 2 hours in a muffle furnace.
  • the extrusion composition from Example 1 is extruded in a Sela extruder to form strands with a diameter of 1.6 mm, then dried at 120° C. for 2 h and finally calcined in air at 450° C. for 2 h in a muffle furnace.
  • the extrusion composition from Example 1 is extruded in a Sela extruder to form five-arm star strands with a diameter of 3 mm, then dried at 120° C. for 2 h and finally calcined in air at 450° C. for 2 h in a muffle furnace.
  • Example 1 The extrusion mass from Example 1 is extruded to strands with a diameter of 2.5 mm, then dried at 120° C. and finally calcined at 450° C. in air.
  • the extrusion into the trilobe shape and into the reference geometry was carried out in several batches of 300 kg each, each with subsequent drying at 120° C. and calcination at 450° C.
  • the extrusion mass was mulled in the Mix Muller at a power consumption of about 30 kW, and the amount of water was added over the course of 30 minutes. Drying took place on a belt dryer, calcination in a rotary tube with a residence time of 1.5 hours.
  • the resulting samples varied in tap weight.
  • the catalyst Before being used in the polymerization reaction, the catalyst is dried in a quartz oven under an inert gas atmosphere at temperatures of from 100 to 180.degree.
  • the reaction will be in one Fixed-bed reactor carried out in upflow mode at ambient pressure.
  • the starting mixture of THF and telogen is continuously fed into the polymerization reactor over the catalyst at a space velocity of 0.04 to 0.5 kg THF/L*h.
  • the reactor is operated in recirculation mode, ie part of the polymerization mixture leaving the reactor is recycled. In this mode of operation, the ratio of recycle stream to feed stream is less than or equal to 150:1.
  • the polymerization is carried out under an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon.
  • a solution of 3.8% acetic anhydride in THF was pumped at 40° C. and under an inert gas atmosphere over 200 ml of the catalyst (weighed 120 g, predried at 180° C.).
  • the catalyst (filled with glass beads for the same filling with different shaking weights) was present as a fixed bed in a 470 ml tubular reactor (internal diameter: about 40 mm).
  • the reactor was operated with a product recycle of about 1 L/min and a recycle flow:feed flow ratio of 100:1.
  • the crude product obtained was subjected to a distillation under reduced pressure, initially at 55°C and 1 mbar for 30 minutes, followed by 155°C and 1 mbar for 30 minutes.
  • the conversion represented by the evaporation residue (ER) and the conversion of the acetic anhydride obtained via the esterification number determined titrimetrically, and the molar masses (MW) obtained via NIR measurement are given in Table 3. This gives an indication of the THF converted into high molecular weight PTHF.
  • the continuous reaction was carried out at least until a stable average value was obtained, the standard deviation of which is less than ⁇ 1% of the value.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Polytetrahydrofuran, Polytetrahydrofuran-Copolymeren oder von deren Mono- oder Diestern, wobei Tetrahydrofuran und gegebenenfalls Comonomere an Katalysatorformkörpern umfassend ein säureaktiviertes Schichtsilikat polymerisiert werden, wobei die Katalysatorformkörper die Form von Triloben aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Triloben durch drei konvexe Kurven begrenzt wird, die jeweils einen den Querschnitt umschreibenden Kreis mit dem Durchmesser d berühren und innerhalb dieses Kreises drei Schnittpunkte aufweisen, wobei der Abstand a von jeweils zwei Schnittpunkten das 0,45 bis 0,65-fache des Durchmessers d des den Querschnitt umschreibenden Kreises ist.

Description

Katalysator mit Trilobengeometrie zur Herstellung von Polytetrahydrofuran
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Polytetrahydrofuran, Polytetrahydrofuran-Copolymeren oder von deren Mono- oder Diestern. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Katalysatorformkörper mit Trilobengeometrie sowie die Verwendung der Katalysatorformkörper.
Polytetrahydrofuran (PTHF), auch Polyoxybutylenglykol genannt, ist in der Kunststoff- und Kunstfaserindustrie ein vielseitiges Zwischenprodukt und wird unter anderem als Diolkompo- nente zur Herstellung von Polyurethan-, Polyester- und Polyamid-Elastomeren verwendet. Daneben ist es, wie auch manche seiner Derivate, in vielen Anwendungsfällen ein wertvoller Hilfsstoff, z.B. als Dispergiermittel oder beim Entfärben von Altpapier.
PTHF wird technisch üblicherweise durch Polymerisation von Tetrahydrofuran (THF) an geeigneten Katalysatoren in Gegenwart von Kettenabbruchreagenzien oder „Telogenen" hergestellt, deren Zugabe die Steuerung der Kettenlänge der Polymerketten und so die Einstellung des mittleren Molekulargewichts ermöglicht. Durch Wahl geeigneter Telogene können zusätzlich funktionelle Gruppen an einem Ende oder beiden Enden der Polymerkette eingeführt werden.
So können z.B. durch Verwendung von Carbonsäuren oder Carbonsäureanhydriden als Telogene die Mono- oder Diester von PTHF hergestellt werden. Erst durch anschließende Verseifung oder Umesterung entsteht PTHF selbst. Daher wird diese Art der Herstellung als zweistufiges PTHF-Verfahren bezeichnet.
Andere Telogene wirken nicht nur als Kettenabbruchreagenzien, sondern werden auch in die wachsende Polymerkette von PTHF eingebaut. Sie haben nicht nur die Funktion eines Telogens, sondern sind gleichzeitig ein Comonomer. Beispiele für solche Comonomere sind Telogene mit zwei Hydroxygruppen, wie Dialkohole. Dies können beispielsweise Ethylenglykol, Propylenglykol, Butylenglykol, 1 ,3-Propandiol, 1 ,4-Butandiol, 2-Butin-1 ,4-diol, 2,2-Dimethyl-1 ,3- propandiol, 1 ,6-Hexandiol oder niedermolekulares PTHF sein.
Weiterhin sind als Comonomere cyclische Ether, bevorzugt drei-, vier- und fünfgliedrige Ringe, wie 1 ,2-Alkylenoxide, z.B. Ethylenoxid oder Propylenoxid, Oxetan, substituierte Oxetane, wie 3,3-Dimethyloxetan, sowie THF-Derivate wie z.B. 3-Methyltetrahydrofuran, 3,3- Dimethyltetrahydrofuran oder 3,4-Dimethyltetrahydrofuran geeignet.
Die Verwendung solcher Comonomere bzw. Telogene führt mit Ausnahme von Wasser, 1 ,4- Butandiol und niedermolekularem PTHF zur Herstellung von Tetrahydrofuran-Copolymeren. Technisch lässt sich PTHF einstufig durch THF-Polymerisation mit Wasser, 1 ,4-Butandiol oder niedermolekularem PTHF als Telogen an sauren Katalysatoren herstellen. Als Katalysatoren sind sowohl homogene, im Reaktionssystem gelöste Systeme als auch heterogene, d.h. weitgehend ungelöste Systeme, bekannt. Nachteilig sind jedoch die relativ geringen THF-Umsätze, die vor allem bei der Synthese von PTHF des Molekulargewichts 650 bis 3000 erreicht werden.
Großtechnisch werden überwiegend die oben erwähnten zweistufigen Verfahren durchgeführt, bei denen THF z.B. in Gegenwart von Fluorsulfonsäure zunächst zu Polytetrahydrofuran-Estern polymerisiert und diese anschließend zu PTHF hydrolysiert werden. Üblicherweise werden bei dieser Form der THF-Polymerisation höhere THF-Umsätze als bei einstufigen Verfahren erzielt. Vorteilhaft ist vor allem die THF-Polymerisation in Gegenwart von Carbonsäureanhydriden, wie z.B. Acetanhydrid in Gegenwart saurer Katalysatoren zu PTHF-Diacetaten und die anschließende Umesterung der PTHF-Diacetate, z.B. mit Methanol zu PTHF und Methylacetat.
Die Herstellung von PTHF durch THF-Polymerisation in Gegenwart von Carbonsäureanhydriden und die Herstellung von THF-Copolymeren durch THF-Polymerisation in Gegenwart von Carbonsäureanhydriden und cyclischen Ethern als Comonomeren an sauren Tonmineralien sind an sich bekannt.
Die DE10 2005 058416 A1 offenbart einen Katalysator zur Herstellung von PTFH enthaltend eine Mischung aus einem säureaktivierten Schichtsilikat mit 0,5 bis zu 10 Gew.-%, bezogen auf das Schichtsilikat, Eisen(lll)oxid und/oder Cobalt(ll, lll)oxid. Gemäß dieser Schrift können diese Katalysatoren in Form von Tabletten, Strängen, Kugeln, Ringen oder Splitt eingesetzt werden. Neben zylinderförmigen Extrudaten können beispielsweise auch Hohlstränge, Rippstränge, Sternstränge oder andere Extrudatformen eingesetzt werden.
Häufig werden die Tonmineralien zu zylinderförmigen Stränglingen mit rundem Querschnitt, beispielsweise mit einem Durchmesser von 1 ,5 mm, verformt. In der Produktion fallen verschiedene Katalysator-Chargen mit einer gewissen Verteilung der Extrudatlänge an. Daraus resultieren Reaktor-Füllungen mit geringerem oder höherem Druckverlust. Eine zu breite Verteilung der Stranglänge dieser Standard-Extrudate oder ein zu hoher Feinanteil sind ungünstig. Das Rüttelgewicht dieser Extrudate ist relativ hoch, der Druckverlust kann - insbesondere wenn sich das Katalysatorbett nach längerer Reaktor-Laufzeit gesetzt hat - auf zu hohe Werte ansteigen, so dass der Katalysator ausgetauscht oder die Katalysatorbelastung herabgesetzt werden muss.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Katalysatorgeometrie bereitzustellen, mit der das gewünschte Rüttelgewicht der Katalysatorformkörper und damit die gewünschte Katalysator-Füllmenge im Polymerisationsreaktor erreicht wird, ohne dass sehr hohe Druckverlustwerte im Reaktor resultieren.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von Polytetrahydrofuran, Polytetrahydrofuran-Copolymeren oder von deren Mono- oder Diestern, wobei Tetrahydrofuran und gegebenenfalls Comonomere an Katalysatorformkörpern umfassend ein säureaktiviertes Schichtsilikat polymerisiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorformkörper die Form von Triloben aufweisen.
Gelöst wird die Aufgabe weiterhin durch Katalysatorformkörper, im Allgemeinen Extrudate, in der Form von Triloben, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Triloben durch drei konvexe Kurven begrenzt wird, die jeweils einen den Querschnitt der Triloben umschreibenden Kreis mit dem Durchmesser d berühren und innerhalb dieses Kreises drei Schnittpunkte aufweisen, wobei der Abstand a von jeweils zwei Schnittpunkten das 0,45 bis 0,65-fache, bevorzugt das 0,5 bis 0,65-fache, besonders bevorzugt das 0,5 bis 0,6-fache des Durchmessers d des Kreises ist. Diese Katalysatorgeometrie bedingt, bei gegebenem Rüttelgewicht, einen besonders geringen Druckverlust.
Der Querschnitt der Triloben wird durch drei (offene) konvexe Kurven, die sich schneiden, begrenzt. Konvexe Kurven können offene ovale Kurven sein, also die Segmente von geschlossenen ovalen Kurven. Spezialfälle geschlossener ovaler Kurven sind Ellipsen und Kreise.
Vorzugsweise weist der Querschnitt der Triloben eine dreizählige Rotationssymmetrie auf.
Figur 1 zeigt den Querschnitt einer Ausführungsform von erfindungsgemäßen trilobalen Katalysatorformkörper. Die in der Figur gezeigten Zahlenwerte geben Abmessungen des Querschnitts in mm und sowie in dem Triloben auftretende Winkel wieder. Dabei ist d = 3 mm und a = 1 ,7 mm. Das Verhältnis a : d beträgt dementsprechend 0,567.
Figur 2 zeigt den Querschnitt von Vergleichs-Triloben. Die in der Figur gezeigten Zahlenwerte geben Abmessungen des Querschnitts in mm und sowie in dem Triloben auftretende Winkel wieder. Dabei ist d = 3 mm und a = 1 ,2 mm.
Figur 3 zeigt den Querschnitt einer weiteren Ausführungsform von erfindungsgemäßen trilobalen Katalysatorformkörper. Dabei ist d = 3 mm und a = 1 ,7 mm. Das Verhältnis a : d beträgt dementsprechend 0,567.
Figur 4 zeigt den Querschnitt von weiteren Vergleichs-Triloben. Dabei ist d = 3 mm und a = 1 ,2 mm. Das Verhältnis a : d beträgt dementsprechend 0,4.
Vorzugsweise liegt der Durchmesser d des umschreibenden Kreises im Bereich von 2 bis 5 mm, insbesondere im Bereich von 2,5 bis 4 mm. Der Abstand a der Schnittpunkte liegt entsprechend im Bereich von vorzugsweise 0,9 bis 3,25 mm, besonders bevorzugt 1 bis 2,6 mm und insbesondere im Bereich von 1 ,25 bis 2,2 mm.
Das Verhältnis von Länge zu Durchmesser d der erfindungsgemäßen trilobalen Katalysatorformkörper (Extrudate) beträgt im Allgemeinen 20:1 bis 0,5:1 , bevorzugt 5:1 bis 1 :1 . Die fertigen, getrockneten und calcinierten Katalysatorformkörper, vorzugsweise Extrudate, können von der oben beschriebenen idealen Geometrie abweichen. Die vorstehenden Angaben beziehen sich daher insbesondere auch auf die Öffnung der Extrusionswerkzeuge (Matrizen), mit denen die erfindungsgemäßen Katalysatorformkörper durch Extrusion hergestellt werden. Sie sind durch Extrusion durch eine Matrize, welche die oben beschriebenen geometrischen Merkmale aufweist, anschließende Trocknung und Calcinierung erhältlich.
Als säureaktiviertes Schichtsilikat können handelsübliche säureaktivierte Bleicherden zum Einsatz kommen. Beispiele hierfür sind aktivierte Tonmineralien der Montmorillonit-Saponit-Gruppe oder Palygorskit-Sepiolith-Gruppe, besonders bevorzugt Montmorillonite, wie sie beispielsweise in Klockmanns Lehrbuch der Mineralogie, 16. Auflage, F. Euke Verlag 1978, Seiten 739-765 beschrieben sind. Montmorillonit-haltige Materialien werden auch als Bentonite oder gelegentlich als Fuller-Erden bezeichnet.
Vorzugsweise ist das säureaktivierte Schichtsilikat aus der Montmorillonit-Saponit-Gruppe oder Palygorskit-Sepiolith-Gruppe ausgewählt, besonders bevorzugt sind Montmorillonite.
Geeignete Quellen für das Schichtsilikat sind Montmorillonit-haltigen Lagerstätten, wie sie zum Beispiel in „The Economics of Bentonite", 8th Edition 1997, Roskill Information Services Ltd, London genannt sind. Oftmals enthalten die Rohtone neben Montmorillonit noch weitere mineralische und nichtmineralische Bestandteile. An mineralischen Bestandteilen können beispielsweise Quarz, Feldspat, Kaolin, Muskovit, Zeolithe, Calcit und/oder Gips in unterschiedlichen Mengen enthalten sein.
Bevorzugte Schichtsilikate weisen einen hohen Montmorillonit-Gehalt und entsprechend einen geringen Gehalt an Nebenbestandteilen auf. Der Montmorillonit-Gehalt kann über die Bestimmung der Methylenblau-Adsorption nach der Tüpfelmethode gemäß Merkblatt „Bindemittelprü- fung/Prüfung von Bindetonen" des Vereins Deutscher Giessereifachleute (VDG, Entwurf P 69 E vom Juni 1998) bestimmt werden, bevorzugte Rohstoffe zeigen einen Methylenblauwert von > 250 mg/g, bevorzugt > 290 mg/g, insbesondere > 320 mg/g. Besonders bevorzugt als Schichtsilikate sind solche, deren austauschfähige Kationen zu einem hohen Prozentsatz aus Alkalimetallen, insbesondere Natrium bestehen. Bezogen auf Ladungsäquivalente enthalten diese Rohstoffe > 25% bevorzugt > 40% einwertige austauschbare Kationen.
Diese Natrium-Bentonite als Rohstoffe kommen in der Natur vor, bekannte Quellen für Natriumhaltige Bentonite liegen z.B. in Wyoming/USA oder in Indien, sie sind auch nach ihrer Herkunft als „Western Bentonites", „Wyoming bentonites" oder nach den Eigenschaften als „swelling Bentonites" bekannt. Bentonite mit einem hohen Anteil an Erdalkali-Kationen, insbesondere Calcium, sind beispielsweise als „Subbentonite" oder „Southern Bentonites" bekannt und können durch eine alkalische Aktivierung zu Natrium-haltigen Bentoniten umgesetzt werden. Auch solche alkalisch aktivierten Rohstoffe sind für erfindungsgemäße Katalysatoren geeignet. Schließlich ist es prinzipiell auch möglich, geeignete Rohstoffe synthetisch herzustellen. Schichtsilikate natürlichen Ursprungs enthalten gelegentlich noch nichtmineralische Verunreinigungen, insbesondere Kohlenstoffverbindungen. Als Katalysator-Rohstoff bevorzugt sind solche Bentonite, die einen Gesamt-Kohlenstoffgehalt von < 3%, bevorzugt < 1 %, besonders bevorzugt < 0,5% enthalten.
Das Schichtsilikat wird für die Herstellung des erfindungsgemäßen Katalysators säureaktiviert. Dafür wird das Schichtsilikat entweder in stückiger oder in Pulverform in an sich bekannter Weise mit Mineralsäuren wie beispielsweise Salz-, Schwefel- oder Salpetersäure behandelt. Auch möglich ist eine Aktivierung in organischen Säuren, wie Ameisen- oder Essigsäure.
Bereits vom Hersteller säureaktivierte Schichtsilikate auch Tonmineralien genannt werden beispielsweise unter dem Namen „K10" oder „KSF" oder „Tonsil" von der Firma Clariant vertrieben.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Katalysatorformkörper wird Wasser und gegebenenfalls Bindemittel hinzugegeben und mit einem geeigneten Extrusionswerkzeug (Matrize) ausgeformt. Geeignete Matrizen zur Herstellung der erfindungsgemäßen Katalysatorformkörper weisen Öffnungen auf, die dem Querschnitt der Katalysatorformkörper entsprechen. Bei der Extrusion können dem Fachmann bekannte Hilfsstoffe wie Binder, Schmierstoffe, Porenbildner und/oder Lösungsmittel zugesetzt werden.
Der Katalysator kann in einer bevorzugten Ausführung durch die Zugabe von einem Lösungsmittel wie beispielsweise Wasser, verdünnten Mineralsäuren, wässrigen Säurelösungen oder organischen Lösungsmitteln, direkt ohne den Einsatz von Bindern, Schmierstoffen oder Porenbildnern verarbeitet werden.
Der Katalysator wird im Allgemeinen bei Temperaturen von 30°C bis 200°C und normalem Druck getrocknet, gegebenenfalls kann jedoch auch unter vermindertem Druck getrocknet werden. Anschließend kann der Katalysator bei Temperaturen von 150°C bis 800°C, bevorzugt 250°C bis 600°C calciniert werden.
Als Vorbehandlung des Katalysators vor dem Einsatz in der Polymerisations-Reaktion kommen beispielsweise das Trocknen mit auf 80 bis 200°C, bevorzugt auf 100 bis 150°C erwärmten inerten Gasen, wie z.B. Luft oder Stickstoff, in Frage.
Festbett-Schüttungen aus den erfindungsgemäßen Katalysatorformkörpern weisen im Allgemeinen ein Rüttelgewicht von 600 bis 800 g/l, vorzugsweise 650 bis 770 g/l, auf, wobei das Rüttelgewicht wie unten im Beispielteil beschrieben bestimmt wird, auf.
Als Telogene eignen sich bei der Herstellung von PTHF-Estern Carbonsäureanhydride und/oder Carbonsäureanhydrid/Carbonsäure-Gemische. Unter diesen sind aliphatische und aromatische Poly- und/oder Monocarbonsäuren oder deren Anhydride, die 2 bis 12 Kohlenstoffatome enthalten, bevorzugt. Beispiele für bevorzugte Telogene sind Essigsäureanhydrid, Propionsäureanhydrid, Bernsteinsäure- und Maleinsäureanhydrid, ggf. in Gegenwart der entsprechenden Säuren. Insbesondere ist Essigsäureanhydrid als Telogen bevorzugt. Die bei der Verwendung der bevorzugten Telogene entstehenden PTHF-Acetate lassen sich mit verschiedenen Verfahren in PTHF überführen (z.B. wie in der US 4,460,796 angegeben). Andere Copolymere von THF lassen sich herstellen durch die zusätzliche Verwendung von cyclischen Ethern als Comonomere, die sich ringöffnend polymerisieren lassen, bevorzugt drei-, vier- und fünfgliedrige Ringe, wie 1 ,2-Alkylenoxide, z.B. Ethylenoxid oder Propylenoxid, Oxetan, substituierte Oxetane, wie 3,3-Dimethyloxetan, sowie THF-Derivate wie 3- Methyltetrahydrofuran, 3,3-Dimethyltetrahydrofuran oder 3,4-Dimethyltetrahydrofuran, wobei 3- Methyltetrahydrofuran besonders bevorzugt ist.
Das Telogen und gewünschtenfalls das Comonomer wird zweckmäßigerweise in THF gelöst der Polymerisation zugeführt. Da das Telogen zum Kettenabbruch oder zur Kettenübertragung in der Polymerisation führt, lässt sich über die eingesetzte Telogenmenge das mittlere Molekulargewicht des Polymers steuern. Je mehr Telogen im Reaktionsgemisch enthalten ist, desto niedriger wird das mittlere Molekulargewicht des PTHF oder des betreffenden PTHF-Derivates. Je nach Telogengehalt der Polymerisationsmischung können PTHF, die betreffenden PTHF- Derivate bzw. THF-Copolymere mit mittleren Molekulargewichten von 250 bis 10000 Dalton gezielt hergestellt werden. Vorzugsweise werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren PTHF, die betreffenden PTHF-Derivate bzw. THF-Copolymere mit mittleren Molekulargewichten von 500 bis 5000 Dalton, besonders bevorzugt von 650 bis 4000 Dalton hergestellt.
Die Polymerisation wird im Allgemeinen bei Temperaturen von 0 bis 80°C, vorzugsweise von 25°C bis zur Siedetemperatur des THF, durchgeführt. Der angewandte Druck ist in der Regel für das Ergebnis der Polymerisation nicht kritisch, weshalb im Allgemeinen bei Atmosphärendruck oder unter dem Eigendruck des Polymerisationssystems gearbeitet wird. Eine Ausnahme hiervon bildet die Copolymerisation von THF mit den leichtflüchtigen 1 ,2-Alkylenoxiden, die vorteilhafterweise unter Druck ausgeführt wird. Üblicherweise beträgt der Druck 0,1 bis 20 bar, bevorzugt 0,5 bis 2 bar.
Zur Vermeidung der Bildung von Etherperoxiden wird die Polymerisation vorteilhaft unter einer Inertgasatmosphäre durchgeführt. Als Inertgase können z.B. Stickstoff, Kohlendioxid oder die Edelgase dienen, bevorzugt wird Stickstoff verwendet.
Besonders vorteilhaft ist die Ausführung der Polymerisation unter einer Wasserstoffatmosphäre. Diese Ausführungsform bewirkt eine besonders niedrige Farbzahl der entstehenden Polymerisate. Der Wasserstoffpartialdruck kann dabei zwischen 0,1 und 50 bar gewählt werden. Durch Dotierung des Polymerisationskatalysators mit Übergangsmetallen oder Mischen des Polymerisationskatalysators mit einem übergangsmetallhaltigen Katalysator kann bei einer Durchführung der Polymerisation in Gegenwart von Wasserstoff die Farbzahl noch weiter verbessert werden. Als Übergangsmetalle dienen die Elemente der Gruppen 7 bis 10 des Periodensystems, beispielsweise Ruthenium, Rhenium, Nickel, Eisen, Kobalt, Palladium und/oder Platin. Das erfindungsgemäße Verfahren kann diskontinuierlich oder kontinuierlich betrieben werden, wobei aus wirtschaftlichen Gründen in der Regel die kontinuierliche Betriebsweise bevorzugt wird.
Bei der kontinuierlichen Betriebsweise kann die Umsetzung in herkömmlichen, für kontinuierliche Verfahren geeigneten Reaktoren oder Reaktoranordnungen in Festbettfahrweise in Rohrreaktoren oder Festbettreaktoren durchgeführt werden.
In Festbettfahrweise kann der Polymerisationsreaktor in Sumpffahrweise, d.h. das Reaktionsgemisch wird von unten nach oben geführt, oder in Rieselfahrweise, d.h. das Reaktionsgemisch wird von oben nach unten durch den Reaktor geführt, betrieben werden. Das Eduktgemisch (Feed) aus THF und Telogen und/oder Comonomer wird dem Polymerisationsreaktor kontinuierlich zugeführt, wobei die Katalysatorbelastung 0,01 bis 2,0 kg THF/(1 -h), bevorzugt 0,02 bis 1 ,0 kg THF/(1 -h) und besonders bevorzugt 0,04 bis 0,5 kg THF/(1 -h) beträgt.
Weiterhin kann der Polymerisationsreaktor im geraden Durchgang, d.h. ohne Produktrückführung, oder im Umlauf, d.h. ein Teil des den Reaktor verlassenden Polymerisationsgemischs wird im Kreislauf geführt, betrieben werden. Bei der Umlauffahrweise beträgt das Verhältnis von Umlauf zu Zulauf kleiner oder gleich 150:1 , bevorzugt kleiner 100:1 und bevorzugt kleiner 60:1 .
Die Konzentration des als Telogen eingesetzten Carbonsäureanhydrids in dem dem Polymerisationsreaktor zugeführten Eduktgemisch liegt zwischen 0,03 bis 30 mol.-%, bevorzugt bei 0,5 bis 20 mol.-%, besonders bevorzugt bei 1 bis 12 mol.-%, bezogen auf das eingesetzte THF. Wird zusätzlich eine Carbonsäure verwendet, so beträgt das Molverhältnis im Feed üblicherweise 1 :20 bis 1 :20000, bezogen auf eingesetztes Carbonsäureanhydrid.
Werden zusätzlich Comonomere verwendet, so beträgt das Molverhältnis im Feed üblicherweise 0,1 bis 60, bevorzugt 0,5 bis 50, besonders bevorzugt 2 bis 40 mol.-%, bezogen auf eingesetztes THF.
Die Aufarbeitung der besonders bevorzugten PTHF-Acetate bzw. THF-Copolymer-Acetate kann nach an sich bekannten Methoden erfolgen. Beispielsweise wird nach destillativer Abtrennung von nicht umgesetztem THF und gegebenenfalls Essigsäureanhydrid, Essigsäure und Comonomer das erhaltene PTHF-Acetat bzw. THF-Copolymer-Acetat basenkatalysiert mit Methanol zu PTHF bzw. THF-Copolymer und Methylacetat umgeestert.
Gewünschtenfalls kann anschließend niedermolekulares PTHF und/oder Tetrahydrofurancopolymer eines mittleren Molekulargewichts von 200 bis 700 Dalton destillativ abgetrennt werden. Üblicherweise können hierbei auch niedermolekulare cyclische Oligomere destillativ abgetrennt werden. Als Destillationsrückstand verbleibt PTHF bzw. THF-Copolymer mit mittleren Molekulargewichten von 650 bis 10.000 Dalton. Die erfindungsgemäßen Katalysatorformkörper können nach Einsatz in einem diskontinuierlich oder kontinuierlich betriebenen PTHF-Verfahren regeneriert werden, beispielsweise durch Temperaturbehandlung, wie in der EP-A-0 535 515 beschrieben, und/oder durch Waschen des Katalysators mit wässrigen und/oder organischen Lösungsmitteln.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung von Katalysatorformkörpern in Trilobenform, insbesondere in der oben beschriebenen speziellen Trilobenform, zur Herstellung von Polytetrahydrofuran, Polytetrahydrofuran-Copolymeren oder von deren Mono- oder Diestern.
Die Erfindung wird durch die nachstehenden Beispiele näher erläutert.
Beispiele
Ermittlung des Rüttelgewichts:
Eine definierte Menge Produkt (700-900 ml) wird über eine Dosierrinne in einen 11-Messzylinder (nicht konisch; Durchmesser ca. 6 cm) gefüllt. Der Messzylinder steht auf einem Stampfvolumeter (z.B. STAV 2003 v. Fa. JEL). Sobald das erste Material in den Messzylinder fällt, startet das Stampfvolumeter. Nach 330-370 Schlägen muss das gesamte Material im Messzylinder sein, nach 700 Schlägen schaltet sich das Stampfvolumeter automatisch ab. Das Rüttelgewicht ist der Quotient aus der eingefüllten Masse des Katalysators und dem Volumen des Katalysators nach Stampfen.
Ermittlung des Druckverlusts:
Der Druckverlust wird in einem vertikalen Rohr von 100 mm Durchmesser mit Schauglas und Anströmboden ermittelt. Es wird etwa 1 ,0 I Katalysator eingefüllt, so dass sich eine Anfangsbetthöhe von ca. 145 mm ergibt. Ein Stickstoffgasstrom wird durch das mit Katalysator gefüllte Rohr geleitet. Die Leerrohrgeschwindigkeit wird über einen Bereich von etwa 5 bis 70 cm/s variiert und der jeweilige Differenzdruck gemessen.
Die Messwerte des Druckverlusts in Abhängigkeit der Leerrohrgeschwindigkeit werden auf die Anfangsbetthöhe von 145 mm normiert und graphisch aufgetragen. Daraus wird der Differenzdruck der Schüttung bei einer Leerrohrgeschwindigkeit von 50 cm/s ermittelt.
Katalysatorherstellung:
100 kg aktivierte Bleicherde K10 (Firma Clariant) wurden in einem Mixmuller mit 63 I VE- Wasser gekollert und ergeben die Extrusionsmasse. Je nach K10 Batch kann die Wassermenge etwas variieren.
Beispiele 1 , 2 und Vergleichsbeispiele 1 , 2 Beispiel 1 :
Diese Extrusionsmasse wird durch Matrizen gemäß Figur 1 in einem Sela-Extruder zu Extruda- ten in Trilobenform verarbeitet, anschließend bei 120°C für 2 h getrocknet und abschließend bei 450°C für 2 h im Muffelofen an Luft kalziniert.
Beispiel 2:
Die Extrusionsmasse aus Beispiel 1 wird durch Matrizen gemäß Figur 2 in einem Sela-Extruder zu Extrudat in Trilobenform verarbeitet, anschließend bei 120°C für 2 h getrocknet und abschließend bei 450 °C für 2 h im Muffelofen an Luft kalziniert.
Vergleichsbeispiel 1 :
Die Extrusionsmasse aus Beispiel 1 wird zu Strängen mit einem Durchmesser von 1 ,6 mm in einem Sela-Extruder extrudiert, anschließend bei 120 °C für 2 h getrocknet und abschließend bei 450 °C für 2 h im Muffelofen an Luft kalziniert.
Vergleichsbeispiel 2:
Die Extrusionsmasse aus Beispiel 1 wird zu fünfarmigen Sternsträngen mit einem Durchmesser von 3 mm in einem Sela-Extruder extrudiert, anschließend bei 120 °C für 2 h getrocknet und abschließend bei 450 °C für 2 h im Muffelofen an Luft kalziniert.
Vergleichsbeispiel 3:
Die Extrusionsmasse aus Beispiel 1 wird zu Strängen mit einem Durchmesser von 2,5 mm extrudiert, anschließend bei 120°C getrocknet und abschließend bei 450°C an Luft kalziniert.
Die so erhaltenen Proben weisen die Eigenschaften gemäß nachstehender Tabelle 1 auf:
Tabelle 1 Es ist zu erkennen, dass die Triloben gemäß Beispiel 1 bei gleichem Rüttelgewicht von etwa 670 g/l einen wesentlich geringeren Druckverlust als die Referenzextrudate gemäß Vergleichsbeispiel 1 aufweisen.
Es ist außerdem zu erkennen, dass die Triloben gemäß Beispiel 2 und die Sterne ein wesentlich geringeres Rüttelgewicht aufweisen, so dass bei gleichem Katalysatorvolumen deutlich weniger Aktivmasse im Reaktor zur Verfügung steht.
Beispiele 3, 4 und Vergleichsbeispiele 4 bis 6
Die Extrusion in die Trilobenform und in die Referenzgeometrie (zylindrische 1 ,6 mm-Stränge) wurde in mehreren Ansätzen von jeweils 300 kg durchgeführt, jeweils mit anschließender Trocknung bei 120 °C und Calcination bei 450 °C. Die Extrusionsmasse wurde im Mix Muller bei einer Leistungsaufnahme von etwa 30 kW gekollert, die Wassermenge dabei innerhalb von 30 min zugegeben. Die Trocknung erfolgte auf einem Bandtrockner, die Calcination im Drehrohr mit einer Verweilzeit von 1 ,5 h. Die resultierenden Proben variierten im Rüttelgewicht.
Tabelle 2
Die ermittelten Druckverluste der Triloben liegen selbst bei 750 g/l Rüttelgewicht noch unterhalb von 4 mbar bei 50 cm/s. Diesen Druckverlust erreicht man bei der Referenzgeometrie bereits bei 700 g/l. Daraus folgt, dass man beim Einsatz der Triloben mehr Katalysatormasse bei gleichem Reaktorvolumen nutzen kann, ohne dass durch einen höheren Druckverlust Probleme auftreten.
PTHF-Synthese
Beispiel 6
Vor Verwendung in der Polymerisationsreaktion wird der Katalysator im Quarzofen unter Inertgasatmosphäre bei Temperaturen von 100 bis 180°C getrocknet. Die Reaktion wird in einem Festbettreaktor in Sumpffahrweise bei Umgebungsdruck durchgeführt. Das Ausgangsgemisch von THF und Telogen wird kontinuierlich mit einer Raumgeschwindigkeit von 0,04 bis 0,5 kg THF/L*h über den Katalysator in den Polymerisationsreaktor eingespeist. Zusätzlich wird der Reaktor im Kreislauf-Modus betrieben, d.h. ein Teil des den Reaktor verlassenden Polymerisationsgemischs wird zurückgeführt. In diesem Betriebsmodus ist das Verhältnis von Rückführstrom zu Feedstrom weniger oder gleich 150:1. Um die Bildung von THF-Peroxiden zu vermeiden, wird die Polymerisation unter Inertgasatmosphäre wie Stickstoff oder Argon durchgeführt.
Eine Lösung von 3,8% Acetanhydrid in THF wurde bei 40°C und unter Inertgasatmosphäre über 200 ml des Katalysators (120 g Einwaage, vorgetrocknet bei 180°C) gepumpt. Der Katalysator (aufgefüllt mit Glaskugeln für gleiche Füllung bei unterschiedlichen Rüttelgewichten) lag als Festbett in einem 470 ml Rohrreaktor (Innendurchmesser: ca. 40 mm) vor. Der Reaktor wurde mit einer Produkt-Rückführung von ca. 1 L/min und einem Rückführstrom:Feedstrom-Verhältnis von 100:1 betrieben. Um nicht abreagiertes THF und das Acetanhydrid zu eliminieren, wurde das erhaltene Rohprodukt einer Destillation bei vermindertem Druck unterworfen, anfänglich bei 55°C und 1 mbar für 30 Minuten, gefolgt von 155°C und 1 mbar für 30 Minuten. Der Umsatz, dargestellt durch den Verdampfungsrückstand (evaporation residue, ER) und den über die titrimetrisch ermittelte Veresterungszahl erhaltenen Umsatz des Acetanhydrids, sowie die via NIR- Messung erhaltenen Molmassen (MW) sind in Tabelle 3 angegeben. Hieraus ergibt sich eine Angabe für das in hochmolekulares PTHF umgesetzte THF. Die kontinuierliche Reaktion wurde jeweils mindestens so lange bei gleicher Katalysatorlast durchgeführt, bis ein stabiler Durchschnittswert erhalten wurde, dessen Standardabweichung geringer als ± 1 % des Werts beträgt.
Tabelle 3
Es ist zu erkennen, dass die Triloben gemäß Beispiel 1 und die Referenzextrudate gemäß Vergleichsbeispiel 3 zwar ähnliche Werte für das Rüttelgewicht und den Druckverlust aufweisen. Allerdings ist die Aktivität der Stränge gemäß Vergleichsbeispiel 3 niedriger als die der erfindungsgemäßen Triloben.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung von Polytetrahydrofuran, Polytetrahydrofuran-Copolymeren oder von deren Mono- oder Diestern, wobei Tetrahydrofuran und gegebenenfalls Como- nomere an Katalysatorformkörpern umfassend ein säureaktiviertes Schichtsilikat polymerisiert werden, wobei die Katalysatorformkörper die Form von Triloben aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Triloben durch drei konvexe Kurven begrenzt wird, die jeweils einen den Querschnitt umschreibenden Kreis mit dem Durchmesser d berühren und innerhalb dieses Kreises drei Schnittpunkte aufweisen, wobei der Abstand a von jeweils zwei Schnittpunkten das 0,45 bis 0,65-fache des Durchmessers d des den Querschnitt umschreibenden Kreises ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand a das 0,5 bis 0,65-fache, bevorzugt das 0,5 bis 0,6-fache des Durchmessers d ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Triloben dreizählige Rotationssymmetrie aufweist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das säureaktivierte Schichtsilikat aus der Montmorillonit-Saponit-Gruppe oder Palygorskit- Sepiolith-Gruppe ausgewählt ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das säureaktivierte Schichtsilikat ein Bentonit ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorformkörper in einem Katalysatorfestbett vorliegen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerisation in Sumpf- oder Rieselfahrweise durchgeführt wird.
8. Katalysatorformkörper in der Form von Triloben, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Triloben durch drei konvexe Kurven begrenzt wird, die jeweils einen den Querschnitt umschreibenden Kreis mit dem Durchmesser d berühren und innerhalb dieses Kreises drei Schnittpunkte aufweisen, wobei der Abstand a von jeweils zwei Schnittpunkten das 0,45 bis 0,65-fache, bevorzugt das 0,5 bis 0,65-fache, bevorzugt das 0,5 bis 0,6-fache des Durchmessers d des den Querschnitt umschreibenden Kreises ist.
9. Katalysatorformkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Triloben dreizählige Rotationssymmetrie aufweist.
10. Katalysatorformkörper nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein säureaktiviertes Schichtsilikat umfassen. Katalysatorformkörper nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das säureaktivierte Schichtsilikat aus der Montmorillonit-Saponit-Gruppe oder Pa- lygorskit-Sepiolith-Gruppe ausgewählt ist. Katalysatorformkörper nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das säureaktivierte Schichtsilikat ein Bentonit ist. Katalysatorformkörper nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um Extrudate mit einem Verhältnis Länge : Durchmesser d von 20:1 bis 0,5:1 , bevorzugt 5:1 bis 1 :1 handelt. Verwendung von Katalysatorformkörpern in Trilobenform zur Herstellung von Polytetrahydrofuran, Polytetrahydrofuran-Copolymeren und deren Mono- oder Diestern. Verwendung nach Anspruch 14 von Katalysatorformkörpern gemäß einem der Ansprüche 8 bis 13.
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