катализатор для получения винилацетата в псевдоожиженном слое

Формула изобретения

1. Способ приготовления каталитического материала, используемого при получении винилацетата в реакторной системе с псевдоожиженным слоем, включающий (I) контактирование предварительно полученных пористых микросфероидальных частиц носителя с растворами палладиевого соединения и по меньшей мере одного соединения, проявляющего сродство металла, таким образом, что палладий и проявляющий сродство металл тонко диспергируют в микросфероидальных частицах носителя; (II) восстановление палладиевого соединения до Pd(0) -кристаллитов; (III) добавление в носитель промоторного количества соли щелочного металла и (IV) выделение полученного каталитического материала.

2. Способ по п.1, при котором предварительно полученные микросфероидальные частицы носителя вводят в контакт с растворами галоидсодержащих солей палладия и проявляющего сродство металла.

3. Способ по любому из предыдущих пунктов, при котором предварительно полученные микросфероидальные частицы носителя вводят в контакт с раствором палладиевого соединения и раствором по меньшей мере одного соединения, проявляющего сродство металла на раздельных стадиях.

4. Способ по любому из предыдущих пунктов, при котором оксид проявляющего сродство металла глубоко вводят в предварительно полученные микросфероидальные частицы носителя до пропитки палладиевым соединением.

5. Способ по любому из предыдущих пунктов, при котором предварительно полученные микросфероидальные частицы носителя включают диоксид кремния.

6. Способ по любому из предыдущих пунктов, при котором растворы палладиевого соединения и соединения, проявляющего сродство металла, представляют собой водные растворы.

7. Способ приготовления каталитического материала, используемого при получении винилацетата в реакторной системе с псевдоожиженным слоем, включающий (I) предварительное получение пористых микросфероидальных частиц носителя, в которых проявляющий сродство металлсодержащий материал гомогенно диспергируют внутри этих микросфероидальных частиц носителя; (II) контактирование предварительно полученных пористых микросфероидальных частиц носителя с растворами палладиевого соединения таким образом, что металлический палладий оказывается тонко диспергированным в микросфероидальных частицах носителя; (III) восстановление палладиевого соединения до Рd(0)-кристаллитов; (IV) добавление промоторного количества соли щелочного металла и (V) выделение полученного каталитического материала.

8. Способ по п.7, при котором раствор палладиевого соединения представляет собой водный раствор.

9. Способ по п.7 или 8, при котором пористые микросфероидальные частицы носителя предварительно получают добавлением оксида проявляющего сродство металла с частицами диоксида кремния в коллоидный раствор кремнекислоты и распылительной сушкой с образованием пористых микросфероидальных частиц.

10. Способ по п.7 или 8, при котором пористые микросфероидальные частицы носителя предварительно получают добавлением частиц диоксида кремния в золь оксида проявляющего сродство металла и распылительной сушкой с образованием пористых микросфероидальных частиц.

11. Способ по п.10, при котором оксид проявляющего сродство металла с частицами диоксида кремния добавляют в коллоидный раствор.

12. Способ по п.7 или 8, при котором растворами по меньшей мере одного соединения, проявляющего сродство металла, пропитывают микросфероидальные частицы носителя.

13. Способ по любому из предыдущих пунктов, при котором проявляющий сродство металл представляет собой металл группы 3 или 4 или лантанид.

14. Способ по любому из предыдущих пунктов, при котором проявляющий сродство металл представляет собой церий или лантан.

15. Способ по любому из предыдущих пунктов, при котором проявляющий сродство металл представляет собой церий.

16. Способ по любому из пп.1-13, при котором проявляющий сродство металл представляет собой титан или цирконий.

17. Способ по любому из предыдущих пунктов, при котором промоторная соль щелочного металла представляет собой ацетат калия.

18. Способ по любому из предыдущих пунктов, при котором каталитический материал не содержит золота.

19. Способ по любому из предыдущих пунктов, при котором средний диаметр палладиевых кристаллитов составляет менее примерно 10 нм.

20. Катализатор, используемый для получения винилацетата в реакторной системе с псевдоожиженным слоем, включающий каталитически активные палладиевые кристаллиты, введенные в структуру микросфероидальных частиц носителя совместно с солью щелочного металла как промотора и проявляющим сродство компонентом, где эти палладиевые кристаллиты тонко диспергированы по всей структуре микросфероидальных частиц.

21. Катализатор по п.20, который не содержит золота.

22. Катализатор по п.20 или 21, в котором средний диаметр палладиевых кристаллитов составляет менее примерно 10 нм.

23. Катализатор по любому из пп.20-22, который включает эффективное количество по меньшей мере одного проявляющего сродство компонента, представляющего собой металл группы 3 или 4 или лантанид.

24. Катализатор по любому из пп.20-23, в котором проявляющий сродство компонент представляет собой лантан или церий.

25. Катализатор по любому из пп.20-23, в котором проявляющий сродство компонент представляет собой титан или цирконий.

26. Катализатор по любому из пп.20-25, в котором носитель пропитывают проявляющим сродство компонентом.

27. Катализатор по любому из пп.20-25, в который проявляющий сродство компонент добавляют введением в носитель во время приготовления носителя.

28. Катализатор по любому из пп.20-27, в котором микросфероидальные частицы носителя состоят из диоксида кремния или диоксида кремния/оксида алюминия.

29. Катализатор по любому из пп.20-28, в котором микросфероидальные частицы носителя состоят из пористого диоксида кремния, который характеризуется таким распределением частиц по размерам, при котором средний диаметр по меньшей мере 50% частиц составляет менее 105 мкм, а средний диаметр по крайней мере 50% частиц составляет 44-88 мкм.

30. Катализатор по любому из пп.20-29, в котором удельный объем пор микросфероидальных частиц носителя составляет от примерно 0,2 до 0,7 см³/г.

31. Катализатор по любому из пп.20-30, в котором удельная площадь поверхности микросфероидальных частиц носителя превышает примерно 50 м²/г.

32. Катализатор по любому из пп.20-31, в котором пористые предварительно полученные микросфероидальные частицы носителя состоят из диоксида кремния с удельным объемом пор в пределах от примерно 0,3 до примерно 0,65 см³/г, который в качестве проявляющего сродство компонента включает церий.

33. Катализатор по любому из пп.20-32, который включает от примерно 1 до 5 мас.% калия.

34. Катализатор по любому из пп.20-33, в который по меньшей мере часть церия добавляют введением в предварительно полученные микросфероидальные частицы носителя.

35. Катализатор по любому из пп.20-34, в котором часть церия вводят пропиткой предварительно полученных микросфероидальных частиц носителя.

36. Способ получения винилацетата, включающий контактирование этилена, уксусной кислоты и кислородсодержащего газа с катализатором, приготовленным способом по любому из пп.1-19, или с катализатором по любому из пп.20-35 в реакторе с псевдоожиженным слоем в реакционных условиях псевдоожиженного слоя.

Описание изобретения к патенту

Настоящая заявка является частичным продолжением заявки на патент США 09/207851, поданной 8 декабря 1998 г. и включенной в настоящее описание в качестве ссылки.

Предпосылки создания изобретения

Настоящее изобретение относится к катализатору и носителю для катализатора, которые могут быть использованы при получении винилацетатного мономера (ВАМ) в псевдоожиженном слое, в частности к активному и селективному катализатору получения ВАМ в псевдоожиженном слое, пригодному для использования в реакторе с псевдоожиженным слоем, причем каталитически активный металл хорошо диспергирован в носителе этого катализатора.

Винилацетатный мономер обычно получают в газовой фазе реакцией этилена, уксусной кислоты и кислорода в присутствии катализатора на носителе в реакторе с неподвижным слоем. В реакторе этого типа носитель, такой как диоксид кремния или оксид алюминия, пропитывают каталитическим металлом, таким как палладий, в сочетании с золотом и солью щелочного металла, как правило, в виде ацетата. Требование, которое предъявляют к проводимому в реакторе с неподвижным слоем процессу, состоит в том, чтобы катализатор на носителе был приготовлен в виде относительно крупных структурных элементов, таких как шарики, диаметр которых может составлять 2-50 мм или больше.

Согласно известным публикациям, относящимся к катализаторам неподвижных слоев, палладий и золото распределяют более или менее равномерно по всему носителю (см., например, US 3275680, US 3743607, US 3950400, GB 1333449 и патент Южной Африки 687990). Поскольку газообразные реагенты в крупные каталитические структурные элементы в заметной степени не диффундируют, большое количество дорогостоящих металлсодержащих каталитических компонентов внутри катализатора оказывается неиспользуемым. В дальнейшем были созданы катализаторы неподвижного слоя, в которых большую часть каталитических металлов наносили на внешнюю оболочку элементов катализатора на носителе. Так, например, в патенте GB 1500167 описана каталитическая структура, в которой по меньшей мере девяносто процентов палладия и золота распределяют на том участке частицы носителя, на которую приходится не более тридцати процентов радиуса частицы в направлении от ее поверхности. Кроме того, в патенте GB 1283737 говорится, что степень пенетрации в пористый носитель можно регулировать предварительной обработкой пористого носителя раствором соединения щелочного металла, например, карбоната натрия или гидроксида натрия. Другой путь получения активного катализатора описан в патенте US 4048096, а другие способы приготовления катализатора с пропитанной оболочкой описаны в патентах US 4087622 и US 5185308. Катализаторы с пропитанной оболочкой, включающие, кроме палладия и золота, такие элементы, как соединения лантанидов, представлены в патенте US 5859287 и WO 99/29418. При приготовлении других катализаторов неподвижного слоя, описанных в ЕР-А 0723810, перед добавлением палладия и золота кремнийдиоксидный носитель может быть пропитан солью металла группы IA, IIA, IIIA или IVB и затем кальцинирован. Каждая из этих публикаций относится прежде всего к приготовлению катализатора неподвижного слоя, который может быть использован при получении винилацетата.

Новый путь получения винилацетатного мономера состоит в применении осуществляемого в псевдоожиженном слое способа, в котором газообразные реагенты непрерывно контактируют с небольшими частицами катализатора на носителе в условиях псевдоожиженного слоя. Преимущества осуществления способа получения ВАМ в псевдоожиженном слое состоят в более простой конструкции реактора для псевдоожиженного слоя, чем многотрубного реактора с неподвижным слоем, и увеличении срока службы катализатора благодаря уменьшению числа горячих точек, которые типичны для реактора с неподвижным слоем. Более того, непрерывное введение свежего катализатора позволяет сохранить рабочие характеристики катализатора и устранить необходимость полной замены катализатора и простоев. Благодаря тому, что кислород в реактор с псевдоожиженным слоем можно безопасно вводить в более высокой концентрации без образования горючей смеси, обеспечивается возможность достижения более высокой производительности. В патентах US 5591688, US 5665667 и US 5710318 описано приготовление катализатора получения винилацетата в псевдоожиженном слое или способ получения винилацетата в псевдоожиженном слое.

В любом случае обычный технически приемлемый катализатор получения ВАМ независимо от того, используют ли его в реакторных системах с неподвижным или псевдоожиженным слоем, включает золото в сочетании с материалами, содержащими металлический палладий, такими как описанные в патенте US 5859287 и опубликованной заявке ЕР 0723810, которые включены в настоящее описание в качестве ссылок. Полагают, что золото образует с палладием сплав и препятствует агломерации или спеканию палладиевых частиц во время срока службы катализатора в условиях проведения процесса. Хотя в качестве заменителей золота в каталитических системах предлагалось использовать другие металлы, было установлено, что с учетом таких показателей, как активность и селективность, для катализатора в форме частиц требуется золото. Однако для приготовления катализатора золото является дорогостоящим компонентом. Таким образом, существует потребность в создании технически эффективного катализатора, наличие золота в котором было бы не обязательным или сведено к минимуму.

Кроме того, все еще сохраняется необходимость в создании катализаторов получения ВАМ, прежде всего катализаторов для псевдоожиженного слоя, которые обладали бы более эффективными активностью/селективностью и которые были бы более устойчивы к истиранию. Как сказано в настоящем описании, предлагаемые катализатор и носитель для катализатора обладают необходимыми с технической точки зрения характеристиками активности/селективности без использования золота в качестве каталитического компонента. Более того, в обычных условиях псевдоожиженного слоя каталитические частицы по настоящему изобретению, как правило, более устойчивы к истиранию.

Краткое изложение сущности изобретения

Каталитически активный материал, который может быть использован при получении винилацетатного мономера из этилена, уксусной кислоты и кислородсодержащего газа в условиях псевдоожиженного слоя, включает пористый микросфероидальный носитель, содержащий каталитически активные палладиевые кристаллиты, тонко диспергированные в носителе. Этот каталитический материал не требует введения золота для поддержания активности и селективности.

Способ приготовления катализатора для получения винилацетата в псевдоожиженном слое, при осуществлении которого каталитически активные мелкие палладиевые кристаллиты тонко диспергированы в носителе, включает диспергирование выбранного металлсодержащего материала в носителе, который проявляет сродство к палладию, с получением высокодисперсных кристаллитов палладия. Обладающие сродством металлсодержащие материалы могут быть диспергированы путем пропитки предварительно приготовленного микросфероидального носителя или могут быть глубоко введены в носитель до пропитки растворимыми палладийсодержащими материалами.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Катализаторы получения винилацетата по настоящему изобретению, которые могут быть использованы в реакторной системе с псевдоожиженным слоем, включают каталитически активные палладиевые кристаллиты, тонко диспергированные в микросфероидальных носителях. Полагают, что мелкие тонко диспергированные кристаллиты сохраняют каталитическую активность и селективность без необходимости введения в каталитический материал золота.

Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения каталитически активные палладиевые кристаллиты вводят в частицу носителя, пригодную для использования в реакторе с псевдоожиженным слоем, таким образом, чтобы палладиевые кристаллиты оказались хорошо диспергированными во внутренней зоне частицы. В предпочтительных катализаторах палладиевые кристаллиты содержатся во внутренней зоне каталитической частицы, а не сконцентрированы на поверхности. Хотя концентрация палладиевых кристаллитов может изменяться от низа поверхностного слоя к центру частицы, на ПЭМ-микрофотографии палладиевые кристаллиты кажутся тонко диспергированными, т.е. палладиевые кристаллиты практически равномерно распределены во внутренней зоне без явных агломераций. В сравнении с частицами, приготовленными аналогичным путем с использованием палладия и золота, которые характеризуются наличием значительного числа агломерированных Pd/Au-кристаллитов, предпочтительная каталитическая частица по настоящему изобретению отличается малым количеством агломерированных палладиевых кристаллитов, если они вообще имеются.

Средний диаметр палладиевых кристаллитов в каталитических частицах по изобретению, как правило, не превышает примерно 20 нанометров (нм). В предпочтительных катализаторах по настоящему изобретению размеры уменьшенных металлических кристаллитов в каталитической частице, включая палладиевые кристаллиты, составляют менее примерно 15 нм, более предпочтительно менее примерно 10 нм. Размеры типичных кристаллитов находятся в пределах от примерно 5 до примерно 15 нм.

Для получения тонкодисперсных палладиевых кристаллитов внутри микросфероидального материала носителя в соответствии с настоящим изобретением металлический материал, который связывает палладий или проявляет к нему сродство, должен быть хорошо диспергирован внутри частицы носителя. Эти проявляющие сродство металлические материалы включают лантаниды, такие как лантан и церий, и металлы группы 3 и группы 4 (Периодической системы элементов ИЮПАК), такие как титан и цирконий. В отличие от золота, которое при использовании образует сплав золото/палладий, эти проявляющие сродство металлы, когда они хорошо диспергированы в частицах носителя, не образуют агломератов палладиевых кристаллитов. Таким образом, при отсутствии агломерации палладиевые кристаллиты должны обладать большей площадью поверхности, доступной в качестве каталитических участков.

Один из способов приготовления каталитически активных материалов на носителях, предлагаемый в соответствии с настоящим изобретением, включает введение растворов палладия и добавляемых проявляющих сродство металлсодержащих материалов в контакт с предварительно приготовленным носителем в форме частиц. Все металлсодержащие материалы должны быть полностью растворимы в среде приемлемого растворителя, предпочтительно в воде, при температуре, достаточно низкой для того, чтобы в процессе приготовления агломераты металла не накапливались на частице носителя. В предпочтительном варианте пропитывание растворимыми металлсодержащими материалами проводят при комнатной температуре. Следовательно, растворитель в качестве среды и металлсодержащий материал выбирают таким образом, чтобы достичь полной растворимости, предпочтительно при комнатной температуре, в частности при 10-40С, обычно при 20-30С. Как сказано ниже, пропитанный носитель восстанавливают с получением внутри частицы носителя металлических кристаллитов, которые, как полагают, являются каталитически активными участками. В предпочтительном варианте после пропитки следует стадия восстановления, хотя с целью упростить обращение с материалами можно предусмотреть промежуточную сушку каталитических частиц. При этом нет необходимости в "фиксировании" растворимых солей металлов на носителе щелочными материалами, что является обязательным перед восстановлением при приготовлении катализаторов с "оболочкой" для псевдоожиженного слоя.

В другом способе приготовления каталитически активных материалов на носителях проявляющий сродство металл равномерно диспергируют по всему материалу носителя в отличие от пропитки пор носителя простой физической смесью двух материалов или проявляющими сродство металлсодержащими материалами с последующим кальцинированием. Так, например, при приготовлении пористого кремнийдиоксидного носителя, который может быть использован по настоящему изобретению, оксид проявляющего сродство металла, такой как оксид церия, оксид титана или оксид циркония, можно вводить в коллоидный раствор кремнекислоты в процессе приготовления носителя. В предпочтительном способе перед распылительной сушкой, в результате которой образуются предварительно сформированные частицы носителя, используемые по настоящему изобретению, оксид проявляющего сродство металла замещает часть кремнийдиоксидных частиц, введенных в коллоидный раствор кремнекислоты. В другом предпочтительном варианте при приготовлении предварительно сформированных частиц носителя для катализатора может быть использован золь оксида проявляющего сродство металла. В предварительно приготовленные носители, используемые по настоящему изобретению, можно вводить смеси оксидов проявляющих сродство металлов. В предварительно приготовленных носителях для катализаторов по настоящему изобретению, включающих гомогенно распределенные оксиды проявляющих сродство металлов, оксид проявляющего сродство металла составляет оксидную часть пористой структуры носителя.

В еще одном варианте растворами проявляющих сродство металлсодержащих материалов можно пропитывать предварительно сформированные частицы носителя, содержащие оксиды проявляющих сродство металлов, тесно связанные со структурой носителя.

Катализатор, который может быть использован по настоящему изобретению, наносят на материал в форме микросфероидальных частиц, пригодных для проведения процесса в псевдоожиженном слое. Как хорошо известно в технологии псевдоожиженного слоя, эти частицы должны быть достаточно малыми, чтобы в реакционных условиях их можно было удерживать в псевдоожиженном состоянии, и одновременно обладать достаточной устойчивостью к истиранию, благодаря которой в ходе проведения процесса исключалась бы необходимость заменять чрезмерные количества катализатора. Более того, хотя типичные размеры частиц не должны быть настолько большими (размеры частиц определяют по их средним диаметрам), чтобы их удержание в псевдоожиженном состоянии было связано с технологическими затруднениями, не должно быть и чрезмерного количества очень малых частиц (мелочи), которые трудно удалить из системы и которые способны засорять газовые рециркуляционные линии. Таким образом, размеры типичных приемлемых каталитических частиц псевдоожиженного слоя распределены между более крупными и более мелкими частицами в определенных пределах, предусмотренных для размеров этих частиц.

При осуществлении способа по настоящему изобретению размеры по меньшей мере 50% частиц, как правило, составляют менее примерно 105 мкм, предпочтительно размеры по меньшей мере 75% частиц составляют менее примерно 105 мкм, более предпочтительно размеры по меньшей мере 85% частиц составляют менее примерно 105 мкм. В типичном катализаторе, который может быть использован по настоящему изобретению, на долю частиц, размеры которых превышают 105 мкм, приходится менее 1-5%. Более того, размеры менее 50% частиц, как правило, составляют менее 44 мкм, а предпочтительно размеры менее 35% частиц равны менее 44 мкм. Типичный катализатор может включать примерно 25-30% частиц размерами менее 44 мкм. Типичный катализатор, который может быть использован по настоящему изобретению, включает по меньшей мере 50% частиц среднего диаметра в пределах 44-88 мкм. Для специалистов в данной области техники очевидно, что размеры частиц в 44, 88 и 105 мкм, являются произвольно выбранными размерами в том отношении, что они основаны на размерах ячеек стандартных сит. Размеры частиц и распределение частиц по размерам можно определить с помощью автоматического лазерного прибора, такого как Microtrac 100.

Микросфероидальные частицы, которые могут быть использованы по настоящему изобретению, обладают достаточной пористостью для того, чтобы обеспечить возможность диффузии газообразных реагентов в частицу и контактирования с каталитическими участками, введенными внутрь частицы.

Таким образом, объем пор должен быть достаточно большим для того, чтобы газы имели возможность для диффундирования. Однако частица с чрезмерно большим объемом пор, как правило, не обладает достаточной устойчивостью к истиранию или не обладает достаточной площадью поверхности для каталитической активности. Объем пор (определенный ртутной порометрией) приемлемой микросфероидальной частицы, как правило, находится в пределах от примерно 0,2 до 0,7 см³/г. Объем пор предпочтительной частицы находится в пределах от примерно 0,3 до 0,65 см³/г, более предпочтительно в пределах от примерно 0,4 до 0,55 см³/г.

Удельная площадь поверхности (определенная по методу БЭТ) частиц со средним диаметром и объемом пор, которые могут быть использованы по настоящему изобретению, как правило, превышает примерно 50 м²/г и может составлять до примерно 200 м²/г. Типичная удельная поверхность по данным измерений составляет от примерно 60 до примерно 125 м²/г.

Хотя носители на кремнийдиоксидной основе являются наиболее предпочтительными по настоящему изобретению, могут быть использованы и другие оксиды, если только приготовленные частицы обладают соответствующими размерами и достаточным объемом пор, дающими возможность разместить требуемые каталитические материалы. Возможные оксиды включают оксид алюминия, диоксид кремния/оксид алюминия, диоксид титана, диоксид циркония и их смеси.

Обычно используемые носители, прежде всего кремнийдиоксидные носители, представлены в патенте US 5591688, который включен в настоящее описание в качестве ссылки. В случае этих носителей микросфероидальную частицу готовят распылительной сушкой смеси коллоидного раствора кремнекислоты с частицами диоксида кремния с последующими сушкой и кальцинированием. В процессе приготовления с диоксидом кремния в форме частиц смешивают по меньшей 10 мас.%, предпочтительно по крайней мере 50 мас.%, коллоидного раствора кремнекислоты. Приемлемым диоксидом кремния в форме частиц является белая сажа, такая как продукт Aerosil® (фирмы Degussa Chemical Company). Типичный кремнийдиоксидный материал в форме частиц характеризуется высокой удельной площадью поверхности (примерно 200 м²/г) при практически полном отсутствии микропор и, как правило, состоит из агрегатов (со средним диаметром в несколько сот нанометров) индивидуальных частиц среднего диаметра примерно 10 нм (более 7 нм). Предпочтительный диоксид кремния свободен от натрия. Диоксид кремния в форме частиц вводят в смесь в достаточном количестве для достижения целевого объема пор в получаемой частице носителя. Количество диоксида кремния в форме частиц может составлять до 90 мас.%, и, как правило, количество диоксида кремния в форме частиц в этой смеси находится в интервале 10-50 мас.%. Обычно смесь коллоидный раствор кремнекислоты/диоксид кремния в форме частиц сушат распылением при повышенной температуре порядка 115-280С, предпочтительно 130-240С, с последующим кальцинированием при температуре, которая обычно составляет 550-700С, предпочтительно 630-660С.

Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения часть или весь диоксид кремния в форме частиц можно заменить проявляющим сродство металлсодержащим материалом, таким как оксид церия, диоксид титана, диоксид циркония или оксид лантана. Этими оксидами, как правило, заменяют 0,5-20 мас.% или больше, предпочтительно 1-5 мас.% диоксида кремния в форме частиц.

По другому варианту коллоидный раствор может быть приготовлен из оксида, отличного от диоксида кремния, или в сочетании с диоксидом кремния. В этом варианте порошкообразный оксид добавляют в коллоидный раствор, такой как коллоидный раствор оксида церия, диоксида титана, диоксида циркония, как это описано выше для кремнийдиоксидных материалов, и образовавшуюся смесь сушат распылением с получением предварительно приготовленной частицы носителя для катализатора. В качестве порошкообразного материала может быть использован диоксид кремния, оксид проявляющего сродство металла или их сочетание. Могут содержаться и другие совместимые оксиды металлов, при этом единственное обязательное условие состоит в том, что проявляющий сродство металл должен быть также распределен в частице в достаточной мере для приготовления катализатора по изобретению. Конечная частица должна быть микросфероидальной и пористой, как это указано выше, и должна включать проявляющий сродство металл, хорошо распределенный по всей каталитической частице таким образом, чтобы в результате введения палладия и последующего восстановления обеспечивалось распределение палладиевых кристаллитов в соответствии с настоящим изобретением.

Хотя приготовление катализаторов по изобретению, как правило, может не требовать присутствия золота для активности и селективности, золото можно добавлять в качестве необязательного компонента, прежде всего с целью сохранить длительную стабильность или целостность. Золото может оказаться целесообразным компонентом в каталитической частице, в которую в процессе получения проявляющий сродство металл (например, Се) вводят внутрь предварительно приготовленного носителя. Однако количество золота при этом, как правило, меньше того количества, в котором его используют в составе обычных катализаторов, его содержание в каталитическом материале может достигать 5 мас.%, предпочтительно 3 мас.% и даже во много раз меньше 1 маc.%.

Рекомендуемый коллоидный раствор кремнекислоты, который может быть использован по настоящему изобретению, включает частицы диоксида кремния в этом коллоидном растворе среднего диаметра, обычно более 20 нм, причем их размер может достигать примерно 100 нм или больше. Предпочтительные коллоидные растворы включают частицы диоксида кремния размером от примерно 40 до 80 нм. Особенно предпочтителен коллоидный раствор кремнекислоты Nalco 1060, поскольку частицы диоксида кремния относительно крупных средних размеров в упаковке на 60 нм менее эффективны, чем более мелкие частицы коллоидного раствора, такие как продукт Nalco 2327 с размерами частиц примерно 20 нм. Из коллоидного раствора с более крупными размерами частиц получают конечный носитель с более значительным мезопоровым объемом и меньшим объемом микропор.

Приемлемый катализатор включает также соль щелочного металла (наиболее предпочтительно калия) в качестве промотора в количестве до примерно 10 мас.%, предпочтительно 5-8 мас.%, более предпочтительно до примерно 4 мас.% (в пересчете на щелочной металл). Катализатор, как правило, включает по меньшей мере 0,1 мас.%, более предпочтительно по крайней мере 1 мас.% щелочного металла. Типичная каталитическая композиция включает 0,5-2 мас.% палладия и 1-3 мас.%. калия. Предпочтительной солью является ацетат. Обычно соль щелочного металла добавляют после пропитки палладиевым материалом и последующего восстановления в виде раствора, применяя для регулирования количества соли щелочного металла, наносимого на каталитическую частицу, метод начальной влажности. В другом варианте щелочной металл можно вводить в первый пропиточный раствор.

Катализатор, который может быть использован по настоящему изобретению, как правило, содержит от по меньшей мере примерно 0,1 мас.%, предпочтительно от по крайней мере 0,2 мас.% палладия до примерно 5 мас.%, предпочтительно до 4 мас.% палладия. Как указано выше, для регулирования количества палладия на носителе в предпочтительном варианте палладий вводят в материал носителя по методу начальной влажности.

Количество используемого проявляющего сродство металла соизмеримо (хотя необязательно эквивалентно) с количеством палладия, которое необходимо ввести в катализатор. Катализатор может включать от по меньшей мере примерно 0,1 мас.%, предпочтительно от по крайней мере 0,2 мас.% проявляющего сродство металла до примерно 10 мас.% или больше, предпочтительно до 5 мас.% этого металла.

В процессе приготовления катализатора по изобретению введенные пропиткой внутрь носителя металлсодержащие материалы, такие как палладий-и церийсодержащий материалы, восстанавливают введением в контакт с приемлемым восстановителем. В результате этого восстановления введенный пропиткой палладийсодержащий материал превращается в каталитически активные палладиевые кристаллиты с нулевой валентностью [Pd(О)]. Типичные восстановители, известные в данной области техники, включают водород, гидриды, алканы, алкены, гидразин и т.п. Для восстановления металлсодержащего материала предпочтительно использование гидразина (наиболее предпочтительно в водном растворе). Предпочтительно восстановление водным гидразином после пропитки. Для завершения реакции, как правило, используют избыток восстановителя.

В предпочтительном варианте для удаления избытка восстановителя, равно как и нежелательных анионов, таких как галогениды, пропитанные и восстановленные каталитические частицы промывают приемлемыми растворителями, такими как вода. Промывку можно осуществлять несколько раз порциями промывной жидкости до достижения целевого содержания загрязняющих примесей. Перед добавлением промотора, такого как ацетат калия, промытые частицы обычно медленно сушат.

Предпочтительный способ приготовления катализатора по настоящему изобретению включает контактирование растворов палладия и по меньшей мере одного проявляющего сродство металлсодержащего материала с предварительно полученными микросфероидальными частицами пористого носителя. Металлсодержащий материал должен быть полностью растворен в среде растворителя при температуре, достаточно низкой для того, чтобы в процессе приготовления в частице носителя не накапливались агломераты металлсодержащего материала. В предпочтительном варианте пропитку растворимым металлсодержащим материалом проводят при комнатной температуре. Таким образом, растворитель в качестве среды и металлсодержащий материал выбирают таким образом, чтобы достичь полной растворимости, предпочтительно при комнатной температуре. Обычно используемые соли металлов включают галогениды, а типичным растворителем является деионизированная или дистиллированная вода. Типичные растворимые соли, которые могут быть использованы по настоящему изобретению, включают соли тетрахлорпалладиевой кислоты, такие как тетрахлорпалладаты натрия или калия, хлорид палладия или дигидрат хлорида палладия, селенат палладия, сульфат палладия, тетраамминпалладий (III) хлорид и т.п. Предпочтителен тетрахлорпалладат. Подобным же образом могут быть использованы другие растворимые соли металлов в качестве проявляющих сродство металлсодержащих материалов, такие как хлориды, бромиды, иодиды, нитраты. Как правило, используют галогенидные соли, предпочтительно хлоридные соли. Поскольку ацетатные соли палладия и проявляющих сродство металлов в воде или в уксусной кислоте растворимы умеренно, при выполнении настоящего изобретения эти соли, как правило, не применяют.

Этими растворимыми солями металлов частицы носителя можно пропитывать по известным методам. Предпочтительным методом пропитки растворами солей является метод начальной влажности, в котором измеряют количество раствора соли, необходимое для заполнения пор носителя без использования избытка раствора. Таким путем целевое количество палладий- и других металлсодержащих материалов можно наносить на носитель с помощью расчета количества металлов и объема раствора, необходимых для заполнения пор. Поскольку пропитанному раствором носителю, как правило, дают медленно сохнуть без промывки, в носитель обычно вводят все металлы пропиточного раствора.

При осуществлении типичного метода предварительно полученные микросфероидальные частицы носителя пропитывают раствором (или растворами) солей металлов (палладия и по меньшей мере одного проявляющего сродство металла) с применением технологии начальной влажности. Соединения активного металла, палладия и проявляющего сродство металлсодержащего компонента в соответствующих соотношениях растворяют в приемлемом растворителе. Далее в раствор, содержащий каталитически активный металл (Pd) и проявляющий сродство металлсодержащий материал, вводят материал носителя и перемешивают, обеспечивая пропитку материала носителя в форме микросфероидальных частиц активным металлом и промоторным элементом. Пропитанный носитель для катализатора медленно сушат при повышенной температуре, такой как 40-80С, обычно в течение ночи. В предпочтительном варианте пропитанные металлсодержащие материалы восстанавливают для получения активных палладиевых кристаллитов, промывают для удаления галогенида и восстановителя и сушат. Высушенный материал вводят во второй раствор, содержащий промоторную соль щелочного металла, предпочтительно ацетат калия. Этот второй раствор нагревают для выпаривания растворителя с получением высушенного катализатора, как это изложено выше. Конечный сухой катализатор можно применять при получении винилацетата из сырья, в предпочтительном варианте включающего этилен, уксусную кислоту и кислородсодержащий газ, в реакторной системе с псевдоожиженным слоем.

В предпочтительном варианте пропиточные соли в качестве металлсодержащих материалов (Pd и проявляющие сродство металлы) растворяют в одной порции растворителя. Растворитель используют в таком количестве, чтобы объем пор носителя был целиком заполнен первым раствором. Однако в некоторых случаях целевой проявляющий сродство металлсодержащий материал может оказаться нерастворимым в веществе, являющемся растворителем для других используемых металлсодержащих соединений. При этом носитель пропитывают раствором, включающим некоторые металлсодержащие компоненты, а затем пропитывают вторым раствором, содержащим остальные компоненты. Приемлемые растворители включают воду и летучие органические растворители, такие как карбоновые кислоты с четырьмя или меньшим числом атомов углерода, спирты, простые эфиры, сложные эфиры и ароматические соединения. Предпочтительным растворителем является вода. В другом варианте проявляющие сродство металлы можно наносить на готовый катализатор путем введения проявляющих сродство металлов в процессе получения микросфероидальных частиц носителя.

Катализаторы по изобретению можно использовать в реакторе с псевдоожиженным слоем для взаимодействия этилена и уксусной кислоты с кислородом с получением винилацетата в реакционных условиях псевдоожиженного слоя. Реакционную температуру целесообразно поддерживать на уровне от примерно 100 до 250С, предпочтительно от 130 до 190С. Приемлемое реакционное манометрическое давление составляет от примерно 50 до 200 фунтов/кв.дюйм (3-14 бар), предпочтительно от 75 до 150 фунтов/кв.дюйм (5-10 бар). В реакторной системе с псевдоожиженным слоем частицы катализатора удерживают в псевдоожиженном состоянии пропусканием через систему достаточного газового потока. В предпочтительном варианте скорость этого газового потока поддерживают на уровне, близком к минимальной скорости, необходимой для сохранения псевдоожиженного состояния. Избыточная скорость потока может вызвать проскок газа через реактор, что снижает эффективность превращения. Для поддержания активности во время процесса можно добавлять дополнительное количество промоторной соли щелочного металла.

Ниже изобретение проиллюстрировано на примерах, не ограничивающих его объем.

Примеры 1-9 и сравнительный эксперимент А.

Для испытания каталитических материалов по настоящему изобретению проводили ряд обычных и сравнительных экспериментов. В этих экспериментах предварительно полученные микросфероидальные частицы носителя (описанных ниже либо носителя 1, либо носителя 2) пропитывали по методу начальной влажности водным раствором полностью растворенного тетрахлорпалладата натрия в сочетании с водным раствором полностью растворенного выбранного соединения проявляющего сродство металла. В соответствии с такой технологией отмеренное количество пропиточного раствора при комнатной температуре вводили в контакт с носителем в количестве, определяемом только необходимостью заполнить поры носителя, без излишков жидкости. Конечное пропитанное твердое вещество сушили при 60С в течение ночи. Высушенное твердое вещество, в которое вводили металлсодержащие материалы, восстанавливали в контакте с водным раствором гидразина (приготовленным с использованием 3 г гидразингидрата и 80 мл воды) с целью восстановить эти металлсодержащие материалы, а образовавшийся раствор фильтровали и твердый материал несколько раз промывали деионизированной водой для удаления гидразина и остаточного хлорида, что подтверждали тестом с нитратом серебра. Образовавшееся твердое вещество сушили при 60°С в течение ночи и дополнительно пропитывали по методу начальной влажности водным раствором ацетата калия, взятым в количестве, достаточном для введения в катализатор целевого количества калия, и в течение ночи сушили при 60С. Примерно два грамма полученного каталитического материала объединяли с инертным разбавителем (Се/К или Аu/К на носителе 1, который, как было установлено, в создаваемых реакционных условиях инертен) с получением в общей сложности примерно 30 куб.см твердого вещества. Все это твердое вещество загружали в микрореактор, как это изложено ниже. Полученные результаты представлены в таблице.

Приготовление носителя

Готовили и в примерах по настоящему изобретению использовали предварительно полученные микросфероидальные частицы носителей двух типов: (1) носитель, включавший 100% диоксида кремния и (2) носитель, включавший диоксид кремния в сочетании с другими известными инертными носителями, такими как оксид алюминия, оксид церия, диоксид титана и диоксид циркония. Перед применением носители просеивали и для приготовления катализаторов использовали носитель с особым распределением между размерами частиц:

размеры 5% частиц составляют менее 105 мкм, но превышают 88 мкм,

размеры 70% частиц составляют менее 88 мкм, но превышают 44 мкм,

размеры 25% частиц составляют менее 44 мкм.

Носитель 1

Носитель 1 готовили распылительной сушкой смеси коллоидного раствора кремнекислоты Nalco 1060 (фирмы Nalco Chemical Company) и диоксида кремния Degussa Aerosil® 200 (фирмы Degussa Chemical Company) в соответствии с патентом US 5591688. В процессе сушки носителя 80% диоксида кремния переходило из коллоидного раствора, а 20% диоксида кремния переходило из продукта Aerosil®. Высушенные распылением микросферы кальцинировали на воздухе при 640С в течение 4 ч.

Носитель 2

Ряд носителей готовили распылительной сушкой смеси коллоидного раствора кремнекислоты Nalco 1060 (фирмы Nalco Chemical Company), диоксида кремния Degussa Aerosil® 200 (фирмы Degussa Chemical Company) и дополнительного оксида, такого как оксид церия, диоксид титана, диоксид циркония, оксид алюминия и смеси диоксид кремния/оксид алюминия (такие как продукты Aerosil® МОХ 170 или Aerosil® СОК 84). В процессе сушки носителя 80% диоксида кремния переходило из коллоидного раствора, 20% диоксида кремния переходило из продукта Aerosil® и 1-3 мас.% продукта Aerosil® замещали оксидами церия или титана. Высушенные распылением микросфероидальные частицы носителя, содержавшего церий, кальцинировали на воздухе при 640С в течение 4 ч.

Испытание в реакторе

Готовые катализаторы испытывали в реакторе лабораторного типа с псевдоожиженным слоем с максимальной вместимостью катализатора 40 куб.см. Катализатор использовали в количестве, достаточном для того, чтобы степень превращения кислорода ограничить 30%, что позволяло сопоставлять каталитическую активность напрямую. Общий объем загружаемого катализатора, равный 30 куб.см, получали смешением перед испытанием в реакторе достаточного количества описанного выше инертного материала в форме микросфероидальных частиц с активным катализатором. Реактор был снабжен двумя отверстиями для впуска сырья, причем этилен, уксусная кислота, кислород и некоторое количество азота поступали в реактор через нижнее впускное отверстие, а через центральное впускное отверстие подавали только азот.

Давление в реакторе регулировали регулятором обратного давления, температуру в реакторе поддерживали на уровне 152С, а все линии, ведущие к реактору и отходящие от него, были снабжены нагревательными средствами и их температуру поддерживали на уровне 160±5С.

Отходивший из реактора газообразный поток анализировали с помощью установленного на технологической линии газового хроматографа Hewlett Packard модели 5890, который был снабжен как термокондуктометрическим детектором (ТКД), так и пламенноионизационным детектором (ПИД). Кислород, азот, этилен и диоксид углерода разделяли в колонке с молекулярным ситом 13Х параллельно с 23% SP1700 на 80/100 Chromosorb PAW и количественно определяли с помощью ТКД. Винилацетат и уксусную кислоту разделяли в капиллярной колонке с 4% DP-1701 и количественно определяли с помощью ПИД.

По этим данным рассчитывали активность (в граммах получаемого винилацетата на килограмм катализатора в час) и селективность (число молей получаемого винилацетата на моль исходного этилена).

Эти данные показывают, что катализаторы по настоящему изобретению сохраняют активность и селективность без необходимости присутствия золота. Более того, катализаторы по настоящему изобретению, включающие церий, в ходе проведения испытания в псевдоожиженном слое демонстрировали повышенную устойчивость к истиранию.

Хотя изобретение проиллюстрировано на примере конкретных вариантов его осуществления, для специалистов в данной области техники очевидно, что в такие варианты можно вносить модификации и изменения, не выходя за объем формулы изобретения.