4
peroxid (3) zu katalysieren. Daher kann dieser Katalysator seinen Selektivitatsvorteil gegenuber den beiden anderen rnit steigendex Wasserstoffperoxid-Konzentration weiter ausbauen. Im AnschluB an diese MeBreihe wird die Abhangigkeit der Selektivitat vom Wasserstoffpartialdruck bei konstanter Wasser- stoffperoxid-Konzentration untersucht. Aus Abb. 5 geht hervor, 80 I 0- Pd _____ Wasserstoffperoxfdkonzenl~ation 0.37 moll1 PdAuSo --. PdlroQ 70 i a I 30 I 1 I I I 2 4 6 8 Wasserstoflpartialdruck [ bar ] Abb. 5. Abhangigkeit der Selektivitat vorn Wasserstoffpartial- druck; Kat. = 40 mg, 0,l N H2S04 = 160 rnl, NaBr = 0,03 rnmol/l, p = 80 bar, T = 25 "C, Feed 02 = 169 rnlN/rnin, Feed H2 = 32,7 rnlN/min. daB der iridiumhaltige Katalysator bei niedrigen Wasserstoffparti- aldrucken die hochste Selektivitat erreicht. Daruber hinaus enveist sich die Selektivitat der Reaktion an diesem Katalysator als nahezu unabhangig von Wasserstoff. Um die Selektivitat des Palladiurn- Iridium-Katalysators zu erreichen, sind bei den beiden anderen Praparaten hohere Wasserstoffpartialdriicke notwendig, was auf Kosten der Sicherheit der Direktsynthese geht. Eingegangen am 24. Juni 1993 [K 16001 Literatur Ullmanns Encyklopadie der technischen Chernie, 4. Aufl., VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim 1976, Bd. 17, S. 694. US-Pat. 4 681 751, E. I. Du Pont (1987). EP-Pat. 0274 830, E. I. Du Pont (1988). EP-Pat. 0342 047, E. I. Du Pont (1989). Sachtler, W M. M.; van Santen, R. A.: Adv. Catal. 36 (1976) S. 69. Moss, R. L.; Whalley, L.: Adv. Catal. 22 (1972) S. 115. Dickens, E? G.; Linnett, J. W; Placzewska, W: J. Catal. 4 (1965) S. 140. Placzewska, W: Adv. Catal. 24 (1975) S. 245. Bond, G. C.: Surface Sci. 18 (1969) S. 11. Wood, B.; Wise, H.: J. phys. Chem. 65 (1961) S. 1976. Hardy, W A.; Linnett, J. W; Placzewska, W: Trans. Faraday SOC. 66 (1970) S. 447. Couper, A.; Eley, D. D.: Discuss. Faraday SOC. 34 (1950) S. 172. Rossington, D. R.; Runk, R. B.: J. Catal. 7 (1967) S. 365. Couper, A.; Metcalve, A.: J. phys. Chern. 70 (1966) S. 1850. Rienacker, G.; Engels, S.: Z. anorg. Chem. 336 (1965) S. 259. Lam, 1.: L.; Criado, J.; Boudart, M.: Nouv. J. Chim. 6 (1977) S. 461. Bortner, M. H.; Parravano, G.: Adv. Catal. 9 (1957) S. 425. Sven Gobel, Christoph Weimer und Johann Gaube* Herrn Professor Dr. Dr. h. c. Hanns Hofmann zum 70. Geburtstag An Pd/A1203 oder Pd-Mohr konnen Diene und Alkine, z.B. 1,3-Butadien und 1-Butin, mit 100 % Selektivitat zum Monoolefin hydriert werden. Dies trifft auch noch fur sehr hohe Konzentra- tionsverhaltnisse MonoolefinIDiolefin bzw. Alkin von mehr als 100 zu. Diese hohe Selektivitat wird durch eine wesentlich starkere Adsorption des Diens bzw. Alkins gegenuber dem Monoolefin und die Verdrangung des Monoolefins durch das Diolefin bzw. das Alkin erklart. Von Bond wurde ein Adsorptionsgleichgewicht angenommen, das aufgrund der Unterschiede in den Adsorptions- starken ganz auf der Seite einer nahezu vollstandigen Belegung der Pd-Oberflache rnit dem Dien bzw. Alkin liegt [l]. Fur dieses die Selektivitat bestimmendeverhalten wurde der Begriff ,,thermody- namischer Faktor" eingefuhrt. Es sei angemerkt, daB an den genannten Pd-Katalysatoren in Abwesenheit von Dien bzw. Alkin auch die Monoolefine hydriert werden, jedoch rnit geringerer Geschwindigkeit als das Dien (etwa 1 : 4 fur Pd/AI203) [2]. 1 Kinetik Neuere Untersuchungen ergaben fur die selektive Hydrierung von 1,3-Cyclooctadien (im folgenden rnit COD bezeichnet) an Pd/A1203-Katalysatoren folgenden kinetischen Ansatz [3]') : und aufgelost nach r: Der erste Term von G1. (1) gibt den Grenzfall der Hydrierungsge- schwindigkeit bei hoher Dien-Konzentration, d. h. dichter Bele- gung der Oberflache rnit Dien. Die Reaktionsordnung 1 beziiglich Wasserstoff deutet auf die Aktivierung des Wasserstoffs als geschwindigkeitsbestimmenden Schritt [4]. Der zweite Term im Geschwindigkeitsansatz druckt aus, daB im Zuge des Reaktions- ereignisses zusatzlich Wasserstoff aktiviert werden kann, d. h. daB die Belegung der Oberflache rnit Dien durch die Reaktion aufgelockert wird. * Prof. Dr.-Ing. J. Gaube, Dip].-Ing. S. Gobel und Cand.-Ing. C. Weimer, Institut fur Chemische Technologie, Petersenstr. 20, 64287 Darmstadt. 1) Eine Zusammenstellung der Formelzeichen befindet sich am SchluB des Beitrags. Chem.-Ing?-Tech. 66 (1994) Nr. 2, S. 189-192 0 VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-69469 Weinheirn, 1994 0009-286X/94/0202-0189 $5.00 + .25/0 189

Untersuchung der Sorption von 1,3-Butadien und Butenen zur Interpretation der selektiven Butadien-Hydrierung

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Page 1: Untersuchung der Sorption von 1,3-Butadien und Butenen zur Interpretation der selektiven Butadien-Hydrierung

peroxid (3) zu katalysieren. Daher kann dieser Katalysator seinen Selektivitatsvorteil gegenuber den beiden anderen rnit steigendex Wasserstoffperoxid-Konzentration weiter ausbauen.

Im AnschluB an diese MeBreihe wird die Abhangigkeit der Selektivitat vom Wasserstoffpartialdruck bei konstanter Wasser- stoffperoxid-Konzentration untersucht. Aus Abb. 5 geht hervor,

80 I 0 - Pd _ _ _ _ _ Wasserstoffperoxfdkonzenl~ation 0.37 moll1

PdAuSo

--. PdlroQ

70 i

a I 30 I 1 I I I

2 4 6 8

Wasserstoflpartialdruck [ bar ]

Abb. 5. Abhangigkeit der Selektivitat vorn Wasserstoffpartial- druck; Kat. = 40 mg, 0,l N H2S04 = 160 rnl, NaBr = 0,03 rnmol/l, p = 80 bar, T = 25 "C, Feed 0 2 = 169 rnlN/rnin, Feed H2 = 32,7 rnlN/min.

daB der iridiumhaltige Katalysator bei niedrigen Wasserstoffparti- aldrucken die hochste Selektivitat erreicht. Daruber hinaus enveist sich die Selektivitat der Reaktion an diesem Katalysator als nahezu unabhangig von Wasserstoff. Um die Selektivitat des Palladiurn- Iridium-Katalysators zu erreichen, sind bei den beiden anderen Praparaten hohere Wasserstoffpartialdriicke notwendig, was auf Kosten der Sicherheit der Direktsynthese geht.

Eingegangen am 24. Juni 1993 [K 16001

Literatur

Ullmanns Encyklopadie der technischen Chernie, 4. Aufl., VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim 1976, Bd. 17, S. 694. US-Pat. 4 681 751, E. I. Du Pont (1987). EP-Pat. 0274 830, E. I. Du Pont (1988). EP-Pat. 0342 047, E. I. Du Pont (1989). Sachtler, W M. M . ; van Santen, R. A . : Adv. Catal. 36 (1976) S. 69. Moss, R. L.; Whalley, L.: Adv. Catal. 22 (1972) S. 115. Dickens, E? G.; Linnett, J. W; Placzewska, W: J. Catal. 4 (1965) S. 140. Placzewska, W : Adv. Catal. 24 (1975) S. 245. Bond, G. C.: Surface Sci. 18 (1969) S. 11. Wood, B.; Wise, H.: J. phys. Chem. 65 (1961) S. 1976. Hardy, W A.; Linnett, J . W ; Placzewska, W : Trans. Faraday SOC. 66 (1970) S. 447. Couper, A.; Eley, D. D.: Discuss. Faraday SOC. 34 (1950) S. 172. Rossington, D. R. ; Runk, R. B.: J. Catal. 7 (1967) S. 365. Couper, A.; Metcalve, A . : J. phys. Chern. 70 (1966) S. 1850. Rienacker, G.; Engels, S.: Z . anorg. Chem. 336 (1965) S. 259. Lam, 1.: L . ; Criado, J.; Boudart, M . : Nouv. J. Chim. 6 (1977) S. 461. Bortner, M. H.; Parravano, G.: Adv. Catal. 9 (1957) S. 425.

Sven Gobel, Christoph Weimer und Johann Gaube*

Herrn Professor Dr. Dr. h. c. Hanns Hofmann zum 70. Geburtstag

An Pd/A1203 oder Pd-Mohr konnen Diene und Alkine, z.B. 1,3-Butadien und 1-Butin, mit 100 % Selektivitat zum Monoolefin hydriert werden. Dies trifft auch noch fur sehr hohe Konzentra- tionsverhaltnisse MonoolefinIDiolefin bzw. Alkin von mehr als 100 zu. Diese hohe Selektivitat wird durch eine wesentlich starkere Adsorption des Diens bzw. Alkins gegenuber dem Monoolefin und die Verdrangung des Monoolefins durch das Diolefin bzw. das Alkin erklart. Von Bond wurde ein Adsorptionsgleichgewicht angenommen, das aufgrund der Unterschiede in den Adsorptions- starken ganz auf der Seite einer nahezu vollstandigen Belegung der Pd-Oberflache rnit dem Dien bzw. Alkin liegt [l]. Fur dieses die Selektivitat bestimmendeverhalten wurde der Begriff ,,thermody- namischer Faktor" eingefuhrt. Es sei angemerkt, daB an den genannten Pd-Katalysatoren in Abwesenheit von Dien bzw. Alkin auch die Monoolefine hydriert werden, jedoch rnit geringerer Geschwindigkeit als das Dien (etwa 1 : 4 fur Pd/AI203) [2].

1 Kinetik

Neuere Untersuchungen ergaben fur die selektive Hydrierung von 1,3-Cyclooctadien (im folgenden rnit COD bezeichnet) an Pd/A1203-Katalysatoren folgenden kinetischen Ansatz [3]') :

und aufgelost nach r:

Der erste Term von G1. (1) gibt den Grenzfall der Hydrierungsge- schwindigkeit bei hoher Dien-Konzentration, d. h. dichter Bele- gung der Oberflache rnit Dien. Die Reaktionsordnung 1 beziiglich Wasserstoff deutet auf die Aktivierung des Wasserstoffs als geschwindigkeitsbestimmenden Schritt [4]. Der zweite Term im Geschwindigkeitsansatz druckt aus, daB im Zuge des Reaktions- ereignisses zusatzlich Wasserstoff aktiviert werden kann, d. h. daB die Belegung der Oberflache rnit Dien durch die Reaktion aufgelockert wird.

* Prof. Dr.-Ing. J. Gaube, Dip].-Ing. S. Gobel und Cand.-Ing. C. Weimer, Institut fur Chemische Technologie, Petersenstr. 20, 64287 Darmstadt.

1) Eine Zusammenstellung der Formelzeichen befindet sich am SchluB des Beitrags.

Chem.-Ing?-Tech. 66 (1994) Nr. 2 , S. 189-192 0 VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-69469 Weinheirn, 1994 0009-286X/94/0202-0189 $5.00 + .25/0

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Page 2: Untersuchung der Sorption von 1,3-Butadien und Butenen zur Interpretation der selektiven Butadien-Hydrierung

Beide Befunde, die Reaktionsordnung 1 bezuglich Wasserstoff im Grenzfall hoher Dien-Konzentration sowie die Abhangigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von COD (formal negative Ord- nung) und von Wasserstoff (formal Reaktionsordnung >1) bei hoherer Reaktionsgeschwindigkeit, deuten auf eine sehr dichte Belegung der Pd-Oberflache mit Dien [5] hin.

Diese Kinetik zeigt, daB fur die sehr selektive Partialhydrierung des Diens eine dichte Belegung der Oberflache mit Dien ausschlag- gebend ist.

Ziel der hier vorgestellten Arbeit war es, die Bedeutung der Adsorption fur die Selektivitat durch direkte Adsorptionsversuche zu zeigen, da zu diesem Thema bisher keine Untersuchungen vorlagen. Da die selektive Hydrierung des 1,3-Butadiens analog der des 1,3-COD verlauft, wurden die Sorptionsversuche mit den leichter zu handhabenden Gasen 1,3-Butadien und 1-Buten aus- gefuhrt.

i

6

2 Experimentelles Vorgehen

+ r"(1 -Buten) ++ r'(l,3-Butadien) 7

1 /

Zunachst stellt sich die Frage nach einem fur die Sorptionsver- suche geeigneten Katalysator. Im Falle des Pd/AI2O3-Katalysators dominiert die Adsorption des Diens und des Monoolefins am im UberschuB vorliegendenTrager. Dies macht eine Aussage uber die Sorption am Palladium unmoglich [6] . SchlieBlich konnte mit der Wahl eines elektrolytisch auf einer Pd-Folie abgeschiedenen Pd-Mohr, das in lockerer Schicht von 10 bis 30 pm die Pd-Folie bedeckt, ein Material gefunden werden, mit dem die angestrebten Messungen ausgefuhrt werden konnten.

Die durchschnittliche PartikelgroBe von d = 20 nm ist wesentlich groBer als die des Pd/A1203-Katalysators mit d = 3 nm. Offenbar gelingt die Praparation derartig kleiner Kristallite nur durch die stabilisierende Wirkung eines Tragers [7]. Die elektrolytisch erzeugten Kristallite sind in ihrem Verhalten bei der Hydrierung jedoch dem PdAI203 [5] ahnlich. Abb. 1 zeigt die Hydrierungsge- schwindigkeit von 1,3-Butadien in Abhangigkeit vom Wasserstoff- Partialdruck. Bis zu einer Reaktionsgeschwindigkeit von r = 1,2 moV(h kgK,,) (p(H2) 2: 300 Pa) ist fur die 1,3-Butadien- Hydrierung die Selektivitat bezuglich der Butene nahezu 100 %. Buten wird in Abwesenheit von 1,3-Butadien mit ahnlich hoher Geschwindigkeit hydriert. Die Adsorptionsexperimente wurden in einer statischen Apparatur, deren Aufbau Abb. 2 zeigt, ausge- fuhrt. Die Bestimmung der adsorbierten Stoffmengen erfolgt uber die Bilanzierung der eingebrachten und der im Gasraum der Adsorptionszelle befindlichen Stoffmengen. Mit Hilfe eines mit

1 1,3-Butadien + Butene 4 Butan I I/ I 1

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 lo00 1100 1200 p(Wasserstoff) [kPa]

Abb. 1. Reaktionsgeschwindigkeit der Hydrierung von 1,3- Butadien und 1 -Buten; T = 45 "C, p(Dien) = 400 Pa.

& n n -

Abb. 2. Schema der Adsorptionsapparatur.

einem Massenspektrometer (Typ: Finnigan MAT, IonTrap Detec- tor) gekoppelten Gaschromatographen kann die Zusammenset- zung im Gasraum der Adsorptionszelle bestimmt werden. Somit konnen auch Mischsorptionsmessungen ausgefuhrt werden. Der Katalysator Pd-Mohr auf Pd-Folie wurde nach der elektrolytischen Pd-Abscheidung rnit destilliertem Wasser gewaschen und unter Inertgas getrocknet. Der Katalysator konnte nur bei Temperatu- ren unterhalb 50 "C gehandhabt werden, da sonst eine Strukturver- anderung mit VergroDerung der Pd-Kristallite eintritt. Zur Bestim- mung der BET-Oberflache wurde die Stickstoff-Adsorptionsiso- therme aufgenommen. Die Adsorption von CO ergab eine Metall- oberflache, die der BET-Oberflache gleich war. Dabei wurde nach [8] ein Verhaltnis von 1: l fur lineare und verbriickte CO- Adsorption angenommen. CO konnte bei Temperaturen T < 50°C mit Wasserstoff nicht vollstandig entfernt werden. Der Katalysator muBte deshalb verworfen werden. Der nur mit Stickstoff vorbehandelte Katalysator wurde 24 h unter Hochva- kuum (p < Pa) belassen und dann mit Wasserstoff (p = 3000 Pa) behandelt. Dabei wurde aus der Oberflachenschicht Sauerstoff entfernt. Die Aufnahme von Wasserstoff lag wegen der Liislichkeit von Wasserstoff in Palladium um ein Vielfaches hoher, als einer Monolage entsprechen wurde. Der geloste Wasserstoff konnte im Hochvakuum entfernt werden. Eine danach aufgenom- mene Stickstoff-Adsorptionsisotherme ergab nach BETdie gleiche Oberflache wie fur den Katalysator vor der Behandlung mit Wasserstoff. Der mit Wasserstoff vorbehandelte Katalysator wur- de 24 h im Hochvakuum belassen.

3 Ergebnisse

Abb. 3 zeigt die ermittelte Adsorptionsisotherme fur 1-Buten. Nach Belegung mit 1-Buten wurde durch Analyse des Gases in der Adsorptionszelle festgestellt, daB Butan in einer Menge gebildet wurde, die einer Restbelegung von einem H-Atom je Oberflachen- atom Pd entspricht. Offenbar ist der Wasserstoff bei dieser Belegungsdichte irreversibel chemisorbiert und 1aDt sich bei Tem- peraturen unter 80°C nur durch chemische Reaktion entfernen. Die 1-Buten-Isotherme zeigt bei Partialdrucken p > lo00 Pa eine Sattigungsbelegung, die bei etwa einem Molekul 1-Buten auf 5 Pd-Oberflachenatomen liegt. Parallel zur Adsorption findet Isomerisierung zum cis- und trans-2-Buten statt. Unter Hochva- kuum sind bei 50 "C nur etwa 10 % des Butens bezogen auf die Maximalbelegung desorbierbar. Die Entfernung des Butens gelingt durch Abhydrieren mit Wasserstoff und Hochvakuumbe- handlung, da Butan unter diesen Bedingungen nur sehr schwach adsorbiert ist. Bei Wiederholung der 1-Buten-Adsorption wird stets die gleiche Belegungsdichte und auch die gleiche Butan-

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Page 3: Untersuchung der Sorption von 1,3-Butadien und Butenen zur Interpretation der selektiven Butadien-Hydrierung

Bildung, d.h. die gleiche Wasserstoffvorbelegung von 1 H/1 Pd,, gefunden.

Abb. 3 zeigt auch die Adsorptionsisotherme fur 1,3-Butadien nach gleicher Vorbehandlung des Katalysators. Bei Zugabe von kleinen Anteilen an 1,3-Butadien, wie dies bei der Aufnahme der Isotherme erforderlich ist, wird durch die Abhydrierung der anfanglichen monomolekularen Wasserstoffbelegung ein Gemisch von Butenen und Butan erhalten. Durch Bilanzierung wird auch hier die Vorbelegung rnit H : Pd, = 1 : 1 bestatigt. Die Adsorptions- isotherme zeigt schon bei sehr geringen Drucken eine hohe Belegung. die im Sattigungsbereich auf einen Wert von einem Molekul 1 -3-Butadien pro 4 Pd-Oberflachenatome ansteigt. Eine hohere Dichte der Belegung kann nicht envartet werden; sie ist dichter als die fur 1-Buten. Bei einer Temperatur von T = 50°C wird 1.3-Butadien auch unter Hochvakuumbehandlung nicht desorbiert. Durch Behandlung mit Wasserstoff kann 1,3-Butadien abhydriert werden. Nach Hochvakuumbehandlung und Wiederho- lung der 1,3-Butadien-BeIegung wurden die Adsorptionsisother- me sowie die Wasserstoff-Vorbelegung reproduziert.

Dosiert man in die Adsorptionszelle nach vollstandiger Bele- gung rnit 1,3-Butadien 1-Buten, so findet keineveranderung statt. Das zudosierte 1-Buten findet sich vollstlndig in der Gasphase. Hingegen fuhrt der Versuch bei Vorbelegung mit 1-Buten und Zudosieren von 1,3-Butadien zu einer vollstandigen Verdrangung

Y + Buten

* 1,3-Butadien

i I I I

o x , I ,

0.25

0.2

6 b 5 0.15 z

0.1

0.05

+ 1 3-Butadien 0

I ' , ' I

0 0,5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

p(O1efin) [kPa]

Abb. 3. Adsorptionsisothermen von 1 -Buten und 1,3-Butadien an Pd/Pd-Folie, T = 30 "C; N(H)/N(Pd) = 1.

Eingegangen am 21. Oktober 1993 [K 16591

Formelzeichen

r [moU(h k g ~ , ~ ) ] Reaktionsgeschwindigkeit k [I/(h kgKat)l Reaktionsgeschwindigkeitskon-

k' Modellparameter k" [mol/l] Modellparameter C(H2) [movll Wasserstoff-Konzentration c(C0D) [movl]

stante

Cyclooct adien-Konzentration

des Butens von der Katalysatoroberflache durch 1,3-Butadien. Somit ist das ganz auf der Seite der dichten Belegung mit 1,3-Butadien gelegene Gleichgewicht der Mischsorption von Dien und Monoolefin bewiesen. Abb. 4 zeigt den zeitlichenVerlauf des Austausches. Dabei sei angemerkt, daB die Zeitkonstante des Stofftransportes in der Adsorptionszelle unter 1 s liegt. Die Zeitkonstante des Austauschvorganges liegt bei uber 15 min. Der vollstandige Austausch ist erst nach =5 h erreicht. Legt man die Reaktionsgeschwindigkeit der 1,3-Butadien-Hydrierung zugrun- de, so muB das durch Hydrierung gebildete Buten, das zunachst als adsorbiert angenommen werden muB, im Mittel nach wenigen Sekunden durch 1,3-Butadien ersetzt werden. Dabei wird voraus- gesetzt, daB alle Oberflachenplatze gleich aktiv sind.

4 Diskussion

Der Vergleich der Zeitkonstanten zeigt, daB die schnelle Desorption des Butens im Zuge der selektiven Hydrierung nicht in einfacher Weise durchverdrangung stattfinden kann. Es muB aber beachtet werden, daB das durch Hydrierung entstandene Buten einen groBeren Platzbedarf hat (5 Pd-Atome) als der zur Verfu- gung stehende Platz von 4 Pd-Atomen in der mit 1,3-Butadien dicht belegten Schicht. Schon hieraus ist eine Tendenz zur beschleunigten Desorption zu envarten, da man fur das von 1,3-Butadien umgebene und beengte Buten eine schwachere Adsorption als bei reiner Belegung mit Buten vermuten kann.

Ein wesentlicher, bisher nicht beachteter Punkt durfte sein, daB bei der Hydrierung des 1,3-Butadiens eine beachtliche Reaktions- enthalpie ( A H R = -124 kJ/mol) frei wird. Diese Energie wird sich uber das Molekul verteilen und uber StoBe mit den Nachbarmo- lekulen und vor allem uber die Sorptions-Bindung an das Palladi- um abgefuhrt werden. Bei Gasphasenreaktionen wird ein derarti- ger angeregter Zustand als chemische Aktivierung bezeichnet. Man kann vermuten, daB durch die Anregung von Schwingungen der Bindung Metall - Monoolefin Lockerung und schlieBlich Desorption erfolgen wird. Fur die homogene Hydrierung von cis-2-Buten zum sekundaren Butylradikal konnte gezeigt werden, daB das chemisch aktivierte Molekul sogar eine Spaltung der C-C-Bindung erfahren kann [9]. Eine detaillierte Untersuchung solcher Vorgange an einer Katalysatoroberflache durfte jedoch auBerst schwierig sein.

Die hohere Belegungsdichte des Diens und die chemische Aktivierung des Monoolefins sind wahrscheinlich die Ursachen fur die schnelle Desorption der gebildeten Butene. Eine Readsorption des Monoolefins kann wegen dessen groBeren Flachenbedarfs nicht erfolgen. Die hohe Selektivitat der Hydrierung des 1,3- Butadiens zu den Butenen ist somit zwar auf die gegenuber dem Buten starkere Adsorption des Butadiens, nicht aber auf eine einfache Gleichgewichtseinstellung der Sorption von Dien und Monoolefin zuruckzufuhren.

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Page 4: Untersuchung der Sorption von 1,3-Butadien und Butenen zur Interpretation der selektiven Butadien-Hydrierung

Literatur

Bond, G. C.; Webb, G.; Wells, f! B.; Winterbottom, J: M . : J. Chem. SOC. (1965) S. 3218. Haas, T ; Gaube, J . : Chem. Eng. Techno]. 12 (1989) S. 45. Gobel, S.; Reinig, D.; Gaube, J.: Publikation in Vorberei- tung. Horiuti, J.; Polanyi, M.: Trans. Faraday SOC. 30 (1934) s. 1164. Reinig, D.: Dissertation, TH Darmstadt 1992. Gobel, S.: Dissertation, TH Darmstadt 1994, in Vorberei- tung. Anderson, J. R.: Structure of Metallic Catalysts, Academic Press, New York 1975. Scholten, J. J. E ; van Montfoort, A.: J. Catal. 1 (1962) S. 85. Kohlmaier, G. H.; Rabinovitch, B. S.: J. Chem. Phys. 38 (1963) S. 1692.

Barbara Rennert und Fritz TureV

Herrn Professor Dr. Dr. h.c. Hanns Hofmann zum 70. Geburtstag

Die katalytische Fliissigphasenhydrierung von Nitroaromaten ist eine wichtige ProzeBstufe in der organischen Chemie. Dieser Reaktionstyp ist aus reaktionstechnischer Sicht charakterisiert durch die Kopplung von Reaktionskinetik, Stofftransporteffekten und die Mehrphasenhydrodynamik im Reaktor [l]. Daneben spielen das Losungsmittel und der Katalysator eine entscheidende Rolle [2,5]. Bei der Hydrierung von chlorierten Nitroaromaten stellt die Dechlorierung ein besonderes Problem der ProzeBfiih- rung dar. Diese Chlorabspaltung hat auch Bedeutung bei der katalytischen Behandlung entsprechender Abwasser [3, 41.

Der vorliegende Beitrag beschaftigt sich in Verbindung mit den verwendeten Losungsmitteln und Katalysatoren mit dem EinfluB von Wasser auf den Reaktionsverlauf. Als Reaktionen wurden die Hydrierung von p-Chlornitrobenzol (CNB) und die Hydrodechlo- rierung von p-Chloranilin (CAN) gewahlt. Unter stochiometri- schen Gesichtspunkten konnen diese Reaktionen wie folgt beschrieben werden:

CNB + 3 Hz 4 CAN + HzO , (1)

CAN + H z - + A N + HCI . (2)

Weitere Neben- bzw. Folgereaktionen sind in Abhangigkeit von den Reaktionsbedingungen moglich. Dabei kann sich der Wasser- gehalt im Reaktionsgemisch auf verschiedene Art und Weise auswirken. Es ist zunachst davon auszugehen, daB das Wasser

* Dipl.-Ing. E. Rennert, Martin-Luther-Universitat Halle, Institut fiir Bioverfahrenstechnik und Reaktionstechnik, Geusaer Str., 06217 Merseburg, und Prof. Dr. R Turek, Rathenower Anlagen- bau GmbH. 14712 Rathenow.

sowohl im Liisungsmittel bzw. Reaktanten enthalten sein kann als auch ein Reaktionsprodukt ist. Prinzipiell konnen folgende Wir- kungen des Wassers auftreten: - Konkurrierende Adsorption am Katalysator, - Veranderung der Dispersitat und somit der Aktivitat und

- Beeinflussung der Liislichkeit der Reaktionskomponenten, - Bildung einer zweiten fliissigen Phase und Fiillung der Kataly-

Aus den genannten Moglichkeiten wird deutlich, daB die Reak- tionsgeschwindigkeit durch Wasser positiv oder negativ beeinfluBt werden kann.

Selektivitat des Katalysators,

satorporen mit Wasser.

1 Experimentelles

Die experimentellen Untersuchungen wurden in einem diskon- tinuierlichen 1-I-Riihrreaktor durchgefiihrt . Das Fliissigkeitsvolu- men betrug insgesamt 0,6 1. In 0,3 1 Losungsmittel wurde der Katalysator suspendiert. Das Substrat (CNB oder CAN) wurde in der restlichen Menge gelost. Bei Wasserzugabe erfolgte eine entsprechende Reduzierung des Losungsmittels, um ein konstan- tes Fliissigkeitsvolumen zu erhalten. Nach dem Aufheizen des Reaktors wurde der Katalysator bei konstanten Bedingungen (80"Cund 1,0 MPa) 1 h nachaktiviert. Gleichzeitig wurde in einem VorlagegefaB der andere Teil des Losungsmittels mit dem darin gelosten Substrat auf Reaktionstemperatur aufgeheizt. Nach AbschluB der Aktivierung erfolgte die Zugabe des Substratno- sungsmittel-Gemisches in den Reaktor. Das anschlieOende Ein- stellen der Riihrerdrehzahl wurde als Versuchsbeginn registriert. Zur Ermittlung der KonzentratiodZeit-Verlaufe wurden Fliissig- keitsproben genommen und diese mit Hilfe eine Kapillar-GC (Saule: CPSIL 5 CB) analysiert. Die Volumenverringerung durch Probenahme ist bei der Auswertung beriicksichtigt worden.

Urn die Wechselwirkung des Wassers mit dem Katalysator zu untersuchen, wurden verschiedene Wasserzugabearten getestet. Dabei wurden Ni/SiOz- und PdC-Katalysatoren eingesetzt . Diese Katalysatortypen haben unterschiedliche hydrophile bzw. hydro- phobe Eigenschaften. Als Losungsmittel wurden Methanol und Toluol verwendet, da bei diesen Losungsmitteln einmal eine gute Wasserloslichkeit gegeben und zum anderen die Bildung einer wabrigen Phase ausgepragt ist. Die Katalysatorgrundvarianten waren die von den Firmen BASF und Siid-Chemie zur Verfiigung gestellten PdC- bzw. Ni/Si02-Katalysatoren. Der Nickelkatalysa- tor wurde in trockenem Zustand geliefert , und der Palladiumka- talysator enthielt im Ausgangszustand ca. 50 Ma.-% Wasser. Um den Wassereffekt deutlich zu machen, wurde auch dieser Kataly- sator vor dem Einsatz 12 h bei 120 "C im Trockenschrank getrock- net. Folgende Wasserzugabevarianten wurden untersucht:

Variante 1:

Variante 2:

Variante 3:

Variante 4:

trockener Katalysator: Ni/SiOz - Lieferform, P d C - getrocknet. Wasserzugabe zum Losungsmittel mit dem Katalysa- tor vor der Aktivierung, Katalysator nach Varian- te 1. feuchter Katalysator: P d C - Lieferform, Ni/Si02 - mit Wasser getrankt. Zugabe von Wasser zum Substrat-Losungsmittel- Gemisch nach der Aktivierung, Katalysator nach Variante 1.

2 Ergebnisse und Diskussion

In Abb. 1 sind die Reaktionsverlaufe der Hydrierung von CNB mit Ni/SiOz fur verschiedene Wasserzugabevarianten dargestellt. Keine zusatzliche Wasserzugabe (Variante 1) fuhrt zu einer relativ

192 Chem.-1ng.-Tech. 66 (1994) Nr. 2, S. 192-195 0 VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-69469 Weinheim, 1994 0009-286X/94/0202-0192 $5.00 + .25/0