Phosphor-modifizierte Katalysatoren zur PSA-Herstellung

Die Produktion von Phthalsäureanhydrid aus o-Xylol ist eine industriell etablierte Reaktion. Diese heterogen katalysierte Oxidation stellt die weltweit mengenmäßig bedeutendste Anwendung für die Gruppe der Alkylaromaten dar. Das Ziel der Arbeit war die Untersuchung der Effekte von Phosphor als Additiv auf das reine Trägeroxid und auf das Katalysatorsystem V2O5/TiO2. Zu Beginn wurde ein kontaminationsarmes Trägeroxid in der Anatasmodifikation hergestellt. Für die TiO2-getragenen Vanadiumoxide wurden unabhängig von der Art der Syntheseroute die thermodynamisch stabilsten Strukturen erhalten. Außer kristallinem Vanadiumpentoxid können eine isolierte tetraedrisch koordinierte Monooxospezies (O=VO3) und polymere Vanadate detektiert werden. Durch thermische Spreitung erfolgte eine Zunahme der Dispersion auf der TiO2-Oberfläche. Die Lewis-aziden Titanzentren wurden partiell durch getragenes VOx abgedeckt. Für die oxidierte Probe konnten nur Vanadium-Kationen in der Oxidationsstufe +5 nachgewiesen werden. Durch Behandlung mit Wasserstoff erfolgte die Reduktion zu V4+ und V3+. Im Vergleich zu ungetragenem V2O5 konnte im binären System V2O5/TiO2 eine synergetische Wechselwirkung zwischen den beiden Komponenten beobachtet werden. Die TPR-Methode bewies die leichtere Reduzierbarkeit von getragenem Vanadiumoxid. Durch den Zusatz von Phosphor konnten intensive Wechselwirkungen sowohl mit dem Trägeroxid als auch mit getragenem Vanadiumoxid beobachtet werden. Mit TiO2 allein erfolgte die Bildung von stabilen Oberflächen-Phosphatspezies. Hierbei wurden neue Brønsted-azide POH-Zentren gebildet. Die Lewis-aziden Titanzentren wurden partiell blockiert und ihre Azidität verstärkt. Je nach Beladung mit Phosphat führte die Kalzinierung zu einer Kondensation von benachbarten Phosphateinheiten. Durch Zusatz von Phosphor konnte eine Stabilisierung der Anatasmodifikation erreicht werden. Für das ternäre System P2O5/V2O5/TiO2 wurde der Einfluß der P-Modifikation in Abhän- gigkeit von der Konzentration bzw. der Dotierungssequenz untersucht. Die spezifische Oberfläche der Katalysatoren wurde durch die Dotierung mit VOx und/oder POy nicht beeinflußt. Obwohl die Beladungen größer als eine berechnete Monolagenbelegung waren, verblieb unbedecktes TiO2. Phosphor erhöhte die Azidität der Lewiszentren. Aus physiko- chemischen Charakterisierungen konnte ein gut dispergiertes Katalysatorsystem gefolgert werden. Die Bildung neuer V―O―P-Bindungen wurde beobachtet. Abhängig von den Syntheseparametern konnte VOPO4 · 2 H2O oder durch dessen Dehydratisierung αI-VOPO4 reversibel gebildet werden. Eine Bedingung für die Bildung der mikrokristallinen VPO- Mischoxide war die Anwesenheit von V2O5 und ein molares P/V-Verhältnis > 1/2. Andere Parameter führten zur Bildung von amorphem VPO. Die Vanadiumzentren sind die katalytisch aktiven Zentren bzgl. der Oxidationsreaktion. Die Aktivierung von o-Xylol führt zur Abstraktion eines Wasserstoffatoms. Die Bildung einer chemisorbierten o-Methylbenzylspezies findet bereits bei Raumtemperatur statt. Die Aktivität der Oxidationsreaktionen von o-Xylol und o-Toluylaldehyd kann mit der Bindungsstärke für Sauerstoff korreliert werden. Diese wird durch die sukzessive Bildung von V―O―P-Bindungen erhöht. Aus der TPR-Methode konnte die Zunahme der charakteri- stischen Temperaturen gefunden werden. Analog folgte eine kontinuierliche Abnahme der Aktivität der katalysierten Oxidationen in Abhängigkeit von der P-Beladung. Für industriell eingesetzte Katalysatorsysteme bedeutet dies die Möglichkeit einer zielgerichteten Anpassung an die gegebenen Bedingungen. Da die o-Xylol-Oxidation eine stark exotherme Reaktion ist, können durch Abschwächung der Reaktivität lokale Überhitzungsstellen und damit die Katalysatordesaktivierung vermieden werden. An dieser Stelle soll erneut auf das Reaktionsschema für die o-Xylol-Oxidation eingegangen werden. In Abbildung 11–1 ist ein im Vergleich zu Abbildung 10–1 vereinfachtes Schema abgebildet, welches die in dieser Arbeit gefundenen Ergebnisse der Phoshordotierung hinsichtlich der Produktausbeuten anschaulich erläutern soll. Ausgehend von o-Xylol mußte ein System gefunden werden, für das gilt: Reaktionsgeschwindigkeit der konsekutiven Umsetzung von o-Xylol nach Phthalsäureanhydrid > Reaktionsgeschwindigkeit der Desorp- tion der C8-Moleküle > Reaktionsgeschwindigkeit der Totaloxidation zu COx. Die Oxidation von o-Xylol zu Phthalsäureanhydrid erfolgt durch Insertion von O-Atomen in das Eduktmolekül. Aus dem basischen o-Xylol resultiert das azide PSA. Je nach Säurestärke der Katalysatoroberfläche können die Produktselektivitäten gesteuert werden. Mit o-Xylol als Edukt führt die Adsorption an VT-Katalysatoren mit niedrigen P-Mengen weder zu einem positiven noch zu einem negativen Effekt. Durch große P-Mengen wird die Lebensdauer der adsorbierten Intermediate im Vergleich zu V2O5/TiO2 verlängert. Es folgt die Zunahme der oxidativen Kupplungsreaktion und die quantitativ stärkere Bildung von organischen Ablagerungen mit prägraphitischer Struktur. Diese Deposite werden oxidativ zu COx abgebaut. Phosphor ist demnach für die o-Xylol-Oxidation kein Promotor. O O O O O C H O C H 3 C H 3 C H 3 Deposite COx Des. Desorption COx Des. Des. COx Einfluß von Phosphor o-Xylol o-Toluylaldehyd Phthalid PSA Abbildung 11–1: Einfluß von Phosphor auf die katalytische Gasphasenoxidation von o-Xylol und o-Toluylaldehyd, Des.: Desorption, COx: (CO und CO2) o-Xylol ist im wesentlichen die Quelle für die Depositbildung. Mit o-Toluylaldehyd als Edukt resultieren andere Produktverteilungen. Durch azide Katalysatoren wird die Adsorption von o-Toluylaldehyd, Phthalid und PSA gehemmt bzw. deren Desorption gefördert. Dies führt zu einer Unterdrückung der COx-Bildung (Abbildung 11–1). Bei vollständigem Umsatz kann durch geringe Phosphormengen die maximale Ausbeute an PSA gesteigert werden. Phosphor ist demzufolge für die o-Toluylaldehyd-Oxidation ein Promotor, da er die katalytische Wirksamkeit eines V2O5/TiO2-Katalysators erhöhen kann. Versuche im Pilotreaktor konnten die aus dem Labormaßstab gewonnenen Erkenntnisse bestätigen. Des weiteren konnte durch Zusatz von Phosphor zum einen eine längere Formierungsphase für die katalytisch aktive Spezies beobachtet und zum anderen eine quantitative Abnahme durch Austrag aus dem VT-Katalysatorsystem nachgewiesen werden. Effekte auf die Langzeitstabilität wurden nicht gefunden. Das Ziel der in dieser Arbeit gezeigten Versuche war, die Frage nach der Rolle von Phosphor als Additiv bei der o-Xylol-Oxidation zu beantworten. Im industriellen Betrieb werden im Rohrreaktor mindestens zwei Katalysatorschichten eingesetzt. Am Reaktoreintritt besteht der Gasstrom zu 100 % aus o-Xylol. Durch Zugabe geringer Phosphormengen (V/P > 5) wird die PSA-Selektivität nicht beeinflußt, die Aktivität jedoch erniedrigt. Die Rolle von Phosphor besteht in der Dämpfung der stark exothermen Reaktion und der Ermöglichung einer kontrollierten Reaktionsführung bei hohen o-Xylol-Beladungen. Im weiteren Verlauf entlang der Reaktorachse erfolgt die Umsetzung zu den Folgeprodukten. Der o-Toluylaldehyd ist das wichtigste Intermediat. Durch Zusatz von Phosphor (V/P = 5) kann die Selektivität zu PSA im o-Toluylaldehyd-reichen Reaktantenstrom gesteigert werden. Die Anpassung der Katalysator- schichten im axialen Konzentrationsprofil der Reaktantengasmischung führt je nach Wahl der Phosphormenge zu einer Steigerung der PSA-Selektivitäten. Durch die Promotierung mit Phosphor kann die maximale Ausbeute des Zielproduktes Phthalsäureanhydrid zielgerichtet erhöht werden