JP2000342979A - 触媒およびそれを用いたオキシ塩素化法 - Google Patents

触媒およびそれを用いたオキシ塩素化法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 低い耐流動性を有し、工業用反応器の壁との
熱交換性が良好で、良好な効率を有し、そして銅と、ア
ルカリおよび/またはアルカリ土類金属類および/また
はランタニド類の如き添加剤とに基づく良好な活性相の
存在により、固定床オキシ塩素化法のための良好な触媒
を提供すること。 【解決手段】 担体と、その上に担持された銅からなる
触媒的に活性な材料とからなる触媒であって、前記銅は
前記乾燥触媒上に1〜12重量%の量で存在し、前記触
媒は以下の寸法 4.0 ≦ De ≦ 7.0 (1) 2.0 ≦ Di ≦ 2.8 (2) 6.1 ≦ L ≦ 6.9 (3) 2.0 ≦ De/Di ≦ 2.5 (4) ここでDeはこの中空円筒の外径(mm)であり、Di
その内径(mm)であり、そしてLはその長さ(mm)
である、を有する中空円筒の形状にある触媒。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、炭化水素類のオキ
シ塩素化に好適な新規な触媒に関する。特に、本発明
は、エチレンの1,2−ジクロロエタン(EDC)への
オキシ塩素化用の触媒に関する。
【0002】
【従来の技術】担持触媒、通常は担持銅触媒、を含有す
る固定床反応器を用いたエチレンのEDCへの気相オキ
シ塩素化は、例えば塩化ビニルモノマー(VCM)の製
造工程の一部として、商業的に幅広く利用されている。
産業界は上記工程の効率を向上させる方法を常に探求し
ており、様々な種類の触媒が上記工程に及ぼす効果につ
いての研究が数多く報告されている。このように、触媒
の組成と物理的表現の両方が研究され続けている。本発
明は、特に触媒の物理的形状に関するものである。
【0003】ここ数年に亘って、ペレット型の触媒の形
状および/または大きさを好適に改良することによって
得られる触媒性能における改善がいくつか報告されてい
る。そのような特徴は、固定床内の触媒床のいくつかの
最も重要な特性、例えばi)上記反応器を通過する最大
可能流量を決定する反応剤流束の抵抗(圧力損失)、i
i)高発熱性オキシ塩素化反応から熱を取り除かせる熱
交換効率、およびiii)上記ペレット内部の反応剤お
よび反応生成物の拡散に関しての上記ペレットの効率、
に影響を及ぼす。
【0004】低圧力損失によって上記触媒床内の流動が
可能となるため、工業用反応器の生産性が向上する。一
方、工業用反応器中の触媒を交換する理由は、触媒寿命
による圧力損失の増加であり、最初の低圧力損失によっ
て圧力損失の範囲が拡大され、そのため交換が必要とな
るまでの上記触媒の使用寿命が長くなる。球形や中実円
柱の形状である通常の触媒から始めて、ボイド率が高め
られた触媒床を誘発する円形または多葉状の断面で形づ
くられた中空ペレットを介して、円柱構造に基づく触媒
を開発することによって、上記触媒床を通じた低圧力損
失が得られている。
【0005】オキシ塩素化反応に使用されるこの種類の
触媒は、例えば以下の特許明細書に説明されている。U
S−A−4366093には、外径Deが3〜6mmの
範囲にあり、内径Diが1mmよりも大きく、肉厚が最
大1.5mmであり、そして長さLが3〜6mmの範囲
にある中空円筒型触媒が記載されている。
【0006】US−A−4382021およびEP−A
−054674には、寸法がDe=5〜12mm、Di
3〜8mm、L=3〜12mmである中空円筒型触媒が
報告されている。US−A−4740644には中空円
筒型触媒の新規な製造法が開示されており、De=5m
m、Di=1.8mm、L=5mmである触媒が例示され
ている。US−A−5166120には、押出成形によ
って製造され、中空円筒状に成形された、De=4〜6
mm、Di=1〜2mm、L=1.7〜3.75Deである
触媒が記載されている。WO96/40431には、D
e≧6.5、肉厚が0.1〜0.3.DeおよびL=0.5〜
5.Deである、内部補強ベーンを備えた中空円筒状に成
形されたエチレンオキシ塩素化用触媒が記載されてい
る。
【0007】中空円筒型ペレットは、球形や中実円筒型
のものより高いS/V(幾何学的面積対体積比)を有
し、このため、より高い触媒床空隙率に加えて、より効
率的な熱交換が提供される。このように、上記触媒床に
沿ったさらに良好な温度制御と低減されたホットスポッ
ト温度とが得られる。このようにして、触媒寿命が延長
され、そして上記反応に起因する塩素化副生成物と燃焼
生成物との形成が低減されることになる。
【0008】中空円筒型ペレットのさらなる利点とは、
前記ペレットのより小さな肉厚と相まったより大きな幾
何学的面積に起因する、より高い効果であり、これは上
記反応が薄い外層内でのみ行われるからである。さら
に、工業的実施の際にペレットの破損や圧力損失の増加
を引き起こす、前記ペレット壁のコア内部での炭素質沈
澱物の形成が低減される。その結果、生産性がさらに向
上し、触媒寿命もさらに長くなる。
【0009】前述の利点にも関わらず、中空ペレットは
慎重に設計されなければならず、さもなければいくつか
の不利点が明るみになる。例えば、中空ペレットのDi
/De比がある値よりも高いと、前記ペレットは壊れや
すくなり過ぎてしまい、効果の点ではさらなる利点は見
込めない。さらに、前記触媒の見掛けかさ密度が減少
し、結果として、活性相の総含有量の低下のために触媒
床の単位体積当たりの変換率が低下することになる。こ
の最後の効果は触媒寿命にも影響するが、これは前記触
媒が反応環境において活性相化合物を損失する傾向があ
るためである。この問題を解決するには新しい触媒の活
性相の濃度を上げればよく、しかも活性相化合物の過剰
部分は、たとえ触媒活性に直接寄与していなくても、上
記ペレットの備蓄として作用できるので、触媒寿命が長
くなる。しかしながら、銅濃度をある範囲以上に上げる
ことは不可能であり、これはそれに起因する触媒表面積
の損失が活性損失を引き起こすためである。
【0010】前述の問題は、Di/De比を一定に保った
ままでDeまたはLを増加させることによって、中空円
筒として成形された触媒の圧力損失をより好適なものに
しようとした場合にも発生する。この解決方法のさらな
る不利点とは、DeまたはLが大きくなり過ぎると、前
記触媒が上記反応器中に不均一に装填されてしまう可能
性があることである。
【0011】上記の見解から明らかなように、ペレット
型のオキシ触媒の観点から見ると、触媒性能に何らかの
改善を誘発することのできる変更のすべては、特に他の
特性を同時に修正することによって慎重に前記変更のバ
ランスを取らなかった場合に、好ましくない有害な効果
を生じさせてしまうこともある。結論として、優れたオ
キシ触媒を得るためには、一つの特性を最適化するだけ
では十分ではなく、異なる効果を担うすべての特性の全
体的なバランスを慎重にとらなければならない。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】本発明の第一の目的は
オキシ塩素化反応において効果的に使用される触媒を提
供することである。本発明のさらなる目的は、前述の不
利点なしに、上記触媒床のより低い圧力損失、より良好
な熱交換および良好な効率などの上記必要条件を満たす
触媒を提供することである。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、担体
と、その上に担持された銅からなる触媒的に活性な材料
とからなる触媒であって、前記銅は前記乾燥触媒上に1
〜12重量%の量で存在し、前記触媒は以下の寸法を有
する中空円筒の形状にある触媒が提供される。
【0014】 4.0 ≦ De ≦ 7.0 (1) 2.0 ≦ Di ≦ 2.8 (2) 6.1 ≦ L ≦ 6.9 (3) 2.0 ≦ De/Di ≦ 2.5 (4) ここでDeは上記中空円筒の外径(mm)であり、Di
その内径(mm)であり、そしてLはその長さ(mm)
である。
【0015】さらに本発明は、炭化水素類のオキシ塩素
化、特にエチレンのEDCへの気相オキシ塩素化におけ
る上記触媒の使用を提供する。本発明の触媒の好ましい
形態において、上記中空円筒型ペレットはDe=4.5〜
5.5mm、Di=2.0〜2.6mm、およびL=6.2
〜6.6mmの寸法を有し、De/Di比は2.1〜2.3
である。本発明の触媒は、直径が25〜50mmの菅状
反応器中で使用されたときに特に効果的である。
【0016】本発明の触媒の担体材料は、銅担持触媒を
製造するものとして知られる材料であればすべて使用で
きる。その例として、シリカ、軽石、珪藻土、アルミ
ナ、およびベーマイトやバイヤライトの如き他のアルミ
ニウムヒドロキソ化合物類が挙げられる。好ましい担体
材料はγ−アルミナとベーマイトであるが、後者は通常
予熱処理されてアルミナに変換される。前記担体材料は
好適には50〜350m 2/gの表面積(BET)を有
する。上記担体上に担持された触媒的に活性な材料は、
前記乾燥触媒の重量に基づいて、1〜12重量%の量の
銅を含有する。前記銅は通常塩、特にハロゲン化物、好
ましくは塩化第二銅、の形態で前記担体上に沈積され
る。
【0017】上記銅を他の金属イオンと組み合わせて使
用することによって所望の選択および転化性能の達成を
補助してもよい。そのような他の金属として、例えば、
アルカリ金属類(Li、Na、K、Ru、Csなど)、
アルカリ土類金属類(Mg、Ca、Baなど)、第II
B族金属類(Zn、Cdなど)、ランタニド類(La、
Ceなど)、またはこれらの好適な組み合わせが挙げら
れる。これらの付加的な金属イオンは塩または酸化物と
して添加することができ、添加物の総量は好適には0〜
10重量%の範囲である。それらの金属イオンは銅と一
緒に添加することもできるし、あるいはそれらの一種類
以上(あるいは全部)を銅の後に、あるいは銅よりも先
に添加することもできる。銅よりも先に添加する場合、
その後に中間熱処理を行ってもよい。好ましいアルカリ
金属はLiとKであり、塩化物として添加されるのが好
ましく、またその量はそれぞれ0〜6重量%である。好
ましいアルカリ土類金属はMgであり、0〜6重量%の
量で添加される。好ましいランタニドはLaとCeであ
り、それぞれ0〜6重量%の量で添加される。
【0018】上記触媒的に活性な成分は、触媒製造にお
ける業者にとって公知の方法によって添加することがで
きる。例えば、随意に塩化水素の如き酸を含んでいても
よい、例えば水溶液の如き、添加される化合物の好適な
溶液を用いた乾式含浸、初期湿潤含浸または浸漬などを
挙げることができる。前記活性成分は、上記中空型ペレ
ットの成形の前もしくは後に、その一部だけもしくは全
部を添加することができる。前記触媒はすでに成形され
た担体の含浸によって製造されるのが好ましい。
【0019】前記担体または前記触媒の成形は、タブレ
ット成形や押出成形の如き公知の方法によって実施され
てもよい。これらの操作は通常の方法に従って実施され
るが、随意に滑剤および/または結合剤の如き添加剤を
用いてもよい。ペレットの大きさや密度を増加させ機械
抵抗を向上させるには、ペレットをタブレット成形によ
って成形することが好ましい。成形工程の後に活性成分
を担体に添加し、その後330〜500°Kで乾燥させ
る場合、上記操作には500〜1,100°K、好まし
くは750〜950°Kでの担体のか焼の如き通常の熱
処理が包含される。
【0020】図1を参照すると、本発明の触媒ペレット
は銅含有活性材料を保持する担体材料からなる中空円筒
の形状をしており、前記ペレットはDe=4.0〜7.0
mm、Di=2.0〜2.8mmおよびL=6.1〜6.9
の寸法を有し、De/Diは2.0〜2.5の範囲にある。
本発明の好ましい態様において、ペレットは、担体材料
と、適宜に、滑剤および/または結合剤との混合物を押
出成形またはタブレット成形し、その後、定型化された
担体を銅を含有する触媒的に活性な成分を含浸させるこ
とによって製造される。
【0021】触媒のペレットを、エチレンの接触的オキ
シ塩素化のためのプラントを概略形式で示す図2に示さ
れるような反応器に投入する。エチレンと、塩化水素と
窒素との混合物を混合器に投入し、酸素と混ぜ合わせ、
そして得られた気体混合物を上記反応器の中に入れる。
上記反応器を蒸気が充満したジャケットで覆って温度調
節をする。以下の実施例と比較例は本発明を限定するも
のではなく、その説明のために提供されるものである。
【0022】
【実施例】実験設備および実施例 異なる触媒によって示される、異なる生成物に対する転
化率や選択率における違いは通常小さいが、大規模なジ
クロロエタンの製造においては非常に重要であるため、
触媒活性を試験するために使用される方法の選択は非常
に重要である。工業用反応器を真に代表する結果を得る
唯一の方法とは、工業用のものと同じ大きさの菅を用い
て試験を実施することと、工業用反応器に使用されるも
のと同じ条件(温度、圧力、供給組成物、流量など)を
採用することである。以下に示されるデータは通常の工
業用のものと同じ大きさの菅を用いたパイロットプラン
トにおいて、通常の工業規模での実施において遭遇する
ものを含む多種多様な反応条件下で得られた。
【0023】使用された反応器は、内径が27.75m
mで長さが8mのニッケル菅であった。蒸気が循環する
外部ジャケットを使用して温度プロフィルを制御した。
前記反応器は、試験中の温度プロフィルを記録するため
の熱電対を12個有する外径6mmのサーモウェルを備
えていた。2つのガスクロマトグラフを前記反応器の入
口と出口とで使用し反応を制御した。EDCを、イソプ
ロピルアルコールの入った容器中に約0℃で回収し、分
析した。この方法によって、低沸騰性で水溶性の化合物
(クロロエタノール、クロラール等)だけでなく、未反
応の塩化水素も回収できる。反応器への供給材料は、
5,200Nl/hのエチレン、600Nl/hの酸
素、2,300Nl/hの塩化水素、および1,000N
l/hの窒素であった。酸素は6.5vol/%であっ
た(210℃、6バルグにおける燃焼限界は約8%であ
る)。上記反応器の入口の圧力は6バルグであり、冷媒
の温度は220℃であった。
【0024】表1に示される形状および大きさと、表2
に示される組成とを有する中空円筒型ペレットの形態を
とる異なる4種類の触媒を上述の方法に基づいて製造し
た。特に、ステアリン酸アルミニウムを滑剤としてベー
マイトに添加し、得られた混合物をタブレット成形装置
を用いて表1に示される形状と大きさを有する粒子に成
形した。触媒Aを本発明に従って形成し、触媒BをUS
−A−4366093に従って形成し、触媒CをUS−
A−4740644に従って形成し、そして触媒DをU
S−A−5166120に従って形成した。
【0025】次に、得られた担体ペレットを500〜6
00℃で5時間か焼して、必要とされる表面積を有する
γ−Al23から製造されたペレットを得た。前記担体
に、初期湿潤方によって、活性化合物を適当な濃度で含
有する溶液を含浸させて、表2に示される組成を有する
触媒を得た。
【0026】
【表1】
【0027】
【表2】
【0028】使用された反応器の装填パターンは、試験
された上記異なる種類の触媒すべてについて同じであ
り、5つの層から形成されていた。前記層の最上層から
最下層は、順に、1)9.5wt%のCuCl2と5.7
wt%のKClとを含有し、グラファイトで30vol
%まで希釈された触媒(直径が5mmで長さが6.2m
mの円筒)を含有する長さが1,200mmの層、2)
9.5wt%のCuCl2と5.7wt%のKClとを含
有する40vol%まで希釈された触媒を含有する長さ
が1,200mmの層、3)9.5wt%のCuCl2
5.7wt%のKClとを含有する60vol%まで希
釈された触媒を含有する長さが1,200mmの層、
4)17.0wt%のCuCl2と1.5wt%のKCl
とを含有する45vol%まで希釈された触媒を含有す
る長さが1,000mmの層、および5)17.0wt%
のCuCl2と1.5wt%のKClとを含有する未希釈
の触媒を含有する長さが2,400mmの層、であっ
た。触媒床の全長は7mであった。
【0029】数多く実施された試験の主な結果を表3お
よび表4に示す。他の触媒と比べて本発明の触媒(A)
の方が性能が優れており、選択率、HCl転換率、圧力
損失およびホットスポット温度の組み合わせもそれらの
他の触媒よりも良好であることは明らかである。本発明
の触媒と比べて触媒DのHCl転換率が低いのは、触媒
床の空隙率が高すぎることに起因して反応器中の触媒の
量が非常に低いことに関係がある。さらに、その触媒量
の低さを埋めるために触媒中の活性相および添加剤の重
量%を増加させようとしても、得られる表面積が低い
(90m2/g未満)ため、得られる実験HCl転換率
は結局低いままである。さらに、触媒Dの圧力損失の測
定値は、押出成形されたこの触媒の装填中における回避
不能な破損のために、触媒特性に基づいて推測された値
よりも高い。
【0030】
【表3】
【0031】
【表4】
【0032】本発明の触媒の優れた性能は以下の理由に
よるものと信じられる。 (i) 触媒B、例えばUS−A−4366093、と
比較して、本発明の触媒はいくぶん大きい(3〜6mm
に対して6.1〜6.9mm)ので、反応器中の床空隙率
を増加させる。その結果、上記表3および表4に示され
るように、触媒床の圧力損失が低減され、熱交換が向上
し(そのためホットスポット温度が低下し)、触媒寿命
が延び、そして副生成物の形成が低減される。反応器の
容積あたりの活性相の量の低下は、最終触媒の表面積の
値に著しく影響を及ぼさない値に前記活性相を増加させ
ることによって均衡化される。 (ii) (上記において触媒Cに例示される)US−
A−4740644には、同様の外径(5mm)を有す
るが長さの短い(6.1〜6.9mmではなく5mm)ペ
レット型触媒の使用が記載されている。前記新しい触媒
がより長いことによって床空隙率も高くなり、その結
果、表3および表4に示されるように、圧力損失が低く
なり、熱交換も向上する。 (iii) US−A−5166120の触媒(上記触
媒D)の場合、そのペレットは、実施例では長さが11
±2mmをペレットを対象としている本発明のものより
も長い。非常に長く、また長さが可変であるペレット
は、その製造法(すなわち押出成形)の性質上、工業用
のオキシ塩素化管に装填する際に問題があり、その結
果、圧力損失や反応器中の管同士間の触媒含有量に均一
性や再現性がなくなってしまう。さらに、このペレット
が本発明のものより長いということは、(本発明の触媒
と比較して)反応器の容積あたりの活性相含有量が大き
く減少することを意味し、前記減少は前記ペレットの活
性相含有量を増加させることによって簡単に均衡化でき
るものではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による触媒ペレットの規格どおりではな
い概略図である。
【図2】エチレンの1,2−ジクロロエタン(EDC)
への接触的オキシ塩素化を示す流れ図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) // C07B 61/00 300 C07B 61/00 300 (72)発明者 ディエゴ・カルメロ イタリア国 31021 モグリアーノ・ベネ ト(トレヴィゾー)、ビア・モンテシベッ タ 8

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 担体と、その上に担持された銅からなる
    触媒的に活性な材料とからなる触媒であって、前記銅は
    前記乾燥触媒上に1〜12重量%の量で存在し、前記触
    媒は以下の寸法: 4.0 ≦ De ≦ 7.0 (1) 2.0 ≦ Di ≦ 2.8 (2) 6.1 ≦ L ≦ 6.9 (3) 2.0 ≦ De/Di ≦ 2.5 (4) ここでDeはこの中空円筒の外径(mm)であり、Di
    その内径(mm)であり、そしてLはその長さ(mm)
    である、を有する中空円筒の形状にある、ことを特徴と
    する触媒。
  2. 【請求項2】 該中空円筒が以下の寸法: 4.5 ≦ De ≦ 5.5 2.0 ≦ Di ≦ 2.6 6.2 ≦ L ≦ 6.6 2.1 ≦ Dei ≦ 2.3 ここでDe、DiおよびLは請求項1で定義されるものと
    同じである、を有する、請求項1の触媒。
  3. 【請求項3】 該触媒的に活性な材料が、アルカリ金属
    類、アルカリ土類金属類、第IIB族金属類およびラン
    タニド類の少なくとも一種類を、乾燥触媒に対する総量
    が10重量%までの範囲で含有する、請求項1または2
    の触媒。
  4. 【請求項4】 前記アルカリ金属がリチウムまたはカリ
    ウムであり、前記アルカリ土類金属がマグネシウムであ
    り、そして前記ランタニドがランタンまたはセリウムで
    あり、そして乾燥触媒に基づいて6重量%までの量で触
    媒的に活性な材料中に存在する、請求項3の触媒。
  5. 【請求項5】 該担体がシリカ、軽石、珪藻土、アルミ
    ナ、ベーマイトまたはバイヤライトである、請求項1か
    ら4のいずれかの触媒。
  6. 【請求項6】 該担体が、50〜350m2/gの表面
    積(BET)を有するアルミナである、請求項5の触
    媒。
  7. 【請求項7】 該触媒または該担体のいずれかがタブレ
    ット成形装置で成形されている、請求項1から6のいず
    れかの触媒。
  8. 【請求項8】 該担体がタブレット成形装置で成形さ
    れ、その後に、該担体に触媒的に活性な材料が含浸され
    る、請求項7の触媒。
  9. 【請求項9】 炭化水素のオキシ塩素化における請求項
    1から8のいずれかの触媒の使用。
  10. 【請求項10】 請求項1から8のいずれかに記載され
    る触媒の存在下で、エチレン、酸素および塩化水素を固
    定床反応器内で反応させることからなる、エチレンを
    1,2−ジクロロエタン(EDC)に触媒的にオキシ塩
    素化する方法。
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