JP2002136868A - 酸化エチレン製造用触媒の担体、その担体を用いた酸化エチレンの製造用触媒及び酸化エチレンの製造方法 - Google Patents
酸化エチレン製造用触媒の担体、その担体を用いた酸化エチレンの製造用触媒及び酸化エチレンの製造方法Info
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Abstract
長期にわたって高い選択率でエチレンオキシドを製造し
得る触媒担体、該担体を用いた銀触媒、ならびにこの銀
触媒を用いてエチレンオキシドを製造する方法を提供す
る。 【解決手段】 アルミナを500℃〜2000℃で熱
処理した後、フッ酸で処理し、さらに1000〜200
0℃で焼成して得られる。
Description
用触媒の調製に用いる担体、該担体に銀触媒を担持して
なる酸化エチレン製造用触媒および該触媒を用いた酸化
エチレンの製造方法に関する。
に用いられる担体について従来から数多くの文献が紹介
されている。例えば、ナトリウム含有量を低く抑えたα
−アルミナにムライト、コロイダルシリカなどを添加し
得られる担体は、比表面積が高く、均一な細孔分布を有
する担体であり、耐摩耗性の高いものであることが記載
されている(特開昭57−171435号)。またアル
ミニウム化合物と第IA族の金属塩とを混合し焼成する
ことで不純物の少ない担体を得ることができることが記
載され、この担体を用いた触媒は安定に優れることが記
載されている(特開昭62−4444号)。また担体の
α−アルミナに第4、第5又は6周期元素を含む担体の
開示があり、この担体を用いた触媒は高選択性、高寿命
であることの記載がある(特開平4−363139
号)。高純度α−アルミナ、アルカリ土類酸化物、珪素
酸化物及び酸化ジルコニウムを含む担体が開示されてい
る。この担体を用いた触媒は高初期選択率、長期寿命で
ある(特開平6−47278号)。また、担体表面に段
差構造を付与されている、または段差構造を有する担体
は、熱安定性が高くなると記載されており、その手段と
して酸で処理した後、水洗除去する方法が開示されてい
る(特開昭62−168547号)。
ン製造用触媒の担体についてはいろいろな提案がされて
いるが、未だ十分に満足すべきレベルに達しているとは
言えず、触媒性能改善のための努力が継続して行われて
いる状況に有る。本発明の目的は、他の触媒に比較して
すぐれた活性と高い選択性を有し、さらには長寿命の触
媒を提供することにある。
る酸化エチレンの異性化活性点と考えられている担体表
面上のダングリングボンドの効果を弱める為に、請求項
に記載のフッ酸処理とそれに続く焼成を施した担体に触
媒成分を担持した触媒を用いることで、上記課題を解決
しうる触媒を調製することができるものである。以下、
本発明の担体および触媒について詳細に記載する。
いられるアルミナはそれ自体には特に制限はなく、例え
ば溶融アルミナなどの一般にアルミナとして用いられて
いるものであれば使用することができるが、バイヤー法
焼成によるアルカリ含有率の低いα−アルミナが好まし
い。バイヤー法焼成によるα−アルミナにはその製法上
の理由からアルカリ金属特にNaが含有されるが、その
うちアルカリ含有率の低いα−アルミナが好適に用いら
れ、アルカリ含有率が通常は70mmol/kg-粉体 以下が
よく、好ましくは1〜70mmol/kg-粉体であるものがよ
く、より好ましくは3〜50 mmol/kg-粉体、更に好ま
しくは5〜30 mmol/kg-粉体の範囲にあるものが好ま
しい。担体の物性を制御するために、α−アルミナ結晶
径は0.1〜20μmのものが好ましく、またα−アル
ミナ粉体の平均粒子径は2〜100μm、好ましくは5
1〜90μmのものが好適であり、またα−アルミナ粉
体のBET表面積は1〜4m2/gのものが好ましく、
またα−アルミナ粉体の線収縮率が12〜20%である
ものが好ましい。本願で用いられる線収縮率とはα結晶
の大きさまで粉砕した試料を1t/cm2の圧力で成形
し、1700℃-2hで焼成したときの線収縮率を意味す
る。完成担体中のα−アルミナ含有量は80wt%以上
あるものが好適で、好ましくは90wt%以上、より好
ましくは95wt%以上、さらに好ましくは97wt%
以上となるように調製されることが好ましい。アルミナ
成形体を調製する際に、主原料として用いられるアルミ
ナに対し、さらにアルミニウム化合物を加えるのが好ま
しく、これらにはアルミニウム水和物、β−アルミナ、
γ−アルミナなどの使用が可能であるが特に制限はな
く、天然鉱物、合成化合物のいずれでもよい。形状も粉
体、粒状、ゾル、溶液いずれも使用され、用いられる化
合物は一種でも混合物でもよい。また、アルミナ成形体
を調製する際に、主原料として用いられるアルミナに対
し、珪素化合物を加えることも好ましく、これらには、
シリカ、シリカ−アルミナ、長石、粘土、窒化珪素、炭
化珪素、シラン、アルミノ珪酸塩(を含む珪酸塩類)な
どが挙げられるが、含珪素化合物であれば特に制限はな
く、天然鉱物、合成化合物のいずれでもよい。形状も粉
体、粒状、ゾル、溶液いずれも使用され、用いられる化
合物は一種でも混合物でもよい。完成担体中の珪素化合
物含有量は、珪素換算で2mol/kg−担体 以下がよく、
好ましくは0.01〜2mol/kg−担体、より好ましくは
0.1〜1mol/kg−担体、さらに好ましくは0.2〜
0.5mol/kg−担体0〜2mol/kg−担体、好ましくは
0.01〜1mol/kg−担体、さらに好ましくは0.1〜
0.5mol/kg−担体となるように調製されることが好
ましい。また、アルミナ成形体を調製する際に、主原料
として用いられるアルミナに対し、アルカリ金属化合物
を加えることも好ましく、これらには、金属種としては
Li、Na、K、Rb、Csの少なくとも1種を含むも
のがよいが、Na、K、Rbが好適である。また、その
形態としては、塩、酸化物、水酸化物いずれの形態でも
よいが、塩の形態ではアニオン種の存在のため、担体焼
成時に不所望の融剤効果を示すことによって物性の制御
が困難になり、あるいは担体焼成後も不純物として残存
し性能に悪影響を及ぼす場合があり、使用にあたって
は、酸化物、水酸化物、あるいは塩の中でも比較的低温
で酸化物の形態をとる有機酸塩などが好適である。ま
た、完成担体中のアルカリ金属化合物含有量はアルカリ
金属換算で0.02〜2mol/kg−担体、好ましくは0.
03〜0.5mol/kg−担体、さらに好ましくは0.05
〜0.3mol/kg−担体となるように調製されることが
好ましい。完成担体中には、アルカリ金属と珪素の原子
比(アルカリ金属/Si)が0.001〜1となるのが
好適で、好ましくは0.01〜0.5、さらに好ましく
は、0.05〜0.2がよい。また、担体調製時には、
一般的に有機結合剤が用いられるが、アラビアゴム、ポ
リビニルアルコール、ヒドロキシエチルセルロース、メ
チルセルロース、カルボキシメチルセルロース、コーン
スターチなどの通常のセラミックスあるいは担体の結合
剤として使用できるものであれば良いが、好ましくはメ
チルセルロース、コーンスターチなどの焼成後の灰分の
少ないものが好適である。以下に担体及び触媒調製方法
の好ましい条件を記載するが、本発明の効果を有する限
り下記の記載の方法に限定されるものではない。(1)
市販のアルミナ成形体(触媒学会参照触媒等)又はα−
アルミナ担体を焼成したものを、フッ酸で処理した後、
再度焼成して担体を得る方法、(2)α−アルミナ、ア
ルミニウム化合物、珪素化合物、アルカリ金属化合物、
及び有機結合剤を同時に混合し、乾燥したアルミナ成形
体を焼成したものを、フッ酸で処理した後、再度焼成し
て担体を得る方法、(3)α−アルミナと有機結合剤を
混合し、乾燥した後にアルミニウム化合物、珪素化合
物、アルカリ金属化合物を混合し、乾燥したアルミナ成
形体を焼成したものを、フッ酸で処理した後、再度焼成
して担体を得る方法、(4)α−アルミナ、アルミニウ
ム化合物、珪素化合物、有機結合剤を同時に混合し乾
燥、さらにアルカリ金属を混合したアルミナ成形体を焼
成したものを、フッ酸で処理した後、再度焼成して担体
を得る方法、(5)α−アルミナ、アルカリ金属及び有
機結合剤を混合してから乾燥し、さらにアルミニウム化
合物、珪素化合物を同時に混合してから乾燥したアルミ
ナ成形体を焼成したものを、フッ酸で処理した後、再度
焼成して担体を得る方法がある。α−アルミナ、アルミ
ニウム化合物、珪素化合物、アルカリ金属化合物を混合
し、この際に有機結合剤および桃、杏、クルミなどの
殻、種子などを均一粒径に揃えたもの、あるいは粒子径
が均一で焼成により消失する物質等を気孔形成剤として
同時に混合してもよい。これら混合物の成形は湿式でも
乾式でもよいが、通常湿式の押し出し成形法で行うこと
ができる。本発明に用いる乾燥温度は80℃〜900
℃、焼成温度は1000℃〜2000℃であることが好
ましく、より好ましくは1200〜1800℃、さらに
好ましくは1250〜1700℃である。完成担体は、
低アルカリα−アルミナを主骨材として、適宜、珪素化
合物、アルミニウム化合物とアルカリ金属化合物からな
る。その物性は、比表面積が0.03〜10m2/gであ
り、好ましくは0.1〜5m2/gであり、さらに好まし
くは0.3〜2m2/gである。比表面積が低すぎると触
媒成分の良好な分散担持が困難になり性能が低下し、逆
に比表面積が高すぎると細孔径が小さくなり生成物であ
る酸化エチレンの逐次酸化が促進される。吸水率は10
〜70%、好ましくは20〜60%であり、さらに好ま
しくは30〜50%である。吸水率は低すぎると触媒成
分の担持が困難になり、逆に吸水率が高すぎると十分な
強度が得られない。平均細孔径は0.1〜5μmが好適
で、好ましくは0.2〜3μm、さらに好ましくは0.
3〜2μmである。気孔率は40〜80%が好適で、さ
らに好ましくは50〜70%である。気孔率は低すぎる
と担体比重が過度に重くなり、逆に気孔率が高すぎると
十分な強度が得られない。平均細孔径は大きすぎると活
性が低下し、逆に平均細孔径が小さすぎるとガスの滞留
により生成物である酸化エチレンの逐次酸化が促進され
る。フッ酸処理は、フッ酸溶液に担体を沈めた後、気泡
が発生しなくなるまでデシケータ中で5.3kPa以下
に減圧する。その後0.1MPaに戻して室温で65時
間浸漬したのち、溶液部分を除去し、ウォーターバス上
(約80℃)で乾燥するのが好適であり、浸漬後の水洗
はしない方が特に好ましいが、水洗することも可能であ
る。フッ酸処理に用いられるフッ酸の濃度は、好適には
0.1〜15%、特に3〜10%で用いられる。フッ酸
濃度は、使用する該担体に含まれる珪素、アルカリ元
素、アルカリ土類元素の含有率に応じて増減させること
が出来る。その濃度が低過ぎる場合は、生成物である酸
化エチレンの異性化活性点と考えられている担体表面上
のダングリングボンドの効果を弱める効果が充分達成さ
れない。 濃度が高過ぎる場合には、性能が低下する。
これは過剰のフッ素成分がAl、Si、Na、Ca、M
gなどと化合し、焼成後に強い固体酸、及び/又は固体
塩基となって作用し、新たな異性化活性点を発現するこ
とが一因と考えられる。フッ酸で処理した後の焼成は、
1000〜2000℃の温度が好適に用いられ、好まし
くは1200〜1800℃、さらに好ましくは1400
〜1700℃が用いられる。また、エチレン酸化用触媒
の原料及び調製方法は、通常使用されるものであれば特
に限定されるものではないが、本発明を詳細に説明する
ために好ましい例を下記に示し説明する。触媒成分は主
として銀であり、その銀源は、硝酸銀、炭酸銀、蓚酸
銀、酢酸銀、プロピオン酸銀、乳酸銀、クエン酸銀、ネ
オデカン酸銀などが挙げられるが、特に制限はない。こ
れらの銀源は単独で水溶液で用いたり、錯化剤を用いて
錯体溶液として用いたりでき、後者の場合の錯化剤とし
ては、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、ト
リエタノールアミン、エチレンジアミン、プロピレンジ
アミンなどが挙げられるが特に制限はない。また銀の含
有量は、銀換算で完成担体に対して1重量%〜30重量
%であり、好ましくは5〜20重量%である。銀の含有
量が少なすぎる場合は単位あたりの触媒銀の負荷量が増
大するため触媒の劣化が著しくなり、また多すぎる場合
は使用する銀の原単位が増えるため触媒製造コストが高
くなり好ましくない。
いて触媒調製時に添加され、その反応促進剤としては、
Li、Na、K、Rb、Csなどのアルカリ金属、タリ
ウム、レニウム、硫黄、クロム、モリブデン、タングス
テンなどが使用でき、これらを単独でも、2種以上を組
み合せて使用することもできる。
担体に触媒成分を含む溶液を含浸させた後、乾燥、焼成
することにより行われる。乾燥は、空気、酸素、水素又
は窒素雰囲気中で80〜120℃の温度で行なうのが好
ましい。焼成は空気、酸素、水素又は窒素雰囲気中で1
50℃〜600℃の温度で行なうのが好ましく、焼成は
1段階あるいは2段階以上で行ってもよい。
レンを製造する方法は、触媒として上記記載の酸化エチ
レン製造用触媒を用いる点を除けば、従来から一般に用
いられている方法によって行なうことができる。
0容量%、酸素3〜10容量%、炭酸ガス5〜30容量
%、残部がヘリウム、窒素、アルゴン、水蒸気などの不
活性ガス、メタン、エタン等の低級炭化水素類からな
り、さらに反応抑制剤としての塩化ビニル、二塩化エチ
レン、塩化ジフェニルなどのハロゲン化物を含む原料ガ
スを300〜30000hr-1(STP)、好ましくは
1000〜8000hr-1(STP)の空間速度、0.
01〜5MPa、好ましくは0.01〜4MPaの圧
力、160〜300℃、好ましくは180〜260℃の
温度で上記の酸化エチレン製造用触媒に接触させること
により行うことができる。
るが、本発明はこれらに限定されるものではない。 (実施例1)球状アルミナ(触媒学会参照触媒リスト記
号 JRC−ALO−5、水沢化学工業社製)を、10
0〜150μmに粉砕し、1600℃で6時間焼成し
た。これを常温まで冷却し、5%フッ酸で処理した後、
再度1600℃で6時間焼成してから、再び常温まで冷
却し、担体(A)を得た。
し、蓚酸42重量部を水1.0Lに溶解して得た水溶液
を滴下して蓚酸銀の白色沈殿を得た。この沈殿を硝酸溶
液に2日間浸漬して、濾過後、蒸留水25Lにより洗浄
した。一方、エチレンジアミン10.2重量部を水28
20重量部に溶解させたアミン水溶液に、上記蓚酸銀沈
殿19.2重量部を徐々に添加し、銀アンミン錯体水溶
液を調製した。この銀アンミン錯体水溶液2850重量
部と、0.073重量%の硝酸セシウム、及び0.06
5重量%の酸化レニウムを含む混合溶液27.4重量部
を混合した後、担体(A)100重量部を添加し、含浸
させて、さらに蒸発乾固した。含浸物を水素気流中、
0.8℃/分の割合で昇温させて250℃まで加熱し、
更に3時間水素還元し、触媒(A)を得た。銀の担持量
は12重量%であった。 (実施例2)球状アルミナ(触媒学会参照触媒リスト記
号 JRC−ALO−6、日揮ユニバーサル社製)を、
250〜470μmに粉砕し、1600℃で6時間焼成
した。これを常温まで冷却し、5%フッ酸で処理した
後、再度1600℃で6時間焼成してから、再び常温ま
で冷却し、担体(B)を得た。
以外は、実施例1と同様に触媒調製を行い、触媒(B)
を得た。銀の担持量は12重量%であった。 (実施例3)α−アルミナ造粒体ZM9X01(住友化
学工業株式会社製、細孔容積0.0945cc/g、比
表面積0.36m2/g、気孔率27.4%、平均細孔
直径1.04μm)を、250〜470μmに粉砕し、
700℃で3時間焼成し、これを常温まで冷却し、5%
フッ酸で処理した後、再度1400℃で6時間焼成して
から、再び常温まで冷却し、担体(C)を得た。
以外は、実施例1と同様に触媒調製を行い、触媒(C)
を得た。銀の担持量は12重量%であった。 (実施例4)α−アルミナ造粒体ZM9X01を、25
0〜470μmに粉砕し、700℃で3時間焼成し、こ
れを常温まで冷却し、5%フッ酸で処理した後、再度1
600℃で6時間焼成してから、再び常温まで冷却し、
担体(D)を得た。
以外は、実施例1と同様に触媒調製を行い、触媒(D)
を得た。銀の担持量は12重量%であった。 (実施例5)α−アルミナ造粒体ZM9X01を1〜2
mmに破砕し、1600℃で3時間焼成し、これを常温
まで冷却し、4%フッ酸で処理した後、再度1600℃
で3時間焼成したのち、常温まで冷却して担体(E)を
得た。
以外は、実施例1と同様に触媒調製を行い、触媒(E)
を得た。銀の担持量は12重量%であった。 (実施例6)α−アルミナ造粒体ZM9X01を、60
0〜850μmに粉砕し、1400℃で3時間焼成し、
これを常温まで冷却し、5%フッ酸で処理した後、再度
1500℃で6時間焼成してから、再び常温まで冷却
し、担体(F)を得た。
以外は、実施例1と同様に触媒調製を行い、触媒(F)
を得た。銀の担持量は12重量%であった。 (実施例7)α−アルミナ造粒体SA5252(ノート
ン社製)を、600〜850μmに粉砕し、1400℃
で3時間焼成し、これを常温まで冷却し、5%フッ酸で
処理した後、再度1500℃で6時間焼成してから、再
び常温まで冷却し、担体(G)を得た。
以外は、実施例1と同様に触媒調製を行い、触媒(G)
を得た。銀の担持量は12重量%であった。 (実施例8)α−アルミナ造粒体SA5502(ノート
ン社製)を、600〜850μmに粉砕し、1400℃
で3時間焼成し、これを常温まで冷却し、5%フッ酸で
処理した後、再度1500℃で6時間焼成してから、再
び常温まで冷却し、担体(H)を得た。
以外は、実施例1と同様に触媒調製を行い、触媒(H)
を得た。銀の担持量は12重量%であった。 (比較例1)球状アルミナ JRC−ALO−5を、1
00〜150μmに粉砕し、1600℃で6時間焼成
後、常温まで冷却し、(I)を得た。
以外は、実施例1と同様に触媒調製を行い、触媒(I)
を得た。銀の担持量は12重量%であった。 (比較例2)球状アルミナ JRC−ALO−6を、2
50〜470μmに粉砕し、1600℃で6時間焼成
後、常温まで冷却し、(J)を得た。
以外は、実施例1と同様に触媒調製を行い、触媒(J)
を得た。銀の担持量は12重量%であった。 (比較例3)α−アルミナ造粒体ZM9X01を、25
0〜470μmに粉砕し、700℃で3時間焼成後、常
温まで冷却し、(K)を得た。
以外は、実施例1と同様に触媒調製を行い、触媒(K)
を得た。銀の担持量は12重量%であった。 (比較例4)α−アルミナ造粒体ZM9X01を、60
0〜850μmに粉砕し、1400℃で3時間焼成後、
常温まで冷却し、担体(L)を得た。
以外は、実施例1と同様に触媒調製を行い、触媒(L)
を得た。銀の担持量は12重量%であった。 (比較例5)α−アルミナ造粒体SA5252(ノート
ン社製)を、600〜850μmに粉砕し、1400℃
で3時間焼成後、常温まで冷却し、担体(M)を得た。
以外は、実施例1と同様に触媒調製を行い、触媒(M)
を得た。銀の担持量は12重量%であった。 (比較例6)α−アルミナ造粒体SA5502(ノート
ン社製)を、600〜850μmに粉砕し、1400℃
で3時間焼成後、常温まで冷却し、担体(N)を得た。
以外は、実施例1と同様に触媒調製を行い、触媒(N)
を得た。銀の担持量は12重量%であった。 (実施例9)実施例1〜4、及び比較例1〜3で調製し
た触媒(A)〜(D)、及び(I)〜(K)を0.2〜
1.0gずつ秤取し、それぞれ内径4mmのパイレック
ス(登録商標)ガラス製反応管に充填した。前処理とし
て、250℃で10Nml/分の酸素ガス中で30分
間、次いで12.4Nml/分の水素ガス中で30分間
還元した。引き続き反応圧力0.1MPa、エチレン3
0vol%、酸素8vol%、ヘリウムをバラストガスとする
原料ガス26.0Nml/分を反応管に流通させて反応
させた。反応温度は触媒層の平均温度で制御し、160
〜230℃であった。その結果を表1〜3に示す。
(E)0.5gを用い、熱電対挿入用の内径4mmのガ
ラス管を中央に取り付けた内径12mmのパイレックス
(登録商標)ガラス製反応管に充填した。実施例9と同様
に前処理として、250℃で10Nml/分の酸素ガス
中で10分間、次いで12.4Nml/分の水素ガス中
で2時間還元した。引き続き反応圧力0.1MPa、エ
チレン38vol%、酸素8vol%、ヘリウムをバラストガ
スとする原料ガス25.0Nml/分を反応管に流通さ
せ、空間速度 455 時間−1 で、反応させた。反応
温度は触媒層の平均温度で制御し、190〜220℃で
あった。その結果を表4に示す。
調製した触媒(F)、及び(L)をそれぞれ0.2〜
0.5g秤取し、それぞれ内径4mmのパイレックス
(登録商標)ガラス製反応管に充填して、実施例9と同
様の前処理を行った。引き続き反応圧力0.1MPa、
エチレン24.3vol%、酸素6.7vol%、ヘリウムを
バラストガスとする原料ガス26.0Nml/分を反応
管に流通させて反応させた。反応温度は160〜220
℃であった。その結果を表5に示す。
4〜6で調製した触媒(F)〜(H)、及び(L)〜
(N)を1.2gずつ秤取し、それぞれ内径3mm、管
長600mmのステンレス鋼製の反応管に充填し、これ
に下記条件下にてエチレンの気相酸化を行った。エチレ
ン転化率が原料ガスに対し1%の場合の酸化エチレン選
択率および触媒層の反応温度を表6に示した。 <反応条件> 空間速度:11000hr-1 反応圧力:2.1MPa 原料ガス: エチレン20vol%、酸素7.5vol%、二
酸化炭素6vol%、メタン50vol%、アルゴン14vol
%、窒素2.2vol%、エタン0.3vol%、エチレンジ
クロライド3ppm
Claims (4)
- 【請求項1】アルミナを主成分とする成形体を500℃
〜2000℃で熱処理した後、フッ酸で処理し、さらに
1000〜2000℃で焼成して得られることを特徴と
する酸化エチレン製造用触媒の担体。 - 【請求項2】該フッ酸処理を0.1〜15%のフッ酸で
施し、フッ酸処理後の焼成を1000〜2000℃の温
度範囲で行なうことを特徴とする請求項1記載の担体。 - 【請求項3】請求項1〜2に記載したいずれかの担体に
銀を含む触媒成分を担持してなる酸化エチレン製造用触
媒。 - 【請求項4】 請求項3に記載の触媒の存在下にエチレ
ンを分子状酸素含有ガスにより接触気相酸化することを
特徴とする酸化エチレン製造方法。
Priority Applications (1)
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