JP2002502686A - チタニア触媒、その調製法、およびフィッシャー・トロプシュ合成におけるその使用法 - Google Patents
チタニア触媒、その調製法、およびフィッシャー・トロプシュ合成におけるその使用法Info
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Abstract
Description
炭化水素合成用の触媒(1種または複数種の金属が添加されている)としてのそ
の使用法に関する。より詳細には、本発明は、スラリーベースのプロセスなどの
炭化水素合成プロセスでしばしば遭遇する高い水分圧に耐えることのできる物質
に関する。
するのに有用な担体の調製法の改良、およびこの触媒をフィッシャー・トロプシ
ュプロセスで使用することにより得られた予想外の結果が記載される。この改良
された触媒および担体は有用ではあったが、フィッシャー・トロプシュ合成を行
うための運転条件、特にフィッシャー・トロプシュ反応の結果として生じる比較
的高い水分圧によって、触媒が脆弱化し、反応混合物中に過剰の微粉が生成した
。この微粉には、ラインの閉塞、触媒効率の低下、およびフィルタを通り抜ける
ことによる触媒の損失、更には、フィルタの目詰まりなど、いくつかの有害な作
用がある。従って、フィッシャー・トロプシュプロセスに存在するようなスチー
ム処理条件下で、完全性を保持できる、すなわちそれにより効率を保持できる触
媒の開発が必要である。特に、スラリー運転にスチーム処理条件が加わった過酷
な状態では、大きな耐摩耗性を有する触媒が必要である。
全性を得るべく、シリカおよびアルミナの両方が、チタニア含有担体用の結合剤
として利用される。この触媒は、フィッシャー・トロプシュ合成に有効な1種ま
たは複数種の金属、例えばコバルトやルテニウムのような第VIII族金属を担
体の表面上に分散させることにより形成される。これにより、比較的高い水分圧
およびフィッシャー・トロプシュプロセスで使用される高い温度、例えば175
〜400℃の条件下で完全性を保持する高強度の触媒が形成される。この場合、
強度は耐摩耗性により測定される。
ミナまたはジルコニアまたはシリカ結合剤物質を使用することによってチタニア
含有担体の多孔度を改良することが開示されている。結合剤の優先順は、記載順
に対応する。しかしながら、本明細書中に記載の発明には、アルミナよりも優先
順の低い物質であるシリカを結合剤として、アルミナと共に使用することによっ
て乾燥状態またはスチーム処理条件下のいずれにおいてもアルミナまたはシリカ
を単独で使用した場合よりも大きな耐摩耗性を有するチタニア含有物質が得られ
ることが開示されている。従って、チタニアおよびアルミナを含有する組成物に
優先順の低い物質を添加することによってより高強度の担体物質が得られるとい
う点が異常であると思われる。
る機構は明らかでない。しかしながら、いかなる特定の機構にも拘束されること
を望むものではないが、完成したか焼担体中では、小さなシリカ粒子がより大き
なアルミナ粒子や更に大きなチタニア粒子の境界位置を占めて化学結合剤のよう
な役割を果たすものと理論付けられる。この場合、シリカ微結晶は、アルミナお
よびチタニアの両方の微結晶と部分的に合体して、本質的に連続した結晶質相を
形成することができる。シリカは、アルミナとチタニアとを結合させる薬剤とし
て機能するため、か焼またはフィッシャー・トロプシュ合成の際のスチーム処理
によって、シリカとアルミナとの境界およびシリカとチタニアとの境界の両方を
含む混合境界相が形成される可能性がある。更に、アルミナ自体はチタニアと十
分に混合しないため、これらの粒子の結合は物理的な力だけに依存している。ス
チーム処理を行うと、恐らく、アルミナが焼結し、結合能力の低下したより大き
なアルミナ粒子が生成することによって、こうした物理的な力は破壊されるであ
ろう。シリカはチタニアに対して親和性があり、それが原因でシリカの分離度が
かなり低下するため、シリカ自体は良好な結合剤ではない。
ましくは少なくとも約80重量%のチタニアを含有する粒状物質であり、また好
ましくは少なくとも約1:9のルチル:アナタース比を有する。この物質を、結
合剤物質として作用する適量のシリカおよびアルミナと混合する。この場合、結
合剤は、全担体の約30重量%未満、好ましくは約20重量%未満、より好まし
くは約3〜20重量%、更に好ましくは4〜15重量%、なお一層好ましくは5
〜10重量%を占める。シリカおよびアルミナ結合剤混合物は、50重量%以下
のシリカ、好ましくは約3〜50重量%のシリカ、より好ましくは5〜35重量
%のシリカを含有可能である。
って、本質的に球状または円柱状の多孔性粒子に成形される。好ましい方法は、
噴霧乾燥であり、この方法では、チタニアおよび結合剤物質の好適な水性スラリ
ーを霧状にして、熱風でパージされたチャンバ中に導入する。噴霧乾燥を行うと
、スラリーフィッシャー・トロプシュプロセスで使用するのに好適な約20〜1
20ミクロンの範囲のサイズを有する球状の担体が得られる。
混合してから成形処理を行う。これらの成分は、塩または好ましくはコロイド分
散液もしくはゾルのような様々な形態で添加可能である。例えば、塩化アルミニ
ウム、酢酸アルミニウム、または硝酸アルミニウムから作製されるアルミナゾル
が、アルミナ成分の好ましい供給源である。容易に入手可能なシリカゾルが、シ
リカ成分の好ましい供給源である。しかしながら、いずれの場合においても、活
性フィッシャー・トロプシュ金属に有害な元素が、こうしたゾル中に混入するの
を防止するように注意しなければならない。例えば、アルカリカチオンおよびア
ルカリ土類カチオンならびに硫酸イオンのような硫黄含有アニオンは、フィッシ
ャー・トロプシュ条件下でコバルトに対する触媒毒になる可能性があり、従って
、コバルト触媒の担体を調製する場合、これを最小限に抑えなければならない。
ニアのアナタース相をルチル相に変換するために、成形後、か焼される。このか
焼は、典型的には、500〜1000℃の温度において空気中で行われる。
トロプシュ合成の触媒として有効な金属をこの担体と複合化させる。好ましい金
属は、元素の周期表の第VIII族に属する金属、特に鉄、コバルト、およびル
テニウムである。コバルトおよびルテニウムが好ましく、コバルトが最も好まし
い。ジルコニウム、チタン、レニウム、ハフニウム、セリウム、トリウム、およ
びウラン、ならびに当業者に周知の他の元素などの助触媒を利用してもよい。1
種または複数種の金属が、フィッシャー・トロプシュ合成の触媒として有効な量
で存在するが、その量は、選択される金属によって変化するであろう。例えば、
この環境下では、レニウムの方がコバルトよりもかなり活性が高い。従って、レ
ニウムは、約0.5〜3.0重量%の量で使用されるが、コバルトは、好ましく
は約2〜40重量%、より好ましくは5〜30重量%、更に好ましくは10〜2
5重量%の量で使用されるであろう。
性金属を基準に約1/20〜1/10の重量比で使用される。(本発明は、また
主要な活性触媒金属としてのコバルトと組み合わせて、レニウムを助触媒として
使用することも対象としている。)最も好ましい触媒は、コバルトとレニウムを
含有する触媒、コバルトとルテニウムを含有する触媒、コバルトとトリアを含有
する触媒、特にコバルトとレニウムを含有する触媒である。
期湿式含浸法)などの当業者に周知の様々な方法によって調製可能である。固定
床フィッシャー・トロプシュプロセス用の好ましい触媒は、触媒金属が触媒粒子
の外側部分に、すなわち深さ250ミクロン以下、好ましくは深さ200ミクロ
ン以下の層中に存在する触媒であるため、この触媒を調製するのに好ましい方法
は、参照により本明細書に組み入れる米国特許第5,140,050号または参
照により本明細書に組み入れる欧州特許第0,266,898号に記載の噴霧法
である。スラリーフィッシャー・トロプシュプロセス用の触媒は、好ましくは、
噴霧乾燥させた担体に初期湿式含浸処理を施すことによって作製される。
れた生成物は、もとの粒子に付着する傾向を有するため、例えばよく知られるD
avison摩耗試験、MicrotracまたはMalvem光回折装置など
の従来の方法では検出不可能である。従って、再現性のある結果が得られる新し
い加速摩耗試験を開発した。この試験は、摩耗した生成物のSEM顕微鏡写真か
ら判断して、大きなスラリー気泡塔ユニット中の環境に類似した浸食および粉砕
環境中で行われると考えられる。
をアセトン中に懸濁させる処理、これを所定の時間にわたり超音波浴にかける処
理、続いて生成した微粉、すなわち平均直径25ミクロン未満の粒子の量を定量
するために濾過する処理からなる。この場合、+45ミクロンのサイズに篩い分
けされた2.5グラムのサンプルをアセトン12ml中に懸濁させて、0.5オ
ンスボトルに仕込む。Bransonモデル2200超音波浴中で、典型的には
30分間以上かけて超音波粉砕した後、混合物を500メッシュスクリーン(開
口25ミクロン)に通して濾過し、0.02ミクロン濾過膜(Whatman
Anodisc)上に集める。次に、固体をアセトンで洗浄し、乾燥させ、秤量
し、25ミクロン未満の固体の収率を重量パーセント(重量%)で求める。
可能な文献中に記載されている。例えば、温度は、約175〜約400℃、好ま
しくは約180〜250℃であってよく、一方、圧力は、約1〜100バール、
好ましくは約15〜40バールであってよい。水素/CO比は、0.5/1〜約
4/1、好ましくは約1.7/1〜2.5/1であり、理論量±約3%が最も好
ましい。本発明の結合剤から作製される触媒は、好ましくは、スラリー気泡塔な
どのスラリー反応器中で使用される。この反応器のガス毎時空間速度は、約40
00〜20000の範囲であってよい。好ましいスラリー気泡塔の運転について
は、参照により本明細書に組み入れる米国特許第5,348,982号に記載さ
れている。
ることにより、12種のチタニア担体を調製した。乾燥させた担体を回転式か焼
器に入れて700℃〜1000℃でか焼した。これらの12種の各担体に使用し
たアルミナ結合剤およびシリカ結合剤の量および供給源、噴霧乾燥器への原料中
の固形分重量%、ならびに最終か焼温度は、表1にまとめられている。アルミナ
クロルヒドロールゾルは、GRACE Davison製の商品CX−100で
あり、約23.5重量%のAl203が含まれていた。このほか、30分間の超
音波粉砕試験から得られたデータを含む分析結果が表1に示されている。ルチル
含有率は、チタニア中のルチル相の重量%を意味し、残りはアナタース相である
。ルチル含有率は、X線回折(ASTM D 3720−78)により決定した
。SAは、BET表面積を意味し、PVは、直径約5000オングストローム未
満の細孔の細孔容積を意味する。細孔容積は、水銀ポロヂメトリー(水銀接触角
125度を使用した)により求めた。
はかなり良好な強度を有するが、後で示されるように、スチーム処理にかけると
強度は損なわれる。異なる供給業者から入手したシリカゾルを含有する実施例3
〜5は、非常に脆弱な粒子を生成し、か焼後、微粉の割合が非常に大きくなる。
このことから、シリカ結合剤の単独使用は実行可能な選択肢ではないことが分か
る。実施例6は、アルミナゾルとシリカゾルとの重量比9対1の混合物からなる
結合剤が導入された本発明を示している。この担体は、既に最小の超音波粉砕値
を呈する。従って、スチーム処理の施されていないこれらの実施例の中で最良の
強度を有する。
1〜6と比較して、チタニア中のルチル含有率が低く、表面積が大きく、細孔容
積が大きい。細孔容積が大きいことは、特に重要な特徴である。なぜなら、細孔
容積が増大するにつれて、1回の初期湿式含浸あたりに析出させることのできる
活性金属の量が多くなるからである。アルミナ結合剤とシリカ結合剤とからなる
実施例6と同じ混合物を用いた実施例7は、より低いか焼温度で細孔容積が著し
く改良され、しかも粒子強度はわずかに低減するに過ぎないことを示している。
実施例8を実施例7と比較すると、全結合剤の組成を6重量%に保持した状態で
、アルミナ対シリカの割合を9:1から2:1に変化させても良好な細孔容積が
得られることが分かる。しかしながら、全結合剤濃度を6重量%から12重量%
に増大させると、実施例8、9、および12から分かるように、細孔容積は低下
する。実施例11および12は、アルミナ結合剤の供給源としてアルミナクロル
ヒドロールゾルの代わりに硝酸アルミニウムを使用しても、よく似た結果が得ら
れることを示している。
た劣悪な結果をまとめたものである。メタノール溶液からテトラエチルシリケー
トを含浸させ、続いて、実験用オーブン中において3時間にわたり800℃で乾
燥およびか焼を行うことによって、シリカを添加した。表に示されているように
、添加したシリケートの多くは、乾燥またはか焼の間に蒸発して失われた。この
ことは、この方法にとって深刻な問題である。更に重要なこととして、担体上に
残存しているシリカが、粒子の強度の改良にまったく関与していないことが挙げ
られる。実施例13では、実施例1の担体にシリカを添加したが、強度の改良は
見られなかった。実施例14では、実施例1と同じ組成の担体を使用したが、ス
タティックオーブン中において850℃で予備か焼を行った結果、出発物質はか
なり脆弱化したものであった。実施例15では、Degussa P−25の代
わりに、実験的な沈殿形態のチタニアを噴霧乾燥することによって調製した非常
に脆弱な担体を使用した。実施例14および15のいずれにおいても、シリカの
添加後、更に脆弱化を起こした。このことから、恐らく、か焼ステップにおける
スチーム処理によって、アルミナ結合剤が更に脆弱化したものと考えられる。こ
れらの実施例から明らかなように、改良された結合剤としてシリカをアルミナと
一緒に機能させるためには、これらの2種の物質は、最初の噴霧乾燥ステップで
存在していなければならない。
o−Re触媒、すなわち6%のAl2O3結合剤を含有するチタニア担体を用い
たベースケースおよび6%の9:1Al2O3−SiO2結合剤を含有するチタ
ニア担体を用いた本発明の実施例を調製した。噴霧乾燥した担体を、実施例1お
よび6のときと同じようにして作製した。ただし、より大規模に行った。この際
、各触媒は、硝酸コバルトおよび過レニウム酸の水溶液の初期湿式含浸およびそ
れに続く回転式か焼器中における約400℃での空気か焼を行うことによって作
製した。最終的な金属充填物を得るために、含浸/か焼を2回行った。375℃
で還元した後、小型の固定床反応器中でH2/CO比2/1の合成ガスを用いて
、触媒の試験を行った。表3に示されているように、これらの触媒はいずれも、
炭化水素の生成に対して高い活性および選択性を示した。
晒すことにより、最終的に最も厳しい強度試験を行う。この環境をシミュレート
すべく、各触媒の一部分を流動床反応器に仕込み、約250℃および6.8気圧
の純粋なスチームで6日間にわたり処理した。次に、種々の超音波処理時間で超
音波粉砕試験を行うことによって新しい触媒およびスチーム処理した触媒の耐摩
耗性を評価した。結果は、表4中の実施例16〜19としてまとめられており、
更に、図1にプロットされている。図1を参照すると、粉砕試験で生成した微粉
の量がいずれの物質の場合にも超音波処理時間と共に増大することは明らかであ
る。データの線Aで示されているように、アルミナ結合剤の場合、スチーム処理
によって脆弱化する。本発明のシリカ‐アルミナ結合剤(線C)の場合には、ス
チーム処理にかけても脆弱化はごく僅かであり、依然として、スチーム処理の施
されていないアルミナの場合(線B)よりも優れた効力を保持する。この改良さ
れた結合剤を用いることによって、初期強度およびスチーム安定性の著しい改良
が達成された。
軸は、25ミクロン未満の微粉の重量%を表し、横軸は、超音波浴中に入れた時
間(分)である。曲線A、B、C、およびDは、それぞれスチーム処理したアル
ミナ、新しいアルミナ、スチーム処理したシリカ−アルミナ、および新しいシリ
カ−アルミナを結合剤として含有するチタニア担体を表す。
Claims (11)
- 【請求項1】 主としてチタニアを含有している触媒担体組成物であって、
該触媒担体組成物は、該チタニアと一緒に、シリカおよびアルミナを含む結合剤
が組み込まれていることを特徴とする触媒担体組成物。 - 【請求項2】 該結合剤の量は、該担体の約30重量%未満であり、また該
シリカは、該結合剤の約50重量%未満であることを特徴とする請求項1記載の
担体。 - 【請求項3】 該担体は、少なくとも約80重量%のチタニアであることを
特徴とする請求項2記載の担体。 - 【請求項4】 該結合剤は、該担体の約3〜20重量%であり、また該シリ
カは、該結合剤の約3〜50重量%であることを特徴とする請求項2記載の担体
。 - 【請求項5】 フィッシャー・トロプシュ反応を促進するのに有効な金属が
、該担体上に分散されていることを特徴とする請求項1記載の触媒担体組成物。 - 【請求項6】 該金属は、第VIII族金属であることを特徴とする請求項
5記載の触媒担体組成物。 - 【請求項7】 該金属は、コバルト、ルテニウム、およびそれらの混合物か
らなる群より選ばれることを特徴とする請求項6記載の触媒担体組成物。 - 【請求項8】 該金属は、レニウム、ハフニウム、ジルコニウム、セリウム
、トリウム、およびマニウムからなる群より選ばれる金属で促進されることを特
徴とする請求項6記載の触媒担体組成物。 - 【請求項9】 水素と一酸化炭素とを、請求項5記載の触媒担体組成物を用
いて反応させること、およびC5+炭化水素を回収することを含むフィッシャー
・トロプシュプロセス。 - 【請求項10】 請求項7記載の触媒担体組成物を用いて行われることを特
徴とする請求項9記載のフィッシャー・トロプシュプロセス。 - 【請求項11】 スラリー中で行われることを特徴とする請求項9記載のフ
ィッシャー・トロプシュプロセス。
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