JP2002503536A - 触媒、その製造方法、および1,2−ジクロロエタンの合成におけるその使用 - Google Patents

触媒、その製造方法、および1,2−ジクロロエタンの合成におけるその使用

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Abstract

(57)【要約】 エチレンの1,2−ジクロロエタンへのオキシ塩素化のための触媒は、γ−アルミナ担体にマグネシウム塩を含浸させ、得られた生成物を乾燥させ、そしてこの生成物に銅塩を、好ましくはリチウム塩と一緒に含浸させることによって製造される。触媒は、重量で、好ましくは0.1〜5%のマグネシウム、2〜10%の銅および0〜5%のリチウムを含有しそして酸素ベース法において特に効果的である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 発明の技術分野 本発明は、特に流動床または固定床反応器中でのエチレンのオキシ塩素化によ
るEDCを製造するための、工業用触媒と、その製造と、その使用に関する。
【0002】 発明の背景 エチレンの1,2−ジクロロエタン(EDC)へのオキシ塩素化は、中でも銅 を、好適にはその塩化物の形態で、多くの場合アルカリ金属塩との混合物として
、アルミナ担体上に担持されて含有する触媒によって触媒作用を及ぼされること
が知られている。そのような触媒および関連する製造方法がいくつかの特許に記
載されている。以下の式 C24 + 2HCl + 1/2O2 → C24Cl2 + H2O で表されるエチレンのオキシ塩素化反応は、活性相が塩化銅である触媒を利用す
る。1つ目の特許には、好適な担体,多くの場合γ−アルミナ、に塩化銅を含有
する溶液を含浸させることによって製造される単純な触媒が特許請求されている
。しかしながら、そのような触媒の実際の発展は、アルカリ金属、アルカリ土類
金属または希土類金属の中から選択される塩をさらに添加することによって達成
された。このように、2成分、3成分、場合によっては4成分組成物が、各種製
造方法と共に、数多くの特許に記載されている。
【0003】 2成分組成物の代表的な例がEP041330(PPG)に記載されており、
これは塩化銅と塩化カリウムとを用いて製造された触媒である。その特許請求の
範囲ではKCuCl3で構成される実際の活性相が言及されている。その製造方 法は様々な担体上へのCuCl2とKClの共沈澱に基づくが、この担体はアタ パルガイト粘土であることが好ましいとされる。この触媒中の銅の含有量は4〜 12重量%、好ましくは7〜9重量%である。銅とカリウムのモル比は1:1で
ある。そのような触媒は流動床用途に対して好適であると言われている。
【0004】 欧州特許EP119933(モンテポリメリ)には、塩化物の如き担体上に共
沈澱した銅とマグネシウムとに基づく2成分組成物が記載されている。この場合
、好ましい担体はγ−アルミナであり、これが比較的広い表面積と適当な細孔容
積とを有するのが好ましいとされる。この触媒中の銅の量が1〜10重量%にあ
るのに対し、マグネシウムの含有量は銅1モルあたり0〜1モルである。その製
造方法では、乾式含浸工程において塩化水素が用いられる。
【0005】 欧州特許EP176432(オーシモント)には流動性触媒が記載されている
。使用される金属は銅とマグネシウムであり、その製造方法において非常に重要
な要素は担体粒子中の活性相の半径方向の分布であると言われている。実際に、
粒子表面上の銅が少ない触媒が、関連する粘着現象を減少し、特許請求されてい
る。この触媒中の銅とマグネシウムの含有量は、銅に対して1〜10重量%、好
ましくは2〜6重量%の範囲にある。
【0006】 EP0278922(エニケム シンセシス)には流動床用途のための触媒、
およびγ−アルミナと、銅と、アルカリ金属またはアルカリ土類金属とに基づく
この触媒の製造方法が記載されている。銅の含有量が3〜7重量%であるのに対
し、前述の添加剤の含有量は0.01〜4重量%である。その実施例では、銅と カルシウムとを含有するγ−アルミナで担持された触媒、さらにマグネシウムを
含有する触媒、およびマグネシウムの代わりにリチウムを含有する触媒が記載さ
れている。これらの触媒のすべては、塩の水溶液を用いたワンショット含浸によ
って製造された。オキシ塩素化反応は、過剰酸素を用いて実施される空気をベー
スとした方法によって実行される。
【0007】 米国特許第4,446,249号(ゼオン)にはγ−アルミナ上に銅を含有する
触媒の使用が記載されているが、この担体は、銅の沈積の前に、この担体の重量
に基づいて0.5〜3.0重量%のカリウム、リチウム、ルビジウム、セシウム、
アルカリ土類金属、希土類金属およびこれらを組み合わせたものからなる群から
選択される少なくとも一種類の金属をこの担体に混入し、金属塩の水溶液をこの
γ−アルミナ担体と混ぜ合わせて、得られた混合物を乾燥し、350〜600℃
の温度で4〜16時間か焼することによって改質される。しかしながら、この特
許の実施例では、安定したCl/C比が化学量論値に近く、かつ酸素が過剰(化
学量論値よりも約60%過剰)であるのにもかかわらず、EDCに対するHCl
転換率は、現代の工業プラントによって要求され且つ前記プラントにおいて実現
される通常の標準転換率(>99%)と比較して明らかに低い。
【0008】 米国特許第3,624,170号(トーヨーソーダ)には、CuCl2と、Na Clと、MgCl2とをベースにした、原子比Cu:Na:Mgが1:0.2〜0
.7:0.3〜1.5である3成分触媒組成物が特許請求されている。そのような 触媒は、ステンレス鋼製反応器内に存在するFeCl3による汚染に起因する失 活を回避すると言われている。
【0009】 EP−A−0255156(ソルヴェイ)には、エチレンを1,2−ジクロロ エタンにオキシ塩素化するための流動床法において良好な収率を実現でき、同時
に、特に触媒の粒子の付着や凝集の減少に起因するステンレス鋼製反応器の腐食
を低減させるような、正確な割合で使用される、塩化銅と、塩化マグネシウムと
、塩化ナトリウムか塩化リチウムのどちらかであるアルカリ金属塩化物との混合
物を含有する3成分触媒組成物が記載されている。この文献では、塩化銅と、塩
化マグネシウムと、アルカリ金属塩化物である塩化ナトリウムとを含有する三成
分組成物の場合、Na/Cu原子比が0.2:1を超えると反応器の腐食の問題 につながることが教示されている。対照的に、リチウムがアルカリ金属として用
いられた場合、広範囲のLi/Cu原子比に亘って腐食の現象は見られない。し
かしながら、この特許の実施例には、リチウムを0.6を上回るLi/Cu比で 含有する組成物に対する触媒の付着および凝集の問題の発生が示されている。
【0010】 米国特許第4,849,393号(ゼオン)には、塩化銅とアルカリ金属塩に加
えて、さらに希土類金属を含有する触媒が記載されている。これらの触媒は、約
2〜約8重量%の銅と、約1〜約10重量%の希土類金属塩と、約0.25〜約 2.3重量%のアルカリ金属塩とを含有する。これらの塩のすべては乾式含浸法 によって好適な担体上に共沈積され、高いエチレン効率と低い粘着性を実現する
触媒を生成する。特に、塩化銅と、塩化カリウムと、一種類以上の希土類金属塩
化物とを用いると、流動床エチレンオキシ塩素化用の優れた触媒が得られること
が記述されている。
【0011】 さらに詳しくは、EPA0375202(ICI)に特許請求されている触媒
の組成物が、塩化銅と、塩化マグネシウムと、塩化カリウムとをベースにした3
成分触媒組成物であると記載されている。銅の含有量が3〜9重量%の範囲にあ
るのに対し、マグネシウムとカリウムの含有量は0.2〜3重量%の範囲にある 。好ましい原子比Cu:Mg:Kは1:0.2〜0.9:0.2〜0.9である。
【0012】 米国特許第5,260,247号(ソルヴェイ)には、不活性担体(Al23
上に担持されたCuCl2と、MgCl2と、LiClと、少なくとも一種類の他
のアルカリ金属塩化物とをベースにした4成分触媒組成物が記載されている。ま
た、この特許では、前記担体に金属塩をワンショットで含浸させる。その実施例
では、過剰酸素が36%でCl/C比が0.95で実施される空気をベースとし たオキシ塩素化法が言及されている。
【0013】 このように、γ−アルミナ上に担持される塩化銅の、エチレンのEDCへのオ
キシ塩素化に対する触媒活性はよく知られており、さらに、いくつかのアルカリ
金属塩あるいはアルカリ土類金属塩によって、固定床および流動床反応器におけ
る選択性と生産性の点で、この触媒の性能が向上することも知られている。後者
の場合、流動化は、特にCl/C比が1に近い場合に特に重要であるが、これは
、これらの状況下で過剰塩化水素によって粘着現象が誘発されるからである。エ
チレンが塩化水素と比較して過剰である循環工程では、粘着の問題はさほど重要
ではなく、最終的な目標は、低過剰量の酸素を用いて最大塩化水素転換率を実現
し、そしてEDCへのエチレンの収率を最大限にすることである。これは、エチ
レンを非常に多く含む反応物の流れによって特徴付けられる流動床用途にも当て
はまる。
【0014】 発明の要約 工業用の流動床オキシ塩素化反応器に関する限り、主な問題は、触媒の流動化
、反応器の磨耗、エチレンのEDCへの収率およびEDCの生産性に関する。本
発明が特に関連する循環工程においては、触媒の流動化は問題ではない。流動床
用途のための触媒を製造するのに通常はγ−アルミナが使用されるため、反応器
の腐食でさえ大きな問題にはならない。しかしながら、エチレン収率または生産
性の向上は工業用途にとっては基本的なことである。従って、本発明の目的は、
あらゆる空気または酸素をベースとしたオキシ塩素化反応、特に排気ガスを再利
用しながら行われる酸素をベースとした方法に対して好適である触媒を提供する
ことである。そのような触媒は、既存の工業用触媒と比較してエチレン収率や生
産性を向上させるはずである。
【0015】 本発明によれば、マグネシウムを含有する第1層と、この第1層上に積層され
た銅と任意にリチウムとを含有する第2層とで被覆されたγ−アルミナ担体を含
む、エチレンの1,2−ジクロロエタンへのオキシ塩素化に触媒作用を及ぼすの に好適である触媒が提供される。 さらに、本発明は、γ−アルミナにマグネシウム塩を含有する溶液を含浸させ
る工程と、得られた生成物を乾燥させる工程と、この生成物に銅塩と任意にリチ
ウム塩とを含有する溶液を含浸させる工程とを含む、エチレンの1,2−ジクロ ロエタンへのオキシ塩素化に触媒作用を及ぼすのに好適である触媒を製造する方
法を提供する。
【0016】 発明の詳細な説明 この触媒には、好適には0.1〜5重量%、好ましくは0.1〜2重量%のマグ
ネシウムと、好適には2〜10重量%、好ましくは2〜8重量%の銅と、好適に
は0〜5重量%、好ましくは0〜1重量%のリチウムとが含有される。特に好ま
しい触媒には0.5〜1.5重量%のマグネシウムと、3〜6重量%の銅と、0. 1〜0.3重量%のリチウムとが含有される。
【0017】 触媒の担体として用いられるγ−アルミナは、表面積が50〜220m2/g 、特に80〜180m2/gであり、平均粒径が40〜60μmの範囲にあるも のが好ましい。
【0018】 この触媒を製造するための好ましい方法では、γ−アルミナを乾燥させてその
孔の内側に吸着した水分を除去した後に、マグネシウム塩、好適には塩化マグネ
シウム、の溶液を含浸させる。得られた生成物を、好適には一晩乾燥させてから
、銅塩、好適には塩化銅、の溶液、または好ましくは銅塩とリチウムの塩、好適
には塩化リチウム、との溶液を含浸させる。そして、この二回目の含浸工程から
得られた生成物を乾燥させる。γ−アルミナにマグネシウム塩を予備含浸させる
ことによって、アルミナ表面上の酸性中心が中和されてアルミン酸マグネシウム
が生成されるので、前記酸性中心は銅との反応には用いられない。これは、銅の
すべて又はほとんどすべてをオキシ塩素化反応に触媒作用を与えるのに利用する
ことができることを意味する。これは以下の溶解度試験によって実証され、その
結果が表1に示される。
【0019】
【表1】
【0020】 γ−アルミナに、1)塩化銅、2)塩化銅と塩化マグネシウム、および3)塩
化マグネシウムを含浸させて三種類の触媒を製造した。これらの触媒を、CuC
2とMgCl2は溶かせるが、アルミン酸銅、アルミン酸マグネシウム、パラ緑
塩銅鉱Cu2(OH)3Clの如き銅のヒドロキソ錯体は溶かせないアセトンで処
理した。銅のみを含有する触媒の金属含有量が4〜3.52%減少したのに対し 、マグネシウムの存在によって遊離塩化銅の量が増加し、触媒上に2.92%の 銅しか残らなかった。同時に、アルミン酸塩を生成する銅とマグネシウムの競争
反応により、マグネシウムの一部が塩化物としてアセトンに溶解して存在してお
り、触媒上に0.58%のマグネシウムが残った。そのような競争反応は、触媒 上に銅が存在しない場合は起こらない。実際に、添加されたマグネシウムのすべ
てが不溶性になる(試料3)。Mg/Al23系を製造するのに用いられたマグ
ネシウムの量は、Cu/Mg/Al23触媒を製造するのに用いられた量と同じ
であった。
【0021】 しかしながら、触媒を活性化させるだけでなく高い生産性が得られるようにす
るには、活性相の高い分散が要求される。すなわち、微細結晶が担体表面上全体
に亘って存在すべきである。大きな凝集粒子は触媒作用を促進できない。CuC
2とMgCl2の共沈積によって巨大結晶が形成されるのに対し、塩化リチウム
の存在によって微結晶が形成され、活性相の分散を高めている。従って、好まし
い製造方法は以下のようになる。 (i) γ−アルミナにMgCl2を含有する溶液を含浸させる(乾式含浸法) 、 (ii) 80℃で一晩乾燥させる、 (iii) 80℃で一晩乾燥させた後に、CuCl2とLiClとを含有する 溶液で二回目の含浸を行う、 (iv) 触媒を200℃で活性化させる。
【0022】 実証試験において、活性化は流動床パイロット反応器の内部で直接行われても
よい。 この製造方法による相乗効果によって、エチレンのオキシ塩素化、特に低過剰
量の酸素と低いCl/C比を要しそして排気ガスを再利用することによって実施
される酸素をベースとした方法、にとって非常に効果的な触媒が提供される。こ
の相乗効果は公知の方法を凌駕する実質的な利点を示す。例えば、銅の沈積の前
に添加剤を加えるという二段階製法が記載されている米国特許第4,446,24
9号(ゼオン)においては、この方法では、担体とアルカリ金属塩、アルカリ土
類金属塩または希土類金属塩との間の反応によってこの担体が改質されるように
最初の含浸の後にか焼が必要とされる。その結果、塩化銅溶液が含浸される担体
が改質される。さらに、塩化銅以外の塩が二回目の乾式含浸に用いられる溶液中
に存在することはない。
【0023】 これに反して、本発明は担体全体の改質および以下の塩化銅を用いた単純な含
浸に基づくものではなく、むしろアルミン酸マグネシウムの形成によって担体の
表面のみを化学的に改質すると同時に、そのイオン寸法によって高度に分散され
た微結晶の形成が誘発される、リチウムと一緒に第2工程において沈積する銅の
分散が高められる。 以下の実施例は本発明を限定するためではなく、説明するために提供されるも
のである。
【0024】 実験装置 すべての実験試験は、図1に示されるような流動床パイロットプラントで実施
された。
【0025】 このプラントの中心は、長さが3メートル、内径が40ミリメートルであるニ
ッケル製チューブである反応器である。試薬の流速はコンピューター装置を介し
た質量流量計によって制御されるが、このコンピューター装置によってパイロッ
トプラント全体(圧力、温度など)も制御される。生成物(EDCと水)は、水
コンデンサーで濃縮された後にドラムに収集される。さらに、第1コンデンサー
からの排気ガスは、グリコールコンデンサーによってさらに冷却される。最後の
排気ガスは苛性洗浄によって中和されるが、この気流は中和前にオンラインガス
クロマトグラフィーによって分析される。実際に、苛性洗浄によってこの気流中
に存在するCO2が除去されるのだが、これによって正確な物質収支が実現され るわけではない。最後に、苛性カラムで中和した後の排気ガスの量を測定する。
ドラムに収集されたEDCと水が分析されてEDC純度が得られ(不純物を識別
し)、水中に溶けている未転化の塩化水素の量を検出する。
【0026】 触媒の製造 すべての触媒を、乾式含浸法、すなわち利用できる細孔容積の全容積と等しい
量の溶液を担体に添加することによって製造した。 すべての実施例において触媒を製造するのに利用された担体は、表面積が約1
80m2/g、細孔容積が約0.5cc/gおよび平均粒径が45〜50μmであ
るγ−アルミナであった。このアルミナを含浸の前に120℃で4時間乾燥させ
、孔の内側に吸着した水を除去した。2キログラムの触媒を以下に記載される実
施例のそれぞれに対して製造した。CuCl2および/またはMgCl2および/
またはLiClを、表2に示される最終組成物が確実に得られる量で含有する溶
液を用いて含浸を行った。乾式含浸法に利用された装置は回転容器であった。含
浸するごとに、80℃で一晩乾燥させた。窒素流下で実験反応器内において20
0℃で活性化を行った。得られたすべての試料の原子比Cu:Mg:Liは2:
1:1である。 実施例1,2,4,5,7および9は比較例である。
【0027】
【表2】
【0028】 実施例1〜6 触媒を以下の操作条件で実施されるエチレンのオキシ塩素化反応に使用するこ
とによって試験した。 温度 220℃ 圧力 5バルグ(barg) 滞留時間 17秒 C24の流量 150〜160Nl/h HClの流量 250〜260Nl/h O2の流量 70〜75Nl/h N2の流量 240〜250Nl/h 前記操作条件下で得られた結果を表3に示す。
【0029】
【表3】
【0030】 上記結果から、基準パラメーターとして循環エチレンの収率を考慮すると、明
確に規定された触媒活性のシーケンスが存在することが分かる。そのようなシー
ケンスは以下に示される通りである。 Cu<Cu/Mg(s.i)およびCu/Li<Cu/Mg(d.i.)<Cu
/Mg/Li(s.i)<Cu/Mg/Li(d.i) このようなシーケンスによって、担体上への銅とリチウムの共沈積を組み合わ
せたマグネシウムの予備含浸による効果は実際に肯定的なものであることと、そ
して二段含浸に関連する相乗効果はかなり明確であることとが指摘される。これ
らの操作条件下で達成される触媒の平均生産性は約535gEDC/hkgcatであ
る。
【0031】 実施例7および8 これらの実施例は、Cu、MgおよびLiを含有する試料を用いて試験され、
様々な操作条件下における二段含浸の効果を確認するために実施された。従って
、温度を5℃上昇させ、滞留時間を2秒間短縮した。この試験は、反応剤の流量
を増やして生産性を高めようとする際の触媒の挙動を調査するために実施された
。後発の滞留時間の短縮とのバランスをとるために、温度は220〜225℃ま
で上げられる。操作条件の全容は以下の通りである。 温度 225℃ 圧力 5バルグ(barg) 滞留時間 15秒 C24の流量 170〜180Nl/h HClの流量 270〜280Nl/h O2の流量 75〜80Nl/h N2の流量 250〜260Nl/h 前記操作条件下で得られた結果を表4に示す。
【0032】
【表4】
【0033】 これらの結果によって、二段含浸によって製造されるCu−Mg−Li系触媒
は、これらの操作条件下ではさらに効果的であり、エチレン損失を約23%引き
下げることが証明される。さらに、得られる触媒の平均生産性は約593gEDC /hkgcatであり、実施例1〜6と比較して約11%ほど高い。
【0034】 実施例9および10 これらの試験では、触媒の適応性、すなわち温度を全く昇温せずに滞留時間を
短縮したときのある効率を維持する触媒の能力に焦点を置いた。そのために、反
応温度を225℃に固定し、滞留時間を実施例7および8と比較して1秒間短縮
した。使用された操作条件は以下の通りである。 温度 225℃ 圧力 5バルグ(barg) 滞留時間 14秒 C24の流量 180〜190Nl/h HClの流量 290〜300Nl/h O2の流量 80〜90Nl/h N2の流量 280〜290Nl/h この場合においても、表5に示されるように、二段含浸法によってエチレン収
率の増加が保証される。
【0035】
【表5】
【0036】 これらの操作条件下で得られる触媒の平均生産性は約648gEDC/h.kgc at であり、すなわち実施例1〜6と比較して約21%ほど高く、実施例7および
8と比較して約9%ほど高い。 このように、本発明のオキシ塩素化用触媒は、従来のものを凌駕する大きな利
点を示す。実施例で報告されるパイロットプラント規模の工程にとっての利点に
よって、実際の工業生産に適用したときに非常に大きな節約があることが示され
る。
【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成11年12月28日(1999.12.28)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SZ,UG,ZW),EA(AM ,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU,TJ,TM) ,AL,AM,AT,AU,AZ,BA,BB,BG, BR,BY,CA,CH,CN,CU,CZ,DE,D K,EE,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM ,HR,HU,ID,IL,IN,IS,JP,KE, KG,KP,KR,KZ,LC,LK,LR,LS,L T,LU,LV,MD,MG,MK,MN,MW,MX ,NO,NZ,PL,PT,RO,RU,SD,SE, SG,SI,SK,SL,TJ,TM,TR,TT,U A,UG,US,UZ,VN,YU,ZW (72)発明者 ピエルルイギ・ファツット イタリア国 30171 メストレ(ヴェネチ ア)、リビエラ・マルコ・ポーロ 47 (72)発明者 レティツィア・カチアルピ イタリア国 52010 スビアーノ(アレッ ツォ)、ロカリタ・カジオーロ 174 Fターム(参考) 4G069 AA03 AA08 BA01A BA01B BB02A BB02B BC04A BC04B BC10A BC10B BC31A BC31B CB25 CB68 DA08 EA01X EA01Y EB18X EB18Y EC02X EC02Y EC03X EC03Y EC28 EE06 FA02 FB14 FB19 FB57 FC08 4H006 AA02 AC30 BA03 BA05 BA06 BA55 BA56 BA81 BC32 BE01 BE30

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 マグネシウムを含有する第1層と、該第1層上に積層された
    銅と任意にリチウムとを含有する第2層とで被覆されたγ−アルミナ担体を含む
    触媒。
  2. 【請求項2】 0.1〜5重量%のマグネシウムと、2〜10重量%の銅と 、0〜5重量%のリチウムとを含有する、請求項1に記載の触媒。
  3. 【請求項3】 0.1〜2重量%のマグネシウムと、2〜8重量%の銅と、 0〜1重量%のリチウムとを含有する、請求項2に記載の触媒。
  4. 【請求項4】 0.5〜1.5重量%のマグネシウムと、3〜6重量%の銅と
    、0.1〜0.3重量%のリチウムとを含有する、請求項3に記載の触媒。
  5. 【請求項5】 前記γ−アルミナが50〜220m2/gの表面積と、40 〜60μmの範囲にある平均粒径とを有する、請求項1乃至4のいずれかに記載
    の触媒。
  6. 【請求項6】 前記γ−アルミナが80〜180m2/gの表面積を有する 、請求項5に記載の触媒。
  7. 【請求項7】 γ−アルミナにマグネシウム塩を含有する溶液を含浸させ、
    得られた生成物を乾燥させ、そして該生成物に銅塩と任意にリチウム塩とを含有
    する溶液を含浸させることからなる、触媒を製造するための方法。
  8. 【請求項8】 前記塩が塩化物塩である、請求項7に記載の方法。
  9. 【請求項9】 請求項7または8に記載の方法によって製造された触媒。
  10. 【請求項10】 エチレンと、塩化水素と、酸素源とを請求項1乃至6およ
    び9のいずれかに記載の触媒の存在下において反応させることからなる、エチレ
    ンの接触的気相オキシ塩素化のための方法。
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