JP2002542928A - 水素化触媒およびその製造方法 - Google Patents
水素化触媒およびその製造方法Info
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Abstract
Description
トリル基およびその他の不飽和化合物の水素化や、化学、特にファインケミカル
(fine chemical)の工学分野におけるカプロラクタムのような粗生成物の水素化
精製等の方法に広く適用されてきた。これらの方法に最も広く使用されている触
媒は、骨格ニッケル(skeletal nickel、またはラネーニッケル)触媒であり、
これは工業に長年適用されてきて技術的に成熟しており、長い間、他のいかなる
触媒もこれに取って代わることはできずにいる。近年、広範囲に報告されている
非晶質合金(amorphous alloy)触媒が、ラネーニッケル触媒に対し活性および選
択性の点で優れていることが示されており、ラネーニッケル触媒に取って代わる
勢いである。
序に配列されている新種の触媒原料であり、したがって、触媒が同一の分布にお
いてより増大した数の活性部位を有することを確実にする。しかしながら、一般
の非晶質合金は、活性が低く、かつ比表面積が小さく、前記比表面積は種々の科
学的および物理的処理の後においても10m2/gを超えることができないとい
う欠点を有する。したがって、その工業上適用性に対する展望は限定されている
。この点について、中国発明特許出願公開第1073726号明細書は、広い表
面積を有するNi(FeまたはCo)−Re−P非晶質合金触媒の製造方法を開
示している。その方法は、まず、ニッケルまたはFeまたはCo−Re−Pおよ
びアルミニウムを、急速冷却および成形方法を用いて合金にする。そして次に、
アルカリを用いてアルミニウムを溶出させることにより、50〜130m2/g
までの比表面積を有し工業的に使用可能な非晶質合金触媒を得る。前記Re−N
i−P触媒は、オレフィンおよび芳香族炭化水素の完全水素化に対し、ラネーニ
ッケル触媒と比較してまったく異なる高い活性を有する(中国発明特許出願公開
第1146443号明細書参照)。
的に45から91重量%のニッケルと、2から40重量%の鉄と、残りの部分を
占めるPとからなるフェリ磁性非晶質合金触媒を開示している。この方法で得ら
れた触媒は、前記中国発明特許出願公開第1073726号明細書に記載の触媒
よりも高い触媒活性を有する。
造方法を開示している。前記触媒は、ニッケルとアルミニウムを溶融し、その液
状合金を流水の流れの中に注いで冷却させることにより調整される。この方法に
より、低いかさ密度を有し容易に押しつぶせる触媒が得られる。しかしながら、
この方法では、十分に安定な非晶質構造を有する非晶質合金触媒を提供すること
ができない。
開示している。前記触媒は、液状のアルミニウム合金をその融点より50から5
00℃高い温度に加熱し、前記液状溶融物を水または水とガスの混合物を用いて
微粒子化し、次に、前記水中または空気中の微粒子化合金を冷却してラネーニッ
ケル触媒の微細粒子とすることにより得られる。この方法は冷却速度が遅いため
、非晶質性の程度が高い非晶質触媒を得ることは難しい。
ムの精製は、カプロラクタムを生産するための鍵となる工程である。カプロラク
タムの生産方法は、以下の工程を含む。その工程とは、ベンゼンからシクロヘキ
サンへの水素化、シクロヘキサンからシクロヘキサノンへの酸化、シクロヘキサ
ノンからシクロヘキサノンオキシムへのオキシム化、および発煙硫酸中における
シクロヘキサノンオキシムのベックマン転移である。このようにして得られた生
成物は、カプロラクタムおよび不飽和化合物を含む。それら副生成物は、性質が
類似しているため、抽出および蒸留によっては除去することができない。しかし
ながら、これら不飽和化合物は、ε−カプロラクタムの重合によって得られるナ
イロン6の物理的および力学的性質を損なうため、その存在は不都合であり、除
去されなければならない。カプロラクタムの精製中に、前記不飽和な不純物を水
素化により飽和させれば、それらの物理的および力学的性質はカプロラクタムと
かけ離れたものになり、それらの化合物は、続く抽出および蒸留工程により、も
っと容易に除去できるようになる。従来技術では、ラネーニッケル触媒が用いら
れているが、ラネーニッケル触媒は比較的活性が低いため、消費量が多い。また
、邪魔な不純物をすべて除去するには性能に限界があるため、技術の発展による
要求に応えることはできない。
および精製能力が高く、特にカプロラクタムの水素化精製に有用な新種の非晶質
合金水素化触媒およびその製造方法を提供することである。
%の範囲のNi、0から20重量%の範囲のFe、0から20重量%の範囲のド
ーピング金属元素一種類、および0.5から30重量%の範囲のアルミニウムを
含み、前記一種類のドーピング金属元素は、クロム、コバルト、モリブデン、マ
ンガンおよびタングステンからなる群から選択され、鉄およびドーピング元素の
構成要素の重量%が同時に0ではなく、そのXRDパターンの2θが20から8
0°の範囲に、約2θ=45±1°に出現するちょうど一つのブロードな拡散ピ
ークを有する。
のニッケル、0.1から15重量%の範囲の鉄、0から15重量%の範囲のクロ
ム、コバルト、モリブデン、マンガンおよびタングステンからなる群から選択さ
れる一種類の金属、ならびに1から15重量%の範囲のアルミニウムを含む。
ましくは75から90重量%の範囲であり、鉄の含有率は、より好ましくは0.
3から10重量%の範囲であり、クロム、コバルト、モリブデン、マンガンおよ
びタングステンからなる群から選択される金属の含有率は、より好ましくは0.
5から8重量%の範囲であり、アルミニウムの含有率は、より好ましくは2から
10重量%の範囲である。なお、これら含有率は、前記触媒の全重量に基づく。
から70重量%のニッケル、30重量%以上50重量%未満のアルミニウム、0
から15重量%の鉄、および1,000℃/秒を超える冷却速度、好ましくは1
0,000℃/秒を超える冷却速度で急速に硬化させるための0から15重量%
のクロム、コバルト、モリブデン、マンガンまたはタングステンからなる合金を
液状に溶融し、前記急速に硬化させた合金を、水素、窒素および/またはアルゴ
ン等の不活性ガス雰囲気中、約300から900℃の温度、好ましくは450か
ら750℃で0.5から5時間熱処理し、そして次に、アルカリ溶液を用いて、
前記熱処理した合金からアルミニウムの一部を適切な量だけ溶出させる。
us state)の形態で存在する。
ケル、30重量%以上50重量%未満のアルミニウム、0から15重量%の鉄、
および1,000℃/秒を超える冷却速度、好ましくは10,000℃/秒を超
える冷却速度で急速に硬化させるための0から15重量%のクロム、コバルト、
モリブデン、マンガンまたはタングステンからなる合金を液状に溶融する。
る不活性ガス雰囲気中、300から900℃で0.5から5.0時間、好ましく
は450〜750℃で1〜3時間熱処理する。
ウム溶出処理する。これによって、前記熱処理した合金がアルカリ溶液と反応し
、アルミニウムの一部が適切な量だけ前記合金から除去される。そして、前記本
発明の触媒の望ましい組成が得られる。前記アルカリ溶液は、無機塩基溶液でも
有機塩基溶液でも良く、好ましくはアルカリ金属水酸化物水溶液であり、そして
、より好ましくは、水酸化ナトリウム水溶液である。処理温度は、室温から12
0℃であり、より好ましい温度は50〜100℃である。処理時間は、0.5か
ら5時間であり、より好ましくは1〜3時間である。アルカリ溶液の濃度および
量は、特に限定されず、前記触媒の望ましい組成および現存する先行技術におけ
るラネーニッケル触媒の製造条件に基づいて決定することができる。水酸化ナト
リウム水溶液を使用する場合は、例えば、水酸化ナトリウム水溶液の濃度は10
から40重量%が可能であり、親合金/NaOHの重量比は1:0.5から1:
4が可能である。
から100℃の温度の水で洗浄してアルカリおよびアルミン酸塩を除去し、その
結果、洗浄溶液のpHは、好ましくは7から13となる。前記洗浄したサンプル
は、水またはエタノール中で、最適には不活性ガス雰囲気中で保存することが可
能である。
トリル基およびその他の不飽和化合物の水素化に使用するために設計されており
、そして、カプロラクタムの水素化精製に特に好適である。
に示す)のX線拡散(XRD)パターンである。
製活性を有する(実施例9に示す)。そして、熱処理しない非晶質触媒よりも高
い活性と安定性を有する(実施例10および11に示す)。
限定するものではない。
を、1300℃以上の高周波炉中の石英管に加え、溶離して合金にした。そして
次に、前記溶離した合金を、不活性ガスにより力を加えて、前記管の下端に位置
するノズルから、冷却水で満たされた800rpmの速度で急速に回転している
銅製ローラーの上に押し出した。それを、次に急速に冷却し、そして、前記ロー
ラーからはがして(thrown out tangentially)、鱗状片を得た。前記鱗状片を粉
砕して、使用前駆体としての約70μmの大きさの粒子とした。その親合金をふ
るいにかけた後、水素雰囲気下、600℃で3時間熱処理した。次に、前記熱処
理した合金を、20重量%濃度NaOH溶液1000gで満たした三つ口フラス
コ中に入れ、90℃の一定温度で1時間攪拌して活性化した。その液を、次に、
デカンテーションにより分離し、そして、前記触媒を、80℃の蒸留水でpH7
になるまで洗浄した。この触媒を触媒1と名付け、将来の使用のために水中に保
存した。
度、アルカリ処理時間および洗浄温度等の製造条件を変化させた以外は実施例1
にしたがって触媒を製造した。種々の触媒の製造条件を表1に示す。ここで、列
挙した種々の実施例の触媒は、それぞれ触媒2から触媒8と番号を付けた。
触媒1は、中華人民共和国のJiangsu Yangzhou触媒プラントで生産され、pH1
3の塩基性水中で保存された。 比較例2は、ラネーニッケル触媒の一種を提供する(比較触媒2)。前記比較
触媒2は、米国のActivated Metals & Chemicals社で生産され、pH12の塩基
性水中で保存された。 比較例3は、熱処理していない触媒の一種を提供する(比較触媒3)。前記比
較触媒3は、親合金を水素雰囲気中での熱処理に通さずに直接アルカリ処理する
以外は、実施例2で使用した触媒2の製造方法と同様の方法で製造した。 比較例4は、熱処理していない触媒の一種を提供する(比較触媒4)。前記比
較触媒4は、親合金を水素雰囲気中での熱処理に通さずに直接アルカリ処理する
以外は、実施例2における触媒4の製造方法と同様の方法で製造した。
化精製活性を示す。 カプロラクタム精製は以下のようにして行った。すなわち、まず、2000m
Lの三つ口フラスコに、常圧の水素を50L/hの速度で導入した。そこに、カ
プロラクタム含有率30重量%のカプロラクタム水溶液1500g(PM値12
0s)および前記本発明の触媒1gを加え、マントルヒータ(heating jacket)で
加熱して90℃に保ち、540rpmの速度で30分間攪拌した。透明な液状の
生成物は、その過マンガン酸カリ価(=PM価、permanganate number)を決定
した。
である。前記PM価は、0.002mol/L 過マンガン酸カリウム1.00
mLを20℃のカプロラクタム溶液100mLに添加後、この溶液の色が標準溶
液の色と等しくなる瞬間までに経過した秒数として定義される。ただし、前記カ
プロラクタム溶液は、以下のようにして調製する。すなわち、まず、200mL
のメスフラスコ中に6.0gのカプロラクタムおよび少量の水を加え、標線まで
希釈してカプロラクタム溶液を調製しておく。その溶液10gを、乾燥した10
0mLの比較用試験管に加え、次に、前記試験管の標線まで蒸留水を加える。
て調製する。
加工(hydrocarbon process)におけるProduce and Application of ε-caprolact
amの編集者が編集し、1988年に出版した)に従って決定した。
に示す。この結果は、本発明の触媒が、ラネーニッケル触媒が示すよりも高い活
性を示したことを表す。
効果を示す。 カプロラクタムの精製は、比較触媒3および4を用いて、実施例9と同様の方
法で行った。結果を表3に示す。この結果は、熱処理により触媒活性の向上が可
能であることを表している。
化精製の安定性に対する熱処理の効果を明らかにする。 図1に、触媒2、比較触媒1、および比較触媒2のXRDパターンを示す。図
中、1は触媒2を表し、2は比較触媒1を表し、そして、3は比較触媒2を表す
。 図2に、触媒2のXRDパターンの変化を、脱アルミニウム時間の関数として
示す。 図3に、比較触媒3のXRDパターンの変化を、脱アルミニウム時間の関数と
して示す。 図4に、製造後2ヶ月間静置した触媒2および比較触媒3のXRDパターンを
示す。図中、1は触媒2を表し、2は触媒3を表す。
る2θ≒45°付近に出現する一つのブロードな拡散ピークのみが観測されるこ
とが示されている。ところが、ラネーニッケルのXRDパターンでは、結晶性ニ
ッケルに由来する三つの鋭い回折ピークが、2θ≒45°、2θ≒52°、およ
び2θ≒56°に存在する。 図2および図3によれば、本発明の触媒は、熱処理後に、より程度の高い非晶
質性を獲得したことが分かる。 図4によれば、熱処理後の触媒は、2ヶ月保存後にも非晶質状態を保ち、ブロ
ードな拡散ピークを示すが、熱処理しない触媒は結晶化して鋭いピークを示すこ
とが分かる。
る。
ある。
Claims (12)
- 【請求項1】 水素化用の非晶質合金(amorphous alloy)触媒であり、本質的
に、前記触媒の重量に基づき60から98重量%の範囲のNi、0から20重量
%の範囲のFe、0から20重量%の範囲のドーピング金属元素一種類、および
0.5から30重量%の範囲のアルミニウムからなり、前記一種類のドーピング
金属元素は、クロム、コバルト、モリブデン、マンガンおよびタングステンから
なる群から選択され、前記鉄および前記ドーピング金属元素の構成要素の重量%
が同時に0ではなく、前記触媒が、そのXRDパターンの2θが20から80°
の範囲に、約2θ=45±1°に出現するちょうど一つのブロードな拡散ピーク
を有する触媒。 - 【請求項2】 前記触媒が、40から70重量%のニッケル、30重量%以上
50重量%未満のアルミニウム、0から15重量%の鉄、および1,000℃/
秒を超える冷却速度で急速に硬化させるための0から15重量%のクロム、コバ
ルト、モリブデン、マンガンまたはタングステンからなる合金を液状に溶融し、
前記急速に硬化させた合金を、不活性ガス雰囲気中、300から900℃の温度
範囲で0.5から5時間熱処理し、そして次に、アルカリ溶液を用いて、前記熱
処理した合金からアルミニウムの一部を適切な量だけ溶出させることにより得ら
れる請求項1に記載の触媒。 - 【請求項3】 前記冷却速度が10,000℃/秒を超える請求項2に記載の
触媒。 - 【請求項4】 前記熱処理を、450〜750℃の温度で0.5〜5時間行う
請求項2に記載の触媒。 - 【請求項5】 前記触媒が、その重量に基づき70から95重量%の範囲のニ
ッケル、0.1から15重量%の範囲の鉄、0から15重量%の範囲のクロム、
コバルト、モリブデン、マンガンおよびタングステンからなる群から選択される
一種類の金属元素、ならびに1から15重量%の範囲のアルミニウムからなる請
求項1に記載の触媒。 - 【請求項6】 前記触媒が、その重量に基づき75から90重量%の範囲のニ
ッケル、0.3から10重量%の範囲の鉄、0.5から8重量%の範囲のクロム
、コバルト、モリブデン、マンガンおよびタングステンからなる群から選択され
る一種類の金属元素、ならびに2から10重量%の範囲のアルミニウムからなる
請求項5に記載の触媒。 - 【請求項7】 前記ニッケルが本質的に非晶質状態(amorphous state)の形態
で存在する請求項1に記載の触媒。 - 【請求項8】 以下の工程を含む、請求項1に記載の前記触媒を製造する方法
。 (1) 40から70重量%のニッケル、30重量%以上50重量%未満のアル
ミニウム、0から15重量%の鉄、および1,000℃/秒を超える冷却速度で
急速に硬化させるための0から15重量%のクロム、コバルト、モリブデン、マ
ンガンまたはタングステンからなる合金を液状に溶融する工程。 (2) 工程(1)で得られた前記硬化させた合金を、不活性ガス雰囲気中、3
00から900℃の温度で0.5から5時間熱処理する工程。 (3) アルカリ溶液を用い、工程(2)で得られた前記熱処理した合金を前記
アルカリ溶液と反応させることにより、前記合金からアルミニウムの一部を適切
な量だけ溶出させ、触媒の組成を請求項1の定義と一致させる工程。 (4) 工程(3)で得られた前記アルカリ処理した合金を、20から100℃
の温度の水で洗浄した結果、生じた洗浄溶液のpHが7から13となる工程。 - 【請求項9】 前記工程(2)の熱処理を、450〜750℃の温度で1から
3時間行う請求項8に記載の方法。 - 【請求項10】 前記工程(3)で使用するアルカリ溶液が水酸化ナトリウム
水溶液であり、そして、前記溶出を、室温から120℃の温度で0.5〜5時間
行う請求項8に記載の方法。 - 【請求項11】 前記溶出を50〜100℃の温度で行う請求項10に記載の
方法。 - 【請求項12】 前記工程(4)の洗浄用水の温度が60から100℃の範囲
である請求項8に記載の方法。
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