JP2007290991A - Method for producing olefin from oxygen-containing compound - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing olefins in high yield from ethanol as feedstock, and a method capable of efficiently improving propylene yield. <P>SOLUTION: The method for producing the olefins comprises catalyzing ethanol as the feedstock with a pentasil type-structured zeolite catalyst modified with zirconium and phospgorus. In another version of this method, propylene content of the olefins produced can be controlled by using dimethyl ether and/or methanol together with ethanol as feedstoks and controlling their feed ratio. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、含酸素化合物を原料として触媒と接触させオレフィン類を製造する方法に関し、詳しくは、ゼオライト触媒を用い、エタノールを原料として高い収率でオレフィン類を製造する方法、またプロピレンの収率を効率的に向上させることができる方法に関する。   The present invention relates to a method for producing an olefin by contacting an oxygen-containing compound as a raw material with a catalyst, and more specifically, a method for producing an olefin in a high yield using ethanol as a raw material using a zeolite catalyst, and a yield of propylene. It is related with the method which can improve efficiently.

エチレン、プロピレン等の軽質オレフィン類は、化学工業の基礎原料として広く使われている。その製造方法としては、ナフサ等の飽和炭化水素の熱分解、あるいは重質炭化水素の接触分解が主に実施されている。一方、メタン等の天然ガスをリフォーミングして合成ガス(水素、一酸化炭素の混合ガス)とし、この合成ガスを原料としてメタノールを製造し、ゼオライト触媒を用いて脱水縮合させることによりオレフィンが製造できることも知られている。
天然ガスは液化して輸送することが困難であるが、メタノールやジメチルエーテルのような化合物に変換することにより液体としての輸送が容易になり、移動体(自動車等)の燃料、および化学工業の基礎原料として利用することができる。天然ガスは石油系資源と比較して世界中に広く分布していることから、このような天然ガスからの誘導体を経由したオレフィン製造が種々検討されてきている。また、これらの軽質オレフィンのうちエチレンについては、エタンの熱分解によって効率的に製造することが可能であるが、プロピレンについては熱分解では収率が低いため、プロピレンをより多く生成する製造技術が望まれている。
Light olefins such as ethylene and propylene are widely used as basic raw materials in the chemical industry. As the production method, thermal cracking of saturated hydrocarbons such as naphtha or catalytic cracking of heavy hydrocarbons is mainly carried out. On the other hand, reforming natural gas such as methane to make synthesis gas (mixed gas of hydrogen and carbon monoxide), producing methanol using this synthesis gas as raw material, and dehydrating condensation using zeolite catalyst, producing olefin It is also known that it can be done.
Although natural gas is difficult to liquefy and transport, it can be easily transported as a liquid by converting it to a compound such as methanol or dimethyl ether. It can be used as a raw material. Since natural gas is widely distributed all over the world as compared with petroleum-based resources, various olefin production via derivatives from such natural gas have been studied. Among these light olefins, ethylene can be efficiently produced by thermal decomposition of ethane, but propylene has a low yield in thermal decomposition, and therefore production technology for producing more propylene is available. It is desired.

一方、エタノール(エチルアルコール)を原料として、固体触媒と接触させ、脱水反応によりオレフィン(エチレン)に変換する方法も古くから知られている。エタノールは、植物原料等のバイオマスの発酵によって製造できるため、石油資源の代替、および二酸化炭素排出削減の観点から、化学品製造用の原料として注目されている。バイオマスから生産されるエタノールは一般的に水溶液として得られるため、蒸留・濃縮などの操作を行わずに水溶液のまま反応できる方法が望ましい。
また、バイオマスのガス化によって製造される合成ガスを原料として製造されるメタノールやジメチルエーテルも、炭素循環型資源としての利用が可能であり、これらの含酸素化合物を効率的にオレフィン類に変換する製造技術が望まれる。
On the other hand, a method in which ethanol (ethyl alcohol) is used as a raw material and is brought into contact with a solid catalyst and converted into olefin (ethylene) by a dehydration reaction has been known for a long time. Since ethanol can be produced by fermentation of biomass such as plant raw materials, it has attracted attention as a raw material for chemical production from the viewpoint of substituting petroleum resources and reducing carbon dioxide emissions. Since ethanol produced from biomass is generally obtained as an aqueous solution, it is desirable to use a method in which the reaction can be carried out as it is without performing operations such as distillation and concentration.
In addition, methanol and dimethyl ether produced using synthesis gas produced by biomass gasification can also be used as carbon-recycling resources, and these oxygenated compounds can be efficiently converted into olefins. Technology is desired.

エタノールを原料としてオレフィンを製造する方法はこれまでに数多くの報告が行われている。触媒としては、シリカアルミナやゼオライト等の固体酸触媒を用いた方法が開示されている。(例えば特許文献1〜2、非特許文献1〜2参照)
しかしながら、シリカアルミナ等の非晶質の固体酸触媒では、コーキングによる劣化が激しいため、流動床反応器での連続再生や,定期的なバーニングによる再生が必要とされている。一方、ZSM−5等のゼオライトを用いた方法では、比較的高温の劣化の少ない条件で運転でき、また特許文献2には、原料のエタノールは水やメタノール等の他のアルコールで希釈された状態でも高収率で反応が進行することが記載されている。
エタノールからは主にエチレンが得られるが、市場の要求により、プロピレンを多く作ることが必要となる場合がある。特許文献2には、エタノールとメタノールの混合物を原料として反応した場合に、メタノールの割合を増加させるとプロピレンの生成割合を増大できることが記載してあるが、メタノール量20質量%でのプロピレン選択率は9%であるのに対して、メタノール量50質量%としてもプロピレン選択率は12%であり、プロピレンの選択率は低い。
There have been many reports on the production of olefins using ethanol as a raw material. As the catalyst, a method using a solid acid catalyst such as silica alumina or zeolite is disclosed. (For example, refer to Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Documents 1 and 2)
However, amorphous solid acid catalysts such as silica alumina are severely deteriorated by coking, and therefore, continuous regeneration in a fluidized bed reactor and regeneration by periodic burning are required. On the other hand, in the method using zeolite such as ZSM-5, it can be operated under relatively low temperature deterioration conditions, and in Patent Document 2, the raw material ethanol is diluted with other alcohols such as water and methanol. However, it is described that the reaction proceeds at a high yield.
Ethylene is mainly obtained from ethanol, but it may be necessary to make more propylene due to market demands. Patent Document 2 describes that when a mixture of ethanol and methanol is reacted as a raw material, the proportion of propylene can be increased by increasing the proportion of methanol, but the propylene selectivity at a methanol amount of 20% by mass is described. Is 9%, but even when the amount of methanol is 50% by mass, the propylene selectivity is 12%, and the propylene selectivity is low.

また、非特許文献3には、ジルコニウムで修飾したZSM−5型ゼオライトをリン酸で処理した触媒(H3PO4/12.5%−ZrO2/H−ZSM−5)を用いたジメチルエーテルの反応で、プロピレン選択性が高められることが報告されているが(プロピレン/エチレン比(炭素比)=約10〜16)、高価な石英製の反応器を用いた小スケールの実験であり、工業的に鋼材を反応器とした際には、リン酸による反応器からの金属分溶出の影響等で重質分が増大することが予測される。
この非特許文献3には、触媒の酸強度の量をアンモニア吸着法で比較した結果も掲載されている。それによるとリン酸を担持することで酸量が増大することが示されており、酸としてのリン酸の機能が重要なことが示唆されている。しかしながら、エタノールの反応性については不明である。
特許文献3には、同様な方法でリン酸、もしくは硫酸で処理したジルコニウム含有触媒の実施例が開示されているが、リン酸および硫酸はいずれも酸でなければならないとしている。H3PO4とZrO2の相互作用については非特許文献4にも開示されている。しかしながら、リン酸等の腐食性の物質の使用は、触媒調製時の装置の腐食防止対策や、廃リン酸の中和処理等、コスト的に不利な点がある。
Non-Patent Document 3 discloses a dimethyl ether using a catalyst (H 3 PO 4 /12.5%-ZrO 2 / H-ZSM-5) in which ZSM-5 type zeolite modified with zirconium is treated with phosphoric acid. Although it has been reported that propylene selectivity is improved in the reaction (propylene / ethylene ratio (carbon ratio) = about 10 to 16), this is a small-scale experiment using an expensive quartz reactor, In particular, when steel is used as a reactor, it is predicted that the heavy content will increase due to the influence of elution of metal from the reactor by phosphoric acid.
Non-Patent Document 3 also describes the result of comparison of the acid strength of the catalyst by the ammonia adsorption method. According to it, it is shown that the amount of acid increases by carrying phosphoric acid, and it is suggested that the function of phosphoric acid as an acid is important. However, the reactivity of ethanol is unknown.
Patent Document 3 discloses an example of a zirconium-containing catalyst treated with phosphoric acid or sulfuric acid in the same manner. However, both phosphoric acid and sulfuric acid must be acids. Non-patent document 4 discloses the interaction between H 3 PO 4 and ZrO 2 . However, the use of corrosive substances such as phosphoric acid is disadvantageous in terms of cost, such as measures for preventing corrosion of the apparatus during catalyst preparation and neutralizing treatment of waste phosphoric acid.

米国特許第4,134,926号公報U.S. Pat. No. 4,134,926 米国特許第4,698,452号公報U.S. Pat. No. 4,698,452 特開2006−016345号公報JP 2006-016345 A Chemistry Letters、第105巻、249頁(2005年)Chemistry Letters, 105, 249 (2005) 第35回 石油・石油化学討論会講演予稿集、253頁(2005年)Proceedings of the 35th Petroleum and Petrochemical Discussion Conference, page 253 (2005) Chemistry Letters、第34巻、970頁(2005年)Chemistry Letters, 34, 970 (2005) Journal of Physical Chemistry、第105巻、10653頁(2001年)Journal of Physical Chemistry, 105, 10653 (2001)

上述のように、エタノールを原料としてオレフィン類を製造する際に、高い収率でオレフィン類が得られる方法やプロピレンの収率向上に対応可能な反応方法が開発されていない。また、リン酸等の腐食性の物質の使用は、触媒調製時の装置の腐食防止対策や、廃リン酸の中和処理等、コスト的に不利な点がある。
本発明の目的は、エタノールを原料として高い収率でオレフィン類を製造する方法、またプロピレンの収率を効率的に向上させることができる方法を提供することである。
As described above, when producing olefins using ethanol as a raw material, a method for obtaining olefins in a high yield and a reaction method capable of coping with improvement in the yield of propylene have not been developed. In addition, the use of corrosive substances such as phosphoric acid has disadvantages in cost, such as measures for preventing corrosion of the apparatus during catalyst preparation and neutralizing treatment of waste phosphoric acid.
An object of the present invention is to provide a method for producing olefins with a high yield using ethanol as a raw material, and a method capable of efficiently improving the yield of propylene.

本発明者らは、上記課題について鋭意検討した結果、ペンタシル型構造のゼオライトをジルコニウムおよびリンで修飾したゼオライト触媒を用いてエタノールを改質すればオレフィン(エチレン)が高い収率で得られ、ジメチルエーテルやメタノールをエタノールに混合することによりプロピレンへの選択率を高め、プロピレン/エチレンの製造比率を変更することができ、軽質オレフィン類を長期間安定して経済的に有利に製造できることを見出した。本発明は、かかる知見に基づいて完成したものである。   As a result of intensive studies on the above problems, the present inventors have obtained olefin (ethylene) in a high yield by reforming ethanol using a zeolite catalyst in which a zeolite having a pentasil structure is modified with zirconium and phosphorus. It has been found that by mixing methanol or ethanol with ethanol, the selectivity to propylene can be increased, the production ratio of propylene / ethylene can be changed, and light olefins can be produced stably and economically advantageously over a long period of time. The present invention has been completed based on such findings.

即ち本発明は、以下のオレフィン類の製造方法を提供するものである。
1.ジルコニウムおよびリンで修飾したペンタシル型構造のゼオライト触媒に、原料としてエタノールを接触させることを特徴とするオレフィン類の製造方法。
2.エタノールと共にジメチルエーテル及び/またはメタノールを原料に用い、エタノールに対するジメチルエーテル及び/またはメタノールの供給比率を制御することで、生成オレフィン中のプロピレン量を調整する上記1のオレフィン類の製造方法。
3.エタノールに対するジメチルエーテル及び/またはメタノールの供給比率が炭素原子比で70%以下である上記2のオレフィン類の製造方法。
4.ペンタシル型構造のゼオライトが、ZSM−5及び/またはZSM−11である上記1〜3のいずれかのオレフィン類の製造方法。
5.ペンタシル型構造のゼオライトのシリカ/アルミナモル比が20〜700である上記1〜4のいずれかのオレフィン類の製造方法。
6.ジルコニウムおよびリンで修飾したペンタシル型構造のゼオライト触媒が、ジルコニウムで修飾したペンタシル型構造のゼオライトを、リン酸塩および/または有機リン化合物で修飾したものである上記1〜5のいずれかのオレフィン類の製造方法。
7.スチーム存在下300〜1000℃の温度で前処理したゼオライト触媒に、原料を接触させる上記1〜6のいずれかのオレフィン類の製造方法。
8.ゼオライト触媒にスチーム存在下で原料を接触させる上記1〜7のいずれかのオレフィン類の製造方法。
That is, the present invention provides the following method for producing olefins.
1. A process for producing olefins, characterized in that ethanol as a raw material is contacted with a zeolite catalyst having a pentasil structure modified with zirconium and phosphorus.
2. The method for producing olefins according to 1 above, wherein dimethyl ether and / or methanol is used as a raw material together with ethanol, and the amount of propylene in the generated olefin is adjusted by controlling the supply ratio of dimethyl ether and / or methanol to ethanol.
3. The method for producing olefins according to 2 above, wherein the supply ratio of dimethyl ether and / or methanol to ethanol is 70% or less by carbon atom ratio.
4). The method for producing an olefin according to any one of the above 1 to 3, wherein the zeolite having a pentasil structure is ZSM-5 and / or ZSM-11.
5). The method for producing an olefin according to any one of 1 to 4 above, wherein the silica / alumina molar ratio of the zeolite having the pentasil structure is 20 to 700.
6). The olefin according to any one of 1 to 5 above, wherein the zeolite catalyst having a pentasil structure modified with zirconium and phosphorus is obtained by modifying a zeolite having a pentasil structure modified with zirconium with a phosphate and / or an organic phosphorus compound. Manufacturing method.
7). The method for producing an olefin according to any one of 1 to 6 above, wherein the raw material is brought into contact with a zeolite catalyst pretreated at a temperature of 300 to 1000 ° C in the presence of steam.
8). The method for producing an olefin according to any one of 1 to 7 above, wherein the raw material is brought into contact with the zeolite catalyst in the presence of steam.

本発明によれば、エタノールを原料として高い収率でオレフィン(エチレン)を製造することができ、またエタノールと共にジメチルエーテル及び/またはメタノールを原料に用いることにより、特にプロピレンの収率を効率的に高めることもできる。
また本発明によれば、エタノールと、ジメチルエーテル及び/またはメタノールの供給比率を制御することで、エチレン/プロピレン比率を調整することができ、市場の需要に対して効率的なオレフィン類の製造を行うことができる。
さらに、本発明においてはオレフィン類の製造に用いられるゼオライト触媒を腐食性物質を用いない方法で調製することができるので、触媒調製時の装置の腐食防止対策や、廃リン酸の中和処理が必要なく、触媒を経済的に有利に製造することができる。
本発明ではバイオマスからのエタノールをそのまま原料として使用することができるので、バイオマスからのエタノールは濃縮して水分を除去する必要がない。
According to the present invention, olefin (ethylene) can be produced with high yield from ethanol as a raw material, and propyl ether and / or methanol can be used as a raw material together with ethanol, and in particular, the yield of propylene can be efficiently increased. You can also.
In addition, according to the present invention, the ethylene / propylene ratio can be adjusted by controlling the supply ratio of ethanol and dimethyl ether and / or methanol, and olefins can be produced efficiently with respect to market demand. be able to.
Furthermore, in the present invention, the zeolite catalyst used for the production of olefins can be prepared by a method that does not use a corrosive substance, so that it is possible to prevent corrosion of the apparatus at the time of catalyst preparation and to neutralize waste phosphoric acid. Without need, the catalyst can be produced economically advantageously.
In the present invention, ethanol from biomass can be used as a raw material as it is, and therefore it is not necessary to concentrate ethanol from biomass to remove moisture.

本発明での原料として使用するエタノールは、任意の比率の水溶液や、他の炭化水素やアルコールとの混合物でも使用できる。
また、本発明における反応に使用する原料として、エタノールにジメチルエーテルやメタノールを混合したものを用いることができ、これによりプロピレンの収率を効率的に高め、エチレン/プロピレン比率を調整することができる。
さらに本発明で使用する原料として、エタノール、或いはエタノールとジメチルエーテルやメタノールの混合物を他の水素、窒素、スチーム、炭化水素などで希釈したものも使用することができる。また、生成物であるエチレン、プロピレン、ブテン類などの軽質オレフィン類を含有しているものを原料に用いることもできる。
なお、後述のようにスチーム共存下で反応を行うことが好ましいので、水分を含有したバイオマスからのエタノールをそのまま原料として使用することができる。
Ethanol used as a raw material in the present invention can be used in an aqueous solution of any ratio, or a mixture with other hydrocarbons or alcohols.
Moreover, what mixed ethanol and dimethyl ether and methanol can be used as a raw material used for reaction in this invention, and this can raise the yield of propylene efficiently and can adjust ethylene / propylene ratio.
Furthermore, as a raw material used in the present invention, ethanol or a mixture of ethanol and dimethyl ether or methanol diluted with other hydrogen, nitrogen, steam, hydrocarbon or the like can be used. Moreover, what contains light olefins, such as ethylene, propylene, and butenes which are products, can also be used for a raw material.
In addition, since it is preferable to react in steam coexistence as mentioned later, the ethanol from the moisture containing biomass can be used as a raw material as it is.

すなわち本発明においては、エタノールと共にジメチルエーテル及び/またはメタノールを原料に用い、エタノールに対するジメチルエーテル及び/またはメタノールの供給比率を制御することで、生成オレフィン中のプロピレン量を調整し、プロピレンの収率を高めることができる。
この際、エタノールに対するジメチルエーテル及び/またはメタノールの供給比率は、炭素原子比で70%程度まではプロピレン収率の向上効果が顕著に見られるが、70%より高い領域では、プロピレン収率の向上効果が頭打ちの傾向となる。このため該供給比率を70%以下とすることが好ましく、10〜50%とすることが更に好ましい。
なお、エタノールとジメチルエーテルやメタノールは、混合して反応器に供給してもよく、また別々に供給してもよい。
That is, in the present invention, by using dimethyl ether and / or methanol together with ethanol as a raw material and controlling the supply ratio of dimethyl ether and / or methanol to ethanol, the amount of propylene in the produced olefin is adjusted, and the yield of propylene is increased. be able to.
At this time, the supply ratio of dimethyl ether and / or methanol with respect to ethanol shows a remarkable effect of improving the propylene yield up to about 70% in terms of carbon atom ratio, but in a region higher than 70%, the effect of improving the propylene yield. However, there is a tendency to peak. For this reason, it is preferable to make this supply ratio into 70% or less, and it is still more preferable to set it as 10 to 50%.
In addition, ethanol, dimethyl ether, and methanol may be mixed and supplied to the reactor, or may be supplied separately.

本発明において用いられる触媒は、ペンタシル型構造のゼオライトをジルコニウムおよびリンで修飾したゼオライト触媒である。
このペンタシル型のゼオライトとしては、特にZSM−5やZSM−11が好ましい。ゼオライトのSiO2/Al23モル比は通常20〜700、好ましくは40〜600であり、さらに好ましくは80〜300である。
The catalyst used in the present invention is a zeolite catalyst obtained by modifying a zeolite having a pentasil structure with zirconium and phosphorus.
As this pentasil type zeolite, ZSM-5 and ZSM-11 are particularly preferable. The zeolite has a SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio of usually 20 to 700, preferably 40 to 600, and more preferably 80 to 300.

ジルコニウムのゼオライトへの導入は、例えば硝酸ジルコニル二水和物(ZrO(NO32・2H2O)、塩化酸化ジルコニウム八水和物(ZrCl2O・8H2O)、酢酸ジルコニル(ZrO(CH3COO)2)、硫酸ジルコニウム(IV)四水和物(Zr(SO42・4H2O)のような各種ジルコニウム化合物を用いたイオン交換法、含浸法あるいは水熱合成法その他の方法で行うことができる。 Zirconium is introduced into the zeolite by, for example, zirconyl nitrate dihydrate (ZrO (NO 3 ) 2 .2H 2 O), chlorinated zirconium oxide octahydrate (ZrCl 2 O.8H 2 O), zirconyl acetate (ZrO ( CH 3 COO) 2 ), zirconium sulfate (IV) tetrahydrate (Zr (SO 4 ) 2 .4H 2 O) and other ion exchange methods, impregnation methods, hydrothermal synthesis methods, etc. Can be done by the method.

ジルコニウムの含有量は、ゼオライトに対し通常0.1〜30質量%、好ましくは1〜20質量%、さらに好ましくは5〜15質量%である。ジルコニウムの含有量を0.1質量%以上とすることによりジメチルエーテルやメタノールを用いた場合のプロピレンの選択率が向上し、30質量%以下とすることにより触媒活性が向上する。   The content of zirconium is usually 0.1 to 30% by mass, preferably 1 to 20% by mass, and more preferably 5 to 15% by mass with respect to the zeolite. When the zirconium content is 0.1% by mass or more, the selectivity for propylene when dimethyl ether or methanol is used is improved, and when the content is 30% by mass or less, the catalytic activity is improved.

本発明のゼオライト触媒は、ジルコニウムの他に、リンを必須成分とするが、リンの修飾はリン酸ではなく、各種リン酸塩、もしくは有機リン化合物を用いて行うことが好ましい。リン酸は、溶液中で水素イオン結合を通して水分子と会合しているが、リン酸塩として用いることでリン酸イオン上の電荷が中和され、リン酸イオンの水和状態が変化する。ペンタシル型の高シリカゼオライトの細孔内は疎水性を有することが知られているが、このようなゼオライト細孔内の活性点の修飾には、イオンの水和状態の影響が大きい。   The zeolite catalyst of the present invention contains phosphorus as an essential component in addition to zirconium, but the modification of phosphorus is preferably carried out using various phosphates or organic phosphorus compounds instead of phosphoric acid. Phosphoric acid is associated with water molecules through hydrogen ion bonds in the solution, but when used as a phosphate, the charge on the phosphate ion is neutralized and the hydration state of the phosphate ion changes. The pores of pentasil type high silica zeolite are known to have hydrophobicity, but the modification of the active sites in such zeolite pores is greatly influenced by the hydration state of ions.

リン酸を塩の形状で用いた場合には、水和状態の変化により修飾成分であるリンが細孔内に集積しやすく、リン酸のみで使用した場合と比較して活性・選択性への制御効果を高めることができる。また、有機リン化合物も、疎水性の細孔内に導入しやすい。さらにリン酸(H3PO4)は水溶液のpHが2程度の腐食性物質であり、装置の腐食対策や、廃棄の際の中和処理が必須なのに対し、リン酸塩(ナトリウム塩、カリウム塩等)はむしろ腐食防止効果を示すことが知られている。有機リン化合物は、分子内にリンを含む炭化水素化合物であり、毒性の高いものもあるが一般に腐食性はなく、通常の有機化合物と同様に取り扱うことができる。 When phosphoric acid is used in the form of a salt, the modifying component, phosphorus, easily accumulates in the pores due to changes in the hydration state, resulting in improved activity and selectivity compared to the case where phosphoric acid alone is used. The control effect can be enhanced. Organophosphorus compounds are also easy to introduce into the hydrophobic pores. Furthermore, phosphoric acid (H 3 PO 4 ) is a corrosive substance whose pH of the aqueous solution is about 2, and it is necessary to take measures against corrosion of the equipment and neutralization treatment at the time of disposal, whereas phosphate (sodium salt, potassium salt) Rather) is known to exhibit a corrosion-inhibiting effect. The organophosphorus compound is a hydrocarbon compound containing phosphorus in the molecule, and some of them are highly toxic, but generally are not corrosive and can be handled in the same manner as ordinary organic compounds.

有機リン化合物としては、例えばホスフィン類、ホスフィンオキシド類、ホスホン酸エステル類、リン酸エステル類、亜リン酸エステル類、リン酸アミド類等が使用できる。これらのリン酸塩または有機リン化合物の中でも、毒性が低く食品添加物等にも使用されているリン酸アンモニウム塩類(リン酸二水素アンモニウム、リン酸水素二アンモニウム、リン酸三アンモニウム等)を使用することがより好ましい。   As the organic phosphorus compound, for example, phosphines, phosphine oxides, phosphonic acid esters, phosphoric acid esters, phosphorous acid esters, phosphoric acid amides and the like can be used. Among these phosphates or organophosphorus compounds, use ammonium phosphate salts (such as ammonium dihydrogen phosphate, diammonium hydrogen phosphate, triammonium phosphate, etc.) that have low toxicity and are used in food additives More preferably.

触媒中のゼオライトに対し、リンの修飾量は通常0.1〜20質量%、好ましくは1〜10質量%、さらに好ましくは2〜8質量%である。リンの修飾量を0.1質量%以上とすることによりプロピレンの選択率が向上し、20質量%以下とすることにより触媒活性が向上する。   The modification amount of phosphorus is usually 0.1 to 20% by mass, preferably 1 to 10% by mass, and more preferably 2 to 8% by mass with respect to the zeolite in the catalyst. When the amount of modification of phosphorus is 0.1% by mass or more, the selectivity for propylene is improved, and when it is 20% by mass or less, the catalytic activity is improved.

ゼオライトに対するジルコニウムの導入とリンの修飾の順序は特に限定されず、ジルコニウムとリンの両者を含む混合物を用いてジルコニウムの導入と同時にリン修飾を行うこともできるが、通常はジルコニウム化合物を用いてジルコニウムの導入を行った後にリン化合物での修飾を行う。
本発明における触媒では、リンとジルコニウムがゼオライト上に担持あるいは含有されていることが重要であり、ゼオライトとジルコニウム化合物、リン化合物を物理的に混合しただけでは本発明における触媒の効果が十分に得られない。
The order of introduction of zirconium and modification of phosphorus in the zeolite is not particularly limited. Phosphorus modification can be performed simultaneously with the introduction of zirconium using a mixture containing both zirconium and phosphorus. After the introduction of, modification with a phosphorus compound is performed.
In the catalyst of the present invention, it is important that phosphorus and zirconium are supported or contained on the zeolite, and the effect of the catalyst of the present invention can be sufficiently obtained only by physically mixing the zeolite, the zirconium compound and the phosphorus compound. I can't.

本発明における触媒の形状は特に限定されず、粉末や成型品等のいずれの形状のものでもよい。また、これらの触媒はゼオライト、ジルコニウムおよびリン以外の他の成分、例えばアルカリ元素、アルカリ土類元素、希土類金属元素、遷移金属、貴金属、ハロゲン、バインダー等が含まれていてもよい。シリカ、アルミナ、マグネシアあるいは石英砂等の充填剤と混合して使用することも可能である。   The shape of the catalyst in the present invention is not particularly limited, and may be any shape such as powder or molded product. In addition, these catalysts may contain components other than zeolite, zirconium and phosphorus, for example, alkali elements, alkaline earth elements, rare earth metal elements, transition metals, noble metals, halogens, binders and the like. It is also possible to use a mixture with a filler such as silica, alumina, magnesia or quartz sand.

また、本発明においてゼオライト触媒は、ジルコニウムの導入およびリンでの修飾を行った後に、スチーム存在下で前処理を行うことにより、さらに活性が向上し、オレフィン選択性を改善することができる。
スチームによる前処理は、触媒を充填したカラム内にスチームを通過させることにより行うことができる。この際に用いられるスチームとしては、適当な希釈ガス(窒素、水素、炭化水素等)で希釈したスチームでも良く、スチームの希釈剤としては原料であるエタノールや、ジメチルエーテル、メタノールを使用することも可能である。
スチーム前処理時の触媒層の温度は、通常300〜1000℃、好ましくは400〜900℃、さらに好ましくは500〜800℃である。
In the present invention, the zeolite catalyst is further pretreated in the presence of steam after introduction of zirconium and modification with phosphorus, whereby the activity is further improved and the olefin selectivity can be improved.
The pretreatment with steam can be performed by passing the steam through a column packed with a catalyst. The steam used at this time may be steam diluted with an appropriate diluent gas (nitrogen, hydrogen, hydrocarbons, etc.), and it is also possible to use ethanol, dimethyl ether, or methanol as the raw material for the steam diluent. It is.
The temperature of the catalyst layer during the steam pretreatment is usually 300 to 1000 ° C, preferably 400 to 900 ° C, more preferably 500 to 800 ° C.

本発明におけるエタノール、或いはエタノールとジメチルエーテルやメタノールとの混合物の反応様式は特に限定されないが、通常は固定床、移動床、流動床等の形式の反応器を使用し、上記の触媒を充填した触媒層へエタノールなどを含む原料を供給することにより行われる。このとき該原料は、窒素、水素、炭化水素あるいはスチーム等で希釈されていてもよい。
スチームはコーキング抑制効果があるのでスチーム共存下でオレフィン類の生成反応を行うことが好ましく、また、スチームを共存させることによりプロピレンの選択率が向上する。バイオマスからのエタノールは水分を含有しているが、このようなエタノールは特に濃縮して水分を除去する必要がなく、水分を含有したエタノールをそのまま原料として使用することができる。
The reaction mode of ethanol or a mixture of ethanol and dimethyl ether or methanol in the present invention is not particularly limited, but usually a catalyst in which a reactor such as a fixed bed, moving bed, fluidized bed or the like is used and packed with the above catalyst is used. This is performed by supplying a raw material containing ethanol or the like to the layer. At this time, the raw material may be diluted with nitrogen, hydrogen, hydrocarbon, steam or the like.
Since steam has an effect of suppressing coking, it is preferable to carry out a reaction for producing olefins in the presence of steam, and the presence of steam improves the selectivity for propylene. Ethanol from biomass contains water, but such ethanol does not need to be particularly concentrated to remove water, and water-containing ethanol can be used as a raw material as it is.

本発明における反応温度は通常300〜700℃程度、好ましくは350〜650℃、さらに好ましくは400〜600℃の範囲である。300℃以上とすることにより一回通過あたりの好適なオレフィン収量が得られる活性となり、700℃以下とすることによりメタンおよびコークの生成が回避される。
反応圧力は常圧、減圧あるいは加圧のいずれでも実施できるが、通常は常圧から1MPa程度の加圧が採用される。
The reaction temperature in this invention is about 300-700 degreeC normally, Preferably it is 350-650 degreeC, More preferably, it is the range of 400-600 degreeC. By setting the temperature to 300 ° C. or higher, it becomes an activity that provides a suitable olefin yield per pass, and by setting the temperature to 700 ° C. or lower, generation of methane and coke is avoided.
The reaction pressure can be any of normal pressure, reduced pressure, or increased pressure. Usually, increased pressure from normal pressure to about 1 MPa is employed.

本発明によれば、エタノール、或いはエタノールとメタノールやジメチルエーテルとを原料として軽質オレフィンを有利に製造することができ、特に原料としてエタノールとメタノールやジメチルエーテルとを用いることにより、プロピレンを効率的に経済的に有利に製造することができる。
また本発明では、バイオマスからのエタノールを濃縮せずにそのまま原料として使用することができるので有利である。
更に本発明では、腐食性物質を用いない方法で触媒を調製し得ることから触媒が有利な方法で調製され、さらに触媒を腐食性を有しないものにし得ることから反応装置での腐食が解消され、反応装置を長期間安定して運転することができる。さらに、触媒製造装置や反応装置の腐食対策や触媒を廃棄する際の中和処理などを不要とすることができるので有利である。
According to the present invention, light olefins can be advantageously produced using ethanol or ethanol and methanol or dimethyl ether as raw materials. Propylene can be efficiently and economically produced by using ethanol, methanol or dimethyl ether as raw materials. Can be advantageously produced.
Moreover, in this invention, since ethanol from biomass can be used as it is, without concentrating, it is advantageous.
Furthermore, in the present invention, the catalyst can be prepared by an advantageous method because the catalyst can be prepared by a method that does not use a corrosive substance, and further, the corrosion in the reactor is eliminated because the catalyst can be made non-corrosive. The reactor can be stably operated for a long time. In addition, it is advantageous because it is possible to eliminate the need for countermeasures against corrosion of the catalyst production apparatus and the reaction apparatus and neutralization treatment when the catalyst is discarded.

次に、本発明を実施例により、更に詳細に説明するが、本発明は、これらの例によってなんら限定されるものではない。
なお、以下の実施例および比較例において、反応生成物の分析は、原料流通開始後の所定時間に反応器出口ガスをオンラインでサンプリング(生成物は全て気化)し、ガスクロマトグラフィーで分析した。生成物収率および原料転化率を次式により算出した。
生成物収率(炭素量基準:%)=
(各成分中の炭素モル量/供給原料中の炭素モル量)× 100
原料転化率(%)=(1−未反応原料質量/供給原料質量)× 100
なお、微量に生成するメタノールは、原料(エタノールに換算)として計算した。
また、原料にエタノール(EtOHで表すことがある)と共にジメチルエーテル(DMEで表すことがある)を用いた場合には、参考値として次の数値を示した。
原料のジメチルエーテル比率(質量%)=
〔(DME供給量)/(EtOH供給量+DME供給量)〕× 100
プロピレン生成率(質量%)=
〔(プロピレン収率)/(原料のジメチルエーテル比率)〕× 100
EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited at all by these examples.
In the following examples and comparative examples, the reaction products were analyzed by sampling the reactor outlet gas online (all the products were vaporized) at a predetermined time after starting the feed of raw materials and analyzing them by gas chromatography. The product yield and the raw material conversion were calculated by the following formula.
Product yield (carbon basis:%) =
(Molar amount of carbon in each component / molar amount of carbon in the feedstock) x 100
Raw material conversion rate (%) = (1-unreacted raw material mass / feed raw material mass) × 100
In addition, the methanol produced | generated in a trace amount was calculated as a raw material (equivalent to ethanol).
When dimethyl ether (sometimes represented by DME) was used together with ethanol (sometimes represented by EtOH) as a raw material, the following numerical values were shown as reference values.
Raw material dimethyl ether ratio (% by mass) =
[(DME supply amount) / (EtOH supply amount + DME supply amount)] × 100
Propylene production rate (mass%) =
[(Propylene yield) / (Raw material dimethyl ether ratio)] × 100

実施例1
ゼオライトとして粉末状のプロトン型ZSM−5ゼオライト〔ケイ光X線分析で測定したSiO2/Al23モル比=90、比表面積390mm2/g(BET法で測定)、粒子径150μm以下〕3.8gを、ゼオライトに対し10質量%に相当するジルコニウムを含む水溶液〔1.18gの硝酸ジルコニル二水和物〔ZrO(NO32・2H2O〕を脱イオン水400mLに溶解させたもの〕に懸濁し、水溶液の温度を80℃として2時間攪拌した。攪拌後の水溶液を室温(約25℃)まで冷却した後、アンモニア水(2.5モル/L)を攪拌しながら滴下し、水溶液のpHを9に調整した。pH=9に調整した該水溶液を室温でそのまま2時間攪拌後にろ過・洗浄して回収した白色スラリーを120℃で一晩乾燥し、引き続き550℃まで4時間で昇温、550℃で3時間焼成(空気雰囲気中)して白色粉末を得た。この粉末の全量を自動乳鉢〔日陶科学(株)製、ANM1000型〕に入れ、ゼオライトに対し5質量%のリンを含むリン酸塩の水溶液[0.8528gのリン酸水素二アンモニウム〔(NH42HPO4〕を2mLの脱イオン水に溶解させたもの]を添加し、自動乳鉢で2時間混練した。混練後のスラリーを120℃で一晩乾燥し、引き続き550℃まで4時間で昇温、550℃で3時間焼成(空気雰囲気中)して得た白色粉末を乳鉢で粉砕し、150μmのふるいを通過させたものを5%P−10%Zr/HZSM−5触媒とした。このリン酸塩での修飾時に腐食性の廃液は発生しなかった。
Example 1
Powdered proton type ZSM-5 zeolite as zeolite (SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio measured by fluorescent X-ray analysis = 90, specific surface area 390 mm 2 / g (measured by BET method), particle diameter of 150 μm or less) An aqueous solution containing 1.38 g of zirconium corresponding to 10% by mass with respect to zeolite [1.18 g of zirconyl nitrate dihydrate [ZrO (NO 3 ) 2 .2H 2 O] was dissolved in 400 mL of deionized water. The solution was suspended at a temperature of 80 ° C. and stirred for 2 hours. After the stirred aqueous solution was cooled to room temperature (about 25 ° C.), aqueous ammonia (2.5 mol / L) was added dropwise with stirring to adjust the pH of the aqueous solution to 9. The aqueous slurry adjusted to pH = 9 was stirred at room temperature for 2 hours and then filtered, washed and recovered. The white slurry recovered was dried at 120 ° C overnight, then heated to 550 ° C for 4 hours and calcined at 550 ° C for 3 hours. (In air atmosphere) to obtain a white powder. The whole amount of this powder was put into an automatic mortar (manufactured by Nissho Science Co., Ltd., ANM1000 type), and an aqueous solution of phosphate containing 0.8% by mass of phosphorus with respect to zeolite [0.8528 g of diammonium hydrogen phosphate [(NH 4 ) 2 HPO 4 ] dissolved in 2 mL of deionized water] was added and kneaded in an automatic mortar for 2 hours. The kneaded slurry was dried at 120 ° C. overnight, then heated to 550 ° C. over 4 hours, baked at 550 ° C. for 3 hours (in an air atmosphere), pulverized in a mortar and sieved with a 150 μm sieve. The one passed through was designated as 5% P-10% Zr / HZSM-5 catalyst. No corrosive waste liquid was generated during the modification with this phosphate.

この触媒を圧縮・粉砕・篩い分けを行って約1mmφの粒状にした成型品1gを内径14mmのステンレス製反応管(外径3mmの熱電対用内挿管付き)に充填した。触媒層の長さは約16mmであった。触媒層は上下に石英ウールを詰めて触媒を保持し、反応管のその他の部分には2mmφのアルミナボール(フジミインコーポレーテッド製、A−901型)を充填した。この反応管に窒素を60cm3/min(0℃、1気圧換算、以下同じ)で流しながら触媒層の温度を600℃まで昇温し、そのまま1時間焼成した。その後、600℃で12時間、窒素(60cm3/min)およびスチーム(2g/h)を流通させて高温スチーム処理を行った。スチーム処理終了後、触媒層の温度を500℃に保持し、原料としてエタノールの50質量%水溶液を4.1g/h、窒素を20cm3/minの流量で供給して、エタノールの反応を行った。なお、エタノールは水溶液として供給され、反応温度が500℃なので、スチーム共存下の反応となる。
原料の供給を開始してから3時間後に反応器出口の生成物を分析した結果を第1表に示す。エタノール転化率は100%、エチレン収率は約99%以上と高い値が得られた。このようにジメチルエーテル及び/またはメタノールの供給比率を零とした場合には、エチレンを高収率で得ることができるが、プロピレンの収率が低い。
This catalyst was compressed, pulverized and sieved to give 1 g of a molded product having a particle size of about 1 mmφ, and filled into a stainless steel reaction tube having an inner diameter of 14 mm (with an inner tube for thermocouple having an outer diameter of 3 mm). The length of the catalyst layer was about 16 mm. The catalyst layer was filled with quartz wool on the top and bottom to hold the catalyst, and the other part of the reaction tube was filled with 2 mmφ alumina balls (manufactured by Fujimi Incorporated, A-901 type). The temperature of the catalyst layer was raised to 600 ° C. while flowing nitrogen at 60 cm 3 / min (0 ° C., converted to 1 atm, the same applies hereinafter) into this reaction tube, and calcined for 1 hour. Thereafter, nitrogen (60 cm 3 / min) and steam (2 g / h) were circulated at 600 ° C. for 12 hours to perform high temperature steam treatment. After completion of the steam treatment, the temperature of the catalyst layer was maintained at 500 ° C., and ethanol reaction was performed by supplying a 50% by mass aqueous solution of ethanol as a raw material at a flow rate of 4.1 g / h and nitrogen at 20 cm 3 / min. . Since ethanol is supplied as an aqueous solution and the reaction temperature is 500 ° C., the reaction is in the presence of steam.
Table 1 shows the results of analyzing the product at the outlet of the reactor 3 hours after starting the feed of the raw materials. Ethanol conversion was 100% and ethylene yield was as high as about 99% or more. Thus, when the supply ratio of dimethyl ether and / or methanol is zero, ethylene can be obtained in a high yield, but the yield of propylene is low.

比較例1
実施例1で使用したものと同じプロトン型のZSM−5ゼオライトを、ジルコニウムを含む水溶液およびリン酸塩の水溶液での修飾をせずに成型・前処理を行い、同じ条件でエタノールの反応を行った。原料の供給を開始してから1時間後に反応器出口の生成物を分析した結果を第1表に示す。この結果、エタノールの転化率は100%であったが、エチレン収率は約40%と低い上にプロピレン収率が制御されておらず、軽質オレフィン(C2〜C4)の合計収率が約56%であり、軽質オレフィンの収率が低かった。
Comparative Example 1
The same proton type ZSM-5 zeolite as used in Example 1 was molded and pretreated without modification with an aqueous solution containing zirconium and an aqueous solution of phosphate, and reacted with ethanol under the same conditions. It was. Table 1 shows the results of analyzing the product at the outlet of the reactor one hour after starting the feed of the raw materials. As a result, the ethanol conversion was 100%, but the ethylene yield was as low as about 40% and the propylene yield was not controlled, and the total yield of light olefins (C 2 to C 4 ) was About 56%, the yield of light olefins was low.

実施例2
実施例1においてエタノール水溶液の供給を4時間行った後、触媒層の温度を500℃、エタノール50質量%水溶液の流量を4.1g/hとし、ジメチルエーテル0.25g/h、窒素20cm3/minを同時に反応器に供給した(原料のジメチルエーテル比率=10.8質量%)。1時間後に、反応器出口の生成物を分析した結果を第1表に示す(原料の合計供給時間:5時間)。その結果、エタノールおよびジメチルエーテルの転化率はいずれも100%であり、エチレン収率は81.3%、プロピレン収率は10.6%であった。非特許文献3によれば、ジメチルエーテルのみを反応させた場合のプロピレン生成率が約45%であるのに対して、本実施例ではプロピレン生成率が98.1%であり、本発明による触媒を用いてジメチルエーテルとエタノールの反応を行うことにより、プロピレン生成が促進されることが分かる。
Example 2
In Example 1, the ethanol aqueous solution was supplied for 4 hours, and then the temperature of the catalyst layer was 500 ° C., the flow rate of the ethanol 50 mass% aqueous solution was 4.1 g / h, dimethyl ether 0.25 g / h, nitrogen 20 cm 3 / min. Were simultaneously fed to the reactor (raw material dimethyl ether ratio = 10.8% by mass). The results of analyzing the product at the outlet of the reactor after 1 hour are shown in Table 1 (total feed time of raw materials: 5 hours). As a result, the conversion rates of ethanol and dimethyl ether were both 100%, the ethylene yield was 81.3%, and the propylene yield was 10.6%. According to Non-Patent Document 3, the propylene production rate when only dimethyl ether is reacted is about 45%, whereas in this example, the propylene production rate is 98.1%. It can be seen that propylene production is promoted by the reaction of dimethyl ether and ethanol.

実施例3
実施例2の反応を2時間実施した後、触媒層の温度は500℃のままで、エタノール50質量%水溶液の流量を3.64g/h、ジメチルエーテルの流量を0.49g/hに変更した(原料のジメチルエーテル比率:21.2質量%)。流量を変更してから1時間後に、反応器出口の生成物を分析した結果を第1表に示す(原料の合計供給時間:7時間)。この結果、エタノールおよびジメチルエーテルの転化率はいずれも100%で、エチレン収率66.1%、プロピレン収率16.7%であった。プロピレン生成率は約79%である。これのように、エタノールと、ジメチルエーテル及び/またはメタノールとの供給比率を制御することで、望みの比率でエチレン、プロピレンを得ることができ、市場の需要に対して効率的なオレフィン生産を行うことができる。
Example 3
After carrying out the reaction of Example 2 for 2 hours, the temperature of the catalyst layer was kept at 500 ° C., the flow rate of the 50% by weight ethanol aqueous solution was changed to 3.64 g / h, and the flow rate of dimethyl ether was changed to 0.49 g / h ( (Dimethyl ether ratio of raw material: 21.2% by mass). One hour after changing the flow rate, the results of analyzing the product at the outlet of the reactor are shown in Table 1 (total feed time of raw materials: 7 hours). As a result, the conversion rates of ethanol and dimethyl ether were both 100%, the ethylene yield was 66.1%, and the propylene yield was 16.7%. The propylene production rate is about 79%. In this way, by controlling the supply ratio of ethanol and dimethyl ether and / or methanol, ethylene and propylene can be obtained at the desired ratio, and efficient olefin production can be performed in response to market demand. Can do.

Figure 2007290991
Figure 2007290991

第1表において用いられている用語は以下の意味を有するものである。
1)流通時間:反応器に原料の供給を開始した後の経過時間
2)芳香族: ベンゼン+トルエン+キシレン+エチルベンゼン
3)C5+、コーク:炭素数5以上の炭化水素および付着コーク分(付着コーク分は約 1%未満)
4)COx:一酸化炭素+二酸化炭素
The terms used in Table 1 have the following meanings.
1) Distribution time: Elapsed time after starting the supply of raw materials to the reactor 2) Aromatic: benzene + toluene + xylene + ethylbenzene 3) C5 +, coke: hydrocarbons with 5 or more carbon atoms and adhering coke (adhering coke) Min is less than about 1%)
4) COx: carbon monoxide + carbon dioxide

Claims (8)

ジルコニウムおよびリンで修飾したペンタシル型構造のゼオライト触媒に、原料としてエタノールを接触させることを特徴とするオレフィン類の製造方法。   A process for producing olefins, characterized in that ethanol as a raw material is contacted with a zeolite catalyst having a pentasil structure modified with zirconium and phosphorus. エタノールと共にジメチルエーテル及び/またはメタノールを原料に用い、エタノールに対するジメチルエーテル及び/またはメタノールの供給比率を制御することで、生成オレフィン中のプロピレン量を調整する請求項1に記載のオレフィン類の製造方法。   The method for producing olefins according to claim 1, wherein dimethyl ether and / or methanol is used as a raw material together with ethanol, and the amount of propylene in the generated olefin is adjusted by controlling the supply ratio of dimethyl ether and / or methanol to ethanol. エタノールに対するジメチルエーテル及び/またはメタノールの供給比率が炭素原子比で70%以下である請求項2に記載のオレフィン類の製造方法。   The method for producing olefins according to claim 2, wherein a supply ratio of dimethyl ether and / or methanol to ethanol is 70% or less in terms of carbon atom ratio. ペンタシル型構造のゼオライトが、ZSM−5及び/またはZSM−11である請求項1〜3のいずれかに記載のオレフィン類の製造方法。   The method for producing olefins according to any one of claims 1 to 3, wherein the zeolite having a pentasil structure is ZSM-5 and / or ZSM-11. ペンタシル型構造のゼオライトのシリカ/アルミナモル比が20〜700である請求項1〜4のいずれかに記載のオレフィン類の製造方法。   The method for producing olefins according to any one of claims 1 to 4, wherein the pentasil-type zeolite has a silica / alumina molar ratio of 20 to 700. ジルコニウムおよびリンで修飾したペンタシル型構造のゼオライト触媒が、ジルコニウムで修飾したペンタシル型構造のゼオライトを、リン酸塩および/または有機リン化合物で修飾したものである請求項1〜5のいずれかに記載のオレフィン類の製造方法。   6. The pentasil-type zeolite catalyst modified with zirconium and phosphorus is a zirconium-modified pentasil-type zeolite modified with a phosphate and / or an organophosphorus compound. Of producing olefins. スチーム存在下300〜1000℃の温度で前処理したゼオライト触媒に、原料を接触させる請求項1〜6のいずれかに記載のオレフィン類の製造方法。   The method for producing olefins according to any one of claims 1 to 6, wherein the raw material is brought into contact with a zeolite catalyst pretreated at a temperature of 300 to 1000 ° C in the presence of steam. ゼオライト触媒にスチーム存在下で原料を接触させる請求項1〜7のいずれかに記載のオレフィン類の製造方法。   The method for producing olefins according to any one of claims 1 to 7, wherein the raw material is brought into contact with the zeolite catalyst in the presence of steam.
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