JP2008266245A - 芳香族炭化水素の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】炭化水素の触媒反応による芳香族炭化水素の製造における触媒の劣化を防止して、長期に亘り反応効率を高く維持する。
【解決手段】炭化水素を触媒の存在下で反応させて芳香族炭化水素を製造する反応工程と、該反応工程で使用された触媒を再生する再生工程とを備える芳香族炭化水素の製造方法において、再生工程が、還元性ガスによる第１の再生工程と、酸化性ガスによる第２の再生工程とを有する芳香族炭化水素の製造方法。還元性ガスによる再生工程と酸化性ガスによる再生工程とを備えるため、還元性ガスでは除去し得ない副生コークを酸化性ガスにより効果的に除去して触媒活性をほぼ新品と同等に回復させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、芳香族炭化水素の製造方法に係り、詳しくは、メタン等の炭化水素の触媒反応により芳香族炭化水素を製造する方法において、反応に用いた触媒の劣化を有効に防止する方法に関する。

従来、炭化水素、特にメタンからベンゼン等の芳香族炭化水素を製造する方法として、酸素ガスが存在しない系で、触媒上でメタンを直接分解させる、いわゆるメタンの直接転換法が知られており、その触媒としては、通常、ＨＺＳＭ−５ゼオライトに担持されたモリブデンやレニウム等が用いられている（例えば、特許文献１）。

しかしながら、この方法では、反応に用いた触媒の表面に副生コークが析出、蓄積することによる経時的な触媒活性の低下の問題があり、活性の低下した触媒の再生が不可欠である。

従来、この触媒の再生方法としては、触媒を水素ガスで処理して、触媒に付着したコークを水素との反応でメタン化して除去する方法が知られている。このようにして触媒を再生する方法として、反応器に原料メタンガスと水素ガスとを周期的に交互に送給し、原料メタンガス送給による反応工程と、水素ガス送給による再生工程とを交互に行う方法が提案されている（例えば、特許文献１，非特許文献１）。
ＷＯ２００６／０８７９７１号公報 特開２００３−２６６１３号公報 「触媒 Catalysts & Catalysis」(SEP.2006 Vol.48 No.6)第４８２頁〜第４８４頁「水素による連続再生式メタン脱水素芳香族化反応プロセス」

特許文献２や非特許文献１に記載される方法に従って触媒を水素ガスで処理することにより、触媒活性をある程度高めることはできるが、その再生効果は十分ではなく、反応と再生を繰り返し行ううちに、再生効率は更に悪化し、反応効率が低下するという問題があった。

本発明は上記従来の問題点を解決し、炭化水素の触媒反応による芳香族炭化水素の製造における触媒の劣化を防止して、長期に亘り反応効率を高く維持する芳香族炭化水素の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、反応を継続することにより、水素のような還元性ガスでは容易には除去し得ない副生コークが触媒上に付着、蓄積し、再生後もこの副生コークが触媒上に残留することにより、触媒が経時により劣化していくこと、この還元性ガスでは除去し得ない触媒上の副生コークは、酸化性ガスにより除去し得ることを見出した。

本発明はこのような知見に基いて達成されたものであり、以下を要旨とする。

［１］ 炭化水素を触媒の存在下で反応させて芳香族炭化水素を製造する反応工程と、該反応工程で使用された触媒を再生する再生工程とを備える芳香族炭化水素の製造方法において、
該再生工程が、還元性ガスによる第１の再生工程と、酸化性ガスによる第２の再生工程とを有することを特徴とする芳香族炭化水素の製造方法。

［２］ ［１］において、前記酸化性ガスによる第２の再生工程を、６００℃以下の温度で行うことを特徴とする芳香族炭化水素の製造方法。

［３］ ［１］又は［２］において、前記反応工程を経た触媒を前記第１の再生工程に送給した後、再び反応工程に戻す第１の循環工程と、該第１の再生工程を経た触媒を前記第２の再生工程に送給して再び第１の再生工程に戻す第２の循環工程とを備えることを特徴とする芳香族炭化水素の製造方法。

本発明の芳香族炭化水素の製造方法では、触媒の再生工程として、還元性ガスによる再生工程と酸化性ガスによる再生工程とを備えるため、還元性ガスでは除去し得ない副生コークを酸化性ガスにより効果的に除去して触媒活性をほぼ新品と同等に回復させることができる。
このため、触媒活性を長期に亘り高く維持した上で効率的な反応を継続することができるようになる。

本発明において、酸化性ガスによる触媒の再生は、触媒の劣化ないし燃焼を防止するために、６００℃以下の条件で行うことが好ましい（請求項２）。

また、本発明は、反応工程を経た触媒を第１の再生工程に送給して還元性ガスで再生した後再び反応工程に戻し、第１の再生工程を経た触媒を第２の再生工程に送給して酸化性ガスで再生した後再び第１の再生工程に戻すように、触媒を循環させて再生を行うことにより、効率的に実施することができる（請求項３）。

以下に本発明の芳香族炭化水素の製造方法の実施の形態を詳細に説明する。

本発明の芳香族炭化水素の製造方法は、炭化水素を触媒の存在下で反応させて芳香族炭化水素を製造する反応工程と、該反応工程で使用された触媒を再生する再生工程とを備える芳香族炭化水素の製造方法において、再生工程として、還元性ガスによる第１の再生（以下「還元再生」と称す場合がある。）工程と、酸化性ガスによる第２の再生（以下「酸化再生」と称す場合がある。）工程とを行うことを特徴とする。

以下に本発明に係る反応工程、再生工程について説明する。

［反応工程］
＜原料ガス＞
原料となる炭化水素としては、炭素数１〜４の低級炭化水素化合物が挙げられ、具体的にはメタン、エタン、プロパン、ｎ−ブタン、ｉ−ブタン及びこれらに対応する不飽和炭化水素が挙げられるが、好ましくはメタン、エタン、エチレン、更に好ましくはメタン及び／又はエタンである。
原料メタンガスとしては、メタンを、容量％で６０％以上、特に８０％以上を含有するものが好ましく、このようなものであればその他に炭素数が２〜５の飽和及び不飽和炭化水素（例えば、エタン、エチレン、プロパン等）が含まれていても良い。

原料メタンガスとしては、実用的には天然ガス（ＬＮＧ、ＮＧ）、ＬＰＧ、メタンハイドレード、石油化学又は石油精製のオフガス、コークス炉ガス、石炭ガス化ガス、アスファルトガス化ガス、重質油残渣ガス化ガス、石油コークスガス化ガス、改質炉ガス、オキソガス、バイオガス、バイオマスガス化ガス、廃棄物ガス化ガス等を用いることができる。

＜触媒＞
触媒としては、例えば、Ｍｏ、Ｗ、Ｒｅ又はそれら化合物の１種以上を必須とし、所望により、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｃｏ、Ｆｅ又はそれらの化合物の１種以上、希土類金属又はその化合物の１種以上を含む触媒材料と、メタロシリケートから成る触媒が好適である。

担体として使用されるメタロシリケートとしては多数の細孔を有する多孔質体が好ましい。例えば、アルミノシリケートの場合、種々の組成から成るシリカ及びアルミナから成る多孔質担体であるモレキュラーシーブ５Ａ（ＵＴＡ）、フォジャサイト（ＮａＹ）及びＮａＸ、ＺＳＭ−５、ＺＳＭ−１１、ＺＳＭ−２２、ＺＳＭ−４８、β、モルデナイト、ＭＣＭ−２２等が挙げられる。またリン酸を主成分とする担体の場合、ＳＡＰＯ−５、ＳＡＰＯ−３４、ＶＰＩ−５等に代表される多孔質担体で４〜８Åのミクロ細孔やチャンネルを有する担体を例示することが出来る。

更には、シリカを主成分とし一部アルミナを成分として含むメゾ細孔（１０〜１００Å）の筒状細孔（チャンネル）で特徴づけられるＦＳＭ−１６やＭＣＭ−４１等のメゾ細孔多孔質担体をシリコンアルコキサイド等を使用したＣＶＤ法によりメゾ細孔径を４〜８Åに調整した修飾メゾ細孔材などを例示できる。

メタロシリケートとしては、シリカ又はアルミナからなるアルミノシリケートの他に、シリカ及びチタニアから成るチタノシリケート等の多孔質担体でありＦｅ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｏ、Ｖ、Ｚｎ等を含有し、細孔径が４〜８Åであるものが好適に使用することが出来る。

また、ミクロ及びメゾ細孔が４〜８Åの担体が好ましく、５．５±１Åの範囲のメタロシリケートがより好ましく、更に、表面積が２００〜１０００ｍ^２／ｇであるメタロシリケートがより好ましい。また、例えば、アミルノシリケートの場合のシリカとアルミナの含有比としては、通常入手し得る多孔質担体のシリカ／アルミナ比＝１〜８０００のものを使用することが出来るが、実用的な転化率及び選択率を得るためには、シリカ／アルミナ比は１０〜１００であることが好ましい。

Ｍｏ、Ｗ、Ｒｅ等の触媒材料は、メタロシリケートに担持させる際に、前駆体として用意することが出来る。前駆体の例としては、塩化物、臭化物などのハロゲン化物、硝酸塩、硫酸塩、リン酸塩などの鉱酸塩、炭酸塩、酢酸塩、蓚酸塩などのカルボン酸塩や金属カルボニル錯体やシクロペンタジエニル錯体などの有機金属塩、金属酸またはその塩を例示することが出来る。特に、レニウムの前駆体の例としては、レニウムカルボニル化合物（Ｒｅ_２（ＣＯ）_１０、Ｒｅ_６（ＣＯ）、（Ｃ_５Ｈ_５）_２Ｒｅ（ＣＯ）_２、ＣＨ_３ＲｅＯ_３）の他に、塩化物、臭化物などのハロゲン化物、硝酸塩、硫酸塩、リン酸塩などの鉱酸塩、炭酸塩、酢酸塩、蓚酸塩などのカルボン酸塩が例示できる。また、前駆体としては複合錯塩や複合酸化物を使用することも出来る。モリブデンの前駆体の例としては、パラモリブデン酸アンモニウム、リンモリブデン酸、１２ケイモリブデン酸などの金属酸またはその塩が例示できる。

前記のメタロシリケートに上記の触媒材料を担持させる際の担持量は、特に制限はないが、各触媒材料群毎に、全触媒重量に基づく値として、通常０．００１〜５０重量％、好ましくは０．０１〜４０重量％である。なお、複数の群から触媒材料を選択する場合は、触媒材料の担持量の合計は、全触媒重量に基づく値として、通常０．００２〜５０重量％、好ましくは０．０２〜４０重量％である。なお、上記担持量範囲は、触媒材料に前駆体を使用する場合には前駆体としての担持量を示す。

メタロシリケートに触媒材料を担持させる方法としては、（ｉ）前述した金属の前駆体の水溶液又はアルコール等の有機溶媒の溶液としてメタロシリケートに含浸担持させる方法、（ii）イオン変換方法により担持させた後、不活性ガスあるいは酸素ガス中で加熱処理する方法などがある。この方法の一例をより具体的に説明すると、まず最初に、例えば、メタロシリケート担体に硝酸レニウム水溶液を含浸担持させ、更に乾燥して溶媒を適当量除いた後、窒素含有酸素気流中又は純酸素気流中で通常２５０〜８００℃、好ましくは３５０〜６００℃で加熱処理してレニウムを担持したメタロシリケート触媒を製造することが出来る。また、複合酸化物や複合錯塩を使用して触媒を得る場合にも同様の担持方法や、加熱処理方法によって複合酸化物塩や複合錯塩から成る触媒を得ることが出来る。

モリブデン、タングステン、レニウム及び／又はそれらの化合物（以下、第一成分という）、亜鉛、ガリウム、鉄、コバルト、クロム及びそれらの化合物から成る群から所望により選ばれた少なくとも一種類（以下、第二成分という）、希土類金属又はその化合物から成る群から所望により選ばれた少なくとも１種類、及び、担体からなる触媒は、メタロシリケートに第一成分を担持した後、所望により選択した第二成分以降を順次担持させる方法、メタロシリケートに第一成分及び所望により選択した第二成分以降を適宜の順序で担持させせる方法、メタロシリケートに各成分を同時に担持させる方法によって製造することが出来る。これらの中では、先ず、第一成分をメタロシリケートに担持させるのが好ましい。その後は、順次各成分を担持させてもよく、また、複数の成分を同時に担持させてもよい。

触媒は、粉末状、ペレット状、その他の形状の何れであってもよい。また、触媒は、芳香族化合物を生成する誘導期を短縮するため、水素ガスやヒドラジン、金属水素化合物、例えば、ＢＨ_３、ＮａＨ、ＡｌＨ_３等による前処理を含む触媒活性化過程を施してもよい。

＜反応方式、反応条件＞
反応は、通常、回分式又は流通式の反応形式で行われるが、固定床、移動床、流動化床などの流通式反応形式で行うことが好ましい。
反応温度は、通常６５０〜９００℃で行われる。
反応圧力は、通常０．０１〜１ＭＰａ（全圧、以下同じ）、好ましくは０．０５〜０．７ＭＰａ、原料ガスの供給速度（ＳＶ）は、通常５００〜１０００００ｍｌ／ｈｒ・ｇであり、好ましくは１０００〜２００００ｍｌ／ｈｒ・ｇである。
反応時間は、過度に長いと触媒の劣化が著しく、過度に短いと生産効率が低下することから、０．００１秒〜４分、特に０．０１秒〜２分とするのが好ましい。
なお、ここで、反応時間とは、触媒が前述の原料ガスと連続して接触している時間をさす。

＜生成ガス＞
本発明では、上述のような反応で、例えば以下の反応式に従って、ベンゼン、トルエン等の芳香族炭化水素を主成分とする生成ガスを得る。なお、得られる生成ガス中には、目的とする芳香族炭化水素の他、副生する水素、メタン等の未反応炭化水素が含まれる。
６ＣＨ_４→Ｃ_６Ｈ_６＋９Ｈ_２

［再生工程］
＜還元再生工程＞
反応に使用した触媒の還元再生に用いる還元性ガスとしては、特に水素ガスが好適に用いられる。
還元性ガスの水素濃度は高い方が好ましく、通常６０容量％以上、特に８０容量％以上、とりわけ９０容量％以上である。

還元再生工程もまた、反応工程と同様に、通常、回分式又は流通式の反応形式で行われるが、固定床、移動床、流動化床などの流通式反応形式で行うことが好ましい。
還元再生温度は、通常反応工程と同様に６５０〜９００℃で行うことが好ましい。
また、還元再生圧力は、通常０．０１〜１ＭＰａ（全圧、以下同じ）、好ましくは０．０５〜０．７ＭＰａ、還元性ガスの供給速度（ＳＶ）は、通常５００〜２００００ｍｌ／ｈｒ・ｇであり、好ましくは１０００〜１００００ｍｌ／ｈｒ・ｇである。

還元再生時間は、過度に短いと十分な再生効果を得ることができず、過度に長いと相対的に反応時間が短くなって生産効率が低下することから、２〜９０分、特に５〜６０分とするのが好ましい。
なお、ここで、還元再生時間とは、触媒が上述の還元性ガスと連続して接触している時間をさす。

このような還元再生で、触媒上の副生コークは、還元性ガスにより還元され、メタン等に変換されて除去される。

＜酸化再生工程＞
触媒の酸化再生に用いる酸化性ガスとしては、特に酸素含有ガスが好適に用いられる。
酸化性ガスの酸素濃度は過度に低いと十分な酸化再生効果が得られず、逆に過度に高いと触媒劣化の原因となる場合があるので、０．１容量％以上、特に１容量％以上で、５０容量％以下、特に２５容量％以下であることが好ましい。
このような酸化性ガスとしては、例えば酸素、オゾン、一酸化炭素、二酸化炭素、一酸化窒素、二酸化窒素等の１種又は２種以上を用いることができる。

酸化再生工程もまた、還元再生工程と同様に、通常、回分式又は流通式の反応形式で行われるが、固定床、移動床、流動化床などの流通式反応形式で行うことが好ましい。
酸化再生温度は、通常過度に高いと触媒の劣化ないし燃焼のおそれがあるので６５０℃以下、特に５５０℃以下とすることが好ましい。ただし、この温度が過度に低いと十分な再生効果が得られないことから、３００℃以上、特に４００℃以上とすることが好ましい。
また、酸化再生圧力は、通常０．０１〜１ＭＰａ（全圧、以下同じ）、好ましくは０．０５〜０．７ＭＰａ、酸化性ガスの供給速度（ＳＶ）は、通常１０〜５００００ｍｌ／ｈｒ・ｇであり、好ましくは１００〜１００００ｍｌ／ｈｒ・ｇである。

酸化再生時間は、過度に短いと十分な再生効果を得ることができず、過度に長いと相対的に反応時間が短くなって生産効率が低下することから、０．１〜５００分、特に１〜３００分とするのが好ましい。
なお、ここで、酸化再生時間とは、触媒が上述の酸化性ガスと連続して接触している時間をさす。

このような酸化再生で、触媒上の副生コークは、酸化性ガスにより酸化されて二酸化炭素等に変換されて除去される。

＜還元再生と酸化再生の頻度＞
上述の如く、還元再生は反応工程と同様の条件で行うことができ、酸化再生は、反応工程とは特に好適温度が異なることから、本発明では、反応工程と還元再生工程とを繰り返し行い、この繰り返し工程で触媒が劣化して還元再生による回復効果が低減した場合に酸化再生工程を入れるようにすることが好ましい。
従って、一般的には前述の如く、０．００１秒〜４分の反応工程と２〜９０分の還元再生工程とを繰り返し行い、この反応と還元再生とを１０〜１００００回程度繰り返し行った後に、０．１〜５００分の酸化再生工程を行うようにすることが好ましい。

［好適態様］
反応と触媒の再生とを交互に繰り返し行う場合、原料ガスと再生ガスとを、周期的に交互に触媒に接触させることにより、反応と再生を交互に行うようにすることが好ましい。
このような反応の実施方式には、
（ｉ）触媒を充填した反応器に対して、原料ガス又は再生ガスとを、切り換え操作により、周期的に且つ交互に切換えて供給する方式
（ii）原料ガスが流通している反応帯域（反応器）と、再生ガスが流通している再生帯域（再生器）との間を、触媒粒子を循環させる方式
等を採用することができるが、本発明においては、再生工程として還元性ガスによる再生と酸化性ガスによる再生とを行うため、例えば、以下のように、流動床式の反応塔を３塔（反応用の反応塔と、還元再生用の反応塔と、酸化再生用の反応塔）設け、触媒を循環させる方式で行うことが好ましい。

以下に本発明の好適な実施態様を図１を参照して説明する。

図１において、１は反応塔（炭化水素の反応を行う反応塔）、２は還元再生塔、３は酸化再生塔であり、ａ，ｂ，ｃ，ｄは触媒流路を示す。反応塔１には原料ガスが導入され、生成ガスが取り出される。還元再生塔２には、還元性ガスである水素ガスが導入され、再生排ガスが排出される。また、酸化再生塔３には酸化性ガスである酸素含有ガスが導入され、再生排ガスが排出される。

反応塔１で反応に使用された触媒は、反応塔１から抜き出され、流路ａを経て還元再生塔２に導入され、還元性ガスにより再生された後、流路ｂを経て反応塔１に戻される。この還元再生塔２からは、流路ｃを経て触媒が抜き出されて酸化再生塔３に導入され、酸化性ガスにより再生された後、流路ｄを経て還元再生塔２に戻される。
このような触媒循環方式の反応塔を用いて、各塔の触媒の滞留時間を調整することにより、反応と還元再生と酸化再生とを適当なタイムスケジュールで実施することが可能となる。

［実験例］
以下に実験例を挙げる。
なお、以下の実験例で用いた触媒は、次のようにして調製した。
＜調製例１＞
パラモリブデン酸アンモニウム１．１７４ｇを１００ｍｌの蒸留水に溶かし、アンモニウム型ＺＳＭ−５（シリカ／アルミナ比＝３０、表面積４００ｍ^２／ｇ）の粉末１０．０ｇを加え、室温で１時間、十分に攪拌した後、回転式減圧エバポレーターで水を蒸発させて、１２０℃で１夜乾燥した。これを耐熱皿（直径１５ｃｍ、深さ６ｃｍ）に移し、触媒焼成炉（内容積約２０Ｌ）を用いて、空気中で５５０℃にて８時間焼成して粉末を得た。さらに、この粉末を小型手動式加圧成型器を用いて直径２ｃｍ、厚さ０．３ｃｍの円柱体に成型した後、粉砕、続いてふるいわけを行い、粒子サイズ６００〜１０００μｍのものを調製し、全触媒重量に対して６重量％のモリブデンを担持したアンモニウム型ＺＳＭ−５触媒（以下「Ｍｏ（６％）／ＨＺＳＭ−５」と略記する）を得た。

＜実験例１＞
調製例１で調製したＭｏ（６％）／ＨＺＳＭ−５触媒０．３２４ｇを流通式固定床反応装置の反応管に充填し、７００℃で２時間、メタン：水素＝１：４の混合ガスを流通させて触媒を炭化処理した後、反応管に、原料ガスと再生ガスとを交互に切換えて供給することにより、次の条件で、反応工程と還元再生工程とを繰り返し行い、所定時間経過後のベンゼンの収率を、ベンゼン生成量／メタン消費量を炭素見合い（％）で算出し、結果を表１に示した。

＜反応工程＞
原料ガス組成：８８．６容量％メタン、１０．１容量％窒素、
１．３容量％二酸化炭素
原料ガス流量：ＳＶ＝１１０００ｍｌ／ｈｒ・ｇ
反応温度：８００℃
反応圧力：０．１ＭＰａ
反応時間：２分

＜還元再生工程＞
還元性ガス組成：１００％水素
還元性ガス流量：ＳＶ＝２５００ｍｌ／ｈｒ・ｇ
再生温度：８００℃
再生圧力：０．１ＭＰａ
再生時間：８分

表１より、単に反応と水素ガスによる還元再生とを交互に繰り返すのみでは、触媒の経時変化は防止し得ないことが分かる。

＜実験例２＞
実験例１で８時間の反応により活性が低下した触媒と同程度に活性が低下した触媒を用いて下記の条件で、実験例１における還元再生と同様の操作で酸化再生を行った後、実験例１と同様の反応に供したところ、実験例１における反応開始直後と同等の反応成績を得ることができ、酸化再生により、触媒活性は十分に回復したことが確認された。

＜酸化再生工程＞
酸化性ガス組成：２容量％酸素、９８容量％不活性ガス
酸化性ガス流量：ＳＶ＝５０００ｍｌ／ｈｒ・ｇ
再生温度：４５０℃
再生圧力：０．１ＭＰａ
再生時間：１８０分

以上より、還元再生と酸化再生とを組み合わせて行うことにより、触媒の劣化を防止して、触媒活性を高く維持することができることが分かる。

本発明の芳香族炭化水素の製造方法の好適な実施形態を示す系統図である。

符号の説明

１ 反応塔
２ 還元再生塔
３ 酸化再生塔

Claims (3)

1. 炭化水素を触媒の存在下で反応させて芳香族炭化水素を製造する反応工程と、該反応工程で使用された触媒を再生する再生工程とを備える芳香族炭化水素の製造方法において、
   該再生工程が、還元性ガスによる第１の再生工程と、酸化性ガスによる第２の再生工程とを有することを特徴とする芳香族炭化水素の製造方法。
2. 請求項１において、前記酸化性ガスによる第２の再生工程を、６００℃以下の温度で行うことを特徴とする芳香族炭化水素の製造方法。
3. 請求項１又は２において、前記反応工程を経た触媒を前記第１の再生工程に送給した後、再び反応工程に戻す第１の循環工程と、該第１の再生工程を経た触媒を前記第２の再生工程に送給して再び第１の再生工程に戻す第２の循環工程とを備えることを特徴とする芳香族炭化水素の製造方法。

Images