JP2008512236A - 軽質オレフィン製造用固体酸触媒及びこれを用いた方法 - Google Patents
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Abstract
Description
上記の観点から、従来の接触分解技術で知られている触媒の製造方法は、大きく2つの種類に分類することができる。
従来の技術で直面する問題点を解決するために、本発明者らは、従来から知られているHZSM−5ゼオライト系触媒に比べて様々な利点を示し、炭化水素成分(フルレンジナフサ、特にC2〜12の炭化水素を含有するフルレンジナフサが代表例として示される)の軽質オレフィン(例えば、エチレン及びプロピレン)への転換性能に優れ、かつ簡便な手順で製造できる新規な多孔性固体酸触媒を開発した。さらに、スチームクラッキングを含む従来の技術に比べて低温においても、このような新規触媒を用いて軽質オレフィンを優れた効率と選択性で製造する改善方法を開発した。より具体的には、本発明は、特定の成分及び組成比を持つ原料混合物をi)架橋反応及びii)固相反応させて製造される多孔性物質が原料物質とは明らかに異なる特性(特に、結晶構造など)を有し、これを炭化水素成分から軽質オレフィンを製造するための触媒として使用すると、高収率及び高選択性が得られるという予期できない発見に基づくものである。
a)酸化物の形態を基準として、15〜300のSi/Alモル比を有するHZSM−5を42.0〜60.0質量%、12.0〜38.0質量%の層状化合物、架橋剤としてのAl2O3を1.0〜20.0質量%、1.0〜4.0質量%のP2O5、10.0〜15.0質量%のSiO2、及び0.5〜2.5質量%のB2O3を含む原料混合物の架橋反応を水中で行い、架橋化された生成物を含有する水性スラリーを製造すること、
b)前記水性スラリーをペレット化してペレット化触媒を形成すること、
c)前記ペレット化触媒に表1のXRDパターンを有する結晶構造を与えるのに十分な熱処理条件下で前記ペレット化触媒の固相反応を行うことを含む、軽質オレフィン製造用多孔性固体酸触媒の製造方法が提供される。
a)供給原料として炭化水素成分を提供すること、
b)前記供給原料を少なくとも一つの反応器を含む反応領域内に移して前記供給原料を前記触媒の存在下で反応させること、
c)前記反応領域の流出物から軽質オレフィンを分離し軽質オレフィンを回収することを含む、軽質オレフィンの製造方法が提供される。
本発明に従った多孔性固体酸触媒は、架橋及び固相反応によって変化し、原料物質を構成する成分、特にHZSM−5及び層状化合物、とは異なる結晶構造を有する。その結果、炭化水素成分、特にC2〜12の炭化水素を含有するフルレンジナフサから軽質オレフィンを選択的に製造するのに優れた触媒性能を保証することが可能である。さらに、触媒の製造に含まれる反応は簡単であり、触媒製造原料の費用は比較的低く、かつ、従来のスチームクラッキング工程で要求される反応温度より低い温度でも、軽質オレフィンの製造に要求される十分な触媒活性を保証することが可能である。しかも、本発明は、軽質オレフィン製造用供給原料として比較的安価のフルレンジナフサを使用することを可能とする。
以下に添付図面を参照しながら、本発明についてより詳細に説明する。
前述したように、軽質オレフィン製造用多孔性固体酸触媒につき、酸化物の形態を基準として、Si/Alモル比15〜300のHZSM−5 42.0〜60.0質量%、層状化合物12.0〜38.0質量%、Al2O31.0〜20.0質量%、P2O51.0〜4.0質量%、SiO210.0〜15.0質量%及びB2O30.5〜2.5質量%を含む原料混合物の触媒的活性成分(すなわち、HZSM−5)が、架橋された層状化合物と固相反応し、もとの形態と全く異なる特性(結晶構造)を有する多孔性物質に変化する。このような物質を軽質オレフィン製造のための触媒として使用する場合、収率及び選択性においてさまざまな利点が保証される。本発明によれば、酸性度、触媒の組成的及び構造的な特徴が下記の技術を用いて適切に選択され、調節される:
(3)バインダーとして無機金属酸化物を特定の量で用いてペレット化触媒を製造するとともに、優れた活性を保証し、高温蒸気雰囲気下での炭化水素成分の変換(例えば、接触分解)の間であっても触媒が物理的に破壊されることを防ぐ技術。
特定の組成を有する原料混合物中の層状化合物の架橋;架橋を行った前記原料混合物の成形;及び、前述したXRDパターンを有する結晶構造を達成するために十分な熱処理条件下での前記ペレット化触媒の固相反応。例示の方法は、以下に詳しく説明される。
本発明を具体的に説明するために提示されるが本発明を限定する意味に解釈されるべきではない以下の実施例及び比較例によって、本発明につき、よりよく理解することができる。
(1)60.2質量%のAl(NO3)3・9H2O溶液125.63gに、85.0質量%リン酸23.303gを均一に混合して室温で12時間熟成した。
(2)120gの蒸留水に、Si/Alモル比25、比表面積400m2/gのHZSM−5(Zeolyst社)75.2g及びカオリン(Aldrich社)69.6gを加え、12,000rpmで10時間攪拌した。攪拌中にスラリーの粘度を調節しながら、56.4gのLudoxシリカゾルAS−40(Aldrich社)を投入した。攪拌を止めた後、混合した溶液(1)50.0g及び9.1質量%ホウ酸溶液55.0gを加え、11時間再び攪拌して均一なスラリーを得た。噴霧乾燥器(ミヒョンエンジニアリング社製のMH−8)を用いてスラリーからペレット化触媒を製造した(粒子サイズは約50〜80μm)。続いて、前記ペレット化触媒につき、窒素雰囲気下500℃で3時間第1熱処理を行い、その後、空気雰囲気下650℃で3時間第2熱処理を行って触媒を製造した。得られた触媒のBET比表面積を測定したところ、約200m2/gであった。使用した原料物質の組成を下記表3に示す。
原料物質の組成を下記表3に示すように変化させた以外は、前記実施例1と同様の手順を繰り返して触媒を製造した。粒子サイズは約50〜80μm、BET比表面積は約270m2/gであった。
実施例2と同様に触媒を製造し、本実施例はフルレンジナフサの種類による影響を評価するために行われた。
カオリン(Aldrich社)につき、500℃の窒素雰囲気下で3時間、第1処理を行い、その後、650℃の空気雰囲気で3時間、第2熱処理を行って、触媒を製造した。BET比表面積は約20m2/gであった。
30.0gの蒸留水にカオリン(Aldrich社)42.0gを加え、12,000rpmで10時間攪拌した。攪拌中にスラリーの粘度を調節しながら、33.8gのLudoxシリカゾルAS−40を投入した。攪拌を止めた後、実施例1で製造した溶液(1)30g及び9.1質量%のホウ酸溶液22gを加え、5時間再び攪拌して均一なスラリーを得た。噴霧乾燥器(ミヒョンエンジニアリング社製のMH−8)を用いてスラリーからペレット化触媒を製造した(粒子サイズは約50〜80μm)。続いて、前記ペレット化触媒につき、500℃の窒素雰囲気下で3時間第1熱処理を行い、その後、650℃の空気雰囲気で3時間第2熱処理を行って、触媒を製造した。得られた触媒のBET比表面積を測定したところ、約50m2/gであった。使用した原料物質の組成を下記表3に示す。
45.0gの蒸留水に、Si/Alモル比25、比表面積400m2/gのHZSM−5(Zeolyst社)27.0g及びカオリン(Aldrich社)35.0gを入れて12,000rpmで10時間攪拌した。攪拌中にスラリーの粘度を調節しながら、17.0gのLudoxシリカゾルAS−40を加えた。攪拌を止めた後、60.2質量%のAl(NO3)3・9H2O溶液25.2gを加え、5時間再び攪拌して均一なスラリーを得た。噴霧乾燥器(ミヒョンエンジニアリング社製のMH−8)を用いてスラリーからペレット化触媒を製造した(粒子サイズは約50〜80μm)。続いて、前記ペレット化触媒を500℃の窒素雰囲気下で3時間第1熱処理を行い、その後、650℃の空気雰囲気で3時間第2熱処理を行って、触媒を製造した。得られた触媒のBET比表面積を測定したところ、約150m2/gであった。使用した原料物質の組成を下記表3に示す。
40.0gの蒸留水に、Si/Alモル比25、比表面積400m2/gのHZSM−5(Zeolyst社)17.0g及びカオリン(Aldrich社)27.8gを加え、12,000rpmで10時間攪拌した。攪拌中にスラリーの粘度を調節しながら、22.6gのLudoxシリカゾルAS−40を加えた。攪拌を止めた後、実施例1で製造した溶液(1)20g及び9.1質量%ホウ酸溶液16.5gを加え、5時間再び攪拌して均一なスラリーを得た。噴霧乾燥器(ミヒョンエンジニアリング社製のMH−8)を用いてスラリーからペレット化触媒を製造した(粒子サイズは約50〜80μm)。続いて、前記ペレット化触媒につき、500℃の窒素雰囲気下で3時間第1熱処理を行い、その後、650℃の空気雰囲気で3時間第2熱処理を行って触媒を製造した。得られた触媒のBET比表面積を測定したところ、約150m2/gであった。使用した原料物質の組成を下記表3に示す。
80.0gの蒸留水に、Si/Alモル比25、比表面積400m2/gのHZSM−5(Zeolyst社)58.0g及びカオリン(Aldrich社)52.6gを加え、12,000rpmで10時間攪拌して均一なスラリーを得た。噴霧乾燥器(ミヒョンエンジニアリング社製のMH−8)を用いてスラリーからペレット化触媒を製造した(粒子サイズは約50〜80μm)。続いて、前記ペレット化触媒を500℃の窒素雰囲気下で3時間第1熱処理を行い、その後、650℃の空気雰囲気で3時間第2熱処理を行って、触媒を製造した。得られた触媒のBET比表面積を測定したところ、約240m2/gであった。使用した原料物質の組成を下記表3に示す。
25.0gの蒸留水に、Si/Alモル比25、比表面積400m2/gのHZSM−5(Zeolyst社)13.2g及びカオリン(Aldrich社)29.0gを加え、12,000rpmで10時間攪拌した。攪拌中にスラリーの粘度を調節しながら、12.5gのLudoxシリカゾルAS−40を加えた。攪拌を止めた後、実施例1で製造した溶液(1)102g及び9.1質量%ホウ酸溶液27.5gを加え、5時間再び攪拌して均一なスラリーを得た。噴霧乾燥器(ミヒョンエンジニアリング社製のMH−8)を用いてスラリーからペレット化触媒を製造した(粒子サイズは約50〜80μm)。続いて、前記ペレット化触媒につき、500℃の窒素雰囲気下で3時間第1熱処理を行い、その後、650℃の空気雰囲気で3時間第2熱処理を行って、触媒を製造した。得られた触媒のBET比表面積を測定したところ、約80m2/gであった。使用した原料物質の組成を下記表3に示す。
90gの蒸留水に、Si/Alモル比25、比表面積400m2/gのHZSM−5(Zeolyst社)26.4g及びカオリン(Aldrich社)97.5gを加え、12,000rpmで10時間攪拌した。攪拌中にスラリーの粘度を調節しながら、78.94gのLudoxシリカゾルAS−40を加えた。攪拌を止めた後、実施例1で製造した溶液(1)70g及び9.1質量%ホウ酸溶液33.0gを加え、5時間再び攪拌して均一なスラリーを得た。噴霧乾燥器(ミヒョンエンジニアリング社製のMH−8)を用いてスラリーからペレット化触媒を製造した(粒子サイズは約50〜80μm)。続いて、前記ペレット化触媒につき、500℃の窒素雰囲気下で3時間第1熱処理を行い、その後、650℃の空気雰囲気で3時間第2熱処理を行って、触媒を製造した。得られた触媒のBET比表面積を測定したところ、約80m2/gであった。使用した原料物質の組成を、下記表3に示す。
Si/Alモル比25、比表面積400m2/gのHZSM−5(Zeolyst社)につき、500℃の窒素雰囲気下で3時間第1熱処理を行い、その後650℃の空気雰囲気で3時間第2熱処理を行って、触媒を製造した。熱処理後のBET比表面積は約400m2/gであった。
触媒活性度の測定システムは、図2に示すように、ナフサ供給装置4、水供給装置3、固定層反応器5、5’及び活性度評価装置を含み、これらが互いに有機的に連結されている。この際、表2で特定されたナフサを供給原料として使用した。液体注射ポンプを用いて供給されたナフサ及び水は、300℃の予熱器(図示せず)を通過しながら混合され、ヘリウム供給装置2、2’及び窒素供給装置1、1’を介してそれぞれ6mL/min及び3mL/minで供給されるHe及びN2と混合され、固定層反応器5、5’に供給された。気体の量及び速度は流量調節器(図示せず)を用いて調節した。前記固定層反応器は、それぞれ内部反応器と外部反応器を含んでいた。前記外部反応器は、インコネル(Inconel)反応器であって、長さ38cm、外径4.6cmのサイズであり、一方、内部反応器は、ステンレススチール材質であって、長さ20cm、外径0.5インチのサイズであった。反応器の内部温度は温度出力装置7、7’によって表示され、反応条件はPID制御器8、8’(ハンヨン電子社のNP200)を用いて調節された。
Claims (24)
- 原料物質混合物のi)架橋反応及びii)熱処理による固相反応の生成物を含み、下記表1のXRDパターンによって示される結晶構造を有し、かつ
前記原料物質混合物は、酸化物の形態を基準として、15〜300のSi/Alモル比のHZSM−5を42.0〜60.0質量%、12.0〜38.0質量%の層状化合物、1.0〜20.0質量%のAl2O3、1.0〜4.0質量%のP2O5、10.0〜15.0質量%のSiO2、及び0.5〜2.5質量%のB2O3を含む、軽質オレフィン製造用多孔性固体酸触媒。
- 前記触媒が200〜400m2/gの比表面積を有する、請求項1に記載の触媒。
- 前記触媒がペレット化触媒である、請求項1に記載の触媒。
- a)酸化物の形態を基準として、15〜300のSi/Alモル比のHZSM−5を42.0〜60.0質量%、層状化合物を12.0〜38.0質量%、架橋剤としてのAl2O3を1.0〜20.0質量%、P2O5を1.0〜4.0質量%、SiO2を10.0〜15.0質量%、及びB2O3を0.5〜2.5質量%を含む原料物質混合物の架橋反応を水中で行い、架橋化された生成物を含有する水性スラリーを製造すること、
b)前記水性スラリーをペレット化してペレット化触媒を形成すること、及び
c)前記ペレット化触媒に下記表1のXRDパターンを有する結晶構造を与えるのに十分な熱処理条件下で前記ペレット化触媒の固相反応を行うこと
を含む、軽質オレフィン製造用多孔性固体酸触媒の製造方法。
- 前記工程b)が、噴霧乾燥を用いて行われる、請求項4に記載の方法。
- 前記工程c)が、
c1)不活性雰囲気下、450〜600℃で、3〜5時間第1熱処理を行うこと;及び
c2)酸素存在下、550〜700℃で、3〜5時間第2熱処理を行うことを含む、請求項4に記載の方法。 - 前記工程c1)が窒素雰囲気中で行われ、前記工程c2)が空気雰囲気中で行われる、請求項6に記載の方法。
- 前記工程a)が、
(a1)酸化物の形態を基準としてAl2O3/P2O5のモル比が0.7〜1.4の範囲内にあるアルミニウム化合物及びリン化合物の混合物を水中に含む架橋−結合水溶液を提供すること;
(a2)HZSM−5、層状化合物、及びシリコン化合物を水中に含むスラリーを提供すること;及び
(a3)前記工程(a1)の溶液、前記工程(a2)のスラリー、及びホウ素化合物を、前記層状化合物の層の間に架橋反応を起こすために十分な時間、混合して前記工程a)のスラリーを製造することを含む、請求項4に記載の方法。 - 前記アルミニウム化合物が、Al(NO3)3・9H2O、Al2(SO4)3・18H2O、AlCl3・6H2O、及びこれらの混合物よりなる群から選択される請求項8に記載の方法。
- 前記リン化合物が、H3PO4、(NH4)2HPO4、(NH4)(H2PO4)、及びこれらの混合物よりなる群から選択される、請求項8に記載の方法。
- 前記層状化合物が、カオリン、ベントナイト、サポナイト、又はこれらの混合物である、請求項8に記載の方法。
- 前記ホウ素化合物が、ホウ酸水溶液の形態である、請求項8に記載の方法。
- 前記シリコン化合物が、LudoxシリカゾルAS−40、LudoxシリカゾルHS−40、LudoxシリカゾルHS−30、又はこれらの混合物である、請求項8に記載の方法。
- 前記工程(a2)のスラリー中の固形分含量が48.0〜60.0質量%の範囲である、請求項8に記載の方法。
- 前記工程(a3)が10〜15時間の攪拌とともに行われる、請求項8に記載の方法。
- a)供給原料として炭化水素画分を提供すること、
b)前記供給原料を少なくとも一つの反応器を含む反応領域内に移して請求項1に記載の触媒の存在下で前記供給原料を反応させること、
c)前記反応領域の流出物から軽質オレフィンを分離し、軽質オレフィンを回収すること
を含む、軽質オレフィンの製造方法。 - 前記供給原料がフルレンジナフサを含む、請求項16に記載の方法。
- 前記供給原料が、C2〜12の炭化水素を有するフルレンジナフサを含む、請求項16に記載の方法。
- 前記フルレンジナフサにおいて、パラフィン成分総含量が60〜90質量%であり、オレフィンの含量が20質量%以下である、請求項17に記載の方法。
- 前記工程c)において軽質オレフィンが分離、回収された後で残るC4〜5の炭化水素をフルレンジナフサと混合することをさらに含み、C4〜5の炭化水素とフルレンジナフサとの混合物を供給原料として供給する、請求項18に記載の方法。
- 前記反応器が固定層反応器又は流動層反応器である、請求項16に記載の方法。
- 前記反応器が固定層反応器の場合、前記反応が500〜750℃の反応温度、0.01〜10の炭化水素/蒸気の質量比、及び0.1〜20h-1の空間速度の条件下で行われる、請求項21に記載の方法。
- 前記反応器が流動層反応器の場合、前記反応が500〜750℃の反応温度、0.01〜10の炭化水素/蒸気の質量比、1〜50の触媒/炭化水素の質量比、及び0.1〜600秒の炭化水素滞留時間の条件下で行われる、請求項21に記載の方法。
- 前記反応領域の流出物における、エチレン及びプロピレンの総含量が40質量%以上であり、エチレン/プロピレンの質量比が0.5〜1.5である、請求項16に記載の方法。
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