JP2013542057A - 銅酸化物、亜鉛酸化物及びジルコニウム酸化物を含む吸着組成物の活性化方法 - Google Patents

銅酸化物、亜鉛酸化物及びジルコニウム酸化物を含む吸着組成物の活性化方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、一酸化炭素及び少なくとも1種のオレフィンを含む物質流から一酸化炭素を吸着除去するための、銅酸化物、亜鉛酸化物及びジルコニウム酸化物を含む吸着組成物を活性化する方法であって、
(i)前記オレフィン及び不活性ガスを含む活性化ガス混合物を前記吸着組成物に通す第一活性化工程、及び
(ii)前記吸着組成物を180〜300℃の範囲の温度に加熱し、不活性ガスを前記吸着組成物に通す第二活性化工程、
を行い、工程(i)及び(ii)はそれぞれ数回行ってもよいことを特徴とする活性化方法に関する。
【選択図】図1

Description

本発明は、一酸化炭素を含む物質流から一酸化炭素を吸着除去するための、銅酸化物、亜鉛酸化物及びジルコニウム酸化物を含む吸着組成物を活性化する方法、及びその吸着組成物を活性化する工程を含む、一酸化炭素含有物質流から一酸化炭素を除去する方法に関する。
工業の様々な分野において、特に純粋な物質流を利用できるようにすることは重要である。触媒化学反応は一つの例である。触媒は屡々、被毒に対して極めて影響を受けやすい。そのため、出発材料流中の不純物の量が極めて少量であっても、それが触媒に集まり、被毒させる。通常、近年の触媒(例えばメタロセン触媒)を用いるオレフィン重合反応の場合には、所望の物質につき不純物の含有量が数ppb(10億分の1、すなわち10−9部)以下のオレフィン流が必要とされる(「ポリマーグレード」オレフィン)。典型的なオレフィン源に由来するオレフィン(スチームクラッカー、流動接触分解、脱水、MTO(「メタノールからオレフィン」)処理)は、大抵、もっと高い含有量(ppm又は千分の一の範囲)の不純物、例えば一酸化炭素又は酸素を有する(「化学グレード」);これらの含有量は、重合に使用する前に適切に低減させなければならない。
通常、精製すべき物質流は、空気、窒素若しくはアルゴン又はエチレン、プロピレン、1−ブテン、2−ブテン、1,3−ブタジエン又はスチレン等の炭化水素である。一般的に除去しなければならない典型的な不純物は酸素及び一酸化炭素、並びに屡々、水、二酸化炭素、水素又は硫黄、ヒ素若しくはアンチモン化合物である。物質流からこのような不純物を除去する方法は既知である。
物質流から一酸化炭素を除去する多くの吸着方法及び吸着剤が知られている。特許文献1(独国の公開明細書DE1929977)には、ZnO100質量部に対して20〜60部のCuOを含む触媒、及びこれを50〜200℃の範囲の温度においてエチレン及びプロピレン流からCOを除去するために使用する方法が開示されている。特許文献2(US3676516)には、Cu担持触媒であって、その銅の20〜95%の銅がCu2+として存在している触媒、及びこれを約200℃未満(実施例では特に約93℃)の温度においてエチレン又はプロピレン流からCOを除去するために使用する方法が開示されている。特許文献3(US4917711)には、高い表面積の担体に担持された銅化合物を含み、オレフィンを吸着することにより窒素、不活性ガス及び飽和炭化水素の精製にのみ好適である吸着剤が開示されている。
特許文献4(WO95/021146A1)には、液体の炭化水素流から一酸化炭素、及び存在する場合にはヒ素を、実施態様にもよるが、酸化数0、+1又は+2の分散銅を含み、ある所定の場合には二酸化マンガンも含む吸着剤と接触させることにより除去する方法が開示されている。特許文献5(EP537628A1)には、Cu、Fe、Ni、Co、Pt及びPdから選択される金属の少なくとも1種の酸化物と、元素の周期表の5、6又は7族から選択される金属の少なくとも1種の酸化物を基礎とする触媒組成物を0〜150℃で接触させることにより、α−オレフィン及び飽和炭化水素から一酸化炭素を除去する方法が開示されている。特許文献6(US4713090)には、圧力又は温度スイング吸着法により高純度の一酸化炭素を得る吸着剤が記載されている。この吸着剤は、ケイ素又はアルミニウム酸化物のコアと、銅化合物が担持される活性炭の外層とを有する複合体担体を含む。
特許文献7(WO2004/022223A2)には、銅酸化物、亜鉛酸化物、ジルコニウム及び任意にアルミニウムを含む吸着組成物、及びこれを完全な還元状態で物質流からCOを除去するために使用する方法が開示されている。
触媒、銅を含む触媒を活性化又は再活性化する方法や、輸送のためにそれを不動態化する方法も知られている。特許文献8(DD0153761)は、銅も含み得るモリブデン酸鉄酸化還元触媒の活性化又は再活性化する方法であって、その触媒を最初に非酸化雰囲気中でか焼し、次いで酸化ガスと接触させる方法に関するものである。特許文献9(DE19963441A1)では、最初に酸化次いで還元処理をすることにより銅含有水素化触媒を再生する方法であって、その還元が好ましくは水素化反応器内でまず行われる方法が教示されている。特許文献10(WO02/068119A1)には、銅含有水素化及び脱水素化触媒であって、還元状態で使用され、輸送のために銅の部分的酸化により不動態化される触媒が開示されている。
特許文献11(EP296734A1)には、250℃未満における還元のため、銅を基準として少なくとも70m/gのCu表面積を有する銅含有シフト又はメタノール触媒が記載されている。
特許文献12(WO2007/0935269)には、銅、亜鉛及びジルコニウム酸化物含有吸着組成物であって、その銅含有部分が、金属銅及び銅酸化物(CuOとして計算される)の合計に対する金属銅の質量比として表される還元レベルが、少なくとも45%且つ多くても75%である吸着組成物、並びに、この吸着組成物による吸着により一酸化炭素含有物質流から一酸化炭素を除去する方法が開示されている。上記範囲の還元レベルを有する吸着組成物は特に再生可能であることになっている。
特許文献12はまた、その吸着組成物の製造方法であって:
a)吸着組成物の成分の溶液及び/又はその溶解可能な出発化合物の溶液を調製する工程;
b)塩基を添加することによりこの溶液から固形物を沈殿させる工程;
c)固形物を分離及び乾燥する工程;
d)必要によりその固形物をか焼する工程;
e)その固形物を成形体に成形する工程;及び
f)必要によりその固形物をか焼する工程;
g)吸着組成物の銅含有部分の還元レベルを少なくとも45%且つ多くても75%の値に調整する工程;
による製造方法が開示されている。
この間、水素での完全な還元の後、還元レベルは吸着組成物前駆体の酸化により所望の値に調整される。この間、存在する残存水素は、窒素を用いて反応容器からフラッシングされ、所望の酸化温度が設定され、酸素のごく一部が窒素流に混合される。
選択される吸着体のサイズによるが、遅かれ早かれその中に含まれる吸着組成物の一酸化炭素の最大取り込み容量に達することから、再生しなければならない。
特許文献11にはまた、好ましくは少なくとも150℃且つ高くても400℃の温度において、吸着組成物に、例えば窒素、メタン又はアルゴン等の不活性ガスを通すことにより、一酸化炭素含有物質流から一酸化炭素を吸着除去するための、銅、亜鉛及びジルコニウム酸化物を含む吸着組成物を使用した後に、これを再生する方法が開示されている。特許文献11にはまた、通常少なくとも1ppm、好ましくは少なくとも5ppm、特に好ましくは少なくとも10ppmであり、通常多くても30ppm、好ましくは多くても250ppm、特に好ましくは200ppmの割合の微量の酸素を不活性ガス、好ましくは窒素又はアルゴンに添加することも開示されている。
DE1929977 US3676516 US4917711 WO95/021146A1 EP537628A1 US4713090 WO2004/022223A2 DD0153761 DE19963441A1 WO02/068119A1 EP296734A1 WO2007/0935269
再生の間、この吸着組成物の銅含有部分の還元レベルは上昇し得る。しかしながら、極めて高い還元レベル、例えば85%においては、還元レベルの更なる上昇によって、吸着組成物のCO取り込み容量が突然低下することがある。特に多重に再生すると、所定の臨界的還元レベルを超え、その吸着組成物の取り込み容量が低下する危険性がある。
過度に低い還元レベルは、吸着組成物の一酸化炭素の取り込み容量に不利な影響を有する。<50%の還元レベルでは、取り込み容量は著しく低下しており、還元レベル70%での取り込み容量の約40%しかない。
本発明の目的は、銅酸化物、亜鉛酸化物及びジルコニウム酸化物含有吸着組成物を、一酸化炭素及びオレフィンを含む物質流から一酸化炭素を吸着除去するのに使用した後、これを再生する方法を改善することにある。本発明の目的は特に、一酸化炭素及び少なくとも1種のオレフィンを含む物質流から一酸化炭素を除去する方法であって、吸着材料の取り込み容量が最適範囲内にある改善された方法を提供することにある。
この課題は、一酸化炭素及び少なくとも1種のオレフィンを含む物質流から一酸化炭素を吸着除去するための、銅酸化物、亜鉛酸化物及びジルコニウム酸化物を含む吸着組成物を活性化する方法であって、
(i)前記オレフィン及び不活性ガスを含む活性化ガス混合物を前記吸着組成物に通す第一活性化工程、及び
(ii)前記吸着組成物を180〜300℃の範囲の温度に加熱し、不活性ガスを前記吸着組成物に通す第二活性化工程、
を行い、工程(i)及び(ii)はそれぞれ数回行ってもよいことを特徴とする活性化方法により解決される。
オレフィンが事前に吸着組成物に吸着した場合には、180〜300℃の範囲の温度において不活性ガス流中で吸着組成物を処理する間に、吸着組成物の銅含有部分の還元レベルが上昇することが見出された。吸着組成物に吸着したオレフィンは、この場合恐らく還元剤として作用し、それ自体は吸着組成物中において酸素結合により二酸化炭素と水に酸化する。この間、吸着組成物に含まれる銅(I)及び/又は銅(II)は銅又は銅(I)に還元される。
XPS測定では更に、新しく製造された触媒は、CuO及びCu(OH)の薄い不動態化層で覆われていることが示されている。酸素を加えずに純粋な不活性ガスで処理することにより、不動態化層中のCuO及びCu(OH)が吸着されたオレフィンによりCuOに還元され、これによって吸着組成物は活性化する。この結果、CO取り込み容量は著しく上昇する。
そのため、オレフィン(通常は液体)からCOを除去する最初の吸着工程の前に、第一処理工程(i)において気体のオレフィン、好ましくは気体のプロピレンを含む活性化ガス流を吸着組成物に通し、次いで第二工程(ii)において純粋な不活性ガス、特に窒素をこれに通すことで、吸着組成物を活性化させる。
実施例の結果を示すグラフである。 実施例の結果を示すグラフである。 実施例の結果を示すグラフである。 実施例の結果を示すグラフである。
工程(i)で使用される活性化ガス流は通常1〜100体積%、好ましくは5〜75体積%、特に10〜50体積%のオレフィンを含む。第一処理工程(i)において、GHSVは通常100〜5000hrs−1、好ましくは200〜1000hrs−1であり、処理時間は通常0.5〜10時間、好ましくは1〜5時間であり、吸着組成物の温度は通常0〜100℃、好ましくは15〜50℃である。
処理工程(ii)では、吸着組成物を180〜300℃、好ましくは190〜270℃、特に200〜250℃の範囲の温度に加熱し、純粋な不活性ガスを吸着組成物に通す。
この再生工程において、GHSVは通常少なくとも100hrs−1、好ましくは少なくとも200hrs−1である。これは通常多くても5000hrs−1、好ましくは多くても1000h−1である。ここで、処理時間は通常0.5〜24時間、好ましくは1〜10時間である。
活性化中の圧力は通常0.5〜5bar、好ましくは1〜3barである。
工程(i)及び(ii)は数回行うこともできる。通常、これらはそれぞれ交互に1〜10回、例えば2〜4回行う。
吸着組成物の銅含有部分が65%未満の還元レベルを示す場合に工程(i)及び(ii)を含む活性化を行うことが好ましい。特に、還元レベルが50%未満の場合に行う。銅含有部分が0%の還元レベルの吸着組成物、すなわち、銅をCu(II)の状態のみで含む吸着組成物であってもこの方法で再生することができる。
好ましくは、吸着組成物の銅含有部分は、活性化を行った後少なくとも65%で多くても75%の還元レベルを示す。
還元レベルは、本発明に係る吸着組成物に含まれる銅の酸化物含有量の指標である。還元レベルは、還元銅の重量物質含有割合、すなわち、式:
Figure 2013542057
(但し、nは物質含有量(モル)を意味する。)
に従って、全ての銅に対する酸化状態0(Cu)又は1(Cu)の銅の比として測定される。
純粋な金属銅は100%の還元レベルを、純粋なCuOは0%の還元レベルを、純粋なCuOは50%の還元レベルを有する。しかしながら、所定の還元レベルとは、本発明の吸着組成物が金属銅又はCuOを含むことを必ずしも意味するものではない。所定の還元レベルは、金属銅、Cu、CuO又はCuOの適切な割合の可能性のあるあらゆる組成を通じて生じ得る。
還元レベルは、その種々の酸化レベルの銅を定量的に測定することができるあらゆる手順によって測定される。しかしながら、特に簡易なものは、吸着組成物のサンプル中の銅を、少なくとも250℃で且つ高くても500℃の温度において一定の量まで空気と接触させることにより完全に酸化させることであり、これは少なくとも10分後且つ多くても12時間後に通常は達する。サンプルの還元レベルは、付加重量が酸素のみであるという仮定及び以下の酸化の化学量論を仮定した元で、サンプルの重量獲得量から計算される。
Figure 2013542057
次いで以下を適用する:
Figure 2013542057
(式中、
Mは、関連する成分Cu又はCuOのモル質量であり、
CuOは、完全に酸化した触媒の酸化物の合計に対するCuOの質量割合であり、そして
Δmは、全酸化による相対的質量獲得量(%)である。
活性化した吸着組成物の還元レベルは通常少なくとも60%、好ましくは少なくとも65%であり、通常は多くても80%、好ましくは多くても75%である。
本発明の主題はまた、銅酸化物、亜鉛酸化物及びジルコニウム酸化物を含む吸着組成物で吸着することにより、一酸化炭素及び少なくとも1種のオレフィンを含む物質流から一酸化炭素を除去する方法であって、活性化工程、吸着工程及び再生工程を含み、前記活性化のため、
(i)前記オレフィン及び不活性ガスを含む活性化ガス混合物を前記吸着組成物に通す第一活性化工程、及び
(ii)前記吸着組成物を180〜300℃の範囲の温度に加熱し、不活性ガスを前記吸着組成物に通す第二活性化工程
を行い、工程(i)及び(ii)はそれぞれ数回行ってもよく、吸着工程において、前記吸着組成物を前記一酸化炭素含有物質流と接触させ、再生工程において、前記吸着組成物を180〜300℃の範囲の温度に加熱し、再生ガスを前記吸着組成物に通し、この再生ガスは不活性キャリアガス中に1000〜3000ppmの酸素を含んでいることを特徴とする除去方法である。
不活性ガス流中における吸着組成物の再生中に、吸着組成物の銅含有部分の還元レベルが上昇することが見出された。恐らく、脱着プロセス中に、一酸化炭素が二酸化炭素に酸化され、これによって同時に吸着組成物に含まれる銅(I)及び/又は銅(II)も対応して還元される。また、COから精製すべき物質流に由来する吸着組成物に吸着したオレフィンも恐らく同様に還元剤として作用し、その間にそれはそれ自体、二酸化炭素と水に酸化すると考えられる。
再生ガス中の1000〜3000ppm、好ましくは1000〜1900ppmの酸素の存在を通じて、吸着組成物中の銅の還元は、CO及び/又はオレフィンにより還元された銅の穏やかな再酸化が生じる点で、逆に作用する。1000〜3000ppmの酸素濃度であると、再生プロセス中の還元レベルはわずかにしか変化しないか、あるいは実質的に未変化のままであることが見出された。特に良好な結果は、1300〜1500ppmの酸素含有量を用いることにより達成される。当然ながら、特に好ましい不活性ガスは窒素であるが、吸着組成物に対して化学的に不活性な他のキャリアガス、例えばアルゴンも可能である。
再生工程において、GHSVは通常少なくとも100hrs−1、好ましくは少なくとも200hrs−1である。これは通常は多くても5000hrs−1、好ましくは多くても1000hrs−1である。70質量%のCuO、20質量%のZnO及び10質量%のZrOの組成の吸着組成物で、密度が1.35の場合には、再生工程で使用される酸素の量は例えば触媒1リットル当たり2.3±0.5標準リットルである。触媒質量に対する酸素の量は、触媒1キログラム当たり例えば1.7±0.35標準リットルである。
再生の継続時間は通常少なくとも1時間、好ましくは少なくとも10時間、特に好ましくは少なくとも15時間であり、通常多くても100時間、好ましくは多くても50時間、特に好ましくは多くても30時間である。
本発明の活性化及び再生した吸着組成物は、1種以上のオレフィンを含む物質流の精製に非常に好適である。これらは通常液体状態で使用される。本発明において使用及び再生された吸着組成物を用いてCOから分離される通常のオレフィンは、エテン、プロピレン、1−ブテン、2−ブテン、1,3−ブタジエン及び/又はスチレンである。この吸着組成物は特に液体のプロピレンから一酸化炭素(CO)を除去するのに特に好適である。
吸着工程の実施前及び再生工程の実施後、本発明の再生組成物は好ましくは銅含有部分が60〜80%の還元レベルを示す。還元レベルは90%、好ましくは85%を超えるべきでない。
特に、銅含有部分の還元レベルは65〜75%である。この吸着組成物は、そのような組成物のCOを吸着する最大容量を示さないものの、より高い還元レベル及びより高いCO取り込み容量を有する組成物よりも大幅に再生することができる。特に、この範囲では、再生により所定の臨界的還元レベルを超え、且つCOの取り込み容量が顕著に低下する危険性がごくわずかである。プラントにおいて2つの吸着体(所定時間で1つは吸着のために使用され、一つは再生されている。)を用いて、大きく上下するCO含有量を有する物質流からCOを取り除くのに極めて好適である。
本発明で使用する吸着剤は、銅、亜鉛及びジルコニウムの酸化物を含む。銅は部分的に金属銅として存在していてもよく、あるいはCu(I)及びCu(II)酸化物の形態で存在する。純粋形態では、本発明の吸着組成物は通常、吸着組成物の全量に対して、CuOとして計算して、少なくとも30質量%、好ましくは少なくとも50質量%、特に好ましくは少なくとも60質量%、通常多くても99.8質量%、好ましくは多くても90質量%、特に好ましくは少なくとも80質量%の酸化銅CuOに相当する量で銅を含む。
純粋な形態では、本発明の吸着組成物は通常、酸化亜鉛ZnOを、吸着組成物の全量に対して、少なくとも0.1質量%、好ましくは少なくとも5質量%、特に好ましくは少なくとも10質量%、通常は多くても69.9質量%、好ましくは多くても40質量%、特に好ましくは多くても30質量%の量で含む。また、純粋な形態では、酸化ジルコニウムZrOを、吸着組成物の全量に対して、少なくとも0.1質量%、好ましくは少なくとも3質量%、特に好ましくは少なくとも5質量%、通常多くても69.9質量%、好ましくは多くても30質量%、特に好ましくは多くても20質量%の量で含む。吸着組成物における二酸化ジルコニウムの部分は、酸化アルミニウムAlで部分的に置き換わっていてもよい。例えば、吸着組成物における酸化ジルコニウムの部分の少なくとも1%、少なくとも10%又は少なくとも30%、多くても90%、多くても80%又は多くても70%が酸化アルミニウムで置き換わっていてよい。本発明において、「純粋な形態」とは、銅(酸化物)、酸化亜鉛及び酸化ジルコニウム(これは必要に応じて酸化アルミニウムで部分的に置き換わる)の部分以外に、例えば製造から同伴される重要でない成分(例えば、出発材料の残留物及び試薬、成形用添加剤等)は別として、他の成分は含まないことを意味する。そのため、「純粋な形態」とは、吸着組成物が記述した成分からなることを意味する。
吸着組成物の百分率の含有量は常に合計で100質量%になる。
極めて好適な吸着組成物は、純粋な形態で、65〜75質量%のCuO、15〜25質量%のZnO及び5〜15質量%のZrOからなり、例えば、約70質量%のCuO、約20質量%のZnO及び約10質量%のZrOからなり、これらの割合は合計で100質量%である。
本発明で使用される吸着組成物は、絶対にそうである必要はないが、純粋な形態で存在し得る。これを添加剤と混合しても良いし、不活性な担体に施してもよい。好適な不活性な担体は既知の触媒担体であり、例えば酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、二酸化ジルコニウム、アルミノケイ酸塩、クレー、ゼオライト、珪藻土等である。
本発明で使用される吸着組成物は既知の酸化物触媒と同様に製造される。本発明で使用される吸着組成物の製造に好都合且つ好適な方法は、次の処理工程を記述した順で含む:
a)吸着組成物の成分の溶液及び/又はこのための溶解性出発化合物の溶液を調製する工程;
b)この溶液から固形物を塩基の添加により沈殿させる工程;
c)前記固形物を分離及び乾燥する工程;
d)任意に前記固形物をか焼する工程;
e)前記固形物を成形体に成形する工程;
f)任意に前記成形体をか焼する工程;
但し、2つのか焼工程d)又はf)のうち少なくとも1つを行い、工程f)の後又は同時に
g)前記吸着組成物の銅含有部分の、金属銅及び銅酸化物(CuOとして計算される)の合計に対する金属銅の重量比として表される還元レベルを少なくとも60%且つ多くても80%の値に調整する工程;を有する。
最初の処理工程である工程a)では、吸着組成物の成分の溶液を通常の方法で、例えば、硝酸等の酸に溶解することにより調製する。必要に応じて、吸着組成物の成分の代わりに、これら用の出発材料、例えば金属の硝酸塩、炭酸塩又はヒドロキシ炭酸塩を水溶液に溶解するが、これは酸性であってもよく、例えば硝酸を含んでいてもよい。溶液中の塩の量の比は、化学量論的に計算され、吸着組成物の所望とする最終組成に応じて調整する。
工程b)では、固形物をこの溶液から吸着組成物の前駆体として沈殿させる。これは通常の方法で、好ましくは塩基の添加、例えば水酸化ナトリウム溶液又はソーダ溶液の添加により溶液のpHを上昇させることにより行う。
工程c)における乾燥の前に、形成した固形物の沈殿生成物を通常、例えばろ過又はデカンテーションにより上澄み溶液から分離し、硝酸ナトリウム等の溶解性成分を、水を用いて洗い流す。更なる処理の前に、次に沈殿生成物を通常の乾燥方法で乾燥させるのが通常である。通常、このためにはわずかに昇温させた温度での処理で十分であり、例えば少なくとも80℃、好ましくは少なくとも100℃、特に好ましくは少なくとも120℃であり、10分〜12時間、好ましくは20分〜6時間、特に好ましくは30分〜2時間の時間である。沈殿の生成物を噴霧乾燥によって、直接的に(吸着組成物の所定のアルカリ、例えばナトリウムの含有は通常干渉しない。)又は洗浄後に更に処理可能な乾燥粉末に変えることも可能であり特に好都合である。
乾燥に続いて、沈殿及び乾燥した吸着組成物の事前生成物を必要に応じてか焼工程d)に付す。このために用いられるか焼温度は通常少なくとも250℃、好ましくは少なくとも300℃、特に好ましくは少なくとも350℃であり、通常高くても500℃、好ましくは高くても450℃、特に好ましくは高くても410℃である。か焼時間は通常、少なくとも10分、好ましくは少なくとも20分、特に好ましくは少なくとも30分であり、通常多くても12時間、好ましくは多くても6時間、特に好ましくは多くても4時間である。乾燥工程c)及びか焼工程d)は、一方を直接他方に統合してもよい。
乾燥工程c)又はか焼工程d)の後、吸着組成物又はその前駆体を、成形工程e)において、通常の成形プロセス、例えば押出、打錠又はペレット化によって、成形体、例えば押出物、錠剤又は球状のペレットに処理する。
成形工程の後、吸着組成物又はその前駆体を必要に応じてか焼工程f)に付す。工程f)で用いるべきか焼条件は、か焼工程d)のものと同じである。
その製造の過程においては、吸着組成物を、2つのか焼工程d)又はf)のうち少なくとも1つ、必要に応じて両方に付す。1つのか焼工程又は複数のか焼工程においては、吸着組成物の前駆体を実際の吸着組成物に転化し、通常は、吸着組成物のBET表面積及び細孔容積も確立されるが、知られているように、BET表面積及び細孔容積は、か焼時間及びか焼温度が増すと減少する。
好ましくは、か焼は、吸着組成物の炭酸塩含有量(CO 2−として計算される)がか焼生成物の全質量に対して多くても10質量%となるまで、またそのBET表面積が少なくとも40〜多くても100m/gの範囲の値を有するまで、少なくとも十分に長い時間行う。水取り込み量として測定される吸着組成物の細孔容積は、か焼の間に、少なくとも0.05ml/gの値に調整する。これらの値は、本発明の吸着組成物に好適である。
本発明で使用する吸着組成物はまた、上述したように、担体に担持されていてもよい。これは、通常の含浸処理又は担持沈殿処理により行う。知られているように、担持沈殿処理は、担体又は担体前駆体の存在下での沈殿処理である。担持沈殿処理を行うためには、上述した沈殿処理において、担体又は担体前駆体を、工程a)において調製される溶液に添加することが好ましい。担体が既に事前成形した完成後の成形体の状態の場合には、すなわち純粋な含浸処理の場合には、成形工程e)を省略するか、あるいは担体をまた、沈殿、乾燥、か焼及び成形により吸着組成物の事前生成物の処理の過程において成形する。
本発明の吸着組成物の製造に好適な含浸処理は、事前成形した担体を用いて行い、以下の処理工程を記述した順で含む:
a)吸着組成物の成分の溶液及び/又はこの成分ための溶解性出発化合物の溶液を調製する工程;
b)予備成形した不活性担体にこの溶液を含浸させる工程;
c)含浸した担体を乾燥させる工程;
d)含浸及び乾燥した担体をか焼する工程;
そして、d)の後又は同時に
e)吸着組成物の銅含有部分の、金属銅及び銅酸化物(CuOとして計算される)の合計に対する金属銅の重量比として表される還元レベルを少なくとも60%且つ多くても80%の値に調整する工程;を有する。
この含浸処理の処理工程a)は上述した沈殿処理の工程a)のように行う。工程b)では、事前成形した担体に溶液を含浸させる。事前成形した担体は、使用目的に対応する形状を有する。例えば、押出物、錠剤又は−さらに球状の−ペレットである。含浸は、余剰の溶液を用いて、あるいは担体の細孔容積に相当する量の溶液を用いて行う(「初期湿らし(incipient wetness)」)。含浸後、含浸した担体を、沈殿処理における沈殿生成物のように工程c)及びd)において乾燥及びか焼する。しかしながら、事前成形した担体を用いた場合には成形工程は省略する。
沈殿処理及び含浸処理の両方において、銅の還元レベルを調整するための工程が必要である。これは、か焼(特に銅を完全には酸化しない雰囲気下でのか焼)又はか焼の後の分離処理工程において好適な処理条件を設定することにより行うことができ、後者の場合、還元レベルの調整は必ずしもか焼直後に行う必要はない。還元レベルの調整は、銅の酸化レベルを変えるのに好適なあらゆる既知の方法で行う。銅が主に還元状態で存在している場合には、酸素と反応させ、銅が主に酸化状態で存在している場合には水素と反応させる。
大抵、か焼は空気下で行うため、か焼後に得られる本発明の吸着組成物の前駆体には銅はCuOの状態で存在する。次いで、還元レベルを、銅を還元することにより所望とする還元レベルに調節する。これは、か焼後に存在する前駆体を還元剤で処理することにより行う。用いるべき正確な還元条件は、前駆体及びその組成、及び使用する還元剤に依り、数回の繰り返しの実験で容易に決めることができる。好ましいプロセスは、前駆体を水素で処理することであるが、これは大抵、水素含有ガス、好ましくは水素/窒素混合物を、昇温下で、それに通すことにより行う。
最初に、本発明で使用する吸着組成物の前駆体を完全に還元し、次いでこれを所望とする還元レベルに酸化することも可能である。吸着組成物の前駆体の完全な還元は、吸着組成物に含まれる銅を銅金属に還元することにより行う。これは、原理的には、酸化状態I又はIIから酸化状態0まで銅を還元することができるあらゆる還元剤を用いて行うことができる。これは、液体の又は溶解した還元剤を用いて行うことができ、この場合には還元の後に乾燥が必要である。そのため、気体の還元剤を用いる還元が極めて特に便利であり、とりわけ、水素含有ガスをそれに通すことにより水素での還元を行う。ここで用いるべき温度は、通常、少なくとも100℃、好ましくは少なくとも140℃、特に好ましくは少なくとも160℃であり、通常は高くても250℃、好ましくは高くても220℃、特に好ましくは高くても200℃である。好適な温度は例えば約180℃である。還元は発熱性である。添加する還元剤の量は、選択した温度域から逸脱しないように調節すべきである。活性化の進行は、吸着剤床において測定される温度に基づいて確認することができる(「温度プログラム化還元、TPR」)。
吸着組成物の前駆体を還元するための好ましい方法は、窒素流下で行う乾燥の後に所望とする還元温度を設定すること、及び窒素流に少量の水素を添加することである。例えば、好適なガス混合物は初めに少なくとも0.1体積%、好ましくは少なくとも0.5体積%、特に好ましくは少なくとも1体積%、多くても10体積%、好ましくは多くても8体積%、特に好ましくは多くても5体積%の水素を窒素中に含む。好適な値は、例えば2体積%である。所望とする温度領域に達させて維持するために、この初期濃度を維持するか、あるいは増加させる。還元剤の一定又は増加レベルにかかわらず、組成物床の温度が低下するか、又は還元の水がほとんど生じなくなった生じた際に、還元は完了する。典型的な反応時間は通常少なくとも1時間、好ましくは少なくとも10時間であり、通常は多くても100時間、好ましくは多くても50時間である。
吸着組成物の前駆体の乾燥は、必要であれば、前駆体を、通常少なくとも100℃、好ましくは少なくとも150℃、特に好ましくは少なくとも180℃、通常高くても300℃、好ましくは高くても250℃、特に好ましくは高くても220℃の温度に加熱することにより行う。好適な乾燥温度は例えば約200℃である。粘性水分の干渉残渣がもはや存在しなくなるまで前駆体をその乾燥温度で維持する;これは通常、少なくとも10分、好ましくは少なくとも30分、特に好ましくは少なくとも1時間、通常は多くても100時間、好ましくは多くても10時間、特に好ましくは多くても4時間の乾燥時間の後の場合である。水分を床の外に送るため、乾燥はガス流中で行うことが好ましい。
乾燥空気は例えばこのために使用することができるが、しかしながら、不活性ガスを床に通すことが特に好ましく、この場合には窒素又はアルゴンが特に好ましい。
完全な還元の後、還元レベルを吸着組成物前駆体の酸化により所望の値に調節する。これは、銅を酸化することが可能なあらゆる既知の酸化剤を用いて行うことができる。これには酸素を使用することが好都合であり、特に空気、又は酸素/窒素混合物又は空気/窒素混合物(「リーンエア(Lean air)」)である。吸着組成物の前駆体を酸化するための好適な方法は、還元後に水素供給を停止し、窒素を用いて反応容器から残余水素をフラッシングし、次いで所望とする酸化温度に調節し、少量の酸素を窒素流に混合することである。温度、合計ガス体積、酸素含有量及び処理時間は、各場合における還元レベルを測定して繰り返しの実験により最適化しなければならない。典型的に好適なガス混合物は、例えば、少なくとも0.05体積%、好ましくは少なくとも0.1体積%、特に好ましくは少なくとも0.15体積%、多くても0.5体積%、好ましくは多くても0.4体積%、特に好ましくは多くても0.25体積%の酸素を窒素中に含む。好適な値は例えば0.2体積%である。典型的な酸化時間は、通常少なくとも24時間、好ましくは少なくとも48時間、特に好ましくは少なくとも60時間であり、通常は多くても100時間、好ましくは多くても90時間、特に好ましくは多くても80時間である。例えば、酸化は70時間行う。用いるべきガス体積は、吸着組成物の前駆体1リットル及び1時間当たり、典型的には少なくとも50NLガス(NL=標準リットル、すなわち0℃且つ標準圧力に基づくものである)、好ましくは少なくとも100NL/lhrs、特に好ましくは少なくとも150NL/lhrsであり、通常は多くても5000NL/lhrs、好ましくは多くても1000NL/lhrs、特に好ましくは多くても500NL/lhrsである。例えば、200NL/lhrsが極めて好適である。調節される温度は、通常少なくとも30℃、好ましくは少なくとも35℃、特に好ましくは少なくとも40℃であり、通常は高くても80℃、好ましくは高くても70℃、特に好ましくは高くても60℃である。例えば50℃が極めて好適である。
これを使用するためには、吸着組成物の成形体を「吸着体(adsorber)」、時には「反応器」とも記述する容器に充填し、これを精製すべき物質流と接触させる。
微量の粘性水分を除去し且つ吸着容量を増大させるため、COの吸着に使用する前に、完成した吸着組成物は乾燥させることが好ましい(必要なら重ねて)。完成した吸着組成物の乾燥は、上述した前駆体の乾燥と同じように行う。
還元レベルの調整及び乾燥は、吸着体の中で行うことが好都合である。その理由は、そうでないと、吸着体に充填している間に、使用できる状態の活性化した吸着組成物を空気及び水分から保護するために多大な労力が必要となるからである。
還元レベルの調整及び場合により還元レベルの調整の前又は後に行われる乾燥作業の後、本発明の吸着組成物は使用できる状態となる。
本発明の吸着プロセスは、一酸化炭素の含有量を「ポリマーグレード」オレフィン用に許容可能な値にまで低下させるために、エテン、プロペン、1−ブテン、2−ブテン、1,3−ブタジエン、ブテン混合物、ブテン/ブタジエン混合物又はスチレンから一酸化炭素を除去するために特に好適である。極めて特に好ましい実施態様では、一酸化炭素は、本発明の方法を用いて、液体のプロペンから吸着して除去される。
本発明の吸着方法は、少なくとも0.001ppm(気体の場合は体積ppm、液体の場合は質量ppm)、好ましくは少なくとも0.01ppm、通常は多くても1000ppm、好ましくは多くても100ppm、特に好ましくは多くても10ppmの一酸化炭素を含む物質流から一酸化炭素を除去するのに特に好適である。一酸化炭素の初期濃度が比較的高い場合には、事前に、蒸留、酸素を用いる一酸化炭素の二酸化炭素への触媒による酸化又は一酸化炭素の銅酸化物を用いた酸化(金属銅と二酸化炭素の形成を伴い、必要に応じてこれに次ぐ二酸化炭素及び酸化生成物の分離を行う)等の異なる既知の精製プロセスを行うことが通常はより経済的である。その理由は、そうでないと吸着組成物の吸着容量にあまりにも早く達し得るからである。
本発明の吸着方法を実施するためには、一酸化炭素を除去すべき物質流を、吸着体の中で、本発明の吸着組成物の成形体の床に通す。
技術的な観点からは、本発明の吸着方法にとって、温度は重要ではないか、又はあまり重要ではない。典型的な温度は、少なくとも−270℃、好ましくは少なくとも−100℃、特に好ましくは少なくとも−40℃であり、高くても300℃、好ましくは高くても200℃、特に好ましくは高くても100℃の範囲内である。
消耗レベルを決定する重要なパラメータは、物質流と吸着組成物の間の接触時間である。この接触時間は、物質流の流速及び吸着組成物床の体積により決定される。通常、精製すべき物質流の体積流量は、上流又は下流のユニットの容量によって事前に決定される。有利には、少なくとも2つの吸着体を設け、そのうち少なくとも一方は精製すべき物質流に曝すことができる一方、少なくとももう一方の中で吸着組成物が再生されるものである。
選択した吸着体のサイズによるが、遅かれ早かれこれに含まれる吸着組成物の一酸化炭素の最大取り込み容量に達するので、これを再生しなければならない。
本発明の吸着組成物を再生するには、最初に精製すべき物質流を停止し、新しい又は再生した吸着組成物を充填した並列の吸着体にこれを通すことが好ましい。
本発明を以下の実施例により詳細に説明する。
プロピレンガス流からCOを除去するための吸着組成物の吸着性能を気相装置内で体系的に調査した。吸着組成物は、70質量%のCuO、20質量%のZnO及び10質量%のZrOからなる酸化物前駆体組成物の還元形態である。この酸化物前駆体組成物を製造するために、Cu−Zn−Zr硝酸塩溶液(金属含量15.2質量%、7:2:1のCuO:ZnO:ZrO質量比に相当するCu:Zn:Zr比)を、pH6.5、70℃でソーダ溶液(20質量%)を用いて沈殿させた。沈殿が完了した後、この懸濁液を更に120分間、pH6.5、70℃で撹拌した。次に、溶液をろ過し、フィルターケーキを脱ミネラル水で洗浄して硝酸塩を除去し、120℃で乾燥させた。乾燥した粉末を強制空気オーブン(forced air oven)内で300℃において240分間か焼し、次いで3質量%のグラファイトと混合し、側圧50Nを有する3×3mmの錠剤に圧縮した。この錠剤を更に425℃で120分間か焼した。
気相装置は、電気ジャケット加熱器を備える反応器から構成されていた。反応器に通される流れは頂部から底部にかけて行われた。反応器は内径44.3mm(DN40)で長さが168mmであった。再利用可能な熱電素子は3.2mmの外径及び5つの測定ポイントを有していた。ガスの供給は、市販されている通常のマスフローコントローラーを用いて供給された。
一酸化炭素の濃度はIR吸収法によりオンラインで測定した。
試験条件は次の通りであった。
T:室温
P:1bar
触媒体積:85ml
プロピレン流:150NL×hrs−1
GHSV:1.765hrs−1
CO濃度:100ppm
吸着組成物の全体のCO取り込み容量は、反応器の排出ガス中に10体積ppmのCOが測定されたときと仮定したCOのブレークスルーまで測定した。
還元レベルに応じたCOの取り込み容量の測定
還元レベルRに応じた吸着組成物のCO取り込み容量を次のようにして測定した:
還元レベルに応じたCO取り込み容量の測定のために、異なる還元レベルの数種の吸着組成物を特別に調製し、それぞれを上述したように試験した。
個々の吸着組成物の還元レベルを上述した式により測定した。
銅の還元レベルに対するCOの取り込み容量の著しい依存性が認められた。R=0の酸化物材料はCO取り込み能力を全く示さなかった。2%のRまでは、取り込み容量は0.3NL CO(吸着組成物1リットル当たり)まで急激に上昇し、その後R=2%とR=30%の間では0.05NL COまで一旦低下した。R=30%を超えると、その後COの取り込み容量は0.8NL COの全体の最大値まで上昇した。この最大値はR=85〜90%で達した。R=90%を超えると、R=100%においてもはや少しのCO取り込み容量も示さなくなるまで、CO取り込み容量は突如低下する。
図1は測定の結果を示している。
CO取り込み容量は還元レベルに著しく依存するので、稼働中に還元レベルを実質的に一定に保つことが非常に重要である。65〜75%の還元レベルが最適であるが、その理由は吸着組成物が0.4NLという十分に高い取り込み容量を示すが、取り込み容量が低下することとなる還元レベルからは十分な間隔がまだあるからである。
純粋な不活性ガスを用いた再生による更なる活性化
吸着組成物の最大のCO取り込み容量に達するとすぐに、COのブレークスルーが認められた。この時点でガス供給流を停止し、触媒を再生するために200℃に加熱した。効率的に再生するための最低温度は190℃であった。180℃未満では、有意な再生が認められなかった。再生は工業用窒素を用いて200〜250℃で行った。
IRによれば、再生中に吸着組成物から脱着したのはCOではなくCOであることが示された。また、吸着したプロピレンも再生の間に格子酸素原子によって酸化され、これによってCOも生じる。結果として、純粋な窒素を用いて行う全ての再生工程において、触媒は還元される。還元レベルは再生工程1回当たり1.5〜2%上昇する。
例えば、77%の初期の還元レベルRを有する新しく調製された触媒は、吸着工程からNでの再生を介する吸着工程までCO吸着容量が上昇することが示された。しかしながら、約7回の再生の後、CO取り込み容量は顕著に低下し始めたが、その理由は臨界的還元レベルを超えたからである。
図2は、77%の初期の還元レベルを有する吸着組成物を用いた実験の結果を示している。2つの再生工程の間に吸着工程を各回で行い、最大のCO取り込み容量を測定した。
最初の吸着工程では、新しく調製された吸着組成物は低いCO取り込み容量しか示さなかった。XPS測定では、触媒製造後、表面上の吸着活性Cu(I)が、CuO及びCu(OH)の薄い層で被覆されていることが示されている。この層はCOの吸着を妨げる。
再生ガスとして純粋なNを使用した最初の再生サイクルでは、CuO及びCu(OH)を含む層を、吸着種(CO及びプロピレン)の酸化によりCuOの層に還元する。この結果、二回目の吸着サイクルにおけるCOの取り込み容量は最初の吸着サイクルと比較して顕著に向上した。
67%しかない低い初期還元レベルRを有する吸着組成物は、初期還元レベルが77%の吸着組成物と比較して、最適なCO取り込み容量に達するまでより多くの再生サイクルを必要とした。
図3は、工業用窒素を用い、250℃における67%の初期還元レベルを有する吸着組成物の再生の結果を示している。2つの再生工程の間に吸着工程を各回で行い、最大CO取り込み容量を測定した。
プロピレン含有不活性ガス及び純粋なガスでの処理による活性化(本発明)
還元レベルが75%の未処理の触媒は、第一サイクルでは吸着組成物1リットル当たり0.08NL COしかCO取り込み容量を示さなかった。同じ触媒をまず30℃で1時間、プロピレン50%及びN50%の混合物を用いて1.75hrs−1のGHSVで処理し、次いで、250℃において3時間工業的に純粋な窒素を用いて熱すると、CO取り込み容量は吸着組成物1リットル当たり0.55NL COまで上昇した。
酸素含有不活性ガスでの再生
再生を工業的に純粋な窒素を用いて行った活性化段階の後、各吸着工程の後に1500ppmの酸素を含む窒素流を用いて再生を行った。この間の温度は200℃であり、GHSVは500hrs−1であった。合計で3時間にわたって2.3NLの酸素を触媒1リットル当たりに供給した。
図4は、再生工程1〜4を純粋なNを用いて250℃で行い、再生工程5〜9を200℃で1500ppmのOを含む窒素を用いて行った実験の結果を示している。これらのそれぞれの間に吸着工程を行い、最大のCO取り込み容量を測定した。
図4から分かるように、酸素含有再生ガスを用いて再生した結果、吸着組成物のCO取り込み容量が実質的に一定のままであった。

Claims (15)

  1. 一酸化炭素及び少なくとも1種のオレフィンを含む物質流から一酸化炭素を吸着除去するための、銅酸化物、亜鉛酸化物及びジルコニウム酸化物を含む吸着組成物を活性化する方法であって、
    (i)前記オレフィン及び不活性ガスを含む活性化ガス混合物を前記吸着組成物に通す第一活性化工程、及び
    (ii)前記吸着組成物を180〜300℃の範囲の温度に加熱し、不活性ガスを前記吸着組成物に通す第二活性化工程、
    を行い、工程(i)及び(ii)はそれぞれ数回行ってもよいことを特徴とする活性化方法。
  2. 前記吸着組成物は、該吸着組成物の全量に対して、30〜99.8質量%のCuOに相当する量の銅、0.1〜69.9質量%のZnOに相当する量の亜鉛、及び0.1〜69.9質量%のZrOに相当する量のジルコニウムを含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記吸着組成物は、該吸着組成物の全量に対して、65〜75質量%のCuOに相当する量の銅、15〜25質量%のZnOに相当する量の亜鉛、及び5〜15質量%のZrOに相当する量のジルコニウムを含む、請求項1又は2に記載の方法。
  4. 前記活性化ガス混合物は窒素中に1〜100体積%のプロペンを含む、請求項1〜3の何れか1項に記載の方法。
  5. 活性化を行う前の前記吸着組成物の銅含有部分が65%未満の還元レベルを有する、請求項1〜4の何れか1項に記載の方法。
  6. 活性化を行った後の前記吸着組成物の銅含有部分が少なくとも65%且つ多くても75%の還元レベルを有する、請求項1〜5の何れか1項に記載の方法。
  7. 工程(i)及び(ii)をそれぞれ1〜10回行う、請求項1〜6の何れか1項に記載の方法。
  8. 銅酸化物、亜鉛酸化物及びジルコニウム酸化物を含む吸着組成物で吸着することにより、一酸化炭素及び少なくとも1種のオレフィンを含む物質流から一酸化炭素を除去する方法であって、活性化工程、吸着工程及び再生工程を含み、前記活性化のため、
    (i)前記オレフィン及び不活性ガスを含む活性化ガス混合物を前記吸着組成物に通す第一活性化工程、及び
    (ii)前記吸着組成物を180〜300℃の範囲の温度に加熱し、不活性ガスを前記吸着組成物に通す第二活性化工程
    を行い、工程(i)及び(ii)はそれぞれ数回行ってもよく、吸着工程において、前記吸着組成物を前記一酸化炭素含有物質流と接触させ、再生工程において、前記吸着組成物を180〜300℃の範囲の温度に加熱し、再生ガスを前記吸着組成物に通し、この再生ガスは不活性キャリアガス中に1000〜3000ppmの酸素を含んでいることを特徴とする除去方法。
  9. 前記吸着組成物は、該吸着組成物の全量に対して、30〜99.8質量%のCuOに相当する量の銅、0.1〜69.9質量%のZnOに相当する量の亜鉛、及び0.1〜69.9質量%のZrOに相当する量のジルコニウムを含む、請求項8に記載の方法。
  10. 活性化を行う前の前記吸着組成物の銅含有部分が65%未満の還元レベルを有する、請求項8又は9に記載の方法。
  11. 再生工程の後の前記吸着組成物の銅含有部分が少なくとも65%且つ多くても75%の還元レベルを有する、請求項8〜10の何れか1項に記載の方法。
  12. 前記再生ガスは1300〜1500ppmの酸素を含む、請求項8〜11の何れか1項に記載の方法。
  13. 一酸化炭素を液体のプロピレン流から除去する、請求項8〜12の何れか1項に記載の方法。
  14. 前記吸着組成物は、
    a)吸着組成物の成分の溶液及び/又は該成分のための溶解性出発化合物の溶液を調製する工程;
    b)この溶液から固形物を塩基の添加により沈殿させる工程;
    c)前記固形物を分離及び乾燥する工程;
    d)任意に前記固形物をか焼する工程;
    e)前記固形物を成形体に成形する工程;
    f)任意に前記成形体をか焼する工程;及び
    g)前記吸着組成物の銅含有部分の還元レベルを少なくとも60%且つ多くても80%の値に調整する工程;
    を記述した順で有し、2つのか焼工程d)又はf)のうち少なくとも1つを行う方法により得られる、請求項8〜13の何れか1項に記載の方法。
  15. 前記吸着組成物は、
    a)前記吸着組成物の成分の溶液及び/又は該成分のための溶解性出発化合物の溶液を調製する工程;
    b)予備成形した不活性担体にこの溶液を含浸させる工程;
    c)含浸した担体を乾燥させる工程;
    d)含浸及び乾燥した担体をか焼する工程;
    e)前記吸着組成物の銅含有部分の還元レベルを少なくとも60%且つ多くても80%の値に調整する工程;
    を記述した順で有し、工程e)を工程d)の後又は同時に行う方法により得られる、請求項8〜13の何れか1項に記載の方法。
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