JP2014511258A - Catalyst for self-heating propane dehydrogenation, obtained by spray flame synthesis - Google Patents

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Abstract

ランタン及びセシウムから選択されて白金、スズ、及び一種以上の他の要素を、二酸化ジルコニウム及び任意に酸化シリコンを含む担体上に含む触媒粒子の製造方法であって、
(i)ランタン及びセシウムから選択されて白金、スズ、及び一種以上の他の要素の前駆体化合物、並びに二酸化ジルコニウムの前駆体化合物を調製する工程、
(ii)溶液をエアロゾルに変換する工程、
(iii)エアロゾルを、直接的又は間接的に加熱された熱分解領域に供給する工程、
(iv)熱分解を実行する工程、及び
(v)熱分解ガスから生成される粒子を分離する工程、
を含む製造方法。
A process for producing catalyst particles comprising platinum, tin, and one or more other elements selected from lanthanum and cesium on a support comprising zirconium dioxide and optionally silicon oxide,
(I) preparing a precursor compound of platinum, tin, and one or more other elements selected from lanthanum and cesium, and a precursor compound of zirconium dioxide;
(Ii) converting the solution into an aerosol;
(Iii) supplying the aerosol to a directly or indirectly heated pyrolysis zone;
(Iv) performing pyrolysis, and (v) separating particles produced from the pyrolysis gas,
Manufacturing method.

Description

本発明は、触媒粒子、その製造方法、及び脱水素触媒として該触媒粒子を使用する方法に関する。   The present invention relates to a catalyst particle, a production method thereof, and a method of using the catalyst particle as a dehydrogenation catalyst.

含浸法又は噴霧乾燥によって脱水素化触媒を製造することは公知である。これらの方法では、触媒活性金属が含浸法により酸化物担体又はケイ酸担体上に施されるか、或いは触媒が、共沈酸化物前駆体の噴霧乾燥させることによって製造される。   It is known to produce dehydrogenation catalysts by impregnation or spray drying. In these methods, a catalytically active metal is applied on an oxide support or silicate support by an impregnation method, or the catalyst is produced by spray drying a coprecipitated oxide precursor.

特許文献1(DE−A196 54 391)には、実質的に単斜晶のZrOにPt(NO及びSn(OAc)の溶液を含浸させることにより、又はZrOに第1のPt(NOの溶液を含浸させ、その後、第2のLa(NOの溶液を含浸させることにより、脱水素触媒を製造する方法が記載されている。含浸された担体は乾燥され、次いで焼成される。このようにして得られた触媒は、プロパンをプロペンに脱水素化するための脱水素化触媒として使用される。 Patent Document 1 (DE-A196 54 391) describes that a substantially monoclinic ZrO 2 is impregnated with a solution of Pt (NO 3 ) 2 and Sn (OAc) 2 , or the first in ZrO 2 A method for producing a dehydrogenation catalyst by impregnating a solution of Pt (NO 3 ) 2 and then impregnating a second solution of La (NO 3 ) 3 is described. The impregnated support is dried and then calcined. The catalyst thus obtained is used as a dehydrogenation catalyst for dehydrogenating propane to propene.

噴霧火炎熱分解によって金属触媒を製造する公知の方法が、Pisduangnawakijらによる「Applied Catalysis A:General 370 1−6, 2009」に記載されている。当該文献において、キシレン中に担体としての、白金及びスズの前駆体化合物、並びに酸化アルミニウムの前駆体化合物を含有する溶液をエアロゾルに変換し、これを、熱分解反応器内において前駆体化合物の分解温度より高い温度で、不活性キャリアガス中処理し、その後、生成された金属微粒子をキャリアガスから分離する。   A known method for producing metal catalysts by spray flame pyrolysis is described in “Applied Catalysis A: General 370 1-6, 2009” by Pisduangnawakij et al. In this document, a solution containing a precursor compound of platinum and tin and a precursor compound of aluminum oxide as a carrier in xylene is converted into an aerosol, which is decomposed in a pyrolysis reactor. The treatment is performed in an inert carrier gas at a temperature higher than the temperature, and then the generated metal fine particles are separated from the carrier gas.

湿式化学製剤による貴金属粉末触媒の公知の合成法は時間がかかり、高価である。   Known synthesis methods of noble metal powder catalysts by wet chemical formulations are time consuming and expensive.

従って、脱水素化触媒を製造するための方法は、時間及び費用の観点からの改良が依然として必要である。   Therefore, the process for producing the dehydrogenation catalyst still needs to be improved in terms of time and cost.

DE−A 196 54 391DE-A 196 54 391

Applied Catalysis A:General 370 1−6, 2009Applied Catalysis A: General 370 1-6, 2009

本発明が解決しようとする課題は、費用及び時間の削減された脱水素化触媒の製造方法を提供することである。ここで、得られた脱水素化触媒は、含浸法や噴霧乾燥による従来の触媒と比較して、活性及び選択性の点で同等であるべきである。   The problem to be solved by the present invention is to provide a method for producing a dehydrogenation catalyst with reduced cost and time. Here, the obtained dehydrogenation catalyst should be equivalent in terms of activity and selectivity compared to conventional catalysts by impregnation or spray drying.

上記課題は、白金、スズ、並びにランタン及びセシウムから選択される一種以上の他の元素を、二酸化ジルコニウムを含む担体上に含む触媒粒子の製造方法であって、
(i)白金、スズ、並びにランタン及びセシウムから選択される一種以上の他の元素を含む前駆体、並びに二酸化ジルコニウムの前駆体化合物を含有する溶液を調製する工程、
(ii)溶液をエアロゾルに変換する工程、
(iii)エアロゾルを、直接的又は間接的に加熱された熱分解領域に供給する工程、
(iv)熱分解を実行する工程、及び
(v)熱分解ガスから生成される粒子を分離する工程、
を含む製造方法により解決される。
The above problem is a method for producing catalyst particles comprising platinum, tin, and one or more other elements selected from lanthanum and cesium on a support containing zirconium dioxide,
(I) preparing a solution containing a precursor containing platinum, tin, and one or more other elements selected from lanthanum and cesium, and a precursor compound of zirconium dioxide;
(Ii) converting the solution into an aerosol;
(Iii) supplying the aerosol to a directly or indirectly heated pyrolysis zone;
(Iv) performing pyrolysis, and (v) separating particles produced from the pyrolysis gas,
This is solved by a manufacturing method including:

金属化合物、及び酸化物を生成する前駆体化合物は、エアロゾルとして熱分解領域に供給される。熱分解領域に供給されるエアロゾルは、全ての金属化合物及び酸化物を生成する前駆体化合物を含有するただ一種の溶液の噴霧によって得られることが好ましい。このようにして、生成された粒子の組成が常に均一且つ一定となる。エアロゾルに変換すべき溶液の調製の際において、個々の成分は、溶液中に含まれる酸化物を生成する前駆体及び貴金属化合物が、溶液の噴霧に至るまでに相互に並んで均一に溶解されるように選択される。また、酸化物を生成する前駆体を含むもの、一方で、活性又は促進性の金属化合物を含むものとして数種類の溶液を用いるようにしても良い。溶液は、極性溶媒及び非極性溶媒であっても良く、またはこれらの混合物であっても良い。   The metal compound and the precursor compound that generates an oxide are supplied to the thermal decomposition region as an aerosol. The aerosol supplied to the pyrolysis zone is preferably obtained by spraying a single solution containing all metal compounds and precursor compounds that form oxides. In this way, the composition of the generated particles is always uniform and constant. In preparing the solution to be converted to an aerosol, the individual components are uniformly dissolved alongside each other until the precursors and noble metal compounds that form the oxides contained in the solution reach spraying of the solution. Selected as Moreover, you may make it use several types of solutions as what contains the precursor which produces | generates an oxide, and on the other hand, what contains an active or promoting metal compound. The solution may be a polar solvent and a nonpolar solvent, or a mixture thereof.

熱分解領域において、貴金属化合物から貴金属への分解、及び酸化物前駆体の分解及び/又は酸化が、酸化物を生成しつつ実行される。また、一部の貴金属は気化し、その後、すでに生成された担体粒子上における冷却領域に再析出する。熱分解により、一般に、球状粒子の比表面積の変化をもたらす。   In the thermal decomposition region, the decomposition of the noble metal compound into the noble metal and the decomposition and / or oxidation of the oxide precursor are performed while forming an oxide. In addition, some noble metals are vaporized and then re-deposited in the cooling region on the already produced carrier particles. Thermal decomposition generally results in a change in the specific surface area of the spherical particles.

熱分解領域内の温度は、通常、500〜2000℃の間の酸化物を生成するための十分な温度であって、貴金属化合物の分解温度を超える。   The temperature in the pyrolysis region is usually sufficient to produce an oxide between 500-2000 ° C. and exceeds the decomposition temperature of the noble metal compound.

熱分解反応器を、例えば電気炉を用いて、外部から間接的に加熱しても良い。間接的な加熱において要求される外部から内部への温度勾配により、炉は熱分解に必要な温度よりもはるかに高温となるはずである。間接的な加熱は、熱的に安定な炉材と高価なリアクタの構成を必要とするが、必要なガスの総量は炎式炉の場合よりも小さい。   The pyrolysis reactor may be indirectly heated from the outside using, for example, an electric furnace. Due to the external to internal temperature gradient required in indirect heating, the furnace should be much hotter than the temperature required for pyrolysis. Indirect heating requires a thermally stable furnace material and expensive reactor configuration, but the total amount of gas required is smaller than in a flame furnace.

好ましい実施の形態では、熱分解領域は、火炎によって加熱される(火炎噴霧熱分解)。そして、熱分解領域は、点火装置を備える。好ましくは水素、メタン、エチレンが使用されるが、直接加熱するために通常の可燃性ガスが使用される。ガスの総量に対する可燃性ガス量の比率を調節し、必要に応じて、熱分解領域の温度を調整することができる。ガスの総量を低量に保ちつつもできるだけ高い温度を実現するために、可燃性ガスの燃焼用O源として空気の代わりに純水な酸素を熱分解領域に供給することができる。また。ガスの総量には、エアロゾル用のキャリアガス及びエアロゾルの気化した溶媒分が含まれる。熱分解領域に供給されるエアロゾルは、好ましくは、火炎に直接供給される。一般に空気はエアロゾル用のキャリアガスとして好ましいが、窒素、CO、O、又は水素、メタン、エチレン、プロパン若しくはブタン等の可燃性ガスを使用することも可能である。 In a preferred embodiment, the pyrolysis zone is heated by a flame (flame spray pyrolysis). The pyrolysis region includes an ignition device. Hydrogen, methane and ethylene are preferably used, but ordinary flammable gases are used for direct heating. The ratio of the amount of combustible gas to the total amount of gas can be adjusted, and the temperature of the pyrolysis region can be adjusted as necessary. In order to achieve as high a temperature as possible while keeping the total amount of gas low, pure water oxygen can be supplied to the pyrolysis region instead of air as a combustion O 2 source of combustible gas. Also. The total amount of gas includes a carrier gas for aerosol and a solvent component evaporated from the aerosol. The aerosol supplied to the pyrolysis zone is preferably supplied directly to the flame. Generally the air is preferred as a carrier gas for the aerosol, nitrogen, CO 2, O 2, or hydrogen, methane, ethylene, it is also possible to use a combustible gas propane or butane.

本発明に係る方法の他の実施の形態では、熱分解領域が放電プラズマ又は誘導プラズマによって加熱される。この実施の形態では、触媒活性貴金属粒子が担体粒子の表面に施され、そこにしっかりと固定されている。   In another embodiment of the method according to the invention, the pyrolysis zone is heated by discharge plasma or induction plasma. In this embodiment, the catalytically active noble metal particles are applied to the surface of the carrier particles and firmly fixed thereto.

火炎噴霧熱分解装置は、一般に、噴霧されるべき液体用の貯蔵容器、キャリアガス、可燃性ガス、及び酸素含有ガス用の供給管、中央エアロゾルノズル、並びにこの周囲に配置された環状バーナー、並びにフィルターエレメント、固体放出装置、及び排気ガス用の出口を有する気相固相分離器を含む。粒子は、クエンチガス、例えば窒素又は空気を用いて冷却される。   A flame spray pyrolysis apparatus generally includes a storage container for the liquid to be sprayed, a supply tube for carrier gas, combustible gas, and oxygen-containing gas, a central aerosol nozzle, and an annular burner disposed around it, and A gas phase solid phase separator having a filter element, a solid discharge device, and an outlet for exhaust gas is included. The particles are cooled using a quench gas such as nitrogen or air.

熱分解領域は、好ましくは、エアロゾルを熱分解反応器に投入する前にエアロゾルに対して予め乾燥を行うためのいわゆる予備乾燥手段を有する。予備乾燥手段は、例えば、熱分解領域の周囲に集合して配置される熱流管である。   The pyrolysis zone preferably has so-called pre-drying means for pre-drying the aerosol before it is introduced into the pyrolysis reactor. The pre-drying means is, for example, a heat flow tube that is arranged around the thermal decomposition region.

予備乾燥が実行されない場合、比較的広い粒径分布の生成物を生じる危険性があるが、過度に微細な粒子であることがより好ましい。予備乾燥の温度は、溶解した前駆体の性質及びその含有率に依存する。予備乾燥の温度は、通常、溶媒の沸点を超えるものであり、250℃以下である。溶媒として水を用いる場合、予備乾燥における温度は、好ましくは120〜250℃の間であり、より好ましくは150〜200℃の間である。予備乾燥したエアロゾルは、ラインを介して熱分解反応器に供給され、その後、出口ノズルを介して反応器に導入される。   If pre-drying is not performed, there is a risk of producing a product with a relatively broad particle size distribution, but it is more preferred that the particles are excessively fine. The temperature of the predrying depends on the nature of the dissolved precursor and its content. The temperature of the preliminary drying is usually higher than the boiling point of the solvent and is 250 ° C. or lower. When water is used as the solvent, the temperature in the preliminary drying is preferably 120 to 250 ° C, more preferably 150 to 200 ° C. The pre-dried aerosol is fed to the pyrolysis reactor via a line and then introduced into the reactor via an outlet nozzle.

温度状態を調製するために、燃焼空間(好ましくは管状である)は断熱される。   In order to adjust the temperature state, the combustion space (preferably tubular) is insulated.

熱分解生成物として、熱分解ガスが得られる。この熱分解ガスは、比表面積が変化している球状粒子を含む。得られた顔料粒子のサイズ分布は、実質的には熱分解領域に供給されるエアロゾルの液滴分布及び使用される溶液の濃度から直接的に生じるものである。   A pyrolysis gas is obtained as a pyrolysis product. The pyrolysis gas includes spherical particles having a specific surface area that changes. The size distribution of the resulting pigment particles is substantially directly derived from the aerosol droplet distribution supplied to the pyrolysis zone and the concentration of the solution used.

熱分解ガスから粒子を分離する前に、粒子が共に焼結されることを防止するために熱分解ガスが冷却される。従って、熱分解領域は、熱分解反応器の燃焼空間に隣接する冷却領域を有することが好ましい。使用されるフィルターエレメントに応じて、その中に含まれる熱分解ガス及び触媒粒子を100〜500℃の温度まで冷却することが、一般的に要求される。約100〜150℃まで冷却することが好ましい。熱分解ガスは熱分解領域を出た後、触媒粒子を含有し部分的に冷却される熱分解ガスが、熱分解ガスから粒子を分離するための装置(フィルタエレメントを有する)に導入される。冷却のために、クエンチガスは、例えば窒素、空気、又は水を含む空気が供給される。   Prior to separating the particles from the pyrolysis gas, the pyrolysis gas is cooled to prevent the particles from being sintered together. Therefore, the pyrolysis region preferably has a cooling region adjacent to the combustion space of the pyrolysis reactor. Depending on the filter element used, it is generally required to cool the pyrolysis gas and catalyst particles contained therein to a temperature of 100-500 ° C. It is preferred to cool to about 100-150 ° C. After the pyrolysis gas exits the pyrolysis zone, a pyrolysis gas containing catalyst particles and partially cooled is introduced into an apparatus (having a filter element) for separating the particles from the pyrolysis gas. For cooling, the quench gas is supplied with, for example, nitrogen, air or air containing water.

好適な二酸化ジルコニウムの前駆体化合物は、アルコレート、例えば、ジルコニウム(IV)エタノレート、ジルコニウム(IV)n−プロパノレート、ジルコニウム(IV)イソプロパノレート、ジルコニウム(IV)n−ブタノレート、及びジルコニウム(IV)tert−ブタノレートである。本発明の方法において好ましい実施の形態においては、好ましくはn−プロパノールにおける溶液としてのジルコニウム(IV)プロパノレートが、ZrO前駆体化合物として使用される。 Suitable precursor compounds of zirconium dioxide include alcoholates such as zirconium (IV) ethanolate, zirconium (IV) n-propanolate, zirconium (IV) isopropanolate, zirconium (IV) n-butanolate, and zirconium (IV). tert-Butanolate. In a preferred embodiment in the process of the invention, zirconium (IV) methanolate, preferably as a solution in n-propanol, is used as the ZrO 2 precursor compound.

他の好適な二酸化ジルコニウムの前駆体化合物は、カルボン酸塩、例えば、酢酸ジルコニウム、プロピオン酸ジルコニウム、シュウ酸ジルコニウム、オクタン酸ジルコニウム、2−エチルヘキサン酸ジルコニウム、酢酸ジルコニウム、2−エチルヘキサン酸ジルコニウム、及びステアリン酸ネオデカノエートジルコニウム等である。   Other suitable zirconium dioxide precursor compounds are carboxylates such as zirconium acetate, zirconium propionate, zirconium oxalate, zirconium octoate, zirconium 2-ethylhexanoate, zirconium acetate, zirconium 2-ethylhexanoate, And neodecanoate zirconium stearate.

一つの実施の形態では、前駆体化合物は、さらに二酸化ケイ素の前駆体化合物を含む。二酸化ケイ素の可能な前駆体は、オルガノシラン、及び低級アルコール又は低級カルボン酸とのSiClの反応生成物である。また、上記オルガノシラン及び/又はSi−O−Si単位を有するシラノールの縮合物を使用することも可能である。シロキサンが好ましく用いられる。更に、SiOを用いることも可能である。本発明の方法における好ましい実施の形態では、前駆体化合物は、シリカを生成する前駆体化合物としてヘキサメチルジシロキサンを含む。 In one embodiment, the precursor compound further comprises a silicon dioxide precursor compound. A possible precursor of silicon dioxide is the reaction product of SiCl 4 with an organosilane and a lower alcohol or carboxylic acid. Moreover, it is also possible to use the condensate of the silanol which has the said organosilane and / or Si-O-Si unit. Siloxane is preferably used. Furthermore, it is possible to use SiO 2 . In a preferred embodiment of the method of the present invention, the precursor compound comprises hexamethyldisiloxane as a precursor compound that produces silica.

担体として、二酸化ジルコニウム及び場合による存在する二酸化ケイ素の他に、本発明に係る触媒粒子が白金、スズ、並びにランタン及びセシウムから選択される一種以上の他の元素を含む。   As a support, in addition to zirconium dioxide and optionally present silicon dioxide, the catalyst particles according to the invention contain one or more other elements selected from platinum, tin and lanthanum and cesium.

本発明の好ましい一つの実施の形態では、Pt量は0.05〜1質量%であり、 Sn量は0.05〜2質量%である。   In one preferable embodiment of the present invention, the amount of Pt is 0.05 to 1% by mass, and the amount of Sn is 0.05 to 2% by mass.

ランタン及びセシウム用の好ましい前駆体化合物は、それぞれ、例えばジルコニウムに関連した上述のカルボン酸塩に対応する、カルボン酸塩及び硝酸塩である。本発明に係る方法の好ましい一つの実施の形態では、前駆体化合物は、2−アセチルアセトン酸ランタン(III)及び/又は酢酸セシウムを含む。   Preferred precursor compounds for lanthanum and cesium are carboxylate and nitrate, respectively, corresponding to the above-mentioned carboxylates associated with, for example, zirconium. In one preferred embodiment of the method according to the invention, the precursor compound comprises lanthanum (III) 2-acetylacetonate and / or cesium acetate.

さらに、本発明による方法の好ましい実施の形態においては、前駆体化合物は、2−エチルヘキサン酸ランタン(III)を含む。   Furthermore, in a preferred embodiment of the process according to the invention, the precursor compound comprises lanthanum (III) 2-ethylhexanoate.

スズのための好ましい前駆体化合物は、例えばジルコニウムに関連した上述のカルボン酸塩に対応するカルボン酸塩及び硝酸塩である。本発明に係る方法のさらに好ましい実施の形態においては、前駆体化合物は、2−エチルヘキサン酸スズを含む。   Preferred precursor compounds for tin are, for example, carboxylates and nitrates corresponding to the above-mentioned carboxylates related to zirconium. In a further preferred embodiment of the method according to the invention, the precursor compound comprises tin 2-ethylhexanoate.

白金用の前駆体のための好ましい化合物は、カルボン酸塩及び硝酸塩、例えばジルコニウムに関連した上述のカルボン酸塩に対応するカルボン酸塩及び硝酸塩、並びに白金酸アンモニウムである。本発明に係る方法の好ましい実施の形態では、前駆体化合物は、アセチルアセトン酸白金を含む。   Preferred compounds for the precursor for platinum are carboxylates and nitrates, for example carboxylates and nitrates corresponding to the above-mentioned carboxylates related to zirconium, and ammonium platinate. In a preferred embodiment of the method according to the invention, the precursor compound comprises platinum acetylacetonate.

極性及び非極性の双方の溶媒混合物を、エアロゾル生成に必要な溶液の製造に用いることができる。   Both polar and non-polar solvent mixtures can be used to make the solution required for aerosol production.

好ましい極性溶媒は、水、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソ−プロパノール、n−ブタノール、tert−ブタノール、n−プロパノン、n−ブタノン、ジエチルエーテル、tert−ブチルメチルエーテル、テトラヒドロフラン、C−Cカルボン酸、酢酸エチル、及びこれらの混合物である。 Preferred polar solvents are water, methanol, ethanol, n-propanol, iso-propanol, n-butanol, tert-butanol, n-propanone, n-butanone, diethyl ether, tert-butyl methyl ether, tetrahydrofuran, C 1 -C 8 carboxylic acids, ethyl acetate, and mixtures thereof.

本発明に係る方法の一つの好ましい実施の形態においては、一種以上の前駆体化合物、好ましくは全ての前駆体化合物を、酢酸、エタノール、及び水の混合物に溶解させる。この混合物は、好ましくは30〜75質量%の酢酸、30〜75質量%のエタノール、及び0〜20重量は%の水を含む。特に、アセチルアセトン酸ジルコニウム(IV)白金、2−エチルヘキサン酸ヘキサメチルジシロキサンスズ、アセチルアセトン酸白金、アセチルアセトン酸ランタン(II)、及び酢酸セシウムが、酢酸、エタノール、及び水との混合物に溶解される。   In one preferred embodiment of the method according to the invention, one or more precursor compounds, preferably all precursor compounds, are dissolved in a mixture of acetic acid, ethanol and water. This mixture preferably comprises 30-75% by weight acetic acid, 30-75% by weight ethanol, and 0-20% by weight water. In particular, zirconium (IV) acetylacetonate platinum, hexamethyldisiloxane tin 2-ethylhexanoate, platinum acetylacetonate, lanthanum acetylacetonate (II), and cesium acetate are dissolved in a mixture of acetic acid, ethanol, and water. .

好ましい非極性溶媒は、トルエン、キシレン、n−ヘプタン、n−ペンタン、オクタン、イソオクタン、シクロヘキサン、メチル、エチル若しくは酢酸ブチル、又はこれらの混合物である。5〜15個の炭素原子を有する炭化水素又はこれらの混合物も好適である。キシレンが特に好ましい。   Preferred nonpolar solvents are toluene, xylene, n-heptane, n-pentane, octane, isooctane, cyclohexane, methyl, ethyl or butyl acetate, or mixtures thereof. Also suitable are hydrocarbons having 5 to 15 carbon atoms or mixtures thereof. Xylene is particularly preferred.

特に、Zr(IV)プロピレート、2−エチルヘキサン酸ヘキサメチルジシロキサンスズ、アセチルアセトン酸白金、及びアセチルアセトン酸ランタン(III)をキシレンに溶解させる。   In particular, Zr (IV) propylate, 2-ethylhexanoic acid hexamethyldisiloxane tin, platinum acetylacetonate, and lanthanum acetylacetonate (III) are dissolved in xylene.

また、本発明は、本発明に係る方法によって得られる担体と触媒粒子に関するものである。これらは、好ましくは20〜70m/gの比表面積を有する。 The present invention also relates to a support and catalyst particles obtained by the method according to the present invention. These preferably have a specific surface area of 20 to 70 m 2 / g.

好ましい実施の形態では、触媒粒子は以下の組成比、すなわち担体の質量に対して、担体としての30〜99.5質量%のZrO及び0.5〜25質量%のSiO、並びに0.1〜1質量%のPt、0.1〜10質量%のSn、La、及び/又はCsである。なお、少なくともSn、及び少なくともLa又はCsは含まれる。 In a preferred embodiment, the catalyst particles have the following composition ratio: 30 to 99.5% by weight of ZrO 2 and 0.5 to 25% by weight of SiO 2 as support, and 0. It is 1-1 mass% Pt, 0.1-10 mass% Sn, La, and / or Cs. Note that at least Sn and at least La or Cs are included.

さらに、本発明は、水素化触媒又は脱水素化触媒としての触媒粒子の使用に関する。例えば、ブタン及びプロパン等のアルカン、またエチルベンゼンが、脱水素化されることが好ましい。   Furthermore, the present invention relates to the use of catalyst particles as a hydrogenation catalyst or dehydrogenation catalyst. For example, alkanes such as butane and propane, and ethylbenzene are preferably dehydrogenated.

プロパンからプロペンへの脱水素化用に、本発明に係る触媒を使用することが特に好ましい。   It is particularly preferred to use the catalyst according to the invention for the dehydrogenation of propane to propene.

本発明は以下の実施例により、より詳細に説明される。 The invention is illustrated in more detail by the following examples.

使用される化学物質
アセチルアセトン酸ジルコニウム:Zr(acac)(98%)
ジルコニウム(IV)プロポキシド:Zr(OPr)(1−プロパノール中70%)
ヘキサメチルジシロキサン(/HMDSO)(98%)
2−エチルヘキサン酸スズ(II)(約95%)
アセチルアセトン酸白金(II)(98%)
2−エチルヘキサン酸ランタン(III)(10% w/v)
アセチルアセトン酸ランタン(III)(99.99%)
酢酸セシウム(99.99%)
酢酸(100%)とエタノール(96%)と水(脱イオン)の混合物
キシレン(BASF社製、異性体の混合物)
前駆体化合物の溶液の調製
溶媒は、質量比HoAc:EtOH:/HO=4.6:4.6:1である。酢酸エタノール混合物を新たに調製した。Sn、Cs、La、Si、Pt、及びZr用の前駆体化合物をこの混合物に溶解した。
Chemical substance used Zirconium acetylacetonate: Zr (acac) 2 (98%)
Zirconium (IV) propoxide: Zr (OPr) 4 (70% in 1-propanol)
Hexamethyldisiloxane (/ HMDSO) (98%)
Tin (II) 2-ethylhexanoate (about 95%)
Platinum (II) acetylacetonate (98%)
Lanthanum 2-ethylhexanoate (III) (10% w / v)
Lanthanum acetylacetonate (III) (99.99%)
Cesium acetate (99.99%)
Mixture of acetic acid (100%), ethanol (96%) and water (deionized) Xylene (BASF, isomer mixture)
The preparation solvent of the precursor compound solution is a mass ratio of HoAc: EtOH: / H 2 O = 4.6: 4.6: 1. A fresh mixture of acetic acid ethanol was prepared. Precursor compounds for Sn, Cs, La, Si, Pt, and Zr were dissolved in this mixture.

実施例1、2、3、9及び10における前駆体化合物の極性溶液の組成を表1に示す。   Table 1 shows the compositions of the polar solutions of the precursor compounds in Examples 1, 2, 3, 9 and 10.

表1:極性混合物の前駆体化合物の溶液の組成(EtO/H:/HoAc:/HO) Table 1: Composition of polar mixture precursor compound solution (EtO / H: / HoAc: / H 2 O)

Figure 2014511258
Figure 2014511258

実施例4の前駆体化合物の溶液を調製するために、以下の物質をキシレンに溶解した。その組成を表2に示す。   In order to prepare a solution of the precursor compound of Example 4, the following materials were dissolved in xylene. The composition is shown in Table 2.

表2:非極性の混合物(キシレン)の前駆体化合物の溶液の組成   Table 2: Composition of precursor compound solution of non-polar mixture (xylene)

Figure 2014511258
Figure 2014511258

実施例5、6、及び8の前駆体化合物の溶液を調製する場合、さらに2.14gの酢酸セシウムを同様に使用した。   When preparing solutions of the precursor compounds of Examples 5, 6, and 8, an additional 2.14 g of cesium acetate was used as well.

(実施例1〜10)
火炎噴霧熱分解による触媒粒子の製造
前駆体化合物を含有する溶液を、2成分ノズルを介してピストンポンプを用い供給し、対応する量の空気を噴霧化した。対応する温度に到達させるために、エチレン空気混合物から、ノズルの周囲に配置された環状バーナーを介して与えられるサポートの炎を使用した。圧力降下が、1.1バールで一定に維持された。
(Examples 1 to 10)
Preparation of catalyst particles by flame spray pyrolysis A solution containing the precursor compound was fed through a two-component nozzle using a piston pump to atomize the corresponding amount of air. In order to reach the corresponding temperature, a support flame provided from an ethylene air mixture through an annular burner placed around the nozzle was used. The pressure drop was kept constant at 1.1 bar.

火炎合成条件を表3に示す。
表3:火炎噴霧熱分解触媒の製造に関連する実験パラメータ
The flame synthesis conditions are shown in Table 3.
Table 3: Experimental parameters related to the production of flame spray pyrolysis catalysts

Figure 2014511258
Figure 2014511258

セシウム前駆体化合物を含まない溶液
**Si及びZr前駆体のみが存在
GLMR=液体に対するガスの質量比。
Solution without cesium precursor compound ** Only Si and Zr precursors exist
1 GLMR = mass ratio of gas to liquid.

バグハウスフィルタを粒子の分離のために使用した。これらのフィルタはフィルターバッグに5バールのサージ圧の窒素を施して洗浄することができる。粒子特性を、X線回折(XRD)及びBET測定によって実行し、元素分析も同様に実行した。前駆体化合物3及び4の溶液を用いて生成された触媒粒子の結晶子サイズは、表4に記載されている。
表4:ジルコニアの特性評価のためのX線粉末回折法
A baghouse filter was used for particle separation. These filters can be cleaned by applying 5 bar surge pressure of nitrogen to the filter bag. Particle characteristics were performed by X-ray diffraction (XRD) and BET measurements, and elemental analysis was performed as well. The crystallite size of the catalyst particles produced using the solutions of precursor compounds 3 and 4 is listed in Table 4.
Table 4: X-ray powder diffraction method for characterization of zirconia

Figure 2014511258
Figure 2014511258

上述の設定された条件の前駆体化合物を含む上述の溶液を用いた触媒の合成により、36〜70m/gの比表面積を有する粒子を製造した(表5参照)。 Particles having a specific surface area of 36 to 70 m 2 / g were produced by synthesis of a catalyst using the above-described solution containing the precursor compound under the above-described set conditions (see Table 5).

さらなる実験において、BET表面積を燃焼室の温度の関数として調査した。この調査には、それらの溶媒(酢酸とキシレン)の観点から、前駆体化合物を含む溶液の比較が含まれる。酢酸混合物の場合には、見かけ上は明確な傾向は認められなかった。   In further experiments, BET surface area was investigated as a function of combustion chamber temperature. This study includes a comparison of solutions containing precursor compounds in terms of their solvents (acetic acid and xylene). In the case of the acetic acid mixture, no apparent tendency was observed.

キシレンの混合物は、温度の上昇に伴うBET比表面積の増加を示し、このことにより、より短い滞留時間を実現し、粒子の成長が制限される。   The xylene mixture shows an increase in BET specific surface area with increasing temperature, which achieves a shorter residence time and limits particle growth.

(実施例11〜17)
触媒の測定
プロパン脱水素を約600℃で実行した(20mlの触媒体積流量、質量については表5を参照)。:21Nl/hの全ガス量(内部標準として、20Nl/hのプロパン、1Nl/hの窒素)、5g/hの水を用いた。再生を次のように400℃で:2時間で21Nl/h N+4Nl/hの空気;2時間で25Nl/hの空気;1時間で25Nl/hの水素:で実行した。
後続の噴霧乾燥を用いて水熱合成(ZrO)で得られた参照触媒の担体は、95%のZrO及び5%のSiOから構成されている。活性/促進金属は、0.5%のPt、1%のSn、3%のLa、0.5%のCs、及び0.2%のKであり、これはEP1074301に従い、化学的湿式含浸をすることによって担体に塗布した(実施例4)。
(Examples 11 to 17)
Catalyst Measurement Propane dehydrogenation was performed at about 600 ° C. (20 ml catalyst volume flow, see Table 5 for mass). : Total gas amount of 21 Nl / h (20 Nl / h propane, 1 Nl / h nitrogen as internal standard), 5 g / h water was used. The regeneration was carried out at 400 ° C. as follows: 21 Nl / h N 2 +4 Nl / h air in 2 hours; 25 Nl / h air in 2 hours; 25 Nl / h hydrogen in 1 hour.
The reference catalyst support obtained by hydrothermal synthesis (ZrO 2 ) using subsequent spray drying is composed of 95% ZrO 2 and 5% SiO 2 . The active / promoting metal is 0.5% Pt, 1% Sn, 3% La, 0.5% Cs, and 0.2% K, which is subjected to chemical wet impregnation according to EP1074301. (Example 4).

変換において、長期安定性及びプロペン生成の選択性を、触媒試験で調査した。結果を表5に示す。活性及び選択は、最適な動作状態に関係する。
表5:自熱式のプロパンの脱水素中の火炎合成触媒粒子から得られた触媒の結果
In the conversion, long-term stability and selectivity for propene production were investigated in the catalytic test. The results are shown in Table 5. Activity and selection are related to optimal operating conditions.
Table 5: Catalyst results obtained from flame synthesis catalyst particles during dehydrogenation of autothermal propane

Figure 2014511258
Figure 2014511258

図1は、自熱式のプロパンからプロペンへの脱水素における火炎合成触媒(△実施例13、□実施例17)と参照触媒(−)の活性及び選択性を示す。触媒(□)の場合、担体のみが熱分解により生成され、次に、その担体に対して参照触媒として化学湿式含浸を行った。時間を時間(/h)単位で横軸にプロットし、変換率(40〜50%)及び選択性(>80%)を縦軸にプロットした。   FIG. 1 shows the activity and selectivity of a flame synthesis catalyst (Δ Example 13, □ Example 17) and a reference catalyst (−) in the dehydrogenation of autothermal propane to propene. In the case of the catalyst (□), only the support was produced by thermal decomposition, and then chemical wet impregnation was performed on the support as a reference catalyst. Time was plotted on the horizontal axis in units of time (/ h) and conversion (40-50%) and selectivity (> 80%) were plotted on the vertical axis.

3つの触媒は相当の性能を有することが分かった。参照触媒は初期選択性が低かった。しかし、数週間の試験サイクルを経ると、本発明に係る触媒と同等となった。したがって、火炎合成による触媒は、従来の湿式化学プロセスによって生成された時間の経った触媒のように振る舞った。   Three catalysts were found to have considerable performance. The reference catalyst had a low initial selectivity. However, after several weeks of the test cycle, it became equivalent to the catalyst according to the present invention. Thus, the flame synthesis catalyst behaved like a time-lapsed catalyst produced by a conventional wet chemical process.

Claims (19)

白金、スズ、並びにランタン及びセシウムから選択される一種以上の他の元素を、二酸化ジルコニウム及び任意に酸化ケイ素を含む担体上に含む触媒粒子の製造方法であって、
(i)白金、スズ、並びにランタン及びセシウムから選択される一種以上の他の元素を含む前駆体、並びに二酸化ジルコニウムの前駆体化合物を含有する溶液を調製する工程、
(ii)溶液をエアロゾルに変換する工程、
(iii)エアロゾルを、直接的又は間接的に加熱された熱分解領域に供給する工程、
(iv)熱分解を実行する工程、及び
(v)熱分解ガスから生成される粒子を分離する工程、
を含む製造方法。
A method for producing catalyst particles comprising platinum, tin, and one or more other elements selected from lanthanum and cesium on a support comprising zirconium dioxide and optionally silicon oxide,
(I) preparing a solution containing a precursor containing platinum, tin, and one or more other elements selected from lanthanum and cesium, and a precursor compound of zirconium dioxide;
(Ii) converting the solution into an aerosol;
(Iii) supplying the aerosol to a directly or indirectly heated pyrolysis zone;
(Iv) performing pyrolysis, and (v) separating particles produced from the pyrolysis gas,
Manufacturing method.
さらに、前駆体化合物が、二酸化ケイ素の前駆体化合物を含む請求項1に記載の製造方法。   Furthermore, the manufacturing method of Claim 1 in which a precursor compound contains the precursor compound of a silicon dioxide. 熱分解領域が、火炎により加熱される請求項1又は2に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 1 or 2, wherein the pyrolysis region is heated by a flame. 生成される触媒粒子が、0.05〜1質量%、及び0.05〜2質量%のSnを含む請求項1に記載の製造方法。   The production method according to claim 1, wherein the produced catalyst particles contain 0.05 to 1 mass% and 0.05 to 2 mass% of Sn. 前駆体化合物が、アセチルアセトン酸ジルコニウム(IV)を含む請求項1〜4の何れか1項に記載の製造方法。   The manufacturing method of any one of Claims 1-4 in which a precursor compound contains zirconium acetylacetonate (IV). 前駆体化合物が、アセチルアセトン酸ランタン(III)及び/又は酢酸セシウムを含む請求項1〜5の何れか1項に記載の製造方法。   The production method according to any one of claims 1 to 5, wherein the precursor compound contains lanthanum (III) acetylacetonate and / or cesium acetate. 前駆体化合物が、ヘキサメチルジシロキサンを含む請求項1〜6の何れか1項に記載の製造方法。   The manufacturing method of any one of Claims 1-6 in which a precursor compound contains hexamethyldisiloxane. 前駆体化合物が、2−エチルヘキサン酸スズを含む請求項1〜7の何れか1項に記載の製造方法。   The manufacturing method of any one of Claims 1-7 in which a precursor compound contains 2-ethyl hexanoic acid tin. 前駆体化合物が、アセチルアセトン酸白金を含む請求項1〜4の何れか1項に記載の製造方法。   The manufacturing method of any one of Claims 1-4 in which a precursor compound contains platinum acetylacetonate. 前駆体化合物が、ジルコニウム(IV)プロポキシレートを含む請求項1〜4の何れか1項に記載の製造方法。   The manufacturing method of any one of Claims 1-4 in which a precursor compound contains a zirconium (IV) propoxylate. 前駆体化合物が、2−エチルヘキサン酸ランタン(III)を含む請求項1〜4の何れか1項に記載の製造方法。   The manufacturing method of any one of Claims 1-4 in which a precursor compound contains 2-ethyl hexanoic acid lanthanum (III). 一以上の前駆体化合物を、酢酸、エタノール、及び水の混合物に溶解させる請求項1〜9の何れか1項に記載の製造方法。   The manufacturing method according to any one of claims 1 to 9, wherein one or more precursor compounds are dissolved in a mixture of acetic acid, ethanol, and water. 一以上の前駆体化合物を、キシレンに溶解させる請求項7〜11の何れか1項に記載の製造方法。   The production method according to any one of claims 7 to 11, wherein one or more precursor compounds are dissolved in xylene. 熱分解を、900〜1500℃で実行する請求項1〜13の何れか1項に記載の製造方法。   The manufacturing method of any one of Claims 1-13 which perform a thermal decomposition at 900-1500 degreeC. 請求項1〜14の何れか1項に記載の製造方法により得られる触媒粒子。   The catalyst particle obtained by the manufacturing method of any one of Claims 1-14. 36〜70m/gの比表面積を有する請求項15に記載の触媒粒子。 The catalyst particles according to claim 15, having a specific surface area of 36 to 70 m 2 / g. 担体の質量に対して、担体としての30〜99.5質量%のZrO、0.5〜25質量%のSiO、並びに0.1〜1質量%のPt、0.1〜10質量%のSn、La、及び/又はCsを含み、
少なくともSn、及び少なくともLa又はCsが含まれる請求項15又は16に記載の触媒粒子。
Relative to the weight of the carrier, ZrO 2 of 30 to 99.5% by weight as a carrier, 0.5 to 25 mass% of SiO 2, and 0.1 to 1 wt% of Pt, 0.1 to 10 wt% Sn, La, and / or Cs
The catalyst particle according to claim 15 or 16, comprising at least Sn, and at least La or Cs.
請求項15〜17の何れか1項に記載の触媒粒子を、脱水素化触媒として使用する方法。   A method for using the catalyst particles according to any one of claims 15 to 17 as a dehydrogenation catalyst. プロパンからプロペンへの脱水素化、又はブタンからブテンへの脱水素化用に触媒粒子を用いる請求項18の使用方法。   The method according to claim 18, wherein the catalyst particles are used for the dehydrogenation of propane to propene or the dehydrogenation of butane to butene.
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