JP2014515720A - ケイ素−アルミニウム混合酸化物粉末 - Google Patents

ケイ素−アルミニウム混合酸化物粉末 Download PDF

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Abstract

ケイ素−アルミニウム混合酸化物粉末であって、一次粒子全体における質量比(Al23/SiO2ttl 0.003〜0.05、一次粒子全体におけるよりも小さい厚さ約5nmの表面に近い層内の一次粒子の質量比(Al23/SiO2表面、EBT表面積50〜250m2/gを有している前記混合酸化物粉末。この混合酸化物粉末は、CH3SiCl3、(CH32SiCl2、(CH33SiClおよび(n−C37)SiCl3からなる群から選択される1つまたは複数のケイ素化合物、加水分解可能および酸化可能のアルミニウム化合物、少なくとも1つの燃焼ガスならびに空気に点火して、この火炎を反応室に入れて燃焼させ、引き続きこの固体をガス状物質から分離して、その後前記固体を水蒸気で処理することによって製造される。このケイ素−アルミニウム混合酸化物粉末は、触媒として使用することができる。

Description

本発明は、ケイ素−アルミニウム混合酸化物粉末、その製造および使用に関する。
イソオレフィン、例えばイソブテンは、多数の有機化合物を製造するための重要な中間生成物である。工業的な流れでは、イソオレフィンは大部分が別のオレフィンおよび同数の炭素原子を有する飽和炭化水素と一緒に存在している。これらの混合物から、イソオレフィンだけを物理的な分離方法で経済的に分離することはできない。
通常、イソブテンは、多価不飽和炭化水素、主にブタジエンの大部分を除去した後、残留する混合物を反応させて直鎖ブテンにすることによってC4カット、例えばスチームクラッカーのC4留分から分離される。メタノールの使用では、イソブテンからメチル−tert−ブチルエーテル(MTBE)が生じ、エタノールの使用ではエチル−tert−ブチルエーテル(ETBE)が生じ、水の使用ではtert−ブタノール(TBA)が生じる。これらを分離した後、前記誘導体を、その形成とは逆の順序で分解してイソブテンにすることができる。アルキル−tert−ブチルエーテル(ATBE)から前記相応のイソオレフィンおよびアルコールへの分解、ならびに第三級アルコールから前記相応のイソオレフィンおよび水への分解は、触媒の存在下に実施することができる。
アルキル−tert−アルキルエーテル(ATAE)、特にMTBE、および第三級アルコールから、前記相応のイソオレフィン、ならびにアルコールまたは水に分解するための多数の触媒が記載されている。US4,254,290では、SiO2/Al23の比の値が3:1の混合酸化物が触媒として使用されている。
EP−A−45159は、比較的粗い材料の粉砕および焼成により得られる酸化アルミニウムの含分2〜98質量%を有するアルキル−tert−アルキルエーテルを分解するためのケイ素−アルミニウム混合酸化物粉末を開示している。DE−A−2924869は、酸化アルミニウム0.06〜0.25質量%を有するケイ素−アルミニウム混合酸化物をベースとするアルキル−tert−アルキルエーテルを分解するための触媒を記載している。前記混合酸化物は、オルトケイ酸テトラエチルおよび硝酸アルミニウム九水和物を一緒に沈殿させることにより得られる。
EP−A−589557では、さらなる成分としてアルカリ酸化物またはアルカリ土類酸化物を含んでいるケイ素−アルミニウム混合酸化物が開示されている。この混合酸化物は、沈殿により製造されたケイ素−アルミニウム混合酸化物に、アルカリ塩またはアルカリ土類塩の水溶液を含浸させることにより製造される。
EP−A−1894621は、アルカリ金属酸化物および/またはアルカリ土類金属酸化物0.5〜20質量%、酸化アルミニウム4〜30質量%ならびに二酸化ケイ素60〜95質量%を有している触媒を開示している。この触媒は、沈殿により製造されたケイ素−アルミニウム混合酸化物を、水性のアルカリ塩溶液またはアルカリ土類金属塩溶液を用いて酸性の条件下に処理して、引き続き焼成することにより得られる。
EP−A−23588では、BET表面積50〜200m2/gおよび二酸化ケイ素の含分0.5〜20質量%を有するケイ素−アルミニウム混合酸化物粉末の製造方法が開示されており、この方法では、蒸気状の塩化アルミニウムを空気と一緒に燃焼装置の混合室に移し、そこで水素および四塩化ケイ素と混合し、この物質混合物を反応室で燃焼させる。
EP−A−585544では、BET表面積20〜200m2/gおよび二酸化ケイ素の含分15〜35質量%を有するケイ素−アルミニウム混合酸化物粉末の製造方法が開示されており、この方法では、蒸気状のハロゲン化ケイ素およびハロゲン化アルミニウムをキャリアガスと一緒に混合装置内で空気、酸素および水素と均一に混合し、この混合物を燃焼装置に供給して、燃焼室内部の火炎中で反応させる。
EP−A−850876では、ドープされた二酸化ケイ素粉末の製造方法が開示されている。ここで、蒸気状の二酸化ケイ素前駆体とドープ成分である金属塩溶液のエアロゾルとが火炎中で反応する。エアロゾルの形状のドープ成分を微細に分散することにより、ドープ溶媒は、酸化物の発生の間、気相に微細に分散して存在しているため、ドープ成分の前記酸化物への均一な組み込みが行われる。
EP−A−995718では、酸化アルミニウムでドープされた二酸化ケイ素粉末の前記製造方法が使用されている。このようにして製造された粉末は、触媒として使用することができる。しかし、アルキル−tert−ブチルエーテル(ATBE)から前記相応のイソオレフィンおよびアルコールへの分解、ならびに第三級アルコールから前記相応のイソオレフィンおよび水への分解は、これでは不十分であることが判明した。
前記公知の触媒は、ATBEまたは第三級アルコールからイソオレフィンならびにアルコールもしくは水への分解では、以下の欠点の少なくとも1つを有している:
i.不所望の副生成物、例えばジメチルエーテルまたは生成物オレフィンのオリゴマーが形成される、
ii.前記触媒の耐用期間が少ない、
iii.活性損失を調整するために反応温度を上げると副生成物の形成が増加する、
iv.前記触媒の製造が高価で費用がかさむ。
したがって、工業的な課題は、前述の欠点を最小限に抑えることができる、または完全に回避することができる触媒を提供することであった。
前記工業的な課題は、大部分またはすべてが、凝集一次粒子の形状で存在するケイ素−アルミニウム混合酸化物粉末であって、
a.一次粒子全体における質量比(Al23/SiO2ttlが、0.002〜0.05、好ましくは0.003〜0.015、特に好ましくは0.005〜0.01であり、
b.厚さ約5nmの表面に近い層内の一次粒子の質量比(Al23/SiO2表面が、一次粒子全体におけるよりも小さく、および
c.BET表面積が50〜250m2/g、好ましくは100〜200m2/gである、
前記混合酸化物粉末により解決されることが驚くべきことに判明した。
本発明によるケイ素−アルミニウム混合酸化物粉末は、酸化アルミニウムの含分が二酸化ケイ素と比べて非常に少なく、かつ表面に近い層内の一次粒子の質量比(Al23/SiO2表面が一次粒子全体におけるよりも小さいことをとりわけ特徴としている。これは、酸化アルミニウム濃度が表面ではさらに低下していることを意味する。一次粒子全体には、表面に近い層内の二酸化ケイ素および酸化アルミニウムの含分が一緒に含まれている。好ましくは、(Al23/SiO2ttl/(Al23/SiO2表面が1.3〜20、好ましくは1.4〜10、特に好ましくは1.6〜5である本発明によるケイ素−アルミニウム酸化混合物粉末であってよく、ここで、「ttl.」は一次粒子全体を表す。
本発明の好ましい実施態様では、前記ケイ素−アルミニウム混合酸化物粉末は、質量比(Al23/SiO2ttl 0.005〜0.015、(Al23/SiO2ttl/(Al23/SiO2表面の比の値1.3〜20、およびBET表面積100〜200m2/gを有している。
したがって、本発明によるケイ素−アルミニウム混合酸化物粉末が、例えばメチル−tert−ブチルエーテルまたはtert−ブチルアルコールの気相分解で、先行技術の方法と比べて、同程度の触媒活性を示すことも、不所望の副生成物のより少ない形成も示すことも驚くべきことである。
混合酸化物粉末とは、混合酸化物成分の酸化アルミニウムおよび二酸化ケイ素の、原子レベルでの密接な混合と解釈され、この原子レベルでは、一次粒子はSi−O−Al結合も有している。前記一次粒子の表面は、ほとんど孔を含まない、または孔を全く含まない。好ましくは、水素および酸素の反応によって生成される火炎中で、ケイ素化合物およびアルミニウム化合物の火炎加水分解および/または火炎酸化により得られるような本発明によるケイ素−アルミニウム混合酸化物粉末であってよい。前記粉末は、「熱分解による」または「ヒュームド」として記載されている。前記反応では、まず高分散性の一次粒子が形成され、この一次粒子は、さらなる反応の進展において合体してアグリゲートになり、これらをさらに集めてアグロメレートになりうる。
表面での質量比は、例えば前記粉末のX線光電子分光(XPS分析)により測定することができる。表面組成についてのさらなる情報は、個々の一次粒子のエネルギー分散型X線分析(TEM−EDX分析)により測定することができる。
一次粒子全体における質量比は、前記粉末の化学的方法、または物理化学的方法、例えば蛍光X線分析により測定される。
さらに、前記ケイ素−アルミニウム混合酸化物粉末が、300〜350のジブチルフタレート数(ジブチルフタレート(DBP)g/混合酸化物100g)を有している場合に有利でありうることが判明した。DBP数は、アグリゲートのストラクチャーの程度を表す。低い数字は低いストラクチャーに相応し、高い数字は高いストラクチャーに相応する。300〜350の好ましい範囲は、高いストラクチャーに相応する。DBP吸着では、滴定と同様に、定義された量のDBPを添加する場合の、DBP測定器の回転羽根の作用力(Kraftaufnahme)もしくはトルク(単位Nm)が測定される。ここで、本発明による粉末の場合、DBPの一定の添加では、はっきりと際立った最大値がもたらされ、引き続き低下する。ジブチルフタレート吸着は、例えばHaake社(Karlsruhe)の機器RHEOCORD90で測定することができる。そのためには、前記ケイ素−アルミニウム混合酸化物粉末12gを精度0.001gで混練室に入れ、この混練室を蓋で閉じ、この蓋の孔を介してジブチルフタレートを所定された供給速度毎秒0.0667mlで計量供給する。混練機は、モーター速度毎分125回転で運転する。最大トルクに達した後、前記混練機およびDBP供給は自動的に停止される。DBPの使用量および粒子の秤量からDBP吸着量を算出する:DBP数(g/100g)=(DBP使用量g/粉末の秤量g)×100。
本発明のさらなる対象は、本発明によるケイ素−アルミニウム混合酸化物粉末の製造方法であって、
a)CH3SiCl3、(CH32SiCl2、(CH33SiClおよび(n−C37)SiCl3からなる群から選択される1つまたは複数のケイ素化合物を含んでいる蒸気、ならびに加水分解可能およびは酸化可能のアルミニウム化合物の蒸気を、別個または一緒に、キャリアガスを用いて混合室に移し、ここで、アルミニウム化合物(Al23として算出)のケイ素化合物(SiO2として算出)に対する質量比は0.003〜0.05であり、
b)それとは別に、少なくとも1つの燃焼ガスおよび空気を前記混合室に移し、ここで、空気中の酸素の総量は、燃焼ガスならびにケイ素化合物およびアルミニウム化合物を完全に燃焼させるために少なくとも充分であり、
c)前記ケイ素化合物およびアルミニウム化合物の蒸気、燃焼ガスおよび空気からの混合物を燃焼装置内で点火して、この火炎を反応室内に入れて燃焼させ、
d)引き続き前記固体をガス状物質から分離し、その後この固体を水蒸気で処理する、
前記方法である。
前記方法は、ケイ素化合物の蒸気がSiCl4を40質量%まで含んでいてよいように実施することもできる。特に好ましくは、CH3SiCl3 65〜80質量%とSiCl4 20〜35質量%とからの混合物であってよい。アルミニウム化合物として、好ましくは塩化アルミニウムが好適である。前記燃焼ガスは、水素、メタン、エタン、プロパンおよびそれらの混合物からなる群から選択されるのが好ましい。特に好ましいのは、水素である。前記混合室に導入された空気は、少なくとも前記燃焼ガスおよびケイ素化合物およびアルミニウム化合物を完全に燃焼させるに充分である。通常、過剰の空気が使用される。水蒸気での処理は、粒子に付着した塩化物残留物を可能な限り除去する目的のために用いられ、その結果、前記粉末は、塩化物を1質量%以下、好ましくは塩化物を0.2質量%以下含んでいる。
本発明のさらなる対象は、ケイ素−アルミニウム混合酸化物粉末の触媒としての使用である。

例1:本発明によるケイ素−アルミニウム混合酸化物粉末の製造
CH3SiCl3 45kg/hとSiCl4 15kg/hとからなる混合物の蒸気、および塩化アルミニウム0.6kg/hの蒸気を互いに別個に、キャリアガスとして窒素を用いて混合室に移す。これらの蒸気を、水素14.6Nm3/hおよび乾燥した空気129Nm3/hと燃焼装置の混合室内で混合して、この反応混合物が末端部で点火される中心管を介して水冷却した炎管に供給し、そこで燃焼させる。生じた粉末を引き続きフィルター内で析出して、400〜700℃の水蒸気で処理する。前記粉末は、二酸化ケイ素99質量%および酸化アルミニウム1質量%を含んでいる。BET表面積は173m2/gである。DBP数は326g/酸化混合物100gである。
厚さ約5nmの表面に近い層内の一次粒子の質量比(Al23/SiO2表面を測定するためには、XPS分析を使用する。このXPS分析は、質量比(Al23/SiO2表面 0.0042を提供する。一次粒子全体における質量比(Al23/SiO2ttlの測定は、粉末での蛍光X線分析により行われる。この分析は、質量比(Al23/SiO2ttl 0.010を提供する。したがって、(Al23/SiO2ttl/(Al23/SiO2表面の値は2.4となる。
例2(比較例):比較材料として、EP−A−995718の例2で開示された、Al23含分0.27質量%を有するケイ素−アルミニウム酸化混合物粉末を用いる。EP−A−850876で開示された、酸化アルミニウムの含分を均一に分配させることができる方法によって製造する。前記粉末は、BET表面積204m2/gを有している。
例3(比較例):水素24.5Nm3/hを、空気129Nm3/hおよびSiCl4蒸気80kg/hと混合し、引き続きAlCl3蒸気8.1kg/hを添加して、前記反応混合物を炎管内で燃焼させ、ここで、この炎管にさらに空気80Nm3/hを送り込む。前記炎管の通過後に、生じた粉末をフィルター内でガス状物質から分離させ、付着している塩酸残留物を水蒸気で処理することにより除去する。
前記粉末は、酸化アルミニウムの含分9.3質量%を有している。BET表面積は、195m2/gである。
例4:メチル−tert−ブチルエーテル(MTBE)の気相分解:例1から例3の粉末を、粒状石英と1:5の比で混合する。標準材料として、アルミニウム含有量(Al23として算出)21質量%を有する、マグネシウム(MgOとして算出)10質量%でドープされたアルミノケイ酸塩である、Evonik Degussa GmbH社のSpecialyst071を使用する。触媒負荷率(spezifische Katalysatorbelastung)(WHSV;単位時間当たりの触媒1g当たりのフィード量(g))は、5〜50h-1の間で変化する。表1は、例1の本発明による粉末を用いたMTBE分解の結果を、例2および例3の本発明によらない粉末、ならびに標準材料の商用の触媒Specialyst071(同じく粉末として)と比べて示している。
Figure 2014515720
前記標準材料は、DME選択性が2.29%で、試験したすべての粉末の最高値を有していることが見て取れる。触媒活性は同じく比較的低い、それというのは、変換率85%を達成するために、8h-1の低いWHSVを設定しなければならないからである。C8選択性は、同じく0.1%で相当高い。
それに比べて、例1の本発明による粉末は、最良の結果を示している。変換率85%は、すでにWHSVが18h-1で達成されている。同時に、DMEおよびC8への選択性は、0.63%もしくは0.06%の値で、非常に低い。
例2の粉末は、副生成物へのさらにより低い選択性を示しているが、その低い触媒活性のため、WHSV 8-1では変換率35%にしか至らない。
例3の粉末は、例1の本発明による粉末よりも悪いDME選択性(1.16%)を示している。

Claims (6)

  1. 大部分またはすべてが、凝集一次粒子の形状で存在するケイ素−アルミニウム混合酸化物粉末であって、
    a.一次粒子全体における質量比(Al23/SiO2ttlが0.003〜0.05であり、
    b.厚さ約5nmの表面に近い層内の一次粒子の質量比(Al23/SiO2表面が、一次粒子全体におけるよりも小さく、および
    c.BET表面積が50〜250m2/gである、
    ことを特徴とする前記混合酸化物粉末。
  2. (Al23/SiO2ttl/(Al23/SiO2表面が、1.3〜20であることを特徴とする、請求項1に記載のケイ素−アルミニウム混合酸化物粉末。
  3. ジブチルフタレートg/混合酸化物100gで表されるジブチルフタレート数が、300〜350であることを特徴とする、請求項1または2に記載のケイ素−アルミニウム混合酸化物粉末。
  4. 前記ケイ素−アルミニウム混合酸化物粉末の製造方法において、
    a)CH3SiCl3、(CH32SiCl2、(CH33SiClおよび(n−C37)SiCl3からなる群から選択される1つまたは複数のケイ素化合物を含んでいる蒸気、ならびに加水分解可能および/または酸化可能のアルミニウム化合物の蒸気を、別個または一緒に、キャリアガスを用いて混合室に移し、ここで、Al23として算出されるアルミニウム化合物の、SiO2として算出されるケイ素化合物に対する質量比は、0.003〜0.05であり、
    b)前記とは別に、少なくとも1つの燃焼ガスおよび空気を前記混合室に移し、ここで、空気中の酸素の総量は、燃焼ガスならびにケイ素化合物およびアルミニウム化合物を完全に燃焼させるために少なくとも充分であり、
    c)前記ケイ素化合物およびアルミニウム化合物の蒸気、燃焼ガスおよび空気からの混合物を燃焼装置内で点火して、該火炎を反応室内に入れて燃焼させ、
    d)引き続き前記固体をガス状物質から分離し、その後該固体を水蒸気で処理する、
    ことを特徴とする請求項1から3までのいずれか1項に記載の前記方法。
  5. 前記ケイ素化合物の蒸気が、SiCl4を40質量%まで含んでいることを特徴とする、請求項4に記載の方法。
  6. 請求項1から3までのいずれか1項に記載のケイ素−アルミニウム酸化混合物粉末の触媒としての使用。
JP2013558343A 2011-03-16 2012-02-03 ケイ素−アルミニウム混合酸化物粉末 Active JP5808438B2 (ja)

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