JP2016500567A - フィッシャー・トロプシュ触媒の調製方法 - Google Patents

フィッシャー・トロプシュ触媒の調製方法 Download PDF

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Abstract

コバルト含有炭化水素合成触媒の製造方法は、炭化物形成工程において、触媒担体担持コバルト及び/又はコバルト化合物を含む初期の触媒前駆体を、温度TでCO含有ガスとともに処理することを含む。Tは200から280℃である。コバルト又はコバルト化合物は炭化コバルトに転換され、それにより炭化コバルト含有触媒前駆体を得る。CO含有ガス(H2を含む場合)は、33:1又はそれよりも少ないH2に対するCOのモル比を有さない。前記炭化物形成工程は非酸化条件下で実施される。続く活性化工程において、前記炭化コバルト含有触媒前駆体は、温度T2で水素含有ガスとの処理にさらされる。T2は少なくとも300℃である。炭化コバルトはコバルト金属に転換され、それにより炭化コバルト含有触媒前駆体を活性化し、コバルト含有炭化水素合成触媒を得る。

Description

本発明は触媒に関する。特に、コバルト含有炭化水素合成触媒の調製方法、及び前記炭化水素合成触媒を使用することを含む炭化水素の製造方法に関する。本発明はまた、上記方法によって製造される触媒及び製品に関する。
担持されたコバルト含有炭化水素合成又はフィッシャー・トロプシュ合成(FTS)触媒は、触媒担体へのコバルト塩の含浸に加え、該含浸された担体を乾燥させ、続いて、得られた乾燥させた含浸担体を焼成してFTS触媒前駆体を得ることによって調製され得る。次いで、触媒前駆体を還元条件下で活性化して、担体上に分散されたコバルト金属微結晶を含むFTS触媒を得る。
活性化条件は、最終的な触媒の活性を改良するために適合され得ることが知られている。活性化の間の還元条件は、通常、水素ガスにより提供されるが、活性化の間、COを使用することも知られている。Khodakov AY et al, in Journal of Catalysis, 277, 2011, 14-26は、酸化コバルト[Co(25%のCo)/Pt(0.1%)/Alの]の標準のH還元がコバルト金属を生成し、それにより、XRD測定によれば、支配的な相は、コバルトの面心立方(fcc)相であり、コバルト金属の約80%を占め、残りの部分は最密六方(hcp)相であると報告した。220℃での還元(金属)コバルト触媒の純粋なCOとの処理は、FTSに対して不活性である炭化コバルト(CoC)の形成を引き起こす。しかしながら、続く220℃での炭化コバルトのH処理は、コバルトのhcp相の選択的な形成をもたらす。hcp相がコバルトのfcc相よりもFTSにおいてより活性であることも認められ、かつ、炭化コバルトのH処理に続くFTSは、CO処理なしの対応する触媒よりも50%のより高い活性を示したことが著者によって主張されている。
コバルトのhcp相はより高いFTS活性を与えるので、それはFTSに対して所望の相であることが、Khodakov AYらの教示から明らかである。炭化コバルトの水素処理は、hcp相のコバルトを主に生成し、かつ、hcp相のコバルトへの炭化コバルトの転換は220℃の温度で迅速に起こることが、Khodakov AYらの教示から知られている。
本発明は、300℃を超える温度での炭化コバルトの水素処理がまた、水素処理を250℃未満で行った場合と同様に形成されるコバルトのhcp相をもたらすことを見出した。より高い温度でのコバルトのhcp相の形成において、改良は全く観察されなかったが、炭化コバルトが300℃を超える温度で水素と共に処理された場合、そのように形成された触媒は、より高いFTS触媒活性及び/又はより低いメタン選択性を有したことが、最も予想外に見出された。これらの改良の理由は、この段階では明らかではない。さらに、炭化コバルトが形成する温度が、FTS触媒活性及び/又はメタン選択性に影響を及ぼすことも、驚くべきことに見出された。
CO処理及び水素処理を伴う触媒活性化の手順がまた、WO2006/087522;US6509382;WO2011/027104;Oil and Gas Science and Technology - Rev, IFP, Vol. 64 (2009), No.1, pp.49-62;及びCatal. Today 164 (2011) 62 に記載されている。しかしながら、これらの文献のいずれも、本発明の方法を開示しておらず、特に、炭化物の形成が生じ、続いて、炭化コバルトが水素で処理される条件の組み合わせを開示していない。
本発明の第1の態様によれば、コバルト含有炭化水素合成触媒の調製方法が提供され、この方法は、
− 炭化物形成工程において、触媒担体担持コバルト及び/又はコバルト化合物を含有する初期の触媒前駆体を、200℃〜280℃の温度TでCO含有ガスと共に処理して、コバルト及び/又はコバルト化合物を炭化コバルトに転換し、それにより炭化コバルト含有触媒前駆体を得る工程であって、前記CO含有ガス(Hを含む場合)が33:1又はそれよりも低いHに対するCOのモル比を有さず、かつ、炭化物形成工程が非酸化条件下で行われる、工程;並びに、
− 続く活性化工程において、炭化コバルト含有触媒前駆体を、少なくとも300℃の温度Tでの水素含有ガスとの処理にさらし、炭化コバルトをコバルト金属に転換し、それにより炭化コバルト含有触媒前駆体を活性化し、かつコバルト含有炭化水素合成触媒を得る工程、を含む。
炭化物形成工程
好ましくは、Tは210℃を超え、好ましくは280℃未満、好ましくは260℃未満、好ましくは250℃未満である。好ましくは、Tは220℃〜250℃であり、好ましくは約230℃である。
CO含有ガスは、このように水素を含有してもよい。しかしながら、上記のように、CO含有ガスが水素を含む場合、それは33:1又はそれよりも低いCO:Hのモル比を有さない。言い換えると、CO含有ガスがHを含む場合、それは33:1よりも大きいCO:Hのモル比を有する。
しかしながら、CO含有ガスは、好ましくはHを含まない。炭化物形成工程におけるHの存在は、炭化コバルトの形成を、減少、抑制又は防止すると考えられる。
炭化物の形成は、1つ又はそれよりも多くの酸化コバルトの形成を、抑制、好ましくは防止するために、非酸化性条件下で行われる。CO含有ガスは、炭化物形成工程の間に1つ又はそれよりも多くの酸化コバルトの形成を生じさせる酸化性ガスを実質的に含まなくてもよく;好ましくは、このような酸化性ガスを全く含まない。CO含有ガスは、炭化物形成工程の間に1つ又はそれよりも多くの酸化コバルトの形成を生じさせる、酸素又は酸素含有ガス(例えば、空気)を実質的に含まなくてもよく;好ましくは、このような酸素又は酸素含有ガスを全く含まない。炭化物形成工程の間の1つ又はそれよりも多くの酸化コバルトの形成が、炭化コバルトの形成を減少又は抑制するので望ましくないということが十分理解されるであろう。
本発明の好ましい一実施形態において、CO含有ガスは純粋なCOである。
炭化物形成工程の間のCO含有ガスのCO分圧は、大気圧又はそれよりも大きくてよい。好ましくは、CO分圧は、1barよりも大きく、好ましくは3barよりも大きく、好ましくは約6barである。
好ましくは、炭化物形成工程の間のCO含有ガスによる処理は、1時間よりも長く、好ましくは、3時間よりも長い。
初期の触媒前駆体をCO含有ガスで処理することは、適当な方法で初期の触媒前駆体をCO含有ガスと接触させることによって行われてもよい。好ましくは、初期の触媒前駆体は、粒子の床を通って流されるCO含有ガスと共に初期の触媒前駆体粒子の床の形態で提供される。粒子の床は、固定床であってもよいが、好ましくは流動床であり、かつ、好ましくは、CO含有ガスは初期の触媒前駆体粒子の床に対する流動媒体として機能する。
炭化物形成工程の間、全てのコバルトの30質量%を超える、好ましくは60質量%を超える、好ましくは70質量%を超えるCoが、炭化コバルトとして提供されてもよい。
炭化コバルトは、CoC及び/又はCoCを含んでもよい。
好ましくは、炭化コバルト含有触媒前駆体は活性化工程に直接さらされる。「炭化コバルト含有触媒前駆体を活性化工程に直接さらす」とは、炭化コバルトの酸化を引き起こす酸化条件下で280℃を超える熱処理に炭化コバルト含有触媒前駆体を最初にさらすことなく、炭化コバルト含有触媒前駆体を活性化工程にさらすことを意味している。好ましくは、炭化コバルトの酸化を引き起こす酸化条件下、280℃を超える、好ましくは250℃を超える、好ましくは200℃から又はそれを超える、好ましくは150℃を超える、好ましくは100℃を超える、炭化コバルト含有触媒前駆体のこのような熱処理は全く存在しない。本発明の一実施形態では、35℃を超える炭化コバルト含有触媒前駆体の熱処理は、炭化コバルトの酸化を引き起こす酸化条件下で全く行われない。酸化条件は、O又はO含有ガス(例えば空気)のような酸化ガスによって提供され得る。
活性化段階
好ましくは、活性化工程において、Tは、320℃を超える、好ましくは、少なくとも350℃、及び好ましくは500℃未満、好ましくは490℃未満である。好ましくは、Tは、350℃から及び500℃未満、好ましくは約425℃である。
水素含有ガスは、純粋な水素ガスであってもよい。あるいはまた、水素含有ガスは、水素と、活性化工程の間、炭化コバルトに関して不活性である1つ又はそれよりも多くの不活性ガスとからなってもよい。好ましくは、水素含有ガスは少なくとも90体積%の水素を含む。
水素ガスで炭化コバルト含有触媒前駆体を処理することは、適当な方法で水素ガスを炭化コバルト含有触媒前駆体と接触させることによって行われてもよい。好ましくは、炭化コバルト含有触媒前駆体は、粒子の床を通って流される水素ガスと共に触媒前駆体の粒子の床の形態で提供される。粒子の床は、固定床であってもよいが、好ましくは流動床であり、かつ、好ましくは、水素ガスは炭化コバルト含有触媒前駆体の粒子の床に対する流動媒体として機能する。
水素含有ガスによる処理は、0.6〜1.5bar(a)、好ましくは0.8〜1.3bar(a)の圧力で実施され得る。あるいはまた、圧力は1.5bar(a)〜20bar(a)であってもよい。
活性化工程の間、Tを変化させてもよく、好ましくは、上記のような、例えば、320℃超及び500℃未満の最高温度まで上昇させる。
活性化工程は、1つの段階から次へ行くときに、水素含有ガスの加熱率及び空間速度の1つ又は両方を変えて又は変更して、2つ又はそれよりも多くの段階で実施されてもよい。
水素含有ガスによる処理の間、水素ガスのGHSVは、好ましくは、触媒のグラム当たり毎時1〜100リットルである。
初期の触媒前駆体
方法は、触媒担体上に及び/又は中にコバルト化合物を導入することにより、初期の触媒前駆体を調製することを含んでもよい。
触媒担体上に及び/又は中に導入されるコバルト化合物、即ち、触媒担体によって担持されるコバルト化合物は、コバルト、好ましくはコバルト塩の適切な有機又は無機化合物であってもよい。好ましくは、それは無機化合物であり、より好ましくは、コバルトの無機塩である。触媒前駆体化合物は、硝酸コバルトであってもよく、特にそれは、Co(NO・6HOであってもよい。
コバルト化合物は、適切な方法によって触媒担体上に及び/又は中に導入されてもよいが、好ましくは、それは含浸によるものである。好ましくは、触媒担体は、コバルト化合物;コバルト化合物に対する液体キャリア;及び触媒担体の混合物を形成することにより、コバルト化合物によって含浸される。
方法は、酸(例えば、マレイン酸)を、コバルト化合物より前に又は同時に触媒担体と接触させる工程を含んでもよい。
液体キャリアは、コバルト化合物に対する溶媒を含んでもよく、好ましくは、コバルト化合物は液体キャリアに溶解される。液体キャリアは水であってもよい。
液体キャリアは、酸性の液体キャリアであってもよく、好ましくはそれは、酸性の水性組成物である。酸性の液体キャリアは、5未満、好ましくは3未満、及びより好ましくは3未満のpHを有してもよい。好ましくは、pHは、1より大きく、より好ましくは1.8より大きい。
含浸は、初期湿潤含浸法(incipient wetness impregnation)又はスラリー相含浸法(slurry phase impregnation)を含む、適切な含浸法によって行われてもよい。スラリー相含浸法が好ましい。好ましくは、コバルト化合物は、溶液の体積がxyリットルよりも大きくなるように液体キャリアに溶解され、次いで該溶液が触媒担体と混合され、ここで、xは触媒担体のBET細孔容積(ml/担体g)であり、yは含浸される触媒担体の質量(kg)である。好ましくは、溶液の体積は1.5xyリットルよりも大きく、好ましくはそれは約2xyリットルである。
含浸は、準大気圧、好ましくは0.84bar(a)未満、より好ましくは0.30bar(a)及びそれよりも低く実施されてもよい。
好ましくは、含浸は25℃を超える温度で実施される。好ましくは、温度は40℃を超え、より好ましくは少なくとも60℃であるが、好ましくは95℃を超えない。
含浸に続いて、含浸された担体の部分的な乾燥をしてもよいし、又は含浸と乾燥とが同時に実施されてもよい。好ましくは、乾燥は25℃を超える温度で実施される。好ましくは、温度は40℃を超え、より好ましくは少なくとも60℃であるが、好ましくは95℃を超えない。好ましくは、部分的な乾燥は、準大気条件、より好ましくは0.84bar(a)未満、最も好ましくは0.30bar(a)及びそれよりも低く行われてもよい。
本発明の一実施形態では、含浸及び部分的な乾燥は、触媒担体が25℃を超える温度、及び準大気圧下でコバルト化合物と含浸され(好ましくはスラリー含浸され)、得られる生成物が乾燥される、第1の工程;並びに、第1の工程で得られた部分的に乾燥した生成物は、25℃を超える温度、及び準大気圧、例えば、続く工程の温度が第1の工程のものを上回り、及び/又は続く工程の準大気圧が第1の工程のものよりも低いような、処理にさらされる、少なくとも1つの続く工程を含む手順を使用して実施されてもよい。この二工程の含浸は、WO00/20116に記載されるような方法であってもよく、これは参照により本明細書に組み込まれる。
本発明の一実施形態では、初期の触媒前駆体の触媒担体によって担持されるコバルト化合物は、触媒担体の上に及び/又は中に導入されるようなコバルト化合物であってもよく、上記のような、コバルトの適切な有機又は無機の化合物であってもよい。本発明の一実施形態では、この形態の触媒前駆体は、炭化物形成工程にさらされてもよい。
本発明の代替の実施形態では、触媒担体によって担持されるコバルト化合物は、触媒担体の上に及び/又は中に導入されるようなコバルト化合物から(例えば焼成によって)転換されたコバルト化合物であってもよい。本発明のこの実施形態では、コバルト化合物はコバルトのオキシヒドロキシ化合物を含む、酸化コバルト化合物であってもよい。酸化コバルト化合物は、CoO、CoO(OH)、Co、Co又は1つ若しくはそれよりも多くのこれらの混合物からなる群から選択される化合物であってもよい。好ましくは、コバルト化合物は、CoO、CoO(OH)及びCoOとCoO(OH)との混合物からなる群から選択される。
酸化コバルト化合物は、コバルト塩の形態のコバルト化合物を担持する触媒担体を焼成することによって形成されてもよい。
焼成は、コバルト塩を分解するため、及び/又はコバルト塩を酸素と反応させるために行われてもよい。例えば、コバルト塩(硝酸コバルトなど)は、CoO、CoO(OH)、Co、Co又は1つ若しくはそれよりも多くのこれらの混合物から選択されるコバルト化合物になるように転換されてもよい。
焼成は、ロータリーキルン、縦型炉、又は流動床反応器のような適切な方法で実行されてもよい。
焼成は不活性雰囲気中で実施されてもよいが、好ましくは、酸化条件下で実施される。好ましくは、酸化は、酸素の存在下、より好ましくは、空気中で実施される。
好ましくは、焼成は、95℃を超える、より好ましくは120℃を超える、さらに好ましくは130℃を超える、最も好ましくは200℃を超える、及び好ましくは400℃を超えない、より好ましくは300℃を超えない温度で実施される。
焼成は、以下の基準に準拠する加熱率及び空気の空間速度を用いて実施され得る。
(i)加熱率が1℃/分以下である場合、空気の空間速度は、少なくとも0.76m /(kg Co(NO・6HO)/hであり;及び
(ii)加熱率が1℃/分よりも高い場合、空気の空間速度は、次の関係を満たす。
Figure 2016500567
含浸、部分的な乾燥及び焼成は、触媒担体上に触媒前駆体化合物のより高い充填を達成するために繰り返されてもよい。
本発明の一実施形態では、初期の触媒前駆体の触媒担体によって担持されたコバルト化合物は、酸化コバルト化合物であってもよく、本発明のこの実施形態では、この形態の触媒前駆体は、炭化物形成工程にさらされる。
本発明の代替の実施形態では、初期の触媒前駆体は、触媒担体担持コバルトを含む。該コバルトは、コバルト化合物を担持する触媒担体を含む初期の触媒前駆体が、還元ガスの還元にさらされ、コバルト化合物をコバルトに還元する還元工程で形成されてもよい。コバルト化合物は、上記のようなコバルト塩であってもよいが、好ましくは上記のような、酸化コバルト化合物である。
好ましくは、還元ガスは水素又は水素含有ガスである。水素含有ガスは、水素と、還元工程の間の活性触媒に関して不活性である1つ又はそれよりも多くの不活性ガスとからなり得る。好ましくは、水素含有ガスは少なくとも90体積%の水素を含む。
還元ガスを、適切な方法でコバルト化合物を含む初期の触媒前駆体と接触させてもよい。好ましくは、前記初期の触媒前駆体は、粒子の床を通って流される還元ガスと共に初期の触媒前駆体の粒子の床の形態で提供される。粒子の床は、固定床であってもよいが、好ましくは流動床であり、かつ、好ましくは、還元ガスは触媒前駆体粒子の床に対する流動媒体として機能する。
還元は、0.6〜1.5bar(a)、好ましくは0.8〜1.3bar(a)の圧力で実行され得る。あるいはまた、圧力は1.5bar(a)〜20bar(a)であってもよい。
還元は、好ましくは、コバルト化合物がコバルト金属に還元される25℃を超える温度で実行される。好ましくは、活性化は、150℃を超える、及び好ましくは600℃未満の温度で実行される。好ましくは、還元は、500℃未満、好ましくは450℃未満の温度で実行される。
還元工程の間、温度を変化させてもよいし、好ましくは、上述のような最大温度まで上昇させる。
触媒床を通じての還元ガスの流れは、好ましくは、還元の間に生成された汚染物質が十分に低いレベルに維持されることが確保されるように制御される。還元ガスは、リサイクルされてもよく、好ましくはリサイクルされた還元ガスは、還元の間に生成される1つ又はそれよりも多くの汚染物質を除去するために処理される。汚染物質は、1つ又はそれよりも多くの水及びアンモニアを含む場合がある。
還元は、1つの段階から次に行くときに、還元ガスの加熱率及び空間速度の1つ又は両方を変化させて、2つ又はそれよりも多くの段階で実施されてもよい。
還元の間の水の分圧は、好ましくは可能な限り低く、好ましくは0.1気圧未満に保たれる。水素の空間速度は、触媒のグラム当たり毎時1〜100リットルとすることができる。
方法は、コバルトを担持する触媒担体を含む初期の触媒前駆体を酸化させて、コバルトを酸化コバルト化合物に転換させ、次いで、酸化コバルト化合物をコバルトに再還元する工程を含んでもよい。酸化コバルト化合物は、本明細書の上記のようなコバルト化合物であってもよい。初期の触媒前駆体の前記酸化工程は、コバルトを酸化コバルトに転換するための適当な酸化手順であってもよい。再還元工程は、本明細書の上記還元工程で実施された還元と同じであってもよい。
初期の触媒前駆体はまた、コバルト化合物の還元性を高めることが可能なドーパントを含んでもよい。ドーパントは、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、レニウム(Re)及びそれらの1つ又はそれよりも多くの混合物を含む群から選択される金属であってもよい。活性成分金属(特にコバルト金属)に対する金属ドーパント(特にパラジウム金属又は白金金属)の質量割合が、1:300〜1:3000であってもよい。
ドーパントは、初期の触媒前駆体を調製する場合、コバルト化合物を触媒担体上に及び/又は中に導入する間又は後に導入されてもよい。ドーパントは、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、レニウム(Re)及びそれらの1つ又はそれよりも多くの混合物を含む群から選択される金属の化合物であるドーパント化合物として導入されてもよい。好ましくは、ドーパント化合物は無機塩であり、好ましくはそれは水溶性である。
初期の触媒前駆体はまた、使用済みのFTS触媒であり得る。使用済みのFTS触媒は、ある特定の期間(例えば、週、月、年)FTS条件にさらされた触媒である。
初期の触媒前駆体はまた、再生された使用済みのFTS触媒であり得る。これは、再生処理で酸化され、続いて水素で還元された使用済みのFTS触媒である。それはまた、再生処理中に酸化された使用済みのFTS触媒であり得る。
触媒担体
触媒担体は、その上にコバルト又はコバルト化合物を担持するのに適した触媒担体であってもよい。
触媒担体は、通常、多孔性の担体であり、好ましくは、それはまた予備成形されている。担体は、好ましくは8〜50ナノメートル、より好ましくは10〜15ナノメートルの平均孔径を有する。担体の細孔容積は、0.1〜1ml/触媒担体g、より好ましくは0.3〜0.9ml/触媒担体gであってもよい。予備成形された担体は、1〜500マイクロメートル、より好ましくは10〜250マイクロメートル、さらにより特には45〜200マイクロメートルの平均粒子サイズを有する、粒子状の担体であってもよい。
触媒担体は、触媒担体のベースと任意に1つ又はそれよりも多くの修飾成分とを含んでもよい。触媒担体のベースは、1つ又はそれよりも多くのアルミニウム酸化物の形態のアルミナ;シリカ(SiO);チタニア(TiO);マグネシア(MgO);及び酸化亜鉛(ZnO);並びにこれらの混合物からなる群から選択されてもよい。好ましくは、担体のベースは、1つ又はそれよりも多くのアルミニウム酸化物の形態のアルミナ;チタニア(TiO)及びシリカ(SiO)からなる群から選択される。より好ましくは、担体のベースは、1つ又はそれよりも多くのアルミニウム酸化物の形態のアルミナである。担体のベースは、商業的に入手可能な製品、例えばPuralox(商標)(Sasol Germany GmbHから入手可能)でもあってよい。
好ましくは、触媒担体は1つ又はそれよりも多くの修飾成分を含む。これは特に、担体のベースが中性及び/又は酸性の水溶液に可溶性である場合、又は担体のベースが以下に記載されるように熱水攻撃に対して敏感な場合である。
修飾成分は、以下の1つ又はそれよりも多くをもたらす成分を含んでもよい。
(i)水性環境における触媒担体の溶解を減少させる;
(ii)熱水攻撃に対する触媒担体の感受性を抑制する(特にフィッシャー・トロプシュ合成の間);
(iii)触媒担体の細孔容積を増大させる;
(iv)触媒担体の強度及び/又は耐摩損性及び/又は耐摩耗性を増大させる。
本発明の好ましい実施形態では、修飾成分は、水性環境における触媒担体の溶解を減少させ、及び/又は熱水攻撃に対する触媒担体の感受性を抑制する(特にフィッシャー・トロプシュ合成の間)。このような水性環境は、酸性の水溶液及び/又は中性の水溶液、特に水相含浸触媒調製工程の際に遭遇する環境を含み得る。熱水攻撃は、炭化水素の合成、特にフィッシャー・トロプシュ合成の間の、高温及び水にさらすことに起因した触媒担体(例えばアルミニウム酸化物)の焼結であるとみなされる。
修飾成分は、Si、Zr、Co、Ti、Cu、Zn、Mn、Ba、Ni、Na、K、Ca、Sn、Cr、Fe、Li、Ti、Sr、Ga、Sb、V、Hf、Th、Ce、Ge、U、Nb、Ta、W、La及びこれらの2つ又はそれよりも多くの混合物を含んでもよく、或いはこれらからなってもよい。
修飾成分は、Si;Zr;Cu;Zn;Mn;Ba;La;W;Ni、Ti及びこれらの1つ又はそれよりも多くの混合物からなる群から選択されてもよい。
好ましくは、修飾成分はSi及びZrからなる群から選択される。本発明の好ましい実施形態において、修飾成分はSiである。
修飾成分がSiであるとき、得られた触媒担体におけるシリコンレベルは、1平方ナノメートルの触媒担体当たり少なくとも0.06Si原子、好ましくは1平方ナノメートルの触媒担体当たり少なくとも0.13Si原子、より好ましくは1平方ナノメートルの触媒担体当たり少なくとも0.26Si原子であってもよい。
好ましくは、上限のレベルは、1平方ナノメートルの触媒担体当たり2.8Si原子である。
本発明の一つの好ましい実施形態において、触媒担体は、Si、Zr及びWから選択される修飾成分を任意に含有する触媒担体のベースを含み、ここで、触媒担体のベースは、1つ又はそれよりも多くのアルミニウム酸化物の形態のアルミナ;シリカ(SiO)及びチタニア(TiO)からなる群から選択される。好ましくは、触媒担体のベースは、1つ又はそれよりも多くのアルミニウム酸化物の形態のアルミナであり、好ましくはそれは、Si、Zr及びWから好ましくは選択され、より好ましくはSiである修飾成分を含む。本発明の一つの好ましい実施形態において、触媒担体は、1つ又はそれよりも多くのアルミニウム酸化物の形態のアルミナ、シリカ(SiO)、チタニア(TiO)、マグネシア(MgO)、シリカ修飾されたアルミニウム酸化物、及びこれらの混合物から選択されてもよい。好ましくは、担体はシリカ修飾されたアルミニウム酸化物、例えば、Sasol Germany GmbHから商標Siraloxで入手可能な製品である。Siraloxは、スプレー乾燥されたシリカを含有するアルミニウム酸化物の担体である。シリカ修飾されたアルミニウム酸化物の担体は、参照により本明細書に組み込まれるUS5,045,519に記載される製品であってもよい。
1つ又はそれよりも多くのアルミニウム酸化物は、ガンマアルミナ、デルタアルミナ、シータアルミナ及びこれらの2つ又はそれよりも多くの混合物を含む(好ましくは、これらからなる)群から選択されてもよい。好ましくは、該群は、ガンマアルミナ、デルタアルミナ、並びにガンマアルミナ及びデルタアルミナの混合物を含むか、或いは、好ましくはこれらからなるものである。アルミニウム酸化物の触媒担体は、SASOL Germany GmbHからPuralox、好ましくはPuralox SCCa2/150の商標で入手できるものであってもよい。Puralox SCCa2/150(商標)は、ガンマ及びデルタのアルミニウム酸化物の混合物からなるスプレー乾燥されたアルミニウム酸化物の担体である。
アルミニウム酸化物は、好ましくは、Al・xHO(ここで0<x<1)の式で記述され得る、結晶性化合物である。従って、用語「アルミニウム酸化物」は、Al(OH)、及びAlO(OH)を排除するものであるが、ガンマ、デルタ及びシータアルミナのような化合物を含む。
本発明の好ましい実施形態では、触媒担体又は触媒担体のベースは、ゼオライトではない。
コバルト含有炭化水素合成触媒
コバルト含有炭化水素合成触媒は、フィッシャー・トロプシュ(FT)合成触媒であってもよい。FT合成触媒は、固定床反応器、スラリー床反応器、又はさらには固定流動床反応器中で行われる方法に適している場合がある。好ましくは、該方法は三相スラリー床FT合成反応器中で行われてもよい。
活性コバルト含有炭化水素合成触媒は、5〜70gのCo/触媒担体100g、好ましくは20〜40gのCo/触媒担体100g、より好ましくは25〜35gのCo/触媒担体100gの充填量でコバルトを含有してもよい。
本発明の最も好ましい実施形態において、活性コバルト含有炭化水素合成触媒は、炭化水素の合成において前記触媒を使用する前に酸化にさらされない。
本発明の第二の態様に従えば、本発明の第一の態様の方法に従って調製された、コバルト含有炭化水素合成触媒が提供される。
炭化水素の合成
本発明の第三の態様に従えば、炭化水素を製造する方法であって、本発明の第一の態様
の方法に従ってコバルト含有炭化水素合成触媒を調製することと;コバルト含有炭化水素合成触媒の存在下、100℃を超える温度及び少なくとも10barの圧力で水素を一酸化炭素に接触させ、それによってフィッシャー・トロプシュ合成法にて炭化水素、及び任意に炭化水素の酸素化物を製造することとを含む方法が提供される。
炭化水素の製造方法はまた、炭化水素及び任意にその酸素化物を液体燃料及び/又は化学薬品に転換するための水素化処理工程を含んでもよい。
本発明の第四の態様によれば、本発明の第三の態様による炭化水素の製造方法によって製造された製品が提供される。
本明細書の上記のようにして調製された触媒が、いったん、炭化水素の合成(好ましくは、フィッシャー・トロプシュ合成)にさらされ、かつ、少なくともいくつかのその初期活性を失ったら、該触媒は、触媒を還元ガスで処理することによる再生(rejuvenation)にさらされてもよい。活性化は高温で行われてもよく、好ましくは、還元ガスは、H又はHを含むガスである。本発明に従って調製された触媒は、再生に特に適しており、初期の触媒に比べて再生後にメタン選択性を減少させていることが見出された。
本発明は、次に、以下の非限定的な例を参照してより詳細に説明されるであろう。
例1
30gのCo/0.075gのPt/100gのSi−Alの組成を有するコバルトベースのフィッシャー・トロプシュ合成の初期の触媒前駆体を調製した。
初期の触媒前駆体を以下のように調製した。第1の含浸段階において、Co(NO・6HO(39.5g)及び[Pt(NH(NO](0.0248g)を50mlの蒸留水に溶解した。該溶液に50gのSi−Alの粒子状担体を加え、次いで、温度を60〜85℃に上昇させながら、真空乾燥を用いて水を追い出した。いったん乾燥したら、試料を6時間、空気の流れとともに流動床を用いて250℃で焼成した。次いで、第2の含浸段階において、50mlの蒸留水に溶解させたCo(NO・6HO(28.4g)及び[Pt(NH(NO](0.0407g)を用い、かつここへ第1の含浸段階からの50gの焼成材料を添加し;続いて、温度を60から85℃に上昇させながら、真空乾燥して、上記工程を繰り返した。乾燥材料を、第1の含浸段階と同じ方法で、さらに6時間250℃で焼成した。
例2(101−R3のベースライン;比較)
例1の初期の触媒前駆体を固定床反応器に充填し、大気圧下で7時間、425℃の温度で水素(4000ml/gcat/h)を用いて活性化し、続いて、水素中で230℃まで冷却した。フィッシャー・トロプシュ合成(FTS)を、16barで水素/CO混合物中230℃で同じ固定床反応器で行った。FTS活性及びメタン選択性を表1に示す。
例3(128−R1;本発明)
例1の初期の触媒前駆体を、固定床反応器中、以下の手順を用いて大気圧下で活性化した。
− 1℃/分及び425℃で7時間の保持時間、水素(4000ml/gcat/h)中で25から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で230℃まで冷却する。水素をアルゴン(20分;2000ml/gcat/h)で置換した。アルゴンを230℃でCOにより置換した。
− 炭化物形成工程における、22時間230℃でのCO(4000ml/gcat/h)中の処理。COをアルゴン(20分;2000ml/gcat/h)で置換した。アルゴンを230℃で水素により置換した。
− 活性化工程において、1℃/分及び425℃で7時間の保持時間、水素(8000ml/gcat/h)中で230から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で230℃まで冷却する。
− フィッシャー・トロプシュ合成(FTS)を、16barで水素/CO混合物中、230℃で同じ固定床反応器で行った。FTS活性及びメタン選択性を表1に示す。
例4(152−R4;本発明)
例1の初期の触媒前駆体を、大気圧下でガラス管中、以下の手順を用いて活性化した。
− 1℃/分及び425℃で7時間の保持時間、水素(4000ml/gcat/h)中で25から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で230℃まで冷却する。水素をアルゴン(20分;2000ml/gcat/h)で置換した。アルゴンを230℃でCOにより置換した。
− 炭化物形成工程における、22時間230℃でのCO(4000ml/gcat/h)中の処理。COをアルゴン(20分;2000ml/gcat/h)で置換した。
− 室温まで冷却した後、試料を1%のO/アルゴンで不動態化した。
− 不動態化した試料を固定床反応器内に充填し、かつ、活性化工程において、1℃/分及び425℃で7時間の保持時間、水素(8000ml/gcat/h)中で室温から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で230℃まで冷却した。
− フィッシャー・トロプシュ合成(FTS)を、16barで水素/CO混合物中、230℃で同じ固定床反応器で行った。FTS活性及びメタン選択性を表1に示す。
例5(152−R3;本発明)
最後の活性化工程を425℃の代わりに350℃で行ったことを除いて、この試料を例4のものと同様に調製した。
例5A(152−R2;本発明)
最後の活性化工程を425℃の代わりに300℃で行ったことを除いて、この試料を例4のものと同様に調製した。
例6(152−R1;比較)
最後の活性化工程を425℃の代わりに250℃で行ったことを除いて、この試料を例4のものと同様に調製した。
Figure 2016500567
このように、表1は、少なくとも300℃の活性化工程の温度を使用することが、増加した活性(63〜71%まで)及び/又は改善されたより低いメタン選択性(22〜24%まで)を有する触媒を提供することを示している。
例7(158−R1;比較)
例1の初期の触媒前駆体を、固定床反応器中、以下の手順を用いて活性化した。
− 1℃/分、大気圧下、及び425℃で5時間の保持時間、水素(4000ml/gcat/h)中で25から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で230℃まで冷却する。水素をアルゴン(20分;2000ml/gcat/h)で置換した。アルゴンを230℃でCOにより置換した。
− 炭化物形成工程における、6barで6時間230℃でのCO(6000ml/gcat/h)中の処理。COをアルゴン(20分;2000ml/gcat/h)で置換した。アルゴンを230℃で水素により置換した。
− 活性化工程において、1℃/分、大気圧下、及び250℃で10時間の保持時間、水素(8000ml/gcat/h)中で230から250℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で230℃まで冷却する。
例8(158−R2;本発明)
例1の初期の触媒前駆体を、固定床反応器中、以下の手順を用いて活性化した。
− 1℃/分、大気圧下、及び425℃で5時間の保持時間、水素(4000ml/gcat/h)中で25から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で230℃まで冷却する。水素をアルゴン(20分;2000ml/gcat/h)で置換した。アルゴンを230℃でCOにより置換した。
− 炭化物形成工程における、6barで6時間230℃でのCO(6000ml/gcat/h)中の処理。COをアルゴン(20分;2000ml/gcat/h)で置換した。アルゴンを230℃で水素により置換した。
− 活性化工程において、1℃/分、大気圧下、及び300℃で9時間の保持時間、水素(8000ml/gcat/h)中で230から300℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で230℃まで冷却する。
例9(158−R3;本発明)
例1の初期の触媒前駆体を、固定床反応器中、以下の手順を用いて活性化した。
− 1℃/分、大気圧下、及び425℃で5時間の保持時間、水素(4000ml/gcat/h)中で25から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で230℃まで冷却する。水素をアルゴン(20分;2000ml/gcat/h)で置換した。アルゴンを230℃でCOにより置換した。
− 炭化物形成工程における、6barで6時間230℃でのCO(6000ml/gcat/h)中の処理。COをアルゴン(20分;2000ml/gcat/h)で置換した。アルゴンを230℃で水素により置換した。
− 活性化工程において、1℃/分、大気圧下、及び350℃で8時間の保持時間、水素(8000ml/gcat/h)中で230から350℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で230℃まで冷却する。
例10(154−R2;本発明)
例1の初期の触媒前駆体を、固定床反応器中、以下の手順を用いて活性化した。
− 1℃/分、大気圧下、及び425℃で5時間の保持時間、水素(4000ml/gcat/h)中で25から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で230℃まで冷却する。水素をアルゴン(20分;2000ml/gcat/h)で置換した。アルゴンを230℃でCOにより置換した。
− 炭化物形成工程における、6barで6時間230℃でのCO(6000ml/gcat/h)中の処理。COをアルゴン(20分;2000ml/gcat/h)で置換した。アルゴンを230℃で水素により置換した。
− 活性化工程において、1℃/分、大気圧下、及び425℃で7時間の保持時間、水素(8000ml/gcat/h)中で230から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で30℃まで冷却する。
例7−10は、同じ固定床反応器中で、活性化工程の最後の部分の後、直接的に、16barで水素/CO混合物中、230℃でフィッシャー・トロプシュ合成(FTS)の試験を行った。FTS活性及びメタン選択性を表2に示す。
Figure 2016500567
このように、表2は、少なくとも300℃の活性化工程の温度を使用することが、増加した活性(68%まで)及び改善されたより低いメタン選択性(28%まで)を有する触媒を提供することを示している。
例11(155−R3;比較)
例1の初期の触媒前駆体を、固定床反応器中、以下の手順を用いて活性化した。
− 1℃/分、大気圧下、及び425℃で5時間の保持時間、水素(4000ml/gcat/h)中で25から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で180℃まで冷却する。水素をアルゴン(20分;2000ml/gcat/h)で置換した。アルゴンを180℃でCOにより置換した。
− 炭化物形成工程における、6barで6時間180℃でのCO(6000ml/gcat/h)中の処理。COをアルゴン(20分;2000ml/gcat/h)で置換した。アルゴンを180℃で水素により置換した。
− 活性化工程において、1℃/分、大気圧下、及び425℃で7時間の保持時間、水素(8000ml/gcat/h)中で180から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で230℃まで冷却する。
例12(155−R1;本発明)
例1の初期の触媒前駆体を、固定床反応器中、以下の手順を用いて活性化した。
− 1℃/分、大気圧下、及び425℃で5時間の保持時間、水素(4000ml/gcat/h)中で25から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で200℃まで冷却する。水素をアルゴン(20分;2000ml/gcat/h)で置換した。アルゴンを200℃でCOにより置換した。
− 炭化物形成工程における、6barで6時間200℃でのCO(6000ml/gcat/h)中の処理。COをアルゴン(20分;2000ml/gcat/h)で置換した。アルゴンを200℃で水素により置換した。
− 活性化工程において、1℃/分、大気圧下、及び425℃で7時間の保持時間、水素(8000ml/gcat/h)中で200から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で230℃まで冷却する。
例13(155−R2;本発明)
例1の初期の触媒前駆体を、固定床反応器中、以下の手順を用いて活性化した。
− 1℃/分、大気圧下、及び425℃で5時間の保持時間、水素(4000ml/gcat/h)中で25から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で180℃まで冷却する。水素をアルゴン(20分;2000ml/gcat/h)で置換した。アルゴンを220℃でCOにより置換した。
− 炭化物形成工程における、6barで6時間220℃でのCO(6000ml/gcat/h)中の処理。COをアルゴン(20分;2000ml/gcat/h)で置換した。アルゴンを220℃で水素により置換した。
− 活性化工程において、1℃/分、大気圧下、及び425℃で7時間の保持時間、水素(8000ml/gcat/h)中で220から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で230℃まで冷却する。
例14(139−R1;本発明)
例1の初期の触媒前駆体を、固定床反応器中、以下の手順を用いて活性化した。
− 1℃/分、大気圧下、及び425℃で5時間の保持時間、水素(4000ml/gcat/h)中で25から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で180℃まで冷却する。水素をアルゴン(20分;2000ml/gcat/h)で置換した。アルゴンを230℃でCOにより置換した。
− 炭化物形成工程における、6barで6時間230℃でのCO(6000ml/gcat/h)中の処理。COをアルゴン(20分;2000ml/gcat/h)で置換した。アルゴンを230℃で水素により置換した。
− 活性化工程において、1℃/分、大気圧下、及び425℃で7時間の保持時間、水素(8000ml/gcat/h)中で230から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で230℃まで冷却する。
例15(155−R4;本発明)
例1の初期の触媒前駆体を、固定床反応器中、以下の手順を用いて活性化した。
− 1℃/分、大気圧下、及び425℃で5時間の保持時間、水素(4000ml/gcat/h)中で25から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で180℃まで冷却する。水素をアルゴン(20分;2000ml/gcat/h)で置換した。アルゴンを250℃でCOにより置換した。
− 炭化物形成工程における、6barで6時間250℃でのCO(6000ml/gcat/h)中の処理。COをアルゴン(20分;2000ml/gcat/h)で置換した。アルゴンを250℃で水素により置換した。
− 活性化工程において、1℃/分、大気圧下、及び425℃で7時間の保持時間、水素(8000ml/gcat/h)中で250から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で230℃まで冷却する。
例16(167−R1;本発明)
例1の初期の触媒前駆体を、固定床反応器中、以下の手順を用いて活性化した。
− 1℃/分、大気圧下、及び425℃で5時間の保持時間、水素(4000ml/gcat/h)中で25から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で180℃まで冷却する。水素をアルゴン(20分;2000ml/gcat/h)で置換した。アルゴンを260℃でCOにより置換した。
− 炭化物形成工程における、6barで6時間260℃でのCO(6000ml/gcat/h)中の処理。COをアルゴン(20分;2000ml/gcat/h)で置換した。アルゴンを260℃で水素により置換した。
− 活性化工程において、1℃/分、大気圧下、及び425℃で7時間の保持時間、水素(8000ml/gcat/h)中で260から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で230℃まで冷却する。
例17(167−R2;本発明)
例1の初期の触媒前駆体を、固定床反応器中、以下の手順を用いて活性化した。
− 1℃/分、大気圧下、及び425℃で5時間の保持時間、水素(4000ml/gcat/h)中で25から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で180℃まで冷却する。水素をアルゴン(20分;2000ml/gcat/h)で置換した。アルゴンを280℃でCOにより置換した。
− 炭化物形成工程における、6barで6時間280℃でのCO(6000ml/gcat/h)中の処理。COをアルゴン(20分;2000ml/gcat/h)で置換した。アルゴンを280℃で水素により置換した。
− 活性化工程において、1℃/分、大気圧下、及び425℃で7時間の保持時間、水素(8000ml/gcat/h)中で280から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で230℃まで冷却する。
例18(167−R3;比較)
例1の初期の触媒前駆体を、固定床反応器中、以下の手順を用いて活性化した。
− 1℃/分、大気圧下、及び425℃で5時間の保持時間、水素(4000ml/gcat/h)中で25から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で180℃まで冷却する。水素をアルゴン(20分;2000ml/gcat/h)で置換した。アルゴンを300℃でCOにより置換した。
− 炭化物形成工程における、6barで6時間300℃でのCO(6000ml/gcat/h)中の処理。COをアルゴン(20分;2000ml/gcat/h)で置換した。アルゴンを300℃で水素により置換した。
− 活性化工程において、1℃/分、大気圧下、及び425℃で7時間の保持時間、水素(8000ml/gcat/h)中で300から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で230℃まで冷却する。
例11−18は、同じ固定床反応器中で、活性化工程の最後の部分の後、直接的に、16barで水素/CO混合物中、230℃でフィッシャー・トロプシュ合成(FTS)の試験を行った。FTS活性及びメタン選択性を表3に示す。
Figure 2016500567
このように、表3は、200から280℃の炭化物形成工程の温度を使用することが、増加した活性(74%まで)及び改善されたより低いメタン選択性(33%まで)を有する触媒を提供することを示している。
例19(168−R1;比較)
例1の初期の触媒前駆体を、固定床反応器中、以下の手順を用いて活性化した。
− 1℃/分、大気圧下、及び425℃で7時間の保持時間、水素(4000ml/gcat/h)中で25から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で230℃まで冷却する。
− 230℃でCO:Hのモル比が33:1のCO/水素混合物(6000ml/gcat/h)で水素を置換した。
− 炭化物形成工程における、6barで6時間230℃での、CO:Hのモル比が33:1のCO/水素混合物中の処理。
− CO:Hのモル比が33:1のCO/水素混合物を、230℃で水素により置換した。
− 活性化工程において、1℃/分、大気圧下、及び425℃で7時間の保持時間、水素(8000ml/gcat/h)中で230から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で230℃まで冷却する。
− フィッシャー・トロプシュ合成(FTS)を、16barで水素/CO混合物中、230℃で行った。FTS活性及びメタン選択性を表4に示す。
例20(168−R2;比較)
CO/水素混合物が10:1のCO:Hのモル比を有することを除き、この例を例19と同じ方法で行った。
例21(168−R3;比較)
CO/水素混合物が6.2:1のCO:Hのモル比を有することを除き、この例を例19と同じ方法で行った。
例22(168−R4;比較)
CO/水素混合物が3.8:1のCO:Hのモル比を有することを除き、この例を例19と同じ方法で行った。
Figure 2016500567
このように、表4は、炭化物形成工程の間の水素(33:1又はそれよりも低いCO/Hモル比で)の存在が、比較例2と比較して有益な効果を全く有しない触媒を提供することを示している。
例23(比較)
有機系添加剤を含浸液に添加したことを除き、例1の手順に従って調製された初期の触媒前駆体試料は、大気圧下、16時間425℃の温度で水素を用いて活性化され、続いて、水素中で室温まで冷却され、アルゴン雰囲気下、溶融ワックス中の触媒を取り出す。
例24(本発明;BD277)(CATregen15)
例23の触媒試料を、長期間、FTS用に使用した。このFTS試験からの使用済み触媒を、脱ワックスし、250℃で2時間空気中で酸化させ、室温まで冷却して、酸化コバルトを担持したアルミナを含む再生触媒をもたらす。
この酸化した触媒試料を、1℃/分で室温から425℃まで温度を上昇させることにより水素中で還元し、5時間425℃に保持し、続いて、218℃まで冷却した。これは初期の触媒前駆体をもたらす。
水素をアルゴンで置換し、システムを1時間フラッシュした。次いで、アルゴンを一酸化炭素(大気圧下)で置換し、温度を230℃に上昇させ、24時間230℃に保持し、続いて、178℃まで冷却した。178℃で、システムを1時間アルゴンでフラッシュした。この後、炭化物含有触媒を、1℃/分で178から425℃まで温度を上昇させることによって水素中で活性化し、9時間425℃に保持した。これに続いて、室温まで冷却し、その後、触媒をアルゴン雰囲気下、溶融ワックス中で取り出した。
例25(比較;BD271)(CatRegen13)
例23の触媒試料を、長期間、FTS用に使用した。このFTS試験からの使用済み触媒を、脱ワックスし、250℃で2時間空気中で酸化させ、室温まで冷却して、酸化コバルトを担持したアルミナを含む再生触媒をもたらす。
この酸化した触媒試料を、1℃/分で室温から425℃まで温度を上昇させることにより水素中で還元し、16時間425℃に保持した。これに続いて、室温まで冷却し、触媒をアルゴン雰囲気下、溶融ワックス中で取り出した。
例24−25のワックスコートされた活性化触媒試料を、実験室のスラリーCSTR反応器に充填し、フィッシャー・トロプシュ合成(FTS)を、20barで水素/CO混合物中230℃で行った。相対的なFTS活性及びメタン選択性を表5に示す。
Figure 2016500567
このように、表5は、再生触媒に対して本発明(すなわち、230℃でCO中の炭化物形成工程及び425℃でH中の再活性化)による活性化手順を使用することが、増加した活性(84%まで)及び改善されたより低いメタン選択性(24%まで)を有する触媒を提供することを示している。
例26(本発明;CA116)
例1の初期の触媒前駆体を、大気圧下でガラス管中、以下の手順を用いて活性化した。
− 1℃/分及び425℃で7時間の保持時間、水素(4000ml/gcat/h)中で25から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で230℃まで冷却する。水素をアルゴン(20分;2000ml/gcat/h)で置換した。アルゴンを230℃でCOにより置換した。
− 炭化物形成工程における、22時間230℃でのCO(4000ml/gcat/h)中の処理。COをアルゴン(20分;2000ml/gcat/h)で置換した。
− 室温まで冷却した後、試料を1%のO/アルゴンで不動態化した。
不動態化した触媒試料を、1℃/分、大気圧下、及び425℃で4時間の保持時間、水素中で25から425℃まで温度を上昇させることにより水素で還元し、続いて、水素中で室温まで冷却し、触媒をアルゴン雰囲気下、ワックス中で取り出した。
例26A(比較;BJ052)
例1の手順に従って調製された初期の触媒前駆体試料を、大気圧下及び16時間425℃の温度で水素を用いて活性化し、続いて、水素中で室温まで冷却し、その後、触媒をアルゴン雰囲気下、溶融ワックス中で取り出した。
例26及び26Aのワックスコートされた活性化触媒試料を、実験室のスラリーCSTR反応器に充填し、フィッシャー・トロプシュ合成(FTS)を、20barで水素/CO混合物中230℃で行った。相対的なFTS活性及びメタン選択性を表6に示す。
Figure 2016500567
このように、表6は、本発明(すなわち、230℃でCO中の炭化物形成工程及び425℃でH中の再活性化)による活性化手順を使用することが、マイクロスラリーCSTR反応器で試験したように、増加した活性(25%まで)を有する触媒を提供することを示している。
例27(比較;148−R1)
例1の初期の触媒前駆体の試料を、例2に記載されるような同一の方法で活性化し、続いて、長期間、FTSを行った。使用済み触媒試料をFTS反応器から取り除き、ワックスを溶媒洗浄によって除去した。
使用済み触媒試料を固定床反応器に充填し、大気圧下、7時間425℃の温度で水素を用いて活性化し、続いて、水素中で230℃まで冷却した。フィッシャー・トロプシュ合成(FTS)を、16barで水素/CO混合物中230℃で同一の固定床反応器で行った。FTS活性及びメタン選択性を表7に示す。
例28(本発明;166−R1)
溶媒洗浄した後の、例27からの同じ使用済み触媒試料を固定床反応器に充填し、以下のように活性化した。
− 425℃まで及び7時間425℃での保持の水素処理。
− 水素中200℃までの冷却及び200℃でガスをアルゴンに変更(20分間)。
− 230℃及び6時間6barのCOでのCO処理。
− CO下、圧力を大気圧まで減少及び180℃まで冷却。
− COをArと置換(10分間)。
− アルゴンを水素と置換、425℃まで水素中で活性化及び7時間425℃で保持。
− 230℃まで水素中で冷却。
− フィッシャー・トロプシュ合成(FTS)を、16barで水素/CO混合物中230℃で同一の固定床反応器で行った。
FTS活性及びメタン選択性を表7に示す。
Figure 2016500567
このように、表7は、使用済みコバルトFT触媒に対して本発明(すなわち、230℃でCO中の炭化物形成工程及び425℃でH中の再活性化)による活性化手順を使用することが、増加した活性(58%まで)及び改善されたより低いメタン選択性(25%まで)を有する触媒を提供することを示している。
例29(試験170R4;本発明)
例1の初期の触媒前駆体を、固定床反応器中、以下の手順を用いて活性化した。
− 1℃/分、大気圧下、及び425℃で5時間の保持時間、水素(4000ml/gcat/h)中で25から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で230℃まで冷却する。水素をアルゴン(20分;2000ml/gcat/h)で置換した。アルゴンを230℃でCOにより置換した。
− 炭化物形成工程における、6barで30分間230℃でのCO(6000ml/gcat/h)中の処理。次いで、COを230℃で5時間アルゴン(2000ml/gcat/h)により置換した。次いで、Arを230℃でHにより置換した。
− 活性化工程において、1℃/分、大気圧下、及び425℃で7時間の保持時間、水素(8000ml/gcat/h)中で230から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で230℃まで冷却する。
例29は、16barで水素/CO混合物中、230℃でフィッシャー・トロプシュ合成(FTS)の試験を行った。相対的なFTS活性及びメタン選択性を表8に示す。
Figure 2016500567
例30
(大気圧下)その場XRD分析を、例1の初期の触媒前駆体、及び本発明の活性化手順を使用するそれらから得られた触媒について行った。まず、焼成された材料を、大気圧下並びにCo相の消失及びコバルト金属のfcc相とhcp相(各々、合計コバルト存在量の約60及び40%)の外観を示す425℃で、水素中で還元した。ヘリウムでは、温度を230℃に低下させた。230℃で、ガスをヘリウムから一酸化炭素に変更した。これは、コバルト金属相(の一部)の炭化コバルト(CoC)への転換をもたらした。22時間後、ガスを一酸化炭素からヘリウムに変更し、温度を230℃から140℃に減少させた。140℃で、ガスをヘリウムから水素に変更した。続いて、水素中、温度を徐々に上昇させた。180℃未満で、炭化コバルトが分解し、主にコバルトのhcp金属相を形成することが観察された。温度をさらに425℃に上昇させることは、コバルト相に更なる実質的な変化を全く引き起こさなかった(表9参照)。
230℃での炭化コバルト形成後、その場での水素活性化の間の(全触媒組成物の一部としての)コバルト相の含有量を、XRDが決定した(XRD分析試験Ec11b)。
Figure 2016500567
この例30及び表9は、水素活性化工程の間(すなわち炭化物形成工程の後)、炭化コバルトが200℃未満でCoのhcp金属相に分解され、有意な変化が180から425℃に上昇する加熱においてもはや生じないことを示している。
例31(211R2;比較)
例1の初期の触媒前駆体を、固定床反応器中、以下の手順を用いて活性化した。
− 1℃/分、大気圧下、及び425℃で5時間の保持時間、水素(4000ml/gcat/h)中で25から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で200℃まで冷却する。水素をアルゴン(20分;8000ml/gcat/h)で置換した。アルゴンを200℃でCO/O/N混合物により置換した。
− 炭化物形成工程における、CO/O/N(体積比 100/88/350;11000ml/gcat/h)中の処理。温度を200から230℃まで上昇させ、6barで6時間230℃で保持した。CO/O/N混合物をアルゴン(20分;8000ml/gcat/h)で置換した。アルゴンを230℃で水素により置換した。
− 活性化工程において、1℃/分、大気圧下、及び425℃で7時間の保持時間、水素(8000ml/gcat/h)中で230から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で230℃まで冷却する。
例31は、16barで水素/CO混合物中230℃でフィッシャー・トロプシュ合成(FTS)の試験を行った。相対的なFTS活性及びメタン選択性を表10に示す。
Figure 2016500567
酸化条件(例31)を使用することは、炭化(carbiding)工程を全く行わなかった比較例2を超える改善を全く与えないので、炭化物形成工程が非酸化性条件下で行われるべきであることを、表10は明らかに示している。
例32(204−R2;本発明)
例1の初期の触媒前駆体を、固定床反応器中、以下の手順を用いて活性化した。
− 1℃/分、大気圧下、及び425℃で5時間の保持時間、水素(4000ml/gcat/h)中で25から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で200℃まで冷却する。水素をアルゴン(15分;2000ml/gcat/h)で置換した。アルゴンを200℃でCOにより置換した。
− 炭化物形成工程における、CO(6000ml/gcat/h)中、温度を200から230℃まで上昇させ、6barで6時間230℃で保持する処理。
− COの流れ(2000ml/gcat/h)に従い圧力を6から1barに低下させ、200℃に温度を減少させる。
− COの流れを10%のO/Heの流れ(3000ml/gcat/h)に置換し、2時間流す。
− 10%のO/Heガスをアルゴン(15分;4000ml/gcat/h)と置換する。
− アルゴンを230℃で水素により置換した。
− 活性化工程において、1℃/分、大気圧下、及び425℃で7時間の保持時間、水素(8000ml/gcat/h)中で230から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で230℃まで冷却する。
例32は、16barで水素/CO混合物中、230℃でフィッシャー・トロプシュ合成(FTS)の試験を行った。相対的なFTS活性及びメタン選択性を表11に示す。
Figure 2016500567
炭化工程及び活性化工程間において、酸化条件下の加熱処理が、より低いFTS活性及びより高いメタン選択性をもたらすことを、表11は示している。
例33(XRD20120053;本発明)
その場XRD分析を炭化物形成実験の間に行った。
例1の初期の触媒前駆体を、その場XRD反応チャンバ中、以下の手順を用いて活性化した。
− 5℃/分、大気圧下、及び425℃で8時間の保持時間、水素中で25から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で200℃まで冷却する。水素をヘリウム(30分間)で置換した。ヘリウムを200℃でCOにより置換した。
− 炭化物形成工程における、CO中、温度を5℃/分で200から230℃まで上昇させ、圧力を5barに上昇させる処理。この処理を9.5時間230℃で行った。温度を180℃に減少させ、圧力を大気圧に低下させた。COをヘリウムで置換した(30分間)。ヘリウムを180℃で水素により置換した。
− 活性化工程において、1℃/分、大気圧下、及び425℃で8時間の保持時間、水素中で180から425℃まで温度を上昇させる。
XRDを用いて分析したときの、炭化工程後に存在する相を表12に示す。
Figure 2016500567
表12から、炭化工程後、(アルミナ担体を含む)全触媒中に18%のCoCが存在し、これは存在するコバルト合計量の82%がCoCであると計算され得ることが理解され得る。
例34(本発明)
例23からの手順に従って調製された初期の触媒前駆体試料を、流動床反応器中、以下の手順を用いて活性化した。
− 1℃/分、大気圧下、及び425℃で5時間の保持時間、水素(4500ml/gcat/h)中で25から425℃まで温度を上昇させ、続いて、水素中で230℃まで冷却する。
− 水素をアルゴン(60分;2000ml/gcat/h)で置換した。
− アルゴンを230℃でCOにより置換した。
− 炭化物形成工程における、6barで6時間230℃でのCO(4000ml/gcat/h)中の処理、続いて180℃まで冷却する。
− COをアルゴン(60分;2000ml/gcat/h)で置換した。
− アルゴンを180℃で水素により置換した。
− 活性化工程において、1℃/分、大気圧下、及び420℃で7時間の保持時間、水素(4500ml/gcat/h)中で180から425℃まで温度を上昇させる。
− これに続いて、水素中で室温まで冷却し、その後、触媒をアルゴン雰囲気下、溶融ワックス中で取り出した。
例23及び34のワックスコートされた活性化触媒試料を、実験室のスラリーCSTR反応器に充填し、フィッシャー・トロプシュ合成(FTS)を、20barで水素/CO混合物中230℃で行った。相対的なFTS活性及びメタン選択性を表13に示す。
Figure 2016500567
Figure 2016500567
本明細書に記載の実施態様の一部を、項目[1]−[19]に記載する。
[1]
コバルト含有炭化水素合成触媒の製造方法であって、
− 炭化物形成工程において、触媒担体担持コバルト及び/又はコバルト化合物を含む初期の触媒前駆体を、200から280℃の温度T でCO含有ガスとともに処理して、コバルト及び/又はコバルト化合物を炭化コバルトに転換し、それにより、炭化コバルト含有触媒前駆体を得る工程であって、前記CO含有ガス(H を含む場合)が、33:1又はそれよりも少ないH に対するCOのモル比を有さず、かつ、前記炭化物形成工程が、非酸化条件下で実施される、工程;並びに、
− 続く活性化工程において、前記炭化コバルト含有触媒前駆体を、少なくとも300℃である温度T で水素含有ガスの処理にさらして、炭化コバルトをコバルト金属に転換し、それにより、炭化コバルト含有触媒前駆体を活性化し、コバルト含有炭化水素合成触媒を得る工程、を含む、方法。
[2]
210℃<T <260℃である、項目1に記載の方法。
[3]
230℃≦T ≦250℃である、項目2に記載の方法。
[4]
CO含有ガスが純粋なCOであり、ここで、炭化物形成工程の間のCO含有ガスのCO分圧が3barを超える、項目1〜3のいずれか1項に記載の方法。
[5]
炭化物形成工程の間のCO含有ガスとの処理が1時間よりも長い、項目1〜4のいずれか1項に記載の方法。
[6]
初期の触媒前駆体のCO含有ガスとの処理が、初期の触媒前駆体の粒子の流動床中で、初期の触媒前駆体をCO含有ガスと接触させることによって行われ、ここで、前記CO含有ガスは、初期の触媒前駆体粒子の前記床の流動媒体として機能する、項目1〜5のいずれか1項に記載の方法。
[7]
炭化物形成工程の間、合計コバルトの30質量%よりも多くのCoが炭化コバルトとして提供され、ここで、前記炭化コバルトが、Co C及び/又はCo Cを含む、項目1〜6のいずれか1項に記載の方法。
[8]
炭化コバルト含有触媒前駆体が、炭化コバルトの酸化を生じさせる酸化条件下、100℃を超える熱処理にその前駆体を最初にさらすことなく、活性化工程に直接さらされる、項目1〜7のいずれか1項に記載の方法。
[9]
炭化コバルト含有触媒前駆体の活性化の前に、35℃を超えるその熱処理が、炭化コバルトの酸化を生じさせる酸化条件下で行われない、項目8に記載の方法。
[10]
活性化工程において、350℃≦T <500℃である、項目1〜9のいずれか1項に記載の方法。
[11]
活性化工程の間、T を変化させ、350℃から500℃未満の範囲内の最大値まで増加させる、項目10に記載の方法。
[12]
活性化工程において使用される水素含有ガスが、少なくとも90体積%の水素を含み、残余がもしあれば、その残余は活性化工程の間、炭化コバルトに関して不活性である1つ又はそれよりも多くの不活性ガスを含む、項目1〜11のいずれか1項に記載の方法。
[13]
活性化工程における炭化コバルト含有触媒前駆体の水素ガスとの処理が、炭化コバルト含有前駆体の粒子の流動床中で、水素ガスを炭化コバルト含有触媒前駆体と接触させることによって行われ、ここで、前記水素ガスは、炭化コバルト含有触媒前駆体粒子の前記床の流動媒体として機能する、項目1〜12のいずれか1項に記載の方法。
[14]
活性化工程における水素含有ガスの処理が、0.6から1.5bar(a)の圧力で実施される、項目1〜13のいずれか1項に記載の方法。
[15]
活性化工程における水素含有ガスの処理が、1.5bar(a)から20bar(a)の圧力で実施される、項目1〜13のいずれか1項に記載の方法。
[16]
活性化工程が少なくとも2段階で実施され、ここで、第1の段階で用いられる水素含有ガスの加熱率及び空間速度が、第2段階に移るときに変えられる又は変化させられる、項目1〜15のいずれか1項に記載の方法。
[17]
触媒前駆体のグラム当たり毎時1〜100リットルの水素含有ガスのGHSVが用いられる、項目1〜16のいずれか1項に記載の方法。
[18]
炭化水素の製造方法であって、項目1〜17のいずれか1項に記載の方法によるコバルト含有炭化水素合成触媒を調製する工程;並びに、該コバルト含有炭化水素合成触媒の存在下、100℃を超える温度及び少なくとも10barの圧力で水素を一酸化炭素と接触させ、それにより、炭化水素及び、任意に、フィッシャー・トロプシュ合成法における炭化水素の酸素化物を製造する工程、を含む、方法。
[19]
項目18記載の炭化水素の製造方法により製造された製品。

Claims (19)

  1. コバルト含有炭化水素合成触媒の製造方法であって、
    − 炭化物形成工程において、触媒担体担持コバルト及び/又はコバルト化合物を含む初期の触媒前駆体を、200から280℃の温度TでCO含有ガスとともに処理して、コバルト及び/又はコバルト化合物を炭化コバルトに転換し、それにより、炭化コバルト含有触媒前駆体を得る工程であって、前記CO含有ガス(Hを含む場合)が、33:1又はそれよりも少ないHに対するCOのモル比を有さず、かつ、前記炭化物形成工程が、非酸化条件下で実施される、工程;並びに、
    − 続く活性化工程において、前記炭化コバルト含有触媒前駆体を、少なくとも300℃である温度Tで水素含有ガスの処理にさらして、炭化コバルトをコバルト金属に転換し、それにより、炭化コバルト含有触媒前駆体を活性化し、コバルト含有炭化水素合成触媒を得る工程、を含む、方法。
  2. 210℃<T<260℃である、請求項1に記載の方法。
  3. 230℃≦T≦250℃である、請求項2に記載の方法。
  4. CO含有ガスが純粋なCOであり、ここで、炭化物形成工程の間のCO含有ガスのCO分圧が3barを超える、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
  5. 炭化物形成工程の間のCO含有ガスとの処理が1時間よりも長い、請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。
  6. 初期の触媒前駆体のCO含有ガスとの処理が、初期の触媒前駆体の粒子の流動床中で、初期の触媒前駆体をCO含有ガスと接触させることによって行われ、ここで、前記CO含有ガスは、初期の触媒前駆体粒子の前記床の流動媒体として機能する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。
  7. 炭化物形成工程の間、合計コバルトの30質量%よりも多くのCoが炭化コバルトとして提供され、ここで、前記炭化コバルトが、CoC及び/又はCoCを含む、請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。
  8. 炭化コバルト含有触媒前駆体が、炭化コバルトの酸化を生じさせる酸化条件下、100℃を超える熱処理にその前駆体を最初にさらすことなく、活性化工程に直接さらされる、請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。
  9. 炭化コバルト含有触媒前駆体の活性化の前に、35℃を超えるその熱処理が、炭化コバルトの酸化を生じさせる酸化条件下で行われない、請求項8に記載の方法。
  10. 活性化工程において、350℃≦T<500℃である、請求項1〜9のいずれか1項に記載の方法。
  11. 活性化工程の間、Tを変化させ、350℃から500℃未満の範囲内の最大値まで増加させる、請求項10に記載の方法。
  12. 活性化工程において使用される水素含有ガスが、少なくとも90体積%の水素を含み、残余がもしあれば、その残余は活性化工程の間、炭化コバルトに関して不活性である1つ又はそれよりも多くの不活性ガスを含む、請求項1〜11のいずれか1項に記載の方法。
  13. 活性化工程における炭化コバルト含有触媒前駆体の水素ガスとの処理が、炭化コバルト含有前駆体の粒子の流動床中で、水素ガスを炭化コバルト含有触媒前駆体と接触させることによって行われ、ここで、前記水素ガスは、炭化コバルト含有触媒前駆体粒子の前記床の流動媒体として機能する、請求項1〜12のいずれか1項に記載の方法。
  14. 活性化工程における水素含有ガスの処理が、0.6から1.5bar(a)の圧力で実施される、請求項1〜13のいずれか1項に記載の方法。
  15. 活性化工程における水素含有ガスの処理が、1.5bar(a)から20bar(a)の圧力で実施される、請求項1〜13のいずれか1項に記載の方法。
  16. 活性化工程が少なくとも2段階で実施され、ここで、第1の段階で用いられる水素含有ガスの加熱率及び空間速度が、第2段階に移るときに変えられる又は変化させられる、請求項1〜15のいずれか1項に記載の方法。
  17. 触媒前駆体のグラム当たり毎時1〜100リットルの水素含有ガスのGHSVが用いられる、請求項1〜16のいずれか1項に記載の方法。
  18. 炭化水素の製造方法であって、請求項1〜17のいずれか1項に記載の方法によるコバルト含有炭化水素合成触媒を調製する工程;並びに、該コバルト含有炭化水素合成触媒の存在下、100℃を超える温度及び少なくとも10barの圧力で水素を一酸化炭素と接触させ、それにより、炭化水素及び、任意に、フィッシャー・トロプシュ合成法における炭化水素の酸素化物を製造する工程、を含む、方法。
  19. 請求項18記載の炭化水素の製造方法により製造された製品。
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