JP2018504268A - フタレート化合物の水素化触媒の再生方法 - Google Patents

フタレート化合物の水素化触媒の再生方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、フタレート化合物の水素化触媒の再生方法に関する。より具体的には、本発明によれば、アルコール類を用いて、フタレート化合物の水素化触媒を再生することによって、触媒反応器での触媒の切替をすることなくフタレート化合物の水添反応を連続的に進行させることができ、また、運転安定性と触媒の寿命を改善し、経済性を高めることができるフタレート化合物の水素化触媒の再生方法が提供される。

Description

本発明は、フタレート化合物の水素化触媒の再生方法に関し、より詳細には、フタレート化合物の水素化反応後、アルコール類を用いて、水素化時に使用された触媒を再生して水素化反応に再利用できるフタレート化合物の水素化触媒の再生方法に関する。
一般に、フタレート化合物は、フタル酸(phthalic acid)、テレフタル酸(terephthalic acid)、またはイソフタル酸(isophthalic acid)のような酸またはその無水物をアルコールとエステル化反応させることにより得られる。このようなエステル化反応後、前記エステル化反応に使用される触媒および残留する酸成分を中和させるために、炭酸ナトリウム(NaCO)、水酸化ナトリウム(NaOH)、炭酸カルシウム(CaCO)、水酸化カリウム(KOH)のような塩基性化合物が使用される。そのため、このような塩基性化合物から遊離したNa、K、Ca2+のような金属イオン、前記金属イオンとの結合により生成された金属塩化合物、またはその他の反応副産物のような不純物がフタレート化合物に微量残留しうる。
フタレート化合物にこのような金属イオンまたは金属塩化合物が微量含有される場合は、フタレート化合物の品質自体には大きな影響はないが、前記フタレート化合物の水素化反応時に使用される水素化触媒には触媒毒として作用して、触媒の活性を低下させる主な原因の一つとなる。より具体的には、前記金属イオンまたは金属塩化合物は十分に溶解しないか分散した状態で存在し、水素化触媒に物理的または化学的に吸着しやすい性質があり、それによって触媒の活性が急激に減少する。
また、フタレート化合物の水素化反応(つまり、水添反応)時、触媒の持続的な活性低下が発生するが、一定水準まで触媒の活性が低下すると、触媒の切替作業が必要である。この場合、頻繁な触媒切替の際、作業および切替費用の増加とともに、年間生産量の減少による経済性が低下することがある。
したがって、フタレート化合物の水素化反応後、触媒毒として作用する水素化触媒を再生する方法が必要である。また、前記水添反応時、触媒の切替による費用増加の問題を解決できる方法が必要である。
本発明の目的は、フタレート化合物の水添反応時、反応器内の触媒を回収せず、アルコール類の供給により反応器内の触媒の活性を再生することによって、触媒の性能を回復させて触媒の寿命を延長させ、それによって、工程運転費用、運転安定性および工程の経済性を高めることができるフタレート化合物の水素化触媒の再生方法に関する。
本発明は、水素化触媒の存在下、フタレート化合物と水素を反応させる段階を含むフタレート化合物の水素化反応後、アルコール類を用いて、80℃以上の温度で前記水素化触媒を再生する段階を含む、フタレート化合物の水素化触媒の再生方法を提供する。
また、前記アルコール類は、オクタノール、ヘキサノール、ブタノール、プロパノール、エタノール、2−エチルヘキサノール、および前記アルコールの異性体構造を有するアルコールからなる群より選択された1種以上であってもよい。また、前記提示したアルコールの異性体のアルコールも含まれる。
前記水素化触媒を再生する段階は、アルコール類を用いて、80〜300℃の温度で触媒層を通るアルコールのレイノルズ数が2,100以上となるようにして行われることが好ましい。このような再生段階は、例えば、約50分〜6時間行うことができる。
ただし、再生時間は、反応に使用された触媒の量、触媒活性の低下程度、再生時のアルコール類の流量などに応じて異なりうるので、再生時間に限定するものではない。
また、本発明では、前記水素化触媒を再生する段階の後に、再生された触媒は、フタレート化合物の水素化反応に連続で再利用する段階を含む。
また、前記水素化触媒は、ルテニウム(Ru)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、白金(Pt)、およびニッケル(Ni)からなる群より選択される1種以上を含む。
前記フタレート化合物は、フタレート、テレフタレート、イソフタレート、およびそのカルボン酸化合物の中から選択される1種以上であってもよい。
前記フタレート化合物は、金属イオン、または金属塩化合物を不純物として含むことができる。
前記フタレート化合物の純度は、98%以上であってもよい。
前記フタレート化合物は、ジオクチルテレフタレート(dioctyl terephthalate、DOTP)であってもよい。
前記フタレート化合物の水素化反応は、炭素数2以上のアルコールを追加的に用いて行われる。
本発明によれば、水素添加触媒に対して、水素によって分解反応が起こる高温のアルコールにより触媒を一定時間洗浄することによって、触媒の性能を回復させて触媒の寿命を向上させることができる触媒の再生方法を提供する。
したがって、本発明は、触媒反応器を用いて、水添反応により水添反応生成物を製造するに際して、水素添加反応の触媒を再生することによって、触媒切替の繰り返しおよび運転の停止、開始の繰り返しを低減することによって、運転の安定性だけでなく、触媒の寿命改善でもって工程の経済性を高めることができる。特に、本発明は、反応器内に求められる触媒使用量の低減および切替周期を延長させるだけでなく、再生に使用されたアルコールの分離/精製なしに反応に再使用可能なため、工程の運転安定性および商業規模の工程での経済性を向上させることができる。
本発明は、多様な変換を加えられ様々な実施例を有しうるが、特定の実施例を例示して詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想および技術範囲に含まれるあらゆる変換、均等物乃至代替物を含むことが理解されなければならない。本発明を説明するにあたって、かかる公知技術に関する具体的な説明が本発明の要旨をあいまいにしうると判断された場合、その詳細な説明を省略する。
また、以下に使用される第1、第2などといった序数を含む用語は多様な構成要素を説明するのに用いられるが、前記構成要素は前記用語によって限定されない。前記用語は1つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ使用される。例えば、本発明の権利範囲を逸脱しない範囲で第1構成要素は第2構成要素と名付けられ、同様に、第2構成要素も第1構成要素と名付けられてもよい。
単数の表現は、文脈上明らかに異なって意味しない限り、複数の表現を含む。本出願において、「含む」または「有する」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであり、1つまたはそれ以上の他の特徴や、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものの存在または付加の可能性を予め排除しないことが理解されなければならない。
本発明の好ましい一実施形態によれば、水素化触媒の存在下、フタレート化合物と水素を反応させる段階を含むフタレート化合物の水素化反応後、アルコール類を用いて、80℃以上の温度で前記水素化触媒を再生する段階を含む、フタレート化合物の水素化触媒の再生方法が提供される。
本発明は、水素化反応に使用された水素添加触媒を再生する方法に関し、より詳細には、使用された触媒の活性を再生させるだけでなく、反応器内の触媒の切替作業を行わず、再生することによって、費用だけでなく、製品生産量の増大などの経済的効果を有するフタレート化合物の水素化反応後の触媒の再生方法に関する。
したがって、本発明は、触媒の切替なしに活性が再生された水素化触媒を連続で水添反応に直ちに再利用することができる。また、水素化触媒の再生に用いたアルコール類も分離/精製なしに反応に再使用することができる。
具体的には、フタレート化合物の水素化反応後、水素添加反応中の反応進行に伴って触媒の表面などの吸着などによって触媒の活性が低下する。したがって、本発明では、水素化反応の完了後、アルコール類を用いて触媒内の不純物を除去し、気孔(pore)詰まりの除去などにより触媒の活性を再生させる方法を提供する特徴がある。
以下、本発明の好ましい一実施形態に係るフタレート化合物の水素化触媒の再生方法について説明する。
まず、本発明は、水素化触媒を再生する前に進行させるフタレート化合物の水素化方法を含む。このような本発明の水素化方法は、水素化触媒の存在下、フタレート化合物と水素を反応させる段階を含む。また、前記フタレート化合物の水素化反応時には、炭素数2以上のアルコールを追加的に用いて行われる。
以降、本発明は、アルコール類を用いて、80℃以上の温度で水素化反応に使用された触媒を再生する段階を含む水素化触媒の再生方法を提供する特徴がある。
上述のように、水素化触媒を用いた水添反応工程で触媒の活性が低下する主な原因は、原料内に存在する塩および反応中に発生するheaviesな物質であり、これらにより触媒が被毒されて触媒の性能が低下する。触媒の性能が低下すると、反応転換率が減少して、触媒の切替が必要となる。
また、反応中に触媒を被毒させる物質には、沸点が高いか、フタレートおよびテレフタレート化合物によく溶けない物質が存在している。
したがって、本発明は、触媒の性能が低下した場合、触媒を切替えず、アルコールおよびアルコールを含む混合物により触媒を再生できる方法を提供する。
特に、本発明は、高温のアルコールにより触媒に被毒されている物質を簡単に除去可能なため、容易な方法で水素化触媒の活性を再生することができる。
本発明において、前記水素化触媒の再生に使用されるアルコール類としては、炭素数2以上のアルコールを用いることができ、それらは80℃以上の温度で触媒反応器に投入される。好ましくは、前記アルコール類は、オクタノール、ヘキサノール、ブタノール、プロパノール、エタノール、2−エチルヘキサノール、および前記アルコールの異性体構造を有するアルコールからなる群より選択された1種以上であってもよい。
具体的には、本発明は、水素化触媒反応が完了した後に触媒活性が低下したことを確認し、触媒反応器にアルコール類を供給するが、80℃以上の温度で触媒の再生を進行させることが好ましい。また、本発明は、触媒の再生時にアルコールを用いる時、80℃以上の温度で進行させるとともに、一定時間触媒の再生作業を行うことがさらに好ましい。
つまり、触媒内の被毒された物質を除去するためには、供給されるアルコール類を80℃以上となるように供給し、好ましくは80℃〜300℃、より好ましくは120〜200℃となるようにする。ただし、その温度条件が80℃以上で供給される条件であればその範囲は特に限定されない。
触媒の再生時に使用されるアルコール類の流量は、触媒層を通るアルコール類のレイノルズ数(NRe)が、好ましくは2,100以上、より好ましくは4,000以上となるように選定するのが良いが、これに限定するものではない。アルコール類の流量において、レイノルズ数(NRe)が4,000以上の条件になると、アルコール類の流れが乱流範囲に属し、この時、乱流が発生すると、アルコール類の流れ特性上、触媒の再生により効果的である。付加して、前記レイノルズ数は、この分野でよく知られている通り、流体の流れ形態(層流と乱流)を決定する数である。
したがって、本発明の好ましい一実施形態によれば、前記水素化触媒を再生する段階は、アルコール類を用いて、80℃〜300℃の温度で触媒層を通るアルコールのレイノルズ数が2,100以上となるようにして行われることが好ましい。
また、前記水素化触媒を再生する段階は、アルコール類を用いて、80℃〜300℃の温度で50分〜6時間行うことを含むことができる。ただし、再生時間は、反応に使用された触媒の量、触媒活性の低下程度、再生時のアルコール類の流量などに応じて異なりうるので、再生時間に限定するものではない。
本発明では、前記水素化触媒を再生する段階の後に、再生された触媒は、フタレート化合物の水素化反応に連続で再利用する段階を含む。
したがって、前記再生された触媒は、反応器内にそのまま存在した状態で、炭素数2以上のアルコールおよび水素の供給によりフタレート化合物の水素化反応に再び利用可能なため、経済的に水素化反応を進行させることができる。
言い換えると、本発明は、高温のアルコール類を触媒反応器に投入して触媒を洗浄する過程を進行させることによって、触媒の活性を再生することができ、再生された触媒を再び水素化反応に用いることができる。したがって、本発明は、触媒の切替なしに水素化反応を再び進行させることが可能なため、工程の運転性および経済性を高めることができる。また、触媒の再生に使用されたアルコール類は、別途の分離および精製なしに再利用可能である。
この時、前記再生された水素化触媒は、ルテニウム(Ru)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、白金(Pt)、およびニッケル(Ni)からなる群より選択される1種以上を含む。
一方、上述したフタレート化合物の水素化反応について具体的に説明する。
本発明の水素化方法の反応対象物はフタレート化合物であり、水素化反応(hydrogenation)によって前記フタレート化合物のベンゼン環に水素が添加され、それに相応するシクロヘキサンジカルボキシレート化合物に転換される反応である。
前記フタレート化合物は、フタレート(phthalate)、テレフタレート(terephthalate)、イソフタレート(isophthalate)、およびそれに相応するカルボン酸化合物(carboxylic acid)の中から選択される1種以上であってもよい。
前記フタレート化合物は、下記のような化学式1で表される。
前記化学式1において、RおよびR’は、それぞれ独立に異なるか同一であり、水素、炭素数1〜20、好ましくは炭素数4〜20、より好ましくは炭素数5〜20、さらに好ましくは炭素数5〜10の直鎖または分枝鎖アルキル基である。
前記フタレート化合物の具体例としては、ジブチルフタレート(DBP;dibutyl phthalate)、ジヘキシルフタレート(DHP;dihexyl phthalate)、ジオクチルフタレート(DOP;dioctyl phthalate)、ジ−n−オクチルフタレート(DnOP;di−n−octyl phthalate)、ジイソノニルフタレート(diisononyl phthalate)、またはジイソデシルフタレート(DIDP;diisodecyl phthalate)などが挙げられるが、これらに制限されるわけではない。これらの化合物は、単独でまたは混合して使用することができる。
前記テレフタレート化合物は、下記のような化学式2で表される。
前記化学式2において、RおよびR’は、それぞれ独立に異なるか同一であり、水素、炭素数1〜20、好ましくは炭素数4〜20、より好ましくは炭素数5〜20、さらに好ましくは炭素数5〜10の直鎖または分枝鎖アルキル基である。
前記テレフタレート化合物の具体例としては、ジブチルテレフタレート(DBTP;dibutyl terephthalate)、ジオクチルテレフタレート(DOTP;dioctyl terephthalate)、ジイソノニルテレフタレート(DINTP;diisononyl terephthalate)、またはジイソデシルテレフタレート(DIDTP;diisodecyl terephthalate)があるが、これらに制限されるわけではない。これらの化合物は、単独でまたは混合して使用することができる。
前記イソフタレート化合物は、下記のような化学式3で表される。
前記化学式3において、RおよびR’は、それぞれ独立に異なるか同一であり、水素、炭素数1〜20、好ましくは炭素数4〜20、より好ましくは炭素数5〜20、さらに好ましくは炭素数5〜10の直鎖または分枝鎖アルキル基である。
前記イソフタレート化合物の具体例としては、ジブチルイソフタレート(DBIP;dibutyl isophthalalate)、ジオクチルイソフタレート(DOIP;dioctyl isophthalate)、ジイソノニルイソフタレート(DINIP;diisononyl isophthalate)、またはジイソデシルイソフタレート(DIDIP;diisodecyl isophthalate)などが挙げられるが、これらに制限されるわけではない。これらの化合物は、単独でまたは混合して使用することができる。
好ましくは、前記フタレート化合物としてジオクチルテレフタレート(dioctyl terephthalate、DOTP)を使用することができる。
前記フタレート化合物の純度は、約98%以上、好ましくは約99.5%以上、より好ましくは約99.9%以上であってもよいが、これに限定されるものではなく、商業的に利用可能な全ての品質および純度のフタレート化合物を使用することができる。
このようなフタレート化合物は、フタル酸(phthalic acid)、テレフタル酸(terephthalic acid)、またはイソフタル酸(isophthalic acid)のような酸またはその無水物をアルコールとエステル化反応させることにより得られる。このようなエステル化反応後、前記エステル化反応に使用される触媒および残留する酸成分を中和させるために、炭酸ナトリウム(NaCO)、水酸化ナトリウム(NaOH)、炭酸カルシウム(CaCO)、水酸化カリウム(KOH)のような塩基性化合物が使用される。そのため、このような塩基性化合物から遊離したNa、K、Ca2+のような金属イオン、前記金属イオンとの結合により生成された金属塩化合物、またはその他の反応副産物のような不純物がフタレート化合物に微量残留しうる。
このような金属イオンまたは金属塩化合物の微量含有は、フタレート化合物の品質自体には大きな影響はないが、前記フタレート化合物の水素化反応時に使用される水素化触媒には触媒毒として作用して、触媒の活性を低下させる主な原因の一つとなる。より具体的には、金属イオンまたは金属塩化合物は、十分に溶解しないか分散した状態で存在し、水素化触媒に物理的または化学的に吸着しやすい性質があり、それによって触媒の活性が急激に減少する。
しかし、本発明の水素化方法によれば、水素化反応時に使用される炭素数2以上のアルコールが前記金属イオン、金属塩化合物、またはその他の不純物成分を効果的に溶解して水素化触媒への吸着を防止することによって、前記水素化触媒の活性を維持する役割を果たすことができる。このような、前記炭素数2以上のアルコールの例を挙げると、炭素数2〜12、好ましくは炭素数2〜10の脂肪族アルコールであるエタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール、イソブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール(n−octanol、2−ethylhexanol)、ノナノール、デカノール、ウンデカノール、ドデカノールなどから選択される1種またはその混合物を使用することができる。
また、前記水素化触媒は、ルテニウム(Ru)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、白金(Pt)、およびニッケル(Ni)からなる群より選択される1種以上を含む。
以下、本発明による実施例を参照して本発明をより詳細に説明する。ただし、このような実施例は発明の例として提示されたに過ぎず、これによって発明の権利範囲が定められるものではない。
<実施例>
実施例1
純度99%のジオクチルテレフタレート(dioctyl terephthalate、DOTP)100重量部に対して、オクタノール(octanol)20重量部を混合した後、ポンプを介して触媒反応器内に注入した。また、前記DOTPとオクタノールとの混合物を、150barの圧力および120℃の温度で予熱し、水素(H)も同一の圧力および温度で予熱した後に、それぞれ反応器の上端に供給した。この時、反応器に使用された触媒はルテニウム(Ru)触媒であり、シリンダ型で直径3.2mm、高さ3mmのサイズを使用した。
水素化反応後、初期反応転換率66%で連続反応後、反応転換率が33.6%まで低下した後、反応を終了した。
以降、触媒の活性が低下したことを確認した後に、150℃の温度でオクタノールを触媒反応器に供給して、1時間触媒再生作業を行った。
その後、反応物を再投入して反応器の後端での転換率を測定した結果、新しい触媒を用いた初期転換率対比75.4%水準の転換率に回復したことを確認した。
実施例2
実施例1において、オクタノールを用いた触媒再生時の温度を180℃として行った以外は、実施例1と同一の水素化反応および触媒再生作業を行った。
以降、反応物を再投入して反応器の後端での転換率を測定した結果、新しい触媒を用いた初期転換率対比82.4%水準の転換率に回復したことを確認した。
実施例3
実施例1において、オクタノールを用いた触媒再生時間を5時間として行った以外は、実施例1と同一の水素化反応および再生作業を行った。
以降、反応物を再投入して反応器の後端での転換率を測定した結果、新しい触媒を用いた初期転換率対比82.1%水準の転換率に回復したことを確認した。
実施例4
実施例1において、オクタノールを用いた触媒再生時間を5時間とし、触媒再生温度を180℃として行った以外は、実施例1と同一の水素化反応および再生作業を行った。
以降、反応物を再投入して反応器の後端での転換率を測定した結果、新しい触媒を用いた初期転換率対比91.3%水準の転換率に回復したことを確認した。
比較例1
実施例1において、オクタノールを用いた触媒再生時間を5時間とし、触媒再生温度を50℃として行った以外は、実施例1と同一の水素化反応および再生作業を行った。
以降、反応物を再投入して反応器の後端での転換率を測定した結果、新しい触媒を用いた初期転換率対比15.5%水準の転換率に回復したことを確認した。
比較例2
実施例1において、メタノールを用いた触媒再生時間を5時間として行った以外は、実施例1と同一の水素化反応および再生作業を行った。
以降、反応物を再投入して反応器の後端での転換率を測定した結果、再生前の転換率33.6%よりも低い28.5%と、むしろ触媒性能が低下した。
以上、本発明の内容の特定部分を詳細に記述したので、当業界における通常の知識を有する者にとって、このような具体的技術は単に好ましい実施態様に過ぎず、これによって本発明の範囲が制限されるわけではない点は明らかであろう。したがって、本発明の実質的な範囲は添付した請求項とそれらの等価物によって定義されるというべきである。

Claims (10)

  1. 水素化触媒の存在下、フタレート化合物と水素を反応させる段階を含むフタレート化合物の水素化反応後、
    ルコール類を用いて、80℃以上の温度で前記水素化触媒を再生する段階を含む、フタレート化合物の水素化触媒の再生方法。
  2. 前記アルコール類は、オクタノール、ヘキサノール、ブタノール、プロパノール、エタノール、2−エチルヘキサノール、および前記アルコールの異性体構造を有するアルコールからなる群より選択される1種以上である、請求項1に記載のフタレート化合物の水素化触媒の再生方法。
  3. 前記水素化触媒を再生する段階は、アルコール類を用いて、80℃〜300℃の温度で、触媒層を通るアルコールのレイノルズ数が2,100以上となるようにして行われる、請求項1に記載のフタレート化合物の水素化触媒の再生方法。
  4. 前記水素化触媒を再生する段階の後に、再生された触媒を、フタレート化合物の水素化反応に連続的に再利用する段階を含む、請求項1に記載のフタレート化合物の水素化触媒の再生方法。
  5. 前記水素化触媒は、ルテニウム(Ru)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、白金(Pt)、およびニッケル(Ni)からなる群より選択される1種以上を含む、請求項1に記載のフタレート化合物の水素化触媒の再生方法。
  6. 前記フタレート化合物は、フタレート、テレフタレート、イソフタレート、およびそのカルボン酸化合物の中から選択される1種以上である、請求項1に記載のフタレート化合物の水素化触媒の再生方法。
  7. 前記フタレート化合物は、金属イオン、または金属塩化合物を不純物として含む、請求項1に記載のフタレート化合物の水素化触媒の再生方法。
  8. 前記フタレート化合物の純度は、98%以上である、請求項1に記載のフタレート化合物の水素化触媒の再生方法。
  9. 前記フタレート化合物は、ジオクチルテレフタレート(dioctyl terephthalate、DOTP)である、請求項1に記載のフタレート化合物の水素化触媒の再生方法。
  10. 前記フタレート化合物の水素化反応は、炭素数2以上のアルコールを追加的に用いて行われる、請求項1に記載のフタレート化合物の水素化触媒の再生方法。
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