JP2019043943A - 1,3−ブタジエン及びアセトアルデヒドジエチルアセタールの製造方法 - Google Patents
1,3−ブタジエン及びアセトアルデヒドジエチルアセタールの製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
Description
そこで、本発明は、1,3−ブタジエン合成反応において高価値のアセトアルデヒドジエチルアセタールを副生物として高い効率で合成することができ、かつ、副生物中のアセトアルデヒドジエチルアセタール以外の炭素数5以上の炭化水素の割合を低減できる1,3−ブタジエン及びアセトアルデヒドジエチルアセタールの製造方法を提供することを目的とする。
[1]0.3MPaG〜3MPaGの圧力下でエタノールを、ハフニウム、ジルコニウム、銅、亜鉛、タンタル、タングステン、及びマグネシウムからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属を含む触媒に接触させることを含む、1,3−ブタジエン及びアセトアルデヒドジエチルアセタールの製造方法。
[2]前記触媒がハフニウムを含む、[1]に記載の1,3−ブタジエン及びアセトアルデヒドジエチルアセタールの製造方法。
[3]1,3−ブタジエンの選択率が30%以上であり、かつ、アセトアルデヒドジエチルアセタールの選択率が10%以上である、[1]又は[2]に記載の1,3−ブタジエン及びアセトアルデヒドジエチルアセタールの製造方法。
[4]1,3−ブタジエンの選択率が20%以上であり、かつ、アセトアルデヒドジエチルアセタールの選択率が20%以上である、[1]又は[2]に記載の1,3−ブタジエン及びアセトアルデヒドジエチルアセタールの製造方法。
「エタノール転化率」とは、原料化合物として用いたエタノールのモル数の内、他の化合物の合成に消費されたエタノールのモル数が占める割合(百分率)である。他の原料化合物の転化率についても同様である。
「1,3−ブタジエンの選択率」とは、触媒を用いた反応で消費された原料化合物のモル数のうち、1,3−ブタジエンへ変換された原料化合物のモル数が占める百分率を意味する。原料化合物のモル数とは、エタノールのみを用いる場合はそのモル数を意味し、エタノール以外の原料化合物(例えば、アセトアルデヒド)も併せて用いる場合はそれらの合計モル数を意味する。他の生成物の選択率についても同様である。
)の製造方法は、エタノールを、0.3MPaG〜3MPaGの圧力下で後述する触媒に接触させることを含む方法である。
本発明において用いる触媒は、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、マグネシウム(Mg)及びケイ素(Si)からなる群より選ばれる少なくとも1種の金属を含む。前記触媒は、Hfを含むことが好ましい。Hfを含むことで、エタノールから高い選択率で1,3−ブタジエン及びアセタールを合成することができる。
また、本発明において用いる触媒は、上記した金属以外に、B、Ba、Ca及びCeからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含有していても良い。
Cua・Znb・Hfc・M1 d ・・・・(1)
ただし、(1)式中、M1は、Zr、Ta、W、Mg、Si、Ce、B、Ba及びCaからなる群から選ばれる1種以上の元素を表し、a、b、c及びdは各元素のモル比を表す。
(1)式中のaは、10〜0が好ましく、5〜0がより好ましい。aが前記範囲内であれば、高い選択率で1,3−ブタジエン及びアセタールを合成しやすい。
(1)式中のbは、10〜0.01が好ましく、5〜0.05がより好ましく、1〜0.1がさらに好ましい。bが前記範囲内であれば、高い選択率で1,3−ブタジエン及びアセタールを合成しやすい。
(1)式中のdは、10〜0が好ましく、5〜0がより好ましい。dが前記範囲内であれば、高い選択率で1,3−ブタジエン及びアセタールを合成しやすい。
なかでも、比表面積や細孔直径が異なる種々の製品が市場で調達できることから、シリカが好ましい。
なお、多孔質担体の全細孔容積は、水滴定法により測定される値である。水滴定法とは、多孔質担体の表面に水分子を吸着させ、分子の凝縮状態に基づいて細孔分布を測定する方法である。
なお、前記比表面積は、窒素を吸着ガスとし、BET式ガス吸着法により測定されるBET比表面積である。
溶媒としては、水、メタノール、エタノール、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ヘキサン、ベンゼン、トルエン等が挙げられる。
本発明の製造方法では、前記触媒にエタノールを接触させる。エタノールと触媒とを接触させる態様は、特に限定されず、例えば、反応管内に触媒を充填して反応床を形成し、該反応管に原料を供給して反応床の触媒と接触させる態様が挙げられる。なお、反応床は、固定床、移動床、流動床等のいずれでもよい。
アセトアルデヒドを含有していると、1,3−ブタジエン及びアセタールの選択率を更に向上させることができる。混合ガス中のアセトアルデヒドの含有量は、エタノールに対するモル比(アセトアルデヒド/エタノール)として0.01〜1であることが好ましく、0.05〜0.5であることがより好ましい。
また、不活性ガスを含有していると、1,3−ブタジエン及びアセタールの合成効率のさらなる向上を図れる。混合ガス中の不活性ガスの含有量は、例えば、1〜50体積%が好ましく、10〜40体積%がより好ましく、15〜30体積%がさらに好ましい。
また、反応圧力を最適化することで、ブタジエンの製造量(ブタジエンの選択率)とアセタールの製造量(アセタールの選択率)の比率を調整することができる。
アセタールの選択率に対するブタジエンの選択率である(ブタジエンの選択率/アセタールの選択率)を高める観点から、反応圧力は、0.3MPaG〜1.5MPaGであることが好ましく、0.6MPaG〜1.2MPaGであることがより好ましい。
一方、ブタジエンの選択率に対するアセタールの選択率である(アセタールの選択率/ブタジエンの選択率)を高める観点からは、反応圧力は、1.5MPaG〜3.0MPaGであることが好ましく、1.8MPaG〜2.7MPaGであることがより好ましい。
また、バイオエタノールから1,3−ブタジエン及びアセタールを製造し、環境負荷を低減することもできる。
尚、本発明においては、1,3−ブタジエンの選択率が30%以上であり、かつ、アセトアルデヒドジエチルアセタールの選択率が10%以上であることが好ましい。より好ましくは、1,3−ブタジエンの選択率が40%以上であり、かつ、アセトアルデヒドジエチルアセタールの選択率が20%以上である。
本発明の別の側面としては1,3−ブタジエンの選択率が15%以上であり、かつアセトアルデヒドジエチルアセタールの選択率が15%以上であることが好ましい。より好ましくは、1,3−ブタジエンの選択率が20%以上であり、かつ、アセトアルデヒドジエチルアセタールの選択率が20%以上である。
また、本発明においては、アセトアルデヒドジエチルアセタール以外のC5以上の炭化水素の合計の選択率が20%以下であることが好ましく、10%以下であることがより好ましく、5%以下であることがさらに好ましく、1%以下であることが特に好ましい。
本発明の方法を実施するために使用する製造装置は特に制限されない。例えば、触媒が充填された反応管と、エタノール又は上記の混合ガス(以下、単に「原料」ということがある。)を前記反応管内に供給する供給手段と、前記反応管から生成物を排出する排出手段と、を備える製造装置を採用することができる。
図1に示す製造装置10は、前記の触媒が充填されて反応床2が形成された反応管1と、反応管1に接続された供給管3と、反応管1に接続された排出管4と、反応管1に接続された温度制御部5と、排出管4に設けられた圧力制御部6と、を備える。
希釈材としては、例えば、触媒の担体と同様のものや、石英砂、アルミナボール、アルミボール、アルミショット等が挙げられる。
反応床2に希釈材を充填する場合、希釈材/触媒で表される質量比は、それぞれの種類や比重等を勘案して決定され、例えば、0.5〜5が好ましい。
供給管3は、材料ガスを反応管1内に供給する供給手段であり、例えば、ステンレス製等の配管が挙げられる。
排出管4は、反応床2で合成された生成物を含むガスを排出する排出手段であり、例えば、ステンレス製等の配管が挙げられる。
圧力制御部6は、反応管1内の圧力を任意の圧力にできるものであればよく、例えば、公知の圧力弁等が挙げられる。
なお、製造装置10は、マスフロー等、ガスの流量を調整するガス流量制御部等の周知の機器を備えていてもよい。
この場合の反応条件、使用する原料及び装置等に関しては、上述したものを採用することができる。
[製造例1]触媒(A)の製造
多孔質担体(シリカ、粒子径:1.18〜2.36mm、平均細孔直径:16.3nm、全細孔容積:0.99mL/g、比表面積:195m2/g)を10%硝酸に約6時間浸潰したのち、10%硝酸を除去し、イオン交換水で十分に洗浄した。これを110℃のオーブンで一晩乾燥させた後、400℃で4.5時間焼成した。
塩化ハフニウム(HfC14)1.0767gを水19.8000gに溶解させ、水溶液(一次含浸液)を調製した。一次含浸液2.0877gを多孔質担体2.0000gに滴下し、一次含浸液を多孔質担体に含浸させた(一次含浸工程)。
一次含浸液を含浸させた多孔質担体を110℃にて3時間乾燥し(一次乾燥操作)、さらに400℃にて4.5時間焼成して一次担持体とした(一次焼成操作)(以上、一次担持工程)。
硝酸銅三水和物(Cu(NO3)2・3H2O)0.7604gと、硝酸亜鉛六水和物(Zn(NO3)2・6H2O)0.4550gを水19.8000gに溶解させ、水溶液(二次含浸液)を調製した。二次含浸液2.1015gを一次担持体に滴下して含浸させ(二次含浸工程)、これを110℃にて3時間乾燥し(二次乾燥操作)、次いで400℃にて4.5時間焼成して触媒(A)を得た(二次焼成操作)(以上、二次担持工程)。
一次含浸液と二次含浸液との合計において、金属のモル比は、銅:亜鉛=1.00:0.50、銅:ハフニウム=1.00:3.00、亜鉛:ハフニウム=0.50:3.00である。
得られた触媒(A)2.407gを直径1/2インチ(12.7mm)のステンレス製の円筒型の反応管に充填して反応床を形成した。
次に、反応温度を400℃として、空間速度1100NL/L−触媒/h、反応圧力0.90MPaGで、混合ガス(エタノール:30体積%、窒素:70体積%)を反応床に流通させ、3時間経過後、得られた生成ガスを回収し、ガスクロマトグラフィーにより分析した。
得られたデータからエタノール転化率(モル%)、1,3−ブタジエンの選択率(モル%)、アセトアルデヒドジエチルアセタールの選択率(モル%)、アセトアルデヒドの選択率(モル%)、エチレンの選択率(モル%)、ブテンの選択率(モル%)、プロピレンの選択率(モル%)、アセトアルデヒドジエチルアセタール以外のC5以上の炭化水素の合計の選択率(モル%)、を算出した。これらの結果を表1に示す。
反応圧力を2.0MPaGとした以外は実施例1と同様にしてエタノールから生成ガスを得た。得られた結果を表1に示す。
反応圧力を大気圧に変更したこと以外は実施例1と同様にしてエタノールから生成ガスを得た。得られた結果を表1に示す。
さらに反応圧力2.0MPaGで実施した実施例においては、ブタジエンの選択率は低下するものの、アセトアルデヒドジエチルアセタールが22.9%と高い選択率で生成し、アセトアルデヒドジエチルアセタール以外のC5以上の炭化水素の選択率が0.8%と実施例1よりもさらに低い良好な結果が得られた。このように本製造方法においては、反応圧力を選択することでブタジエンとアセタールの製造量の比率を調整し、需要や価格に応じて生産調整することができる。
2 反応床
3 供給管
4 排出管
5 温度制御部
6 圧力制御部
10 1,3−ブタジエン及びアセトアルデヒドジエチルアセタールの製造装置
Claims (3)
- 0.3MPaG〜3MPaGの圧力下でエタノールを、ハフニウム、ジルコニウム、銅、亜鉛、タンタル、タングステン、及びマグネシウムからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属を含む触媒に接触させることを含む、1,3−ブタジエン及びアセトアルデヒドジエチルアセタールの製造方法。
- 前記触媒がハフニウムを含む、請求項1に記載の1,3−ブタジエン及びアセトアルデヒドジエチルアセタールの製造方法。
- 1,3−ブタジエンの選択率が30%以上であり、かつ、アセトアルデヒドジエチルアセタールの選択率が10%以上である、請求項1又は2に記載の1,3−ブタジエン及びアセトアルデヒドジエチルアセタールの製造方法。
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