JP2021517510A - 金属含浸zsm−5+ナノ結晶性ベータゼオライト複合触媒を使用したbtxへの重質改質油の変換方法、及びその複合触媒 - Google Patents
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Abstract
ベンゼン、トルエン、及びキシレンを含むBTX化合物を製造する方法であって、複合ゼオライト触媒を包含する反応器に重質改質油を供給することを含む。上記複合ゼオライト触媒は、10〜40nmの範囲の結晶サイズを有するナノ結晶性ベータゼオライト(ナノ−ベータ)とZSM−5との混合物を含む。上記ナノ−ベータ又はZSM−5、或いはその両方には、1種以上の含浸金属が含まれている。上記方法は更に、反応器内で重質改質油のトランスアルキル化と脱アルキル化を同時に行うことにより、BTX化合物を生成することを含む。複合ゼオライト触媒は、トランスアルキル化反応と脱アルキル化反応の両方を同時に触媒することができる。
Description
[関連出願への相互参照]
本出願は、参照によりその全体が本出願に組み込まれる、2018年3月14日に申請された欧米特許出願第18382171.9号に対する優先権を主張する。
本出願は、参照によりその全体が本出願に組み込まれる、2018年3月14日に申請された欧米特許出願第18382171.9号に対する優先権を主張する。
[技術分野]
本明細書の実施形態は、一般に芳香族化合物を製造する方法に関する。具体的には、重質改質油供給物からベンゼン、トルエン、及びキシレン類を製造する方法、及びそれに使用される触媒に関する。
本明細書の実施形態は、一般に芳香族化合物を製造する方法に関する。具体的には、重質改質油供給物からベンゼン、トルエン、及びキシレン類を製造する方法、及びそれに使用される触媒に関する。
主にC9+芳香族を含有する重質改質油(heavy reformate;HR)は、触媒改質油又は熱分解ガソリンから、より価値の高いBTX(ベンゼン、トルエン、キシレン)画分を抽出した後に残留する画分である。従来、該画分は、直接ガソリン貯留槽に添加された。しかし、環境規制によりガソリンのベンゼン含有量が制限されているため、この流れを他の価値の高い生成物にアップグレーディングする別の方法を見つけることが重要である。1つのオプションは、重質改質油中の重質芳香族を追加のBTX化合物に変換することである。重質改質油は、C9+アルキル芳香族を脱アルキル化してトルエンを生成し、更に、供給物に存在する他のC9+アルキル芳香族との脱アルキル化によって形成されたトルエンをトランスアルキル化してベンゼン及びキシレン類を生成することにより、キシレン類、ベンゼン、及びトルエンに変換される。いずれにしても、脱アルキル化とトランスアルキル化を同時に行うことでBTX化合物を生成するこれらの手段の効率には制限があり、これは1番目の反応の生成物が2番目の反応で利用される変換反応プロセスの逐次的な性質のためである。
よって、重質改質油を効率よく変換してベンゼン、トルエン、及びキシレン類を生成するのに好適な触媒に対する継続的なニーズが存在する。本開示の実施形態は、複合ゼオライト触媒配合物、並びにその複合ゼオライト触媒を使用してベンゼン、トルエン、及びキシレン類を製造する方法に関する。複合ゼオライト触媒は、重質芳香族化合物(重質改質油中に存在するものなど)の混合物、特にC9+芳香族炭化水素を、ベンゼン、トルエン、及びキシレン類、特に商業的に価値の高いキシレン類に変換することができる。
一実施形態によれば、ベンゼン、トルエン、及びキシレンを含むBTX化合物を製造する方法が提供される。上記方法は、反応器に重質改質油を供給することを含む。上記反応器は、10〜40ナノメートル(nm)の範囲の結晶サイズを有するナノ結晶性ベータゼオライト(ナノ−ベータ)とZSM−5との混合物を含む複合ゼオライト触媒を包含する。上記ナノ−ベータ又はZSM−5、或いはその両方には、1種以上の含浸金属が含まれている。上記方法は更に、反応器内で重質改質油のトランスアルキル化と脱アルキル化を同時に行うことにより、BTX化合物を生成することを含む。複合ゼオライト触媒は、トランスアルキル化反応と脱アルキル化反応の両方を同時に触媒することができる。
別の実施形態によれば、複合ゼオライト触媒が提供される。上記複合ゼオライト触媒は、10〜40nmの範囲の結晶サイズを有するナノ結晶性ベータゼオライト(ナノ−ベータ)とZSM−5との混合物を含む。上記ナノ−ベータ又はZSM−5、或いはその両方には、1種以上の含浸金属が含まれている。
記載された実施形態の更なる特徴及び利点は、以下の発明を実施するための形態に記載され、一部はその説明から当業者に容易に明白であるか、又は以下の発明を実施するための形態、特許請求の範囲、及び添付の図面を含む記載された実施形態を実施することによって認識される。
以下に、複合ゼオライト触媒を使用した重質改質油の変換によるベンゼン、トルエン、及びキシレンの製造方法の実施形態を詳細に説明する。
重質改質油の主成分は、エチルトルエン(メチルエチルベンゼン、MEB)とトリメチルベンゼン(TMB)である。MEB異性体及びTMB異性体の構造を以下に示す。
これらの芳香族は、C9+アルキル芳香族の脱アルキル化によって、又はベンゼン又はトルエンとこれらの化合物とのトランスアルキル化によって、より価値の高いBTX化合物に変換できる。上記プロセスの目的は、MEBの脱エチル化とTMBのトランスアルキル化によって、キシレン類の生成を最大化することである。具体的には、供給物中に存在するTMBを、MEBの脱エチル化の生成物として形成されたトルエンでトランスアルキル化することである。
MEBのトルエンとエタンへの脱アルキル化を以下に示す。ブレンステッド酸触媒の存在下でMEBを脱アルキル化すると、まず、トルエンとエチレンが生成される。ただし、エチレンは、その後、適切な水素化触媒の存在下でエタンに水素化され得る。水素化機能性が有効でない場合、エチレンの一部がエタンに水素化されず、したがって生成ガス中に存在する可能性、或いはオリゴマー又は他の生成物に変換される可能性がある。
重質改質油中に存在するTMBの、MEBのトルエンとエタンへの脱アルキル化から形成されたトルエンによるトランスアルキル化を以下に示す。
更に、トルエン及びTMBも不均化反応を起こし、それぞれキシレン類及びベンゼン、又はキシレン類及びテトラメチルメンゼン類(A10)になり得る。これらの化学反応を以下に示す。
複合ゼオライト触媒は、ナノ結晶性ベータ(ナノ−ベータ)及びZSM−5ゼオライト触媒の混合物から形成されてもよい。上記複合ゼオライト触媒は、単一の反応器内で、重質改質油又は他の芳香族反応物流の変換を可能にする。具体的には、MEBの脱アルキル化と生成されたトルエンのTMBとのトランスアルキル化は、単一の反応器内で行われてもよく、これは単一の反応器で物理的に混合されたときに、ナノ−ベータの結晶とZSM−5の結晶が近接するためである。MEB脱アルキル化反応は、所望のキシレン類を生成するために、供給物中のTMBと反応すべきトルエンを得るために必要となる。したがって、単一の反応器内での、ナノ−ベータとZSM−5との物理的混合と反応により得られたZSM−5の結晶とナノ−ベータの結晶との近接は、ベンゼン、トルエン、及びキシレン類を生成する両方の連続反応の改善された迅速なカップリングを可能にする。
1つ以上の実施形態における複合ゼオライト触媒は、ナノ−ベータ及びZSM−5を含む。ZSM−5は、ゼオライトのペンタシル族に属するアルミノシリケートゼオライトである。ZSM−5(Zeolite Socony Mobil−5)は、交差する10個の環チャネル(5.1x5.5及び5.3x5.6オングストローム(Å))を示す規則的な結晶構造を持つ、モルデナイト骨格反転(Mordenite Framework Inverted;MFI)骨格を有する。アルミノシリケートであるゼオライトベータは、多形体A及びBと呼ばれる、2つの異なる構造を有する連晶を含む骨格の分子構造を含む。多形体は2次元シートとして成長し、シートは2つの間でランダムに変わる。両多形体は、12個の環細孔からなる3次元ネットワークを有する。ナノ結晶性ベータ(ナノ−ベータ)は、一般的なベータと同様の微孔性結晶性構造を有し、同様の化学的配合及び組成を有する。ただし、ナノ−ベータは、当業者に知られている任意の標準技術に従って測定された10〜40ナノメートル(nm)の範囲のサイズを有する結晶子の存在により、比較的大きい外部表面積、特に大きいメソ孔容積によって特徴付けられる異なる組織特性を示す。
BTX化合物を製造する方法は、ナノ−ベータとZSM−5との混合物よりなる複合ゼオライト触媒を包含する反応器に重質改質油を供給することを含む。その後、BTX化合物は、反応器内で重質改質油のトランスアルキル化と脱アルキル化を同時に行うことにより生成される。複合ゼオライト触媒は、ナノ−ベータとZSM−5の組み合わせで、トランスアルキル化反応と脱アルキル化反応の両方を同時に触媒することができる。
ナノ−ベータ及びZSM−5の両方を含む複合ゼオライト触媒において、相乗効果が生じ、一般に少なくとも15重量パーセント(重量%)のMEBと少なくとも50重量%のTMBとを含む重質改質油供給物を、単一の反応器でBTX化合物に変換することができる。ZSM−5成分の存在は、ZSM−5成分に起因する付加的な脱アルキル化活性の結果として、反応媒体中のトルエンの量を増加させる。反応媒体中のトルエンの利用性の増加に従い、重質改質油供給物中に存在するTMBのナ−ベータと関連した反応が増加し、BTX生成物、特に望ましいキシレン類が得られる。更に、より多くのトルエンがTMBとの反応に利用できるので、重質改質油供給物からのA9+芳香族のトランスアルキル化が低減され、これはまた、望ましくないA10+副生成物の生成を低減する。
酸触媒の存在下で、重質改質油中に存在するもの(MEB、TMB)などのようなアルキル芳香族は、望ましくない反応を起こし、10個の炭素原子(A10)又は10個超の炭素原子(A10+)を有する芳香族を形成することがある。これらのA10及びA10+化合物が立体的制限のために結晶性構造の細孔を通してゼオライト結晶から拡散できない場合、チャネルシステムの一部をブロックするか、コークス前駆体をより大きくするか、又はその両方を引き起こす可能性がある。複合ゼオライト触媒の改善された変換効率は、A10及びA10+芳香族を含む重質アルキル芳香族の形成を緩和する。具体的には、単一の反応器内の混合物としてのZSM−5及びナノ−ベータの近接により、トランスアルキル化により他のTMBと反応してテトラメチルベンゼン又はより重質の化合物を形成する代わりに、ZSM−5の結晶上のMEBの脱アルキル化により形成されたトルエンと、供給物のTMBとが優先的に反応することが可能になる。ZSM−5及びナノ−ベータを含む複合ゼオライト触媒の存在下、単一の反応器内で重質改質油供給物を反応させると、キシレン類に対する選択性が高くなり、A10+及びコークス前駆体の形成が減少するので、その結果、触媒寿命が向上する。
単一の反応器内での重質改質油供給物とZSM−5及びナノ−ベータを含む複合ゼオライト触媒との反応は、重質改質油のBTX化合物への変換性能を改善する。この改善は、トルエン又はベンゼンを添加せずに重質改質油のトランスアルキル化を行う場合に、更に顕著であり、これは、これら2種類の芳香族が、供給物中に含まれているMEBの脱アルキル化などの、C9+芳香族よりイン・サイチューで生成される必要があるためである。複合ゼオライト触媒中のナノ−ベータ及びZSM−5の近接位置は、物理的混合物及び単一の反応器内の反応によって、MEBの脱アルキル化によって生成されるトルエンは、TMBのトランスアルキル化反応又はキシレン類の最終的な生成のためのトルエンの不均化反応において、より容易に利用可能である。
ナノ−ベータ及びZSM−5ゼオライト触媒は、様々な比率で物理的に混合されて、様々な程度のMEB及びTMB変換率を示す複合ゼオライト触媒を生成し得る。1つ以上の実施形態において、ナノ−ベータ及びZSM−5は、50:50〜90:10の重量比で組み合わされて、複合ゼオライト触媒を形成する。様々な更なる実施形態において、ナノ−ベータ及びZSM−5は、50:50〜80:20の重量比、50:50〜70:30の重量比、55:45〜65:35の重量比、又は約60:40の重量比で組み合わされて、複合ゼオライト触媒を形成する。前述のように、複合ゼオライト触媒中のZSM−5の増加は、ZSM−5成分に起因する付加的な脱アルキル化活性の結果として、反応媒体中のトルエンの量を増加させる。ただし、ZSM−5の重量パーセント(重量%)の増加は、それに適合するナノ−ベータ重量%の減少を必要とすることが理解されるであろう。ZSM−5の重量%の増加及びナノ−ベータの重量%の減少により、トランスアルキル化が少なくなり、トルエンが過剰になる。
更に、ゼオライト複合触媒には、触媒作用のための金属、例えば、モリブデン、クロム、白金、ニッケル、タングステン、パラジウム、ルテニウム、金、レニウム、ロジウム、又はそれらの組み合わせを含浸させてもよい。一実施形態において、含浸金属はレニウム(Re)である。金属成分は、複合体の他の成分のうちの1つ以上と化学的に組み合わされた、活性金属酸化物、活性金属硫化物、活性金属ハロゲン化物などの化合物として、又は元素金属として、最終的なゼオライト複合触媒内に存在してもよい。含浸金属成分は、最終的な複合ゼオライト触媒中に、触媒的に効果的である任意の量、例えば、複合ゼオライト触媒粒子の0.01〜20.0重量%、2〜5重量%、0.1〜1.5重量%、又は0.3〜0.5重量%で、存在し得る。
金属は、触媒の水素化機能性のために触媒に添加される。脱アルキル化、トランスアルキル化、及び不均化反応は複合ゼオライト触媒のブレンステッド酸部位上で起こる。ただし、金属成分の水素化機能はエチレンをエタンに変換するために利用され、コークス前駆体の脱離を促進する可能性もある。エチレンのエタンへの変換は、触媒を不活性化する可能性のある生成物へのオレフィンのオリゴマー化を回避する。
1つ以上の実施形態において、金属は、水溶液中でのそれらの塩のイオン交換又は含浸によって触媒に組み込まれる。金属が組み込まれた触媒は空気中でか焼され(calcined)、金属は水素化活性を示さない酸化物形態に変換される。水素化に対して活性であるために、これらの酸化物は、金属硫化物、例えば、Mo、Ni、又はWの金属硫化物に変換されるか、又は金属酸化物は、それらの元素金属形態、例えば、Mo、Pt、Re、Pd、又はRhの元素形態に還元され得る。1つ以上の実施形態において、複合ゼオライト触媒は、初期湿潤手順(incipient wetness procedure)によって金属前駆体として過レニウム酸アンモニウム(NH4ReO4)の形態のレニウムで含浸される。1つ以上の実施形態において、複合ゼオライト触媒は、初期湿潤手順によって金属前駆体としてモリブデン酸アンモニウム・四水和物((NH4)6Mo7O24・4H2O)の形態のモリブデンで含浸される。
様々な実施形態において、含浸金属成分は、ナノ−ベータのみ、ZSM−5のみ、又はその両方に存在してもよい。例えば、含浸金属成分は、ナノ−ベータ又はZSM−5中に、触媒的に効果的である任意の量、例えば、個々のナノ−ベータ又はZSM−5の0.01〜20.0重量%、2〜5重量%、0.1〜1.5重量%、0.25〜0.5重量%、又は0.3〜0.5重量%で、存在し得る。
一実施形態において、ナノ−ベータ中のアルミニウムに対するケイ素のモル比(Si/Al)は、6:1〜30:1である。更なる実施形態において、ナノ−ベータ中のアルミニウムに対するケイ素のモル比は、7:1〜20:1、8:1〜10:1、又は7:2〜9:2である。
複合ゼオライト触媒、及びナノ−ベータ又はZSM−5の個々の成分は、多孔性を有する。ミクロ孔容積及びメソ孔容積は、それぞれ、ミクロ孔構造及びメソ孔構造に対応する比容積を表す。メソ孔は主に、ゼオライト結晶の非常に小さいサイズのために、形成された結晶間ボイドに起因する。メソ孔及びミクロ孔の細孔サイズ範囲は、直径が2ナノメートル(nm)未満の細孔を表すミクロ孔、及び直径が2〜50nmの細孔を表すメソ孔による、細孔分類について従来理解されているサイズ範囲と一致する。全細孔容積は、存在する場合には、任意のマクロ孔を更に含む。
特性の観点から、1つ以上の実施形態において、ナノ−ベータは、少なくとも0.15立方センチメートル/グラム(cm3/g)のミクロ孔容積(Vmicro)、少なくとも0.16cm3/gのミクロ孔容積、0.15〜0.25cm3/gのミクロ孔容積、又は0.16〜0.20cm3/gのミクロ孔容積を有してもよい。ミクロ孔容積は、当業者に知られている、ミクロ孔容積を測定するt−プロット法によって算出することができる。同様に、1つ以上の実施形態において、ナノ−ベータは、少なくとも0.30立方センチメートル/グラム(cm3/g)のメソ孔容積(Vmeso)、少なくとも0.35cm3/gのメソ孔容積、0.3〜0.6cm3/gのメソ孔容積、又は0.4〜0.5cm3/gのメソ孔容積を有してもよい。メソ孔容積は、当業者に知られている、メソ孔容積を測定するBarrett−Joiner−Halenda(BJH)法によって算出することができる。ミクロ孔容積及びメソ孔容積をそれぞれ算出するt−プロット法及びBJH法に関する詳細は、例えば、Galarneau et al.,「階層的ミクロ/メソ多孔性材料中のミクロ多孔性を評価するためのt−プロット法の妥当性(Validity of the t-plot Method to Assess Microporosity in Hierarchical Micro/Mesoporous Materials)」、Langmuir 2014, 30, 13266-13274に提供されている。なお、ナノ−ベータは、市販のベータ(CP811)よりも高いVmesoを有し、これは結晶サイズが小さく、内部表面積に対する外部表面積の比が大きいことを示す。
ZSM−5の多孔性について、ZSM−5は、ミクロ孔容積を測定するt−プロット法による、少なくとも0.05立方センチメートル/グラム(cm3/g)のミクロ孔容積(Vmicro)、少なくとも0.10cm3/gのミクロ孔容積、0.05〜0.25cm3/gのミクロ孔容積、又は0.10〜0.20cm3/gのミクロ孔容積を有してもよい。同様に、1つ以上の実施形態において、ZSM−5は、メソ孔容積を測定するBarrett−Joiner−Halenda(BJH)法によって算出される、少なくとも0.01立方センチメートル/グラム(cm3/g)のメソ孔容積(Vmeso)、少なくとも0.03cm3/gのメソ孔容積、0.01〜0.10cm3/gのメソ孔容積、又は0.03〜0.08cm3/gのメソ孔容積を有してもよい。
複合ゼオライト触媒の細孔の表面積と、ナノ−ベータ及びZSM−5は重質改質油のTMBとMEB変換率に個別に影響を与える。表面積の増加は、個々の触媒成分と重質改質油供給物の成分との間の相互作用の増加をもたらし、変換活性の増加を可能にする。
1つ以上の実施形態において、ナノ−ベータは、少なくとも450平方メートル/グラム(m2/g)のBrunauer−Emmett−Teller(BET)分析により定義される表面積(SBET)、少なくとも500m2/gのSBET表面積、少なくとも550m2/gのSBET表面積、又は575m2/g〜650m2/gのSBET表面積を有してもよい。また、ナノ−ベータは、325m2/g〜425m2/gのミクロ孔表面積Smicro)を有してもよい。ミクロ孔表面積は、上記ミクロ孔容積から直接算出することができる。更に、ナノ−ベータは、少なくとも150m2/gの外部表面積(SExt)を有してもよく、優先的には200m2/g〜250m2/gの外部表面積を有してもよい。なお、外部表面積は、BET表面積とミクロ孔表面積との差として得られる。なお、ナノ−ベータは、市販のベータ(CP811)よりも高いSExtを有し、これは粒径が小さいほど内部表面積に対する外部表面積の比が大きくなるためである。
1つ以上の実施形態において、ZSM−5は、少なくとも300平方メートル/グラム(m2/g)のBrunauer−Emmett−Teller(BET)分析により定義される表面積SBET)、少なくとも325m2/gのSBET表面積、又は少なくとも350m2/gのSBET表面積を有してもよい。また、ZSM−5は、275m2/g〜400m2/gのミクロ孔表面積(Smicro)を有してもよい。1つ以上の実施形態において、ZSM−5ゼオライト触媒は市販のZSM−5である。例えば、ZSM−5は、Zeolist International社(米国ペンシルバニア州コンショホッケン)製のCBV3024Eであってもよい。
ナノ−ベータは市販のゼオライト触媒ではないので、複合ゼオライト触媒に利用するために合成する必要がある。種々の合成手順を用いて、複合ゼオライト触媒に利用するためのナノ−ベータを調製できることが理解されるであろう。一実施形態において、ナノ−ベータの合成は、試薬容器中でケイ素源及び有機構造指向剤、並びにアルミニウム前駆体を混合して触媒ゲルを形成することを含む。その後、触媒ゲルを加熱して複合ゼオライト触媒粒子を形成する。合成手順の一例を、本開示の実施例部分に詳述する。
説明される実施形態は、以下の実施例及び比較例によって更に明確になるであろう。
ナノ−ベータに関する以下の合成手順は一例であり、異なる合成手順を同様に利用して、複合ゼオライト触媒で利用するためのナノ−ベータを調製することができる。
実証目的のために、複合ゼオライト触媒及び複合ゼオライト触媒の成分を、本開示の1つ以上の実施形態に従って調製した。触媒粒子にレニウムを組み込んだ複合ゼオライト触媒粒子を合成した。金属前駆体として過レニウム酸アンモニウム(NH4ReO4)を用いた初期湿潤手順によって、レニウムを0.3〜0.4重量%でサンプルに組み込んだ。レニウムをナノ−ベータ及びZSM−5に個別に組み込み、次いで生成されたゼオライトを60:40のナノ−ベータ:ZSM−5の重量比で物理的に混合して実施例1を生成した。
ナノ−ベータを合成するために、0.704gのAl(OH)3、27.14gの水酸化テトラエチルアンモニウム(TEAOH)溶液(水中35重量%)、及び9.4gの脱イオン水を混合し、約15分(min)間攪拌した。得られた混合物に、6gのシリカ(SiO2)を加え、約20℃〜25℃の室温で1時間(h)攪拌し、均質なゲルを得た。得られた均質ゲルを、ポリテトラフルオロエチレン(テフロン(登録商標))で裏打ちされたオートクレーブに移し、140℃にて静置状態でオートクレーブ内で約3日間保持した。ゲルをオートクレーブから回収し、4.5gの臭化セチルトリメチルアンモニウム(CTABr)をゲルに添加した。得られた混合物をオートクレーブに戻し、結晶化のために更に7日間、140℃にて静置状態で保持した。ろ過後、最終工程において、オートクレーブから得られた固形物をろ過し、脱イオン水で洗浄し、100℃のオーブン内で一晩乾燥させた。残留有機物を除去するために、ろ過及び洗浄された触媒を580℃の静的空気中でか焼した。
実証目的のために、複合ゼオライト触媒を、本開示の1つ以上の実施形態に従って調製した。複合ゼオライト触媒は、レニウム含有ナノ−ベータとレニウム含有ZSM−5との物理的混合物として形成された。純粋なナノ−ベータ及び純粋なZSM−5ゼオライトにレニウムを含浸させた。金属前駆体として過レニウム酸アンモニウム(NH4ReO4)を用いた初期湿潤手順によって、レニウムを0.3〜0.4重量%で各サンプルに組み込んだ。レニウムを充填したナノ−ベータ及びZSM−5を、60:40のナノ−ベータ:ZSM−5の重量比で混合した。ZSM−5には、市販のCBV3024E(Zeolist International)を用いた。物理的混合物を、100ミリリットル/分(ml/min)の窒素ガス(N2)流下で、500℃まで温度を上昇させた固定床反応器内でか焼し、次いで、100ml/minの空気流下で、500℃に3時間維持した。その後、サンプルを100ml/minの窒素流下で、室温又は還元温度に冷却した。レニウムを有するナノ−ベータとレニウムを有するZSM−5との重量比が60:40で調製された複合ゼオライト触媒を実施例1(Re/ナノ−ベータ+Re/ZSM−5)とした。
比較のゼオライト触媒サンプルも、上記複合ゼオライト触媒粒子と比較するために調製した。レニウムを含浸させた市販のベータ(Zeolist International社製CP811)を比較例2(Re/ベータ)とし、レニウムを含浸させたナノ−ベータを比較例3(Re/ナノ−ベータ)とした。AC−140(比較例4)は、60重量%のPtNi/ベータ、20重量%のZSM−5、及び20重量%のCe/AP−3の物理的混合物に基づく市販の触媒を表す。レニウムを含浸させた市販のZSM−5(Zeolist International社製CBV3024E)を比較例5(Re/ZSM−5)とした。同様に、レニウムを含浸させない場合を比較するために、ゼオライト触媒サンプルを調製した。純粋な市販のベータ(CP811)を比較例6とし、純粋なナノ−ベータを比較例7とし、純粋な市販のZSM−5(CBV3024E)を比較例8とした。
各実施例の組成のリストは、表1の通りである。
各サンプルの物理化学的特性を定量化した。具体的には、各サンプルタイプについて、各サンプル中のアルミニウムに対するケイ素の比とReの最終重量%とを測定した。各サンプル中のReの最終重量%は、誘導結合プラズマ発光分析(Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy;ICP−AES)で測定した。ICP−AES分析は、主要元素の微量濃度を測定することができ、周期律表中のほとんどの元素を検出することができる技術である。10億分の1の範囲の検出限界で、結果を得ることができる。ICP源は、サンプル中の元素の原子をイオンに変換する。次いで、これらのイオンを分離し、質量分析計によって検出する。更に、ミクロ孔容積とメソ孔容積をそれぞれt−プロット法とBJH相関法により算出した。また、ミクロ孔容積からミクロ孔表面積を算出し、多孔質・微細分割材料の表面積評価に広く用いられているBrunauer−Emmett−Teller法により総比表面積を算出し、総比表面積とミクロ孔表面積との差に基づいて外部表面積を算出した。これらの物理化学的特性を、表2に示す。
表2は、ナノ−ベータとベータが、それぞれから形成された複合ゼオライト触媒の触媒挙動に直接影響を及ぼす可能性のある、異なる特性を有することを示している。最初に、ナノ−ベータのSi/Alモル比は、ベータのSi/Alモル比より低い。更に、ナノ−ベータは、より大きな外部表面積と、より大きなメソ孔容積とを有する。Sext及びVmesoが大きいことは、ナノ−ベータの結晶サイズが小さいことに起因し、その結果、ベータに比べて形成された結晶の内部表面積に対する外部表面積の比が大きくなる。
各サンプルの酸性特性も定量化した。ピリジンの吸着/脱着及びそれに続くIR分光法により、酸性度測定を行った。予めパイレックス(登録商標)真空セル中で400℃、10-2パスカル(Pa)で一晩活性化された、か焼されたサンプルの自己支持ウェハ(10ミリグラム/cm2(mg cm-2))を、室温で6.5×102Paのピリジン蒸気と接触させ、昇温(150℃、250℃、350℃)しながら真空中で脱着させた。室温でスペクトルを記録した。全てのスペクトルは、サンプルの重量に従ってスケールされた。比較されるサンプルのブレンステッド及びルイス酸性度は、ゼオライトのブレンステッド及びルイス酸部位と相互作用するピリジンに帰属されるバンドの強度(それぞれ、1550及び1450cm-1)に従って、任意の単位で与えられる。これらの酸性特性を、表3に示す。
表3は、ベータ(比較例6)が、ナノ−ベータ(比較例7)と比較して、低いブレンステッド酸密度及び高いルイス酸部位の数を表すことを示している。ブレンステッド酸部位密度及びルイス酸部位の数の差は、ベータと比較してナノ−ベータの脱アルミニウム度が低いことに起因し得る。ブレンステッド酸部位密度の差は、レニウムの金属組み込み後に減少する。また、レニウムを組み込んだナノ−ベータ(比較例3)のルイス酸部位の数は、レニウムを組み込んだベータ(合成例2)のルイス酸部位の数よりも大きい。更には、ZSM−5サンプル(比較例5及び8)は、多数の総ブレンステッド酸部位密度を示し、より高い強度を持つ部位の割合が高く、最高脱着温度(T=350℃、B350)でピリジンを保持することができ、ベータゼオライトと比較してルイス酸部位の数が著しく低かった。最後に、AC−140(比較例4)の低い酸性度値は、ベータゼオライトと比較した場合に注目される。
前述のように、本複合ゼオライト触媒は、C9+アルキル芳香族炭化水素を、ベンゼン、トルエン、及びキシレン類、特に商業的に価値の高いキシレン類を含む生成物流に変換するのに好適な、脱アルキル化及びトランスアルキル化触媒を表す。変換プロセスへの供給物流は、一般に、例えば、プロピルベンゼン、メチルエチルベンゼン、テトラメチルベンゼン、エチルジメチルベンゼン、ジエチルベンゼン、メチルプロピルベンゼン、及びこれらの混合物などの炭化水素を含み得るC9〜C11+の範囲の炭素数のアルキル芳香族炭化水素を含む。実施例及び比較例を試験及び定量化する目的で、模擬重質改質油供給物を生成した。模擬重質改質油供給物は、30重量%のパラ−メチルエチルベンゼン(p−MEB)と、70重量%の1,2,4−トリメチルベンゼン(1,2,4−TMB)とを含む。
模擬重質改質油供給物の変換のための触媒試験を、16連続固定床並列マイクロリアクタを備える反応システムで行った。各反応器は、模擬改質油供給物及びH2の所望の流れを独立して供給することができ、広範囲の接触時間及び水素/炭化水素モル比で操作することができた。同時触媒実験は以下の条件で行われた。全圧:20bar、水素/炭化水素モル比:8.5、反応時間:16時間/温度、重量空間速度(weight hourly space velocity;WHSV):10逆時間(h-1)。各温度で試験した後、ゼオライト触媒をH2雰囲気下、その温度で更に10時間保持した。各ゼオライト触媒サンプルを、0.2〜0.4ミリメートル(mm)の粒径に調製した。試験されたゼオライトサンプルは、実施例1(0.36重量%のレニウムを有する、ナノ−ベータ:ZSM−5が60:40)、比較例2(0.36重量%のレニウムを有する市販のベータCP811)、比較例3(0.36重量%のレニウムを有するナノ−ベータ)、及び比較例4(60重量%のPtNi/ベータ、20重量%のZSM−5、及び20重量%のCe/AP−3の物理的混合物に基づくAC−140)であった。比較例2及び3は、市販のベータとナノ−ベータとの比較を提供するのに役立つ。比較例4は、市販の複合ゼオライト複合材料との比較として役立つ。
125mgのゼオライト触媒サンプルが投入された各固定床マイクロリアクタ反応器を準備し、試験のために全床体積2.0mlまで炭化ケイ素(SiC)で希釈した。実験が同じゼオライト重量基準で行われるため、比較例4(AC−140)では、マトリックスを除くゼオライトが125mgとなるように、ゼオライトの含有量に応じて触媒添加量を調整した。350℃、375℃、及び400℃の温度、並びに350℃に戻した温度で、4つの連続反応相が完了した。各温度で試験した後、ゼオライト触媒をH2雰囲気下、その温度で更に10時間保持した。
固定床マイクロリアクタのそれぞれからの反応生成物を、2種類の独立したチャネル(Bruker450ガスクロマトグラフ)を用いて、オンラインガスクロマトグラフィーにより分析した。内部標準としてのアルゴン(Ar)、H2、メタン、及びエタンを熱伝導率検出器(thermal conductivity detector;TCD)と3つのカラムを備えた第1チャネルで分析した。上記3つのカラムは、Hayesep Nプレカラム(全長:0.5m)(Hayes Separations社)、Hayesep Q(全長:1.5m)(Hayes Separations社)、及び13Xモレキュラーシーブ(全長:1.2m)であった。第2チャネルでは、まず、C1〜C4炭化水素をCP−Wax毛管カラム(全長:5.0m、内径:0.32mm)で芳香族から分離した。続いて、C1〜C4ガスをCP−PoraBOND Q(全長:25m、内径:0.32mm)(Cole−Parmer社)でカラム分離し、水素炎イオン化型検出器(flame ionization detector;FID)で検出した。芳香族の分離は、第2FIDに接続した第2CP−Wax(全長:1.0m、内径:0.32mm)で完了した。
図1、図2、及び図3では、経時変化(time on stream;TOS)に対するMEB変換率(脱アルキル化)、TMB変換率(トランスアルキル化)、及び総変換率(MEB+TMB)が、実施例1、比較例2、比較例3、比較例4のそれぞれについて、各々示されている。なお、ナノ−ベータ系触媒は、比較例4よりも活性が高く、試験中に不活性化を示さなかった。この現象は、各試験の開始時の最初の350℃の段階と各試験の終了時の最後の350℃の段階の変換率が類似していることによってわかる。実施例1(0.36重量%のレニウムを有するナノ−ベータと0.35重量%のレニウムを有するZSM−5とが60:40)と比較例3(0.36重量%のレニウムを有するナノ−ベータ)は、それぞれTMB及びTMB+MEBの変換活性が高く、得られた変換率(400℃)では、比較例2(0.36重量%のレニウムを有するベータ)及び比較例4(AC−140)と同等又はそれ以下であった。ナノ−ベータと中間細孔ZSM−5成分とを混合する場合、触媒全体のトランスアルキル化能はわずかに低下するが、ナノ−ベータと比較して総変換率は維持されるか又は増加する(T=400℃を参照)。
複合ゼオライト触媒で観察された不活性化の欠如は、重質アルキル芳香族の形成を低減するその高い触媒効率に起因すると考えられる。単一の触媒及び反応器内で、2つのゼオライト相の物理的混合物からなる2つのゼオライト相(ZSM−5及びノ−ベータ)が近接することにより、供給物中に存在するTMBがナノ−ベータ結晶上で、ZSM−5結晶上のMEBの脱アルキル化によって予め形成されたトルエンと優先的に反応することを可能にする。実際に、400℃において、実施例1で得られた総変換率は、比較例2及び3で得られたものよりも高く、これはそれぞれZSM−5を含まない純粋なベータ及びナノ−ベータに基づいており、トルエンのイン・サイチュー生成が低いためである。更に、ナノ−ベータ結晶の結晶サイズが小さいことにより、より重質な芳香族、コークス前駆体、又はその両方への反応を起こす前に、生成物をゼオライト結晶から拡散させる短い拡散経路を形成する。A10+とコークス前駆体の形成の減少は、触媒寿命の改善につながる。
図4、図5、図6、図7、図8、図9、及び図10では、キシレン類の収率、A10の収率、A10+の収率、軽質炭化水素の収率、トルエンの収率、エチルベンゼンの収率、及びベンゼンの収率が、TOSに対する4つのサンプルタイプのそれぞれについて、各々示されている。なお、実施例1(0.36重量%のレニウムを有するナノ−ベータと0.35重量%のレニウムを有するZSM−5とが60:40)では、比較例2(0.36重量%のレニウムを有する純粋なベータ)、比較例3(0.36重量%のレニウムを有する純粋なナノ−ベータ)、及び比較例4(AC−140)と比較して、375℃及び400℃でキシレン類の生成に有利である。キシレン類に対する高い選択性は、望ましくないA10+芳香族の生成が少ない結果であると考えられる。図6に示すように、実施例1(0.36重量%のレニウムを有するナノ−ベータと0.35重量%のレニウムを有するZSM−5とが60:40)は、375℃及び400℃において、A10+芳香族の最低収率を示した。
模擬重質改質油を用いたサンプルの試験から得られた結果は、異なる触媒組成の相対活性と、拡張TOSによる不活性化に対するそれらの安定性に関する情報を提供した。触媒はまた、重質改質油のキシレン類への変換について観察されるであろう工業的条件により近い条件下で試験された。工業的条件をより正確に反映するために、既知の組成の実際の工業用重質改質油を利用した。表4は、試験に使用される工業用重質改質油の組成を示し、表5は、種々の成分の相対比を示す。
工業用重質改質油供給物の変換のための触媒試験を、固定床ステンレス鋼管状反応器で行った。反応器は、内径10.5mm、全長20センチメートル(cm)のものを使用した。固定床管状反応器での触媒実験は以下の条件で行われた。全圧:20bar、水素/炭化水素モル比:4:1、反応時間:各反応温度で7又は5時間、重量空間速度(weight hourly space velocity;WHSV):10h-1。反応器には、各試験毎に、粒径0.2〜0.4mmの触媒を0.75グラム(g)充填した。試験されたゼオライトサンプルには、実施例1(0.36重量%のレニウムを有するナノ−ベータと0.35重量%のレニウムを有するZSM−5とが60:40)、比較例2(0.36重量%のレニウムを有する市販のベータCP811)、比較例3(0.36重量%のレニウムを有するナノ−ベータ)、及び比較例4(AC−140)が含まれた。触媒をSiCで希釈し、総体積を5.0mlの総床体積にした。比較例4(AC−140)では、ゼオライト(マトリックスを除く)が0.75gとなるように、ゼオライトの含有量に応じて触媒添加量を調整した。ガス状化合物(H2、N2)を、気化器を介して質量流量計によりシステムに供給した。内部基準として窒素もシステムに供給した。工業用重質改質油を高速液体クロマトグラフィー(high performance liquid chromatography;HPLC)ポンプにより気化器に供給した。気化器は300℃で運転され、反応器への反応物の定常的かつ無パルスの流れを与えた。触媒試験を開始する前に、大気圧のH2流(50ml/min)下で、触媒を450℃で1時間イン・サイチュー還元した。触媒試験では、350℃(7時間反応)、375℃(5時間反応)、及び400℃(5時間反応)の温度、並びに350℃に戻した温度(5時間反応)で、4つの連続反応相が完了した。
反応中、流出流を、2つの検出チャネルを備えたScion 456ガスクロマトグラフにおいて32分(min)の間隔でオンライン分析した。内部標準としての窒素(N2)、H2、メタン、及びエタンをTCDと3つのカラムを備えた第1チャネルで分析した。上記3つのカラムは、Hayesep Nプレカラム(全長:0.6m)(Hayes Separations社)、Hayesep Q(全長:1.6m)(Hayes Separations社)、及び13Xモレキュラーシーブ(全長:1.2m)であった。第2チャネルでは、まず、C1〜C4炭化水素をCP−Wax毛管カラム(全長:5.0m、内径:0.32mm)で芳香族から分離した。続いて、C1〜C4ガスをCP−PoraBOND Q(全長:25m、内径:0.32mm)(Cole−Parmer社)でカラム分離し、水素炎イオン化型検出器(flame ionization detector;FID)で検出した。芳香族の分離は、第2FIDに接続した第2CP−Wax(全長:39.5m、内径:0.32mm)で完了した。
図12、図13、及び図14では、TMB変換率(トランスアルキル化)、MEB変換率(脱アルキル化)、総変換率(MEB+TMB)が、実施例1、比較例2、比較例3、比較例4のそれぞれについて、各々示されている。なお、実施例1(0.36重量%のレニウムを有するナノ−ベータと0.35重量%のレニウムを有するZSM−5とが60:40)は、比較例よりも高い総変換率を示しているが、これは、より高いTMB変換活性に起因する。個々のTMB変換率及びMEB変換率を、表6に示す。
図14、図15、図16、図17、図18、図19、及び図20では、キシレン類の収率、A10の収率、A10+の収率、軽質炭化水素の収率、トルエンの収率、エチルベンゼンの収率、及びベンゼンの収率が、実施例1、比較例2、比較例3、及び比較例4のそれぞれについて、各々示されている。なお、図14では、実施例1は、ナノ−ベータを含まない比較例2及び4と比較して、すべての反応温度でキシレン類の生成に有利である。キシレン類は望ましい生成物であるため、ナノ−ベータ及びZSM−5を含む複合ゼオライト触媒によるキシレン類の収率の増加は肯定的な結果である。キシレン類に対する高い選択性は、望ましくないA10+芳香族の生成が少ない結果であると考えられる。図16に示すように、実施例1は、A10+芳香族化合物の最低収率を示している。同様に、実施例1はまた、図18に示されるようなトルエン、図20に示されるようなベンゼン、及び図17に示されるような軽質炭化水素を含む他の望ましい生成物のより高い収率を示している。各触媒の重量%としての収率の数値を、表7に示す。キシレン類及び他の軽質炭化水素の生成におけるこの改善、及びA10+画分における同時の減少は、ナノ−ベータ及びZSM−5が重質改質油供給物の変換中に単一の反応器内で近接接触している本開示の方法の利点を例示している。追加的な利点は、変換を単一の反応器内で完了することができ、それによって生成の複雑さを低減することである。
ベンゼン、トルエン、及びキシレンを含むBTX化合物を製造する方法、並びにそれに用いられる複合ゼオライト触媒の様々な態様が記載されており、かかる態様は様々な他の態様と関連して利用され得ることが理解されるべきである。
第1の態様では、本開示は、ベンゼン、トルエン、及びキシレンを含むBTX化合物を製造する方法を提供する。この方法は、10〜40nmの範囲の結晶サイズを有するナノ結晶性ベータゼオライト(ナノ−ベータ)とZSM−5との混合物を含む複合ゼオライト触媒を包含する反応器に重質改質油を供給することを含み、ここで、ナノ−ベータ又はZSM−5、或いはその両方には、1種以上の含浸金属が含まれている。この方法は更に、反応器内で重質改質油のトランスアルキル化と脱アルキル化を同時に行うことにより、BTX化合物を生成することを含み、ここで、複合ゼオライト触媒は、トランスアルキル化反応と脱アルキル化反応の両方を同時に触媒することができる。
第2の態様では、本開示は、重質改質油が、少なくとも15重量%のメチルエチルベンゼン(MEB)と、少なくとも50重量%のトリメチルベンゼン(TMB)とを含む、第1の態様の方法を提供する。
第3の態様では、本開示は、ナノ−ベータが、150m2/gより大きい外部表面積を有する、第1又は第2の態様の方法を提供する。
第4の態様では、本開示は、1種以上の含浸金属が、モリブデン、クロム、白金、ニッケル、タングステン、パラジウム、ルテニウム、金、レニウム、ロジウム、又はそれらの組み合わせ及びそれらの各酸化物からなる群から選択される、第1〜第3の態様のいずれかの方法を提供する。
第5の態様では、本開示は、1種以上の含浸金属が、レニウムを含む、第1〜第3の態様のいずれかの方法を提供する。
第6の態様では、本開示は、ナノ−ベータ又はZSM−5、或いはナノ−ベータ及びZSM−5の両方が、1種以上の含浸金属を20重量%まで含む、第1〜第5の態様のいずれかの方法を提供する。
第7の態様では、本開示は、複合ゼオライト触媒が、ナノ−ベータとZSM−5との混合物を50:50〜90:10の重量比で含む、第1〜第6の態様のいずれかの方法を提供する。
第8の態様では、本開示は、ナノ−ベータは、アルミニウムに対するケイ素のモル比(Si/Al)が6:1〜12:1である、第1〜第7の態様のいずれかの方法を提供する。
第9の態様では、本開示は、複合ゼオライト触媒を提供する。複合ゼオライト触媒は、10〜40nmの範囲の結晶サイズを有するナノ結晶性ベータゼオライト(ナノ−ベータ)とZSM−5との混合物を含み、ナノ−ベータ又はZSM−5、或いはその両方には、1種以上の含浸金属が含まれている。
第10の態様では、本開示は、ナノ−ベータが、150m2/gより大きい外部表面積を有する、第9の態様の複合ゼオライト触媒を提供する。
第11の態様では、本開示は、1種以上の含浸金属が、モリブデン、クロム、白金、ニッケル、タングステン、パラジウム、ルテニウム、金、レニウム、ロジウム、又はそれらの組み合わせ及びそれらの各酸化物からなる群から選択される、第9又は第10の態様の複合ゼオライト触媒を提供する。
第12の態様では、本開示は、1種以上の含浸金属が、レニウムを含む、第9〜第11の態様のいずれかの複合ゼオライト触媒を提供する。
第13の態様では、本開示は、ナノ−ベータ又はZSM−5、或いはナノ−ベータ及びZSM−5の両方が、1種以上の含浸金属を20重量%まで含む、第9〜第12の態様のいずれかの複合ゼオライト触媒を提供する。
第14の態様では、本開示は、複合ゼオライト触媒が、ナノ−ベータとZSM−5との混合物を50:50〜90:10の重量比で含む、第9〜第13の態様のいずれかの複合ゼオライト触媒を提供する。
第15の態様では、本開示は、ナノ−ベータは、アルミニウムに対するケイ素のモル比(Si/Al)が6:1〜12:1である、第9〜第14の態様のいずれかの複合ゼオライト触媒を提供する。
特許請求された主題の趣旨及び範囲から逸脱することなく、記載された実施形態に種々の変更及び変形がなされ得ることは、当業者には明らかであるはずである。したがって、本明細書は、そのような変更及び変形が添付の特許請求の範囲及びその等価物の範囲内に入る限り、種々の記載された実施形態の変更及び変形を網羅することが意図される。
本開示を通して、範囲が提供される。範囲に包含される各離散値も含まれていることが想定される。更に、明白に開示された範囲に包含される各離散値によって形成され得る範囲は、等しく想定される。
Claims (15)
- ベンゼン、トルエン、及びキシレンを含むBTX化合物を製造する方法であって、
10〜40nmの範囲の結晶サイズを有するナノ結晶性ベータゼオライト(ナノ−ベータ)とZSM−5との混合物を含む複合ゼオライト触媒を包含する反応器に重質改質油を供給することと、
前記反応器内で前記重質改質油のトランスアルキル化と脱アルキル化を同時に行うことにより、前記BTX化合物を生成することと、を含み、前記ナノ−ベータ又は前記ZSM−5、或いはその両方には、1種以上の含浸金属が含まれ、前記複合ゼオライト触媒は、トランスアルキル化反応と脱アルキル化反応の両方を同時に触媒することができる、方法。 - 前記重質改質油が、少なくとも15重量%のメチルエチルベンゼン(MEB)と、少なくとも50重量%のトリメチルベンゼン(TMB)とを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記ナノ−ベータが、150m2/gより大きい外部表面積を有する、請求項1又は2に記載の方法。
- 前記1種以上の含浸金属が、モリブデン、クロム、白金、ニッケル、タングステン、パラジウム、ルテニウム、金、レニウム、ロジウム、又はそれらの組み合わせ及びそれらの各酸化物からなる群から選択される、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記1種以上の含浸金属が、レニウムを含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ナノ−ベータ又は前記ZSM−5、或いは前記ナノ−ベータ及びZSM−5の両方が、1種以上の含浸金属を20重量%まで含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記複合ゼオライト触媒が、ナノ−ベータとZSM−5との混合物を50:50〜90:10の重量比で含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ナノ−ベータは、アルミニウムに対するケイ素のモル比(Si/Al)が6:1〜12:1である、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
- 10〜40nmの範囲の結晶サイズを有するナノ結晶性ベータゼオライト(ナノ−ベータ)とZSM−5との混合物を含む複合ゼオライト触媒であって、
前記ナノ−ベータ又は前記ZSM−5、或いはその両方には、1種以上の含浸金属が含まれている、複合ゼオライト触媒。 - 前記ナノ−ベータが、150m2/gより大きい外部表面積を有する、請求項9に記載の複合ゼオライト触媒。
- 前記1種以上の含浸金属が、モリブデン、クロム、白金、ニッケル、タングステン、パラジウム、ルテニウム、金、レニウム、ロジウム、又はそれらの組み合わせ及びそれらの各酸化物からなる群から選択される、請求項9又は10に記載の複合ゼオライト触媒。
- 前記1種以上の含浸金属が、レニウムを含む、請求項9〜11のいずれか一項に記載の複合ゼオライト触媒。
- 前記ナノ−ベータ又は前記ZSM−5、或いは前記ナノ−ベータ及びZSM−5の両方が、1種以上の含浸金属を20重量%まで含む、請求項9〜12のいずれか一項に記載の複合ゼオライト触媒。
- ナノ−ベータとZSM−5との混合物を50:50〜90:10の重量比で含む、請求項9〜13のいずれか一項に記載の複合ゼオライト触媒。
- 前記ナノ−ベータは、アルミニウムに対するケイ素のモル比(Si/Al)が6:1〜12:1である、請求項9〜14のいずれか一項に記載の複合ゼオライト触媒。
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