JP2022048658A - Method for recycling catalyst for alcohol production - Google Patents
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本発明は、オレフィンの水和反応によってアルコールを製造する触媒の再生方法に関する。 The present invention relates to a method for regenerating a catalyst for producing an alcohol by a hydration reaction of an olefin.
工業用エタノールは有機溶剤、有機合成原料、消毒剤、化学品などの中間体として広く使用される重要な工業化学製品である。工業用エタノールは、硫酸、スルホン酸などの液体の酸、ゼオライト触媒、タングステン、ニオブ、タンタルなどを含む金属酸化物触媒、あるいはリンタングステン酸、ケイタングステン酸などのヘテロポリ酸又はリン酸をシリカ担体、珪藻土担体などに担持させた固体酸触媒の存在下、エチレンの水和反応により得られることが知られている。特に、リン酸を担体に担持させた固体触媒を用いたプロセスが工業的に実施されている。しかし、ゼオライト、ヘテロポリ酸などの触媒では反応時間とともにアルコールの収率又は選択性が徐々に低下することが報告されており、触媒寿命の短さが問題となっている(非特許文献1及び2)。特許文献1及び特許文献2には、改良されたヘテロポリ酸系の触媒が記載されているが、十分な寿命評価はなされておらず、これらの触媒は工業的に利用できる水準に達していない。
Industrial ethanol is an important industrial chemical product widely used as an intermediate for organic solvents, organic synthetic raw materials, disinfectants, chemicals and the like. Industrial ethanol is a liquid acid such as sulfuric acid or sulfonic acid, a zeolite catalyst, a metal oxide catalyst containing tungsten, niobium, tungstic acid or the like, or a heteropolyacid or phosphoric acid such as phosphotungstic acid or silicotungstic acid as a silica carrier. It is known that it can be obtained by a hydration reaction of ethylene in the presence of a solid acid catalyst supported on a diatomaceous earth carrier or the like. In particular, a process using a solid catalyst in which phosphoric acid is supported on a carrier is industrially carried out. However, it has been reported that the yield or selectivity of alcohol gradually decreases with the reaction time in catalysts such as zeolite and heteropolyacid, and the short catalyst life has become a problem (
目的物であるアルコールの収率が下がった場合、触媒活性の維持を目的に徐々に反応温度を上昇させることが一般に行われている。しかし、アルコール製造用触媒として用いられる酸触媒は熱に弱く、反応温度を高くしすぎると、触媒の分解が起こり、その結果急激な触媒劣化を招くこととなる。したがって、触媒の長寿命化、及び長時間にわたる安定した反応という観点から、触媒の有効な再生方法が強く望まれている。 When the yield of the target alcohol decreases, it is generally practiced to gradually raise the reaction temperature for the purpose of maintaining the catalytic activity. However, the acid catalyst used as a catalyst for producing alcohol is sensitive to heat, and if the reaction temperature is set too high, the catalyst is decomposed, resulting in rapid deterioration of the catalyst. Therefore, from the viewpoint of extending the life of the catalyst and stable reaction over a long period of time, an effective regeneration method of the catalyst is strongly desired.
触媒の再生方法として、劣化した触媒に付着した炭素成分を、酸素含有ガスを用いて高温で燃焼除去する方法が一般に知られている。しかし、アルコール製造用触媒は熱的安定性が低いことからこの方法は適さない。また、工業プロセスにおいて再生処理のたびに反応温度から温度を変更することは、手間がかかる上に操業時間のロスが生じ、設備の追加も必要となるため実際的でない。反応温度と変わらない温度で行うことができる再生処理が実際の工業プロセスでは望ましい。 As a method for regenerating a catalyst, a method of burning and removing a carbon component adhering to a deteriorated catalyst at a high temperature using an oxygen-containing gas is generally known. However, this method is not suitable because the catalyst for alcohol production has low thermal stability. Further, in the industrial process, it is not practical to change the temperature from the reaction temperature every time the regeneration process is performed, because it takes time and effort, a loss of operating time occurs, and additional equipment is required. A regeneration process that can be performed at a temperature that is the same as the reaction temperature is desirable in an actual industrial process.
本発明は、ヘテロポリ酸又はその塩が担体に担持された固体酸触媒を用いたオレフィンの水和反応によるアルコールの製造において、活性又はアルコール選択性が低下した、劣化したアルコール製造用触媒を再使用可能とし、長期間にわたってアルコールを安定的に製造する方法を提供することを目的とする。 The present invention reuses a deteriorated alcohol production catalyst having reduced activity or alcohol selectivity in the production of alcohol by a hydration reaction of an olefin using a solid acid catalyst in which a heteropolyacid or a salt thereof is supported on a carrier. It is possible and an object of the present invention is to provide a method for stably producing alcohol over a long period of time.
本発明者らは鋭意検討の結果、気相中で行うオレフィンの水和反応によるアルコールの製造において、触媒表面への炭素成分の付着により触媒の劣化が生じるという知見に基づき、触媒の活性及びアルコール選択性を、反応条件に近い温度及び圧力条件下、水蒸気を含有する再生用ガスで劣化した触媒を処理することで回復させることができることを見出して本発明を完成した。 As a result of diligent studies, the present inventors have found that in the production of alcohol by the hydration reaction of olefins performed in the gas phase, the catalyst deteriorates due to the adhesion of the carbon component to the catalyst surface, and the activity of the catalyst and the alcohol The present invention has been completed by finding that the selectivity can be restored by treating a catalyst deteriorated with a regenerating gas containing water vapor under temperature and pressure conditions close to the reaction conditions.
即ち、本発明は、以下の[1]~[7]に関する。
[1]
活性又はアルコール選択性が低下したアルコール製造用触媒を150~350℃の温度範囲内で水蒸気を含有する再生用ガスで処理することを特徴とするアルコール製造用触媒の再生方法であって、前記アルコール製造用触媒が、水と炭素原子数2~5のオレフィンとを反応器へ供給し、気相中で水和反応させることによるアルコールの製造に用いられるものであって、ヘテロポリ酸又はその塩が担体に担持された固体酸触媒である、アルコール製造用触媒の再生方法。
[2]
前記再生用ガスが、不活性ガスと水蒸気とを含有する混合ガスである[1]に記載のアルコール製造用触媒の再生方法。
[3]
前記再生用ガス中の水蒸気の分圧が0.01~1MPaである[1]又は[2]のいずれかに記載のアルコール製造用触媒の再生方法。
[4]
前記再生用ガスによる処理を、前記アルコール製造用触媒を前記反応器から取り出すことなく前記反応器中で行う[1]~[3]のいずれかに記載のアルコール製造用触媒の再生方法。
[5]
前記ヘテロポリ酸が、ケイタングステン酸、リンタングステン酸、リンモリブデン酸、ケイモリブデン酸、ケイバナドタングステン酸、リンバナドタングステン酸及びリンバナドモリブデン酸からなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物である[1]~[4]のいずれかに記載のアルコール製造用触媒の再生方法。
[6]
前記担体がシリカである[1]~[5]のいずれかに記載のアルコール製造用触媒の再生方法。
[7]
前記炭素原子数2~5のオレフィンがエチレンであり、前記アルコールがエタノールである、[1]~[6]のいずれかに記載のアルコール製造用触媒の再生方法。
That is, the present invention relates to the following [1] to [7].
[1]
A method for regenerating an alcohol production catalyst, which comprises treating an alcohol production catalyst having reduced activity or alcohol selectivity with a regeneration gas containing water vapor within a temperature range of 150 to 350 ° C., wherein the alcohol is produced. The production catalyst is used for producing alcohol by supplying water and an olefin having 2 to 5 carbon atoms to a reactor and hydrating them in the gas phase, and the heteropolyacid or a salt thereof is used. A method for regenerating a catalyst for producing alcohol, which is a solid acid catalyst supported on a carrier.
[2]
The method for regenerating an alcohol production catalyst according to [1], wherein the regenerating gas is a mixed gas containing an inert gas and water vapor.
[3]
The method for regenerating an alcohol-producing catalyst according to any one of [1] or [2], wherein the partial pressure of water vapor in the regenerating gas is 0.01 to 1 MPa.
[4]
The method for regenerating an alcohol-producing catalyst according to any one of [1] to [3], wherein the treatment with the regenerating gas is performed in the reactor without removing the alcohol-producing catalyst from the reactor.
[5]
The heteropolyacid is at least one compound selected from the group consisting of silicotungstic acid, phosphotungstic acid, phosphomolybdic acid, phytomolybdic acid, cavanadotungstic acid, limbanadotungstic acid and limbanadomolybdic acid [1]. The method for regenerating a catalyst for producing alcohol according to any one of [4].
[6]
The method for regenerating an alcohol-producing catalyst according to any one of [1] to [5], wherein the carrier is silica.
[7]
The method for regenerating an alcohol-producing catalyst according to any one of [1] to [6], wherein the olefin having 2 to 5 carbon atoms is ethylene and the alcohol is ethanol.
本発明によれば、ヘテロポリ酸又はその塩が担体に担持された固体酸触媒を用いたオレフィンの水和反応によるアルコールの製造において、活性又はアルコール選択性が低下した、劣化したアルコール製造用触媒が再使用可能であり、長期間にわたってアルコールを安定的に製造することができる。 According to the present invention, in the production of alcohol by a hydration reaction of an olefin using a solid acid catalyst in which a heteropolyacid or a salt thereof is supported on a carrier, a deteriorated catalyst for alcohol production having reduced activity or alcohol selectivity can be used. It is reusable and can stably produce alcohol for a long period of time.
以下、本発明の好ましい実施の形態について説明するが、本発明はこれらの形態のみに限定されるものではなく、その精神と実施の範囲内において様々な応用が可能であることを理解されたい。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described, but it should be understood that the present invention is not limited to these embodiments and can be applied in various ways within the spirit and practice thereof.
(アルコール製造用触媒)
一実施形態では、アルコール製造用触媒として、ヘテロポリ酸又はその塩(本開示において「ヘテロポリ酸塩」ともいう。)が担体に担持された固体酸触媒を用いる。
(Catalyst for alcohol production)
In one embodiment, a solid acid catalyst in which a heteropolyacid or a salt thereof (also referred to as “heteropolylate” in the present disclosure) is supported on a carrier is used as a catalyst for alcohol production.
(ヘテロポリ酸、ヘテロポリ酸塩)
ヘテロポリ酸とは、中心元素及び酸素が結合した周辺元素からなるものである。中心元素は、通常ケイ素又はリンであるが、元素の周期表の第1族~第17族の多種の元素から選ばれる任意の1つからなることができる。具体的には、例えば、第二銅イオン;二価のベリリウム、亜鉛、コバルト又はニッケルのイオン;三価のホウ素、アルミニウム、ガリウム、鉄、セリウム、ヒ素、アンチモン、リン、ビスマス、クロム又はロジウムのイオン;四価のケイ素、ゲルマニウム、スズ、チタン、ジルコニウム、バナジウム、硫黄、テルル、マンガン、ニッケル、白金、トリウム、ハフニウム、セリウムのイオン及び他の希土類イオン;五価のリン、ヒ素、バナジウム、アンチモンイオン;六価のテルルイオン;及び七価のヨウ素イオン等を挙げることができるが、これに限定されるものではない。また、周辺元素の具体例としては、タングステン、モリブデン、バナジウム、ニオブ、タンタル等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
(Heteropolyacid, heteropolyate)
Heteropolyacids are composed of a central element and peripheral elements to which oxygen is bound. The central element is usually silicon or phosphorus, but can consist of any one selected from a variety of
このようなヘテロポリ酸は、また、「ポリオキソアニオン」、「ポリオキソ金属塩」又は「酸化金属クラスター」として知られている。よく知られているアニオン類のいくつかの構造には、この分野の研究者本人にちなんで名前が付けられており、例えば、ケギン(Keggin)型構造、ウエルス-ドーソン(Wells-Dawson)型構造及びアンダーソン-エバンス-ペアロフ(Anderson-Evans-Perloff)型構造が知られている。詳しくは、「ポリ酸の化学」(社団法人日本化学会編、季刊化学総説No.20、1993年)に記載がある。ヘテロポリ酸は、通常高分子量、例えば、700~8500の範囲の分子量を有し、その単量体だけでなく、二量体錯体をも含む。 Such heteropolyacids are also known as "polyoxoanions", "polyoxometal salts" or "metal oxide clusters". Some of the well-known structures of anions are named after the researchers in this field, for example, Keggin-type structures, Wells-Dawson-type structures. And Anderson-Evans-Perloff type structures are known. Details are described in "Chemistry of Polyacids" (edited by The Chemical Society of Japan, Quarterly Chemistry Review No. 20, 1993). Heteropolyacids usually have a high molecular weight, eg, a molecular weight in the range of 700-8500, and include not only their monomers but also dimeric complexes.
ヘテロポリ酸塩とは、上記ヘテロポリ酸の水素原子の一部又は全てを置換した金属塩又はオニウム塩であれば特に制限はない。具体的には、例えばリチウム、ナトリウム、カリウム、セシウム、マグネシウム、バリウム、銅、金及びガリウムの金属塩、並びにアンモニアなどのオニウム塩を挙げることができるが、これに限定されるものではない。 The heteropolyate is not particularly limited as long as it is a metal salt or an onium salt in which a part or all of the hydrogen atom of the heteropolyacid is substituted. Specific examples thereof include, but are not limited to, metal salts of lithium, sodium, potassium, cesium, magnesium, barium, copper, gold and gallium, and onium salts such as ammonia.
ヘテロポリ酸は、特にヘテロポリ酸が遊離酸及びいくつかの塩である場合、水又は他の酸素化溶媒のような極性溶媒に対して比較的高い溶解度を有する。それらの溶解度は適当な対イオンを選択することにより制御することができる。 Heteropolyacids have a relatively high solubility in polar solvents such as water or other oxygenated solvents, especially if the heteropolyacid is a free acid and some salts. Their solubility can be controlled by selecting the appropriate counterion.
触媒として用いることができるヘテロポリ酸の例としては
ケイタングステン酸 H4[SiW12O40]・xH2O
リンタングステン酸 H3[PW12O40]・xH2O
リンモリブデン酸 H3[PMo12O40]・xH2O
ケイモリブデン酸 H4[SiMo12O40]・xH2O
ケイバナドタングステン酸 H4+n[SiVnW12-nO40]・xH2O
リンバナドタングステン酸 H3+n[PVnW12-nO40]・xH2O
リンバナドモリブデン酸 H3+n[PVnMo12-nO40]・xH2O
ケイバナドモリブデン酸 H4+n[SiVnMo12-nO40]・xH2O
ケイモリブドタングステン酸 H4[SiMonW12-nO40]・xH2O
リンモリブドタングステン酸 H3[PMonW12-nO40]・xH2O
(式中、nは1~11の整数であり、xは1以上の整数である。)
などを挙げることができるが、これらに限定されない。
Examples of heteropolyacids that can be used as catalysts are silicate tungstic acid H 4 [SiW 12 O 40 ] · xH 2 O.
Phosphor Tungstic Acid H 3 [PW 12 O 40 ] · xH 2 O
Phosphomolybic acid H 3 [PMo 12 O 40 ] · xH 2 O
Molybdate molybdate H 4 [SiMo 12 O 40 ] · xH 2 O
Keibanado Tungstic Acid H 4 + n [SiV n W 12-n O 40 ] · xH 2 O
Limbanad Tungstic Acid H 3 + n [PV n W 12-n O 40 ] · xH 2 O
Limbanado molybdic acid H 3 + n [PV n Mo 12-n O 40 ] · xH 2 O
Keibanado molybdic acid H 4 + n [SiV n Mo 12-n O 40 ] · xH 2 O
Keimoribdo Tungstic Acid H 4 [SiMon W 12-n O 40 ] · xH 2 O
Phosphoribd Tungstic Acid H 3 [PMon W 12-n O 40 ] · xH 2 O
(In the formula, n is an integer of 1 to 11 and x is an integer of 1 or more.)
However, it is not limited to these.
ヘテロポリ酸は、ケイタングステン酸、リンタングステン酸、リンモリブデン酸、ケイモリブデン酸、ケイバナドタングステン酸、リンバナドタングステン酸、又はリンバナドモリブデン酸であることが好ましく、ケイタングステン酸、リンタングステン酸、ケイバナドタングステン酸、又はリンバナドタングステン酸であることがより好ましい。 The heteropolyacid is preferably silicotung acid, phosphotungnic acid, phosphomolybdic acid, phytomolybdic acid, cayvanadotungstate, limbanadotungstate, or limbanadomolybdic acid, and is preferably phytonicic acid, phosphotungnic acid, or caiba. More preferably, it is nadtungstate or limbanadtungnic acid.
このようなヘテロポリ酸の合成方法としては、特に制限はなく、どのような方法を用いてもよい。例えば、モリブデン酸又はタングステン酸の塩とヘテロ原子の単純酸素酸又はその塩を含む酸性水溶液(pH1~pH2程度)を熱することによってヘテロポリ酸を得ることができる。ヘテロポリ酸化合物は、例えば生成したヘテロポリ酸水溶液から金属塩として晶析分離して単離することができる。ヘテロポリ酸の製造の具体例は、「新実験化学講座8 無機化合物の合成(III)」(社団法人日本化学会編、丸善株式会社発行、昭和59年8月20日、第3版)の1413頁に記載されているが、これに限定されるものではない。合成したヘテロポリ酸の構造確認は、化学分析のほか、X線回折、UV、又はIRの測定により行うことができる。 The method for synthesizing such a heteropolyacid is not particularly limited, and any method may be used. For example, a heteropolyacid can be obtained by heating an acidic aqueous solution (about pH1 to pH2) containing a salt of molybdenum acid or tungsten acid and a simple oxygen acid of a heteroatom or a salt thereof. The heteropolyacid compound can be isolated by crystallization separation as a metal salt from, for example, the produced heteropolyacid aqueous solution. A specific example of the production of heteropolyacids is 1413 of "New Experimental Chemistry Course 8 Synthesis of Inorganic Compounds (III)" (edited by The Chemical Society of Japan, published by Maruzen Co., Ltd., August 20, 1984, 3rd edition). It is described on the page, but is not limited to this. The structure of the synthesized heteropolyacid can be confirmed by X-ray diffraction, UV, or IR measurement in addition to chemical analysis.
ヘテロポリ酸塩の好ましい例としては、上記の好ましいヘテロポリ酸のリチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩、セシウム塩、マグネシウム塩、バリウム塩、銅塩、金塩、ガリウム塩、及びアンモニウム塩等が挙げられる。 Preferred examples of the heteropolylate salt include lithium salt, sodium salt, potassium salt, cesium salt, magnesium salt, barium salt, copper salt, gold salt, gallium salt, ammonium salt and the like of the above-mentioned preferred heteropolyacid.
ヘテロポリ酸塩の具体例としては、ケイタングステン酸のリチウム塩、ケイタングステン酸のナトリウム塩、ケイタングステン酸のセシウム塩、ケイタングステン酸の銅塩、ケイタングステン酸の金塩、ケイタングステン酸のガリウム塩;リンタングステン酸のリチウム塩、リンタングステン酸のナトリウム塩、リンタングステン酸のセシウム塩、リンタングステン酸の銅塩、リンタングステン酸の金塩、リンタングステン酸のガリウム塩;リンモリブデン酸のリチウム塩、リンモリブデン酸のナトリウム塩、リンモリブデン酸のセシウム塩、リンモリブデン酸の銅塩、リンモリブデン酸の金塩、リンモリブデン酸のガリウム塩;ケイモリブデン酸のリチウム塩、ケイモリブデン酸のナトリウム塩、ケイモリブデン酸のセシウム塩、ケイモリブデン酸の銅塩、ケイモリブデン酸の金塩、ケイモリブデン酸のガリウム塩;ケイバナドタングステン酸のリチウム塩、ケイバナドタングステン酸のナトリウム塩、ケイバナドタングステン酸のセシウム塩、ケイバナドタングステン酸の銅塩、ケイバナドタングステン酸の金塩、ケイバナドタングステン酸のガリウム塩;リンバナドタングステン酸のリチウム塩、リンバナドタングステン酸のナトリウム塩、リンバナドタングステン酸のセシウム塩、リンバナドタングステン酸の銅塩、リンバナドタングステン酸の金塩、リンバナドタングステン酸のガリウム塩;リンバナドモリブデン酸のリチウム塩、リンバナドモリブデン酸のナトリウム塩、リンバナドモリブデン酸のセシウム塩、リンバナドモリブデン酸の銅塩、リンバナドモリブデン酸の金塩、リンバナドモリブデン酸のガリウム塩;ケイバナドモリブデン酸のリチウム塩、ケイバナドモリブデン酸のナトリウム塩、ケイバナドモリブデン酸のセシウム塩、ケイバナドモリブデン酸の銅塩、ケイバナドモリブデン酸の金塩、ケイバナドモリブデン酸のガリウム塩等を挙げることができる。 Specific examples of the heteropolymate include lithium silicate of silicate, sodium salt of silicate, cesium salt of cesium, copper salt of silicate, gold salt of silicate, and gallium salt of silicate. Lithium salt of phosphotung acid, sodium salt of phosphotung acid, cesium salt of phosphotung acid, copper salt of phosphotung acid, gold salt of phosphotung acid, gallium salt of phosphotung acid; lithium salt of phosphomolydic acid, Sodium salt of phosphomolybdic acid, cesium salt of phosphomolybdic acid, copper salt of phosphomolybdic acid, gold salt of phosphomolybdic acid, gallium salt of phosphomolybdic acid; lithium salt of silicate molybdic acid, sodium salt of silicate molybdic acid, kay. Cesium salt of molybdenum acid, copper salt of silicate molybdenum acid, gold salt of silicate molybdic acid, gallium salt of silicate molybdic acid; lithium salt of keibanado tungstate, sodium salt of keibanado tungstate, cesium salt of keibanado tungstate , Copper salt of cavanado tungsten acid, gold salt of cavanado tungsten acid, gallium salt of cavanado tungsten acid; lithium salt of limbanado tungstate, sodium salt of limbanado tungstate, cesium salt of limbanado tungstate, limba Copper salt of nadtungstate, gold salt of limbanadotungstate, gallium salt of limbanadotungstate; lithium salt of limbanadomolybdic acid, sodium salt of limbanadomolybdenum, cesium salt of limbanadomolybdenum, limbanadomolybdenum Copper salt of acid, gold salt of limbanado molybdenum acid, gallium salt of limbanado molybdenum acid; lithium salt of keibanado molybdenum acid, sodium salt of keibanado molybdenum acid, cesium salt of keibanado molybdenum acid, cesium salt of keibanado molybdenum acid Examples thereof include a copper salt, a gold salt of cayvanado molybdenum acid, and a gallium salt of cavanado molybdic acid.
ヘテロポリ酸塩は、ケイタングステン酸のリチウム塩、ケイタングステン酸のナトリウム塩、ケイタングステン酸のセシウム塩、ケイタングステン酸の銅塩、ケイタングステン酸の金塩、ケイタングステン酸のガリウム塩;リンタングステン酸のリチウム塩、リンタングステン酸のナトリウム塩、リンタングステン酸のセシウム塩、リンタングステン酸の銅塩、リンタングステン酸の金塩、リンタングステン酸のガリウム塩;リンモリブデン酸のリチウム塩、リンモリブデン酸のナトリウム塩、リンモリブデン酸のセシウム塩、リンモリブデン酸の銅塩、リンモリブデン酸の金塩、リンモリブデン酸のガリウム塩;ケイモリブデン酸のリチウム塩、ケイモリブデン酸のナトリウム塩、ケイモリブデン酸のセシウム塩、ケイモリブデン酸の銅塩、ケイモリブデン酸の金塩、ケイモリブデン酸のガリウム塩;ケイバナドタングステン酸のリチウム塩、ケイバナドタングステン酸のナトリウム塩、ケイバナドタングステン酸のセシウム塩、ケイバナドタングステン酸の銅塩、ケイバナドタングステン酸の金塩、ケイバナドタングステン酸のガリウム塩;リンバナドタングステン酸のリチウム塩、リンバナドタングステン酸のナトリウム塩、リンバナドタングステン酸のセシウム塩、リンバナドタングステン酸の銅塩、リンバナドタングステン酸の金塩、リンバナドタングステン酸のガリウム塩;リンバナドモリブデン酸のリチウム塩、リンバナドモリブデン酸のナトリウム塩、リンバナドモリブデン酸のセシウム塩、リンバナドモリブデン酸の銅塩、リンバナドモリブデン酸の金塩、リンバナドモリブデン酸のガリウム塩;ケイバナドモリブデン酸のリチウム塩、又はケイバナドモリブデン酸のナトリウム塩であることが好ましい。 Heteropolylates are lithium salt of siltytung acid, sodium salt of caytungic acid, cesium salt of caytung acid, copper salt of caytungic acid, gold salt of caytung acid, gallium salt of caytung acid; phosphotung acid. Lithium salt, sodium phosphotung acid salt, cesium salt of phosphotung acid, copper salt of phosphotung acid, gold salt of phosphotung acid, gallium salt of phosphotung acid; lithium salt of phosphomolydic acid, phosphomolybdic acid Sodium salt, cesium salt of phosphomolybdic acid, copper salt of phosphomolybdic acid, gold salt of phosphomolybdic acid, gallium salt of phosphomolybdic acid; lithium salt of silicate molybdic acid, sodium salt of silicate molybdic acid, cesium of silicate molybdic acid Salt, copper salt of cay molybdic acid, gold salt of cay molybdic acid, gallium salt of cay molybdic acid; lithium salt of cayvanado tung acid, sodium salt of cavanado tung acid, cesium salt of cavanado tung acid, cay vanado tungsten Copper salt of acid, gold salt of cayvanado tungstate, gallium salt of cavanado tungstate; lithium salt of limbanado tungstate, sodium salt of limbanado tungstate, cesium salt of limbanado tungstate, limbanado tungstate Copper salt, gold salt of limbanado tungstate, gallium salt of limbanado tungstate; lithium salt of limbanado molybdic acid, sodium salt of limbanado molybdenum, cesium salt of limbanado molybdenum, copper salt of limbanado molybdenum , Gold salt of limbanado molybdenum acid, gallium salt of limbanado molybdenum acid; lithium salt of cybanado molybdenum acid, or sodium salt of cyvanado molybdenum acid is preferable.
ヘテロポリ酸塩は、ケイタングステン酸のリチウム塩、ケイタングステン酸のナトリウム塩、ケイタングステン酸のセシウム塩、ケイタングステン酸の銅塩、ケイタングステン酸の金塩、ケイタングステン酸のガリウム塩;リンタングステン酸のリチウム塩、リンタングステン酸のナトリウム塩、リンタングステン酸のセシウム塩、リンタングステン酸の銅塩、リンタングステン酸の金塩、リンタングステン酸のガリウム塩;ケイバナドタングステン酸のリチウム塩、ケイバナドタングステン酸のナトリウム塩、ケイバナドタングステン酸のセシウム塩、ケイバナドタングステン酸の銅塩、ケイバナドタングステン酸の金塩、ケイバナドタングステン酸のガリウム塩;リンバナドタングステン酸のリチウム塩、リンバナドタングステン酸のナトリウム塩、リンバナドタングステン酸のセシウム塩、リンバナドタングステン酸の銅塩、リンバナドタングステン酸の金塩、又はリンバナドタングステン酸のガリウム塩であることがより好ましい。 Heteropolylates are lithium salt of siltytung acid, sodium salt of caytung acid, cesium salt of caytung acid, copper salt of caytungic acid, gold salt of caytung acid, gallium salt of caytung acid; phosphotung acid. Lithium salt, sodium phosphotung acid salt, cesium salt of phosphotung acid, copper salt of phosphotung acid, gold salt of phosphotung acid, gallium salt of phosphotung acid; lithium salt of cayvanado tung acid, cayvanado tungsten Sodium acid salt, cesium salt of cayvanado tung acid, copper salt of cavanado tung acid, gold salt of cavanado tung acid, gallium salt of cavanado tung acid; lithium salt of limbanado tung acid, of limbanado tung acid More preferably, it is a sodium salt, a cesium salt of limbanado tungstate, a copper salt of limbanado tungstate, a gold salt of limbanado tungstate, or a gallium salt of limbanado tungstate.
ヘテロポリ酸塩として、ケイタングステン酸のリチウム塩又はリンタングステン酸のセシウム塩を用いることが特に好適である。 It is particularly preferable to use a lithium salt of silicotungstic acid or a cesium salt of phosphotungstic acid as the heteropolymate.
(担体)
ヘテロポリ酸又はヘテロポリ酸塩は担体に担持させて使用する。担体は、シリカ、珪藻土、チタニア、活性炭、アルミナ、及びシリカアルミナからなる群より選ばれる少なくとも一種であることが好ましく、シリカであることがより好ましい。
(Carrier)
Heteropolyacids or heteropolylates are used by supporting them on a carrier. The carrier is preferably at least one selected from the group consisting of silica, diatomaceous earth, titania, activated carbon, alumina, and silica-alumina, and more preferably silica.
(シリカ担体)
一般に、合成非晶質シリカは、乾式法又は湿式法のいずれかで製造される。四塩化ケイ素を酸素存在下、水素炎中で燃焼する燃焼法は乾式法に分類され、ケイ酸ナトリウムと鉱酸の中和反応を酸性のpH領域で進行させることにより、一次粒子の成長を抑えた状態で凝集を起こさせるゲル法、アルコキシシランの加水分解を行うゾルゲル法、及びケイ酸ソーダをイオン交換し、活性ケイ酸を調製後、加熱下でpH調整した種粒子含有水溶液中で粒子成長させる水ガラス法は湿式法に分類される。燃焼法で得られたシリカはフュームドシリカ、ゲル法で得られたシリカはシリカゲル、ゾルゲル法及び水ガラス法で得られたシリカ粒子を水等の媒体に分散させたシリカはコロイダルシリカと、それぞれ一般に呼ばれている。
(Silica carrier)
Generally, synthetic amorphous silica is produced by either a dry method or a wet method. The combustion method of burning silicon tetrachloride in a hydrogen flame in the presence of oxygen is classified as a dry method, and the growth of primary particles is suppressed by advancing the neutralization reaction of sodium silicate and mineral acid in the acidic pH range. A gel method that causes aggregation in the state of being in the state, a sol-gel method that hydrolyzes alkoxysilane, and ion exchange of sodium silicate to prepare active silicic acid, and then particle growth in a seed particle-containing aqueous solution whose pH is adjusted under heating. The water glass method for hydrolyzing is classified as a wet method. The silica obtained by the combustion method is fumed silica gel, the silica obtained by the gel method is silica gel, and the silica obtained by dispersing the silica particles obtained by the sol-gel method and the water glass method in a medium such as water is colloidal silica, respectively. It is commonly called.
一実施形態のシリカ担体は、燃焼法により得られたフュームドシリカと、ゲル法で得られたシリカゲルと、ゾルゲル法又は水ガラス法で得られたコロイダルシリカとを混練し、混練物を成形し、次いで成形体を焼成することにより得ることができる。 The silica carrier of one embodiment is obtained by kneading fumed silica obtained by a combustion method, silica gel obtained by a gel method, and colloidal silica obtained by a sol-gel method or a water glass method to form a kneaded product. Then, it can be obtained by firing the molded product.
フュームドシリカ、シリカゲル、及びコロイダルシリカを混練し、成形加工を行い、焼成した場合、各成分の配合割合、混練方法、焼成条件等によって、焼成後のシリカ担体の一次粒子及び二次粒子の大きさ、多孔体の内部状態などが変化するため、シリカ担体の高次構造は規定することができない。シリカ担体の組成式はSiO2である。 When fumed silica, silica gel, and colloidal silica are kneaded, molded, and fired, the size of the primary and secondary particles of the silica carrier after firing depends on the mixing ratio of each component, kneading method, firing conditions, and the like. Since the internal state of the porous body changes, the higher-order structure of the silica carrier cannot be specified. The composition formula of the silica carrier is SiO 2 .
フュームドシリカに制限はなく、一般的なフュームドシリカを使用することができる。市販されているフュームドシリカの例としては、日本アエロジル株式会社製のアエロジル(商標)、株式会社トクヤマ製のレオロシール(商標)、キャボットコーポレーション社製のCAB-O-SIL(商標)等を挙げることができる。市販されているフュームドシリカには、親水性と疎水性のグレードがあるが、いずれのものも使用することができる。代表的なフュームドシリカは、物性値として例えば一次粒子径7~40nm、比表面積50~500m2/gを有し、多孔質ではなく内部表面積がなく非晶質であり、酸化ケイ素としての純度が99%以上と高く、金属及び重金属を殆ど含まないといった特徴を有する。 There are no restrictions on fumed silica, and general fumed silica can be used. Examples of commercially available fumed silica include Aerosil (trademark) manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd., Leolosil (trademark) manufactured by Tokuyama Corporation, CAB-O-SIL (trademark) manufactured by Cabot Corporation, and the like. Can be done. There are hydrophilic and hydrophobic grades of fumed silica on the market, but any of them can be used. A typical fumed silica has, for example, a primary particle diameter of 7 to 40 nm and a specific surface area of 50 to 500 m 2 / g as physical properties, is not porous but has no internal surface area and is amorphous, and has purity as silicon oxide. Is as high as 99% or more, and has a feature that it contains almost no metal or heavy metal.
シリカゲルにも制限はなく、一般的なシリカゲルを使用することができる。市販されているシリカゲルの例としては、東ソー・シリカ株式会社製のNIPGEL、水澤化学工業株式会社製のMIZUKASIL、富士シリシア化学株式会社製のCARiACT、AGCエスアイテック株式会社製のサンスフェア等を挙げることができる。一般に、シリカゲルは、珪砂(SiO2)とソーダ灰(Na2CO3)を混合溶融して得られるケイ酸ソーダガラス(カレット)を水に溶解したケイ酸ソーダを原料に用い、ケイ酸ソーダと硫酸のような鉱酸との反応を酸性条件下で行い、一次粒子の成長を抑えた状態で凝集を起こすことで、反応液全体をゲル化させることにより製造される。シリカゲルの物性としては特に制限されないが、シリカゲルは、一次粒子が小さく、比表面積が高く、二次粒子が硬いといった特徴を有する。シリカゲルの具体的な物性の例としては、BET比表面積が200~1000m2/g、二次粒子径が1~30μm、窒素ガス吸着法(BJH法)による細孔容積が0.3~2.5mL/gであることが挙げられる。シリカゲルの純度は高いほど好ましく、好ましい純度としては95質量%以上、より好ましくは98質量%以上である。 There are no restrictions on silica gel, and general silica gel can be used. Examples of commercially available silica gel include NIPGEL manufactured by Tosoh Silica Co., Ltd., MIZUKASIL manufactured by Mizusawa Industrial Chemical Ltd., CARiACT manufactured by Fuji Silysia Chemical Ltd., and Sunsphere manufactured by AGC SI-Tech Co., Ltd. Can be done. Generally, silica gel is prepared by using sodium silicate obtained by dissolving silica gel (SiO 2 ) and soda ash (Na 2 CO 3 ) in water and dissolving sodium silicate glass (cullet) in water. It is produced by gelling the entire reaction solution by reacting with a mineral acid such as silica gel under acidic conditions and causing aggregation while suppressing the growth of primary particles. The physical characteristics of silica gel are not particularly limited, but silica gel has the characteristics that the primary particles are small, the specific surface area is high, and the secondary particles are hard. As examples of specific physical properties of silica gel, the BET specific surface area is 200 to 1000 m 2 / g, the secondary particle diameter is 1 to 30 μm, and the pore volume by the nitrogen gas adsorption method (BJH method) is 0.3 to 2. It is mentioned that it is 5 mL / g. The higher the purity of silica gel, the more preferable, and the preferable purity is 95% by mass or more, more preferably 98% by mass or more.
コロイダルシリカも特に制限されず、一般的なコロイダルシリカを使用することができる。市販されているコロイダルシリカの例としては、日産化学株式会社製のスノーテックス(商標)、日本化学工業株式会社製のシリカドール、株式会社ADEKA製のアデライト、キャボットコーポレーション社製のCAB-O-SIL(商標)TG-Cコロイダルシリカ、扶桑化学工業株式会社製のクォートロン(商標)等を挙げることができる。コロイダルシリカは、シリカ微粒子を水等の媒体に分散させたものである。コロイダルシリカの製造方法として、水ガラス法とアルコキシシランの加水分解によるゾルゲル法があり、どちらの製法で製造されたコロイダルシリカでも用いることができる。水ガラス法で製造されたコロイダルシリカとゾルゲル法で製造されたコロイダルシリカを組み合わせて使用してもよい。コロイダルシリカの代表的な物性としては、粒子径が4~80nm、水又は有機溶剤中に分散しているシリカの固形分濃度が5~40質量%であることが挙げられる。コロイダルシリカ中の不純物濃度は、担持する触媒活性成分に影響を及ぼすおそれがあるので、低い方が望ましい。固形分中のシリカ純度は、99質量%以上であることが好ましく、99.5質量%以上であることがより好ましい。 Colloidal silica is not particularly limited, and general colloidal silica can be used. Examples of commercially available colloidal silica include Snowtex (trademark) manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd., silica doll manufactured by Nippon Chemical Industrial Co., Ltd., Adeleite manufactured by ADEKA Co., Ltd., and CAB-O-SIL manufactured by Cabot Corporation. (Trademark) TG-C colloidal silica, Quattron (trademark) manufactured by Fuso Chemical Industries, Ltd. and the like can be mentioned. Colloidal silica is silica fine particles dispersed in a medium such as water. As a method for producing colloidal silica, there are a water glass method and a sol-gel method by hydrolysis of alkoxysilane, and colloidal silica produced by either method can be used. Colloidal silica produced by the water glass method and colloidal silica produced by the sol-gel method may be used in combination. Typical physical properties of colloidal silica include a particle size of 4 to 80 nm and a solid content concentration of silica dispersed in water or an organic solvent of 5 to 40% by mass. The concentration of impurities in colloidal silica may affect the catalytically active component carried, so a lower concentration is desirable. The silica purity in the solid content is preferably 99% by mass or more, more preferably 99.5% by mass or more.
シリカ担体は、フュームドシリカ、シリカゲル、及びコロイダルシリカを混練し、得られた混練物を成形した後、成形体を焼成することにより得ることができる。混練の際、適当な添加剤を加えてもよい。フュームドシリカ、シリカゲル、及びコロイダルシリカの配合比は、フュームドシリカ5~50質量部、シリカゲル40~90質量部、コロイダルシリカの固形分5~30質量部とすることが好ましい。より好ましくは、フュームドシリカ15~40質量部、シリカゲル45~70質量部、コロイダルシリカの固形分5~15質量部である。 The silica carrier can be obtained by kneading fumed silica, silica gel, and colloidal silica, molding the obtained kneaded product, and then firing the molded product. Appropriate additives may be added during kneading. The blending ratio of fumed silica, silica gel, and colloidal silica is preferably 5 to 50 parts by mass of fumed silica, 40 to 90 parts by mass of silica gel, and 5 to 30 parts by mass of solid content of colloidal silica. More preferably, it is 15 to 40 parts by mass of fumed silica, 45 to 70 parts by mass of silica gel, and 5 to 15 parts by mass of solid content of colloidal silica.
フュームドシリカ、シリカゲル、及びコロイダルシリカを混ぜ合わせる際に、成形性の改善、最終的なシリカ担体の強度向上などを目的として、水又は添加剤を加えることができる。添加剤としては、特に制限されず、一般的なセラミックス成形物を製造する際に使用される添加剤を用いることができる。その目的に応じて、結合剤、可塑剤、分散剤、潤滑剤、湿潤剤、消泡剤などを用いることができる。 When mixing fumed silica, silica gel, and colloidal silica, water or additives can be added for the purpose of improving moldability, improving the strength of the final silica carrier, and the like. The additive is not particularly limited, and an additive used in producing a general ceramic molded product can be used. Depending on the purpose, a binder, a plasticizer, a dispersant, a lubricant, a wetting agent, an antifoaming agent and the like can be used.
結合剤としては、ワックスエマルション、アラビアゴム、リグニン、デキストリン、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキシド、澱粉、メチルセルロース、Na-カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、アルギン酸ナトリウム、アルギンアンモニウム、トラガントゴムなどを挙げることができる。結合剤の種類と濃度によって、混練物の粘性は大きく変化するので、使用する成形法に適した粘性となるように、結合剤の種類と量を選定する。 Examples of the binder include wax emulsion, arabic rubber, lignin, dextrin, polyvinyl alcohol, polyethylene oxide, starch, methyl cellulose, Na-carboxymethyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, sodium alginate, argin ammonium, tragant rubber and the like. Since the viscosity of the kneaded product changes greatly depending on the type and concentration of the binder, select the type and amount of the binder so that the viscosity is suitable for the molding method to be used.
可塑剤としては、グリセリン、ポリエチレングリコール、ジブチルフタレート等が挙げられ、混練物の柔軟性を高めることができる。 Examples of the plasticizer include glycerin, polyethylene glycol, dibutyl phthalate and the like, and the flexibility of the kneaded product can be enhanced.
分散剤としては、水系では、カルボキシメチルセルロースアンモニウム(CMC-NH4)、アクリル酸又はそのアンモニウム塩のオリゴマー、アニオン系界面活性剤、ポリカルボン酸アンモニウム、ワックスエマルジョン、モノエチルアミン等の各種アミン、ピリジン、ピペリジン、水酸化テトラメチルアンモニウム等が挙げられ、非水系では、脂肪酸、脂肪酸エステル、リン酸エステル、合成界面活性剤、ベンゼンスルホン酸等を挙げることができる。これらの分散剤を添加することで、凝集粒子の生成を避け、焼成後に均一な微細構造を持つ、シリカ担体を得ることができる。 As the dispersant, in an aqueous system, ammonium carboxymethyl cellulose (CMC-NH 4 ), an oligomer of acrylic acid or an ammonium salt thereof, an anionic surfactant, ammonium polycarboxylate, wax emulsion, various amines such as monoethylamine, pyridine, etc. Examples thereof include piperidin and tetramethylammonium hydroxide, and examples of non-aqueous systems include fatty acids, fatty acid esters, phosphate esters, synthetic surfactants, and benzenesulfonic acids. By adding these dispersants, it is possible to obtain a silica carrier having a uniform fine structure after firing while avoiding the formation of aggregated particles.
潤滑剤としては、炭化水素系では、流動パラフィン、パラフィンワックス、塩素化炭化水素等が挙げられ、脂肪酸系では、ステアリン酸、ラウリル酸、及びその金属塩等、脂肪酸アミド系等を挙げることができる。潤滑剤を添加することにより、粉末間の摩擦を少なくして、流動性をよくし、成形を容易にすることができ、また、成形品の型からの抜き取りが容易となる。 Examples of the lubricant include liquid paraffin, paraffin wax, chlorinated hydrocarbon and the like in the hydrocarbon type, and fatty acid amide type and the like in the fatty acid type such as stearic acid, lauric acid and metal salts thereof. .. By adding the lubricant, the friction between the powders can be reduced, the fluidity can be improved, the molding can be facilitated, and the molded product can be easily removed from the mold.
粉末と分散剤とのぬれ特性を向上させるために、湿潤剤を添加することができる。湿潤剤としては、水系として、非イオン系界面活性剤、アルコール、グリコール等、非水系として、ポリエチレングリコールエチルエーテル、ポリオキシエチレンエステル等が挙げられる。これらの物質は固液界面に吸着されやすく、界面張力を低下させることにより、固体の濡れをよくする。 Wetting agents can be added to improve the wetting properties of the powder and the dispersant. Examples of the wetting agent include nonionic surfactants, alcohols, glycols and the like as water-based agents, and polyethylene glycol ethyl ether, polyoxyethylene ester and the like as non-aqueous systems. These substances are easily adsorbed on the solid-liquid interface and reduce the interfacial tension to improve the wetting of the solid.
スラリー系の混練物を取り扱う場合には、非イオン系界面活性剤、ポリアルキレングリコール系誘導体、ポリエーテル系誘導体などの消泡剤を添加することもできる。 When handling a slurry-based kneaded product, a defoaming agent such as a nonionic surfactant, a polyalkylene glycol-based derivative, or a polyether-based derivative can be added.
これらの添加剤は、単独でも使用でき、複数を同時に組み合わせて使用することもできるが、できるだけ少量の添加で効果があり、安価であること、粉末と反応しないこと、水又は溶媒に溶けること、酸化又は非酸化雰囲気中、例えば400℃以下の比較的低温で完全に分解すること、分解爆発した後に灰分、特にアルカリ金属及び重金属が残らないこと、分解ガスは毒性及び腐食性が無いこと、製品とならなかった破片の再生利用を妨げないことが望ましい。 These additives can be used alone or in combination of two or more at the same time, but they are effective and inexpensive when added in as little as possible, do not react with powder, and are soluble in water or solvent. Complete decomposition in an oxidizing or non-oxidizing atmosphere, for example at a relatively low temperature of 400 ° C or less, no ash, especially alkali metals and heavy metals, remaining after decomposition explosion, decomposition gas is non-toxic and non-corrosive, product It is desirable not to interfere with the recycling of the debris that did not become.
シリカ担体の形状は、特に限定されない。例えば球状、円柱状、中空円柱状、板状、楕円状、シート状、ハニカム状等が挙げられる。好ましくは、反応器への充填及び触媒活性成分の担持を容易にする、球状、円柱状、中空円柱状、又は楕円状であり、さらに好ましくは、球状、又は円柱状である。 The shape of the silica carrier is not particularly limited. For example, a spherical shape, a columnar shape, a hollow columnar shape, a plate shape, an elliptical shape, a sheet shape, a honeycomb shape and the like can be mentioned. It is preferably spherical, cylindrical, hollow cylindrical, or elliptical, and more preferably spherical or cylindrical, which facilitates filling into the reactor and carrying the catalytically active component.
シリカ担体の成形方法は、特に限定されない。型込成形、押出成形、転動造粒、噴霧乾燥などの任意の都合のよい方法によって、フュームドシリカ、シリカゲル、及びコロイダルシリカを含む混練物から成形される。一般的な型込成形は、混練物を金属製の型に入れて何度も槌などで打ちながらよく詰め、さらにピストンで加圧した後に型から取り出すことを含み、スタンプ成形とも呼ばれている。押出成形は、混練物をプレスに詰めてダイス(口金)から押出し、適当な長さに切断して希望する形に成形することを一般的に含む。転動造粒は、混練物を斜めに置いた回転円盤上に落とし、粒を円盤上で転がして成長させ、球形とすることを含む。噴霧乾燥は、一般に、あまり大きな粒子にはならないが、濃厚なスラリーを熱風中に噴霧させて多孔質の粒子を得ることを含む。 The method for molding the silica carrier is not particularly limited. It is molded from a kneaded product containing fumed silica, silica gel, and colloidal silica by any convenient method such as cast molding, extrusion molding, rolling granulation, spray drying and the like. General die-in molding involves putting the kneaded material in a metal mold, filling it well while hitting it with a mallet, pressing it with a piston, and then removing it from the mold. It is also called stamp molding. .. Extrusion molding generally involves packing the kneaded product into a press, extruding it from a die, cutting it to an appropriate length, and forming it into a desired shape. Rolling granulation involves dropping the kneaded material onto a rotating disk placed at an angle and rolling the granules on the disk to grow them into a spherical shape. Spray drying generally involves spraying a thick slurry into hot air to obtain porous particles, although it does not result in very large particles.
シリカ担体のサイズは特に制限されない。触媒活性成分を担持する触媒の製造時又は触媒充填時のハンドリング、反応器に充填した後の差圧、触媒反応の反応成績などに影響を与えるので、それらを考慮した大きさにすることが望ましい。シリカ担体は、成形体の焼成時に担体の収縮が起こるため、焼成条件によってサイズが決まる。シリカ担体の大きさ(焼成後)は、シリカ担体が球状の場合、その直径が0.5mm~12mmであることが好ましく、1mm~10mmであることがより好ましく、2mm~8mmであることがさらに好ましい。シリカ担体が球状ではない形状の場合のシリカ担体の大きさ(焼成後)は、大きさを測定した際に最大となる次元の長さが、0.5mm~12mmであることが好ましく、1mm~10mmであることがより好ましく、2mm~8mmであることがさらに好ましい。シリカ担体の粒径が0.5mm以上であると、担体製造時の生産性の低下、及び触媒として使用した場合の圧力損失の増大を防止することができる。シリカ担体の粒径が12mm以下であれば、担体内の拡散律速による反応速度の低下、及び副生成物の増加を防止することができる。 The size of the silica carrier is not particularly limited. Since it affects the handling at the time of manufacturing or filling the catalyst carrying the catalytically active component, the differential pressure after filling in the reactor, the reaction performance of the catalytic reaction, etc., it is desirable to make the size in consideration of them. .. Since the silica carrier shrinks when the molded product is fired, the size of the silica carrier is determined by the firing conditions. When the silica carrier is spherical, the size of the silica carrier (after firing) is preferably 0.5 mm to 12 mm, more preferably 1 mm to 10 mm, and further preferably 2 mm to 8 mm. preferable. When the silica carrier has a non-spherical shape, the size of the silica carrier (after firing) is preferably 0.5 mm to 12 mm, which is the maximum dimension when the size is measured, and is preferably 1 mm to 1 mm. It is more preferably 10 mm, further preferably 2 mm to 8 mm. When the particle size of the silica carrier is 0.5 mm or more, it is possible to prevent a decrease in productivity during carrier production and an increase in pressure loss when used as a catalyst. When the particle size of the silica carrier is 12 mm or less, it is possible to prevent a decrease in the reaction rate due to the rate-determining diffusion in the carrier and an increase in by-products.
焼成前又は焼成後に必要に応じて、マルメライザー(登録商標)(不二パウダル株式会社)等を用いた処理を行い、シリカ担体の形状を調整することもできる。例えば、焼成前の円柱状の成形体を前記マルメライザー(登録商標)で処理することで球状に成形することができる。 The shape of the silica carrier can also be adjusted by performing a treatment using Malmölizer (registered trademark) (Fuji Powder Co., Ltd.) or the like before or after firing, if necessary. For example, a columnar molded body before firing can be formed into a spherical shape by treating it with the Malmö riser (registered trademark).
焼成方法は特に制限されないが、添加物を分解し、シリカの構造破壊を防止するという観点から、適切な焼成温度の範囲がある。焼成温度は、300℃~1000℃であることが好ましく、500℃~900℃であることがより好ましい。焼成温度がこの範囲であると、添加物が完全に分解され、シリカ担体の性能に悪影響を与えることがない。また、シリカ担体の比表面積も向上する。焼成処理は、酸化及び非酸化のいずれの条件でも実施することができる。例えば、焼成処理を空気雰囲気下で行ってもよく、窒素ガス等の不活性ガス雰囲気下で行ってもよい。焼成処理の時間についても特に制限はなく、成形体の形状及び大きさ、使用する添加剤の種類及び量などに応じて、適宜決定することができる。 The calcination method is not particularly limited, but there is an appropriate calcination temperature range from the viewpoint of decomposing additives and preventing structural destruction of silica. The firing temperature is preferably 300 ° C to 1000 ° C, more preferably 500 ° C to 900 ° C. When the calcination temperature is in this range, the additive is completely decomposed and the performance of the silica carrier is not adversely affected. It also improves the specific surface area of the silica carrier. The firing treatment can be carried out under either oxidizing or non-oxidizing conditions. For example, the firing treatment may be performed in an air atmosphere or in an inert gas atmosphere such as nitrogen gas. The time of the firing treatment is also not particularly limited, and can be appropriately determined depending on the shape and size of the molded product, the type and amount of the additive used, and the like.
一実施形態のシリカ担体は、細孔径分布測定において、細孔径が2~50nmのメソ細孔及び細孔径が50nm超、1000nm以下のマクロ細孔を有している。メソ細孔の存在はガス吸着法(BJH法)で確認することができる。マクロ細孔の存在は水銀圧入法で確認することができる。一般に、シリカ等の多孔質物質の細孔径分布測定には、水銀圧入法とガス吸着法(BJH法)が広く利用されている。IUPAC(国際純正・応用化学連合)の細孔の分類で見ると、水銀圧入法では50nm以上のマクロ細孔及び2nm~50nm未満のメソ細孔の一部が、ガス吸着法ではメソ細孔と2nm以下のミクロ細孔を測定することができる。シリカ担体が前記サイズのマクロ細孔を有することにより、細孔内における物質の拡散速度がより向上する。触媒としてこのようなシリカ担体を使用した場合、主反応速度の上昇にともなう活性向上、及び目的生成物の逐次的な副反応抑制にともなう選択性向上が期待できる。マクロ細孔と合わせて前記サイズのメソ細孔を有することにより、担持成分を高分散化させることができ、反応活性点の増加にともなう触媒活性の向上が期待できる。 The silica carrier of one embodiment has mesopores having a pore diameter of 2 to 50 nm and macropores having a pore diameter of more than 50 nm and 1000 nm or less in the measurement of pore size distribution. The presence of mesopores can be confirmed by the gas adsorption method (BJH method). The presence of macropores can be confirmed by the mercury intrusion method. Generally, a mercury intrusion method and a gas adsorption method (BJH method) are widely used for measuring the pore size distribution of a porous substance such as silica. Looking at the classification of pores by the IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), some of the macropores of 50 nm or more and the mesopores of 2 nm to less than 50 nm are classified as mesopores by the gas adsorption method. Micropores of 2 nm or less can be measured. When the silica carrier has macropores of the above size, the diffusion rate of the substance in the pores is further improved. When such a silica carrier is used as a catalyst, it can be expected that the activity is improved with an increase in the main reaction rate and the selectivity is improved with the sequential suppression of side reactions of the target product. By having mesopores of the above size in combination with the macropores, the supported components can be highly dispersed, and it is expected that the catalytic activity will be improved as the reaction active sites increase.
シリカ担体において、各細孔の分布割合については特に制限されず、シリカ担体を用いる反応の種類によって適切な細孔径分布割合を選択することができる。細孔径分布割合は、シリカ担体を製造する際のフュームドシリカ、シリカゲル、コロイダルシリカの混合比率、使用する添加剤の種類及び量、焼成温度、成形方法などによって調整することが可能である。 In the silica carrier, the distribution ratio of each pore is not particularly limited, and an appropriate pore diameter distribution ratio can be selected depending on the type of reaction using the silica carrier. The pore size distribution ratio can be adjusted by the mixing ratio of fumed silica, silica gel, and colloidal silica when producing the silica carrier, the type and amount of the additive used, the firing temperature, the molding method, and the like.
水銀圧入法による細孔径分布において、シリカ担体のマクロ細孔の細孔容積(全マクロ細孔容積の積分値)が0.05~0.50cc/gであることが好ましい。シリカ担体のマクロ細孔の細孔容積は、より好ましくは0.07~0.40cc/gであり、さらに好ましくは0.10~0.30cc/gである。シリカ担体のマクロ細孔の細孔容積が0.05~0.50cc/gの範囲であると、物質の拡散速度と担体の強度が両立できる。 In the pore size distribution by the mercury intrusion method, the pore volume (integral value of the total macropore volume) of the macropores of the silica carrier is preferably 0.05 to 0.50 cc / g. The pore volume of the macropores of the silica carrier is more preferably 0.07 to 0.40 cc / g, still more preferably 0.10 to 0.30 cc / g. When the pore volume of the macropores of the silica carrier is in the range of 0.05 to 0.50 cc / g, the diffusion rate of the substance and the strength of the carrier can be compatible with each other.
シリカ担体のBET法による比表面積(BET比表面積)は、200~500m2/gであることが好ましい。シリカ担体のBET比表面積は、より好ましくは220~400m2/gであり、さらに好ましくは240~400m2/gである。シリカ担体のBET比表面積が200~500m2/gの範囲であると触媒化した場合に十分な反応速度を得ることができる。 The specific surface area (BET specific surface area) of the silica carrier by the BET method is preferably 200 to 500 m 2 / g. The BET specific surface area of the silica carrier is more preferably 220 to 400 m 2 / g, still more preferably 240 to 400 m 2 / g. When the BET specific surface area of the silica carrier is in the range of 200 to 500 m 2 / g, a sufficient reaction rate can be obtained when catalyzed.
シリカ担体の嵩密度は、300~700g/Lであることが好ましい。シリカ担体の嵩密度は、より好ましくは400~650g/Lであり、さらに好ましくは450~600g/Lである。シリカ担体の嵩密度が300~700g/Lの範囲であると、必要量の活性成分を担持できるとともに、担体の強度も維持できる。 The bulk density of the silica carrier is preferably 300 to 700 g / L. The bulk density of the silica carrier is more preferably 400 to 650 g / L, still more preferably 450 to 600 g / L. When the bulk density of the silica carrier is in the range of 300 to 700 g / L, a required amount of the active ingredient can be supported and the strength of the carrier can be maintained.
シリカ担体のガス吸着法(BJH法)によるメソ細孔の平均細孔径は、3~16nmであることが好ましい。シリカ担体のガス吸着法(BJH法)によるメソ細孔の平均細孔径は、より好ましくは4~14nmであり、さらに好ましくは5~12nmである。シリカ担体のガス吸着法(BJH法)によるメソ細孔の平均細孔径が3~16nmの範囲であると、BET法による比表面積が十分な値となる。 The average pore diameter of the mesopores obtained by the gas adsorption method (BJH method) of the silica carrier is preferably 3 to 16 nm. The average pore diameter of the mesopores obtained by the gas adsorption method (BJH method) of the silica carrier is more preferably 4 to 14 nm, still more preferably 5 to 12 nm. When the average pore diameter of the mesopores by the gas adsorption method (BJH method) of the silica carrier is in the range of 3 to 16 nm, the specific surface area by the BET method becomes a sufficient value.
担体はいかなる形状であってもよく、その形状に特に制限はない。担体は、例えば、粉末状、球状、ペレット状などであってよく、球状、又はペレット状であることが好ましい。担体の粒径も特に制限はない。担体の粒径は、反応の形態により異なるが、固定床方式で用いる場合には、2mm~10mmであることが好ましく、3mm~7mmであることがより好ましい。 The carrier may have any shape, and the shape is not particularly limited. The carrier may be, for example, powdery, spherical, pellet-shaped, or the like, and is preferably spherical or pellet-shaped. The particle size of the carrier is also not particularly limited. The particle size of the carrier varies depending on the form of the reaction, but when used in the fixed bed method, it is preferably 2 mm to 10 mm, more preferably 3 mm to 7 mm.
ヘテロポリ酸又はその塩の担体への担持方法に特に制限はない。一般的には、ヘテロポリ酸又はその塩を溶媒に溶解又は懸濁させて得られた溶液又は懸濁液を担体に吸収させ、溶媒を蒸発させることにより行うことができる。 There is no particular limitation on the method of supporting the heteropolyacid or a salt thereof on the carrier. Generally, it can be carried out by allowing a carrier to absorb a solution or suspension obtained by dissolving or suspending a heteropolyacid or a salt thereof in a solvent and evaporating the solvent.
ヘテロポリ酸塩の担体への担持方法として、担体にヘテロポリ酸を担持させたのちに塩を形成する元素の原料を担持させる方法、担体にヘテロポリ酸及び塩を形成する元素の原料を一緒に担持させる方法、担体にあらかじめ調製したヘテロポリ酸塩を担持させる方法、担体に塩を形成する元素の原料を担持させたのちにヘテロポリ酸を担持させる方法が挙げられるが、これらに限定されない。上記のいずれの方法においても、ヘテロポリ酸、その塩、及び塩を形成する元素の原料は、適当な溶媒に溶解又は懸濁させて担体に担持させることができる。溶媒は、ヘテロポリ酸、その塩、又は塩を形成する元素の原料を溶解又は懸濁できるものであればよく、水、有機溶媒又はそれらの混合物などが用いられ、好ましくは水、アルコール又はそれらの混合物が用いられる。 As a method of supporting the heteropolyrate on the carrier, a method of supporting the heteropolyacid on the carrier and then supporting the raw material of the element forming the salt, and a method of supporting the carrier together with the raw material of the heteropolyacid and the element forming the salt. Examples thereof include, but are not limited to, a method of supporting a heteropolyacid prepared in advance on a carrier, and a method of supporting a raw material of an element forming a salt on the carrier and then carrying a heteropolyacid. In any of the above methods, the heteropolyacid, its salt, and the raw material of the element forming the salt can be dissolved or suspended in a suitable solvent and supported on the carrier. The solvent may be any one that can dissolve or suspend the heteropolyacid, its salt, or the raw material of the element forming the salt, and water, an organic solvent or a mixture thereof, etc. are used, and water, alcohol or a mixture thereof is preferable. A mixture is used.
ヘテロポリ酸又はその塩の担体への担持量は、具体的には、例えばヘテロポリ酸又はその塩を担体の吸水液量相当の蒸留水などに溶解させ、その溶液を担体に含浸させることにより調整することができる。別の実施態様では、ヘテロポリ酸又はその塩の担体への担持量は、担体を過剰量のヘテロポリ酸又はその塩の溶液中に適度に動かしながら浸漬し、その後濾過して過剰のヘテロポリ酸又はその塩を取り除くことにより調整することもできる。溶液又は懸濁液の容積は用いる担体、担持方法などにより異なる。ヘテロポリ酸又はその塩が含浸された担体を、加熱オーブン内に数時間おいて溶媒を蒸発させることにより、担体に担持された固体酸触媒を得ることができる。乾燥方法に特に制限はなく、静置式、ベルトコンベア式など、様々な方法を用いることができる。また、ヘテロポリ酸又はその塩の担体への担持量は、ICP、XRF等の化学分析によって正確に測定することができる。 Specifically, the amount of the heteropolyacid or its salt carried on the carrier is adjusted by, for example, dissolving the heteropolyacid or its salt in distilled water corresponding to the amount of water absorption liquid of the carrier and impregnating the carrier with the solution. be able to. In another embodiment, the amount of heteropolyacid or salt carried on the carrier is such that the carrier is immersed in a solution of excess heteropolyacid or salt thereof with moderate movement and then filtered to result in excess heteropolyacid or salt thereof. It can also be adjusted by removing the salt. The volume of the solution or suspension varies depending on the carrier used, the supporting method, and the like. A solid acid catalyst supported on a carrier can be obtained by evaporating the solvent of a carrier impregnated with a heteropolyacid or a salt thereof in a heating oven for several hours. The drying method is not particularly limited, and various methods such as a stationary type and a belt conveyor type can be used. In addition, the amount of the heteropolyacid or its salt supported on the carrier can be accurately measured by chemical analysis such as ICP and XRF.
ヘテロポリ酸又はその塩の担体への担持量は、担体100質量部に対して、ヘテロポリ酸又はその塩の合計質量を10~150質量部とすることが好ましく、30~100質量部とすることがより好ましい。 The amount of the heteropolyacid or its salt supported on the carrier is preferably 10 to 150 parts by mass, preferably 30 to 100 parts by mass, based on 100 parts by mass of the carrier. More preferred.
(オレフィンの水和反応によるアルコールの製造方法)
アルコールは、担体にヘテロポリ酸又はヘテロポリ酸塩が担持されている固体酸触媒(以降、「アルコール製造用触媒」と記載する。)を用い、水と炭素原子数2~5のオレフィンとを反応器へ供給し、気相中で水和反応させることで得ることができる。
(Method for producing alcohol by hydration reaction of olefin)
As the alcohol, a solid acid catalyst (hereinafter referred to as "catalyst for alcohol production") in which a heteropolyacid or a heteropolylate is supported on a carrier is used, and water and an olefin having 2 to 5 carbon atoms are used as a reactor. It can be obtained by supplying it to the gas phase and allowing it to undergo a hydration reaction in the gas phase.
炭素原子数2~5のオレフィンの水和反応によるアルコール製造反応の具体例を式(1)に示す。
アルコール製造用触媒を用いたオレフィンの水和反応で使用することができる炭素原子数2~5のオレフィンは特に限定されない。炭素原子数2~5のオレフィンとして、好ましくは、エチレン、プロピレン、n-ブテン、イソブテン、ペンテン又はそれらの二種以上の混合物を挙げることができ、より好ましくはエチレンである。オレフィンと水との使用割合に制限はないが、反応速度に対するオレフィンの濃度依存性が大きいこと、水濃度が高い場合、アルコール製造プロセスのエネルギーコストが上昇することから、オレフィンと水とのモル比は、水:オレフィン=0.01~2.0であることが好ましく、水:オレフィン=0.1~1.0であることがより好ましい。 The olefin having 2 to 5 carbon atoms that can be used in the hydration reaction of the olefin using the alcohol production catalyst is not particularly limited. Examples of the olefin having 2 to 5 carbon atoms include ethylene, propylene, n-butene, isobutene, pentene, or a mixture thereof, and more preferably ethylene. There is no limit to the ratio of olefin and water used, but the molar ratio of olefin to water is high because the concentration of olefin depends on the reaction rate and the energy cost of the alcohol production process increases when the water concentration is high. Is preferably water: olefin = 0.01 to 2.0, and more preferably water: olefin = 0.1 to 1.0.
アルコール製造用触媒を用いるオレフィンの水和反応の形式に制限はなく、いずれの反応形式も用いることができる。好ましい形式としては、触媒との分離のし易さ、及び反応効率の観点から、固定床形式、流動床形式、懸濁床形式などを挙げることができ、より好ましくは、触媒との分離に最もエネルギーを必要としない固定床形式である。 There is no limitation on the type of hydration reaction of the olefin using the catalyst for alcohol production, and any reaction type can be used. Preferred types include a fixed bed type, a fluidized bed type, a suspended bed type, and the like from the viewpoint of ease of separation from the catalyst and reaction efficiency, and more preferably, separation from the catalyst is most preferable. It is a fixed floor type that does not require energy.
固定床形式を用いる場合のガス空間速度は、特に制限されないが、エネルギー、及び反応効率の観点から、好ましくは、500~15000/hr、より好ましくは1000~10000/hrである。ガス空間速度が500/hr以上であれば、触媒の使用量を効果的に削減することができ、15000/hr以下であればガスの循環量を低減することができるため、上記範囲内ではアルコールの製造をより効率的に行うことができる。 The gas space velocity when the fixed bed type is used is not particularly limited, but is preferably 500 to 15,000 / hr, more preferably 1000 to 10000 / hr from the viewpoint of energy and reaction efficiency. If the gas space velocity is 500 / hr or more, the amount of catalyst used can be effectively reduced, and if it is 15,000 / hr or less, the gas circulation amount can be reduced. Therefore, alcohol is used within the above range. Can be manufactured more efficiently.
アルコール製造用触媒を用いるオレフィンの水和反応における反応圧力に制限はない。オレフィンの水和反応は、分子数が減る反応であるから、一般に高圧で行うことが有利である。反応圧力は、好ましくは0.5~7.0MPaGであり、より好ましくは1.5~4.0MPaGである。「G」はゲージ圧を意味する。反応圧力が0.5MPaG以上であれば十分な反応速度を得ることができ、7.0MPaG以下であればオレフィンの凝縮対策及びオレフィンの蒸発に係る設備の設置、高圧ガス保安対策に係る設備、及びエネルギーに関するコストをより低減することができる。 There is no limitation on the reaction pressure in the hydration reaction of the olefin using the catalyst for alcohol production. Since the hydration reaction of olefin is a reaction in which the number of molecules is reduced, it is generally advantageous to carry out the hydration reaction at high pressure. The reaction pressure is preferably 0.5 to 7.0 MPaG, more preferably 1.5 to 4.0 MPaG. "G" means gauge pressure. If the reaction pressure is 0.5 MPaG or more, a sufficient reaction rate can be obtained, and if it is 7.0 MPaG or less, equipment for olefin condensation measures and olefin evaporation is installed, equipment for high pressure gas safety measures, and equipment for high pressure gas safety measures. The cost related to energy can be further reduced.
アルコール製造用触媒を用いるオレフィンの水和反応の反応温度は、特に制限されず、幅広い温度で実施することができる。好ましい反応温度は、ヘテロポリ酸又はヘテロポリ酸塩の熱安定性、及び原料の一つである水が凝縮しない温度を考慮すると、100~550℃であり、より好ましくは150~350℃である。 The reaction temperature of the hydration reaction of the olefin using the alcohol production catalyst is not particularly limited and can be carried out in a wide range of temperatures. The preferred reaction temperature is 100 to 550 ° C, more preferably 150 to 350 ° C, considering the thermal stability of the heteropolyacid or heteropolyate and the temperature at which water, which is one of the raw materials, does not condense.
アルコール製造用触媒を用いるオレフィンの水和反応は平衡反応であり、オレフィンの転化率は最大でも平衡転化率となる。例えば、エチレンの水和によるエタノールの製造における平衡転化率は、温度200℃、圧力2.0MPaGの時、7.5%と計算される。したがって、オレフィンの水和によるアルコールの製造方法においては、平衡転化率によって最大の転化率が決まり、エチレンの例に見られるように、オレフィンの水和反応は平衡転化率が小さい傾向があるので、工業的には、オレフィンの水和反応を穏やかな条件下で高効率に実施することが強く求められている。 The hydration reaction of the olefin using the catalyst for alcohol production is an equilibrium reaction, and the conversion rate of the olefin is the equilibrium conversion rate at the maximum. For example, the equilibrium conversion rate in the production of ethanol by hydration of ethylene is calculated to be 7.5% at a temperature of 200 ° C. and a pressure of 2.0 MPaG. Therefore, in the method for producing alcohol by hydration of olefin, the maximum conversion rate is determined by the equilibrium conversion rate, and as seen in the example of ethylene, the hydration reaction of olefin tends to have a small equilibrium conversion rate. Industrially, there is a strong demand for highly efficient olefin hydration reactions under mild conditions.
アルコール製造用触媒を用いるオレフィンの水和反応では、未反応のオレフィンを反応器へリサイクルすることによりオレフィンのロスを削減することができる。反応器へ未反応オレフィンをリサイクルする方法に制限はなく、反応器から出てきたプロセス流体からオレフィンを単離してリサイクルしてもよいし、その他の不活性成分と一緒にリサイクルしてもよい。通常、工業グレードのエチレンには、極少量のエタンが含まれていることが多い。したがって、エタンを含んだエチレンを使用して、未反応のエチレンを反応器へリサイクルする際は、エタンの濃縮及び蓄積を防止するために、回収したエチレンガスの一部を系外にパージすることが望ましい。 In the olefin hydration reaction using an alcohol production catalyst, the loss of the olefin can be reduced by recycling the unreacted olefin to the reactor. There is no limitation on the method of recycling the unreacted olefin to the reactor, and the olefin may be isolated and recycled from the process fluid coming out of the reactor, or may be recycled together with other inert components. Industrial grade ethylene usually contains very small amounts of ethane. Therefore, when recycling unreacted ethylene to a reactor using ethylene containing ethane, a part of the recovered ethylene gas should be purged to the outside of the system in order to prevent the concentration and accumulation of ethane. Is desirable.
アルコール製造用触媒を用いるオレフィンの水和反応においては、生成したアルコールが脱水し、エーテル化合物が副生物として生じることがある。例えば、エチレンの水和によりエタノールを得る場合、ジエチルエーテルが副生する。このジエチルエーテルは、エタノール2分子からの脱水反応により生じるものと考えられ、エチレンの水和反応によりエタノールを製造する場合には、反応の収率を著しく低下させてしまうが、副生したジエチルエーテルを反応器にリサイクルすることによりジエチルエーテルがエタノールに変換され、エチレンからエタノールを極めて高効率で製造することができる。副生したエーテル化合物の反応器へのリサイクル方法は特に制限されないが、例えば反応器から留出した成分からエーテル化合物を単離し反応器へリサイクルする方法、未反応のオレフィンと一緒にガス成分として反応器へリサイクルする方法などがある。 In the hydration reaction of an olefin using a catalyst for alcohol production, the produced alcohol may be dehydrated and an ether compound may be produced as a by-product. For example, when ethanol is obtained by hydration of ethylene, diethyl ether is by-produced. This diethyl ether is considered to be produced by a dehydration reaction from two molecules of ethanol, and when ethanol is produced by a hydration reaction of ethylene, the yield of the reaction is significantly reduced, but by-produced diethyl ether. Diethyl ether is converted to ethanol by recycling it into a reactor, and ethanol can be produced from ethylene with extremely high efficiency. The method of recycling the by-produced ether compound into the reactor is not particularly limited, but for example, a method of isolating the ether compound from the components distilled from the reactor and recycling it into the reactor, and reacting as a gas component together with the unreacted olefin. There is a method of recycling to a vessel.
(触媒の再生)
本発明者らは、アルコールの製造により劣化した、具体的には活性又はアルコール選択性が低下した触媒を、水蒸気を含有する再生用ガスで処理することで、触媒に付着した炭素成分が一部脱離し、触媒が再生されることを見出した。触媒の再生に用いる再生用ガスは水蒸気を含有するものであれば特に制限はないが、再生用ガスは水蒸気と窒素などの不活性ガスとの混合ガスであることが好ましい。不活性ガスとしては、窒素ガス、及びヘリウム、アルゴンなどの貴ガスが挙げられ、コスト面から窒素ガスが好ましい。再生用ガスを用いた触媒の処理は、特に制限はなく公知のどのような方法でも行うことができる。例えば、反応器に触媒を充填したままで触媒を反応器から取り出さずに、反応原料であるオレフィン、水などの導入を止めて反応を停止し、不活性ガスを流通させて触媒に吸着したオレフィン、アルコールなどを完全に脱離させた後、再生用ガスを反応器に導入して触媒の処理を反応器中で行ってもよい。代わりに、同様に反応原料であるオレフィン、水などの導入を止めて反応を停止し、触媒層を十分に冷却した後に、反応器から触媒を抜き出し、別の容器に充填して、その別の容器中で触媒の処理を行ってもよい。触媒の再充填の手間、及び再生用の容器コストの観点から、触媒を反応器から取り出すことなく反応器中で処理を行うことが好ましく、これにより反応の停止時間を短くして、経済的に有利に処理を行うことができる。
(Catalyst regeneration)
The present inventors treat a catalyst that has deteriorated due to the production of alcohol, specifically that the activity or alcohol selectivity has decreased, with a regeneration gas containing water vapor, so that a part of the carbon component adhering to the catalyst is partially removed. It was desorbed and found that the catalyst was regenerated. The regenerating gas used for regenerating the catalyst is not particularly limited as long as it contains water vapor, but the regenerating gas is preferably a mixed gas of water vapor and an inert gas such as nitrogen. Examples of the inert gas include nitrogen gas and noble gases such as helium and argon, and nitrogen gas is preferable from the viewpoint of cost. The treatment of the catalyst using the regenerating gas is not particularly limited and can be carried out by any known method. For example, without removing the catalyst from the reactor with the catalyst filled in the reactor, the introduction of olefins, water, etc., which are reaction raw materials, is stopped to stop the reaction, and an inert gas is circulated and adsorbed on the catalyst. , Alcohol and the like may be completely desorbed, and then a regenerating gas may be introduced into the reactor to treat the catalyst in the reactor. Instead, similarly, the introduction of olefins, water, etc., which are reaction raw materials, is stopped to stop the reaction, the catalyst layer is sufficiently cooled, the catalyst is withdrawn from the reactor, and the catalyst is filled in another container. The catalyst may be treated in the container. From the viewpoint of the labor of refilling the catalyst and the cost of the container for regeneration, it is preferable to carry out the treatment in the reactor without removing the catalyst from the reactor, thereby shortening the reaction stop time and economically. The processing can be performed advantageously.
再生用ガスの圧力は、常圧でも加圧でもよく、特に制限はない。再生用ガスを加圧とすると、より高い水分圧が得られるため、触媒をより効果的に再生することができる。再生用ガスの圧力は、好ましくは0.01~4MPaG、より好ましくは1~3MPaGである。 The pressure of the regenerating gas may be normal pressure or pressurized, and is not particularly limited. When the regenerating gas is pressurized, a higher water pressure can be obtained, so that the catalyst can be regenerated more effectively. The pressure of the regenerating gas is preferably 0.01 to 4 MPaG, more preferably 1 to 3 MPaG.
再生用ガス中の水蒸気の分圧は、水和反応中と同程度でよく、0.01~1MPaAであることが好ましく、0.2~0.6MPaAがより好ましい。「A」は絶対圧を意味する。 The partial pressure of water vapor in the regenerating gas may be about the same as in the hydration reaction, preferably 0.01 to 1 MPaA, and more preferably 0.2 to 0.6 MPaA. "A" means absolute pressure.
処理時間は、好ましくは1~100時間、より好ましくは3~30時間である。比触媒負荷(WHSV;触媒1グラム及び1時間当たりの室温での水のグラム数)は、好ましくは0.05~2h-1、より好ましくは0.2~1.0h-1である。 The treatment time is preferably 1 to 100 hours, more preferably 3 to 30 hours. The specific catalyst load (WHSV; 1 gram of catalyst and the number of grams of water at room temperature per hour) is preferably 0.05 to 2 h -1 , more preferably 0.2 to 1.0 h -1 .
処理温度は150~350℃であり、好ましくは180~250℃である。水蒸気の露点よりも低い温度で行うと、触媒の担持成分が溶け出る可能性があるため、それよりも高い温度であることが望ましい。 The treatment temperature is 150 to 350 ° C, preferably 180 to 250 ° C. If the temperature is lower than the dew point of water vapor, the supported components of the catalyst may dissolve, so it is desirable that the temperature is higher than that.
本発明をさらに以下の実施例及び比較例を参照して説明するが、これらの実施例は本発明の概要を示すもので、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 The present invention will be further described with reference to the following examples and comparative examples, but these examples show the outline of the present invention, and the present invention is not limited to these examples.
1.シリカ担体の製造
フュームドシリカとしてAerosil(商標)300(日本アエロジル株式会社製)40質量部、シリカゲルとしてCARiACT G6(富士シリシア化学株式会社製)60質量部、及びコロイダルシリカとしてスノーテックスO(日産化学株式会社社製)40質量部をニーダーにて混練した後、水及び添加剤(メチルセルロース:信越化学工業株式会社製SM-4000、樹脂系バインダー:ユケン工業株式会社製セランダー(登録商標)YB-132A)をニーダーに適量入れて更に混練して、混練物を調製した。次いで、3mmφの円孔を先端に設けたダイスを取り付けた押出成形機に、混練物を投入した。押出成形機から押し出された中間物を3mmになるようにカッターで切断しながら、円柱状の焼成前成形体を得た。焼成前成形体をマルメライザー(登録商標)で球状に成形し、70℃で予備乾燥を行い、次いで、空気雰囲気下、820℃の温度で焼成処理を行い、シリカ担体Aを得た。
1. 1. Manufacture of silica carrier Aerosil ™ 300 (manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd.) 40 parts by mass as fumed silica, CARiACT G6 (manufactured by Fuji Silysia Chemical Ltd.) 60 parts by mass as silica gel, and Snowtex O (Nissan Chemical Co., Ltd.) as colloidal silica. After kneading 40 parts by mass of (manufactured by Co., Ltd.) with a kneader, water and additives (methyl cellulose: SM-4000 manufactured by Shin-Etsu Chemical Industry Co., Ltd., resin binder: Celander (registered trademark) YB-132A manufactured by Yuken Kogyo Co., Ltd. ) Was added to a kneader in an appropriate amount and further kneaded to prepare a kneaded product. Next, the kneaded product was put into an extrusion molding machine equipped with a die having a circular hole of 3 mmφ at the tip. A columnar pre-baking molded product was obtained while cutting the intermediate material extruded from the extrusion molding machine with a cutter so as to have a length of 3 mm. The pre-baked molded body was formed into a spherical shape with Malmöllizer (registered trademark), pre-dried at 70 ° C., and then calcined at a temperature of 820 ° C. in an air atmosphere to obtain silica carrier A.
担体の吸水率とは、以下の測定方法で測定した数値をいう。
(1)担体約5gを天秤で計量(W1g)し、100mLのビーカーに入れる。
(2)担体を完全に覆うように純水(イオン交換水)約15mLをビーカーに加える。
(3)30分間放置する。
(4)金網上に担体と純水を空けて、純水をきる。
(5)担体の表面に付着した水を、表面の光沢がなくなるまで紙タオルで軽く押して除去する。
(6)担体+純水の重さを測定する(W2g)。
(7)以下の式から担体の吸水率を算出する。
吸水率(g/g-担体)=(W2-W1)/W1
したがって、担体の吸水量(g)は担体の吸水率(g/g)×使用した担体の質量(g)により計算される。
The water absorption rate of the carrier means a numerical value measured by the following measuring method.
(1) Weigh about 5 g of the carrier with a balance (W1 g) and put it in a 100 mL beaker.
(2) Add about 15 mL of pure water (ion-exchanged water) to the beaker so as to completely cover the carrier.
(3) Leave it for 30 minutes.
(4) Empty the carrier and pure water on the wire mesh and drain the pure water.
(5) Lightly press the water adhering to the surface of the carrier with a paper towel until the surface loses its luster to remove it.
(6) The weight of the carrier + pure water is measured (W2g).
(7) The water absorption rate of the carrier is calculated from the following formula.
Water absorption rate (g / g-carrier) = (W2-W1) / W1
Therefore, the water absorption amount (g) of the carrier is calculated by multiplying the water absorption rate (g / g) of the carrier by the mass (g) of the carrier used.
2.シリカ担体にケイタングステン酸を担持させたアルコール製造用触媒の調製
市販のKeggin型ケイタングステン酸・26水和物(H4SiW12O40・26H2O;日本無機化学工業株式会社製)を150g秤量し、ナス型フラスコに投入し、シリカ担体Aの吸水量の95%に当る容量まで蒸留水を加え、ケイタングステン酸を溶解させた。次いで、シリカ担体Aを300mL量り取り、ケイタングステン酸の溶液が入ったナス型フラスコに投入した。投入後、液がシリカ担体Aと接触するようにナス型フラスコを撹拌し、ケイタングステン酸をシリカ担体Aに担持させた。ケイタングステン酸を担持させたシリカ担体Aをナス型フラスコから取り出し、バット上に広げ、1時間風乾した。次いで、風乾したケイタングステン酸が担持されたシリカ担体をバットにのせたまま、乾燥機に入れて、130℃の条件下、5時間乾燥させた後、乾燥機から取り出し、乾燥したデシケーター内に移し、室温まで冷却して、シリカ担体Aにケイタングステン酸が担持されたアルコール製造用触媒Aを得た。
2. 2. Preparation of catalyst for alcohol production in which silicate tungstic acid is supported on a silica carrier 150 g of commercially available Keggin type silicate tungstic acid 26 hydrate (H 4 SiW 12 O 40・ 26H 2 O; manufactured by Nippon Inorganic Chemical Industry Co., Ltd.) Weighed, charged into a eggplant-shaped flask, distilled water was added to a volume corresponding to 95% of the water absorption of the silica carrier A, and silicotungstic acid was dissolved. Next, 300 mL of silica carrier A was weighed and placed in an eggplant-shaped flask containing a solution of silicotungstic acid. After charging, the eggplant-shaped flask was stirred so that the liquid was in contact with the silica carrier A, and the silica tungstic acid was supported on the silica carrier A. The silica carrier A carrying the silicotungstic acid was taken out from the eggplant-shaped flask, spread on a vat, and air-dried for 1 hour. Next, the silica carrier carrying the air-dried silica-tung acid was placed on a bat and placed in a dryer, dried under 130 ° C. conditions for 5 hours, then removed from the dryer and transferred into a dried desiccator. After cooling to room temperature, an alcohol production catalyst A in which the silica tung acid acid was supported on the silica carrier A was obtained.
3.エチレンの水和反応(ガスリサイクル評価)
アルコール製造用触媒AをSUS製の縦型気相固定床反応器を充填した後、昇温及び昇圧をコントロールし、蒸発器から気化した水、及びマスフローコントローラーから所定量のエチレンを反応器に導入した。反応器通過後の反応ガスを冷却し、凝縮した液体、及び凝縮物が取り除かれた反応ガスを、それぞれ一定時間サンプリングした。凝縮物が取り除かれた反応ガスは、エタン等のイナートガスが蓄積しないように一部をパージし、残りのガスはリサイクルガスとして、コンプレッサーに導入し昇圧させて、反応器へリサイクルした。サンプリングした液体(反応液)、及び反応ガスを、ガスクロマトフィー分析装置、及びカールフィッシャー分析装置を用いて分析し、反応成績を算出した。
3. 3. Ethylene hydration reaction (gas recycling evaluation)
After filling the alcohol production catalyst A with a vertical gas phase fixed bed reactor made of SUS, the temperature rise and pressure increase are controlled, and water vaporized from the evaporator and a predetermined amount of ethylene are introduced into the reactor from the mass flow controller. did. The reaction gas after passing through the reactor was cooled, and the condensed liquid and the reaction gas from which the condensed product was removed were sampled for a certain period of time. A part of the reaction gas from which the condensate was removed was purged so that inert gas such as ethane did not accumulate, and the remaining gas was introduced into a compressor as recycled gas, pressurized, and recycled to the reactor. The sampled liquid (reaction liquid) and reaction gas were analyzed using a gas chromatophy analyzer and a Karl Fischer analyzer, and the reaction results were calculated.
4.反応ガスの分析
サンプリングした反応ガスは、アジレント(Agilent)・テクノロジー株式会社製ガスクロマトグラフィー装置(装置名:7890)を使用し、複数のカラムと二つの検出器によるシステムプログラムで分析した。
・ガスクロマトグラフィー条件
オーブン:40℃で3分間保持後、20℃/分で200℃まで昇温
キャリアガス:ヘリウム
スプリット比:10:1
・使用カラム(アジレント・テクノロジー株式会社製)
HP-1(2m)+GasPro(30m)32m×320μm×0μm
DB-624 60m×320μm×1.8μm
・検出器
フロント検出器:FID(ヒーター230℃、水素流量40mL/分、空気流量400L/分)
バック検出器:FID(ヒーター230℃、水素流量40mL/分、空気流量400L/分)
Aux検出器:TCD(ヒーター230℃、リファレンス流量45mL/分、メークアップ流量2mL/分)
4. Analysis of reaction gas The sampled reaction gas was analyzed by a system program using multiple columns and two detectors using a gas chromatography device (device name: 7890) manufactured by Agilent Technologies, Inc.
・ Gas chromatography conditions Oven: Hold at 40 ° C for 3 minutes, then heat up to 200 ° C at 20 ° C / min Carrier gas: Helium Split ratio: 10: 1
-Column used (manufactured by Agilent Technologies Co., Ltd.)
HP-1 (2m) + GasPro (30m) 32m x 320μm x 0μm
DB-624 60m x 320μm x 1.8μm
-Detector Front detector: FID (heater 230 ° C, hydrogen flow rate 40 mL / min, air flow rate 400 L / min)
Back detector: FID (heater 230 ° C, hydrogen flow rate 40 mL / min, air flow rate 400 L / min)
Aux detector: TCD (heater 230 ° C, reference flow rate 45 mL / min, make-up flow rate 2 mL / min)
5.反応液の分析
サンプリングした反応液は、アジレント(Agilent)・テクノロジー株式会社製ガスクロマトグラフィー装置(装置名:6850)を使用して分析した。また、反応液中の水濃度は、三菱化学株式会社製のカールフィッシャー分析装置で分析した。
使用カラム:PoraBONDQ 25m×0.53mmID×10μm
オーブン温度:100℃で2分間保持後、5℃/分で240℃まで昇温
インジェクション温度:250℃
検出器温度:300℃
5. Analysis of Reaction Solution The sampled reaction solution was analyzed using a gas chromatography device (device name: 6850) manufactured by Agilent Technologies, Inc. The water concentration in the reaction solution was analyzed with a Karl Fischer analyzer manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation.
Column used: PoraBONDQ 25m x 0.53mm ID x 10μm
Oven temperature: 100 ° C for 2 minutes, then temperature rises to 240 ° C at 5 ° C / min Injection temperature: 250 ° C
Detector temperature: 300 ° C
エチレン転化率、エタノール選択率、及びアセトアルデヒド選択率は次の式にて求めた。
エチレン転化率(モル%)=(反応したエチレンのモル数/供給したエチレンのモル数)×100
エタノール選択率(モル%)=(生成したエタノールのモル数/供給したエチレンのモル数)×100
アセトアルデヒド選択率(モル%)=(生成したアセトアルデヒドのモル数/供給したエチレンのモル数)×100
The ethylene conversion rate, ethanol selectivity, and acetaldehyde selectivity were calculated by the following formulas.
Ethylene conversion rate (mol%) = (number of moles of reacted ethylene / number of moles of supplied ethylene) x 100
Ethanol selectivity (mol%) = (number of moles of produced ethanol / number of moles of supplied ethylene) x 100
Acetaldehyde selectivity (mol%) = (number of moles of acetaldehyde produced / number of moles of ethylene supplied) x 100
6.触媒の再生処理
原料ガスの供給を停止し、代わりに窒素ガスで反応器をパージした後、蒸発器から気化した所定量の水、及びマスフローコントローラーから所定量の窒素ガスを反応器に導入した。この際、温度及び圧力は水和反応時から変えずに触媒の再生処理を行った。
6. Regeneration treatment of catalyst After stopping the supply of raw material gas and purging the reactor with nitrogen gas instead, a predetermined amount of water vaporized from the evaporator and a predetermined amount of nitrogen gas from the mass flow controller were introduced into the reactor. At this time, the catalyst was regenerated without changing the temperature and pressure from the time of the hydration reaction.
<実施例1>
アルコール製造用触媒Aを300mL量り取り、管型の反応器(SUS316製、内径34mm、長さ1500mm)に充填し、窒素ガスで置換した後、2.0MPaGまで昇圧した。次いで、反応器を190℃に加熱し、温度が安定した時点で、GHSV(気相空間速度)が3000/hr、エチレンに対する水のモル比が0.3となる量の水とエチレンを反応器にフィードして、エチレンの水和反応によるエタノールの製造を行った。水、及びエチレンをフィードした後、温度が安定してから、触媒層の温度が194℃となるように、反応器の熱源温度を調整した。水和反応開始から3200時間経過した時点でアセトアルデヒド選択率が0.10%に上昇したため、原料の供給を停止し、窒素ガスを用いてGHSV(気相空間速度)3000/hrの流量で反応器を3時間パージした。その後、窒素ガス78体積%、水蒸気22体積%からなる混合ガスをGHSV3000/hrで反応器に導入し、3時間触媒の再生処理を行った。再生処理中の温度は190℃、圧力は2.0MPaG、水蒸気分圧は0.46MPaであった。
<Example 1>
300 mL of the alcohol production catalyst A was weighed, filled in a tube-type reactor (SUS316, inner diameter 34 mm, length 1500 mm), replaced with nitrogen gas, and then pressurized to 2.0 MPaG. Next, the reactor was heated to 190 ° C., and when the temperature became stable, the reactor was charged with water and ethylene in an amount such that GHSV (gas phase space velocity) was 3000 / hr and the molar ratio of water to ethylene was 0.3. Ethylene was produced by a hydration reaction of ethylene. After feeding water and ethylene, the temperature of the heat source of the reactor was adjusted so that the temperature of the catalyst layer became 194 ° C. after the temperature became stable. Since the acetaldehyde selectivity increased to 0.10% when 3200 hours had passed from the start of the hydration reaction, the supply of raw materials was stopped, and the reactor was charged with a flow rate of GHSV (gas phase space velocity) of 3000 / hr using nitrogen gas. Was purged for 3 hours. Then, a mixed gas composed of 78% by volume of nitrogen gas and 22% by volume of water vapor was introduced into the reactor at GHSV3000 / hr, and the catalyst was regenerated for 3 hours. The temperature during the regeneration treatment was 190 ° C., the pressure was 2.0 MPaG, and the partial pressure of steam was 0.46 MPa.
再生処理後、再び反応を開始したところ、アセトアルデヒド選択率は0.07%に低下した。更に900時間後(水和反応開始から4100時間経過後)、及び1500時間後(水和反応開始から4700時間経過後)においても同様に反応の停止、及び触媒の再生処理を行いながら、エタノールの製造を行った。水和反応開始から5000時間経過後でもエチレン転化率は4.1%に保持され、エタノール選択率は99.6%であった。結果を表1に示す。 When the reaction was started again after the regeneration treatment, the acetaldehyde selectivity decreased to 0.07%. Further, after 900 hours (4100 hours after the start of the hydration reaction) and 1500 hours (4700 hours after the start of the hydration reaction), the reaction was similarly stopped and the catalyst was regenerated while the ethanol was added. Manufactured. Even after 5000 hours had passed from the start of the hydration reaction, the ethylene conversion was maintained at 4.1% and the ethanol selectivity was 99.6%. The results are shown in Table 1.
<比較例1>
実施例1に用いたのと同様の触媒及び反応条件で、再生処理を行わずに水和反応を継続した結果を表2に示す。水和反応開始から5000時間経過後のエチレン転化率は3.8%に低下し、エタノール選択率は98.9%に減少、アセトアルデヒド選択率は0.44%まで上昇した。結果を表2に示す。
<Comparative Example 1>
Table 2 shows the results of continuing the hydration reaction without performing the regeneration treatment under the same catalyst and reaction conditions as those used in Example 1. After 5000 hours from the start of the hydration reaction, the ethylene conversion rate decreased to 3.8%, the ethanol selectivity decreased to 98.9%, and the acetaldehyde selectivity increased to 0.44%. The results are shown in Table 2.
実施例1及び比較例1のエチレン転化率の経時変化を図1に、エタノール選択率の経時変化を図2にそれぞれグラフで示す。 The changes over time in the ethylene conversion rates of Example 1 and Comparative Example 1 are shown in graphs in FIG. 1, and the changes in ethanol selectivity over time are shown in FIG. 2, respectively.
上記結果から、触媒の再生処理を行うことで、長時間反応を行ってもエチレン転化率とエタノール選択率を保持できることが分かる。 From the above results, it can be seen that the ethylene conversion rate and the ethanol selectivity can be maintained even if the reaction is carried out for a long time by performing the catalyst regeneration treatment.
エタノールの商業プラントではエチレン転化率が低いため、転化率0.3%の違いが生産性及びコストに及ぼす効果は大きい。仮に年間5万トンの製造量である場合、転化率0.3%は約3700トンに相当する。無水エタノール価格を120円/kgとすると、触媒再生による費用効果は年間4億円強と概算される。 Since the ethylene conversion rate is low in a commercial ethanol plant, the difference in conversion rate of 0.3% has a large effect on productivity and cost. If the annual production volume is 50,000 tons, the conversion rate of 0.3% corresponds to about 3700 tons. Assuming that the price of absolute ethanol is 120 yen / kg, the cost-effectiveness of catalyst regeneration is estimated to be over 400 million yen per year.
本発明によれば、活性又はアルコール選択性が低下した、劣化したアルコール製造用触媒を再使用可能とし、長期間にわたってアルコールを安定的に製造することができる。 According to the present invention, a deteriorated catalyst for alcohol production having reduced activity or alcohol selectivity can be reused, and alcohol can be stably produced for a long period of time.
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