JP2022546209A - ポリアルキル芳香族炭化水素を処理するためのプロセス - Google Patents

ポリアルキル芳香族炭化水素を処理するためのプロセス Download PDF

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Abstract

本発明は、トランスアルキル化プロセスを目的とした、ポリアルキル芳香族炭化水素を含む混合物を処理するためのプロセスに関し、適切な水素化触媒の存在下での水素による穏やかな還元を含む。本発明はまた、前記処理を含むポリアルキル芳香族炭化水素のトランスアルキル化プロセスに関する。

Description

本発明は、ポリアルキル芳香族炭化水素を処理するための改善されたプロセスに関する。
特に、本発明は、酸触媒(好ましくはゼオライトを含む酸触媒)の存在下で、アルコールまたはオレフィンによる(より具体的にはアルコールによる)、ベンゼンまたは他の芳香族化合物のアルキル化に由来するポリアルキル芳香族炭化水素を含む混合物を処理するためのプロセスに関する。
酸触媒の存在下での芳香族化合物のアルキル化によるアルキル芳香族炭化水素の合成方法はよく知られており、例えば、スチレンおよびフェノールを得るため、そして続いて、他の化合物の中でも、ポリスチレンおよびポリカーボネートなどのポリマーならびにナフタレンのアルキル誘導体などを得るための出発物であるエチルベンゼンおよびクメンなどの基本的な有機中間体の製造のために工業的に広く行われている。前記プロセスは、アルキル化化合物としてオレフィン、アルコールまたはそれらの混合物を使用する。
アルキル化反応の選択性は最適化されているが、アルキル化反応における芳香族反応物の少なくとも一部が2以上のアルキル化ステップを経て、通常は望ましくないポリアルキル化芳香族化合物を生成するという事実も同様に知られている。前記望ましくない生成物は、続いて、通常は蒸留によって、モノアルキル化生成物および重質副生成物から分離され、酸触媒の存在下でさらなる非アルキル化芳香族試薬と反応して、周知のトランスアルキル化反応の手段によってさらなるモノアルキル化生成物を形成する。
トランスアルキル化反応の最新技術は、オレフィンによるアルキル化に由来するポリアルキレートに関して重要であるが、アルコールによるアルキル化に由来するポリアルキレートについては特に何も見つけられていない。最新技術は、ポリアルキレートの起源を区別しない傾向がある。
公開された欧州特許出願EP1069100号(本出願人の名前で)は、プロピレンおよびイソプロパノール(IPA)によるベンゼンのアルキル化プロセスを記載しており、液相の反応混合物の含水量は8000ppm未満でなければならない。実際、8000ppmを超える液相中の高濃度の水では、ベータゼオライト系触媒を使用することで、触媒が急速に失活することが強調されている。前記欠点は、ベンゼン/IPA比を増大させることによって、または同じ比で、アルキル化混合物中のオレフィン/アルコール比を増大させ、その結果、液相中の含水量およびIPAを再利用する能力を減少させることによって緩和することができる。最後に、反応流出物ベンゼンの一部をリサイクルすることによって、または少なくとも部分的に気相で水と混合相で操作することによって。ただし、この場合、操作ウィンドウは制限される。
US2011/218366号(本出願人の名前で)は、クメンの製造のための気相でのアルキル化プロセスにおけるZSM-12ゼオライト系触媒の使用をクレームし、これは触媒の失活の兆候を示さずに、2以下のベンゼン/IPA比でも作動することを可能にする。他方、気相でのその反応の欠点は、クメンを回収するためにベンゼンとの高価なトランスアルキル化を必要とするジイソプロピルベンゼンおよびトリイソプロピルベンゼンの顕著な生成である。実際、この特許は、クメンに対する選択性が82%であり、回収可能な生成物(クメン、ジイソプロピルベンゼン、トリイソプロピルベンゼン)に対する選択性が98.8%であるとクレームしている[0081]。これは、トランスアルキル化に送られる生成物が16.8%であることを意味する。特に、クメン1kgあたり147gのジイソプロピルベンゼンの特定の形成が、気相(190℃、8bar、ベンゼン/IPA 3.25mol/mol)で得られる。
米国特許9096488号は、トリクルフロー条件下でのIPAによるベンゼンのアルキル化プロセスについて記載している。前記条件により、2.4のベンゼン/IPA比であっても、触媒(常にZSM-12ゼオライトに基づく)が失活しないことが保証される。前記条件はまた、反応器を出る生成物中のジイソプロピルベンゼン/クメンの低いモル比に有利に働く。190℃で、13バールおよびベンゼン/PAH比=3.25で、92%のクメンに対する選択性と、生成したクメン1kgあたり51.7gのジイソプロピルベンゼンが得られる。n-プロピルベンゼンは、形成されたクメンと比較して570ppmである。いずれにせよ、トリクルフロー条件は、リサイクルの必要がないことを強調した最初の2つのオプションと比較して、結果としてエネルギーコストが高くなる大幅なリサイクルによって達成されることに注意する必要がある。
知られているように、ベンゼンアルキル化反応でプロピレンの全部または一部を置換してクメンを生成するためにIPAを使用する利点の1つは、フェノール製造プロセスで生成されたアセトンをIPAに還元し、続いてアルキル化反応にリサイクルすることで、このようにアセトンを再利用できることである。しかしながら、上記の3つのアルキル化オプションは、それぞれにいくつかの技術的利点があるにもかかわらず、使用されるアプローチの典型的な欠点をしばしば伴い、特に、それらのすべては、アルキル化セクションの下流に必要なトランスアルキル化のセクションを作るポリアルキル化芳香族生成物をある程度生成する。これは、アルキル化セクションで得られたポリアルキル芳香族化合物から可能な限り最大量のモノアルキル芳香族化合物を回収するためである。
トランスアルキル化プロセスは、モノアルキ芳香族の製造を目標とする芳香族化合物のアルキル化プロセスを最適化するために、基本的に産業上重要である。
トランスアルキル化反応の最適化、特にエチルベンゼンを得るためのポリエチルベンゼンの、およびクメンを得るためのポリイソプロピルベンゼンの最適化に関する最新技術は、重要であり、触媒、操作条件および原料を精製するための吸収剤の使用の最適化を本質的にカバーしている。その目的は、触媒システムの性能と安定性を最大化することである。
トランスアルキル化反応の最新技術は、オレフィンによるアルキル化から生じるポリアルキレートに関しては重要であるが、アルコールによるアルキル化から生じるポリアルキレートに関しては、具体的なものはほとんどまたはまったく見出されない。最新技術、特に最近のものは、ポリアルキレートの起源を区別せず、オレフィン系アルキル化剤とアルコールの両方を含む傾向がある。
主なアルキル化およびトランスアルキル化プロセスは、C.Peregoらの「Combining alkylation and transalkylation for alkylaromatic production」、Green Chem.、2004(6)、274-279に記載されている。さらに、アセトンをイソプロパノールに還元した後、ベンゼンのアルキル化にアセトンを使用することで、クメンを得るための可能なアプローチを構成することが指摘されている。
国際公開第2006/107452号は、芳香族、特にポリイソプロピルベンゼン(PIPB)およびポリエチルベンゼン(PEB)のトランスアルキル化のプロセスを、ポリアルキレートの起源を区別せずにクレームしており、実際、それは、アルキル化剤がオレフィン、アルコール、アルデヒドおよびアルキルアルデヒドと区別なくなり得ることを教示している。その触媒は、目的に適したいくつかのゼオライトファミリーから選択される。その触媒の持続時間に関するデータも、経時のその不活性化の可能性に関するデータもない。
米国特許出願公開2011/201858号には、アセトンとベンゼンからクメンを製造するためのプロセスが記載されており、アセトンは、還元触媒の存在下で水素によって事前に還元されている。71%以下のクメンへの選択性を報告しているが、トランスアルキル化プロセスは記載されておらず、はるかに少ない予備的なトランスアルキル化処理が報告されている。
EP1257517は、イソプロパノールまたはイソプロパノール/プロピレン混合物によるベンゼンのアルキル化によるクメンの調製プロセスについて記載している。この特許は、アルコールによる芳香族化合物のアルキル化によって得られるポリアルキレートに適切に適用できるトランスアルキル化が、当業者によく知られている反応であることを示している。
国際公開第2017/065771は、アルキル芳香族化合物、特にエチルベンゼンおよびクメンの製造に有用なアルキル化プロセスを記載している。クメンの場合、アルキル化剤は、プロピレンおよび/またはイソプロパノールを含む。この特許は、トランスアルキル化反応自体に関連する問題に言及することなく、トランスアルキル化が、記載されたアルキル化反応で得られるポリアルキレートにどのように便利に適用可能であるかを教示している。
触媒プロセスへの供給物中の不純物を吸収するための前処理が当技術分野で知られているが、使用される材料はしばしば吸収能力が制限されており、その材料自体の取り出し/交換/廃棄の操作の前に、吸収能力を少なくとも部分的に回復するためにインサイチューで複数の再生を実施することが重要であり、これは経済的観点からそのアプローチを魅力のないものにする可能性がある。
国際公開第2003/074452号は、芳香族のアルキル化およびトランスアルキル化プロセスも含む、酸ゼオライトによって触媒されるプロセスの供給物中の不純物、特に窒素化合物を低減するための方法を記載している。蒸留、抽出および吸着による前処理が言及されている。しかし、アルキル化プロセスに由来するポリアルキル芳香族化合物の混合物は、特に考慮されていない。
国際公開第2016/099715号は、芳香族化合物のアルキル化およびトランスアルキル化プロセスで使用されるものなどの供給物のための、改善された毒物吸収能力を有するガードベッドとして使用される材料を記載している。しかし、限られた吸収能力およびベッド自体の頻繁な再生/交換の必要性などのガードベッドの典型的な問題は依然として存在している。
米国出願公開第2007/112240号は、含酸素化合物の不純物を5ppm未満に減らすために、精製プロセスからの芳香族混合物で構成される供給流の前処理について記載している。前記前処理は、アルミナまたはモレキュラーシーブスなどの吸収性材料に基づいている。アルキル化またはトランスアルキル化プロセスは、言及されていない。
したがって、ポリアルキル芳香族化合物のトランスアルキル化のプロセス、特に芳香族化合物とアルコールおよび/またはオレフィンによる、より具体的にはアルコールによる、アルキル化反応、例えば、イソプロピルアルコール(IPA)を含むアルキル化混合物によるベンゼンのアルキル化における触媒系の安定性および耐久性に関連する欠点は、明確に特定されておらず、また十分に解決されていないようである。
出願人は、驚くべきことに、芳香族化合物のトランスアルキル化のプロセスにおいて、トランスアルキル化される混合物に対する単純な水素化処理によって、例えば、稼働時間(TOS、すなわち、触媒が最小の所定の性能で作動することができる期間)として表される触媒の持続時間を大幅に改善することが可能であることを発見した。
その重要性は、そのセクターの文献では明確に特定されていない。ゼオライト系触媒によるトランスアルキル化に関するその科学文献は、これまでのところ、トランスアルキル化される混合物の水素化前処理によって、触媒の崩壊を遅くするか、または阻害することさえできることを示していない。
したがって、驚くべきことに、アルコールまたはオレフィン、好ましくはアルコール、さらにより好ましくはイソプロピルアルコールによる、芳香族化合物のアルキル化工程から生じるポリアルキル化芳香族化合物を含む混合物の水素による還元処理は、トランスアルキル化触媒の安定性と持続時間(例えば、生産性および/または稼働時間、TOSの観点から)を大幅に改善することができ、吸収床の管理と最適化を回避し、前述の問題を克服することが見出された。
本明細書における生産性は、モノアルキル化生成物を指し、反応に使用される触媒1kgに対するモノアルキル化生成物のkgで表される。
したがって、本発明の第1の目的は、少なくとも1つのポリアルキル芳香族化合物を含むポリアルキル化生成物の、好ましくは水素を用いた、適切な水素化触媒の存在下での還元ステップを含むプロセスであり、前記ポリアルキル化生成物は、アルコール、第一級オレフィンまたはそれらの混合物、好ましくはアルコールまたはアルコールと第一級オレフィンとの混合物から選択されるアルキル化剤による、少なくとも1つの芳香族化合物、好ましくはベンゼンのアルキル化プロセスの少なくとも1つのステップで得られる。
本発明の他の目標および目的は、本説明の以下の説明および特許請求の範囲において明らかであり得る。
本説明および以下の特許請求の範囲の目的のために、数値間隔の定義は、特に明記しない限り、常に極値を含む。
本説明および以下の特許請求の範囲の目的のために、パーセンテージは、他に特定されていない場合を除いて、常に重量によるものである。
本発明の実施形態の説明において、「含む」および「含む」という用語の使用は、例えば、方法またはプロセスのステップまたは製品またはデバイスの構成要素に関して説明されるオプションが、必ずしも網羅的ではないことを示す。
しかしながら、本明細書で使用される「からなる」または「から本質的になる」などの用語、またはそれらの類語は、明示的に述べられていなくても、「含む」および「含む」という用語の意味および範囲に含まれることに留意することが重要である。
本明細書および以下の特許請求の範囲の目的のために、化学元素およびそれらが属する族に関して、2016年にIUPACによって発行され、CAS(「ChemicalAbstract」 サービス」)番号を使用した元素の周期表を参照する。本発明の目的のために、周期表の族への参照は、超ウラン元素を除いて、前記族の任意の元素を含む。
本説明および以下の特許請求の範囲の目的のために、少なくとも1つ、少なくともaおよび少なくともanなどの用語の意味はまた、1つ、a、anなどの不定冠詞の意味を含む。
本明細書および以下の特許請求の範囲において、ポリアルキル芳香族化合物とは、同じ環または一緒に縮合したより多くの環上で、少なくとも2つのアルキル基で置換され、任意にハロゲン原子、特にフッ素で置換された、任意の芳香族化合物を意味する。好ましいポリアルキル芳香族化合物は、8~20個の炭素原子を有するものである。好ましくは、本発明による芳香族化合物およびポリアルキル芳香族化合物は、その芳香環にヘテロ原子を含まないものである。本発明によるポリアルキル芳香族化合物の典型的な非限定的な例は、キシレン、1,3,5-トリメチルベンゼン、1,2-ジエチルベンゼン、1,3-ジエチルベンゼン、1,4-ジエチルベンゼン、4-エチルトルエン、1,3-ジイソプロピルベンゼン、1,4-ジイソプロピルベンゼン、1,3,5-トリイソプロピルベンゼン、1,4-ジメチルナフタレン、1,7-ジメチルナフタレンおよびそれらの混合物である。好ましいポリアルキル芳香族化合物は、エチルアルコールおよび/またはエチレンおよびイソプロピルアルコールおよび/またはプロピレンそれぞれによる、ベンゼンのアルキル化プロセスから得られるポリエチルベンゼンおよびポリイソプロピルベンゼン異性体の混合物である。
本発明による方法で還元を受けるポリアルキル化生成物は、通常、化合物の混合物からなる。それは、1つ以上のポリアルキル芳香族化合物からなり得るか、または前記少なくとも1つのポリアルキル芳香族化合物に加えて、他の成分、例えば、溶媒または希釈剤、ベンゼンまたはナフタレンなどの非アルキル置換芳香族化合物、トルエン、エチルベンゼン、イソプロピルベンゼン、n-プロピルベンゼンなどのモノアルキル置換芳香族化合物および水および例えば、アルコール、アセトン、ベンゾフェノンなどの含酸素有機化合物などのアルキル化プロセスから生じるその他の不純物または副生成物も含み得る。好ましくは、本プロセスに供給されるポリアルキル化生成物は、1~50重量%、好ましくは2~25重量%、より好ましくは5~25重量%のポリアルキル芳香族化合物および2%以下、好ましくは、0.0010~0.50重量%の含酸素有機化合物を含む。
本発明の実施形態において、前記ポリアルキル化生成物は、水素による前記還元ステップにかけられる前に、溶媒、希釈剤、非アルキル化芳香族化合物および対応するアルキル化プロセスの任意のリサイクル生成物とさらに混合され得る。
本発明によるポリアルキル化生成物に含まれるかまたは添加され得る適切な溶媒および希釈剤は、通常、6~20個の炭素原子を有する飽和および不飽和、好ましくは芳香族炭化水素などの還元反応に対して本質的に不活性である液体である。好ましい態様によれば、ポリアルキル化生成物は、溶媒および/または希釈剤の機能、ならびに後続のトランスアルキル化ステップにおける反応物の機能の両方を有することができる芳香族化合物、例えばベンゼンを含むか、またはそれと添加される。好ましい形態では、還元を受けるポリアルキル化生成物は、ベンゼンのアルキル化プロセスによって、好ましくはアルコールまたはアルコール/オレフィン混合物を用いて得られ、このようにして得られた混合物が還元されて、混合物の総質量に対して40~90質量%、より好ましくは60~85質量%のベンゼンを含む程度までベンゼンと混合される。
前記ポリアルキル化生成物は、酸触媒、好ましくはゼオライト系酸触媒の存在下での、好ましくは、ポリアルキル芳香族化合物および芳香族化合物、好ましくはベンゼンと少なくとも1つのアルコール、少なくとも1つのオレフィンまたはこれらの混合物、好ましくは、アルコールまたはアルコールと第一級オレフィンとの混合物によるアルキル化プロセスの副生成物として得られる、他の化合物の混合物(プロセスが連続的に行われる場合はストリームとして定義可能)である。この分野の文献で知られており、前述のように、酸触媒作用による芳香族化合物のアルキル化プロセスは、所望のモノアルキル化生成物からおよび蒸留操作による他の反応副生成物から分離される望ましくないポリアルキル化芳香族化合物の形成または当技術分野で知られている他のタイプの形成を伴い、したがって、通常、過剰の非アルキル化芳香族化合物の存在下でトランスアルキル化反応を受けて、モノアルキル化芳香族生成物をさらに生成するポリアルキル化生成物(またはストリーム)を形成する。前記ポリアルキル化生成物は、本発明によるプロセスに供給されるポリアルキル化生成物を構成する。
本発明によるプロセスは、好ましくは、水素による前記還元工程に加えて、還元を受けるポリアルキル化生成物の後続の反応ステップを含むトランスアルキル化プロセスであり、少なくとも1つのポリアルキル化芳香族化合物、好ましくはアルキル基はエチルまたはプロピルであり、好ましくは少なくとも1つのジアルキル化芳香族化合物を、酸触媒の存在下で、異なる芳香族化合物、好ましくは非アルキル化、好ましくはベンゼンと反応させ、前記ポリアルキル化芳香族化合物のアルキル置換基の少なくとも一部は、前記異なる芳香族化合物、好ましくはアルキル化されていないに移される。
別の実施形態において、本発明は、少なくとも1つの芳香族化合物のアルキル化プロセスに関し、適切な酸触媒の存在下で、オレフィン、アルコールまたはそれらの混合物、好ましくはアルコールから選択されるアルキル化剤との反応による芳香族化合物のアルキル化ステップおよび少なくとも上記で指定されたタイプの副生成物として好ましくは、水素によって得られるポリアルキル化生成物の少なくとも還元ステップ、それに続くトランスアルキル化ステップを含む。
芳香族化合物のアルキル化プロセスは既知であり、さまざまな条件下でさまざまな酸触媒を使用して実行できる。それらは、例えば、EP 1069100号、米国出願公開第2011/0218366号、米国特許第9096488号、米国特許第9259722号、米国特許第7371910号に記載されており、その内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
芳香族化合物のアルキル化プロセスは、温度を最適な範囲に維持し、ポリアルキル化芳香族化合物の過少生産を減らすために、連続、半連続、または不連続の方法で、気相、液相、または混合相で工業的に実行でき、触媒は反応器内でいくつかの層に配置することができる。ほんの一例として、米国特許第6512153号に報告されているように、急速クエンチング(最も一般的に使用される用語による)は、不活性溶媒および/または芳香族化合物の一部および/またはアルキル化試薬、アルコールまたはオレフィンの一部を用いて1層と他の層との間で実施することができる。
適切に操作することにより、同じ全体の比率を増やすことなく、単層で高い芳香族/アルキル化剤の比率を得ることができ、その後の芳香族の分離とリサイクルに明らかな利点がある。温度制御は、試薬および/または不活性物質によるクエンチングだけでなく、例えば、冷媒を介在させることによって、層間を相互冷却することによっても実行できる。アルキル化反応は、温度を制御するために中間冷却された、直列の2つ以上の反応器で適切に実施することができる。オレフィン、アルコールおよび/または芳香族化合物の供給は、異なる反応器と異なる反応器層との間で適切に部分化することができ、すなわち、アルキル化剤および/または芳香族化合物は、複数のステップで添加され;任意にアルキル化剤を芳香族化合物または不活性物質で希釈して、温度制御を促進することができる。
アルキル化剤の供給量は、全体のモル比[芳香族]/[アルキル化剤]が好ましくは1~20、より好ましくは2~8となるような量である。
反応温度は100℃~300℃、好ましくは120℃~230℃であり、圧力は0.5~5MPa、好ましくは1~4MPaであり;空間速度WHSVは0.1~200h-1、好ましくは1~10h-1である。
しかし、効果的に採用される温度および圧力条件の組合せは、アルキル化反応が少なくとも部分的に液相で起こり、好ましくは実質的に液相で起こることを確実にするようなものでなければならないことに留意されたい。
芳香族化合物のアルキル化のための典型的な酸触媒は、不均一系ゼオライト系の触媒であり、特に新しく設計されたプラントでは、AlCl-HCl、フッ化水素酸などの触媒、および均一相の一般的な触媒に取って代わった。アルキル化のタイプに応じて、異なる孔サイズのゼオライト触媒を使用して、反応を目的の生成物に対してより選択的にすることができる。例えば、ZSM-5(MFI)などの10MR構造は特許されており、気相で使用されている。12MRゼオライトを使用した液相でのプロセスでは、触媒の寿命を大幅に延ばすことができる。また、Y(FAU)およびベータ(BEA)ゼオライトは、クレームされており、および/または工業的に使用されている。クメンの製造については、モルデナイト(MOR)系の触媒を使用した固定床技術によるプロセスが説明され、特許されている。MCM-22(MWW)ゼオライトは、低濃度のジアルキル化生成物を生成する触媒として言及されている。芳香族化合物のアルキル化技術と関連する触媒の一貫したリストは、Catalysis Today 73(2002)3~22(Recent advances in the industrial alkylation of aromatics: new catalyst and new processes)、Thomas F.DegnanらのApplied Catalysis A:General Volume 221、Issue 1-2、30 November 2001、283~294ページ(Alkylation of aromatics with ethylene and propylene: recent developments in commercial processes)および前述のC.Peregoら、Green Chem.、2004、6、274~279、(Combining alkylation and transalkylation for alkylaromatic production)に見つけることができる。
アルキル化ステップは、好ましくは、アルキル化剤としてアルコールまたはアルコール/オレフィン混合物を用いて実施される。通常、エタノールおよび/またはエチレンはベンゼンをエチルベンゼンにアルキル化するために使用され、イソプロパノールおよび/またはプロピレンはベンゼンをクメンにアルキル化するために使用される。有機化学の既知の原理に従って、芳香族化合物への導入が望まれるアルキル残基に対応する適切なアルコールおよび/またはオレフィンが、他のアルキル化芳香族化合物の調製に使用される。
続いて、アルキル化ステップの生成物は、先行技術による1つ以上の分離ステップに供給されて、所望のアルキル化生成物を回収し、その後のそれらの使用またはトランスアルキル化プロセスへのそれらの供給のために少なくとも少量で必然的に生成されるポリアルキル化芳香族化合物を分離される。
例として、イソプロパノールによるベンゼンのアルキル化ステップの反応残留物を蒸留することで、モノアルキレートを分離し、いくらかの重質ポリアルキル化物に加えて、ジイソプロピルベンゼン(例えば、93.2%)と微量のアセトフェノンとから主になる混合物を得ることができる。このカットは、ベンゼンと混合され、好ましくはHOを含まない(HO<100ppm)、適切な重量比(例えば、20~80重量)で、ポリアルキル化生成物を含む混合物を生成し、これは、トランスアルキル化の前に、例えばクロマイト銅系触媒上で簡単に水素化することができる。類似しているが水素化されていない混合物のトランスアルキル化との比較により、本発明の利点を強調することができる。
本発明によれば、アルキル化ステップを離れる混合物の分離ステップの後に得られるポリアルキル化生成物は、好ましくは水素および請求項に記載の適切な還元触媒を用いて還元処理にかけられる。
本発明によれば、ポリアルキル化生成物の水素による還元ステップは、好ましくは、60~220℃、好ましくは100~180℃の温度、および0.1~5.0MPa、好ましくは1.0~3.0MPaの水素圧で実施される。前記ステップは、懸濁状態にあるか、または固定床もしくは流動床で、固体触媒を備えた反応器において、連続的または非連続的に実施することができる。好ましくは、触媒は、連続プロセスの場合は固定床で使用され、不連続プロセスの場合は懸濁状態である。還元反応、好ましくは水素化の還元反応は、好ましくは、混合物中に存在する化合物の芳香環の水素化を生じさせないような条件下で実施される。前記条件は、当業者に知られており、使用される触媒に応じて、または簡単な予備試験で容易に特定することができる。
還元剤、好ましくは水素は、好ましくは、前記還元ステップに純粋または実質的に純粋に供給される。しかし、本発明によれば、水素がかなりの量の他のガスも含むことができることを排除しない、ただし、それらが、触媒および例えば、窒素、希ガス、メタンなど水素化される基質に対して不活性であるという条件で。水素は、任意に、室温より高い温度に予熱することができる。前記ポリアルキル化生成物に含まれる水素とポリアルキル芳香族化合物とのモル比は、好ましくは0.01~10、より好ましくは0.1~5である。
本発明のプロセスが連続的に実施される好ましい場合において、任意の希釈剤を含む供給物の総体積に基づいて計算される空間速度(WHSV)は、好ましくは0.5~10h-1、より好ましくは1~5h-1、さらにより好ましくは1~3h-1である。
ポリアルキル化生成物は、適切な溶媒で任意に補充され、これは、後続のトランスアルキル化ステップでアルキル化される同じ芳香族試薬と一致することもあり、上記の条件下で、適切な触媒の存在下で水素と反応し、芳香族基または環の水素化は実質的にない。したがって、本発明のプロセスは、水素による還元ステップにおいて、水素化される芳香環の量が、供給されている芳香環の合計に対して、1%未満、好ましくは0.5%未満、さらにより好ましくは0~0.1%となるように実施することが好ましい。水素化芳香環の量は、例えば、赤外線、ガスクロマトグラフィーなどの既知の技術のいずれかによって専門家によって決定することができる。
本発明によれば、水素による還元は、適切な触媒の存在下で行われる。適切な触媒は、例えば、Ni、Ni Raney、Pd、Pt、Cu、銅クロマイト系の触媒などの含酸素有機基質の選択的水素化反応に通常使用される触媒である。本明細書で用語「選択的」は、水素化反応が、存在し得る芳香族化合物の環の有意な水素化を引き起こさないことを意味する。前記水素化触媒は、当技術分野で周知であり、市販されている。例として、以下の出版物の記事を参照:
「Handbook of Heterogeneous Catalysis」 (2008) (eds G. Ertl, H. Knоzinger, F. Schuth および J. Weitkamp):
Blaser H.、Schnyder A.ら「Selective Hydrogenation of Functionalized Hydrocarbons」、および;
Smith A.J.およびWainwright M.S.「Skeletal Metal Catalysts」。
好ましくは、水素を用いた本発明の還元プロセスで使用可能な触媒は、銅クロマイトに基づく。前記触媒は、選択的水素化反応のための既知の触媒であり、市販されており、例えば、刊行物「PRASAD e SINGH, Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis, p. 63-113, nov. 2011」に報告されており、これは用途と銅クロマイトに基づく触媒を調製するための方法を説明している。
本発明の水素による還元ステップに適した、銅に基づく他の触媒、特に銅クロマイトは、例えば、EP563327号および国際公開第2017/144337号に報告されている。
本発明のプロセスは、ポリアルキル化生成物が、アルコールを用いた芳香族化合物のアルキル化プロセスから、少なくとも15%、好ましくは少なくとも40%、より好ましくは少なくとも60%および最大100%得られる場合(残りはオレフィンを用いたアルキル化プロセスから)に特に有利であることが証明され、前記パーセンテージは、ポリアルキル化生成物の質量を基準としている。例えば、イソプロピルアルコールを用いたベンゼンのアルキル化プロセスから、好ましくは少なくとも25%、さらにより好ましくは40%から開始し、残りはプロピレンを用いたアルキル化プロセスから生じる。
好ましくは、前記ポリアルキル化生成物は、モノアルキル化生成物およびより高沸点の副生成物から分離した後、例えば、モレキュラーシーブでの精製、選択膜での濾過、他の還元処理など、不純物の含有量を減少させるための他の処理を受けずに、水素と共に還元工程に供給されるが、これらは本発明のプロセスの範囲から除外されない。いずれにせよ、本発明によるプロセスは、適用が簡単で、効率的かつ経済的に有利であり、同時に、オレフィンの使用に関して、アルコールまたはアルコールとオレフィンの混合物による芳香族化合物のアルキル化プロセスを行うことに寄与し、より効果的で競争力のあるだけである。
本発明によるプロセスは、前述の水素による還元ステップ以外に、他のステップおよび反応を含むことができる。好ましい実施形態において、本発明のプロセスは、水素によるその不純物還元処理に続く、ポリアルキル化生成物に含まれる芳香族化合物のトランスアルキル化のステップを含む。
したがって、本発明によるプロセスは、好ましくは、水素による還元ステップに続く、ポリアルキル化生成物に含まれる前記少なくとも1つのポリアルキル芳香族化合物のトランスアルキル化ステップを含み、これは、当業者に知られている様々な方法の1つ、例えば、EP847802号(本出願人の名前で)に記載されているように従って実施することができ、その内容は、参照により本明細書に組み込まれる。本発明に適したトランスアルキル化触媒は、当技術分野で知られている材料、例えば、酸またはプロトン形態のゼオライトであり得、当技術分野で知られている固定床用途に適した形態で使用され、例えば、押し出され、例えば、アルミナ(Al)、シリカ(SiO)、酸化ジルコニウム、酸化チタン、好ましくはシリカ(SiO)またはアルミナ(Al)またはそれらの混合物などの従来の結合剤が添加される。バインダーとしてアルミナを使用する場合は、ガンマアルミナ相構造のものが好ましい。バインダーアルミナ前駆体の典型的な例は、VERSALブランドで販売されているもの(例えば、UOP社のVersal V-250)などのシュードベーマイト(ベーマイトと呼ばれることもある)に基づく市販の材料である。ガンマアルミナ構造を有する材料は、一般に、当技術分野の専門家に知られており、例えば、パンフレット「UOP 5502、2012年4月」で報告されているように、シュードベーマイトのか焼によって得られる。
固定床触媒反応器などの多くの工業用途では、触媒を形成する必要があり、触媒形成を可能にするためにバインダーを添加する必要があることが多い。形成された触媒を必要とする用途では、触媒が使用中にその物理的完全性を維持することが重要であり、実際、十分な強度がないと、触媒が損傷または劣化し、反応および/または装置に悪影響を与える可能性がある。好ましくは、触媒は、固定床用途、例えば球体またはペレットに形成される。前記形成の終わりに、得られた「ペレット」は一般にか焼される。結合および形成後に得られる固体は、前記ゼオライト系の触媒の総重量に対して、5重量%~90重量%、好ましくは10重量%~75重量%、より好ましくは20重量%~55重量%の結合剤を含むことができる。
トランスアルキル化プロセスで特に有用なのは、EP第847802号に記載されているベータゼオライトに基づく触媒、または米国特許第8658553号に記載されているYゼオライトに基づく触媒である。
好ましくは、1つ以上のポリアルキル化芳香族化合物との反応による芳香族化合物のトランスアルキル化のための前記後続のステップは、12個の四面体からなる開口部を有する結晶構造を有するゼオライト(広孔ゼオライト)と、無機結合剤としてγ-アルミナとを含む触媒組成物によって触媒され、好ましくは、前記組成物は、触媒組成物自体に存在するメソ多孔性およびマクロ多孔性のフラクションを添加することによって得られる0.7cc/g以上の孔容積によって特徴付けられ、前記容積の少なくとも30%が、100ナノメートルを超える直径の細孔からなる。
酸形態のYまたはベータゼオライトを含む触媒組成物が好ましく使用される。芳香族炭化水素は、ベンゼンが好ましい。ポリアルキル化芳香族炭化水素は、好ましくは、ジエチルベンゼン、および任意にトリエチルベンゼンおよびジイソプロピルベンゼン、および任意にトリイソプロピルベンゼンから選択される。ベンゼンをジイソプロピルベンゼンおよび任意にトリイソプロピルベンゼンでトランスアルキル化してクメンを得ることが特に好ましい。
トランスアルキル化反応は、少なくとも部分的に液相で起こるような条件下で、好ましくは実質的に液相で起こるような条件下で行われなければならない。それは、好ましくは、150~300℃の温度、2MPa~5MPaの圧力および0.5~10h-1の空間速度(WHSV)で行われる。トランスアルキル化される芳香族炭化水素と、トランスアルキル化反応への供給混合物中のポリアルキル化芳香族炭化水素の合計とのモル比は、1~40、好ましくは3~30で変動し得る。触媒は通常、固定床に配置され、特に、1つ以上の固定触媒床を備えたチャンバー反応器で使用される。
本発明のさらなる態様はまた、
a)アルキル化酸触媒の存在下で、芳香族炭化水素および少なくとも1つのアルコールおよび/または少なくとも1つの第一級オレフィン、好ましくはアルコールまたはアルコールと第一級オレフィンの混合物、より好ましくはアルコール、前記アルコールおよびオレフィンは、2~4個、好ましくは3個の炭素原子を有するを、接触および反応させること;
b)ステップa)で得られた反応生成物を、ステップa)で反応しなかった芳香族炭化水素を含むフラクション、モノアルキル化芳香族炭化水素を含むフラクション、少なくとも1つのポリアルキル芳香族化合物を含むポリアルキル化生成物を含むフラクション、好ましくは少なくとも60重量%のジアルキル化芳香族炭化水素を含むに分離すること;
c)ステップb)で得られたポリアルキル化生成物を含む前記フラクションを、適切な水素化触媒の存在下で水素を用いた還元ステップにかけて、還元ポリアルキル化生成物を得ること;
d)ステップc)で得られた前記還元ポリアルキル化生成物を、
適切な酸触媒、好ましくはベータゼオライトまたはYゼオライトから選択されるの存在下で、トランスアルキル化条件下で、芳香族炭化水素、好ましくはステップ(a)で反応したものと同じと反応させること、
を含む、モノアルキル化芳香族炭化水素を調製するためのプロセスによって構成される。
アルキル化ステップa)では、中孔または大孔径のゼオライトを含む固体酸触媒を使用することが好ましい。アルキル化ステップで使用される触媒組成物に好ましく使用されるゼオライトは、中孔構造の中でMWW(MCM-22)構造を有するゼオライトと、例えば、国際公開第2015/056167号および国際公開第2012/175614号に記載されているような大孔径構造の中でBEA(ベータ)FAU(Yゼオライト)およびMTW(ZSM-12)構造を有するゼオライトである。ベータまたはZSM-12ゼオライトが好ましくは使用され、さらにより好ましくは、例えば、国際公開第2015/056167号に記載されているようにZSM-12が使用される。
アルキル化ステップで好ましく使用されるアルコールは、エタノールおよびイソプロパノールから選択される。アルキル化ステップで使用される芳香族炭化水素は、好ましくはベンゼンである。アルキル化ステップ(a)において、ベンゼンとイソプロパノールが、ベータゼオライトまたはYゼオライトまたはZSM-12の存在下で接触させられることが特に好ましい態様である。
ステップ(a)は、上述したものによれば、実質的に気相、実質的に液体または混合相で、好ましくは並流または細流床で実施することができる。
ステップb)におけるフラクションの分離は、通常、既知の方法に従って蒸留によって実施される。特に、例えば、アルキル化生成物がベンゼンとエタノールまたはイソプロパノール、それぞれによって、またはエタノールまたはイソプロパノール混合物および対応するオレフィンとのアルキル化反応によって得られる場合、ステップ(b)において、第1のフラクションはベンゼンを含み、第2のものはそれぞれエチルベンゼンまたはクメンを含み、第3のものは主にジエチルベンゼンまたはジイソプロピルベンゼンによって形成され、最後のフラクションは260℃~300℃以上の沸点を有する重質炭化水素の混合物によって形成される。
ステップ(c)で、少なくとも1つのポリアルキル芳香族化合物(例えば、主にジアルキルベンゼンと10%未満のトリアルキルベンゼンによって形成される混合物)を含み、任意にステップ(a)と同じ芳香族炭化水素の適切な体積で補充したポリアルキル化生成物から実質的に形成される第3のフラクションが、選択的水素化触媒、好ましくはNi、Niラネー、Pd、Pt、Cuおよび銅クロマイト系触媒から選択されると接触して配置される。
好ましくは、水素による還元ステップ(c)は、60~220℃、好ましくは100~180℃の温度、および0.1~5.0MPa、好ましくは1.0~3.0MPaの水素圧で実施される。
トランスアルキル化ステップd)は、酸触媒の存在下で、好ましくはベータまたはYゼオライトを含み、上述したものによるトランスアルキル化条件下で、好ましくは少なくとも部分的に液相で実施される。
好ましくは、前述のプロセスの前記ステップ(c)または(c)および(d)は、それぞれ、請求項1または請求項8に記載のプロセスと一致するか、または同時に実行される。
本発明をよりよく理解し、それを実施するために、そのいくつかの例示的かつ非限定的な例を以下に報告する。
試薬と触媒
水素化触媒:BASF GMbH製の銅クロマイトをベースにしたBASF 1230と呼ばれる市販の触媒(酸化バリウム7~10%、酸化銅15~25%、酸化クロム(III)25~50%の組成を1/16インチトリローブで押出し);
水素:(Sapio社、純度99.95%);
ベンゼン:Sigma Aldrich社製、コード319953、純度>99%。
クロマトグラフィー分析:本明細書で報告されているガスクロマトグラフィー分析は、25m HP1カラムを備えたThermo ElectronのFocusガスクロマトグラフを使用して得た。
クロマトグラフィー分析に適用される条件は次のとおりである:
・キャリアガス:ヘリウム
・カラム:HP1-25mキャピラリー 内径0.32mm、膜厚0.52μm
・オーブン温度:40℃を2分45秒、290℃まで10℃/分、290℃を5分
・検出器:FID
水分含有量の測定:MetrohmのKarlFischer701機器を使用。
調製例A
芳香族化合物のアルキル化およびトランスアルキル化反応に適した押出ベータゼオライト系触媒は、参照により本明細書に組み込まれるEP第847802号の実施例4に記載されるように調製した。
特に、水溶液中の40重量%で58.8gの水酸化テトラエチルアンモニウムおよび1.9gのアルミン酸ナトリウム(56%のAl)を、58.4gの脱塩水に添加する。約80℃に加熱し、完全に溶解するまで撹拌する。このようにして得られた透明な溶液を、40重量%のSiOで37.5gのコロイド状LudoxHSシリカに加える。pH14の均一な懸濁液が得られ、それを鋼製オートクレーブに入れ、静的条件下および自生圧力下で150℃、10日間水熱条件下で結晶化する。結晶化した生成物を濾過で分離し、脱塩水(約150g)に再分散させ、再濾過する:かなりの量の有機テンプレート剤テトラエチルアンモニウムおよびナトリウムを依然として含む湿式ゼオライトパネルを得る。
その湿式パネルを、イオン交換のために酢酸アンモニウムの水溶液(200gの水と16gの酢酸アンモニウム)に再分散する。この懸濁液を撹拌しながら80℃で約1時間加熱する。次に、懸濁液を濾過し、得られた固体を脱塩水(150cc)に再分散させて洗浄する。次に、懸濁液を再濾過して、アンモニウム/アルキルアンモニウム形態の湿式ベータゼオライトパネルを得る。
元素化学分析では、この最後のサンプルのナトリウム残留物は実際には112ppmである。アルミニウム含有量は、3.38%[Al]/[Na]=257である。
このようにして得られた固体(有機テンプレート剤を含むアンモニア形態の湿式ベータゼオライト)を、か焼後の固体中の結合剤含有量が50重量%になるガンマアルミナ結合剤の前駆体としてのシュードボヘマイトと解膠剤としての酢酸の溶液と予備混合して、続いて押し出した。このようにして得られた固体を、空気雰囲気中で350℃で2時間、続いて550℃でさらに3時間か焼した。か焼後、ゼオライトとアルミナ(ガンマ)の相互重量比が50:50の押出触媒を得る。このようにして得られた触媒は、半径が100Åを超える細孔の割合が35%を超え、EPVのゼオライト外細孔の総体積は、0.81ml/gである。
例1(前水素化)
クメンを製造するためのイソプロピルアルコール(IPA)によるベンゼンアルキル化プロセスから、蒸留によりポリアルキル化芳香族化合物を含むプライマー混合物を得て、これが本発明によるポリアルキル化生成物を構成する。
ベンゼンと前記ポリアルキル化生成物とを約4/1重量比で混合することによって得られた液体混合物(混合物A)を、22.9gの水素化触媒Cu-1230E 1/16(BASF)を含む、連続固定床反応器(長さ25cm、セクション1cm)にアップフローで供給した。前記混合物Aは、ガスクロマトグラフ下で以下の表1に示す組成を示す。
Figure 2022546209000001
表1中、「高沸点」は、ガスクロマトグラフィー分析でジイソプロピルベンゼンの後に分析が終了するまで溶出するすべての化合物を意味する。
反応器を、T=120℃、P=20bar H、WHSV=2h-1でアップフローレジームで運転し、表1の第3列に示す組成を有する出力で水素化混合物(混合物B)を得る。反応中のアセトフェノン含有量の大幅な減少に注目できる。採用された反応条件下では、芳香族化合物は芳香環の実質的な水素化を受けないことにも留意されたい。
例2
ジイソプロピルベンゼンのトランスアルキル化試験は、サーモスタット制御されたチャンバー内の空気の強制循環によって加熱された、アップフローレジーム(チューブ長5m、セクション2.98mm)のスパイラル固定床反応器で連続的に実行した。オーブンの出口にある空気圧バルブが系内の圧力を調整する。試薬をスチールタンク(容量25リットル)に保管する。タンクを窒素で飽和させ、試薬の酸化の可能性を回避する。反応流出物は、ガスクロマトグラフィーおよび前述の方法に従って水分含有量の決定によって定期的にサンプリングおよび分析する。
前の例1に従って得た水素化混合物(表1の混合物B)を、前記反応器中でトランスアルキル化にかけた。サーモスタットは220℃に設定し、水素圧2MPaおよびWHSV5h-1、前の調製例Aに記載した12.7gの押出ベータゼオライト系触媒を使用。
トランスアルキル化反応は、表2に報告する生産性と変換に対応して、200時間以上のオンストリームで実行した。観察されるように、この期間では、触媒は失活の有意な兆候を示さない。
Figure 2022546209000002
ジイソプロピルベンゼンの変換率は、変換および供給されたジイソプロピルベンゼン間のモルでのパーセンテージ比である。クメンの収率は、生成したクメンと供給したジイソプロピルベンゼン間のモルでのパーセンテージ比である。
例3(比較)
前の例2で使用したのと同じ触媒系および同じ条件下で、同じ反応器で、前処理されていない混合物(表1の混合物A)を使用して、反応器に供給するトランスアルキル化する混合物を変更した。表3は、ジイソプロピルベンゼンの変換とクメンの収率の傾向を示している。これらは時間の経過とともに明らかに減少する傾向がある。
Figure 2022546209000003
したがって、報告されていることから、トランスアルキル化される混合物の還元前処理、好ましくはIPAによるアルキル化に由来することは、驚くべきことに、最新技術に関して、当業者に知られている再生プロセスを適用する必要性を排除するか、またはいずれにせよ頻度を少なくすることによって、触媒トランスアルキル化システムの安定性を改善することを可能にする。

Claims (17)

  1. 少なくとも1つのポリアルキル芳香族化合物を含むポリアルキル化生成物の、適切な水素化触媒の存在下での水素による還元ステップを含むプロセスであって、前記ポリアルキル化生成物は、アルコール、第一級オレフィンまたはそれらの混合物、好ましくはアルコールまたはアルコールとオレフィンとの混合物から選択される、アルキル化剤による少なくとも1つの芳香族化合物のアルキル化プロセスの少なくとも1つのステップで得られる、プロセス。
  2. 前記ポリアルキル化生成物は、少なくとも1つのポリエチルベンゼンまたは少なくとも1つのポリイソプロピルベンゼンを含む、請求項1に記載のプロセス。
  3. 前記触媒が、含酸素有機基質の水素化触媒であり、好ましくは、Ni、Niラネー、Pd、Pt、Cu系触媒、より好ましくは銅クロマイト系触媒から選択される、請求項1または2に記載のプロセス。
  4. 前記還元ステップが、60~220℃、好ましくは100~180℃の温度、および0.1~5.0MPa、好ましくは1.0~3.0MPaの水素圧で実施される、先行請求項のいずれか一項に記載のプロセス。
  5. 前記ポリアルキル化生成物は、アルコールによる芳香族化合物のアルキル化プロセスから、少なくとも15質量%および100質量%以下、好ましくは少なくとも40質量%得られる、先行請求項のいずれか一項に記載のプロセス。
  6. 水素による前記還元ステップにおいて、水素化芳香環の量が、供給される前記芳香環の合計に対して、1質量%未満、好ましくは0.1質量%以下である、先行請求項のいずれか一項に記載のプロセス。
  7. 前記ポリアルキル化生成物が、ベンゼンアルキル化プロセスから得られ、かつ、水素による前記還元ステップの前にベンゼンと混合され、こうして得られる混合物が、前記混合物自体の質量に対して、40~90質量%、好ましくは60~85質量%のベンゼンを含む、先行請求項のいずれか一項に記載のプロセス。
  8. 水素による前記還元ステップの下流に、還元を受ける前記ポリアルキル化生成物に含まれる前記芳香族化合物のトランスアルキル化ステップを含む、先行請求項のいずれか一項に記載のプロセス。
  9. 前記トランスアルキル化ステップが、ベータゼオライト系またはYゼオライト系の触媒の存在下で実施される、請求項8に記載のプロセス。
  10. 前記トランスアルキル化ステップが、150~300℃の温度、2MPa~5MPaの圧力および0.5~10h-1の空間速度(WHSV)で実施される、請求項8または9に記載のプロセス。
  11. モノアルキル化芳香族炭化水素を調製するためのプロセスであって、
    a)アルキル化酸触媒の存在下で、芳香族炭化水素および少なくとも1つのアルコールおよび/または少なくとも1つの第一級オレフィン、好ましくはアルコールまたはアルコールと第一級オレフィンの混合物、より好ましくはアルコールをアルキル化条件下で接触および反応させること、前記アルコールおよびオレフィンは、2~4個、好ましくは3個の炭素原子を有する;
    b)ステップ(a)で得られた反応生成物を、ステップ(a)で反応しなかった前記芳香族炭化水素を含むフラクション、モノアルキル化芳香族炭化水素を含むフラクション、少なくとも1つのポリアルキル芳香族化合物、好ましくは少なくとも60重量%のジアルキル化芳香族炭化水素、を含むポリアルキル化生成物を含むフラクションに分離すること;
    c)ステップ(b)で得られたポリアルキル化生成物を含む前記フラクションを、適切な水素化触媒の存在下で水素による還元ステップにかけて、還元ポリアルキル化生成物を得ること;
    d)ステップ(c)で得られた前記還元ポリアルキル化生成物を、適切な酸触媒、好ましくはベータゼオライトまたはYゼオライトから選択されるの存在下で、トランスアルキル化条件下で、芳香族炭化水素、好ましくはステップ(a)で反応させたものと同じと反応させること、
    を含む、モノアルキル化芳香族炭化水素を調製するためのプロセス。
  12. ステップc)における前記水素化触媒が、含酸素有機基質の水素化触媒であり、好ましくは、Ni、Niラネー、Pd、Pt、Cu系触媒、より好ましくは銅クロマイト系触媒から選択される、請求項11に記載のプロセス。
  13. 前記還元ステップc)が、60~220℃、好ましくは100~180℃の温度、および0.1~5.0MPa、好ましくは1.0~3.0MPaの水素圧で実施される、請求項11または12に記載のプロセス。
  14. 前記アルコールが、エタノールまたはイソプロパノールであり、ステップa)の前記芳香族炭化水素が、ベンゼンである、請求項11~13のいずれか一項に記載のプロセス。
  15. ステップd)における前記芳香族炭化水素が、非アルキル化芳香族炭化水素、好ましくはベンゼンである、請求項11~14のいずれか一項に記載のプロセス。
  16. 前記ステップc)が、請求項1に記載のプロセスと一致して、または請求項1に記載のプロセスと同時に実行される、請求項11に記載のプロセス。
  17. 前記ステップc)およびd)が、請求項8に記載のプロセスと一致して、または請求項8に記載のプロセスと同時に実行される、請求項11に記載のプロセス。
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