JP2695435B2 - 安定なK▲下2▼Fe▲下2▼▲下2▼O▲下3▼▲下4▼カリウムフェライト相およびその製造方法 - Google Patents

安定なK▲下2▼Fe▲下2▼▲下2▼O▲下3▼▲下4▼カリウムフェライト相およびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、スチレンの製造に使用するための触媒に関
する。
[従来の技術および発明が解決しようとする課題] 理想的なスチレン触媒は、できるだけ低い温度(<62
1.1℃(1150゜F))で、高い活性(目標とする65%〜70
%のシングル・パス転換率を達成することができるこ
と)を維持しながら、スチレンに対して高い選択性(95
+Mo1.%)があり、しかも18〜24ケ月の操業期間にわた
って、炭化水素に対するモル蒸気の比率が低い(≦8:
1)条件下で安定な活性を保持しなければならない。そ
のためには、化学的にも物理的にも安定でなければなら
ない(化学的に安定であるためにはカリウムの移動がで
きるだけ少ないことが必要であり、物理的に安定である
ためには収縮、消耗が少ないことが必要である)。これ
らの条件の全てを同時に満足する触媒は、商業的には、
現在存在しない。
説明のために、スチレン触媒の買手のジレンマを示す
例について考える。
A.低S/H率でも安定な操業ができる高活性の耐久性のあ
る触媒を買う。選択性は犠牲にする。
B.活性が低く(高い温度が必要)、また安定な操業のた
めには高いS/H率を必要とするが、選択性の高い触媒を
買う。化学的または物理的な劣化により操業できる時間
は短いことは分っているがあえて目をつむる。
主要な商業的触媒メーカーは、選択性が高い触媒を供
給することができるが、低S/H率で使用するための触
媒、または充分な活性を持つ触媒を供給することはでき
ない。さらに、触媒商品のなかには、ベッドでの融解、
収縮(放射状の反応装置内に迂回路を生じさせる)、デ
ルタPの増加、および操業期間を縮める一般的な早期の
活性の喪失などの原因となる物理的および化学的安定性
の低さで長く有名なものもある。融解した触媒を反応装
置から取り出すために、ダイナマイトで爆破しなければ
ならなかった事例もある。
現在入手可能なスチレン触媒は、主に、鉄の酸化物と
カリウムの酸化物から構成されており、それに少量の助
触媒が添加されているものもある。カリウムの働きは、
水とガスの反応を促進して、コークスのレイダウンを防
止することである。
酸化鉄の結晶構造の中にカリウムを入れると、物理的
な混合により得られるよりもさらに安定な構造になると
考えられる。スチレン製造設備で現在使用されている触
媒は、授業中にフェライトに換えることができるが、こ
れはベッドの収縮を引き起こす。このベッドの収縮は、
最初からフェライトを使用すれば避けることができるも
のである。このような授業中の交換は、さらに物理的な
性質の持続性に悪影響を与える。また、既知の触媒によ
り実証されている融解は、粒子と融解相との間隙への炭
化物または水酸化物の形へのカリウムの変化のせいであ
ると考えることができる。この現象に対して、フェライ
トは抵抗性を持つと考えられる。
ステンレス触媒の非活性化の原因は、少なくとも部分
的には、水ガス助触媒(K)の下流方向への緩慢な移動
とそれによる触媒上の定常的なコークス・レベルの増加
に帰すことができる。この移動は、水素添加システムに
おいてK2CO3と平衡状態にある比較的揮発しやすいKOHの
媒介により発生するものと信じられている、酸化鉄の結
晶構造中にカリウムを入れると、炭化物−水酸化物の平
衡を回避し、それによりプロセスの混乱に避け難く伴う
蒸気の発生による非活性化に対する抵抗性を付与するこ
とができるものと考えられる。
[課題を解決するための手段] 本発明は、スチレンの製造に使用するための、理想的
な触媒の条件を満足する触媒を提供する。触媒作用をす
る物質は、小薄板片状のK2Fe22O34である。この物質
は、酸化鉄と、無水炭化カリウムのようなカリウムの化
合物を、好ましくはFe:Kのモル比率を2〜11で、さらに
好ましくは約3:6で、完全に混合し、この混合物を900℃
またはそれ以上の温度で、少なくとも15分間焼くことに
より、製造する。
[作用] カリウムフェライトの使用は、スチレン生産者のいま
だ実現されない夢であった2つの特性を合せ持つ触媒を
提供する。触媒として安定なカリウムフェライトの高い
選択性は、システム内部でのCO2の燃焼と分圧を引き下
げる働きをする。安定なカリウムフェライト触媒は、ま
た、低CO2分圧による悪影響に対するより強い抵抗性を
持つ。すなわち、CO2の分圧が低いと、簡単な酸化物に
より、K2CO3-KOH平衡が、より揮発しやすい成分の方向
に移動し、カリウムが失われる比較ガ増大する。そのた
め、触媒の表面のコークス・レベルを一定に保ち、かつ
それにより得られる安定な活性を維持するには、より高
いS/H率が必要になる。カリウムフェライトは、CO2の分
圧に対するシステムの感度を引き下げるので、低S/H率
に対して安定な、しかも高い選択性を持つ触媒の開発へ
の道を開いた。
予め反応してフェライト状になった鉄およびカリウム
の酸化物は、従来の触媒には付き物であった収縮を起こ
さない、機械的に安定な触媒層を提供する。
本発明による触媒の特徴とその利点については、下記
の説明でより良く理解されるであろう。
[実施例] 酸化物は、カリウムの化合物と一緒に、スチレンの製
造における脱水素触媒として使用される。カリウムの化
合物の百分率は、5%〜30%の範囲である。本発明は、
予め反応させた鉄−カリウム化合物、例えば新規なカリ
ウム鉄フェライトのような化合物が、触媒内でのカリウ
ムにより安定な形を与え、それが触媒の安定性の増大
と、選択性およびS/H率の向上につながるのではないか
という仮定に基づく。さらに、予め反応させたカリウム
フェライトは、収縮に対する抵抗性がより大きく、触媒
の物理的が性質がより長く保持されることが期待され
た。
この明細書に記載したK2Fe22O34の好ましい製造方法
では、最初に、酸化鉄を、炭化カリウムのようなカリウ
ムの化合物と、好ましくはFe:Kのモル比率を2:11で、さ
らに好ましくは焼く3:6で、混合する。この混合物を、
次に、ロータリ・キルン内のような大気中、大気圧下
で、900℃またはそれ以上の温度で、少なくとも15分間
焼成する。この焼成により、小薄板片状のカリウムフェ
ライトができ、反応しなかった酸化鉄やカリウムの化合
物は混入物となる。
できた物質は、次に洗浄するのが好ましい。洗浄は、
固形物の割合3%〜20%(好ましくは10%)、温度20℃
〜75℃(好ましくは外気温度)で、空気の吹込みにより
または機械的に撹拌して、カリウムフェライトを水中で
懸濁させながら行なうのが望ましい。この段階におい
て、焼成により形成された粗い塊を粉砕するための粉砕
工程を設けることもできる。
洗浄された物質は、次に、回転真空濾過や加圧濾過に
より濾過して水で洗浄し、ロータリーキルンや連続ベル
ト・トンネル乾燥装置のような従来技術により乾燥させ
る。
洗浄後乾燥された物質は、直径約0.5μ〜5μ、厚さ
約0.1μ〜0.5μの形状の安定なカリウムフェライトK2Fe
22O34である。
このカリウムフェライトの実験的な製造は、次のよう
にして行なった。まず、酸化鉄と炭化カリウムを下記に
記載するようないろいろな割合で混合した。次に、この
混合物をいろいろな温度で焼成した。焼成した物質は、
次に、可溶性の成分を取り除くための洗浄等の種々の処
理を行なった。より詳細には、黄色の酸化鉄(ジオタイ
ト)と炭化カリウムの、モル比率Fe/K=1,3,6,11の混合
物を、800℃、900℃、1000℃を含むいろいろな温度で焼
成した。
実験は黄色酸化鉄と炭化カリウムを用いて行なった
が、黄色酸化鉄の代りに、他の酸化鉄、例えばヘマタイ
ト(赤鉄鉱)やマグネタイト(磁鉄鉱)あるいはその他
の鉄の化合物を使用できること、また、炭化カリウムの
代りに、水酸化カリウムや硫化カリウムのような他のカ
リウムの化合物を使用することができることは、当業者
には明らかであろう。実験的な生成物は、X線回折によ
る解析により化学的組成と結晶構造を調べた。また走査
型電子顕微鏡により、形態的な特徴を調べた。
焼成した物質中に安定なカリウム化合物が存在するこ
とを調べるために、次のようなテストを行なった。試料
(重量で10%)を水と混合し、この混合物を15分間煮沸
してから濾過して乾燥した。次に、炎光分光計により、
洗浄した物質中のカリウムの量を決定し、さらにFe:Kの
モル比を決定した。カリウムの化合物はたいてい水に溶
けるので、水洗後もFe:Kのモル比が小さいことは、安定
な相の形成を示唆する。
サンプル1−3 これらのサンプルは、Fe:Kのモル比が1の混合物をい
ろいろな温度で焼成して作った。下記の表は、X線回折
による解析と化学分析により決定された各サンプルの組
成を示す。
これらの条件の下で得られた物質は、緑色のカリウム
フェライト(K2Fe2O4)であり、この物質は、水による
抽出に対して不安定であった。この物質を外気にさらす
と、色が褐色に変った。水で抽出された後のサンプル
は、アモルファス(非晶質)であった。
例1〜3を、さらにSEM(走査型電子顕微鏡)により
調べた。例1は、丸い、集合した粒子を含んでいた。例
2と3は、高温による粒子の融解が進み、かつ粒子の大
きさが増大していた。
サンプル4−6 これらの例は、Fe:Kのモル比が3の混合物をいろいろ
な温度で焼成して作った。これらの例から得られた結果
は下表のとおりである。
これらの例は、比較的高い反応温度におけるK2Fe22O
34の形成と、この相の水による抽出に対する安定性を、
はっきりと示している。
800℃(例4)と900℃(例5)では、SEMの調査によ
り、粒子は、幾らか丸くなりかつ融解しているが、針状
の黄色酸化鉄の細長い形状を保っていることがわかっ
た。
例6(1,000℃)で物質は、大部分の粒子が、直径0.5
μ〜5.0μ、厚さ0.1μ〜0.5μの小板片形状であった。
例7−9 これらの例は、Fe:Kのモル比が6:1である以外は例4
〜6と同じようにして作り、テストした。その結果は下
表のとおりである。
例7は、脱水された黄色酸化鉄に典型的な丸い粒子を
含んでいた。例8は、いろいろな形の粒子を含んでい
た。例9は、例6のものと同じ大きさの小板片状の粒子
を含んでいた。水により洗浄した後の例9のサンプルの
顕微鏡写真を第1図に示す。
例10 例10は、Fe:Kのモル比が11の混合物を用い、焼成温度
1,000℃で、例4−6と同様にして準備された。
X線回折は、この物質が、水による抽出後、36%のK2
Fe22O34と、64%のヘマタイトを含むことを示した。
SEMは、この物質が、例6と9において見られた小板
片状の粒子と、黄色酸化鉄からできたヘマタイトに典型
的な丸みをおびた細長い粒子を含むことを示した。
例1〜10は、この小薄板片状のカリウムフェライトK2
Fe22O34の形成のために必要な組成と焼成温度の範囲を
はっきりと示している。
当業者は、より大きなFe:Kのモル比(例6〜11)によ
りK2Fe22O34の生成を促進することを考えるであろう
が、K2Fe22O34の生成のための本質的な条件は、例1〜1
0で決定することができる。
水で抽出した例6,9,10のサンプルに対して、さらに次
のテストを行なった。
これらのサンプルを、温度650℃で24時間水蒸気の雰
囲気をさらし、SEMっとX線回折により分析した。
水蒸気処理した例6のサンプルは、K2Fe22O3452%が
ヘマタイトに変化していたが、粒子の形態の変化は見ら
れなかった。
例8のサンプルも、粒子の形態の変化は見られなかっ
たが、K2Fe22O34の量が42%に減少しているのが観察さ
れた。
例10のサンプルは、X線回折の結果では、粒子の形態
にもK2Fe22O34の量にも変化は見られなかった。
これらの条件の下で粒子の形状が安定であることは、
触媒反応装置の条件下でも安定である可能性が高いこと
を示し、触媒性能が損われることなく持続し、また触媒
の収縮も少ないことを示唆している。
この明細では、実施例を用いてある程度具体的に説明
しているので、多くの変形が可能であることは明らかで
ある。
しかしながら、これらの実施例はあくまで本発明の説
明のために記載したものであり、本発明の範囲は、ここ
に記載した実施例により限定されるものでなく、特許請
求の範囲の記載によってのみ限定されるものであること
を理解されたい。
【図面の簡単な説明】
第1図は、水で抽出した後の安定なK2Fe22O34を示す倍
率1,000倍の走査型電子顕微鏡写真である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トーマス エス.クールセン ジュニア アメリカ合衆国 63129 ミズーリ州 セント・ルイス エメラルド ヒル コ ート 7247番地

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】直径約0.5μ〜5μ、厚さ約0.1μ〜0.5μ
    の薄い小板片の形状をしたK2Fe22O34を含む合成物。
  2. 【請求項2】(A) 酸化鉄とカリウムの化合物を混合
    し、 (B) ステップ(A)により準備された混合物を、少
    なくとも900℃の温度で、少なくとも約15分間焼成する K2Fe22O34の製造方法
  3. 【請求項3】ステップ(A)におけるFeとKのモル比
    (Fe/K)が2〜11である請求項2記載のK2Fe22O34の製
    造方法。
  4. 【請求項4】ステップ(B)により生成される物質を水
    洗するステップを含む請求項2記載のK2Fe22O34の製造
    方法。
  5. 【請求項5】生成された物質が、直径約0.5μ〜5μ、
    厚さ約0.1μ〜0.5μの薄い小板片の形状をしている請求
    項2記載のK2Fe22O34の製造方法。
  6. 【請求項6】ステップ(A)におけるカリウムの化合物
    が炭化カリウムである請求項2記載のK2Fe22O34の製造
    方法。
  7. 【請求項7】水洗後に得られる物質が約3%〜5%のカ
    リウムである請求項4記載のK2Fe22O34の製造方法。
JP63156051A 1987-06-25 1988-06-25 安定なK▲下2▼Fe▲下2▼▲下2▼O▲下3▼▲下4▼カリウムフェライト相およびその製造方法 Expired - Lifetime JP2695435B2 (ja)

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