JP2983740B2 - 触媒用担体組成物及びその調製方法 - Google Patents

触媒用担体組成物及びその調製方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、エチレンオキシドの製
造における銀含有触媒と一緒に有用である新規のアルフ
ァアルミナ担体に関する。
【0002】
【従来の技術】エチレンと分子状酸素とからエチレンオ
キシドを製造するための触媒は一般に、実質的にアルフ
ァアルミナでできた担体上に担持された銀を含んで成
る。このような触媒は典型的にはアルカリ金属で活性化
する。レニウム(若しくは硫黄を伴うレニウム)、モリ
ブデン、タングステン、及びクロムのような他の共活性
剤もまた利用できる。例えば米国特許第4,766,1
05号明細書(1988年8月23日発行)を参照され
たい。多くの研究が活性剤に集中してきた一方、最近で
は、アルミナ担体を改質して改良型触媒を製造する研究
に注力されている。
【0003】欧州特許出願第247,414号明細書
(1987年12月2日発行)は、アルファアルミナ担
体へのシリカの添加を開示している。米国特許第4,4
28,863号明細書(1984年1月31日発行)
は、アルミナ担体調製におけるアルミナ担体へのバリウ
ムアルミネートまたはバリウムシリケートの添加を開示
している。米国特許第4,728,634号明細書(1
988年3月1日発行)では、二酸化珪素及びアルカリ
金属塩を水及びアルミニウム化合物と混合し、そして焼
成してシリカ及びアルカリ金属を含有するアルファアル
ミナ担体を調製している。米国特許第4,874,73
9号明細書(1989年10月17日発行)では、スズ
化合物及びアルカリ金属化合物をアルファアルミナ担体
中に導入している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、少なくとも
約85重量%のアルファアルミナ、(酸化物として定量
して)約0.01〜約6重量%のアルカリ土類金属酸化
物(好ましいシリケートのような混合酸化物を含有する
ことが定義されている)、(シリカとして定量して)
0.01〜約5重量%の珪素酸化物(シリケートのよう
な混合酸化物を含む)、及び(酸化物として定量して)
0〜約10重量%のジルコニウム酸化物を含んで成るア
ルファアルミナ基材の担体に関する。
【0005】好ましい担体組成物は、単一化合物形のア
ルカリ土類金属及び珪素含有化合物、すなわちアルカリ
土類金属シリケートを含んで成る。該アルカリ土類金属
シリケートは、加熱によりアルカリ土類金属酸化物へと
分解する化合物とシリカ若しくはシリカ生成化合物との
反応(最終組成物中に残留性の塩基可溶性(base-solub
le) シリカを本質的にまったく残さないように、生成し
た該酸化物の量は該シリカの化学量論量を上回る)によ
って現場で生成するか、あるいは原料成分として添加す
ることができる。
【0006】該触媒のアルカリ土類金属成分はマグネシ
ウム、カルシウム、ストロンチウム、及びバリウムから
選択されうるが、カルシウム及びマグネシウムが好まし
い実施態様であり、そしてカルシウムが最も好ましい。
本発明のさらなる記述では、簡便のため、しばしばカル
シウムの態様について参照することとする。
【0007】好ましい担体は、粉末状のアルファアルミ
ナ、カルシウムシリケート、及びジルコニアを水及びバ
インダー及び/または完全燃焼剤(burnout material)
と混合して混合物を調製し、次いで該混合物を押出して
約1350℃〜約1500℃の温度範囲で焼成すること
によって調製することができる。
【0008】
【課題を解決するための手段、作用、及び効果】本発明
の新規担体は、高純度アルファアルミナ粉末、アルカリ
土類金属酸化物を提供する化合物、シリカを提供する化
合物、ジルコニアを提供する化合物(任意成分)、及び
従来のバインダー/完全燃焼剤から調製できる。
【0009】担体調製に用いられるアルファアルミナの
純度は約98%、好ましくは約98.5%を上回り、そ
してソーダ不純物含量は0.02〜0.06重量%のよ
うに約0.06重量%未満である。該アルミナは、好ま
しくは約0.5〜約5ミクロン、より好ましくは約1〜
約4ミクロンの平均粒度を示す微粉末状である。約0.
1〜約5ミクロン、より好ましくは約2〜約4ミクロン
でありうる平均微結晶寸法は、いくつかの微結晶の最大
寸法を測定してその平均をとることによって決定した。
該アルファアルミナは、焼成した担体において、全担体
の約85重量%、好ましくは90重量%、より好ましく
は95重量%を上回る量で存在する。
【0010】本発明の担体組成物のアルカリ土類金属成
分は、(酸化物、MO、として定量して)担体重量の
0.01〜約6重量%、好ましくは約0.03〜約5.
0重量%、とりわけ約0.05〜約4.0重量%を示す
量で存在することができる。該アルカリ土類金属がカル
シウムまたはマグネシウムである場合には、0.05〜
2重量%の量で存在することが好ましい。シリケートが
現場で生成する場合には、これらの制限に留意しながら
且つ最終組成物中に塩基可溶性シリカが存在しないよう
に、使用する成分の重量を選択すべきである。
【0011】本発明の担体を製造するのに使用可能なア
ルカリ土類金属化合物は、焼成時に酸化物に分解可能で
あるかまたは酸化物を生成する酸化物または化合物であ
る。例としてカーボネート、ニトレート、及びカルボキ
シレートが挙げられる。他の適当な化合物には、それら
自体の酸化物、及びアルミネート、シリケート、アルミ
ノシリケート、ジルコネートなどのような混合酸化物が
含まれる。好ましい化合物は酸化カルシウム及びカルシ
ウムシリケートである。
【0012】本発明の担体を製造するのに使用される珪
素化合物は、焼成時に酸化物へ分解可能な酸化物または
化合物である。適当な化合物には、二酸化珪素自体、並
びにアルカリ土類金属シリケート、ジルコニウムシリケ
ート、ゼオライトのようなアルミノシリケート、加水分
解性珪素化合物、ポリシロキサンなどのような混合酸化
物が含まれる。該化合物は、最終担体組成物において、
(シリカとして定量して)約0.01〜約5.0重量%
(例えば約0.03〜約4.0重量%)、そして最も好
ましくは、約0.05〜約3.0重量%を与えるように
使用すべきである。
【0013】ジルコニア成分は、担体重量基準で約0.
01〜約10.0重量%(例えば約0.3〜約5.0重
量%)、そしてとりわけ約0.05〜約2.0重量%で
ある量で存在することが好ましい。ジルコニアが現場で
生成する場合には、これらの変数範囲内の最終比率を与
えるように使用量を選択すべきである。
【0014】本発明の担体を製造するのに用いることが
できるジルコニウム化合物は、焼成時に酸化物へ分解可
能であるかまたは酸化物を生成する酸化物または化合物
である。例としてカーボネート、ニトレート、及びカル
ボキシレートが挙げられる。適当な化合物には、ジルコ
ニウムニトレート、二酸化ジルコニウム、並びにジルコ
ニウムシリケート、ジルコニウムアルミノシリケート、
ジルコネートなどのような混合酸化物が含まれる。好ま
しい化合物は二酸化ジルコニウムである。
【0015】アルファアルミナ粉末をカルシウムシリケ
ート自体と混合することが最も好ましいが、上述のよう
に、酸化カルシウム生成化合物とシリカまたはシリカ生
成化合物とを、加熱したときに塩基可溶性シリカが本質
的に残存することなくカルシウムシリケートを生成させ
るような比率で使用することもまた可能である。これら
成分を、ジルコニアまたはジルコニア生成化合物(存在
する場合)、完全燃焼剤/結合剤、及び水と混合し、成
形付形し、そして焼成する。
【0016】完全燃焼剤は、焼成時に担体から完全に除
去されて、該担体中に制御された気孔が残るように混合
物に添加される材料である。これらの材料は、コーク
ス、炭素粉末、グラファイト、(ポリエチレン、ポリス
チレン、及びポリカーボネートのような)粉末プラスチ
ック、ロジン、セルロース及びセルロース基材料、おが
屑、並びに粉砕堅果穀(例、ペカン(pecan)、カシュ
ー、くるみ、及びむらさきはしばみの殻)のような他の
植物材料、のような炭質材料である。炭素基材結合剤も
また完全燃焼剤として役に立つことができる。該完全燃
焼剤は、好ましくは約0.2〜0.6cc/g の範囲の水
孔体積を示す最終担体を提供するような量及び寸法分布
で供給される。好ましい完全燃焼剤は、粉砕堅果穀のよ
うなセルロース由来材料である。
【0017】本明細書において用いられている「結合
剤」とは、該担体の各種成分を焼成前に一緒に保持して
押出可能なペーストを形成させる試薬、すなわちいわゆ
る低温結合剤を意味する。該結合剤はまた、滑性を付与
することによって押出工程を容易にせしめる。典型的結
合剤には、特に硝酸または酢酸のようなペプタイザー
(peptizing agent )と組合せたアルミナゲルが含まれ
る。さらに適当な結合剤は完全燃焼剤としても働きうる
炭素基材料であり、セルロース、(メチルセルロース、
エチルセルロース、及びカルボキシエチルセルロースの
ような)置換セルロース、有機ステアレートエステル
(例、メチルまたはエチルステアレート)、ワックス、
ポリオレフィンオキシドなどが含まれる。好ましい結合
剤はポリオレフィンオキシドである。
【0018】カルシウムシリケートの使用は、上述の制
限内で直接調製されるかまたは現場で調製されるかのど
ちらにせよ、従来の結合剤に存在するシリカよりも少な
い全体量のシリカを含有する結合剤の使用を可能にす
る。それはまた、クレー、ベントナイトなどに存在する
場合に特に有害な量のナトリウム、鉄、及び/またはカ
リウムの不純物を典型的に含有する過剰の二酸化珪素を
回避することをも可能にする。
【0019】ジルコニアの役割(使用した場合)は完全
には理解されていないが、特定の部分酸化触媒配合を安
定化するようである。カルシウムシリケートもまた、こ
れを含まずに加熱した場合には混合相を単斜晶形に回復
させてしまう代わりに、より活性な正方晶形にあるジル
コニアの少なくとも一部を安定化するようである。
【0020】担体成分を例えばミリングによって一緒に
混合した後、該混合材料を、付形ペレット例えば円筒
体、環体、三葉体、四葉体などに押出する。該押出材料
を乾燥して、焼成中に水蒸気に変化しそして該押出付形
体の物理的集結性を破壊しかねない水分を除去する。典
型的には、乾燥及び焼成工程は、時間及び温度を適当に
プログラムすることによって一段階にまとめられる。焼
成は、完全燃焼剤及び結合剤を除去し且つアルファアル
ミナ粒子を多孔質の硬質塊へと溶融させるのに十分な条
件下で行われる。焼成は酸化雰囲気中、例えば酸素ガス
または好ましくは空気中で、1300℃以上の、好まし
くは約1350℃〜約1500℃の最高温度において典
型的には行われる。これらの最高温度における時間は約
0.5〜約200分の範囲にあることができる。
【0021】焼成した担体は典型的には、約0.2〜約
0.6cc/g、より好ましくは約0.3〜約0.5c
c/gの範囲の水孔体積、及び約0.15〜約3.0m
/g、好ましくは約0.3〜約2.0m/gの範囲
の表面積を示す。
【0022】該担体配合物は、約0.06重量%未満の
低いソーダ含量を示すことが好ましい。実際にはナトリ
ウムを含まない配合物を得ることは困難であり、約0.
02〜0.06重量%のソーダ含量は通常許容できるこ
とがわかっている。
【0023】上述の担体は、高初期選択率及び長期寿命
(高安定性)を有するエチレンオキシド触媒を製造する
のに特に適している。
【0024】本発明による担体に担持された銀触媒の好
ましい適用において、酸素含有ガスを該触媒/担体の存
在下約180℃〜約330℃、好ましくは約200℃〜
約325℃の温度範囲でエチレンと接触させるとエチレ
ンオキシドが製造される。
【0025】本明細書及び特許請求の範囲に示した範囲
及び限定は、本発明を特に指摘し且つ明確に請求するた
めのものであると考えられる。しかしながら、実質的に
同じ方法で実質的に同等の機能を行い同等のまたは実質
的に同等の結果を得る他の範囲及び限定は、本明細書及
び特許請求の範囲によって規定した本発明の範囲内にあ
ると意図されていることが理解される。
【0026】
【実施例】担体の調製 担体A: 以下に記載した特性を示すアルファアルミナ粉末を用い
て担体を調製した。 メジアン粒度 3.0〜3.4ミクロン 平均微結晶寸法 1.8〜2.2ミクロン ソーダ含量 0.02〜0.06重量% この粉末を用いて以下のセラミック成分を有する配合物
を調製した。 アルファアルミナ 98.8% ジルコニア 1.0% カルシウムシリケート 0.2% この配合物重量を基準として、以下の成分を添加した。 完全燃焼剤(くるみ穀粉) 25.0% ホウ酸 0.1% 押出助剤(ポリオレフィンオキシド) 5.0% 上記成分を45秒間混合した後、十分量の水(実際は約
30%)を加えて押出可能な混合物を得て、さらに4分
間混合を継続した。この時点で、(セラミック成分の重
量を基準として)5%のワセリンを加えて、混合をさら
に3分間継続した。
【0027】この材料を5/16×5/16インチの中
空円筒形に押出して、湿分が2%未満になるまで乾燥し
た。次いでこれらをトンネルキルン内で1390℃の最
高温度で約4時間焼成した。
【0028】この方法で処理した後の担体は以下の特性
を示した。 吸水度 40.8% 圧縮強度 18.7lbs. 表面積 0.56m2/g 全気孔体積(Hg) 0.43cc/g メジアン気孔直径 4.6ミクロン (硝酸で)抽出可能なカチオン Na 141ppm K 55ppm Ca 802ppm Al 573ppm SiO2 1600ppm 別の出発原料を使用した以外、上述の方法に類似した方
法で別の担体を調製した。別の出発アルミナ原料の特性
を以下に示す。 アルミナ(番号#11及び#49)の特性 #11 #49 メジアン粒度 3.0〜3.6ミクロン 3.0〜4.0ミクロン 平均微結晶寸法 1.6〜1.8ミクロン 1.0〜1.4ミクロン ソーダ含量 0.02〜0.06重量% 0.02〜0.06重量%
【0029】表1に、水孔体積、表面積、及び焼成温度
を示す。他の出発原料及びその量については表2に示
す。比較用担体は、ジルコニア及びカルシウムシリケー
トを加えないこと以外、担体Aについて上述した同じ方
法でアルミナ番号#10を使用して調製した。この比較
用担体はCom−Aとして表し、その特性を以下の表1
に示す。
【0030】
【表1】
【0031】
【表2】
【0032】触媒の製造 上述の担体Aは好ましい担体であり、これを用いてエチ
レンオキシド触媒を製造した。水及びエチレンジアミン
の溶液中に、蓚酸銀、水酸化セシウム、過レニウム酸ア
ンモニウム、硫酸リチウム、及び硝酸リチウムを十分な
量で溶解して、(担体の乾燥重量を基準として)13.
2重量%の銀、440ppm のセシウム、1.5マイクロ
モル/gの過レニウム酸アンモニウム、1.5マイクロ
モル/gの硫酸リチウム、及び4マイクロモル/gの硝
酸リチウムを含浸担体に提供した。およそ30gの担体
を室温で25mmの減圧下、3分間置いた。次いで約50
gの含浸溶液を導入して該担体を浸積し、そして減圧を
25mmでさらに3分間維持した。時間終了後、減圧を解
除し、そして過剰の含浸溶液を500rpm で2分間遠心
分離して除去した。次いで含浸担体を8495.04リ
ットル/時(300cu.ft./hr)の空気流において25
0℃で5分間連続的に振ることによって硬化した。硬化
した触媒(C−A′として表される)は試験用である。
【0033】該触媒の実際の銀含量は、文献にあるいく
つかの標準的手順のいずれかによって定量することがで
きる。上述の方法で製造した触媒の実際のレニウム濃度
は、20mMの水酸化ナトリウム水溶液で抽出し、続いて
該抽出液中のレニウムを分光光度定量することによって
決定できる。該触媒の実際のセシウム濃度は、触媒の製
造においてセシウムの放射性同位体で標識した水酸化セ
シウム原料溶液を使用し、次いで該触媒の放射能を測定
することにより定量できる。代わりに、該触媒を沸騰脱
イオン水で抽出することによって該触媒のセシウム含量
を定量することができる。この抽出法では、10gの触
媒全体を20mlの沸騰水に5分間入れることによって触
媒を抽出し、これをさらに2回繰り返し、これらの抽出
液を混合し、そして原子吸光分光分析法(Varian Techt
ron Model 1200または同等の装置を用いる)を採用して
アルカリ金属標準溶液と比較することによって存在する
アルカリ金属を定量し、セシウム並びに他のアルカリ金
属を測定する。水抽出法により定量された触媒のセシウ
ム含量は放射性トレーサー法により定量された触媒のセ
シウム含量よりも低い値になることに注意すべきであ
る。
【0034】表1及び2に記載した担体を用いて表3記
載の触媒を製造した。C−A及びC−A′は担体Aを用
いて製造した触媒を意味し、C−B及びC−B′は担体
Bを用いて製造した触媒を意味する。
【0035】
【表3】
【0036】以下の記載は、エチレン及び酸素からエチ
レンオキシドを製造するための触媒を評価するのに用い
た標準的微小反応器触媒試験条件及び手順に関するもの
である。
【0037】3〜5gの破砕した触媒(14〜20メッ
シュ)を直径0.23インチのステンレススチール製U
字管に充填した。該U字管を溶融金属浴(熱媒体)中に
浸し、そして両端をガスフロー装置に接続した。用いた
触媒重量及び流入ガス流速は、1時間当り触媒1ccにつ
きガス3300ccのガス体積速度が達成されるように調
節した。流入ガス圧は210psigとした。
【0038】(始動を含む)すべての試験実験における
(一過性作業において)該触媒床を通過するガス混合物
は、エチレン30%、酸素8.5%、二酸化炭素5〜7
%、窒素54.5%、及び塩化エチル0.5〜5ppm か
ら成るものとした。
【0039】初期反応器(熱媒体)温度は180℃とし
た。この初期温度で1時間後、温度を190℃に上昇さ
せて1時間、続いて200℃(1時間)、220℃(1
時間)、227℃(2時間)、235℃(2時間)、及
び242℃(2時間)と上昇させた。次いで温度を、4
0%の一定酸素転化レベルを達成するように調節した
(T40)。調節器レベルを変化させ、各レベルにおいて
4〜24時間実験して、最大選択率に対する最適な調節
器レベルを決定した。最適調節レベル及びT40における
性能データは通常、該触媒が約24時間全体について運
転中であった場合に得られたものであり、そして以下の
例に提供する。供給ガス組成、ガス流速、並びに供給及
び生成ガス組成物を定量するために用いた分析装置の校
正において若干の差異があるため、一定の触媒について
測定した選択率及び活性は実験毎に若干変化しうる。
【0040】別の時に試験した触媒の性能比較を意味あ
るものとするために、この例示的実施態様において記述
したすべての触媒は標準対照触媒を用いて同時に試験し
た。この例示的実施態様において報告したすべての性能
データは、対照触媒の平均初期性能(S40=81.0
%及びT40=230℃)に一致するように補正した。
ここで、S 40 は40%の一定酸素転化レベルを達成す
るように調節した場合のエチレンオキシドの選択率を表
す。
【0041】先に製造した触媒を上述の手順で試験し、
その結果を表4に示した。
【0042】
【表4】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 パトリック エフ.マロン アメリカ合衆国,アリゾナ 85076− 0514,フェニックス,ピー.オー.ボッ クス 50514 (56)参考文献 特公 昭61−59178(JP,B2) 欧州特許出願公開150238(EP,A 1) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) B01J 21/00 - 38/74

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも85重量%のアルファアルミ
    ナ、(酸化物として定量して)0.05〜6重量%のカ
    ルシウム酸化物又はマグネシウム酸化物、(シリカとし
    て定量して)0.05〜5重量%の珪素酸化物及び(酸
    化物として定量して)0.01〜10重量%のジルコニ
    ウム酸化物を含んで成る、エチレンオキシド製造用触媒
    担体
  2. 【請求項2】 少なくとも85重量%のアルファアルミ
    ナ、0.05〜6重量%のカルシウムシリケート又はマ
    グネシウムシリケート及び0.01〜10重量%のジル
    コニウム酸化物を含んで成る、請求項1に記載の触媒担
    体を製造するための担体組成物。
  3. 【請求項3】 少なくとも95重量%のアルファアルミ
    ナ、0.05〜4重量%のカルシウムシリケート及び
    0.3〜5重量%のジルコニウム酸化物を含んで成る、
    請求項2に記載の担体組成物。
  4. 【請求項4】 0.15〜3平方メートル/gの表面積
    及び0.2〜0.6立方センチメートル/gの水孔体積
    を有する、請求項2又は請求項3に記載の担体組成物。
  5. 【請求項5】 塩基可溶性シリカを実質的に含まない、
    請求項2〜4のいずれか一項に記載の担体組成物。
  6. 【請求項6】 前記アルミナのソーダ含量が0.06重
    量%未満である、請求項2〜5のいずれか一項に記載の
    担体組成物。
  7. 【請求項7】 (a) (i)98%を上回る純度及び
    0.1〜5μmの平均微結晶寸法を有するアルファアル
    ミナ粉末と、 (ii)焼成時に酸化物へ分解可能であるか又は酸化物を
    生成するカルシウム酸化物若しくはマグネシウム酸化物
    又はカルシウム化合物若しくはマグネシウム化合物と、 (iii)焼成時に酸化物へ分解可能であるか又は酸化物を
    生成する珪素酸化物又は珪素化合物と、 (iv)焼成時に酸化物へ分解可能であるか又は酸化物を
    生成するジルコニウム酸化物又はジルコニウム化合物と
    を、 最終担体中に85重量%を上回る量のアルファアルミ
    ナ、0.05〜6重量%の量のカルシウム酸化物又はマ
    グネシウム酸化物、0.05〜5重量%の量の珪素酸化
    物及び0.01〜10重量%の量のジルコニウム酸化物
    を提供するに十分な量の水及びバインダー/完全燃焼剤
    と混合する工程; (b)前記工程(a)で得られた混合物を押出成形して
    ペレットを形成する工程;並びに (c)前記ペレットを1300℃を上回る温度で、0.
    3〜2平方メートル/gの表面積及び0.2〜0.6立
    方センチメートル/gの水孔体積を有する担体が得られ
    るに十分な時間焼成する工程、 を含んで成る、エチレンオキシド製造用触媒担体の製造
    方法。
  8. 【請求項8】 少なくとも90重量%のアルミナ、0.
    03〜5重量%のカルシウム酸化物又はマグネシウム酸
    化物、0.05〜4重量%の珪素酸化物及び0.3〜5
    重量%のジルコニウム酸化物を含んで成る担体組成物が
    得られるように前記成分量を選択するに際し、前記成分
    の相対比率を最終担体組成物中に塩基可溶性シリカが実
    質的に含まれないように選択する、請求項7に記載の方
    法。
  9. 【請求項9】 前記カルシウム化合物又はマグネシウム
    化合物及び前記珪素酸化物が、焼成後に単一化合物形で
    存在するように選択される、請求項7又は請求項8に記
    載の方法。
  10. 【請求項10】 (a)最終担体中に95重量%を上回
    る量のアルファアルミナ、0.05〜4重量%の量のカ
    ルシウムシリケート及び0.3〜5重量%の量のジルコ
    ニウム酸化物を提供するに十分な量の水及びバインダー
    /完全燃焼剤を混合する工程; (b)前記工程(a)で得られた混合物を押出成形して
    ペレットを作製する工程;並びに (c)前記ペレットを1300℃を上回る温度で、0.
    3〜2平方メートル/gの表面積及び0.2〜0.6立
    方センチメートル/gの水孔体積を有する担体が得られ
    るに十分な時間焼成する工程、 を含んで成る、エチレンオキシド製造用のレニウム活性
    化銀系触媒用担体の製造方法。
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