JP3256237B2 - 触媒担体 - Google Patents
触媒担体Info
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- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
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- B01J21/02—Boron or aluminium; Oxides or hydroxides thereof
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- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
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- Catalysts (AREA)
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- Compounds Of Alkaline-Earth Elements, Aluminum Or Rare-Earth Metals (AREA)
Description
応で使用する金属及び金属酸化物触媒成分のための支持
体として使用することができるアルミナを基にした触媒
担体に関する。
許第5100859号、第5055442号、第5037794号及び第48747
39号各明細書を含めた多数の特許明細書に以前から記載
されている。そのような担体には触媒分野の幅広い様々
な潜在的用途があり、アルミナ基材がαアルミナである
場合に殊に有効である。
くとも最小限の表面積と、高い水吸収性と、そして破砕
強度を、兼ね備えることが必要である。問題は、通常は
一つが増大すると別の性質が低下することになりかねな
いということである。従って、破砕強度が高くなること
は細孔度が低くなることを意味しかねない。試行錯誤で
バランスを達成することがよくあり、触媒担体をそのほ
かの化学プロセス技術よりも一層予測できないものにし
ている。
を設計する方法が見いだされた。本発明の担体は、それ
らを触媒用途の範囲に対して理想的なものにする、破砕
強度、耐摩耗性、多孔性及び触媒性能の優れたバランス
を有する。それらはαアルミナを基にしており、そして
それらを作る新しい方法が高い多孔性と優れた破砕強度
を保証する。
(コンプトン引張試験機(Compton Tensile Tester)、
モデル50−OPで測定して)と少なくとも38ポンド/ft
3(608kg/m3)の沈降(settled)充填密度(内径が3.75
インチ(9.53cm)、長さが18インチ(45.7cm)のシリン
ダーを使用することにより改変した、ASTM D−4699−87
により測定して)を有し、第一及び第二のαアルミナ成
分を含んでいて、第一のアルミナ成分は平均の微結晶寸
法が約0.4〜約4μmである粒子の形をしていて担体中
のαアルミナの総重量の約95〜約40%を構成し、そして
第二のαアルミナ成分はゾルゲル法によりその場で生成
されて担体中のαアルミナの残部となる、αアルミナを
基にした新しい触媒担体を提供する。
存在する前もって生成されたαアルミナ粒子からたやす
く区別される。担体の顕微鏡写真において、この前もっ
て生成されたαアルミナは、内部に多孔性のないはっき
りと見分けることができる個別の粒子として見えてく
る。対照的に、その場で生成されたゾルゲルαアルミナ
は込み入った構造を持ち、すなわちそれははっきりと境
界の定まった粒子構造と大きな多孔性を持たない。
て、下記のi)〜iii)を含む方法も含む。
αアルミナ成分。
量%を供給するのに十分な量のαアルミナの水和された
前駆物質。
rnout)物質。
ジアン粒子寸法が3〜8μmのαアルミナ粒子が当該種
入り前駆物質から得られたαアルミナのマトリックス中
に分散された触媒担体ができるように、αアルミナに変
えること。
の他を含めて、所望の物理的性質に寄与するよう選ばれ
た多数のαアルミナ成分を含むことができる。しばし
ば、二つの異なるαアルミナの組み合わせが好ましく、
粒子が大きい方の一方の成分を粒子が小さい方の第二の
成分と、10:90から90:10までの重量比でもって混合す
る。これの目的は、完成した生成物において表面積(こ
の書類において言及する「表面積」は窒素又はクリプト
ンを吸着されるガスとして用いて測定されたBET表面積
を意味するものと理解される)を0.4〜5m2/gにすること
である。完成した担体における表面積は自由なアルミナ
粒子についてよりもいくらか少ない。このように、使い
やすい混合物は、例えば二つのタイプのαアルミナ粒子
を含むことができ、第一のものは表面積が約1m2/g、そ
して第二のものは表面積が3〜5m2/gである。
にするが、前駆物質がベーマイトと例えばジブサイト又
はバイヤライトといったようなアルミナ三水和物との混
合物を含む場合にも良好な結果が得られる。そのような
混合物を使用する場合には、一水和物(ベーマイト)の
三水和物に対する重量比として1:10から1:3までの比
を、より好ましくは1:8から1:4までの比を、使用するの
がしばしば好ましい。ゾルが水を加えることで前駆物質
から生成される場合、サブミクロンの粒子寸法の種物質
も加えることが好ましいことがよくある。これには、α
アルミナへの転移が起きる温度を低下させる効果があ
り、変態により生成されるαアルミナの結晶の大きさを
低下させる。
転移温度を低下させるよう前駆物質において核形成部位
を生じさせるのに有効である任意の物質でよい。この目
標を達成する種は、一般に、αアルミナ自体と同じ結晶
格子タイプと、そしてαアルミナの格子寸法とそれほど
違わない格子寸法とを有する。明らかに、最も都合のよ
い種はαアルミナ自体であり、そしてαアルミナのサブ
ミクロンの大きさの粒子がより好ましい種である。とは
言え、例えばα酸化第二鉄や酸化クロム、またチタンの
ある種の複合酸化物(complex oxide)といったよう
な、他の種を使用することが可能である。
押出した混合物を焼成すると、焼成中にそれを長期間高
温に維持しない限り、種入り前駆物質が混合されるαア
ルミナよりはるかに細かい結晶寸法を一般的に有する。
製造されたままでは、種入りゾルゲル物質はサブミクロ
ンの結晶構造を持つが、それを長い時間1400℃を超える
温度に保持すると、結晶の成長が始まり、そして大きさ
の区別はそれほど明らかでなくなることがある。
であり、より望ましくは60〜75%である。多孔度は表面
積に関係し、そしてそれは好ましくは0.4〜5m2/g、より
好ましくは0.6〜1.2m2/gである。
の0.05〜1.0%、より好ましくは0.08〜0.6%に相当する
量のチタニアを加えるのが有利であることがしばしば認
められる。ある種の形態のアルミナ及び結合剤物質は、
不純物あるいは構成成分としてチタニアを含有している
こともある。そのような形態のチタニアの寄与は、先に
規定した量には含まれていない。チタニアは二酸化物と
して、チタネートとして、あるいはチタニアの前駆物質
として加えることができる。下記の説明においては、全
ての上記のオプションは「チタニア」なる用語のもとに
包含されるものと理解される。チタニアは、種入り前駆
物質の転化の結果として生成されたαアルミナにおいて
ある種の結晶成長抑止剤として機能することができると
信じられる。従って、この可能性において作用すること
のできるようなこのほかの物質、例えばジルコニアやマ
グネシアといったものがチタニアに代わるものとして有
効であろうことを予想することができる。
gといったように比較的大きい粉体の形態をしている。
実際のところ、好ましいチタニアは、ルチル構造は普通
もっとはるかに小さい表面積を持つので無定形又はアナ
ターゼの構造を有する。商業的な顔料グレードのチタニ
アがしばしば良好な結果をもたらすことができる。
た範囲のうちの小さい方にあることがじばしば認められ
る。このより小さい表面積にもかかわらず、そのような
担体は、その担体に担持された触媒の性能に関して良好
な結果を与える。
で、αアルミナ粒子の残りを一緒に保持するマトリック
ス結合剤として働くように思われるであろうけれども、
通常は、混合物にセラミック結合剤物質を加えて焼成さ
れた担体に強度を付加するのが好ましい。通常のセラミ
ック結合剤物質を使用することができ、そして焼成後に
は、これらは典型的に、(酸化物として表現して)例え
ばシリカ、アルミナ、アルカリ土類金属酸化物、アルカ
リ金属酸化物、酸化鉄及び酸化チタンといったような成
分を含み、最初の二つが主要な成分である。
のような避けがたい限定も意味するものではない以下の
例を参照して、本発明を更に説明する。
れる担体の調製を詳しく説明する。
みの殻の粉)及びホウ酸と約1分間混合する。水と種成
分を加え、水は混合物を押出し可能にするのに必要な量
とする。一般に、これは約30重量%である。混合物を約
2〜4分間混合し、次いでセラミック成分の重量を基に
して約5重量%のワセリンを押出し助剤として加える。
それから、混合物を更に2〜4分間混合してから中空の
円筒の形で押出して、未結合の水が2%未満になるまで
乾燥させる。次に、これらをトンネルキルン内で約1500
℃の最高温度で約4時間焼成する。
合(表1)とそれらの物理的性質及び標準的な市販の触
媒と組み合わせて酸化エチレンを製造するのに使用した
ときの触媒性能(表2)に関して説明する。この性能
は、同じ触媒を使用する標準的な市販の触媒/担体の組
み合わせと比べられる。
れらのセラミック成分の100%を基にしている。
る。
ET表面積が約0.9〜約1.4m2/g、微結晶寸法が1.6〜2.2μ
m、そしてソーダ含有量が0.02〜0.06%である市販のα
アルミナである。
表面積が3.0〜5.0m2/g、微結晶寸法が0.4〜0.8μm、そ
してソーダ含有量が0.1〜0.3%であるαアルミナであ
る。
びベーマイト前駆物質のための種として使用したαアル
ミナである。そのメジアン粒子寸法は0.1μm未満であ
った。
であり、ベーマイトはゾルとして分散可能であった。セ
ラミック結合剤は、次に述べるおおよその割合でもって
成分(酸化物として表したもの)を含有していた。それ
らの成分と割合は、シリカが60%、アルミナが29%、酸
化カルシウムが3%、マグネシアが2%、アルカリ金属
酸化物が4%、そして酸化第二鉄とチタニアがおのおの
1%未満であった。
通して使用される一定の測定基準を含んでいる。これら
が別に説明されない場合には、それらは以下に説明する
意味を持つ。
配合物を使って測定され、そして標準の担体上の同じ標
準的触媒により示される選択率に対して評価される。各
々の場合において、エチレン、酸素及び不活性ガスを含
有しておりそしてエチレンを25容量%含んでいる標準の
ガス流を触媒に流した。標準の条件は、この流れの酸素
含有量の40%が転化するものである。明らかに、標準の
選択率を小さい量であっても超えることができる場合、
これは有利なことである。より低い温度においてそれを
達成することができるならば、これはより一層魅力的で
ある。
いて、230℃の反応温度での選択率が81.2%であった。
上記の表2は2回の実験の平均を示している。掲げられ
た最初の数字は、標準の触媒/担体の組み合わせを上回
る選択率の増加を百分率のポイント数で示しており、二
番目の数字はその選択率の数字が得られた温度差を度数
で指示している。従って、例えば、「+1/−4」は、選
択率が標準より1%良好であったこと、そしてこれが標
準の触媒/担体が効果を現した温度よりも4℃低くて達
成されたことを示す。
99−87によって、あるいは同等のものによって測定され
た沈降充填密度である。
は、上述のように測定される。
て測定した触媒重量損失の量である。
て測定したBET表面積である。
のより高い選択率を可能にする一方、より低い温度で効
果を現す。これらの改良は極めて重要であると考えられ
る。
得られた成分の存在することの効果を調べる。
的性質と選択率(例2におけるように評価したもの)を
表4に示す。
ている)は本発明による担体である。他方は比較の目的
で示される。使用したアルミナは表1に示したとおりで
ある。両方の配合において、混合物を押出し可能にする
ため水を加えた(約30%)。表の最後の三つの成分の重
量は100重量部のセラミック成分を基にしている。
明したように測定した。水吸収率は、水に浸漬しそして
秤量後の担体の重量増加の測定値である。
成分の存在することにより有意に増加する一方、1.1m2/
gを上回る表面積を維持していることを示している。本
発明の担体に担持された標準的触媒の選択率は、標準よ
りわずかに良好であるが、ゾルゲル成分なしの担体に担
持された同じ触媒よりも有意に良好である。従って、こ
の担体は、種成分なしで作られた担体よりも長い寿命を
持つものと期待することができる。
価した担体の性能を説明する。
面積が約1m2/gであるαアルミナ粒子を40重量%、ジブ
サイトを52.1重量%、メジアン粒子寸法が約0.1μm未
満のαアルミナ種粒子を0.9%、ベーマイトを6重量
%、セラミック結合剤を1重量%、そしてギ酸を2.4%
含んでいた。
石油ゼリー及びホウ酸)を含んでいて、また当該配合物
を押出し可能にするための水を加えた。
(6.90N)、充填密度は51.2lb/ft3(820.2kg/m3)であ
った。これらの性質は全て、例2で説明したように測定
される。
ころ、選択率が0.5上昇していて、これが標準について
よりも3℃低い温度で得られた。
ることの効果を説明する。使用した配合物は表5に示さ
れ、また性質は表6に記載される。
「G」の担体は1480℃で焼成した。これらの成分は全て
表2に記載されているとおりであった。酸化チタンは水
和された形態であって、表面積が約250m2/gであった。
表し、そして「C.S.」は破砕強度を表している。これら
の全てと選択率は上記のとおりに測定される。
温で接触させる様々な触媒用途において有効である。石
油化学産業にはそのようなプロセスがたくさんあるが、
本発明の担体はエチレンと酸素を含むガス流から触媒に
より酸化エチレンを生成するのに特に適当であることが
証明されている。しかしながら、本発明の用途はそのよ
うに限定されるものではない。
下記の表7に示す。使用した混合法は次のとおりであっ
た。セラミック成分を焼尽性物質(くるみ殻の粉)及び
ホウ酸と約1分間混合する。水と種成分を加え、この水
は混合物を押出し可能にする量とする。一般にこれは約
30重量%である。混合物を約2〜4分間混合し、そして
次にセラミック成分の重量を基にして約5重量%のワセ
リンを押出し助剤として加える。次いで、この混合物を
更に2〜4分間混合してから、中空円筒の形で押出し、
そして未結合の水が2%未満になるまで乾燥させる。次
にこれらをトンネルキルンでもって、約1500℃の最高温
度で約4時間焼成した。
ET表面積が約0.9〜約1.4m2/g、微結晶寸法が1.6〜2.2μ
m、そしてソーダ含有量が0.02〜0.06%である市販のα
アルミナである。
表面積が3.0〜5.0m2/g、微結晶寸法が0.4〜0.8μm、そ
してソーダ含有量が0.1〜0.3%であるαアルミナであ
る。
びベーマイト前駆物質のための種として使用したαアル
ミナである。そのメジアン粒子寸法は0.1μm未満であ
った。
り、またベーマイトはゾルとして分散可能であった。
250m2/gであった。
って成分(酸化物として表したもの)を含有していた。
それらの成分と割合は、シリカが60%、アルミナが29
%、酸化カルシウムが3%、マグネシアが2%、アルカ
リ金属酸化物が4%、そして酸化第二鉄とチタニアがお
のおの1%未満であった。
Claims (14)
- 【請求項1】破砕強度が少なくとも5ポンド(2.24
N)、そして充填密度が少なくとも38ポンド/立方フィ
ート(608.8kg/m3)である、αアルミナを基にした触媒
担体であり、第一及び第二のαアルミナ成分を含み、粒
子の形態をした第一のαアルミナ成分はメジアン微結晶
寸法が0.4〜4μmであって、当該担体中のαアルミナ
の総重量の95〜40%を構成し、そして第二のαアルミナ
成分はゾルゲル法によりその場で生成されていて、当該
担体中のαアルミナの残部を構成している、αアルミナ
を基にした触媒担体。 - 【請求項2】前記第一のαアルミナ成分が大きな粒子寸
法の成分と小さな粒子寸法の成分を含み、この大きい方
の成分が粒子の形態の当該第一の成分の重量の10〜90重
量%を構成していて、メジアン粒子寸法が4μm未満で
且つ2.5μmより大きく、平均の微結晶寸法が1.5〜2.5
μmであり、そして小さい方の成分が粒子の形態の当該
第一の成分の90〜10重量%を構成していて、メジアン粒
子寸法が4μmより大きくて且つ10μm未満であり、そ
して平均の微結晶寸法が0.4〜0.8μmである、請求項1
記載の触媒担体。 - 【請求項3】前記第二のαアルミナ成分が種入りのゾル
ゲル法で生成される、請求項1記載の触媒担体。 - 【請求項4】当該担体中のアルミナの重量を基にして0.
05〜1.0%の添加されたチタニアを更に含む、請求項1
記載の触媒担体。 - 【請求項5】前記チタニアの表面積が少なくとも8平方
メートル/グラムである、請求項4記載の触媒担体。 - 【請求項6】当該担体中のαアルミナとして表したアル
ミナ成分の重量の1〜3%である量のセラミック結合剤
物質を更に含む、請求項1記載の触媒担体。 - 【請求項7】下記のi)〜iii)を含む、触媒担体の製
造方法。 i)次に掲げるa〜dを含む混合物を作ること a.メジアン粒子寸法が3〜8μmの少なくとも1種のα
アルミナ成分 b.当該触媒担体製品中のαアルミナの総重量の5〜60重
量%を構成するのに十分な量の、種入りの、αアルミナ
の水和された前駆物質 c.上記αアルミナの重量を基にして5〜40%の焼尽性物
質 d.上記混合物を押出しするのに十分な量の水 ii)上記混合物を押出して所望の形状にすること iii)上記の種入りの前駆物質から得られたαアルミナ
のマトリックス中にメジアン粒子寸法が3〜8μmのα
アルミナ粒子が分散された触媒担体を製造するように、
焼成して上記の種入りのαアルミナの前駆物質をαアル
ミナに変えること - 【請求項8】前記αアルミナの前駆物質がベーマイト又
はアルミナ三水和物を含む、請求項7記載の方法。 - 【請求項9】αアルミナとして表した配合中のアルミナ
の総重量を基にして0.05〜0.6%のチタニアを、押出す
べき前記混合物に加える、請求項7記載の方法。 - 【請求項10】押出しの可能な前記混合物に、当該混合
物中のαアルミナとして表した前記アルミナ成分の重量
の1〜3%である量のセラミック結合剤物質を加える、
請求項7記載の方法。 - 【請求項11】工程i)で作られる前記混合物が次に掲
げるa〜fを含む、請求項7記載の方法。 a.メジアン粒子寸法が2〜4μmの第一の成分とメジア
ン粒子寸法が4〜8μmの第二の成分とを有するαアル
ミナ b.当該触媒担体製品中のαアルミナの総重量の5〜60重
量%を構成するのに十分な量の、種入りの、αアルミナ
の水和された前駆物質 c.上記αアルミナの重量を基にして5〜40%の焼尽性物
質 d.αアルミナとして表される組成物中のアルミナの重量
を基にして1〜3%のセラミック結合剤物質 e.αアルミナとして表される当該混合物中の全アルミナ
重量を基にして0.05〜1.0重量%のチタニア f.上記混合物を押出しするのに十分な量の水 - 【請求項12】前記αアルミナの前駆物質がベーマイト
を含む、請求項11記載の方法。 - 【請求項13】前記αアルミナの前駆物質が当該担体製
品中のαアルミナの総重量を基にして、αアルミナ当量
として測定して10〜35重量%のアルミナ三水和物を更に
含む、請求項11記載の方法。 - 【請求項14】前記αアルミナの前駆物質に、当該触媒
担体中のαアルミナとして測定した全アルミナ重量を基
にして0.2〜5重量%である量のサブミクロンの大きさ
のαアルミナ粒子を種として入れる、請求項7又は11記
載の方法。
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