JP4063522B2 - Silica supported alkylation catalyst - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の分野】
本発明は、シリカ結合剤(silica binder)と共に配合された芳香族アルキル化用ゼオライトベータ(zeolite beta)触媒を用いて芳香族基質、例えばベンゼンなどのアルキル化を行うことを伴う芳香族アルキル化(aromatic alkylation)方法に関する。
【0002】
【発明の背景】
ゼオライトベータは、炭化水素転化方法、例えば比較的重質の高分子量炭化水素油の脱蝋および接触分解などで用いられている良く知られたモレキュラーシーブ(molecular sieve)触媒である。そのような転化の実施で用いられる如きゼオライトベータは、Wadlinger他の米国特許第3,308,069号に初めて開示され、後にCalvert他の米国特許第4,642,226号にいわゆる改良形態で開示された。Calvertの特許に開示されているように、ゼオライトベータが特に有用な転化方法は、とりわけ、脱蝋、水素化異性化(hydroisomerization)、分解、水素化分解および芳香族化(軽質脂肪族炭化水素を芳香族炭化水素に転化することによる)である。Calvertが開示したように、そのような転化方法で用いられるゼオライトベータの調製は、シリカとアルミナと場合により他の種々の金属酸化物もしくは水酸化物と有機鋳型剤(templating agent)(これは所望結晶構造を生成させる目的で用いられる)を含有させた反応混合物に水熱蒸解(hydrothermal digestation)を行うことを伴う合成手順を用いて実施可能である。その反応混合物中のシリカとアルミナの量はアルミナに対するシリカのモル比が20−250の範囲で変化し得、その結果、結晶性生成物の最終的なシリカ/アルミナのモル比は20未満から約60そしてCalvertが示した実施例の171の如き高い値に及ぶ範囲であり得る。
【0003】
モレキュラーシーブ触媒、例えばゼオライトベータなどばかりでなく他のいろいろなモレキュラーシーブも通常はマトリックス材料(matrix material)[これは当該モレキュラーシーブ用の結合剤として働く]と組み合わせて用いられる。例えば、上述したWadlingerの特許には、ゼオライトベータを単独でか或は低活性および/または触媒活性材料(ゼオライト触媒成分用の結合剤として働く)と組み合わせた分散混合物として用いることができることが開示されている。上述したCalvertの特許には、無機材料、例えば粘土、シリカまたはアルミナ、または種々の複合材料、例えばシリカ/アルミナ、シリカ/マグネシア、および他のいろいろな2成分および3成分組成物などの使用が開示されている。
【0004】
ゼオライトベータが炭化水素転化方法[例えば、上記した如き脱蝋、水素化分解または脂肪族芳香族転換(aliphatic aromatic conversion)を包含]で用いられることに加えて、また、ゼオライトベータばかりでなく他のいろいろなモレキュラーシーブも芳香族基質のアルキル化で触媒として用いられてきた。そのようなアルキル化転化(alkylation conversion)反応は、芳香族基質、例えばベンゼンなどをアルキル化してアルキル芳香族、例えばエチルベンゼン、エチルトルエン、クメンまたは高級芳香族などを生成させた後にポリアルキルベンゼンをアルキル交換してモノアルキルベンゼンを生成させることを包含する。典型的には、モノアルキルベンゼンとポリアルキルベンゼンの混合物をもたらすアルキル化反応槽を、いろいろな分離段階を経て、下流のアルキル交換反応槽につなげてもよい。そのようなアルキル化反応およびアルキル交換反応は液相中、気相中、または液相と気相の両方が存在する条件下で実施可能である。
【0005】
Ward他の米国特許第4,185,040号にはナトリウム含有量が低い、即ちNa2O含有量が0.5重量%未満のモレキュラーシーブ触媒を用いたアルキル化方法が開示されており、その触媒は特にベンゼンとエチレンからエチルベンゼンを製造する時に用いるに有用でありかつベンゼンとプロピレンからクメンを製造する時に用いるに有用であると述べられている。適切なゼオライトの例には、X、Y、L、B、ZSM−5およびオメガ結晶型のモレキュラーシーブが含まれ、蒸気で安定化された水素Yゼオライトが好適である。具体的には、Na2Oを約0.2%含有するアンモニウムYゼオライトを蒸気で安定化したものが開示されている。このWard他の特許にはいろいろな触媒形状が開示されている。円柱形押出し加工品も使用可能であるが、特に好適な触媒形状はいわゆる「三葉(trilobal)」形であり、その形状はいくらか三葉クローバーに似ている。その押出し加工品の表面積/体積比は85−160インチ-1の範囲内でなければならない。そのアルキル化工程は上昇流または下降流のいずれかで実施可能であるが、後者が好適であり、そして好適には、少なくともアルキル化剤であるオレフィンの実質的に全部が消費されるまでは液相が少なくともいくらか存在するような温度および圧力条件下で実施可能である。Ward他の特許には、液相を全く存在させないと大部分のアルキル化条件下で触媒失活が急速に起こることが述べられている。このWardの方法ばかりでなく前述のいろいろな転化方法では、粒状触媒形態、例えば三葉形態などに到達させる目的で、ゼオライトを多孔質鉱物酸化物結合剤(mineral oxide binder)と混合してもよい。このように、Wardは、好適なゼオライト−Yと組み合わせてアルミナゲル、シリカゲル、シリカ/アルミナコ−ゲル、いろいろな粘土、チタニアおよび他の鉱物酸化物を用いることを開示しており、アルミナが好適であることを開示している。
【0006】
ゼオライトを転化方法またはアルキル化方法で用いる場合と同様に、ゼオライトベータをアルキル化またはアルキル交換方法で用いることを伴う手順は、通常、アルミナをゼオライト触媒のためのマトリックスを与える結合剤として用いて実施される。このように、Ennes他の米国特許第4,891,458号には、ゼオライトベータ触媒を用いた芳香族炭化水素の液相アルキル化もしくはアルキル交換方法が開示されている。Ennes他が開示したゼオライトベータに含まれるケイ素とアルミニウムの原子比は5:1以上から100:1未満、好適には5:1以上から50:1未満である。Ennesは、触媒が急速に汚れるのを防止する目的でアルキル化を芳香族とオレフィンのモル比が少なくとも4:1であるという条件下で行うことを開示している。その反応温度は約100から600度Fの範囲で反応圧力は典型的に約50−100psigであり、これは少なくとも部分的に液相を保持するに充分な温度と圧力である。Ennesの方法で好適に用いられたゼオライトベータは主に水素形態であり、これは、合成した生成物のアンモニア交換に続く焼成で達成される。Ennesは、高純度のゼオライトを無機酸化物結合剤、例えばアルミナ、シリカ、シリカ/アルミナまたは天然に存在する粘土などと共に用いてもよいことを開示している。Ennesは、好適な無機結合剤はアルミナであることを続けて述べている。
【0007】
Ratcliffe他の米国特許第4,798,816号に他のアルキル化方法が開示されており、この方法は、モノアルキル化、特にクメンを生成するベンゼンのプロピル化に対する選択率が向上する様式で処理されたアルキル化用モレキュラーシーブ触媒の使用を伴う。最初に炭素系材料を前記触媒に付着させた後、次いで得られた炭素含有触媒粒子に燃焼させると、選択率が少なくとも1パーセントポイント向上する。具体的な結晶性ゼオライト系(zeolitic)モレキュラーシーブには、Yゼオライト類、フッ化Yゼオライト類、Xゼオライト類、ゼオライトベータ、ゼオライトLおよびゼオライトオメガの群から選択されるモレキュラーシーブが含まれる。好適なY型ゼオライトに脱アルミニウム化を行ない(dealuminated)アルミナに対する全シリカの比が6を超えるようにすることができる。以前の文献の場合と同様に、結合剤として用いるに好適な耐火性無機酸化物材料はアルミナ、特にカタパル(catapal)であるが、他の結合剤、例えばアルミナ、ガリア、タリア、チタニア、ジルコニア、ベリリア、シリカ、シリカ−アルミナおよび他のいろいろな材料も開示されている。
【0008】
Butlerのヨーロッパ特許出願公開第467,007号には、アルキル化ゾーンとアルキル交換ゾーンを別々に存在させる他の方法が開示されており、そこではいろいろなモレキュラーシーブ触媒が用いられていて、アルキル交換反応槽から出て来る産物を中間的分離ゾーンに再循環させている。そこでは、予備分溜ゾーンの前にベンゼン分離ゾーンを位置させて、そのゾーンの釜残からエチルベンゼン/ポリエチルベンゼン溜分を回収しそして塔頂のベンゼン溜分をアルキル化反応槽に再循環させている。その予備分溜ゾーンでは、塔頂ベンゼン溜分(これをベンゼン塔から出て来る塔頂物と共に再循環させる)と釜残溜分(これにはベンゼン、エチルベンゼンおよびポリエチルベンゼンが含まれている)が生成する。その後に続く2つの分離ゾーンを前記ベンゼン分離ゾーンとアルキル交換反応槽の間に位置させて、エチルベンゼンを工程産物として回収しかつ重質残渣溜分を回収する。最後の分離ゾーンから出て来るポリエチルベンゼン溜分をアルキル交換反応槽に送り込んで、そこで得られる産物を第二ベンゼン分離塔に直接送り込むか或は分離装置を経て間接的に第二ベンゼン分離塔に送り込む。Butlerは、アルキル化反応槽の操作をゼオライト−ベータ、ゼオライト−Yまたはゼオライト−オメガなどの如き触媒を用いて液相中で行なうか或はシリカライトまたはZSM−5の如き触媒を用いて気相中で行うことができることを開示している。
【0009】
芳香族基質の液相アルキル化を伴う別の方法がShamshoum他のヨーロッパ特許出願公開第507,761号に開示されている。この方法は、ゼオライトベータを基にしているがランタンを組み込むことにより変性されたモレキュラーシーブ触媒の使用を伴う。Shamshoum他はそのようにランタンで変性したゼオライトベータ触媒を用いると水素形態のゼオライトベータを用いた場合とは対照的に穏やかな液相アルキル化条件下でキシレンはほとんどか或は全く生成しないことを開示している。Shamshoum他の方法では、初期のゼオライトベータのシリカ/アルミナ比を好適には20から50の範囲にして、これに最初にイオン交換工程を行った後に約570℃の温度で2時間以上焼成している。イオン交換そして焼成工程を行った後のモレキュラーシーブを乾燥し、そして次にランタン塩溶液によるイオン交換を行うことにより、ゼオライト系(zeolite system)にランタンを組み込ませている。Shamshoum他は、そのようなランタンベータゼオライトを結合剤、例えばアルミナゾル、ガンマアルミナまたは他の耐火性酸化物などと混合してゼオライトと結合剤の混合物を生成させた後にペレット状にすることを開示した。
【0010】
ベンゼンの液相アルキル化を伴う他の方法がShamshoum他の米国特許第5,030,786号およびButlerの5,073,653号に開示されている。Shamshoumの’786には、6.5オングストロームを超える孔径を有するモレキュラーシーブ、特に7−7.5オングストロームの範囲の孔径を有するゼオライトYおよびゼオライトベータの使用が開示されている。Butlerの特許には、ゼオライト類、例えばゼオライトオメガ、ゼオライトベータおよびゼオライトYなどを包含する触媒を用いてベンゼンのアルキル化を液相中で行うことが開示されている。Butlerは、アルキル化反応槽の操作を比較的穏やかな液相条件下で行うならば反応槽で用いるベンゼンとエチレンのモル比を比較的低くすることができ、約5:1以下、好適には4:1以下から約2:1に及ぶモル比にすることができることを開示している。また、15:1に及ぶ高い方の比率も開示している。Butlerは、具体的に、結晶性ゼオライトオメガの含有量が80%でアルミナ結合剤の含有量が20重量%の触媒を開示している。
【0011】
【発明の要約】
本発明に従い、アルキル化用ゼオライトベータ触媒を用いてベンゼン含有原料のアルキル化を行う芳香族アルキル化方法が提供される。このアルキル化用ゼオライトベータ触媒はシリカ結合剤(silica binder)と配合され、それは少なくとも3回の再生に対し少なくとも95%の平均再生係数(average regeneration coefficient)を有する。このアルキル化反応はC2−C4アルキル化剤(alkylating agent)を用いて液相中または超臨界範囲内で実施する。本発明の好適な態様におけるアルキル化剤はエチル化剤、より具体的にはエチレンである。この触媒は、エチレンによるベンゼンのエチル化をベンゼン/エチレンのモル比を10未満にして行った後に少なくとも95%の再生係数を示す。
【0012】
本発明のさらなる面では、ベンゼン含有原料を、シリカ結合剤と配合したアルキル化用ゼオライトベータ触媒を含んで成るモレキュラーシーブ触媒が入っている反応ゾーンに供給する。エチレンを前記反応ゾーンに供給して、前記反応ゾーンをベンゼンが液相中または超臨界相中に存在する温度および圧力条件下で操作する。ベンゼンのエチル化は初期の指定された一次活性(initial designated primary activity)で起こる。この反応ゾーンの操作を前記触媒がベンゼンのエチル化に関して示す活性が前記初期の指定された一次活性から少なくとも0.1%の値だけ低下するまで継続する。前記初期の指定された一次活性から低下する値が1%を超えることがないようにすべきである。このアルキル化反応の操作を停止して再生工程を設ける。この再生工程で、前記触媒を酸化環境下において500℃以下の平均温度で再生する。この再生工程が終了した時点でアルキル化ゾーンの操作を再開して、反応ゾーンを再びベンゼンのエチル化が液相中または臨界相中で起こるに有効な温度および圧力条件下で操作する。この触媒がそのような2番目の通過(pass)で示す初期活性は、前記初期の一次活性の少なくとも95%の二次活性を与えるような活性である。このアルキル化反応ゾーンの操作を前記触媒の活性が初期の二次活性の少なくとも0.1%の度合で降下するまで継続した後、前記アルキル化反応ゾーンの操作を再び停止して前記触媒に上記した如き再生工程を適用する。この再生工程が終了した時点で再びベンゼンとエチレンを前記アルキル化反応ゾーンに供給する。このアルキル化ゾーンは、ベンゼンが液相中または超臨界相中に存在していてベンゼンのエチル化に関する追加的三次活性が前記二次活性の少なくとも95%を与える温度および圧力下で操作する。
【0013】
【発明の詳細な記述】
本発明は、アルキル化用ゼオライトベータ触媒を含む反応ゾーン内で芳香族基質(ベンゼンを包含)のアルキル化を好適には比較的穏やかな液相アルキル化条件下で行うものである。本発明は、特に、ベンゼンのエチル化をキシレンが全くか或はほとんど生成しない穏やかな液相条件下で行う時に適用可能であり、特に、エチルベンゼンの製造を引用して本発明の説明を行う。しかしながら、本発明の実施で他のアルキル化反応を用いることも可能である。例えば、本発明は、プロピレンとベンゼンを反応させてクメンを生成させる反応にも適用可能である。また、通常はオレフィン系のアルキル化剤を用いるが、例えばPollitzer他の米国特許第3,551,510号に開示されている如き他のアルキル化剤、例えばアルキン類、ハロゲン化アルキル類、アルコール類、エーテル類およびエステル類などを用いることも可能である。
【0014】
上記したように、アルキル化反応槽を好適にはベンゼンが液相中に存在する比較的穏やかな圧力および温度条件下で操作する、即ちベンゼンの臨界温度より充分に低い温度そしてベンゼンが液相中に保持されるに充分な圧力下で操作する。しかしながら、このアルキル化反応をベンゼンが超臨界相中に存在する条件、即ち前記臨界温度および圧力より高い温度および圧力条件下で実施することも可能であり、これに関連して特に明記しない限り、ここで用いる如き用語「液相」または「液相反応」は液体範囲(liquid region)内の操作を表すばかりでなく超臨界範囲内の操作も表すことは理解されるであろう。
【0015】
本発明で用いるゼオライトベータは通常のゼオライトベータであってもよく、或は以下により詳細に記述するいろいろな種類のいずれか1種類の変性された(modified)ゼオライトベータであってもよい。本発明では、そのようなゼオライトベータの性質に関係なく、ゼオライトベータを通常はアルミナ結合剤、例えばガンマアルミナまたはカタパルアルミナなどと共に混ぜ合わせる慣用の方法とは対照的な方法で進める。従って、以下により詳細に記述するように、ゼオライトベータを本発明で用いる場合、これをシリカ結合剤と共に配合する結果、液相アルキル化で用いるに適したゼオライトベータ触媒が得られ、このようにシリカ結合剤と一緒に配合しておいたゼオライトベータは、慣用のアルミナ結合剤と配合したゼオライトベータに比べて実質的に良好な不活性化および再生特性を示す。このシリカ結合剤と共に配合したゼオライトベータが少なくとも3回の再生後に示す再生特性は、以下に記述するように、アルミナ結合剤を本触媒で用いるシリカ結合剤の量と同じ量で用いてアルミナ結合剤とに配合したゼオライトベータ触媒が示す再生係数の少なくとも105%である。
【0016】
本発明で用いるゼオライトベータは、シリカ/アルミナ比が高いゼオライトベータ、ランタン変性したゼオライトベータ、または以下に詳細に記述するようにZSM−12により変性したゼオライトベータであってもよい。勿論、これは、また、例えば上述したWadlinger他の特許3,308,069号およびCalvert他の特許4,642,226号などに開示されているような多少とも慣用のゼオライトベータであってもよい。このようなゼオライトベータの性質に拘わらず、これをシリカ結合剤と配合すると、伝統的な様式でアルミナ結合剤と共に配合されたゼオライトベータよりも実質的により安定な触媒が得られる。加うるに、本発明のゼオライトベータ−シリカ結合触媒は、アルミナ結合剤と配合された対応するゼオライトベータ触媒に比較して、ベンゼン/エチレン比が実質的に低い時でも安定である。
【0017】
ゼオライトベータは、上記したように、良く知られたモレキュラーシーブ触媒であり、その基本的調製方法も本分野の技術者によく知られている。結晶性ゼオライトベータの調製法は上述したWadlinger他の米国特許3,308,069号およびCalvert他の米国特許4,642,226号、そしてReubenのヨーロッパ特許出願公開第159,846号[これらの開示は全体が引用することによって本明細書に組み入れられる]に開示されている。前記ゼオライトベータは、ナトリウム含有量が低くなるように、即ちNa2Oとして表して0.2重量%未満になるように調製可能であり、更に、それにイオン交換処理を行うことにより、ナトリウム含有量を更に約0.02重量%の値にまで低くすることも可能である。
【0018】
この上で引用したWadlinger他の米国特許およびCalvert他の米国特許に開示されているように、ゼオライトベータはシリカとアルミナとナトリウムまたは他のアルキル金属の酸化物と有機鋳型剤(templating agent)を含んで成る反応混合物に水熱蒸解(hydrothermal digestion)を行って製造することも可能である。典型的な蒸解条件には、用いる温度で水が示す蒸気圧に等しいか或はそれより高い圧力下で、水が大気圧下で示す沸点よりも若干低い温度から約170℃に及ぶ範囲の温度が含まれる。この反応混合物を約1日から数カ月に及ぶ範囲の期間に亘って穏やかに撹拌することによりゼオライトベータの生成に望まれる度合の結晶化が達成される。その結果得られたゼオライトベータは、通常、アルミナに対するシリカのモル比(SiO2/Al23として表す)が約20から50の範囲であることを特徴とする。
【0019】
次に、前記ゼオライトベータはアンモニウムイオンによるイオン交換を行うが、このイオン交換を、pHを調節しないで行う。無機アンモニウム塩、例えば硝酸アンモニウムの水溶液をイオン交換用媒体として用いるのが好適である。このアンモニウムイオン交換処理に続いて、ゼオライトベータを濾過し、洗浄し、乾燥させた後、焼成を約530℃から580℃の温度で2時間以上の時間に亘って行う。
【0020】
ゼオライトベータは、これが示す結晶構造対称(crystal structure symmetry)およびx線回折パターンで特徴付け可能である。ゼオライトベータは中程度、即ち約5−6オングストロームの孔径を有するモレキュラーシーブであり、12−環溝系(12−ring channel systems)を含む。ゼオライトベータは四角対称P4122で、a=12.7、c=26.4Åであり(W.M.MeierおよびD.H.Olson Butterworth、「Atlas of Zeolite Structure Types」、Heinemann、1992、58頁)、ZSM−12は一般に単斜晶対称であることを特徴とする。ゼオライトベータの孔は、一般に、001面に沿って、直径が約5.5オングストロームの円形で、100面に沿って、直径が約6.5オングストロームおよび7.6オングストロームの楕円形である。ゼオライトベータはHiggins他が「The framework topology of zeolite beta」、Zeolites、1988、8巻、November、446−452頁(これの開示は引用することによって全体が本明細書に組み入れられる)により詳細に記述されている。
【0021】
本発明の実施で用いるゼオライトベータ配合は、上述したCalvert他の特許に開示されている如き慣用のゼオライトベータを基にした配合であってもよく、或は上述したShamshoum他のEPA公開に開示されている如きランタン変性ゼオライトベータを基にした配合であってもよく、或はGhosh他の米国特許第5,907,073号に開示されているようなZSM−12の結晶を内部成長(intergrowth)させることによる変性したゼオライトベータであってもよい。しかしながら、Ghoshが開示したようにアルミナ結合剤を用いるのではなく、本明細書に開示する如きシリカ結合剤を用いる。本発明に従って用いるに有用なゼオライトベータを製造する方法のさらなる記述に関しては、上述したWadlingerの特許番号3,308,069号、Calvertの4,642,226号およびGhoshの5,907,073号およびShamshoumのヨーロッパ特許出願公開第507,761号(これらの開示は引用することによって全体が本明細書に組み入れられる)が参考になる。
【0022】
また、シリカ/アルミナ比が通常に見られる比率よりも高いゼオライトベータを基にしたシリカ結合ゼオライトベータを用いて本発明を実施することも可能である。例えば、Kennedyのヨーロッパ特許出願公開第186,447号に開示されているように、焼成したゼオライトベータに蒸気処理による脱アルミニウム化を行うことで前記ゼオライトのシリカ/アルミナ比を高くすることも可能である。従って、Kennedyが開示したように、シリカ/アルミナ比が30:1の焼成ゼオライトベータに100%蒸気を用いた蒸気処理を大気圧下650℃で24時間行った。その結果シリカ/アルミナ比が約228:1の触媒が得られ、次いで酸洗浄工程を行い、250:1のゼオライトベータを生成させた。上記した如きいろいろなゼオライトベータに硝酸を用いて抽出処理を行うことにより、ゼオライトベータの骨組からアルミニウムを取り除くことができる。前記ゼオライトベータの酸洗浄を最初に行うとシリカ/アルミナ比が高いゼオライトベータが達成される。その後、イオン交換でランタンをゼオライトの骨組の中に導入する。ランタンがゼオライトから除去されることがないように、その後に酸洗浄を行うべきでない。
【0023】
芳香族アルキル化工程では、前記触媒の活性がアルキル化工程過程中に経時的に低下した後、触媒を再生させるのが非常に望ましい。本発明に関して実施した実験研究では、シリカ結合剤と配合したゼオライトベータが示す再生性(regenerability)の方が慣用技術の通常手順に従ってアルミナ結合剤と配合したゼオライトベータのそれよりも実質的に良好であることを見いだした。新鮮な触媒がアルキル化工程過程中に示す活性は典型的に初期の方が相対的に高く、この活性は、指定されたベンゼン/エチレンモル比およびベンゼン空間速度で生成するエチルベンゼンのパーセントで測定可能である。初期期間中の活性が比較的一定であるのが望ましいが、アルキル化工程のある時点で触媒にコークスが付着する(coking)ため、触媒の活性が次第に低下する。触媒の活性がさらなる操作の実行が不可能になるか或は少なくとも経済的に実施不能になる程度まで低下した後、その反応槽を流れから外して触媒の再生処理を行ってもよい。典型的な再生工程は、最初に窒素を注入した後に空気を窒素に添加し、空気の量を次第に多くして最終的に所望酸素含有量に到達させる。例えば、初期の酸素含有量を約0.5体積%にしてもよく、このような再生用ガスを約500℃の温度で注入してもよい。酸素含有量を次第に高くして行くと、コークスが前記触媒から焼失して最終的に前記触媒が再生状態に到達し、この状態の活性は初期の触媒活性に近いか或はある場合には等しいことさえある。ゼオライトベータの再生では、水が発生しないように最初に前記触媒から水素を実質的に全部追い出しておく目的で酸素の導入前に窒素雰囲気を500℃に近い温度で供給するのが望ましい。
【0024】
触媒の再生性を再生係数で特徴付けることができ、この再生係数は、1つのアルキル化パス(alkylation pass)から別のアルキル化パスに移行させる時に触媒の再生を行うことができるレベルを示す(これが示す初期活性の条件で比較)。従って、アルキル化パスと再生パスが複数であることを考慮して、触媒が1回目のパス(first pass)中に標準設定の条件下で示す活性が10%エチルベンゼンでありそして1回目の再生工程が終了した時点で触媒が2回目のアルキル化パスの開始時に同じ条件下で示す活性が9%エチルベンゼンであるとすると、この場合の再生係数は90%であると特徴付けられるであろう。前記2回目のパスから2回目の再生の介在を伴って3回目のアルキル化パスに移行する時にもそれと同じ再生係数が観察されたとすると、この3回目のパスの開始時の初期活性は8.1%エチルベンゼンであろう。
【0025】
本発明の説明において、用語「再生係数」を下記の標準条件の意味で特徴付ける。触媒を、300℃および650psigの温度および圧力下で実施する液相アルキル化工程で、ベンゼン/エチレンのモル比が10になるように用いる。エチル化反応をエチレン転化パーセントで測定して触媒の活性が0.5パーセントだけ低下するまで実施する。次に、最初に窒素を500℃の温度で24時間注入した後、窒素の酸素含有量を24時間かけて10%酸素になるまでゆっくり上昇させることにより、前記触媒の再生を行う。次に、この触媒が2回目のアルキル化パスで二次アルキル化活性(secondary alkylation activity)に到達した時点で初期活性を測定し、これを用いて再生係数を測定する。
【0026】
本発明に関する実験研究では、アルミナ結合剤と配合したランタンベータゼオライト(触媒A)およびシリカ結合剤と配合したランタンベータゼオライト(触媒B)を用いてアルキル化を実施した。前記ランタンベータゼオライトの調製をEPO 507761の方法に従って行い、これが有するシリカ/アルミナ比は約100でランタン含有量は約1重量%であった。この実験研究を温度が300℃で圧力が650psigの単一パス反応槽(single pass reactor)を用いて実施した。ベンゼン供給材料の純度は約99%であり、これを70時-1の空間速度(LHSV)で導入した。2組の試験を行った、即ち一方の試験では触媒を触媒床中に5ml用いそしてもう一方の試験では触媒を触媒床中に10ml用いた。
【0027】
触媒A(アルミナ結合剤と配合したランタンベータ)を用いて実施した最初の組の試験では、触媒床の温度を2回連続パス(再生工程を介在)の時間の関数として測定した。1つの組の試験では触媒が5mlの床を用いそしてもう一方の組の試験では活性(activity)が10mlの床を用いて実施した。
【0028】
アルキル化実験を触媒が5mlの床の場合には5日間実施しそして触媒が10mlの床の場合には4日間実施して、前記床に沿って間隔を置いて位置させた熱電対で温度を検出した。触媒Aを用いて実施した1番目のスクリーニング試験の結果を図1に示し、この図に、温度が最大(490℃)の時の床の体積パーセント(V)を縦軸にプロットし、それを横軸にプロットした実験時間[日(D)]に対比させた。図1の曲線2は5ml床の場合の1回目のパスの結果を示しておりそして曲線3は5ml床の場合の2回目のパスの結果を示している。曲線5および6はそれぞれ10ml床に通す1回目および2回目のパスの結果を示している。再生中の温度を最大値が490℃になるように調節した。5ml床の実験および10ml床の実験の両方とも、ランタンベータが1回目の再生後に示した失活速度は最初に観察された失活速度よりも速かった。更に、2回目の再生後に全く活性が回復せず、このことは、アルミナ結合剤と配合したランタンベータゼオライトは複数回の再生に耐えるに充分なほどには安定でないことを示している。
【0029】
2番目の組の実験では、前記ランタンベータアルミナ触媒組成物で用いた結合剤の量とほぼ同じ量である20%の量のシリカ結合剤と配合したランタンベータを用いて、実験を臨界相条件下で実施した。ここでは、アルキル化実験をベンゼンの臨界温度(289℃)より高い温度で実施した。反応槽の温度を300℃にし、圧力を650psigにしそしてベンゼンの空間速度(LHSV)を70時-1にした。この触媒はベンゼン/エチレンのモル比が10:1の時に安定であることを確認した。4日間に亘って実施した初期実験が終了した時点で下記の再生工程を用いて触媒の再生処理を行った:
1. ベンゼンの流量を最小限にして周囲温度になるまで冷却し;
2. 窒素を240sccm用いたパージ洗浄(purge)を開始して反応槽を下降流様式に維持し;
3. 温度を1時間当たり100℃未満の速度で400℃にまで上昇させて3時間保持し;
4. 250℃に冷却し;
5. 空気を最低限の質量流量制御装置速度でゆっくり加えて、発熱で490℃を超えることがないようにし;
6. 初期の急速に起こる燃焼が終了した時点で、空気を2時間かけてゆっくりと240sccmにまで増やしながら窒素を0sccmにまで減少させ;
7. 温度を485℃にまで上げて3時間保持し;そして
8. 空気を流しながら周囲温度になるまで冷却する。
【0030】
次に、前記再生処理を行った触媒を用いてベンゼンの空間速度を70時-1の空間速度に維持しながら2回目のパスの実験を実施し、エチレンの供給速度を経時的に次第に高くし、20:1、10:1および7.9:1のベンゼン/エチレン比になるようにした。この実験研究の結果を図2に示し、この図に、温度が最大(490℃)の時の床の体積パーセント(V)を縦軸にプロットし、それを横軸にプロットした触媒床の稼働時間[日(D)]に対比させた。図2の曲線8はベンゼン/エチレンのモル比を20:1にした場合のデータを示しており、曲線9はベンゼン/エチレンのモル比を9:1にした場合のデータを示しておりそして曲線10はベンゼン/エチレンのモル比を7.9:1にした場合のデータを示している。図2に示したデータを調べることで明らかなように、前記触媒はベンゼン/エチレンのモル比を10:1および7.9:1にした時には明らかに完全に安定であり、そして前記モル比をより高くして20:1にした時でもそれが示した安定性は前記アルミナ結合剤触媒(alumiina−binder catalyst)が10:1のベンゼン/エチレン比の時に示した安定性よりも実質的に良好であった。10日目にベンゼンの空間速度を低くしかつエチレンの流量を更に低くしてベンゼン/エチレン比が約3:5になるようにし、この時点で、前記触媒は曲線11が示すように間もなく失活を示し始めた。
【0031】
さらなる実験研究ではシリカ結合剤と配合したランタンベータゼオライト(触媒B)を用い、ベンゼン/エチレンのモル比を20:1および10:1のモル比にして、連続した4パス(再生を介在)で実験を実施した。この実験研究をシリカ/アルミナ比が50:1のランタンベータ(lanthanum beta)を用いて実施した。温度を最大値が490℃になるように制御し、操作を臨界範囲内で行うように圧力を650psigにし、通常の液相アルキル化で用いられる穏やかな温度および圧力条件よりも苛酷な反応条件にした。各パスをベンゼン供給速度が70時-1のLHSVで実施した。各パスと各パスの間で触媒に再生処理をこの上に記述した工程と同じ再生工程で行った。
【0032】
この実験研究の結果を表1に挙げる。表1に示されるように、各パスのEB含有量、生産流れに存在するエチルベンゼンに対比させて測定した時のジエチルベンゼンのパーセント、エチルベンゼン含有量を基準にしたブチルベンゼン量[ppm(parts per million)]そして生産物に含まれるエチルベンゼンを基準にしたプロピルベンゼンの量(ppm)を示す。表1を調べることで分かるように、前記触媒は各再生後に良好な活性を維持しており、4回目のパスの時の活性はおおよそ初期活性に相当していた。2回目のパスと3回目のパスの間で実施した2回目の再生では、予想外に多い量のコークスが燃焼する結果として触媒床の温度が所望最大温度である490℃を40分間に亘って超え、550℃の高温に到達した。それによって、表1に示すように、プロピルベンゼンの収率が一桁高くなった。しかしながら、本明細書に記述する実験研究から明らかなように、シリカ結合剤と配合したゼオライトベータの方がアルミナ結合剤と配合した対応するゼオライトベータよりもずっと安定でありかつ実質的に良好な再生係数を示した。
【0033】
【表1】

Figure 0004063522
【0034】
この上で述べたように、本発明に従い、シリカ結合剤ゼオライトベータ触媒を液相アルキル化で用いるに適するように設計する。本発明の実施では、アルキル化反応を、反応槽全体に亘って液相が維持されることを確保する目的で、用いる反応温度で芳香族基質が示す蒸気圧力より充分に高い圧力で実施する。完全な液相反応が生じるようにする目的で、触媒が液体中に完全に浸かるような溢れ床フォーマット(flooded bed format)を用いる。これは、この上に示した実験研究で用いた如き上昇流技術を用いて容易に達成可能であり、これが一般に本発明の実施で用いるに好適であろう。しかしながら、触媒床が液状ベンゼンまたは他の芳香族基質で覆われることを確保するように出口流量を制御することにより、下降流溢れ床操作を達成することも可能である。
【0035】
好適には、エチレン(または他のアルキル化剤)がベンゼン(または他の芳香族基質)中で示す良好な溶解度を確保しかつ反応全体が液相中で起こるようにする目的で、段階的反応フォーマット(staged reaction format)を用いる。上述したButlerの米国特許第5,073,653号に開示されているように、一連の逐次的に連結した反応槽を用い、単一の反応槽内に複数の触媒床を取り付けることにより、そのような段階的反応フォーマットを提供することができる。複数の段を設けると、断熱反応槽を用いた場合に段間冷却を行う機会を得ることができるか或は数段の等温反応段階を用いることが可能になる。ここで図3を参照し、エチレンとベンゼンの反応でエチルベンゼンを生産する時に用いられる段階的反応槽装置の図式図を示し、この装置には、段間冷却とエチレンの注入を伴う断熱反応槽が複数含まれている。より詳細には、この図に示すように、エチレンとベンゼンはライン12と14を経て脱水装置16の入り口ライン15に供給される。この脱水装置はアルキル化反応槽に投入される投入物(input)に本質的な乾燥、望ましくは水含有量が100ppm未満、より好適には水含有量が50ppm未満になるように脱水する機能を果たす。例として、脱水装置16は、乾燥剤、例えばシリカゲルまたは他の適切な吸湿性媒体が充填されている充填塔の形態または共沸乾燥塔(azeotropic drying column)の形態を取っていてもよい。
【0036】
前記脱水装置の流出液を反応槽18、即ち上昇流様式で操作される複数の直列に連結したアルキル化反応槽の中の1番目の反応槽に供給する。反応槽18を350℃以下の平均温度、好適には150−250℃の範囲内の平均温度で操作する。液相操作の場合、反応槽18の圧力をベンゼンが液相中に保持されるに充分な圧力にし、好適にはベンゼンが反応槽温度で示す蒸気圧力より少なくとも50psi高い圧力にする。この反応槽の圧力を典型的には約500−850psiaの範囲内にする。下流に位置する残りの反応槽も通常は前記1番目の反応槽の条件とほぼ同じ条件下で操作する。前記1番目の反応槽18から出る流出液をライン19を経て取り出して熱交換器22に通して2番目の段階の反応槽24に供給することにより、前記熱交換器22によって前記2番目の段階の反応槽24に送られる前の流出液を冷却しておく。エチレンをライン21を経て供給し、これを1番目の反応槽18から出て来る流出液と混合する。好適には、本図に示すように、エチレンが液状のベンゼンの全体に亘って分布することを助長する目的で、前記反応槽から出る流出液が冷却される前にエチレンを前記反応槽に送り込む。この冷却工程を、望ましくは、2番目の反応槽24に供給される供給材料混合物の温度が前記1番目の反応槽18の入り口温度の値とほぼ同じになるまで低くなるように実施する。通常、この2番目の反応槽の平均温度が前記1番目の反応槽の平均温度とほぼ同じになるようにする。この装置を通る流れを収容するに充分な圧力勾配が生じるようにする目的で、それの圧力の方がいくらか低くなるようにする必要がある。2番目の反応槽24から出る流出液をライン27を経て供給されるエチレンと共に2番目の段間冷却装置29に送り込み、この冷却装置によって、3番目の反応槽30への仕込み混合物を再び前記最初の2つの反応槽の入り口温度とほぼ等しい温度になるまで冷却する。
【0037】
反応槽30から出る生産物をライン32を経て下流に位置する分離処理装置34に送り込む。装置34内でエチルベンゼンを分離してアルキル化プラントの生産物として取り出す。エチルベンゼンを、典型的には、スチレンの生産でエチルベンゼンが接触脱水素される脱水素装置への仕込み物として用いる。装置34内で通常はベンゼンとエチレンを分離して、それらをアルキル化工程で再使用する。より重質のポリエチルベンゼンはベンゼンとアルキル交換を行い追加的にエチルベンゼンを生成させてもよい。アルキル交換装置と共に用いるに適した多段分離装置は、上述したヨーロッパ特許出願公開第467,007号(これの開示は引用することによって全体が本明細書に組み入れられる)に開示されている一体式装置の中の1つの形態を取っていてもよい。モノアルキル化の選択率を向上させる目的で、アルキル化反応槽に送り込む仕込み原料に含めるベンゼンの量をエチレンに対して化学量論的過剰量にする。前記反応槽の操作を液相アルキル化が比較的穏やかな条件下で起こるように行うと、アルキル化反応で生成するキシレンの量が最小限になるばかりでなくまたベンゼン/エチレンのモル比を通常用いられるモル比よりいくらか低くすることも可能になる。通常用いるベンゼン/エチレンモル比は約4:1であるが、約2:1の如き低いモル比を用いることも可能になる。しかしながら、極端に高い比率を用いる動機は一般にほとんどなく、実用事項として、ベンゼン/エチレンのモル比が15:1を越えることはほとんどないであろう。好適なベンゼン/エチレンモル比は約4/1である。この上に示したベンゼン/エチレンモル比は装置全体および多段反応装置、例えば本図に示した如き装置に関するモル比であり、各段に供給する供給材料のベンゼン/エチレン比は前記全体比より小さいであろう。各反応槽段に供給されるベンゼン仕込み物に溶解するエチレンの量は、用いる反応槽段の数に部分的に依存するであろう。通常は、示すように、少なくとも3段の反応槽段が用いられるであろう。追加的反応槽段を設ける場合でも通常は全段数が8を超えることはないであろう。各反応段の圧力および各反応段に供給されるエチレンの量を、好適には、エチレンがベンゼンに少なくとも1モルパーセント溶解するような圧力および量にする。通常、エチレンが各反応槽に供給される仕込み物に少なくとも2モルパーセント溶解する。多大な数で反応槽段を用いない限り、各反応槽のベンゼン液相に溶解するエチレンの量は一般に少なくとも4モルパーセントになる。
【0038】
また、本発明に従い、等温反応ゾーン(isothermal reaction zones)を用いてベンゼンの多段エチル化を実施することも可能である。等温反応槽は殻と管の種類の熱交換器の形態を取っていてもよく、この場合、アルキル化用触媒を管内に配置しそして伝熱媒体を前記触媒を充填した管の回りに位置する殻に通して循環させてもよい。勿論、熱交換器用媒体を温度が各反応段に亘って比較的一定に維持されるような供給速度で反応槽に通して供給する。この場合には段間冷却を行う必要はないであろうが、エチレンを各反応段の前方に注入するのが好適であろう。
【0039】
この上に示したように、前記ベータ−シリカ触媒(beta−silica catalyst)を比較的穏やかな条件下の液相アルキル化反応で用いるのが好適である。しかしながら、本発明を、ベンゼン基質を温度と圧力の両方がベンゼンの臨界温度および臨界圧力より高い苛酷な条件下で用いることで操作を超臨界範囲内で行う(それによってアルキル化反応槽を準液相で操作する)ことで実施することも可能である。この上に示したように、その場合には、アルキル化反応槽を約290℃以上の温度および700psiaを超える圧力で操作することになるであろう。通常は、いくらか高い温度およびいくらか高い圧力が用いられるであろう。ここで、ベンゼンを超臨界範囲内で用いたアルキル化反応槽の操作は300−600℃の範囲および約650−850psiaの範囲内になるであろう。
【0040】
本発明の具体的態様を記述して来たが、それの修飾形が本分野の技術者に思い浮かぶ可能性があることで添付請求の範囲の範囲内に入る如きそのような修飾形の全部を保護することを意図することは理解されるであろう。
【0041】
本発明の特徴および態様は以下のとおりである。
【0042】
1.
(a)ベンゼン含有原料を反応ゾーンに供給しそしてそれをシリカ結合剤と共に配合されていて再生を500℃以下の温度で少なくとも3回実施した時に少なくとも95%の平均再生係数を示すアルキル化用ゼオライトベータ触媒を含んで成るモレキュラーシーブ触媒に接触させ、
(b)C2−C4アルキル化剤を前記反応ゾーンに供給し、
(c)前記反応ゾーンを前記アルキル化剤による前記ベンゼンのアルキル化が液相中または超臨界範囲内でもたらされるに有効な温度および圧力条件下で操作し、そして
(d)アルキル化ベンゼンを前記反応ゾーンから回収する、
ことを含んで成る芳香族アルキル化方法。
【0043】
2. 前記アルキル化剤がエチル化剤である第1項記載の方法。
【0044】
3. 前記エチル化剤がエチレンである第2項記載の方法。
【0045】
4. 前記反応ゾーンを前記ベンゼンが液相中に存在する温度および圧力条件下で操作する第1項記載の方法。
【0046】
5. 前記ベンゼンおよびアルキル化剤を前記反応ゾーンに前記アルキル化剤に対するベンゼンのモル比が15未満であるような流量で供給する第4項記載の方法。
【0047】
6. 前記アルキル化剤に対する前記ベンゼンのモル比を10未満にする第5項記載の方法。
【0048】
7. 前記アルキル化剤に対するベンゼンのモル比を4−10の範囲内にする第5項記載の方法。
【0049】
8.
(a)ベンゼン含有原料を反応ゾーンに供給しそしてそれをシリカ結合剤と共に配合されているアルキル化用ゼオライトベータ触媒を含んで成るモレキュラーシーブ触媒に接触させ、
(b)エチレンを前記反応ゾーンに供給し、
(c)前記反応ゾーンをベンゼンが液相中または超臨界相中に存在していて前記ベンゼンのエチル化が一次活性時の前記アルキル化用触媒の存在下で起こる温度および圧力条件下で操作し、
(d)エチルベンゼンを含有するアルキル化生成物を前記反応ゾーンから回収し、
(e)前記反応ゾーンの操作を前記触媒がベンゼンのエチル化に関して示す活性が前記触媒がベンゼンのエチル化に関して示す前記一次活性から0.1%の値だけ低下するまで継続し、
(f)ベンゼンのアルキル化に関する前記反応ゾーンの操作を停止しそして前記触媒の再生を酸化環境下で再生工程過程中の平均温度が500℃以下であるように行う再生手順を設け、
(g)前記再生手順の後に、ベンゼンを前記アルキル化反応ゾーンに供給することによって前記アルキル化反応ゾーンの操作を再び設け、
(h)前記反応ゾーンを前記ベンゼンのエチル化が前記再生触媒の存在下で前記一次活性の少なくとも95%の二次活性で起こってエチルベンゼンが生成するように前記ベンゼンのエチル化が液相中または超臨界相中で起こるに有効な温度および圧力条件下で操作し、
(i)前記アルキル化反応ゾーンの操作を前記触媒がベンゼンのエチル化に関して示す活性が前記二次活性の少なくとも0.1%の度合で降下するまで継続し、
(j)前記アルキル化反応ゾーンの操作を停止しそして前記触媒に再生を酸化環境下において500℃以下の平均温度で行うことにより前記触媒の再生を実施し、
(k)ベンゼンおよびエチレンを前記アルキル化反応ゾーンに供給し、そして
(l)前記反応ゾーンを前記ベンゼンのエチル化が前記再生触媒の存在下でベンゼンのエチル化に関する初期活性が前記二次活性の少なくとも95%を与えるように前記ベンゼンのエチル化が液相中または超臨界相中で起こるに有効な温度および圧力条件下で操作する、
ことを含んで成るエチルベンゼンの製造方法。
【0050】
9. 前記ゼオライトベータ触媒がゼオライトベータの中にランタンイオンをイオン交換で組み込ませられたランタンにより変性されたゼオライトベータを含んでなる第8項記載の方法。
【0051】
10. 前記ゼオライトベータが少なくとも40のシリカ/アルミニウム比を有する第8項記載の方法。
【0052】
11. 前記ゼオライトベータ触媒がゼオライトベータの結晶構造内に内部成長のZSM−12結晶骨組を有する変性ゼオライトベータを含んでなる第8項記載の方法。
【0053】
12. 前記ゼオライトベータが少なくとも3回の再生後に示す再生係数がアルミナ結合剤を前記ゼオライトベータと共に用いられるシリカ結合剤の量と同じ量で用いて配合されたゼオライトベータ触媒が示す再生係数の値の少なくとも105%である第8項記載の方法。
【0054】
13. 前記反応ゾーンを前記ベンゼンが液相中に存在する温度および圧力条件下で操作する第8項記載の方法。
【0055】
14. 前記ベンゼンおよびアルキル化剤を前記反応ゾーンに前記アルキル化剤に対するベンゼンのモル比が15未満であるような流量で供給する第13項記載の方法。
【0056】
15. 前記アルキル化剤に対する前記ベンゼンのモル比が10未満である第14項記載の方法。
【0057】
16. 前記アルキル化剤に対するベンゼンのモル比が4−10の範囲内である第14項記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、アルミナ結合剤と共に配合されたゼオライトベータ触媒を用いた液相アルキル化条件下で最も高い温度の時の触媒床の体積パーセントを示すグラフである。
【図2】図2は、シリカ結合剤と共に配合した再生ゼオライトベータ触媒を用いてベンゼン/エチレンのモル比を累進的に減少させた時の累進的液相条件下で最に高いアルキル化温度の時の触媒床の体積パーセントを示すグラフである。
【図3】図3は、本発明の実施で使用可能な段階的反応槽装置の図式図である。[0001]
Field of the Invention
The present invention relates to an aromatic alkylation involving the alkylation of an aromatic substrate, such as benzene, using a zeolite beta catalyst for aromatic alkylation formulated with a silica binder. aromatic alkylation) method.
[0002]
BACKGROUND OF THE INVENTION
Zeolite beta is a well-known molecular sieve catalyst used in hydrocarbon conversion processes such as dewaxing and catalytic cracking of relatively heavy high molecular weight hydrocarbon oils. Zeolite beta, as used in carrying out such a conversion, was first disclosed in US Pat. No. 3,308,069 to Waddinger et al. And later disclosed in so-called improvements in US Pat. No. 4,642,226 to Calvert et al. It was done. As disclosed in the Calvert patent, conversion processes in which zeolite beta is particularly useful include inter alia dewaxing, hydroisomerization, cracking, hydrocracking and aromatization (light aliphatic hydrocarbons). By conversion to aromatic hydrocarbons). As disclosed by Calvert, the preparation of zeolite beta used in such a conversion process involves the preparation of silica and alumina, and optionally various other metal oxides or hydroxides, and an organic templating agent (which is desired). It can be carried out using a synthetic procedure involving hydrothermal digestion of the reaction mixture containing (used for the purpose of generating a crystal structure). The amount of silica and alumina in the reaction mixture can vary in the molar ratio of silica to alumina in the range of 20-250, so that the final silica / alumina molar ratio of the crystalline product is less than 20 to about 60 and Calvert can range as high as 171 in the example shown.
[0003]
A variety of other molecular sieves, as well as molecular sieve catalysts such as zeolite beta, are usually used in combination with a matrix material [which serves as a binder for the molecular sieve]. For example, the Waddinger patent mentioned above discloses that zeolite beta can be used alone or as a dispersed mixture in combination with a low activity and / or catalytically active material (acting as a binder for the zeolite catalyst component). ing. The above-mentioned Calvert patent discloses the use of inorganic materials such as clay, silica or alumina, or various composite materials such as silica / alumina, silica / magnesia, and various other two-component and three-component compositions. Has been.
[0004]
In addition to being used in hydrocarbon conversion processes [eg, including dewaxing, hydrocracking or aliphatic aromatic conversion as described above], zeolite beta is not only used in zeolite beta, but also other A variety of molecular sieves have also been used as catalysts in the alkylation of aromatic substrates. Such an alkylation conversion reaction involves the alkylation of an aromatic substrate, such as benzene, to produce an alkyl aromatic, such as ethylbenzene, ethyltoluene, cumene, or higher aromatics, followed by transalkylation of the polyalkylbenzene. The production of monoalkylbenzene. Typically, an alkylation reactor that provides a mixture of monoalkylbenzene and polyalkylbenzene may be coupled to a downstream alkyl exchange reactor through various separation stages. Such alkylation and alkyl exchange reactions can be carried out in the liquid phase, in the gas phase, or under conditions in which both the liquid phase and the gas phase are present.
[0005]
US Pat. No. 4,185,040 to Ward et al. Has a low sodium content, ie Na 2 An alkylation process using a molecular sieve catalyst having an O content of less than 0.5% by weight is disclosed, which catalyst is particularly useful when producing ethylbenzene from benzene and ethylene and cumene from benzene and propylene. Is said to be useful for use in manufacturing. Examples of suitable zeolites include X, Y, L, B, ZSM-5, and omega crystalline molecular sieves, and steam stabilized hydrogen Y zeolite is preferred. Specifically, Na 2 Ammonia Y zeolite containing about 0.2% O is stabilized with steam. The Ward et al. Patent discloses various catalyst configurations. Cylindrical extrudates can also be used, but a particularly preferred catalyst shape is the so-called “trilobal” shape, which somewhat resembles a trilobal clover. The extruded product has a surface area / volume ratio of 85-160 inches. -1 Must be within the range. The alkylation step can be carried out in either upward or downward flow, the latter being preferred, and preferably at least until substantially all of the alkylating agent olefin has been consumed. It can be performed under temperature and pressure conditions such that at least some phase is present. The Ward et al patent states that catalyst deactivation occurs rapidly under most alkylation conditions if no liquid phase is present. In the various conversion methods described above as well as the Ward method, the zeolite may be mixed with a porous mineral oxide binder for the purpose of reaching a granular catalyst form, such as a trilobal form. . Thus, Ward discloses the use of alumina gel, silica gel, silica / alumina co-gel, various clays, titania and other mineral oxides in combination with a suitable zeolite-Y, with alumina being preferred. It is disclosed.
[0006]
As with the use of zeolites in conversion or alkylation processes, procedures involving the use of zeolite beta in alkylation or transalkylation processes are usually performed using alumina as a binder to provide a matrix for the zeolite catalyst. Is done. Thus, US Patent No. 4,891,458 to Ennes et al. Discloses a liquid phase alkylation or transalkylation process for aromatic hydrocarbons using zeolite beta catalysts. The atomic ratio of silicon to aluminum contained in the zeolite beta disclosed by Ennes et al. Is from 5: 1 to less than 100: 1, preferably from 5: 1 to less than 50: 1. Ennes discloses that alkylation is carried out under conditions where the molar ratio of aromatic to olefin is at least 4: 1 in order to prevent the catalyst from becoming fouled rapidly. The reaction temperature is in the range of about 100 to 600 degrees F and the reaction pressure is typically about 50-100 psig, which is sufficient temperature and pressure to at least partially maintain the liquid phase. Zeolite beta suitably used in the Ennes process is mainly in the hydrogen form, which is achieved by calcination following ammonia exchange of the synthesized product. Ennes discloses that high purity zeolites may be used with inorganic oxide binders such as alumina, silica, silica / alumina or naturally occurring clays. Ennes continues to state that the preferred inorganic binder is alumina.
[0007]
Ratcliffe et al., U.S. Pat. No. 4,798,816, discloses another alkylation method which treats in a manner that improves selectivity to monoalkylation, particularly propylation of benzene to form cumene. With the use of a modified molecular sieve catalyst for alkylation. When carbon-based material is first deposited on the catalyst and then burned to the resulting carbon-containing catalyst particles, the selectivity is improved by at least 1 percentage point. Specific crystalline zeolitic molecular sieves include molecular sieves selected from the group of Y zeolites, fluorinated Y zeolites, X zeolites, zeolite beta, zeolite L and zeolite omega. A suitable Y-type zeolite can be dealuminated so that the ratio of total silica to alumina is greater than 6. As in the previous literature, a suitable refractory inorganic oxide material for use as a binder is alumina, in particular catapal, but other binders such as alumina, gallia, thalia, titania, zirconia, Beryllia, silica, silica-alumina and various other materials are also disclosed.
[0008]
Butler European Patent Application Publication No. 467,007 discloses another method in which an alkylation zone and an alkyl exchange zone exist separately, in which various molecular sieve catalysts are used, Product exiting the reactor is recycled to the intermediate separation zone. There, a benzene separation zone is located in front of the preliminary fractionation zone, the ethylbenzene / polyethylbenzene fraction is recovered from the remainder of the zone and the top benzene fraction is recycled to the alkylation reactor. Yes. In the preliminary fractionation zone, the overhead benzene fraction (which is recycled with the overhead coming from the benzene tower) and the kettle residue (which contains benzene, ethylbenzene and polyethylbenzene) Produces. The subsequent two separation zones are positioned between the benzene separation zone and the transalkylation reactor to recover ethylbenzene as a process product and a heavy residue fraction. The polyethylbenzene distillate exiting from the last separation zone is sent to the transalkylation reactor and the product obtained there is sent directly to the second benzene separation column or indirectly to the second benzene separation column via a separation device. Send it in. Butler operates the alkylation reactor in the liquid phase using a catalyst such as zeolite-beta, zeolite-Y or zeolite-omega, or gas phase using a catalyst such as silicalite or ZSM-5. Discloses what can be done in it.
[0009]
Another method involving liquid phase alkylation of aromatic substrates is disclosed in Shamshou et al., European Patent Application Publication No. 507,761. This process involves the use of a molecular sieve catalyst based on zeolite beta but modified by incorporating lanthanum. Shamshoum et al. Show that little or no xylene is produced under mild liquid phase alkylation conditions when using lanthanum-modified zeolite beta catalysts as opposed to using hydrogen form of zeolite beta. Disclosure. In the method of Shamshoum et al., The silica / alumina ratio of the initial zeolite beta is preferably in the range of 20 to 50, which is first calcined at a temperature of about 570 ° C. for 2 hours or more after an ion exchange step. Yes. The molecular sieve after the ion exchange and calcination steps is dried and then subjected to ion exchange with a lanthanum salt solution to incorporate lanthanum into the zeolite system. Shamshoum et al. Disclosed mixing such lanthanum beta zeolite with a binder such as alumina sol, gamma alumina or other refractory oxides to form a mixture of zeolite and binder and then pelletized. .
[0010]
Other methods involving liquid phase alkylation of benzene are disclosed in US Pat. No. 5,030,786 to Shamshouum et al. And 5,073,653 to Butler. Shamshou '786 discloses the use of molecular sieves having a pore size greater than 6.5 angstroms, particularly zeolite Y and zeolite beta having pore sizes in the range of 7-7.5 angstroms. The Butler patent discloses the alkylation of benzene in the liquid phase using catalysts including zeolites such as zeolite omega, zeolite beta and zeolite Y. Butler can reduce the molar ratio of benzene to ethylene used in the reactor if the alkylation reactor is operated under relatively mild liquid phase conditions, and is less than about 5: 1, preferably It is disclosed that the molar ratio can range from 4: 1 or less to about 2: 1. Also disclosed is the higher ratio of 15: 1. Butler specifically discloses a catalyst having a crystalline zeolite omega content of 80% and an alumina binder content of 20% by weight.
[0011]
SUMMARY OF THE INVENTION
According to the present invention, there is provided an aromatic alkylation method for alkylating a benzene-containing raw material using a zeolite beta catalyst for alkylation. This alkylating zeolite beta catalyst is formulated with a silica binder, which has an average regeneration coefficient of at least 95% for at least 3 regenerations. This alkylation reaction is a C 2 -C Four It is carried out in the liquid phase or in the supercritical range using an alkylating agent. In a preferred embodiment of the present invention, the alkylating agent is an ethylating agent, more specifically ethylene. The catalyst exhibits a regeneration factor of at least 95% after ethylation of benzene with ethylene with a benzene / ethylene molar ratio of less than 10.
[0012]
In a further aspect of the invention, the benzene-containing feed is fed to a reaction zone containing a molecular sieve catalyst comprising an alkylating zeolite beta catalyst blended with a silica binder. Ethylene is fed to the reaction zone and the reaction zone is operated under temperature and pressure conditions where benzene is present in the liquid phase or in the supercritical phase. The ethylation of benzene occurs with an initial designated primary activity. This reaction zone operation is continued until the activity exhibited by the catalyst with respect to ethylation of benzene has decreased by a value of at least 0.1% from the initial designated primary activity. It should be ensured that the value that declines from the initial designated primary activity does not exceed 1%. The operation of this alkylation reaction is stopped and a regeneration step is provided. In this regeneration step, the catalyst is regenerated at an average temperature of 500 ° C. or less in an oxidizing environment. At the end of this regeneration step, the alkylation zone operation is resumed and the reaction zone is again operated under temperature and pressure conditions effective for benzene ethylation to occur in the liquid or critical phase. The initial activity that this catalyst exhibits in such a second pass is such that it provides a secondary activity of at least 95% of said initial primary activity. The operation of the alkylation reaction zone is continued until the activity of the catalyst drops to a degree that is at least 0.1% of the initial secondary activity, and then the operation of the alkylation reaction zone is stopped again and the catalyst is The regeneration process as described above is applied. At the end of this regeneration step, benzene and ethylene are again fed to the alkylation reaction zone. This alkylation zone is operated at temperatures and pressures where benzene is present in the liquid phase or supercritical phase and the additional tertiary activity for ethylation of benzene gives at least 95% of said secondary activity.
[0013]
Detailed Description of the Invention
The present invention provides for the alkylation of aromatic substrates (including benzene), preferably under relatively mild liquid phase alkylation conditions, in a reaction zone containing an alkylating zeolite beta catalyst. The present invention is particularly applicable when the ethylation of benzene is carried out under mild liquid phase conditions where no or little xylene is formed, and the present invention will be described with particular reference to the production of ethylbenzene. However, other alkylation reactions can be used in the practice of the present invention. For example, the present invention is applicable to a reaction in which propene and benzene are reacted to produce cumene. Also, olefinic alkylating agents are usually used, but other alkylating agents such as those disclosed in US Pat. No. 3,551,510 to Pollitzer et al., For example, alkynes, alkyl halides, alcohols Ethers and esters can also be used.
[0014]
As noted above, the alkylation reactor is preferably operated under relatively mild pressure and temperature conditions where benzene is present in the liquid phase, i.e. at a temperature well below the critical temperature of benzene and benzene in the liquid phase. Operating under sufficient pressure to be held in However, it is also possible to carry out this alkylation reaction under conditions in which benzene is present in the supercritical phase, i.e. above the critical temperature and pressure, and in this connection, unless otherwise specified. It will be understood that the term “liquid phase” or “liquid phase reaction” as used herein represents operations within the liquid region as well as operations within the supercritical range.
[0015]
The zeolite beta used in the present invention may be a normal zeolite beta, or any one of a variety of modified zeolite betas described in more detail below. In the present invention, regardless of the nature of such zeolite beta, the process proceeds in contrast to conventional methods where zeolite beta is usually combined with an alumina binder such as gamma alumina or catapal alumina. Thus, as described in more detail below, when zeolite beta is used in the present invention, it is formulated with a silica binder, resulting in a zeolite beta catalyst suitable for use in liquid phase alkylation, thus silica. Zeolite beta formulated with a binder exhibits substantially better deactivation and regeneration properties compared to zeolite beta formulated with conventional alumina binders. The regeneration characteristics exhibited by zeolite beta formulated with this silica binder after at least three regenerations are as follows, using an alumina binder in the same amount as the silica binder used in the present catalyst, as described below. And at least 105% of the regeneration coefficient exhibited by the zeolite beta catalyst blended with each other.
[0016]
The zeolite beta used in the present invention may be zeolite beta with a high silica / alumina ratio, lanthanum modified zeolite beta, or zeolite beta modified with ZSM-12 as described in detail below. Of course, this may also be a more or less conventional zeolite beta as disclosed, for example, in the aforementioned Waddinger et al. Patent 3,308,069 and Calvert et al. Patent 4,642,226. . Regardless of the nature of such zeolite beta, blending it with a silica binder results in a substantially more stable catalyst than zeolite beta blended with an alumina binder in the traditional manner. In addition, the zeolite beta-silica bonded catalyst of the present invention is stable even when the benzene / ethylene ratio is substantially lower compared to the corresponding zeolite beta catalyst formulated with an alumina binder.
[0017]
Zeolite beta is a well-known molecular sieve catalyst as described above, and its basic preparation method is well known to those skilled in the art. Methods for preparing crystalline zeolite beta are described above in US Pat. No. 3,308,069 to Wadlinger et al., US Pat. No. 4,642,226 to Calvert et al., And European Patent Application Publication No. 159,846 to Reuben Is hereby incorporated by reference in its entirety]. The zeolite beta has a low sodium content, i.e. Na. 2 It can be prepared to be less than 0.2% by weight expressed as O, and further, by performing ion exchange treatment on it, the sodium content can be further reduced to a value of about 0.02% by weight. It is.
[0018]
As disclosed in the Waddinger et al. And Calvert et al. Patents cited above, zeolite beta contains silica and alumina and sodium or other alkyl metal oxides and an organic templating agent. It is also possible to produce the reaction mixture by performing hydrothermal digestion. Typical cooking conditions include temperatures ranging from slightly lower than the boiling point of water at atmospheric pressure to about 170 ° C. at a pressure equal to or higher than the vapor pressure exhibited by water at the temperature used. Is included. By gently stirring the reaction mixture for a period ranging from about 1 day to several months, the degree of crystallization desired for the production of zeolite beta is achieved. The resulting zeolite beta is usually a silica to alumina molar ratio (SiO 2 / Al 2 O Three In the range of about 20 to 50.
[0019]
Next, the zeolite beta undergoes ion exchange with ammonium ions, but this ion exchange is carried out without adjusting the pH. It is preferred to use an aqueous solution of an inorganic ammonium salt such as ammonium nitrate as the ion exchange medium. Following this ammonium ion exchange treatment, the zeolite beta is filtered, washed and dried, and then calcined at a temperature of about 530 ° C. to 580 ° C. for a period of 2 hours or more.
[0020]
Zeolite beta can be characterized by its crystal structure symmetry and x-ray diffraction pattern. Zeolite beta is a molecular sieve with a medium or about 5-6 angstrom pore size and contains a 12-ring channel systems. Zeolite beta is square symmetric P4 1 22, a = 12.7, c = 26.426 (WM Meier and DH Olson Butterworth, “Atlas of Zeolite Structure Types”, Heinemann, 1992, p. 58), ZSM-12 It is generally characterized by monoclinic symmetry. Zeolite beta pores are generally circular with a diameter of about 5.5 angstroms along the 001 plane and elliptical with diameters of about 6.5 angstroms and 7.6 angstroms along the 100 plane. Zeolite beta is described in more detail by Higgins et al. In "The framework to topology of zeolite beta", Zeolites, 1988, Vol. 8, November, pages 446-452, the disclosure of which is incorporated herein by reference in its entirety. Has been.
[0021]
The zeolite beta blend used in the practice of the present invention may be a conventional zeolite beta based blend as disclosed in the above-mentioned Calvert et al. Patent or disclosed in the above mentioned SHA publication by Shamshou et al. Formulations based on lanthanum modified zeolite beta such as those described above, or intergrowth of ZSM-12 crystals as disclosed in Ghosh et al. US Pat. No. 5,907,073. It may be a modified zeolite beta. However, rather than using an alumina binder as disclosed by Ghosh, a silica binder as disclosed herein is used. For further description of methods of producing zeolite beta useful for use in accordance with the present invention, see Waddinger, Patent No. 3,308,069, Calvert, 4,642,226 and Ghosh, 5,907,073 and Reference is made to Shamshou, EP 507,761, the disclosures of which are hereby incorporated by reference in their entirety.
[0022]
It is also possible to practice the present invention using silica-bound zeolite beta based on zeolite beta, which has a higher silica / alumina ratio than is normally found. For example, as disclosed in Kennedy European Patent Application Publication No. 186,447, it is possible to increase the silica / alumina ratio of the zeolite by subjecting the calcined zeolite beta to dealumination by steam treatment. is there. Therefore, as disclosed by Kennedy, steam treatment using 100% steam on calcined zeolite beta having a silica / alumina ratio of 30: 1 was performed at 650 ° C. under atmospheric pressure for 24 hours. The result was a catalyst with a silica / alumina ratio of about 228: 1, followed by an acid wash step to produce 250: 1 zeolite beta. Aluminum can be removed from the framework of zeolite beta by subjecting various zeolite betas to extraction treatment using nitric acid. When acid washing of the zeolite beta is first performed, a zeolite beta with a high silica / alumina ratio is achieved. Thereafter, lanthanum is introduced into the zeolite framework by ion exchange. A subsequent acid wash should not be performed so that lanthanum is not removed from the zeolite.
[0023]
In the aromatic alkylation process, it is highly desirable to regenerate the catalyst after the activity of the catalyst decreases over time during the alkylation process. In experimental studies conducted in connection with the present invention, the regenerative nature of zeolite beta blended with a silica binder is substantially better than that of zeolite beta blended with an alumina binder in accordance with conventional procedures of conventional techniques. I found something. The activity of fresh catalysts during the alkylation process is typically relatively higher in the initial stage, and this activity can be measured in percent of ethylbenzene produced at the specified benzene / ethylene molar ratio and benzene space velocity. is there. While it is desirable for the activity during the initial period to be relatively constant, the activity of the catalyst gradually decreases due to coking of the catalyst at some point during the alkylation process. After the activity of the catalyst has fallen to the point where further operations cannot be performed or at least not economically feasible, the reactor may be removed from the flow and the catalyst regenerated. A typical regeneration step is to first add nitrogen and then add air to the nitrogen and gradually increase the amount of air to reach the desired oxygen content. For example, the initial oxygen content may be about 0.5% by volume, and such a regeneration gas may be injected at a temperature of about 500 ° C. As the oxygen content is gradually increased, coke is burned out of the catalyst and eventually the catalyst reaches a regenerated state, the activity of which is close to or equal to the initial catalyst activity. There is even a thing. In the regeneration of zeolite beta, it is desirable to supply a nitrogen atmosphere at a temperature close to 500 ° C. before introducing oxygen for the purpose of initially expelling substantially all of the hydrogen from the catalyst so as not to generate water.
[0024]
The regeneration of the catalyst can be characterized by the regeneration factor, which indicates the level at which the catalyst can be regenerated when moving from one alkylation pass to another (this is the catalyst). Comparison under conditions of initial activity shown). Thus, taking into account multiple alkylation passes and regeneration passes, the catalyst exhibits 10% ethylbenzene under standard conditions in the first pass and the first regeneration step. Assuming that the activity of the catalyst under the same conditions at the beginning of the second alkylation pass at the end of is 9% ethylbenzene, the regeneration factor in this case will be characterized as 90%. If the same regeneration coefficient is observed when the second pass is transferred to the third alkylation pass with the second regeneration, the initial activity at the start of the third pass is 8. It will be 1% ethylbenzene.
[0025]
In the description of the present invention, the term “regeneration coefficient” is characterized in the meaning of the following standard conditions. The catalyst is used in a liquid phase alkylation step carried out at a temperature and pressure of 300 ° C. and 650 psig so that the benzene / ethylene molar ratio is 10. The ethylation reaction is carried out until the activity of the catalyst is reduced by 0.5 percent as measured by percent ethylene conversion. Next, nitrogen is first injected at a temperature of 500 ° C. for 24 hours, and then the catalyst is regenerated by slowly increasing the oxygen content of nitrogen to 10% oxygen over 24 hours. Next, when the catalyst reaches the secondary alkylation activity in the second alkylation pass, the initial activity is measured, and the regeneration coefficient is measured using the initial activity.
[0026]
In an experimental study relating to the present invention, alkylation was carried out using lanthanum beta zeolite (catalyst A) blended with an alumina binder and lanthanum beta zeolite (catalyst B) blended with a silica binder. The lanthanum beta zeolite was prepared according to the method of EPO 507761, which had a silica / alumina ratio of about 100 and a lanthanum content of about 1% by weight. This experimental study was conducted using a single pass reactor having a temperature of 300 ° C. and a pressure of 650 psig. The purity of the benzene feed is about 99%, which is 70 hours -1 Of space velocity (LHSV). Two sets of tests were performed, i.e. 5 ml of catalyst was used in the catalyst bed in one test and 10 ml of catalyst was used in the catalyst bed in the other test.
[0027]
In the first set of tests conducted with Catalyst A (lanthanum beta compounded with alumina binder), the temperature of the catalyst bed was measured as a function of time in two successive passes (with the regeneration step interposed). One set of tests was performed with a 5 ml bed of catalyst and the other set of activities with a 10 ml bed of activity.
[0028]
The alkylation experiment is conducted for 5 days when the catalyst is a 5 ml bed and for 4 days when the catalyst is a 10 ml bed, and the temperature is measured with a thermocouple spaced along the bed. Detected. The results of the first screening test carried out with catalyst A are shown in FIG. 1, which plots the volume percent (V) of the bed on the vertical axis when the temperature is maximum (490 ° C.). The test time [day (D)] plotted on the horizontal axis was compared. Curve 2 in FIG. 1 shows the result of the first pass with a 5 ml bed and curve 3 shows the result of the second pass with a 5 ml bed. Curves 5 and 6 show the results of the first and second pass through a 10 ml bed, respectively. The temperature during regeneration was adjusted so that the maximum value was 490 ° C. In both the 5 ml bed experiment and the 10 ml bed experiment, the deactivation rate that lanthanum beta exhibited after the first regeneration was faster than the initially observed deactivation rate. Furthermore, no activity is restored after the second regeneration, indicating that the lanthanum beta zeolite formulated with the alumina binder is not stable enough to withstand multiple regenerations.
[0029]
In the second set of experiments, the experiment was conducted using critical lanthanum beta conditions with lanthanum beta blended with a 20% amount of silica binder, which is approximately the same amount of binder used in the lanthanum beta alumina catalyst composition. Conducted below. Here, the alkylation experiment was carried out at a temperature higher than the critical temperature of benzene (289 ° C.). The reactor temperature was 300 ° C., the pressure was 650 psig, and the benzene space velocity (LHSV) was 70 hours. -1 I made it. This catalyst was confirmed to be stable when the benzene / ethylene molar ratio was 10: 1. At the end of the initial experiment conducted over 4 days, the catalyst was regenerated using the following regeneration process:
1. Cool to ambient temperature with a minimum benzene flow rate;
2. Starting a purge with 240 sccm of nitrogen to maintain the reactor in downflow mode;
3. Increase the temperature to 400 ° C. at a rate of less than 100 ° C. per hour and hold for 3 hours;
4). Cooling to 250 ° C .;
5. Slowly add air at the minimum mass flow controller speed to prevent exotherm from exceeding 490 ° C;
6). At the end of the initial rapid combustion, nitrogen is reduced to 0 sccm while air is slowly increased to 240 sccm over 2 hours;
7). Raise the temperature to 485 ° C. and hold for 3 hours; and
8). Cool to ambient temperature with air flow.
[0030]
Next, the space velocity of benzene is set to 70 hours using the regenerated catalyst. -1 The second pass experiment was carried out while maintaining the space velocity of the reactor, and the ethylene feed rate was gradually increased over time to achieve benzene / ethylene ratios of 20: 1, 10: 1 and 7.9: 1. I made it. The results of this experimental study are shown in FIG. 2, in which the catalyst bed operation is plotted with the volume percent (V) of the bed at the maximum (490 ° C.) on the vertical axis and plotted on the horizontal axis. Time [day (D)] was compared. Curve 8 in FIG. 2 shows the data for a benzene / ethylene molar ratio of 20: 1, and curve 9 shows the data for a benzene / ethylene molar ratio of 9: 1. 10 shows data when the molar ratio of benzene / ethylene is 7.9: 1. As can be seen by examining the data shown in FIG. 2, the catalyst is clearly completely stable when the benzene / ethylene molar ratio is 10: 1 and 7.9: 1, and the molar ratio is Even higher and 20: 1, the stability it showed was substantially better than the stability exhibited when the alumina binder catalyst had a benzene / ethylene ratio of 10: 1. Met. On day 10, the benzene space velocity is lowered and the ethylene flow rate is further lowered to a benzene / ethylene ratio of about 3: 5, at which point the catalyst is soon deactivated, as curve 11 shows. Began to show.
[0031]
In further experimental studies, lanthanum beta zeolite (catalyst B) formulated with silica binder was used, with a benzene / ethylene molar ratio of 20: 1 and 10: 1, in four consecutive passes (with regeneration). Experiments were performed. This experimental study was performed using a lanthanum beta with a silica / alumina ratio of 50: 1. The temperature is controlled to a maximum value of 490 ° C., the pressure is 650 psig to operate within the critical range, and the reaction conditions are more severe than the mild temperature and pressure conditions used in normal liquid phase alkylation. did. Benzene supply speed is 70 hours for each pass -1 Of LHSV. Between each pass, the catalyst was regenerated in the same regeneration step as described above.
[0032]
The results of this experimental study are listed in Table 1. As shown in Table 1, the EB content of each pass, the percentage of diethylbenzene as measured against the ethylbenzene present in the production stream, the amount of butylbenzene based on the ethylbenzene content [ppm (parts per million) And the amount (ppm) of propylbenzene based on ethylbenzene contained in the product. As can be seen by examining Table 1, the catalyst maintained good activity after each regeneration, and the activity during the fourth pass roughly corresponded to the initial activity. In the second regeneration performed between the second pass and the third pass, an unexpectedly large amount of coke is burned, resulting in a catalyst bed temperature of the desired maximum temperature of 490 ° C. over 40 minutes. And reached a high temperature of 550 ° C. Thereby, as shown in Table 1, the yield of propylbenzene was increased by an order of magnitude. However, as is clear from the experimental studies described herein, zeolite beta formulated with a silica binder is much more stable and substantially better regenerated than the corresponding zeolite beta formulated with an alumina binder. The coefficient is shown.
[0033]
[Table 1]
Figure 0004063522
[0034]
As stated above, in accordance with the present invention, the silica binder zeolite beta catalyst is designed to be suitable for use in liquid phase alkylation. In the practice of the present invention, the alkylation reaction is carried out at a pressure sufficiently higher than the vapor pressure exhibited by the aromatic substrate at the reaction temperature used for the purpose of ensuring that the liquid phase is maintained throughout the reaction vessel. In order to ensure a complete liquid phase reaction, a flooded bed format is used in which the catalyst is completely immersed in the liquid. This can be easily achieved using upflow techniques such as those used in the experimental studies shown above, which will generally be suitable for use in the practice of the present invention. However, it is also possible to achieve downflow overflow operation by controlling the outlet flow rate to ensure that the catalyst bed is covered with liquid benzene or other aromatic substrate.
[0035]
Preferably, a stepwise reaction to ensure good solubility of ethylene (or other alkylating agent) in benzene (or other aromatic substrate) and to ensure that the entire reaction occurs in the liquid phase. The format (staged reaction format) is used. As disclosed in Butler, U.S. Pat. No. 5,073,653, described above, by using a series of sequentially connected reactors and mounting multiple catalyst beds in a single reactor, the Such a step-wise reaction format can be provided. When a plurality of stages are provided, it is possible to obtain an opportunity to perform interstage cooling when using an adiabatic reaction tank, or it is possible to use several isothermal reaction stages. Referring now to FIG. 3, there is shown a schematic diagram of a staged reaction vessel apparatus used when producing ethylbenzene by the reaction of ethylene and benzene, which has an adiabatic reaction vessel with interstage cooling and ethylene injection. Multiple are included. More specifically, as shown in this figure, ethylene and benzene are fed to the inlet line 15 of the dehydrator 16 via lines 12 and 14. This dehydrator has the function of essentially drying the input charged to the alkylation reactor, preferably dehydrating so that the water content is less than 100 ppm, more preferably less than 50 ppm. Fulfill. By way of example, the dehydrator 16 may take the form of a packed tower or an azeotropic drying column filled with a desiccant such as silica gel or other suitable hygroscopic medium.
[0036]
The dehydrator effluent is fed to reaction vessel 18, ie, the first reaction vessel in a plurality of serially connected alkylation reactors operated in an upflow mode. The reaction vessel 18 is operated at an average temperature of 350 ° C. or less, preferably an average temperature in the range of 150-250 ° C. For liquid phase operation, the pressure in the reaction vessel 18 is sufficient to keep the benzene in the liquid phase, preferably at least 50 psi higher than the vapor pressure indicated by the reaction vessel temperature. The reactor pressure is typically in the range of about 500-850 psia. The remaining reaction vessels located downstream are usually operated under substantially the same conditions as the first reaction vessel. The effluent from the first reaction vessel 18 is removed via line 19 and passed through a heat exchanger 22 to be supplied to the second reaction vessel 24, whereby the second stage is obtained by the heat exchanger 22. The effluent before being sent to the reaction tank 24 is cooled. Ethylene is fed via line 21 and mixed with the effluent coming out of the first reactor 18. Preferably, as shown in this figure, ethylene is fed into the reaction vessel before the effluent leaving the reaction vessel is cooled for the purpose of promoting the distribution of ethylene throughout the liquid benzene. . This cooling step is preferably performed so that the temperature of the feed mixture fed to the second reaction vessel 24 is lowered until it is approximately the same as the inlet temperature value of the first reaction vessel 18. Usually, the average temperature of the second reaction tank is made substantially the same as the average temperature of the first reaction tank. In order for the pressure gradient to be sufficient to accommodate the flow through the device, its pressure needs to be somewhat lower. The effluent discharged from the second reaction tank 24 is fed to the second interstage cooling device 29 together with ethylene supplied via the line 27, and the cooling mixture causes the charged mixture to the third reaction tank 30 to be again supplied to the first reaction tank 30. The two reactors are cooled to a temperature almost equal to the inlet temperature.
[0037]
The product exiting from the reaction tank 30 is sent via a line 32 to a separation processing device 34 located downstream. Ethylbenzene is separated in apparatus 34 and removed as the product of the alkylation plant. Ethylbenzene is typically used as a feed to a dehydrogenation unit where ethylbenzene is catalytically dehydrogenated in the production of styrene. Benzene and ethylene are usually separated in apparatus 34 and reused in the alkylation process. Heavier polyethylbenzene may be transalkylated with benzene to produce additional ethylbenzene. A multi-stage separation apparatus suitable for use with an alkyl exchange apparatus is an integrated apparatus disclosed in the above-mentioned European Patent Application No. 467,007, the disclosure of which is hereby incorporated by reference in its entirety. It may take one of the forms. For the purpose of improving the selectivity of monoalkylation, the amount of benzene contained in the feed material fed to the alkylation reaction tank is made a stoichiometric excess with respect to ethylene. If the reactor is operated such that liquid phase alkylation occurs under relatively mild conditions, not only will the amount of xylene produced in the alkylation reaction be minimized, but the molar ratio of benzene / ethylene is usually reduced. It is also possible to make it somewhat lower than the molar ratio used. A commonly used benzene / ethylene molar ratio is about 4: 1, but it is also possible to use a lower molar ratio such as about 2: 1. However, there is generally little motivation to use extremely high ratios, and as a practical matter, the benzene / ethylene molar ratio will rarely exceed 15: 1. A preferred benzene / ethylene molar ratio is about 4/1. The benzene / ethylene molar ratios shown above are those for the entire apparatus and multistage reactors, such as the apparatus shown in the figure, and the benzene / ethylene ratio of the feed fed to each stage is less than the overall ratio. I will. The amount of ethylene dissolved in the benzene charge fed to each reactor stage will depend in part on the number of reactor stages used. Usually, as shown, at least three reactor stages will be used. Even if additional reactor stages are provided, the total number of stages will usually not exceed 8. The pressure in each reaction stage and the amount of ethylene fed to each reaction stage are preferably at a pressure and quantity such that at least 1 mole percent of ethylene is dissolved in benzene. Usually, at least 2 mole percent of ethylene is dissolved in the charge fed to each reactor. Unless a large number of reactor stages are used, the amount of ethylene dissolved in the benzene liquid phase of each reactor is generally at least 4 mole percent.
[0038]
It is also possible to carry out the multistage ethylation of benzene using isothermal reaction zones according to the invention. The isothermal reactor may take the form of a shell and tube type heat exchanger, in which case the alkylating catalyst is placed in the tube and the heat transfer medium is located around the tube filled with the catalyst. It may be circulated through the shell. Of course, the heat exchanger medium is fed through the reaction vessel at a feed rate such that the temperature is maintained relatively constant throughout each reaction stage. In this case it will not be necessary to perform interstage cooling, but it may be preferred to inject ethylene in front of each reaction stage.
[0039]
As indicated above, it is preferred that the beta-silica catalyst be used in a liquid phase alkylation reaction under relatively mild conditions. However, the present invention operates in the supercritical range by using the benzene substrate under severe conditions where both temperature and pressure are higher than the critical temperature and critical pressure of benzene (thereby allowing the alkylation reactor to be quasi-liquid). It is also possible to carry out by operating in phase. As indicated above, in that case the alkylation reactor would be operated at temperatures above about 290 ° C. and pressures above 700 psia. Usually a somewhat higher temperature and a somewhat higher pressure will be used. Here, the operation of the alkylation reactor using benzene in the supercritical range will be in the range of 300-600 ° C. and in the range of about 650-850 psia.
[0040]
While specific embodiments of the invention have been described, all such modifications are within the scope of the appended claims, as such modifications may occur to those skilled in the art. It will be understood that it is intended to protect.
[0041]
The features and aspects of the present invention are as follows.
[0042]
1.
(A) an alkylating zeolite which is fed with a benzene-containing feedstock into the reaction zone and which is blended with a silica binder and exhibits an average regeneration factor of at least 95% when regeneration is carried out at least three times at temperatures below 500 ° C. Contacting a molecular sieve catalyst comprising a beta catalyst;
(B) C 2 -C Four Feeding an alkylating agent to the reaction zone;
(C) operating the reaction zone under temperature and pressure conditions effective to effect alkylation of the benzene with the alkylating agent in the liquid phase or in the supercritical range; and
(D) recovering the alkylated benzene from the reaction zone;
An aromatic alkylation process comprising:
[0043]
2. The method of claim 1, wherein the alkylating agent is an ethylating agent.
[0044]
3. The method of claim 2 wherein the ethylating agent is ethylene.
[0045]
4). A process according to claim 1 wherein the reaction zone is operated under temperature and pressure conditions where the benzene is present in the liquid phase.
[0046]
5. The method of claim 4 wherein the benzene and alkylating agent are fed to the reaction zone at a flow rate such that the molar ratio of benzene to the alkylating agent is less than 15.
[0047]
6). 6. The method of claim 5, wherein the molar ratio of the benzene to the alkylating agent is less than 10.
[0048]
7). 6. A process according to claim 5, wherein the molar ratio of benzene to alkylating agent is in the range of 4-10.
[0049]
8).
(A) feeding a benzene-containing feed to the reaction zone and contacting it with a molecular sieve catalyst comprising an alkylating zeolite beta catalyst formulated with a silica binder;
(B) supplying ethylene to the reaction zone;
(C) operating the reaction zone under temperature and pressure conditions where benzene is present in the liquid phase or supercritical phase and ethylation of the benzene occurs in the presence of the alkylating catalyst during primary activity. ,
(D) recovering an alkylated product containing ethylbenzene from the reaction zone;
(E) continuing operation of the reaction zone until the activity of the catalyst with respect to ethylation of benzene decreases by a value of 0.1% from the primary activity of the catalyst with respect to ethylation of benzene;
(F) providing a regeneration procedure that stops operation of the reaction zone for benzene alkylation and performs regeneration of the catalyst in an oxidizing environment such that the average temperature during the regeneration process is 500 ° C. or less;
(G) After the regeneration procedure, the operation of the alkylation reaction zone is provided again by supplying benzene to the alkylation reaction zone;
(H) the ethylation of the benzene in the liquid phase such that the ethylation of the benzene occurs in the reaction zone with a secondary activity of at least 95% of the primary activity in the presence of the regenerated catalyst to produce ethylbenzene; Operating under temperature and pressure conditions effective to occur in the supercritical phase,
(I) continuing operation of the alkylation reaction zone until the activity of the catalyst for ethylation of benzene drops to a degree of at least 0.1% of the secondary activity;
(J) regenerating the catalyst by stopping operation of the alkylation reaction zone and regenerating the catalyst in an oxidizing environment at an average temperature of 500 ° C. or less;
(K) supplying benzene and ethylene to the alkylation reaction zone; and
(L) the ethylation of the benzene in the liquid phase such that the ethylation of the benzene in the presence of the regenerated catalyst gives at least 95% of the secondary activity in the reaction zone Operating under temperature and pressure conditions effective to occur in the supercritical phase,
A process for producing ethylbenzene comprising:
[0050]
9. 9. The method of claim 8, wherein the zeolite beta catalyst comprises zeolite beta modified with lanthanum in which lanthanum ions are incorporated into the zeolite beta by ion exchange.
[0051]
10. The method of claim 8 wherein the zeolite beta has a silica / aluminum ratio of at least 40.
[0052]
11. 9. The method of claim 8, wherein the zeolite beta catalyst comprises a modified zeolite beta having an in-growth ZSM-12 crystal framework within the crystal structure of zeolite beta.
[0053]
12 The regeneration coefficient exhibited by the zeolite beta after at least 3 regenerations is at least 105 of the regeneration coefficient value exhibited by a zeolite beta catalyst formulated with an alumina binder in the same amount as the silica binder used with the zeolite beta. The method according to claim 8, which is%.
[0054]
13. 9. A process according to claim 8 wherein the reaction zone is operated under temperature and pressure conditions where the benzene is present in the liquid phase.
[0055]
14 14. The method of claim 13, wherein the benzene and alkylating agent are fed to the reaction zone at a flow rate such that the molar ratio of benzene to alkylating agent is less than 15.
[0056]
15. 15. The method of claim 14, wherein the molar ratio of the benzene to the alkylating agent is less than 10.
[0057]
16. 15. A process according to claim 14 wherein the molar ratio of benzene to alkylating agent is in the range of 4-10.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing the catalyst bed volume percent at the highest temperature under liquid phase alkylation conditions using a zeolite beta catalyst formulated with an alumina binder.
FIG. 2 shows the highest alkylation temperature under progressive liquid phase conditions when the benzene / ethylene molar ratio is progressively reduced using a regenerated zeolite beta catalyst formulated with a silica binder. Figure 5 is a graph showing the volume percent of catalyst bed at the time.
FIG. 3 is a schematic diagram of a staged reactor apparatus that can be used in the practice of the present invention.

Claims (2)

(a)ベンゼン含有原料を反応ゾーンに供給しそしてそれをシリカ結合剤と共に配合されていて再生を500℃以下の温度で少なくとも3回実施した時に少なくとも95%の平均再生係数を示すアルキル化用ゼオライトベータ触媒を含んで成るモレキュラーシーブ触媒に接触させ、
(b)C2−C4アルキル化剤を前記反応ゾーンに供給し、
(c)前記反応ゾーンを前記アルキル化剤による前記ベンゼンのアルキル化が液相中または超臨界範囲内でもたらされるに有効な温度および圧力条件下で操作し、そして
(d)アルキル化ベンゼンを前記反応ゾーンから回収する、
ことを含んで成る芳香族アルキル化方法。
(A) an alkylating zeolite which is fed with a benzene-containing feedstock into the reaction zone and which is blended with a silica binder and exhibits an average regeneration factor of at least 95% when regeneration is carried out at least three times at temperatures below 500 ° C. Contacting a molecular sieve catalyst comprising a beta catalyst;
(B) supplying a C 2 -C 4 alkylating agent to said reaction zone,
(C) operating the reaction zone under temperature and pressure conditions effective to effect alkylation of the benzene with the alkylating agent in the liquid phase or in the supercritical range; and (d) the alkylated benzene is Recover from the reaction zone,
An aromatic alkylation process comprising:
(a)ベンゼン含有原料を反応ゾーンに供給しそしてそれをシリカ結合剤と共に配合されているアルキル化用ゼオライトベータ触媒を含んで成るモレキュラーシーブ触媒に接触させ、
(b)エチレンを前記反応ゾーンに供給し、
(c)前記反応ゾーンをベンゼンが液相中または超臨界相中に存在していて前記ベンゼンのエチル化が一次活性時の前記アルキル化用触媒の存在下で起こる温度および圧力条件下で操作し、
(d)エチルベンゼンを含有するアルキル化生成物を前記反応ゾーンから回収し、
(e)前記反応ゾーンの操作を前記触媒がベンゼンのエチル化に関して示す活性が前記触媒がベンゼンのエチル化に関して示す前記一次活性から0.1%の値だけ低下するまで継続し、
(f)ベンゼンのアルキル化に関する前記反応ゾーンの操作を停止しそして前記触媒の再生を酸化環境下で再生工程過程中の平均温度が500℃以下であるように行う再生手順を設け、
(g)前記再生手順の後に、ベンゼンを前記アルキル化反応ゾーンに供給することによって前記アルキル化反応ゾーンの操作を再び設け、
(h)前記反応ゾーンを前記ベンゼンのエチル化が前記再生触媒の存在下で前記一次活性の少なくとも95%の二次活性で起こってエチルベンゼンが生成するように前記ベンゼンのエチル化が液相中または超臨界相中で起こるに有効な温度および圧力条件下で操作し、
(i)前記アルキル化反応ゾーンの操作を前記触媒がベンゼンのエチル化に関して示す活性が前記二次活性の少なくとも0.1%の度合で降下するまで継続し、
(j)前記アルキル化反応ゾーンの操作を停止しそして前記触媒の再生を酸化環境下において500℃以下の平均温度で行うことにより前記触媒の再生を実施し、
(k)ベンゼンおよびエチレンを前記アルキル化反応ゾーンに供給し、そして
(l)前記反応ゾーンを前記ベンゼンのエチル化が前記再生触媒の存在下でベンゼンのエチル化に関する初期活性が前記二次活性の少なくとも95%を与えるように前記ベンゼンのエチル化が液相中または超臨界相中で起こるに有効な温度および圧力条件下で操作する、
ことを含んで成るエチルベンゼンの製造方法。
(A) feeding a benzene-containing feed to the reaction zone and contacting it with a molecular sieve catalyst comprising an alkylating zeolite beta catalyst formulated with a silica binder;
(B) supplying ethylene to the reaction zone;
(C) operating the reaction zone under temperature and pressure conditions where benzene is present in the liquid phase or supercritical phase and ethylation of the benzene occurs in the presence of the alkylating catalyst during primary activity. ,
(D) recovering an alkylated product containing ethylbenzene from the reaction zone;
(E) continuing operation of the reaction zone until the activity of the catalyst with respect to ethylation of benzene decreases by a value of 0.1% from the primary activity of the catalyst with respect to ethylation of benzene;
(F) providing a regeneration procedure that stops operation of the reaction zone for benzene alkylation and performs regeneration of the catalyst in an oxidizing environment such that the average temperature during the regeneration process is 500 ° C. or less;
(G) After the regeneration procedure, the operation of the alkylation reaction zone is provided again by supplying benzene to the alkylation reaction zone;
(H) the ethylation of the benzene in the liquid phase such that the ethylation of the benzene occurs in the reaction zone with a secondary activity of at least 95% of the primary activity in the presence of the regenerated catalyst to produce ethylbenzene; Operating under temperature and pressure conditions effective to occur in the supercritical phase,
(I) continuing operation of the alkylation reaction zone until the activity of the catalyst for ethylation of benzene drops to a degree of at least 0.1% of the secondary activity;
(J) regenerating the catalyst by stopping operation of the alkylation reaction zone and regenerating the catalyst in an oxidizing environment at an average temperature of 500 ° C. or less;
(K) benzene and ethylene are fed to the alkylation reaction zone, and (l) the reaction zone has an initial activity for ethylation of the benzene in the presence of the regenerated catalyst and the initial activity for the ethylation of the benzene is the secondary activity. Operating under temperature and pressure conditions effective for the ethylation of the benzene to occur in the liquid phase or supercritical phase to give at least 95%;
A process for producing ethylbenzene comprising:
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