JP4148775B2 - 二モードの細孔半径分布を有する触媒 - Google Patents

二モードの細孔半径分布を有する触媒 Download PDF

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Description

本発明は、a)二酸化ジルコニウム及び必要によりb)酸化アルミニウム、二酸化チタン及び/又は酸化ケイ素、及び必要によりc)元素周期表第I主族又は第II主族の元素、第III族の遷移元素、第VIII族の遷移元素、ランタン及び/又はスズから選択される少なくとも1種の元素を含み、且つ二モードの細孔半径分布を有する触媒に関する。
US−A−5220091では、Znスピネル担体に被覆された活性成分としてのPt/Snを含む触媒を、希釈剤としての水蒸気を用いて、イソブタン等の小さな炭化水素分子の脱水素化に使用する方法を開示している。この触媒の性能には改良の余地がある。なぜなら、給送物の水蒸気による高い希釈にもかかわらず(割合4:1)、600℃の高い反応温度条件下で、比較的低い収率及び選択率を達成するのみである。同様に、触媒の稼働寿命を改良するのは価値がある。なぜなら、触媒は、僅か7時間の稼動時間後に再生される必要があるからである。
US−A4788371では、希釈剤としての水蒸気を用いて炭化水素を脱水素化するためのPt/Sn/Cs/Al触媒を開示している(例:水蒸気/プロパン=10:1)。希釈度が高いにもかかわらず、僅か21%の転化率を達成するだけである。
WO−A94/29091では、例えばHO/プロパン/H/Nの気体混合物(割合8:7:1:5)の脱水素化用の、マグネシウム及びアルミニウムの混合酸化物を基礎とし、更に元素周期表の第VIII族の貴金属、第IVa族の金属及び必要により第Ia族のアルカリ金属を含む触媒を開示している。この触媒を工業的に用いる場合の不都合は、硬度が低いことであり、これにより工業的使用を困難にする。更に、この触媒の、特に低い反応温度条件下での性能には改良の余地がある。更に別の不都合は、複雑な運転(稼働)手順であり、性能を保持するために、水素の給送物への添加と、更に希釈するため、窒素の混合を必要とする。
米国公開番号第5220091号公報 米国公開番号第4788371号公報 国際公開番号第94/29021号公報
本発明の目的は、上述した不都合を改善することにある。
本発明者等は、上記目的が以下のa)〜c):
a)10〜99.9質量%の二酸化ジルコニウム(但し、当該二酸化ジルコニウムの50〜100質量%は、単斜晶系の態様である。)、
b)0〜60質量%の酸化アルミニウム、二酸化ケイ素及び/又は二酸化チタン、及び
c)0.1〜10質量%の、白金と、スズ、元素周期表第1族及び第2族の元素、第3族の遷移元素、及び第8〜10族の遷移元素から選択される少なくとも1種の元素とを、質量%の合計が100となるように含む、二モードの細孔半径分布を有するC2〜C16炭化水素の脱水素化用触媒、このための触媒の使用法、及びこの触媒の製造方法により達成されることを見出した。
本発明の触媒は、以下のa)〜d):
a)10〜99.9質量%、好ましくは20〜98質量%、特に好ましくは30〜95質量%の二酸化ジルコニウム(但し、二酸化ジルコニウムの50〜100質量%、好ましくは60〜99質量%、特に好ましくは70〜98質量%は、単斜晶系の形態である。)、
b)0.1〜30質量%、好ましくは0.5〜25質量%、特に好ましくは3.0〜20質量%の二酸化ケイ素、
c)0〜60質量%、好ましくは0.1〜50質量%、特に好ましくは1〜40質量%、特に5〜30質量%の酸化アルミニウム、二酸化ケイ素及び/又は二酸化チタン(ルチル又はアナターゼ型)、及び
d)0.1〜10質量%、好ましくは0.2〜8質量%、特に好ましくは0.5〜5質量%の、白金と、スズ、元素周期表第1族及び第2族の元素、第3族の遷移元素、及び第8〜10族の遷移元素から選択される少なくとも1種の元素と、
から構成されているのが好ましい。
上記質量換算による割合(質量%)の合計は、100である。
本発明の触媒に含まれる貴金属の量は、0.01〜5質量%が一般的であり、0.1〜1質量%が好ましく、0.2〜0.5質量%が特に好ましい。
本発明の触媒において、70〜100%、好ましくは75〜98%、特に好ましくは80〜95%の細孔は、20nm未満であるか、又は40〜5000nmの範囲にある。
本発明の触媒を製造するために、ジルコニウム、チタン、ケイ素及びアルミニウム(担体を形成する)による各酸化物の前駆体を使用可能であり、これを、か焼することにより酸化物に転化可能である。これは、公知の方法、例えばゾル−ゲル法、塩の沈殿、対応する酸の脱水、乾燥混合、スラリーの形成又は噴霧乾燥により調製可能である。例えば、ZrO・xAl・xSiO混合酸化物は、適当なジルコニウム含有前駆体を沈殿させることによる式ZrO・xHOで表される水の豊富な酸化ジルコニウムを最初に調製することによって製造され得る。好適なジルコニウム前駆体は、例えばZr(NO、ZrOCl又はZrClである。沈殿それ自体は、NaOH、KOH、NaCO及びNH等の塩基を添加することにより行われ、これは、例えばEP−A849224に記載されている。
ZrO・xSiO混合酸化物を製造するために、上述したようにして得られたZr前駆体を、Si含有前駆体と混合可能である。良好なSiO前駆体は、例えば、ルドックス(Ludox)(登録商標)等のSiOの水含有ゾルである。2種類の成分を、例えば簡易な機械混合又は噴霧乾燥機における噴霧乾燥により混合可能である。
混合酸化物を用いる場合、目標とされる方法で細孔構造に影響を与えることが可能となる。種々の前駆体の粒径は、細孔構造に影響を及ぼす。従って、例えば、強熱減量が低く且つ所定の粒径分布を有するAlを用いることにより、マクロポアを微細構造中で生成可能となる。このために有用であると見出された酸化アルミニウムは、プラロックス(Puralox)(約3%の強熱減量を有するAl)である。
ZrO・xSiO・xAl混合酸化物を製造するために、上述したように得られたSiO・xZrO粉末混合物をAl含有前駆体と混合可能である。これは、例えば混練機中での簡易な機械混合により行われ得る。しかしながら、ZrO・xSiO・xAl混合酸化物は、個々の前駆体の乾燥混合により単一の工程で製造することも可能である。
純粋なZrOと比較して、混合酸化物は、特に容易に賦形可能な点で有効である。この目的のために、これにより得られた粉末混合物を混練機中で濃縮された酸と混合し、その後、例えばラム押出機又はスクリュー押出機を用いることによって、賦形体に加工可能である。
本発明の触媒用の、特定の細孔半径分布(pore radius distribution)を有する担体を製造する更に別の考え得る方法は、調製中に、種々のポリマーを添加することであり、これをか焼により部分的に又は完全に除去して、所定の細孔半径範囲の細孔を形成可能である。このポリマー及び酸化物前駆体の混合は、例えば、簡易な機械混合又は噴霧乾燥機中における噴霧乾燥により行われ得る。
PVP(ポリビニルピロリドン)の使用は、二モードの細孔半径分布を有する担体の製造に特に有効であると見出された。製造工程中にPVPを、Zr、Ti、Al又はSiの単体による1種以上の酸化物前駆体に添加する場合、か焼後に、200〜5000nmの範囲のマクロポアを形成する。PVPを使用する更に別の利点は、担体を容易に賦形可能な点である。従って、PVP及びギ酸を添加する場合、良好な機械特性を有する押出物を、新たに沈殿させた水含有ZrO・xHO(予め120℃で乾燥させた)から容易に製造可能であり、これは、更に別の酸化物前駆体を用いることなく可能である。
本発明の触媒の混合酸化物担体は、か焼後のBET表面積が、純粋なZrO担体をか焼した後と比較して、より高くなっているのが一般的である。混合酸化物担体のBET表面積は、40〜300m/gの範囲が一般的であり、50〜200m/gの範囲が好ましく、60〜150m/gの範囲が特に好ましい。本発明の触媒の細孔容積は、通常、0.1〜0.8ml/gであり、好ましくは0.2〜0.6ml/gである。本発明の触媒の平均孔径は、Hg多孔度計により測定可能であり、そして5〜20nmの範囲であり、8〜18nmの範囲が好ましい。更に、細孔容積の10〜80%は、40nm未満の細孔から作製されているのが有効である。
混合酸化物担体のか焼は、活性成分を施した後に有利に行われ、そして400〜700℃、好ましくは500〜650℃、特に好ましくは560〜620℃で行われる。か焼温度は、通常、本発明の触媒が使用される脱水素化処理の反応温度と少なくとも同じ温度である。
本発明の触媒は、二モードの細孔半径分布を有している。細孔は、主として20nm以下で且つ40〜5000nmの範囲である。細孔容積に対して、このような細孔は、70%以上の細孔を構成する。20nm未満の細孔の割合は一般に20〜60%であり、一方、40〜5000nmの範囲の細孔の割合は、同様に20〜60%の範囲が一般的である。
混合酸化物を塩基性の化合物でドープ処理するのは、その酸化物の製造中、例えば共沈殿か、又はその後に、混合酸化物にアルカリ金属化合物もしくはアルカリ土類金属、第III族の遷移元素の金属化合物又は希土類金属化合物を含浸させることにより行われ得る。特に適当なドーパントは、K、Cs及びランタンである。
通常、第VIII族の遷移金属である脱水素化活性成分を施す(塗布する)のは、適当な金属塩前駆体(か焼により、対応の金属酸化物に転化可能である。)を含浸させることにより行われる。含浸の代わりに、脱水素化活性成分を別の方法、例えば金属塩前駆体を担体に噴霧することにより施すことも可能である。好適な金属塩前駆体は、例えば適当な金属の硝酸塩、酢酸塩及び塩化物か、又は使用される金属の錯体アニオンである。HPtCl又はPt(NO等の白金を使用するのが好ましい。金属塩前駆体用に使用され得る溶剤は、水及び有機溶剤である。特に適当な溶剤は、メタノール及びエタノール等の低級アルコールである。
脱水素化活性成分として貴金属を使用する場合に別の好適な前駆体は、対応する貴金属ゾルであり、これは、公知の方法の一法、例えばPVP等の安定化剤の存在下に金属塩を還元剤で還元することにより調製され得る。この調製技術は、ドイツ特許出願DE−A−19500366に幅広く示されている。
触媒は、反応器中の固定床として、又は例えば、流動床の状態で使用可能であり、そして適当な形態を有していても良い。好適な形状は、例えば顆粒状(粉砕された材料)、ペレット、モノリス、球形又は押出物(ロッド、ワゴンのホイール、星型、リング)である。
アルカリ金属及びアルカリ土類金属の前駆体として、か焼により対応の酸化物に転化可能である化合物を使用可能である。好適な前駆体の例は、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の水酸化物、炭酸塩、シュウ酸塩、酢酸塩又は混合炭酸水素塩である。
混合酸化物担体を第III主族の金属又は第III属の遷移金属で更にドープ処理するか、又はこれでドープ処理のみする場合、この場合の出発材料は、か焼により対応の酸化物に転化可能な化合物である。ランタンを用いる場合、好適な出発化合物は、例えば酸化ランタンのカーボネート、La(OH)、La(CO、La(NO又は有機アニオン含有ランタン化合物、例えば酢酸ランタン、ギ酸ランタン又はシュウ酸ランタンである。
プロパンの脱水素化は、300〜800℃、好ましくは450〜700℃の反応温度及び0.1〜100バール、好ましくは0.1〜40バールの圧力、及び0.01〜100時間−1、好ましくは0.1〜20時間−1のWHSV(空間速度1時間あたりの質量(weight hourly space velocity))の条件で行われるのが一般的である。脱水素化すべき炭化水素の他に、給送物は、CO、N、希ガス及び/又は水蒸気等の希釈剤、好ましくはN及び/又は水蒸気、特に好ましくは水蒸気を更に含んでいても良い。
本発明の触媒の特徴は、水蒸気の存在下での炭化水素の脱水素化において活性であるため、これに関連する利点、例えば平衡の限定、炭素析出物の減少及び操作寿命の延長を利用することができる。
必要により、水素を炭化水素給送物に添加可能であり、その場合、水素の炭化水素に対する割合は0.1:1〜100:1の範囲が一般的であり、1:1〜20:1の範囲が好ましい。本発明の触媒を用いる炭化水素の脱水素化は、水素を使用することなく行われるのが好ましい。
気体、特に水蒸気を連続的に添加する他に、水素又は空気を触媒上に時々通過させることにより、触媒を再生可能である。再生それ自体は、300〜900℃、好ましくは400〜800℃で、遊離酸化剤(free oxidizing agent)、好ましくは空気を用いるか、又は還元雰囲気、好ましくは水素中で行われる。再生は、大気圧より低い圧力、大気圧又は過圧下で行われ得る。圧力は、0.5〜100バールの範囲が好ましい。
本発明の触媒を用いることにより脱水素化され得る炭化水素は、例えばC〜C16炭化水素、例えばエタン、プロパン、n−ブタン、イソブタン、n−ペンタン、イソペンタン、n−ヘキサン、n−ヘプタン、n−オクタン、n−ノナン、n−デカン、n−ウンデカン、n−ドデカン、n−トリデカン、n−テトラデカン、n−ペンタデカン、n−ヘキサデカン、好ましくはC〜C炭化水素、例えばエタン、n−プロパン、n−ブタン、イソブタン、n−ペンタン、イソペンタン、n−ヘキサン、n−ヘプタン、n−オクタン、特に好ましくはC〜C炭化水素、例えばエタン、n−プロパン、n−ブタン、イソブタン、特にプロパン及びイソブタンである。
プロピレンは、特にポリプロピレンの合成又は官能化モノマー及びその重合生成物の合成の場合に需要の多い製品(物質)である。軽質ナフサの水蒸気分解によるプロピレンの製造の代わりは、プロパンの脱水素化である。
イソブテンは、特にMTBE(メチルtert−ブチルエーテル)の製造の場合に重要な製品である。これは、特にアメリカ合衆国において、オクタン価を増大させるための燃料添加剤として使用されている。プロピレンの製造に類似の方法でイソブタンを脱水素化することにより、イソブテンを製造可能である。
[触媒の製造]
[実施例1]
0.7793gのSnCl・2HO及び0.5124gのHPtCl・6HOを400mlのエタノールに溶解した溶液を、67.03gのZrO・xSiO・xAl(MEL、製品名XZO747/03、1.6〜2mmの顆粒)に注いだ。過剰の溶液を、ロータリエバポレータにて28ミリバールの減圧下で30分間に亘り除去した。組成物を100℃で15時間乾燥し、560℃で3時間か焼した。その後、0.5027gのCsNO及び1.7668gのKNOを166mlの水に溶解した水溶液を触媒に注いだ。上澄み液を、30ミリバールの減圧下に30分間に亘り除去した。触媒を100℃で15時間乾燥し、560℃で3時間か焼した。
触媒のBET表面積は92m/gであった。水銀多孔度計による測定で、0.29ml/gの細孔容積、67m/gの細孔面積(pore area)及び4.9nmの平均細孔半径を示していた。細孔容積に対して、約31%の細孔は10nm未満の直径を有しており、約57%は200〜4000nmの範囲の直径を有していた。
触媒の組成を表1に示す。
[実施例2]
186.73gのZrOCl・8HOを800mlの水に溶解した。室温条件下、この溶液に347mlの5MのNaOHを1ml/分の速度で滴下した。約6時間後、沈殿が終了し、pHが14となった。沈殿した材料を100℃で15時間熟成した。次いで、懸濁液をろ過し、固体を3000mlの5%濃度NHNO溶液、その後に純水で洗浄したが、これは、遊離塩化物がもはや検出できなくなるまで行われた。固体を100℃で16時間乾燥し、その後に、1℃/分の加熱速度で600℃に加熱し、この温度で12時間か焼した。
このようにして製造された110gのZrO2粉末を、40mlの水における3.3gのワロセル(登録商標(Walocel))で予備処理し、混合物を2時間混練し、その後30バールの圧力下で押し出して、3mmの押出物を形成し、次いで粉砕した。
上述したように製造された40gの粉砕材料に、0.465gのSnCl・2HO及び0.306gのHPtCl・6HOを245mlのエタノールに溶解した溶液を注いだ(篩の分級:1.6〜2mm)。
過剰の溶液を、ロータリエバポレータにて28ミリバールの減圧下で30分間に亘り除去した。組成物を100℃で15時間乾燥し、560℃で3時間か焼した。その後、0.299gのCsNO及び0.663gのKNOを105mlの水に溶解した水溶液を触媒に注いだ。上澄み液を、30ミリバールの減圧下に30分間に亘り除去した。触媒を100℃で15時間乾燥し、560℃で3時間か焼した。
触媒のBET表面積は107m/gであった。水銀多孔度計による測定で、0.46ml/gの細孔容積、102m/gの細孔面積及び7.7nmの平均細孔半径を示していた。細孔容積に対して、約37%の細孔は10nm未満の直径を有しており、約40%は200〜5000nmの範囲の直径を有していた。
触媒の組成を表1に示す。
[実施例3]
373.46gのZrOCl・8HOを3200mlの水に溶解した。室温条件下、この溶液に694mlの5MのNaOHを1ml/分の速度で滴下した。約6時間後、沈殿が終了し、pHが14となった。沈殿した材料を100℃で15時間熟成した。次いで、懸濁液をろ過し、固体を6000mlの5%濃度NHNO溶液、その後に純水で洗浄したが、これは、遊離Clがもはや検出できなくなるまで行われた。固体を100℃で16時間乾燥した。このようにして調製された200gの沈殿材料に、70mlの水における6gのPVP(ポリビニルピロリドン)及び6gの濃ギ酸を添加した。混合物を2時間混練し、20バールの圧力下で押し出して、3mmの押出物を形成し、次いで粉砕した。
上述したように製造された40gの粉砕材料に、0.639gのSnCl・xHO及び0.421gのHPtCl・6HOを337mlのエタノールに溶解した溶液を注いだ(篩の分級:1.6〜2mm)。過剰の溶液を、ロータリエバポレータにて28ミリバールの減圧下で30分間に亘り除去した。組成物を100℃で15時間乾燥し、560℃で3時間か焼した。その後、0.411gのCsNO及び0.725gのKNOを144mlの水に溶解した水溶液を触媒に注いだ。上澄み液を、30ミリバールの減圧下に30分間に亘り除去した。触媒を100℃で15時間乾燥し、560℃で3時間か焼した。
触媒のBET表面積は102m/gであった。水銀多孔度計による測定で、0.32ml/gの細孔容積、101m/gの細孔面積及び7.8nmの平均細孔半径を示していた。細孔容積に対して、約50%の細孔は10nm未満の直径を有しており、約25%は200〜2000nmの範囲の直径を有していた。
触媒の組成及び性能を表1に示す。
[実施例4]
0.384gのSnCl・2HO及び0.252gのHPtCl・6HOを196mlのエタノールに溶解した溶液を、ノートン(Norton)社の32gの粉砕ZrO・xSiO混合酸化物に注いだ(#9816590;篩の分級:1.6〜2mm)。
過剰の溶液を、ロータリエバポレータにて28ミリバールの減圧下で30分間に亘り除去した。組成物を100℃で15時間乾燥し、560℃で3時間か焼した。その後、0.247gのCsNO、0.435gのKNO及び3.147gのLa(NO・6HOを120mlのHOに溶解した水溶液を触媒に注いだ。上澄み液を、30ミリバールの減圧下で30分間に亘り除去した。触媒を100℃で15時間乾燥し、560℃で3時間か焼した。
触媒のBET表面積は82m/gであった。水銀多孔度計による測定で、0.27ml/gの細孔容積、65m/gの細孔面積及び11.7nmの平均細孔半径を示していた。細孔容積に対して、約58%の細孔は20nm未満の直径を有しており、約18%は40〜100nmの範囲の直径を有しており、約30%は40nmを超え且つ5000nm未満の直径を有していた。
触媒の組成を表1に示す。
[比較実施例1(Comp.1)]
WO−A94/29021の実施例1における方法を用いて、触媒を比較用に調製した(Pt/Sn/Cs/Mg(Al)O)。
触媒の組成を表1に示す。
[比較実施例(Comp.2)]
比較実施例1に類似の方法を用いて、触媒を製造した。
触媒の組成を表1に示す。
[触媒の試験]
上述したように製造された20mlの触媒を、内径22mmの管型反応器に設置した。この触媒を、580℃にて30分間水素で処理した。その後、同一の温度条件下、この触媒を、80%の窒素及び20%の空気(リーンな空気)からなる混合物に曝した。純粋な窒素を用いた15分間のフラッシュ処理段階の後、20標準L(リットル)/時の、プロパン/水蒸気のモル比1:1のプロパン(99.5%の純度)及びHOを、580℃又は610℃の反応温度で触媒上に通過させた。圧力は1.5バールであり、GHSVは1000時−1であった。反応生成物を、ガスクロマトグラフィにより測定した。
実施例1〜4及び比較実施例の触媒を用いた結果を表1に示す。
Figure 0004148775
)試験条件:20mlの触媒、顆粒の大きさ=1.6〜2mm;580又は610℃;プロパン/HO=1:1(モル/モル);20標準L/時のプロパン;GHSV=1000時−1;1.5バール。
**)比較用の触媒:WO−A94/29021の実施例1によるPt/Sn/Cs/Mg(Al)O。

Claims (9)

  1. 主として以下のa)〜c):
    a)10〜99.9質量%の二酸化ジルコニウム(但し、当該二酸化ジルコニウムの50〜100質量%は、単斜晶系の態様である。)、
    b)0〜60質量%の酸化アルミニウム、二酸化ケイ素及び/又は二酸化チタン、及び c)0.1〜10質量%の、白金と、スズ、元素周期表第1族及び第2族の元素、第3族の遷移元素、及び第8〜10族の遷移元素から選択される少なくとも1種の元素とを質量%の合計が100となるように含む、二モードの細孔半径分布を有するC2〜C16炭化水素の脱水素化用触媒。
  2. 主として以下のa)〜d):
    a)30〜95質量%の二酸化ジルコニウム、
    b)0.5〜25質量%の二酸化ケイ素、
    c)0.1〜1質量%の白金、及び
    d)0.1〜10質量%のカリウム、セシウム、ランタン及びスズから選択される少なくとも1種の元素、
    から構成されている請求項1に記載の触媒。
  3. BET表面積が40〜300m2/gの範囲である請求項1又は2に記載の触媒。
  4. 細孔容積が0.25〜0.5ml/gである請求項1〜3のいずれかに記載の触媒。
  5. 0.1〜50質量%のカリウム及び/又はセシウムを含む請求項1〜4のいずれかに記載の触媒。
  6. 0.05〜1質量%の白金及び0.05〜2質量%のスズを含む請求項1〜5のいずれかに記載の触媒。
  7. 粗製触媒組成物に対して2〜30質量%のポリアミン、ポリアクリレート、ポリアルコール、ポリシロキサン、カルボヒドレート又はこれらの混合物を粗製触媒組成物に添加し、得られた混合物を、550℃を超える温度でか焼する、請求項1〜6のいずれかに記載の触媒の製造方法。
  8. 請求項1〜6のいずれかに記載の触媒をC2〜C16炭化水素の脱水素化に使用する方法。
  9. 請求項1〜6のいずれかに記載の触媒の存在下にC2〜C16炭化水素を脱水素化する方法。
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