JP4953275B2 - ガソリン基材の製造方法及びガソリン組成物 - Google Patents
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また、炭素数7以上の飽和脂肪族炭化水素を原料油に用いて異性化反応を行なうと、安定な三級カルボカチオンが生成しやすいため、ガソリン基材として好ましくない分解反応も並行して起こってしまうことから、効率的な異性化は困難とされてきた。
直鎖状飽和脂肪族炭化水素、分岐状飽和脂肪族炭化水素及び芳香族炭化水素類に分離する方法は開示されている(特許文献1参照)が、炭素数7以上の留分を異性化した異性化反応生成物などの分離方法については何ら開示されておらず、多段の分離工程を必要とするため特に困難であると言われている。また、直鎖状飽和脂肪族炭化水素と分岐状飽和脂肪族炭化水素の分離については既に報告例はある(特許文献2参照)が、具体的な異性化反応については、同様に何ら開示されていない。また、炭素数7以上の留分に対する異性化反応、及び直鎖状飽和脂肪族炭化水素と分岐状飽和脂肪族炭化水素の分離について開示されている(特許文献3参照)ものの、イオン性液状触媒を用いるものであり、触媒の分離工程を必要とするため実用的ではなく、また使用する触媒の酸強度が不十分であるため効果的な低温での高活性を得ることは難しい。さらに、1分岐飽和脂肪族炭化水素と多分岐飽和脂肪族炭化水素とを分離する方法も開示されている(特許文献4参照)が、やはり異性化反応自体は実用的に特段の効果を有するものではなかった。
本発明者は、適切な触媒を使用する異性化工程と適切な分離方法を用いる分離工程とを組み合わせ、この課題を解決した。すなわち、細孔特性が制御されたモレキュラーシーブ、分離膜を用いれば、その分子サイズの差あるいは吸着・透過能力の差から、オクタン価の低い直鎖状飽和脂肪族炭化水素とオクタン価の高い分岐状飽和脂肪族炭化水素との分離、さらに1分岐飽和脂肪族炭化水素とよりオクタン価の高い多分岐飽和脂肪族炭化水素との分離が可能である。また、同一炭素数の炭化水素の中で比較すると、一般的に分岐数が増えるほどオクタン価が高く、沸点が低くなることから、精密蒸留を用いれば、沸点が低く、かつオクタン価が高い化合物を分離することが可能となり、熱平衡以上のオクタン価を有するガソリン基材を得ることができることを見出した。
(1)ナフサ留分を異性化してより高いオクタン価を有するガソリン基材を製造する方法において、ナフサ留分を異性化する異性化反応工程、及び異性化反応工程で生成した異性化反応生成物を低オクタン価化合物群と高オクタン価化合物群に分離する工程を含み、前記の異性化反応工程において、ハメット酸度関数が−12より小さい固体酸触媒を用いるガソリン基材の製造方法。
また、このようにして調製された分岐状飽和脂肪族炭化水素を主成分とする高オクタン価のガソリン基材を用いることによって、相対的に環境負荷の高い芳香族分やオレフィン分を多用せずに高いオクタン価を有するガソリン組成物を調製し、提供することができる。前記の「相対的に」なる用語は、本発明のガソリン組成物と従来のガソリン組成物を比較したとき、RONが同じであれば、本発明のガソリン組成物は芳香族分やオレフィン分を少なくすることができ、芳香族分やオレフィン分の含有量が同じであれば、RONを高くすることができることを意味する。
分岐数が1以下の飽和脂肪族炭化水素を分岐度の高い化合物へ変換する異性化工程には、異性化触媒としてハメット酸度関数が−12以下、さらに好ましくは−13以下、特に好ましくは−13.5以下である固体酸触媒を使用する。ここで酸度関数が−12よりも大きい、すなわち酸強度が弱い触媒を使用した場合には、異性化反応に要する温度が高くなり、熱平衡的に十分な多分岐飽和脂肪族炭化水素を得ることができないため、オクタン価の面からは不利となる。本発明においては、周期律表第IV族の元素、周期律表第VI族の元素、及び周期律表第VIII族の元素を含有する固体酸触媒が好ましい。
周期律表第VI族の元素は、タングステン、硫黄、モリブデンからなる群から選ばれる1種以上の元素であることが好ましく、特に硫黄あるいはタングステンが好ましい。
また、周期律表第VIII族の元素は、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、オスミウム、鉄、コバルト、ニッケルからなる群から選ばれる1種以上の元素であることが好ましく。されに、白金、パラジウム、及びルテニウムが好ましく、特に白金が好ましい。
本発明に用いる固体酸触媒の細孔構造に関して、細孔直径は0.002〜10μmが好ましく、細孔直径0.002〜0.05μmの範囲については窒素吸着法により、細孔直径0.05〜10μmの範囲は水銀圧入法により測定できる。0.002〜10μmの細孔直径を有する固体酸触媒の細孔容積は0.2cm3/g以上が好ましく、さらには0.3cm3/g以上、特には0.35〜1.0cm3/gが好ましい。
固体酸触媒の形状は特に限定されるものではなく、粉末状、ペレット状、タブレット状、ビーズ状などどのような形状でもかまわないが、粉体よりも成形された形状がより好ましい。例えば、押出し成形で容易に得ることができる断面が円の円柱状やクローバ型などの異形の柱状(平均径約1.5mm、長さ約4.0mm)のペレットあるいはエクストゥルード(extrude)と呼ばれる形態の固体酸触媒を好ましく用いることができる。
本発明に用いる原料油のナフサ留分は、典型的には、石油精製工程から得られた蒸留操作などにより分取されるいわゆるナフサ留分である。原油の常圧蒸留や各種の留出油の水素化脱硫装置、水素化分解装置、接触改質装置、流動接触分解装置などから得られるナフサ留分、また、必要に応じてさらに蒸留分離した留分を用いることができる。また、石炭液化や天然ガスから合成された炭化水素油や、さらに、これらを分解して得られた炭化水素油も、後述の蒸留性状を有するナフサ留分相当の炭化水素油であれば原料として用いることができる。
また、より多くの高オクタン価化合物を得るには、後述する分離工程で分離した分岐数1以下の飽和脂肪族炭化水素が主成分である低オクタン価化合物群を再度、異性化工程に用いることがより好ましい。
一般的に炭化水素化合物の分離方法としては、吸着分離、膜分離、及び化合物の沸点差を利用する蒸留分離が知られている。蒸留分離の場合、石油精製で用いられる炭化水素化合物は、通常多数の化合物から構成される混合物であり、炭素数の分布が広いために、分子形状(分子構造ないし分子の骨格)で分離するには限界がある。
それに対して、吸着分離や膜分離のように、分子形状の違いを利用して分離するプロセスでは、分子量の違いの影響も多少あるものの、それよりも分子形状の違いに影響を受けやすいため、例えば、多成分の混合油の中から、直鎖状飽和脂肪族炭化水素のみを分離する場合、有用な手法である。
分離膜としては、アルミナやステンレス等に代表される多孔質支持体を基板として、ゼオライト膜やシリカアルミナ膜に代表される無機性膜やポリイミド樹脂膜等に代表される有機性膜を多孔質支持体の表面あるいは細孔内部に形成した分離膜を使用することができる。前記多孔質支持体としては、ステンレスの面に垂直方向に針状の空孔が連なったものであってもよいし、アルミナや金属の微粒子が結合したものであってもよい。また物性的には機械的強度が高く、かつゼオライト層を形成するための水熱処理及びその後の熱処理において材質的に安定であることが必要であり、例えば、アルミナ、チタニア、ムライト等のセラミック、ステンレスやチタンなどの金属、ガラスなどを用いることができ、好ましくはチタニア、アルミナ等の多孔質支持体である。
また、多孔質支持体および分離膜の形状は、炭化水素化合物を分離するのに適したものであれば、どのような形状でもよく、例えば、膜状、板状、筒状、円筒状、ハニカム状などが挙げられる。
本発明の分離工程においては、上記のように多段分離を適用することも可能であるが、高オクタン価化合物群に対する低オクタン価化合物群のトータルでの分離係数は10以上、好ましくは40以上、さらに好ましくは、100以上である。
本発明のガソリン組成物は、前記のように処理して得られた異性化ガソリンに他のガソリン基材を適切な割合でブレンドすることによって製造することができる。
他のガソリン基材とは、本発明のガソリン組成物を調製するに際して、前記の異性化ガソリン以外に用いるガソリン基材を指し、従来のガソリン製造に用いられるガソリン基材を使用することができる。具体的には、ナフサ留分を水素化脱硫後、その軽質分を蒸留分離することにより得た脱硫直留ナフサ留分、ブチレン留分とイソブタン留分とをアルキル化して得たアルキレート(ALK)、接触分解ナフサ留分(FCCG)を蒸留して得た軽質留分の接触分解軽質ナフサ留分(FL)、脱硫重質ナフサを固体改質触媒により改質して得た改質ガソリン及びそれを蒸留して得られた特定の炭素数で芳香族リッチの改質ガソリン留分(例えば、炭素数7個の芳香族をリッチに含むAC7、炭素数9個の芳香族をリッチに含むAC9など)、原油の各種の精製工程から副製されるガソリン留分、さらに、単離されたブタン、ペンタンや、いわゆるBTXなどの芳香族化合物などが挙げられる。さらに、エタノールなどのアルコール類や、アルコールからの誘導体であるエーテル類やエステル類の、いわゆる「含酸素化合物」を使用しても良い。
本発明のガソリン組成物は、上記の方法で異性化、分離されたガソリン基材を配合して得られたガソリン組成物であり、リサーチ法オクタン価(RON)が90以上、硫黄分が10.0質量ppm以下、50容量%留出温度が100℃以下、蒸気圧が65kPa以下、かつ、直鎖状飽和脂肪族炭化水素の含有量が9.0容量%以下であることを特徴とする。オクタン価は好ましくは93以上、より好ましくは95以上であり、硫黄分は、好ましくは1.0質量ppm以下、より好ましくは0.5質量ppm以下である。ガソリン中の硫黄分は排気ガス中で硫黄酸化物となり、窒素酸化物除去触媒を被毒して触媒活性を低下する。被毒した窒素酸化物除去触媒は、通常還元雰囲気下で再生して活性を回復する。このとき、還元雰囲気を形成するために燃料が使用され、その分燃費が悪化する原因となっている。したがって、ガソリン中の硫黄分が少ないほど燃費は向上する。50容量%留出温度は、低温運転性からは98℃以下が好ましく、さらには96℃以下がより好ましい。蒸気圧は62kPa以下が好ましく、さらには60kPa以下がより好ましい。蒸気圧が高いと蒸発損失の増加、ベーパーロックの懸念、危険性の増加などの問題が起こりやすい。
さらに、本発明のガソリン組成物は、排気ガス性状や低温運転性維持の観点から芳香族分はできるだけ少ない方が好ましく、5.0容量%以上35.0容量%以下が好ましく、さらには5.0容量%以上32.0容量%以下が好ましい。一方、オレフィン含有量はRON維持、燃費、光安定性及び貯蔵安定性の観点から、5.0容量%以上30.0容量%以下が好ましく、さらに好ましくは10.0容量%以上25.0容量%以下である。さらに、ガソリン車両の燃料タンク液面計に銀が一部使用されていることから、銀板腐食が1以下であることが望ましい。
本発明のガソリン組成物の好ましい態様として、必要に応じて公知の燃料添加剤をさらに配合することができる。これらの配合量は適宜選べるが、通常は添加剤の合計量として0.1容量%以下とすることが好ましい。本発明のガソリン組成物で使用可能な添加剤としては、アミン系、フェノール系、アミノフェノール系などの酸化防止剤、シッフ型化合物、チオアミド型化合物などの金属不活性化剤、有機リン系化合物などの表面着火防止剤、コハク酸イミド、ポリアルキルアミン、ポリエーテルアミンなどの清浄分散剤、多価アルコールやそのエーテルなどの氷結防止剤、有機酸のアルカリ金属塩やアルカリ土類金属塩、高級アルコールの硫酸エステルなどの助燃剤、アニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤、両性界面活性剤などの帯電防止剤、アルケニルコハク酸エステルなどの錆止め剤、キニザリン、クマリンなどの識別剤、アゾ染料などの着色剤を挙げることができる。
(異性化工程)
反応器に白金硫酸ジルコニア触媒(触媒A)を充填し、原料油のナフサ留分としてノルマルヘキサンを反応器に通油して異性化反応を実施して、異性化反応生成物Aを得た。反応条件は、反応温度:200℃、反応圧力:1.0MPa、LHSV:1.5h−1、H2/原料油比:5.0mol/molとした。用いた触媒Aは、外径約1.5mm、高さ約4.0mmのペレット状の白金硫酸ジルコニア触媒で、白金を0.4質量%、ジルコニウムを42.1質量%、硫黄を2.5質量%、アルミニウムを15.5質量%含有し、ハメット指示薬によるハメット酸度関数が−16.0であった。
異性化反応生成物Aの分岐体及び直鎖体の成分割合、及びRONを表1に示す。原料のノルマルヘキサンのオクタン価は24.8であるが、表1から明らかなように、オクタン価は異性化反応により65.1に向上した。このときの組成は、(液体成分を100容量%とすると、)ノルマルヘキサンが24.3容量%、1分岐体が59.6容量%、2分岐体が16.1容量%であった。
次いで、得られた異性化反応生成物Aを、合計透過流束が1.58×10−7mol・m−2・s−1・Pa−1で、分離係数αはノルマルヘキサン/1分岐体が3、ノルマルヘキサン/2分岐体が88、1分岐体/2分岐体が35である円筒形ゼオライト膜A(アルミナ支持体:外径10mm、長さ30mm、ゼオライト層厚:約15μm)を使用して、低オクタン価化合物と高オクタン価化合物に分離することができる。ゼオライト膜Aは既知の方法であるシリカライトを種結晶とした二次成長法により調製できる。分離条件は、温度100℃、炭化水素化合物供給量4.55×10−7mol/s、ヘリウムをキャリアガスとし、全圧100kPaで実施した。分離後の透過側生成物B及び非透過側生成物Cの流量は、それぞれ3.71×10−7mol/s、8.49×10−8mol/sであった。
また、上記膜分離後の透過側生成物B、及び非透過側生成物Cの分岐体及び直鎖体の成分割合、及びRONを、膜分離前の異性化反応生成物Aと同様に表1に示す。透過側生成物Bの組成はノルマルヘキサンが50.8容量%、1分岐体が48.8容量%、2分岐体が0.4容量%であり、RONは48.9であった。非透過側生成物Cの組成はノルマルヘキサンが0.7容量%、1分岐体が13.6容量%、2分岐体が85.7容量%であり、RONは90.8であった。
(膜分離工程2段)
ノルマルヘキサン異性化反応生成物Aを用いて、2段での分離方法も検討した。使用する2種類の円筒形ゼオライト膜は、合計透過流束が1.00×10−7mol・m−2・s−1・Pa−1で、分離係数αはノルマルヘキサン/1分岐体が10、ノルマルヘキサン/2分岐体が393、1分岐体/2分岐体が40で、内径10mm、長さ30mmである円筒形ゼオライト膜B、および、合計透過流束が7.80×10−8mol・m−2・s−1・Pa−1で、分離係数αはノルマルヘキサン/1分岐体が7、ノルマルヘキサン/2分岐体が129、1分岐体/2分岐体が18で、内径10mm、長さ30mmである円筒形ゼオライト膜Cである。
それぞれ既知の方法であるシリカライトを種結晶とした二次成長法により調製することができる。
上記膜分離後の1段目透過側生成物D、2段目透過側生成物F及び1段目非透過側生成物E、2段目非透過側生成物Gの分岐体及び直鎖体の成分割合、及びRONを表2に示す。透過側生成物Fはノルマルヘキサンが1.9容量%、1分岐体が96.2容量%、2分岐体が1.9容量%となりRONは72.8、非透過側生成物Gはノルマルヘキサンが0.7容量%、1分岐体が15.9容量%、2分岐体が83.4容量%となりRONは90.3であった。
上記比較例1及び実施例1で得たガソリン基材(異性化反応生成物A及び非透過側生成物C)と従来のガソリン基材を用い、表3の上部に示す混合割合でブレンドして実施例3〜6、及び比較例2〜5のガソリン組成物を調合した。ガソリン基材として用いた異性化反応生成物A、非透過側生成物C及び従来のガソリン基材の性状を表2に示す。また、得られた実施例3〜6、比較例2〜5のガソリン組成物の性状を表3に併せて示す。
イソペンタン留分(iC5)
イソペンタンを多く含む炭素数5の炭化水素が主体の留分であり、主に脱硫重質ナフサの接触改質で副生する軽質留分を含む脱硫軽質ナフサ留分を蒸留分離することにより、純度95%以上の炭素数5の分岐状飽和脂肪族炭化水素留分を得た。
脱硫軽油あるいは脱硫重油を原料に用い、固体触媒存在下、流動床式反応装置での接触分解反応によりオレフィン分の高い接触分解ナフサ留分(FCCG)を得、このFCCGを軽質留分と重質留分に蒸留分離して得た軽質留分(FL)である。
前記FCCGを収着脱硫することにより硫黄分の低い炭化水素化合物を得た。アルミナにニッケルを20質量%担持した触媒を硫化処理した後、反応温度:250℃、反応圧力:常圧、LHSV:4h−1、H2/油比:340NL/Lの条件のもと、中東系原油の減圧軽油留分を水素化精製処理したものを主たる原料油とする流動接触分解で得られた接触分解ナフサ留分(FCCG)を通油してジエン低減処理を行った。さらに、共沈法にて調製した銅亜鉛アルミニウム複合酸化物(銅含有量35質量%、亜鉛含有量35質量%、アルミニウム含有量5質量%)の還元処理を行った後、ジエン処理された接触分解ガソリンを、反応温度100℃、反応圧力常圧、LHSV2.0h−1、H2/油比0.06NL/Lの条件のもと20時間通油して脱硫分解ナフサ留分(DS−FCCG)を得た。
アルキレートガソリンであり、ブチレンを主成分とする留分とイソブタンを主成分とする留分を硫酸触媒によりアルキル化反応させて、炭素数8を主体としたイソパラフィン分の多い炭化水素を得た。
脱硫重質ナフサを固体改質触媒により移動床式反応装置を用いて反応させることにより、芳香族分の含量の多い炭化水素化合物に改質して接触改質ガソリンを得る。改質ガソリンはそのまま使用することもできるが、ここでは蒸留分離することにより炭素数9の炭化水素化合物をそれぞれ85%以上含有する留分(AC9)を得た。
イオン交換樹脂触媒(Amberlyst-15)を用い、エタノールとイソブチレンとを反応させ、次いで蒸留法により精製し、純度95%以上のETBEを得た。
市販の発酵エタノール(99度1級、日本アルコール販売(株)製)を使用した。
密度はJIS K 2249の振動式密度試験方法、蒸気圧はJIS K 2258のリード法蒸気圧試験方法、蒸留性状はJIS K 2254の常圧法蒸留試験方法によって測定した。硫黄分は、JIS K 2541−6の硫黄分試験方法(紫外蛍光法)によって測定した。銀板腐食はJIS K2513(石油製品−銅板腐食試験方法:対応 ASTM D130)のボンベ法(ジェット燃料)で、銅板の代わりにJIS K 2276(石油製品−航空燃料油試験方法)の「14.銀板腐食試験方法」に用いる銀板を使用して評価した。芳香族分、オレフィン分、飽和炭化水素分等の各種炭化水素化合物の成分組成はJIS K 2536のガスクロマトグラフ法による全成分試験方法により測定した。オクタン価はヒューレッドパッカード社製PIONA装置を用いて、ガスクロマトグラフ法によって測定した。
Claims (3)
- ナフサ留分を異性化してより高いオクタン価を有するガソリン基材を製造する方法において、ナフサ留分を異性化する異性化反応工程、及び異性化反応工程で生成した異性化反応生成物を分岐数1以下の飽和脂肪族炭化水素を50容量%以上含む留分である低オクタン価化合物群と分岐数2以上の飽和脂肪族炭化水素を50容量%以上含む留分である高オクタン価化合物群に分離膜により分離する分離工程を含み、前記の異性化反応工程において、ハメット酸度関数が−13.5以下である周期律表第IV族の元素、周期律表第VI族の元素、及び周期律表第VIII族の元素を含む固体酸触媒を用いることを特徴とするガソリン基材の製造方法。
- 原料ナフサ留分さらには低オクタン価化合物群を水素の存在下で固体酸触媒と接触させることを特徴とする請求項1に記載のガソリン基材の製造方法。
- 周期律表第IV族の元素が、チタン、ジルコニウム、ハフニウム及びスズからなる群から選ばれる1種以上の元素であり、周期律表第VI族の元素が、タングステン、硫黄及びモリブデンからなる群から選ばれる1種以上の元素であり、及び周期律表第VIII族の元素が、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、オスミウム、鉄、コバルト及びニッケルからなる群から選ばれる1種以上の元素である請求項1又は請求項2に記載のガソリン基材の製造方法。
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