JP5046338B2 - 炭化水素原料油の臭素指数を低減させる方法 - Google Patents

炭化水素原料油の臭素指数を低減させる方法 Download PDF

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Description

この発明は、少なくとも50wt%のC芳香族炭化水素原料油などを含有する、炭化水素原料油の臭素指数(以下BI)を低減させる方法に関する。
芳香族炭化水素などの炭化水素原料油は、ナフサ改質や熱クラッキング(熱分解)などの方法により得られる。このような原料油は、ベンゼン、トルエン、キシレン(BTX)を含有する芳香族炭化水素原料油からのパラキシレンの製造、トルエンの不均化、キシレンの異性化、アルキル化、アルキル交換など、種々の石油化学プロセスに用いられる。
しかし、芳香族炭化水素原料油は、モノオレフィン、マルチオレフィン、スチレンなどの、臭素と反応し易い不飽和炭化水素を不純物として含有している。これらの不純物は下流の工程で好ましくない副反応を生じることがある。従って、これらの不純物は、芳香族炭化水素原料油が他の工程で使用される前に取り除いておく必要がある。
McGraw-Hill、New YorkのHandbook of Petroleum Processing( 1996年、pp. 4.3‐4.26)に開示されている改良された芳香族製品の製造方法の場合、芳香族製品の収量は向上するものの、不純物の含有量も増加する。例えば、高圧の半再生式改質器から低圧の移動床式改質器への変更は、改質油中のBIを増加させる結果となる。これらの改質油は芳香族炭化水素原料油であり、下流工程へ送られる。このため、改質油などの芳香族炭化水素原料油中の炭化水素不純物を、より効果的で安価に除去できる方法に対する要求が高まっている。
芳香族炭化水素原料油中のオレフィン類(モノオレフィンとマルチオレフィン)は、商業的には水素化処理によって除去されている。商業的な水素化処理触媒は、安定的に含有されているマルチオレフィンをオリゴマに転換し、また一部のオレフィン類をアルキル化芳香族に転換させる活性を有するものであることが知られている。
炭化水素のクレイ処理は、石油および石油化学工業で広く行われている。クレイ触媒は、炭化水素原料油中の不純物を除去する目的で、多くのプロセスで用いられている。多くの場合、炭化水素原料油をクレイ触媒で処理する理由は、モノオレフィン、マルチオレフィンを含む好ましくないオレフィン類を除去して、様々な品質規格に適合させるためである。
ここで、「オレフィン化合物」と「オレフィン物質」という用語は、モノオレフィンとマルチオレフィンの両者を示す意味で用いる。芳香族炭化水素中のオレフィン化合物は、重量ppm(wtppm)で数ppm以下のごく僅かな量でも、ベンゼンのニトロ化等のプロセスでは受け入れられない。
ここで、モノオレフィンという用語は、1分子中に炭素−炭素二重結合を1つ有するオレフィン化合物を意味する。モノオレフィンの例として、エチレン、プロピレン、ブテン、ヘキセン、スチレン、オクテンが挙げられる。また、マルチオレフィンという用語は、1分子中に少なくとも2つの炭素−炭素二重結合を有する化合物を意味する。マルチオレフィンの例として、ブタジエン、シクロペンタジエン、イソプレンが挙げられる。
最近、芳香族炭化水素原料油中のオレフィン化合物の除去にモレキュラーシーブ、特にゼオライトをクレイ触媒の代わりに用いることが提案されている。Brownらの米国特許第6368496号には、先ずごく微量のジエンを含有する芳香族炭化水素の原料油を供給し、この芳香族炭化水素流体中にある臭素との反応性が高い炭化水素不純物を除去する方法が開示されている。供給される原料油は、モノオレフィンを十分除去できる条件下で、酸性活性触媒に接触させられる。
この芳香族炭化水素流体には、ジエンを除去することはできるがモノオレフィンは除去できない条件で、クレイ触媒、水素化処理触媒、あるいは水素化触媒と接触させる前処理が施されていると考えられる。
Brownらの米国特許第6500996号は、芳香族改質油流体を水素化処理触媒および/またはモレキュラーシーブと接触させ、芳香族改質油からジエンやオレフィン類などの炭化水素不純物を除去する方法を開示している。水素化処理触媒は、実質的に全てのジエンをオリゴマに転換し、オレフィン類の一部をアルキル化芳香族に転換する。モレキュラーシーブは、オレフィン類をアルキル化芳香族に転換する。この方法では、クレイ処理装置に流通させて残留オレフィンをアルキル化芳香族に転換させることが可能な、オレフィン含量が微少な製品が得られる。
水素化処理触媒は、ニッケル、コバルト、クロム、バナジウム、モリブデン、タングステン、ニッケル−モリブデン、コバルト−ニッケル−モリブデン、ニッケル−タングステン、コバルト−モリブデン、またはニッケル−タングステン−チタンの金属化合物を有し、特にニッケルモリブデン/アルミナ触媒が好ましいとされている。モレキュラーシーブは中間の孔径のゼオライトであり、好ましくはMCM−22である。クレイ処理には、炭化水素の処理に適したクレイ触媒を用いて行うことができる。
典型的には、パラ−キシレン、メタ−キシレン、混合キシレンを製造するキシレンプラントの原料油である、Cより高い芳香族(エチルベンゼン、パラ−キシレン、メタ−キシレン、オルト−キシレン)を含有する芳香族原料油は、改質油を蒸留して得られる。C芳香族とともに臭素と反応する化合物が沸騰することにより、C芳香族原料油のBIが高くなる。キシレンプラントのプロセスと製品(例えばパラ−キシレン)には、BI値に対する要求、あるいは品質規格がある。
従来、キシレンプラントの原料油は、ともに沸騰するオレフィンを除去するため、温度約160℃から約200℃、圧力約1480から2859kPa−aの範囲の条件で、酸処理されたクレイ触媒で処理されている。例えばアルキル転移や不均化などの好ましくない副反応により、副産物としてベンゼンが生じることがあるが、これは下流工程で、例えばPAREX(登録商標)などの分離工程において問題となる。この副反応は、商業的な酸処理されたクレイ触媒に関して、プロセスの開始時(操業スタート時)に起きる、一般的な問題である。
操業してから数日後は、酸処理されたクレイ触媒は、アルキル転移と不均化に対し、BI低減に高い選択性を示す。商業的なキシレンクレイ処理装置からの製品は、典型的には、供給されるベンゼンに対し30wtppmより高いベンゼンを含有することは無い。
しかし、酸処理されたクレイ触媒は、安定性に乏しく、触媒寿命が短い。このため、大量の酸処理されたクレイ触媒が必要であり、定期的に(一般に、キシレンプラントの原料油の場合は3〜12ヶ月毎)交換する必要がある。
クレイ触媒と異なり、モレキュラーシーブは、BI低減に高い活性を有し、長い触媒寿命(サイクル長)と、高い処理能力を得有することが知られている。
しかし、一方で、モレキュラーシーブは、芳香族のアルキル転移と不均化に対し高い活性を有することも知られている。
このため、クレイ触媒と同様のBI低減に対する優れた選択性を有しながら、触媒寿命が改善される、キシレンプラントのための改善されたBI低減方法に対する要求が存在する。
この発明は、芳香族原料油を、MWW型ゼオライト構造のモレキュラーシーブを有する触媒と接触させることによって、この問題を解決した。
ひとつの実施形態では、この発明は、少なくとも50wt%のC芳香族を含有する炭化水素原料油の臭素指数(以下BI)を低減させる方法に関し、炭化水素原料油を転換条件下で触媒に接触させ、触媒がMWW型ゼオライト構造のモレキュラーシーブを有するものであるステップを備える。
別の実施形態は、この発明は、少なくとも50wt%のC芳香族と、0.5wt%未満のトルエンと、0.1wt%未満のベンゼンとを含有する炭化水素原料油の臭素指数(以下BI)を低減させる方法に関し、(a)炭化水素原料油を、MWW型ゼオライト構造のモレキュラーシーブを有する触媒に転換条件下で接触させて生成物を生じさせるステップと、
(b)生成物を取り出すステップと
を備え、生成物中のベンゼンの濃度が、原料油中のベンゼンの濃度より1000wtppm未満だけ高い。
また別の実施形態では、この発明は、少なくとも95wt%のC芳香族と、0.1wt%未満のベンゼンと、0.1wt%未満のトルエンとを含有し、臭素指数が少なくとも100である炭化水素原料油の臭素指数(以下BI)を低減させる方法に関し、炭化水素原料油を触媒に転換条件下で接触させ、触媒がMWW型ゼオライト構造のモレキュラーシーブを有するものであり、転換条件には、温度が約150℃から約270℃の範囲で、圧力が約136kPa−aから約6996kPa−aの範囲、WHSVが約0.2時間―1から約100時間―1の条件が含まれるステップを備える。
また別の実施形態では、この発明は、少なくとも50wt%のC芳香族と、0.1wt%未満のベンゼンと、0.1wt%未満のトルエンとを含有する炭化水素原料油の臭素指数(以下BI)を低減させる方法を提供し、
(a)既存のクレイ処理装置を、MWW型ゼオライト構造のモレキュラーシーブを有する触媒に置き換えるステップと、
(b)炭化水素原料油を触媒に転換条件下で接触させ、転換条件には、温度が約150℃から約270℃の範囲、圧力が約136kPa−aから約6996kPa−aの範囲、WHSVが約0.2時間―1から約100時間―1、炭化水素原料油の流量が少なくとも100kg/日、の条件が含まれるステップを備える。
この発明の種々の側面を、以下の詳細な説明、図面、および請求項によって明らかにする。
ここに引用する全ての特許、試験方法、先行技術文献、記事、刊行物、マニュアル、その他の文献は、本願への取り込みが許される国において、この発明と矛盾しない範囲で取り込まれる。
数値の下限値と数値の上限値が示されている場合、数値の下限値から数値の上限値が考慮される。
この発明の具体的実施態様が記載されているが、当業者であれば容易にこの発明の精神と範囲を逸脱しない範囲で種々変更することができる。従って、特許請求の範囲を以下の実施例や記載内容に限定することは意図されておらず、むしろ、この発明が属する技術分野の当業者がこの発明と均等と考える特徴を含め、この発明に備わっている特許性のある特徴がすべて特許請求の範囲に包含されるように解釈される。
「オン−オイル」または「オン−ストリーム」という用語は、原料油を転換条件下で反応器中の触媒、例えばモレキュラーシーブ、クレイ、またはこれらの組合せ、と接触させる意味で用いる。「オン−オイル時間」という用語は、反応器中の触媒が転換条件下で原料油と接触している時間の意味で用いる。
「サイクル長」という用語は、クレイ/モレキュラーシーブ触媒が交換、置換、または再生されるまでの、クレイ処理またはモレキュラーシーブ触媒の総オン−オイル時間の意味で用いる。サイクル長は、原料油の組成とクレイ/モレキュラーシーブ触媒の失活速度の関数である。一般に、高級モノオレフィンおよび/またはマルチオレフィンの場合と、クレイ/モレキュラーシーブ触媒床能力が低い場合、サイクル長は短くなる。
「BI選択性」という用語は、すべての反応に対する、触媒の目的とする反応に対する選択性を意味しており、すべての反応とはすなわち目的の反応と好ましくない反応(アルキル転移、不均化)であり、反応とはすなわちBI低減である。BI選択性は、全BI低減活性を、BI低減活性およびアルキル転移、不均化等の他の全ての触媒活性で除して評価することができる。
<原料>
芳香族には、例えば、改質留分などの、ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼンその他の芳香族生成物が含まれる。改質留分は蒸留によって、軽質改質留分(大部分がベンゼンとトルエン)と、重質改質留分(トルエンと、オルト、メタ、パラキシレンや、他のC+等の重質芳香族が含まれる)とに分けられる。蒸留後の軽質改質留分には一般に、ベンゼンとトルエンが98wt%以上含まれている。重質改質留分には一般に、0.5wt%未満のトルエンと、250wtppm未満のベンゼンが含まれている。半再生、および連続触媒再生(CCR(登録商標))改質プロセス等からの芳香族は、プロセスで生じるマルチオレフィンを含んでいる。
キシレンプラント用の炭化水素原料油には、例えばオルト−キシレン、メタ−キシレン、パラ−キシレンやエチルベンゼン等のC芳香族が、少なくとも40wt%含まれている。好ましくは、炭化水素原料油は、少なくとも50wt%のC芳香族、より好ましくは、少なくとも60wt%のC芳香族、任意に、少なくとも70wt%のC芳香族を含む。このような炭化水素原料油は、50wt%未満のトルエンとベンゼン、好ましくは10wt%未満のトルエンとベンゼン、より好ましくは2.5wt%未満のトルエンとベンゼン、最も好ましくは1wt%未満のベンゼンを含有する。あるいは、炭化水素原料油は、0.5wt%未満のベンゼン、および/または、2wt%未満のトルエン、好ましくは1wt%未満のトルエンを含有していてもよい。好ましい実施形態では、炭化水素原料油は、0.1wt%未満のベンゼン、好ましくは0.1wt%未満のベンゼンと、0.5wt%未満のトルエンを含有する。
キシレンプラント用の原料油などの炭化水素原料油は、改質およびスチームクラッキング工程により得られる。炭化水素原料油には、例えばパラフィン、芳香族と、オレフィンなどの臭素と反応する化合物が含まれている。例えば、芳香族炭化水素原料油には、単核の芳香族炭化水素と、当初BIが約100から約300の、モノオレフィン、マルチオレフィン、およびスチレン等の、望ましくないオレフィンが含まれている。
不飽和炭化水素の性質は一定ではなく、また不明なこともあるため、一般的には不飽和炭化水素の測定には間接的な方法が用いられている。周知の痕跡量の不飽和炭化水素の測定方法のひとつは、臭素指数(BI)である。BIの測定方法はASTMD2710−92に詳細に述べられており、この内容の全てが参照として本願に取り込まれる。
BIでは、芳香族炭化水素を含有する炭化水素サンプル中のオレフィン含有量を、電位差滴定により測定する。詳しくは、BIは所定の条件下で、100グラムの炭化水素サンプルで消費される臭素のミリグラム数として定義される。
炭化水素原料油中のマルチオレフィンの量は、原料油源と前処理方法により、10wt%未満、好ましくは1wt%未満、より好ましくは500wtppm未満で変化する。抽出されたベンゼンと重質改質留分は、一般に100wtppm未満のマルチオレフィンを含有する。
この発明で加工される炭化水素原料油は、臭素と反応する炭化水素化合物を約0.001から約10wt%、好ましくは約0.001から約1.5wt%、より好ましくは0.005から1.5wt%含有し、あるいは、BI値が約2から20000、好ましくは約2から約3000、より好ましくは約10から約3000、最も好ましくは少なくとも50から約3000である。
この発明により加工された炭化水素原料油のBIは、加工前の炭化水素原料油のBIより低くなる。ひとつの実施態様では、この発明により加工された炭化水素原料油のBIは、50%以下、好ましくは20%以下、より好ましくは10%以下になる。
好ましい実施態様では、処理された炭化水素原料油の少なくとも一部が転換条件下の触媒床、あるいは孔径が2Å(オングストローム)から19Åのモレキュラーシーブ、クレイ、またはこれらの組合せを少なくとも1つ有する他の触媒床にリサイクルされる。
好ましくは、少なくとも5wt%、より好ましくは少なくとも10wt%、さらに好ましくは少なくとも20wt%、さらにより好ましくは少なくとも30wt%、最も好ましくは40wt%の処理された炭化水素原料油が、転換条件下の触媒床にリサイクルされる。処理された炭化水素原料油をリサイクルして、原料油と混合する。処理された炭化水素原料油を触媒床へリサイクルすると、処理された炭化水素原料油中の不純物濃度は低いので、混合された原料油中の不純物(例えばジエン)濃度は低下する。リサイクル率が高いほど、連続撹拌タンク反応器(CSTR)のように反応器を操作している状態に近づく。
理論により拘束するものでは無いが、原料油中のジエンは、オレフィンより10倍以上反応性が高いと思われる。反応器をCSTRのように操作することは、原料油中のジエン濃度を減少させる。減少されたジエン濃度により、コークスに対する選択性が高いと思われる、ジエン間の反応の確率が低下する。この結果、リサイクルを行うことにより、触媒のサイクル長を延長することができる。触媒のサイクル長が長くなれば、触媒のコストも下がる。
ひとつの実施形態では、この発明の炭化水素原料油の流量は、少なくとも10kg/日より大きく、好ましくは100kg/日より大きく、より好ましくは200kg/日より大きい。
<反応の条件>
臭素と反応する化合物を触媒により除去する反応は、効果的にBIを減少できるならば、どのような反応でもよい。このような反応の例は、炭化水素原料油中のオレフィン化合物の重合反応、オレフィン化合物によるパラフィンおよび/または芳香族のアルキル化、オレフィン化合物の炭素−炭素二重結合の飽和化、および/または水酸化などである。
この発明によれば、上述の炭化水素原料油は、マルチオレフィンとモノオレフィンの除去に適した転換条件下で、MWW型ゼオライト構造のモレキュラーシーブに接触させられる。転換条件の一例として、温度が約38℃から約538℃、好ましくは93℃から約371℃、より好ましくは約150℃から約270℃、圧力が約136kPa−aから約6996kPa−a、好ましくは約205kPa−aから約5617kPa−a、より好ましくは約205kPa−aから約3549kPa−a、重量空間速度(WHSV)が約0.1hr−1〜約200hr−1、好ましくは約0.2hr−1〜約100hr−1、より好ましくは約1hr−1〜約50hr−1などが挙げられる。重量空間速度(WHSV)は、触媒の総重量、すなわち、活性な触媒とそのバインダーの総重量に基づき求められる。
ひとつの実施形態では、触媒はひとつの反応容器に充填される。別の実施形態では、触媒は少なくとも2つの反応容器からなり、並列、直列またはこれらの組み合わせにより構成されえる反応器系に充填される。
ひとつの実施態様では、この発明は既存のクレイ触媒反応器(クレイ処理装置)を、少なくとも1種のモレキュラーシーブ触媒からなる触媒に置き換える方法に関する。好ましい実施態様では、この発明は既存のクレイ触媒反応器中のクレイ触媒の少なくとも一部を、少なくとも1種のモレキュラーシーブ触媒からなる触媒で置き換える方法に関する。この好ましい実施態様には、さらに、既存のクレイ処理装置に少なくとも1種のモレキュラーシーブ触媒からなる触媒を追加する工程が含まれる。好ましい実施態様では、この発明は、既存のクレイ触媒反応器中のクレイ触媒の少なくとも10wt%、好ましくは25wt%、より好ましくは50wt%、最も好ましくは少なくとも50wt%を、MWWゼオライト構造を有するモレキュラーシーブ触媒からなる触媒で置き換える方法に関する。また別の好ましい実施態様では、この発明は、既存のクレイ処理装置中の全てのクレイ触媒を、少なくとも1種のモレキュラーシーブ触媒からなる触媒で置き換える方法に関する。この発明の別の実施態様では、既存のクレイ処理装置に少なくとも1種のモレキュラーシーブ触媒からなる触媒を追加する工程が含まれる。
ひとつの実施形態では、この発明の触媒は、さらにクレイを含む。モレキュラーシーブ触媒とクレイ触媒は、モレキュラーシーブ触媒対クレイ触媒の体積比が約1:99から約99:1の範囲、好ましくは約10:90から約90:10の範囲である。
また別の実施態様では、モレキュラーシーブ触媒とクレイ触媒は別々の容器に充填される。モレキュラーシーブ触媒とクレイ触媒が別々の容器にあるとき、各容器を異なる運転条件にすることができる。所望のBI低減効果を得るために有効な、モレキュラーシーブ触媒ゾーンおよびクレイ触媒ゾーンのタイプと構成とすることができる。上方に向かう流れとしてもよいし、下方に向かう流れとしてもよいが、下方に向かう流れが好ましい。
モレキュラーシーブ触媒ゾーンおよびクレイ触媒ゾーンの圧力は、少なくとも90wt%の炭化水素原料油が液相を維持するために十分な圧力にする。通常、この圧力は約136Kpa−aから約13891Kpa−aである。好ましくは、圧力はモレキュラーシーブ/クレイ触媒ゾーンの入り口温度における炭化水素の蒸気圧より約345KPa高く設定する。この温度は、好ましくは約130℃から約270℃の範囲である。
モレキュラーシーブとクレイ触媒による転化は、広範な重量空間速度(WHSV)の範囲で行うことができる。この変数は、処理される炭化水素原料油によって、0.5hr−1未満から約100hr−1、好ましくは約0.5hr−1から約10hr−1、より好ましくは1.0hr−1から4hr−1の範囲で、モレキュラーシーブとクレイの所望のオン−ストリーム寿命に基づいて設定される。
<触媒>
この方法には、臭素と反応する化合物を触媒作用により除去する大きさの孔径を有する粒子状の物質を使用できると考えられる。特に、物質移動がプロセスの性能に影響する場合、大孔径(メソ−およびマクロポア)の孔隙率、孔径と孔径分布は重要である。また、この用途での粒子状物質の性能に関しては、多孔質の粒子状物質の表面物性も非常に重要である。多孔質の粒子状物質(例えばモレキュラーシーブ)の形態(morphology)もまた、この発明での粒子状物質の性能に関して重要な因子である。例えば、小粒径物質の形態、あるいは薄層/薄板状物質の形態は、大きな接触可能面をもたらす。この発明で用いられるモレキュラーシーブは、平均粒径が1μm未満、好ましくは0.1μm未満、より好ましくは0.05μm未満の小粒径物質の形態、あるいは、他の2つの寸法の平均を厚みで割った比率が0.5未満、好ましくは0.1未満、より好ましくは0.05未満、より好ましくは0.01未満、より好ましくは、0.005未満、より好ましくは0.001未満の薄層/薄板状物質の形態とすることができる。
微細孔の粒子状物質には、結晶性モレキュラーシーブが含まれる。モレキュラーシーブは、約2Åから約20Åの明確な孔径の微細孔の粒子状物質であることが特徴である。大部分の有機化合物の分子は、気体、液体、固体であるかを問わず、室温でこの範囲の寸法を有する。適切な孔径のモレキュラーシーブを選択することにより、他の分子と混合された特定の分子を、選択的な吸着により分離することができる。このため「モレキュラーシーブ」と呼ばれている。非荷のモレキュラーシーブ粒子による選択的吸着と選択的分離以外に、モレキュラーシーブの明確で分散した微細孔は、荷電した粒子の選択的イオン交換と選択触媒作用を可能にする。後者の2つのケースでは、微細構造以外の重要な特性に、例えばイオン交換能力、特定の表面と酸性度が含まれる。
公知の技術の概括として、モレキュラーシーブの製造、改質、特徴が、「Molecular Sieves - Principles of Synthesis and Identification」; (R. Szostak, Blackie Academic & Professional, London, 1998, Second Edition)に記載されている。モレキュラーシーブに加え、主にシリカ、ケイ酸アルミニウム、酸かアルミニウムが、触媒の担体に用いられている。噴霧乾燥、顆粒化、ペレット化、押し出しなど、多くの周知の技術が、触媒、吸着、イオン交換に用いられる微細孔材料とそれ以外の多孔性材料の巨視的形状を、例えば球形粒子、押出物、ペレット、錠剤にするために使用されている。これらの技術は、「Catalyst Manufacture」、A. B. Stilesら, Marcel Dekker, New York, 1995に記載されている。
モレキュラーシーブの連晶(intergrowth)相は、モレキュラーシーブ骨格の不規則な平面連晶である。これは、Structure Commission of the International Zeolite ationから出版された「Catalog of Disordered Zeolite Structures 2000 Edition」、M. M. J. Treacy and J.B. Higginsらの「Collection of Simulated XRD Powder Patterns for Zeolites 2001Edition」に詳しく説明されている。
規則的な固体結晶は、三次元的に周期的な規則性を示す。不規則構造の場合、三次元以下、すなわち、二次、一次、0次元の周期的な規則性を示す。この現象は、構造的に不変な周期構成単位(Periodic Building Units)の積層乱れ(stacking disorder)と言われている。周期構成単位で構成された結晶構造は、すべての三次元方向で周期的な規則性が得られる場合は、端末構造(end-member structure)と呼ばれる。不規則構造は、周期構成単位の積層配列が、周期的な規則性による統計的積層配列から外れたものである。
この発明で用いられる触媒は連晶相のモレキュラーシーブであり、連晶相のモレキュラーシーブの少なくとも一部がMWW型ゼオライト構造である。連晶相モレキュラーシーブの好ましくは少なくとも1wt%、より好ましくは少なくとも50wt%、さらに好ましくは少なくとも95wt%、最も好ましくは少なくとも99wt%が、MWW型ゼオライト構造のモレキュラーシーブである。
本願では、「フレッシュモレキュラーシーブ」という用語は、転換条件下で実質的な量の時間(例えば24時間)、 炭化水素原料油に曝されていないモレキュラーシーブのことを言う。フレッシュモレキュラーシーブの例は、焼成前または後の、新たに合成されたMCM−22である。
「使用モレキュラーシーブ」という用語は、フレッシュモレキュラーシーブではないもの、例えば、転換条件下で実質的な量の時間(例えば24時間)、 炭化水素原料油に曝されたモレキュラーシーブのことを言う。使用モレキュラーシーブの例は、トランスアルキル化条件下でトランスアルキル化原料油に曝されたもの、あるいは、アルキル化条件下でアルキル化原料油に曝された後、再生、あるいは再活性化されたMCM−22である。一般に、使用モレキュラーシーブは、対応するフレッシュモレキュラーシーブに比べて触媒活性が低い。
この発明に用いられるモレキュラーシーブ/ゼオライトには、自然に生じるモレキュラーシーブ、または合成された結晶性のモレキュラーシーブが含まれる。このようなゼオライトの例として、大孔径ゼオライト、中孔径ゼオライト、小孔径ゼオライトが挙げられる。これらのゼオライトと、その類似型は、W. H. Meier, D. H. OlsonとCh. Baerlocherらによる「Atlas of Zeolite Structure Types」Elsevier、第4版、1996年に開示されており、その内容は参照として本願に組み込まれる。
大孔径ゼオライトは一般に、孔径が少なくとも約7Åであり、LTL、VFI、MAZ、MEI、FAU、EMT、OFF、*BEA、MTW、MWW、とMOR型ゼオライト構造 (IUPAC Commission of Zeolite Nomenclature)等である。大孔径ゼオライトの例として、マッツァイト(mazzite)、 オフレタイト(offretite)、 ゼオライトL、VPI−5、ゼオライトY、ゼオライトX、オメガ、b−タ、ZSM−3、ZSM−4、ZSM−12、ZSM−18、ZSM−20、SAPO−37、MCM−22が挙げられる。
中孔径ゼオライトは、一般に孔径が約5Å約から約7Åであり、例えば、MFI、MEL、MTW、ELTO、MTT、MFS、AEL、AFO、HEU、FER、TON型ゼオライト構造 (IUPAC Commission of Zeolite Nomenclature)等である。中孔径ゼオライトの例として、ZSM−5、ZSM−11、ZSM−22、ZSM−23、ZSM−34、ZSM−35、ZSM− 385、ZSM−48、ZSM−50、ZSM−57、シリカライト1、シリカライト2が挙げられる。
小孔径ゼオライトは、孔径が約3Å約から約5.0Åであり、例えば、CHA、ERI、KFI、LEV、SOD、LTA型ゼオライト構造(IUPAC Commission of Zeolite Nomenclature)等である。小孔径ゼオライトの例として、ZK−4、ZSM−2、SAPO−34、SAPO−35、ZK−U、SAPO−42、ZK−21、ZK−22、ZK−5、ZK−20, ゼオライトA、ヒドロキシソーダライト、エリオナイト、チャバザイト、ゼオライトT,グメリナイト、ALPO−17、クリノプチロライトが挙げられる。
この発明に用いられるモレキュラーシーブは、通常大孔径ゼオライトであり、シリカとアルミナのモル比が、少なくとも約2、特に約2から100である。シリカとアルミナのモル比は、公知の分析法で求められる。この比は、モレキュラーシーブの骨格におけるモル比に極めて近い値を意味し、バインダー中、あるいは孔の中で、カチオンや他の状態で存在するシリコンやアルミナを除く。
ひとつの実施形態では、モノオレフィン化合物やマルチオレフィン化合物を除去するために選択されるモレキュラーシーブには、例えば大孔径ゼオライト、特にMWW型ゼオライト構造、例えばMCM−22(米国特許第4954325号)、MCM−49(米国特許第5236575号)、MCM−56(米国特許第5362697号)や、ITQ−I(米国特許第6077498号)が選択される。
好ましい触媒には、MCM−22、MCM−49、MCM−56や、ITQ−Iが含まれる。最も好ましいものはMCM−22類のモレキュラーシーブであり、MCM−22、MCM−49と、MCM−56が含まれる。MCM−22類のモレキュラーシーブは、共通で類似する層構造単位を有すると考えられる。その構造単位は米国特許第5371310号、第5453554号、第 5493065号と、第5557024号に記載されている。これらのモレキュラーシーブについて開示している特許は、参照として本願に組み込まれる。
別の実施形態では、10員環から12員環またはそれより大きい環の、他の天然、または合成結晶性モレキュラーシーブを、MWW型ゼオライト構造のモレキュラーシーブとともに用いることができる。触媒として有用な結晶性モレキュラーシーブの非限定的例として、大孔径ゼオライトのZSM-4(オメガ)(米国特許第3923639号)、モルデナイト、ZSM−18 (米国特許第3950496号)、ZSM−20(米国特許第3972983号)、ゼオライトベータ(米国特許第3308069号、と第RE 28341号), フォージャサイトX(米国特許第2882244号)、フォージャサイトY(米国特許第3130007号)、USY(米国特許第3293192号、第3449070号), REYと、他のXとY型、M41S(米国特許第5102643号)とMCM−41(米国特許第5098684号)などのメソポーラスなモレキュラーシーブが挙げられる。より好ましいモレキュラーシーブには、12員酸素環構造のZSM−12、モルデナイト、ゼオライトベータ、USY、多層物質、メソポーラス物質が含まれる。
酸性触媒は、例えばオレフィン化合物のアルキル化や重合等のBI低減反応と、例えばトルエンの不均化および/またはキシレンのアルキル転移等の副反応との、両反応の触媒となる。これらの望ましくない副反応により生じる副生成物、例えばベンゼンは、PAREX(登録商標)等の下流工程において問題となる。
この発明の触媒は、驚いたことに、BI低減反応への選択性を有するとともに、実質的にベンゼンなど望ましくない副生成物を生じない。ここで、「実質的に望ましくない副生成物を生じない」とは、生成物中の副生成物の濃度が、1000wtppm未満、好ましくは500wtppm未満だけ、原料油中の副生成物濃度より高いことを意味する。ひとつの実施形態では、生成物中のベンゼンの濃度が、原料油中のベンゼンの濃度より、1000wtppm未満、好ましくは500wtppm未満だけ高い。
この発明の触媒はBI低減に高い選択性を示し、コークスやベンゼンの生成等の副反応に対する選択性は低いことから、従来のクレイ触媒と比べて、より高い温度、より高い空間速度等の、より厳しい条件で用いることができる。従来のクレイ触媒は、一般に210℃より低い温度で操業される。この発明の触媒は、240℃より高く、最大270℃の温度で、連続的に操業することが可能になる。従って、この発明の触媒は従来よりも長いサイクル長と、より広い操業可能範囲と、より高い生産性とを有する可能性がある。実施例に示すように、この発明によって、10倍以上のサイクル長を確保することが可能になる。安定した操業条件下でサイクル長が伸びれば、同一のサイクル長であっても生産量が増加する可能性がある。
従って、この発明の方法は、クレイをクレイ処理装置の触媒に使用している、既存プラントのボトルネックを解消することが可能である。あるいは、この発明の方法は、新しいクレイ処理装置のための設備投資を削減することができる。
この発明の方法では、従来の1/10程度の重量の酸処理したクレイを用いて、一般に、3から12ヶ月のクレイサイクル長を達成することができる。また、この発明の方法は、現在のクレイを用いたシステムの環境負荷を軽減することができる。さらにこの発明のゼオライト触媒は、再生可能で、繰り返し使用することができる。
ひとつの実施形態では、この発明の触媒は少なくとも1月のサイクル長を有し、好ましくは少なくとも2月、より好ましくは少なくとも3月、さらにより好ましくは少なくとも5月、より好ましくは10月、最も好ましくは少なくとも14月のサイクル長を有する。
ゼオライトの酸活性のひとつの尺度は、アルファ値である。アルファ値は、触媒の酸活性のおよその指標であり、相対比定数(触媒体積と単位時間当りの、ノルマルヘキサン転化率)を与える。これは、高活性シリカ−アルミナクラッキング触媒の活性をアルファ1(相対比定数=0.16秒−1)としたものに基づく。アルファ値は、米国特許第3354078号とJournal of Catalysis, Vol. 4, p. 527 (1965); Vol. 6, p. 278、とVol. 61, p. 395 (1980) に開示されており、これらの文献は、本願にその説明として組み込まれる。試験の実験条件には、一定温度538℃と、Journal of Catalysis, Vol. 61, p. 395 (1980) に記載された可変の流速とが含まれる。
ひとつの実施形態では、モレキュラーシーブは少なくとも1、好ましくは少なくとも10、より好ましくは少なくとも50、さらに好ましくは少なくとも100、最も好ましくは少なくとも300のアルファ値を有する。
結晶性のモレキュラーシーブは、結合された状態で用いられる。すなわち、クレイ、シリカ、アルミナ、酸化ジルコニウム、酸化チタン、およびその他の金属酸化物などの、合成、または天然に存在する物質を母材とする複合体で用いられる。他の孔質の母材材料には、シリカ−酸化マグネシウム、シリカ−酸化ジルコニウム、シリカ−酸化トリウム、 シリカ−酸化ベリリウム、シリカ−酸化チタン、および、シリカ−アルミナ−酸化トリウム、シリカ−アルミナ−酸化ジルコニウム、シリカ−アルミナ−酸化マグネシウム、およびシリカ−アルミナ−酸化ジルコニウムなどの三成分組成物が含まれる。この触媒は、押出状、葉状(例えば三葉)または粉末状の形状で用いることができる。
通常、この用途に用いられるクレイ触媒は、天然の酸性クレイ、または合成クレイ物質である。天然のクレイには、モンモリロナイト類、カオリン類が含まれる。本願では、クレイ触媒系という用語は、オン−ストリーム炭化水素中に存在するオレフィンと反応可能な接触物質の固定床を通過する、オン−ストリーム炭化水素の通過経路の意味で用いる。好ましくは、接触物質は酸性のアルミノケイ酸塩である。これは、ボーキサイトやモルデナイト触媒などの天然物質であってもよいし、アルミナ、シリカ、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウムや、他の同等の性質を有する化合物からなる合成物質であってもよい。好ましいクレイは、Engelhard Corporation社製造の、F−24クレイである。 しかし、Filtrol Corporation社製造の、Filtrol 24、Filtrol 25、Filtrol 62や、Attapulgusクレイ、Tonsilクレイなどの、他のクレイも商業的にいくつか入手可能であり、この発明に好適に用いることができる。好ましい実施態様では、クレイは濃塩酸、または濃硫酸で前処理される。
前述のように、クレイ触媒系は、約93℃から約371℃の広い温度範囲で用いることができる。クレイ触媒系に用いられる条件は、炭化水素原料油と用いられるクレイ触媒の種類に依存する。
炭化水素原料油と、操業条件により、2以上の別々のクレイ処理容器を切り替えながら(すなわちスイング)用いて連続操業する。クレイ処理反応器は、モレキュラーシーブが代わりに入れられ、または再生されるときは、モレキュラーシーブ床のスイング反応器として用いることもできる。
驚いたことに、MWW型ゼオライト構造のモレキュラーシーブは、画期的な安定性と際立った活性を有する。優れた選択性は、MWW触媒の画期的安定性の鍵である。MWW触媒を用いる改良されたBI低減方法は、酸処理されたクレイを用いる従来の方法と比較して、より高温側で操業できる点で優れている。キシレンプラントの原料油用のクレイ処理装置は、一般に210℃以下の温度で操業される。高温にすると、ベンゼン副生物が増えるが、クレイのサイクル長は有意には伸びない。この改善された方法では、ベンゼンの量を生成量の単位量当り1000wtppm以上増加させること無く、最大270℃の温度まで操業することができる。高温で操業することにより、MCM−22触媒の寿命が延びることが知られている。操業している時の予想外の選択性により、MCM−22は、下流側の例えばPAREX(登録商標)等の工程のベンゼン副生物の規格を満たしながら、270℃で操業を継続することができると考えられる。
モレキュラーシーブ、および/または、クレイは、再生条件下で再生される。この発明のひとつの実施形態では、モレキュラーシーブおよび/またはクレイは、温度が約30から900℃、圧力が約10から20000kPa−a、WHVSが約0.1時間−1から約1000時間−1の再生条件下で再生され、再生条件には供給原料が空気、酸素、酸化窒素などの酸化性物質を有することが含まれる。
モレキュラーシーブ、および/または、クレイは、再活性化条件下で再活性化される。この発明のひとつの実施形態では、モレキュラーシーブおよび/またはクレイは、温度が約30から900℃、圧力が約10から20000kPa−a、WHVSが約0.1時間−1から約1000時間−1の再活性化条件下で再活性化され、再活性化条件には供給原料が水素や、He/H2、N2/H2などの還元性物質を有することが含まれる。
以下の実施例は、好ましい実施態様の例示的説明である。
以下の実施例では、異なるレベルのオレフィン化合物を有する2種の炭化水素原料油を用いた。これらの原料油は、標準ガスクロマトグラフィー(GC)とASTMの臭素指数試験(BI)とで分析した。これらの原料油の組成を表1に示す。
Figure 0005046338
<実施例1>
供給原料A(表1)を、反応器内で、MCM−22触媒50vol%とF−24クレイ触媒50vol%を含む触媒で処理した。テスト条件は、開始時に、190℃、WHSV1時間−1、1480kPa−aであった。時間の経過に従い触媒が劣化するので、BI低減の触媒活性を維持するため、テスト温度を上げた。処理後の原料油(生成物)をさらに蒸留して、キシレンを回収した。キシレン(蒸留生成物)中のBI値とベンゼンを測定した。結果を図1に示す。図1に示すように、テスト開始時の蒸留生成物中のベンゼン副生成物の濃度は800wtppmであった。
2ヵ月操業した時、蒸留生成物中のベンゼン副生成物の濃度は500wtppmまで減少した。2ヵ月操業後、BI低減の触媒活性を改善するため温度を195℃まで上昇させたところ、蒸留生成物中のベンゼン副生成物の濃度は、800wtppmに上昇した。
6ヵ月操業後、BI低減の触媒活性は減少し、蒸留生成物中のベンゼン副生成物の濃度は180wtppm近くまで劇的に低下した。6ヵ月操業後、温度を200℃まで上昇させたところ、蒸留生成物中のベンゼン副生成物の濃度は240wtppmまで増加した。
14ヵ月操業後、BI低減の触媒活性は減少し、蒸留生成物中のベンゼン副生成物の濃度は100wtppm以下に減少した。14ヵ月操業後、温度を205℃まで上昇させたところ、蒸留生成物中のベンゼン副生成物の濃度は130〜150wtppmまで増加した。
テストの全期間にわたり、製品中のBI値は10未満に保たれていた。テストのほとんどの期間において、蒸留生成物中のBI値は10未満に保たれていた。この触媒のサイクル長は、14ヶ月以上であった。
<実施例2(比較例)>
供給原料A(表1)を、100vol%のF−24クレイ触媒で処理した。結果を図2に示す。
テスト開始時の条件は、185℃、WHSV1時間−1、1480kPa−aであった。クレイ触媒は確実に劣化し、数週間の内に反応器の温度は最大値の210℃に達した。70日操業後、F−24触媒の活性がなくなったため、テストを終了した。ベンゼン副生成物の濃度は、平均20wtppm未満であった。クレイ触媒はBI低減の選択性が高く、原料油のアルキル転移に対し最小のベンゼン生成量となる。
テストの全期間にわたり、製品中のBI値は約10未満に保たれていた。しかし、蒸留生成物中のBI値が10未満に保たれていたのは、最初の20日間だけであった。テスト期間の残り50日における、蒸留生成物中のBI値は10以上40未満であった。この触媒のサイクル長は、約70日であった。
酸処理されたクレイ触媒は、最小限のベンゼン副生成で、際立ったBI低減に対する選択性を示す。MCM−22触媒は、操業開始時に、高いBI低減に対する選択性と、高いベンゼン副生成を示す。驚いたことに、MCM−22触媒は使用するに従いBI低減に対する選択性が高くなり、8ヶ月操業後のベンゼン副生成の濃度は200wtppm未満である。酸処理されたクレイ触媒とMCM−22触媒はともに、製品中のBIを低減させることができる。しかし、MCM−22触媒はクレイ触媒よりも、より選択的にキシレンとともに沸騰するBI化合物を除去する。MCM−22触媒で処理された蒸留生成物(主にキシレン)中の平均BIは、クレイ触媒で処理された蒸留生成物(主にキシレン)中の平均BIよりも低い。MCM−22触媒は、BI低減の際立った安定性と、長い触媒寿命と、操業時における改善された選択性とを有することから、キシレンプラントの原料油のBIを低減させるために、特に有用である。
<実施例3(比較例)>
パイロットプラントで、ゼオライトベータ触媒を用いて供給原料Bをテストした。テストは、WHSVが4〜12時間−1、温度が230〜260℃の条件で行った。圧力は、2170kPa−aであった。
4件のテストについて、ベンゼン副生成物の濃度を測定した。260℃、WHSV4時間−1の条件でのベンゼン副生成物の濃度は、12500wtppmであった。260℃、WHSV12時間−1の条件でのベンゼン副生成物の濃度は、800wtppmであった。230℃、WHSV4時間−1の条件でのベンゼン副生成物の濃度は、3500wtppmであった。230℃、WHSV12時間−1の条件でのベンゼン副生成物の濃度は、750wtppmであった。
実施例3のデータは、ゼオライトベータ触媒は、実施例1と同一の条件下では、大量のベンゼン副生成物を生じることを示している。このデータは、ゼオライトベータ触媒によるベンゼン副生成物の生成量は、反応器の温度を12℃上げる毎に二倍になることを示唆している。実施例1の条件下におけるベンゼン副生成物の濃度は1000〜2000wtppmと予測される。従って、ゼオライトベータ触媒のBI低減に対する選択性は、ベンゼン副生成の少ないMCM−22触媒と比べて、格段に低い。
図1Aと図1Bは、MCM−22/クレイ触媒(実施例1)での、原料油のBI、生成物(処理された原料油)のBI,蒸留した生成物のBI、蒸留した生成物中のベンゼン副生物を、操業時間に対しプロットした図である。
図2は、クレイ触媒(実施例2)での、原料油のBI、生成物(処理された原料油)のBI,蒸留した生成物のBI、試験の温度、蒸留した生成物中のベンゼン副生物を、操業時間に対しプロットした図である。

Claims (6)

  1. 少なくとも40wt%のC芳香族と、0.5wt%未満のトルエンとを含有し、100から1200の臭素指数を有する炭化水素原料油の臭素指数を低減させる方法であって、前記炭化水素原料油を、50vol%以上のMCM-22類の使用モレキュラーシーブと50vol%以下のクレイからなる触媒に、150℃から270℃の温度範囲、及び0.2から1hr -1 のWHSVを含む転換条件下で接触させて生成物を生じさせるステップであって 前記生成物を蒸留ステップへ送って、前記蒸留ステップから蒸留生成物を回収し、前記蒸留生成物はキシレンを含有し、臭素指数が前記炭化水素原料油の臭素指数の10%以下であり、ベンゼンの濃度が前記炭化水素原料油のベンゼンの濃度より1000wtppm未満だけ高く、蒸留生成物中のベンゼンの濃度が時間の経過とともに低下し、サイクル長が少なくとも14ヶ月であることを特徴とする、方法。
  2. 前記蒸留生成物を、さらに前記触媒に転換条件下で接触させるステップにリサイクルする、請求項1に記載の方法。
  3. 前記触媒を、酸化性物質の存在下で、温度が30から900℃、圧力が10から20000kPa−a、WHSVが0.1時間−1から1000時間−1の再生条件下で再生するステップをさらに備える、請求項1または2のいずれか1項に記載の臭素指数を低減させる方法。
  4. 前記触媒を、還元性物質の存在下で、温度が30から900℃、圧力が10から20000kPa−a、WHSVが0.1時間−1から1000時間−1の再活性化条件下で再活性化するステップをさらに備える、請求項1または2のいずれか1項に記載の臭素指数を低減させる方法。
  5. 前記原料油の流量が、少なくとも100kg/日である、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の臭素指数を低減させる方法。
  6. 前記 モレキュラーシーブがMCM−22,MCM−49,MCM−56,およびITQ−1のうちの少なくともいずれか1を有する、請求項1に記載の臭素指数を低減させる方法。
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