JP5246980B2 - 混合金属触媒組成物、その製造法および使用 - Google Patents
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Description
本発明の方法
(A)バルク触媒粒子の製造
本発明は、少なくとも1種のVIII族非貴金属および少なくとも2種のVIB族金属を含むバルク触媒粒子を含む触媒組成物の製造法において、該方法が、少なくとも1種のVIII族非貴金属成分と少なくとも2種のVIB族金属成分とをプロトン性液体の存在下で配合し、そして反応させることを含み、金属成分の少なくとも1種は、全プロセスの間、少なくとも部分的に固体状態のままであり、該VIII族およびVIB族金属が、酸化物として計算して、該バルク触媒粒子の総重量の50〜100重量%を占め、反応中に少なくとも部分的に固体状態である金属成分の溶解度が18℃で水100ml当たり0.05モル未満であるところの方法に関する。
a)金属成分の配合:
金属成分の配合の際のプロセス条件は一般に、重要でない。全ての成分を、室温で、それらの自然のpH(懸濁物または溶液が適用される場合)で添加することが可能である。一般に、添加されるべき金属成分の温度を反応混合物の常圧沸点より下に保持して、添加の際の成分の容易な取扱いを確実にすることはもちろん好ましい。しかし、所望ならば、反応混合物の常圧沸点より上の温度または種々のpH値も適用され得る。反応工程が高められた温度で行われるならば、反応混合物に添加される懸濁物および所望により溶液は一般に、反応温度と同じであり得る高められた温度に予め加熱され得る。
添加中および/または添加後、金属成分は一般に、所定の温度で所定の時間攪拌されて、反応を起こさせる。反応温度は好ましくは、0°〜300℃、より好ましくは50°〜300℃、さらにより好ましくは70°〜200℃、最も好ましくは70°〜180℃の範囲である。温度が反応混合物の常圧沸点より下である場合、プロセスは一般に、大気圧力で行われる。この温度より上では、反応は一般に、高められた圧力で、好ましくはオートクレーブおよび/またはスタティックミキサー中で行われる。
好ましくは、バルク触媒粒子は、そのままでまたは上記の(更なる)物質を含んで、下記プロセス工程の1以上に付される。
(i)バインダー物質、慣用のハイドロプロセッシング触媒、クラッキング成分またはそれらの混合物の群から選択される物質との複合化、
(ii)スプレー乾燥、(フラッシュ)乾燥、粉砕、混練、スラリー混合、乾式または湿式混合、またはそれらの組み合わせ、
(iii)成形、
(iv)乾燥および/または熱処理、および
(v)硫化。
物質は、熱処理されたまたはされていない乾燥状態で、湿ったおよび/または懸濁した状態でおよび/または溶液として添加され得る。
上記の(更なる)物質のいずれかを所望により含むバルク触媒粒子が、スプレー乾燥、(フラッシュ)乾燥、粉砕、混練、スラリー混合、乾式または湿式混合、またはそれらの組み合わせに付され得る。湿式混合および混練またはスラリー混合およびスプレー乾燥の組み合わせが好ましい。
所望ならば、所望により上記の(更なる)物質のいずれかを含むバルク触媒は、工程(ii)が適用された後に所望により成形され得る。成形は、押出、ペレット化、ビーズ化および/またはスプレー乾燥を含む。触媒組成物がスラリー型反応器、流動床、移動床または発泡床(expanded bed)中で適用されるべきであるならば、一般には、スプレー乾燥またはビーズ化が適用される。固定床または噴流床(ebullating bed)用途の場合は、一般に、触媒組成物は押出され、ペレット化され、および/またはビーズ化される。後者の場合、成形工程の前または間の任意の段階で、成形を促進するために通常使用される任意の添加剤を添加することができる。これらの添加剤は、ステアリン酸アルミニウム、界面活性剤、グラファイト、澱粉、メチルセルロース、ベントナイト、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシドまたはそれらの混合物を含み得る。さらに、アルミナがバインダーとして使用されるとき、押出物の機械的強度を高めるために成形工程の前に硝酸などの酸を添加することが望ましい。
任意的な乾燥工程の後に、好ましくは100℃より上で、得られた成形触媒組成物は所望ならば熱処理され得る。しかし、熱処理は、本発明の方法に必須ではない。本発明に係る「熱処理」は、例えば100°〜600℃、好ましくは150°〜550℃、より好ましくは150℃〜450℃の温度で、0.5〜48時間の時間、窒素などの不活性気体中、または酸素含有気体、例えば空気または純粋な酸素中で行われる処理を意味する。熱処理は、水流の存在下で行われ得る。
本発明のプロセスは、硫化工程をさらに含み得る。硫化は一般に、バルク触媒粒子を、その製造の直後またはプロセス工程(i)〜(iv)のいずれか1つの後に、硫黄含有化合物、例えば元素硫黄、硫化水素、DMDS、またはポリスルフィドと接触させることにより行われる。硫化工程は、液体中および気相中で行われ得る。硫化は、バルク触媒組成物の製造の後であるが工程(i)の前に、および/または工程(i)の後であるが工程(ii)の前に、および/または工程(ii)の後であるが工程(iii)の前に、および/または工程(iii)の後であるが工程(iv)の前に、および/または工程((iv)の後に行われ得る。硫化は、得られた金属硫化物がそれらの酸化物に戻るところの任意のプロセス工程の前には行われないのが好ましい。そのようなプロセス工程は、例えば、酸素含有雰囲気下で行われるならば熱処理またはスプレー乾燥または任意の他の高温処理である。その結果、触媒組成物が、酸素含有雰囲気下でのスプレー乾燥および/または任意の代替法または熱処理に付されるならば、硫化は好ましくは、これらの方法のいずれかの適用の後に行われる。もちろん、これらの方法が不活性雰囲気下で適用されるならば、硫化は、これらの方法の前に行うこともできる。
本発明はさらに、上記方法によって得られ得る触媒組成物に関する。好ましくは、本発明は、工程(A)および所望により上記プロセス工程B(i)〜(iv)の1以上によって得られた触媒組成物に関する。
さらに、本発明は、少なくとも1種のVIII族非貴金属および少なくとも2種のVIB族金属を含むバルク触媒粒子を含む触媒組成物に関する。ここで、金属は酸化物状態で触媒組成物中に存在し、VIB族金属がモリブデン、タングステンおよび所望によりクロムであるとき、最大値の半分における特徴的全幅が2.5°を超えず、あるいはVIB族金属がモリブデンおよびクロムまたはタングステンおよびクロムであるときは4.0°を超えない。
好ましくは、最大値の半分における特徴的全幅は2.2°を超えず、より好ましくは2.0°、さらにより好ましくは1.8°、最も好ましくは1.6°を超えない(VIB族金属がモリブデン、タングステンおよび所望によりクロムであるとき)か、または、3.5°、より好ましくは3.0°、さらにより好ましくは2.5°、最も好ましくは2.0°を超えない(VIB族金属がモリブデンおよびクロムまたはタングステンおよびクロムであるとき)。
所望ならば、本発明の触媒組成物を硫化することができる。その結果、本発明はさらに、少なくとも1種のVIII族非貴金属および少なくとも2種のVIB族金属を含み、かつ使用条件下での硫化度が90%を超えないところの硫化物バルク触媒粒子を含む触媒組成物に関する。
(i)少なくとも1種のVIII族非貴金属および少なくとも2種のVIB族金属を含む硫化物バルク触媒粒子、ここで、使用条件下での硫化度は90%を越えない、および
(ii)バインダー物質、慣用のハイドロプロセッシング触媒、クラッキング成分またはそれらの混合物の群から選択される物質
を含む成形されかつ硫化された触媒組成物に関する。
本発明に従う触媒組成物は、例えば200°〜450℃の範囲の温度、5〜300バールの範囲の水素圧および0.05〜10h−1の範囲の空間速度(LHSV)の広範囲の反応条件で複数の原料を処理する事実上全てのハイドロプロセッシング法において使用することができる。この文脈において、「ハイドロプロセッシング」とは、炭化水素原料を高められた温度および高められた圧力で水素と反応させる全てのプロセスを包含し、例えば、水素化、水素脱硫、水素脱窒、水S脱金属、水素化芳香族低減、水素異性化、水素脱蝋、水素クラッキングおよび温和な圧力条件下での水素クラッキング(一般に、マイルド水素クラッキングと言う)を包含する。本発明の触媒組成物は、炭化水素原料のハイドロプロセッシングに特に適する。そのようなハイドロプロセッシング法は、例えば、水素脱硫、水素脱窒および水素化芳香族低減を含む。適する原料は、例えば中間留分、ケロシン、ナフサ、減圧軽油、重質軽油である。慣用のプロセス条件、例えば250°〜450℃の範囲の温度、5〜250バールの圧力、0.1〜10h−1の範囲の空間速度および50〜2000Nl/lのH2/オイル比が使用され得る。
1. 横破壊強度の決定
最初に、例えば押出物粒子の長さを測定し、次いで、可動ピストンにより押出物粒子を圧縮荷重(25lbs/8.6秒(11.34kg/8.6秒))に付した。その粒子を破壊するのに要した力を測定した。その手順を少なくとも40個の押出物粒子について繰り返し、平均を単位長さ(mm)あたりの力(lb)として計算した。その方法を好ましくは、7mmを超えない長さを有する成形された粒子に適用した。
N2吸着測定は、J.C.P. Broekhoff の博士論文(Delft University of Technology 1969)の記載に従って行われた。
定性的決定:本発明プロセスの間の固体金属成分の存在は、金属成分が可視光線の波長より長い直径を有する粒子の形状で存在するならば、目視検査により容易に検出することができる。もちろん、当業者に公知の擬弾性光散乱(quasi-elastic light scattering:QELS)または近前方散乱(near-formard scattering)などの方法を使用して、本発明のプロセスの間のどの時点においても全ての金属が溶質状態にないことを確かめることもできる。
酸化物触媒の最大値の半分における特徴的全幅は、直線バックグラウンド(linear background)を使用して触媒のX線回折パターンに基づいて測定された。すなわち、
(a)VIB族金属がモリブデンおよびタングステンである場合、最大値の半分における特徴的全幅は、2θ=53.6°(±0.7°)でのピークの最大値の半分における特徴的全幅(2θに関して)である、
(b)VIB族金属がモリブデンおよびクロムである場合、最大値の半分における特徴的全幅は、2θ=63.5°(±0.6°)でのピークの最大値の半分における特徴的全幅(2θに関して)である、
(c)VIB族金属がタングステンおよびクロムである場合、最大値の半分における特徴的全幅は、2θ=53.6°(±0.7°)でのピークの最大値の半分における特徴的全幅(2θに関して)である、
(d)VIB族金属がモリブデン、タングステンおよびクロムである場合、最大値の半分における特徴的全幅は、2θ=53.6°(±0.7°)でのピークの最大値の半分における特徴的全幅(2θに関して)である。
X線発生器の設定:40kVおよび40mA
開度(divergence)および散乱防止スリット:1°
検出器スリット:0.2mm
ステップサイズ:0.04(°2θ)
時間/ステップ:20秒
硫化物バルク触媒組成物に含まれる硫黄は、誘導加熱炉内で加熱することにより酸素流中で酸化される。得られる二酸化硫黄は、赤外セルを用い、二酸化硫黄のIR特性に基づく検出系により分析される。硫黄の量を得るために、二酸化硫黄に関するシグナルを、既知の標準物質を用いた較正により得られるシグナルと比較する。次いで、硫化度を、硫化物バルク触媒粒子に含まれる硫黄の量と、VIB族金属およびVIII族非貴金属がそれらの二硫化物の形状で存在するならばバルク触媒粒子に存在するであろう硫黄の量との比として計算する。その硫化度が測定されるべきであるところの触媒が、硫化度の決定の前に不活性雰囲気下で取り扱われるべきであることは、当業者には明らかである。
17.65gのヘプタモリブデン酸アンモニウム(NH4)6Mo7O24・4H2O(0.1モルMo、Aldrich製)および24.60gのメタタングステン酸アンモニウム(NH4)6H2W12O40(0.1モルW、Strem Chemical製)を800mlの水に溶解して、室温で約5.2のpHを有する溶液を得た。その溶液を次いで90℃に加熱した(溶液A)。35.3gのヒドロキシ炭酸ニッケル2NiCO3・3Ni(OH)2・4H2O(0.3モルNi、Aldrich製)を200mlの水に懸濁し、この懸濁物を90℃に加熱した(懸濁物B)。ヒドロキシ炭酸ニッケルは、B.E.T.表面積が239m2/g(=376m2/g NiO)であり、孔体積が0.39cm3/g(=0.62cm3/gNiO)であり(窒素吸着により測定)、孔直径の中央値が6.2nmであり、粒子直径の中央値が11.1μmnであった。
酸化物バルク触媒粒子は、B.E.T.表面積が167m2/g(=486m2/g NiO=ヒドロキシ炭酸ニッケルの対応する表面積の128%)であり、孔体積が0.13cm3/g(=0.39cm3/g NiO=ヒドロキシ炭酸ニッケルの孔体積の63%)であり、孔直径の中央値が3.4nm(=ヒドロキシ炭酸ニッケルの孔直径の中央値の55%)であり、粒子直径の中央値が10.6μm(=ヒドロキシ炭酸ニッケルの粒子直径の中央値の95%)であった。
焼成工程後に得られたX線回折パターンを図1に示す。最大値の半分における特徴的全幅は、1.38°(2θ=53.82°でのピークに基づく)であると決定された。
350℃での総DBT転化(速度定数として表される)(χtotal)は、138×1016分子/(g・s)であると決定された。
VIB族金属成分を1つだけ使用した以外は実施例1に記載したように触媒を製造した。すなわち、35.3gのヘプタモリブデン酸アンモニウム(NH4)6Mo7O24・4H2O(0.2モルMo)および35.3gのヒドロキシ炭酸ニッケル2NiCO3・3Ni(OH)2・4H2O(0.3モルNi)を使用して実施例1に記載したように触媒を製造した。収率は、酸化物に転化された全金属成分の計算された重量に基づいて、約85%であった。触媒を実施例1に記載したように硫化し、試験した。350℃での総DBT転化(速度定数として表される)(χtotal)は、95.2×1016分子/(g・s)であると決定され、従って、実施例1の値より有意に下であった。
VIB族金属成分を1つだけ使用した以外は実施例1に記載したように触媒を製造した。すなわち、49.2gのメタタングステン酸アンモニウム(NH4)6H2W12O40(0.2モルW)および35.3gのヒドロキシ炭酸ニッケル2NiCO3・3Ni(OH)2・4H2O(0.3モルNi)を使用して実施例1に記載したように触媒を製造した。収率は、酸化物に転化された全金属成分の計算さ れた重量に基づいて、約90%であった。触媒を実施例1に記載したように硫化し、試験した。350℃での総DBT転化(速度定数として表される)(χtotal)は、107×1016分子/(g・s)であると決定され、従って、実施例1の値より有意に下であった。
28.8gのMoO3(0.2モルMo、Aldrich製)および50.0gのタングステン酸H2WO4(0.2モルW、Aldrich)を800mlの水にスラリー化し(懸濁物A)、90℃に加熱した。70.6gのヒドロキシ炭酸ニッケル2NiCO3・3Ni(OH)2・4H2O(0.3モルNi、Aldrich製))を200mlの水に懸濁し、90℃に加熱した(懸濁物B)。
懸濁物Bを60分で懸濁物Aに添加し、得られた混合物を、連続的に攪拌しながら、90℃で18時間保持した。この後、懸濁物をろ過し、得られた個体を120℃で4〜8時間乾燥し、400℃で焼成した。収率は、酸化物に転化された全金属成分の計算された重量に基づいて、約99%であった。
最大値の半分における特徴的全幅は、焼成された触媒組成物に関して1.60°(2θ=53.80°でのピークに基づいて決定)であると決定された。
触媒を硫化し、触媒性能を、実施例1に記載したように試験した。350℃での総転化(χtotal)は、144×1016分子/(g・s)であると測定された。
実施例2の製造を繰り返したが、H2WO4の代わりに(NH4)6H2W12O40を使用した。収率は、酸化物に転化された全金属成分の計算された重量に基づいて、約96%であった。
種々の量のニッケルを使用して実施例2を繰り返した。収率および最大値の半分における特徴的全幅(2θ=53.66〜53.92°の範囲でのピークに基づいて決定)を下記表に示す。
種々のモリブデン:タングステン比を用いて実施例4を繰り返した。
収率および最大値の半分における特徴的全幅(2θ=53.80〜53.924の範囲でのピークに基づいて決定)を下記表に示す。
実施例1に記載した手順と同様の方法で触媒組成物を製造した。得られた混合物をスプレー乾燥した。スプレー乾燥した粉末は、43.5重量%のNiO、20.1重量%のMoO3、および34.7重量%のWO3を含んでいた。スプレー乾燥したバルク触媒粒子の孔体積は、0.14ml/gであり(窒素吸着により測定)、B.E.T.表面積は171m2/gであった。
硫化された触媒組成物の使用条件下での硫化度は、52%であると決定された。
実施例1に記載の手順と同様の方法で触媒組成物を製造した。反応が完了した後、解膠されたアルミナ(触媒組成物の総重量に基づき15重量%)をバルク触媒粒子とともに共スラリー化し、スラリーをスプレー乾燥した。得られた触媒は、13.2重量%のAl2O3、33.9重量%のNiO、20.5重量%のMoO3、および30.2重量%のWO3を含んでいた。酸化物触媒組成物の孔体積は0.17ml/gであり(窒素吸着により測定)、B.E.T.表面積は114m2/gであった。スプレー乾燥した粒子を、押出可能な混合物を形成するのに必要な量の水と混合した。得られた混合物を押出し、得られた押出物を120℃で乾燥し、385℃で焼成した。得られた触媒組成物は、B.E.T.表面積が133m2/gであり、水銀ポロシメトリーにより測定した孔体積が0.24ml/gであり、横破壊強度が5.3lbs/mm(2.4041kg/mm)であった。
硫化された触媒組成物の使用条件下での硫化度は、64%であると決定された。
Claims (20)
- 少なくとも1種のVIII族非貴金属および少なくとも2種のVIB族金属を含むバルク触媒粒子を含む触媒組成物の製造法において、該方法が、少なくとも1種のVIII族非貴金属成分と少なくとも2種のVIB族金属成分とをプロトン性液体の存在下で配合し、そして反応させることを含み、金属成分の少なくとも1種は、全プロセスの間、少なくとも部分的に固体状態のままであり、該VIII族およびVIB族金属が、酸化物として計算して、該バルク触媒粒子の総重量の50〜100重量%を占め、反応中に少なくとも部分的に固体状態である金属成分の溶解度が18℃で水100ml当たり0.05モル未満であるところの方法。
- 金属成分を配合する間、金属成分の少なくとも1種は少なくとも部分的に固体状態にあり、金属成分の少なくとも1種は溶質状態にある、請求項1記載の方法。
- 全金属成分が、金属成分を配合する間、少なくとも部分的に固体状態にある、請求項1記載の方法。
- プロトン性液体が水を含む、請求項1〜3のいずれか1項記載の方法。
- VIII族非貴金属がコバルト、ニッケル、鉄またはそれらの混合物を含む、請求項1〜4のいずれか1項記載の方法。
- ニッケルおよびコバルトが、酸化物として計算して、VIII族非貴金属成分の全体の少なくとも50重量%を占める、請求項5記載の方法。
- VIB族金属が、クロム、モリブデンまたはタングステンの少なくとも2種を含む、請求項1〜6のいずれか1項記載の方法。
- モリブデンおよびタングステンが、三酸化物として計算して、VIB族金属成分の全体の少なくとも50重量%を占める、請求項7記載の方法。
- 金属成分を配合しおよび/または反応させる間、バインダー物質、慣用のハイドロプロセッシング触媒、クラッキング成分またはそれらの混合物の群から選択される物質が添加される、請求項1〜8のいずれか1項記載の方法。
- バルク触媒粒子が、1以上の下記プロセス工程:
(i)バインダー物質、慣用のハイドロプロセッシング触媒、クラッキング成分またはそれらの混合物の群から選択される物質と複合化する工程、
(ii)スプレー乾燥、(フラッシュ)乾燥、粉砕、混練、スラリー混合、乾式または湿式混合、またはそれらの組み合わせ、
(iii)成形、
(iv)乾燥および/または熱処理、および
(v)硫化
に付される、請求項1〜9のいずれか1項記載の方法。
- 下記工程:
少なくとも1種のVIII族非貴金属成分を少なくとも2種のVIB族金属成分とプロトン性液体の存在下で配合し、そして反応させる工程、ここで、金属成分の少なくとも1種は、全プロセスの間、少なくとも部分的に固体状態のままである、
所望により乾燥および/または洗浄する工程、
上記物質をバインダー物質、クラッキング成分、慣用のハイドロプロセッシング触媒またはそれらの混合物の群から選択される物質と複合化する工程
所望により成形する工程
所望により硫化する工程
を順次含む、請求項10記載の方法。
- 下記工程:
少なくとも1種のVIII族非貴金属成分を少なくとも2種のVIB族金属とプロトン性液体の存在下で配合し、そして反応させる工程、ここで、金属成分の少なくとも1種は、全プロセスの間、少なくとも部分的に固体状態のままであり、バインダー物質、クラッキング成分、慣用のハイドロプロセッシング触媒またはそれらの混合物の群から選択される物質が反応中に存在する、
所望により乾燥および/または洗浄する工程、
所望により成形する工程
所望により硫化する工程
を順次含む、請求項10記載の方法。
- 成形工程が行われる、請求項11または12記載の方法。
- 少なくとも1種のVIII族非貴金属および少なくとも2種のVIB族金属を含むバルク触媒粒子を含むハイドロプロセッシング触媒組成物において、該金属が酸化物および/または硫化物状態で存在し、VIB族金属とVIII族非貴金属との間のモル比が3:1〜1:3の範囲であり、該VIII族およびVIB族金属が、酸化物として計算して、該バルク触媒粒子の総重量の50〜100重量%を占め、ニッケルおよびコバルトが、酸化物として計算して、VIII族非貴金属成分の全体の少なくとも70重量%を占め、金属成分が酸化物状態で触媒成分中に存在するとき、触媒成分がX線回折パターンを有し、該X線回折パターンは、VIB族金属がモリブデン、タングステンおよび所望によりクロムであるとき、2θ=53.6°(±0.7°)に位置するピークの最大値の半分における特徴的全幅が2.5°を超えないところのパターンであり、VIB族金属がモリブデンおよびクロムであるとき、2θ=63.5°(±0.6°)に位置するピークの最大値の半分における特徴的全幅が4.0°を超えないところパターンであり、あるいはVIB族金属がタングステンおよびクロムであるとき、2θ=53.6°(±0.7°)に位置するピークの最大値の半分における特徴的全幅が4.0°を超えないところのパターンであるところの触媒組成物。
- VIB族金属がモリブデン、タングステンおよび所望によりクロムであるとき、最大値の半分における特徴的全幅が2.0°を超えず、あるいはVIB族金属がモリブデンおよびクロムまたはタングステンおよびクロムであるときは3.0°を超えない、請求項14記載の触媒組成物。
- モリブデンおよびタングステンが、三酸化物として計算して、VIB族貴金属成分の全体の少なくとも50重量%を占める、請求項14または15記載の触媒組成物。
- 少なくとも1種のVIII族非貴金属成分および少なくとも2種のVIB族金属成分を含む硫化物バルク触媒粒子を含み、VIII族非貴金属二硫化物を本質的に含まない、請求項14〜16のいずれか1項記載の触媒組成物。
- VIII族非貴金属が(VIII族非貴金属)ySx(x/yは0.5〜1.5の範囲である)として存在する、請求項17記載の触媒組成物。
- 少なくとも1種のVIII族非貴金属および少なくとも2種のVIB族金属を含む硫化物バルク触媒粒子を含み、使用条件下での硫化度は90%を超えないところの請求項17または18記載の触媒組成物。
- 請求項14〜19のいずれか1項記載の触媒組成物を炭化水素供給原料のハイドロプロセッシングのために使用する方法。
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