JP5424206B2 - Method for producing liquid hydrocarbon - Google Patents
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Description
本発明は液体炭化水素の製造方法に関する。さらに詳細には、鉄を含むカプセル触媒を用いて、水素と一酸化炭素を主成分とする合成ガスから一段反応プロセスで液体炭化水素を製造する方法に関する。 The present invention relates to a method for producing liquid hydrocarbons. More specifically, the present invention relates to a method for producing a liquid hydrocarbon by a one-stage reaction process from a synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide as main components using a capsule catalyst containing iron.
近年、環境保全の必要性が求められ、硫黄分および芳香族炭化水素の含有量が低いクリーンな液体燃料への要求が急速に高まってきている。また、埋蔵量に限りのある原油資源を有効に使う必要性より、石油に代替しうるエネルギー源の開発が望まれてきている。以上のような要望に応える技術として、天然ガス・石炭・アスファルト・バイオマスなどを原料に用い、硫黄分および芳香族炭化水素をほとんど含まない液体燃料を製造するXTL(X to Liquid)がますます注目されるようになってきている。
例えば天然ガスを出発原料としたGTL(Gas to Liquid)による液体燃料の製造法としては、天然ガスから水素と一酸化炭素を製造する改質工程を経た後、水素と一酸化炭素からなる合成ガスを原料として高級パラフィンを製造するフィッシャー・トロプシュ合成(以下、FT合成という。)を行う工程と、高級パラフィンに富むFT合成生成物を低級パラフィンに富む生成物に転換する水素化分解および異性化を行う工程の、2段階で処理する方法が一般に知られている。
In recent years, the need for environmental conservation has been demanded, and the demand for clean liquid fuels with low contents of sulfur and aromatic hydrocarbons has rapidly increased. In addition, the development of energy sources that can replace oil has been desired due to the necessity of effectively using crude oil resources with limited reserves. XTL (X to Liquid), which produces liquid fuels that contain almost no sulfur and aromatic hydrocarbons using natural gas, coal, asphalt, biomass, etc. as raw materials, is gaining more and more attention as a technology that meets the above demands. It has come to be.
For example, as a method for producing a liquid fuel by GTL (Gas to Liquid) using natural gas as a starting material, a synthetic gas comprising hydrogen and carbon monoxide after undergoing a reforming process for producing hydrogen and carbon monoxide from natural gas. A process of Fischer-Tropsch synthesis (hereinafter referred to as FT synthesis) for producing higher paraffins from the raw materials, and hydrocracking and isomerization for converting higher paraffin rich FT synthesis products into lower paraffin rich products. A method of processing in two stages of the process to be performed is generally known.
FT合成は、鉄やコバルト等の活性金属をシリカやアルミナ等の担体上に担持して得られる触媒(以下、FT合成触媒という。)を用いて実施する方法が一般に知られている。また、水素化分解・異性化反応は、ゼオライトやアモルファスの固体酸触媒を用いて実施する方法が一般に知られている。
一方、非特許文献1には、FT合成触媒とゼオライト等の固体酸触媒を物理的に混合した触媒を用いることで、合成ガスから1段で低級パラフィンを製造することが示されている。
また、非特許文献2においては、コバルト系FT合成触媒の外表面をZSM−5ゼオライト膜でコーティングしたカプセル触媒を用いて、合成ガスから一段でイソパラフィンに富んだガソリン基材の製造に関する記載がある。しかしながら、このカプセル触媒を用いた合成ガスの転換反応ではメタン選択性が高く、結果としてガソリン基材の収率が減少する欠点がある。これは、比較的低温が有利なFT合成反応と高温が有利な異性化・分解反応とを同時に行うため、低温ではメタン生成が抑制されるものの異性化が進行せず、逆に高温では異性化が進行するもののメタン生成も促進してしまうためと考えられる。従って、合成ガスからイソパラフィンに富んだガソリン基材を収率良く一段反応で行うことの出来る触媒が望まれる。
In general, FT synthesis is carried out using a catalyst obtained by supporting an active metal such as iron or cobalt on a carrier such as silica or alumina (hereinafter referred to as FT synthesis catalyst). In addition, a method in which the hydrocracking / isomerization reaction is performed using a zeolite or an amorphous solid acid catalyst is generally known.
On the other hand, Non-Patent Document 1 shows that lower paraffin is produced from synthesis gas in one stage by using a catalyst obtained by physically mixing a FT synthesis catalyst and a solid acid catalyst such as zeolite.
Non-Patent Document 2 describes the production of a gasoline base material rich in isoparaffin from synthesis gas in a single stage using a capsule catalyst in which the outer surface of a cobalt-based FT synthesis catalyst is coated with a ZSM-5 zeolite membrane. . However, the synthesis gas conversion reaction using the capsule catalyst has a high methane selectivity, and as a result, there is a disadvantage that the yield of the gasoline base material is reduced. This is because the FT synthesis reaction, which is advantageous at a relatively low temperature, and the isomerization / decomposition reaction, which is advantageous at a high temperature, are performed at the same time. This is thought to be due to the promotion of methane production. Therefore, a catalyst capable of carrying out a gasoline base material rich in isoparaffin from synthesis gas in a one-step reaction with high yield is desired.
FT合成と水素化分解・異性化反応を一段で行うプロセスは、別々に反応を行う場合と比較して装置の建設コストが低く、経済性の高いプロセスであるといえる。前記したように、この一段反応プロセスとしては、コバルト系FT合成触媒をコアとし、ZSM−5ゼオライト膜をシェルとしたカプセル触媒を用いて液体燃料を製造する方法が非特許文献2に報告されているが、この方法以上の高性能な液体燃料の製造方法、すなわち副生するメタンの選択率を抑制し、イソパラフィンに富んだガソリン基材を高収率で製造する方法は未だ無いに等しい。この一段反応プロセスの経済性を更に向上させるためには、メタン選択率を更に低減する必要がある。また、生成したガソリン基材のオクタン価を向上させるためには、イソパラフィン選択性を高める必要がある。
本発明は、メタン選択率を低減させ、かつイソパラフィン選択率を向上させた、一段反応プロセスによる液体炭化水素(ガソリン基材)の製造方法を提供することを目的とするものである。
The process in which the FT synthesis and the hydrocracking / isomerization reaction are performed in one stage can be said to be an economical process with a low construction cost of the apparatus as compared with the case of performing the reactions separately. As described above, Non-Patent Document 2 reports a method for producing a liquid fuel by using a capsule catalyst having a cobalt-based FT synthesis catalyst as a core and a ZSM-5 zeolite membrane as a shell. However, there is still no method for producing a high-performance liquid fuel higher than this method, that is, a method for producing a high-yield gasoline substrate rich in isoparaffin by suppressing the selectivity of by-product methane. In order to further improve the economics of this one-stage reaction process, it is necessary to further reduce the methane selectivity. Moreover, in order to improve the octane number of the produced gasoline base material, it is necessary to increase the isoparaffin selectivity.
An object of the present invention is to provide a method for producing a liquid hydrocarbon (gasoline base material) by a one-stage reaction process with reduced methane selectivity and improved isoparaffin selectivity.
本発明者らは鋭意検討を行った結果、鉄を含んだFT合成触媒の表面にZSM−5ゼオライトを皮膜したカプセル触媒の調製に成功し、かかるカプセル触媒を一段反応の触媒として用いることにより、メタン選択率を低減させ、かつ生成油のイソパラフィン選択率を高めることができることを見出し、上記の課題を解決するに至った。
すなわち、本発明は以下のとおりである。
As a result of intensive studies, the inventors have succeeded in preparing a capsule catalyst in which the surface of an FT synthesis catalyst containing iron is coated with ZSM-5 zeolite, and using such a capsule catalyst as a catalyst for a one-step reaction. It has been found that the methane selectivity can be reduced and the isoparaffin selectivity of the product oil can be increased, and the above problems have been solved.
That is, the present invention is as follows.
[1] 水素と一酸化炭素を含む合成ガスを、鉄を含んだFT合成触媒をコアとし、ZSM−5ゼオライト膜をシェルとしたカプセル触媒の存在下で転化反応させることを特徴とする液体炭化水素の製造方法。
[2] 前記転化反応における反応温度が250〜400℃であることを特徴とする前記[1]に記載の液体炭化水素の製造方法。
[3] 前記転化反応における合成ガスの供給ガス速度(F)に対するカプセル触媒重量(W)の比(W/F)が0.1〜100g・h/molであることを特徴とする前記[1]又は[2]に記載の液体炭化水素の製造方法。
[4] 前記転化反応における合成ガス中の水素/一酸化炭素のモル比率が0.5〜5であることを特徴とする前記[1]〜[3]のいずれかに記載の液体炭化水素の製造方法。
[5] 前記転化反応における反応圧力が0.1〜10MPaであることを特徴とする前記[1]〜[4]のいずれかに記載の液体炭化水素の製造方法。
[6] 前記カプセル触媒において、コア中の鉄の割合が50質量%以上であることを特徴とする前記[1]〜[5]のいずれかに記載の液体炭化水素の製造方法。
[7] 前記カプセル触媒において、カプセル触媒全体に対するZSM−5膜の割合が8〜40質量%であることを特徴とする前記[1]〜[6]のいずれかに記載の液体燃料の製造方法。
[8] 前記カプセル触媒が、鉄を含んだFT合成触媒とZSM−5ゼオライト源を含有する合成ゲルを、150〜200℃で、静置と回転を少なくとも1回以上繰り返したのち静置を行う水熱合成反応により製造されたものであることを特徴とする前記[1]〜[7]のいずれかに記載の液体炭化水素の製造方法。
[1] Liquid carbonization characterized by subjecting a synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide to a conversion reaction in the presence of a capsule catalyst having an FT synthesis catalyst containing iron as a core and a ZSM-5 zeolite membrane as a shell. A method for producing hydrogen.
[2] The method for producing a liquid hydrocarbon according to [1], wherein a reaction temperature in the conversion reaction is 250 to 400 ° C.
[3] The ratio [W / F] of the capsule catalyst weight (W) to the supply gas velocity (F) of the synthesis gas in the conversion reaction is 0.1 to 100 g · h / mol, [1] ] Or the manufacturing method of the liquid hydrocarbon as described in [2].
[4] The liquid hydrocarbon according to any one of [1] to [3], wherein a hydrogen / carbon monoxide molar ratio in the synthesis gas in the conversion reaction is 0.5 to 5. Production method.
[5] The method for producing a liquid hydrocarbon according to any one of [1] to [4], wherein a reaction pressure in the conversion reaction is 0.1 to 10 MPa.
[6] The method for producing a liquid hydrocarbon according to any one of [1] to [5], wherein in the capsule catalyst, the ratio of iron in the core is 50% by mass or more.
[7] The method for producing a liquid fuel according to any one of [1] to [6], wherein in the capsule catalyst, a ratio of the ZSM-5 film to the whole capsule catalyst is 8 to 40% by mass. .
[8] The capsule catalyst is allowed to stand after repeating the FT synthesis catalyst containing iron and the synthetic gel containing the ZSM-5 zeolite source at 150 to 200 ° C. at least once and at least once. The method for producing a liquid hydrocarbon according to any one of [1] to [7], wherein the method is produced by a hydrothermal synthesis reaction.
本発明の方法により、合成ガスから1段の反応プロセスで、メタン選択率を低減し、かつイソパラフィンに富んだガソリン基材を効率良く得ることが可能となる。 According to the method of the present invention, it is possible to efficiently obtain a gasoline base material which is reduced in methane selectivity and rich in isoparaffin from the synthesis gas in a one-stage reaction process.
以下に本発明を詳述する。
本発明の液体炭化水素の製造方法において使用する触媒は、鉄を含んだFT合成触媒の表面にZSM−5ゼオライトの皮膜が形成されたカプセル触媒である。
The present invention is described in detail below.
The catalyst used in the method for producing liquid hydrocarbons of the present invention is a capsule catalyst in which a ZSM-5 zeolite film is formed on the surface of an FT synthesis catalyst containing iron.
カプセル触媒のコアに相当するFT合成触媒は、鉄を50〜100質量%含むことが好ましく、60〜90質量%含むことがより好ましい。鉄の割合が50質量%未満では生成するガソリン基材の収率が減少する傾向にあるので好ましくない。
FT合成触媒は、シリカ、アルミナ、チタニア、シリカアルミナ等の無機酸化物からなる担体に鉄を担持して調製することもできるが、無機酸化物を含まずに溶融塩法や沈殿法により得られた鉄をそのまま使用することが好ましい。
鉄以外の金属として、銅またはカリウムがFT合成触媒内に含まれるとFT合成反応が促進され、結果としてガソリン収率が増加するので好ましい。なお、FT合成触媒に銅および/またはカリウムを含有する場合、その含有量の合計はFT合成触媒基準で0.1〜10質量%が好ましい。
本発明におけるFT合成触媒の平均粒子径については、固定床反応装置を使用して反応を行うため、反応塔に充填できる大きさであれば特に制限はないが、通常は100μm〜30mmが好ましく、より好ましくは500μm〜20mmのものを使用する。平均粒子径が100μm未満では反応塔内で差圧が発生しやすくなる傾向にあるので好ましくない。また、30mmを超えると反応塔に充填される触媒量が減少し、結果としてガソリン収率が低下する傾向にあるので好ましくない。
The FT synthesis catalyst corresponding to the core of the capsule catalyst preferably contains 50 to 100% by mass of iron, and more preferably 60 to 90% by mass. If the ratio of iron is less than 50% by mass, the yield of the gasoline base produced tends to decrease, which is not preferable.
The FT synthesis catalyst can be prepared by supporting iron on a support made of an inorganic oxide such as silica, alumina, titania, silica alumina, etc., but it can be prepared by a molten salt method or a precipitation method without containing an inorganic oxide. It is preferable to use iron as it is.
When copper or potassium is contained in the FT synthesis catalyst as a metal other than iron, the FT synthesis reaction is promoted, resulting in an increase in gasoline yield. In addition, when copper and / or potassium are contained in the FT synthesis catalyst, the total content is preferably 0.1 to 10% by mass based on the FT synthesis catalyst.
The average particle size of the FT synthesis catalyst in the present invention is not particularly limited as long as it is a size that can be charged in the reaction tower because the reaction is carried out using a fixed bed reactor, but usually 100 μm to 30 mm is preferable. More preferably, the one of 500 μm to 20 mm is used. An average particle size of less than 100 μm is not preferable because it tends to generate a differential pressure in the reaction tower. On the other hand, if it exceeds 30 mm, the amount of catalyst charged in the reaction tower decreases, and as a result, the gasoline yield tends to decrease, such being undesirable.
本発明におけるカプセル触媒は、鉄を含むFT合成触媒の表面にZSM−5ゼオライトを被覆することにより形成される。
FT合成触媒を被覆するZSM−5ゼオライトの量には特に制限はないが、ガソリン基材を収率良く製造するために、カプセル触媒に対するZSM−5ゼオライトの割合を8〜40質量%にするのが好ましい。8質量%未満ではZSM−5ゼオライトによる被覆が不十分なためガソリン収率が減少する傾向にあるため、ZSM−5ゼオライトの割合の下限は8質量%以上が好ましく、10質量%以上がより好ましく、20質量%以上がさらに好ましい。一方、ZSM−5ゼオライトの割合が40質量%を超えるとメタン選択性が増加する傾向にあるので、上限は40質量%以下が好ましく、30質量%以下がより好ましい。
The capsule catalyst in the present invention is formed by coating the surface of an FT synthesis catalyst containing iron with ZSM-5 zeolite.
The amount of ZSM-5 zeolite that coats the FT synthesis catalyst is not particularly limited, but in order to produce a gasoline base material with a high yield, the ratio of ZSM-5 zeolite to the capsule catalyst is 8 to 40% by mass. Is preferred. If the amount is less than 8% by mass, the coating with ZSM-5 zeolite is insufficient and the gasoline yield tends to decrease. Therefore, the lower limit of the proportion of ZSM-5 zeolite is preferably 8% by mass or more, more preferably 10% by mass or more. 20% by mass or more is more preferable. On the other hand, when the proportion of ZSM-5 zeolite exceeds 40% by mass, methane selectivity tends to increase, so the upper limit is preferably 40% by mass or less, and more preferably 30% by mass or less.
FT合成触媒にZSM−5ゼオライト膜を形成する(FT合成触媒をコアとしZSM−5ゼオライト膜をシェルとする)方法としては、例えば以下の方法が挙げられる。 Examples of the method for forming a ZSM-5 zeolite membrane on the FT synthesis catalyst (using the FT synthesis catalyst as a core and the ZSM-5 zeolite membrane as a shell) include the following methods.
初めにZSM−5ゼオライトの水熱合成に必要な合成ゲルを調製する。ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製容器に蒸留水、テンプレート(型剤)、エタノール、アルミニウム源、シリカ源を順に入れ、40〜70℃で1〜5時間、溶液が透明になるまで攪拌する。
テンプレート、アルミニウム源およびシリカ源に特に制限はないが、テンプレートとしてはイソプロピルアンモニウムハイドロオキサイド、アルミニウム源としては硝酸アルミニウム、およびシリカ源としてはテトラエチルオルソシリケートをそれぞれ好ましく挙げることが出来る。
合成ゲルに対する水、テンプレート、エタノール、アルミニウム源およびシリカ源のモル比は、それぞれ80〜99、0.1〜1.0、3〜15、0.01〜0.1、0.2〜5.0が好ましく、これら範囲外ではZSM−5膜が形成されにくい傾向にあるので好ましくない。
First, a synthetic gel necessary for hydrothermal synthesis of ZSM-5 zeolite is prepared. Into a polytetrafluoroethylene (PTFE) container, distilled water, template (molding agent), ethanol, aluminum source and silica source are put in order, and stirred at 40 to 70 ° C. for 1 to 5 hours until the solution becomes transparent.
There are no particular limitations on the template, the aluminum source and the silica source, but preferably isopropyl ammonium hydroxide is used as the template, aluminum nitrate is used as the aluminum source, and tetraethyl orthosilicate is used as the silica source.
The molar ratios of water, template, ethanol, aluminum source, and silica source to the synthetic gel are 80 to 99, 0.1 to 1.0, 3 to 15, 0.01 to 0.1, and 0.2 to 5. 0 is preferable, and it is not preferable because the ZSM-5 film tends not to be formed outside these ranges.
FT合成触媒に対する合成ゲルの重量割合に制限はないが、1〜50倍が好ましく、5〜30倍がより好ましい。1倍未満ではZSM−5ゼオライト膜で完全にFT合成触媒表面を覆うことが出来なくなる傾向にあり、また50倍を超えるとZSM−5ゼオライトが単独で生成し、カプセル触媒との分離が困難になる傾向にあるので実用的でない。 Although there is no restriction | limiting in the weight ratio of the synthetic gel with respect to an FT synthesis catalyst, 1-50 times are preferable and 5-30 times are more preferable. If it is less than 1 time, it tends to be impossible to completely cover the surface of the FT synthesis catalyst with the ZSM-5 zeolite membrane, and if it exceeds 50 times, ZSM-5 zeolite is produced alone, making it difficult to separate from the capsule catalyst. This is not practical.
ZSM−5ゼオライト膜は、水熱合成により形成される。
本発明において、水熱合成反応は、例えばPTFE製などの耐圧容器に、所定の大きさ(100μm〜30mm程度)に粉砕して整粒したFT合成触媒および合成ゲルを入れ、150〜200℃、好ましくは165〜185℃にて、容器の静置および回転の組み合わせからなる工程を1回以上繰り返したのち、静置することにより達成される。回転を行わずに静置のみ、または回転のみを継続して行うだけではZSM−5ゼオライト膜ができにくい傾向にあるので好ましくない。
水熱合成における温度が上記範囲外の場合、ZSM−5ゼオライトの結晶性が悪くなる傾向にあり、その結果ガソリン収率が減少する傾向にあるので好ましくない。
The ZSM-5 zeolite membrane is formed by hydrothermal synthesis.
In the present invention, the hydrothermal synthesis reaction is carried out, for example, in a pressure-resistant container made of PTFE or the like. Preferably, it is achieved by standing at 165 to 185 ° C. after repeating the process comprising a combination of stationary and rotating containers at least once. It is not preferable to perform only the standing or only the rotation without rotating, because it tends to be difficult to form a ZSM-5 zeolite membrane.
When the temperature in the hydrothermal synthesis is outside the above range, the crystallinity of ZSM-5 zeolite tends to deteriorate, and as a result, the gasoline yield tends to decrease, such being undesirable.
静置と回転の繰り返し回数は2回以上繰り返して行うことが好ましく、より好ましくは3回以上であり、さらに好ましくは5回以上であり、上限については特に制限はないが、効果および経済性等を考慮して適宜決定する。
静置時間は1〜10時間が好ましく、より好ましくは1〜5時間である。回転は、通常0.5〜20rpm、好ましくは1〜10rpmの回転速度で、1分〜2時間、好ましくは1〜30分間回転を行う。静置と回転を2回以上繰り返して行う場合は、静置と回転の条件をそれぞれ変えて行っても良い。
The number of times of standing and rotating is preferably repeated twice or more, more preferably 3 times or more, still more preferably 5 times or more, and there is no particular limitation on the upper limit. To be determined as appropriate.
The standing time is preferably 1 to 10 hours, more preferably 1 to 5 hours. The rotation is usually performed at a rotational speed of 0.5 to 20 rpm, preferably 1 to 10 rpm, for 1 minute to 2 hours, preferably 1 to 30 minutes. In the case where the stationary and rotation are repeated twice or more, the stationary and rotating conditions may be changed.
静置と回転の組み合わせからなる工程を所定回数行ったのち、一定時間静置することにより反応が完了する。このときの静置時間は1時間以上であることが好ましい。上限については特に制限はないが、経済的観点から30時間以下が好ましい。
水熱合成反応時間(容器の静置および回転の繰り返し工程および最後の静置を経て反応が完了するまでに要する時間の合計)は5時間以上であることが好ましく、より好ましくは10時間以上であり、さらに好ましくは20時間以上である。上限については特に制限はないが、経済的観点から50時間以下が好ましく、より好ましくは30時間以下である。
水熱合成における反応時間が上記範囲外の場合、ZSM−5ゼオライトの結晶性が悪くなる傾向にあり、その結果ガソリン収率が減少する傾向にあるので好ましくない。
なお、上記水熱合成終了後、上澄み液をデカンテーションにより除去し、新たに合成ゲルを加えて再び上記の水熱合成反応を行うこともできる。
After a predetermined number of steps including a combination of standing and rotation, the reaction is completed by standing for a certain period of time. The standing time at this time is preferably 1 hour or longer. Although there is no restriction | limiting in particular about an upper limit, 30 hours or less are preferable from an economical viewpoint.
The hydrothermal synthesis reaction time (total time required for the reaction to be completed after repeating the stationary and rotating steps of the container and the final standing) is preferably 5 hours or more, more preferably 10 hours or more. Yes, more preferably 20 hours or more. Although there is no restriction | limiting in particular about an upper limit, From an economical viewpoint, 50 hours or less are preferable, More preferably, it is 30 hours or less.
When the reaction time in hydrothermal synthesis is outside the above range, the crystallinity of ZSM-5 zeolite tends to deteriorate, and as a result, the gasoline yield tends to decrease, such being undesirable.
In addition, after completion | finish of the said hydrothermal synthesis, a supernatant liquid is removed by decantation, a synthetic gel is newly added, and said hydrothermal synthesis reaction can also be performed again.
水熱合成後、内容物中の固形物を回収し、蒸留水で洗浄後、450〜550℃、好ましくは480〜520℃で2〜10時間、好ましくは3〜8時間空気中で焼成する。
かかる処理によりFT合成触媒の表面にZSM−5ゼオライトの膜を形成することができる。
After hydrothermal synthesis, the solids in the contents are recovered, washed with distilled water, and calcined in air at 450 to 550 ° C., preferably 480 to 520 ° C. for 2 to 10 hours, preferably 3 to 8 hours.
By this treatment, a ZSM-5 zeolite film can be formed on the surface of the FT synthesis catalyst.
本発明においては、必要に応じて、ZSM−5ゼオライト上にPtおよび/またはPdを担持することができる。これらの金属の担持量については特に制限はないが、通常、カプセル触媒あたりの金属量として0.1〜3.0質量%の範囲で使用することができる。 In the present invention, Pt and / or Pd can be supported on ZSM-5 zeolite as required. Although there is no restriction | limiting in particular about the load of these metals, Usually, it can use in the range of 0.1-3.0 mass% as a metal amount per capsule catalyst.
本発明においては、前述したFT合成触媒をコアとし、ZSM−5ゼオライト膜をシェルとしたカプセル触媒の存在下で、水素と一酸化炭素を含む合成ガスを転化反応させて液体炭化水素を製造する。
本発明において用いられる合成ガスは一般的に知られている方法で得られるものであれば特に限定されるものではないが、合成ガス中の水素/一酸化炭素のモル比率は0.5〜5であることが好ましく、さらに好ましくは0.5〜2である。
In the present invention, a liquid hydrocarbon is produced by converting a synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide in the presence of a capsule catalyst having the above-mentioned FT synthesis catalyst as a core and a ZSM-5 zeolite membrane as a shell. .
The synthesis gas used in the present invention is not particularly limited as long as it is obtained by a generally known method, but the hydrogen / carbon monoxide molar ratio in the synthesis gas is 0.5-5. It is preferable that it is 0.5, More preferably, it is 0.5-2.
本発明における転化反応は1段の反応プロセスとして流通式固定床プロセスを採用する。
本発明における転化反応では、合成ガスの供給ガス速度(F)(mol/h)に対する前記カプセル触媒重量(W)(g)の比(W/F)が0.1〜100g・h/molであることが好ましく、より好ましくは1.0〜50g・h/molにおいて実施される。
また本発明における転化反応の反応温度は250〜400℃であることが好ましく、より好ましくは250〜350℃であり、反応圧力は0.1〜10MPaであることが好ましく、より好ましくは0.3〜5MPaにおいて実施される。
The conversion reaction in the present invention employs a flow-type fixed bed process as a one-stage reaction process.
In the conversion reaction of the present invention, the ratio (W / F) of the capsule catalyst weight (W) (g) to the syngas feed gas rate (F) (mol / h) is 0.1 to 100 g · h / mol. Preferably, it is carried out at 1.0 to 50 g · h / mol.
Further, the reaction temperature of the conversion reaction in the present invention is preferably 250 to 400 ° C, more preferably 250 to 350 ° C, and the reaction pressure is preferably 0.1 to 10 MPa, more preferably 0.3. It is carried out at ˜5 MPa.
本発明に係る合成ガスの転化反応を行う前に、カプセル触媒の活性化を行う必要がある。カプセル触媒の活性化は合成ガスを用いて、圧力が常圧〜10MPaの範囲で、温度が200〜350の範囲で、活性化時間が0.5〜5時間の範囲で行い、次いで水素ガスのみを用いて、圧力が常圧〜10MPaの範囲で、温度が350〜450の範囲で、活性化時間が1〜50時間の範囲で行う。 Before performing the synthesis gas conversion reaction according to the present invention, it is necessary to activate the capsule catalyst. The activation of the capsule catalyst is carried out using synthesis gas at a pressure in the range of atmospheric pressure to 10 MPa, a temperature in the range of 200 to 350, an activation time in the range of 0.5 to 5 hours, and then only hydrogen gas. The pressure is in the range of normal pressure to 10 MPa, the temperature is in the range of 350 to 450, and the activation time is in the range of 1 to 50 hours.
上記処理によりカプセル触媒を活性化した後、合成ガスの転化反応を行う。本発明に係るカプセル触媒を使用することにより、CO転化率が95モル%以上、メタン選択率が12モル%以下、イソパラフィン選択率が50モル%以上となる合成ガスの転化反応を行うことができ、イソパラフィンに富んだ液体炭化水素を収率良く一段反応で得ることができる。
なお、本発明においてCO転化率とは「(1−(生成した反応生成物中の未反応CO(モル)/原料の合成ガス中のCO(モル))×100(モル%)」で定義された値をいい、メタン選択率とは、生成した反応生成物中のメタンの割合(モル%)、イソパラフィン選択率とは、生成した反応生成物中の炭素数4から13であるイソパラフィンの割合(モル%)のことをいう。
After the capsule catalyst is activated by the above treatment, a synthesis gas conversion reaction is performed. By using the capsule catalyst according to the present invention, it is possible to perform a synthesis gas conversion reaction in which the CO conversion is 95 mol% or more, the methane selectivity is 12 mol% or less, and the isoparaffin selectivity is 50 mol% or more. In addition, liquid hydrocarbons rich in isoparaffin can be obtained by a one-step reaction with high yield.
In the present invention, the CO conversion rate is defined by “(1− (unreacted CO (mol) in the produced reaction product / CO (mol) in the raw synthesis gas) × 100 (mol%)”. The methane selectivity is the proportion of methane in the produced reaction product (mol%), and the isoparaffin selectivity is the proportion of isoparaffin having 4 to 13 carbon atoms in the produced reaction product ( Mol%).
上述の合成ガスの転化反応により得られた液体炭化水素は炭素数4から13のイソパラフィンに富んだ(イソパラフィン選択率が50モル%以上の)炭化水素であり、ガソリン基材として好ましく使用することができる。 The liquid hydrocarbon obtained by the above-described synthesis gas conversion reaction is a hydrocarbon rich in isoparaffin having 4 to 13 carbon atoms (isoparaffin selectivity is 50 mol% or more), and can be preferably used as a gasoline base material. it can.
以上、本発明の方法により、水素と一酸化炭素を含む合成ガスから一段の反応プロセスで、メタン選択率が低く、イソパラフィン選択率を高めた液体炭化水素を収率良く得ることができる。 As described above, according to the method of the present invention, liquid hydrocarbons with low methane selectivity and high isoparaffin selectivity can be obtained with high yield from a synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide in a one-stage reaction process.
以下に実施例および比較例を挙げて、本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited to these.
(実施例1)
溶融鉄(Halder Topsoe社製、鉄含有率76%)をメノウ乳鉢で粉砕し、20〜40meshに整粒した。微粉を除去するために蒸留水で洗浄後、120℃で3時間真空乾燥し、FT合成触媒とした。
100mlのPTFE瓶に、蒸留水6.37g、10%テトラプロピルアンモニウムハイドロキサイド溶液(TPAOH)4.88g、99.5%エタノール(EtOH)1.84g、硝酸アルミニウム0.0938g、テトラエチルオルソシリケート(TEOS)2.08gを順に入れ、55℃で2時間攪拌して透明な合成ゲルを得た。この時の合成ゲルのモル比は、水:TPAOH:EtOH:硝酸アルミニウム:TEOS=120:0.48:8:0.05:2であった。
PTFE製耐圧容器に上記FT合成触媒2gと上記合成ゲルとを投入し、水熱合成反応装置(HIRO社製)を用いて180℃、24時間水熱合成を行った。この間、PTFE製耐圧容器を1時間静置した後、1rpmの速度で2時間回転した後、21時間静置して水熱合成を行った。
水熱合成後、内容物を回収し、得られた固形物を分離した後、蒸留水でよく洗浄した。その後、空気中、500℃で5時間焼成してカプセル触媒を得た。
カプセル触媒のゼオライト被膜の状態およびゼオライト量を把握するため、走査型電子顕微鏡と蛍光X線分析とを行った。また、被膜がZSM−5ゼオライトであることを確認するため、X線回折測定を行った。その結果を表1に示す。
Example 1
Molten iron (produced by Halder Topsoe, iron content: 76%) was pulverized in an agate mortar and sized to 20 to 40 mesh. In order to remove fine powder, it was washed with distilled water and then vacuum-dried at 120 ° C. for 3 hours to obtain an FT synthesis catalyst.
In a 100 ml PTFE bottle, 6.37 g of distilled water, 4.88 g of 10% tetrapropylammonium hydroxide solution (TPAOH), 1.84 g of 99.5% ethanol (EtOH), 0.0938 g of aluminum nitrate, tetraethyl orthosilicate ( TEOS) 2.08 g was put in order and stirred at 55 ° C. for 2 hours to obtain a transparent synthetic gel. The molar ratio of the synthetic gel at this time was water: TPAOH: EtOH: aluminum nitrate: TEOS = 120: 0.48: 8: 0.05: 2.
The PTFE pressure vessel was charged with 2 g of the FT synthesis catalyst and the synthesis gel, and hydrothermal synthesis was performed at 180 ° C. for 24 hours using a hydrothermal synthesis reactor (manufactured by HIRO). During this time, the PTFE pressure vessel was allowed to stand for 1 hour, then rotated at a speed of 1 rpm for 2 hours, and then allowed to stand for 21 hours for hydrothermal synthesis.
After hydrothermal synthesis, the contents were collected, and the resulting solid was separated and washed thoroughly with distilled water. Then, it baked at 500 degreeC in air for 5 hours, and obtained the capsule catalyst.
In order to grasp the state of the zeolite coating of the capsule catalyst and the amount of zeolite, a scanning electron microscope and fluorescent X-ray analysis were performed. Further, in order to confirm that the coating was ZSM-5 zeolite, X-ray diffraction measurement was performed. The results are shown in Table 1.
合成ガス(一酸化炭素:水素=1:1モル/モル)の転化反応は、カプセル触媒(0.5g)と石英砂(0.5g)とをよく混合した後、固定床反応装置に充填して行った。触媒を充填した後、常圧で合成ガスを80ml/minで流通させながら、1℃/minで250℃まで昇温し、その後2時間保持した。その後、合成ガスを水素に切り替えて1℃/minで400℃まで昇温し、10時間還元処理を行った。還元後、反応塔を180℃まで冷却し、水素から合成ガス(W/F=10g・h/mol)に切り替えて、圧力を1MPaまで上げてから2℃/minで300℃まで昇温した。これを転化反応の開始とした。
気体生成物はオンラインガスクロマトグラフィーで分析し、CO転化率、メタン選択率およびイソパラフィン選択率を求めた。その結果を表1に示す。
In the conversion reaction of synthesis gas (carbon monoxide: hydrogen = 1: 1 mol / mol), the capsule catalyst (0.5 g) and quartz sand (0.5 g) are mixed well and then packed into a fixed bed reactor. I went. After filling the catalyst, the temperature was raised to 250 ° C. at 1 ° C./min while syngas was passed at 80 ml / min at normal pressure, and then held for 2 hours. Thereafter, the synthesis gas was switched to hydrogen, the temperature was raised to 400 ° C. at 1 ° C./min, and reduction treatment was performed for 10 hours. After the reduction, the reaction tower was cooled to 180 ° C., switched from hydrogen to synthesis gas (W / F = 10 g · h / mol), the pressure was increased to 1 MPa, and then the temperature was increased to 300 ° C. at 2 ° C./min. This was the start of the conversion reaction.
The gaseous product was analyzed by on-line gas chromatography to determine CO conversion, methane selectivity and isoparaffin selectivity. The results are shown in Table 1.
(実施例2)
2時間静置と1rpmの速度で1分間回転の組み合わせからなる工程を11回繰り返したのち、2時間静置して水熱合成を行った。さらに同様の水熱合成をもう1回実施したこと以外は実施例1と同様にして、カプセル触媒の調製および合成ガス転化反応を行った。カプセル触媒におけるZSM−5膜の測定結果および転化反応結果を表1に示す。
(Example 2)
The process consisting of a combination of standing for 2 hours and rotating for 1 minute at a speed of 1 rpm was repeated 11 times, and then left for 2 hours for hydrothermal synthesis. Further, a capsule catalyst was prepared and a synthesis gas conversion reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that the same hydrothermal synthesis was performed once again. Table 1 shows the measurement results and conversion reaction results of the ZSM-5 membrane in the capsule catalyst.
(実施例3)
1時間静置と1rpmの速度で1分間回転の組み合わせからなる工程を22回繰り返したのち、2時間静置して水熱合成を行った。さらに同様の水熱合成をもう1回実施したこと以外は実施例1と同様にして、カプセル触媒の調製および合成ガス転化反応を行った。カプセル触媒におけるZSM−5膜の測定結果および転化反応結果を表1に示す。
(Example 3)
The process consisting of a combination of standing for 1 hour and rotating for 1 minute at a speed of 1 rpm was repeated 22 times, and then left for 2 hours for hydrothermal synthesis. Further, a capsule catalyst was prepared and a synthesis gas conversion reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that the same hydrothermal synthesis was performed once again. Table 1 shows the measurement results and conversion reaction results of the ZSM-5 membrane in the capsule catalyst.
(比較例1)
24時間静置のみで水熱合成を行ったこと以外は実施例1と同様にして、カプセル触媒の調製および合成ガス転化反応を行った。カプセル触媒におけるZSM−5膜の測定結果および転化反応結果を表1に示す。
(Comparative Example 1)
A capsule catalyst was prepared and a synthesis gas conversion reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that hydrothermal synthesis was performed only for 24 hours. Table 1 shows the measurement results and conversion reaction results of the ZSM-5 membrane in the capsule catalyst.
(比較例2)
シリカ(表面積330cm2/g)にコバルトが20質量%担持されたFT合成触媒を溶融鉄の代わりに使用したこと以外は実施例2と同様にして、カプセル触媒の調製および合成ガス転化反応を行った。カプセル触媒におけるZSM−5膜の測定結果および転化反応結果を表1に示す。
(Comparative Example 2)
Preparation of capsule catalyst and synthesis gas conversion reaction were carried out in the same manner as in Example 2 except that an FT synthesis catalyst in which 20% by mass of cobalt was supported on silica (surface area 330 cm 2 / g) was used instead of molten iron. It was. Table 1 shows the measurement results and conversion reaction results of the ZSM-5 membrane in the capsule catalyst.
(比較例3)
合成ガスの転化反応において、一酸化炭素と水素のモル比が1:1である合成ガスの代わりに1:2の合成ガスを使用したこと以外は比較例2と同様にして、カプセル触媒の調製および合成ガス転化反応を行った。カプセル触媒におけるZSM−5膜の測定結果および転化反応結果を表1に示す。
(Comparative Example 3)
Preparation of capsule catalyst in the same manner as in Comparative Example 2, except that in the synthesis gas conversion reaction, a synthesis gas of 1: 2 was used instead of a synthesis gas having a molar ratio of carbon monoxide to hydrogen of 1: 1. And a syngas conversion reaction was performed. Table 1 shows the measurement results and conversion reaction results of the ZSM-5 membrane in the capsule catalyst.
表1より、鉄を含有するカプセル触媒の合成では水熱合成時に静置と回転を組み合わすことが必須であり、得られたカプセル触媒はコバルト系FT合成触媒をコアに持つカプセル触媒よりも副生成物であるメタンの選択性が低く、かつイソパラフィン選択性が高いことがわかる。 From Table 1, it is essential to combine stationary and rotation during hydrothermal synthesis in the synthesis of a capsule catalyst containing iron, and the obtained capsule catalyst is a secondary agent than a capsule catalyst having a cobalt-based FT synthesis catalyst as a core. It can be seen that the selectivity of the product methane is low and the isoparaffin selectivity is high.
本発明の方法により、合成ガスから1段反応プロセスでイソパラフィンに富んだガソリン基材を効率良く得ることができる。 By the method of the present invention, a gasoline base material rich in isoparaffin can be efficiently obtained from synthesis gas in a one-stage reaction process.
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