JP5564769B2 - 低級炭化水素芳香族化触媒及び芳香族化合物の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明はメタンを主成分とする天然ガス、バイオガス、メタンハイドレートの高度利用に関する。天然ガス、バイオガス、メタンハイドレートは地球温暖化対策として最も効果的なエネルギー資源と考えられ、その利用技術に関心が高まっている。メタン資源はそのままクリーン性を活かして次世代の新しい有機資源、燃料電池用の水素資源として注目されている。特に本発明はメタン等の低級炭化水素からプラスチック類などの化学製品原料であるベンゼン及びナフタレン類を主成分とする芳香族化合物と高純度の水素ガスを効率よく製造するための触媒化学変換技術及びその触媒製造方法に関する。
メタン等の低級炭化水素からベンゼン等の芳香族化合物と水素とを製造する方法としては触媒の存在下に低級炭化水素を反応させる方法が知られている。この際の触媒としてはＺＳＭ−５系のゼオライトに担持されたモリブデンが有効とされている（非特許文献１）。しかし、芳香族化合物及び水素の製造効率をさらに高めるために、いっそう優れた触媒の開発が望まれている。
通常、この反応の触媒として用いられる結晶性のメタロシリケートとして挙げられるゼオライトは、固体酸性と分子ふるいとしての数オングストローム（例えば、ＺＳＭ−５の場合は、５〜６オングストローム）の結晶細孔径を有している。
そして、低級炭化水素からベンゼンなど芳香族炭化水素が生成する反応では、メタロシリケートに活性種が担持された触媒上で逐次的反応が起こり、芳香族炭化水素が生成すると考えられている。
すなわち、逐次反応の第１段階として、担持された活性種上、つまりモリブデン又はタングステン又はレニウムなどの金属種又はそれらの炭化物によってメタン等の低級炭化水素同士が結合反応し炭素数が２以上の直鎖状炭化水素となる。次に、第２段階として、担体となるメタロシリケートの細孔内部の空間とブレンステッド酸点によって、前記の直鎖状炭化水素は環化反応を起こす。つまり、この反応により環状に脱水素反応することでベンゼン等の不飽和環状炭化水素である芳香族炭化水素へと変換される。以上のような逐次反応により、低級炭化水素から芳香族炭化水素を生成する。
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＡＴＡＬＹＳＩＳ，１９９７，ｐｐ．１６５，ｐｐ．１５０−１６１
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＡＴＡＬＹＳＩＳ，１９９７，ｐｐ．１６５，ｐｐ．１５０−１６１
しかしながら、上記従来技術において、低級炭化水素から芳香族炭化水素を生成する反応においては、メタロシリケートの単位体積又は単位重量あたりの結晶表面の細孔の入り口数、つまり細孔入り口密度が拡散律速の要因となる。拡散律速条件下では、ゼオライト細孔の分子ふるいが有効に機能しない問題が発生し、触媒反応の進行とともに反応生成物のコーキングが起こり、触媒の長期間安定性及び反応効率を低下させている。
つまり、この反応の触媒として用いられるゼオライトは、固体酸性と分子ふるいとしての数オングストロームの結晶細孔径を有している。一方、通常のゼオライト結晶の大きさは数μｍ程度であり、結晶細孔径と比較するとはるかに大きいものである。そのため、触媒としてゼオライトを用いた場合、固体酸性特性よりもゼオライト結晶内における原料や生成物の拡散が反応を支配する拡散律速状態になりやすい。すなわち、細孔入り口密度が小さいので、逐次反応の第１段階で生成する炭素数２以上の直鎖状炭化水素が細孔内部に拡散浸透する機会が少なくなり、環化反応に至らなかった直鎖状炭化水素がゼオライト表面上にてコーキングし、触媒の活性寿命安定性の低下、及び芳香族炭化水素収率の低下の要因となる。
したがって、本発明はゼオライト結晶サイズを小さくしたナノスケールゼオライトを用いることにより、細孔における物質の拡散の影響を低減し、反応効率の高い低級炭化水素芳香族化触媒を提供することを目的としている。
上記目的を達成する本発明の低級炭化水素芳香族化触媒は、低級炭化水素を反応させて、芳香族化合物を生成させる触媒であって、前記触媒は５００ｎｍ以下の平均結晶径を有するメタロシリケートからなることを特徴とする。
また、本発明の芳香族化合物の製造方法は、５００ｎｍ以下の平均結晶径を有するメタロシリケートからなる触媒に低級炭化水素を含む反応ガスを反応させて芳香族化合物を生成することを特徴としている。
本発明の低級炭化水素芳香族化触媒及び芳香族化合物の製造方法によれば、結晶径をナノサイズとすることにより、細孔入り口密度が大きくなり、直鎖状炭化水素の細孔内部への拡散浸透の機会を増加させることができる。
そして、前記メタロシリケートとしては、ＺＳＭ−５ゼオライトが挙げられる。また、前記メタロシリケートにモリブデンを担持してもよい。
したがって、以上の発明によれば、低級炭化水素芳香族化触媒を用いた芳香族化合物製造方法において、芳香族炭化水素収率及び活性寿命安定性が向上する。
本発明の実施形態に係る低級炭化水素芳香族化触媒は、モリブデンを含む前駆体をメタロシリケートに担持することにより得ることができる。
そして、触媒に使用するメタロシリケートとしては、シリカ及びアルミナからなる多孔質体であるモレキュラーシーブ５Ａ（ＵＴＡ）、フォジャサイト（ＮａＹ）及びＮａＸ、ＺＳＭ−５、Ｈ−ＺＳＭ−５のようなアルミノシリケートが例示される。また、リン酸を主成分とするＡＬＰＯ−５、ＶＰＩ−５等の多孔質担体で、０．６ｎｍ〜１．３ｎｍのミクロ細孔やチャンネルからなることを特徴とするゼオライト担体も触媒に使用するメタロシリケート例として挙げられる。その他、シリカを主成分とし一部アルミナを成分として含むメゾ細孔（１ｎｍ〜１０ｎｍ）の筒状細孔（チャンネル）で特徴づけられるＦＳＭ−１６やＭＣＭ−４１などのメゾ細孔多孔質担体なども触媒に使用するメタロシリケートとして例示できる。
一方、モリブデンを含む前駆体の例としては、パラモリブデン酸アンモニウム、リンモリブデン酸、１２ケイモリブデン酸、その塩化物、臭化物等のハロゲン化物、硝酸塩、硫酸塩、リン酸塩等の鉱酸塩、炭酸塩、蓚酸塩等のカルボン酸塩等が例示できる。
モリブデンをメタロシリケートに担持させる方法としては、前述したモリブデンを含む前駆体の水溶液をメタロシリケート担体に含浸担持させた後、空気中で加熱処理する方法が一般的である。
この担持方法の具体的な例として、メタロシリケート担体にモリブデン酸アンモニウムを含浸担持させ、乾燥させた後、空気気流中で２５０℃〜８００℃、好ましくは４００℃〜７００℃で加熱処理して、モリブデンを担持したメタロシリケート触媒を製造することを挙げることができる。
そして、本発明に用いる触媒は、シリカ、アルミナ、粘土などのバインダーを添加して、ペレット状若しくは押出品に成形して使用することができる。
ここで、本発明で使用する低級炭化水素として、メタン又は、炭素数２から炭素数６の飽和又は不飽和炭化水素が例として挙げられる。ただし、反応させる気体としては、少なくとも５０重量％、好ましくは少なくとも７０重量％のメタンを含有することが望ましい。そして、メタンの他に、炭素数が２〜６の飽和又は不飽和炭化水素が含まれていてもよい。これら炭素数が２〜６の飽和又は不飽和炭化水素の例としては、エタン、エチレン、プロパン、プロピレン、ｎ−ブタン、イソブタン、ｎ−ブテン及びイソブテン等が例示できる。
本発明の低級炭化水素から芳香族炭化水素と水素とを製造する方法における、低級炭化水素の芳香族化反応は、回分式あるいは流通式の反応形式で実施することが可能である。特に、固定床、移動床又は流動化床等の流通式の反応形式で実施することが好ましい。
そして、反応温度は３００℃〜９００℃、好ましくは４５０℃〜８００℃とし、反応圧力は０．０１ＭＰａ〜１ＭＰａ、好ましくは０．１ＭＰａ〜０．７ＭＰａで、低級炭化水素原料を触媒と接触させ触媒反応を行う。
本発明の実施例について、より詳細に説明する。なお、平均結晶径は、電子顕微鏡写真から任意に選択した粒子の平均値を算出することにより求め、ベンゼン収率（％）は、以下の（１）式に示すように定義するものとする。
ベンゼン収率（％）＝｛（生成したベンゼン量）／（メタン改質反応に供されたメタン量）｝×１００ …（１）
（比較例１）
メタロシリケート担体として、市販の平均結晶径１μｍのＨ型ＺＳＭ−５ゼオライト（ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3＝２８）４００ｇに、４４．２ｇのモリブデン酸アンモニウムをイオン交換水１５００ｍｌに溶解した水溶液にて３時間室温で攪拌を行い、含浸担持した。触媒を乾燥させた後、５５０℃で８時間焼成することにより触媒を得た。
ベンゼン収率（％）＝｛（生成したベンゼン量）／（メタン改質反応に供されたメタン量）｝×１００ …（１）
（比較例１）
メタロシリケート担体として、市販の平均結晶径１μｍのＨ型ＺＳＭ−５ゼオライト（ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3＝２８）４００ｇに、４４．２ｇのモリブデン酸アンモニウムをイオン交換水１５００ｍｌに溶解した水溶液にて３時間室温で攪拌を行い、含浸担持した。触媒を乾燥させた後、５５０℃で８時間焼成することにより触媒を得た。
（実施例１）
メタロシリケート担体として、平均結晶径の異なるゼオライトを用いた以外は、比較例１と同様に調製を行った。すなわち、メタロシリケート担体として、市販の平均結晶径７０−８０ｎｍのＨ型ＺＳＭ−５ゼオライト（ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3＝２８）４００ｇに、４４．２ｇのモリブデン酸アンモニウムをイオン交換水１５００ｍｌに溶解した水溶液にて３時間室温で攪拌を行い、含浸担持した。触媒を乾燥させた後、５５０℃で８時間焼成することにより触媒を得た。
メタロシリケート担体として、平均結晶径の異なるゼオライトを用いた以外は、比較例１と同様に調製を行った。すなわち、メタロシリケート担体として、市販の平均結晶径７０−８０ｎｍのＨ型ＺＳＭ−５ゼオライト（ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3＝２８）４００ｇに、４４．２ｇのモリブデン酸アンモニウムをイオン交換水１５００ｍｌに溶解した水溶液にて３時間室温で攪拌を行い、含浸担持した。触媒を乾燥させた後、５５０℃で８時間焼成することにより触媒を得た。
（実施例２）
メタロシリケート担体として、平均結晶径の異なるゼオライトを用いた以外は、比較例１と同様に調製を行った。すなわち、メタロシリケート担体として、市販の平均結晶径５００ｎｍのＨ型ＺＳＭ−５ゼオライト（ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3＝２８）４００ｇに、４４．２ｇのモリブデン酸アンモニウムをイオン交換水１５００ｍｌに溶解した水溶液にて３時間室温で攪拌を行い、含浸担持した。触媒を乾燥させた後、５５０℃で８時間焼成することにより触媒を得た。
メタロシリケート担体として、平均結晶径の異なるゼオライトを用いた以外は、比較例１と同様に調製を行った。すなわち、メタロシリケート担体として、市販の平均結晶径５００ｎｍのＨ型ＺＳＭ−５ゼオライト（ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3＝２８）４００ｇに、４４．２ｇのモリブデン酸アンモニウムをイオン交換水１５００ｍｌに溶解した水溶液にて３時間室温で攪拌を行い、含浸担持した。触媒を乾燥させた後、５５０℃で８時間焼成することにより触媒を得た。
そして、実施例１、２及び比較例１の条件で調製した触媒を用いて低級炭化水素から芳香族化合物を製造し、触媒性能を評価した。なお、性能の指標は、流通させた低級炭化水素に対するベンゼンの割合で評価した。
反応試験条件は、いずれもメタン反応温度７８０℃、圧力０．３ＭＰａ、重量時間空間速度（ＷＨＳＶ）３０００ｍｌ／ｇ／ｈで行った。低級炭化水素原料として用いる反応ガスの組成は、メタン９０％、アルゴン１０％である。なお、反応試験にあたり、触媒の前処理として、触媒を空気気流下で５５０℃まで昇温し、２時間維持した後、メタン２０％：水素８０％の前処理ガスに切り替えて７００℃まで昇温し、３時間維持した。その後、反応ガスに切り替えて７８０℃まで昇温し、活性評価を行い触媒の性能を確認した。
水素、アルゴン、メタンは、ＴＣＤ−ＧＣで分析し、ベンゼン、トルエン、キシレン、ナフタレンなどの芳香族化合物は、ＦＩＤ−ＧＣで分析した。
分析結果を表１、図１に示す。表１は、反応開始後３時間経過したときのそれぞれの触媒におけるベンゼン収率（％）を示している。また、図１は、それぞれの触媒におけるベンゼン収率（％）の経時変化を示している。
表１より明らかなように、比較例１のベンゼン収率は２．５％であるのに対し、実施例１のベンゼン収率は６．７％、実施例２のベンゼン収率は４．６％と結晶径が小さいほどベンゼン収率が向上している。また、図１に示すように、ベンゼン収率の経時変化においても、結晶径が小さいほど、高いベンゼン収率が維持されることがわかる。
以上のように、本発明に係る低級炭化水素芳香族化触媒によれば、結晶径をナノサイズにすることにより、細孔入り口密度が大きくなり直鎖状炭化水素の細孔内部への拡散浸透の機会がより多く与えられるため、環化反応が速やかに進行し、副反応であるコーキングによる細孔入り口数減少を抑えることができる。
すなわち、本発明が適用される反応は逐次的反応であり、反応１段階目で生成する物質が触媒の活性低下の原因物質となるおそれがある。そこで、本発明では、第２段階目への反応の機会を多くすることにより、コーキングを抑え、触媒活性寿命安定性を向上している。
その結果、低級炭化水素芳香族化触媒による低級炭素芳香族化反応において、芳香族化炭化水素の収率及び活性寿命安定性が向上した。
Claims (2)
- メタンを接触させて、芳香族化合物を生成する触媒であって、
前記触媒は、５００ｎｍ以下の平均結晶径を有するＺＳＭ−５ゼオライトに、モリブデンを担持した触媒である
ことを特徴とする低級炭化水素芳香族化触媒。 - ５００ｎｍ以下の平均結晶径を有するＺＳＭ−５ゼオライトに、モリブデンを担持した触媒にメタンを接触させて芳香族化合物を生成すること
を特徴とする芳香族化合物の製造方法。
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