JP5800808B2 - 電気化学的な水素の分離と電気化学的な水素の水への反応とを含む炭化水素をアミノ炭化水素に直接アミノ化するプロセス - Google Patents
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Description
本発明によれば、供給流Eは少なくとも一種の炭化水素を含む。本発明の方法で使用可能な好適な炭化水素は、例えば、どのように置換基を有してもよく、またその鎖内またはその環内にヘテロ原子、二重結合または三重結合を有していてもよい、芳香族炭化水素や脂肪族炭化水素、脂環式炭化水素類などの炭化水素である。本発明のアミノ化方法では、芳香族炭化水素と複素芳香族炭化水素を使用することが好ましい。
Aは、独立してアリールまたはヘテロアリールであり、好ましくはフェニルとビフェニル、ベンジル、ジベンジル、ナフチル、アントラセン、ピリジル、キノリンから選ばれ;
nは、特にAが六員環のアリールまたはヘテロアリール環の時、0〜5、好ましくは0〜4であり;Aが五員環のアリールまたはヘテロアリール環の時、nは好ましくは0〜4であり;
環の大きさと関係なく、nは特に好ましくは0〜3、極めて好ましくは0〜2、特に0〜1であり;Aの他の炭素原子またはヘテロ原子でいずれの置換基Bをもたないものは、水素原子をもつ、即ち置換基をもたない;
基Bは、独立して、アルキル、アルケニル、アルキニル、置換アルキル、置換アルケニル、置換アルキニル、ヘテロアルキル、置換ヘテロアルキル、ヘテロアルケニル、置換ヘテロアルケニル、ヘテロアルキニル、置換ヘテロアルキニル、シクロアルキル、シクロアルケニル、置換シクロアルキル、置換シクロアルケニル、ハロゲン、ヒドロキシ、アルコキシ、アリールオキシ、カルボニル、アミノ、アミド、チオ、ホスフィノからなる群から選択される。基Bは、独立して、C1-6−アルキルとC1-6−アルケニル、C1-6−アルキニル、C3-8−シクロアルキル、C3-8−シクロアルケニル、アルコキシ、アリールオキシ、アミノ、アミドから選ばれることが好ましい。
本発明によれば、供給流Eは少なくとも一種のアミノ化剤を含む。好適なアミノ化剤は、それにより直接アミノ化に用いる炭化水素に少なくとも一個のアミノ基を導入するものである。好ましいアミノ化剤の例としては、アンモニアや第一級及び二級アミン、反応条件下でアンモニアを脱離させる化合物があげられる。2種以上の上述のアミノ化剤の混合物を用いることもできる。
本発明の方法において、少なくとも一種の炭化水素と少なくとも一種のアミノ化剤を含む供給流Eが反応して、少なくとも一種のアミノ炭化水素と水素とを含む反応混合物Rが生じる。用いる炭化水素の相当し、用いる炭化水素に少なくとも一個多いアミノ基が結合した少なくとも一種のアミノ炭化水素が得られる。従って、本発明の目的では、アミノ炭化水素は、本方法で用いる炭化水素とアミノ化剤の反応生成物である。この反応では、少なくとも一個のアミノ基がアミノ化剤から炭化水素に転移する。ある好ましい実施様態においては、1〜6個のアミノ基が、ある特に好ましい実施様態においては1〜3個のアミノ基、極めて好ましくは1または2個のアミノ基、特に1個のアミノ基が炭化水素に転移する。転移するアミノ基の数は、用いるアミノ化剤と炭化水素のモル比と反応温度により制御できる。
この直接アミノ化は、少なくとも一種の触媒の存在下で行われる。
直接アミノ化は、酸化的条件でも非酸化的条件下でも実施できる。この直接アミノ化は、触媒条件下でも非触媒条件下でも実施できる。
本発明の方法では、反応混合物R中に含まれる少なくとも一部の水素が電気化学的に分離され、酸素と反応して水となり、また電流を発生させる。本発明の目的では、反応混合物Rは、少なくとも一種の炭化水素と少なくとも一種のアミノ化剤との化学反応できた混合物である。したがって、この反応混合物は、通常相当する一種以上のアミノ炭化水素と水素とを反応生成物として含む。この反応混合物Rはさらに未反応の出発材料を含むこともある。水素は、気密膜−電極アセンブリにより分離され、分離された水素はプロトンの形で膜を通過輸送される。これらの電極とその間に設けられた膜は、膜−電極アセンブリ(MEA)とよばれる。反応混合物Rはこの膜の片面に沿って流される。こちら側を以下、未透過物側とよぶ。膜の反対側(以下、透過物側とよぶ)に沿って、酸素含有流Oが流れる。本発明によれば、このMEAが少なくとも一層の選択的プロトン伝導性膜をもつ。この膜は、各側に少なくとも一層の電極触媒をもち、本明細書の目的では、未透過物側の電極触媒をアノード触媒とよび、透過物側の電極触媒をカソード触媒とよぶ。未透過物側のアノード触媒上で、水素が酸化されてプロトンとなり、これらのプロトンが膜を通過し、透過物側のカソード触媒上で酸素と反応して水を生じる。この駆動力は酸素の還元である。この全体反応で、エネルギーが熱の形で放出され、また負荷と結合して電流という形で放出される。
本発明の方法では、直接アミノ化反応に適した少なくとも一個の気密なMEAをもつあらゆる種類の反応器を用いることができる。
電極触媒の機能は、例えば、Journal of Power Sources 177 (2008)、478−484、K.A. Perry、G.A. Eisman、B.C. Benicewiczの「高温ポリベンズイミダゾール(PBI)膜を用いる電気化学的水素ポンピング」に記載されている。
この膜は、混合ガス分離用の先行技術から既知の通常の膜配置をもつ板またはチューブ状のものであることが好ましく、例えばチューブバンドル膜またはプラグイン平膜が使用できる。
少なくとも一個のMEAで反応混合物Rから水素が除かれると、生成物流Pが得られる。これは、少なくとも一種のアミノ炭化水素と、場合によっては未反応の炭化水素やアミノ化剤などの出発原料、また場合によっては分離されなかった水素を含む。ある好ましい実施様態においては、この生成物流Pが、500ppm未満の水素を含み、好ましくは200ppm未満、特に好ましくは100ppm未満の水素を含む。
Pt−GDE/ELATをアノード触媒として用い、反応ゾーンから直セルH2を除きながら300〜350℃で行うベンゼンの直接アミノ化
ベンゼンとアンモニア(供給流E)を、温度が300〜350℃の電気化学セルに供給する。このセルは十分な活性面積をもつ気密なMEAを含んでいる。MEAのプロトン伝導性膜としてポリリン酸アンモニウムを用いる。このMEA電極として、BASFフューエルセル社のELATガス拡散電極(1mg/cm2の白金)をアノードとカソードの両方に用いる。また、細かく分散したNiCu合金(約3〜5mg/cm2)を含む炭素織布からなるアミノ化触媒を電気化学セルの未透過物側に入れる。この触媒層を、ELATガス拡散電極に直接貼り付ける。
2.ELATガス拡散電極、
3.プロトン伝導性膜(ポリリン酸アンモニウム)、
4.ELATガス拡散電極
Pd箔をアノード触媒として用いて、反応ゾーンから直接H2を除きながら300〜350℃で行うベンゼンの直接アミノ化
ベンゼンとアンモニア(供給流E)を、温度が300〜350℃の電気化学セルに供給する。このセルは十分な活性面積をもつ気密なMEAを含んでいる。MEAのプロトン伝導性膜としてポリリン酸アンモニウムを用いる。パラジウム箔(製造業者:グッドフェロー、厚み:10μm)をアノード電極として用い、Pt負荷量が1mg/cm2のELATガス拡散電極(製造業者:BASFフューエルセルGmbH)をカソードとして用いる。Pd箔の利点は、これが気密であり、セラミック膜をアンモニアから保護することである。また、細かく分散したNiCu合金を含む炭素織布(約3〜5mg/cm2)からなるアミノ化触媒を電気化学セルの未透過物に入れる。
この触媒層を直接Pd箔に貼り付ける。
1.細かく分散したNiCu合金を含む炭素織布(約3−5mg/cm2)からなるアミノ化触媒、
2.パラジウム箔(製造業者:グッドフェロー、厚み:10μm)、
3.プロトン伝導性膜(ポリリン酸アンモニウム)、
4.Pt負荷量が1mg/cm2のELATガス拡散電極。
80l/hの窒素と0.5l/hの水素(水素濃度:6200ppm)を、活性面積が45cm2である気密MEAを含む電気化学セルに供給する。BASFフューエルセル社のセルテックP(R)(ポリイミダゾール/リン酸)をこのMEAの膜として使用する。このMEAの電極として、BASFフューエルセル社のガス拡散電極ELTA(1mg/cm2の白金)をアノードとカソードの両方に用いる。この電気化学セルを190℃で、圧力が1barで運転した。+250mVの電位(UA)をこのMEAにかけた。電気化学セルの排出流中には40ppmの水素と窒素(残り)が存在していた。これは、99.4%の水素除去率に相当する。
表1で、実施例3中での水素除去の効率を先行技術による比較例と比較した。
Claims (21)
- 反応ゾーンRZ中で、少なくとも一種の炭化水素と少なくとも一種のアミノ化剤を含む供給流Eを反応させてアミノ炭化水素と水素を含む反応混合物Rを形成し、
少なくとも一層の選択的プロトン伝導性膜と該膜の各面に少なくとも一個の電極触媒をもつ気密膜−電極アセンブリにより、反応でできた水素の少なくとも一部を反応混合物Rから電気化学的に分離することにより炭化水素をアミノ炭化水素に直接アミノ化するプロセスであって、
膜の未透過物側のアノード触媒上で少なくとも一部の水素が酸化されてプロトンとなり、このプロトンが膜を通過し、カソード触媒上で膜の透過物側に接触されられる酸素含有流Oに由来する酸素と透過物側で反応して水を生じ、及び
前記電気化学的に分離することは、前記酸素の還元を駆動力として行われることを特徴とするプロセス。 - 水素が、反応ゾーンRZから、及び反応混合物Rから、直接的に分離される請求項1に記載のプロセス。
- 反応混合物Rに含まれる水素のうち少なくとも30%が反応混合物Rから分離される請求項1または2に記載のプロセス。
- 反応混合物Rに含まれる水素のうち少なくとも50%が反応混合物Rから分離される請求項1〜3の何れか1項に記載のプロセス。
- 反応混合物Rに含まれる水素のうち少なくとも70%が反応混合物Rから分離される請求項1〜4の何れか1項に記載のプロセス。
- 反応混合物Rに含まれる水素のうち少なくとも95%が反応混合物Rから分離される請求項1〜5の何れか1項に記載のプロセス。
- 反応混合物Rに含まれる水素のうち少なくとも98%が反応混合物Rから分離される請求項1〜6の何れか1項に記載のプロセス。
- 上記水素除去が20〜800℃の温度で行われる請求項1〜7のいずれか一項に記載のプロセス。
- 上記水素除去が50〜700℃の温度で行われる請求項1〜8のいずれか一項に記載のプロセス。
- 上記水素除去が70〜350℃の温度で行われる請求項1〜9のいずれか一項に記載のプロセス。
- 上記酸素含有流が少なくとも15モル%の酸素を含む請求項1〜10のいずれか一項に記載のプロセス。
- 上記膜−電極アセンブリの電極がガス拡散電極である請求項1〜11のいずれか一項に記載のプロセス。
- 上記膜−電極アセンブリの電極が金属箔である請求項1〜12のいずれか一項に記載のプロセス。
- セラミック膜とポリマー膜からなる群から選ばれる膜が、選択的プロトン伝導性膜として用いられる請求項1〜13のいずれか一項に記載のプロセス。
- 未透過物側のアノード触媒が同時に、炭化水素のアミノ炭化水素への直接アミノ化における炭化水素の反応のアミノ化触媒である請求項1〜14のいずれか一項に記載のプロセス。
- 少なくとも一部の水素の除去により生成物流Pが得られ、これからアミノ炭化水素とアミノ化剤を分離して処理流S1が得られ、これが上記直接アミノ化で再使用される請求項1〜15のいずれか一項に記載のプロセス。
- 少なくとも一部の水素の除去により生成物流Pが得られ、これからアミノ炭化水素を分離して処理流S2が得られ、これが上記直接アミノ化で再使用される請求項1〜16のいずれか一項に記載のプロセス。
- 少なくとも一部の水素の除去により生成物流Pが得られ、これが上記直接アミノ化で再使用される請求項1〜16のいずれか一項に記載のプロセス。
- トルエンが炭化水素として用いられ、アンモニアがアミノ化剤として用いられ、トルエンジアミンがアミノ炭化水素として形成される請求項1〜18のいずれか一項に記載のプロセス。
- ベンゼンが炭化水素として用いられ、アンモニアがアミノ化剤として用いられ、アニリンがアミノ炭化水素として形成される請求項1〜18のいずれか一項に記載のプロセス。
- メタンが炭化水素として用いられ、アンモニアがアミノ化剤として用いられ、メチルアミンとジメチルアミンとトリメチルアミンから選ばれる少なくとも一種のアミンがアミノ炭化水素として形成される請求項1〜18のいずれか一項に記載のプロセス。
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