JP5877904B2 - 触媒および触媒担体 - Google Patents
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Description
本出願は、2011年10月14日に提出の米国特許仮出願第61/547,089号の優先権の利益を主張するものである。
A=[(M−D)/D]×100
(ここで、吸水率は、担体重量の%として表現される)。また、吸水率は、担体の重量に対する、担体の空孔が吸収可能な水の重量として表現されてもよく、したがって、担体のグラム当たり水のグラムとして表され、この単位は「g/g」と略記してもよい。また、測定条件における水の濃度の補正を行う場合は、吸水率を、cc/gとして表現してもよい。担体の吸水率値は、触媒担体の分野では担体のオープンセル多孔率を意味すると通常理解される用語「多孔率」と正に相関し、したがって該用語と互換可能に用いられる。一般に、吸水率と破砕強度との間には、逆相関関係がある。
触媒ペレットは、多数の異なる形状を有してもよく、その中でも最も共通の形状は、ペレットの中央に穴部を有する小さいシリンダーペレット形状である。他の取り得る形状は、国際公開WO2004/014549号、米国特許第2,408,164号およびEP1,184,077A1号に開示される。好ましくは、触媒粒子は、一般に、長さが4〜20mm、外径が4〜20mm、内径が0.1〜6mm、外径に対する長さの割合が0.5〜2の範囲にある中空のシリンダー幾何学的構成を有する。
銀触媒の調製は、当該技術分野で知られており、この知られている方法を、触媒の調製に適用でき、また、本発明の実施に用いられてもよい。担体上に銀を堆積する方法は、担体または担体本体にカチオン銀および/または銀錯体を含む銀化合物を含浸させることと、還元を実行して金属の銀粒子を形成することとを含む。この方法のさらなる説明については、参考文献として、米国特許第5,380,697号、米国特許第5,739,075号、米国特許第4,766,105号および米国特許第6,368,998号を挙げることができ、これらは、参照事項として、本願に包含される。好適には、たとえば銀ゾル等の銀分散物を、担体上に銀を堆積するために用いてもよい。
本発明のエポキシ化プロセスは、多くの方法で行われ得るが、気相プロセス、すなわちフィードが気相中で触媒と接触し、この触媒が固形物として、典型的には充填床に存在するプロセスとして行われることが好ましい。一般には、このプロセスは、連続的なプロセスとして行われる。
エポキシ化プロセスで生成される酸化オレフィンは、1,2−ジオール、1,2−ジオールエーテル、1,2−カーボネートまたはアルカノールアミンに変換され得る。本発明は、酸化オレフィンの生成のためのより魅力的なプロセスをもたらすので、これによって同時に、本発明による酸化オレフィンの生成、ならびに1,2−ジオール、1,2−ジオールエーテル、1,2−カーボネート、および/またはアルカノールアミンの製造における、得られた酸化オレフィンの引き続く使用を包含する、より魅力的なプロセスがもたらされる。
担体サンプルの調製
エポキシ化反応における使用のための担体を製造するためのプロセスは、参照によって本明細書に援用される、米国特許第5,100,859号および米国特許第6,831,037号を含めて多数の刊行物に記載される。例えば、米国特許第5,100,859号の第2欄、第6行で始まり、第6欄第43行まで続く開示を参照のこと。
担体Aは、担体Lに関連する米国特許第5,100,859号における教示によって調製した。アルミナ粉末をジルコニア、ケイ酸マグネシウム、クルミ殻粉、ホウ酸および押出助剤と組み合わせて、混合物を創出し、次いでこれを押し出して、中空の円筒を形成して、これを乾燥して燃焼させた。担体または支持体と呼ばれ得る、燃焼円筒の物理的および化学的な特徴を、標準的な分析技術を用いて決定した。そのデータを下記表Iに示す。担体Aの吸水率は、0.489g/gであって、表面積に対する吸水率の比は、0.64g/m2であり、摩滅は16.8%であった。
担体Bは、除外された燃焼の使用を除けば、表5に示される担体Lを製造するためのプロセスに関連するとおり、米国特許第5,100,859号の開示に従って作製した。粉末にした殻のような粗い細孔形成材料の配合は、回避するか、またはアルミナの重量に対して0.01重量%未満に制限されてもよい。好ましくは、細孔形成材料の使用が回避される。担体調製で用いられるαアルミナは、98.5重量%を超える純度を有し、特定の不純物のレベルは、担体が所望の化学的組成を有することを保証するように制御された。少量のナトリウムを有するアルミナ粉末を用いることで、担体中のナトリウム化合物の量が0.04重量%以下である担体がもたらされた。アルミナ粉末を、ケイ酸マグネシウムと混合し、これが、恒久的な結合として機能し、担体中のシリカの総量が、アルミナの重量に対して少なくとも0.06重量%まで上昇することに寄与した。米国特許第5,100,859号の担体Lとは異なり、担体Bは、粗い細孔形成材料といってもよい、クルミ殻粉を含まなかった。担体Bの処方の中に細孔形成材料がないことは、担体Bが、担体A(細孔形成材料を含み、二峰性細孔径分布を有した)に比較してなぜ単峰性の細孔径分布を有するかという理由であると考えられる。担体Bの物理的および化学的な特徴を、下の表1に示す。担体Bの吸水率は、0.271g/gであり、表面積に対する吸水率の比は、0.36g/m2であり、摩滅は6.9%であった。Na2O含量は、0.02重量%であり、シリカ含量は0.24重量%であった。
担体Cは、米国オハイオ州ストウのSaint−Gobain NorProが提供する市販の担体であった。この担体の商品名はSA5202である。SA5502担体の物理的および化学的な特徴は、米国特許第5,187,140号の第43欄に開示される。数字の表示5202は、この担体の形状が球状であることを示しているが、5502とは、この担体の形状が中空の円筒であることを示す。「02」という番号は、担体を作製するために用いられる式の指標であり、それによって、5202の球、および5502の円筒が同じ式を用いて作製されたことが示される。表1に記録される担体Cの物理的および化学的な特徴によって、0.247g/gという吸水率、0.29g/m2という表面積に対する吸水率の比、担体の重量あたり0.10パーセントというナトリウム化合物含量および担体の重量あたり0.03%というシリカ含量が明らかになる。
ストック銀溶液の調製:
標準の銀溶液は、全ての触媒調製物で用いた。希釈の前の主な構成要素の代表的な溶液組成の範囲は、25〜35重量%のAg+、15〜20重量%のエチレンジアミン、10〜14重量%のC2O4 −2および40〜50重量%のH2Oである。以下の触媒調製の実施例の各々において、ドーパントおよび希釈液をこのストック溶液に添加して、最終の含浸溶液を得た。ストック溶液に添加された希釈液の量は、ストック溶液比重、担体の吸水率、および最終触媒の目標の銀負荷に基づくものであった。
上記の3つの担体A、BおよびCを、実施例1〜7の触媒を調製するのに用いた。
触媒1を、以下の手順で調製した:比重1.549g/mlのストック銀溶液192.2グラムに、0.1793gの過レニウム酸アンモニウムが含有される2gの1:1のエチレンジアミン/水;0.0500gのメタタングステン酸アンモニウムが溶解されている2gの1:1アンモニア/水;0.0855gの硫酸アンモニウムが溶解されている2gの水;0.2664gの水酸化リチウム一水和物が溶解されている水、および0.0676gの硝酸カリウムが溶解されている2gの水を添加した。追加の水を添加して、溶液の比重を1.501g/mlに調整した。50gの得られた溶液を、0.1045gの50重量%の水酸化セシウム溶液と混合して、最終の含浸液を生成した。30グラムの担体A中空円筒を含む容器を、1分間20mmHgまで排気して、最終の含浸溶液を、減圧下のままで担体ペレットに添加し、次いで真空を解放して、担体を液体と3分間接触させた。次いで含浸させた担体を500rpmで2分間遠心分離して、過剰の液体を除去した。湿った担体ペレットを振動シェーカーに入れて、250℃で5.5分間16.2Nl/hの速度で空気の流れの中で乾燥して、触媒1を生成するした。
触媒2を、2つの含浸工程で調製した。銀溶液にドーパントを添加しないこと以外は、触媒1の手順に従って、約120グラムの担体Bに、最初に、1.478g/ccの比重を有する204グラムの銀溶液を含浸した。得られた乾燥触媒前駆体は、約9.8重量%の銀を含んでいた。次に、乾燥した触媒2の前駆体に、比重1.55g/ccの銀のストック溶液191.0グラムと、2gの1:1のEDA/H2Oに0.3375gのNH4ReO4が含有される溶液と、2gの1:1のアンモニア/水に溶解される0.0941gのメタタングステン酸アンモニウムと、0.1610gのLi2SO4・H2O、0.1272gのKNO3、および0.5015gのLiOH・H2Oが溶解されている水とを混合することによって作製した第二の溶液を含浸した。追加の水を添加して、溶液の比重を1.478g/ccに調節した。このようなドープ溶液50グラムを0.2109gの44.8重量%のCsOH溶液と混合した。この最終の含浸溶液を用いて触媒2を調製した。30グラムの触媒2前駆体を含むフラスコを1分間20mmHgまで排気して、最終の含浸溶液を、減圧下のままで添加し、次いで真空を解放して、この前駆体を液体と3分間接触させた。次いで含浸させた前駆体を500rpmで2分間遠心分離して、過剰の液体を除去した。湿った触媒2のペレットを振動シェーカーに入れて、250℃で5.5分間460SCFHの速度で空気の流れの中で乾燥した。触媒2の最終組成は、17.5%のAg、触媒1gあたり600ppmのCs、触媒1gあたり2.0マイクロモルのRe、触媒1gあたり0.60マイクロモルのW、触媒1gあたり2.0のS、触媒1gあたり2.0マイクロモルのK、および触媒1gあたり21マイクロモルのLiであった。
触媒3を3つの含浸工程で調製した。銀溶液にドーパントを添加しなかったこと以外は、触媒1の手順に従って、約120グラムの担体Bに、最初に、1.549g/ccの比重を有する204グラムの銀溶液を含浸した。含浸/遠心分離/乾燥の手順を全部で2回行って、約19.5重量%の銀を含有する乾燥した触媒前駆体を得た。次いで、乾燥した触媒3の前駆体に、比重1.549g/ccの銀のストック溶液191.9グラムと、2gの1:1のEDA/H2Oに0.3962gのNH4ReO4が含有される溶液と、2gの1:1のアンモニア/水に溶解される0.1105gのメタタングステン酸アンモニウムと、0.1890gのLi2SO4・H2O、0.1493gのKNO3、および0.5888gのLiOH・H2Oが溶解されている水とを混合することによって作製した最終溶液を含浸した。追加の水を添加して、溶液の比重を1.500g/ccに調節した。このようなドープ溶液50グラムに、0.2160gの47.02重量%のCsOH溶液を添加した。この最終の含浸溶液を用いて触媒3を調製した。30グラムの触媒3の前駆体を含むフラスコを1分間20mmHgまで排気して、最終の含浸溶液を、減圧下のままで添加し、次いで真空を解放して、この前駆体を液体と3分間接触させた。次いで含浸させた前駆体を500rpmで2分間遠心分離して、過剰の液体を除去した。触媒3のペレットを振動シェーカーに入れて、250℃で5.5分間460SCFHの速度で空気の流れの中で乾燥した。触媒3の最終組成は、25.7%のAg、触媒1gあたり550ppmのCs、触媒1gあたり2.0マイクロモルのRe、触媒1gあたり0.60マイクロモルのW、触媒1gあたり2.0のS、触媒1gあたり2.0マイクロモルのK、および触媒1gあたり21マイクロモルのLiであった。
触媒4を2つの含浸工程で調製した。銀溶液にドーパントを添加しなかったこと以外は、触媒1の手順に従って、約250グラムの担体Cに最初に、1.478g/ccの比重を有する370グラムの銀溶液を含浸した。得られた乾燥した触媒前駆体は、約9.0重量%の銀を含んでいた。次に、乾燥した触媒4の前駆体に、比重1.554g/ccの銀のストック溶液370.5グラムと、2gの1:1のEDA/H2Oに0.5112gのNH4ReO4が含有される溶液と、2gの1:1のアンモニア/水に溶解される0.1420gのメタタングステン酸アンモニウムと、0.2095gのLi2SO4・H2O、0.1927gのKNO3、および0.7561gのLiOH・H2Oが溶解されている水とを混合することによって作製した第二溶液を含浸した。追加の水を添加して、溶液の比重を1.478g/ccに調節した。このようなドープ溶液50グラムを、0.2438gの47.0重量%のCsOH溶液と混合した。この最終の含浸溶液を用いて触媒4を調製した。30グラムの触媒4の前駆体を含むフラスコを1分間20mmHgまで排気して、最終の含浸溶液を、減圧下のままで添加し、次いで真空を解放して、この前駆体を液体と3分間接触させた。次いで含浸させた前駆体を500rpmで2分間遠心分離して、過剰の液体を除去した。湿った触媒4のペレットを振動シェーカーに入れて、250℃で5.5分間460SCFHの速度で空気の流れの中で乾燥した。触媒4の最終組成は、16.2%のAg、触媒1gあたり675ppmのCs、触媒1gあたり2.75マイクロモルのRe、触媒1gあたり0.822マイクロモルのW、触媒1gあたり2.75のS、触媒1gあたり2.75マイクロモルのK、および触媒1gあたり29マイクロモルのLiであった。
0.2167gの47.0重量%のCsOH溶液を用いたこと以外は、実施例4の手順によって調製した溶液を用いて触媒5を調製し、600ppmwという最終セシウム含量を得た。
0.1626gの47.0重量%のCsOH溶液を用いたこと以外は、実施例4の手順によって調製した溶液を用いて触媒6を調製し、450ppmwという最終セシウム含量を得た。
16.2%のAg、触媒1gあたり600ppmのCs、触媒1gあたり2.0マイクロモルのRe、触媒1gあたり0.60マイクロモルのW、触媒1gあたり2.0のS、触媒1gあたり2.0マイクロモルのK、および触媒1gあたり21マイクロモルのLiという最終の触媒7の組成が得られるようにドーパントの量を調整したこと以外は、実施例4の手順によって調製した溶液を用いて触媒7を調製した。
上記の触媒を用いて、エチレンおよび酸素からエチレンオキシドを生成した。そのために、3〜7gの破砕した触媒サンプルを、別々のステンレス鋼のU字形の管の中にロードした。各々の管を溶融金属浴(熱媒体)に浸漬し、末端をガス流量システムに接続した。用いた触媒の重量および入り口のガス流量を、破砕していない触媒について算出した場合、3300Nl/(l.h)というガス空間速度が得られるように調整した。入り口のガス圧力は、1550kPa(絶対値)であった。
Claims (36)
- 少なくとも85重量%のαアルミナ、少なくとも0.06重量%のSiO2および0.04重量%以下のNa2Oを含む担体であって、前記担体は、担体1グラムあたり水0.35g以下という吸水率および担体1m2あたり水0.50g以下という表面積(担体1グラムあたりの担体のm2)に対する吸水率(担体1グラムあたりの水のグラム)の比を有する、オレフィン類のエポキシ化のための触媒担体。
- 前記SiO2が、0.40重量%を超えない、請求項1に記載の担体。
- 前記SiO2が、0.30重量%を超えない、請求項1に記載の担体。
- 前記Na2Oが、0.03重量%を超えない、請求項1に記載の担体。
- 前記担体が、少なくとも0.15重量%のSiO2を含む、請求項1に記載の担体。
- 前記比が、0.45g/m2を超えない、請求項1に記載の担体。
- 前記比が、0.40g/m2を超えない、請求項1に記載の担体。
- 前記吸水率が、0.30g/gを超えない、請求項1に記載の担体。
- 前記表面積が、0.70m2/gを超える、請求項8に記載の担体。
- 前記表面積が、0.75m2/gを超える、請求項1に記載の担体。
- 前記担体がさらに、全細孔容積を含み、前記全細孔容積の少なくとも60%が、3.8ミクロン以下の範囲内の直径を有する細孔によって占められる、請求項1に記載の担体。
- 前記全細孔容積の少なくとも80%が、3.8ミクロン以下の範囲内の直径を有する細孔によって占められる、請求項11に記載の担体。
- 前記全細孔容積の少なくとも90%が、3.8ミクロン以下の範囲内の直径を有する細孔によって占められる、請求項11又は12に記載の担体。
- 前記担体が、全細孔容積を有し、前記全細孔容積の20%以下が、10ミクロンを超える細孔によって占められる、請求項1に記載の担体。
- 前記全細孔容積の15%以下が、10ミクロンを超える細孔によって占められる、請求項14に記載の担体。
- 前記全細孔容積の10%以下が、10ミクロンを超える細孔によって占められる、請求項14又は15に記載の担体。
- 前記担体が、化学結合材料を含む、請求項1に記載の担体。
- 前記担体が、非血小板形状を含む、請求項1に記載の担体。
- オレフィン類のエポキシ化のための触媒であって、請求項1に記載の担体、および銀をその上に含んでいる、触媒。
- 前記担体が、単峰性、二峰性または多峰性細孔の分布を有する、請求項19に記載の触媒。
- 前記銀の量が、前記触媒の重量に対して、5重量%と50重量%との間である、請求項19に記載の触媒。
- 触媒の充填床の容積に対する前記銀の量が50kg/m3と500kg/m3との間である、請求項19に記載の触媒。
- 請求項21に記載の触媒であって、前記触媒がさらに、レニウムプロモータ、第一のコプロモータおよび第二のコプロモータを含み、ここで前記第一のコプロモータが、硫黄、リン、ホウ素およびそれらの混合物から選択され;かつ前記第二のコプロモータが、タングステン、モリブデン、クロム、およびそれらの混合物から選択される、触媒。
- 請求項23に記載の触媒であって、前記レニウムプロモータが、前記触媒の重量に対して、0.1〜50mmole/kgの範囲の量で存在する、触媒。
- 請求項24に記載の触媒であって、前記第一のコプロモータが硫黄であり、かつ前記第二のコプロモータがタングステンであり、ここで前記第一のコプロモータが、前記触媒の重量に対して0.2〜50mmole/kgの範囲の量で存在し、前記第二のコプロモータが、前記触媒の重量に対して0.1〜40mmole/kgの範囲の量で存在する、触媒。
- 請求項25に記載の触媒であって、前記第二のコプロモータに対する前記第一のコ−プロモータのモル比が1を超える、触媒。
- 請求項26に記載の触媒であって、前記触媒がさらに、窒素、フッ素、アルカリ金属類、アルカリ土類金属類、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、バナジウム、タリウム、トリウム、タンタル、ニオブ、ガリウム、ゲルマニウム、およびそれらの混合物からなる群より選択されるさらなる元素を含む、触媒。
- 前記触媒がさらに、セシウム、リチウムおよびカリウムを含む、請求項27に記載の触媒。
- 請求項28に記載の触媒であって、前記セシウムが、前記触媒の重量に対して、0.2〜50mmole/kgの範囲の量で存在し;前記リチウムが、前記触媒の重量に対して、0.2〜50mmole/kgの範囲の量で存在し;かつ前記カリウムが、前記触媒の重量に対して、0.2〜50mmole/kgの範囲の量で存在する、触媒。
- エチレンの前記エポキシ化のためのリアクタシステムであって、リアクタシステムが、20mmと50mmとの間の内管径を有する少なくとも1つの細長い管を備え、ここで含まれているのは、前記触媒の重量に対して5重量%と50重量%との間の量の銀を含んでいる触媒粒子の触媒床であり、前記触媒が請求項20の触媒を含んでいる、リアクタシステム。
- 請求項30に記載のリアクタシステムであって、前記細長い管の長さが、3〜25mの範囲であり、前記細長い管の壁厚が、0.5〜10mmの範囲である、リアクタシステム。
- 請求項31に記載のリアクタシステムであって、前記触媒粒子が、4〜20mmの長さと、4〜20mmの外径と、0.1〜6mmの内径と、0.5〜2の範囲という外径に対する長さの比とを有する概ね中空の円筒状の形状を有する、リアクタシステム。
- 請求項30に記載のリアクタシステムに含まれる触媒床の存在下においてエチレンと酸素とを反応させることを包含する、エチレンのエポキシ化のためのプロセス。
- 請求項33に記載のプロセスであって、エチレンを、1つ以上の有機ハロゲン化物類のさらなる存在下で酸素と反応させる、プロセス。
- 請求項34に記載のプロセスであって、二酸化炭素が、総エポキシ化リアクタフィードに基づいて多くとも6モル%の量でリアクタフィード中に存在する、プロセス。
- エチレングリコール、エチレングリコールエーテル、エチレンカーボネート、またはエタノールアミンを調製する方法であって、請求項33に記載のエチレンのエポキシ化のためのプロセスによってエチレンオキシドを得ることと、前記エチレンオキシドを、エチレングリコール、エチレングリコールエーテル、エチレンカーボネートまたはエタノールアミンに変換することとを包含する、方法。
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