JP5948921B2 - フランの製造方法 - Google Patents
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Description
上記混合ガスからフランを分離する具体的な手段として、フラッシュによる分離などがあるが、フランの回収率を向上させるために高圧条件での分離が必要であり、高圧仕様による設備コストやコンプレッサーの付与による機器コストおよび電力負荷増が懸念され、工業的に大規模なプロセスでフランを製造する際は、効率がよい手段とはいえなかった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、従来の気相流通反応によってフルフラールを脱カルボニル反応によって得られるフランを含む混合ガスから、生成物の高純度のフランを効率よく分離することができる工業的に有利な方法を提供することを目的とする。
即ち、本発明の要旨は、以下の[1]〜[5]に存する。
[1] 原料であるフルフラールを反応器に供給し、触媒の存在下で脱カルボニル反応を行うことによりフランを生成させ、該反応器出口から該フランを主成分として含む混合ガスを抜き出し、該混合ガスと溶媒を接触させ、該混合ガスからフランを分離する際に、該溶媒としてフルフラールを用いることを特徴とするフランの製造方法。
[2] 前記混合ガスが窒素、アルゴン及び/又は二酸化炭素を含むことを特徴とする[1]に記載のフランの製造方法。
[3] 前記混合ガスが水素を含むことを特徴とする[1]又は[2]に記載のフランの製造方法。
[4] 前記溶媒のフルフラール中の蟻酸の濃度が500wtppm以下であることを特徴とする[1]〜[3]のいずれかに記載のフランの製造方法。
[5] 前記混合ガスに対する前記溶媒の供給量が、混合ガス中のフランに対して、30〜1000mol%であることを特徴とする[1]〜[4]のいずれかに記載のフランの製造方法。
本発明で述べるフランを含む混合ガスは、フルフラールを主成分とした原料を使用し、脱カルボニル反応により、得る事ができる。
本発明で使用する原料のフルフラールは、特に限定されないが、通常、とうもろこしの穂軸や木材のおがくず等のヘミセルロース分を含む植物などを、希硫酸等の酸存在下で加熱する事でフルフラールを発生させ、その発生したフルフラールを含む混合物(以下、“フルフラールを含む粗原料”と呼ぶ場合がある)をそのまま本発明の原料フルフラールとして使用してもよいが、フルフラールを含む粗原料はフルフラール以外の様々な物質や不純物を多く含むため、フルフラールを含む粗原料を精製して得られるフルフラールを主成
分とするものを原料フルフラールとして使用することが好ましい。
酸除去に使用する塩基性無機化合物として、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルカリ金属の水酸化物や、水酸化バリウム、水酸化カルシウム等のアルカリ土類金属の水酸化物、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリム等の炭酸塩が挙げられる。添加する濃度としては、0.005wt%〜1wt%、好ましくは0.01wt%〜0.5wt%、より好ましくは0.03wt%〜0.3wt%である。
酸除去に使用する金属アルコキシドとして、ナトリウムメトキシド、ナトリウムエトキシド、ナトリムブトキシド、カリウムメトキシド、カリウムエトキシド、カリウムブトキシド等が挙げられる。添加する濃度としては、0.005wt%〜1wt%、好ましくは0.01wt%〜0.5wt%、より好ましくは0.03wt%〜0.3wt%である。
酸除去に使用する塩基性有機化合物としては、メチルアミン、エーテルアミン、エチルアミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリブチルアミン、トリエタノールアミン、N,N−ジイソプロピルエチルアミン、ピペリジン、ピペラジン、モルホリン、キヌクリジン、1,4−ジアザビシクロオクタン、ピリジン、4−ジメチルアミノピリジン、エチレンジアミン、テトラメチルエチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、アニリン、カテコールアミン、フェネチルアミン、1,8−ビス(ジメチルアミノ)ナフタレン(プロトンスポンジ)等が挙げられる。添加する濃度としては、0.005wt%〜1wt%、好ましくは0.01wt%〜0.5wt%、より好ましくは0.03wt%〜0.3wt%である。
本発明の脱カルボニル反応で使用する触媒は、特に限定されないが、通常、周期表の第8〜10族に属する遷移金属元素から選ばれる少なくとも1種の金属元素を含有した触媒が用いられる。周期表の第8〜10族に属する遷移金属元素として好ましくは、Ni、Ru、Ir、Pd、Pt、より好ましくはRu,Ir、Pd、Pt、さらに好ましくはPd、Ptである。中でも、特に好ましくはPdであり、Pdを含有する触媒はフルフラールのフランへの転化に対して極めて選択性が高いのみならず、触媒活性の経時的な低下を抑
制するにあたり、本発明の不純物を所定量以下に制御したフルフラールを主成分とする原料を用いる方法が極めて有効である。
なお、これらの担持金属触媒は、触媒の性能を向上させるために、修飾助剤を含有することができる。修飾助剤としては、1族金属やそれらのイオン、2族金属やそれらのイオン、4族金属やそれらのイオン、6族金属やそれらのイオンが挙げられ、好ましくは1族金属やそれらのイオンである。
また、反応開始剤として反応器内に水素を共存させることが好適に行われる。使用する水素ガスの量は、反応器に供給される原料フルフラールに対して通常100モル%以下、好ましくは50モル%以下、より好ましくは20モル%以下である。
度が高すぎると、生成するフランが逐次的な反応を引き起こし、結果としてフランの収率が低下するため好ましくない。反応圧力は絶対圧で表記すると、通常0.1MPa以上3MPa以下、好ましくは0.2MPa以上2MPa以下、さらに好ましくは0.3MPa以上1MPa以下である。反応圧力が低いと、反応器から抜き出される生成したフランを含む混合ガスからフランを分離する際に、フランの回収率を低下させる恐れがある。
3〜1.0MPaである。混合ガスに対する溶媒の供給量は特に限定されないが、通常は混合ガス中のフランに対して、30〜1000mol%であり、好ましくは50〜500mol%、より好ましくは100〜300mol%である。
り好ましくは10〜40℃である。蒸留塔の塔頂圧は0.1〜2MPa、好ましくは0.1〜1MPa、より好ましくは0.1〜0.5MPaである。
吸収塔で使用する溶媒としてのフルフラール中の蟻酸の濃度は500wtppm以下であることが好ましく、より好ましくは100wtppm以下、特に好ましくは50wtppm以下である。なお、溶媒としてのフルフラール中の蟻酸を調整する手段としては、上述した酸の除去方法と同様の方法で調整することが可能である。具体的には、塩基性無機化合物、金属アルコキシド又はアミン等の塩基性有機化合物の添加や陰イオン交換樹脂などによる処理である。
<製造例1>
脱カルボニル反応用の触媒の製造
市販のペレット状ジルコニア(表面積:99m2/g、細孔容積:0.35ml/g)を500μm〜1000μmの粒径に粉砕・篩分し、100ml/minの空気気流下で600℃で6時間焼成した。この焼成したジルコニア5.00gに、硝酸Pd溶液([Pd(NO3)4]2 −)(Pd:9.98質量%、HNO3:18.8質量%)0.50gを蒸留水で希釈した溶液を用いて、incipient−wetness法によりPdを含浸させた。湯浴で水分を除去した後、30ml/minの窒素気流下120℃で6時間乾燥させた。さらに50ml/minの空気気流下500℃で4時間焼成してジルコニア担持1質量%Pd触媒(1質量%Pd/ZrO2)を得た。
フルフラールの脱カルボニル化反応によるフランの製造
原料として、東京化成工業(株)製のフルフラール(純度99%以上)を使用した。上記製造例1で得られたジルコニア担持1質量%Pd触媒1.00gを内径8mmのガラス製反応管に充填し、水素10Nml/min流通下で13℃/minで昇温した。触媒層の温度が260℃に達した後、約10分間同温度において水素気流中下で保持した。その後、流通させるガスの組成を水素0.84Nml/minとし、原料フルフラールを170℃に加熱した気化器を通して気化させ、35.49mmol/hの流速でガラス製反応管に供給して脱カルボニル反応を行った。反応管から抜き出された混合ガスの組成は、フラン48.5mol%、一酸化炭素48.5mol%、水素3.1mol%であった。
フルフラールの脱カルボニル化反応によるフランの製造
原料として、東京化成工業(株)製のフルフラール(純度99%以上)を使用した。製造例1で得られたジルコニア担持1質量%Pd触媒1.00gを内径8mmのガラス製反応管に充填し、水素10Nml/min流通下で13℃/minで昇温した。触媒層の温度が260℃に達した後、10分間同温度において水素気流中下で保持した。その後、流通させるガスの組成を水素0.84Nml/min、窒素12.1Nml/minに変更した。原料フルフラールを170℃に加熱した気化器を通して気化させ、36.22mmol/hの流速でガラス製反応管に供給して脱カルボニル反応を行った。反応管から抜き出された混合ガスの組成は、フラン33.5mol%、一酸化炭素33.5mol%、水素3.1kmol、窒素30.8kmolであった。
ローを構築し、プロセスシミュレーションを実施した。なお、Aspen Plusは、通常の化学薬品、電解質、固体やポリマーに関する物性推算モデルや純物質パラメータの大規模なデータベースを含むプロセスモデリングソフトであり、実プラントの蒸留や溶媒抽出の設計条件や運転状態を入力して、化学工学的手法に基づき計算により実プラントと同等のデータを再現できるソフトである。
図1で示すプロセスフローを用いて混合ガス中のフランを吸収塔を用いて溶媒に吸収させ混合ガスからフランを分離する。理論段5段の吸収塔1に反応器から抜き出される混合ガスを100kmol/hで混合ガス供給ライン3より熱交換器2を経由して供給する。なお、この混合ガスの組成は製造例2で得られる混合ガスと同じ組成である。この時、混合ガス中に48.5kmol/hのフランを含有している。なお、混合ガス供給ライン3は吸収塔1の塔底部付近に位置しており、吸収塔1に導入される前に熱交換器2で温度40℃に調整される。また、吸収塔1内の圧力は0.3MPaである。
吸収塔1の塔頂部の排出ガスラインから抜き出される排出ガス中には0.28mol%のフランが含まれており、0.17kmol/hのフランが排出ガスと同伴してロスする事となる。
実施例1において、混合ガス供給ライン3より吸収塔1に供給される混合ガスの組成が製造例3で得られた混合ガスと同じ組成のガスを用いる以外は全て同様に実施する。この時、混合ガス中に33.5kmol/hのフランを含有している。結果を表−1に示す。
実施例1において、吸収塔1内の圧力を0.7MPaとした以外は全て同様に実施する
。結果を表−1に示す。
実施例1において、混合ガス供給ライン3より吸収塔1に供給される混合ガスの組成が製造例3で得られた混合ガスと同じ組成のガスを用い、吸収塔1内の圧力を0.7MPaとした以外は全て同様に実施する。結果を表−1に示す。
図2で示すプロセスフローを用いて混合ガス中のフランを、気液分離器を用いてフラッシュ蒸留により混合ガスからフランを分離する。
反応器から抜き出される混合ガスを100kmol/hで混合ガス供給ライン3より熱交換器2を経由して供給する。なお、この混合ガスの組成は製造例2で得られる混合ガスと同じ組成である。この時、混合ガス中に48.5kmol/hのフランを含有している。なお、混合ガス供給ライン3は気液分離器7に導入される前に熱交換器2で温度0℃に調整される。また、気液分離器7内の圧力は0.7MPaである。
率=排出ガス中のフラン含有量/供給混合ガス中のフラン含有量×100として算出したところ、供給する混合ガス中に含まれるフランに対するロス率は4.35%であった。なお、この時、排出ガスに同伴されるフラン以外は全量フラッシュ蒸留の缶出部よりフランを回収でき、反応による成分消失やその他系外へのロスは無いものとする。結果を表−1に示す。
比較例1において、混合ガス供給温度を40℃とした以外は全て同様に実施した。結果を表−1に示す。
2 熱交換器
3 混合ガス供給ライン
4 溶媒供給ライン
5 混合液ライン
6 排出ガスライン
7 気液分離器
Claims (4)
- 原料であるフルフラールを反応器に供給し、触媒の存在下で脱カルボニル反応を行うことによりフランを生成させ、該反応器出口から該フランを主成分として含む混合ガスを抜き出し、吸収塔を用いて、該混合ガスと溶媒を接触させ、該混合ガスからフランを分離する際に、該混合ガスの供給温度が10〜40℃であり、該吸収塔内の塔頂圧が0.2〜2MPaであり、該混合ガスに対する該溶媒の供給量が、該混合ガス中のフランに対して、30〜1000mol%であり、且つ溶媒としてフルフラールを用いることを特徴とするフランの製造方法。
- 前記混合ガスが窒素、アルゴン及び/又は二酸化炭素を含むことを特徴とする請求項1に記載のフランの製造方法。
- 前記混合ガスが水素を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載のフランの製造方法。
- 前記溶媒のフルフラール中の蟻酸の濃度が500wtppm以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のフランの製造方法。
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