JP6038779B2 - Zsm−22ゼオライト、水素化異性化触媒及びその製造方法、並びに炭化水素の製造方法 - Google Patents

Zsm−22ゼオライト、水素化異性化触媒及びその製造方法、並びに炭化水素の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、水素化異性化触媒及びその製造方法に関する。また、本発明は、水素化異性化触媒を用いた炭化水素油の脱蝋方法、炭化水素の製造方法及び潤滑油基油の製造方法に関する。
石油製品のなかで、例えば潤滑油、軽油、ジェット燃料等は低温における流動性が重要視される製品である。そのため、これらの製品に用いられる基油は、低温流動性の低下の原因となるノルマルパラフィンや、わずかに分岐を有するイソパラフィンなどのワックス成分が、完全に若しくは部分的に、除去されている又はワックス成分以外のものに転換されていることが望ましい。近年、フィッシャー・トロプシュ合成法により得られる炭化水素類(以下、「FT合成油」と略す。)が、硫黄化合物等の環境負荷物質を含まない点で、潤滑油や燃料を製造する際の原料油として注目を集めているが、この炭化水素類にも多くのワックス成分が含まれている。
炭化水素油からワックス成分を除去する脱蝋技術としては、例えば、液化プロパンやMEK等の溶媒によりワックス成分を抽出する方法が知られている。しかし、この方法は、運転コストが大きい上に、適用可能な原料油種が限定されること、さらには製品収率が原料油種により制限されてしまうことなどの問題がある。
一方、炭化水素油中のワックス成分を非ワックス成分へと転換する脱蝋技術としては、例えば、炭化水素油を、水素存在下で、水素化−脱水素化能及び異性化能を有する所謂二元機能触媒に接触せしめ、炭化水素中のノルマルパラフィンをイソパラフィンに異性化する接触脱蝋が知られている。また、接触脱蝋に使用される二元機能触媒としては、固体酸、中でもゼオライト等からなるモレキュラーシーブ及び周期表第8〜10族あるいは第6族に属する金属を含む触媒、特にモレキュラーシーブ上に前記金属を担持した触媒が知られている。
接触脱蝋は炭化水素油の低温流動性を改善する方法として有効であるが、潤滑油用基油や燃料基油に適した留分を得るためにはノルマルパラフィンの転化率を十分高くする必要がある。しかし、接触脱蝋で使用される上記触媒は異性化能とともに炭化水素の分解能も有していることから、炭化水素油を接触脱蝋する場合、ノルマルパラフィンの転化率の上昇に伴い炭化水素油の軽質化も進行してしまい、所望の留分を収率よく得ることが困難であった。特に、高粘度指数及び低流動点が要求される高品質の潤滑油用基油を製造する場合、炭化水素油の接触脱蝋により目的留分を経済性よく得ることが非常に難しく、そのため、かかる分野ではポリアルファオレフィン等の合成系基油が多く使用されていた。
しかし、近年、潤滑油基油及び燃料基油の製造分野において、特に潤滑油基油の製造分野において、水素化処理法(hydroprocessing)を用いた米国石油協会(API(American Petroleum Institute))の潤滑油グレードの分類によるグループII(粘度指数80以上120未満、かつ、飽和分90質量%以上、かつ、硫黄分含有量0.03質量%以下)、グループIII(粘度指数120以上、かつ、飽和分90質量%以上、かつ、硫黄分含有量0.03質量%以下)およびグループIII+(粘度指数140以上、かつ、飽和分90質量%以上、かつ、硫黄分含有量0.03質量%以下)基油の製造が益々普及している。このような事情のもと、ワックス成分を含む炭化水素油から所望のイソパラフィン留分を収率よく得ることを目的として、炭化水素に対する抑制された分解活性と高い異性化反応活性とを兼ね備える触媒、すなわち優れた異性化選択性を有する水素化異性化触媒が求められている。
これまでにも、接触脱蝋で用いる触媒の異性化選択性を向上させる試みがなされている。例えば、下記特許文献1には、周期律表第VIII族等の金属を含むZSM−22、ZSM−23、ZSM−48等の中程度の大きさの一次元状細孔を有し、結晶子の大きさが約0.5μmを越えないモレキュラーシーブからなる触媒に、直鎖状またはわずかに分岐を有する炭素数10以上の炭化水素原料を異性化条件下に接触せしめ、脱蝋された潤滑油を製造するプロセスが開示されている。
なお、水素化異性化触媒を構成するゼオライトは、所定の細孔構造を構築するために、通常、アミノ基、アンモニウム基等を有する有機テンプレートと呼ばれる有機化合物の存在下に水熱合成して製造される。そして、合成されたゼオライトは、例えば、下記非特許文献1の453ページ、「2.1. Materials」項、最終段落に記載されているように、分子状酸素を含む雰囲気下、例えば550℃程度以上の温度で焼成されることにより、含有する有機テンプレートが除去される。次に、焼成されたゼオライトは、例えば、下記非特許文献1の453ページ、「2.3. Catalytic experiments」項に記載されているように、典型的にはアンモニウムイオンを含有する水溶液中でアンモニウム型にイオン交換される。イオン交換後のゼオライトには、さらに周期表第8〜10族等の金属成分が担持される。そして、金属成分が担持されたゼオライトは、乾燥、必要により成型等の工程を経て反応器に充填され、典型的には400℃程度の温度において分子状酸素を含む雰囲気下に焼成され、さらに同程度の温度において水素等により還元処理を行うことによって、二元機能触媒としての触媒活性が付与される。
最近では、水素化異性化触媒の異性化選択性を更に向上させることを目的として、水熱合成後のゼオライトを上記のような高温で焼成せずに有機テンプレートを含んだ状態でイオン交換を行い、このイオン交換ゼオライトから水素化異性化触媒を製造する方法が提案されている(例えば、下記特許文献2を参照)。
米国特許第5,282,958号公報 特開2010−155187号公報
J.A.Martens et al.,J.Catal.239(2006)451
水素化異性化触媒の異性化選択性を更に高めることができれば、潤滑油基油などの有用な炭化水素を一層効率よく生産することができる。
そこで、本発明は、高い異性化選択性を有する水素化異性化触媒、及びその製造方法、並びに、高い異性化選択性を有する水素化異性化触媒の実現を可能とするZSM−22ゼオライト及びその製造方法を提供することを目的とする。本発明はまた、水素化異性化触媒を用いる炭化水素油の脱蝋方法、炭化水素の製造方法、及び潤滑油基油の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の水素化異性化触媒の第1の製造方法は、有機テンプレートを含有し10員環一次元状細孔構造を有する有機テンプレート含有ゼオライトを、アンモニウムイオン及び/又はプロトンを含む溶液中でイオン交換して得られるイオン交換ゼオライトと、バインダーと、が含まれる混合物を、N雰囲気下、250〜350℃の温度で加熱して担体前駆体を得る第1工程と、担体前駆体に白金塩及び/又はパラジウム塩を含ませた触媒前駆体を、分子状酸素を含む雰囲気下、350〜400℃の温度で焼成して、ゼオライトを含む担体に白金及び/又はパラジウムが担持された水素化異性化触媒を得る第2工程とを備える。
本発明の水素化異性化触媒の第1の製造方法によれば、上記の工程を備えることにより、高い異性化選択性を有する水素化異性化触媒を得ることができる。
本発明により上記の効果が奏される理由について本発明者らは以下のとおり推察する。有機テンプレートが含まれるイオン交換ゼオライトに対し、空気中などの分子状酸素を含む雰囲気下で焼成を行うと、酸化反応で水が生成し、この水が原因でゼオライト中のアルミニウムが高温スチーミングされてアルミニウムの変性(例えば、4配位アルミニウムが6配位アルミニウムとなる構造変化)が起こり、分解活性が高まると考えられる。これに対して、本発明に係る第1工程では、上記混合物をN雰囲気下、上記温度範囲で加熱することにより、有機テンプレートが熱分解しても水の副生なく有機テンプレートを適度に除去することができ、またゼオライトに吸水していた水やシラノール基から生成する水による高温スチーミングも防止され、6配位アルミニウムの増加が十分抑制されたものと考えられる。なお、第1工程を経て有機テンプレートが残っていても、本発明に係る第2工程では、白金塩及び/又はパラジウム塩が含まれる触媒前駆体を上記の条件で焼成することにより、酸化された白金及び/又はパラジウムが燃焼触媒として機能し、アルミニウムの高温スチーミングを防止しつつ有機テンプレートを適度に除去することができると考えられる。このように、有機テンプレートを含んだ状態でイオン交換を行うことによる異性化選択性の向上を図りつつ、ゼオライト中のアルミニウムの変性を抑制しながら有機テンプレートを完全ではなく適度に除去できることが、高い異性化選択性を有する水素化異性化触媒が実現された理由であると本発明者らは考えている。なお、有機テンプレートが完全に除去されるような上記上限値を超える温度条件で焼成が行われると、ゼオライト細孔内へ反応基質が十分に拡散し、細孔内で分解反応が促進されやすくなると考えられ、一方、温度条件が上記下限値を下回ると、ゼオライト細孔内に有機テンプレートが多量に残存して異性化反応が進行しにくくなると考えられる。
ノルマルパラフィンの水素化異性化反応において高い異性化選択性を得る観点から、上記有機テンプレート含有ゼオライトがZSM−22ゼオライト、ZSM−23ゼオライト、SSZ−32ゼオライト及びZSM−48ゼオライトからなる群より選択される少なくとも一種であることが好ましい。
また、活性、異性化選択性及び活性の持続性の観点から、上記白金塩がテトラアンミンジニトロ白金であり、上記パラジウム塩がテトラアンミンパラジウム硝酸塩であることが好ましい。
更に高い異性化選択性を得る観点から、上記バインダーが、シリカ、アルミナ及びアルミナ−シリカのうちから選択される少なくとも一種の無機酸化物を含むことが好ましい。
本発明は、上記本発明の水素化異性化触媒の第1の製造方法により得られる第1の水素化異性化触媒を提供することができる。
本発明はまた、10員環一次元状細孔構造を有するゼオライト、及びバインダーを含む担体と、該担体に担持された白金及び/又はパラジウムと、を含有する水素化異性化触媒であって、ゼオライトは、有機テンプレートを含有し10員環一次元状細孔構造を有する有機テンプレート含有ゼオライトを、アンモニウムイオン及び/又はプロトンを含む溶液中でイオン交換して得られるイオン交換ゼオライトに由来するものであり、触媒に含まれるカーボン量が0.4〜2.5質量%である第2の水素化異性化触媒を提供する。
本明細書において、水素化異性化触媒のカーボン量は、酸素気流中燃焼−赤外線吸収法により分析することにより算出される。具体的には、炭素・硫黄分析装置(例えば、株式会社堀場製作所製EMIA−920V)を用いて、酸素気流中で触媒を燃焼し、赤外線吸収法にて炭素量の定量が行われる。
本発明の第2の水素化異性化触媒によれば、上記構成を備えることにより、ノルマルパラフィンの水素化異性化反応において高い異性化選択性を得ることができる。
本発明の第2の水素化異性化触媒が上記効果を奏することができる理由について本発明者らは、触媒に含まれるカーボン量が上記範囲内であることにより、ゼオライトの細孔に上記イオン交換ゼオライトに含まれる有機テンプレートが適度に残留していると考えられ、これにより十分な異性化選択性が得られ、ノルマルパラフィンの分解反応は十分に抑制されながらも異性化反応は十分に進行させることができたと推察する。
本発明の第2の水素化異性化触媒は、触媒の単位質量当たりのミクロ細孔容積が0.02〜0.11cm/gであり、触媒に含有されるゼオライトの単位質量当りのミクロ細孔容積が0.04〜0.12cm/gであることが好ましい。
本発明はまた、10員環一次元状細孔構造を有するゼオライト、及びバインダーを含む担体と、該担体に担持された白金及び/又はパラジウムと、を含有し、触媒の単位質量あたりのミクロ細孔容積が0.02〜0.11cm/gである水素化異性化触媒であって、ゼオライトは、有機テンプレートを含有し10員環一次元状細孔構造を有する有機テンプレート含有ゼオライトを、アンモニウムイオン及び/又はプロトンを含む溶液中でイオン交換して得られるイオン交換ゼオライトに由来するものであり、触媒に含有されるゼオライトの単位質量当りのミクロ細孔容積が0.04〜0.12cm/gである、第3の水素化異性化触媒を提供する。
本明細書において、水素化異性化触媒の単位質量当たりのミクロ細孔容積は、窒素吸着測定と呼ばれる方法にて算出される。すなわち、触媒について、液体窒素温度(−196℃)で測定した窒素の物理吸着脱離等温線を解析、具体的には、液体窒素温度(−196℃)で測定した窒素の吸着等温線をt−plot法により解析することにより、触媒の単位質量当たりのミクロ細孔容積が算出される。また、触媒に含有されるゼオライトの単位質量当りのミクロ細孔容積についても、上記の窒素吸着測定により算出される。
本明細書においてミクロ細孔とは、国際純正・応用化学連合IUPAC(International Union of Pure and Applied Chemistry)で定義されている「直径が2nm以下の細孔」を指す。
本発明の第3の水素化異性化触媒によれば、上記構成を備えることにより、ノルマルパラフィンの水素化異性化反応において高い異性化選択性を得ることができる。
本発明の第3の水素化異性化触媒が上記効果を奏することができる理由について本発明者らは、触媒の単位質量当たりのミクロ細孔容積が上記範囲内であることにより十分な異性化選択性が得られ、更にこの場合において触媒に含有されるゼオライトの単位質量当りのミクロ細孔容積が上記範囲内であれば、ゼオライトの細孔に上記イオン交換ゼオライトに含まれる有機テンプレートが適度に残留していると考えられ、これによりノルマルパラフィンの分解反応は十分に抑制されながらも異性化反応は十分に進行させることができたと推察する。
本発明に係るZSM−22ゼオライトは、1,8−ジアミノオクタンを含む有機テンプレートの存在下で合成された、10員環一次元状細孔構造を有する結晶性アルミノシリケートを、前記有機テンプレートが含まれる状態でアンモニウムイオン及び/又はプロトンを含む溶液中でイオン交換することにより得られ、焼成粉の粉末X線回折パターンにおいて、2θ=8.1±0.5°に現れるピーク強度Iと2θ=20.3±0.5°に現れるピーク強度Iとの強度比I/Iが1以下であり、焼成粉の窒素吸着測定法により求めた外表面積が40m/g以上であり、焼成粉の窒素吸着測定法により求めたミクロ細孔容積が0.01〜0.11cm/gであることを特徴とする。
本発明に係るZSM−22ゼオライトによれば、水素化異性化触媒の担体の材料として用いられることにより、触媒の異性化選択性を向上させることができる。
本発明に係るZSM−22ゼオライトの製造方法は、シリカ源と、アルミナ源と、1,8−ジアミノオクタンを含む有機テンプレートと、が含まれる混合物から水熱合成法により合成した10員環一次元状細孔構造を有する結晶性アルミノシリケートを、前記有機テンプレートが含まれる状態でアンモニウムイオン及び/又はプロトンを含む溶液中でイオン交換する工程を備えることを特徴とする。
本発明に係る水素化異性化触媒の第2の製造方法は、本発明に係るZSM−22ゼオライト若しくは本発明に係る方法により得られたZSM−22ゼオライト、又は、本発明に係るZSM−22ゼオライト若しくは本発明に係る方法により得られたZSM−22ゼオライトを350℃以下の温度で加熱した加熱済ZSM−22ゼオライトが含まれる担体材料を250〜350℃の温度で焼成して担体前駆体を得る第1工程と、担体前駆体に白金塩及び/又はパラジウム塩を含ませた触媒前駆体を、分子状酸素を含む雰囲気下、350〜400℃の温度で焼成して、ZSM−22ゼオライトが含まれる担体と該担体上に担持された白金及び/又はパラジウムとを有する水素化異性化触媒を得る第2工程と、を備えることを特徴とする。
本発明に係る水素化異性化触媒の第2の製造方法によれば、上記の工程を備えることにより、ノルマルパラフィンの水素化異性化反応において高い異性化選択性を有する水素化異性化触媒を得ることができる。
本発明は、本発明に係る水素化異性化触媒の第2の製造方法によって得られる第4の水素化異性化触媒を提供する。
本発明に係る第4の水素化異性化触媒は、触媒に含まれるカーボン量が0.5〜3.5質量%であることが好ましい。
水素化異性化触媒のカーボン量は、酸素気流中燃焼−赤外線吸収法により分析することにより算出される。具体的には、炭素・硫黄分析装置(例えば、株式会社堀場製作所製EMIA−920V)を用いて、酸素気流中で触媒を燃焼し、赤外線吸収法にて炭素量の定量が行われる。
本発明に係る第4の水素化異性化触媒は、触媒の単位質量当りのミクロ細孔容積が0.02〜0.12cm/gであることが好ましい。
本明細書において、ゼオライトの焼成粉及び触媒の単位質量当りのミクロ細孔容積は、窒素吸着測定と呼ばれる方法にて算出される。すなわち、各測定試料について、液体窒素温度(−196℃)で測定した窒素の物理吸着脱離等温線を解析、具体的には、液体窒素温度(−196℃)で測定した窒素の吸着等温線をt−plot法により解析し、ミクロ細孔容積(cm/g)が算出される。
本発明の炭化水素油の脱蝋方法は、水素の存在下、炭素数10以上のノルマルパラフィンを含有する炭化水素油と、上記本発明の第1、第2、第3又は第4の水素化異性化触媒と、を接触させてノルマルパラフィンの一部又は全部をイソパラフィンに転化することを特徴とする。
本発明の炭化水素の製造方法は、水素の存在下、炭素数10以上のノルマルパラフィンを含有する炭化水素原料油を、上記本発明の第1、第2、第3又は第4の水素化異性化触媒に接触させることを特徴とする。
本発明の潤滑油基油の製造方法は、水素の存在下、炭素数10以上のノルマルパラフィンを含有する炭化水素原料油を、上記本発明の第1、第2、第3又は第4の水素化異性化触媒に、下記式(I)で定義されるノルマルパラフィンの転化率が実質的に100質量%となる条件で接触させることを特徴とする。
Figure 0006038779

[式(I)中、Cnは、接触前の炭化水素原料油中に含まれる炭素数10以上のノルマルパラフィンのうちで最小の炭素数を示す。]
本発明の潤滑油基油の製造方法によれば、上記本発明に係る水素化異性化触媒を用いて上記条件で炭化水素原料油の水素化処理を行うことにより潤滑油基油に適した炭化水素を高い収率で得ることができる。
本発明の潤滑油基油の製造方法において、炭化水素原料油を水素化異性化触媒に接触させた後、更に水素化仕上げし、減圧蒸留することができる。
また、上記炭化水素原料油は、常圧残油、減圧残油、減圧軽油、スラックワックス、及びフィッシャー・トロプシュ合成ワックスからなる群より選択される少なくとも一種であることが好ましい。
本発明によれば、高い異性化選択性を有する水素化異性化触媒及びその製造方法、並びに、高い異性化選択性を有する水素化異性化触媒の実現を可能とするZSM−22ゼオライト及びその製造方法を提供することができる。本発明はまた、係る水素化異性化触媒を用いる炭化水素油の脱蝋方法、炭化水素の製造方法、及び潤滑油基油の製造方法を提供することができる。
原料油ワックスの炭素数分布を示すグラフである。 NH型ZSM−22ゼオライト(1,8−DAO)の焼成粉の粉末X線回折パターンである。 NH型ZSM−22ゼオライト(1,6−DAH)の焼成粉の粉末X線回折パターンである。
<本発明の第1実施形態に係る水素化異性化触媒>
第1実施形態に係る水素化異性化触媒は、特定の方法によって製造されることでその特徴が付与される。以下、第1実施形態に係る水素化異性化触媒について、その好ましい製造の態様に沿って説明する。
本実施形態の水素化異性化触媒の製造方法は、有機テンプレートを含有し10員環一次元状細孔構造を有する有機テンプレート含有ゼオライトを、アンモニウムイオン及び/又はプロトンを含む溶液中でイオン交換して得られるイオン交換ゼオライトと、バインダーと、が含まれる混合物を、N雰囲気下、250〜350℃の温度で加熱して担体前駆体を得る第1工程と、担体前駆体に白金塩及び/又はパラジウム塩を含ませた触媒前駆体を、分子状酸素を含む雰囲気下、350〜400℃の温度で焼成して、ゼオライトを含む担体に白金及び/又はパラジウムが担持された水素化異性化触媒を得る第2工程とを備える。
本実施形態で用いられる有機テンプレート含有ゼオライトは、ノルマルパラフィンの水素化異性化反応における高い異性化活性と抑制された分解活性とを高水準で両立する観点から、10員環からなる一次元状細孔構造を有する。このようなゼオライトとしては、AEL、EUO、FER、HEU、MEL、MFI、NES、TON、MTT、WEI、MRE及びSSZ−32などが挙げられる。なお、上記の各アルファベット三文字は、分類分けされたモレキュラーシーブ型ゼオライトの各構造に対して、国際ゼオライト協会構造委員会(The Structure Commission of The International Zeolite Association)が与えている骨格構造コードを意味する。また、同一のトポロジーを有するゼオライトは包括的に同一のコードで呼称される。
上記有機テンプレート含有ゼオライトとしては、上記の10員環一次元状細孔構造を有するゼオライトの中でも、高異性化活性及び低分解活性の点で、TON、MTT構造を有するゼオライト、MRE構造を有するゼオライトであるZSM−48ゼオライト、及びSSZ−32ゼオライトが好ましい。TON構造を有するゼオライトとしては、ZSM−22ゼオライトがより好ましく、また、MTT構造を有するゼオライトとしては、ZSM−23ゼオライトがより好ましい。
有機テンプレート含有ゼオライトは、シリカ源、アルミナ源及び上記所定の細孔構造を構築するために添加する有機テンプレートから、公知の方法によって水熱合成される。
有機テンプレートは、アミノ基、アンモニウム基等を有する有機化合物であり、合成するゼオライトの構造に応じて選択されるものであるが、アミン誘導体であることが好ましい。具体的には、アルキルアミン、アルキルジアミン、アルキルトリアミン、アルキルテトラミン、ピロリジン、ピペラジン、アミノピペラジン、アルキルペンタミン、アルキルヘキサミン及びそれらの誘導体からなる群より選択される少なくとも一種であることがより好ましい。上記アルキルの炭素数は、4〜10が挙げられ、好ましくは6〜8である。
10員環一次元状細孔構造を有する有機テンプレート含有ゼオライトを構成する珪素とアルミニウム元素とのモル比([Si]/[Al])(以下、「Si/Al比」という。)は、10〜400であることが好ましく、20〜350であることがより好ましい。Si/Al比が10未満の場合には、ノルマルパラフィンの転換に対する活性は高くなるが、イソパラフィンへの異性化選択性が低下し、また反応温度の上昇に伴う分解反応の増加が急激となる傾向にあることから好ましくない。一方、Si/Al比が400を超える場合には、ノルマルパラフィンの転換に必要な触媒活性が得られにくくなり好ましくない。
合成され、好ましくは洗浄、乾燥された上記有機テンプレート含有ゼオライトは、対カチオンとして通常アルカリ金属カチオンを有し、また有機テンプレートが細孔構造内に包含される。本発明に係る水素化異性化触媒を製造する際に用いる有機テンプレートを含むゼオライトとは、このような、合成された状態のもの、すなわち、ゼオライト内に包含される有機テンプレートを除去するための焼成処理がなされていないものであることが好ましい。
上記有機テンプレート含有ゼオライトは、次に、アンモニウムイオン及び/又はプロトンを含む溶液中でイオン交換される。イオン交換処理により、有機テンプレート含有ゼオライト中に含まれる対カチオンは、アンモニウムイオン及び/又はプロトンに交換される。またそれと同時に、有機テンプレート含有ゼオライト中に包含される有機テンプレートの一部が除去される。
上記イオン交換処理に使用する溶液は、水を少なくとも50容量%含有する溶媒を用いた溶液であることが好ましく、水溶液であることがより好ましい。また、アンモニウムイオンを溶液中に供給する化合物としては、塩化アンモニウム、硫酸アンモニウム、硝酸アンモニウム、リン酸アンモニウム、酢酸アンモニウム等の無機及び有機の各種のアンモニウム塩が挙げられる。一方、プロトンを溶液中に供給する化合物としては、通常、塩酸、硫酸、硝酸等の鉱酸が利用される。有機テンプレート含有ゼオライトをアンモニウムイオンの存在下でイオン交換することにより得られるイオン交換ゼオライト(ここでは、アンモニウム型ゼオライト)は、後の焼成の際にアンモニアを放出し、対カチオンがプロトンとなってブレンステッド酸点となる。イオン交換に用いるカチオン種としてはアンモニウムイオンが好ましい。溶液中に含まれるアンモニウムイオン及び/又はプロトンの含有量は、使用する有機テンプレート含有ゼオライトに含まれる対カチオン及び有機テンプレートの合計量に対して10〜1000当量となるように設定されることが好ましい。
上記イオン交換処理は、粉末状の有機テンプレート含有ゼオライト担体に対して行ってもよく、またイオン交換処理に先立って、有機テンプレート含有ゼオライトにバインダーである無機酸化物を配合し、成型を行い、得られる成型体に対して行ってもよい。但し、上記の成型体を焼成することなくイオン交換処理に供すると、当該成型体が崩壊、粉化する問題が生じやすくなることから、粉末状の有機テンプレート含有ゼオライトをイオン交換処理に供することが好ましい。
イオン交換処理は、定法、すなわち、アンモニウムイオン及び/又はプロトンを含む溶液、好ましくは水溶液に有機テンプレートを含むゼオライトを浸漬し、これを攪拌又は流動する方法によって行うことが好ましい。また、上記の撹拌又は流動は、イオン交換の効率を高めるために加熱下に行うことが好ましい。本発明においては、上記水溶液を加熱し、沸騰、還流下でイオン交換する方法が特に好ましい。
更に、イオン交換の効率を高める点から、溶液によってゼオライトをイオン交換する間に、溶液を一回又は二回以上新しいものに交換することが好ましく、溶液を一回又は二回新しいものに交換することがより好ましい。溶液を一回交換する場合、例えば、有機テンプレート含有ゼオライトをアンモニウムイオン及び/又はプロトンを含む溶液に浸漬し、これを1〜6時間加熱還流し、次いで、溶液を新しいもの交換した後、更に6〜12時間加熱還流することにより、イオン交換効率を高めることが可能となる。
イオン交換処理により、ゼオライト中のアルカリ金属等の対カチオンのほぼ全てをアンモニウムイオン及び/又はプロトンに交換することが可能である。一方、ゼオライト内に包含される有機テンプレートについては、上記のイオン交換処理によりその一部が除去されるが、同処理を繰り返し行っても、その全てを除去することは一般に困難であり、その一部がゼオライト内部に残留する。
本実施形態では、イオン交換ゼオライトとバインダーとが含まれる混合物を窒素雰囲気下、250〜350℃の温度で加熱して担体前駆体を得る。
イオン交換ゼオライトとバインダーとが含まれる混合物は、上記の方法にて得られたイオン交換ゼオライトに、バインダーである無機酸化物を配合し、得られる組成物を成型したものが好ましい。無機酸化物をイオン交換ゼオライトに配合する目的は、成型体の焼成によって得られる担体(特には、粒子状の担体)の機械的強度を、実用に耐えられる程度に向上することにあるが、本発明者は、無機酸化物種の選択が水素化異性化触媒の異性化選択性に影響を与えることを見出している。このような観点から、上記無機酸化物として、アルミナ、シリカ、チタニア、ボリア、ジルコニア、マグネシア、セリア、酸化亜鉛及び酸化リン並びにこれらの2種以上の組み合わせからなる複合酸化物から選択される少なくとも一種の無機酸化物が用いられる。中でも、水素化異性化触媒の異性化選択性が更に向上するとの観点から、シリカ、アルミナが好ましく、アルミナがより好ましい。また、上記「これらの2種以上の組み合わせからなる複合酸化物」とは、アルミナ、シリカ、チタニア、ボリア、ジルコニア、マグネシア、セリア、酸化亜鉛、及び酸化リンのうちの少なくとも2種の成分からなる複合酸化物であるが、複合酸化物を基準として50質量%以上のアルミナ成分を含有するアルミナを主成分とする複合酸化物が好ましく、中でもアルミナ−シリカがより好ましい。
上記組成物におけるイオン交換ゼオライトと無機酸化物との配合比率は、イオン交換ゼオライトの質量:無機酸化物の質量の比として、好ましくは10:90〜90:10、より好ましくは30:70〜85:15である。この比が10:90よりも小さい場合には、水素化異性化触媒の活性が充分ではなくなる傾向にあるため好ましくない。一方、上記比が90:10を超える場合には、組成物を成型及び焼成して得られる担体の機械的強度が充分ではなくなる傾向にあるため好ましくない。
イオン交換ゼオライトに上記の無機酸化物を配合する方法は特に限定されないが、例えば両者の粉末に適量の水等の液体を添加して粘ちょうな流体とし、これをニーダー等により混練する等の通常行われる方法を採用することができる。
上記イオン交換ゼオライトと上記無機酸化物とを含む組成物或いはそれを含む粘ちょうな流体は、押出成型等の方法により成型され、好ましくは乾燥されて粒子状の成型体となる。成型体の形状としては特に限定されないが、例えば、円筒状、ペレット状、球状、三つ葉・四つ葉形の断面を有する異形筒状等が挙げられる。成型体の大きさは特に限定されないが、取り扱いの容易さ、反応器への充填密度等の観点から、例えば長軸が1〜30mm、短軸が1〜20mm程度であることが好ましい。
本実施形態においては、上記のようにして得られた成型された成型体を、N雰囲気下、250〜350℃の温度で加熱して担体前駆体とすることが好ましい。加熱時間については、0.5〜10時間が好ましく、1〜5時間がより好ましい。
本実施形態において、上記加熱温度が250℃より低い場合は、有機テンプレートが多量に残留し、残留したテンプレートによってゼオライト細孔が閉塞する。異性化活性点は細孔ポアマウス付近に存在すると考えられており、上記の場合、細孔閉塞によって反応基質が細孔内へ拡散できなくなり、活性点が被覆されて異性化反応が進行しにくくなり、ノルマルパラフィンの転化率が充分に得られにくくなる傾向にある。一方、加熱温度が350℃を超える場合には、得られる水素化異性化触媒の異性化選択性が充分に向上しない。
成型体を加熱して担体前駆体とするときの下限温度は280℃以上が好ましい。また、上限温度は330℃以下が好ましい。
本実施形態では、上記成型体に含まれる有機テンプレートの一部が残留するように上記混合物を加熱することが好ましい。具体的には、後述の金属担持後の焼成を経て得られる水素化異性化触媒に含まれるカーボン量が0.4〜2.5質量%となるように加熱条件を設定することが好ましい。また、後述の金属担持後の焼成を経て得られる水素化異性化触媒の単位質量当りのミクロ細孔容積が0.02〜0.11cm/gであり、当該触媒に含有されるゼオライトの単位質量当りのミクロ細孔容積が0.04〜0.12cm/gとなるように加熱条件を設定することが好ましい。
次に、上記担体前駆体に白金塩及び/又はパラジウム塩を含ませた触媒前駆体を、分子状酸素を含む雰囲気下、350〜400℃、好ましくは380〜400℃、より好ましくは400℃の温度で焼成して、ゼオライトを含む担体に白金及び/又はパラジウムが担持された水素化異性化触媒を得る。なお、「分子状酸素を含む雰囲気下」とは、酸素ガスを含む気体、中でも好ましくは空気と接触することを意味する。焼成の時間は、0.5〜10時間であることが好ましく、1〜5時間であることがより好ましい。
白金塩としては、例えば、塩化白金酸、テトラアンミンジニトロ白金、ジニトロアミノ白金、テトラアンミンジクロロ白金などが挙げられる。塩化物塩は反応時に塩酸が発生して装置腐食の恐れがあるため、塩化物塩以外で白金が高分散する白金塩であるテトラアンミンジニトロ白金が好ましい。
パラジウム塩としては、例えば、塩化パラジウム、テトラアンミンパラジウム硝酸塩、ジアミノパラジウム硝酸塩などが挙げられる。塩化物塩は反応時に塩酸が発生して装置腐食の恐れがあるため、塩化物塩以外でパラジウムが高分散するパラジウム塩であるテトラアンミンパラジウム硝酸塩が好ましい。
本実施形態に係るゼオライトを含む担体における活性金属の担持量は、担体の質量を基準として、0.001〜20質量%が好ましく、0.01〜5質量%がより好ましい。担持量が0.001質量%未満の場合には、所定の水素化/脱水素機能を付与することが困難となる。一方、担持量が20質量%を超える場合には、当該活性金属上での炭化水素の分解による軽質化が進行しやすくなり、目的とする留分の収率が低下する傾向にあり、さらには触媒コストの上昇を招く傾向にあるため好ましくない。
また、本実施形態に係る水素化異性化触媒が含イオウ化合物及び/又は含窒素化合物を多く含む炭化水素油の水素化異性化に用いられる場合、触媒活性の持続性の観点から、活性金属として、ニッケル−コバルト、ニッケル−モリブデン、コバルト−モリブデン、ニッケル−モリブデン−コバルト、ニッケル−タングステン−コバルト等の組み合わせを含むことが好ましい。これらの金属の担持量は、担体の質量を基準として、0.001〜50質量%が好ましく、0.01〜30質量%がより好ましい。
本実施形態では、上記担体前駆体に残留させた有機テンプレートが残留するように上記触媒前駆体を焼成することが好ましい。具体的には、得られる水素化異性化触媒に含まれるカーボン量が0.4〜2.5質量%となるように加熱条件を設定することが好ましい。また、得られる水素化異性化触媒の単位質量当りのミクロ細孔容積が0.02〜0.11cm/gであり、当該触媒に含有されるゼオライトの単位質量当りのミクロ細孔容積が0.04〜0.12cm/gとなるように加熱条件を設定することが好ましい。
水素化異性化触媒のカーボン量は、酸素気流中燃焼−赤外線吸収法により分析することにより算出される。具体的には、炭素・硫黄分析装置(例えば、株式会社堀場製作所製EMIA−920V)を用いて、酸素気流中で触媒を燃焼し、赤外線吸収法にて炭素量の定量が行われる。
水素化異性化触媒の単位質量当りのミクロ細孔容積は、窒素吸着測定と呼ばれる方法にて算出される。すなわち、触媒について、液体窒素温度(−196℃)で測定した窒素の物理吸着脱離等温線を解析、具体的には、液体窒素温度(−196℃)で測定した窒素の吸着等温線をt−plot法により解析することにより、触媒の単位質量当りのミクロ細孔容積が算出される。また、触媒に含有されるゼオライトの単位質量当りのミクロ細孔容積についても、上記の窒素吸着測定により算出される。
触媒に含有されるゼオライトの単位質量当りのミクロ細孔容積Vは、例えば、バインダーがミクロ細孔容積を有していない場合、水素化異性化触媒の単位質量当りのミクロ細孔容積の値Vと、触媒におけるゼオライトの含有割合M(質量%)から下記式に従って算出することができる。
=V/M×100
本発明の第1実施形態に係る水素化異性化触媒は、上記の焼成処理に続いて、好ましくは水素化異性化の反応を行う反応器に充填後に還元処理されたものであることが好ましい。具体的には、分子状水素を含む雰囲気下、好ましくは水素ガス流通下、好ましくは250〜500℃、より好ましくは300〜400℃にて、0.5〜5時間程度の還元処理が施されたものであることが好ましい。このような工程により、炭化水素油の脱蝋に対する高い活性をより確実に触媒に付与することができる。
本発明の第1実施形態に係る水素化異性化触媒の他の実施形態は、10員環一次元状細孔構造を有するゼオライト、及びバインダーを含む担体と、該担体に担持された白金及び/又はパラジウムと、を含有し、上記ゼオライトは、有機テンプレートを含有し10員環一次元状細孔構造を有する有機テンプレート含有ゼオライトを、アンモニウムイオン及び/又はプロトンを含む溶液中でイオン交換して得られるイオン交換ゼオライトに由来するものであり、触媒に含有されるカーボン量が0.4〜2.5質量%である。
また、本発明の第1実施形態に係る水素化異性化触媒の他の実施形態は、10員環一次元状細孔構造を有するゼオライト、及びバインダーを含む担体と、該担体に担持された白金及び/又はパラジウムと、を含有し、触媒の単位質量当りのミクロ細孔容積が0.02〜0.11cm/gである水素化異性化触媒であって、上記ゼオライトは、有機テンプレートを含有し10員環一次元状細孔構造を有する有機テンプレート含有ゼオライトを、アンモニウムイオン及び/又はプロトンを含む溶液中でイオン交換して得られるイオン交換ゼオライトに由来するものであり、触媒に含有されるゼオライトの単位質量当りのミクロ細孔容積が0.04〜0.12cm/gである。本実施形態においては、更に触媒に含有されるカーボン量が0.4〜2.5質量%であることが好ましい。
上記の水素化異性化触媒は、上述した方法により製造することができる。触媒のカーボン量、触媒の単位質量当りのミクロ細孔容積及び触媒に含有されるゼオライトの単位質量当りのミクロ細孔容積は、イオン交換ゼオライトとバインダーとが含まれる混合物におけるイオン交換ゼオライトの配合量、当該混合物のN雰囲気下での加熱条件、触媒前駆体の分子状酸素を含む雰囲気下での加熱条件を適宜調整することより上記範囲内にすることができる。
<ZSM−22ゼオライト>
本発明に係るZSM−22ゼオライトは、1,8−ジアミノオクタンを含む有機テンプレートの存在下で合成された、10員環一次元状細孔構造を有する結晶性アルミノシリケートを、有機テンプレートが含まれる状態でアンモニウムイオン及び/又はプロトンを含む溶液中でイオン交換することにより得られ、焼成粉の粉末X線回折パターンにおいて、2θ=8.1±0.5°に現れるピーク強度Iと2θ=20.3±0.5°に現れるピーク強度Iとの強度比I/Iが1以下であり、焼成粉の窒素吸着測定法により求めた外表面積が40m/g以上であり、焼成粉の窒素吸着測定法により求めたミクロ細孔容積が0.01〜0.11cm/gであることを特徴とする。
本明細書においてZSM−22ゼオライトの「ZSM−22」とは、International Zeolite Association(国際ゼオライト学会)で規定されているTON型ゼオライトを意味する。
焼成粉の調製条件は、ZSM−22ゼオライトが触媒の担体材料として用いられる場合、ZSM−22ゼオライトが含まれる担体材料を焼成するときの条件を設定することができる。
本発明に係るZSM−22ゼオライトを得る方法について説明する。
上記10員環一次元状細孔構造を有する結晶性アルミノシリケートは、シリカ源と、アルミナ源と、1,8−ジアミノオクタンを含む有機テンプレートと、が含まれる混合物から水熱合成法により合成できる。
結晶性アルミノシリケートの結晶性とは、空間的に繰り返しパターンを持って配列している物質であって、当てたX線を回折することができることを意味する。
水熱合成法とは、高温高圧の熱水の存在下で行われる化合物の合成或いは結晶成長であって、原材料と水とを耐圧容器に密封して加熱を行うことを意味する。本実施形態においては公知の方法を採用することができる。
シリカ源としては、コロイダルシリカ、水ガラス、アエロジル、エアロゲル、シリカゾル、シリカゲル、粉末シリカ、ケイ酸塩などが挙げられる。
アルミナ源としては、硫酸アルミニウム、硝酸アルミニウム、塩化アルミニウム、ベーマイト、擬ベーマイト、水酸化アルミニウムなどが挙げられる。
有機テンプレートは、本願発明の効果を損なわない範囲であれば、1,8−ジアミノオクタン以外の化合物を併用することができる。このような化合物としては、1,6−ジアミノヘキサンなどが挙げられる。
水熱合成の条件としては、例えば、温度が50〜300℃、圧力が常圧〜2MPaが挙げられる。
一次元10員環細孔構造を有する結晶性アルミノシリケートを構成する珪素とアルミニウム元素とのモル比([Si]/[Al])(以下、「Si/Al比」という。)は、10〜400であることが好ましく、20〜350であることがより好ましい。Si/Al比が10未満の場合には、ノルマルパラフィンの転換に対する活性は高くなるが、イソパラフィンへの異性化選択性が低下し、また反応温度の上昇に伴う分解反応の増加が急激となる傾向にあることから好ましくない。一方、Si/Al比が400を超える場合には、ノルマルパラフィンの転換に必要な触媒活性が得られにくくなり好ましくない。
合成され、好ましくは洗浄、乾燥された上記結晶性アルミノシリケートは、対カチオンとして通常アルカリ金属カチオンを有し、また1,8−ジアミノオクタンを含む有機テンプレートが細孔構造内に包含される。
次に、上記結晶性アルミノシリケートは、有機テンプレートが含まれる状態でアンモニウムイオン及び/又はプロトンを含む溶液中でイオン交換される。結晶性アルミノシリケートは、合成してそのまま乾燥した粉末、すなわち、結晶性アルミノシリケート内に包含される有機テンプレートを除去するための焼成処理がなされていない粉末であることが好ましい。
イオン交換処理により、有機テンプレート含有ゼオライト中に含まれる対カチオンは、アンモニウムイオン及び/又はプロトンに交換される。またそれと同時に、有機テンプレート含有ゼオライト中に包含される有機テンプレートの一部が除去される。
上記イオン交換処理に使用する溶液は、水を少なくとも50容量%含有する溶媒を用いた溶液であることが好ましく、水溶液であることがより好ましい。また、アンモニウムイオンを溶液中に供給する化合物としては、塩化アンモニウム、硫酸アンモニウム、硝酸アンモニウム、リン酸アンモニウム、酢酸アンモニウム等の無機及び有機の各種のアンモニウム塩が挙げられる。一方、プロトンを溶液中に供給する化合物としては、通常、塩酸、硫酸、硝酸等の鉱酸が利用される。有機テンプレート含有ゼオライトをアンモニウムイオンの存在下でイオン交換することにより得られるイオン交換ゼオライト(ここでは、アンモニウム型ゼオライト)は、後の焼成の際にアンモニアを放出し、対カチオンがプロトンとなってブレンステッド酸点となる。イオン交換に用いるカチオン種としてはアンモニウムイオンが好ましい。溶液中に含まれるアンモニウムイオン及び/又はプロトンの含有量は、使用する有機テンプレート含有ゼオライトに含まれる対カチオン及び有機テンプレートの合計量に対して10〜1000当量となるように設定されることが好ましい。
上記イオン交換処理は、粉末状の結晶性アルミノシリケート担体に対して行ってもよく、またイオン交換処理に先立って、結晶性アルミノシリケートにバインダーである無機酸化物を配合し、成形を行い、得られる成形体に対して行ってもよい。但し、上記の成形体を焼成することなくイオン交換処理に供すると、当該成形体が崩壊、粉化する問題が生じやすくなることから、粉末状の結晶性アルミノシリケートをイオン交換処理に供することが好ましい。
イオン交換処理は、定法、すなわち、アンモニウムイオン及び/又はプロトンを含む溶液、好ましくは水溶液に有機テンプレートを含むゼオライトを浸漬し、これを攪拌又は流動する方法によって行うことが好ましい。また、上記の撹拌又は流動は、イオン交換の効率を高めるために加熱下に行うことが好ましい。本発明においては、上記水溶液を加熱し、沸騰、還流下でイオン交換する方法が特に好ましい。
更に、イオン交換の効率を高める点から、溶液によってゼオライトをイオン交換する間に、溶液を一回又は二回以上新しいものに交換することが好ましく、溶液を一回又は二回新しいものに交換することがより好ましい。溶液を一回交換する場合、例えば、有機テンプレート含有ゼオライトをアンモニウムイオン及び/又はプロトンを含む溶液に浸漬し、これを1〜6時間加熱還流し、次いで、溶液を新しいもの交換した後、更に6〜12時間加熱還流することにより、イオン交換効率を高めることが可能となる。
イオン交換処理により、結晶性アルミノシリケート中のアルカリ金属等の対カチオンのほぼ全てをアンモニウムイオン及び/又はプロトンに交換することが可能である。一方、結晶性アルミノシリケート内に包含される有機テンプレートについては、上記のイオン交換処理によりその一部が除去されるが、同処理を繰り返し行っても、その全てを除去することは一般に困難であり、その一部が結晶性アルミノシリケート内部に残留する。
イオン交換処理後の結晶性アルミノシリケートは、乾燥を目的として、350℃以下の温度、好ましくは100℃以下、より好ましくは80℃以下の温度で加熱することができる。このときの雰囲気は、窒素雰囲気下、又は、空気中などの分子状酸素を含む雰囲気下とすることができる。上記の加熱によりイオン交換処理後の結晶性アルミノシリケートを乾燥することができ、取扱い性を向上させることができる。
こうして本発明に係るZSM−22ゼオライトが得られる。
本発明に係るZSM−22ゼオライトは、焼成粉の粉末X線回折パターンにおいて、2θ=8.1±0.5°に現れるピーク強度Iと2θ=20.3±0.5°に現れるピーク強度Iとの強度比I/Iが1以下である。
粉末X線回折パターンは、測定装置として「X線回折装置RINT2500」(リガク社製)を用い、線源Cu−Kα線、50kV、200mAという条件で測定される。
ゼオライトの粉末X線回折パターンにおいて、2θ=8.1°のピークが110面、20.3°のピークが021面の結晶を示す。ZSM−22ゼオライトにおいては、110面が長軸方向(L)、021面が短軸方向(D)の結晶性を示す指標と考えられる。強度比I/Iが1以下である場合、ZSM−22ゼオライトが微結晶であることを示唆するものと考えられる。
微結晶の観点から、上記強度比I/Iが0.9以下であることが好ましく、0.7以下であることがより好ましい。
本発明に係るZSM−22ゼオライトは、焼成粉の窒素吸着測定法により求めた外表面積が40m/g以上であるが、分解反応を抑制する観点から、外表面積が50m/g以上であることが好ましく、70m/g以上であることがより好ましい。
上記外表面積は、液体窒素温度(−196℃)で測定した窒素の物理吸着脱離等温線を解析、具体的には、液体窒素温度(−196℃)で測定した窒素の吸着等温線をt−plot法により解析することにより、ZSM−22ゼオライトの単位質量当りの外表面積として算出される。
本発明に係るZSM−22ゼオライトは、焼成粉の窒素吸着測定法により求めたミクロ細孔容積が0.01〜0.11cm/gであるが、分解反応を抑制する観点から、ミクロ細孔容積が0.01〜0.10cm/gであることが好ましく、0.01〜0.05cm/gであることがより好ましい。
上記ミクロ細孔容積は、液体窒素温度(−196℃)で測定した窒素の物理吸着脱離等温線を解析、具体的には、液体窒素温度(−196℃)で測定した窒素の吸着等温線をt−plot法により解析することにより、ZSM−22ゼオライトの単位質量当りのミクロ細孔容積として算出される。
焼成粉の調製条件は、ZSM−22ゼオライトが触媒の担体材料として用いられる場合、ZSM−22ゼオライトが含まれる担体材料を加熱するときの条件を設定することができる。例えば、触媒の担体材料としてZSM−22ゼオライトとバインダーとが含まれる混合物を成形した成形体を用いる場合は、当該成形体を焼成するときの加熱条件を選択することができる。
本発明に係るZSM−22ゼオライトは、60℃で乾燥し、続いて窒素雰囲気下、300℃にて3時間焼成して得られる焼成粉の窒素吸着測定法により求めた外表面積が、40m/g以上であることが好ましく、50m/g以上であることがより好ましく、70m/g以上であることが更により好ましい。また、60℃で乾燥し、続いて窒素雰囲気下、300℃にて3時間焼成して得られる焼成粉の窒素吸着測定法により求めたミクロ細孔容積が、0.01〜0.11cm/gであることが好ましく、0.01〜0.10cm/gであることがより好ましく、0.01〜0.05cm/gであることが更により好ましい。
<本発明の第2実施形態に係る水素化異性化触媒>
第2実施形態に係る水素化異性化触媒は、特定の方法によって製造されることでその特徴が付与される。以下、第2実施形態に係る水素化異性化触媒について、その好ましい製造の態様に沿って説明する。
本実施形態の水素化異性化触媒の製造方法は、上記の本発明に係るZSM−22ゼオライト、又は上記の本発明に係るZSM−22ゼオライトを350℃以下の温度で加熱した加熱済ZSM−22ゼオライト(以下、これらを「ZSM−22ゼオライト」という)が含まれる担体材料を250〜350℃の温度で焼成して担体前駆体を得る第1工程と、担体前駆体に白金塩及び/又はパラジウム塩を含ませた触媒前駆体を、分子状酸素を含む雰囲気下、350〜400℃の温度で焼成して、ZSM−22ゼオライトが含まれる担体と該担体上に担持された白金及び/又はパラジウムとを有する水素化異性化触媒を得る第2工程とを備える。
第1工程では、担体材料としてZSM−22ゼオライトとバインダーとが含まれる混合物を、250〜350℃の温度で焼成して担体前駆体を得ることが好ましい。このときの雰囲気は、窒素雰囲気下、又は、空気中などの分子状酸素を含む雰囲気下とすることができる。
ZSM−22ゼオライトとバインダーとが含まれる混合物は、上記の方法にて得られたZSM−22ゼオライトに、バインダーである無機酸化物を配合し、得られる組成物を成形したものが好ましい。無機酸化物をZSM−22ゼオライトに配合する目的は、成形体の焼成によって得られる担体(特には、粒子状の担体)の機械的強度を、実用に耐えられる程度に向上することにあるが、本発明者は、無機酸化物種の選択が水素化異性化触媒の異性化選択性に影響を与えることを見出している。このような観点から、上記無機酸化物として、アルミナ、シリカ、チタニア、ボリア、ジルコニア、マグネシア、セリア、酸化亜鉛及び酸化リン並びにこれらの2種以上の組み合わせからなる複合酸化物から選択される少なくとも一種の無機酸化物が用いられる。中でも、水素化異性化触媒の異性化選択性が更に向上するとの観点から、シリカ、アルミナが好ましく、アルミナがより好ましい。また、上記「これらの2種以上の組み合わせからなる複合酸化物」とは、アルミナ、シリカ、チタニア、ボリア、ジルコニア、マグネシア、セリア、酸化亜鉛、及び酸化リンのうちの少なくとも2種の成分からなる複合酸化物であるが、複合酸化物を基準として50質量%以上のアルミナ成分を含有するアルミナを主成分とする複合酸化物が好ましく、中でもアルミナ−シリカがより好ましい。
上記組成物におけると無機酸化物との配合比率は、ZSM−22ゼオライトの質量:無機酸化物の質量の比として、好ましくは10:90〜90:10、より好ましくは30:70〜85:15である。この比が10:90よりも小さい場合には、水素化異性化触媒の活性が充分ではなくなる傾向にあるため好ましくない。一方、上記比が90:10を超える場合には、組成物を成形及び焼成して得られる担体の機械的強度が充分ではなくなる傾向にあるため好ましくない。
ZSM−22ゼオライトに上記の無機酸化物を配合する方法は特に限定されないが、例えば両者の粉末に適量の水等の液体を添加して粘ちょうな流体とし、これをニーダー等により混練する等の通常行われる方法を採用することができる。
上記ZSM−22ゼオライトと上記無機酸化物とを含む組成物或いはそれを含む粘ちょうな流体は、押出成形等の方法により成形され、好ましくは乾燥されて粒子状の成形体となる。成形体の形状としては特に限定されないが、例えば、円筒状、ペレット状、球状、三つ葉・四つ葉形の断面を有する異形筒状等が挙げられる。成形体の大きさは特に限定されないが、取り扱いの容易さ、反応器への充填密度等の観点から、例えば長軸が1〜30mm、短軸が1〜20mm程度であることが好ましい。
本実施形態においては、上記のようにして得られた成形された成形体を、N雰囲気下又は空気中、250〜350℃の温度で焼成して担体前駆体とすることが好ましい。加熱時間については、0.5〜10時間が好ましく、1〜5時間がより好ましい。
本実施形態において、上記焼成温度が250℃より低い場合は、有機テンプレートが多量に残留し、残留したテンプレートによってゼオライト細孔が閉塞する。異性化活性点は細孔ポアマウス付近に存在すると考えられており、上記の場合、細孔閉塞によって反応基質が細孔内へ拡散できなくなり、活性点が被覆されて異性化反応が進行しにくくなり、ノルマルパラフィンの転化率が充分に得られにくくなる傾向にある。一方、焼成温度が350℃を超える場合には、得られる水素化異性化触媒の異性化選択性が充分に向上しない。
成形体を焼成して担体前駆体とするときの下限温度は280℃以上が好ましい。また、上限温度は330℃以下が好ましい。
本実施形態では、上記成形体に含まれる有機テンプレートの一部が残留するように上記混合物を加熱することが好ましい。具体的には、後述の金属担持後の焼成を経て得られる水素化異性化触媒に含まれるカーボン量が0.5〜3.5質量%、好ましくは0.5〜3.0質量%、より好ましくは0.5〜2.5質量%、更により好ましくは0.8〜2.5質量%となるように加熱条件を設定することが好ましい。また、後述の金属担持後の焼成を経て得られる水素化異性化触媒の単位質量当りのミクロ細孔容積が0.02〜0.12cm/gであり、当該触媒に含有されるゼオライトの単位質量当りのミクロ細孔容積が0.01〜0.11cm/gとなるように加熱条件を設定することが好ましい。
次に、上記担体前駆体に白金塩及び/又はパラジウム塩を含ませた触媒前駆体を、分子状酸素を含む雰囲気下、350〜400℃、好ましくは380〜400℃、より好ましくは400℃の温度で焼成して、ゼオライトを含む担体に白金及び/又はパラジウムが担持された水素化異性化触媒を得る。なお、「分子状酸素を含む雰囲気下」とは、酸素ガスを含む気体、中でも好ましくは空気と接触することを意味する。焼成の時間は、0.5〜10時間であることが好ましく、1〜5時間であることがより好ましい。
白金塩としては、例えば、塩化白金酸、テトラアンミンジニトロ白金、ジニトロジアミノ白金、テトラアンミンジクロロ白金などが挙げられる。塩化物塩は反応時に塩酸が発生して装置腐食の恐れがあるため、塩化物塩以外で白金が高分散する白金塩であるテトラアンミンジニトロ白金が好ましい。
パラジウム塩としては、例えば、塩化パラジウム、テトラアンミンパラジウム硝酸塩、ジアミノパラジウム硝酸塩などが挙げられる。塩化物塩は反応時に塩酸が発生して装置腐食の恐れがあるため、塩化物塩以外でパラジウムが高分散するパラジウム塩であるテトラアンミンパラジウム硝酸塩が好ましい。
本実施形態に係るゼオライトを含む担体における活性金属の担持量は、担体の質量を基準として、0.001〜20質量%が好ましく、0.01〜5質量%がより好ましい。担持量が0.001質量%未満の場合には、所定の水素化/脱水素機能を付与することが困難となる。一方、担持量が20質量%を超える場合には、当該活性金属上での炭化水素の分解による軽質化が進行しやすくなり、目的とする留分の収率が低下する傾向にあり、さらには触媒コストの上昇を招く傾向にあるため好ましくない。
また、本実施形態に係る水素化異性化触媒が含イオウ化合物及び/又は含窒素化合物を多く含む炭化水素油の水素化異性化に用いられる場合、触媒活性の持続性の観点から、活性金属として、ニッケル−コバルト、ニッケル−モリブデン、コバルト−モリブデン、ニッケル−モリブデン−コバルト、ニッケル−タングステン−コバルト等の組み合わせを含むことが好ましい。これらの金属の担持量は、担体の質量を基準として、0.001〜50質量%が好ましく、0.01〜30質量%がより好ましい。
本実施形態では、上記担体前駆体に残留させた有機テンプレートが残留するように上記触媒前駆体を焼成することが好ましい。具体的には、後述の金属担持後の焼成を経て得られる水素化異性化触媒に含まれるカーボン量が0.5〜3.5質量%、好ましくは0.5〜3.0質量%、より好ましくは0.5〜2.5質量%、さらにより好ましくは0.8〜2.5質量%となるように加熱条件を設定することが好ましい。また、得られる水素化異性化触媒の単位質量当りのミクロ細孔容積が0.02〜0.12cm/gであり、当該触媒に含有されるゼオライトの単位質量当りのミクロ細孔容積が0.01〜0.11cm/gとなるように加熱条件を設定することが好ましい。
水素化異性化触媒のカーボン量は、酸素気流中燃焼−赤外線吸収法により分析することにより算出される。具体的には、炭素・硫黄分析装置(例えば、株式会社堀場製作所製EMIA−920V)を用いて、酸素気流中で触媒を燃焼し、赤外線吸収法にて炭素量の定量が行われる。
水素化異性化触媒の単位質量当りのミクロ細孔容積は、窒素吸着測定と呼ばれる方法にて算出される。すなわち、触媒について、液体窒素温度(−196℃)で測定した窒素の物理吸着脱離等温線を解析、具体的には、液体窒素温度(−196℃)で測定した窒素の吸着等温線をt−plot法により解析することにより、触媒の単位質量当りのミクロ細孔容積が算出される。
本発明の第2実施形態に係る水素化異性化触媒は、上記の焼成処理に続いて、好ましくは水素化異性化の反応を行う反応器に充填後に還元処理されたものであることが好ましい。具体的には、分子状水素を含む雰囲気下、好ましくは水素ガス流通下、好ましくは250〜500℃、より好ましくは300〜400℃にて、0.5〜5時間程度の還元処理が施されたものであることが好ましい。このような工程により、炭化水素油の脱蝋に対する高い活性をより確実に触媒に付与することができる。
本発明の第2実施形態に係る水素化異性化触媒が高い異性化選択性を有することができる理由について、本発明らは、以下の要件の寄与によって触媒のクラッキング能が低減されたためと考えている。すなわち、(1)本発明に係るZSM−22ゼオライトが、上記特定の有機テンプレートを用いて合成されることにより小結晶化された外表面積の大きなZSM−22ゼオライトとなり、更には有機テンプレートを含んだ状態でイオン交換されることにより1,8−ジアミノオクタンが適度に残留していること、(2)このようなZSM−22ゼオライトが含まれる担体材料を、上記活性金属の担持前に250〜350℃で加熱し、活性金属の担持後に350〜400℃で加熱することにより、焼成におけるゼオライト骨格へのスチーミングを軽減できることによって、水素異性化触媒に使用される従来の一次元10員環細孔構造を有するゼオライトよりも格段にクラッキング能が低減されたと考えられる。
<炭化水素油の脱蝋方法>
次に、本発明の炭化水素油の脱蝋方法について説明する。本発明の炭化水素油の脱蝋方法は、水素の存在下、炭素数10以上のノルマルパラフィンを含有する炭化水素油と、上記本発明に係る水素化異性化触媒とを接触させてノルマルパラフィンの一部又は全部をイソパラフィンに転化する工程を備える。
本発明の炭化水素油の脱蝋方法に供される炭化水素油(被処理油)は、炭素数10以上のノルマルパラフィンを含有するものであれば特に限定されず、好ましくは、炭素数15以上のノルマルパラフィンを含有するものである。具体的には、灯油及びジェット燃料のような比較的軽質の蒸留留分から、全ての原油、常圧蒸留残油(常圧残油)、真空塔残油、減圧蒸留残油(減圧残油)、循環油、合成原油(例えば、シェール油、タール油等)、軽油、減圧軽油、蝋下油、FT合成油から誘導される燃料留分若しくはワックス分、及び他の重油のような高沸点原料油に及ぶ様々なものが挙げられる。また、これらの炭化水素油は、ノルマルパラフィンの他に側鎖に長鎖の直鎖状アルキル基を有するナフテン系炭化水素、あるいは芳香族炭化水素からなるワックス成分を含んでいてもよい。
本発明の炭化水素油の脱蝋方法によって脱蝋される炭化水素油として特に好ましいものは、沸点が約180℃以上の炭素数10以上の炭化水素から構成される炭化水素油である。これより軽質の炭化水素油は、通常、低温における流動性に影響を与えるワックス成分を実質的に含有していないため、脱蝋を行う必要性が低く、本発明による効果が得られにくくなる。
一方、ワックス成分を含む留出原料油、すなわち軽油、灯油及びジェット燃料を包含する中間油留分原料油、潤滑油原料油、暖房用油、並びに、他の蒸留留分であって、それらの流動点及び粘度が所定の範囲内に維持される必要のある当該留分に対して本発明に係る脱蝋方法を適用することは特に有効である。このような炭化水素油としては、例えば、水素化処理又は水素化分解された軽油、重質軽油、減圧軽油、常圧残油、減圧残油、潤滑油ラフィネート、潤滑油原料、ブライトストック、スラックワックス(粗蝋)、蝋下油、脱油蝋、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、ペトロラタム、合成油、FT合成油、高流動点ポリオレフィン、直鎖αオレフィンワックスなどが挙げられる。これらは、一種を単独で又は二種以上を組み合わせて用いることができる。特に、炭化水素油としては、減圧軽油、減圧軽油水素化分解油、常圧残油、常圧残油水素化分解油、減圧残油、減圧残油水素化分解油、ブライトストック、スラックワックス、脱蝋油、パラフィンワックス、マイクロクリタリンワックス、ペトラタム及びフィッシャー・トロプシュ合成ワックスからなる群より選択される少なくとも一種であることが好ましく、常圧残油、減圧残油、減圧軽油、スラックワックス、及びフィッシャー・トロプシュ合成ワックスからなる群より選択される少なくとも一種であることがさらに好ましい。
本発明の炭化水素油の脱蝋方法において、ノルマルパラフィンの少なくとも一部をイソパラフィンに転換する際の反応条件としては下記の条件が挙げられる。
水素化異性化反応の温度は、200〜450℃が好ましく、220〜400℃がより好ましい。反応温度が200℃を下回る場合、原料である炭化水素油中に含まれるノルマルパラフィンの異性化が進行しにくくなり、ワックス成分の低減、除去が不十分になる傾向にある。一方、反応温度が450℃を超える場合、炭化水素油の分解が顕著となり、目的とする炭化水素の収率が低下する傾向にある。
水素化異性化反応の圧力は、0.1〜20MPaが好ましく、0.5〜15MPaがより好ましい。反応圧力が0.1MPaを下回る場合、コーク生成による触媒の劣化が早まる傾向にある。一方、反応圧力が20MPaを超える場合、装置建設コストが高くなるため経済的なプロセスを実現しにくくなる傾向にある。
炭化水素油の触媒に対する液空間速度は、0.01〜100h−1が好ましく、0.1〜50h−1がより好ましい。液空間速度が0.01h−1未満の場合、炭化水素油の分解が過度に進行しやすくなり、目的とする炭化水素の生産効率が低下する傾向にある。一方、液空間速度が100h−1を超える場合、炭化水素油中に含まれるノルマルパラフィンの異性化が進行しにくくなり、ワックス成分の低減、除去が不十分になる傾向にある。
水素と炭化水素油との供給比率は、100〜1000Nm/mが好ましく、200〜800Nm/mがより好ましい。供給比率が100Nm/m未満の場合、例えば原料油が硫黄、窒素化合物を含む場合、異性化反応と併発する脱硫、脱窒素反応により発生する硫化水素、アンモニアガスが触媒上の活性金属を吸着被毒するため、所定の触媒性能が得られにくくなる傾向にある。一方、供給比率が1000Nm/mを超える場合、大きな能力の水素供給設備を必要とするため経済的なプロセスを実現しにくくなる傾向にある。
本発明の炭化水素油の脱蝋方法における水素化異性化反応のノルマルパラフィンの転化率は、得られる炭化水素の用途に応じて適宜調節される。
<炭化水素の製造方法>
本発明の炭化水素の製造方法は、水素の存在下、炭素数10以上のノルマルパラフィンを含有する炭化水素原料油を、上記本発明に係る水素化異性化触媒に接触させる工程を備える。本発明の炭化水素の製造方法に供される炭化水素原料油は、上述した炭化水素油を用いることができる。また、上記工程における反応条件は、上記炭化水素油の脱蝋方法における反応条件が好ましい。
<潤滑油基油の製造方法>
次に、本発明の潤滑油基油の製造方法について説明する。本発明の潤滑油基油の製造方法は、水素の存在下、炭素数10以上のノルマルパラフィンを含有する炭化水素原料油と、上記本発明に係る水素化異性化触媒とを、下記式(I)で定義される前記ノルマルパラフィンの転化率が実質的に100質量%となる条件で接触させることを特徴とする。
Figure 0006038779

式(I)中、Cnは、接触前の炭化水素原料油中に含まれる炭素数10以上のノルマルパラフィンのうちで最小の炭素数を示す。
ここで、「転化率が実質的に100質量%」とは、接触後の炭化水素油中に含まれるノルマルパラフィンの含有量が0.1質量%以下であることを意味する。
本発明に係る潤滑油基油の製造方法に供される炭化水素原料油は、炭素数10以上のノルマルパラフィンを含有するものであれば特に限定されないが、好ましくは、所望する潤滑油基油の初留点よりも高い初留点を有する炭化水素油を含むことが好ましい。このような原料油としては、常圧換算の沸点が360℃を超える留分である石油留分、合成油・ワックスなどが好適であり、具体的には、常圧残油、重質軽油、減圧残油、減圧軽油、潤滑油ラフィネート、ブライトストック、スラックワックス(粗蝋)、蝋下油、脱油蝋、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、ペトロラタム、合成油、FT合成油、FT合成ワックス、高流動点ポリオレフィン、直鎖αオレフィンワックスなどが挙げられる。特に、常圧残油、減圧軽油、減圧残油、スラックワックス、FT合成油、FT合成ワックスを用いることが好ましい。これらは、一種を単独で、又は二種以上を組み合わせて用いることができる。さらに、これらの油は、水素化処理又は軽度の水素化分解を施されたものであることが好ましい。これらの処理により、含硫黄化合物、含窒素化合物等の水素化異性化触媒の活性低下をもたらす物質、及び芳香族炭化水素、ナフテン系炭化水素等の潤滑油基油の粘度指数を低下する物質を低減あるいは除去することができる。
上記の比較的重質の炭化水素油を原料油とし、これを水素存在下、本発明に係る水素化異性化触媒と接触させることにより、炭化水素油中に含まれるノルマルパラフィンの異性化、すなわち炭化水素油の脱蝋反応を、軽質化を十分抑制しつつ進行させることができる。これにより、常圧換算の沸点が360℃を超える留分の割合が90容量%以上である炭化水素を高い収率で得ることができる。また、本発明に係る潤滑油基油の製造方法によれば、分岐鎖構造を有する異性体を多く含む基油を得ることができる。特に、高品質の潤滑油基油に対しては、ノルマルパラフィン含有量が0.1質量%以下であること要求されるが、本発明に係る基油の製造方法によれば、この要求レベルを満たす潤滑油基油を高収率で得ることができる。
本発明に係る潤滑油基油の製造方法における反応条件は、上記炭化水素油の脱蝋方法における反応条件が好ましい。
ノルマルパラフィンを含む炭化水素原料油の水素化異性化においては、通常、例えば反応温度を高めることにより、ノルマルパラフィンの転化率を上昇させることができ、得られる反応生成物中のノルマルパラフィン含有量を低くすることができるので、炭化水素油の低温流動性を向上させることができる。しかし、反応温度を高めると、原料の炭化水素油及び異性化生成物の分解反応が促進されるので、ノルマルパラフィンの転化率の上昇とともに軽質留分が増加する。この軽質留分の増加は、炭化水素油の粘度指数を低下させる原因となることから、潤滑油基油としての性能を所定の範囲に収めるためには、蒸留等によりこの軽質留分を分離、除去する必要がある。特に、米国石油協会(API(American Petroleum Institute))の潤滑油グレードの分類によるグループII(粘度指数80以上120未満、かつ、飽和分90質量%以上、かつ、硫黄分含有量0.03質量%以下)、グループIII(粘度指数120以上、かつ、飽和分90質量%以上、かつ、硫黄分含有量0.03質量%以下)、グループIII+(粘度指数140以上、かつ、飽和分90質量%以上、かつ、硫黄分含有量0.03質量%以下)等の高性能の潤滑油基油を上記炭化水素原料油の接触脱蝋によって製造する場合には、原料である炭化水素油中のノルマルパラフィン転化率を実質的に100%とする必要がある。従来の接触脱蝋用触媒を用いた潤滑油基油の製造方法では、ノルマルパラフィン転化率を実質的に100%とする条件では、上記高性能の潤滑油基油の収率は極端に低いものとなる。これに対して、本発明に係る潤滑油基油の製造方法によれば、ノルマルパラフィン転化率を実質的に100%となる条件で水素化処理工程を行った場合であっても、上記高性能の潤滑油基油の収率を高水準に維持することができる。
本発明の炭化水素油の脱蝋方法、炭化水素の製造方法及び潤滑油基油の製造方法を実施するための設備については特に限定されず、公知のものを使用することができる。反応設備としては、連続流通式、回分式、半回分式のいずれであってもよいが、生産性、効率の観点から連続流通式が好ましい。触媒層は、固定床、流動床、攪拌床のいずれであってもよいが、設備費用等の面から固定床が好ましい。反応相は気液混相であることが好ましい。
本発明の炭化水素油の脱蝋方法、炭化水素の製造方法及び潤滑油基油の製造方法においては、上記水素化異性化反応による脱蝋工程の前段階として、供給原料の炭化水素油を水素化処理又は水素分解処理してもよい。その設備、触媒、反応条件は公知のものが使用される。これらの前処理を実施することにより、本発明に係る水素化異性化触媒の活性をより長期間に亘って維持することができ、また、生成物中の含硫黄及び含窒素化合物などの環境負荷物質を低減することができる。
また、本発明の炭化水素の製造方法及び潤滑油基油の製造方法においては、上記炭化水素原料油を上記本発明に係る水素化異性化触媒に接触させる接触脱蝋を経て得られる反応生成物を、例えば水素化仕上げ(hydrofinishing)によって、更に処理することができる。水素化仕上げは、一般的に、水素存在下、担持金属水素化触媒(例えば、アルミナ又はシリカアルミナに担持された白金及び/又はパラジウム)に被仕上げ物を接触させることにより実施できる。このような水素化仕上げを行うことにより、脱蝋工程で得られた反応生成物の色相、酸化安定性等が改良され、製品の品質を向上させることができる。水素化仕上げは、上記脱蝋工程とは別の反応設備において実施してもよいが、脱蝋工程を行う反応器内に設けられた本発明に係る水素化異性化触媒の触媒層の下流側に水素化仕上げ用の触媒層を設けて、上記脱蝋工程に続けて行ってもよい。
なお、通常、異性化とは炭素数(分子量)が変化することなく、分子構造のみ変化する反応をいい、分解とは炭素数(分子量)の低下を伴う反応をいう。異性化反応を利用した接触脱蝋反応においては、原料の炭化水素油及び異性化生成物の分解がある程度起きても、その生成物の炭素数(分子量)が、目的とする基油を構成することが許容される所定の範囲内に収まればよく、分解生成物が基油の構成成分となっていてもよい。
[水素化異性化触媒の製造]
(実施例A−1)
<ZSM−22ゼオライトの製造>
Si/Al比が45である結晶性アルミノシリケートからなるZSM−22ゼオライト(以下、「ZSM−22」ということがある。)を以下の手順で水熱合成により製造した。
まず、下記の4種類の水溶液を調製した。
溶液A:1.94gの水酸化カリウムを6.75mLのイオン交換水に溶解したもの。
溶液B:1.33gの硫酸アルミニウム18水塩を5mLのイオン交換水に溶解したもの。
溶液C:4.18gの1,6−ヘキサンジアミン(有機テンプレート)を32.5mLのイオン交換水にて希釈したもの。
溶液D:18gのコロイダルシリカ(Grace Davison社製Ludox AS−40)を31mLのイオン交換水にて希釈したもの。
次に、溶液Aを溶液Bに加え、アルミニウム成分が完全に溶解するまで攪拌を行った。
この混合溶液に溶液Cを加えた後、室温にて激しく攪拌しながら、溶液A、B、Cの混合物を溶液Dに注入した。更に、ここへ結晶化を促進する「種結晶」として、別途合成され、合成後に何ら特別な処理が行われていないZSM−22の粉末を0.25g添加し、ゲル状物を得た。
上記の操作にて得たゲル状物を、内容積120mLのステンレス鋼製オートクレーブ反応器に移し、150℃のオーブン中で60時間、約60rpmの回転速度でオートクレーブ反応器をタンブリング装置上で回転させ、水熱合成反応を行った。反応終了後、反応器を冷却後開放し、60℃の乾燥器中で一夜乾燥して、Si/Al比が45であるZSM−22を得た。
<有機テンプレートを含有するZSM−22のイオン交換>
上記で得られたZSM−22について、以下の操作によりアンモニウムイオンを含む水溶液でイオン交換処理を行った。
上記にて得られたZSM−22をフラスコ中に取り、ZSM−22ゼオライト1g当り100mLの0.5N−塩化アンモニウム水溶液を加え、6時間加熱環流した。これを室温まで冷却した後、上澄み液を除去し、結晶性アルミノシリケートをイオン交換水で洗浄した。ここに、上記と同量の0.5N−塩化アンモニウム水溶液を再び加え、12時間加熱環流した。
その後、固形分をろ過により採取し、イオン交換水で洗浄し、60℃の乾燥器中で一晩乾燥して、イオン交換されたNH型ZSM−22を得た。このZSM−22は、有機テンプレートを含んだ状態でイオン交換されたものである。
<バインダー配合、成型、焼成>
上記で得たNH型ZSM−22と、バインダーであるアルミナとを質量比7:3にて混合し、ここに少量のイオン交換水を添加して混錬した。得られた粘ちょうな流体を押出成型機に充填、成型し、直径約1.6mm、長さ約10mmの円筒状の成型体を得た。この成型体を、N雰囲気下、300℃にて3時間加熱して、担体前駆体を得た。
<白金担持、焼成>
テトラアンミンジニトロ白金[Pt(NH](NOを、担体前駆体のあらかじめ測定した吸水量に相当するイオン交換水に溶解して含浸溶液を得た。この溶液を、上記の担体前駆体に初期湿潤法により含浸し、ZSM−22ゼオライトの質量に対して、0.3質量%の白金量となるように担持を行った。次に、得られた含浸物(触媒前駆体)を60℃の乾燥中で一晩乾燥した後、空気流通下、400℃で3時間焼成して、カーボン量が0.56質量%である水素化異性化触媒E−A1を得た。なお、カーボン量は、堀場製作所製EMIA−920Vを使用して、酸素気流中燃焼−赤外線吸収法で測定した。
更に、得られた水素化異性化触媒の単位質量当りのミクロ細孔容積を以下の方法で算出した。まず、水素化異性化触媒に吸着した水分を除去するため、150℃、5時間の真空排気する前処理を行った。この前処理後の水素化異性化触媒について、日本ベル(株)社製 BELSORP−maxを使用して液体窒素温度(−196℃)で窒素吸着測定を行った。そして、測定された窒素の吸着等温線をt−plot法にて解析し、水素化異性化触媒の単位質量当りのミクロ細孔容積(cm/g)を算出した。
更に、触媒に含有されるゼオライトの単位質量当りのミクロ細孔容積Vを下記式に従って算出した。なお、バインダーとして用いたアルミナについて上記と同様に窒素吸着測定を行ったところ、アルミナがミクロ細孔を有さないことが確認された。
=V/M×100
式中、Vは水素化異性化触媒の単位質量当りのミクロ細孔容積を示し、Mは触媒に含有されるゼオライトの含有割合(質量%)を示す。
得られた結果を表1に示す。
(実施例A−2)
成型体を、N雰囲気下、350℃にて3時間加熱して担体前駆体を得たこと以外は実施例A−1と同様にして、カーボン量が0.47質量%である水素化異性化触媒E−A2を得た。
(実施例A−3)
成型体を、N雰囲気下、250℃にて3時間加熱して担体前駆体を得たこと以外は実施例A−1と同様にして、カーボン量が0.70質量%である水素化異性化触媒E−A3を得た。
(実施例A−4)
触媒前駆体を、空気流通下、380℃にて3時間加熱して触媒を得たこと以外は実施例A−1と同様にして、カーボン量が0.62質量%である水素化異性化触媒E−A4を得た。
(実施例A−5)
触媒前駆体を、空気流通下、350℃にて3時間加熱して触媒を得たこと以外は実施例A−1と同様にして、カーボン量が0.81質量%である水素化異性化触媒E−A5を得た。
(実施例A−6)
成型体を、N雰囲気下、250℃にて3時間加熱して担体前駆体を得て、触媒前駆体を、空気流通下、350℃にて3時間加熱して触媒を得たこと以外は実施例A−1と同様にして、カーボン量が2.17質量%である水素化異性化触媒E−A6を得た。
(実施例A−7)
実施例A−1と同様にして、担体前駆体を得た。その後、テトラアンミンパラジウム硝酸塩[Pd(NH](NOを、担体前駆体のあらかじめ測定した吸水量に相当するイオン交換水に溶解して含浸溶液を得た。この溶液を、上記の担体前駆体に初期湿潤法により含浸し、ZSM−22ゼオライトの質量に対して、0.3質量%のパラジウム量となるように担持を行った。次に、得られた含浸物(触媒前駆体)を60℃の乾燥中で一晩乾燥した後、空気流通下、400℃で3時間焼成して、カーボン量が0.51質量%である水素化異性化触媒E−A7を得た。
(実施例A−8)
<ZSM−48ゼオライトの製造>
有機テンプレートを含むSi/Al比が45であるZSM−48ゼオライト(以下、「ZSM−48」ということもある。)は、Applied Catalysis A:General vol.299(2006)167−174に基づき合成した。
まず、下記の4種類の試薬を用意した。
試薬E:2.97gの水酸化ナトリウム。
試薬F:0.80gの硫酸アルミニウム18水塩。
試薬G:26.2gの1,6−ヘキサンジアミン(有機テンプレート)。
試薬H:0.9mlの98%硫酸溶液
試薬I:75gのコロイダルシリカ(Grace Davison社製Ludox AS−40)水溶液(SiO濃度は40%)。
次に、180mgのイオン交換水に上記の試薬E、F、G、H、Iを加え、常温で2時間攪拌して完全に溶解させた。
上記の操作にて得たゲル状物を、内容積100mLのステンレス鋼製オートクレーブ反応器に移し、160℃のオーブン中で60時間、約60rpmの回転速度でオートクレーブ反応器をタンブリング装置上で回転させ、水熱合成反応を行った。反応終了後、反応器を冷却後開放し、60℃の乾燥器中で一夜乾燥して、Si/Al比が45のZSM−48を得た。
<有機テンプレートを含有するZSM−48のイオン交換>
有機テンプレートを含有するZSM−22に代えて上記にて得られた有機テンプレートを含有するZSM−48を用いた以外は、実施例A−1のZSM−22のイオン交換と同様の操作により、イオン交換されたNH型ZSM−48を得た。
NH型ZSM−22に代えて上記で得られたNH型ZSM−48を用いたこと以外は実施例A−1と同様の操作により、成型体の作成及び加熱並びに触媒前駆体の調製及び焼成を行って、カーボン量が0.43質量%である水素化異性化触媒E−A8を得た。
(実施例A−9)
<SSZ−32ゼオライトの製造>
JP2006−523136号公報に記載の方法に準拠して、以下の手順で水熱合成により、SSZ−32ゼオライト(以下、「SSZ−32」ということもある。)を製造した。
水酸化ナトリウム、硫酸アルミニウム、コロイダルシリカ、イソブチルアミン、N−メチル−N'−イソプロピル−イミダソリウムカチオンを下記のモル比で混合して調製した。
SiO/Al=35、
イソブチルアミンとN−メチル−N'−イソプロピル−イミダソリウムカチオンの合計量がSiOの0.2倍
上記の操作にて得たゲル状物を、内容積100mLのステンレス鋼製オートクレーブ反応器に移し、160℃のオーブン中で60時間、約60rpmの回転速度でオートクレーブ反応器をタンブリング装置上で回転させ、水熱合成反応を行った。反応終了後、反応器を冷却後開放し、60℃の乾燥器中で一夜乾燥して、Si/Al比が45のSSZ−32を得た。
<有機テンプレートを含有するSSZ−32のイオン交換>
有機テンプレートを含有するZSM−22に代えて上記にて得られた有機テンプレートを含有するSSZ−32を用いた以外は、実施例A−1のZSM−22のイオン交換と同様の操作により、イオン交換されたNH型SSZ−32を得た。
NH型ZSM−22に代えて上記で得られたNH型SSZ−32を用いたこと以外は実施例A−1と同様の操作により、成型体の作成及び加熱並びに触媒前駆体の調製及び焼成を行って、カーボン量が0.50質量%である水素化異性化触媒E−A9を得た。
(比較例A−1)
成型体を、空気流通下、400℃にて3時間加熱して担体前駆体を得たこと以外は実施例A−1と同様にして、カーボン量が0.28質量%である水素化異性化触媒CE−A1を得た。
(比較例A−2)
成型体を、N雰囲気下、400℃にて3時間加熱して担体前駆体を得たこと以外は実施例A−1と同様にして、カーボン量が0.37質量%である水素化異性化触媒CE−A2を得た。
(比較例A−3)
成型体を、N雰囲気下、450℃にて3時間加熱して担体前駆体を得たこと以外は実施例A−1と同様にして、カーボン量が0.33質量%である水素化異性化触媒CE−A3を得た。
(比較例A−4)
触媒前駆体を、空気流通下、300℃で3時間焼成したこと以外は実施例A−1と同様にして、カーボン量が2.68質量%である水素化異性化触媒CE−A4を得た。
(比較例A−5)
触媒前駆体を、空気流通下、450℃で3時間焼成したこと以外は実施例A−1と同様にして、カーボン量が0.30質量%である水素化異性化触媒CE−A5を得た。
[触媒の異性化選択性の評価]
上記により得られた実施例及び比較例の各触媒について、炭化水素の水素化異性化反応における触媒の異性化選択性を下記試験で評価した。なお、本試験においては、炭化水素としてn−ヘキサデカン(nC16)を用い、下記の反応装置及び下記の反応条件で水素化異性化反応を行い、得られた反応生成物を分析することにより異性化選択性を評価した。
<反応装置>
反応装置として、内径2.1cm、長さ30cmのステンレス鋼製管からなる固定床型マイクロリアクターを用意した。このマイクロリアクターは、触媒活性化用の酸素ガス及び水素ガス、パージ用の窒素ガス、そして反応原料であるノルマルヘキサデカンが、バルブにより切り替えられて供給されるようになっている。反応は、上記ステンレス鋼製管の最下部に5mgの触媒を充填して、気相で行われる。反応生成物ガスは、マイクロリアクターの下流に設けられた、圧力が制御されたサンプリングバルブにより採取され、ジメチルポリシロキサンを固定相とするマルチキャピラリーカラムが備えられたガスクロマトグラフ装置(GC)に送られて分析される。
<反応条件>
水素存在下でのノルマルヘキサデカンの異性化反応は下記の条件により行った。
原料ノルマルヘキサデカン : ナカライテスク製(純度99%以上)
反応圧力 : 0.20MPa
水素/ノルマルヘキサデカン比: 60モル/モル
反応温度 : 280℃
なお、本試験では、触媒の異性化選択性の優劣を評価する目的で、空間速度を調整して下記式(1)で求められるノルマルヘキサデカン転化率が同じ(95%)になるようにした。
ノルマルヘキサデカン(nC16)転化率(質量%)=[100−反応生成物中のノルマルヘキサデカン含有率(質量%)] …(1)
<異性化選択性の評価>
反応生成物中のC16イソパラフィンの含有量(質量%)を求め、これを水素化異性化触媒の異性化選択率(%)とした。結果を表1に示す。
Figure 0006038779
(実施例A−10〜A−18、比較例A−6〜A−10)
実施例A−1〜A−9及び比較例A−1〜A−5で得られた触媒をそれぞれ用い、ワックスの脱蝋及び潤滑油基油留分の分離・回収を行った。
(ワックスの脱蝋)
内径15mm、長さ380mmのステンレス鋼製反応管に成形触媒を100ml充填し、触媒層平均温度350℃、水素流通下(水素分圧3MPa)で12時間還元処理を行った。その後、原料としての石油系スラックワックス(炭素数分布C10〜C40、組成を図1に示す)を、反応温度315〜340℃、水素分圧3MPa、LHSV 1.0h−1、水素/油比500NL/Lの条件にて通油して、水素化異性化反応による脱蝋処理を開始した。72時間反応後、反応生成物を採取、分析した。なお、図1中、Aは非ノルマルパラフィン量を示し、Bはノルマルパラフィン量を示す。
その後、水素分圧、LHSV、水素/油比はそのままに、反応温度を段階的に約350℃まで高め、原料油転化率を増加させた。それぞれの反応温度にて72時間反応し、安定化したところでそれぞれの反応生成物の採取、分析を行った。
(潤滑油基油留分の分離・回収)
上記各反応生成物の分析結果を基に、上記式(I)で定義されるノルマルパラフィン転化率が100%となった反応温度で得られた各反応生成物について、下記の操作により分留を行い下記に示す潤滑油基油留分を分離回収した。
上記ノルマルパラフィン転化率が100%となった各反応温度における反応生成物を、まずナフサと、灯軽油留分と、重質留分とにそれぞれ分留した。更に、重質留分を分留することで、沸点範囲が330〜410℃、100℃における動粘度が2.7±0.1mm/sである潤滑油基油留分(以下、「潤滑油基油留分1」という。)及び沸点範囲が410〜450℃、100℃における動粘度が4.0±0.1mm/sの範囲にある潤滑油基油留分(以下、「潤滑油基油留分2」という。)を得た。そして、潤滑油基油留分2の流動点が−22.5℃以下、且つ粘度指数が140以上となる最も低い反応温度をTc(℃)とした。この反応温度Tcにおける潤滑油基油留分1及び2の収率並びに潤滑油基油留分2の性状を表2に示す。
Figure 0006038779
E−A1〜E−A9の異性化触媒を用いた実施例A−10〜A−18では、石油系スラックワックスから、流動点が十分に低く且つ粘度指数が十分に高い潤滑油基油留分2を高い収率で得られることが確認された。一方、成型体の加熱条件が空気下、400℃であるCE−A1の異性化触媒を用いた比較例A−6、及び、成型体の加熱条件がN下であっても温度が400℃以上であるCE−A2、CE−A3の異性化触媒をそれぞれ用いた比較例A−7、8では、潤滑油基油留分2の収率が実施例よりも下回る結果となった。また、触媒前駆体の焼成条件が300℃であるCE−A4の異性化触媒を用いた比較例A−9、及び、触媒前駆体の焼成条件が450℃であるCE−A5の異性化触媒を用いた比較例A−10においても、潤滑油基油留分2の収率が実施例よりも下回る結果となった。
[ZSM−22ゼオライトの製造]
(調製例1)
まず、下記の4種類の水溶液を調製した。
溶液A:1.94gの水酸化カリウムを6.75mLのイオン交換水に溶解した水溶液。
溶液B:1.33gの硫酸アルミニウム18水塩を5mLのイオン交換水に溶解した水溶液。
溶液C:5.39gの1,8−ジアミノオクタン(有機テンプレート、「1,8−DAO」と略称する)を32.5mLのイオン交換水にて希釈した水溶液。
溶液D:18gのコロイダルシリカ(Grace Davison社製Ludox AS−40)を31mLのイオン交換水にて希釈した水溶液。
次に、溶液Aを溶液Bに加え、アルミニウム成分が完全に溶解するまで攪拌を行った。この混合溶液に溶液Cを加えた後、室温にて激しく攪拌しながら、溶液A、B、Cの混合物を溶液Dに注入した。更に、ここへ結晶化を促進する「種結晶」として、別途合成され、合成後に何ら特別な処理が行われていないZSM−22ゼオライト(1,6−ジアミノヘキサンを有機テンプレートとして水熱合成されたゼオライト)の粉末を0.25g添加し、ゲル状物を得た。
上記の操作にて得たゲル状物を、内容積120mLのステンレス鋼製オートクレーブ反応器に移し、150℃のオーブン中で60時間、約60rpmの回転速度でオートクレーブ反応器をタンブリング装置上で回転させ、水熱合成反応を行った。反応終了後、反応器を冷却後開放し、60℃の乾燥器中で一夜乾燥して、Si/Al比が45であるZSM−22を得た。
<有機テンプレートを含有するZSM−22ゼオライトのイオン交換>
上記で得られたZSM−22ゼオライトについて、以下の操作によりアンモニウムイオンを含む水溶液でイオン交換処理を行った。
上記にて得られたZSM−22ゼオライトをフラスコ中に取り、ZSM−22ゼオライト1g当り100mLの0.5N−塩化アンモニウム水溶液を加え、6時間加熱環流した。これを室温まで冷却した後、上澄み液を除去し、結晶性アルミノシリケートをイオン交換水で洗浄した。ここに、上記と同量の0.5N−塩化アンモニウム水溶液を再び加え、12時間加熱環流した。
その後、固形分をろ過により採取し、イオン交換水で洗浄し、60℃の乾燥器中で一晩乾燥して、イオン交換されたNH型ZSM−22ゼオライトを得た(以下、NH型ZSM−22ゼオライト(1,8−DAO)という)。このZSM−22ゼオライトは、有機テンプレートである1,8−DAOを含んだ状態でイオン交換されたものである。
(比較調製例1)
溶液Cとして、4.18gの1,6−ジアミノヘキサン(有機テンプレート、「1,6−DAH」と略称する)を32.5mLのイオン交換水にて希釈した水溶液を用いたこと以外は調製例1と同様にして、イオン交換されたNH型ZSM−22ゼオライトを得た(以下、NH型ZSM−22ゼオライト(1,6−DAH)という)。
<粉末X線回折パターン、外表面積及びミクロ細孔容積の測定>
上記で得られたNH型ZSM−22ゼオライト(1,8−DAO)及びNH型ZSM−22ゼオライト(1,6−DAH)をそれぞれ60℃で乾燥し、続いて表5に示す成形体の焼成条件と同じ条件で焼成して焼成粉とした。得られた焼成粉について、以下の方法に従って粉末X線回折パターン、外表面積及びミクロ細孔容積を測定した。
[粉末X線回折パターン]
測定装置として「X線回折装置RINT2500」(リガク社製)を用い、線源Cu−Kα線、50kV、200mAという条件で、ゼオライトの焼成粉のX線回折測定を行った。得られた粉末X線回折パターンを図2及び3に示す。図2は、NH型ZSM−22ゼオライト(1,8−DAO)の焼成粉の粉末X線回折パターンを示し、図3は、NH型ZSM−22ゼオライト(1,6−DAH)の焼成粉の粉末X線回折パターンを示す。
NH型ZSM−22ゼオライト(1,8−DAO)の焼成粉の粉末X線回折パターンにおいて2θ=8.1±0.5°の範囲に現れるピーク強度Iと2θ=20.3±0.5°の範囲に現れるピーク強度Iとの強度比I/Iは0.62であった。一方、NH型ZSM−22ゼオライト(1,6−DAH)の焼成粉の粉末X線回折パターンにおける強度比I/Iは1.15であった。
Figure 0006038779
ゼオライトの粉末X線回折パターンにおいて、2θ=8.1°のピークが110面、20.3°のピークが021面の結晶を示す。ZSM−22ゼオライトにおいては、110面が長軸方向(L)、021面が短軸方向(D)の結晶性を示す指標と考えられる。NH型ZSM−22ゼオライト(1,8−DAO)の強度比I/Iは0.62と、NH型ZSM−22ゼオライト(1,6−DAH)の1.15に比べて小さく、これは微結晶であることを示唆するものと考えられる。
[外表面積及びミクロ細孔容積]
まず、ゼオライトの焼成粉に吸着した水分を除去するため、150℃、5時間の真空排気する前処理を行った。この前処理後の焼成粉について、日本ベル(株)社製 BELSORP−maxを使用して液体窒素温度(−196℃)で窒素吸着測定を行った。そして、測定された窒素の吸着等温線をt−plot法にて解析し、焼成粉の単位質量当りのミクロ細孔容積(cm/g)を算出した。得られた結果を下記表に示す。
Figure 0006038779
[水素化異性化触媒の製造]
(実施例B−1)
<バインダー配合、成形、焼成>
上記で得たNH型ZSM−22(1,8−DAO)と、バインダーであるアルミナとを質量比7:3にて混合し、ここに少量のイオン交換水を添加して混錬した。得られた粘ちょうな流体を押出成型機に充填、成形し、直径約1.6mm、長さ約10mmの円筒状の成形体を得た。この成形体を、N雰囲気下、300℃にて3時間加熱して、担体前駆体を得た。
<白金担持、焼成>
テトラアンミンジニトロ白金[Pt(NH](NOを、担体前駆体のあらかじめ測定した吸水量に相当するイオン交換水に溶解して含浸溶液を得た。この溶液を、上記の担体前駆体に初期湿潤法により含浸し、ZSM−22ゼオライトの質量に対して、0.3質量%の白金量となるように担持を行った。次に、得られた含浸物(触媒前駆体)を60℃の乾燥中で一晩乾燥した後、空気流通下、400℃で3時間焼成して、カーボン量が1.50質量%である水素化異性化触媒E−B1を得た。なお、カーボン量は、堀場製作所製EMIA−920Vを使用して、酸素気流中燃焼−赤外線吸収法で測定した。
(実施例B−2)
成形体を、空気雰囲気下、350℃にて3時間加熱して担体前駆体を得たこと以外は実施例B−1と同様にして、カーボン量が2.21質量%である水素化異性化触媒E−B2を得た。
(実施例B−3)
成形体を、N雰囲気下、250℃にて3時間加熱して担体前駆体を得たこと以外は実施例B−1と同様にして、カーボン量が1.47質量%である水素化異性化触媒E−B3を得た。
(実施例B−4)
触媒前駆体を、空気雰囲気下、380℃にて3時間加熱して触媒を得たこと以外は実施例B−1と同様にして、カーボン量が0.89質量%である水素化異性化触媒E−B4を得た。
(実施例B−5)
実施例B−1と同様にして、担体前駆体を得た。その後、テトラアンミンパラジウム硝酸塩[Pd(NH](NOを、担体前駆体のあらかじめ測定した吸水量に相当するイオン交換水に溶解して含浸溶液を得た。この溶液を、上記の担体前駆体に初期湿潤法により含浸し、ZSM−22ゼオライトの質量に対して、0.3質量%のパラジウム量となるように担持を行った。次に、得られた含浸物(触媒前駆体)を60℃の乾燥中で一晩乾燥した後、空気流通下、400℃で3時間焼成して、カーボン量が1.42質量%である水素化異性化触媒E−B5を得た。
(参考例B−1)
NH型ZSM−22(1,8−DAO)に代えて、NH型ZSM−22ゼオライト(1,6−DAH)を用いたこと以外は実施例B−1と同様にして、カーボン量が0.56質量%である水素化異性化触媒CE−B1を得た。
(比較例B−2)
成形体を、空気雰囲気下、550℃にて3時間加熱して担体前駆体を得たこと以外は実施例B−1と同様にして、カーボン量が0.35質量%である水素化異性化触媒CE−B2を得た。
(比較例B−3)
<ZSM−22ゼオライトの合成>
Si/Al比が36である結晶性アルミノシリケートからなるZSM−22ゼオライトを以下の手順で水熱合成により製造した。
試薬にはコロイダルシリカ(Ludox AS−30:Aldrich社製)、硫酸アルミニウム・18水和物(和光純薬製)、水酸化カリウム(和光純薬製)、1,8−ジアミノオクタン(SDA(Structure Directing Agent:テンプレート):Aldrich社製)をそれぞれ以下のモル比となる割合で混合しゲル状物質を得た。
SiO:SDA:KOH:Al:HO=1.0:0.3:0.3:0.022:40
上記の操作にて得たゲル状物を、内容積120mlのステンレス鋼製オートクレーブ反応器に移し、160℃のオーブン中で72時間、オートクレーブ反応器をタンブリング装置上で20rpmの回転速度にて回転させ水熱合成反応を進行させた。水熱合成反応の終了後、反応器を冷却し、各反応器から生成した固形分をろ過により採取し、イオン交換水による洗浄を行い、80℃の乾燥器中で一夜乾燥して、650℃で10時間焼成しSi/Al比が36であるZSM−22ゼオライトを得た。
<イオン交換ZSM−22の製造>
上記にて得られたZSM−22ゼオライトをフラスコ中に取り、ZSM−22ゼオライト:NHNO:HO=1:2:50(モル比)の比率で混合し、80℃で24時間イオン交換する操作を3回繰り返した。その後、固形分をろ過により採取し、イオン交換水で洗浄し、80℃の乾燥器中で一晩乾燥して、イオン交換されたNH型ZSM−22ゼオライトを得た。
<バインダー配合、成形、焼成>
上記で得たNH型ZSM−22ゼオライトと、バインダーであるアルミナとを質量比7:3にて混合し、ここに少量のイオン交換水を添加して混練した。得られた粘ちょうな流体を押出成型機に充填、成形し、直径約1.5mm、長さ約5mmの円筒状の成形体を得た。この成形体を120℃の乾燥器中で空気流通下に3時間乾燥し、さらに空気流通下、550℃にて3時間焼成して、成形・焼成された担体粒子を得た。
<白金担持、焼成>
テトラアンミンジクロロ白金(II)(Pt(NHCl)を、成形・焼成された担体粒子の吸水量(予め測定した量)に相当するイオン交換水に溶解して含浸溶液を得た。この溶液を、上記の成形、焼成された担体粒子に初期湿潤法により含浸し、ZSM−22型ゼオライトの質量に対して0.5質量%の白金量となるように担持を行った。次に、得られた含浸物を60℃の乾燥器中で一晩乾燥した後、空気流通下、550℃で3時間焼成して、カーボン量が0.30質量%である水素化異性化触媒CE−B3を得た。
[水素化異性化触媒の単位質量当りのミクロ細孔容積]
上記で得られた水素化異性化触媒の単位質量当りのミクロ細孔容積を以下の方法で算出した。まず、水素化異性化触媒に吸着した水分を除去するため、150℃、5時間の真空排気する前処理を行った。この前処理後の水素化異性化触媒について、日本ベル(株)社製 BELSORP−maxを使用して液体窒素温度(−196℃)で窒素吸着測定を行った。そして、測定された窒素の吸着等温線をt−plot法にて解析し、水素化異性化触媒の単位質量当りのミクロ細孔容積(cm/g)を算出した。
[触媒に含有されるゼオライトの単位質量当りのミクロ細孔容積]
触媒の調製に用いるゼオライトを、触媒を調製するときの成形体の焼成条件と同様の条件で加熱、焼成した。こうして得られた焼成粉について、日本ベル(株)社製 BELSORP−maxを使用して液体窒素温度(−196℃)で窒素吸着測定を行った。そして、測定された窒素の吸着等温線をt−plot法にて解析し、単位質量当りのミクロ細孔容積(cm/g)を算出し、これを触媒に含有されるゼオライトの単位質量当りのミクロ細孔容積とした。
[触媒の異性化選択性の評価]
上記により得られた実施例及び比較例の各触媒について、炭化水素の水素化異性化反応における触媒の異性化選択性を下記試験で評価した。なお、本試験においては、炭化水素としてn−ヘキサデカン(nC16)を用い、下記の反応装置及び下記の反応条件で水素化異性化反応を行い、得られた反応生成物を分析することにより異性化選択性を評価した。
<反応装置>
反応装置として、内径2.1cm、長さ30cmのステンレス鋼製管からなる固定床型マイクロリアクターを用意した。このマイクロリアクターは、触媒活性化用の酸素ガス及び水素ガス、パージ用の窒素ガス、そして反応原料であるノルマルヘキサデカンが、バルブにより切り替えられて供給されるようになっている。反応は、上記ステンレス鋼製管の最下部に5mgの触媒を充填して、気相で行われる。反応生成物ガスは、マイクロリアクターの下流に設けられた、圧力が制御されたサンプリングバルブにより採取され、ジメチルポリシロキサンを固定相とするマルチキャピラリーカラムが備えられたガスクロマトグラフ装置(GC)に送られて分析される。
<反応条件>
水素存在下でのノルマルヘキサデカンの異性化反応は下記の条件により行った。
原料ノルマルヘキサデカン : ナカライテスク製(純度99%以上)
反応圧力 : 0.20MPa
水素/ノルマルヘキサデカン比: 60モル/モル
反応温度 : 320℃
なお、触媒が分解反応を高度に抑制できるものであるかを確認するために、分解反応が進行しやすい高温で反応をおこなった。
なお、本試験では、触媒の異性化選択性の優劣を評価する目的で、空間速度を調整して下記式(1)で求められるノルマルヘキサデカン転化率が同じ(95%)になるようにした。
ノルマルヘキサデカン(nC16)転化率(質量%)=[100−反応生成物中のノルマルヘキサデカン含有率(質量%)] …(1)
<異性化選択性の評価>
反応生成物中のC16イソパラフィンの含有量(質量%)を求め、これを水素化異性化触媒の異性化選択率(%)とした。結果を表5に示す。
Figure 0006038779
(実施例B−6〜B−10、参考例B−4、比較例B−5及びB−6)
実施例B−1〜B−5、参考例B−1、比較例B−2及びB−3で得られた触媒をそれぞれ用い、ワックスの脱蝋及び潤滑油基油留分の分離・回収を行った。
(ワックスの脱蝋)
内径15mm、長さ380mmのステンレス鋼製反応管に成形触媒を100ml充填し、触媒層平均温度350℃、水素流通下(水素分圧3MPa)で12時間還元処理を行った。その後、原料としての石油系スラックワックス(炭素数分布C10〜C40、組成を表6に示す)を、反応温度315〜340℃、水素分圧3MPa、LHSV 1.0h−1、水素/油比500NL/Lの条件にて通油して、水素化異性化反応による脱蝋処理を開始した。72時間反応後、反応生成物を採取、分析した。
Figure 0006038779
その後、水素分圧、LHSV、水素/油比はそのままに、反応温度を段階的に約350℃まで高め、原料油転化率を増加させた。それぞれの反応温度にて72時間反応し、安定化したところでそれぞれの反応生成物の採取、分析を行った。
(潤滑油基油留分の分離・回収)
上記各反応生成物の分析結果を基に、上記式(I)で定義されるノルマルパラフィン転化率が100%となった反応温度で得られた各反応生成物について、下記の操作により分留を行い下記に示す潤滑油基油留分を分離回収した。
上記ノルマルパラフィン転化率が100%となった各反応温度における反応生成物を、まずナフサと、灯軽油留分と、重質留分とにそれぞれ分留した。更に、重質留分を分留することで、沸点範囲が330〜410℃、100℃における動粘度が2.7±0.1mm/sである潤滑油基油留分(以下、「潤滑油基油留分1」という。)及び沸点範囲が410〜450℃、100℃における動粘度が4.0±0.1mm/sの範囲にある潤滑油基油留分(以下、「潤滑油基油留分2」という。)を得た。そして、潤滑油基油留分2の流動点が−22.5℃以下、且つ粘度指数が140以上となる最も低い反応温度をTc(℃)とした。この反応温度Tcにおけるナフサ中のC1〜C4重量及び潤滑油基油留分1と潤滑油基油留分2の合計収率、並びに潤滑油基油留分2の性状を表7に示す。
Figure 0006038779
E−B1〜E−B5の異性化触媒を用いた実施例B−6〜B−10では、石油系スラックワックスから、潤滑油基油留分1及び2を高い収率で得られることが確認された。一方、1,6−ジアミノヘキサンを用いて合成されたNH型ZSM−22ゼオライト(1,6−DAH)を用いて調製されたCE−B1の異性化触媒を用いた参考例B−4、成形体の加熱条件が350℃を超える温度550℃であるCE−B2の異性化触媒を用いた比較例B−5、及び、テンプレートを含まない状態でイオン交換して得られたゼオライトを用いて調製されたCE−B3の異性化触媒を用いた比較例B−6では、潤滑油基油留分1及び2の合計収率が実施例B−6〜B−10よりも下回る結果となった。
(実施例B−11及びB−12、参考例B−7及び比較例B−8)
実施例B−1、2、参考例B−1、比較例B−3で得られた触媒をそれぞれ用い、ワックスの脱蝋及び潤滑油基油留分の分離・回収を行った。
(ワックスの脱蝋)
内径15mm、長さ380mmのステンレス鋼製反応管に成形触媒を100ml充填し、触媒層平均温度350℃、水素流通下(水素分圧3MPa)で12時間還元処理を行った。一方で、原料としてのアラビアンライト原油を処理して得られた減圧軽油を抽出塔にて芳香族炭化水素の一部をフルフラール中に抽出して、除去した。次いで、得られた炭化水素油(処理油中の硫黄分8175質量ppm、芳香族分27.8質量%)をコバルトーモリブデン水素化触媒にて、硫黄分が20質量ppm程度になるよう水素分圧11.1MPa、反応温度330℃、LHSV 1h−1で水素化処理して得られた炭化水素油(炭素数分布C17〜C37、芳香族分21.2質量%、硫黄分21.2質量ppm、組成を表8に示す)を、反応温度290〜350℃、水素分圧11.1MPa、LHSV 1h−1、水素/油比500NL/Lの条件にて通油して、水素化異性化反応による脱蝋処理を開始した。72時間反応後、反応生成物を採取、分析した。
Figure 0006038779
その後、水素分圧、LHSV、水素/油比はそのままに、反応温度を段階的に約340℃まで高め、原料油転化率を増加させた。それぞれの反応温度にて12時間反応し、安定化したところでそれぞれの反応生成物の採取、分析を行った。
(潤滑油基油留分の分離・回収)
上記各反応生成物の分析結果を基に、上記式(I)で定義されるノルマルパラフィン転化率が100%となった反応温度で得られた各反応生成物について、下記の操作により分留を行い下記に示す潤滑油基油留分を分離回収した。
上記ノルマルパラフィン転化率が100%となった各反応温度における反応生成物を、まずナフサと、灯軽油留分と、重質留分とにそれぞれ分留した。更に、重質留分を分留することで、沸点範囲が330〜460℃、100℃における動粘度が2.7±0.1mm/sである潤滑油基油留分(以下、「潤滑油基油留分3」という。)及び沸点範囲が460〜530℃、100℃における動粘度が4.9±0.1mm/sの範囲にある潤滑油基油留分(以下、「潤滑油基油留分4」という。)を得た。そして、潤滑油基油留分4の流動点が−12.5℃以下、且つ粘度指数が100以上となる最も低い反応温度をTc(℃)とした。この反応温度Tcにおけるナフサ中のC1〜C4重量及び潤滑油基油留分3と潤滑油基油留分4の合計収率、並びに潤滑油基油留分4の性状を表9に示す。
Figure 0006038779
E−B1、E−B2の異性化触媒を用いた実施例B−11、12では、減圧軽油を抽出塔にて芳香族炭化水素の一部をフルフラール中に抽出した炭化水素油から、潤滑油基油留分3及び4を高い収率で得られることが確認された。一方、1,6−ジアミノヘキサンを用いて合成されたNH型ZSM−22ゼオライト(1,6−DAH)を用いて調製されたCE−B1の異性化触媒を用いた参考例B−7、及び、テンプレートを含まない状態でイオン交換して得られたゼオライトを用いて調製されたCE−B3の異性化触媒を用いた比較例B−8では、潤滑油基油留分3及び4の合計収率が実施例B−11、12よりも下回る結果となった。

Claims (17)

  1. 有機テンプレートを含有し10員環一次元状細孔構造を有する有機テンプレート含有ゼオライトを、アンモニウムイオン及び/又はプロトンを含む溶液中でイオン交換して得られるイオン交換ゼオライトと、バインダーと、が含まれる混合物を、N雰囲気下、250〜350℃の温度で加熱して担体前駆体を得る第1工程と、
    前記担体前駆体に白金塩及び/又はパラジウム塩を含ませた触媒前駆体を、分子状酸素を含む雰囲気下、350〜400℃の温度で焼成して、ゼオライトを含む担体に白金及び/又はパラジウムが担持された水素化異性化触媒を得る第2工程と、
    を備える、水素化異性化触媒の製造方法。
  2. 前記有機テンプレート含有ゼオライトが、ZSM−22ゼオライト、ZSM−23ゼオライト、SSZ−32ゼオライト及びZSM−48ゼオライトからなる群より選択される少なくとも一種である、請求項1に記載の水素化異性化触媒の製造方法。
  3. 前記白金塩がテトラアンミンジニトロ白金であり、前記パラジウム塩がテトラアンミンパラジウム硝酸塩である、請求項1又は2に記載の水素化異性化触媒の製造方法。
  4. 前記バインダーが、シリカ、アルミナ及びアルミナ−シリカのうちから選択される少なくとも一種の無機酸化物を含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の水素化異性化触媒の製造方法。
  5. 10員環一次元状細孔構造を有するゼオライト、及びバインダーを含む担体と、該担体に担持された白金及び/又はパラジウムと、を含有する水素化異性化触媒であって、
    前記ゼオライトは、有機テンプレートを含有し10員環一次元状細孔構造を有する有機テンプレート含有ゼオライトを、アンモニウムイオン及び/又はプロトンを含む溶液中でイオン交換して得られるイオン交換ゼオライトに由来するものであり、
    触媒に含まれるカーボン量が0.4〜2.5質量%である、水素化異性化触媒。
  6. 触媒の単位質量当たりのミクロ細孔容積が0.02〜0.11cm/gであり、
    触媒に含有されるゼオライトの単位質量当りのミクロ細孔容積が0.04〜0.12cm/gである、請求項に記載の水素化異性化触媒。
  7. 10員環一次元状細孔構造を有するゼオライト、及びバインダーを含む担体と、該担体に担持された白金及び/又はパラジウムと、を含有し、触媒の単位質量当たりのミクロ細孔容積が0.02〜0.11cm/gである水素化異性化触媒であって、
    前記ゼオライトは、有機テンプレートを含有し10員環一次元状細孔構造を有する有機テンプレート含有ゼオライトを、アンモニウムイオン及び/又はプロトンを含む溶液中でイオン交換して得られるイオン交換ゼオライトに由来するものであり、触媒に含有されるゼオライトの単位質量当りのミクロ細孔容積が0.04〜0.12cm/gである、水素化異性化触媒。
  8. 1,8−ジアミノオクタンを含む有機テンプレートの存在下で合成された、10員環一次元状細孔構造を有する結晶性アルミノシリケートを、前記有機テンプレートが含まれる状態でアンモニウムイオン及び/又はプロトンを含む溶液中でイオン交換することにより
    焼成粉の粉末X線回折パターンにおいて、2θ=8.1±0.5°に現れるピーク強度Iと2θ=20.3±0.5°に現れるピーク強度Iとの強度比I/Iが1以下であり、
    焼成粉の窒素吸着測定法により求めた外表面積が40m/g以上であり、
    焼成粉の窒素吸着測定法により求めたミクロ細孔容積が0.01〜0.11cm/gであるZSM−22ゼオライトを得る、ZSM−22ゼオライトの製造方法
  9. シリカ源と、アルミナ源と、1,8−ジアミノオクタンを含む有機テンプレートと、が含まれる混合物から水熱合成法により合成した10員環一次元状細孔構造を有する結晶性アルミノシリケートを、前記有機テンプレートが含まれる状態でアンモニウムイオン及び/又はプロトンを含む溶液中でイオン交換する工程、
    を備えることを特徴とするZSM−22ゼオライトの製造方法。
  10. 請求項若しくは請求項の方法により得られたZSM−22ゼオライト、又は、請求項若しくは請求項の方法により得られたZSM−22ゼオライトを350℃以下の温度で加熱した加熱済ZSM−22ゼオライトが含まれる担体材料を250〜350℃の温度で焼成して担体前駆体を得る第1工程と、
    前記担体前駆体に白金塩及び/又はパラジウム塩を含ませた触媒前駆体を、分子状酸素を含む雰囲気下、350〜400℃の温度で焼成して、ZSM−22ゼオライトが含まれる担体と該担体上に担持された白金及び/又はパラジウムとを有する水素化異性化触媒を得る第2工程と、
    を備えることを特徴とする水素化異性化触媒の製造方法。
  11. 触媒に含まれるカーボン量が0.5〜3.5質量%であることを特徴とする請求項10に記載の水素化異性化触媒の製造方法
  12. 触媒の単位質量当りのミクロ細孔容積が0.02〜0.12cm/gであることを特徴とする請求項10又は11に記載の水素化異性化触媒の製造方法
  13. 水素の存在下、炭素数10以上のノルマルパラフィンを含有する炭化水素油と、請求項1〜4及び10〜12のうちのいずれか一項に記載の方法により得られる水素化異性化触媒又は請求項5〜のうちのいずれか一項に記載の水素化異性化触媒と、を接触させて前記ノルマルパラフィンの一部又は全部をイソパラフィンに転化することを特徴とする炭化水素油の脱蝋方法。
  14. 水素の存在下、炭素数10以上のノルマルパラフィンを含有する炭化水素原料油を、請求項1〜4及び10〜12のうちのいずれか一項に記載の方法により得られる水素化異性化触媒又は請求項5〜のうちのいずれか一項に記載の水素化異性化触媒に接触させることを特徴とする炭化水素の製造方法。
  15. 水素の存在下、炭素数10以上のノルマルパラフィンを含有する炭化水素原料油を、請求項1〜4及び10〜12のうちのいずれか一項に記載の方法により得られる水素化異性化触媒又は請求項5〜のうちのいずれか一項に記載の水素化異性化触媒に、下記式(I)で定義される前記ノルマルパラフィンの転化率が実質的に100質量%となる条件で接触させることを特徴とする潤滑油基油の製造方法。
    Figure 0006038779

    [式(I)中、Cnは、接触前の炭化水素原料油中に含まれる炭素数10以上のノルマルパラフィンのうちで最小の炭素数を示す。]
  16. 前記炭化水素原料油を前記水素化異性化触媒に接触させた後、更に水素化仕上げし、減圧蒸留することを特徴とする請求項15に記載の潤滑油基油の製造方法。
  17. 前記炭化水素原料油が、常圧残油、減圧残油、減圧軽油、スラックワックス、及びフィッシャー・トロプシュ合成ワックスからなる群より選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項15又は16に記載の潤滑油基油の製造方法。
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