JP6105810B2 - 1,3−ブタジエンを生産するためのプロセス、及び1,3−ブタジエンを生産するための触媒におけるランタンの使用 - Google Patents

1,3−ブタジエンを生産するためのプロセス、及び1,3−ブタジエンを生産するための触媒におけるランタンの使用 Download PDF

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Description

本発明は、トリメタル触媒の存在下で、エタノールを含む供給材料から1,3−ブタジエンを生産するためのプロセスに関する。このプロセスの触媒は、シリカ担体に担持されたランタン、ジルコニウム、及び亜鉛を含む。更に、本発明は、新規の担持触媒を調製するための方法、及び当該担持触媒に関する。最後に、本発明は、エタノールから1,3−ブタジエンを生産するためのジルコニウム及び亜鉛を含む触媒にランタンを使用して、触媒の選択性を増加させることに関する。
1,3−ブタジエンは、汎用化学薬品であり、合成ゴムの生産に深く関わっている。現在、1,3−ブタジエンは、主に持続可能性でない原料から生産されている。また、再生可能資源であるエタノールからの1,3−ブタジエンの触媒合成が以前に開示されている。直近では、バイメタル触媒及びトリメタル触媒に関する研究が非特許文献1に記載されている。ZrO/ZnO系で特に有望な結果が報告されている。Zn及びZrの塩を様々な担体材料に含浸させ、その結果生じた触媒前駆体を焼成し(calcined)、それぞれの金属酸化物が生成された。150Åシリカに担持されたトリメタル系Cu/Zr/Znは、Cuを含まないいくつかのZr/Zn触媒よりも転化率は低いが、1,3−ブタジエンへの選択性は最も高いことが報告されている。この特定のトリメタル触媒では、他の触媒とは異なり、供給材料にアセトアルデヒドを添加しても、1、3−ブタジエンへの選択性の大きな向上はもたらされなかった。60Åシリカに担持されたトリメタル触媒は、時間経過に伴い1,3−ブタジエンへの選択性の低下を示した。
特許文献1には、銀、金、又は銅の群から選択される金属、及び酸化マグネシウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、及び酸化タンタルの群から選択される金属酸化物を含有し、随意にアルカリ金属及び/又は酸化セリウム、酸化スズ、又は酸化アンチモンで修飾されている触媒の存在下で、エタノール及び随意にアセトアルデヒドを含む供給材料から1,3−ブタジエンを生産する1段階(one-step)プロセスが示されている。
特許文献2及び特許文献3は、アンモ酸化により、有機化合物からニトリルを調製することに関する。
国際公開第2012/015340号パンフレット 特開2005−206472号公報 特開2006−218395号公報
M.D.Jones他、Catal.Sci.Technol.、2011年、1巻、267〜272頁
選択性及び/又は転化率が高い1,3−ブタジエンの生産プロセスに対する需要が引き続き存在する。
本発明によると、驚くべきことに、シリカを含む担体に担持された触媒金属としてのランタン、ジルコニウム、及び亜鉛を含む触媒が1,3−ブタジエンへの好ましい転化率及び選択性をもたらすことが判明した。
そこで、本発明の第1の態様は、i) ランタン、ジルコニウム、及び亜鉛含む担持触媒であって、担体がシリカを含むものである担持触媒を準備し、ii) エタノールを含む供給材料を担持触媒と接触させて、1,3−ブタジエンを含む粗生成物(raw product)を得ることを含む、1,3−ブタジエンを生産するプロセスに関する。
本発明の第2の態様は、a) シリカを含む担体にランタンの塩を含浸させ、b) 工程a)の含浸担体を乾燥させ、c) 工程b)の乾燥含浸担体を焼成(calcining)することを含む、担持触媒の調製方法に関する。本発明の担持触媒は、ランタンに加えて、ジルコニウム及び亜鉛を更に含む。
更に、本発明の第3の態様は、第2の態様の方法により生産されるか又は生産可能な担持触媒に関する。
最後に、本発明の第4の態様は、エタノールを含むとともに随意にアセトアルデヒドを含む供給材料から1,3−ブタジエンを生産するためのプロセスにおいて、触媒がジルコニウム及び亜鉛を含み、1,3−ブタジエンへの触媒反応の選択性を増加させるためにランタンを使用することに関する。
1) 担持触媒を調製するための方法
上記したように、本発明は、工程a)〜工程c)を含む担持触媒の調製方法に関し、工程a)では、シリカを含む担体にランタンの塩を含浸させる。工程b)では、工程a)の含浸担体を乾燥させる。工程c)では、工程b)の乾燥含浸担体を焼成する。
本発明の好ましい実施形態の方法は、以下の追加工程、すなわち、
d) 工程c)の焼成乾燥含浸担体にジルコニウムの塩及び亜鉛の塩を含浸させ、
e) 工程d)の含浸担体を乾燥させ、
f) 工程e)の乾燥含浸担体を焼成することを含み、つまり、この好ましい方法は2段階(two-step)含浸法である。
本発明による好ましい代替実施形態の方法では、工程a)でランタンの塩、ジルコニウムの塩、及び亜鉛の塩を担体に含浸させる、つまり、1段階含浸法である。
好適なランタンの塩は、例えば、ランタンの無機酸塩、好ましくはLa(III)の無機酸塩である。好ましい無機酸は、硫酸、硝酸、及び塩酸から選択され、La(III)硝酸塩が更により好ましい。最も望ましくは、工程a)で使用されるランタン塩がLa(III)硝酸塩6水化物、La(NO・6HOである。
担持触媒を調製するための方法で使用されるジルコニウムの塩に関して、好適な塩は、例えば、ジルコニウム、好ましくはZr(IV)の有機酸塩又は無機酸塩である。好ましい無機酸は、硫酸、硝酸、及び塩酸から選択される。Zr(OCCH及びZrO(NO・xHO等のジルコニウム塩が最も好ましい。アセチルアセトナト塩、Zr(Cの使用も好ましい。
担持触媒を調製するための方法で使用される亜鉛の塩に関して、好適な塩は、例えば、亜鉛の有機酸塩又は無機酸塩である。最も好ましい塩は、Ζn(ΝO・6HO及びZn(OCCH・6HOである。
2) 担持触媒
本発明の担持触媒は、ランタン、ジルコニウム、及び亜鉛を含む。本発明の担持触媒は、シリカ担体、つまりシリカを含む担体に担持されている。
ランタンの量に関して、本発明の全ての態様において好ましい範囲は、担体に担持されたLa金属に換算して、0.1〜20重量%、好ましくは0.5〜10重量%、特に1〜5重量%であり、例えば2.0〜3.0重量%である。
本発明の全ての態様によるジルコニウムの好ましい量は、担体に担持されたZr金属に換算して、0.1〜5重量%、好ましくは0.5〜3重量%、特に、1〜2重量%であり、例えば1.5重量%である。
本発明の全ての態様による亜鉛の好ましい量は、担体に担持されたZn金属に換算して、0.05〜3重量%、好ましくは0.1〜2重量%、特に0.3〜1.0重量%であり、例えば0.5重量%である。
本発明の態様の全ての担持触媒の担体は、シリカを含む。担体は、シリカに加えて、セリア、マグネシア、又はアルミナから構成されていてもよい。担体は、シリカである(つまり、本質的にシリカからなる)ことが最も好ましい。好適な担体は、例えば、50から800m−1までの範囲のBET表面積を有するSiOである。40から2000Åまでの、好ましくは100〜600Åの、特に150〜500Åの範囲の細孔直径を有するシリカが好ましい。
最も好ましい実施形態では、担持触媒は、本発明の第1の態様の方法により生産されるか又は生産可能である。
3) 1,3−ブタジエンを生産するためのプロセス
本発明の1,3−ブタジエンを生産するためのプロセスは、以下の工程、すなわち、
i) ランタン、ジルコニウム、及び亜鉛を含む担持触媒であって、その担体がシリカを含むものである担持触媒を準備し、
ii) エタノールを含む供給材料を担持触媒と接触させて、1,3−ブタジエンを含む産物を得ることを含む。
好ましくは、ii)の接触が、200から600℃までの範囲、好ましくは300〜425℃の範囲の温度で行われる。また、ii)の接触は、0.2〜7h−1の単位時間当りの重量空間速度で行われることが好ましい。
ガス状供給材料は、85〜98容積%のエタノール、好ましくは90〜95容積%のエタノール、例えば約92容積%のエタノールを含有していてもよい(この原料エタノールの残りは水である)。しかしながら、本発明による好ましいプロセスは、ガス状供給材料がエタノールに加えてアセトアルデヒドを含むことを特徴とする。例に示したように、非特許文献1に報告されているトリメタルCu/Zr/Znシリカ触媒とは異なり、供給材料中に適量のアセトアルデヒドが存在することにより、1,3−ブタジエンへの反応の選択性が増加する。
そこで、供給材料は、好ましくは最大40容積%の、より好ましくは最大30容積%の、特に好ましくは最大20容積%のアセトアルデヒドを含む。
本発明によるプロセスは、iii) 粗生成物を、1,3−ブタジエンを含む第1の部分と、アセトアルデヒドを含む第2の部分とに分離することを更に含むことが好ましい。
本発明によるプロセスでは、工程iii)で得られる第2の部分の少なくとも一部を、供給材料に添加すること、つまり、生成されたアセトアルデヒドの少なくとも一部を供給材料に再利用することが最も好ましい。
以下の例は、本発明の利点を示す。別様の記載がない限り、パーセントは全て重量で示されている。
1.担持触媒の調製
例1〜4及び5〜10の担持触媒の調製は、それぞれ以下のように実施した。
1a) 例1〜4及び11
例1及び11は、非特許文献1に記載されている対照触媒を構成する。例2〜4では、ランタン(ランタンの硝酸塩を塩として使用)を、1段階の含浸で、適切な量のZr(IV)及びZn(II)と一緒に添加した。含浸後、含浸担体を乾燥させ、500℃まで5℃/分の加熱勾配で焼成し、この温度で5時間保持した。
1b) 例5〜10及び12〜28
担持触媒の調製は、別々の2つの工程の含浸により実施した。まず、ランタンの硝酸塩を塩として使用して、適切な量のランタンをシリカに含浸させた。含浸後、含浸担体を乾燥させ、500℃まで5℃/分の加熱勾配で焼成し、この温度で5時間保持した。次の工程では、Zr(IV)及びZn(II)の塩を含浸させ、乾燥させ、500℃まで5℃/分の加熱勾配で焼成した。担持触媒をこの温度で5時間保持した。
2.触媒試験
触媒試験は、単位時間当りの重量空間速度(WHSV)が0.3〜5h−1の範囲で、大気圧下、325〜375℃の気相下で実施した。供給原料は、表に示したように、96容積%のエタノール及び4容積%の水(例1〜12)、92容積%のエタノール及び8容積%の水(例13〜17)、又は9対1(例14、16、19〜23)、8対2(例15及び24〜27)、及び7対3(例28)の原料エタノール対アセトアルデヒドの体積比の、この純度のエタノール(92容積%のエタノール及び8容積%の水)とアセトアルデヒドの混合物のいずれかである。使用したキャリヤガスはアルゴンである。反応を3〜4時間にわたって実施した。この期間後に得られた結果を下記表に示す。
ET=エタノール
AA=アセトアルデヒド
1,3BTD=1,3−ブタジエン
Comp.=組成物
Conv.=転化率
Sel.=選択性
1) 1.5重量%のZr及び0.5重量%のZnがSiOに担持されていた。示されているパーセントは、Laの量[重量%]である。数値は、担体に担持された金属の重量%である。金属は、実際には、それらの酸化物形態ZnO、ZrO、及びLaで活性触媒に存在すると考えられる。
2) 単位時間当りの重量空間速度。
3) 示されているアセトアルデヒド/エタノール比は、容積比である。
4) 92%は、92容積%のエタノール及び8容積%のHOを意味する。したがって、2:8容積比は、20容積%のアセトアルデヒド、73.6容積%のエタノール、及び6.4容積%のHO等を意味する。
5) 転化率及び選択性は、非特許文献1に示されている方法に従って算出した。すべての場合で、炭素収支は十分であることが見出された。
例1を例2〜10と比較することにより、シリカ坦持Zr/Zn触媒にランタンを付加すると、1,3−ブタジエンへの選択性が増加することがわかる。例11を例12〜28と比較すると、同じことを観察することができる。任意の特定の理論に束縛されないが、ランタンの付加は、担体の酸性度を低減するため、エタノールのエチレンへの脱水が抑制され、結果的に、1,3−ブタジエンへの選択性が増加すると考えられる。更に、ランタンは、2分子のアセトアルデヒド間のアルドール縮合反応を促進すると考えられる。ある例(15、16対17)では、アセトアルデヒドの供給材料への添加は、1,3−ブタジエンへの選択性の点で有利な結果を示す。したがって、副産物を再利用することができるだけでなく、この再利用は、1,3−ブタジエンへの選択性も増加さ7せる。温度を上げると(例20と例22との対比、例21と例23との対比、例24と例26との対比、例25と例21との対比を参照)、転化率は上がるが、1,3−ブタジエン+アセトアルデヒドへの選択性に対する影響は最小限である。
以下の付記は本発明の好ましい実施形態に関する。
[付記1] i) ランタン、ジルコニウム、及び亜鉛含む担持触媒であって、担体がシリカを含むものである担持触媒を準備し、ii) エタノールを含む供給材料を担持触媒と接触させて1,3−ブタジエンを含む粗生成物を得ることを含む、1,3−ブタジエンの生産プロセス。
[付記2] ii)の接触が、300〜425℃の範囲の温度で行われることを特徴とする付記1に記載のプロセス。
[付記3] ii)の接触は、0.2〜7h−1の単位時間当りの重量空間速度で行われることを特徴とする付記1または2に記載のプロセス。
[付記4]供給材料が追加でアセトアルデヒドを含むことを特徴とする先行するいずれか一つの付記に記載のプロセス。
[付記5] iii) 粗生成物を、1,3−ブタジエンを含む第1の部分と、アセトアルデヒドを含む第2の部分とに分離することを更に備えることを特徴とする先行するいずれか一つの請求項に記載のプロセス。
[付記6]前記第2の部分の少なくとも一部を前記供給材料に再利用することを特徴とする付記5に記載のプロセス。
[付記7] ii)の接触が、付記12に担持触媒の存在下で行われることを特徴とする先行するいずれか一つの付記に記載のプロセス。
[付記8]担持触媒の調製方法であって、
a) シリカを含む担体にランタンの塩を含浸させ、
b) 工程a)の含浸担体を乾燥させ、
c) 工程b)の乾燥含浸担体を焼成することを備え、前記担持触媒がランタンに加えてジルコニウム及び亜鉛を更に含む、担持触媒の調製方法。
[付記9] d) 工程c)の焼成乾燥含浸担体にジルコニウムの塩及び亜鉛の塩を含浸させ、
e) 工程d)の含浸担体を乾燥させ、
f) 工程e)の乾燥含浸担体を焼成する工程を更に備える、付記8に記載の方法。
[付記10] 工程a)でランタンの塩、ジルコニウムの塩、及び亜鉛の塩を前記担体に含浸させることを特徴とする付記8に記載の方法。
[付記11] 前記担体がシリカであることを特徴とする付記8乃至10のいずれか一つに記載の方法。
[付記12] 付記8乃至11のいずれか一つに記載の方法により生産されるか又は生産可能な担持触媒。
[付記13] エタノールを含むとともに随意にアセトアルデヒドを含む供給材料から1,3−ブタジエンを生産するための触媒に、1,3−ブタジエンへの触媒反応の選択性増加のためにランタンを使用すること。

Claims (10)

  1. 1,3−ブタジエンを生産するためのプロセスであって、
    i) ランタン、ジルコニウム、及び亜鉛含む担持触媒であって、担体がシリカを含むものである担持触媒を準備し、
    ii) エタノールを含む供給材料を担持触媒と接触させて1,3−ブタジエンを含む粗生成物を得ることを含む、プロセス。
  2. ii)の接触が、300〜425℃の範囲の温度で行われることを特徴とする請求項1に記載のプロセス。
  3. ii)の接触は、0.2〜7h−1の単位時間当りの重量空間速度で行われることを特徴とする請求項1または2に記載のプロセス。
  4. 前記供給材料が追加でアセトアルデヒドを含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のプロセス。
  5. iii) 前記粗生成物を、1,3−ブタジエンを含む第1の部分と、アセトアルデヒドを含む第2の部分とに分離することを更に備えることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のプロセス。
  6. 前記第2の部分の少なくとも一部を前記供給材料に再利用することを特徴とする請求項5に記載のプロセス。
  7. ii)の接触が担持触媒の存在下で行われ、当該担持触媒が、
    a)シリカを含む担体にランタンの塩を含浸させ、
    b)工程a)の含浸担体を乾燥させ、
    c)工程b)の乾燥含浸担体を焼成することを備える方法により生産されるか又は生産可能であり、ランタンに加えてジルコニウム及び亜鉛を更に含むものであることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のプロセス。
  8. d) 工程c)の焼成乾燥含浸担体にジルコニウムの塩及び亜鉛の塩を含浸させ、
    e) 工程d)の含浸担体を乾燥させ、
    f) 工程e)の乾燥含浸担体を焼成することを更に備えることを特徴とする請求項7に記載のプロセス。
  9. 工程a)でランタンの塩、ジルコニウムの塩、及び亜鉛の塩を前記担体に含浸させることを特徴とする請求項7に記載のプロセス。
  10. エタノールを含むとともに随意にアセトアルデヒドを含む供給材料から1,3−ブタジエンを生産するための触媒であって、ジルコニウム及び亜鉛を含むとともに担体がシリカを含むものである触媒に、1,3−ブタジエンへの触媒反応の選択性を増加させるための、ランタンの使用。
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