JP6553084B2 - エタノールの酸触媒脱水方法 - Google Patents

Description

本発明は、エタノールの酸触媒脱水方法、例えばケイタングステン酸などのヘテロポリ酸触媒を用いるエタノールの気相脱水により、エチレン及び／又はジエチルエーテルを生成する方法に関する。

エタノールは、ガソリン添加剤又は燃料自体として、溶媒として、殺菌剤として、不凍剤として、食品又は飲料品産業における成分として、及び化学原料として、広く商業的に用いられる。エタノールは、エチレンへの脱水などの酸触媒反応の原料として、特に有用である。例えば、１又は２以上のアルコールを、１又は２以上のエーテルの存在下で担持ヘテロポリ酸触媒に接触させるステップを含む、１又は２以上のアルコールの脱水方法を開示する国際公開第２００８／１３８７７５号パンフレット、並びに、ヘテロポリ酸触媒、及び当該ヘテロポリ酸触媒の、含酸素添加剤からオレフィンを生成する方法における使用を開示する国際公開第２００８／０６２１５７号パンフレットを参照されたい。

エタノールは、生物源から、とりわけ糖及び／又はバイオマスの発酵によって、容易に得られるため、エタノールは化学原料としてますます重要となっている。したがってバイオエタノールと呼ばれる、生物源から得られるエタノールは、燃料用及び化学原料としての原油への依存を減らす一手段を提供する。

エタノール、とりわけバイオエタノール（又は発酵によって得られるエタノール）は、通常低レベルの窒素含有汚染物質を含有する。窒素含有汚染物質の１つの汚染源として、発酵段階で取り込まれ得るアンモニアが考えられる。一旦プロセス内に入ると、アンモニアはエタノール及び他の不純物と反応することができ、様々な窒素含有化合物を形成する。

エタノール中の窒素含有汚染物質の存在は、これらの化合物が、エタノールを原料として使用する、後の化学処理を妨げる可能性があるため、望ましくない。例えば、アセトニトリル及びアンモニアなどの揮発性窒素化合物であってもよい窒素含有汚染物質、特にアセトニトリルは、例えば不均一系酸性触媒上の酸性サイトを中和することにより、アルコール原料の処理に使用され得る多数の触媒を、汚染するか、失活させるか、又はそうでなければ妨げる（例えば触媒毒の前駆体として機能する）可能性がある。これは、処理効率損失の原因となり得、かつ不所望に頻繁に触媒を交換する必要性へとつながり得る。エタノール原料中のアセトニトリルのレベルを減らす取り組みが行われており、そのような取り組みとして水抽出、犠牲酸、及び吸着が挙げられる。

国際公開第１９９７／０４５３９２号パンフレットは、水抽出によりオレフィン原料からニトリルを分離することによって酸性イオン交換樹脂エーテル化触媒の失活が低減された、エーテル生成方法を開示する。ニトリルは、その後アルコール相中に分離され、かつ水素化されて、より容易にアルコール相から分別によって分離可能なアミンを形成する。

欧州特許出願公開第１１７６１３２号明細書は、アルコール及びオレフィンを酸性触媒の存在下で反応させるステップを含む、エーテル調製方法を開示する。過剰なアルコールは、オレフィン供給由来のニトリル化合物と共に反応ゾーンに再循環される。ニトリルの系内への蓄積、及び触媒の失活を防ぐため、反応ゾーンに再循環させる前に、ニトリル化合物を含む過剰なアルコールを液相で固体酸に接触させる。これにより再循環されるアルコール流中のニトリルのレベルが少なくとも５０％低減すると報告されている。

国際公開第２０１０／０６０９８１号パンフレットは、アルコールの酸触媒脱水によってオレフィンを調製する方法の間に、アルコールを精製する方法を開示し、当該方法は、アルコールを１又は２以上の吸着材料に接触させるステップを含む。国際公開第２０１０／０６０９８１号パンフレットには、アンモニア及びアミンを吸着させることはできるが、アセトニトリルなどのニトリル不純物は、水素化して、より容易に吸着する変性不純物としなければならないことが開示される。したがって、国際公開第２０１０／０６０９８１号パンフレットによると、アルコールを１又は２以上の吸着材料に接触させる前に、アルコール供給に水素化ステップを施す。国際公開第２０１０／０６０９８１号パンフレットの実施例は、環境温度及び環境圧力でスルホン酸樹脂上へ吸着させることよって、バイオエタノールから塩基性化合物を除去することを教示する。

しかし、アセトニトリルのレベルを低減する、そのような手段は、比較的効率が悪く（例えば、さらなる処理ステップを必要とするか、又はアセトニトリルレベルの低減が比較的不十分である）、水抽出物を廃棄する必要性、又は汚染物質を吸着させる材料を交換する必要性などの、他の欠点の原因となる。

したがって、エタノール原料中の揮発性窒素化合物のレベルを低減するために、前述の効率の悪さ及び用いている手段を交換する必要性などの、先の取り組みの欠点を防ぎつつ、揮発性窒素化合物（とりわけアセトニトリル）を含む窒素含有汚染物質をエタノール原料から除去する手段が依然として必要とされる。

国際公開第２００８／１３８７７５号パンフレット 国際公開第２００８／０６２１５７号パンフレット 国際公開第１９９７／０４５３９２号パンフレット 欧州特許出願公開第１１７６１３２号明細書 国際公開第２０１０／０６０９８１号パンフレット

第一の態様において、本発明は、
（ａ）少なくとも１種の窒素含有汚染物質を含むエタノール原料（１０１）を蒸留して、塔頂流（１０２）、及びエタノールを含む塔底流（１０３）を形成するステップであって、蒸留の還流比が少なくとも２０：１であるステップと、
（ｂ）酸触媒の存在下で塔底流を反応させて、エチレン及び／又はジエチルエーテルを含む、生成物流を形成するステップと
を含む、エタノールの酸触媒脱水方法に関する。記載される別法として、本発明は、
（ｉ）少なくとも１種の窒素含有汚染物質を含むエタノール原料（１０１）を蒸留し、塔頂流（１０２）、及びエタノールを含む塔底流（１０３）を形成するステップと、
（ii）塔頂流を凝縮し、凝縮流（１０４）及び気体流（１０５）を形成するステップと、
（iii）凝縮流の第一の部分をステップ（ｉ）に還流液流（１０６）として戻し、かつ凝縮流の第二の部分を蒸留物流（１０７）として取り除くステップであって、取り除かれる蒸留物流の速度に対する戻される還流液流の速度の比である還流比が、少なくとも２０：１であるステップと、
（iv）酸触媒の存在下で塔底流を反応させ、エチレン及び／又はジエチルエーテルを含む、生成物流を形成するステップと
を含む、エタノールの酸触媒脱水方法に関する。

第二の態様において、本発明は、少なくとも１種の窒素含有汚染物質を含むエタノール原料を蒸留するステップを含む、エタノールからエチレンへの酸触媒脱水に用いるエタノール原料の調製方法に関し、ここで蒸留の還流比が少なくとも２０：１であり、かつエタノール原料が蒸留ステップから塔底流として流出する。

第三の態様において、本発明は、窒素含有汚染物質が枯渇した、好ましくはアセトニトリルが枯渇したエタノール原料を酸触媒の存在下で反応させるための、並びに非凝縮性気体が枯渇した、好ましくは酸素、二酸化炭素、一酸化炭素、及び／又は窒素が枯渇したエタノール原料を酸触媒の存在下で反応させるための、第一の態様に係る方法の使用に関する。

第四の態様において、本発明は、第一又は第二の態様に係る方法から得ることが可能な、好ましくは得られる生成物に関する。

本発明に係る方法の略図を示す。

第一の態様において、本発明は、エタノールの酸触媒脱水方法を、とりわけ酸触媒の存在下で反応させる前にエタノール原料の精製を伴う方法に提供する。本方法で使用するエタノール原料は、原則として任意の原料源から提供することができるが、好ましくはバイオエタノールを含むか、又はバイオエタノール原料である。

本明細書で使用される、「エタノール原料」という用語は、エタノールを少なくとも約５０％含む組成物を意味する。好ましくは、本発明の方法に従って処理されるエタノール原料は、エタノールを少なくとも約７０重量％、より好ましくはエタノールを少なくとも約８０重量％、よりいっそう好ましくはエタノールを少なくとも約８５重量％、さらによりいっそう好ましくはエタノールを少なくとも約９０％含む、エタノール原料である。いくつかの実施形態において、エタノール原料はバイオエタノールであるか、又はバイオエタノールを含む。

エタノール原料はさらに不活性成分を含んでもよく、ここで当該不活性成分は、使用条件下でエタノールと反応しないか又は蒸留ステップに悪影響を及ぼさず、かつエタノールの酸触媒反応のプロセス、例えば、エタノールの、エチレン及び／又はジエチルエーテルへの脱水に悪影響を及ぼさないであろう、任意の成分である。例として、１〜約１０個の炭素原子を有する飽和炭化水素化合物、ナフタレン、及び窒素などの不活性ガスから不活性成分は選択され得る。

エタノール原料は、１種類のアルコール（すなわちエタノールのみ）を含んでもよく、又は２若しくは３以上の異なるアルコールの混合物（例えば、エタノールに加え少なくとも１種のさらなるアルコール）を含んでもよい。

いくつかの特定の実施形態において、エタノール原料中に存在するアルコールは、実質的にエタノールであり、例えばエタノール原料中に存在する少なくとも約９５重量％のアルコールはエタノールであり、好ましくは、エタノール原料中に存在する少なくとも約９８重量％、例えば、少なくとも約９９重量％又は少なくとも約９９．５重量％のアルコールはエタノールである。

いくつかの実施形態において、エタノール原料は、例えばバイオマス及び／又はその誘導体の発酵によって、生物源から生成されるエタノール（バイオエタノール）を含む。本明細書で使用される「バイオマス」という用語は、直接バイオマスの発酵によって、又はバイオマスの誘導体の発酵によってアルコールに変換し得る、任意の炭水化物の生物源、例えば糖、でんぷん、及びセルロースの生物源を意味する。例えば、バイオエタノールは、甜菜、サトウキビ、糖蜜、又はコーンシロップなどの供給源からの糖の発酵によって得られ得る。したがって、バイオエタノールは、サトウキビ、例えば、サトウキビ糖蜜及びサトウキビ汁、甜菜、例えば、甜菜糖蜜及び甜菜汁、穀類、例えば、コーンシロップなどのトウモロコシ又は小麦由来原料、並びにリグノセルロース材料、例えば、早生グラス又は「エネルギーグラス」に由来する原料の発酵によって得られ得る。

本発明のいくつかの実施形態において、エタノール原料は水を含み得る。例えば、エタノール原料は、含水エタノール組成物、例えばエタノール−水共沸混合物の組成を超えて乾燥していないものであってもよい。そのような含水エタノール組成物は、エタノール−水共沸混合物を超えて組成物を乾燥させる脱水ステップを、得られたエタノールにさらに施すことなくバイオマスの発酵によって得られたエタノール生成物の生成で生じる、原料エタノール組成物又は粗エタノール組成物であってもよい。そのような含水エタノール組成物は、エタノール−水組成物の共沸混合物によって決定される水分量以上の量の水を含有し得る。含水エタノール組成物として、水が添加されたもの、例えば全てエタノール組成物に対する重量％で、約０．０１％〜約５％の水が、好ましくは約０．５％〜約４％、より好ましくは約１％〜約３％、よりいっそう好ましくは、約１．５％〜約２．５％、例えば、約２％の水が添加された、エタノール又はバイオエタノール組成物も挙げられる。加えて、又は別法として、エタノール原料は、酢酸などの有機酸を含み得る。エタノール原料中に存在する酢酸（又はエタノール原料に添加される酢酸の量）は、重量比で、約１０ｐｐｂ〜約１０００ｐｐｍ、好ましくは約１ｐｐｍ〜約５００ｐｐｍ、より好ましくは約１０ｐｐｍ〜約３００ｐｐｍ、よりいっそう好ましくは約５０ｐｐｍ〜約２００ｐｐｍ、さらによりいっそう好ましくは約７０ｐｐｍ〜約１５０ｐｐｍ、例えば、約１００ｐｐｍであり得る。上記に開示される水の添加量は、いずれも前述した酢酸の範囲と組み合わせて添加されてもよく、又は約０．７重量％〜約１０重量％、好ましくは約１．２重量％〜約７重量％、より好ましくは約１．８重量％〜約５重量％などの異なるレベルの水が添加されてもよい。追加の水及び／又は有機酸（とりわけ酢酸）を含む蒸留は、本明細書に記載の還流比を順守することなく運転され得る。

あるいは、エタノール原料は無水エタノール組成物であってもよく、すなわち無水アルコールで構成されていてもよい。そのような無水エタノール組成物は、エタノール−水組成物の共沸混合物によって決定される水分量未満の量の水を含有し得る。例えば無水エタノール組成物は、少なくとも約９５重量％のエタノール、好ましくは少なくとも約９８重量％のエタノール、より好ましくは少なくとも約９９重量％のエタノール、よりいっそう好ましくは少なくとも約９９．５重量％のエタノールであり得る。「無水」と称されていても、エタノール以外の組成物の残余は、水を含み得るか、又は実質的に水であり得ることが理解され、かつ認められる。

本発明の方法に従って処理されるエタノール原料中の窒素含有汚染物質の濃度は、一般的に担持ヘテロポリ酸触媒などの酸触媒の性能に害を及ぼすレベルであろう。本開示において、窒素含有汚染物質の濃度は、通常当該窒素含有汚染物質の総窒素含有量の重量百万分率（ｐｐｍｗ，parts per million by weight）として報告される。本明細書において参照される窒素のｐｐｍｗは、窒素含有汚染物質の形態の窒素のｐｐｍｗと解釈されるものとする。以下で規定される範囲は、窒素含有汚染物質の総和、それらの一部、又はアセトニトリルなどの特定の例に適用され得る。したがって、本発明の方法に従って処理されるエタノール原料は、約０．０５ｐｐｍｗを超える窒素、好ましくは少なくとも０．２ｐｐｍｗの窒素、より好ましくは少なくとも約０．２５ｐｐｍｗの窒素、より好ましくは少なくとも約０．３ｐｐｍｗの窒素、よりいっそう好ましくは少なくとも約０．４ｐｐｍｗの窒素、最も好ましくは少なくとも約０．５ｐｐｍｗの窒素を含み得る。例えば、本発明の方法に従って処理されるエタノール原料は、少なくとも約０．６ｐｐｍｗ、少なくとも約０．７ｐｐｍｗ、少なくとも約０．８ｐｐｍｗ、少なくとも約０．９ｐｐｍｗ、又は少なくとも約１．０ｐｐｍｗの窒素を含み得る。

より高レベルの窒素含有汚染物質がエタノール原料中に見られてもよい。したがって、約１００ｐｐｍｗを超える窒素、例えば、約２００ｐｐｍｗを超える窒素、約５００ｐｐｍｗを超える窒素、又は約１０００ｐｐｍｗをも超える窒素の濃度の窒素含有汚染物質は、本発明の方法によって容易に処理することが可能である。しかし、全体として窒素含有汚染物質レベルをより低くし、かつ吸着などの任意のさらなる精製ステップの性能を向上させるためには、エタノール原料が、約５０ｐｐｍｗ以下の窒素、より好ましくは約２５ｐｐｍｗ以下の窒素、より好ましくは約１０ｐｐｍｗ以下の窒素、より好ましくは約８ｐｐｍｗ以下の窒素、例えば約６ｐｐｍｗ以下の窒素、約４ｐｐｍｗ以下の窒素、又は約２ｐｐｍｗ以下の窒素を含むことが好ましい可能性がある。上記のエタノール原料中の窒素含有汚染物質のレベルは、本発明の蒸留を伴う全プロセス（例えば、吸着などのさらなる精製ステップを含むもの）の開始時に適用してもよく、又は蒸留ステップの前に特異的に適用してもよい。したがって、窒素含有汚染物質のレベルを低減するために、処理されるエタノール原料中の窒素の初期濃度に依存して、非常に高レベルの窒素含有汚染物質を含むエタノール原料に前処理ステップを施すことが望ましい可能性がある。そのような前処理は、任意の適切な技法によって、例えばエタノール原料を後述されるような吸着剤に接触させることによって行われ得る。

本発明の方法に従って処理されるエタノール原料中の窒素含有汚染物質の濃度は、当業者に知られる任意の適切な分析法によって決定され得る。適切な技法として、窒素リン検出器と併用するガスクロマトグラフィー（ＧＣ−ＮＰＤ）、化学発光法、及びイオン交換クロマトグラフィーが挙げられる。エタノール原料中の個々の窒素含有種を観測するためには、ＧＣ−ＮＰＤがとりわけ効果的な技法であることが見出されている。窒素リン検出器の使用は、炭素種と比較し、窒素化合物の信号強度を著しく増強（おおよそ１０^４に増強）する。その結果、アルコール及び場合により対応するジアルキルエーテルの信号と共に、窒素化合物はＧＣクロマトグラムで明確に視認することができる。

適切な化学発光法は、エタノール原料を気化及び酸化するステップと、気化及び酸化されたエタノール原料中の窒素酸化物の濃度を化学発光によって測定するステップと、それによって、測定された窒素酸化物の濃度からエタノール原料中の窒素原子の濃度を決定するステップとを伴い得る。そのような技法は、米国特許第４，０１８，５６２号明細書、及び英国特許第２３７３８５６号明細書にさらに詳細に記載される。

窒素含有汚染物質は、多くの異なる種類の窒素含有化合物、例えば、エタノールよりも沸点の低い窒素含有汚染物質、例えば揮発性窒素化合物を含み得る。窒素含有汚染物質の例として、ニトリル（すなわち、１又は２以上のニトリル部分を含有する化合物、例えば、アセトニトリル）、アミン（すなわち、１又は２以上のアミン部分を含有する化合物、例えば、アンモニア、メチルアミン、エチルアミン、ジメチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン、トリメチルアミン、エタノールアミン）、アンモニウムカチオン、アミド、イミド、及びそれらの混合物、加えて、より複雑な複素環式窒素含有化合物、例えば、アジン、ジアジン、ピロール、ジアゾール、トリアゾール、テトラゾール、及びそれらの混合物、並びに１又は２以上の異なる窒素含有部分を含有し、他の官能基を含有していてもよい、より複雑な分子、例えば、アミノ酸もまた、エタノール原料中に存在し得る。窒素孤立電子対の電子密度を窒素核の近くに置く窒素原子のｓｐ混成のため、ニトリルの塩基性度は低く、したがって孤立電子対を比較的非反応性にする。その結果、アセトニトリルなどのニトリルは、エタノール原料、とりわけバイオエタノールにおける典型的な濃度において実質的に吸着することなく、特に酸性吸着剤を通過する。それにもかかわらずニトリルは、アルコール脱水方法に使用される酸性触媒を定量的に失活させ得ることがわかる。アミンはより容易に吸着するため、水素化によってニトリルをアミンに変換するために、前処理ステップを行うことがこれまでに提案されている。本発明の方法を用いることによって、全ての窒素含有化合物、とりわけアセトニトリルなどのニトリルの濃度を非常に低レベルまで低減することが、ニトリル汚染物質を化学的に変性するためのエタノール原料の前処理を必要とすることなく達成可能である。この書類を通して見られるように、「窒素含有汚染物質」という用語は、単に代替用語に置き換えるように、全ての窒素含有汚染物質、それらの任意の一部（例えば上記に挙げるものの組合せ）、又は任意の特定の１つ（例えばアセトニトリル）を意味すると解釈され得る。

本発明に係る方法は、少なくとも約２０：１の還流比でエタノール原料を蒸留し、塔頂流及び塔底流を形成するステップを含む。蒸留は、要求される還流比に見合う多数の段（例えば理想段）、例えば約５〜約５０の理想分離段を備える、従来の蒸留カラム内で行われ得る。通常カラムはより軽沸な成分を除去するため、理論に拘束されるものではないが、供給点は一般的にカラムのより低い部分になければならない。蒸留カラムは通常リボイラを有するが、この場合では、液体と蒸気の混合物を少なくとも含有するために供給が予熱される場合、必要な分離をカラム内で行うために十分な熱を与えるのに十分であり得る。カラムには大抵、塔頂蒸気を凝縮して液体還流流を提供するための、かつ非凝縮性成分の分離を可能としてもよい塔頂コンデンサも取り付けられる。

大気圧におけるアセトニトリル（８１．４８℃）及びエタノール（７８．３７℃）の各沸点は、標準状態でそれらを蒸留によって分離することが極めて困難であると予想されるものであり（沸点の差が約３℃しかない）、たとえ分離が達成されたとしても、エタノールはボイルオフして蒸留カラム塔頂を離れると予想される。したがって、（より少ない不純物留分ではなく）原料の大部分がボイルオフするため、多くのエネルギーを要する非効率な方法となる。しかし予想外にも出願人らは、本発明に従って蒸留を運転することで、蒸留物がアセトニトリルを含む（すなわちアセトニトリルが蒸留物若しくは少なくとも蒸留物の一部であるか、又は蒸留物中のアセトニトリルの濃度が、処理されたエタノール若しくは蒸留底部のアセトニトリルの濃度よりも高い）、エタノール原料からのアセトニトリルの分離が可能となり、ひいてはさらなる処理ステップに使用されるエタノール流中のレベルを低減し、その結果、続く処理ステップが酸触媒を利用する場合に、触媒失活の程度を低減することを見出した。理論に拘束されることを望むものではないが、エタノール（５５ｍｏｌ％）とアセトニトリル（４５ｍｏｌ％）の間で、エタノールの沸点（７８．３１℃）よりも低い沸点（７２．８℃）の（ここで見積もられた割合及び沸点は大気圧におけるものである）共沸混合物が形成することを、出願人らは確認した。驚くべきことに、この共沸効果は非常に低いアセトニトリル濃度でも利用することができ、それ故に窒素含有汚染物質の蒸留塔頂による除去を可能とし、処理ステップに必要なエネルギーを低減する。通常原料エタノール中のアセトニトリルのレベルは低い（例えば最高で約１０ｐｐｍ）ため、蒸留を通して失われるエタノールの量も少ない。さらに驚くべきことに、同様の共沸効果は、水の存在下での分離も可能とする、すなわちエタノール／アセトニトリル／水共沸混合物（大気圧における沸点７２．７℃）及びエタノール／水共沸混合物（大気圧における沸点７８．２℃）は、驚くべきことに、アセトニトリルが低濃度であってもアセトニトリルの分離を促進することができることを、出願人らは見出した。典型的なエタノール原料における主要成分及び共沸混合物の沸点の詳細は、下記表１に示される（蒸留の温度は全て大気圧、すなわち１ｂａｒａにおけるもの）。

蒸留ステップは、少なくとも約２０：１の還流比で実施する。本明細書で使用されるように、還流比は、（例えば蒸留物流から）取り除かれる凝縮物の速度に対する、（例えば還流流から）蒸留カラムに戻される凝縮物の速度の比（質量比）であり、したがって、例えば２０：１の比は、１部が取り除かれるのに対し２０部の凝縮物が戻されることを示す。本明細書における還流比は、質量基準で算出され得る。有利には、還流比は約２０：１〜約５０００：１、好ましくは約１００：１〜約２０００：１、より好ましくは約５００：１〜約１５００：１の範囲内であり得る。

さらに有利には、蒸留ステップは、約０．０２ｂａｒａ〜約２ｂａｒａ未満、好ましくは約０．０５ｂａｒａ〜約１．５ｂａｒａ、より好ましくは約０．１ｂａｒａ〜約１．０ｂａｒａ、よりいっそう好ましくは約０．２ｂａｒａ〜約０．６ｂａｒａの圧力で行われ得る。驚くべきことに出願人らは、共沸混合物が減圧下で維持されること、及びその結果、必要に応じてより少ない段を備える蒸留カラムを、より低い品位のリボイラ流（リボイラ流を使用している場合）と共に蒸留ステップに使用し得、全プロセス効率が向上することを見出した。しかし、カラムへの還流液を凝縮及び場合により冷却するために、塔頂流に（方法が実施されている環境に依存して）冷却剤を使用する必要性を制限するか又は避けるために、上記で規定される圧力範囲内で運転することも好ましい。蒸留の温度は、選択される圧力と調和する。

したがって、本発明に係る蒸留ステップの運転において、所望のレベルのエタノール回収及び汚染物質（例えばアセトニトリル）分離を達成するために、当業者は、還流比、分離段の数、供給点の位置、及び供給の状態（すなわち液体、加熱液体、蒸気／液体混合物、蒸気、又は過熱蒸気）の適切な組合せを選択し得る。例えば、約５〜約５０の理想分離段、おおよそカラム中央に位置する供給点、及び供給点におけるカラム内の液体とおおよそ一致する温度まで加熱した供給と共に、還流比を質量比で約１００：１〜約１５００：１の範囲としてもよい。

本発明のいくつかの好ましい実施形態において、処理されたエタノール原料（すなわち蒸留で得られた塔底流）は、約２ｐｐｍｗ未満、より好ましくは約１ｐｐｍｗ未満、よりいっそう好ましくは約０．５ｐｐｍｗ未満、よりいっそう好ましくは、約０．２５ｐｐｍｗ未満、例えば、約０．１ｐｐｍｗ未満又は約０．０５ｐｐｍｗ（５０重量十億分率、ｐｐｂｗ，parts per billion by weight）未満の窒素含有量を有する。

提供されるさらなる利点は、本発明に係る蒸留が、エタノール原料のガス抜きをし、例えばエタノールの酸触媒脱水で得られた生成物エチレン流を汚染することにより最終製品規格に悪影響を及ぼす可能性のある、酸素、二酸化炭素、一酸化炭素、及び窒素などの非凝縮性気体成分を除去する役割も果たすことである。

原則として蒸留ステップは、エタノール原料が供給された後に、任意の段で起こり得る。例えば蒸留ステップは、エタノール又はバイオエタノール生成方法に不可欠な部分であり得る。通常バイオエタノール生成方法は、固体及び水を除去するためにマッシュカラムに供給され、次いで水を除去するために精留カラムに供給される、マッシュ流（水中に約１０％のマッシュ）を形成する。例えば分子篩、又はエチレングリコール若しくは他の適切な材料による抽出蒸留などの、精留後に任意の乾燥ステップも存在し得る。したがって、蒸留ステップは、精留カラムと乾燥ステップの間、又は乾燥ステップの後に配置され得る。有利には、蒸留ステップはエタノール生成から独立していてもよい。すなわちバイオエタノール生成の場合、蒸留に供給されるために要するエネルギーを低減するため、蒸留ステップは精留ステップの後に起きる。

蒸留ステップは、複合ステップ、すなわち複数の蒸留を含むステップであってもよい。複数の蒸留のこのようなステップは、本発明に係る蒸留を１又は２以上含み得、かつ、例えば本発明で特に取り組まれる窒素含有汚染物質以外の他の汚染物質の除去を目的とするために、異なる条件の１又は２以上のさらなる蒸留ステップと組み合わせても、又は組み合わせなくてもよい。複数の蒸留を使用する場合、それらの間に他の処理ステップが存在していても、又は存在していなくてもよい。例えば、蒸留ステップの後に吸着ステップ、及びその後にさらなる蒸留ステップが続いてもよく、後述する（図１を参照して）リボイラを含む蒸留ステップの後に、リボイラを備えるか若しくは備えない別のそのような蒸留ステップが続いてもよく、又は蒸留ステップの後に直接別の蒸留ステップが続いてもよい。当業者であれば、エタノール原料の精製を継続するために、１つの蒸留ステップから次へ、いずれの流れが通過すべきかを理解するだろう。

蒸留ステップの後、かつ酸触媒反応ステップの前に、さらなる処理ステップが本方法の一部として現れてもよい。例えば、エタノールの酸触媒反応はしばしば気相で実施される。したがって、本発明の蒸留ステップから得られる処理されたエタノール流は、蒸留カラムからの塔底流であり、それ故に液相であり得るため、酸触媒の存在下で反応させる前に塔底流を蒸発させることが望ましい可能性がある。蒸留カラムからの塔底流の圧力を変えるか、又は蒸留カラムからの塔底流を液相若しくは気相のガード床に通すことも望ましい可能性がある。したがって、蒸留によって生じる処理されたエタノール原料は、本発明の方法の酸触媒反応ステップに供給する前に、完全に又は部分的に凝縮、及び／又は蒸発させてもよい。

蒸留に続き、塔底流（すなわち処理されたエタノール原料）は、酸触媒の存在下で反応し、生成物を形成する。酸触媒反応は、任意の有効な反応、例えばエステル化又は脱水であり得る。好ましくは、酸触媒反応は脱水反応、例えばエタノールのエチレン及び／又はジエチルエーテルへの脱水である。しばしばエチレンがそのような反応の好ましい生成物である。

通常、エタノールの脱水方法などのエタノールの酸触媒反応は、気相中で実施されるため、処理されたエタノール原料は、リボイラ／エバポレータを通して、都合よく蒸留（例えば蒸留カラム）から酸触媒反応（例えば触媒反応器）へ流れ、処理されたエタノールを気相にすることができる。

好ましくは、本発明に係る方法において、処理されたエタノール原料は、酸触媒（例えば脱水触媒）に接触するとき気相にある。これは、気相酸触媒反応（例えばエタノールの脱水）の前に処理されたエタノール原料を気化させることによって達成され得る。酸触媒反応ステップの温度及び圧力は、本発明に係る方法の蒸留ステップで生じる処理されたエタノール原料の温度及び圧力より高くても、又は低くてもよく、したがって、処理されたエタノール原料の温度及び圧力は、処理されたエタノール原料を酸触媒に接触させる前に調整され得る。あるいは、本発明における酸触媒反応ステップの温度及び圧力は、蒸留ステップで生じる処理されたエタノール原料の温度及び圧力が酸触媒反応ステップと同じとなるよう選択され得る。

エタノールの反応は酸によって触媒される。原則として、任意の酸又は酸の混合物が、さらなる反応の触媒となり得る。有利には、酸は不均一触媒作用における使用に適している。酸触媒の例として、無機酸、例えば、タングステン酸、硫酸、リン酸、塩酸及びそれらの混合物が挙げられる。好ましくは、酸触媒はヘテロポリ酸を含むか、又はヘテロポリ酸であり、ヘテロポリ酸は例えばケイタングステン酸、ケイモリブデン酸、リンタングステン酸、又はリンモリブデン酸である。より好ましくは、酸触媒はケイタングステン酸を含むか、又はケイタングステン酸である。

いくつかの実施形態において、酸触媒は、エタノール脱水触媒などのアルコール脱水触媒であり、したがって、当分野で知られる、アルコール脱水触媒又はエタノール脱水触媒のいずれでもあり得る。例えば、酸触媒は、ケイ酸塩、例えば、結晶質ケイ酸塩又はゼオライトであり得るか、又はそれを含み得、好ましくは、例えばその内容がここに援用される国際公開第２００９／０９８２６２号パンフレットに記載されるように、少なくとも１００のＳｉ：Ａｌ比を有する結晶質ケイ酸塩、脱アルミニウム結晶質ケイ酸塩、又はリン変性ゼオライトであり得る。あるいは酸触媒は、例えばそれらの内容がここに援用される国際公開第２００８／１３８７７５号パンフレット及び国際公開第２００８／０６２１５７号パンフレットに記載されるようなヘテロポリ酸触媒であり得る。好ましい実施形態において、酸触媒はヘテロポリ酸触媒である。好ましくは、ヘテロポリ酸触媒（有利にはケイタングステン酸）は、適切な不活性支持体、例えば、シリカ又はアルミナ上に支持される。

エタノールの酸触媒反応（例えばエタノールの脱水）の適切な条件は、例えば本明細書に引用される先行技術文献を参照して、当分野で当業者に良く知られる。しかし、酸性結晶質ケイ酸塩、アルミナ、シリカ−アルミナ、ゼオライト（又はそれらの混合物）触媒の場合、典型的な反応条件として、約２８０℃〜約５００℃の温度、約０．５ｂａｒａ〜約３０ｂａｒａの全圧、及び好ましくは約１．２〜約４ｂａｒａであるアルコール（又はエタノール）分圧が挙げられる。ヘテロポリ酸触媒の場合、典型的な反応条件として、約１８０℃〜約２７０℃の温度、及び約１ｂａｒａ〜約４５ｂａｒａの圧力が挙げられる。

オレフィン生成物は回収され得、次いで当分野で知られる幅広い工業用途に、例えばポリマー及びオリゴマー（及び／又はそれらの前駆体）の調製に、燃料及び潤滑剤の成分として、並びに界面活性剤の調製に、使用され得る。

したがって、さらなる実施形態において本発明は、本発明の方法に従って生成したオレフィンの重合によって得られるポリマー生成物、本発明に従って生成したオレフィンのオリゴマー化によって得られるオリゴマー生成物、当該オレフィン及び／又は当該オリゴマー若しくはポリマー生成物を含む燃料及び潤滑剤組成物、並びに当該オレフィン及び／又は当該オリゴマー若しくはポリマー生成物を含む界面活性剤組成物を提供し得る。

いくつかの実施形態において、１又は２以上の、特定又は不特定の、窒素含有汚染物質又は他の汚染物質のそのレベルを下げるか又は管理する追加の処理ステップ、例えば、吸着材料による（例えば、液相若しくは気相のガード床内での）処理、又は当分野で知られ、及び／若しくは本明細書が参照する、例えば国際公開第１９９７／０４５３９２号パンフレット、欧州特許出願公開第１１７６１３２号明細書、若しくは米国特許第６７７０７９０号明細書に開示されるものなどの他の技法のいずれかを、エタノール原料に施してもよい。そのような追加のステップは、本方法に従う蒸留ステップの前であっても及び／若しくは後であってもよく、又は複数の蒸留ステップを使用する場合、蒸留ステップの間でもよい。

使用される場合、液相又は気相中で（又は順番に各相で）エタノール原料の処理に使用され得る吸着剤は、窒素含有化合物を吸着でき、かつエタノール原料が窒素含有化合物と接触する条件下で安定な、任意の吸着剤であり得る。好ましくは、エタノール原料の処理に使用する吸着剤は、多孔質の固体酸性吸着剤である。適切な吸着材料の例として、アルミノケイ酸塩、例えば、ゼオライト、シリカ−アルミナ；ケイ酸塩；シリカ；アルミン酸塩；アルミナ、例えば、活性アルミナ；分子篩；炭素系吸着材料、例えば、活性炭（とりわけ液相での使用に）；粘土（とりわけ液相での使用に）；樹脂、例えば、強酸イオン交換樹脂、例えば、スルホン酸樹脂；及びアルミノリン酸塩が挙げられる。とりわけ気相での使用のため、吸着剤は、リン酸、ホスホン酸、硫酸、若しくはスルホン酸などの酸で処理してもよいし、若しくはそれを含浸させてもよく、及び／又は遷移金属で変性させてもよい。好ましくは、吸着剤は、ゼオライト、シリカ−アルミナ、及びそれらの混合物からなる群から選択される。吸着材料は、個別に、又は他の吸着材料及び／若しくは不活性材料との混合で使用され得るので、例えば吸着ステップは液相及び気相の両方で行われ得、ここでいずれか一方の吸着ステップは他方に先行する。

エタノール原料が吸着剤に接触する、温度、圧力、及び空間速度は、望ましいエタノール原料の相及び使用される吸着材料に適するよう選択され得る。

吸着剤の、固定床、流動床、又は移動床に、液相のエタノール原料を通すことによって、吸着は行われ得る。通常、液相吸着は固定床を通して行われ得る。このステップで複数の吸着ゾーンを用いてもよく、ここで各吸着ゾーンは、同一又は異なる吸着剤を含有し得、かつ同一又は異なる条件で運転され得る。複数の吸着ゾーンの使用の１つの特定の例は、少なくとも２つの吸着ゾーンを含む系内でエタノール原料を処理するステップを含み、ここで少なくとも１つの吸着ゾーンはエタノール原料が液相で吸着剤と接触する条件下で稼働し、かつ少なくとも１つの吸着ゾーンはアルコール組成物が気相で吸着剤と接触する条件下で稼働する。

本発明の方法のうちのあらゆるステップ（及び／又は方法全体）は、連続又はバッチ法として、好ましくは連続法として運転され得る。

ここで図１を参照すると、本発明に係る方法の略図が示され、ここで供給流１０１中のエタノール原料は、蒸留カラム２０１に供給される。供給流１０１は、例えば供給点におけるカラム内の液体の温度と一致させるため、加熱されてもよい。蒸留カラムは、それぞれ個別の出口点を有する、塔頂流１０２及び塔底流１０３を少なくとも形成する。塔底流は、供給質量流量の約９５％よりも多い、好ましくは供給質量流量の約９８％〜約９９．９９９９％である可能性がある。エタノール原料の供給点は、塔頂流１０２と塔底流１０３の出口点の中間に位置し得る。塔頂流１０２は、凝縮流１０４及び気体流１０５を形成するコンデンサ２０２（任意の種類のコンデンサ、例えば当分野で知られる従来のコンデンサであり得る）を通る。凝縮流１０４の少なくとも一部（還流流１０６）は、蒸留カラム２０１中へ再循環され、カラムに還流液を供給する。残余（蒸留物流１０７）は、さらなるステップ２０３（概略的に図示せず）、例えば他の用途（例えば燃料用エタノール）又は廃棄物としての廃棄を経てもよい。したがって還流比は、さらなるステップ２０３へ取り除かれる蒸留物流１０７の速度に対する、蒸留カラム２０１に戻される還流流１０６の速度の比である。蒸留物流１０７は非常にわずか、例えば供給質量流量の約５％未満、好ましくは供給質量流量の約０．０００１％〜約２％であり得る。揮発性有機化合物の大気への放出を最小化するために、気体流１０５は、例えば場合により気体流をベントコンデンサへ通すことによって、廃棄物として廃棄されてもよく、又はそうでない場合は捕捉２０４（概略的に図示せず）されてもよい。塔底流１０３は処理されたエタノール原料である。塔底流１０３を、任意のリボイラ２０５に移して、蒸発流１０８及び生成物流１０９をもたらしてもよい。蒸発流１０８は、蒸留カラム２０１へ再循環され、蒸気及び熱を蒸留カラム２０１に供給してもよい。生成物流１０９は、直接、又はさらなる処理ステップ（例えば本明細書に詳述されるような）を介して、本発明に係る酸触媒反応（２０６、概略的に図示せず）を通過してもよい。あるいは塔底流１０３は、直接、又は例えば本明細書で取り上げるさらなる処理ステップを介して、酸触媒反応ステップを通過してもよい。

蒸留カラムは、生成物流１０９と供給流１０１の熱交換によって、向上したエネルギー効率をもたらすことができる。上流プロセス及び下流プロセスを用いて熱統合する他の選択肢も考えられる。例として、
・供給流１０１を予熱するための予備熱源、例えば蒸留ステップよりも上流又は下流プロセスからの予備熱の利用
・リボイラ用途としての予備熱源の利用
・供給流１０１などの別の流れとの熱交換における、生成物流１０９の熱源としての利用
・リボイラ用途としての、（高圧凝縮物から生じる）フラッシュ流の利用
が挙げられるが、これらに制限されない。

第二の態様において、本発明はエタノールからエチレンに酸触媒脱水するためのエタノール原料の調製方法であって、前記方法が、少なくとも１種の窒素含有汚染物質を含むエタノール原料を蒸留するステップを含み、前記蒸留の還流比が少なくとも２０：１であり、とりわけ、エタノール原料が蒸留ステップから塔底流で流出する、方法に関する。

第三の態様において、本発明は、窒素含有汚染物質が枯渇した、好ましくはアセトニトリルが枯渇したエタノール原料を、酸触媒の存在下で反応（例えば脱水）させるための、第一の態様に係る方法の使用を提供する。本発明は、非凝縮性気体が枯渇した、好ましくは酸素、二酸化炭素、一酸化炭素、及び／又は窒素が枯渇したエタノール原料を、酸触媒の存在下で脱水するための、第一の態様に係る方法の使用も提供する。

第四の態様において、本発明は、第一又は第二の態様に係る方法から得ることが可能な、好ましくは得られる生成物、とりわけ第一の態様に関するエチレン及び／又はジエチルエーテルを含む生成物、並びに第二の態様に関するエタノールを含む生成物を提供する。

本発明に係る一連のバッチ蒸留が、下記実施例１〜５について行われた。

全ての実施例において、直径１インチのガラス製トレイを２０個備えた（１０理論段）、２Ｌの三口丸底フラスコを容器として用い、蒸留塔を構成した。容器内及び除去点に熱電対を設置し、両地点で温度が測定できるようにした。除去点自体は約１０ｍＬのホールドアップボリュームを有しており、バイパス上のYoung栓（Young's tap）を閉じることによって塞がれた。これは、試料が頂部から回収される直前（すなわち２〜３分前）を除き、開放された。検討する実施例、及び採取されたこの実施例の試料を容器に加えた。容器に接触するマントルヒータ（５２０Ｗ）に全出力をかけ、カラムが活発に還流するまで蒸留装置は放置した。その後、一連の試料５ｍＬが、カラム頂部から１０分間隔で回収されるまで、蒸留装置をさらに１時間放置した。次いで、１時間後に（試料を採取する時間を含む）カラムのスイッチを切り、一旦冷却し、最終試料を容器から採取した。窒素リン検出器及び微量分析を備えるガスクロマトグラフィーによって試料を分析した。上記の条件に倣い、約１２０：１の還流比で運転した蒸留を測定した。

結果は、エタノール原料からの窒素含有汚染物質の除去における、本発明に係る蒸留の有効性を明らかに示す。

本明細書に開示される寸法及び値は、挙げられる正確な数値に厳密に制限されるとは理解されるべきではない。その代わり、別段の指定がない限りそのような寸法は、それぞれ挙げられる値、及びその値の周辺の機能的に均等な範囲の両方を意味するよう意図される。例えば「４０ｍｍ」と開示される寸法は、「約４０ｍｍ」意味するよう意図される。

相互参照されるか又は関連する、特許又は出願のいずれをも含む、本明細書で引用される全ての文献は、明確に除外されるか又は別段の限定がない限り、その全てがここに援用される。いかなる文献の引用も、それが、ここに開示又は請求されるあらゆる発明に対し先行技術であることを認めるものでも、あるいは単独であっても、又はいかなる他の１つ若しくは複数の参考文献との任意の組合せであっても、そのような発明のいずれかを教示、示唆、又は開示することを認めるものでもない。さらに、この書類中の用語のあらゆる意味又は定義は、援用される文献中の同一用語のいかなる意味又は定義と矛盾しない限り、本書類中のその用語に属する意味又は定義に準拠するものとする。

本発明の特定の実施形態が説明及び記載されたが、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な他の変更及び改良を行うことができることは、当業者に明らかであろう。したがって、この発明の範囲及び趣旨のうちである、そのような変更及び改良は、全て添付の特許請求の範囲に含まれるよう意図される。

Claims (15)

1. エタノールの酸触媒脱水方法であって、
   （ａ）少なくとも１種の窒素含有汚染物質を含むエタノール原料（１０１）を蒸留して、塔頂流（１０２）、及びエタノールを含む塔底流（１０３）を形成するステップであって、前記蒸留の還流比が１００：１〜２０００：１の範囲であるステップと、
   （ｂ）酸触媒の存在下で前記塔底流を反応させて、エチレン及び／又はジエチルエーテルを含む、生成物流を形成するステップと
   を含み、前記窒素含有汚染物質が、アセトニトリルを含むか、又はアセトニトリルであり、前記エタノール原料が、５０ｐｐｍｗ以下の窒素を含有する、前記方法。
2. エタノール原料を蒸留するステップが、５００：１〜１５００：１の還流比で行われる、請求項１に記載の方法。
3. エタノール原料を蒸留するステップが、０．０２ｂａｒａ〜２ｂａｒａ未満の圧力で行われる、請求項１又は２に記載の方法。
4. エタノール原料を蒸留するステップが、０．２ｂａｒａ〜０．６ｂａｒａの圧力で行われる、請求項３に記載の方法。
5. 塔底流をリボイラ（２０３）に移して、蒸発流（１０８）及び生成物流（１０９）を形成するステップをさらに含み、前記生成物流がステップ（ｂ）中の前記塔底流と置き換わる、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 蒸発流の少なくとも一部がステップ（ａ）に再循環される、請求項５に記載の方法。
7. エタノール原料が、塔頂流及び塔底流がステップ（ａ）を出る位置の中間の位置でステップ（ａ）に導入される、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. ステップ（ａ）の前に、エタノール原料に水を添加するステップをさらに含む、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
9. 添加される水の量が、エタノール原料の０．０１重量％〜５重量％である、請求項８に記載の方法。
10. 酸触媒が、ヘテロポリ酸を含む、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
11. 酸触媒が、ケイ酸塩を含む、請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
12. エタノール原料がバイオエタノールを含むか、又はエタノール原料がバイオエタノール原料である、請求項１〜１１のいずれかに記載の方法。
13. エタノール原料を吸着剤に接触させるステップをさらに含み、前記エタノール原料が液相又は気相にある、請求項１〜１２のいずれかに記載の方法。
14. エタノールからエチレンに酸触媒脱水するためのエタノール原料の調製方法であって、前記方法が、少なくとも１種の窒素含有汚染物質を含むエタノール原料（１０１）を蒸留するステップを含み、前記蒸留の還流比が１００：１〜２０００：１の範囲であり、前記エタノール原料が前記蒸留ステップから塔底流で流出し、前記窒素含有汚染物質が、アセトニトリルを含むか又はアセトニトリルであり、前記エタノール原料が、５０ｐｐｍｗ以下の窒素を含有する、前記方法。
15. 窒素含有汚染物質が枯渇したエタノール原料を、酸触媒の存在下で脱水して、エチレン及び／又はジエチルエーテルを生成するための、請求項１〜１３のいずれかに記載の方法の使用。