JP6595606B2 - オレフィンを製造するための触媒及びプロセス - Google Patents

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Description

本発明は、オレフィンメタセシス反応によりオレフィンを製造するための触媒及びプロセスに関する。
メタセシスは、石油化学工業、特に、需要の高いプロペンを製造する経済的な手段であるエテンとブテンとのクロスメタセシスにとって極めて重要な反応のうちの1つである。
典型的な工業的メタセシスプロセスにおいて、メタセシス触媒は経時的に失活し、したがって定期的な再生が必要である。再生プロセスは一般に、反応中に生成した毒物質及び重質付着物を燃焼するための高温の酸化性ガスによる失活した触媒の処理を伴う。使用される厳しい条件が、触媒の一部の特定の特性、例えば表面積を変化させ、したがってその効率を低下させる可能性があるため、触媒をこのような再生プロセスにかけるべき回数は限られている。
プロペンを製造するためのエテンとブテンとの反応中、1,3−ブタジエンが副生成物として生成されることが明らかになった。1,3−ブタジエンは、この系において低濃度であっても、触媒の失活につながる触媒表面でのコークス生成を誘発する。失活速度に対する1,3−ブタジエンのこのような影響を減らすために、米国特許出願公開第2010/0145126号、米国特許出願公開第2013/0252804号及び米国特許出願公開第2010/0191030号に開示されているように、水素の存在下でメタセシスプロセスを実施することができる。しかし、水素の存在がプロペン生成物の水素化につながり、したがって、プロペン生成物の収率を低下させるであろう。
米国特許出願公開第2010/0145126号 米国特許出願公開第2013/0252804号 米国特許出願公開第2010/0191030号
本発明の目的は、先行技術の欠点を克服する改善された触媒を提供することである。特に、本発明の目的は、頻繁な触媒の再生を避けるための、より遅い生成物収率の低下を特徴とする触媒を提供することである。別の目的は、エテンとブテンとの反応における望ましくない副生成物、例えば1,3−ブタジエンの生成の抑制を可能にするオレフィンメタセシス反応のための触媒を提供することである。
この目的は、以下を含むメタセシス触媒によって達成される:a)元素の周期表の第VIA族及び第VIIA族から選択される遷移金属;b)無機担体;c)0.1〜60重量部のゼオライト;及びd)0.1〜80重量部の層状複水酸化物。
本発明はまた、オレフィンを含む供給流を、本発明によるメタセシス触媒と接触させる工程を含む改善されたオレフィン製造プロセスも提供する。
オレフィン製造プロセスにおける本発明によるメタセシス触媒の使用は、低下した失活速度と共に高活性及び高選択性を示し、したがって、より長い反応サイクルを実施することが可能であり、触媒寿命が長くなる。
本発明によるメタセシス触媒は、a)元素の周期表の第VIA族及び第VIIA族から選択される遷移金属、b)無機担体、c)0.1〜60重量部のゼオライト及びd)0.1〜80重量部の層状複水酸化物を含む。
好ましい実施形態において、本発明の触媒の成分に対する重量部は重量パーセントである。
本発明の文脈において、用語「第VIA族」は、クロム族の6族元素、特にCr、Mo及びWに関係する。同じように、用語「第VIIA族」は、マンガン族の7族元素、特にMn、Tc及びReに関係する。
この触媒において使用される遷移金属は、モリブデン、タングステン及びレニウムから選択されることが好ましく、これらはメタセシス反応において活性が高い。遷移金属は、遷移金属の金属元素、オキシド、スルフィド、ヒドリド及びヒドロキシドを含むさまざまな形態で存在することができる。特に、オキシド、例えばWO、MoO及びReが好ましく、WOがさらにいっそう好ましい。ある実施形態において、本発明の触媒は、1〜15重量部、好ましくは7〜11重量部の遷移金属を含む。
遷移金属は、無機担体上に担持されている。さまざまな無機担体が当分野において周知である。無機担体のタイプは特に限定されない。好ましい実施形態において、無機担体は、シリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア及びこれらの混合物から選択され、好ましくはシリカである。
メタセシス触媒は、0.1〜60重量部のゼオライトを含む。ゼオライトのタイプは限定されないが、好ましくは、ZSM−5、X−ゼオライト、Y−ゼオライト、β−ゼオライト、MCM−22、フェリエライト及びこれらの混合物から選択することができる。好ましい実施形態において、ゼオライトは、ZSM−5、Y−ゼオライト及びフェリエライトから選択され、より好ましくはY−ゼオライトである。
また、別の好ましい実施形態において、メタセシス触媒中のゼオライトの含有量は、触媒の全重量に対して0.5〜30重量部、より好ましくは1〜20重量部の範囲である。
層状複水酸化物(LDH)は、アニオン性粘土又はヒドロタルサイト様材料としても公知であり、電荷平衡アニオンを伴う正電荷を帯びた層と水中間層を含む特有の構造を有する材料のファミリーである。層状複水酸化物の一般化学式は次のように書ける:
[My+ 1−xM’z+ (OH)a+(Ar−・b(HO)
式中
Mは第1の金属であり;
M’は第2の金属であり;
Aはアニオンであり;
xは、好ましくは0.1〜0.9の範囲の数値であり;
yは、好ましくは1又は2に等しい第1の金属の電荷数であり;
zは、好ましくは3又は4に等しい第2の金属の電荷数であり;
aは、x、y及びzによって決まり、好ましくはa=(1−x)y+xz−2であり;
rは、アニオンの電荷数であり;
nは、a及びrによって決まり、好ましくはn=a/rであり;
bは、好ましくは0〜10の範囲の水分子の数である。
第1の金属(M)及び第2の金属(M’)は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属又は他の金属にすることができる。好ましい実施形態において、第1の金属は、Li、Ca、Mg、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn及びこれらの混合物から選択され、好ましくはCa及び/又はMgである。別の好ましい実施形態において、第2の金属は、Al、Ga、In、Mn、Fe、Co、Cr、Ni、V、Ti、Zr、Y及びこれらの混合物から選択され、好ましくはAlである。
アニオンの例には、クロライド、ブロマイド、カーボネート、ビカーボネート、水素ホスフェート、二水素ホスフェート、ニトリト、ボレート、ナイトレート、サルフェート、ホスフェート、ヒドロキシド、フルオリド、ヨージド及びこれらの混合物が含まれる。非常に好ましい実施形態において、アニオンは、カーボネート及びナイトレートから選択される。
触媒転換、選択性及び副生成物生成に対する層状複水酸化物の影響は、低濃度であっても観察することができる。ある実施形態において、メタセシス触媒は、全触媒重量に対して0.5〜50重量部、より好ましくは1〜30重量部の層状複水酸化物を含む。
本発明によるメタセシス触媒の成分は、さまざまな方法で共存させることができる。例えば、無機担体、ゼオライト及びLDHを遷移金属堆積の前に混合することもできる。別の例では、ゼオライト及び無機担体と混合する前に、遷移金属をLDH上に堆積させることもできる。
本発明の目的はさらに、a)無機担体とゼオライトを混合して、これらの混合物を得る工程と;b)遷移金属を無機担体とゼオライトの混合物上に堆積させて、堆積混合物を得る工程と;及びc)堆積混合物と層状複水酸化物を混合して、メタセシス触媒を得る工程とを含む調製プロセスにより得ることができる本発明のメタセシス触媒によって達成される。
無機担体とゼオライトの混合物は、物理的に混合することによって容易に得ることができる。金属堆積技術は、限定することなしに、当分野の従来の技術であってもよい。典型的な例では、遷移金属の化合物を無機担体とゼオライトの混合物上に含浸させる。
特定の実施形態では、層状複水酸化物と混合する前に、金属堆積混合物を乾燥及び/又は焼成する。乾燥法及びか焼(calcining)法は特に限定されない。特に好ましい実施形態では、層状複水酸化物と混合する前に、金属堆積混合物を空気中、400℃〜700℃で0.5〜12時間焼成する。
メタセシス触媒の形状及びサイズは限定されず、プロセス要件に応じて適切に選択されてもよい。触媒の形成を容易にするために、適切なバインダー成分、例えば無機酸化物、無機酸化物ゾル又は粘土がさらに触媒に加えられてもよい。
本発明の目的はさらに、オレフィンを含む供給流を、本発明のメタセシス触媒と接触させる工程を含むオレフィン製造プロセスによって達成される。
供給流は、2個〜12個の炭素原子を有する直鎖状又は環状のオレフィンを含んでもよい。好ましい実施形態において、供給流は、C2直鎖オレフィン、C3直鎖オレフィン、C4直鎖オレフィン、C5直鎖オレフィン、C6直鎖オレフィン及びこれらの混合物からなる群から選択される直鎖オレフィンを含む。さらに好ましい実施形態において、供給流は、エテン及びn−ブテン又はエテン及びn−ペンテンを含み、ここで、プロペンが好ましい生成物である。好ましくは5重量%未満のジエン及び5重量%未満のアセチレン、より好ましくは1重量%未満のジエン及び1重量%未満のアセチレンを含む供給流。任意選択で、場合によって供給流は、好ましくは0〜50重量%の範囲内のパラフィンをさらに含んでもよく、ここで、パラフィンは、本発明によるオレフィン製造プロセスにおいてメタセシス触媒と接触したとき、反応又は変換しない。
実施される本発明のプロセスの運転条件は、100〜600℃、好ましくは200〜450℃の範囲の温度、0〜50bar(ゲージ)の範囲の圧力を含む。本発明のプロセスの運転モードは、固定床、流動床、揺動床(swing bed)及び移動床を含む任意の公知の技術から適切に選択することができて、固定床が一般に好ましい。このプロセスは、追加の共触媒又はガード床が存在しなくても効率的に実施することができる。
オレフィン原料と接触させる前に、メタセシス触媒が、不活性ガス、酸化性ガス又は還元性ガスで、好ましくは200〜700℃の範囲の加熱した環境で処理されてもよい。
本発明のメタセシス触媒は再生することができる;したがって、オレフィン製造プロセスはさらに再生工程を含むことができる。典型的なメタセシス触媒再生手順には、反応時間中に触媒上に生成した毒物質及び重質付着物を燃焼するための、劣化した触媒と高温の酸化性ガスとの接触が含まれる。他の公知の再生技術を制限なく利用することができる。
本発明のメタセシス触媒を使用するメタセシス触媒及びオレフィン製造プロセスは、長時間のサイクルタイムを通して示されるより安定なメタセシス反応をもたらすという点で有利である。これはまた、より経済的に魅力的な工業プロセスにつながる。本発明の実施形態及び有利な効果を、本発明の範囲を限定することなく、以下の実施例においてさらに説明する。
実施例1[比較例]
シリカ担体上の9重量% WOを含むメタセシス触媒を管反応器に充填した。エテン及び2−ブテンを含む供給流を、1.4hr−1の時間あたりの重量空間速度(WHSV)で反応器に供給し、触媒床を、350℃及び22bar(ゲージ)になるよう制御した。
反応器からの排出物を分析した。運転5時間で、n−ブテン変換は54%、プロペン選択性は92%であった。運転15時間で、n−ブテン変換は27%、プロペン選択性は89%であった。平均1,3−ブタジエン生成は170ppm、平均C5+生成は、全排出流に対して5重量%未満であった。
実施例2[比較例]
シリカ担体上の9重量% WOとMg−Al−CO層状複水酸化物とを重量で10:1の比で物理的に混合することによってメタセシス触媒を得た。触媒を管反応器に充填した。エテン及び2−ブテンを含む供給流を、1.4hr−1の時間あたりの重量空間速度(WHSV)で反応器に供給し、触媒床を、350℃及び22bar(ゲージ)になるよう制御した。
反応器からの排出物を分析した。運転5時間で、n−ブテン変換は65%、プロペン選択性は94%であった。運転15時間で、n−ブテン変換は47%、プロペン選択性は90%であった。平均1,3−ブタジエン生成は198ppm、平均C5+生成は、全排出流に対して5重量%未満であった。
実施例3
95重量%のシリカ及び5重量%のY−ゼオライトを含む担体上の9重量% WOとMg−Al−CO層状複水酸化物とを重量で10:1の比で物理的に混合することによってメタセシス触媒を得た。触媒を管反応器に充填した。エテン及び2−ブテンを含む供給流を、1.4hr−1の時間あたりの重量空間速度(WHSV)で反応器に供給し、触媒床を、350℃及び22bar(ゲージ)になるよう制御した。
反応器からの排出物を分析した。運転5時間で、n−ブテン変換は64%、プロペン選択性は95%であった。運転15時間で、n−ブテン変換は68%、プロペン選択性は94%であった。平均1,3−ブタジエン生成は9ppm、平均C5+生成は、全排出流に対して5重量%未満であった。
実施例4
95重量%のシリカ及び5重量%のY−ゼオライトを含む担体上の9重量% WOとMg−Al−CO層状複水酸化物とを重量で10:0.5の比で物理的に混合することによってメタセシス触媒を得た。触媒を管反応器に充填した。エテン及び2−ブテンを含む供給流を、1.4hr−1の時間あたりの重量空間速度(WHSV)で反応器に供給し、触媒床を、350℃及び22bar(ゲージ)になるよう制御した。
反応器からの排出物を分析した。運転5時間で、n−ブテン変換は57%、プロペン選択性は80%であった。運転15時間で、n−ブテン変換は35%、プロペン選択性は78%であった。平均1,3−ブタジエン生成は19ppm、平均C5+生成は、全排出流に対して5重量%未満であった。
実施例5
95重量%のシリカ及び5重量%のY−ゼオライトを含む担体上の9重量% WOとMg−Al−CO層状複水酸化物とを重量で1:1の比で物理的に混合することによってメタセシス触媒を得た。触媒を管反応器に充填した。エテン及び2−ブテンを含む供給流を、1.4hr−1の時間あたりの重量空間速度(WHSV)で反応器に供給し、触媒床を、350℃及び22bar(ゲージ)になるよう制御した。
反応器からの排出物を分析した。運転5時間で、n−ブテン変換は64%、プロペン選択性は87%であった。運転15時間で、n−ブテン変換は60%、プロペン選択性は84%であった。平均1,3−ブタジエン生成は64ppm、平均C5+生成は、全排出流に対して5重量%未満であった。
実施例6
95重量%のシリカ及び5重量%のY−ゼオライトを含む担体上の9重量% WOとCa−Al−CO層状複水酸化物とを重量で10:1の比で物理的に混合することによってメタセシス触媒を得た。触媒を管反応器に充填した。エテン及び2−ブテンを含む供給流を、1.4hr−1の時間あたりの重量空間速度(WHSV)で反応器に供給し、触媒床を、350℃及び22bar(ゲージ)になるよう制御した。
反応器からの排出物を分析した。運転5時間で、n−ブテン変換は64%、プロペン選択性は95%であった。運転15時間で、n−ブテン変換は65%、プロペン選択性は91%であった。平均1,3−ブタジエン生成は37ppm、平均C5+生成は、全排出流に対して5重量%未満であった。
実施例7[比較例]
95重量%のシリカ及び5重量%のY−ゼオライトを含む担体上の9重量% WOと酸化マグネシウムとを重量で1:1の比で物理的に混合することによってメタセシス触媒を得た。触媒を管反応器に充填した。エタン及び2−ブテンを含む供給流を、1.4hr−1の時間あたりの重量空間速度(WHSV)で反応器に供給し、触媒床を、350℃及び22bar(ゲージ)になるよう制御した。
反応器からの排出物を分析した。運転5時間で、n−ブテン変換は65%、プロペン選択性は91%であった。運転15時間で、n−ブテン変換は60%、プロペン選択性は72%であった。平均1,3−ブタジエン生成は238ppm、平均C5+生成は、全排出流に対して8重量%未満であった。
上述の実施例の結果を下表1にまとめた。
上述の実施例の結果から、ゼオライト及びLDHをメタセシス触媒に取り込むと、メタセシス反応中の1,3−ブタジエン生成がより少なくなり、より遅い生成物収率の低下が観察されることが分かる。
前述の説明及び添付の特許請求の範囲に開示されている特徴は、個別でも、又は任意の組み合わせでも、本発明をその多様な形態で実現するために重要であり得る。
本願発明には以下の態様が含まれる。
項1.
a)元素周期表の第VIA族及び第VIIA族から選択される遷移金属;
b)無機担体;
c)0.1〜60重量部のゼオライト;及び
d)0.1〜80重量部の層状複水酸化物
を含む、メタセシス触媒。
項2.
前記遷移金属が、モリブデン、タングステン及びレニウムから選択される、項1に記載のメタセシス触媒。
項3.
1〜15重量部の前記遷移金属を含む、項1又は2に記載のメタセシス触媒。
項4.
前記無機担体が、シリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア及びこれらの混合物から選択され、好ましくはシリカである、項1から3のいずれかに記載のメタセシス触媒。
項5.
前記ゼオライトが、ZSM−5、X−ゼオライト、Y−ゼオライト、β−ゼオライト、MCM−22、フェリエライト及びこれらの混合物、好ましくはZSM−5、Y−ゼオライト及びフェリエライトから選択される、項1から4のいずれかに記載のメタセシス触媒。
項6.
0.5〜30重量部、好ましくは1〜20重量部のゼオライトを含む、項1から5のいずれかに記載のメタセシス触媒。
項7.
前記層状複水酸化物が、Li、Ca、Mg、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn及びこれらの混合物から選択され、好ましくはCa及び/又はMgである第1の金属を含む、項1から6のいずれかに記載のメタセシス触媒。
項8.
前記層状複水酸化物が、Al、Ga、In、Mn、Fe、Co、Cr、Ni、V、Ti、Zr、Y及びこれらの混合物から選択され、好ましくはAlである第2の金属を含む、項1から7のいずれかに記載のメタセシス触媒。
項9.
前記層状複水酸化物が、クロライド、ブロマイド、カーボネート、ビカーボネート、水素ホスフェート、二水素ホスフェート、ニトリト、ボレート、ナイトレート、サルフェート、ホスフェート、ヒドロキシド、フルオリド、ヨージド及びこれらの混合物、好ましくはカーボネート及びナイトレートから選択されるアニオンを含む、項1から8のいずれかに記載のメタセシス触媒。
項10.
0.5〜50重量部、好ましくは1〜30重量部の前記層状複水酸化物を含む、項1から9のいずれかに記載のメタセシス触媒。
項11.
前記メタセシス触媒が:
a)無機担体とゼオライトを混合して、これらの混合物を得る工程;
b)前記無機担体及び前記ゼオライトの前記混合物上に遷移金属を堆積させて、堆積混合物を得る工程;及び
c)前記堆積混合物と前記層状複水酸化物を混合して、前記メタセシス触媒を得る工程
を含む調製プロセスにより得ることができる、項1から10のいずれかに記載のメタセシス触媒。
項12.
前記調製プロセスが、工程c)において前記層状複水酸化物と混合する前に、前記堆積混合物を乾燥及び/又はか焼する工程をさらに含む、項11に記載のメタセシス触媒。
項13.
オレフィンを含む供給流を、項1から12のいずれかに記載のメタセシス触媒と接触させる工程を含む、オレフィン製造プロセス。
項14.
前記供給流が、C2直鎖オレフィン、C3直鎖オレフィン、C4直鎖オレフィン、C5直鎖オレフィン、C6直鎖オレフィン及びこれらの混合物からなる群から選択される直鎖オレフィンを含む、項13に記載のオレフィン製造プロセス。

Claims (10)

  1. a)1〜15重量%の、元素周期表の第VIA族及び第VIIA族から選択される遷移金属;
    b)無機担体;
    c)0.1〜30重量%のゼオライト;及び
    d)0.5〜50重量%の層状複水酸化物
    を含む、メタセシス触媒であって、
    前記遷移金属が、モリブデン、タングステン及びレニウムから選択され、前記無機担体が、シリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア及びこれらの混合物から選択される、メタセシス触媒。
  2. 前記無機担体がシリカである、請求項1に記載のメタセシス触媒。
  3. 前記ゼオライトが、ZSM−5、X−ゼオライト、Y−ゼオライト、β−ゼオライト、MCM−22、フェリエライト及びこれらの混合物から選択される、請求項1又は2に記載のメタセシス触媒。
  4. 前記層状複水酸化物が、Li、Ca、Mg、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn及びこれらの混合物から選択される第1の金属を含む、請求項1からのいずれかに記載のメタセシス触媒。
  5. 前記層状複水酸化物が、Al、Ga、In、Mn、Fe、Co、Cr、Ni、V、Ti、Zr、Y及びこれらの混合物から選択される第2の金属を含む、請求項1からのいずれかに記載のメタセシス触媒。
  6. 前記層状複水酸化物が、クロライド、ブロマイド、カーボネート、ビカーボネート、水素ホスフェート、二水素ホスフェート、ニトリト、ボレート、ナイトレート、サルフェート、ホスフェート、ヒドロキシド、フルオリド、ヨージド及びこれらの混合物から選択されるアニオンを含む、請求項1からのいずれかに記載のメタセシス触媒。
  7. a)無機担体とゼオライトを混合して、これらの混合物を得る工程;
    b)前記無機担体及び前記ゼオライトの前記混合物上に遷移金属を堆積させて、堆積混合物を得る工程;及び
    c)前記堆積混合物と前記層状複水酸化物を混合して、前記メタセシス触媒を得る工程
    を含む、請求項1からのいずれかに記載のメタセシス触媒の調製方法。
  8. 前記工程c)において前記層状複水酸化物と混合する前に、前記堆積混合物を乾燥及び/又はか焼する工程をさらに含む、請求項に記載の調製方法。
  9. オレフィンを含む供給流を、請求項1からのいずれかに記載のメタセシス触媒と接触させる工程を含む、オレフィン製造プロセス。
  10. 前記供給流が、C2直鎖オレフィン、C3直鎖オレフィン、C4直鎖オレフィン、C5直鎖オレフィン、C6直鎖オレフィン及びこれらの混合物からなる群から選択される直鎖オレフィンを含む、請求項に記載のオレフィン製造プロセス。
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