JP6856757B2 - β−フェニルエタノールを調製するための反応システム、触媒および方法 - Google Patents

β−フェニルエタノールを調製するための反応システム、触媒および方法 Download PDF

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Description

発明の詳細な説明
〔技術分野〕
本発明は、β−フェニルエタノールを調製するための反応システム、用いられる触媒、当該触媒の調製方法、およびβ−フェニルエタノールを調製する方法に関し、特に、スチレンオキシドを原料とし、水素添加によりβ−フェニルエタノールを調製する方法に関する。
〔背景技術〕
β−フェニルエタノール(PEA)は、2−フェニルエタノール、フェニルエタノール、およびβ位フェニルエタノールとしても知られている、シンプルな芳香族第一級アルコールである。室温下では無色の液体であり、軽くて上品な持続的なローズ芳香を有する。植物の花の中の特徴的な芳香化合物として初めて発見され、橙花油、ローズ油、およびゼラニウム油等の芳香油中に天然に存在する。
β−フェニルエタノールは、その柔らかで心地よい持続的なローズ芳香から、様々な食用香味料および煙草用香味料に幅広く用いられている。ローズ芳香の食品添加剤およびローズ系芳香の香味料を調製するための主要原料である。β−フェニルエタノールが香水として使用される量は、世界規模でバニリンに次ぐ。同時に、β−フェニルエタノールは、アルカリ条件において安定であり、水に不溶であるため、化粧水および石鹸によく用いられる。さらに、β−フェニルエタノールは、良好な抗菌効果を有するため、目薬溶液およびスキンケア用品にも使用可能である。
現在、市販のβ−フェニルエタノールは基本的に化学的に合成される。β−フェニルエタノールの主な化学的合成法は、ベンゼン−オキシラン法(Friedel-Crafts反応)およびスチレンオキシド(STO)水素添加法である。国際市場において、ベンゼン−オキシラン法による製品は約40%を占め、スチレンオキシド水素添加法による製品は約60%を占めている。ベンゼン−オキシラン法で製造された製品は、異なる微量不純物を含み、芳香は非常に様々であり、品質は香水の基準にまだ達していない。そのため、香水産業においては、主にスチレンオキシド水素添加法が採用されている。
スチレンオキシドの水素添加によるβ−フェニルエタノールの調製に関し、均一法および不均一法のいずれにおいても文献が報告されている。均一法は、触媒の回収が困難である、および生成物の分離が困難であるなどの問題のため、実際の製造にはほとんど用いられていない。そのため、特許文献のほとんどが、不均一な触媒化法の研究および開発に捧げられたものであった。不均一な触媒化法では、β−フェニルエタノール選択性および触媒寿命を如何に向上させるかは、常に注目点および難点となっている。β−フェニルエタノール選択性の向上のかぎは、良好な水素ガス物質転移の効果の確保である。米国特許3579593号には、骨格となるNiおよびPdを触媒として用いることによる、β−フェニルエタノールを調製する方法が記載されており、その比較例は、Ni単独を触媒として用いる場合には副生成物であるエチルベンゼンの含量が11%にまで高くなり、Pd単独を触媒として用いる場合には約10%のフェニルアセトアルデヒドが生成されることを示し、β−フェニルエタノールの収率が全て低く、たったの約85%である。その間、反応液が大量のフェニルアセトアルデヒドを含む場合、フェニルアセトアルデヒドが生成物のβ−フェニルエタノールとさらに反応して高沸点の基質を生成し、触媒の細孔を塞ぎ、触媒を失活させる。米国特許6166269号および米国特許4064186号は、反応システムにNaOH、NaCO、KOH等の助剤を添加することを提案している。β−フェニルエタノール選択性および収率が大幅に向上するものの、触媒寿命がアルカリ性助剤の添加により短くなり、後の生成物を分離することが困難であり、塔を閉塞することが容易であるなど、多くの問題を引き起こす。米国特許2822403号では、水を溶媒として、ラネー(Raney)NiまたはCoを触媒として用い、アルカリ性条件下でβ−フェニルエタノールを調製することを提案している。しかしながら、この方法では、大量の水が必要であり、同時に水とスチレンオキシドとの相溶性を調節するために乳化剤を添加する必要があるため、後の生成物の分離が非常に困難になってしまう。現在、β−フェニルエタノールを調製するためのスチレンオキシドの水素添加は、反応器またはチューブ反応器内で行われる。スチレンオキシドの水素添加が強発熱反応であるため、反応熱を制御するために、よく溶媒を添加する必要がある。中国特許公報CN1111169A、米国特許6979753号、米国特許4943667号、米国特許2524096号等で提案されたβ−フェニルエタノール調製方法は、溶媒が必要であり、生産効率が低下し、生成物の分離工程が複雑化し、脱溶媒等にかかるコストが増加する。
以上をまとめると、前記従来技術は全て、ある程度の欠陥を有する。例えば、物質転移効果が不十分である等の問題は、選択性を向上させるために助剤を添加する必要性に繋がるが、同時に、触媒寿命が低下し、生成物の分離が困難であり、製品品質にさえ影響する。触媒の構造および性能が良くないと、触媒が失活し易く、触媒寿命が短くなってしまう。反応器の伝達制限が溶媒を必要とする場合、分離コストが増加してしまう。したがって、高効率の反応器、および高選択性、および長寿命の触媒の開発は、β−フェニルエタノールの調製方法の改良に重要である。
〔発明の概要〕
本発明は、β−フェニルエタノールを調製するためのスチレンオキシドの水素添加のための反応システムを提供する。また、本発明は、β−フェニルエタノールを調製するためのスチレンオキシドの水素添加のための触媒、および、その調製方法を提供する。本発明の具体的な実施形態において、前記触媒は、均一なマクロ孔を有するため、触媒細孔の閉塞を効果的に防止することができ、触媒寿命が長くなる。さらに、本発明は、β−フェニルエタノールを製造するためのスチレンオキシドの水素添加のための方法を提供する。本発明の具体的な実施形態において、前記方法は、比較的穏やかな反応条件、および簡単な生成物の分離を有し、工業上の量産化が容易である。
本発明は、以下の技術的解決法を適用している。
β−フェニルエタノールを調製するための反応システムであって、触媒を担持するためのマイクロ反応通路であって、マイクロレベルの直径を有するコイル管であって反応場所として用いられる前記マイクロ反応通路と、前記マイクロ反応通路の一端と連通するY字型通路であって、前記Y字型通路の2つの通路のそれぞれが、反応原料ガスを導入するための1つのガス通路および反応原料液を導入するための1つの液体通路である、前記Y字型通路と、前記マイクロ反応通路の他端と連通する出口濾過ユニットであって、前記マイクロ反応通路内の前記触媒が通り抜けるのを防ぎ、かつ、液体生成物およびガスが流出できるようにするために用いられる前記出口濾過ユニットと、前記出口濾過ユニットと連通するガス−液体分離システムであって、前記液体生成物を前記ガスから分離するために用いられる前記ガス−液体分離システムと、前記マイクロ反応通路に超音波場を印加するための超音波場発生器と、を備える、反応システム。
前記反応システムは、反応原料ガスおよび反応原料液を予熱する予熱器と、前記マイクロ反応通路を加熱する加熱器と、をさらに備える。
前記超音波場発生器の超音波出力は、50〜600W、好ましくは150〜400W、より好ましくは200〜300Wである。
前記Y字型通路は、5〜50μm、好ましくは10〜35μm、より好ましくは20〜30μmの通過直径を有し、前記Y字型通路における前記ガス通路および前記液体通路は共に、均一に分布している複数の細管(細管はストリームとも称する)からなり、各々の通路のストリーム数が1〜20、好ましくは3〜15、より好ましくは5〜10であり、好ましくは、前記ガス通路の前記細管の数および分布、ならびに前記液体通路の前記細管の数および分布が全く同じであり、反応原料ガスおよび反応原料液は、Y字型通路の2つの通路をそれぞれ通って複数のストリームとして分かれた後、前記マイクロ反応通路に合流し、前記マイクロ反応通路は、5〜500μm、好ましくは50〜350μm、より好ましくは200〜300μmの直径を有し、前記出口濾過ユニットは、0.1〜15μm、好ましくは0.5〜10μm、より好ましくは1〜2μmの平均孔径を有するエッチングされたシリコンカラムで充填されている。なお、前記エッチングされたシリコンカラムは、エッチングによって形成された、多孔質構造を有する円柱状シリコン材である。
好ましい実施形態において、前記反応システムは、並列の形態を採用することによって生産力を調整する必要性を満たしてもよい。
β−フェニルエタノールを調製するための触媒であって、担体としてAl、活性成分としてNi元素およびCu元素を有するナノ自己組織化触媒であり、前記触媒の質量に基づいて、Ni元素の含量は5〜30wt%、好ましくは10〜27wt%、より好ましくは20〜25wt%であり、Cu元素の含量は0.5〜3.5wt%、好ましくは1〜3wt%、より好ましくは1.5〜2wt%であり、残部はAl担体である、触媒。
前記触媒は、10〜350nm、好ましくは50〜300nm、より好ましくは100〜150nmの平均孔径を有する。
前記触媒の調製プロセスは、
〔1〕一定の攪拌の条件下で0.001〜0.015mol/Lのポリイソブチレンマレイン酸トリエタノールアミンエステルと、0.05〜0.25mol/Lの潤滑油のベースオイルとを(5〜8):1の体積比で十分に混合して、緩やかに90〜100℃まで昇温し、混合物Aを得て、同時に一定の攪拌の条件下で1〜5.5mol/Lの尿素水溶液と、0.5〜1.5mol/LのAl(NO・9HO水溶液とを1:(3〜5)の体積比で十分に混合して、混合物を90〜100℃まで加熱し、混合物Bを得る工程と、
〔2〕前記混合物Aおよび前記混合物Bを1:1の質量比でゆっくり混合して超溶解性ミセルを形成させることにより一次超溶解性ミセル自己組織化体を得て、前記一次超溶解性ミセル自己組織化体を100〜110℃で2〜4時間反応させて生成物を水で洗浄して、150〜200℃で1〜2時間乾燥することにより、二次ナノ自己組織化体を得て、前記二次ナノ自己組織化体を550〜600℃で6〜8時間焼成および粉砕することにより10〜30μmの粒子径を有するマクロ孔型Al担体を得る工程と、
〔3〕0.01〜0.1mol/LのNi(NO水溶液と、0.01〜0.05mol/LのCu(NO水溶液とを混合して含浸液を得て、工程〔2〕で得た前記マクロ孔型Al担体の粉末を前記含浸液に添加して、攪拌によって均一に混合することにより、流動性スラリーを形成する工程と、
〔4〕工程〔3〕で得た前記流動性スラリーを110℃〜130℃で8〜10時間乾燥し、かつ、300℃〜500℃で3〜5時間焼成し、好ましくは前記流動性スラリーを前記反応システムの前記マイクロ反応通路内に注入するときに行う工程と、である。
(1)予熱した水素ガスを導入することにより、触媒が担持されている反応器を加熱する工程と、(2)スチレンオキシドを導入して水素添加反応を行うことにより、β−フェニルエタノールを得る工程と、を含み、前記触媒は、担体としてAl、活性成分としてNi元素およびCu元素を有するナノ自己組織化触媒、または、前記触媒は、前記触媒の調製方法により得られる触媒であり、用いられる前記反応器は、前記反応システムである、β−フェニルエタノールを調製する方法。
前記工程(1)の前に、前記反応器内の前記触媒を還元する還元工程ステップをさらに含む。
前記還元工程は、前記マイクロ反応通路を120〜130℃まで昇温して2〜2.5時間維持し、続いて200〜220℃まで昇温して18〜24時間維持することにより還元を完了し、還元プロセスの間の水素ガス空間速度は300〜500h−1、圧力は0.5〜1.5MPa(ゲージ圧)の条件下であり、続いて水素雰囲気下で室温まで降温する。なお、ゲージ圧とは、大気圧を超えた分を指す。
工程(1)において、前記予熱した水素ガスの温度は25〜60℃、好ましくは30〜50℃、より好ましくは35〜45℃である。
工程(2)において、エチレンオキシドは、ポンプによって導入される。工程(2)において、前記水素ガスの流量は0.5〜13Nm/h、好ましくは1.5〜10Nm/h、より好ましくは2.5〜7Nm/hであり、スチレンオキシドの供給量は1〜35Kg/h、好ましくは3〜20Kg/h、より好ましくは5〜10Kg/hであり、水素ガスのスチレンオキシドに対するモル比は2〜69、好ましくは2.6〜17、より好ましくは3.7〜14である。
工程(2)において、反応温度は30〜120℃、好ましくは40〜100℃、より好ましくは50〜70℃であり、反応圧力(ゲージ圧)は0.3〜10MPa、好ましくは0.5〜3MPa、より好ましくは1〜1.5MPaである。
本発明の具体的な実施形態による有益な効果は、次の通りである。
前記β−フェニルエタノールの調製法は、超音波場を有する前記反応システム内で行われ、前記マイクロ反応通路は、大きい比表面積を有し、物質転移が十分有益である。大きい比表面積の別の利点は、すなわち、伝熱能力が強く、スチレンオキシドの水素添加の反応熱を速やかに除くことができ、溶媒非存在の条件下で反応を行うことができ、生成物の精製の間の脱溶剤工程を減らし、生成物の分離工程を簡略化し、生産コスト減らし、さらに生成物の真の芳香を確保することができ、同時に、印加される超音波場の効果がさらに物質転移を高め、これにより、β−フェニルエタノールの調製において助剤を添加しなくとも、高い選択性および高い収率を確保することができ、β−フェニルエタノール選択性が99%以上にも達することが可能となることにある。脱助剤工程が減ることにより、生成物の分離工程が簡単となり、コストも低くなる。前記マイクロ反応通路の極めて大きい比表面積に加え、超音波場による物質転移の強化により、反応を穏やかな条件下で行うことができるため、設備の投入および安全上のリスクを減らすことができる。前記反応システムを有していれば、設備の設置スペースが小さくなり、増幅効果も無いため、複数台の反応器を並列させて生産量を柔軟に設定することができる。
本発明の具体的な実施形態は、マクロ孔型Ni−Cu/Alナノ自己組織化触媒を適用しており、触媒が大きい孔径および均一性を有するため、反応の間に形成されたアセタール等の高沸点の基質が触媒の細孔を塞ぐことを効果的に防止することができ、同時に、超音波場によって与えられる攪乱で触媒表面への高沸点の基質が堆積するのをさらに防止することができることにより、触媒寿命が大幅に延長し、触媒のユニットの消費が低減する。さらに、Ni−Cu/Alナノ自己組織化触媒にCuが添加されていることにより、フェニルアセトアルデヒドの水素添加が効果的に促進されるため、フェニルアセトアルデヒドがβ−フェニルエタノールと反応して高沸点の基質が生成される確率が下がり、反応液中の高沸点の基質含量を低減し、タール量を減らし、触媒寿命を延長させることができる。
本発明によって選択される超音波場出力範囲によれば、物質転移を強化する効果を確保することができるだけでなく、反応器の激しい振動が生じない。Y字型通路の数および直径、並びにマイクロ反応通路の直径に対する合理的な組み合わせは、物質転移効果および伝熱効果が確保されるため、溶媒または助剤の非存在下で反応を行うことができる。また、触媒の好ましい孔径範囲は、触媒の強度および選択性に影響することなく触媒寿命を確保する。合理的なCu添加量は、フェニルアセトアルデヒドの水素添加が効果的に促進されるため、高沸点の基質の形成を減らし、主反応であるスチレンオキシド開環の反応率に影響することなく触媒寿命を延長させることができる。
〔図面の簡単な説明〕
図1は、実施例5の反応結果である。
図2は、比較例4の反応結果である。
図3は、比較例5の反応結果である。
図4は、比較例6の反応結果である。
図5は、本発明に係る超音波場型マイクロ充填床式反応器の平面視模式図である。1はY字型通路を示し、2はマイクロ反応通路を示し、3は超音波場発生器を示し、4は出口濾過ユニットを示し、5はガス−液体分離システムを示し、6はマイクロ反応通路加熱器を示し、7はガス、液体原料予熱器を示す。
図6は、マイクロ反応通路の構造の模式図である。
図7は、Y字型通路の構造の模式図、並びにガス通路および液体通路の断面図である。
〔具体的な実施形態〕
具体的な実施形態を参照して、本発明を以下に説明する。なお、実施例は、単に本発明を詳細に説明するために用いられるものであり、本発明の保護範囲を限定するものと理解すべきではない。本発明の内容に基づき当該内容に対して行う、本質的ではない改良および調整は、いずれも本発明の保護範囲に含まれる。
以下は、実施例において用いる主要な原料および設備の入手先を説明する。
ポリイソブチレンマレイン酸トリエタノールアミン:中国石油化工股ふん有限公司 撫順石油化工研究院、潤滑油のベースオイル:韓国SK潤滑油社、尿素:中国盤錦中潤化工有限公司、Al(NO・9HO:中国淮南市Kedi化工科技有限公司、Cu(NO・3HO:中国上海Aladdin生化科技股ふん有限公司、Ni(NO・6HO:中国上海Aladdin生化科技股ふん有限公司、スチレンオキシド:Aladdin社(Aladdin Industrial Corporation)、水素ガス:中国煙台万華華勝気体有限公司、水酸化ナトリウム:中国西隴化工股ふん有限公司、エッチングされたシリコンカラム:中国蘇州CSE半導体設備技術有限公司、超音波場発生器:中国南京翰洲科技有限公司。
平均孔径は、窒素吸脱着法(BET)によって測定すればよく、触媒中の金属成分の含量は、ICP(イオン結合広域スペクトル法)によって測定すればよい。
サンプルは、HPLCグレードのエタノールで希釈した後、HP−88(88%−シアノプロピルアリールポリシロキサン;100m×0.25mm×0.20μm)毛管クロマトグラフィーカラムとFID測定器とを用いたSHIMADZU AOC−20iにて、GC分析を行う。導入口の温度は280℃とし、測定器の温度は300℃とし、カラム温度は、プログラムされた温度によって制御される。初期のカラム温度は50℃で0.5分間維持し、3℃/minにて120℃まで5分間昇温し、続いて20℃/minにて220℃まで昇温する。カラム圧力は77.3kPaとし、カラム流量は1.1ml/minとし、分流比は1:50とし、導入量は0.2μLとする。転化率および選択性は、面積正規化法を用いて算出する。
反応原料ガス、反応原料液は、Y字型通路1の2つの端部をそれぞれ通って、複数のストリームに分流した後に触媒を担持するマイクロ反応通路2に合流し、出口濾過ユニット4には、触媒を濾過するためのエッチングされたシリコンカラムが充填され、超音波場発生器3は、前記マイクロ反応通路に超音波場を印加する。
以下の実施例において、図5に示すように、β−フェニルエタノールを調製するための反応システムは、マイクロレベルの直径を有するコイル管であって反応場所として用いられるマイクロ反応通路2と、前記マイクロ反応通路の一端と連通するY字型通路1であって、Y字型通路1の2つの通路のそれぞれが、反応原料ガスを導入するための1つのガス通路および反応原料液を導入するための液体通路である、Y字型通路1と、前記マイクロ反応通路の他端と連通出口濾過ユニット4であって、前記マイクロ反応通路2内の触媒のが通り抜けるのを防ぎ、かつ、液体生成物およびガスが流出できるようにするために用いられる出口濾過ユニット4と、前記出口濾過ユニット4と連通するガス−液体分離システム5であって、前記液体生成物を前記ガスから分離するために用いられるガス−液体分離システム5と、前記マイクロ反応通路2に超音波場を印加するための超音波場発生器3と、反応原料ガスおよび反応原料液を予熱する予熱器7と、前記マイクロ反応通路を加熱する加熱器6と、を含む。
なお、前記超音波場発生器3は筐体であり、前記マイクロ反応通路2は筐体内に水平に固定され、Y字型通路1および出口濾過ユニット4は、筐体の外部における、筐体の後方側中央および前方側中央に、それぞれ位置してもよい。Y字型通路のガス通路および液体通路は、同じ高さに位置すると共に、前記筐体の底面と平行するように設置されている。前記加熱器6は、ジャケット型加熱器であり、全3セット有し、加熱素子は、それぞれ筐体の左側および右側に締めつけられることによって筐体の外面に配置され、予熱器7は、それぞれY字型通路のガス通路および液体通路に締めつける2つの予熱器を有する。
図6に示すように、マイクロ反応通路2はコイル管状である。図7に示すように、Y字型通路のガス通路および液体通路は、均一に分布している複数の細管からなり、ガス通路の細管および液体通路の細管は、数および分布が全く同じである。
反応システムのいくつかの具体的なパラメータ、例えば超音波出力、Y字型通路およびマイクロ反応通路の直径等は、具体的な実施例に記載されている。
〔実施例1〕
<触媒の調製>
Ni−Cu/Alナノ自己組織化触媒CAT−1:触媒質量に基づいてNi含量が9.06wt%、Cu含量が1.64wt%であり、触媒の平均孔径が33.27nmであった。
<触媒の調製プロセス>
〔1〕一定の攪拌の条件下で0.008mol/Lのポリイソブチレンマレイン酸トリエタノールアミンエステルと、0.15mol/Lの潤滑油のベースオイルとを5:1の体積比で十分に混合して、緩やかに100℃まで昇温し、混合物Aを得た。同時に、2.5mol/Lの尿素水溶液と、0.7mol/LのAl(NO・9HO水溶液とを1:5の体積比で十分に混合し、混合物を均一に攪拌しながら95℃まで加熱し、混合物Bを得た。続いて、混合物Aおよび混合物Bを1:1の質量比でゆっくり混合して超溶解性ミセルを形成させることにより、一次超溶解性ミセル自己組織化体を得た。一次超溶解性ミセル自己組織化体を105℃で3.5時間反応させ、生成物を水で洗浄し、200℃で2時間乾燥することにより、二次ナノ自己組織化体を得た。続いて、二次ナノ自己組織化体を580℃で6時間焼成し、粉砕することにより、平均粒子径13.58μmのマクロ孔型Al担体を得た。
〔2〕0.02mol/LのNi(NO水溶液と、0.03mol/LのCu(NO水溶液とを9:1の比率(体積比)で混合し、含浸液を得た。工程〔1〕で得たマクロ孔型Al担体の粉末を含浸液に添加し、攪拌によって均一に混合することにより、流動性スラリーを形成させた。
〔3〕工程〔2〕で得た流動性スラリーを反応システムのマイクロ反応通路2内に注入した後、反応システムの加熱器6による作用下で、125℃で8時間乾燥し、さらに350℃で5時間焼成することにより、Ni−Cu/Alナノ自己組織化触媒を得た。
<β−フェニルエタノールの調製>
(1)予め、反応システム(Y字型通路1の各通路におけるストリーム数が8、通過直径が17.35μm、マイクロ反応通路2の直径が228.86μm、出口濾過ユニット4のシリコンカラムの平均孔径が3.52μm)内のNi−Cu/Alナノ自己組織化触媒を還元した。まず、Y字型通路のガス通路を介してマイクロ反応通路内に水素ガスを導入し、次に、加熱器6によってマイクロ反応通路を125℃まで昇温して2時間維持した後、220℃まで昇温して18時間維持することにより、還元を完了させた。そして、水素雰囲気下で室温まで降温させた。還元工程の間、水素ガスの空間速度は320h−1、圧力は1.5MPa(ゲージ圧)であった。
(2)触媒の還元が完了した後、超音波発生器をオンにし、超音波出力を300Wに設定し、Y字型通路のガス通路によって導入され、予熱器7によって予熱された水素ガスにより、マイクロ反応通路を加熱した。なお、水素ガスの予熱温度は35℃であった。
(3)マイクロ反応通路の温度を35℃まで昇温した後、水素添加反応のために、10Kg/hの速度で原料のスチレンオキシドを送り込み、水素ガスの流量を6.5Nm/hとし、反応温度を70℃に制御し、反応圧力を1.5MPaに制御した。8時間反応を行った後、反応液をサンプリングして反応液の成分を分析した。結果は表1に示す。
〔実施例2〕
<触媒の調製>
Ni−Cu/Alナノ自己組織化触媒CAT−2:触媒質量に基づいてNi含量が17.82wt%、Cu含量が3.17wt%であり、触媒の平均孔径が208.69nmであった。
<触媒の調製プロセス>
〔1〕一定攪拌の条件下で0.003mol/Lのポリイソブチレンマレイン酸トリエタノールアミンエステルと、0.24mol/Lの潤滑油のベースオイルとを7:1の体積比で十分に混合して、緩やかに100℃まで昇温し、混合物Aを得た。同時に、5.2mol/Lの尿素水溶液と、1.1mol/LのAl(NO・9HO水溶液とを1:3.3の体積比で十分に混合し、混合物を均一に攪拌しながら90℃まで加熱し、混合物Bを得た。続いて、混合物Aおよび混合物Bを1:1の質量比でゆっくり混合して超溶解性ミセルを形成させることにより、一次超溶解性ミセル自己組織化体を得た。一次超溶解性ミセル自己組織化体を105℃で3時間反応させ、生成物を水で洗浄し、185℃で1.5時間乾燥することにより、二次ナノ自己組織化体を得た。続いて、二次ナノ自己組織化体を550℃で8時間焼成し、粉砕することにより、平均粒子径19.36μmのマクロ孔型Al担体を得た。
〔2〕0.034mol/LのNi(NO水溶液と、0.05mol/LのCu(NO水溶液とを9:1の比率(体積比)で混合し、含浸液を得た。工程〔1〕で得たマクロ孔型Al担体の粉末を含浸液に添加し、攪拌によって均一に混合することにより、流動性スラリーを形成させた。
〔3〕工程〔2〕で得た流動性スラリーを反応システムのマイクロ反応通路2内に注入した後、反応システムの加熱器6による作用下で、110℃で8時間乾燥し、さらに500℃で5時間焼成することにより、Ni−Cu/Alナノ自己組織化触媒を得た。
<β−フェニルエタノールの調製>
(1)予め、反応システム(Y字型通路1の各通路におけるストリーム数が14、通過直径が25.56μm、マイクロ反応通路2の直径が342.87μm、出口濾過ユニット4のシリコンカラムの平均孔径が1.63μm)内のNi−Cu/Alナノ自己組織化触媒を還元した。まず、Y字型通路におけるガス通路を介してマイクロ反応通路内に水素ガスを導入し、次に、加熱器6によってマイクロ反応通路を120℃まで昇温して2.5時間維持した後、200℃まで昇温して18時間維持することにより、還元を完了させた。そして、水素雰囲気下で室温まで降温させた。還元工程の間、水素ガスの空間速度は500h−1、圧力は0.5MPa(ゲージ圧)であった。
(2)触媒の還元が完了した後、超音波発生器をオンにし、超音波出力を200Wに設定し、Y字型通路のガス通路によって導入され、予熱器7によって予熱された水素ガスにより、マイクロ反応通路を加熱した。なお、水素ガスの予熱温度は40℃であった。
(3)マイクロ反応通路の温度を40℃まで昇温した後、水素添加反応のために、5Kg/hの速度で原料のスチレンオキシドを送り込み、水素ガスの流量を2Nm/hとし、反応温度を50℃に制御し、反応圧力を0.5MPaに制御した。8時間反応を行った後、反応液をサンプリングして反応液の成分を分析した。結果は表1に示す。
〔実施例3〕
<触媒の調製>
Ni−Cu/Alナノ自己組織化触媒CAT−3:触媒質量に対してNi含量が24.88wt%、Cu含量が1.36wt%であり、触媒の平均孔径が146.21nmであった。
<触媒の調製プロセス>
〔1〕一定の攪拌の条件下で0.015mol/Lのポリイソブチレンマレイン酸トリエタノールアミンエステルと、0.06mol/Lの潤滑油のベースオイルとを7:1の体積比で十分に混合して、緩やかに95℃まで昇温し、混合物Aを得た。同時に、2.6mol/Lの尿素水溶液と、0.75mol/LのAl(NO・9HO水溶液とを1:4.7の体積比で十分に混合し、混合物を均一に攪拌しながら100℃まで加熱し、混合物Bを得た。続いて、混合物Aおよび混合物Bを1:1の質量比でゆっくり混合して超溶解性ミセルを形成させることにより、一次超溶解性ミセル自己組織化体を得た。一次超溶解性ミセル自己組織化体を110℃で2時間反応させ、生成物を水で洗浄し、150℃で2時間乾燥することにより、二次ナノ自己組織化体を得た。続いて、二次ナノ自己組織化体を600℃で6時間焼成し、粉砕することにより、平均粒子径28.36μmのマクロ孔型Al担体を得た。
〔2〕0.044mol/LのNi(NO水溶液と、0.02mol/LのCu(NO水溶液とを9:1の比率(体積比)で混合し、含浸液を得た。工程〔1〕で得たマクロ孔型Al担体の粉末を含浸液に添加し、流動性スラリーを形成させた。
〔3〕工程〔2〕で得た流動性スラリーを反応システムのマイクロ反応通路2内に注入した後、反応システムの加熱器6による作用下で、130℃で9時間乾燥し、さらに450℃で5時間焼成することにより、Ni−Cu/Alナノ自己組織化触媒を得た。
<β−フェニルエタノールの調製>
(1)予め、反応システム(Y字型通路1の各通路におけるストリーム数が17、通過直径が7.32μm、マイクロ反応通路2の直径が48.62μm、出口濾過ユニット4のシリコンカラムの平均孔径が11.33μm)内のNi−Cu/Alナノ自己組織化触媒を還元した。まず、Y字型通路のガス通路を介してマイクロ反応通路内に水素ガスを導入し、次に、加熱器6によってマイクロ反応通路を125℃まで昇温して2.5時間維持した後、210℃まで昇温して22時間維持することにより、還元を完了させた。そして、水素雰囲気下で室温まで降温させた。還元工程の間、水素ガスの空間速度は450h−1、圧力は1.0MPa(ゲージ圧)であった。
(2)触媒の還元が完了した後、超音波発生器をオンにし、超音波出力を250Wに設定し、Y字型通路のガス通路によって導入され、予熱器7によって予熱された水素ガスにより、反応器を昇温した。なお、水素ガスの予熱温度は25℃であった。
(3)マイクロ反応通路の温度を25℃まで昇温した後、水素添加反応のために、7.5Kg/hの速度で原料のスチレンオキシドを送り込み、水素ガスの流量を4.5Nm/hとし、反応温度を35℃に制御し、反応圧力を7MPaに制御した。8時間反応を行った後、反応液をサンプリングして反応液の成分を分析した。結果は表1に示す。
〔実施例4〕
<触媒の調製>
Ni−Cu/Alナノ自己組織化触媒CAT−4:触媒質量に対してNi含量が22.37wt%、Cu含量が1.71wt%であり、触媒の平均孔径が311.58nmであった。
<触媒の調製プロセス>
〔1〕一定の攪拌の条件下で0.002mol/Lのポリイソブチレンマレイン酸トリエタノールアミンエステルと、0.22mol/Lの潤滑油のベースオイルとを8:1の体積比で十分に混合して、緩やかに95℃まで昇温し、混合物Aを得た。同時に、1.1mol/Lの尿素水溶液と、1.35mol/LのAl(NO・9HO水溶液とを1:3.5の体積比で十分に混合し、混合物を均一に攪拌しながら100℃まで加熱し、混合物Bを得た。続いて、混合物Aおよび混合物Bを1:1の質量比でゆっくり混合して超溶解性ミセルを形成させることにより、一次超溶解性ミセル自己組織化体を得た。一次超溶解性ミセル自己組織化体を110℃で4時間反応させ、生成物を水で洗浄し、200℃で1.5時間乾燥することにより、二次ナノ自己組織化体を得た。続いて、二次ナノ自己組織化体を560℃で7.5時間焼成し、粉砕することにより、平均粒子径19.64μmのマクロ孔型Al担体を得た。
〔2〕0.047mol/LのNi(NO水溶液と、0.03mol/LのCu(NO水溶液とを9:1の比率(体積比)で混合し、含浸液を得た。工程〔1〕で得たマクロ孔型Al担体の粉末を含浸液に添加し、流動性スラリーを形成させた。
〔3〕工程2で得た流動性スラリーを反応システムのマイクロ反応通路2内に注入した後、反応システムの加熱器6による作用下で、118℃で10時間乾燥し、500℃で5時間焼成することにより、Ni−Cu/Alナノ自己組織化触媒を得た。
<β−フェニルエタノールの調製>
(1)予め、反応システム(Y字型通路1の各通路におけるストリーム数が8、通過直径が15.98μm、マイクロ反応通路2の直径が256.76μm、出口濾過ユニット4のシリコンカラムの平均孔径が8.52μm)内のNi−Cu/Alナノ自己組織化触媒を還元した。まず、Y字型通路のガス通路を介してマイクロ反応通路内に水素ガスを導入し、次に、加熱器6によってマイクロ反応通路を120℃まで昇温して2.5時間維持した後、220℃まで昇温して20時間維持することにより、還元を完了させた。そして、水素雰囲気下で室温まで降温させた。還元工程の間、水素ガスの空間速度は400h−1、圧力は0.8MPa(ゲージ圧)であった。
(2)触媒の還元が完了した後、超音波発生器をオンにし、超音波出力を400Wに設定し、Y字型通路のガス通路によって導入され予熱器7によって予熱された水素ガスにより、マイクロ反応通路を加熱した。なお、水素ガスの予熱温度は40℃であった。
(3)マイクロ反応通路の温度を40℃まで昇温した後、水素添加反応のために、5Kg/hの速度で原料のスチレンオキシドを送り込み、水素ガスの流量を3Nm/hとし、反応温度を65℃に制御し、反応圧力を0.8MPaに制御した。8時間反応を行った後、反応液をサンプリングして反応液の成分を分析した。結果は表1に示す。
〔実施例5〕
<触媒の調製>
Ni−Cu/Alナノ自己組織化触媒CAT−5:触媒質量に対してNi含量が23.09wt%、Cu含量が1.82wt%であり、触媒の平均孔径が136.59nmであった。
<触媒の調製プロセス>
〔1〕一定の攪拌の条件下で0.003mol/Lのポリイソブチレンマレイン酸トリエタノールアミンエステルと、0.24mol/Lの潤滑油のベースオイルとを8:1の体積比で十分に混合して緩やかに95℃まで昇温し、混合物Aを得た。同時に、3.5mol/Lの尿素水溶液と、1.35mol/LのAl(NO・9HO水溶液とを1:4の体積比で十分に混合し、混合物を均一に攪拌しながら100℃まで加熱し、混合物Bを得た。続いて、混合物Aおよび混合物Bを1:1の質量比でゆっくり混合して超溶解性ミセルを形成させることにより、一次超溶解性ミセル自己組織化体を得た。一次超溶解性ミセル自己組織化体を110℃で3時間反応させ、生成物を水で洗浄し、180℃で2時間乾燥することにより、二次ナノ自己組織化体を得た。続いて、二次ナノ自己組織化体を600℃で7時間焼成し、粉砕することにより、平均粒子径25.71μmのマクロ孔型Al担体を得た。
〔2〕0.054mol/LのNi(NO水溶液と、0.035mol/LのCu(NO水溶液とを9:1の比率(体積比)で混合し、含浸液を得た。工程〔1〕で得たマクロ孔型Al担体の粉末を含浸液に添加し、流動性スラリーを形成させた。
〔3〕工程〔2〕で得た流動性スラリーを反応システムのマイクロ反応通路2内に注入した後、反応システムの加熱器6による作用下で、125℃で9時間乾燥し、さらに500℃で4時間焼成することにより、Ni−Cu/Alナノ自己組織化触媒を得た。
<β−フェニルエタノールの調製>
(1)予め、反応システム(Y字型通路1の各通路におけるストリーム数が10、通過直径が45.85μm、マイクロ反応通路2の直径が208.61μm、出口濾過ユニット4のシリコンカラムの平均孔径が1.53μm)内のNi−Cu/Alナノ自己組織化触媒を還元した。まず、Y字型通路のガス通路を介してマイクロ反応通路内に水素ガスを導入し、次に、加熱器6によってマイクロ反応通路を130℃まで昇温して2.5時間維持した後、220℃まで昇温して24時間維持することにより、還元を完了させた。そして、水素雰囲気下で室温まで降温させた。還元工程の間、水素ガスの空間速度は450h−1、圧力は1.5MPa(ゲージ圧)であった。
(2)触媒の還元が完了した後、超音波発生器をオンにし、超音波出力を350Wに設定し、Y字型通路のガス通路によって導入され、予熱器7によって予熱された水素ガスにより、マイクロ反応通路を加熱した。なお、水素ガスの予熱温度は45℃であった。
(3)マイクロ反応通路の温度を45℃まで昇温した後、水素添加反応のために、7.5Kg/hの速度で原料のスチレンオキシドを送り込み、水素ガスの流量を6Nm/hとし、反応温度を110℃に制御し、反応圧力を1.0MPaに制御した。8時間反応を行った後、反応液を一定の時間おきにサンプリングして反応液の成分を分析した。長期的な稼働の間の触媒性能の変化を調べ、全稼働時間は4500時間であった。結果は図1に示す。
図によると、本発明の工程条件下では、触媒は安定した性能、長い寿命、および高い生成物選択性を有していたことが分かる。
〔比較例1〕
10gのRaney6800触媒(Grace社)、50gのスチレンオキシド、および450gのエタノールを反応釜(型番:GSH−1、材質:316L、メーカー:中国威海化工機械有限公司)内に投入して反応釜を閉め、圧力を維持しながら空気を置き換えた後、水素ガスを導入して反応を行った。なお、反応温度は80℃、反応圧力は6MPa、攪拌速度は700rpm、および反応時間は3時間であった。反応完了後、反応液をサンプリングして分析した。結果は表1に示す。
〔比較例2〕
10gのRaney6800触媒(Grace社)、50gのスチレンオキシド、450gのエタノール、および0.2gのNaOHを反応釜(型番:GSH−1、材質:316L、メーカー:中国威海化工機械有限公司)内に投入して反応釜を閉め、圧力を維持しながら空気を置き換えた後、水素ガスを導入して反応を行った。なお、反応温度は60℃、反応圧力は1MPa、攪拌速度は700rpm、および反応時間は3時間であった。反応完了後、反応液をサンプリングして分析した。結果は表1に示す。表によると、助剤のNaOHを添加する条件下でさえ、β−フェニルエタノール選択性は理想的でなく、助剤の添加は、分離工程の間に精留塔の底部が詰まると同時に、製品の品質に影響を及ぼすことが分かる。
〔比較例3〕
30gのRaney6800触媒(Grace社)、および500gのスチレンオキシドを反応釜(型番:GSH−1、材質:316L、メーカー:中国威海化工機械有限公司)内に投入して反応釜を閉め、圧力を維持しながら空気を置き換え、交換後、水素ガスを導入して反応を行った。なお、反応温度は80℃、反応圧力は6MPa、攪拌速度は700rpm、および反応時間は4.5時間であった。反応完了後、反応液をサンプリングして分析した。結果は表1に示す。
〔比較例4〕
直径20mmの通常固定床(型番:TORCH、材質:316SS、メーカー:中国北京拓川石化評価装置技術開発有限公司、反応管の長さ:1400mm)にて、スチレンオキシドの水素添加反応を行った。なお、触媒、触媒の還元の手順、反応温度、圧力、および空間速度をいずれも実施例5と同様にして稼働を4500時間続けた。反応の結果は図2に示す。
図によると、通常固定床の反応器を用いると、超音波型マイクロ充填床式反応器よりも、反応の効果が著しく劣り、生成物であるβ−フェニルエタノールの選択性が明らかに低下したことが分かる。
〔比較例5〕
実施例5において、Ni−Cu/Alナノ自己組織化触媒をRaney6800(Grace社)に変更し、他の工程パラメータは実施例5と同様にして4500時間稼働を続けた。反応の結果は図3に示す。
図によると、触媒Raney6800の性能は、本発明におけるNi−Cu/Alナノ自己組織化触媒の性能よりも明らかに劣っていたことが分かる。
〔比較例6〕
超音波場無しでスチレンオキシドを水素添加し、他の工程パラメータは実施例5と同様にして4500時間稼働を続けた。反応の結果は図4に示す。
図によると、超音波場を除いた後、反応の効果が著しく悪化し、触媒の安定性が低下したことが分かる。
Figure 0006856757
実施例5の反応結果である。 比較例4の反応結果である。 比較例5の反応結果である。 比較例6の反応結果である。 本発明に係る超音波場型マイクロ充填床式反応器の平面視模式図である。 マイクロ反応通路の構造の模式図である。 Y字型通路の構造の模式図、並びにガス通路および液体通路の断面図である。

Claims (11)

  1. β−フェニルエタノールを調製するための反応システムであって、
    触媒担持されているマイクロ反応通路であって、5〜500μmの直径を有するコイル管であって水素化反応場として用いられる前記マイクロ反応通路と、
    前記マイクロ反応通路の一端と連通するY字型通路であって、前記Y字型通路の2つの通路のそれぞれが、反応原料ガスを導入するための1つのガス通路および反応原料液を導入するための1つの液体通路である、前記Y字型通路と、
    前記マイクロ反応通路の他端と連通する出口濾過ユニットであって、前記マイクロ反応通路内の前記触媒が通り抜けるのを防ぎ、かつ、液体生成物およびガスが流出できるようにするために用いられる前記出口濾過ユニットと、
    前記出口濾過ユニットと連通するガス−液体分離システムであって、前記液体生成物を前記ガスから分離するために用いられる前記ガス−液体分離システムと、
    前記マイクロ反応通路に超音波場を印加するための超音波場発生器と、
    を備え、
    前記触媒は、担体としてAl 、活性成分としてNi元素およびCu元素を有するナノ自己組織化触媒であり、前記触媒の質量に基づいて、Ni元素の含量は5〜30wt%であり、Cu元素の含量は0.5〜3.5wt%であり、残部はAl 担体であり、
    前記反応原料ガスは水素ガスであり、前記反応原料液はスチレンオキシドである、反応システム。
  2. 前記超音波場発生器の超音波出力は、50〜600Wである、請求項1に記載の反応システム。
  3. 前記Y字型通路は、5〜50μmの通過直径を有し、前記Y字型通路における前記ガス通路および前記液体通路は、共に、均一に分布している複数の細管からなり、各々の通路の前記細管の数が1〜20であり
    記出口濾過ユニットは、0.1〜15μmの平均孔径を有するエッチングされたシリコンカラムである、請求項1または2に記載の反応システム。
  4. 前記触媒の質量に基づいて、Ni元素の含量は20〜25wt%であり、Cu元素の含量は1.5〜2wt%であり、
    前記超音波場発生器の超音波出力は、200〜300Wであり、
    前記Y字型通路は、20〜30μmの通過直径を有し、
    各々の通路の前記細管の数は、5〜10であり、
    前記マイクロ反応通路は、200〜300μmの直径を有し、
    前記出口濾過ユニットは、1〜2μmの平均孔径を有するエッチングされたシリコンカラムであり、
    前記ガス通路の前記細管の数および分布、並びに前記液体通路の前記細管の数および分布が全く同じである、請求項3に記載の反応システム。
  5. (1)予熱した水素ガスを導入することにより、触媒が担持されている反応器を加熱する工程と、
    (2)スチレンオキシドを導入して水素添加反応を行うことにより、β−フェニルエタノールを得る工程と、を含み
    いられる前記反応器は、請求項1〜の何れか1項に記載の反応システムであり、
    前記触媒は、担体としてAl 、活性成分としてNi元素およびCu元素を有するナノ自己組織化触媒であり、前記触媒の質量に基づいて、Ni元素の含量は5〜30wt%であり、Cu元素の含量は0.5〜3.5wt%であり、残部はAl 担体である触媒、あるいは、
    〔1〕一定の攪拌の条件下で0.001〜0.015mol/Lのポリイソブチレンマレイン酸トリエタノールアミンエステルと、0.05〜0.25mol/Lの潤滑油のベースオイルとを(5〜8):1の体積比で十分に混合して、緩やかに90〜100℃まで昇温し、混合物Aを得て、一定の攪拌の条件下で1〜5.5mol/Lの尿素水溶液と、0.5〜1.5mol/LのAl(NO ・9H O水溶液とを1:(3〜5)の体積比で十分に混合して、混合物を90〜100℃まで加熱し、混合物Bを得る工程と、
    〔2〕前記混合物Aおよび前記混合物Bを1:1の質量比で混合して超溶解性ミセルを形成させることにより一次超溶解性ミセル自己組織化体を得て、前記一次超溶解性ミセル自己組織化体を100〜110℃で反応させて生成物を水で洗浄して乾燥することにより、二次ナノ自己組織化体を得て、前記二次ナノ自己組織化体を焼成および粉砕することによりAl 担体を得る工程と、
    〔3〕0.01〜0.1mol/LのNi(NO 水溶液と、0.01〜0.05mol/LのCu(NO 水溶液とを混合して含浸液を得て、工程〔2〕で得た前記Al 担体の粉末を前記含浸液に添加して、攪拌によって均一に混合することにより、流動性スラリーを形成する工程と、
    〔4〕工程〔3〕で得た前記流動性スラリーを乾燥および焼成することにより、前記触媒を得る工程と、
    を含む方法によって調製される触媒である、β−フェニルエタノールを調製する方法。
  6. 工程(1)の前に、前記反応器内の前記触媒の還元工程をさらに含む、請求項に記載の方法。
  7. 前記還元工程は、前記マイクロ反応通路を120〜130℃まで昇温して2〜2.5時間維持し、続いて200〜220℃まで昇温して18〜24時間維持することにより還元を完了し、還元の間の水素ガス空間速度は300〜500h−1、圧力は0.5〜1.5MPaの条件下であり、続いて水素雰囲気下で室温まで降温する、請求項に記載の方法。
  8. 工程(1)において、前記予熱した水素ガスの温度は25〜60℃である、請求項の何れか1項に記載の方法。
  9. 工程(2)において、水素ガスの流量は0.5〜13Nmhであり、スチレンオキシドの供給量は1〜35Kg/hであり、水素ガスのスチレンオキシドに対するモル比は2〜69である、請求項の何れか1項に記載の方法。
  10. 工程(2)において、反応温度は30〜120℃であり、反応圧力は0.3〜10MPaである、請求項の何れか1項に記載の方法。
  11. 工程(1)において、前記予熱した水素ガスの温度は35〜45℃であり、
    工程(2)において、水素ガスの流量は2.5〜7Nm /hであり、スチレンオキシドの供給量は5〜10Kg/hであり、水素ガスのスチレンオキシドに対するモル比は3.7〜14であり、反応温度は50〜70℃であり、反応圧力は1〜1.5MPaである、請求項10に記載の方法。
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