JP7007763B2 - 有機アルカリで修飾された複合触媒及び一酸化炭素の水素化によるエチレンの製造方法 - Google Patents
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Description
(1)本発明は、従来のメタノールから低級オレフィンを製造する技術(MTOと略称)とは異なり、ワンステップで合成ガスをエチレンに直接転化する直接転化することを実現することができる。
(2)本発明の産物における単一産物エチレンの選択性は75-82%と高く、且つ空時収率が高く(オレフィンの収率が1.33mmol/hgに達する)、産物の分離が容易であり、優れた応用の見込みを有する。
(3)触媒における金属酸化物は高比表面積を有するので、金属酸化物の表面にはより多くの活性サイトを備え、触媒反応の進行により有利である。
(4)触媒における成分IIの作用は、一方では成分Iとカップリングを行うことにより、成分Iによって生成された活性気相中間体をさらに転化して低級オレフィンを得、成分IIのカスケード反応の平衡に対する駆動作用により、成分Iによる合成ガスの活性化と転化が促進されて、転化率が向上され、一方、本発明に用いられる成分IIおける分子篩の特別なチャンネル構造は、独特な形状選択効果を有し、より多くのエチレン産物を高度選択性に得ることができる。
(5)本発明に記載の成分I又は成分IIをそれぞれ個別に用いると、本発明の機能を全然実現できず、例えば、成分Iのみを用いる場合、産物におけるメタンの選択性は非常に高いわりに、転化率が非常に低いに対して、成分IIのみを用いる場合、合成ガスの活性化及び転化がほとんどできない。成分Iと成分IIとが協同的触媒作用を果たしてはじめて、高効率の合成ガスの転化を実現するとともに、優れた選択性を得ることができる。これは、成分Iが合成ガスを活性化させて特定の活性気相中間体を生成し、中間体が気相を介して成分IIのチャンネル内に拡散されるからである。本発明において選択されたMOR構造の分子篩は特別なチャンネル構造および酸性度を有するので、成分Iによって生成される活性気相中間体をさらに活性化し、オレフィンに転化する。成分IIの特別なチャネル構造のため、産物は特別な選択性を備えるようになる。
(6)本発明の触媒において、成分IIは脂肪アミンで修飾され、合成ガスの転化を触媒し、単一成分のエチレンが得、その中エチレン選択性は75~82%に達するわりに、メタンの選択性は9%未満であり、炭素元素数4以上の炭化水素の選択性は10%未満と大幅に抑制される。
I.触媒の成分Iの製造
(一)、沈降法による高比表面積を有するZnO材料の合成
(1)1部あたり0.446g(1.5mmol)のZn(NO3)2・6H2Oを3部秤取し、3つの容器に加え、次いで0.300g(7.5mmol)、0.480g(12mmol)、0.720g(18mmol)をそれぞれ秤取して上記3つの容器に順次に加え、次いで30ml脱イオン水をそれぞれ量り取って3つの容器に加え、70℃で0.5h以上攪拌して溶液を均一に混合し、室温までに自然冷却させる。反応液を遠心分離して遠心分離後の沈澱物を収集し、脱イオン水で2回洗浄してZnO金属酸化物の前駆体を得る。
(2)焙焼:上記の得られた産物を空気中で乾燥させた後、雰囲気において焼成処理を行うことで、高比表面積のZnO材料を得る。雰囲気は、不活性ガス、還元性ガス又は酸化性ガスであり、不活性ガスはN2、He及びArのうちの1種又は2種以上であり、還元性ガスはH2及びCOの1種又は2種であり、還元性ガスには不活性ガスが含まれてもよく、酸化性ガスはO2、O3、NO2のうちの1種又は2種以上であり、酸化性ガスには不活性ガスが含まれてもよい。焼成温度は300~700℃であり、焼成時間は0.5~12hである。
製造過程は上記ZnO#2と同様であるが、相違点は、Znの前駆体に代えて、Mnの前駆体を用いることであり、Mnの前駆体は硝酸マンガン、塩化マンガン、酢酸マンガンの中の1種でもよく、ここでは、硝酸マンガンを用い、対応する産物はMnOとされ、比表面積は23m2/gである。
製造過程は上記ZnO#2と同様であるが、相違点は、Znの前駆体に代えて、Ceの前駆体を用いることであり、Ceの前駆体は硝酸セリウム、塩化セリウム、酢酸セリウムのうちの1種でもよく、ここでは、硝酸セリウムを用い、対応する産物はCeO2とされ、比表面積は92m2/gである。
製造過程は上記ZnO#2と同様であるが、相違点は、Znの前駆体に代えて、Gaの前駆体を用いることであり、Gaの前駆体は硝酸ガリウム、塩化ガリウム、酢酸ガリウムのうちの1種でもよく、ここでは、硝酸ガリウムを用い、対応する産物はGa2O3とされ、比表面積は55m2/gである。
製造過程は上記ZnO#2と同様であるが、相違点は、Znの前駆体に代えて、Biの前駆体を用いることであり、Biの前駆体は硝酸ビスマス、塩化ビスマス、酢酸ビスマスの1種でもよく、ここでは、硝酸ビスマスを用い、対応する産物はBi2O3とされ、比表面積は87m2/gである。
製造過程は上記ZnO#2と同様であるが、相違点は、Znの前駆体をInの前駆体を用いることであり、Inの前駆体は硝酸インジウム、塩化インジウム、酢酸インジウムのうちの1種でもよく、ここでは、硝酸インジウムを用い、対応する産物はIn2O3とされ、比表面積は52m2/gである。
硝酸亜鉛、硝酸アルミニウム、硝酸クロム、硝酸マンガン、硝酸ジルコニウム、硝酸インジウム、硝酸コバルト、硝酸鉄を前駆体として用い、室温で炭酸アンモニウムと水中に混合し(ここで炭酸アンモニウムを沈殿剤とし、仕込み比は、炭酸アンモニウムの過剰であるか、又は好ましくはアンモニウムイオンと金属イオンの比が1:1である)、混合液をエージングした後、取り出して洗浄、ろ過、乾燥し、得られた固体を空気雰囲気下で焼成し、高比表面積の金属酸化物を得る。具体的なサンプル及びその製造条件は下記の表2に示す。
分散剤Cr2O3、Al2O3又はZrO2を担体とし、沈澱堆積法によりCr2O3、Al2O3又はZrO2で分散した金属酸化物を製造する。分散ZnOの製造を例にとると、市販のCr2O3(比表面積は約5m2/g)、Al2O3(比表面積は約20m2/g)又はZrO2(比表面積は約10m2/g)を担体として事前に水に分散し次いで、硝酸亜鉛を原料として室温で水酸化ナトリウムという沈殿剤と混合して沈殿させる。Zn2+のモル濃度は0.067Mであり、Zn2+と沈殿剤のモル比は1:8であり、その後、160℃で24時間エージングし、Cr2O3、Al2O3、ZrO2を担体として分散したZnO(成分Iにおける分散剤の含有量は順次に0.1wt%、20wt%、85wt%である)を得る。得られたサンプルを空気中に500℃で1時間焼成し、産物は順次に分散酸化物1~3として定義し、その比表面積は順次に148m2/g、115m2/g、127m2/gである。
前記MORトポロジー構造は、斜方晶系であり、互いに平行する楕円形の直通チャンネルを備える一次元チャンネル構造を有し、一次元チャンネルに平行する8員環及び12員環を含み、12員環の主チャンネルの側辺が8員環のポケットと連通する。
n(SiO2)/n(Al2O3)=15、n(Na2O)/n(SiO2)=0.2、n(H2O)/n(SiO2)=26に従って硫酸アルミニウムと水酸化ナトリウム溶液を混合してからシリカゾルを加え、1時間攪拌して均質の初期ゲルを得る。
次に、初期ゲルを高圧合成釜に移し、180℃で24時間静的に結晶化した後、急速に冷却させ、洗浄、乾燥して、モルデン沸石サンプルを得、Na-MORとされる。
Na-MORを取り、1mol/Lの塩化アンモニウム溶液と混合し、90℃下において3時間攪拌し、洗浄及び乾燥を4回繰り返し、450℃で6時間焼成して水素型モルデン沸石を得る。
成分Iと成分IIを所用割合で容器に入れ、これらの材料及び/又は容器の高速運動による押圧力、衝撃力、剪断力、摩擦力などのうちの1種又は2種以上の作用により、分離、破砕、均一な混合などの目的を達成し、温度とキャリアガスの雰囲気を調整することで機械的エネルギー、熱エネルギー、化学エネルギーの転換を実現し、さらに異なる成分間の相互作用を調整する。
a)窒素ガス及び/又は不活性ガス。
b)水素ガスと窒素ガス及び/又は不活性ガスの混合ガスであって、混合ガスにおける水素ガスの体積が5~50%である。
c)COと窒素ガス及び/又は不活性ガスの混合ガスであって、混合ガスにおけるCOの体積が5~20%である。
d)O2と窒素ガス及び/又は不活性ガスの混合ガスであって、混合ガスにおけるO2の体積が5~20%であり、前記不活性ガスがヘリウム、アルゴン、ネオンのうちの1種又は2種以上である。
機械攪拌:攪拌槽において、攪拌棒を用いて成分Iと成分IIを混合し、攪拌時間(5min~120min)及び速度(30~300r/min)を制御することにより、成分Iと成分IIとの混合程度を調整することができる。
ボールミーリング:研磨剤と触媒を研磨タンク内で高速で回転させつことで、触媒に強い衝撃、圧延を与え、成分Iと成分IIを分散、混合する作用を達成する。研磨剤(材質がステンレス、瑪瑙、石英でもよい。サイズ範囲が5mm~15mm)と触媒との割合(質量比の範囲が20~100:1)を制御することで、均一な混合を実現する。
シェーカー混合法:成分Iと成分IIを予備混合し、容器に入れ、シェーカーの往復振動又は円周振動を制御することで、成分Iと成分IIとの混合を達成し、振動速度(範囲が170r/分)と時間(範囲が5min~120min)を調整することにより、均一な混合を実現する。
機械的研磨法:成分Iと成分IIを予備混合し、容器に入れ、一定の圧力(範囲が5kg~20kg)下で、混合された触媒とラッパーとの相対的運動(速度範囲が30~300r/min)により、均一な混合作用を実現する。
固定床反応を例とするが、触媒は移動床反応器にも適用できる。該装置には気体質量流量計、オンライン産物分析クロマトグラフィー(反応器のテールガスはクロマトグラフィーの定量バルブに直接接続され、周期的及びリアルタイムのサンプリング及び分析を行う)が取り付けられている。
(付記1)
成分Iと成分IIを含み、成分Iと成分IIは機械的混合により複合され、成分Iの活性成分が金属酸化物であり、成分IIがMORトポロジー構造の分子篩であり、成分IIにおいて前記MORトポロジー構造の分子篩が脂肪アミンで修飾処理され、前記修飾処理とは脂肪アミンを前記MORトポロジー構造の分子篩の12員環チャンネル内におけるB酸点に分散させる、ことを特徴とする触媒。
前記脂肪アミンは、ジメチルアミン、トリメチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン、エチレンジアミン、モノプロピルアミン、ジプロピルアミン、トリプロピルアミン、イソプロピルアミン、ジイソプロピルアミン、1、2-ジメチルプロピルアミン、1、2-プロパンジアミン、2-プロペンアミン、シクロプロピルアミン、n-ブチルアミン、ジ-n-ブチルアミン、イソブチルアミン、sec-ブチルアミン、1、4-ブタンジアミン、tert-ブチルアミン、ジイソブチルアミンヘキシルアミン、2-エチルヘキシルアミン、ヘキサメチレンジアミン、トリオクチルアミンのうちの1種又は2種以上である、
ことを特徴とする付記1に記載の触媒。
前記金属酸化物は、MnOx、MnaCr(1-a)Ox、MnaAl(1-a)Ox、MnaZr(1-a)Ox、MnaIn(1-a)Ox、ZnOx、ZnaCr(1-a)Ox、ZnaAl(1-a)Ox、ZnaGa(1-a)Ox、ZnaIn(1-a)Ox、CeOx、CoaAl(1-a)Ox、FeaAl(1-a)Ox、GaOx、BiOx、InOx、InaAlbMn(1-a-b)Ox、InaGabMn(1-a-b)Oxのうちの1種又は2種以上であり、
前記MnOx、ZnOx、CeOx、GaOx、BiOx、InOxの比表面積は1~100m2/g、好ましくは50~100m2/gであり、
前記MnaCr(1-a)Ox、MnaAl(1-a)Ox、MnaZr(1-a)Ox、MnaIn(1-a)Ox、ZnaCr(1-a)Ox、ZnaAl(1-a)Ox、ZnaGa(1-a)Ox、ZnaIn(1-a)Ox、CoaAl(1-a)Ox、FeaAl(1-a)Ox、InaAlbMn(1-a-b)Ox、InaGabMn(1-a-b)Oxの比表面積は5~150m2/g、好ましくは50~150m2/gであり、
前記xの数値範囲は0.7~3.7であり、aの数値範囲は0~1であり、a+bの数値範囲は0~1である、
ことを特徴とする付記1に記載の触媒。
前記成分Iにおける活性成分と成分IIの重量比は0.1~20倍、好ましくは0.3~8である、
ことを特徴とする付記1に記載の触媒。
前記成分Iには分散剤をさらに添加し、分散剤はAl2O3、SiO2、Cr2O3、ZrO2、TiO2、Ga2O3、活性炭、グラフェン、カーボンナノチューブのうちの1種又は2種以上であり、金属酸化物は分散剤に分散され、成分Iにおける分散剤の含有量は0.05~90wt%、好ましくは0.05~25wt%であり、残りは活性金属酸化物である、
ことを特徴とする付記1に記載の触媒。
MORトポロジー構造を備えた前記分子篩の骨格元素の組成は、Si-Al-O、Ga-Si-O、Ga-Si-Al-O、Ti-Si-O、Ti-Al-Si-O、Ca-Al-O、Ca-Si-Al-Oのうちの1種又は2種以上である、
ことを特徴とする付記1~5のいずれか1つに記載の触媒。
合成ガスを反応原料とし、付記1~6のいずれか1つに記載の触媒を用いて固定床又は移動床で転化反応を行い、エチレンを主要成分とする低級オレフィン産物を得る、
ことを特徴とする合成ガス反応により高選択性でエチレンを製造する方法。
前記合成ガスの圧力が0.5~10MPa、好ましくは1~8MPa、より好ましくは2~8MPaであり、反応温度が300~600℃、好ましくは300~450℃であり、対気速度が300~10000h-1、好ましくは500~9000h-1、より好ましくは500~6000h-1であり、前記合成ガスはH2/CO混合ガスであり、H2/COモル比は0.2~3.5、好ましくは0.3~2.5であり、前記合成ガスには更にCO2が含まれ、ここで合成ガス中のCO2の体積濃度は0.1~50%である、
ことを特徴とする付記7に記載の方法。
合成ガスからのワンステップ合成法の直接転化によりC2-4オレフィンを製造し、エチレンの選択性は75~82%であり、副産物であるメタンの選択性は9%未満であり、炭素原子数4以上の炭化水素産物の選択性は10%未満である、
ことを特徴とする付記7に記載の方法。
Claims (8)
- 触媒であって、
当該触媒は、
合成ガスのワンステップ法の直接転化によるエチレン又はC 2-3 オレフィンの製造に用いられ、
成分Iと成分IIを含み、成分Iと成分IIは機械的混合により複合され、成分Iの活性成分が金属酸化物であり、成分IIがMORトポロジー構造の分子篩であり、成分IIにおいて前記MORトポロジー構造の分子篩が脂肪アミンで修飾処理され、前記修飾処理とは脂肪アミンを前記MORトポロジー構造の分子篩の12員環チャンネル内におけるB酸点に分散させることであり、
前記金属酸化物は、MnO x 、Mn a Cr (1-a) O x 、Mn a Al (1-a) O x 、Mn a Zr (1-a) O x 、Mn a In (1-a) O x 、ZnO x 、Zn a Cr (1-a) O x 、Zn a Al (1-a) O x 、Zn a Ga (1-a) O x 、Zn a In (1-a) O x 、CeO x 、Co a Al (1-a) O x 、Fe a Al (1-a) O x 、GaO x 、BiO x 、InO x 、In a Al b Mn (1-a-b) O x 、In a Ga b Mn (1-a-b) O x のうちの1種又は2種以上であり、
前記MnO x 、ZnO x 、CeO x 、GaO x 、BiO x 、InO x の比表面積は1~100m 2 /g、好ましくは50~100m 2 /gであり、
前記Mn a Cr (1-a) O x 、Mn a Al (1-a) O x 、Mn a Zr (1-a) O x 、Mn a In (1-a) O x 、Zn a Cr (1-a) O x 、Zn a Al (1-a) O x 、Zn a Ga (1-a) O x 、Zn a In (1-a) O x 、Co a Al (1-a) O x 、Fe a Al (1-a) O x 、In a Al b Mn (1-a-b) O x 、In a Ga b Mn (1-a-b) O x の比表面積は5~150m 2 /g、好ましくは50~150m 2 /gであり、
前記xの数値範囲は0.7~3.7であり、aの数値範囲は0~1であり、a+bの数値範囲は0~1である、
ことを特徴とする触媒。 - 前記脂肪アミンは、ジメチルアミン、トリメチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン、エチレンジアミン、モノプロピルアミン、ジプロピルアミン、トリプロピルアミン、イソプロピルアミン、ジイソプロピルアミン、1、2-ジメチルプロピルアミン、1、2-プロパンジアミン、2-プロペンアミン、シクロプロピルアミン、n-ブチルアミン、ジ-n-ブチルアミン、イソブチルアミン、sec-ブチルアミン、1、4-ブタンジアミン、tert-ブチルアミン、ジイソブチルアミンヘキシルアミン、2-エチルヘキシルアミン、ヘキサメチレンジアミン、トリオクチルアミンのうちの1種又は2種以上である、
ことを特徴とする請求項1に記載の触媒。 - 前記成分Iにおける活性成分と成分IIの重量比は0.1~20倍、好ましくは0.3~8である、
ことを特徴とする請求項1に記載の触媒。 - 前記成分Iには分散剤をさらに添加し、分散剤はAl2O3、SiO2、Cr2O3、ZrO2、TiO2、Ga2O3、活性炭、グラフェン、カーボンナノチューブのうちの1種又は2種以上であり、金属酸化物は分散剤に分散され、成分Iにおける分散剤の含有量は0.05~90wt%、好ましくは0.05~25wt%であり、残りは活性金属酸化物である、
ことを特徴とする請求項1に記載の触媒。 - MORトポロジー構造を備えた前記分子篩の骨格元素の組成は、Si-Al-O、Ga-Si-O、Ga-Si-Al-O、Ti-Si-O、Ti-Al-Si-O、Ca-Al-O、Ca-Si-Al-Oのうちの1種又は2種以上である、
ことを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載の触媒。 - 合成ガスを反応原料とし、請求項1~5のいずれか1項に記載の触媒を用いて固定床又は移動床で転化反応を行い、エチレンを主要成分とする低級オレフィン産物を得る、
ことを特徴とする合成ガス反応により高選択性でエチレンを製造する方法。 - 前記合成ガスの圧力が0.5~10MPa、好ましくは1~8MPa、より好ましくは2~8MPaであり、反応温度が300~600℃、好ましくは300~450℃であり、対気速度が300~10000h-1、好ましくは500~9000h-1、より好ましくは500~6000h-1であり、前記合成ガスはH2/CO混合ガスであり、H2/COモル比は0.2~3.5、好ましくは0.3~2.5であり、前記合成ガスには更にCO2が含まれ、ここで合成ガス中のCO2の体積濃度は0.1~50%である、
ことを特徴とする請求項6に記載の方法。 - 合成ガスからのワンステップ合成法の直接転化によりC2-3 オレフィンを製造し、エチレンの選択性は75~82%であり、副産物であるメタンの選択性は9%未満であり、炭素原子数4以上の炭化水素産物の選択性は10%未満である、
ことを特徴とする請求項6に記載の方法。
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