JP7021323B2 - Fcc触媒添加剤及び結合剤 - Google Patents

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Description

この発明は、流動接触分解(FCC)添加剤に関する。より詳細には、本発明は、ゼオライト系FCC添加剤、及びそれを新規の結合システムによって調製するための方法に関する。
FCCの実践において、軽質オレフィン選択性を増加させるためのいくつかの方法がある。1つのかかる方法は、反応温度を上昇させることである。これは、熱分解の寄与を増加させて、より軽質の生成物の形成の増加をもたらす。例えば、深度接触分解方法では、より高温かつ多量の蒸気が使用される。しかし、熱分解は、あまり選択性がない場合があり、水素、メタン、エタン、及びエチレンなどの比較的低価値の生成物を大量に生成する。
第2の方法は、オレフィン選択性の、ゼオライト含有添加剤、例えば、ZSM-5含有添加剤を添加することである。従来の添加剤は、一次分解生成物(例えば、ガソリンオレフィン)をC3及びC4オレフィンに選択的に変換する、リン活性化ZSM-5を通常含有する。リンによる活性または選択性の改善は、ZSM-5の有効性を増加させることが知られている。例えば、EP-A-511 013は、ZSM-5をリンで処理してプロピレン選択性を増加させることを記載している。さらに、米国特許第5,472,594号は、ゼオライトYと、リン含有の中間孔ゼオライト、例えばZSM-5を含む添加剤とを含有する触媒組成物によって、炭化水素フィードを、改善された収率のC4/C5オレフィンを含有する生成物に変換するための方法を記載している。また、MobilのWO98/41595号は、大孔モレキュラーシーブ、例えばゼオライトYと、ゼオライトYを含有する塩基触媒とブレンドされるリン含有ZSM-5を含む添加剤とを含む触媒組成物を使用して、向上した収率のC3~C5オレフィンを生成するための、炭化水素原料の接触分解のための方法を記載している。同じものが、米国特許第5,456,821号に記載されている。WO94/13754号は、大孔モレキュラーシーブと、1.5~5.5wt%のリン元素を場合により含有する特定のZSM-5を含有する添加剤とを含有する触媒組成物を使用した同様の方法を記載している。また、米国特許第5,521,133号は、噴霧乾燥の前に、リン酸と共にZSM-5及びカオリンスラリーを注入することによるZSM-5添加剤の調製を記載している。
ゼオライトは、炭化水素変換において最も広範に使用されている触媒材料の1つである。ゼオライトは、接触分解装置における触媒及び/もしくは添加剤として、またはクラッキング触媒に組み込まれて、広範に使用されている。オクタン価を改善するためにZSM-5型ゼオライトと混合されている大孔径の結晶性ゼオライト(7Å単位を超える孔径)から構成されるクラッキング触媒の使用は、米国特許第3,758,403号に報告されている。10%のREYを含有する従来の触媒が1.5%~10%の範囲のZSM-5モレキュラーシーブと共に添加されると、ガソリンオクタン価及び低級オレフィンの収率が増加する。しかし、増加幅は、ZSM-5モレキュラーシーブの量が増加するにしたがい、低減されることが分かっている。ZSM-5モレキュラーシーブを含有する添加剤を使用することは、同じ効果を有する。
本発明のこれらならびにさらに他の実施形態、利点及び特徴は、添付の特許請求の範囲を含めた以下の詳細な説明からさらに明らかになる。
別途示されていない限り、重量%(_wt%)は、本明細書において使用されているとき、特定の物質または物質の形態が構成成分または構成要素である生成物の合計乾燥重量を基準にした、物質の特定の形態の乾燥重量%である。ステップまたは構成要素または要素を本明細書においてある程度好ましいとして記載しているとき、これらは、この開示の起算日のときに好ましいこと、また、かかる選好(複数可)は、当然ながら、所与の状況または当該分野におけるさらなる開発に応じて変動し得ることがさらに理解されるべきである。
重質炭化水素原料を、より軽質の生成物、例えばガソリン及び留出物範囲の留分に変換するための最も好ましい方法の1つが、流動接触分解(FCC)である。しかし、接触分解方法からの生成物スレートにおいて、低級オレフィンの収率、LPG、プロピレン及び他の軽質オレフィンの収率(C2~C4炭化水素)を向上させる必要性が増加している。
本発明は、炭化水素フィードを特定の触媒組成物上で分解して、フィード炭化水素よりも低分子量の変換生成物である炭化水素化合物、例えば、高プロピレン留分と増加したLPGとを含む生成物を生成するための方法において用いられることが具体的に意図されている添加剤に関する。
典型的なFCC添加剤の手順は以下の通りである。アルミナ及び/またはシリカ結合剤を所要量のゼオライトスラリー、クレイ、及びリン酸と混合する。この混合物を噴霧乾燥機に送り、最終触媒を作製する。アルミナ及び/またはシリカ結合剤を、FCC添加剤の性能及び良好な物性、主にABD及び耐損耗性のために、触媒混合物に添加する。アルミナ結合剤は、HNO3、HCl、ギ酸のような一塩基酸の使用により分散されているもし
くは溶解されているいずれかであるアモルファスもしくは擬ベーマイトアルミナゾル(粒径<1000nm)、または一塩基酸に溶解しているいずれか他のアルミニウム源であり得る。シリカ結合剤は、好適な分散形態のシリカ源であり得、シリカヒドロゾル、シリカゲル、シリカゾル及びケイ酸を含む。
本発明は、しかし、低量のアモルファスまたは擬ベーマイトアルミナ結合剤(<5wt%)を用い、また、アルミナを前処理するための一塩基酸を使用する必要の無い方法に基づくものである。アモルファスまたは擬ベーマイトアルミナ結合剤は、リン酸、または他の好適なリン源と反応して、インサイチュでのリン酸アルミニウムを、この低いアルミナ結合剤レベルで、先に公知である方法によって作製されたFCC添加剤と少なくとも等価の物性及び性能にする。本発明のインサイチュでのリン酸アルミニウムは、例えば一塩基酸によってアルミナを分散または溶解させる必要性を排除することによって、代替の製造経路を作り出すとされている。
本発明によると、本明細書に開示されている新規の方法によって得られる生成物からなるゼオライト系熱水耐性FCC触媒添加剤であって:ゼオライト約35wt%~約65wt%と;シリカ約0wt%~約10wt%と;クレイ15wt%~50wt%と、約2.5wt%~5wt%のアモルファスまたは擬ベーマイトアルミナ及び約7wt%~15wt%のリン酸を含むリン酸アルミニウム結合剤と;を含む、上記添加剤を提供する。
本発明のさらに別の態様において、プロピレンの収率を選択的に改善するゼオライト系FCC触媒添加剤の調製のための方法を提供する。本発明の方法は、高いプロピレン収率を長期間にわたって付与及び持続することが可能であるFCC添加剤触媒を提供することも目的とする。
本発明の典型的な実施形態は、以下のステップを含有する。典型的な添加順序は以下の通りである:
(a)アモルファスまたは擬ベーマイトアルミナ及び水(または他の好適な水溶液)をタンクに投与して、アルミナスラリーを形成すること;
(b)所要量のリン含有化合物を添加して、最終触媒において必要とされる測定P25レベルを得ること;制御された温度及び時間条件下でアルミナをP25と反応させて、好適なリン酸アルミニウム結合剤を生成すること;
(c)リン酸アルミニウム結合剤を、残部の他の成分に投与すること;
(d)スラリーを噴霧乾燥機に送ること;
(e)噴霧乾燥された触媒粉末を収集すること、これが、最終添加剤である;
(f)場合により、最終生成物は、例えば、約250℃と約700℃との間の温度で焼成され得る。
アルミナスラリー及びリン含有化合物を、あらゆる他の構成要素/成分の添加の前に合わせかつ反応させるべきである。例えば、実施例において以下に示されているように、アルミナスラリーをリン含有化合物の導入の前にゼオライト、クレイまたはクレイ/シリカと混合すると、得られる添加剤は、アルミナ及びリン含有化合物を他の構成要素の添加の前に混合する場合よりも高い比較損耗を示す。
ステップ(a)において言及されているアルミナは、FCC触媒用途において使用される典型的なアモルファスまたは擬ベーマイトである。用語「ベーマイト」は、酸化アルミニウム-水酸化物[AlO(OH)]に近いX線回折(XRD)パターンを示すアルミナ白を記載するのに業界において使用される。さらに、用語ベーマイトは、異なる量の水和水を含有し、異なる表面積、細孔容積、比重を有し、熱処理の際に異なる熱的特性を示す広範なアルミナ白を記載するのに一般に使用される。にもかかわらず、XRDパターンは、特徴的なベーマイト[AlO(OH)]ピークを示すが、それらの幅は通常変動し、それらの箇所もシフトし得る。XRDピークのシャープさ及びそれらの箇所は、結晶化度、結晶サイズ、及び欠陥の量を示すのに使用されてきた。
広範には、ベーマイトアルミナの2つのカテゴリーがある:準結晶性ベーマイト(QCB)及び微結晶性ベーマイト(MCB)。技術水準では、準結晶性ベーマイトは、擬ベーマイト及びゼラチン状ベーマイトとも称される。通常、これらのQCBは、MCBよりも高い表面積、大きい孔及び細孔容積、ならびに低い比重を有する。これらは、水または酸に分散しやすく、MCBよりも小さい結晶サイズを有し、多数の水和水分子を含有する。QCBの水和の程度は、通常は秩序だってまたは他の場合には8面体層間に挿入されている、例えばAlのモル当たり約1.4から最大で約2モルまでの広範な値の水を有することができる。DTG(示差熱重量測定)は、多量の水が、MCBからよりもはるかに低温でQCBから放出されることを示している。典型的かつ許容可能なベーマイトは、例えば、Catapal及びPuralとして市販されている。
ステップ(a)におけるアルミナの添加量は、Al23として算出されるとき、最終乾燥添加剤の典型的には約2.5wt%~約5.0wt%の範囲であり、好ましくは、約3wt%と約4wt%との間である。希釈されたアルミナスラリーの典型的な固形分は、約5wt%~約30wt%のAl23の範囲であり、より好ましくは約9wt%超である。
上記ステップ(b)の際、いずれかの好適なリン含有化合物、すなわち、水素イオンと反応することが可能である共有結合性またはイオン性の構成成分を有するいずれかのリン含有化合物、例えばリン酸及びその塩、例えば、リン酸二水素アンモニウム及びリン酸水素ジアンモニウム、次リン酸アンモニウム、オルトリン酸アンモニウム、オルトリン酸二水素アンモニウム、オルトリン酸水素アンモニウム、リン酸三アンモニウム、ホスフィン、亜リン酸塩を用いてよい。好適なリン含有化合物として、PX3、RPX2、R2PX、R1P、R3P=O、RPO2、RPO(OX)2、PO(OX)3、R2P(O)OX、RP(OX)2、ROP(OX)2、及び(RO)2POP(OR)2:式中、Rは、アルキル
またはフェニルラジカルであり、Xは水素、Rまたはハロゲン化物である;によって表される基の誘導体が挙げられる。これらの化合物として、第1級のRPH2、第2級のR2PH、及び第3級のR3P、ホスフィン、例えばブチルホスフィン;第3級ホスフィンオキシド、R3PO、例えばトリブチルホスフィン;第1級のRP(O)(OX)2、及び第2級のR2P(O)OX、ホスホン酸、例えばベンゼンホスホン酸;ホスホン酸のエステル、例えばホスホン酸ジエチル、(RO)2P(O)H、ホスフィン酸ジアルキル、(RO)P(O)R2;亜ホスフィン酸、R2POX、例えば、ジエチル亜ホスフィン酸、第1級の(RO)P(OX)2、第2級の(RO)2POX、及び第3級の(RO)3P、亜リン酸塩;ならびにこれらのエステル、例えばモノプロピルエステル、亜ホスフィン酸アルキルジアルキル、(RO)P2、及び亜ホスホン酸ジアルキル、(RO)2PRエステルが挙げられる。亜リン酸塩エステルの例として、亜リン酸トリメチル、亜リン酸トリエチル、亜リン酸ジイソプロピル、亜リン酸ブチル;及びピロ亜リン酸塩、例えばテトラピロ亜リン酸塩が挙げられる。言及した化合物におけるアルキル基は、1~4個の炭素原子を含有する。他の好適なリン含有化合物として、リンハロゲン化物、例えばリン三塩化物、臭化物、及びヨウ化物、アルキルホスホロジクロリダイト、(RO)PCl2、ジアルキルホスホロクロリダイト、(RO)2PCl、アルキルホスホノクロリデート、(RO)(R)P(O)Cl、及びジアルキルホスフィノクロリデート、R2P(O)Clが挙げられる。
ステップ(b)の際のリンの添加量は、好ましくは約8wt%~約12wt%のP25であるが、乾燥重量基準で、約7wt%~約15wt%の、触媒上のP25の範囲内である。ステップ(b)の際、アモルファスまたは擬ベーマイトアルミナ結合剤に対するリンのモル比は、添加剤の性能において有意な役割をする。最適な性能は、1:1~3:1のP/Alモル比、より好ましくは約1.5:1~約2.5:1の比から得られることが分かる。リンの量は、アルミナと反応しかつゼオライトを安定化させる作用をし得る。
本発明の別の態様は、以下に言及されるリン酸アルミニウムの混合物を設定温度及び時間未満に維持して、許容可能な物性を有する噴霧乾燥後の添加剤を生じさせることが好ましいということである。そのため、ステップ(b)において、スラリーを、少なくとも5秒、しかし、24時間を超えず、好ましくは8時間を超えずに撹拌及び反応させる。ステップ(b)において、スラリーを、5℃超、しかし、通常60℃以下、好ましくは20℃と55℃との間で撹拌及び反応させる。
ステップ(c)の際に添加されるゼオライトは、典型的なオレフィン選択性のゼオライトであり、10超、好ましくは15超のシリカ/アルミナ比、及び最大で12の環を有するゼオライトとして定義される。典型的には、混合物に添加されるゼオライトの量は、約35wt%~約65wt%である。
好適なオレフィン選択性のゼオライトの例は、MFI型ゼオライト、MEL型ゼオライト、例えばZSM-11、MTW型ゼオライト、例えばZSM-12、MWW型ゼオライト、例えばMCM-22、MCM-36、MCM-49、MCM-56、及びBEA型ゼオライト、例えばゼオライトベータである。MFI型ゼオライトが好ましい。MFI型ゼオライトは、ATLAS OF ZEOLITE STRUCTURE TYPES,W.M.Meier and D.H.Olson、3rd revised edition(1992)、Butterworth-Heinemannにおいて定義されており、ZSM-5、ST-5、ZSM-8、ZSM-11、シリケート、LZ-105、LZ-222、LZ-223、LZ-241、LZ-269、L2-242、AMS-1B、AZ-1、BOR-C、Boralite、Encilite、FZ-1、NU-4、NU-5、T5-1、TSZ、TSZ-III、TZ01、TZ、USC-4、USI-108、ZBH、ZB-11、ZBM-30、ZKQ-1B、ZMQ-TBが挙げられる
。NL9301333に記載されているZRPゼオライトは、この記載の文脈内のMFI型ゼオライトとされないことに注意されるべきである。
さらに、ステップ(c)の際、約0wt%~約10wt%の範囲のシリカ結合剤を添加することが典型的である。より好ましくは、およそ3wt%~約8wt%のシリカ結合剤が、最適な結合及び性能のためにスラリーに添加される。好適に分散された形態のシリカ源として、シリカヒドロゾル、シリカゲル、シリカゾル、及びケイ酸が挙げられる。好ましいシリカ源は、シリカ粒子の水性コロイド分散液である。本発明における使用に好適なシリカゾルは、約10~約400Åの範囲内の実質的に均一な粒径を有する、イオン交換法から誘導されるもののいずれかである。
添加剤の残部は、クレイ、例えば、カオリン、ベントナイト、もしくはメタ-カオリン、または他のフィラーである。
本発明は、本発明の方法によって得られ得る上記の触媒組成物も対象とする。本発明による組成物は、炭化水素フィードと共に、1以上の触媒と同時に、または炭化水素フィード及び1以上の触媒が添加された後にFCCユニットに添加され得る。一実施形態において、本発明による組成物は、1以上のFCC触媒と組み合わされる。上記触媒組成物は、炭化水素原料の接触分解において好適に使用され得、缶出液の変換を維持しながらも軽質オレフィンの生成において高効率を有する。触媒組成物はまた、DCC法における通常の温度よりも低い温度を使用するときであっても、いわゆるDCC法において使用されてもよい。
本発明を以下の非限定的な実施例において示し、該実施例は、表示の目的で提供されるものであり、発明の範囲を限定すると解釈されてはならない。
いずれの実験室試験の前にも、触媒を失活させて精製機ユニットにおいて触媒をシミュレーションしなければならず、これは、典型的には、蒸気によってなされる。これらのサンプルを、100%の蒸気で788℃または800℃において20時間失活させた。この例は流動床シミュレーションとしてなされているが、所与の変換におけるプロピレン収率は、実験室で失活される触媒がFCCユニットにおいて失活される触媒を模倣しているため、商習慣において付与されるものと本質的に同じであるということに注意されるべきである。流動ミクロ活性試験、または流動床シミュレーション試験(FST)は、触媒のFCC分解活性を確認するために当該分野において公知でありかつ一般に受け入れられている試験である。該試験は、全てのランで同じフィード率を使用しながら反応器に存在する触媒の質量を変動させることによって得られる一連の触媒フィード比(CTO)によって行われる。試験装置は、既知の量及び組成特徴の炭化水素原料の既知の量の分解をシミュレートする。この小規模の試験ユニットは、貫流ユニットであり、ASTM 5154-10におけるように近似的に操作される。反応器は、高温炉内にあり、触媒を、以下に概説されているように、反応器に直接添加し、続いてフィード注入をする。次いで、4.5~9グラムの触媒をFSTユニットに投入した。反応温度を537℃で固定した。1.5グラムの炭化水素フィードを1.5グラム/分の比率で注入する。ガス及び液体生成物を収集し、これらの構成要素割合をGCによって分析した。重量%変換は、コークス、ガス及びガソリンに変換されるフィードの重量%である:
100×[(フィードの重量)-(生成されたライトサイクルオイルの重量)-(触媒上のコークスを除いた、形成された缶出液/残渣の重量]/[フィードの重量]
添加剤を試験するために、1つを、性能試験の前に、商業的利用をシミュレートする濃度でFCC触媒とブレンドする。以下の実施例では、添加剤を5%ブレンドでブレンドした。
触媒上のコークスの重量を、反応後に反応器から触媒を除去し、これをLECO(商標)炭素分析計による分析に供することによって測定する。
以下の実施例は、典型的なVGO原油を利用する。他のフィードを使用することができ、フィードの特性は、LPG及び特にプロピレンの絶対収率に影響する。
実施例1.5つの添加剤サンプルを、本明細書に記載されている方法を使用して作製した。従前の方法によって作製した第6の基本事象も使用した。5つの添加剤を次いで性能試験して、Ecatに5%のレベルでブレンドした後のプロピレン収率(報告値はCTO=4におけるものである)を求めた。
Figure 0007021323000001
実施例2.添加剤の別の態様を、H3PO4の添加の前にアルミナの固体を変動させることによって試験した。4つの添加剤サンプルを本明細書に記載されている発明にしたがって作製した。同じ重量%の成分を、アルミナの固体百分率を変動させながら使用した。得られた試験は、添加剤の好ましい物性を維持することを示しており、アルミナスラリーは、以下の表に示されているように、Al-P材料の合成の際に9wt%超の固体で好ましくは維持されるべきである。
Figure 0007021323000002
実施例3.本発明の別の態様は、アルミニウム及びリン酸塩の反応混合物を設定温度未満で好ましくは維持することである。そのようにすると、その方法では、許容可能な物性を有する添加剤を噴霧乾燥後に生じさせる。2つの例を本明細書に記載されている発明にしたがって作製した。同じ重量%の成分を、アルミニウム及びリン混合物の温度を変動させながら使用した。サンプルを、両方の例において、全ての他の成分と混合する前に5分間反応させた。以下の表は、Al-P混合物が64℃の温度に達したとき、損耗が、Al-P混合物について55℃の温度を有したサンプルから増加したことを示している。
Figure 0007021323000003
実施例4.本発明の別の態様は、添加順序が最終触媒の特性に影響するということである。4つの添加剤サンプルを本明細書に記載されている発明にしたがって作製した。同じ重量%の成分を、各サンプルについて添加の順序を変動させながら使用した。サンプルを、全ての他の成分と混合する前に5分間反応させた。第1サンプルを、リン酸の存在下でアルミナを反応させることによって調製した。第2サンプルを、ゼオライトの存在下でアルミナをリン酸と反応させることによって調製した。第3サンプルを、クレイの存在下でアルミナをリン酸と反応させることによって調製した。第4サンプルを、クレイ及びシリカの存在下でアルミナをリン酸と反応させることによって調製した。物性を以下の表に開示する。結果は、アルミナを、水または他の水溶液を含まない、別の成分の存在下でリン酸と反応させた各サンプルについて、焼成損耗値が低いことを示している。
Figure 0007021323000004
本明細書において使用されているとき、本発明の組成物における成分の量を修飾しまたは本発明の方法において用いられている用語「約」は、例えば、現実の世界において濃縮物または使用溶液を作製するために使用される典型的な測定及び液体取扱手順を通して;これらの手順における故意でない誤りを通して;組成物を作製するまたは方法を実施するために用いられる成分の製造、供給源または純度の違いを通して;などで生じ得る数量の変動を称する。用語「約」はまた、特定の初期混合物から得られる組成物に関する異なる平衡条件に起因して異なる量も包含する。用語「約」によって修飾されているか否かに関わらず、特許請求の範囲は、該量と等価なものを含む。
明確に別途示され得るときを除き、冠詞「a」または「an」は、本明細書において使用されている場合およびそのとき、記載または特許請求の範囲を、冠詞が称する単数要素に限定することは意図されておらず、また、限定すると解釈されるべきではない。むしろ、冠詞「a」または「an」は、本明細書において使用されている場合およびそのとき、文脈が別途明確に示さない限り、1以上のかかる要素をカバーすることが意図される。この発明は、その実用においてかなりの変動の影響を受けやすい。そのため、上記の記載は、本発明を、本明細書において上記に提示されている特定の例示に限定することは意図されておらず、また、限定すると解釈されるべきではない。

Claims (4)

  1. 35wt%~65wt%のゼオライトと、15wt%~50wt%のクレイと、0wt%~10wt%のシリカ結合剤と、2.5wt%~5wt%のアモルファスまたは擬ベーマイトアルミナ及び7wt%~15wt%のリン酸を含むリン酸アルミニウム結合剤とを含み、かつ、前記リン酸アルミニウムはアモルファスまたは擬ベーマイトアルミナとP 源の混合物から構成される、触媒添加剤。
  2. 前記リン酸アルミニウム結合剤のP/Alのモル比が、1と3との間である、請求項1に記載の触媒添加剤。
  3. 前記リン酸アルミニウム結合剤のP/Alのモル比が、1.5と2.5との間である、
    請求項1に記載の触媒添加剤。
  4. 炭化水素原料の接触分解の方法における、請求項1~3のいずれかに記載の触媒添加剤の使用。
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