【発明の詳細な説明】
炭化水素の形状選択的変換
本発明は、炭化水素の形状選択的変換、例えば芳香族パラ置換化合物の選択的
製造等に関するものであり、特にトルエンの選択的不均化(selective dispropo
rtionation)によるパラキシレンの製造に関するものである。
形状選択的触媒作用という語は、ゼオライトにおける予期していない触媒選択
性を表わすものである。形状選択的触媒作用の原理については、例えばN.Y.Che
n、W.E.Garwood及びF.G.Dwyerによる「Shape Selective Catalysis in Indust
rial Applications(産業的用途における形状選択的触媒作用)、36巻、Marcel
Dekker,Inc.(1989)」等により広く検討されている。ゼオライト細孔内では
、例えばパラフィン異性化、オレフィン骨格又は二重結合異性化、オリゴマー化
及び芳香族炭化水素の不均化、アルキル化又はトランスアルキル化反応等の炭化
水素変換反応がゼオライトのチャネルのサイズによる束縛に支配されている。供
給原料の画分がゼオライト細孔に入って反応するには大きすぎる場合、反応体の
選択性が発生する。一方、生成物の幾つかが、ゼオライトチャネルを離れること
ができない場合、生成物選択性が発生する。生成物の配分は、反応遷移状態がゼ
オライト細孔またはケージ内に形成するには大きすぎて幾つかの反応が起きない
遷移状態選択性によっても変えることが可能である。もう一つの選択性のタイプ
は立体配置的な拡散によるもので、その場合、分子の大きさはゼオライトの細孔
系の大きさに近づく。分子またはゼオライト細孔のサイズの小さな変化は大きな
拡散の変化となり、その結果、異なった配分の生成物が得られる。この種の形状
選択的触媒作用は、例えばp-キシレンを得るためのトルエンの選択的不均化反応
に示されている。
パラキシレンはChen他による「J.Amer.Chem.Sec.1979,101,6783」に述
べられているようにトルエンをメタノールでメチル化することにより製造するこ
ともできるし、Pines著の「The Chemistry of Catalytic Hydrocarbon Conversi
on(炭化水素の触媒変換の化学)、アカデミック出版/ニューヨーク、1981年、
72ページ」に述べられているようにトルエンの不均化によって製造することもで
きる。このような方法では、主にパラキシレン、オルトキシレン及びメタキシレ
ンを含有する混合物が生成される。触媒のパラ選択性及び反応条件によって、得
られるパラキシレンの含有量は異なる。収率即ち実際にキシレンに変換される供
給原料の量も触媒及び反応条件の影響を受ける。
従来知られているトルエンのメチル化反応により、次の一般式で示されるよう
な数多くの副生物が通常供給される。トルエンを指定の生成物に変換するための熱力学的平衡 非MTPX
ゼオライト触媒のパラ選択性を増大させる方法の一つとして、「選択性付与剤(
se
lectivating agent)」の処理による触媒の変性が挙げられる。炭化水素の変換
方法において、触媒を変性して選択性を改善するために種々のシリコン化合物が
用いられている。例えば、米国特許の炭化水素変換方法がある。米国特許第4,14
5,315号、4,127,616号及び4,090,981号においては、ゼオライトを処理するため
に有機溶剤に溶解したシリコーン化合物を使用することが述べられている。米国
特許第4,465,886号及び4,477,583号では、ゼオライト処理のためのシリコーンの
水性エマルジョンの使用について述べられている。また、米国特許第4,950,835
号及び4,927,979号では、ガス又は有機溶剤に担持されたアルコキシシランをゼ
オライト処理のために使用することについて述べている。更に、米国特許第4,10
0,215号及び3,698,157号では、ゼオライトの処理のためにピリジン、エーテル等
の炭化水素に溶解したシランの使用について述べられている。このような変性方
法はゼオライトの凝集後に行われることは公知のことである。
これらの触媒変性方法の内の幾つかの方法、例えば、米国特許第4,477,583号
及び4,127,616号では、約90%を超えるパラ選択性(全キシレンからのパラキシ
レンの選択性)を得るのに成功しているが、トルエンの変換率は市場では受入不
可能な10%という低い値であり、結局、パラキシレンの収率は9%以下、つまり
10%x90%となる。このような方法ではかなりの量のオルトキシレン及びメタキ
シレンも製造されるので、他の異性体からパラキシレンを分離するため高コスト
の分離工程が必要となる。
代表的な分離工程は、経費のかかる分別結晶化工程、及び他のキシレン異性体
からパラキシレンを吸着分離する工程からなっており、他のキシレン異性体は通
常再循環される。再循環されたキシレン異性体をパラキシレンを含む平衡混合物
へと更に変換するためにキシレン異性化装置が必要である。
当業者は、この分離工程の費用は要求される分離程度に比例することを理解し
ている。そこで、市場で受け入れられる変換レベルを保ちつつ、パラ異性体への
選択性を増すことにより、かなりのコスト減を達成することが可能となる。
故に、市場で受け入れられるトルエンの変換レベルを保ちつつ、トルエンから
パラキシレンを製造するための高度に選択的な方法を供給することが非常に望ま
しい。更に、用いられる触媒に選択性を付与するための効率的かつ経済的方法を
供給することが非常に望ましい。
すなわち本発明は、結晶性モレキュラーシーブ及び有機シリコン化合物からな
る混合物を凝集し、得られた凝集物を焼成することによって予め選択性を付与さ
れた、コンストレイント指数(constraint index)が1〜12の結晶性モレキュラ
ーシーブからなることを特徴とする触媒を提供するものである。
また、本発明は、トルエンのパラ選択的不均化等の形状選択的炭化水素変換の
方法において、結晶性モレキュラーシーブ及び有機シリコン化合物からなる混合
物を凝集し、得られた凝集物を焼成することにより予め選択性が付与されたコン
ストレイント指数が1〜12の結晶性モレキュラーシーブからなる触媒を炭化水素
供給原料に接触させることからなることを特徴とする方法を供給するものである
。
本発明の方法に用いられるモレキュラーシーブは中間細孔ゼオライトを包含す
る。このような中間細孔ゼオライトのコンストレイント指数(constraint index
)は1から12である。コンストレイント指数の求め方は米国特許第4,016,218号
に詳しく述べられている。中間細孔ゼオライトのコンストレイント指数の規定値
に適合するモレキュラーシーブとしては、例えば米国特許第3,702,886号,再発
行第29,949号,3,709,979号,3,832,449号,4,556,447号,4,076,842号,4,016,
245号,4,397,827号,4,650,655号,3,308,069号,再発行第28,341号及び欧州特
許127,399号に述べられているZSM-5、ZSM-11、ZSM-12、ZSM-22、ZSM-23、ZSM-35
、ZSM-48、ZSM-50、MCM-22及びゼオライトベータがある。これらのゼオライトは
、シリカとアルミナを12:1以上の範囲内で比率を変えて用いることにより製造
される。好ましいモレキュラーシーブとしては、ZSM-5、ZSM-11、ZSM-12、ZSM-3
5
及びMCM-22が挙げられる。特に好ましいのはZMS-5である。
本発明の触媒において、シリカとアルミナの比率は100未満が好ましく、より
好ましくは20〜80であり、アルファ値は100を超える値が好ましく例えば150から
2000である。アルファ値とは標準触媒と比較した、触媒の接触分解活性の指標で
あり、相対速度定数(単位時間及び単位触媒容量当たりの通常のヘキサン変換速
度)を示す。アルファ値は、アルファ値を1(速度定数:0.016秒-1)とみなし
た非晶質シリカ-アルミナ分解触媒の活性に基づくものである。アルファ試験に
ついては米国特許第3,354,078号及び「The Journal of Catalysis,第4巻522-52
9頁(1965年8月)、第6巻278頁(1966年)及び第61巻395頁(1980)年」に述
べられている。
ゼオライトの合成において、反応混合物は一般にシリコンの酸化物を含有し、
任意にアルミニウム源、通常は有機窒素含有化合物であるテンプレート剤及びア
ルカリ性水性媒体を含有して製造される。
シリコン酸化物は、既知の原料、例えば、シリケート、シリカヒドロゾル、沈
降シリカヒドロゾル、例えば“Hi-Sil”等の沈降シリカ、シリカゲル、珪酸から
供給可能である。アルミニウム酸化物は例えばシリカ源などの他の反応体中の不
純物としてのみ供給される。
もちろん反応混合物の結晶化により得られる各々のゼオライト製品により異な
るが、有機窒素含有カチオン源の例としては、一級、二級、又は三級アミン類、
四級アンモニウム化合物が挙げられる。四級アンモニウム化合物としては、テト
ラメチルアンモニウム、テトラエチルアンモニウム、テトラプロピルアンモニウ
ム、テトラブチルアンモニウム、ジエチルアンモニウム、トリエチルアンモニウ
ム、ジベンジルアンモニウム、ジベンジルジメチルアンモニウム、ジベンジルジ
エチルアンモニウム、ベンジルトリメチルアンモニウム又は塩素の塩が挙げられ
るが、これらに限定されない。ここで有用なアミンの例としては、トリメチルア
ミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、エチレンジアミン、プロパンジ
アミン、ブタンジアミン、ペンタンジアミン、ヘキサンジアミン、メチルアミン
、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、ジアメチルアミン、ジエチル
アミン、ジプロピルアミン、ベンジルアミン、アニリン、ピリジン、ピペリジン
及びピロリジンが挙げられるが、これらに限定されない。
アルカリ金属又はアルカリ土類金属酸化物源としては、例えば、水酸化ナトリ
ウム、水酸化リチウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、水酸化セシウ
ム及び水酸化カリウム、ハロゲン化物(例えば、塩化物、臭化物)、硫酸塩、硝
酸塩、酢酸塩、珪酸塩、アルミネート燐酸塩及びカルボン酸塩等があげられる。
ゼオライトの結晶化後、有機カチオンの除去には、通常、焼成又は他の公知の方
法が用いられ、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の除去には一般にアンモニウ
ムイオン交換を中間形成し、アンモニウム体を焼成することにより水素体を生成
する方法が用いられることが多い。
商業的工程に用いられるゼオライト結晶は、結晶化後強度及び対摩耗性を改善
するために、通常、凝集体とされる。ゼオライト結晶の凝集化のためには種々の
方法が用いられる。これらの方法としては、押出しによるペレット化又はビーズ
化、スプレー乾燥による流動可能な微小球の形成、ゼオライト結晶のホットプレ
スによる凝集化などが挙げられる。
本発明において、シリコン変性ゼオライトモレキュラーシーブは、ゼオライト
結晶を有機シリコン化合物さらに任意に結合材料と混合し、得られた混合物を凝
集化し、次にこの凝集体を焼成することにより製造される。焼成は酸素含有雰囲
気、好ましくは空気下で、焼成速度は0.2℃から5℃/分で300℃を超える温度で
、ゼオライトの結晶性に悪影響を与える温度以下の温度にまで昇温することによ
り、首尾よく行われる。通常、温度は600℃以下である。焼成温度は好ましくは
約350℃から550℃の範囲である。凝集体は、焼成温度に通常1時間から24時間保
持され
る。
ゼオライト結晶を合成したままの状態で混合物に加え、結晶の凝集後、ゼオラ
イト構造に残っている有機テンプレート及びアルカリ金属又はアルカリ土類金属
のイオンを公知の方法により結晶化反応混合物から除去してもよい。
有機シリコン化合物は水性状で、例えば、界面活性剤で安定化しもよいエマルジ
ョンとして、溶液として又はエアロゾルとして混合物に添加する。有用な界面活
性剤としては、ポリオキシエチレン-オクチルフェノールのエーテルが挙げられ
る。
有機シリコン化合物としては、例えばアルキルシラン、アリール(aryl)シラ
ン、アルキアリールシラン(alkyaryl silanes)、アルコキシシラン、アリール
オキシシラン、オキシエチレンシラン、アルキアリールオキシシラン、シロキサ
ン等のシラン類及びアルキル基、アリール基及び/又はグリコール基を有するポ
リシロキサン類が挙げられる。アルキルは炭素数1から12が意図され、アリー
ルは炭素数6から10が意図されるものである。有機シリコン化合物の例としては
下記のシリコーン化合物も含まれ、これらは更にトリム選択性付与にも用いられ
る。好ましくはフェニルメチルポリシロキサン等のシロキサン類が挙げられる。
本発明の炭化水素の形状選択的変換方法に適したモレキュラーシーブは、多孔
性無機酸化物支持体、クレーバインダー等の支持体やバインダーとともに凝集又
は押出しされる。バインダーとしてはシリカが好ましいが、他のバインダー材料
の例としては、一般的に乾燥した無機酸化物ゲル又はゼラチン質の沈殿物状のア
ルミナ、ジルコニア、マグネシア、トリア、チタニア、ボリアもしくはこれらの
混合物が挙げられるが、これらに限定されない。クレー材料として適しているの
ものとして、ベントナイト、多孔質珪藻土が挙げられる。触媒及びバインダー又
は支持体全組成物に対する結晶性モレキュラーシーブの比率は30〜90重量%で、
好ましくは組成物の50〜80重量%である。組成物は押出物、ビーズ、ペレット
(タブレット)又は、流動性微小球状である。形状選択的変換
本発明によって選択性が付与され凝集されたモレキュラーシーブは通常、炭化
水素供給材料の脱蝋を含む分解反応、アルキル芳香族の異性化、オレフィンのオ
リゴマー化によるガソリン、留出物、潤滑油又は薬品の生成、芳香族炭化水素の
トランスアルキル化、酸素添加物の炭化水素への転換、酸素添加物の転位反応、
軽質パラフィン及びオレフィンの芳香族への転換等の炭化水素の形状選択的変換
における触媒として有用である。
一般に、変性ゼオライトからなる触媒の接触変換条件としては、100〜760℃、
圧力10〜20,000kPa(0.1気圧(バール)から200気圧)、単位時間当たりの重量
空間速度(weight hourly space velocity: WHSV)が0.08時間-1から2000時間-1
、有機化合物例えば炭化水素化合物に対する水素の比率が0から100であること
等が挙げられる。
本発明の触媒は、トルエンをトランスアルキル化又は不均化してパラキシレン
を製造するために特に意図されたものであり、これについては、本触媒の形状選
択的変換の代表的な例として次に述べる。トルエンの不均化
本明細書中で考慮されているトルエン不均化の反応条件としては、350℃から5
40℃、好ましくは400℃を越える温度、圧力が100kPaから34,500kPa(0から5000
psig)好ましくは790kPaから7000kPa(100から1000psig)、炭化水素に対する水
素のモル比が0.1から20、好ましくは2から4、単位時間当たりの重量空間速度
(WHSV)が0.1時間-1から20時間-1好ましくは2時間-1から4時間-1の条件が挙げ
られる。
トルエンの供給原料は、好ましくは50%から100%のトルエンを含有するが、約8
0%以上のトルエンを含有する供給材料がより好ましい。本発明に悪影響を及ぼ
さない限り、トルエン供給材料中にはベンゼン、キシレン、トリメチルベンゼン
等の他の化合物が存在していてもよい。トルエン供給材料は、反応帯域に侵入す
る水分を最小限にする方法で適宜乾燥してもよい。本工程中に装入されるトルエ
ンの乾燥に適した公知の方法は数多くあり、適当な乾燥剤、例えばシリカゲル、
活性アルミナ、モレキュラーシーブ、他の適した物質等によるパーコレーション
又は液体充填乾燥機の使用などが挙げられる。
通常は、トルエンの流れのシングルパス変換によってすべての位置にアルキル基
を有するジメチルベンゼン,即ちオルトキシレン、メタキシレン、パラキシレン
を含有する生成物流となる。さらに、これらキシレンは、次の反応により不要な
エチルベンゼン(EB)を生成する反応へと進むことが知られている。
以前は、異性化が許される場合、シングルパスの全C8生成物に関してp-キシレ
ンの純度は90%未満でも容認されていた。エチルベンゼンの生成により、この効
率は多少減少する。
しかし、本発明により、目的のパラ異性体を得るためにオルト異性体及びメタ
異性体の生成を減少させる高率変換が提供された。それにより得られる生成物流
は90%を超える純度のパラキシレンを含有する。例えば、オルトキシレン異性体
は全キシレン含量の約0.5%以下に減少可能であり、メタキシレン異性体は全キ
シレン含量の約5%未満に減少することができる。さらに、例えばモレキュラー
シーブ上にプラチナを堆積させること等により反応系を的確に処理する場合、エ
チルベンゼンの存在をC8生成物の約0.3%未満に減少することができる。
本明細書中に詳述されているように、本発明は、90%以上、好ましくは95%以
上、もっとも好ましくは約99%以上のパラキシレン純度で、パラキシレンを約15
%以上好ましくは約20〜25%以上の変換率で得られる方法を供給する。
過去に開示された方法と比較して、本発明の方法では、商業的に受け入れられ
る変換率でより高いパラキシレン純度を達成することができる。従って、不要な
副生物を分離するために以前は必要であったコストをかなり減らすことが可能と
なる。従来技術のトルエン不均化方法においては、これらの効率を得るために費
用のかさむ第二及び第三の処理工程が必要とされているのが常である。
好ましくは、本発明のトルエン不均化方法は、触媒凝集中に触媒の外で予備的に
選択性を付与するのに加えてゼオライト触媒に対する触媒内での選択性付与工程
からなる。本明細書中で「トリム選択性付与(trim selectivation)」として言及
されている触媒内選択性付与は、目的とするp━キシレン選択性例えば90%又は9
5%の選択性が得られるまで、反応条件下でトルエン、選択性付与剤、及び水素
を同時に触媒と接触させることからなり、目的の選択性が得られると選択性付与
剤の供給は中止される。トリム選択性付与剤は、好ましくは、シリコン含有化合
物で、より好ましくは、次の一般式で表わされるシリコーン含有化合物である。
式中、R1は水素、フッ素、ヒドロキシ、アルキル、アリール、アルキルアリー
ル又はフルオロアルキルを示す。炭化水素の置換基は通常炭素数1から10で、好
ましくはメチル又はエチル基である。R2はR1と同じ群から選択され、nは2以
上の整数を表わし、通常3から100の範囲内にある。用いられるシリコーン化合
物の分子量は通常80から20,000の範囲内にあり、好ましくは、150から10,000範
囲内にある。代表的なシリコーン化合物としては、ジメチルシリコーン、ジエチ
ルシリコーン、フェニルメチルシリコーン、メチル水素シリコーン、エチル水素
シリコーン、フェニル水素シリコーン、メチルエチルシリコーン、フェニルエチ
ルシリコーン、ジフェニルシリコーン、メチルトリフルオロプロピルシリコーン
、エチルトリフルオロプロピルシリコーン、ポリジメチルシリコーン、テトラク
ロロフェニルメチルシリコーン、テトラクロロフェニルエチルシリコーン、テト
ラクロロフェニル水素シリコーン、テトラクロロフェニルフェニルシリコーン、
メチルビニルシリコーン、エチルビニルシリコーン等が例示される。シリコーン
化合物は直鎖である必要はなく、例えばヘキサメチルシクロトリシロキサン、オ
クタメチルシクロテトラシロキサン、ヘキサフェニルシクロトリシロキサン及び
オクタフェニルシクロテトラシロキサン等のように環状であってもよい。これら
の化合物の混合物も、他の官能基を有するシリコーンと同様に使用することがで
きる。例えばシラン、シロキサン等の他のシリコン含有化合物も利用可能である
。
ゼオライト凝集中に添加されたp-キシレントリム選択性付与剤及びシリコン
予備選択性付与化合物の動的直径は、触媒の内部活動が減少するのを避けるため
に、ゼオライト細孔径よりも大きい方が好ましい。
トリム選択性付与工程の反応条件としては、温度350℃から540℃、圧力100か
ら34500kPa(大気圧から5000psig)が挙げられる。反応系への供給は、速度約0.
1 WHSVから20 WHSVで行われる。水素の供給は、炭化水素に対する水素のモル比
が約0.1から20で行なわれる。トリム選択性付与剤の供給は好ましくはトルエン
の量の0.1%から50%供給され、用いられる選択性付与化剤の率に応じて、トリ
ム選択性付与を好ましくは50時間から300時間、最も好ましくは170時間未満継続
する。
理論に拘束されることは望ましくないが、本発明の効果は、触媒のくねりを増
大しつつ触媒の外側表面上の酸部位を実質的に反応体に近づき難くすることによ
って得られると考えられる。触媒の外側表面上に存在する酸部位は触媒細孔を出
るパラキシレンを他の2つの異性体との平衡レベルに異性化しなおし、それによ
ってキシレン中のパラキシレンの量を約24%までに減らすと考えられる。触媒の
細孔を出るパラキシレンに対するこれら酸部位の近づきやすさを減らすことによ
り、比較的高いレベルのパラキシレンが維持される。触媒の細孔を出て行くパラ
キシレンに対するこれら酸部位の近づきやすさを減少することにより、パラキシ
レンを比較的高レベルに維持することが可能である。本発明のトリム選択性付与
剤は、これらの外側酸部位を化学的に変性することによりこれら酸部位をブロッ
クするか、さもなくばパラキシレンに近づけないようにすると考えられる。
目的としない副生物、特にエチルベンゼンの量を減らすために、触媒をさらに
変性する。公知の技術においては、標準のトルエン不均化からの反応体流出液は
大体0.5%のエチルベンゼン副生物を含んでいる。反応生成物を蒸留する際、C8
留分のエチルベンゼン量は、3〜4%に増加することが多い。ポリマーグレード
のp-キシレンとしてはこの量のエチルベンゼンは受け入れられない。というのは
、C8生成物のエチルベンゼンを除去しない場合、p-キシレン製品生成物から最終
的に得られる繊維の品質を落とすことになるからである。つまり、エチルベンゼ
ンの含量は低レベルに保たねばならない。C8生成物におけるエチルベンゼンの規
格は、業界では0.3%未満と決められている。エチルベンゼンは異性化又は超分
留方法により実質的に除去することができるが、従来の異性化によるエチルベン
ゼンの除去は、本発明においては実際的ではない。何故なら、90%を超えるパラ
キシレンを含むキシレンの流れが同時に平衡キシレンへと異性化されて、このキ
シレン流のパラキシレンの量を約24%に減少するからである。もう一つの超分留
によるエチルベンゼンの除去方法は非常に経費がかかる方法であるとうことは公
知である。
下流でのエチルベンゼン除去の必要性を避けるために、エチルベンゼン副生物
の量を、プラチナ等の金属化合物を添加する等、触媒に水素化−脱水素化機能を
付加することによって有利に減少させる。好ましい金属はプラチナであるが、パ
ラジウム、ニッケル、銅、コバルト、モリブデン、ロジウム、ルテニウム、銀、
金、水銀、オスミウム、鉄、亜鉛、カドミウム、これらの混合物等の金属も利用
できる。金属はカチオン交換により加えられるが、その量は、約0.01〜2%、主
に約0.5%である。次の焼成工程において残留するよう、金属は触媒の細孔に入
ることができなくてはならない。例えばプラチナ変性触媒は、まず触媒を硝酸ア
ンモニウムの溶液に添加し、触媒をアンモニウム体に変換する。次に得られた触
媒を硝酸テトラアミンプラチナ(II)又は、塩化テトラアミンプラチナ(II)水
溶液と接触させる。得られた金属化合物は触媒の細孔に有利に入ることができる
。次に触媒はろ過、水洗され、約250℃から500℃の温度での焼成される。
流出液を分離し、蒸留して、目的とする生成物即ちパラキシレン及び他の副生
物を除去する。
本発明の方法により、トルエンは高レベルの芳香族濃縮物例えば全C8生成物に
対して約99%のパラキシレンに変換される。本発明の代表的な方法において、最
適なトルエンの変換率は、パラキシレン純度90%から99%で、20重量%から25重
量%であることが判明した。
次の例により本発明を例示するが、本発明はこれらの例に限定されるものでは
ない。
例1
150cc容量のビーカーの15.57gの蒸留水に、1.01gの50%水酸化ナトリウム溶液
及び38℃で水溶性となるようにオキシエチレン基で変性した2.20gのジメチルシ
リコンを加えた。該溶液に、10.85gの合成したままのZSM-5及び5.85gの水和非
晶質シリカの混合物を撹拌下添加した。生成した乾燥ペーストを手動押出機を用
いて押出し、良好に成形された1.6mm(1/16インチ)の押出物を得た。120℃で2
時間乾燥し、12.91gの生成物を得た。
例2
150cc容量のビーカーの15.58gの蒸留水に、1.03gの50%水酸化ナトリウム溶液
及び4.06gのフェニルメチルポリシロキサン及び0.79gのイソオクチルフェノキシ
ポリエトキシエタノール界面活性剤の混合物を加え乳濁液を生成した。該乳濁液
に10.85gの合成したままのZSM-5及び5.85gの水和非晶質シリカ(HiSil、PPG Ind
ustries,Inc.)の混合物を撹拌下添加した。生成した乾燥ペーストを手動押出
機を用いて押出し、良好に成形された1.6mm(1/16インチ)の押出物を得た。120
℃で2時間乾燥し、13.49gの生成物を得た。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hydrocarbon shape-selective conversion
The present invention relates to the shape-selective conversion of hydrocarbons, such as the selective conversion of aromatic para-substituted compounds.
It relates to the production and the like, and in particular, selective disproportionation of toluene.
rtionation).
The term shape-selective catalysis refers to unexpected catalyst selection in zeolites.
It represents sex. For the principle of shape-selective catalysis, see, for example, N.Y. Che
n, W.E. Garwood and F.G. `` Shape Selective Catalysis in Indust by Dwyer
rial Applications, Shape Selective Catalysis in Industrial Applications, Volume 36, Marcel
Dekker, Inc. (1989). In the zeolite pores
For example, paraffin isomerization, olefin skeleton or double bond isomerization, oligomerization
And disproportionation, alkylation or transalkylation reactions of aromatic hydrocarbons
The hydrogen conversion reaction is governed by constraints on the channel size of the zeolite. Offering
If the feed fraction is too large to enter the zeolite pores and react,
Selectivity occurs. On the other hand, some of the products leave the zeolite channel
If not, product selectivity occurs. The product distribution depends on the reaction transition state.
Some reactions do not occur because they are too large to form in olilite pores or cages
It can also be changed by the transition state selectivity. Another type of selectivity
Is due to configurational diffusion, in which case the size of the molecule is
Approach the size of the system. Small changes in molecular or zeolite pore size are large
A change in diffusion results in a different distribution of products. This kind of shape
Selective catalysis is, for example, the selective disproportionation of toluene to obtain p-xylene
Is shown in
Paraxylene is described in Chen et al., "J. Amer. Chem. Sec. 1979, 101, 6873".
Can be produced by methylating toluene with methanol as described.
And Pines' The Chemistry of Catalytic Hydrocarbon Conversi
on (Chemistry of catalytic conversion of hydrocarbons), Academic Publishing / New York, 1981,
It can also be produced by disproportionation of toluene, as described on page 72.
Wear. In such a method, paraxylene, orthoxylene and metaxylene are mainly used.
A mixture containing the components is produced. Depending on the para-selectivity of the catalyst and the reaction conditions,
The paraxylene content varies. The yield, i.e. the amount actually converted to xylene
The amount of feed is also affected by the catalyst and the reaction conditions.
By the conventionally known methylation reaction of toluene, as shown in the following general formula
Numerous by-products are usually supplied.Thermodynamic equilibrium for converting toluene to specified products. Non-MTPX
As one of the methods for increasing the para-selectivity of the zeolite catalyst, a “selectivity imparting agent (
se
lectivating agent). Conversion of hydrocarbons
In the process, various silicon compounds are used to modify the catalyst to improve selectivity.
Used. For example, there is the hydrocarbon conversion method of the United States patent. US Patent 4,14
No. 5,315, 4,127,616 and 4,090,981 for processing zeolite
Discloses the use of a silicone compound dissolved in an organic solvent. USA
Patents 4,465,886 and 4,477,583 disclose the use of silicones for zeolite treatment.
The use of aqueous emulsions is mentioned. U.S. Pat.
No. 4,927,979 disclose the use of alkoxysilanes supported on gas or organic solvents.
It describes the use for ollite processing. Further, U.S. Pat.
Nos. 0,215 and 3,698,157 disclose the use of pyridine, ether, etc. for zeolite treatment.
Describes the use of silanes dissolved in hydrocarbons. Such denaturing method
It is known that the process is carried out after the aggregation of the zeolite.
Some of these catalyst modification methods are described, for example, in U.S. Pat.No. 4,477,583.
And No. 4,127,616 show that para-selectivity of over 90% (para-xyl
(Selectivity of len)), but the conversion of toluene is not acceptable in the market.
As low as 10% possible, the end result is less than 9% para-xylene yield,
10% x 90%. Such methods require significant amounts of ortho-xylene and methanol.
High cost due to the separation of para-xylene from other isomers as silene is also produced
Is required.
Typical separation steps include expensive fractional crystallization steps and other xylene isomers
Consists of adsorption and separation of para-xylene from
Always recirculated. Equilibrium mixture containing recycled xylene isomers and para-xylene
A xylene isomerizer is required for further conversion to.
Those skilled in the art understand that the cost of this separation step is proportional to the degree of separation required.
ing. Therefore, while maintaining the conversion level acceptable in the market,
By increasing the selectivity, significant cost savings can be achieved.
Therefore, while maintaining the conversion level of toluene that is accepted in the market,
It is highly desirable to provide a highly selective method for producing para-xylene
New Furthermore, efficient and economical methods for imparting selectivity to the catalysts used have been developed.
It is highly desirable to supply.
That is, the present invention comprises a crystalline molecular sieve and an organosilicon compound.
The mixture obtained is agglomerated, and the resulting agglomerate is calcined to impart selectivity in advance.
Crystalline molecular with a constraint index of 1 to 12
The present invention provides a catalyst characterized by comprising a sieve.
The present invention also relates to the use of shape-selective hydrocarbon conversion, such as para-selective disproportionation of toluene.
In a method, there is provided a mixture comprising a crystalline molecular sieve and an organosilicon compound.
Agglomerated products, and baking the obtained agglomerated products to give a
Hydrocarbon catalysts consisting of crystalline molecular sieves with a strain index of 1 to 12
Providing a method characterized by contacting with a feedstock
.
The molecular sieve used in the method of the present invention includes a mesoporous zeolite.
You. Constraint index of such mesoporous zeolite
) Is 1 to 12. U.S. Pat.No.4,016,218
Is described in detail. Specified value of constraint index of mesoporous zeolite
Molecular sieves conforming to US Pat. No. 3,702,886,
No. 29,949, 3,709,979, 3,832,449, 4,556,447, 4,076,842, 4,016,
Nos. 245, 4,397,827, 4,650,655, 3,308,069, Reissue No. 28,341 and European Patent
ZSM-5, ZSM-11, ZSM-12, ZSM-22, ZSM-23, ZSM-35 described in No. 127,399
, ZSM-48, ZSM-50, MCM-22 and zeolite beta. These zeolites
Manufactured by changing the ratio of silica and alumina within the range of 12: 1 or more
Is done. Preferred molecular sieves include ZSM-5, ZSM-11, ZSM-12, and ZSM-3.
Five
And MCM-22. Particularly preferred is ZMS-5.
In the catalyst of the present invention, the ratio of silica and alumina is preferably less than 100, more preferably
Preferably from 20 to 80, the alpha value is preferably greater than 100, for example from 150
2000. Alpha value is an index of catalytic cracking activity of a catalyst compared to a standard catalyst.
Yes, relative rate constant (normal hexane conversion rate per unit time and unit catalyst volume)
Degree). For the alpha value, set the alpha value to 1 (speed constant: 0.016 seconds)-1)
It is based on the activity of the amorphous silica-alumina decomposition catalyst. Alpha testing
See U.S. Pat. No. 3,354,078 and "The Journal of Catalysis, Vol. 4, 522-52.
9 (August 1965), Volume 6 278 (1966) and Volume 61 395 (1980) "
Have been
In the synthesis of zeolites, the reaction mixture generally contains oxides of silicon,
Optionally, a template agent and an aluminum source, usually an organic nitrogen-containing compound.
Manufactured with a lukari aqueous medium.
Silicon oxide can be obtained from known sources such as silicates, silica hydrosols,
From precipitated silica hydrosols, eg precipitated silicas such as "Hi-Sil", silica gel, silica
Can be supplied. Aluminum oxide can be found in other reactants, e.g., a silica source.
Supplied purely only.
Of course, each zeolite product obtained by crystallization of the reaction mixture will have a different
However, examples of organic nitrogen-containing cation sources include primary, secondary, or tertiary amines,
And quaternary ammonium compounds. As quaternary ammonium compounds, tet
Lamethylammonium, tetraethylammonium, tetrapropylammonium
, Tetrabutylammonium, diethylammonium, triethylammonium
Dibenzylammonium, dibenzyldimethylammonium, dibenzyldiamine
Ethyl ammonium, benzyl trimethyl ammonium or chlorine salts
But not limited to these. Examples of amines useful herein include trimethyl alcohol
Min, triethylamine, tripropylamine, ethylenediamine, propanedi
Amine, butanediamine, pentanediamine, hexanediamine, methylamine
, Ethylamine, propylamine, butylamine, dimethylamine, diethyl
Amine, dipropylamine, benzylamine, aniline, pyridine, piperidine
And pyrrolidine, but are not limited thereto.
As the alkali metal or alkaline earth metal oxide source, for example, sodium hydroxide
, Lithium hydroxide, calcium hydroxide, magnesium hydroxide, cesium hydroxide
And potassium hydroxide, halides (eg chloride, bromide), sulfates, nitrates
Acid salts, acetates, silicates, aluminate phosphates and carboxylate salts.
After crystallization of the zeolite, removal of organic cations usually involves calcination or other known methods.
Method is generally used to remove alkali metals or alkaline earth metals.
Intermediate ion exchange and calcining ammonium to produce hydrogen
Method is often used.
Zeolite crystals used in commercial processes improve strength and wear resistance after crystallization
In order to do so, it is usually made into an aggregate. Various methods are available for agglomeration of zeolite crystals.
A method is used. These methods include pelletization by extrusion or beads.
, Spray-drying to form flowable microspheres, hot pressing of zeolite crystals
And agglomeration by heat.
In the present invention, the silicon-modified zeolite molecular sieve is a zeolite
The crystals are mixed with an organosilicon compound and optionally a binding material, and the resulting mixture is coagulated.
And then calcining the agglomerates. Firing in an atmosphere containing oxygen
At a temperature above 300 ° C. at a rate of 0.2 ° C./min to 5 ° C./min.
By raising the temperature to a temperature below the temperature that adversely affects the crystallinity of zeolite.
And successfully performed. Usually, the temperature is below 600 ° C. The firing temperature is preferably
It ranges from about 350 ° C to 550 ° C. Aggregates are usually kept at the firing temperature for 1 to 24 hours.
Retained
You.
The zeolite crystals are added to the mixture as-synthesized, and after aggregation of the crystals,
Organic template and alkali metal or alkaline earth metal remaining in the site structure
May be removed from the crystallization reaction mixture by a known method.
Organosilicon compounds are aqueous, for example, emulsions that can be stabilized with surfactants.
As a solution or as an aerosol to the mixture. Useful surface activity
Examples of the surfactant include polyoxyethylene-octylphenol ether.
You.
As the organic silicon compound, for example, alkyl silane, aryl (aryl) sila
Alkyaryl silanes, alkoxysilanes, aryls
Oxysilane, oxyethylene silane, alkylaryloxysilane, siloxa
Such as silanes such as olefins and alkyl, aryl and / or glycol groups.
And siloxanes. Alkyl is intended to have 1 to 12 carbon atoms,
Is intended to have 6 to 10 carbon atoms. Examples of organic silicon compounds
The following silicone compounds are also included, which are also used to provide trim selectivity.
You. Preferred are siloxanes such as phenylmethylpolysiloxane.
Molecular sieves suitable for the hydrocarbon shape-selective conversion method of the present invention are porous.
Aggregate or support with a support or binder such as a porous inorganic oxide support or clay binder
Is extruded. Silica is preferred as the binder, but other binder materials
Examples of commonly used inorganic oxide gels or gelatinous precipitates
Lumina, zirconia, magnesia, thoria, titania, boria or any of these
But not limited to mixtures. It is suitable as a clay material
These include bentonite and porous diatomaceous earth. Catalyst and binder
The ratio of the crystalline molecular sieve to the total composition of the support is 30 to 90% by weight,
Preferably it is 50-80% by weight of the composition. The composition can be extrudates, beads, pellets
(Tablets) or fluid microspheres.Shape selective conversion
Molecular sieves that have been selectively agglomerated by the present invention are typically carbonized.
Cracking reactions, including dewaxing of hydrogen feeds, isomerization of alkyl aromatics,
Production of gasoline, distillate, lubricating oil or chemicals by ligomerization, generation of aromatic hydrocarbons
Transalkylation, conversion of oxygenates to hydrocarbons, rearrangement of oxygenates,
Shape-selective conversion of hydrocarbons, such as the conversion of light paraffins and olefins to aromatics
It is useful as a catalyst in
Generally, the conditions for catalytic conversion of a catalyst composed of a modified zeolite are 100 to 760 ° C,
Pressure 10 to 20,000 kPa (0.1 to 200 bar), weight per unit time
Space velocity (weight hourly space velocity: WHSV) 0.08 hours-1From 2000 hours-1
The ratio of hydrogen to organic compounds such as hydrocarbon compounds is from 0 to 100
And the like.
The catalyst of the present invention is obtained by transalkylating or disproportionating toluene to para-xylene.
Specifically intended for the production of
The following is a typical example of the selective conversion.Disproportionation of toluene
Reaction conditions for toluene disproportionation considered herein include 350 ° C to 5 ° C.
A temperature of 40 ° C., preferably exceeding 400 ° C., and a pressure of 100 kPa to 34,500 kPa (0 to 5000 kPa)
psig) preferably 790 kPa to 7000 kPa (100 to 1000 psig), water for hydrocarbons
Elemental molar ratio of 0.1 to 20, preferably 2 to 4, weight hourly space velocity
(WHSV) is 0.1 hour-1From 20 hours-1Preferably 2 hours-1From 4 hours-1The conditions are
Can be
The feedstock of toluene preferably contains 50% to 100% toluene, but about 8%.
Feedstocks containing 0% or more toluene are more preferred. Adversely affect the invention
Unless otherwise, benzene, xylene, trimethylbenzene in toluene feed
And other compounds may be present. Toluene feed enters the reaction zone
It may be dried appropriately by a method that minimizes the amount of water. Torue charged during this process
There are a number of known methods suitable for drying the skin, including suitable drying agents such as silica gel,
Percolation with activated alumina, molecular sieves, other suitable substances, etc.
Alternatively, use of a liquid filling dryer may be mentioned.
Typically, alkyl groups are placed at all positions by single-pass conversion of the toluene stream.
Dimethylbenzene, that is, ortho-xylene, meta-xylene, para-xylene
And a product logistics containing In addition, these xylenes become unnecessary due to the following reactions:
It is known to proceed to a reaction that produces ethylbenzene (EB).
Previously, if isomerization was allowed, all C in a single pass8P-xylene for product
A purity of less than 90% was acceptable. Due to the formation of ethylbenzene, this effect
The rate decreases somewhat.
However, according to the present invention, the ortho isomer and meta
High conversion rates were provided to reduce isomer formation. Product logistics obtained thereby
Contains more than 90% pure para-xylene. For example, ortho-xylene isomer
Can be reduced to about 0.5% or less of the total xylene content, and the meta-xylene isomer
It can be reduced to less than about 5% of the silene content. Further, for example, molecular
When treating the reaction system accurately, such as by depositing platinum on a sieve,
C for the presence of tylbenzene8It can be reduced to less than about 0.3% of the product.
As described in detail herein, the present invention provides for at least 90%, preferably at least 95%,
Above, most preferably with about 99% or more para-xylene purity,
%, Preferably at a conversion of about 20-25% or more.
Compared to previously disclosed methods, the method of the present invention is commercially acceptable.
Higher paraxylene purity can be achieved at lower conversions. Therefore, unnecessary
Costs previously required to separate by-products could be significantly reduced
Become. In the prior art toluene disproportionation method, these costs are required to obtain these efficiencies.
There is usually a need for bulky second and third processing steps.
Preferably, the toluene disproportionation process of the present invention is preliminarily prepared outside the catalyst during catalyst agglomeration.
Intra-catalyst selectivity step for zeolite catalysts in addition to providing selectivity
Consists of Referred to herein as "trim selectivation"
The imparted selectivity within the catalyst is determined to be the desired p-xylene selectivity, for example, 90% or 9%.
Under reaction conditions, toluene, a selectivity-imparting agent, and hydrogen are used until a selectivity of 5% is obtained.
At the same time with the catalyst.
The supply of the agent is stopped. The trim selectivity enhancer is preferably a silicon-containing compound.
And more preferably a silicone-containing compound represented by the following general formula.
Where R1Is hydrogen, fluorine, hydroxy, alkyl, aryl, alkyl aryl
Or fluoroalkyl. Hydrocarbon substituents usually have 1 to 10 carbon atoms and are
Preferable is a methyl or ethyl group. RTwoIs R1Selected from the same group as
Represents the above integer, usually in the range of 3 to 100. Silicone compounds used
The molecular weight of the product is usually in the range of 80 to 20,000, preferably in the range of 150 to 10,000.
In the enclosure. Representative silicone compounds include dimethyl silicone and diethyl
Silicone, phenylmethyl silicone, methyl hydrogen silicone, ethyl hydrogen
Silicone, phenyl hydrogen silicone, methyl ethyl silicone, phenyl ethyl
Silicone, diphenyl silicone, methyl trifluoropropyl silicone
, Ethyl trifluoropropyl silicone, polydimethyl silicone, tetrac
Lorophenylmethyl silicone, tetrachlorophenylethyl silicone, tet
Lachlorophenyl hydrogen silicone, tetrachlorophenylphenyl silicone,
Examples thereof include methyl vinyl silicone and ethyl vinyl silicone. silicone
The compound need not be linear, for example, hexamethylcyclotrisiloxane,
Kutamethylcyclotetrasiloxane, hexaphenylcyclotrisiloxane and
It may be cyclic such as octaphenylcyclotetrasiloxane. these
Can be used in the same manner as the silicone having other functional groups.
Wear. Other silicon-containing compounds such as silane, siloxane, etc. are also available
.
P-xylene rim selectivity imparting agent and silicon added during zeolite agglomeration
The dynamic diameter of the preselectivity-imparting compound is chosen to avoid reducing the internal activity of the catalyst.
It is more preferable that the diameter is larger than the zeolite pore diameter.
The reaction conditions for the trim selectivity providing step are as follows: temperature 350 ° C to 540 ° C, pressure 100
34500 kPa (from atmospheric pressure to 5000 psig). The feed rate to the reaction system is about 0.
Performed from 1 WHSV to 20 WHSV. The supply of hydrogen is based on the molar ratio of hydrogen to hydrocarbon.
Is performed at about 0.1 to 20. The trim selectivity supply is preferably toluene
0.1% to 50% of the amount of tritium, and depending on the rate of
Preferably lasts from 50 to 300 hours, most preferably less than 170 hours
I do.
Although not wishing to be bound by theory, it is believed that the effects of the present invention increase catalyst bends.
By making the acid sites on the outer surface of the catalyst substantially less accessible to the reactants
It is thought that it can be obtained. Acid sites on the outer surface of the catalyst leave the catalyst pores
Para-xylene isomerized back to an equilibrium level with the other two isomers,
It is believed that this reduces the amount of para-xylene in xylene to about 24%. Catalytic
By reducing the accessibility of these acid sites to para-xylene exiting the pores
And a relatively high level of para-xylene is maintained. Para exiting the pores of the catalyst
By reducing the accessibility of these acid sites to xylene,
It is possible to maintain the ren at relatively high levels. Imparting the trim selectivity of the present invention
The agent blocks these acid sites by chemically modifying them.
Or otherwise keep it away from para-xylene.
To reduce the amount of unwanted by-products, especially ethylbenzene, additional catalyst
Denature. In known techniques, the reactant effluent from a standard toluene disproportionation is
Contains approximately 0.5% ethylbenzene by-product. When distilling the reaction product, C8
The amount of ethylbenzene in the cut often increases to 3-4%. Polymer grade
This amount of ethylbenzene is not acceptable for p-xylene. I mean
, C8If the product ethylbenzene is not removed, the final p-xylene product
The reason for this is that the quality of the resulting fiber is deteriorated. In other words, ethylbenze
Must be kept at a low level. C8Regulation of ethylbenzene in products
The rating is determined by the industry to be less than 0.3%. Ethylbenzene isomerized or extra
Can be substantially removed by the distillation method.
Zen removal is not practical in the present invention. Because the para more than 90%
The xylene stream containing xylene is isomerized simultaneously into equilibrium xylene,
This is because the amount of paraxylene in the silen stream is reduced to about 24%. Another super fractionation
It is publicly acknowledged that the method of removing ethylbenzene by
Is knowledge.
To avoid the need for downstream ethylbenzene removal,
The catalyst has a hydrogenation-dehydrogenation function such as adding a metal compound such as platinum.
Advantageously reduced by addition. The preferred metal is platinum, but
Radium, nickel, copper, cobalt, molybdenum, rhodium, ruthenium, silver,
Uses metals such as gold, mercury, osmium, iron, zinc, cadmium, and mixtures thereof
it can. The metal is added by cation exchange, the amount of which is about 0.01-2%,
About 0.5%. The metal enters the pores of the catalyst so that it remains in the next firing step.
Must be able to For example, in the case of platinum-modified catalyst,
The catalyst is converted to the ammonium form by addition to a solution of ammonium. Next obtained touch
The medium is tetraamine platinum (II) nitrate or tetraamine platinum (II) chloride water
Contact with solution. The resulting metal compound can advantageously enter the pores of the catalyst
. Next, the catalyst is filtered, washed with water and calcined at a temperature of about 250 ° C to 500 ° C.
The effluent is separated and distilled to obtain the desired product, para-xylene and other by-products.
Remove objects.
According to the process of the present invention, toluene is used to produce high levels of aromatic concentrates such as total C8To the product
In contrast, it is converted to about 99% para-xylene. In a representative method of the present invention,
Suitable toluene conversions are from 90% to 99% para-xylene purity and from 20% to 25% by weight.
%.
The following examples illustrate the invention, but do not limit the invention.
Absent.
Example 1
1.01g of 50% sodium hydroxide solution in 15.57g of distilled water in 150cc capacity beaker
And 2.20 g of dimethylsiloxane modified with oxyethylene groups to be water-soluble at 38 ° C
Recon was added. To the solution was added 10.85 g of as-synthesized ZSM-5 and 5.85 g of non-hydrated
The mixture of crystalline silica was added with stirring. Use a manual extruder to produce the dry paste
And extruded to obtain a well-formed 1.6 mm (1/16 inch) extrudate. 2 at 120 ° C
Drying for an hour yielded 12.91 g of product.
Example 2
To 15.58 g of distilled water in a 150 cc beaker, add 1.03 g of 50% sodium hydroxide solution
And 4.06 g of phenylmethylpolysiloxane and 0.79 g of isooctylphenoxy
A mixture of polyethoxyethanol surfactant was added to produce an emulsion. The emulsion
10.85 g of as-synthesized ZSM-5 and 5.85 g of hydrated amorphous silica (HiSil, PPG Ind
ustries, Inc.) was added with stirring. Manual extrusion of the resulting dry paste
The mixture was extruded using a machine to obtain a well-formed 1.6 mm (1/16 inch) extrudate. 120
Drying at 2 ° C. for 2 hours gave 13.49 g of product.
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(51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI
C10G 35/095 9279−4H C10G 35/095
(72)発明者 デグナン,トーマス・フランシス,ジュニ
ア
アメリカ合衆国、08057 ニュー・ジャー
ジー、ムーアズタウン、パドック・パス
736
(72)発明者 ロードワルド,ポール・ガーハード,ジュ
ニア
アメリカ合衆国、08553 ニュー・ジャー
ジー、ロッキー・ヒル、メリット・レイン
4
(72)発明者 シハビ,デイヴィッド・サイード
アメリカ合衆国、08534 ニュー・ジャー
ジー、ペニントン、ハーバートン・ウッズ
ヴィル・ロード、アールアール 1、ボッ
クス 334 エイ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification number Agency reference number FI C10G 35/095 9279-4H C10G 35/095 (72) Inventor Degunan, Thomas Francis, Jr. United States, 08057 New Jersey, Moorestown, Paddock Pass 736 (72) Inventor Lord Wald, Paul Garhard, Jr. 08553 New Jersey, Rocky Hill, Merritt Lane 4 (72) Inventor Shihabi, David Said United States, 08534 New Jersey, Pennington, Herberton Woodsville Road, R1, Box 334 A