JPWO2016136471A1 - 1,3−ブタジエン合成用触媒、1,3−ブタジエン合成用触媒の製造方法、1,3−ブタジエンの製造装置及び1,3−ブタジエンの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2015年2月27日に、日本に出願された特願2015−038403号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、エタノールを含む原料ガスから、1,3−ブタジエンをより効率的に合成できる触媒、その触媒の製造方法、その触媒の製造装置及びその触媒を使用した1,3−ブタジエンの製造方法の提供を目的とする。
[2] 前記酸化タングステンに対する前記酸化マグネシウムの質量比(酸化マグネシウム/酸化タングステン)が、0.1〜200である、上記[1]に記載の1,3−ブタジエン合成用触媒。
[3] 前記質量比が5以上である、上記[1]又は[2]に記載の1,3−ブタジエン合成用触媒。
[4] 触媒(100質量%)における各酸化物の含有量が下記の通りである、上記[1]〜[3]の何れか一項に記載の1,3−ブタジエン合成用触媒。
酸化タングステンの含有量:0.1〜90質量%
酸化マグネシウムの含有量:10〜90質量%
[5] 酸化タングステン及び酸化マグネシウムを除くその他の無機酸化物1種以上がさらに含まれる、上記[1]〜[3]の何れか一項に記載の1,3−ブタジエン合成用触媒。
[6] 触媒(100質量%)における酸化タングステン及び酸化マグネシウムを除くその他の無機酸化物の含有量が、0.1〜89.9質量%である、上記[5]に記載の1,3−ブタジエン合成用触媒。
[7] 触媒(100質量%)における各酸化物の含有量が下記の通りである、上記[6]に記載の1,3−ブタジエン合成用触媒。
酸化タングステンの含有量:0.1〜89.9質量%
酸化マグネシウムの含有量:10〜90質量%
酸化タングステン及び酸化マグネシウムを除くその他の無機酸化物の含有量:0.1〜89.9質量%
[8] 酸化タングステン及び酸化マグネシウムを除くその他の無機酸化物が二酸化珪素である、上記[6]又は[7]に記載の1,3−ブタジエン合成用触媒。
[9] 上記[1]〜[8]の何れか一項に記載の1,3−ブタジエン合成用触媒の製造方法であって、触媒を構成する各酸化物又は各酸化物の前駆体を分散媒又は溶媒中で混合し、得られた分散液又は溶液を加熱して乾燥した後、さらに焼成する工程を有することを特徴とする1,3−ブタジエン合成用触媒の製造方法。
[10] 上記[1]〜[8]の何れか一項に記載の1,3−ブタジエン合成用触媒が充填された反応管と、エタノールを前記反応管内に供給する供給手段と、前記反応管から生成物を排出する排出手段と、を備えることを特徴とする1,3−ブタジエンの製造装置。
[11] 上記[1]〜[8]の何れか一項に記載の1,3−ブタジエン合成用触媒に、エタノールを接触させて、1,3−ブタジエンを得ることを特徴とする1,3−ブタジエンの製造方法。
また、「選択率」は、原料ガス中の消費されたエタノールが有する炭素(C)のモル数のうち、特定の生成物へ変換された炭素(C)のモル数が占める百分率である。例えば、原料ガス中の消費された全てのエタノール分子が下記(α)式で表される反応に費やされた場合、1,3−ブタジエンの選択率は100モル%である。
2C2H5OH→H2C=CH−CH=CH2+2H2O+H2 ・・・(α)
本発明の1,3−ブタジエン合成用の触媒(以下、合成触媒ということがある。)は、エタノールに接触して1,3−ブタジエンを生成する触媒であって、その触媒成分として、酸化タングステンと、酸化マグネシウムと、を含有する。
本実施形態において1,3−ブタジエンの合成効率の向上を図る観点から、酸化マグネシウムを使用している。酸化マグネシウムは、エタノールから1,3−ブタジエンを得る触媒反応における活性種になると考えられる。
本実施形態において目的生成物である1,3−ブタジエンの合成効率のさらなる向上を図る観点から、酸化タングステンと酸化マグネシウムを組み合わせて使用する。
ここで、比表面積は、窒素を吸着ガスとし、BET式ガス吸着法により測定されるBET比表面積である。
上記下限値0.1以上であると、酸化マグネシウムを含有する上記効果がより一層得られる。上記上限値200以下であると、酸化タングステンを含有する上記効果がより一層得られる。
加えて、酸化マグネシウムの含有量が、酸化タングステンの含有量よりも、質量基準で30倍未満が好ましく、25倍未満がより好ましく、20倍未満がさらに好ましい。
上記好適な範囲であると、目的生成物の合成効率をより一層向上することができる。
酸化タングステンの含有量:0.1〜90質量%、且つ、酸化マグネシウムの含有量:10〜90質量%であることが好ましく、
酸化タングステンの含有量:1.0〜45質量%、且つ、酸化マグネシウムの含有量:30〜90質量%であることがより好ましく、
酸化タングステンの含有量:2.0〜20質量%、且つ、酸化マグネシウムの含有量:50〜90質量%であることがさらに好ましく、
酸化タングステンの含有量:3.0〜10質量%、且つ、酸化マグネシウムの含有量:70〜90質量%であることが特に好ましい。
上記好適な範囲であると、目的生成物の合成効率をより一層向上することができる。
上記好適な範囲であると、目的生成物の合成効率をより一層向上することができる。
ここで、上記の無機酸化物ZOは、酸化タングステンと酸化マグネシウムとを接合するバインダーとして機能することによって、触媒活性の上昇に直接的又は間接的に寄与する物質(即ち、触媒活性を有する物質)であることが好ましい。
上記の無機酸化物ZOが含まれることにより、目的生成物の合成効率をより一層向上することができる。
加えて、上記無機酸化物ZOの含有量が、酸化タングステンの含有量よりも、質量基準で15倍未満が好ましく、10倍未満がより好ましく、5倍未満がさらに好ましい。
上記の好適な範囲で上記の無機酸化物ZOが含まれることにより、目的生成物の合成効率をより一層向上することができる。
加えて、上記無機酸化物ZOの含有量が、酸化マグネシウムの含有量よりも、質量基準で0.6倍未満が好ましく、0.4倍未満がより好ましく、0.2倍未満がさらに好ましい。
上記の好適な範囲で上記の無機酸化物ZOが含まれることにより、目的生成物の合成効率をより一層向上することができる。
上記の好適な範囲で上記の無機酸化物ZOが含まれることにより、目的生成物の合成効率をより一層向上することができる。
上記好適な範囲であると、目的生成物の合成効率をより一層向上することができる。
上記好適な範囲であると、目的生成物の合成効率をより一層向上することができる。
酸化タングステンの含有量の含有量:0.1〜89.9質量%、且つ、酸化マグネシウムの含有量:10〜90質量%、且つ、上記無機酸化物ZOの含有量:0.1〜89.9質量%であることが好ましく、
酸化タングステンの含有量の含有量:1.0〜45質量%、且つ、酸化マグネシウムの含有量:30〜90質量%、且つ、上記無機酸化物ZOの含有量:1.0〜65質量%であることがより好ましく、
酸化タングステンの含有量の含有量:2.0〜20質量%、且つ、酸化マグネシウムの含有量:50〜90質量%、且つ、上記無機酸化物ZOの含有量:5.0〜40質量%であることがさらに好ましく、
酸化タングステンの含有量の含有量:3.0〜10質量%、且つ、酸化マグネシウムの含有量:70〜85質量%、且つ、上記無機酸化物ZOの含有量:10〜20質量%であることが特に好ましい。
上記好適な範囲であると、目的生成物の合成効率をより一層向上することができる。
酸化タングステンの含有量の含有量:0.1〜89.9質量%、且つ、酸化マグネシウムの含有量:10〜90質量%、且つ、二酸化珪素の含有量:0.1〜89.9質量%であることが好ましく、
酸化タングステンの含有量の含有量:1.0〜45質量%、且つ、酸化マグネシウムの含有量:30〜90質量%、且つ、二酸化珪素の含有量:1.0〜65質量%であることがより好ましく、
酸化タングステンの含有量の含有量:2.0〜20質量%、且つ、酸化マグネシウムの含有量:50〜90質量%、且つ、二酸化珪素の含有量:5.0〜40質量%であることがさらに好ましく、
酸化タングステンの含有量の含有量:3.0〜10質量%、且つ、酸化マグネシウムの含有量:70〜85質量%、且つ、二酸化珪素の含有量:10〜20質量%であることが特に好ましい。
上記好適な範囲であると、目的生成物の合成効率をより一層向上することができる。
ここで、合成触媒に含まれる酸化タングステンの含有量はWO3に換算して算出され、酸化マグネシウムの含有量はMgOに換算して算出され、二酸化珪素の含有量はSiO2に換算して算出される。
ここで、本実施形態の合成触媒においては、後述するような担体として用いられる無機酸化物は、合成触媒中で偏って存在しているため、合成触媒を構成する触媒成分の定義には含まれない。例えば合成触媒の体積に比べて格段に巨大な粒子状のシリカ(二酸化珪素)が担体として使用され、含浸法によって合成触媒が製造された場合、他の各酸化物がシリカ担体上で均一に分散していたとしても、シリカ同士は互いに凝集して担体を形成している前提があるため、当該シリカが合成触媒中で均一に分散しているとはいえない。したがって、含浸法の担体を構成するシリカは、上記の無機酸化物ZOとして合成触媒中に均一に分散した二酸化珪素には該当しない。
多孔質担体の材料は、特に限定されず、例えば、シリカ、ジルコニア、チタニア、マグネシア、アルミナ、活性炭、ゼオライト等が挙げられる。中でも、比表面積や細孔直径が異なる種々の製品が市場で調達できる観点からはシリカが好ましい。ただし、触媒活性に影響を与える前記無機酸化物としての二酸化珪素を含有する場合、当該二酸化珪素の含有量の調整を意義あるものとする観点から、担体としてはシリカ以外が好ましい。
多孔質担体の粒子径は、篩分けにより調節される。
加えて、多孔質担体は、粒子径分布ができるだけ狭いものが好ましい。
全細孔容積は、水滴定法により測定される値である。水滴定法とは、多孔質担体の表面に水分子を吸着させ、分子の凝縮から細孔分布を測定する方法である。
平均細孔直径は、以下の手法で測定される値である。平均細孔直径が0.1nm以上10nm未満の場合、全細孔容積とBET比表面積とから算出される。平均細孔直径が10nm以上の場合、水銀圧入法ポロシメーターにより測定される。
ここで、全細孔容積は、水滴定法により測定される値であり、BET比表面積は、窒素を吸着ガスとし、その吸着量とその時の圧力から算出される値である。
水銀圧入法は、水銀を加圧して多孔質担体の細孔に圧入させ、その圧力と圧入された水銀量から平均細孔直径を算出するものである。
比表面積は、窒素を吸着ガスとし、BET式ガス吸着法により測定されるBET比表面積である。
担体100質量部に対する触媒成分の担持量の上限値は、担体の比表面積等を勘案して決定され、例えば、100質量部以下が好ましく、50質量部以下がより好ましい。上記上限値超としても、さらなる合成効率の向上を図れない場合がある。
aA・bB・cC ・・・・(I)
(I)式中、Aは酸化タングステンを表し、Bは酸化マグネシウムを表し、Cは上記の無機酸化物ZOを表し、a、b及びcはモル分率を表し、a+b+c=1である。
(I)式中のaは、c=0の場合には0.0001〜0.05であってもよいし、c>0の場合には0.0001〜0.05が好ましく、0.0005〜0.030がより好ましく、0.0010〜0.015がさらに好ましい。上記下限値以上であると酸化タングステンの含有量が少なすぎて、エタノール転化率を十分に高められなくなることを防止でき、上記上限値以下であると他の酸化物の含有量が少なくなりすぎて、エタノール転化率を十分に高められなくなることを防止できる。
(I)式中のbは、c=0の場合には0.95〜0.9999であってもよいし、c>0の場合には0.55〜0.98が好ましく、0.70〜0.97がより好ましく、0.80〜0.95がさらに好ましい。上記下限値以上であると酸化マグネシウムの含有量が少なすぎて、エタノール転化率を十分に高められないことを防止できる。上記上限値以下であると他の酸化物の含有量が少なくなりすぎて、エタノール転化率を十分に高められないことを防止できる。
(I)式中のcは、0(即ち、上記の無機酸化物ZOを含有しない)でもよいし、0超(即ち、上記の無機酸化物ZOを含有する)でもよい。上記の無機酸化物ZOを含有する場合、0.01〜0.40が好ましく、0.03〜0.30がより好ましく、0.05〜0.20がさらに好ましい。上記下限値以上であると上記の無機酸化物ZOの含有量が少なすぎて、エタノール転化率を十分に高められないことを防止でききる。上記上限値以下であると他の酸化物の含有量が少なくなりすぎて、エタノール転化率を十分に高められないことを防止できる。
組成式(2):WαMgβZγOθ
[式中、Zは前記無機酸化物ZOを構成する酸素以外の元素1種以上をまとめて表し、0<α<1、0<β<1、0≦γ<1、0<θ<1、α+β+γ+θ≦1である。]
式(2)中、α<βであることが好ましく、
0.001≦α≦0.01、
0.3≦β<0.5、
0.001≦γ≦0.01、及び/又は
0.5≦θ<1であることがより好ましい。
なお、α、β、γ、θは原子比(モル比)である。
本発明の合成触媒は、例えば、混練法、含浸法、気相蒸着法、担持錯体分解法等の公知方法により製造される。以下、合成触媒の製造方法について、一例を挙げて説明する。
実施形態の一例として、例えば、合成触媒を構成する各酸化物又は各酸化物の前駆体を分散媒又は溶媒中で混合して、オートミル等で混練し、得られた分散液又は溶液を加熱して乾燥した後、さらに焼成する工程を有する製造方法が挙げられる。この方法により、各酸化物が均一に分散した状態で接合した合成触媒が得られる。
以下、特に明記しない限り、分散媒と溶媒とを区別せず、分散液と溶液とを区別しない。
酸化タングステンの好適な前駆体としては、例えば、タングステンのアルコキシドが挙げられる。アルコキシドとしてはメトキシド又はエトキシドが好ましい。
酸化マグネシウムの好適な前駆体としては、例えば、マグネシウムの水酸化物、硝酸塩、シュウ酸塩等が挙げられる。これらのうち、加熱によって容易に酸化物が得られることから、水酸化物が好ましい。
酸化タングステン及び酸化マグネシウムを除くその他の無機酸化物の好適な前駆体としては、例えば、コロイダルシリカが挙げられる。コロイダルシリカを使用することにより多孔質の複合酸化型触媒を容易に得られる。
また、別の実施形態として、例えば、合成触媒を構成する各酸化物又は各酸化物の前駆体を含む含浸液を多孔質担体に含浸し(含浸操作)、含浸液が含浸した担体を乾燥し(乾燥操作)、乾燥した担体を任意の温度で加熱して焼成する(焼成操作)方法が挙げられる。
図1の製造装置10は、合成触媒が充填されて反応床2が形成された反応管1と、反応管1に接続された供給管3と、反応管1に接続された排出管4と、反応管1に接続された温度制御部5と、排出管4に設けられた圧力制御部6とを備える。
希釈材としては、例えば、合成触媒の担体と同様のものや、石英砂、アルミナボール、アルミボール、アルミショット等が挙げられる。
反応床2に希釈材を充填する場合、希釈材/合成触媒で表される質量比は、それぞれの種類や比重等を勘案して決定され、例えば、0.5〜5が好ましい。
反応管1としては、例えば、ステンレス製の略円筒形の部材が挙げられる。
供給管3は、材料ガスを反応管1内に供給する供給手段であり、例えば、ステンレス製等の配管が挙げられる。
排出管4は、反応床2で合成された生成物を含むガスを排出する排出手段であり、例えば、ステンレス製等の配管が挙げられる。
温度制御部5は、反応管1内の反応床2を任意の温度にできるものであればよく、例えば、電気炉等が挙げられる。
圧力制御部6は、反応管1内の圧力を任意の圧力にできるものであればよく、例えば、公知の圧力弁等が挙げられる。
また、製造装置10は、マスフロー等、ガスの流量を調整するガス流量制御部等の周知の機器を備えていてもよい。
上述の合成触媒にエタノールを接触させることにより、1,3−ブタジエンを製造することができる。本実施形態の製造方法において、接触させるエタノールは気化された状態であることが好ましく、気化されたエタノールが加熱下で合成触媒と接触することがより好ましい。以下、図1の製造装置を使用した1,3−ブタジエンの製造方法の一例を説明する。
混合ガス20は、不活性ガスを含有してもよい。混合ガス20が不活性ガスを含有していると、1,3−ブタジエンの合成効率のさらなる向上を図れる。
混合ガス20中の不活性ガスの含有量の下限値は、例えば、5体積%以上が好ましく、10体積%以上がより好ましく、15体積%以上がさらに好ましい。上記下限値以上であれば、不活性ガスを混合ガス20に含有させた効果がより高まり、1,3−ブタジエンの合成効率のさらなる向上を図れる。
混合ガス20中の不活性ガスの含有量の上限値は、50体積%以下が好ましく、40体積%以下がより好ましく、30体積%以下がさらに好ましい。上記上限値以下であれば、混合ガス20中のエタノールの含有量が十分になり、1,3−ブタジエンの合成効率のさらなる向上を図れる。
2C2H5OH → H2C=CH−CH=CH2+2H2O+H2 ・・・(α)
接触時間が短すぎると、エタノールがブタジエンまで転化せず、他の生成物の収率が上昇する傾向がある。
一方、接触時間が長すぎると、アセトアルデヒドやブタジエンの縮合や重合が進行し、高沸点成分の生成量が増加する可能性がある。接触時間は、上記の空間速度を調整することにより制御できる。
(実施例1)
水酸化マグネシウムMg(OH)2 (関東化学社製)20.65g、コロイダルシリカ(商品名「スノーテックスXS」日産化学工業社製、平均一次粒子4〜6nm、比表面積:800±200m2/g)12.64g、及びタングステンエトキシド1.56gを水に懸濁し、オートミルにて3時間混練してゾルを得た。得られたゾルを、80℃で16時間、その後110℃で4時間加熱して乾燥した後に、1℃/minで500℃まで昇温し、500℃で2時間焼成してケークを得た。得られたケークを破砕し、分級して、粒径1.0〜2.0mmの多孔質粒子からなる触媒(1)(MgO/WO3/SiO2(質量比)= 80.7/5.0/14.3)を得た。
水酸化マグネシウムMg(OH)2(関東化学社製)24.1g、コロイダルシリカ(商品名「スノーテックスXS」日産化学工業社製、平均一次粒子4〜6nm、比表面積:800±200m2/g)14.4g、及びタンタルエトキシド0.74gを水に懸濁し、オートミルにて3時間混練してゾルを得た。得られたゾルを、80℃で16時間、その後110℃で4時間加熱して乾燥した後に、1℃/minで500℃まで昇温し、500℃で2時間焼成してケークを得た。得られたケークを破砕し、分級して、粒径1.0〜2.0mmの多孔質粒子からなる触媒(2)(MgO/Ta2O5/SiO2(質量比)= 83.0/2.0/15.0)を得た。
(実施例1)
得られた触媒(1)3.82gを直径1.5インチ(1.27cm)、長さ10インチ(25.4cm)のステンレス製の円筒型の反応管に充填して反応床を形成した。
次いで、反応床の温度及び反応温度を420℃として、空間速度500L/L−触媒/h、常圧で以下の混合ガスを反応床に流通させて、1,3−ブタジエンを含む生成ガスを得た。
混合ガス(エタノール:70体積%、窒素:30体積%)が反応床に7.2秒間接触する条件で混合ガスを反応管に流通させ、得られた生成ガスを回収し、ガスクロマトグラフィーにより分析した。
得られたデータからエタノール転化率(モル%)、1,3−ブタジエンの選択率(モル%)、1,3−ブタジエンの収率(モル%)、アセトアルデヒドの選択率(モル%)、エチレンの選択率(モル%)、ブテンの選択率(モル%)、プロピレンの選択率(モル%)、エタンの選択率(モル%)、を算出した。これらの結果を表1に示す。
得られた触媒(2)3.87gを直径1.5インチ(1.27cm)、長さ10インチ(25.4cm)のステンレス製の円筒型の反応管に充填して反応床を形成した。
次いで、反応床の温度及び反応温度を420℃として、空間速度500L/L−触媒/h、常圧で以下の混合ガスを反応床に流通させて、1,3−ブタジエンを含む生成ガスを得た。
混合ガス(エタノール:70体積%、窒素:30体積%)が反応床に7.2秒間接触する条件で混合ガスを反応管に流通させ、得られた生成ガスを回収し、ガスクロマトグラフィーにより分析した。実施例1と同様に算出した結果を表1に示す。
Claims (11)
- エタノールに接触して1,3−ブタジエンを生成する触媒であって、
酸化タングステンと、酸化マグネシウムと、が含まれることを特徴とする1,3−ブタジエン合成用触媒。 - 前記酸化タングステンに対する前記酸化マグネシウムの質量比(酸化マグネシウム/酸化タングステン)が、0.1〜200である、請求項1に記載の1,3−ブタジエン合成用触媒。
- 前記質量比が5以上である、請求項1又は2に記載の1,3−ブタジエン合成用触媒。
- 触媒(100質量%)における各酸化物の含有量が下記の通りである、請求項1〜3の何れか一項に記載の1,3−ブタジエン合成用触媒。
酸化タングステンの含有量:0.1〜90質量%
酸化マグネシウムの含有量:10〜90質量% - 酸化タングステン及び酸化マグネシウムを除くその他の無機酸化物1種以上がさらに含まれる、請求項1〜3の何れか一項に記載の1,3−ブタジエン合成用触媒。
- 触媒(100質量%)における酸化タングステン及び酸化マグネシウムを除くその他の無機酸化物の含有量が、0.1〜89.9質量%である、請求項5に記載の1,3−ブタジエン合成用触媒。
- 触媒(100質量%)における各酸化物の含有量が下記の通りである、請求項6に記載の1,3−ブタジエン合成用触媒。
酸化タングステンの含有量:0.1〜89.9質量%
酸化マグネシウムの含有量:10〜90質量%
酸化タングステン及び酸化マグネシウムを除くその他の無機酸化物の含有量:0.1〜89.9質量% - 酸化タングステン及び酸化マグネシウムを除くその他の無機酸化物が二酸化珪素である、請求項6又は7に記載の1,3−ブタジエン合成用触媒。
- 請求項1〜8の何れか一項に記載の1,3−ブタジエン合成用触媒の製造方法であって、
触媒を構成する各酸化物又は各酸化物の前駆体を分散媒又は溶媒中で混合し、得られた分散液又は溶液を加熱して乾燥した後、さらに焼成する工程を有することを特徴とする1,3−ブタジエン合成用触媒の製造方法。 - 請求項1〜8の何れか一項に記載の1,3−ブタジエン合成用触媒が充填された反応管と、エタノールを前記反応管内に供給する供給手段と、前記反応管から生成物を排出する排出手段と、を備えることを特徴とする1,3−ブタジエンの製造装置。
- 請求項1〜8の何れか一項に記載の1,3−ブタジエン合成用触媒に、エタノールを接触させて、1,3−ブタジエンを得ることを特徴とする1,3−ブタジエンの製造方法。
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