TWI833878B - 用於藉由氫硫化來製備一具有化學式rsh的化合物之方法 - Google Patents
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Abstract
本發明係有關於一種用於在一固態催化劑之存在下藉由硫化氫與一具有化學式ROH的化合物在氣相中之一催化反應來製備一具有化學式RSH的化合物之方法,其中R代表一個烷基基團,根據該方法,該反應係在一催化劑之存在下被進行,該催化劑包含有下列或者係由下列所構成:一或多種純質的或混合的稀土元素氧化物,一或多種純質的或混合的稀土元素硫化物,或者一或多種純質的或混合的稀土元素氧硫化物,但有條件是:當該稀土元素是鑭之時,該催化劑是鑭與至少一種選自於稀土元素或非為稀土元素的金屬之一混合的氧化物,以及當該稀土元素是鈰之時,該催化劑被負載在氧化鋁上。
Description
本發明係有關於一醇(alcohol)在氣相(gas phase)中的催化氫硫化(catalytic hydrosulfurization)以成為對應的硫醇(corresponding thiol)之一方法。它被更具體地描述以從甲醇(methanol)和硫化氫(hydrogen sulfide)來供甲硫醇(methanethiol)的生成(production),而它的範圍不為之所限。
在氣相中使甲醇成為甲硫醇的催化氫硫化反應(catalytic hydrosulfurization reaction)係為已知的。通常該反應係在一被負載於氧化鋁上之以氧化鎢與鹼金屬為基礎的催化劑(a tungsten oxide and alkali-metal based catalyst supported on alumina)之存在下被進行,舉例來說如專利案WO 2013092129 A1之中所描述的。
但是,某些針對替代催化劑(alternative catalysts)的研究存在於文獻中。因此,Plaisance和Dooley (Catalysis Letters, 2009, 128, 449-458)的研究工作描述根據被負載於各式各樣的固體上之不同金屬的氧化物(oxides of metals)[諸如鎢(WO3
)、鑭(lanthanum)(La2
O3
)或鈦(titanium)(TiO2
)]的催化劑之使用。在全部之中,氧化鎢是活性最好的。這些研究工作顯示:各個被測試的催化劑之活性(activity)係取決於不同的參數(parameters),以及要確定數種催化劑所共有的最佳條件(optimal conditions)是困難的。此外,使用被負載於氧化鋁上之以氧化鑭為基礎的催化劑(La2
O3
/Al2
O3
),甲醇之一高度轉化(high conversion)被獲得,但該轉化伴隨著一對於甲硫醇係為非常低的選擇性(selectivity),這使得該催化劑不能相容(incompatible)於一位在一工業規模(industrial scale)上的應用(application)。
再者,Ziolek等人(Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 1997, 97, 49-55)描述在甲醇的氫硫化反應期間當中硫化氫的吸附(adsorption)在以不同的氧化錳(magnesium oxide, MgO)、氧化鈦(titanium oxide, TiO2
)、氧化鋯(zirconium oxide, ZrO2
), 氧化鈰(cerium oxide, CeO2
)和氧化鋁(aluminum oxide, Al2
O3
)為基礎的催化劑之存在下的影響(influence)。該等作者特別觀察到硫化氫在氧化鈰(ceria)上有更高的吸附,並且認為這個現象(phenomenon)與對於甲硫醇和二甲硫(dimethyl sulfide)之增高的選擇性是相關的。但是,雖有甲醇之一中等轉化(medium conversion),這個催化劑產生一大量的甲烷(methane),有害於(to the detriment of)對甲硫醇的選擇性,到了甲烷在某些條件下變成該反應的主要產物之程度。
似乎迄今仍存在有需要來開發甲醇在氣相中之一催化氫硫化反應的條件,在該催化劑的位準(level)以及該方法的參數這兩個方面上,該方法具有一高甲醇轉化率以及對高甲硫醇具有一高選擇性,而且該方法降低(reduces)不能回收的副產物(non-recoverable sub-products)[諸如輕質化合物(light compounds)]的生成。
本發明提供一種有符合這些要求的方法。
這個方法允許在一固態催化劑(solid catalyst)之存在下藉由硫化氫與一具有化學式ROH的化合物在氣相中之催化反應來製備一具有化學式RSH的化合物(其中R代表一個烷基基團),這個催化劑包含有(comprising)下列或者係由下列所構成(consisting of):一或多種純質的或混合的(pure or mixed)稀土元素氧化物[rare earth oxide(s)],一或多種純質的或混合的稀土元素硫化物[rare earth sulfide(s)],或者一或多種純質的或混合的稀土元素氧硫化物[rare earth oxysulfide(s)],但有條件是:當該稀土元素是鑭之時,該催化劑是鑭與至少一種選自於稀土元素的金屬之一混合的氧化物,以及當該稀土元素是鈰之時,該催化劑被負載。
已被觀察到的是:藉由使用這樣一種催化劑,與先前技術中所描述的催化劑相比較之選擇性被顯著地改善,特別是透過一可達到不能回收的產物[諸如一氧化碳(carbon monoxide)、二氧化碳(carbon dioxide)、甲烷、氫(hydrogen)和二甲醚(dimethyl ether)]之一為至少40%的數量級(order of magnitude)之降低。因此,主產物(main product)是甲硫醇,而二甲硫構成(constitutes)主要的次要產物(major secondary product)。後者可被熟練地回收(skillfully recycled)俾以將之轉化成為甲硫醇,因而提高該方法的總甲硫醇產率(overall methanethiol yield)。此外,因為這個方法,該反應可於一廣泛範圍的溫度下被進行,而且通常是要比已知方法的那些為低。更普遍地,這個方法具有的優點是有彈性的(flexible),而且端視操作條件(operating conditions)(諸如溫度)而定,定向(orient)該選擇性朝向一產物或者另一者是有可能的。
本發明的方法隨著特徵而被更詳細地描述於下面,該等特徵可單獨地(alone)或組合地[in combination(s)](不管是什麼樣的組合)來予以考慮,而且實施之優選變型(preferred variants of implementation)被提供。
在這個更加詳細的說明之前,被使用於本文中的一些術語(terms)被定義。
所稱«稀土元素(rare earths)»,應予以瞭解的是該15個鑭系元素(lanthanides)[鑭、鈰、鐠(praseodymium)、釹(neodymium)、鉕(promethium)、釤(samarium)、銪(europium)、釓(gadolinium)、鋱(terbium)、鏑(dysprosium)、鈥(holmium)、鉺(erbium)、銩(thulium)、鐿(ytterbium)以及鎦(lutetium)],還有鈧(scandium)與釔(yttrium)。
根據本發明,該催化劑可以呈一氧化物[或羥基氧化物(oxyhydroxide)]、硫化物以及任何含有S與O之被稱為氧硫化物的中間物形式(intermediate form)之形式而存在。
在界定所得到的或者所使用的化合物之化學式中,術語«烷基(alkyl)»意指一個具有從1至20個碳原子(有利地從1至6個碳原子)之線性或分支的烴單價自由基(linear or branched hydrocarbon monovalent radical),諸如甲基(methyl)、乙基(ethyl)、丙基(propyl)、異丙基(isopropyl)、丁基(butyl)、異丁基(isobutyl)、三級丁基(tert-butyl)、戊基(pentyl)、新戊基(neopentyl)、正己基(n
-hexyl),或者一具有從3至20個碳原子(有利地從3至6個碳原子)之環烴單價自由基(cyclic hydrocarbon monovalent radical),諸如環丙基(cyclopropyl)、環己基(cyclohexyl),但不受限於這些自由基。
根據本發明之一方法,該催化劑係選自於:稀土元素氧化物、氫氧化物(hydroxides)或甚至稀土元素羥基氧化物,以及至少一種非為一稀土元素的其他金屬。該催化劑也可以是選自於由稀土元素與至少一種非為一稀土元素的其他金屬所構成之混合的氧化物(氫氧化物或羥基氧化物)。所稱«混合的氧化物(mixed oxides)»,應予以瞭解的是一種根據一或數種稀土元素之氧化物。該催化劑也可以是選自於:由數種稀土元素所構成之混合的硫化物、由一或數種稀土元素與至少一種非為一稀土元素的其他金屬所構成之混合的硫化物、由數種稀土元素所構成之氧硫化物、由一或數種稀土元素與至少一種非為一稀土元素的其他金屬所構成之混合的氧硫化物,以及由該等混合的氧化物、混合的硫化物與混合的氧硫化物所構成之混合物。該非為一稀土元素的金屬優選地是鋯(zirconium)。
該催化劑除了上述的氧化物、硫化物和/或氧硫化物之外也可以包含有一或多種由不同於稀土元素的金屬所構成之氧化物。
在本發明之一變型中,該催化劑被負載,有利地位在經預處理的或未處理的氧化鋁(pretreated or untreated alumina)之上,這允許避開(circumventing)有可能在根據呈粉末的稀土元素之材料的存在下被觀察到之堵塞(plugging)的問題。
如前面所指出的,本發明的方法對於藉由甲醇的催化氫硫化來製備甲硫醇是特別令人關注的,但是它可能適合於獲得任何化合物RSH,其中R係為一個如前面所定義的烷基。
在根據本發明之適合的催化劑當中,某些組合因為它們的有效性(effectiveness)而被選擇。因此,有利地,該催化劑包含有鑭、鈰、釹與鋯之混合的氧化物或係由此等所構成;在這個組合中,氧化鋯和氧化鈰的比例(proportions)與氧化鑭和氧化釹所具的那些相比較是占優勢的(predominant)。
根據本發明,一允許提高所使用的催化之性能(performance)的擔體(support)也已被發展出。這個擔體可以是藉由鉀(potassium)予以改質(modified)的氧化鋁,具有一鉀含量(potassium content)係介於0.1%和20% (m/m)之間,優選地係介於0.5%和10%之間,以及更加優選地係介於0.5%和5%之間。在本發明之一變型中,被負載於經此改質過的氧化鋁上之氧化鈰的使用被報導,在一個範圍中之被負載的氧化鈰含量係介於0.1%和50% (m/m)之間,優選地係介於0.5%和30% (m/m)之間。這允許顯著地提高根據本發明而被使用的某些催化劑在甲硫醇上的生產率(productivity),而且特別是氧化鈰[它在純質的狀態(pure state)下對於甲烷具有一高選擇性,這在甲硫醇於一工業規模上的生產具有缺點]。
在本發明的方法中,硫化氫對該化合物ROH的比值優選地範圍係落在從0.5至20,優先地係從1至15,以及更加優選地係從1至10。
已在前面被指明的是:本發明的優點之一是能夠擴展反應溫度(reaction temperatures)的範圍。因此,它可以在一從200℃至450℃ (優選地係從250℃至420℃,以及更加優選地係從275℃至400℃)的溫度之下被執行,有利地係在一介於2與20巴(bar)之間的壓力(優選地係從5至15巴,以及更加優選地係從7至14巴)之下被執行,而且該化合物ROH與該催化劑歷經一段接觸時間(contact time)係落在從0.1秒至60秒之範圍。
雖然該反應對於甲硫醇是有高度選擇性的,二甲硫也可被形成。一個將該二甲硫催化轉化(catalytic conversion)成為甲硫醇的反應也可被執行,根據那些熟習本領域技藝者所詳知的技術,俾以進一步改善本案方法的甲硫醇產率(methanethiol yield)。
本發明以及它的優點被例證於下面的示範例中。
示範例 1 :根據本發明,在一以混合的氧化物為基礎的催化劑之存在下從甲醇來生成甲硫醇
具有組成LaCeNdZr (2/21.3/5.1/71.6)的催化劑Cat1之製備:
該催化劑係藉由軟化學合成製程(soft chemistry synthesis processes)來予以製備。舉例來說,它可以根據被描述於專利案FR 2907445 A1或專利案FR 2859470 A1之中的方法而被獲得。這個催化劑的比表面積(specific surface)是75 m2
.g-1
。以氧化物的重量計的組成(composition by weight of oxides)是2.0%的La2
O3
、21.3%的CeO2
、5.1%的Nd2
O3
以及71.6% of ZrO2
。
在上述催化劑的存在下藉由甲醇之氫硫化來生成甲硫醇:
一由2 ml的被稀釋(diluted)於具一粒徑係介於0.400與0.500 nm之間的金剛砂(carborundum)中的催化劑所構成之催化床被置放在一個具一內徑(internal diameter)為1.26 cm的反應器(reactor)中。反應器的進口氣體(inlet gases)係由一含有甲醇和硫化氫的混合物所構成。
不同的操作條件被測試並且被描述於下:
1) H2
S/MeOH莫耳比率 = 0.5 / 溫度= 330℃ / 接觸時間 = 10s
2) H2
S/MeOH莫耳比率 = 4 / 溫度 = 375 / 接觸時間 = 20s
3) H2
S/MeOH莫耳比率 = 1.7 / 溫度 = 400℃ / 接觸時間 = 4s。
該反應器的壓力是10巴。
為了將本發明之一方法的性能與先前技術之一方法做比較,相同的反應係在相同的條件下於一由氧化鈰(具一比表面積係為99 m2
.g-1
)所構成的催化劑(類似於現有技術中所描述的那個)之存在下被執行。
結果被呈現於下面的表1中:
[表1]
*CO、CO2
以及CH4
操作 條件 | 催化劑 | 轉化 (%) | 選擇性 (%) | ||||
CH3 SH | (CH3 )2 S | (CH3 )2 O | 輕質氣體 * | CH3 SH+ (CH3 )2 S | |||
1 | 氧化鈰 | 16.2 | 84.1 | 6.7 | 3.2 | 6.0 | 90.8 |
Cat1 | 17.1 | 85.9 | 8.0 | 5.2 | 1.0 | 93.9 | |
2 | 氧化鈰 | 92.8 | 73.7 | 13.3 | 0.1 | 12.7 | 77.0 |
Cat1 | 95.7 | 84.5 | 13.1 | 0.2 | 1.7 | 97.6 | |
3 | 氧化鈰 | 58.8 | 81.0 | 8.8 | 0.8 | 9.3 | 89.8 |
Cat1 | 55.8 | 80.8 | 12.6 | 2 | 3.8 | 93.4 |
被觀察到的是:不管該等條件如何,本發明的方法具有一較高的甲醇轉化以及對於甲硫醇具有一較高的選擇性,同時生成非常少量的輕質氣體而有利於對二甲硫之一更大的選擇性。這些結果證明在一根據本發明的方法中所涉及之一催化劑相較於氧化鈰的性能。它們進一步證明:為了達成甲硫醇之一最佳生成(optimal production),有利的是本發明的方法包含一互補步驟(complementary step),其中被生成的二甲硫在一為那些熟習本領域技藝者所知曉的催化劑(諸如氧化鋁)之存在下被轉化成為甲硫醇。示範例 2 : 根據本發明 , 在一以混合的氧化物為基礎的催化劑之存在下從甲醇來生成甲硫醇
具有組成LaCeNdZr (1.75/30.3/5.35/62.6)的催化劑Cat2之製備:
催化劑Cat2 係根據相同於上述催化劑 Cat1的技術來予以製備。這個催化劑的比表面積是59 m2
.g-1
。以氧化物的重量計的組成是1.75%的La2
O3
、30.3%的CeO2
、5.35%的Nd2
O3
以及62.6% of ZrO2
。
在上述催化劑的存在下藉由甲醇之氫硫化來生成甲硫醇:
這個催化劑的催化性能係在相同於示範例1中的實驗系統(experimental system)中來予以測定,採用一H2
S/MeOH 莫耳比率 = 1.7、一為375℃的溫度以及該反應器中之一壓力係為10巴。
該等催化劑的性能係藉由變化被引入的催化劑質量(catalyst mass)以及不同反應物(reactants)的流動速率(flow rate)而就一個廣範圍的甲醇轉化來予以比較。
結果被呈現於下面的表2中:
[表2]
*CO、CO2
以及CH4 示範例 3 : 根據本發明 , 在一以氧化鈰為基礎的催化劑 ( 被負載於經改質的氧化鋁上 ) 之存在下從甲醇來生成甲硫醇
被負載於藉由鉀予以改質的氧化鋁上之催化劑CatS3的製備:
轉化 (%) | 催化劑 | 選擇性 (%) | ||||
CH3 SH | (CH3 )2 S | (CH3 )2 O | 輕質氣體 * | CH3 SH+ (CH3 )2 S | ||
20 | 氧化鈰 | 91.5 | 4.3 | 1.6 | 2.5 | 95.8 |
Cat2 | 92.7 | 3.4 | 2.1 | 1.6 | 96.1 | |
40 | 氧化鈰 | 86.8 | 7.5 | 0.6 | 5.0 | 94.3 |
Cat2 | 90.1 | 6.9 | 1.6 | 1.2 | 97.0 | |
60 | 氧化鈰 | 74.3 | 13.5 | 0.6 | 11.7 | 77.8 |
Cat2 | 81.3 | 14.7 | 1.3 | 2.4 | 96.0 | |
80 | 氧化鈰 | 72.0 | 13.7 | 0.3 | 14.0 | 75.7 |
Cat2 | 70.1 | 24.2 | 1.1 | 4.4 | 94.3 |
被負載的催化劑CatS3係藉由100 g之具一比表面積為171 m2
.g-1
的商業用氧化鋁(commercial alumina)與一氫氧化鉀(potassium hydroxide)溶液(38 g/L)接而使用一硝酸鈰(III)[(cerium (III) nitrate]溶液(1151 g/L)之連續浸滲(successive impregnations)以及煅燒(calcinations)(450℃,在空氣下)來予以合成。鉀含量是1.5重量%,那個為氧化鈰所具者是3.5重量%。該催化劑的比表面積是167 m2
.g-1
。
在上述催化劑的存在下藉由甲醇之氫硫化來生成甲硫醇:
這些催化劑的催化性能係在相同於示範例2的實驗條件下來予以測定。
為了將本發明之一方法的性能與先前技術之一方法做比較,相同的反應係在相同的條件下於被使用作為CatS3的擔體之相同純質的氧化鋁以及一由鉀所構成並且被負載於相同的上述氧化鋁上之催化劑(KS)(根據為該催化劑CatS3所述之方法來予以合成)的存在下被執行。
該等催化劑的性能係藉由變化被引入的催化劑質以及不同反應物的流動速率而就一個廣範圍的甲醇轉化來予以比較。
結果被呈現於下面的表3中:
[表3]
*CO、CO2
以及CH4
催化劑 | 轉化 (%) | 選擇性 (%) | ||||
CH3 SH | (CH3 )2 S | (CH3 )2 O | 輕質氣體 * | CH3 SH + (CH3 )2 S | ||
氧化鋁 | 84.1 | 47.5 | 37.9 | 14.6 | 0.1 | 85.4 |
KS | 20.0 | 78.4 | 2.2 | 19.0 | 0.4 | 80.6 |
CatS3 | 26.3 | 92.9 | 2.2 | 4.2 | 0.4 | 95.1 |
40.1 | 93.3 | 3.2 | 3.2 | 0.2 | 96.5 | |
58.6 | 90.1 | 6.3 | 2.6 | 0.6 | 96.4 | |
76.6 | 83.4 | 12.6 | 2.1 | 1.6 | 96.0 |
這些結果證明被負載於經改質的氧化鋁(特別是預先用鉀予以浸漬)上之氧化鈰的有效性。
(無)
Claims (15)
- 一種用於在一固態催化劑之存在下藉由硫化氫與一具有化學式ROH的化合物之氣相催化反應來製備一具有化學式RSH的化合物之方法,其中R代表一個烷基基團,該方法之特徵在於該反應係在一選自下列之催化劑的存在下被執行:具有一或數種稀土元素與至少一種其他非為一稀土元素的金屬之一或數種混合的氧化物、具有一或數種稀土元素與至少一種其他非為一稀土元素的金屬之一或數種混合的硫化物、具有一或數種稀土元素與至少一種其他非為一稀土元素的金屬之一或數種混合的氧硫化物,以及具有該等混合的氧化物、混合的硫化物與混合的氧硫化物之混合物,但有條件是當該稀土元素是鑭之時,該催化劑是具有鑭與是為鋯之該非為一稀土元素的金屬之一種混合的氧化物,以及經被負載的氧化鈰。
- 如請求項1之製備方法,特徵在於該催化劑包含具有不同於稀土元素的金屬之一或數種氧化物。
- 如請求項1或2之製備方法,特徵在於該催化劑被負載。
- 如請求項1或2之製備方法,特徵在於該催化劑被負載於氧化鋁上,不論是否經預處理。
- 如請求項1或2之製備方法,特徵在於甲硫醇係藉由甲醇在氣相中透過與硫化氫的反應之催化氫硫化來予以製備。
- 如請求項1或2之製備方法,特徵在於該催化劑包含具有鑭、鈰、釹與鋯之混合的氧化物或係由該混合的氧化物所構成,氧化鋯和氧化鈰的比例佔多數。
- 如請求項1或2之製備方法,特徵在於該催化劑包含有氧化鈰或者係由氧化鈰所構成,並且在介於0.1%和50%(m/m)之間的範圍內被負載於用 鉀予以浸漬的氧化鋁上,而鉀的含量係介於0.1%和20%(m/m)之間。
- 如請求項1或2之製備方法,特徵在於該催化劑包含有氧化鈰或者係由氧化鈰所構成,並且在介於0.5%和30%(m/m)之間的範圍內被負載。
- 如請求項1或2之製備方法,特徵在於該硫化氫與該化合物ROH之間的莫耳比率係介於0.5和20之間。
- 如請求項1或2之製備方法,特徵在於該硫化氫與該化合物ROH之間的莫耳比率係從1至15。
- 如請求項1或2之製備方法,特徵在於該硫化氫與該化合物ROH之間的莫耳比率係從1至10。
- 如請求項1或2之製備方法,特徵在於該反應係在一介於200℃至450℃之間的溫度下被執行,且係在一介於2與20巴之間的壓力下被執行,而且該化合物ROH與該催化劑的接觸時間係介於0.1秒至60秒之間。
- 如請求項1或2之製備方法,特徵在於該反應係在一從250℃至420℃之溫度下被執行。
- 如請求項1或2之製備方法,特徵在於該反應係在一從275℃至400℃之溫度下被執行。
- 如請求項1或2之製備方法,特徵在於該反應生成二甲硫,以及在於一使該二甲硫催化轉化成為甲硫醇之反應係進一步被執行。
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