説明

プロピレンの製造方法

【課題】本発明は、反応圧力の増加に伴いプロピレンの選択率が増加する、プロピレンの製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明では、8員環ゼオライトを含む触媒を用いて、炭化水素及びオキシジェネートからなる群より選択される少なくとも1つの原料からプロピレンを製造する際、0.2MPa以上の圧力を用いることを特徴とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、プロピレンの製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
プロピレンは、工業的には主にナフサのクラッキング反応によって、エチレンが製造される際の副産物として生産されている。
【0003】
こうした工業的な手法とは異なり、ある種のゼオライト触媒を用いると、低級炭化水素や低級オキシジェネートからプロピレン等の低級オレフィンを合成することができる。その反応機序については、原料であるエチレンのオリゴマー化に続き、高級オレフィンの分解が起こることによってプロピレンが生成される一方、副反応としてアルカンが生成されることにより、プロピレンが消失することが知られている(非特許文献1)。このプロピレンの生成反応は一般に、反応圧力を増加させると反応が促進される(エチレン転化率が向上する)が、同時に、アルカン等の副生成物が生成してプロピレンの選択率(収率)が低下する。
【0004】
特許文献1には、CHA型アルミノシリケートを用いたプロピレンの製造方法が開示されている。本文献では、加圧することによりパラフィン類等の副生成物が生成され、プロピレンの選択率が低下すること、また、反応圧力を減少させると、反応が遅くなることが記載されている。実施例で用いられている反応圧力は、常圧である0.1MPaである。
【0005】
特許文献2には、エタノールを原料としたプロピレンの製造方法が開示されている。本文献では、10員環ゼオライト(MFI型アルミノシリケート、P−ZSM−5)を用いて、低温反応器(300〜450℃)でエタノールの脱水及びエチレンのオリゴマー化を行った後、高温反応器(450〜600℃)でクラッキングによりプロピレンを製造している。また、このエタノールの脱水及びエチレンのオリゴマー化における反応圧力は、0.2MPa以上にすると有利であることが記載されている。この圧力範囲は、加圧することにより反応器中のエチレン濃度を増加させ、エチレンの消失反応を促進させるために採用されているが、エチレン転化率は向上する(反応が促進される)ものの、副反応も生じ、プロピレンやブテン等のオレフィン選択率は低下している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】国際公開第2010/128644号パンフレット
【特許文献2】国際公開第2009/098267号パンフレット
【非特許文献】
【0007】
【非特許文献1】Baba T., et al, Phys. Chem. Chem. Phys. (2010) 12, 2541
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
このように、低級炭化水素(例えば、エチレン)や低級オキシジェネート(例えば、エタノール)から低級オレフィン(例えば、プロピレン)を製造する方法では一般に、反応圧力を増加させると反応が促進される(エチレン転化率が向上する)一方、副生成物が生成してプロピレン選択率が低下することが問題となる。
【0009】
そこで、本発明は、反応圧力を増加させることにより、反応が促進されるだけでなく、プロピレンの選択率も向上する、プロピレンの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、プロピレンの製造方法において、8員環ゼオライトを用いて、圧力を0.2MPa以上にすることによって、原料の転化率が向上するだけでなく、プロピレン選択率も向上することを見い出し、本発明を完成させるに至った。即ち、本発明は、以下の発明を包含する。
【0011】
[1]8員環ゼオライトを含む触媒を用いて、0.2MPa以上の圧力下で、炭化水素及びオキシジェネートからなる群より選択される少なくとも1種の原料からプロピレンを製造する方法。
[2]圧力が0.5MPa以上である、[1]に記載の方法。
[3]8員環ゼオライトがCHA構造を有する、[1]又は[2]に記載の方法。
[4]8員環ゼオライトがシリコアルミノフォスフェートである、[3]に記載の方法。
[5]8員環ゼオライトの平均粒子径が1.0μm以下である、[1]〜[4]のいずれかに記載の方法。
[6]8員環ゼオライトの平均粒子径が0.7μm以下である、[1]〜[4]のいずれかに記載の方法。
[7]原料が、C1−6炭化水素及びC1−6オキシジェネートからなる群より選択される少なくとも1種である、[1]〜[6]のいずれかに記載の方法。
【発明の効果】
【0012】
本発明によると、反応圧力を増加させることにより、原料の転化率が向上するだけでなく、プロピレン選択率も向上させて、プロピレンを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】各生成物の圧力依存性を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明で用いられる8員環ゼオライトは、細孔が酸素の8員環で構成されているゼオライトであり、その骨格構造としては、特に限定されず、例えば、AFX、CAS、CHA、 DDR、ERI、ESV、GIS、GOO、ITE、JBW、KFI、LEV、LTA、MER、MON、MTF、PAU、PHI、RHO、RTE、RTHが挙げられる。このうち、本発明のゼオライトの構造としては、AFX、CHA、DDR、ERI、LEV、RHO、RTHが好ましく、より好ましくはCHAである。
【0015】
本発明におけるCHA構造を有する8員環ゼオライトとしては、具体的には、構成元素がケイ素及びアルミニウムからなるアルミノシリケートや、ケイ素、アルミニウム及びリンからなるシリコアルミノホスフェート等が挙げられるが、シリコアルミノホスフェートが好ましく、より好ましくはSAPO−34、SAPO−44又はSAPO−47である。
【0016】
本発明で用いられる8員環ゼオライトは、プロピレンの選択率を向上させる点から、平均粒子径が1.0μm以下のものが好ましく、より好ましくは0.7μm以下、さらに好ましくは0.5μm以下、特に好ましくは0.2μm以下の平均粒子径を有する。
【0017】
このような8員環ゼオライトの製造方法としては、特に限定されず、例えば米国特許第4544538号明細書に記載の製造方法のような公知の方法を用いることができる。通常、水熱合成法により製造することができ、水熱合成後にイオン交換、脱アルミニウム処理、含浸等で組成を変化させたものも使用できる。また、担体や結合剤等を混合して触媒とすることもできる。
【0018】
本発明のプロピレンの製造方法では、上記の8員環ゼオライトを含む触媒を用いて、0.2MPa以上の圧力下で、炭化水素及びオキシジェネートからなる群より選択される少なくとも1種を原料として製造する。
【0019】
炭化水素としては、例えば、アルカン及びアルケンが挙げられ、好ましくはC1−12アルカン及びC2−12アルケン等のC1−12炭化水素、より好ましくはC1−8アルカン及びC2−8アルケン等のC1−8炭化水素、特に好ましくはC1−6アルカン及びC2−6アルケン等のC1−6炭化水素を使用する。前記炭化水素は、本発明の目的を損なわない範囲でプロピレンを含むことができる。
【0020】
オキシジェネートとしては、例えば、アルコール、エーテル及びカルボニル化合物(アルデヒド、ケトン、カルボン酸、カーボネート等)が挙げられ、好ましくはC1−12アルコール、C2−12エーテル及びC1−12カルボニル化合物等のC1−12オキシジェネート、より好ましくはC1−8アルコール、C2−8エーテル及びC1−8カルボニル化合物等のC1−8オキシジェネート、特に好ましくはC1−6アルコール、C2−6エーテル及びC1−6カルボニル化合物等のC1−6オキシジェネートを使用する。
【0021】
炭化水素及びオキシジェネートのより具体的な例としては、例えば、ブタン、ヘキサン、エチレン、メタノール、エタノール、プロパノール、ジメチルエーテル、メチルエチルエーテル、ジエチルエーテル、ホルムアルデヒド、ジメチルケトン、酢酸、ジメチルカーボネート等を挙げることができる。このうち、エチレン又はエタノールを使用することが特に好ましい。
【0022】
原料はそのまま供給してもよいし、希釈ガスとの混合ガスとして供給してもよい。希釈ガスとしては原料が気体で存在する条件下において気体で存在し、原料からプロピレンへの変換に悪影響を与えないものであれば特に限定されない。例えば、不活性ガスの窒素やアルゴン等を使用することができる。工業的に利用するためには原料を高濃度で使用することが好ましい。例えば、原料濃度(モル比)が50%以上であることが好ましく、70%以上であることがより好ましく、90%以上であることが特に好ましい。また、水(水蒸気)を共存させてもよい。
【0023】
反応圧力は、プロピレンの選択率を向上させる点から、0.2MPa(絶対圧、以下同様)以上であることが必要であり、適宜0.5MPa以上、場合によっては0.6MPa以上の圧力を使用することができる。反応圧力の上限は、実用的な圧力範囲であればよく、特に限定されないが、通常1.0MPa以下、好ましくは0.8MPa以下である。
【0024】
反応温度は、原料が効率的かつ選択的にプロピレンに変換されれば特に限定されないが、例えば、200〜700℃が好ましく、300〜600℃がより好ましい。
【0025】
空間速度WHSV(h−1)は、エタノール等の反応原料の流量(g/h)を触媒重量(g)で除して求められる。ここで、触媒重量とは、触媒の造粒・成型に使用する不活性成分や結合剤を含まない触媒活性成分の重量である。本発明において、空間速度は特に限定されないが、通常0.01〜500h−1であり、0.1〜100h−1がより好ましい。
【0026】
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではない。
【実施例】
【0027】
固体酸触媒の物性評価
結晶形態及び結晶径は、SEM(走査型電子顕微鏡)(JCM−5100、日本電子)で得られた画像により評価した。平均粒子径は、異なる3視野の画像中から、50〜100個のゼオライトを任意に選択して、相加平均をとることにより算出した。
【0028】
SAPO−34の同定は、測定したX線回折(XRD)の構造パターンを、米国特許4440871号明細書に示されている構造パターンと比較することにより行った。
【0029】
(A)平均粒子径0.2μmのSAPO−34(8員環ゼオライト)の調製
6.85gのLudox(登録商標)HS−30(水中30重量%、Aldrich、以下同様)及び193.86gの水酸化テトラエチルアンモニウム(TEAOH)水溶液(水中35重量%、Aldrich、以下同様)を含む溶液をテフロン(登録商標)ビーカーにて調製した。この溶液に、24.11gのアルミニウムイソプロポキシド(純度98%以上、Aldrich、以下同様)を添加し、さらに、53.27gのリン酸(水中85重量%、Aldrich、以下同様)を添加した。モル比で以下の組成:
0.6SiO/Al/4P/8TEAOH/133H
を有する均質な混合物を得た。この混合物を、90℃の恒温槽に移し、水分を除去して乾燥ゲルを得た。乾燥ゲルと脱イオン水とを互いに接触させないようにして、テフロン内筒を有するSUS316製オートクレーブに移し、180℃で72時間加熱処理した。オートクレーブから取り出した後、脱イオン水で洗浄し、100℃で12時間乾燥させて、粉末状の生成物を得た。XRD、SEMにより、この生成物が平均粒子径0.2μmのSAPO−34であることを確認した。
【0030】
得られたSAPO−34を金属塩で処理するため、まず、2gのSAPO−34を空気中600℃で5時間焼成した後、0.14wt%の酢酸バリウム水溶液10mLに添加し、50℃、減圧下で水を留去した。その後、空気中550℃で10時間焼成した。
【0031】
[実施例1]
得られた上記SAPO−34の粉末を16〜32メッシュに成型して、SAPO−34触媒を得た。触媒性能評価は、原料タンク、原料供給ポンプ、不活性ガス導入装置、反応管、試料採取タンク、及び背圧弁等を備えた流通反応装置を用いて行った。反応管には、内管が石英製で外管がステンレス製からなる二重管式反応容器(石英管の内径は10mm)を使用した。1gのSAPO−34触媒を反応器に充填し、エタノール及び窒素を、エタノールの空間速度1.6h−1でエタノール80体積%と窒素20体積%となるように、蒸発器を通じて反応器に供給した。温度400℃、圧力0.2MPaにて反応を行い、ガスクロマトグラフィーで生成物の分析を行った。反応開始1時間後のエチレン、プロピレン、ブテン、C〜Cアルカン、C以上の炭化水素の収率(炭素モル%)を表1に示す。
【0032】
なお、一般に、エチレン転化率が低いとき(反応が比較的進行していないとき)の方が、副反応の影響が少なくプロピレン選択率は高くなる。従って、プロピレン選択率の優劣を比較するためには、各試験でのエチレン転化率を揃える必要がある。本発明では、各試験のエチレン転化率が70〜75%となるように行った。
【0033】
[実施例2]
実施例1と同様の方法で触媒性能評価を行った。温度400℃、圧力0.5MPaにおける反応開始1.25時間後のエチレン、プロピレン、ブテン、C〜Cアルカン、C以上の炭化水素の収率(炭素モル%)を表1に示す。
【0034】
[比較例1]
実施例1と同様の方法で触媒性能評価を行った。温度400℃、圧力0.1MPaにおける反応開始0.75時間後のエチレン、プロピレン、ブテン、C〜Cアルカン、C以上の炭化水素の収率(炭素モル%)を表1に示す。
【0035】
(B)平均粒子径0.5μmのSAPO−34(8員環ゼオライト)の調製
6.85gのLudox(登録商標)HS−30及び193.86gの水酸化テトラエチルアンモニウム(TEAOH)水溶液を含む溶液をテフロン(登録商標)ビーカーにて調製した。この溶液に、24.11gのアルミニウムイソプロポキシドを添加し、さらに、53.27gのリン酸を添加した。モル比で以下の組成:
0.6SiO/Al/4P/8TEAOH/133H
を有する均質な混合物を得た。この混合物をテフロン内筒を有するSUS316製オートクレーブに移し、180℃で64時間加熱処理した。オートクレーブから取り出した後、脱イオン水で洗浄を行い、100℃で12時間乾燥させて、粉末状の生成物を得た。XRD、SEMにより、この生成物が平均粒子径0.5μmのSAPO−34であることを確認した。
【0036】
得られたSAPO−34をシラン化合物で処理するため、まず、2gのSAPO−34に26.8mLのトルエン、17.6mLのメトキシトリメチルシラン(MTMS)を添加し、温度80℃で6時間反応させた。その後、トルエン、エタノール、水で洗浄し、空気中600℃で5時間焼成した。上記の一連の作業を再度繰り返した。
【0037】
[実施例3]
得られた上記SAPO−34の粉末を16〜32メッシュに成型して、SAPO−34触媒を得た。実施例1と同様の方法で触媒性能評価を行った。温度400℃、圧力0.2MPaにおける反応開始0.75時間後のエチレン、プロピレン、ブテン、C〜Cアルカン、C以上の炭化水素の収率(炭素モル%)を表1に示す。
【0038】
[比較例2]
実施例3と同様の方法で触媒性能評価を行った。温度400℃、圧力0.1MPaにおける反応開始0.75時間後のエチレン、プロピレン、ブテン、C〜Cアルカン、C以上の炭化水素の収率(炭素モル%)を表1に示す。
【0039】
(C)平均粒子径2.8μmのSAPO−34(8員環ゼオライト)の調製
3.18gのLudox(登録商標)AS−40(Aldrich)、39.61gの脱イオン水、及び35.58gの水酸化テトラエチルアンモニウム(TEAOH)水溶液を含む溶液をテフロン(登録商標)ビーカーに調製した。この溶液に、29.44gのアルミニウムイソプロポキシドを添加し、さらに、35.57gのリン酸を添加した。モル比で以下の組成:
0.3SiO/Al/P/1.2TEAOH/55H
を有する均質な混合物を得た。この混合物を、テフロン内筒を有するSUS316製オートクレーブに移し、220℃で24時間加熱処理した。オートクレーブから取り出した後、脱イオン水で洗浄を行い、100℃で12時間乾燥させて、粉末状の生成物を得た。XRD、SEMにより、この生成物が平均粒子径2.8μmのSAPO−34であることを確認した。
【0040】
[比較例3]
得られた上記SAPO−34の粉末を16〜32メッシュに成型して、SAPO−34触媒を得た。実施例1と同様の方法で触媒性能評価を行った。温度400℃、圧力0.4MPaにおける反応開始0.75時間後のエチレン、プロピレン、ブテン、C〜Cアルカン、C以上の炭化水素の収率(炭素モル%)を表1に示す。
【0041】
[比較例4]
比較例3と同様の方法で触媒性能評価を行った。温度400℃、圧力0.1MPaにおける反応開始0.75時間後のエチレン、プロピレン、ブテン、C〜Cアルカン、C以上の炭化水素の収率(炭素モル%)を表1に示す。
【0042】
(D)平均粒子径0.2μmのZSM−5(10員環ゼオライト)の調製
文献(Fujitani T, et al. Applied Catalysis A: General 384 (2010) 201-205)に従い、10員環ゼオライトであるZSM−5触媒を調製した。その際に使用したZSM−5はZeolyst製のCBV8014(Si/Al=80)であり、P含有量は0.6wt%となるように調製した。
【0043】
[比較例5]
得られたZSM−5の粉末を16〜32メッシュに成型して、ZSM−5触媒を得た。1gのZSM−5触媒を反応器に充填し、エタノール及び窒素を、エタノールの空間速度12.3h−1でエタノール80体積%と窒素20体積%となるように、蒸発器を通じて反応器に供給した。温度550℃、圧力0.2MPaにおいて反応を行い、ガスクロマトグラフィーで生成物の分析を行った。反応開始2時間後のエチレン、プロピレン、ブテン、C〜Cアルカン、C以上の炭化水素の収率(炭素モル%)を表1に示す。
【0044】
[比較例6]
比較例5と同様の方法で、1gのZSM−5触媒を反応器に充填し、エタノール及び窒素を、エタノールの空間速度9.2h−1でエタノール80体積%と窒素20体積%となるように、蒸発器を通じて反応器に供給した。温度550℃、圧力0.1MPaにおいて反応を行い、ガスクロマトグラフィーで生成物の分析を行った。反応開始2時間後のエチレン、プロピレン、ブテン、C〜Cアルカン、C以上の炭化水素の収率(炭素モル%)を表1に示す。
【0045】
【表1】

【0046】
転化率及びC選択率を以下のように定義する:
(C転化率)=100−(C収率)
(C選択率)=(C収率)/(C転化率)×100
表1中、実施例1、実施例2及び比較例1では、平均粒子径0.2μmの8員環ゼオライトであるSAPO−34を用いた、プロピレン選択率の圧力依存性を比較している(以下、試験例Aと称す)。
【0047】
また、実施例3及び比較例2では、平均粒子径0.5μmの8員環ゼオライトであるSAPO−34を用いた、プロピレン選択率の圧力依存性を比較している(試験例B)。
【0048】
また、比較例3及び比較例4では、平均粒子径2.8μmの8員環ゼオライトであるSAPO−34を用いた、プロピレン選択率の圧力依存性を比較している(試験例C)。
【0049】
さらに、比較例5及び比較例6では、10員環ゼオライトであるZSM−5を用いた、プロピレン選択率の圧力依存性を比較している(試験例D)。
【0050】
試験例Aでは、反応圧力が0.1MPaである場合、プロピレン選択率は48%であったが、反応圧力を0.2MPaにすると、プロピレン選択率は69%と増加し、この値は反応圧力を0.5MPaにしてもほとんど変化しなかった。
【0051】
この傾向は、平均粒子径が0.5μmであるSAPO−34を用いた試験例Bでも同様であった。
一方、試験例Cでは、プロピレン選択率は大きく変化しなかった。
【0052】
これらに対して、10員環ゼオライトであるZSM−5を用いた試験例Dでは、反応圧力を0.1MPaから0.2MPaに上げた場合でも、プロピレン選択率は39%のままで、試験例A及びBのようにプロピレンの選択率は増加しなかった。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
8員環ゼオライトを含む触媒を用いて、0.2MPa以上の圧力下で、炭化水素及びオキシジェネートからなる群より選択される少なくとも1種の原料からプロピレンを製造する方法。
【請求項2】
圧力が0.5MPa以上である、請求項1に記載の方法。
【請求項3】
8員環ゼオライトがCHA構造を有する、請求項1又は2に記載の方法。
【請求項4】
8員環ゼオライトがシリコアルミノフォスフェートである、請求項3に記載の方法。
【請求項5】
8員環ゼオライトの平均粒子径が1.0μm以下である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。
【請求項6】
8員環ゼオライトの平均粒子径が0.7μm以下である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。
【請求項7】
原料が、C1−6炭化水素及びC1−6オキシジェネートからなる群より選択される少なくとも1種である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。


【図1】
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【公開番号】特開2013−95672(P2013−95672A)
【公開日】平成25年5月20日(2013.5.20)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−237114(P2011−237114)
【出願日】平成23年10月28日(2011.10.28)
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】(出願人による申告)平成22年度 独立行政法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構 セルロース系バイオマスエタノールからプロピレンを製造するプロセス開発委託研究、産業技術力強化法第19条の適用を受ける特許出願
【出願人】(000003207)トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Fターム(参考)】