説明

液体炭化水素の製造方法

【課題】合成ガスから一段で、メタン選択性が低く、かつイソパラフィン収率をより高くした液体炭化水素を製造する方法を提供する。
【解決手段】水素と一酸化炭素を含む合成ガスを、鉄を含んだFT合成触媒をコアとし、ZSM−5ゼオライト膜をシェルとしたカプセル触媒の存在下で転化反応させることを特徴とする液体炭化水素の製造方法。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は液体炭化水素の製造方法に関する。さらに詳細には、鉄を含むカプセル触媒を用いて、水素と一酸化炭素を主成分とする合成ガスから一段反応プロセスで液体炭化水素を製造する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、環境保全の必要性が求められ、硫黄分および芳香族炭化水素の含有量が低いクリーンな液体燃料への要求が急速に高まってきている。また、埋蔵量に限りのある原油資源を有効に使う必要性より、石油に代替しうるエネルギー源の開発が望まれてきている。以上のような要望に応える技術として、天然ガス・石炭・アスファルト・バイオマスなどを原料に用い、硫黄分および芳香族炭化水素をほとんど含まない液体燃料を製造するXTL(X to Liquid)がますます注目されるようになってきている。
例えば天然ガスを出発原料としたGTL(Gas to Liquid)による液体燃料の製造法としては、天然ガスから水素と一酸化炭素を製造する改質工程を経た後、水素と一酸化炭素からなる合成ガスを原料として高級パラフィンを製造するフィッシャー・トロプシュ合成(以下、FT合成という。)を行う工程と、高級パラフィンに富むFT合成生成物を低級パラフィンに富む生成物に転換する水素化分解および異性化を行う工程の、2段階で処理する方法が一般に知られている。
【0003】
FT合成は、鉄やコバルト等の活性金属をシリカやアルミナ等の担体上に担持して得られる触媒(以下、FT合成触媒という。)を用いて実施する方法が一般に知られている。また、水素化分解・異性化反応は、ゼオライトやアモルファスの固体酸触媒を用いて実施する方法が一般に知られている。
一方、非特許文献1には、FT合成触媒とゼオライト等の固体酸触媒を物理的に混合した触媒を用いることで、合成ガスから1段で低級パラフィンを製造することが示されている。
また、非特許文献2においては、コバルト系FT合成触媒の外表面をZSM−5ゼオライト膜でコーティングしたカプセル触媒を用いて、合成ガスから一段でイソパラフィンに富んだガソリン基材の製造に関する記載がある。しかしながら、このカプセル触媒を用いた合成ガスの転換反応ではメタン選択性が高く、結果としてガソリン基材の収率が減少する欠点がある。これは、比較的低温が有利なFT合成反応と高温が有利な異性化・分解反応とを同時に行うため、低温ではメタン生成が抑制されるものの異性化が進行せず、逆に高温では異性化が進行するもののメタン生成も促進してしまうためと考えられる。従って、合成ガスからイソパラフィンに富んだガソリン基材を収率良く一段反応で行うことの出来る触媒が望まれる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】Fujimoto 他,「ケミストリー・レターズ(Chemistry Letters)」, 1985年,p.783
【非特許文献2】Jingjiang He 他、「ラングミュア(Langmuir)」, 2005年,21巻,p.1699
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
FT合成と水素化分解・異性化反応を一段で行うプロセスは、別々に反応を行う場合と比較して装置の建設コストが低く、経済性の高いプロセスであるといえる。前記したように、この一段反応プロセスとしては、コバルト系FT合成触媒をコアとし、ZSM−5ゼオライト膜をシェルとしたカプセル触媒を用いて液体燃料を製造する方法が非特許文献2に報告されているが、この方法以上の高性能な液体燃料の製造方法、すなわち副生するメタンの選択率を抑制し、イソパラフィンに富んだガソリン基材を高収率で製造する方法は未だ無いに等しい。この一段反応プロセスの経済性を更に向上させるためには、メタン選択率を更に低減する必要がある。また、生成したガソリン基材のオクタン価を向上させるためには、イソパラフィン選択性を高める必要がある。
本発明は、メタン選択率を低減させ、かつイソパラフィン選択率を向上させた、一段反応プロセスによる液体炭化水素(ガソリン基材)の製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明者らは鋭意検討を行った結果、鉄を含んだFT合成触媒の表面にZSM−5ゼオライトを皮膜したカプセル触媒の調製に成功し、かかるカプセル触媒を一段反応の触媒として用いることにより、メタン選択率を低減させ、かつ生成油のイソパラフィン選択率を高めることができることを見出し、上記の課題を解決するに至った。
すなわち、本発明は以下のとおりである。
【0007】
[1] 水素と一酸化炭素を含む合成ガスを、鉄を含んだFT合成触媒をコアとし、ZSM−5ゼオライト膜をシェルとしたカプセル触媒の存在下で転化反応させることを特徴とする液体炭化水素の製造方法。
[2] 前記転化反応における反応温度が250〜400℃であることを特徴とする前記[1]に記載の液体炭化水素の製造方法。
[3] 前記転化反応における合成ガスの供給ガス速度(F)に対するカプセル触媒重量(W)の比(W/F)が0.1〜100g・h/molであることを特徴とする前記[1]又は[2]に記載の液体炭化水素の製造方法。
[4] 前記転化反応における合成ガス中の水素/一酸化炭素のモル比率が0.5〜5であることを特徴とする前記[1]〜[3]のいずれかに記載の液体炭化水素の製造方法。
[5] 前記転化反応における反応圧力が0.1〜10MPaであることを特徴とする前記[1]〜[4]のいずれかに記載の液体炭化水素の製造方法。
[6] 前記カプセル触媒において、コア中の鉄の割合が50質量%以上であることを特徴とする前記[1]〜[5]のいずれかに記載の液体炭化水素の製造方法。
[7] 前記カプセル触媒において、カプセル触媒全体に対するZSM−5膜の割合が8〜40質量%であることを特徴とする前記[1]〜[6]のいずれかに記載の液体燃料の製造方法。
[8] 前記カプセル触媒が、鉄を含んだFT合成触媒とZSM−5ゼオライト源を含有する合成ゲルを、150〜200℃で、静置と回転を少なくとも1回以上繰り返したのち静置を行う水熱合成反応により製造されたものであることを特徴とする前記[1]〜[7]のいずれかに記載の液体炭化水素の製造方法。
【発明の効果】
【0008】
本発明の方法により、合成ガスから1段の反応プロセスで、メタン選択率を低減し、かつイソパラフィンに富んだガソリン基材を効率良く得ることが可能となる。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下に本発明を詳述する。
本発明の液体炭化水素の製造方法において使用する触媒は、鉄を含んだFT合成触媒の表面にZSM−5ゼオライトの皮膜が形成されたカプセル触媒である。
【0010】
カプセル触媒のコアに相当するFT合成触媒は、鉄を50〜100質量%含むことが好ましく、60〜90質量%含むことがより好ましい。鉄の割合が50質量%未満では生成するガソリン基材の収率が減少する傾向にあるので好ましくない。
FT合成触媒は、シリカ、アルミナ、チタニア、シリカアルミナ等の無機酸化物からなる担体に鉄を担持して調製することもできるが、無機酸化物を含まずに溶融塩法や沈殿法により得られた鉄をそのまま使用することが好ましい。
鉄以外の金属として、銅またはカリウムがFT合成触媒内に含まれるとFT合成反応が促進され、結果としてガソリン収率が増加するので好ましい。なお、FT合成触媒に銅および/またはカリウムを含有する場合、その含有量の合計はFT合成触媒基準で0.1〜10質量%が好ましい。
本発明におけるFT合成触媒の平均粒子径については、固定床反応装置を使用して反応を行うため、反応塔に充填できる大きさであれば特に制限はないが、通常は100μm〜30mmが好ましく、より好ましくは500μm〜20mmのものを使用する。平均粒子径が100μm未満では反応塔内で差圧が発生しやすくなる傾向にあるので好ましくない。また、30mmを超えると反応塔に充填される触媒量が減少し、結果としてガソリン収率が低下する傾向にあるので好ましくない。
【0011】
本発明におけるカプセル触媒は、鉄を含むFT合成触媒の表面にZSM−5ゼオライトを被覆することにより形成される。
FT合成触媒を被覆するZSM−5ゼオライトの量には特に制限はないが、ガソリン基材を収率良く製造するために、カプセル触媒に対するZSM−5ゼオライトの割合を8〜40質量%にするのが好ましい。8質量%未満ではZSM−5ゼオライトによる被覆が不十分なためガソリン収率が減少する傾向にあるため、ZSM−5ゼオライトの割合の下限は8質量%以上が好ましく、10質量%以上がより好ましく、20質量%以上がさらに好ましい。一方、ZSM−5ゼオライトの割合が40質量%を超えるとメタン選択性が増加する傾向にあるので、上限は40質量%以下が好ましく、30質量%以下がより好ましい。
【0012】
FT合成触媒にZSM−5ゼオライト膜を形成する(FT合成触媒をコアとしZSM−5ゼオライト膜をシェルとする)方法としては、例えば以下の方法が挙げられる。
【0013】
初めにZSM−5ゼオライトの水熱合成に必要な合成ゲルを調製する。ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製容器に蒸留水、テンプレート(型剤)、エタノール、アルミニウム源、シリカ源を順に入れ、40〜70℃で1〜5時間、溶液が透明になるまで攪拌する。
テンプレート、アルミニウム源およびシリカ源に特に制限はないが、テンプレートとしてはイソプロピルアンモニウムハイドロオキサイド、アルミニウム源としては硝酸アルミニウム、およびシリカ源としてはテトラエチルオルソシリケートをそれぞれ好ましく挙げることが出来る。
合成ゲルに対する水、テンプレート、エタノール、アルミニウム源およびシリカ源のモル比は、それぞれ80〜99、0.1〜1.0、3〜15、0.01〜0.1、0.2〜5.0が好ましく、これら範囲外ではZSM−5膜が形成されにくい傾向にあるので好ましくない。
【0014】
FT合成触媒に対する合成ゲルの重量割合に制限はないが、1〜50倍が好ましく、5〜30倍がより好ましい。1倍未満ではZSM−5ゼオライト膜で完全にFT合成触媒表面を覆うことが出来なくなる傾向にあり、また50倍を超えるとZSM−5ゼオライトが単独で生成し、カプセル触媒との分離が困難になる傾向にあるので実用的でない。
【0015】
ZSM−5ゼオライト膜は、水熱合成により形成される。
本発明において、水熱合成反応は、例えばPTFE製などの耐圧容器に、所定の大きさ(100μm〜30mm程度)に粉砕して整粒したFT合成触媒および合成ゲルを入れ、150〜200℃、好ましくは165〜185℃にて、容器の静置および回転の組み合わせからなる工程を1回以上繰り返したのち、静置することにより達成される。回転を行わずに静置のみ、または回転のみを継続して行うだけではZSM−5ゼオライト膜ができにくい傾向にあるので好ましくない。
水熱合成における温度が上記範囲外の場合、ZSM−5ゼオライトの結晶性が悪くなる傾向にあり、その結果ガソリン収率が減少する傾向にあるので好ましくない。
【0016】
静置と回転の繰り返し回数は2回以上繰り返して行うことが好ましく、より好ましくは3回以上であり、さらに好ましくは5回以上であり、上限については特に制限はないが、効果および経済性等を考慮して適宜決定する。
静置時間は1〜10時間が好ましく、より好ましくは1〜5時間である。回転は、通常0.5〜20rpm、好ましくは1〜10rpmの回転速度で、1分〜2時間、好ましくは1〜30分間回転を行う。静置と回転を2回以上繰り返して行う場合は、静置と回転の条件をそれぞれ変えて行っても良い。
【0017】
静置と回転の組み合わせからなる工程を所定回数行ったのち、一定時間静置することにより反応が完了する。このときの静置時間は1時間以上であることが好ましい。上限については特に制限はないが、経済的観点から30時間以下が好ましい。
水熱合成反応時間(容器の静置および回転の繰り返し工程および最後の静置を経て反応が完了するまでに要する時間の合計)は5時間以上であることが好ましく、より好ましくは10時間以上であり、さらに好ましくは20時間以上である。上限については特に制限はないが、経済的観点から50時間以下が好ましく、より好ましくは30時間以下である。
水熱合成における反応時間が上記範囲外の場合、ZSM−5ゼオライトの結晶性が悪くなる傾向にあり、その結果ガソリン収率が減少する傾向にあるので好ましくない。
なお、上記水熱合成終了後、上澄み液をデカンテーションにより除去し、新たに合成ゲルを加えて再び上記の水熱合成反応を行うこともできる。
【0018】
水熱合成後、内容物中の固形物を回収し、蒸留水で洗浄後、450〜550℃、好ましくは480〜520℃で2〜10時間、好ましくは3〜8時間空気中で焼成する。
かかる処理によりFT合成触媒の表面にZSM−5ゼオライトの膜を形成することができる。
【0019】
本発明においては、必要に応じて、ZSM−5ゼオライト上にPtおよび/またはPdを担持することができる。これらの金属の担持量については特に制限はないが、通常、カプセル触媒あたりの金属量として0.1〜3.0質量%の範囲で使用することができる。
【0020】
本発明においては、前述したFT合成触媒をコアとし、ZSM−5ゼオライト膜をシェルとしたカプセル触媒の存在下で、水素と一酸化炭素を含む合成ガスを転化反応させて液体炭化水素を製造する。
本発明において用いられる合成ガスは一般的に知られている方法で得られるものであれば特に限定されるものではないが、合成ガス中の水素/一酸化炭素のモル比率は0.5〜5であることが好ましく、さらに好ましくは0.5〜2である。
【0021】
本発明における転化反応は1段の反応プロセスとして流通式固定床プロセスを採用する。
本発明における転化反応では、合成ガスの供給ガス速度(F)(mol/h)に対する前記カプセル触媒重量(W)(g)の比(W/F)が0.1〜100g・h/molであることが好ましく、より好ましくは1.0〜50g・h/molにおいて実施される。
また本発明における転化反応の反応温度は250〜400℃であることが好ましく、より好ましくは250〜350℃であり、反応圧力は0.1〜10MPaであることが好ましく、より好ましくは0.3〜5MPaにおいて実施される。
【0022】
本発明に係る合成ガスの転化反応を行う前に、カプセル触媒の活性化を行う必要がある。カプセル触媒の活性化は合成ガスを用いて、圧力が常圧〜10MPaの範囲で、温度が200〜350の範囲で、活性化時間が0.5〜5時間の範囲で行い、次いで水素ガスのみを用いて、圧力が常圧〜10MPaの範囲で、温度が350〜450の範囲で、活性化時間が1〜50時間の範囲で行う。
【0023】
上記処理によりカプセル触媒を活性化した後、合成ガスの転化反応を行う。本発明に係るカプセル触媒を使用することにより、CO転化率が95モル%以上、メタン選択率が12モル%以下、イソパラフィン選択率が50モル%以上となる合成ガスの転化反応を行うことができ、イソパラフィンに富んだ液体炭化水素を収率良く一段反応で得ることができる。
なお、本発明においてCO転化率とは「(1−(生成した反応生成物中の未反応CO(モル)/原料の合成ガス中のCO(モル))×100(モル%)」で定義された値をいい、メタン選択率とは、生成した反応生成物中のメタンの割合(モル%)、イソパラフィン選択率とは、生成した反応生成物中の炭素数4から13であるイソパラフィンの割合(モル%)のことをいう。
【0024】
上述の合成ガスの転化反応により得られた液体炭化水素は炭素数4から13のイソパラフィンに富んだ(イソパラフィン選択率が50モル%以上の)炭化水素であり、ガソリン基材として好ましく使用することができる。
【0025】
以上、本発明の方法により、水素と一酸化炭素を含む合成ガスから一段の反応プロセスで、メタン選択率が低く、イソパラフィン選択率を高めた液体炭化水素を収率良く得ることができる。
【実施例】
【0026】
以下に実施例および比較例を挙げて、本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【0027】
(実施例1)
溶融鉄(Halder Topsoe社製、鉄含有率76%)をメノウ乳鉢で粉砕し、20〜40meshに整粒した。微粉を除去するために蒸留水で洗浄後、120℃で3時間真空乾燥し、FT合成触媒とした。
100mlのPTFE瓶に、蒸留水6.37g、10%テトラプロピルアンモニウムハイドロキサイド溶液(TPAOH)4.88g、99.5%エタノール(EtOH)1.84g、硝酸アルミニウム0.0938g、テトラエチルオルソシリケート(TEOS)2.08gを順に入れ、55℃で2時間攪拌して透明な合成ゲルを得た。この時の合成ゲルのモル比は、水:TPAOH:EtOH:硝酸アルミニウム:TEOS=120:0.48:8:0.05:2であった。
PTFE製耐圧容器に上記FT合成触媒2gと上記合成ゲルとを投入し、水熱合成反応装置(HIRO社製)を用いて180℃、24時間水熱合成を行った。この間、PTFE製耐圧容器を1時間静置した後、1rpmの速度で2時間回転した後、21時間静置して水熱合成を行った。
水熱合成後、内容物を回収し、得られた固形物を分離した後、蒸留水でよく洗浄した。その後、空気中、500℃で5時間焼成してカプセル触媒を得た。
カプセル触媒のゼオライト被膜の状態およびゼオライト量を把握するため、走査型電子顕微鏡と蛍光X線分析とを行った。また、被膜がZSM−5ゼオライトであることを確認するため、X線回折測定を行った。その結果を表1に示す。
【0028】
合成ガス(一酸化炭素:水素=1:1モル/モル)の転化反応は、カプセル触媒(0.5g)と石英砂(0.5g)とをよく混合した後、固定床反応装置に充填して行った。触媒を充填した後、常圧で合成ガスを80ml/minで流通させながら、1℃/minで250℃まで昇温し、その後2時間保持した。その後、合成ガスを水素に切り替えて1℃/minで400℃まで昇温し、10時間還元処理を行った。還元後、反応塔を180℃まで冷却し、水素から合成ガス(W/F=10g・h/mol)に切り替えて、圧力を1MPaまで上げてから2℃/minで300℃まで昇温した。これを転化反応の開始とした。
気体生成物はオンラインガスクロマトグラフィーで分析し、CO転化率、メタン選択率およびイソパラフィン選択率を求めた。その結果を表1に示す。
【0029】
(実施例2)
2時間静置と1rpmの速度で1分間回転の組み合わせからなる工程を11回繰り返したのち、2時間静置して水熱合成を行った。さらに同様の水熱合成をもう1回実施したこと以外は実施例1と同様にして、カプセル触媒の調製および合成ガス転化反応を行った。カプセル触媒におけるZSM−5膜の測定結果および転化反応結果を表1に示す。
【0030】
(実施例3)
1時間静置と1rpmの速度で1分間回転の組み合わせからなる工程を22回繰り返したのち、2時間静置して水熱合成を行った。さらに同様の水熱合成をもう1回実施したこと以外は実施例1と同様にして、カプセル触媒の調製および合成ガス転化反応を行った。カプセル触媒におけるZSM−5膜の測定結果および転化反応結果を表1に示す。
【0031】
(比較例1)
24時間静置のみで水熱合成を行ったこと以外は実施例1と同様にして、カプセル触媒の調製および合成ガス転化反応を行った。カプセル触媒におけるZSM−5膜の測定結果および転化反応結果を表1に示す。
【0032】
(比較例2)
シリカ(表面積330cm/g)にコバルトが20質量%担持されたFT合成触媒を溶融鉄の代わりに使用したこと以外は実施例2と同様にして、カプセル触媒の調製および合成ガス転化反応を行った。カプセル触媒におけるZSM−5膜の測定結果および転化反応結果を表1に示す。
【0033】
(比較例3)
合成ガスの転化反応において、一酸化炭素と水素のモル比が1:1である合成ガスの代わりに1:2の合成ガスを使用したこと以外は比較例2と同様にして、カプセル触媒の調製および合成ガス転化反応を行った。カプセル触媒におけるZSM−5膜の測定結果および転化反応結果を表1に示す。
【0034】
【表1】

【0035】
表1より、鉄を含有するカプセル触媒の合成では水熱合成時に静置と回転を組み合わすことが必須であり、得られたカプセル触媒はコバルト系FT合成触媒をコアに持つカプセル触媒よりも副生成物であるメタンの選択性が低く、かつイソパラフィン選択性が高いことがわかる。
【産業上の利用可能性】
【0036】
本発明の方法により、合成ガスから1段反応プロセスでイソパラフィンに富んだガソリン基材を効率良く得ることができる。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
水素と一酸化炭素を含む合成ガスを、鉄を含んだFT合成触媒をコアとし、ZSM−5ゼオライト膜をシェルとしたカプセル触媒の存在下で転化反応させることを特徴とする液体炭化水素の製造方法。
【請求項2】
前記転化反応における反応温度が250〜400℃であることを特徴とする請求項1に記載の液体炭化水素の製造方法。
【請求項3】
前記転化反応における合成ガスの供給ガス速度(F)に対するカプセル触媒重量(W)の比(W/F)が0.1〜100g・h/molであることを特徴とする請求項1又は2に記載の液体炭化水素の製造方法。
【請求項4】
前記転化反応における合成ガス中の水素/一酸化炭素のモル比率が0.5〜5であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の液体炭化水素の製造方法。
【請求項5】
前記転化反応における反応圧力が0.1〜10MPaであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の液体炭化水素の製造方法。
【請求項6】
前記カプセル触媒において、コア中の鉄の割合が50質量%以上であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の液体炭化水素の製造方法。
【請求項7】
前記カプセル触媒において、カプセル触媒全体に対するZSM−5膜の割合が8〜40質量%であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の液体燃料の製造方法。
【請求項8】
前記カプセル触媒が、鉄を含んだFT合成触媒とZSM−5ゼオライト源を含有する合成ゲルを、150〜200℃で、静置と回転を少なくとも1回以上繰り返したのち静置を行う水熱合成反応により製造されたものであることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の液体炭化水素の製造方法。

【公開番号】特開2011−184573(P2011−184573A)
【公開日】平成23年9月22日(2011.9.22)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−51485(P2010−51485)
【出願日】平成22年3月9日(2010.3.9)
【出願人】(000004444)JX日鉱日石エネルギー株式会社 (1,898)
【出願人】(305060567)国立大学法人富山大学 (194)
【Fターム(参考)】