JP2014024007A - Zeolite catalyst, process for producing zeolite catalyst and process for producing lower olefin - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ライトナフサ等の低沸点炭化水素原料から低級オレフィンを製造する際に用いられる低級オレフィン製造用のゼオライト触媒、このゼオライト触媒の製造方法およびこのゼオライト触媒を用いた低級オレフィンの製造方法に関する。 The present invention relates to a zeolite catalyst for producing a lower olefin used when producing a lower olefin from a low-boiling hydrocarbon raw material such as light naphtha, a method for producing the zeolite catalyst, and a method for producing a lower olefin using the zeolite catalyst. .
石油化学における重要な基礎原料である低級オレフィン(エチレンやプロピレン)は今後とも堅調な需要が見込まれており、現在は主としてナフサのスチームクラッキング法により製造されている。しかしながら、この方法は無触媒であるために分解には800〜900℃の高温を要し、大量のエネルギーを要するプロセスとなっている。 Lower olefins (ethylene and propylene), which are important basic raw materials in petrochemistry, are expected to continue to be in strong demand, and are currently produced mainly by the naphtha steam cracking method. However, since this method is catalyst-free, the decomposition requires a high temperature of 800 to 900 ° C. and is a process that requires a large amount of energy.
また、上記技術の主生成物はエチレンであり、プロピレンは副生成物であることから(生成比率はエチレン/プロピレン=2/1でほぼ固定される)、プロピレンの需要拡大に対して供給が追いつかない状況となる可能性がある。以上の観点から、プロピレンをナフサ原料から高い収率で生成する低エネルギー消費型の代替プロセスが強く望まれている。 In addition, since the main product of the above technology is ethylene and propylene is a by-product (the production ratio is almost fixed at ethylene / propylene = 2/1), supply can catch up with the expansion of demand for propylene. There may be no situation. In view of the above, there is a strong demand for a low energy consumption alternative process for producing propylene in high yield from naphtha raw materials.
現在、ZSM−5(Al−MFI型ゼオライト)に代表されるゼオライト系の固体酸触媒を用いるナフサ接触分解法の研究開発が活発に展開されている。
例えば、ゼオライト系の固体酸触媒として、MFI構造を有するZSM−5と、ベントナイト等の層状化合物、二酸化珪素、五酸化リン、酸化アルミ、酸化ホウ素を含む原料混合物の架橋反応を水中で行い、架橋化された生成物を含有する水性スラリーを製造し、この水性スラリーをペレット化して固体酸触媒としたものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。この固体酸触媒を用いて、例えば、フルレンジナフサから低級オレフィン(軽質オレフィン)としてエチレン、プロピレンを製造することが提案されている。
Currently, research and development of a naphtha catalytic cracking method using a zeolitic solid acid catalyst typified by ZSM-5 (Al-MFI type zeolite) is being actively developed.
For example, a ZSM-5 having an MFI structure as a zeolite-based solid acid catalyst and a raw material mixture containing a layered compound such as bentonite, silicon dioxide, phosphorus pentoxide, aluminum oxide and boron oxide are subjected to crosslinking in water. There has been proposed an aqueous slurry containing a liquefied product and pelletizing the aqueous slurry into a solid acid catalyst (see, for example, Patent Document 1). For example, it has been proposed to produce ethylene and propylene as a lower olefin (light olefin) from full-range naphtha using this solid acid catalyst.
ところで、ゼオライト系の固体酸触媒を用いても、高いプロピレン収率を得るためには、650℃程度の依然として高い温度が必要である。また、触媒寿命に関しても、固定床プロセスに適用しうるレベルにある触媒系は見出されていないのが現状である。 By the way, even if a zeolite-based solid acid catalyst is used, a high temperature of about 650 ° C. is still necessary to obtain a high propylene yield. Moreover, the present condition is that the catalyst system which has the level which can be applied to a fixed bed process is not discovered regarding a catalyst lifetime.
触媒寿命が短い原因としては、コーク生成に伴う触媒劣化が挙げられる。
また、低級オレフィン製造時のコーク生成の原因になる芳香族炭化水素の生成量が問題になり、芳香族炭化水素の生成を抑制することが長い寿命を持つゼオライト系触媒の開発において重要な鍵となる。
As a cause of the short catalyst life, catalyst deterioration accompanying coke generation can be mentioned.
In addition, the amount of aromatic hydrocarbons that cause coke formation during the production of lower olefins becomes a problem, and suppressing the generation of aromatic hydrocarbons is an important key in developing zeolite-based catalysts that have a long lifetime. Become.
この触媒劣化の抑制には、原料の炭化水素に希釈剤としてのスチームを供給する手法が挙げられるが、スチームは、脱アルミニウム現象(水蒸気下に晒されることでゼオライト骨格中のアルミニウム元素が脱離し構造が崩壊する)による再生不可能な触媒劣化を引き起しやすくなるという問題がある。
したがって、スチームにより希釈された低沸点炭化水素原料から低級オレフィンを製造するに際し、550℃程度の温和な温度領域において、安定した高プロピレン収率を維持することが可能な触媒が求められている。
In order to suppress this catalyst deterioration, there is a method of supplying steam as a diluent to the hydrocarbon of the raw material, but steam is a dealumination phenomenon (the aluminum element in the zeolite skeleton is desorbed by exposure to water vapor). There is a problem that it is easy to cause non-renewable catalyst deterioration due to the collapse of the structure.
Accordingly, there is a need for a catalyst capable of maintaining a stable high propylene yield in a mild temperature range of about 550 ° C. when producing a lower olefin from a low-boiling hydrocarbon raw material diluted with steam.
本発明は、上記事情に鑑みて為されたもので、ライトナフサ等の低沸点炭化水素原料から低級オレフィンを製造する際に、できるだけ低温で反応が進行し、かつ、低級オレフィンとして、エチレンに対してプロピレンの収率を多くすることができ、さらに長寿命のゼオライト触媒を提供するとともに、このゼオライト触媒の製造方法およびこのゼオライト触媒を用いた低級オレフィンの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention was made in view of the above circumstances, and when producing a lower olefin from a low-boiling hydrocarbon raw material such as light naphtha, the reaction proceeds at the lowest possible temperature, and as a lower olefin, An object of the present invention is to provide a zeolite catalyst that can increase the yield of propylene and has a longer life, and a method for producing the zeolite catalyst and a method for producing a lower olefin using the zeolite catalyst.
前記課題を解決するために、本発明のゼオライト触媒は、ライトナフサ等の低沸点炭化水素原料を希釈剤としての水蒸気とともに供給して低級オレフィンを製造する際に用いられる低級オレフィン製造用のゼオライト触媒であって、鉄を含むMFI型構造を有する結晶性アルミノシリケートであると共に、鉄元素とアルミニウム元素とのモル数の和に対する鉄元素のモル数の組成比が0.5〜0.6の範囲であることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the zeolite catalyst of the present invention is a zeolite catalyst for producing a lower olefin, which is used when a low-boiling hydrocarbon raw material such as light naphtha is supplied together with water vapor as a diluent to produce a lower olefin. A crystalline aluminosilicate having an MFI type structure containing iron, and a composition ratio of the number of moles of iron element to the sum of the number of moles of iron element and aluminum element is in the range of 0.5 to 0.6 It is characterized by being.
このような構成によれば、水蒸気で希釈されたライトナフサ等から低級オレフィンを製造する際に用いられるゼオライト触媒が、鉄元素を含むMFI型構造を有する結晶性アルミノシリケートであると共に、鉄元素とアルミニウム元素とのモル数の和に対する鉄元素のモル数の組成比が0.5〜0.6の範囲であることにより、低級オレフィンとして、エチレンよりプロプレンの生産量を高くすることができるとともに、コーク生成の原因になる芳香族炭化水素の生成を抑制することができ、かつ、比較的低い温度で低沸点炭化水素原料を分解して低級オレフィンを製造することができ、さらに、水蒸気共存下でも水蒸気による上述の触媒劣化を抑制して触媒寿命を延ばすことができる。 According to such a configuration, the zeolite catalyst used when producing the lower olefin from light naphtha diluted with water vapor is a crystalline aluminosilicate having an MFI type structure containing iron element, As the composition ratio of the number of moles of iron element with respect to the sum of the number of moles with aluminum element is in the range of 0.5 to 0.6, as a lower olefin, the production amount of propylene can be made higher than ethylene, The production of aromatic hydrocarbons that cause coke formation can be suppressed, and low-boiling hydrocarbon raw materials can be produced at relatively low temperatures to produce lower olefins. It is possible to extend the catalyst life by suppressing the above-described catalyst deterioration due to water vapor.
低沸点炭化水素材料として水蒸気で希釈された原料を用いて上述のような作用効果を得るためには、鉄元素のモル数の組成比を0.5〜0.6の範囲とする必要がある。すなわち、鉄元素の前記組成比が0.5より小さい場合または0.6より大きい場合には、上述の比較的低い温度でのプロピレンの生産量が減少したり、エチレンとプロピレンとを合わせた低級オレフィンの生産量が減少したり、水蒸気共存下での上述の触媒劣化の抑制が困難になる。 In order to obtain the above-described effects using a raw material diluted with water vapor as a low-boiling hydrocarbon material, the composition ratio of the number of moles of iron element needs to be in the range of 0.5 to 0.6. . That is, when the composition ratio of the iron element is smaller than 0.5 or larger than 0.6, the production amount of propylene at the above-described relatively low temperature decreases, or the lower the combined amount of ethylene and propylene. The production amount of olefin is reduced, and it is difficult to suppress the above-described catalyst deterioration in the presence of water vapor.
なお、ナフサ(フルレンジナフサ)とは、原油を常圧蒸留装置によって蒸留分離して得られる製品のうち沸点範囲がおおむね35〜180(200)℃程度のものである。このナフサのうち沸点範囲が35〜80(100)℃程度のものをライト(軽質)ナフサといい、沸点範囲が80(100)〜180(200)℃程度のものをヘビー(重質)ナフサという。また、ライトナフサは、炭素数5のペンタンおよび炭素数6のヘキサンを主成分とする留分に相当する。 Naphtha (full-range naphtha) is a product having a boiling range of about 35 to 180 (200) ° C. among products obtained by distilling and separating crude oil using an atmospheric distillation apparatus. Among these naphtha, those having a boiling range of about 35-80 (100) ° C. are called light (light) naphtha, and those having a boiling range of about 80 (100) -180 (200) ° C. are called heavy (heavy) naphtha. . Light naphtha corresponds to a fraction mainly composed of pentane having 5 carbon atoms and hexane having 6 carbon atoms.
また、低沸点炭化水素原料とは、基本的にはライトナフサであるが、例えば、一部ヘビーナフサを含んでいたり、フルレンジナフサであったりしてもよい。また、低沸点炭化水素原料は、ナフサ以外であってもよく、例えば、石油以外の天然ガスやその他の炭化水素材料で、基本的にライトナフサ相当の留分であればよい。 In addition, the low boiling point hydrocarbon raw material is basically light naphtha, but may include, for example, part of heavy naphtha or full range naphtha. Further, the low boiling point hydrocarbon raw material may be other than naphtha, for example, natural gas other than petroleum or other hydrocarbon material, basically a fraction corresponding to light naphtha.
低級オレフィンとは、炭素数の少ないオレフィンとして、例えば、エチレン、プロピレン、ブテンや、それ以上の炭素数(例えば炭素数5から炭素数8等)のオレフィンを含むように定義される場合があるが、ここでは、低級オレフィンとは、炭素数2のエチレンと、炭素数3のプロピレンを含むものである。 The lower olefin may be defined to include, for example, ethylene, propylene, butene and olefins having more carbon atoms (for example, 5 to 8 carbon atoms) as olefins having a small number of carbon atoms. Here, the lower olefin includes ethylene having 2 carbon atoms and propylene having 3 carbon atoms.
MFI型とは、ゼオライトの骨格構造を示す構造コードの1つであり、MFI型は、例えば、アルミノシリケートであるZSM−5を含むものである。構造コートは、国際ゼオライト学会によりデータベース化されており、アルファベット大文字3個からなる。この構造コードは、ゼオライトの骨格の幾何構造のみを指定するものであり、組成や格子定数が異なっても幾何構造が等しければ同じ構造コードに含まれる。
結晶性アルミノシリケートにおける後述の酸密度は、例えば、アルミニウム元素のモル数に対する珪素元素のモル数の組成比、すなわち、珪素元素(Si)/アルミニウム元素(Al)であり、本発明では、分母に鉄元素または鉄元素とガリウム元素がさらに含まれることになる。なお、結晶性アルミノシリケートに含まれるアルミニウム元素および鉄元素、または、アルミニウム元素、鉄元素およびガリウム元素のモル数の和に対する珪素元素のモル数の組成比としての値が小さくなる場合に、酸量が多くなり、前記値が大きくなる場合に、酸量が少なくなる。
The MFI type is one of the structural codes indicating the framework structure of zeolite, and the MFI type includes, for example, aluminosilicate ZSM-5. The structure coat is made into a database by the International Zeolite Society and consists of three uppercase letters. This structure code designates only the geometric structure of the framework of the zeolite, and is included in the same structure code if the geometric structure is the same even if the composition and lattice constant are different.
The acid density described later in the crystalline aluminosilicate is, for example, the composition ratio of the number of moles of silicon element to the number of moles of aluminum element, that is, silicon element (Si) / aluminum element (Al). It further contains iron element or iron element and gallium element. In addition, when the value as a composition ratio of the number of moles of silicon element to the sum of the number of moles of aluminum element, iron element, or aluminum element, iron element and gallium element contained in crystalline aluminosilicate is reduced, the amount of acid When the value increases and the value increases, the acid amount decreases.
本発明の上記構成において、鉄元素とアルミニウム元素とのモル数の和に対する珪素元素のモル数の組成比としての酸密度が25.0〜45.0の範囲であることが好ましい。 In the above configuration of the present invention, the acid density as a composition ratio of the number of moles of silicon element to the sum of the number of moles of iron element and aluminum element is preferably in the range of 25.0 to 45.0.
このような構成によれば、酸密度を25.0〜45.0の範囲内とすることにより、上述のように、低級オレフィンとして、エチレンよりプロプレンの生産量を高くすることができるとともに、水蒸気共存下であることによる脱アルミニウム現象に基づくと思われる触媒劣化を抑制し、かつ、比較的低い温度で低沸点炭化水素原料を分解して低級オレフィンを製造することができる。 According to such a structure, while making an acid density into the range of 25.0-45.0, as above-mentioned, while being able to make the production amount of propylene higher than ethylene as a lower olefin, It is possible to produce a lower olefin by suppressing catalyst deterioration which is considered to be based on the dealumination phenomenon due to coexistence, and cracking a low-boiling hydrocarbon raw material at a relatively low temperature.
また、本発明の上記構成において、鉄元素を含むMFI型構造を有する結晶性アルミノシリケートと結合剤との成形により得られる複合体であるか、または、鉄元素を含むMFI型構造を有する結晶性アルミノシリケートと予めガリウムを担持させた結合剤との成形により得られる複合体であることが好ましい。 Further, in the above structure of the present invention, the composite is obtained by molding a crystalline aluminosilicate having an MFI type structure containing an iron element and a binder, or is crystalline having an MFI type structure containing an iron element. A composite obtained by molding an aluminosilicate and a binder previously loaded with gallium is preferred.
このような構成によれば、鉄を含むMFI構造のアルミノシリケートと結合剤との成形により得られる複合体とすることにより、ゼオライト触媒を工業的に使用する場合に、機械的性質の向上や圧力損失の低減を計ることができる。
また、結合剤にガリウムを担持させることにより、鉄を含むMFI型構造を有する結晶性アルミノシリケートと結合剤との成形により得られる複合体においては、原料となる炭化水素が接触した場合に、ガリウムによるアルカンの脱水素の促進作用を得られ、低級オレフィンの生成に寄与できる。
According to such a configuration, when a zeolite catalyst is used industrially by forming a composite obtained by molding an aluminosilicate having a MFI structure containing iron and a binder, the mechanical properties can be improved. Loss can be reduced.
Further, in a composite obtained by molding a crystalline aluminosilicate having an MFI type structure containing iron and a binder by supporting gallium on the binder, when the hydrocarbon as a raw material comes into contact, gallium Can promote the dehydrogenation of alkanes and contribute to the production of lower olefins.
また、本発明の上記構成において、鉄元素に加えてガリウム元素を含むMFI型構造を有する結晶性アルミノシリケートであると共に、鉄元素とガリウム元素とアルミニウム元素とのモル数の和に対する鉄元素のモル数の組成比が0.2〜0.6の範囲で、鉄元素とガリウム元素とアルミニウム元素とのモル数の和に対するガリウム元素のモル数の組成比が0.1〜0.4の範囲であることが好ましい。 Further, in the above configuration of the present invention, the crystalline aluminosilicate having an MFI type structure containing a gallium element in addition to the iron element, and the mole of the iron element with respect to the sum of the number of moles of the iron element, the gallium element, and the aluminum element The composition ratio of the number of moles of gallium to the sum of the moles of iron, gallium and aluminum is in the range of 0.1 to 0.4. Preferably there is.
このような構成によれば、酸強度を弱める作用を有する鉄元素に加えて、炭化水素原料(アルカン)の脱水素を促進する作用を有するガリウム元素をMFI型のアルミノシリケートに含ませ、かつ、鉄元素のモル数の前記組成比が0.2〜0.6の範囲で、ガリウム元素のモル数の前記組成比が0.1〜0.4の範囲であることにより、上述のように、低級オレフィンとして、エチレンよりプロプレンの生産量を高くすることができるとともに、水蒸気共存下であることによる触媒劣化を抑制することができ、かつ、比較的低い温度で低沸点炭化水素原料を分解して低級オレフィンを製造することができる。 According to such a configuration, in addition to the iron element having the action of weakening the acid strength, the gallium element having the action of promoting dehydrogenation of the hydrocarbon raw material (alkane) is included in the MFI type aluminosilicate, and As described above, the composition ratio of the number of moles of iron element is in the range of 0.2 to 0.6, and the composition ratio of the number of moles of gallium element is in the range of 0.1 to 0.4. As a lower olefin, the production amount of propylene can be made higher than that of ethylene, catalyst deterioration due to coexistence of water vapor can be suppressed, and low boiling point hydrocarbon raw materials can be decomposed at a relatively low temperature. Lower olefins can be produced.
また、本発明の上記構成において、鉄元素とガリウム元素とアルミニウム元素とのモル数の和に対する珪素元素のモル数の組成比としての酸密度が25.0〜40.0の範囲であることが好ましい。 In the above configuration of the present invention, the acid density as a composition ratio of the number of moles of silicon element to the sum of the number of moles of iron element, gallium element, and aluminum element is in the range of 25.0 to 40.0. preferable.
このような構成によれば、酸密度が25.0〜40.0の範囲であることにより、上述のように、低級オレフィンとして、エチレンよりプロプレンの生産量を高くすることができるとともに、水蒸気共存下であることによる触媒劣化を抑制し、かつ、比較的低い温度で低沸点炭化水素原料を分解して低級オレフィンを製造することができる。 According to such a configuration, when the acid density is in the range of 25.0 to 40.0, as described above, it is possible to increase the production amount of propylene as compared with ethylene as a lower olefin, and to coexist with water vapor. The lower olefin can be produced by suppressing the catalyst deterioration due to the lower temperature and decomposing the low-boiling hydrocarbon raw material at a relatively low temperature.
また、本発明は、上記構成のゼオライト触媒の製造方法であって、水熱合成工程,成形化工程,イオン交換工程を含むことを特徴とする。 In addition, the present invention is a method for producing a zeolite catalyst having the above structure, and includes a hydrothermal synthesis step, a molding step, and an ion exchange step.
このような構成によれば、上述の作用効果を有する上述のゼオライト触媒を製造することができる。 According to such a configuration, the above-described zeolite catalyst having the above-described effects can be produced.
また、本発明は、上記構成のゼオライト触媒を用いて炭化水素原料から低級オレフィンを製造する低級オレフィンの製造方法であって、前記低沸点炭化水素原料を水蒸気により希釈して供給し、前記ゼオライト触媒の存在下で、前記低沸点炭化水素原料から前記低級オレフィンを生成する反応が525℃〜575℃の反応温度領域で進行することを特徴とする。 The present invention also relates to a method for producing a lower olefin, which comprises producing a lower olefin from a hydrocarbon raw material using the zeolite catalyst having the above structure, wherein the low boiling point hydrocarbon raw material is diluted with steam and supplied, and the zeolite catalyst The reaction for producing the lower olefin from the low-boiling hydrocarbon raw material proceeds in the reaction temperature range of 525 ° C. to 575 ° C.
このような構成によれば、上述のゼオライト触媒を用いて低沸点炭化水素原料から低級オレフィンを製造することにより、上述のように、低級オレフィンとして、エチレンよりプロプレンの生産量を高くすることができるとともに、水蒸気共存下であることによる触媒劣化を抑制することができ、かつ、比較的低い温度で低沸点炭化水素原料を分解して低級オレフィン、特にプロピレンを製造することができる。 According to such a configuration, by producing a lower olefin from a low-boiling hydrocarbon raw material using the above-mentioned zeolite catalyst, as described above, the production amount of propylene can be made higher than ethylene as the lower olefin. At the same time, catalyst deterioration due to coexistence of water vapor can be suppressed, and low-boiling hydrocarbon raw materials can be decomposed at a relatively low temperature to produce lower olefins, particularly propylene.
本発明のゼオライト触媒によれば、比較的低い反応温度で、低沸点炭化水素原料から低級オレフィンとして主にプロピレンの生成を促進することができ、かつ、ゼオライト触媒の劣化を抑制して触媒寿命を長くすることができる。 According to the zeolite catalyst of the present invention, it is possible to mainly promote the production of propylene as a lower olefin from a low-boiling hydrocarbon raw material at a relatively low reaction temperature, and to suppress the deterioration of the zeolite catalyst and thereby increase the catalyst life. Can be long.
以下、本発明の実施の形態について説明する。
この実施の形態においては、プロピレン等の低級オレフィンを効率的に製造するためのゼオライト触媒と、このゼオライト触媒の製造方法と、このゼオライト触媒を用いた低級オレフィンの製造方法を説明する。
Embodiments of the present invention will be described below.
In this embodiment, a zeolite catalyst for efficiently producing a lower olefin such as propylene, a method for producing the zeolite catalyst, and a method for producing a lower olefin using the zeolite catalyst will be described.
この実施の形態のゼオライト触媒は、鉄元素(Fe)を含むMFI型の結晶性アルミノシリケートであり、かつ、希釈剤として水蒸気(スチーム)を用いた条件下での低級オレフィンの製造に適するように製造された触媒である。また、このゼオライト触媒は、結合剤(バインダー)との成形により得られる複合体であることが好ましい。この場合に、結合剤にガリウム元素が担持され、複合体にガリウム元素が含まれていてもよい。 The zeolite catalyst of this embodiment is an MFI type crystalline aluminosilicate containing iron element (Fe) and is suitable for the production of lower olefins under conditions using steam as a diluent. It is a produced catalyst. The zeolite catalyst is preferably a composite obtained by molding with a binder (binder). In this case, the gallium element may be supported on the binder, and the gallium element may be included in the composite.
また、このゼオライト触媒には、酸強度を抑える鉄元素(Fe)に加えて、アルカンの脱水素反応の促進作用を有するガリウム元素(Ga)を含む結晶性アルミノシリケートであるMFI型ゼオライト触媒が含まれる。 This zeolite catalyst includes an MFI type zeolite catalyst which is a crystalline aluminosilicate containing a gallium element (Ga) having an action of promoting an alkane dehydrogenation reaction in addition to an iron element (Fe) that suppresses acid strength. It is.
鉄元素を含む(ガリウム元素を含まない)MFI型の結晶性アルミノシリケートであるゼオライト触媒において、鉄元素の元素モル組成(鉄元素/(鉄元素+アルミニウム元素(Al)))は、0.5〜0.6であることが好ましい。 In a zeolite catalyst that is an MFI type crystalline aluminosilicate containing iron element (not containing gallium element), the elemental molar composition of iron element (iron element / (iron element + aluminum element (Al))) is 0.5 It is preferable that it is -0.6.
また、鉄元素を含む(ガリウム元素を含まない)MFI型のゼオライト触媒において、酸密度(珪素元素(Si)/(鉄元素+アルミニウム元素)元素比)は、25.0〜45.0であることが好ましい。なお、元素比とは、上述の各元素のモル数による組成比である。 Further, in an MFI type zeolite catalyst containing an iron element (not containing a gallium element), the acid density (ratio of silicon element (Si) / (iron element + aluminum element)) is 25.0 to 45.0. It is preferable. The element ratio is a composition ratio based on the number of moles of each element described above.
また、鉄元素およびガリウム元素を含むMFI型ゼオライト触媒において、鉄元素の元素モル組成(鉄元素/(鉄元素+ガリウム元素+アルミニウム元素))は、0.2〜0.6であることが好ましく、さらに、0.3〜0.5であることがより好ましい。 Further, in the MFI type zeolite catalyst containing iron element and gallium element, the elemental molar composition of iron element (iron element / (iron element + gallium element + aluminum element)) is preferably 0.2 to 0.6. Furthermore, it is more preferable that it is 0.3-0.5.
また、鉄元素およびガリウム元素を含むMFI型の結晶性アルミノシリケートであるゼオライト触媒において、ガリウム元素の元素モル組成(ガリウム元素/(鉄元素+ガリウム元素+アルミニウム元素))は、0.1〜0.4であることが好ましく、さらに0.2〜0.4であることがより好ましい。 Further, in the zeolite catalyst which is an MFI type crystalline aluminosilicate containing iron element and gallium element, the elemental molar composition of gallium element (gallium element / (iron element + gallium element + aluminum element)) is 0.1-0. .4, more preferably 0.2 to 0.4.
また、鉄元素およびガリウム元素を含むMFI型のゼオライト触媒において、酸密度(珪素元素/(鉄元素+ガリウム元素+アルミニウム元素)元素比)は、25.0〜40.0であることが好ましく、さらに、25.0〜35.0であることがより好ましい。 Further, in the MFI type zeolite catalyst containing iron element and gallium element, the acid density (ratio of silicon element / (iron element + gallium element + aluminum element) element) is preferably 25.0 to 40.0, Furthermore, it is more preferable that it is 25.0-35.0.
上述のように、鉄元素を含むMFI型の結晶性アルミノシリケートであるこの実施の形態のゼオライト触媒を用いることにより、鉄元素の含有量と酸密度とから酸強度を調整することができ、さらに、ガリウム元素を加えることにより、アルカンの脱水素の促進作用を向上することができる。 As described above, by using the zeolite catalyst of this embodiment which is an MFI type crystalline aluminosilicate containing iron element, the acid strength can be adjusted from the content of iron element and the acid density, By adding gallium element, the promoting action of dehydrogenation of alkane can be improved.
これにより、上述の鉄元素のモル数の上述の組成比、ガリウム元素のモル数の組成比、酸密度を上述の範囲とすることにより、例えば、525℃〜575℃の範囲内の反応温度で、プロピレンの収率を向上できるとともに、水蒸気共存下であることによる脱アルミニウム現象に基づくと思われる触媒劣化を抑制することができる。 Thereby, by making the above-mentioned composition ratio of the number of moles of the above-mentioned iron element, the composition ratio of the number of moles of gallium element, and the acid density into the above-mentioned ranges, for example, at a reaction temperature in the range of 525 ° C. to 575 ° C. In addition to improving the yield of propylene, it is possible to suppress catalyst deterioration that is considered to be due to dealumination due to coexistence of water vapor.
なお、上述のようにガリウムを結合剤に担持させて焼成する場合には、ガリウム元素のモル数の組成比を、上述のガリウム元素を含むゼオライト触媒の場合と略同様にすることが好ましい。なお、この場合にアルミニウムのモル数には、結合剤のアルミナを含まない。 In the case where gallium is supported on a binder and calcined as described above, the composition ratio of the number of moles of gallium element is preferably substantially the same as that of the above-described zeolite catalyst containing gallium element. In this case, the number of moles of aluminum does not include the binder alumina.
このような固体酸触媒(ゼオライト触媒)としてのゼオライトは、大別して、1.水熱合成工程、2.イオン交換工程、3.成形化工程の3工程を経て製造される。
Zeolite as such a solid acid catalyst (zeolite catalyst) is roughly classified as follows: 1.
1.水熱合成工程
「水熱合成法」とは、高温高圧の水の存在下にて行われる物質の合成法の総称であり、結晶性アルミノシリケートとしての多くのゼオライトはこの水熱合成法にて合成される。合成する際に使用する原料としては、シリカ源(珪酸ナトリウム、コロイダルシリカ、ヒュームドシリカなど)、アルミナ源(水酸化アルミニウム、アルミン酸ナトリウムなど)、構造規定剤(アミン等)、鉱化剤(アルカリ金属の水酸化物など)、水などが一般的である。
1. Hydrothermal synthesis process "Hydrothermal synthesis method" is a general term for the synthesis of substances performed in the presence of high-temperature and high-pressure water, and many zeolites as crystalline aluminosilicates are produced by this hydrothermal synthesis method. Synthesized. The raw materials used in the synthesis include silica sources (sodium silicate, colloidal silica, fumed silica, etc.), alumina sources (aluminum hydroxide, sodium aluminate, etc.), structure directing agents (amines, etc.), mineralizers ( Alkali metal hydroxides) and water are common.
この実施の形態のゼオライト触媒では、原料に鉄源(例えば、硝酸鉄)が加えられる。さらにガリウム源(例えば、硝酸ガリウム)を加えることが好ましい。なお、上述のようにガリウム源をMFI型結晶性アルミノシリケートの原料に加えるのではなく、結合剤に担持させるものとしてもよい。 In the zeolite catalyst of this embodiment, an iron source (for example, iron nitrate) is added to the raw material. Furthermore, it is preferable to add a gallium source (for example, gallium nitrate). Note that, as described above, the gallium source may be supported on a binder instead of being added to the raw material of the MFI type crystalline aluminosilicate.
これらを混合して反応性の高い非晶質のヒドロゲル(母ゲル)を調製し、耐圧性反応器であるオートクレーブに充填して150〜250℃程度で所定時間加熱することでゼオライトが合成される。水熱合成反応後は、生成物の分離、水洗浄、乾燥、焼成(構造規定剤を分解除去するために行う)等のステップを経て粉末状のゼオライトを得る。 These are mixed to prepare a highly reactive amorphous hydrogel (mother gel), filled in an autoclave, which is a pressure-resistant reactor, and heated at about 150 to 250 ° C. for a predetermined time to synthesize zeolite. . After the hydrothermal synthesis reaction, powdered zeolite is obtained through steps such as product separation, water washing, drying, and calcination (performed to decompose and remove the structure-directing agent).
なお、上述の原料は、珪素源である微細なシリカとして粒子サイズが8〜11nmのコロイダルシリカとpH調整用の水酸化ナトリウム(NaOH)とからなる母液ゲルAと、アルミニウム源としてのAl2(SO4)−nH2O,ガリウム源としてのGa(NO3)3−nH2O,鉄源としてのFe(NO3)3−nH2Oと、構造規定剤としての臭化テトラプロピルアンモニウム(TPrABr)を含む母液ゲルBとを作成する。なお、構造規定剤としてのTPrABrの添加量を低減することが好ましい。 In addition, the above-mentioned raw material includes mother liquor gel A composed of colloidal silica having a particle size of 8 to 11 nm as fine silica as a silicon source and pH-adjusting sodium hydroxide (NaOH), and Al 2 (as an aluminum source). SO 4 ) -nH 2 O, Ga (NO 3 ) 3 -nH 2 O as the gallium source, Fe (NO 3 ) 3 -nH 2 O as the iron source, and tetrapropylammonium bromide ( Mother liquor gel B containing TPrABr). In addition, it is preferable to reduce the addition amount of TPrABr as a structure directing agent.
次に、これら母液Aと母液Bとを撹拌混合する(例えば、15分)。これにより、反応性の高い非晶質のヒドロゲルが調整される。次に、混合撹拌された母液ゲルを熟成する(たとえば、60℃で一晩)。次に上述の水熱合成として、120℃〜150℃で、かつ、150rpm〜300rpmの回転速度で撹拌する。すなわち、高温高圧化での結晶化を行う。但し、反応温度としては、比較的低温であり、低温で核成長させることにより、粗大粒子の生成を抑制している。また、撹拌速度としては、比較的高速であり、核発生量を多くしている。この条件で例えば24時間撹拌して結晶を得る。得られた結晶は水洗浄を行い、脱水は遠心分離により行う。その後、結晶を例えば120℃で3時間乾燥するとともに、550℃で3時間焼成してTPrABrを除去する。なお、ガリウムを含まない場合には、母液ゲルBにガリウム源を添加しない。 Next, these mother liquor A and mother liquor B are stirred and mixed (for example, 15 minutes). As a result, a highly reactive amorphous hydrogel is prepared. Next, the mixed and stirred mother liquor gel is aged (eg, overnight at 60 ° C.). Next, as the hydrothermal synthesis described above, stirring is performed at 120 ° C. to 150 ° C. and at a rotational speed of 150 rpm to 300 rpm. That is, crystallization is performed at high temperature and pressure. However, the reaction temperature is relatively low, and the generation of coarse particles is suppressed by nucleating at a low temperature. Further, the stirring speed is relatively high and the amount of nuclei generated is increased. Under these conditions, for example, stirring is performed for 24 hours to obtain crystals. The obtained crystal is washed with water, and dehydration is performed by centrifugation. Thereafter, the crystal is dried, for example, at 120 ° C. for 3 hours and fired at 550 ° C. for 3 hours to remove TPrABr. When gallium is not included, no gallium source is added to the mother liquor gel B.
2.イオン交換工程
ゼオライトを触媒として利用する化学反応の多くは、固体酸としての性質を利用したものであり、この酸としての性質はゼオライトに酸性のOH基(ブレンステッド酸点)を導入することで発現する。
2. Ion exchange process Many of the chemical reactions that use zeolite as a catalyst are based on the properties of a solid acid. This property of an acid is obtained by introducing an acidic OH group (Bronsted acid point) into the zeolite. To express.
この酸性質を発現させるため、一般的にイオン交換反応が適用される。通常、水熱合成法により得られたゼオライトは、電荷のバランスを保つためにナトリウムカチオン(Na+)を含有しているが、これをイオン交換させることでプロトン(H+)に置換えている。なお、一旦、NH4NO3溶液によりアンモニウムイオン(NH4+)でイオン交換し、さらに乾燥、焼成してアンモニアを除去することでプロトン(H+)に変換する方法をとることもある。 In order to express this acid property, an ion exchange reaction is generally applied. Usually, the zeolite obtained by the hydrothermal synthesis method contains a sodium cation (Na + ) in order to maintain the balance of electric charges, but this is replaced with protons (H + ) by ion exchange. In some cases, a method may be adopted in which ion exchange is performed with ammonium ions (NH4 + ) once in an NH 4 NO 3 solution, followed by drying and baking to remove ammonia to convert it into protons (H + ).
3.成形化工程
一般的にゼオライトを触媒として工業的に使用する場合、機械的性質の向上や圧力損失の低減といった観点から、円筒状などに成形加工して使用されることが多い。本工程は、主としてアルミナ粉末などの結合剤(バインダー)との混練、成形化、乾燥、焼成などのステップを含む。なお、成形化においては、例えば、押し出し成形法などが用いられる。
3. In general, when zeolite is used industrially as a catalyst, it is often used after being molded into a cylindrical shape from the viewpoint of improving mechanical properties and reducing pressure loss. This process mainly includes steps such as kneading, molding, drying and firing with a binder (binder) such as alumina powder. In molding, for example, an extrusion molding method or the like is used.
例えば、上述の水熱合成工程(または、イオン交換工程)を経て得られた粉末状ゼオライトにアルミナ(酸化アルミニウム)をバインダーとして添加し、混錬、成形(例えば、φ1.0mmの細い円柱状や円筒状)した後に、例えば、120℃で3時間乾燥する。その後に、550℃で3時間焼成して、上述の鉄元素(およびガリウム元素)を含むMFI型ゼオライトと酸化アルミニウムとの複合体としてのゼオライト触媒を得ることができる。なお、イオン交換工程後に成形化工程を行っても、成形化工程後にイオン交換工程を行ってもよいが、成形化工程後にイオン交換工程を行うことが好ましい。 For example, alumina (aluminum oxide) is added as a binder to the powdered zeolite obtained through the hydrothermal synthesis process (or ion exchange process) described above, and kneading and molding (for example, a thin cylindrical shape of φ1.0 mm For example, it is dried at 120 ° C. for 3 hours. Thereafter, it is calcined at 550 ° C. for 3 hours to obtain a zeolite catalyst as a composite of the above-mentioned MFI type zeolite containing iron element (and gallium element) and aluminum oxide. In addition, although a shaping | molding process may be performed after an ion exchange process or an ion exchange process may be performed after a shaping | molding process, it is preferable to perform an ion exchange process after a shaping | molding process.
このようなゼオライト触媒を用いて、例えばライトナフサから低級オレフィンを製造する製造方法としては、炭化水素原料を希釈剤としての水蒸気で希釈した状態で反応器に供給する。すなわち、炭化水素原料を水蒸気の共存下で触媒に接触させて反応させる。また、上述のゼオライト触媒を反応器内に固定床として配置し、反応器内に供給される原料ガスを、ゼオライト触媒に接触させながら通過させる方法が用いられる。この際に、525℃〜575℃好ましくは540℃〜575℃の穏和な温度領域で反応を進行させ、エチレンおよびプロピレンを生成する。 For example, as a production method for producing a lower olefin from light naphtha using such a zeolite catalyst, a hydrocarbon raw material is supplied to a reactor in a state diluted with water vapor as a diluent. That is, the hydrocarbon raw material is allowed to react with the catalyst in the presence of water vapor. Moreover, the above-mentioned zeolite catalyst is arrange | positioned as a fixed bed in a reactor, and the method of allowing the raw material gas supplied in a reactor to pass through making it contact with a zeolite catalyst is used. At this time, the reaction is allowed to proceed in a moderate temperature range of 525 ° C. to 575 ° C., preferably 540 ° C. to 575 ° C., to produce ethylene and propylene.
このようなゼオライト触媒、ゼオライト触媒の製造方法および低級オレフィンの製造方法にあっては、525〜575℃程度の低温域での省エネルギー型−ナフサ接触分解法によるプロピレン製造を実現することができる。また、比較的低温で反応が進行することから、熱源には太陽熱等の再生可能エネルギーや各種の未利用排熱を利用することができるという利点がある。また、この実施の形態のゼオライト触媒は、スチーム共存下においても安定に作用し、芳香族化合物の選択性を著しく低下させる(芳香族化合物の生成を抑制する)ため、コーク生成に伴う触媒劣化を大幅に抑制することができる。 In such a zeolite catalyst, a method for producing a zeolite catalyst, and a method for producing a lower olefin, it is possible to achieve propylene production by an energy-saving naphtha catalytic cracking method in a low temperature range of about 525 to 575 ° C. In addition, since the reaction proceeds at a relatively low temperature, there is an advantage that renewable energy such as solar heat and various unused exhaust heat can be used for the heat source. In addition, the zeolite catalyst of this embodiment works stably even in the presence of steam and significantly reduces the selectivity of the aromatic compound (suppresses the formation of the aromatic compound). It can be greatly suppressed.
次に、本発明の実施例を説明する。
この実施例では、以下の表1および表2に示す実施例1〜3と、比較例1とになるゼオライト触媒を実験的に製造し、製造された実施例1〜3のゼオライト触媒と、比較例1のゼオライト触媒を用いて低級オレフィンの製造を行った。実施例1は、鉄元素を含みガリウム元素を含まない上述の実施の形態のゼオライト触媒であり、実施例2は、鉄元素とガリウム元素の両方を含む上述の実施の形態のゼオライト触媒であり、実施例3は、鉄元素を含みガリウム元素を含まないMFI型結晶性アルミノシリケートに結合剤としてのアルミナにガリウム元素を担持させたものを用いた上述の実施の形態のゼオライト触媒である。
Next, examples of the present invention will be described.
In this example, Examples 1 to 3 shown in Table 1 and Table 2 below were experimentally produced as zeolite catalysts to be Comparative Example 1, and compared with the produced zeolite catalysts of Examples 1 to 3. The lower olefin was produced using the zeolite catalyst of Example 1. Example 1 is a zeolite catalyst according to the above-described embodiment that contains an iron element and does not contain a gallium element, and Example 2 is a zeolite catalyst according to the above-described embodiment that includes both an iron element and a gallium element. Example 3 is the zeolite catalyst according to the above-described embodiment using an MFI type crystalline aluminosilicate containing an iron element and not containing a gallium element, in which the gallium element is supported on alumina as a binder.
なお、実施例1から実施例3はそれぞれ、結合剤を用いて焼成した複合体としてのゼオライト触媒である。また、実施例2のゼオライト触媒の結晶性アルミノシリケートに含まれる鉄元素のモル数、ガリウム元素のモル数およびアルミニウム元素のモル数の和となるモル数と、実施例3の結晶性アルミノシリケートに含まれる鉄元素のモル数とアルミニウム元素のモル数(結合剤中のアルミニウム元素は含まない)との和に、結合剤に含まれるガリウム元素のモル数を加算したモル数とが略等しくなっている。 Each of Examples 1 to 3 is a zeolite catalyst as a composite fired using a binder. Further, the number of moles of iron element, the number of moles of gallium element and the number of moles of aluminum element contained in the crystalline aluminosilicate of the zeolite catalyst of Example 2, and the crystalline aluminosilicate of Example 3 The total number of moles of iron element and the number of moles of aluminum element (not including the aluminum element in the binder) plus the number of moles of gallium element contained in the binder is approximately equal. Yes.
比較例1は、鉄元素もガリウム元素も含まれないMFI型結晶性アルミノシリケート(例えば,Al−MFI型ゼオライトであるZSM−5である)。
以下に、各実施例および比較例を説明する。
Comparative Example 1 is an MFI type crystalline aluminosilicate containing neither iron element nor gallium element (for example, ZSM-5 which is an Al-MFI type zeolite).
Below, each Example and a comparative example are demonstrated.
(実施例1)
実施例1におけるFeAl−MFIゼオライトの合成方法を説明する。
コロイダルシリカ:58.9g(SiO2:30.6wt%、Na2O:0.4wt%、H2O:69.0wt%)、水酸化ナトリウム:2.25gからなる溶液をA液、硫酸アルミニウム・n水和物:1.14g、硝酸鉄・9水和物:0.98g、臭化テトラプロピルアンモニウム:4.65g、水:187.1gからなる溶液をB液とした。
Example 1
A method for synthesizing the FeAl-MFI zeolite in Example 1 will be described.
Colloidal silica: 58.9 g (SiO 2 : 30.6 wt%, Na 2 O: 0.4 wt%, H 2 O: 69.0 wt%), sodium hydroxide: 2.25 g solution A solution, aluminum sulfate -A solution consisting of n-hydrate: 1.14 g, iron nitrate.9-hydrate: 0.98 g, tetrapropylammonium bromide: 4.65 g, water: 187.1 g was designated as solution B.
A液とB液を室温で攪拌しながら徐々に混合した後、さらにミキサー中で15分間激しく攪拌した。この混合溶液を60℃に保温して一晩静置した後、オートクレーブ中にて自己圧力下、150℃、24時間、300rpmの条件下で水熱合成反応を行った。冷却後、精製水により十分に洗浄した(固形物と水溶液の分離には遠心分離機を使用した)。 The liquid A and the liquid B were gradually mixed with stirring at room temperature, and then vigorously stirred for 15 minutes in a mixer. The mixed solution was kept at 60 ° C. and allowed to stand overnight, and then a hydrothermal synthesis reaction was performed in an autoclave under self-pressure at 150 ° C. for 24 hours at 300 rpm. After cooling, it was thoroughly washed with purified water (a centrifuge was used to separate the solid and aqueous solution).
その後、120℃で3時間乾燥、空気気流中にて550℃で3時間焼成することで、Fe、Alを含有する粉末状のNa型のMFIゼオライト(以下、FeAl−MFIゼオライトと略記)を合成した。このゼオライトの元素モル組成はSi/(Fe+Al)=30.5、Fe/(Fe+Al)=0.5、Al/(Fe+Al)=0.5となった(表1参
照)。
After that, it was dried at 120 ° C for 3 hours and calcined in an air stream at 550 ° C for 3 hours to synthesize a powdery Na-type MFI zeolite containing Fe and Al (hereinafter abbreviated as FeAl-MFI zeolite). did. The elemental molar composition of the zeolite was Si / (Fe + Al) = 30.5, Fe / (Fe + Al) = 0.5, and Al / (Fe + Al) = 0.5 (see Table 1).
次に、FeAl−MFIゼオライト/アルミナ複合触媒の調製方法を説明する。
上記の手順に沿って合成した、粉末状のNa型FeAl−MFIゼオライト(含水率4.0wt%)とアルミナ粉末(日揮触媒化成株式会社、カタロイドAP−1、Al2O3含有率71.7wt%)に精製水を適量加えながら混練し、隗状のゼオライト/アルミナ混合物とした後、押し出し成形器にて円筒状(1.0mmφ)に加工し、120℃での3時間乾燥、空気気流下における550℃での3時間焼成を経て、FeAl−MFIゼオライト/アルミナ複合体を得た。
Next, a method for preparing a FeAl-MFI zeolite / alumina composite catalyst will be described.
Powdered Na-type FeAl-MFI zeolite (moisture content: 4.0 wt%) and alumina powder (JGC Catalysts & Chemicals Co., Ltd., Cataloid AP-1, Al 2 O 3 content: 71.7 wt.) Synthesized according to the above procedure %) And kneaded while adding an appropriate amount of purified water to make a soot-like zeolite / alumina mixture, processed into a cylindrical shape (1.0 mmφ) with an extruder, dried at 120 ° C. for 3 hours, under air flow Was calcined at 550 ° C. for 3 hours to obtain a FeAl-MFI zeolite / alumina composite.
この複合体に、沸騰還流下での2.2mol/L硝酸アンモニウム水溶液によるイオン交換とそれに続く水洗浄を4回施した後(1回当りのイオン交換は2時間とし、毎回新しい2.2mol/L硝酸アンモニウム水溶液と入れ替えた)、120℃での3時間乾燥、空気気流下における550℃での3時間焼成を経て、プロトン型のFeAl−MFIゼオライト/複合触媒とした。この複合触媒の重量組成はゼオライト/アルミナ=65wt%/35wt%となった(表1参照)。 The composite was subjected to ion exchange with a 2.2 mol / L aqueous ammonium nitrate solution under boiling reflux and subsequent water washing four times (one ion exchange was performed for 2 hours, and each time a new 2.2 mol / L was added). It was replaced with an aqueous ammonium nitrate solution), dried at 120 ° C. for 3 hours, and calcined at 550 ° C. for 3 hours in an air stream to obtain a proton-type FeAl-MFI zeolite / composite catalyst. The composite catalyst had a weight composition of zeolite / alumina = 65 wt% / 35 wt% (see Table 1).
次に、FeAl−MFIゼオライト/アルミナ複合触媒の性能評価試験方法を説明する。
上記の手順に沿って調製した、円筒状のFeAl−MFIゼオライト/アルミナ複合体を整粒したものを性能評価用の触媒試料とした。反応試験はn−ヘキサンの接触分解反応を固定床流通式反応装置にて行った。触媒1.0mLを、内径8.0mmのステンレス反応管(SUS316製)に触媒層の層高が約20mmとなるように充填し、触媒層の前後にガラスウールを、さらにその前後にガラスビーズを充填した。
Next, a performance evaluation test method for the FeAl-MFI zeolite / alumina composite catalyst will be described.
A catalyst sample for performance evaluation was prepared by adjusting the size of a cylindrical FeAl-MFI zeolite / alumina composite prepared according to the above procedure. In the reaction test, n-hexane catalytic cracking reaction was carried out in a fixed bed flow type reactor. 1.0 mL of catalyst is filled in a stainless steel reaction tube (made of SUS316) having an inner diameter of 8.0 mm so that the layer height of the catalyst layer is about 20 mm, glass wool is placed before and after the catalyst layer, and glass beads are placed before and after the catalyst layer. Filled.
反応条件は、反応温度550℃、全圧0.1MPa、n−ヘキサン流量を1.31g/h(n−ヘキサン基準のLHSV(Liquid Hourly Space Velocity:液空間速度)2.0h−1)、精製水流量を1.37g/h(H2O/n−ヘキサン=5mol/mol)として、スチーム共存下でのn−ヘキサン接触分解反応を5時間行った。反応生成物は一定時間毎にガスクロマトグラフィー分析を行い、反応転化率(wt%)および低級オレフィン(エチレン、プロピレン)と芳香族炭化水素の収率(wt%)を求め、触媒性能の指標とした。反応開始1.5時間後の触媒性能を表2に示し、また反応転化率の経時変化を図1に示す。 The reaction conditions were a reaction temperature of 550 ° C., a total pressure of 0.1 MPa, an n-hexane flow rate of 1.31 g / h (LHSV based on n-hexane (Liquid Hourly Space Velocity) 2.0 h −1 ), purification. The water flow rate was 1.37 g / h (H 2 O / n-hexane = 5 mol / mol), and the n-hexane catalytic decomposition reaction was performed for 5 hours in the presence of steam. The reaction product is analyzed by gas chromatography at regular intervals to determine the reaction conversion rate (wt%) and the yield of lower olefins (ethylene, propylene) and aromatic hydrocarbons (wt%). did. The catalyst performance 1.5 hours after the start of the reaction is shown in Table 2, and the change over time in the reaction conversion rate is shown in FIG.
(実施例2)
実施例2におけるFeGaAl−MFIゼオライトの合成方法を説明する。
硫酸アルミニウム・n水和物:0.76g、硝酸ガリウム・n水和物:0.44g、硝酸鉄・9水和物:0.98g、臭化テトラプロピルアンモニウム:4.65g、水:187.2gからなる溶液をB液とした以外は実施例1と全く同様にして、粉末状のNa型のFeGaAl−MFIゼオライトを合成した。
(Example 2)
A method for synthesizing FeGaAl-MFI zeolite in Example 2 will be described.
Aluminum sulfate.n hydrate: 0.76 g, Gallium nitrate.n hydrate: 0.44 g, Iron nitrate.9 hydrate: 0.98 g, Tetrapropylammonium bromide: 4.65 g, Water: 187. A powdery Na-type FeGaAl-MFI zeolite was synthesized in exactly the same manner as in Example 1 except that the solution consisting of 2 g was changed to the solution B.
このFeGaAl−MFIゼオライトの元素モル組成は、Si/(Fe+Ga+Al)=31.3(酸密度)、Fe/(Fe+Ga+Al)=0.4、Ga/(Fe+Ga+Al)=0.3、Al/(Fe+Ga+Al)=0.3となった(表1参照)。 The elemental molar composition of this FeGaAl-MFI zeolite is Si / (Fe + Ga + Al) = 31.3 (acid density), Fe / (Fe + Ga + Al) = 0.4, Ga / (Fe + Ga + Al) = 0.3, Al / (Fe + Ga + Al) = 0.3 (see Table 1).
次に、FeGaAl−MFIゼオライト/アルミナ複合触媒の調製方法を説明する。
上記の手順に沿って合成した、粉末状のNa型FeGaAl−MFIゼオライトとアルミナ粉末を用いて、実施例1と全く同様の方法により成形化・イオン交換し、円筒状のプロトン型のFeGaAl−MFIゼオライト/複合触媒を得た。この複合触媒の重量組成はゼオライト/アルミナ=65wt%/35wt%となった(表1参照)。
Next, a method for preparing the FeGaAl-MFI zeolite / alumina composite catalyst will be described.
Using the powdered Na-type FeGaAl-MFI zeolite and alumina powder synthesized in accordance with the above procedure, it was shaped and ion-exchanged in the same manner as in Example 1 to obtain a cylindrical proton-type FeGaAl-MFI. A zeolite / composite catalyst was obtained. The composite catalyst had a weight composition of zeolite / alumina = 65 wt% / 35 wt% (see Table 1).
次に、FeGaAl−MFIゼオライト/アルミナ複合触媒の性能評価試験方法を説明する。上述の手順に沿って調製した、円筒状のFeGaAl−MFIゼオライト/アルミナ複合体を整粒したものを性能評価用の触媒試料とし、実施例1と全く同様の方法で反応試験を実施した。反応開始1.5時間後の触媒性能を表2に示し、また反応転化率の経時変化を図1に示す。 Next, the performance evaluation test method of the FeGaAl-MFI zeolite / alumina composite catalyst will be described. A reaction test was carried out in the same manner as in Example 1, using a cylindrical FeGaAl-MFI zeolite / alumina composite prepared in accordance with the above-mentioned procedure as a catalyst sample for performance evaluation. The catalyst performance 1.5 hours after the start of the reaction is shown in Table 2, and the change over time in the reaction conversion rate is shown in FIG.
(実施例3)
実施例3におけるFeAl−MFIゼオライトの合成方法を説明する。
硫酸アルミニウム・n水和物:0.76g、硝酸鉄・9水和物:0.98g、臭化テトラプロピルアンモニウム:3.26g、水:187.2gからなる溶液をB液とした以外は実施例1と全く同様にして、粉末状のNa型のFeAl−MFIゼオライトを合成した。
(Example 3)
A method for synthesizing FeAl-MFI zeolite in Example 3 will be described.
Except that the solution consisting of aluminum sulfate / n hydrate: 0.76 g, iron nitrate / 9 hydrate: 0.98 g, tetrapropylammonium bromide: 3.26 g, water: 187.2 g was used as solution B In exactly the same manner as in Example 1, a powdery Na-type FeAl-MFI zeolite was synthesized.
このFeAl−MFIゼオライトの元素モル組成はSi/(Fe+Al)=44.7(酸密度)、Fe/(Fe+Al)=0.57、Al/(Fe+Al)=0.43と
なった(表1参照)。
The elemental molar composition of this FeAl-MFI zeolite was Si / (Fe + Al) = 44.7 (acid density), Fe / (Fe + Al) = 0.57, and Al / (Fe + Al) = 0.43 (see Table 1). ).
次に、FeAl−MFIゼオライト/ガリウム含有アルミナ複合触媒の調製方法を説明する。
上記の手順に沿って合成した、粉末状のNa型FeAl−MFIゼオライトと予めガリウムを担持させたアルミナ粉末を用いて(本実施例でのガリウム含有量は、実施例2のFeGaAl−MFIゼオライト中に含まれるGaと同一とし、実施例2のゼオライト成分中に含まれる総(Fe+Ga+Al)モル数≒本実施例のゼオライト中に含まれる総(Fe+Al)モル数とアルミナバインダー中に含まれるGaモル数の合計となるように調製した)、実施例1と全く同様の方法により成形化・イオン交換し、円筒状のプロトン型のFeAl−MFIゼオライト/ガリウム含有アルミナ複合触媒を得た。
Next, a method for preparing a FeAl-MFI zeolite / gallium-containing alumina composite catalyst will be described.
Using powdered Na-type FeAl-MFI zeolite synthesized in accordance with the above procedure and alumina powder previously loaded with gallium (the gallium content in this example is the same as the FeGaAl-MFI zeolite of Example 2). The total number of (Fe + Ga + Al) moles contained in the zeolite component of Example 2 ≈ the total number of (Fe + Al) moles contained in the zeolite of this example and the number of Ga moles contained in the alumina binder. And was molded and ion-exchanged in the same manner as in Example 1 to obtain a cylindrical proton-type FeAl-MFI zeolite / gallium-containing alumina composite catalyst.
この複合触媒の重量組成はゼオライト/(ガリウム+アルミナ)=65wt%/35wt%となった(表1参照)。
次に、FeAl−MFIゼオライト/ガリウム含有アルミナ複合触媒の性能評価試験方法を説明する。
上記の手順に沿って調製した、円筒状のFeAl−MFIゼオライト/ガリウム含有アルミナ複合体を整粒したものを性能評価用の触媒試料とし、実施例1と全く同様の方法で反応試験を実施した。反応開始1.5時間後の触媒性能を表2に示し、また反応転化率の経時変化を図1に示す。
The weight composition of this composite catalyst was zeolite / (gallium + alumina) = 65 wt% / 35 wt% (see Table 1).
Next, a performance evaluation test method for the FeAl-MFI zeolite / gallium-containing alumina composite catalyst will be described.
A reaction test was carried out in exactly the same manner as in Example 1, using a cylindrical FeAl-MFI zeolite / gallium-containing alumina composite prepared according to the above procedure as a catalyst sample for performance evaluation. . The catalyst performance 1.5 hours after the start of the reaction is shown in Table 2, and the change over time in the reaction conversion rate is shown in FIG.
(比較例1)
比較例1におけるAl−MFIゼオライトの合成方法を説明する。
硫酸アルミニウム・n水和物:1.90g、臭化テトラプロピルアンモニウム:4.65g、水:187.2gからなる溶液をB液とした以外は実施例1と全く同様にして、Na型のAl−MFIゼオライトを合成した。このAl−MFIゼオライトの元素モル組成は、Si/Al=30.7となった(表1参照)。
(Comparative Example 1)
A method for synthesizing the Al-MFI zeolite in Comparative Example 1 will be described.
Na-type Al in the same manner as in Example 1 except that the solution consisting of aluminum sulfate n-hydrate: 1.90 g, tetrapropylammonium bromide: 4.65 g, and water: 187.2 g was used as solution B. -MFI zeolite was synthesized. The elemental molar composition of this Al-MFI zeolite was Si / Al = 30.7 (see Table 1).
次に、Al−MFIゼオライト/アルミナ複合触媒の調製方法を説明する。
上記の手順に沿って合成した、粉末状のNa型のAl−MFIゼオライトとアルミナ粉末を用いて、実施例1と全く同様の方法により成形化・イオン交換し、円筒状のプロトン型のAl−MFIゼオライト/複合触媒を得た。
Next, a method for preparing an Al-MFI zeolite / alumina composite catalyst will be described.
Using powdered Na-type Al-MFI zeolite and alumina powder synthesized in accordance with the above procedure, molding and ion exchange were carried out in the same manner as in Example 1, and cylindrical proton-type Al- An MFI zeolite / composite catalyst was obtained.
この複合触媒の重量組成はゼオライト/アルミナ=65wt%/35wt%となった(表1参照)。 The composite catalyst had a weight composition of zeolite / alumina = 65 wt% / 35 wt% (see Table 1).
次に、Al−MFIゼオライト/アルミナ複合触媒の性能評価試験方法を説明する。
上記の手順に沿って調製した、円筒状のAl−MFIゼオライト/アルミナ複合体を整粒したものを性能評価用の触媒試料とし、実施例1と全く同様の方法で反応試験を実施した。反応開始1.5時間後の触媒性能を表2に示し、また反応転化率の経時変化を図1に示す。
Next, a performance evaluation test method for the Al-MFI zeolite / alumina composite catalyst will be described.
A reaction test was carried out in the same manner as in Example 1, using a cylindrical sample of Al-MFI zeolite / alumina composite prepared according to the above procedure as a catalyst sample for performance evaluation. The catalyst performance 1.5 hours after the start of the reaction is shown in Table 2, and the change over time in the reaction conversion rate is shown in FIG.
次に、表2および図1を参照して実験結果について説明する。
表2に示されるように、水蒸気の存在下では芳香族炭化水素の生成は抑制されたものの、従来型のAl−MFIゼオライト(比較例1)については、図1の経時変化から明らかなように、数時間で触媒の劣化が観測され、水蒸気下での触媒の安定性に問題があることがわかった。芳香族炭化水素の収率は2wt%以下に低減されているため、コーク生成による劣化よりも、水蒸気雰囲気下特有の脱アルミニウム現象に伴うゼオライト構造の崩壊・劣化の可能性が高いことが示唆される。
Next, experimental results will be described with reference to Table 2 and FIG.
As shown in Table 2, although the generation of aromatic hydrocarbons was suppressed in the presence of water vapor, the conventional Al-MFI zeolite (Comparative Example 1) was clearly shown from the change over time in FIG. The deterioration of the catalyst was observed within a few hours, and it was found that there was a problem with the stability of the catalyst under water vapor. Since the yield of aromatic hydrocarbons has been reduced to 2 wt% or less, it is suggested that there is a higher possibility of the zeolite structure collapsing / degrading due to the dealumination phenomenon peculiar to the steam atmosphere rather than deterioration due to coke formation. The
一方、酸強度を弱める作用を持つ鉄を含むFeAl−MFIゼオライト(実施例1)、酸強度を弱める作用を持つ鉄とアルカンの脱水素を促進する作用を持つガリウムの両方を含むFeGaAl−MFIゼオライト(実施例2および実施例3)では、プロピレンの収率が向上するだけでなく、水蒸気下であっても触媒性能が安定して維持されることが確認された(図1参照)。 On the other hand, FeAl-MFI zeolite containing iron having an action of weakening acid strength (Example 1), FeGaAl-MFI zeolite containing both iron having an action of weakening acid strength and gallium having an action of promoting dehydrogenation of alkane In (Example 2 and Example 3), it was confirmed that not only the yield of propylene was improved, but also the catalyst performance was stably maintained even under steam (see FIG. 1).
また、実施例2の試料については、プロピレンの空時収率(本発明では、単位重量当り
のゼオライトが単位時間に生成可能なプロピレンの重量として定義した。用いる希釈剤の種類により最適な反応条件が異なるため、触媒性能を評価するための一つの基準として採用した)は約0.78(g−プロピレン/g−ゼオライト・h)となり、窒素共存下において本試料が示す2倍近くの値となった。さらに、実施例2と実施例3の比較からわかるように(表2参照)、ガリウムについては、ゼオライト中に含有されていても結合剤に含有されていてもプロピレン収率と安定性の向上については同程度の効果があることも併せて確認された。
For the sample of Example 2, the space-time yield of propylene (in the present invention, defined as the weight of propylene that can be produced per unit weight of zeolite per unit weight. Optimal reaction conditions depending on the type of diluent used. Is adopted as one standard for evaluating the catalyst performance) is about 0.78 (g-propylene / g-zeolite · h), which is nearly twice the value shown by this sample in the presence of nitrogen. became. Furthermore, as can be seen from the comparison between Example 2 and Example 3 (see Table 2), gallium is improved in propylene yield and stability regardless of whether it is contained in the zeolite or in the binder. Was confirmed to have the same effect.
Claims (7)
鉄元素を含むMFI型構造を有する結晶性アルミノシリケートであると共に、鉄元素とアルミニウム元素とのモル数の和に対する鉄元素のモル数の組成比が0.5〜0.6の範囲である、
ことを特徴とするゼオライト触媒。 A zeolite catalyst for producing a lower olefin used when producing a lower olefin by supplying a low-boiling hydrocarbon raw material such as light naphtha together with steam as a diluent,
A crystalline aluminosilicate having an MFI type structure containing an iron element, and the composition ratio of the number of moles of iron element to the sum of the number of moles of iron element and aluminum element is in the range of 0.5 to 0.6.
A zeolite catalyst characterized by the above.
鉄元素とアルミニウム元素とのモル数の和に対する珪素元素のモル数の組成比としての酸密度が25.0〜45.0の範囲である、
ことを特徴とするゼオライト触媒。 The zeolite catalyst according to claim 1, wherein
The acid density as a composition ratio of the number of moles of silicon element to the sum of the number of moles of iron element and aluminum element is in the range of 25.0 to 45.0.
A zeolite catalyst characterized by the above.
鉄元素を含むMFI型構造を有する結晶性アルミノシリケートと結合剤との成形により得られる複合体であるか、または、鉄元素を含むMFI型構造を有する結晶性アルミノシリケートと予めガリウムを担持させた結合剤との成形により得られる複合体である、
ことを特徴とするゼオライト触媒。 A zeolite catalyst according to claim 1 or claim 2,
It is a composite obtained by molding a crystalline aluminosilicate having an MFI type structure containing an iron element and a binder, or a crystalline aluminosilicate having an MFI type structure containing an iron element and gallium previously supported A composite obtained by molding with a binder,
A zeolite catalyst characterized by the above.
鉄元素に加えてガリウム元素を含むMFI型構造を有する結晶性アルミノシリケートであると共に、鉄元素とガリウム元素とアルミニウム元素とのモル数の和に対する鉄元素のモル数の組成比が0.2〜0.6の範囲で、鉄元素とガリウム元素とアルミニウム元素とのモル数の和に対するガリウム元素のモル数の組成比が0.1〜0.4の範囲である、
ことを特徴とするゼオライト触媒。 The zeolite catalyst according to claim 1, wherein
It is a crystalline aluminosilicate having an MFI type structure containing a gallium element in addition to an iron element, and the composition ratio of the number of moles of iron element to the sum of the number of moles of iron element, gallium element and aluminum element is 0.2 to In the range of 0.6, the composition ratio of the number of moles of gallium element to the sum of the number of moles of iron element, gallium element and aluminum element is in the range of 0.1 to 0.4.
A zeolite catalyst characterized by the above.
鉄元素とガリウム元素とアルミニウム元素とのモル数の和に対する珪素元素のモル数の組成比としての酸密度が25.0〜40.0の範囲である、
ことを特徴とするゼオライト触媒。 A zeolite catalyst according to claim 4,
The acid density as a composition ratio of the number of moles of silicon element to the sum of the number of moles of iron element, gallium element and aluminum element is in the range of 25.0 to 40.0.
A zeolite catalyst characterized by the above.
水熱合成工程,成形化工程,イオン交換工程を含む、
ことを特徴とするゼオライト触媒の製造方法。 A method for producing a zeolite catalyst according to any one of claims 1 to 5,
Including hydrothermal synthesis process, molding process, ion exchange process,
A method for producing a zeolite catalyst.
前記低沸点炭化水素原料を水蒸気により希釈して供給し、
前記ゼオライト触媒の存在下で、前記低沸点炭化水素原料から前記低級オレフィンを生成する反応が525℃〜575℃の反応温度領域で進行する、
ことを特徴とする低級オレフィンの製造方法。 A method for producing a lower olefin, which comprises producing a lower olefin from a low-boiling hydrocarbon raw material using the zeolite catalyst according to any one of claims 1 to 5,
The low boiling point hydrocarbon raw material is diluted with steam and supplied.
In the presence of the zeolite catalyst, the reaction for producing the lower olefin from the low-boiling hydrocarbon raw material proceeds in a reaction temperature range of 525 ° C. to 575 ° C.,
A process for producing a lower olefin, characterized in that
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