JP6014277B2 - 成形体及びその製造方法、α−オレフィン二量化用触媒、並びにα−オレフィン二量体の製造方法 - Google Patents
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Description
また、米国特許第5081094号明細書に開示されている炭酸水素カリウムを含む担体を用いた触媒は、紛体状であるため工業生産に適さないものであった。米国特許第5081094号明細書には、担体をペレット状等に成形してもよいことの開示があるものの、成形に水を用いるため炭酸水素カリウムが溶解し、成形金型への充填がスムーズにできず、成形体の物性が不均一となることが推定された。
[1] Na2CO3及びK2CO3から選ばれる少なくとも1種の炭酸化合物(A1)を含み、細孔直径が0.05μm〜10μmの範囲にある細孔容積が0.10mL/g〜0.30mL/gであり、かつ、圧壊強度が1.8kgf〜10.0kgfである、成形体。
[2] 上記炭酸化合物(A1)の含有率が70質量%以上である、上記[1]に記載の成形体。
[3] NanY又はKnY(式中のYはSO4、SiO3、F、Cl、又はBrであり、nはYの価数によって決定される1又は2の整数である。)で表される少なくとも1種の化合物(B1)を更に含む、上記[1]又は[2]に記載の成形体。
[4] 上記細孔容積が0.14mL/g〜0.28mL/gであり、かつ、上記圧壊強度が2.2kgf〜8.5kgfである、上記[1]〜[3]のいずれか1項に記載の成形体。
[5] 上記炭酸化合物(A1)がK2CO3である、上記[1]〜[4]のいずれか1項に記載の成形体。
[6] グラファイト(C)を更に含む、上記[1]〜[5]のいずれか1項に記載の成形体。
[7] 上記[1]〜[6]のいずれか1項に記載の成形体にアルカリ金属(D)を担持して得られる、α−オレフィン二量化用触媒。
[8] 上記[7]に記載のα−オレフィン二量化用触媒の存在下でα−オレフィンの二量化反応を行う、α−オレフィン二量体の製造方法。
[9] AHCO3(式中のAはNa又はKである。)で表される少なくとも1種の炭酸水素化合物(A)10質量部〜100質量部と、
BnX(式中のBはNa又はKであり、XはCO3、SO4、SiO3、F、Cl、又はBrであり、nはXの価数によって決定される1又は2の整数である。)で表される少なくとも1種の化合物(B)0質量部〜90質量部と、
を含んでなる混合物((A)と(B)との合計100質量部)を成形した後、100℃〜500℃の温度で熱処理し、上記炭酸水素化合物(A)の97質量%以上を熱分解する、上記[1]に記載の成形体の製造方法。
[10] 上記混合物が水を含有しない、上記[9]に記載の成形体の製造方法。
[11] 上記混合物の成形を打錠成形で行う、上記[9]又は[10]に記載の成形体の製造方法。
[12] 上記混合物の体積統計値でのメジアン径(d50)が5μm〜600μmの範囲にある、上記[9]〜[11]のいずれか1項に記載の成形体の製造方法。
[13] 上記混合物中、粒子径40μm以下の粒子の含有率が3質量%〜30質量%である、上記[9]〜[12]のいずれか1項に記載の成形体の製造方法。
なお、本明細書において「〜」を用いて示された数値範囲は、特に断らない限り、「〜」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を示す。
また、本明細書における圧壊強度の単位[kgf]は、1kfg=9.8Nの関係式により[N]に変換可能である。
本発明の成形体は、Na2CO3及びK2CO3から選ばれる少なくとも1種の炭酸化合物(A1)を含み、細孔直径が0.05μm〜10μmの範囲にある細孔容積が0.10mL/g〜0.30mL/gであり、かつ、圧壊強度が1.8kgf〜10.0kgfである。
また、上記圧壊強度が1.8kgf以上であることにより、触媒寿命を改善することができ、上記圧壊強度が10.0kgf以下であることにより、細孔容積の減少を抑えることができる。
圧壊強度は好ましくは1.8kgf〜8.5kgfであり、より好ましくは2.2kgf〜8.5kgfであり、更に好ましくは4.6kgf〜8.4kgfである。
また、本発明の成形体は、グラファイト(C)を更に含んでいてもよい。
炭酸化合物(A1)は、炭酸ナトリウム(Na2CO3)及び炭酸カリウム(K2CO3)から選ばれ、いずれか1種のみであってもよく、2種であってもよい。2種である場合、その混合割合は特に限定されない。炭酸化合物(A1)としてはK2CO3が好ましい。
炭酸化合物(A1)の含有率は、70質量%以上であることが好ましく、80質量%以上であることがより好ましく、90質量%以上であることが更に好ましい。
NanY又はKnYで表される式中のYはSO4、SiO3、F、Cl、又はBrであり、nはYの価数によって決定される1又は2の整数である。すなわち、化合物(B1)は、ナトリウム又はカリウムの、硫酸塩、亜硫酸塩、フッ化物、塩化物、又は臭化物である。化合物(B1)としては、NanY又はKnYで表される化合物のいずれか1種であってもよく、2種以上であってもよい。2種以上である場合、その混合割合は特に限定されない。
成形体中に化合物(B1)が含まれる場合、その含有率は0質量%超30質量%以下であることが好ましく、0質量%超20質量%以下であることがより好ましく、0質量%超10質量%以下であることが更に好ましい。
成形体に含まれてもよいグラファイト(C)としては、「混合物の成形」の項で後述するグラファイト(C)に相当する。成形体の原料となる混合物に添加されたグラファイト(C)は、熱処理温度及び雰囲気によっては酸化することもありうるが、原料に添加されたグラファイト(C)のうち任意の量が成形体中に残存していてよい。
成形体中にグラファイト(C)が含まれる場合、その含有率は0質量%超10質量%以下であることが好ましく、0質量%超5質量%以下であることがより好ましい。
本発明の成形体の製造方法は、AHCO3で表される少なくとも1種の炭酸水素化合物(A)10質量部〜100質量部と、BnXで表される少なくとも1種の化合物(B)0質量部〜90質量部と、を含んでなる混合物((A)と(B)との合計100質量部)を成形した後、100℃〜500℃の温度で熱処理し、上記炭酸水素化合物(A)の97質量%以上を熱分解するものである。
AHCO3で表される式中のAはNa又はKである。すなわち、炭酸水素化合物(A)は、炭酸水素ナトリウム及び炭酸水素カリウムから選ばれる少なくとも1種の化合物である。炭酸水素化合物(A)としては、AHCO3で表される化合物のいずれか1種であってもよく、2種以上であってもよい。2種以上である場合、その混合割合は特に限定されない。
BnXで表される式中のBはNa又はKであり、XはCO3、SO4、SiO3、F、Cl、又はBrであり、nはXの価数によって決定される1又は2の整数である。すなわち、化合物(B)は、ナトリウム又はカリウムの、炭酸塩、硫酸塩、亜硫酸塩、フッ化物、塩化物、又は臭化物である。化合物(B)としては、BnXで表される化合物のいずれか1種であってもよく、2種以上であってもよい。2種以上である場合、その混合割合は特に限定されない。
本発明の成形体の原料となる混合物は、上記炭酸水素化合物(A)と上記化合物(B)とを含んでなる。炭酸水素化合物(A)と化合物(B)との合計100質量部当たり、炭酸水素化合物(A)は10質量部〜100質量部であり、30質量部〜100質量部であることが好ましく、40質量部〜100質量部であることがより好ましい。また、炭酸水素化合物(A)と化合物(B)との合計100質量部当たり、化合物(B)は0質量部〜90質量部であり、0質量部〜70質量部であることが好ましく、0質量部〜60質量部であることがより好ましい。
上記炭酸水素化合物(A)と上記化合物(B)とを含んでなる混合物は、体積統計値でのメジアン径(d50)が5μm〜600μmであることが好ましく、20μm〜500μmであることがより好ましく、50μm〜450μmであることが更に好ましく、50μm〜300μmであることが特に好ましい。
一般的に、小粒径の粒子は打錠成形時に粒子の動きが悪いために排除されることが望ましいことが知られているが、粒子径40μm以下の粒子の含有率を上記範囲内とすることにより、より高い成形体強度を得ることができる。また、粒子径40μm以下の粒子の含有率が上記範囲内であれば、成形体原料の流動性が確保され、混合物を成形する際、途中に詰まるなどしてブロッキングを起こしにくく、均一に充填できる。なお、炭酸水素化合物(A)の粒径分布と化合物(B)の粒径分布とに違いがあっても、混合後に全体として粒子径40μm以下の粒子の含有率が上記範囲内となっていればよい。
本発明において、混合物の成形法としては特に限定されず、押出成形、圧縮成形、造粒成形等の方法が採用される。上記炭酸水素化合物(A)は水に溶解するため、混合物には水を添加しないこと(すなわち、混合物が水を含有しないこと)が好ましい。
打錠成形体密度は、好ましくは1.6g/mL〜2.3g/mLであり、より好ましくは1.8g/mL〜2.2g/mLである。打錠成形体密度は、圧縮強度を制御することにより調整できる。
上記成形法により得られた成形体は、熱処理工程を経て最終的に本発明の成形体となる。
熱処理により、炭酸水素化合物(A)の97質量%以上、好ましくは98質量%以上、より好ましくは99質量%以上が熱分解される。
熱分解率は、熱処理工程の温度及び熱処理時間により調整される。熱処理温度が比較的低い場合は、熱処理時間を長くすることにより上記の熱分解率を得ることができる。炭酸水素化合物(A)の熱分解率が上記範囲にあることによって、十分な細孔容積を持ち、α−オレフィン二量化用触媒の担体として好ましい成形体を得ることができる。
本発明のα−オレフィン二量化用触媒は、本発明の成形体にアルカリ金属(D)を担持して得られるものである。
本発明のα−オレフィン二量体の製造方法は、本発明のα−オレフィン二量化用触媒の存在下でα−オレフィンの二量化反応を行うものである。
反応器内のα−オレフィンの状況は当該反応条件及びα−オレフィンの種類によって異なるが、一般的に液相状態、気相状態、超臨界状態が取りうる。これらの中でも、気相状態又は超臨界状態で反応を実施することが好ましい。また、反応は固定床方式で行うこともできるし、流動床方式で行うこともできるが、固定床方式で行うことが好ましい。固定床方式で反応を行う場合に、α−オレフィンの液空間速度(LHSV)は通常0.1hr−1〜10hr−1、好ましくは0.5hr−1〜5hr−1の範囲である。反応終了後の混合物から定法に従って未反応のα−オレフィン及び生成物が分離され、未反応のα−オレフィンは反応に循環再利用される。
窒素を流通させたグローブボックス中、20μm〜850μmの網ふるいの上部に30gの粉体を入れ、手動でふるいにかけた。ふるい分けした後の各ふるい上での粉体の質量を測定することにより、メジアン径(d50)を算出した。
窒素を流通させたグローブボックス中、40μmの網ふるいの上部に30gの粉体を入れ、手動でふるいにかけた。ふるいをパスした粉体質量を測定し、最初に入れた30gで割ることにより、粒子径40μm以下の粒子の含有率を算出した。
得られた成形体を示差熱天秤(Rigaku製 8120)で400℃まで昇温して重量減少量を測定し、成形時の炭酸水素化合物(A)の含有量と重量減少量との関係から、熱分解率を計算した。なお、化学量論的に、2モルの炭酸水素化合物(A)から、1モルの水と1モルのCO2とが発生する。熱分解率が100質量%の場合は、それ以上の熱分解が起こらないため、示差熱天秤での重量減少は認められない。
水銀ポロシメーター(マイクロメトリクス社製、Auto PoreIV)を用いて水銀圧入法によって、細孔直径が0.05μm〜10μmの範囲にある細孔容積を測定した。
デジタル硬度計(藤原製作所製、KHT−40N)を用い、JIS Z8841「造粒物−強度試験法」に記載の方法に従って、成形体の半径方向(円柱状成形体の胴方向)の圧壊強度を測定した。実施例8については成形体の縦方向(円柱状成形体の軸線方向)の圧壊強度も測定した。
圧壊強度の測定原理は、静止している試料台の上に、被測定対象である円柱状成形体を載置し、可動式の加圧面を上部から一定速度で下降させ、円柱状成形体に押し付けて破壊するときの強度を測定するものである。
α−オレフィン(プロピレン)の二量化反応終了後、反応器内よりα−オレフィン二量化用触媒を取り出し、目視にて触媒の粉化の有無を確認した。
〔成形体の製造〕
炭酸水素化合物(A)であるKHCO3(純正化学製、純度99%、カタログ番号43300−1201)70質量部と、化合物(B)であるK2CO3(純度99%、BET法で測定した比表面積1.3m2/g、嵩密度0.46g/mL)30質量部とを混合し、100質量部の混合物粉体を得た。混合物粉体のメジアン径(d50)は120μmであり、粒子径40μm以下の粒子の含有率は7.5質量%であった。
上記成形体(1)96.5質量部を窒素気流中、300℃で2時間乾燥させた後、窒素雰囲気気流下、ナトリウム3.5質量部を添加し、280℃で3.5時間撹拌してα−オレフィン二量化用触媒(1)を調製した。
上記調製方法により得られたα−オレフィン二量化用触媒(1)4gを単管型反応器(直径18mm)に充填し、反応器内温度140℃、反応圧力9.8MPa、プロピレン流量4g/hで触媒層に連続的にプロピレンを供給し、プロピレンの二量化反応による4−メチル−1−ペンテン(以下、4MP−1と略す)の合成反応を行った。流通反応を180時間実施したときのプロピレン転化率及び4MP−1選択率を表1に示す。
〔α−オレフィン二量化用触媒の調製〕
実施例1において得られた成形体(1)94質量部を窒素気流中、300℃で2時間乾燥させた後、窒素雰囲気気流下、ナトリウム6質量部を添加し、280℃で3.5時間撹拌してα−オレフィン二量化用触媒(2)を調製した。
上記調製方法により得られたα−オレフィン二量化用触媒(2)4gを用いて実施例1と同様の方法によりプロピレンの二量化反応による4MP−1の合成反応を行った。流通反応を180時間実施したときのプロピレン転化率及び4MP−1選択率を表1に示す。
〔成形体の製造〕
炭酸水素化合物(A)としてKHCO3(純正化学製、純度99%以上、カタログ番号43300−1201)を用いた。KHCO3のメジアン径(d50)は150μmであり、粒子径40μm以下の粒子の含有率は3.0質量%であった。
上記成形体(2)96.5質量部を窒素気流中、300℃で2時間乾燥させた後、窒素雰囲気気流下、ナトリウム3.5質量部を添加し、280℃で3.5時間撹拌してα−オレフィン二量化用触媒(3)を調製した。
上記調製方法により得られたα−オレフィン二量化用触媒(3)4gを用いて実施例1と同様の方法によりプロピレンの二量化反応による4MP−1の合成反応を行った。流通反応を180時間実施したときのプロピレン転化率及び4MP−1選択率を表1に示す。
〔成形体の製造〕
KHCO3の使用量を50質量部とし、K2CO3の使用量を50質量部とした以外は実施例1と同様にして100質量部の混合物粉体を得た。混合物粉体のメジアン径(d50)は100μmであり、粒子径40μm以下の粒子の含有率は13.0質量%であった。
上記成形体(3)96.5質量部を窒素気流中、300℃で2時間乾燥させた後、窒素雰囲気気流下、ナトリウム3.5質量部を添加し、280℃で3.5時間撹拌してα−オレフィン二量化用触媒(4)を調製した。
上記調製方法により得られたα−オレフィン二量化用触媒(4)4gを用いて実施例1と同様の方法によりプロピレンの二量化反応による4MP−1の合成反応を行った。流通反応を180時間実施したときのプロピレン転化率及び4MP−1選択率を表1に示す。
〔成形体の製造〕
乳鉢で軽く押し潰して粉砕した後、212μmのふるいを通過したK2CO3を使用した以外は実施例1と同様にして100質量部の混合物粉体を得た。混合物粉体のメジアン径(d50)は100μmであり、粒子径40μm以下の粒子の含有率は23.0質量%であった。
上記成形体(4)96.5質量部を窒素気流中、300℃で2時間乾燥させた後、窒素雰囲気気流下、ナトリウム3.5質量部を添加し、280℃で3.5時間撹拌してα−オレフィン二量化用触媒(5)を調製した。
上記調製方法により得られたα−オレフィン二量化用触媒(5)4gを用いて実施例1と同様の方法によりプロピレンの二量化反応による4MP−1の合成反応を行った。流通反応を180時間実施したときのプロピレン転化率及び4MP−1選択率を表2に示す。
〔成形体の製造〕
乳鉢で軽く押し潰して粉砕した後、212μmのふるいを通過したK2CO3を使用した以外は実施例4と同様にして100質量部の混合物粉体を得た。混合物粉体のメジアン径(d50)は90μmであり、粒子径40μm以下の粒子の含有率は26.5質量%であった。
上記成形体(5)96.5質量部を窒素気流中、300℃で2時間乾燥させた後、窒素雰囲気気流下、ナトリウム3.5質量部を添加し、280℃で3.5時間撹拌してα−オレフィン二量化用触媒(6)を調製した。
上記調製方法により得られたα−オレフィン二量化用触媒(6)4gを用いて実施例1と同様の方法によりプロピレンの二量化反応による4MP−1の合成反応を行った。流通反応を180時間実施したときのプロピレン転化率及び4MP−1選択率を表2に示す。
〔成形体の製造〕
炭酸水素化合物(A)であるKHCO3(純正化学製、純度99%、カタログ番号43300−1201)を乳鉢で粉砕して得られた粉体(メジアン径(d50)15μm)13質量部と、化合物(B)であるK2CO3(純度99%、BET法で測定した比表面積が1.2m2/g、嵩密度0.94g/mL)87質量部とを混合し、100質量部の混合物粉体を得た。混合物粉体のメジアン径(d50)は260μmであり、粒子径40μm以下の粒子の含有率は14.6質量%であった。
上記成形体(6)96.5質量部を窒素気流中、300℃で2時間乾燥させた後、窒素雰囲気気流下、ナトリウム3.5質量部を添加し、280℃で3.5時間撹拌してα−オレフィン二量化用触媒(7)を調製した。
上記調製方法により得られたα−オレフィン二量化用触媒(7)4gを単管型反応器(直径18mm)に充填し、反応器内温度140℃、反応圧力9.8MPa、プロピレン流量4g/hで触媒層に連続的にプロピレンを供給し、プロピレンの二量化反応による4MP−1の合成反応を行った。流通反応を180時間実施したときのプロピレン転化率及び4MP−1選択率を表2に示す。
〔成形体の製造〕
KHCO3の使用量を80質量部とし、K2CO3の使用量を20質量部とした以外は実施例1と同様にして100質量部の混合物粉体を得た。混合物粉体のメジアン径(d50)は120μmであり、粒子径40μm以下の粒子の含有率は5.0質量%であった。
〔成形体の製造〕
化合物(B)としてK2CO3(旭硝子製、純度99%)を用いた。K2CO3のメジアン径(d50)は110μmであり、粒子径40μm以下の粒子の含有率は4.0質量%であった。
上記成形体(C1)96.5質量部を窒素気流中、300℃で2時間乾燥させた後、窒素雰囲気気流下、ナトリウム3.5質量部を添加し、280℃で3.5時間撹拌してα−オレフィン二量化用触媒(C1)を調製した。
〔α−オレフィン二量化用触媒の調製方法〕
比較例1において得られた成形体(C1)99質量部を窒素気流中、300℃で2時間乾燥させた後、窒素雰囲気気流下、ナトリウム1質量部を添加し、280℃で3.5時間撹拌してα−オレフィン二量化用触媒(C2)を調製した。
上記調製方法により得られたα−オレフィン二量化用触媒(C2)4gを用いて実施例1と同様の方法によりプロピレンの二量化反応による4MP−1の合成反応を行った。流通反応を180時間実施したときのプロピレン転化率及び4MP−1選択率を表3に示す。
〔成形体の製造〕
打錠成形体密度が1.55g/mLとなるように圧縮強度を制御して打錠成形した以外は、比較例1と同様にして熱処理成形体(成形体(C2))を得た。得られた熱処理成形体の細孔容積は0.21mL/gであった。また、半径方向の圧壊強度は1.1kgfであった。
上記成形体(C2)96.5質量部を窒素気流中、300℃で2時間乾燥させた後、窒素雰囲気気流下、ナトリウム3.5質量部を添加し、280℃で3.5時間撹拌してα−オレフィン二量化用触媒(C3)の調製を試みた。しかし、担持中に成形体(C2)が粉化したため、触媒としての回収が不可能になった。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、及び技術規格は、個々の文献、特許出願、及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
Claims (13)
- Na2CO3及びK2CO3から選ばれる少なくとも1種の炭酸化合物(A1)を含み、細孔直径が0.05μm〜10μmの範囲にある細孔容積が0.10mL/g〜0.30mL/gであり、かつ、圧壊強度が1.8kgf〜10.0kgfである、成形体。
- 前記炭酸化合物(A1)の含有率が70質量%以上である、請求項1に記載の成形体。
- NanY又はKnY(式中のYはSO4、SiO3、F、Cl、又はBrであり、nはYの価数によって決定される1又は2の整数である。)で表される少なくとも1種の化合物(B1)を更に含む、請求項1又は請求項2に記載の成形体。
- 前記細孔容積が0.14mL/g〜0.28mL/gであり、かつ、前記圧壊強度が2.2kgf〜8.5kgfである、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の成形体。
- 前記炭酸化合物(A1)がK2CO3である、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の成形体。
- グラファイト(C)を更に含む、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の成形体。
- 請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の成形体にアルカリ金属(D)を担持して得られる、α−オレフィン二量化用触媒。
- 請求項7に記載のα−オレフィン二量化用触媒の存在下でα−オレフィンの二量化反応を行う、α−オレフィン二量体の製造方法。
- AHCO3(式中のAはNa又はKである。)で表される少なくとも1種の炭酸水素化合物(A)10質量部〜100質量部と、
BnX(式中のBはNa又はKであり、XはCO3、SO4、SiO3、F、Cl、又はBrであり、nはXの価数によって決定される1又は2の整数である。)で表される少なくとも1種の化合物(B)0質量部〜90質量部と、
を含んでなる混合物((A)と(B)との合計100質量部)を成形した後、100℃〜500℃の温度で熱処理し、前記炭酸水素化合物(A)の97質量%以上を熱分解する、請求項1に記載の成形体の製造方法。 - 前記混合物が水を含有しない、請求項9に記載の成形体の製造方法。
- 前記混合物の成形を打錠成形で行う、請求項9又は請求項10に記載の成形体の製造方法。
- 前記混合物の体積統計値でのメジアン径(d50)が5μm〜600μmの範囲にある、請求項9〜請求項11のいずれか1項に記載の成形体の製造方法。
- 前記混合物中、粒子径40μm以下の粒子の含有率が3質量%〜30質量%である、請求項9〜請求項12のいずれか1項に記載の成形体の製造方法。
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