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JP6803289B2 - 1,3-Butadiene production catalysts and processes from ethanol - Google Patents
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JP6803289B2 - 1,3-Butadiene production catalysts and processes from ethanol - Google Patents

1,3-Butadiene production catalysts and processes from ethanol Download PDF

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エタノールからの1,3−ブタジエンを製造する触媒に関する。 It relates to a catalyst for producing 1,3-butadiene from ethanol.

エタノールからのブタジエン製造(ETB)は、過去に工業実績のある技術であるが、ナフサクラッカーより得られたC4留分からのブタジエン抽出蒸留技術の完成に伴い競争力を失ったため、一部の地域を除いて現在では使用されていない。しかしながら、近年、アジアを中心とした自動車普及台数の伸びとクラッカー原料の軽質化に伴う世界的なブタジエン需給ギャップの拡大が懸念されており、ブタジエンを単産できるETBプロセスへの関心が高まっている。 Butadiene production from ethanol (ETB) is a technology with an industrial track record in the past, but it has lost its competitiveness due to the completion of the butadiene extraction distillation technology from the C4 distillate obtained from naphtha crackers, so some areas have been expanded. Except now it is not used. However, in recent years, there are concerns about the expansion of the global butadiene supply-demand gap due to the increase in the number of automobiles spread mainly in Asia and the lightening of cracker raw materials, and there is increasing interest in the ETB process that can produce butadiene separately.

ETBプロセスには、一段でエタノールをブタジエンに変換する一段法(Lebedev法)と、まずエタノールを脱水素してアセトアルデヒドを合成し、エタノールとアセトアルデヒドからブタジエンを合成する二段法(Ostromislensky法)がある。
・一段法
2CH3CH2OH→CH2=CH−CH=CH2+2H2O+H2
・二段法
CH3CH2OH→CH3CHO+H2
CH3CH2OH+CH3CHO→CH2=CH−CH=CH2+2H2
The ETB process includes a one-step method (Lebedev method) in which ethanol is converted to butadiene in one step, and a two-step method (Ostromislensky method) in which ethanol is first dehydrogenated to synthesize acetaldehyde and then butadiene is synthesized from ethanol and acetaldehyde. ..
・ One-step method 2CH 3 CH 2 OH → CH 2 = CH-CH = CH 2 + 2H 2 O + H 2
・ Two-stage method CH 3 CH 2 OH → CH 3 CHO + H 2
CH 3 CH 2 OH + CH 3 CHO → CH 2 = CH-CH = CH 2 + 2H 2 O

このような反応の際に使用されるETB触媒として、周期律表第4族および第5族の元素をシリカに担持した触媒が知られている。Ta25/SiO2触媒は古くから、1,3−ブタジエン合成触媒として知られていた(特許文献1,非特許文献1〜2)。しかしながら、当時のブタジエン選択率は60%台で十分に高いとは言えなかった。 As an ETB catalyst used in such a reaction, a catalyst in which elements of Group 4 and Group 5 of the Periodic Table are supported on silica is known. The Ta 2 O 5 / SiO 2 catalyst has long been known as a 1,3-butadiene synthetic catalyst (Patent Document 1, Non-Patent Documents 1 and 2). However, the butadiene selectivity at that time was in the 60% range, which was not high enough.

近年、メソポーラスシリカにTaを担持した触媒(非特許文献3)やゼオライトにTaを担持したTa/SBA−15(非特許文献4)、ゼオライト骨格中にTaを挿入したTaBEA(非特許文献5)が1,3−ブタジエン合成触媒として報告されている。また、ZrO2/SiO2触媒、HfO2/SiO2触媒も古くから、1,3−ブタジエン合成触媒として知られており(非特許文献2)、近年はそれに脱水素能を有する金属を担持した一段触媒として、Ag−ZrO2−CeO2−SiO2(特許文献2)、ZnZrSiO2やCuZnZrSiO2(非特許文献6)、CuHfZnSiO2(非特許文献7)等が報告されている。 In recent years, a catalyst supporting Ta on mesoporous silica (Non-Patent Document 3), Ta / SBA-15 supporting Ta on zeolite (Non-Patent Document 4), and TaBEA with Ta inserted in a zeolite skeleton (Non-Patent Document 5). Has been reported as a 1,3-butadiene synthesis catalyst. In addition, ZrO 2 / SiO 2 catalysts and HfO 2 / SiO 2 catalysts have long been known as 1,3-butadiene synthesis catalysts (Non-Patent Document 2), and in recent years, they carry a metal having dehydrogenation ability. as one step catalyst, Ag-ZrO 2 -CeO 2 -SiO 2 ( Patent Document 2), ZnZrSiO 2 and CuZnZrSiO 2 (non-patent Document 6), CuHfZnSiO 2 (non-Patent Document 7) have been reported.

米国特許第2524848号U.S. Pat. No. 2524848 日本国特許第5864572号Japanese Patent No. 5864572

Industrial and Engineering Chemistry, vol.39, pp.120(1947)Industrial and Engineering Chemistry, vol.39, pp.120 (1947) Industrial and Engineering Chemistry, vol.42, pp.359(1950)Industrial and Engineering Chemistry, vol.42, pp.359 (1950) Chemical Engineering Journal, vol.278, pp.217(2015)Chemical Engineering Journal, vol.278, pp.217 (2015) Applied Catalysis B, vol. 150-151, pp.596 (2014)Applied Catalysis B, vol. 150-151, pp.596 (2014) Catalysis Communication, vol. 77, pp.123 (2016)Catalysis Communication, vol. 77, pp.123 (2016) Catalysis Science and Technology, vol. 1, pp.267(2011)Catalysis Science and Technology, vol. 1, pp.267 (2011) ACS Catalysis, vol.5, pp.3393(2015)ACS Catalysis, vol.5, pp.3393 (2015)

本発明では、実際的な運転条件でより効率的に1,3−ブタジエンを製造することのできる触媒および、その触媒を用いた1,3−ブタジエンの製造方法を提供することを目的としている。 An object of the present invention is to provide a catalyst capable of producing 1,3-butadiene more efficiently under practical operating conditions, and a method for producing 1,3-butadiene using the catalyst.

[1]周期表第4族および5族の元素(A)と、担体成分である二酸化ケイ素とを含む物質の表面水酸基およびオキソ基の少なくとも一部を、加水分解性基を有するケイ素化合物との反応により、−O−Si基で置換して得られ、
前記物質は、担体成分である二酸化ケイ素の表面に周期表第4族および5族の元素(A)を担持させ、前記元素(A)を前記二酸化ケイ素に固定化して得られることを特徴とする、エタノールを含む原料から1,3−ブタジエンを製造する1,3−ブタジエン製造触媒の製造方法
[2]前記加水分解性基を有するケイ素化合物は、式(1)からなるモノマーであることを[1]の1,3−ブタジエン製造触媒の製造方法。
SiY n (4-n) ・・・(1)
式中、Yは、それぞれ独立に加水分解性基、Rは炭素数が1〜20の置換又は非置換の炭化水素基、nは、1〜4の整数である。
[3]前記1,3−ブタジエン製造触媒は、前記元素(A)上の表面水酸基およびオキソ基の少なくとも一部を、前記加水分解性基を有するケイ素化合物との反応により、−O−Si基で置換して得られることを特徴とする、[1]または[2]の1,3−ブタジエン製造触媒の製造方法。
[4] 加水分解性基を有するケイ素化合物中のケイ素と元素(A)のモル比(加水分解性基を有するケイ素化合物中のケイ素[mol]/元素(A)[mol])が0.1から100であることを特徴とする、[1]〜[3]の1,3−ブタジエン製造触媒。
[5]二酸化ケイ素上の元素(A)の密度が1〜50個/nm2の範囲であることを特徴とする、[1]〜[4]の1,3−ブタジエン製造触媒の製造方法。
[6]元素(A)がジルコニウム、ハフニウムおよびタンタルから選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする、[1]〜[5]の1,3−ブタジエン製造触媒の製造方法。
[7]29Si−NMRのケミカルシフト値:−111ppm付近の極大値のシグナル強度を1とした場合に、ケミカルシフト値:−105ppmでのシグナル強度が0.55以上であることを特徴とする、[1]〜[6]の1,3−ブタジエン製造触媒の製造方法。
[1A]周期表第4族および5族の元素(A)と、担体成分である二酸化ケイ素とを含み、担体成分である二酸化ケイ素の表面に周期表第4族および5族の元素(A)が担持され、前記元素(A)が前記二酸化ケイ素に固定化されてなり、且つ前記元素(A)上の表面水酸基およびオキソ基の少なくとも一部が−O−Si基で置換された末端−(A)−O−Si基を含むことを特徴とする、エタノールを含む原料から1,3−ブタジエンを製造する1,3−ブタジエン製造触媒。
[2A]周期表第4族および5族の元素(A)と、担体成分である二酸化ケイ素とを含み、且つ前記元素(A)上の表面水酸基およびオキソ基の少なくとも一部が−O−Si基で置換された末端−(A)−O−Si基を含み、
前記末端−(A)−O−Si基は、前記元素(A)上にケイ素化合物のモノマーが結合した構造であることを特徴とする、エタノールを含む原料から1,3−ブタジエンを製造する1,3−ブタジエン製造触媒。
[3A] 加水分解性基を有するケイ素化合物中のケイ素と元素(A)のモル比(加水分解性基を有するケイ素化合物中のケイ素[mol]/元素(A)[mol])が0.1から100であることを特徴とする、[1A]または[2A]の1,3−ブタジエン製造触媒。
[4A]二酸化ケイ素上の元素(A)の密度が1〜50個/nm 2 の範囲であることを特徴とする、[1A]〜[3A]の1,3−ブタジエン製造触媒。
[5A]元素(A)がジルコニウム、ハフニウムおよびタンタルから選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする、[1A]〜[4A]の1,3−ブタジエン製造触媒。
[6A] 29 Si−NMRのケミカルシフト値:−111ppm付近の極大値のシグナル強度を1とした場合に、ケミカルシフト値:−105ppmでのシグナル強度が0.55以上であることを特徴とする、[1A]〜[5A]の1,3−ブタジエン製造触媒。
[7A][1A]〜[6A]の1,3−ブタジエン製造触媒を用いて、エタノール単独またはエタノールとともにアセトアルデヒドを含む原料を、反応温度が300℃以上450℃以下、エタノールおよびアセトアルデヒドの分圧が0.1−1.0MPaA、重量空間速度が0.1〜30g/g -cat h の範囲で、前記触媒と接触させることを特徴とする1,3−ブタジエンの製造方法。
[1] A silicon compound having a hydrolyzable group at least a part of surface hydroxyl groups and oxo groups of a substance containing the elements (A) of Group 4 and Group 5 of the periodic table and silicon dioxide as a carrier component. Obtained by substitution with -O-Si group by reaction
The substance is characterized in that the element (A) of Group 4 and Group 5 of the periodic table is supported on the surface of silicon dioxide which is a carrier component, and the element (A) is immobilized on the silicon dioxide. , A method for producing a 1,3-butadiene production catalyst for producing 1,3-butadiene from a raw material containing ethanol.
[2] The method for producing a 1,3-butadiene production catalyst according to [1], wherein the silicon compound having a hydrolyzable group is a monomer represented by the formula (1).
SiY n R (4-n) ・ ・ ・ (1)
In the formula, Y is an independently hydrolyzable group, R is a substituted or unsubstituted hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms, and n is an integer of 1 to 4.
[3] In the 1,3-butadiene production catalyst, at least a part of the surface hydroxyl group and the oxo group on the element (A) is reacted with the silicon compound having a hydrolyzable group to form an -O-Si group. The method for producing a 1,3-butadiene production catalyst according to [1] or [2], which is obtained by substituting with.
[4] The molar ratio of silicon to element (A) in a silicon compound having a hydrolyzable group (silicon [mol] / element (A) [mol] in a silicon compound having a hydrolyzable group) is 0.1. The 1,3-butadiene production catalyst of [1] to [3], which is characterized by being from 100 to 100.
[5] The method for producing a 1,3-butadiene production catalyst according to [1] to [4], wherein the density of the element (A) on silicon dioxide is in the range of 1 to 50 elements / nm 2 .
[6] The method for producing a 1,3-butadiene production catalyst according to [1] to [5], wherein the element (A) is at least one selected from zirconium, hafnium and tantalum.
[7] 29 When the signal intensity of the maximum value in the vicinity of the chemical shift value of Si-NMR: −111 ppm is set to 1, the signal intensity at the chemical shift value of −105 ppm is 0.55 or more. , [1] to [6], a method for producing a 1,3-butadiene production catalyst.
[1A] Elements (A) of Groups 4 and 5 of the Periodic Table and elements (A) of Groups 4 and 5 of the Periodic Table are contained on the surface of silicon dioxide as a carrier component. Is supported, the element (A) is immobilized on the silicon dioxide, and at least a part of the surface hydroxyl group and the oxo group on the element (A) are substituted with -O-Si group-( A) A 1,3-butadiene production catalyst for producing 1,3-butadiene from a raw material containing ethanol, which comprises an -O-Si group.
[2A] The elements (A) of Groups 4 and 5 of the Periodic Table and silicon dioxide as a carrier component are contained, and at least a part of the surface hydroxyl groups and oxo groups on the element (A) is -O-Si. Containing terminal- (A) -O-Si groups substituted with groups,
The terminal- (A) -O-Si group is characterized by having a structure in which a monomer of a silicon compound is bonded to the element (A), and 1,3-butadiene is produced from a raw material containing ethanol1. , 3-butadiene production catalyst.
[3A] The molar ratio of silicon to element (A) in a silicon compound having a hydrolyzable group (silicon [mol] / element (A) [mol] in a silicon compound having a hydrolyzable group) is 0.1. A 1,3-butadiene production catalyst of [1A] or [2A], characterized in that it is from to 100.
[4A] The 1,3-butadiene production catalyst of [1A] to [3A], wherein the density of the element (A) on silicon dioxide is in the range of 1 to 50 elements / nm 2 .
[5A] The 1,3-butadiene production catalyst of [1A] to [4A], wherein the element (A) is at least one selected from zirconium, hafnium and tantalum.
[6A] 29 When the signal intensity of the maximum value in the vicinity of the chemical shift value of Si-NMR: −111 ppm is set to 1, the signal intensity at the chemical shift value of −105 ppm is 0.55 or more. , [1A] to [5A] 1,3-butadiene production catalysts.
[7A] Using the 1,3-butadiene production catalysts of [1A] to [6A], a raw material containing acetaldehyde alone or together with ethanol has a reaction temperature of 300 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, and the partial pressures of ethanol and acetaldehyde are high. A method for producing 1,3-butadiene, which comprises contacting with the catalyst in the range of 0.1-1.0 MPaA and a weight space rate of 0.1 to 30 g / g -cat · h .

本発明の1,3−ブタジエン製造触媒ならびにこの触媒を使用した製造方法によれば、エタノールを含む原料ガスから1,3−ブタジエンをより効率的に製造することが可能となる。 According to the 1,3-butadiene production catalyst of the present invention and the production method using this catalyst, 1,3-butadiene can be produced more efficiently from the raw material gas containing ethanol.

実施例および比較例で調製した1,3−ブタジエン製造触媒の29Si−MAS−NMRスペクトルを示す。The 29 Si-MAS-NMR spectra of the 1,3-butadiene production catalysts prepared in Examples and Comparative Examples are shown.

以下、本発明を実施するための形態について説明する。
[1,3−ブタジエン製造触媒]
本発明で使用される触媒は、周期表第4族および5族の元素(A)と担体成分である二酸化ケイ素を含む。触媒表面には、ケイ素や元素(A)の水酸化物ないし酸化物などに由来する水酸基(−OH)およびオキソ基(=O)が存在するが、本発明では表面水酸基およびオキソ基の少なくとも一部が加水分解性基を有するケイ素化合物と反応することによって、−O−Si基で置換されている。なおすべての水酸基およびオキソ基が置換されていてもよく、また一部が置換されていてもよい。
Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described.
[1,3-butadiene production catalyst]
The catalyst used in the present invention contains the elements (A) of Groups 4 and 5 of the Periodic Table and silicon dioxide as a carrier component. Hydroxides (-OH) and oxo groups (= O) derived from hydroxides or oxides of silicon or element (A) are present on the surface of the catalyst, but in the present invention, at least one of the surface hydroxyl groups and oxo groups The moiety is replaced with an —O—Si group by reacting with a silicon compound having a hydrolyzable group. All hydroxyl groups and oxo groups may be substituted, or some of them may be substituted.

元素(A)としては、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタルなどが挙げられ、1,3−ブタジエン選択率向上の点で、元素(A)がジルコニウム、ハフニウム、タンタルから選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。 Examples of the element (A) include titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, and tantalum. At least one element (A) is selected from zirconium, hafnium, and tantalum in terms of improving 1,3-butadiene selectivity. It is preferably a seed.

これらの元素(A)は、担体である二酸化ケイ素に、金属、酸化物、水酸化物、塩などの状態で固定される。二酸化ケイ素としては、アモルファスシリカ、シリカゾル、シリカゲル、コロイダルシリカなどが挙げられる。また、MCM-41、FSM-16、SBA-15などのメソポーラスシリカや、ゼオライトも使用可能である。 These elements (A) are fixed to silicon dioxide as a carrier in the state of metals, oxides, hydroxides, salts and the like. Examples of silicon dioxide include amorphous silica, silica sol, silica gel, colloidal silica and the like. Further, mesoporous silica such as MCM-41, FSM-16, SBA-15, and zeolite can also be used.

元素(A)を二酸化ケイ素に固定化する方法としては、元素(A)を含む塩化物塩、硝酸塩、硫酸塩、燐酸塩、アルコキシドを水や有機溶媒に溶解させ、二酸化ケイ素の粉末や成形体からなる担体に含浸させたのち、加熱、乾燥・焼成することで調製できる。含浸方法としては、公知の手法が採用でき、元素(A)含む(水)溶液を噴霧法、コーティング法、またはポアフィリング法また選択吸着法などが挙げられる。また担体の二酸化ケイ素粉末の分散液に元素(A)を含む塩化物塩、硝酸塩、硫酸塩、燐酸塩、アルコキシドなどを溶解させてもよい。さらに、元素(A)を含む塩化物塩やアルコキシドを気化させて二酸化ケイ素担体の表面に吸着させたのちに、乾燥・焼成することによっても調製できる。 As a method of immobilizing the element (A) on silicon dioxide, a chloride salt, a nitrate, a sulfate, a phosphate, and an alkoxide containing the element (A) are dissolved in water or an organic solvent, and a powder or a molded product of silicon dioxide is dissolved. It can be prepared by impregnating a carrier made of the same material, heating, drying and firing. As the impregnation method, a known method can be adopted, and examples thereof include a spraying method, a coating method, a pore filling method, and a selective adsorption method for a (water) solution containing the element (A). Further, a chloride salt, a nitrate, a sulfate, a phosphate, an alkoxide or the like containing the element (A) may be dissolved in a dispersion of silicon dioxide powder of the carrier. Further, it can also be prepared by vaporizing a chloride salt or alkoxide containing the element (A), adsorbing it on the surface of a silicon dioxide carrier, and then drying and calcining it.

また、元素(A)および二酸化ケイ素の前駆体を混合したのちに加熱や濃縮、水熱合成などの処理を施し、乾燥・焼成することで調製することもできる。元素(A)の前駆体としてはアルコキシドや塩化物塩、硝酸塩、硫酸塩、燐酸塩、金属酸化物ゾルなどが挙げられる。また、二酸化ケイ素担体の前駆体としては、アルコキシド、ポリシロキサン、ポリシラザンなどの有機珪素化合物、珪酸塩などの有機珪酸塩など他に、シリカゾルなども使用できる。 It can also be prepared by mixing the element (A) and the precursor of silicon dioxide, then subjecting them to treatments such as heating, concentration, and hydrothermal synthesis, and then drying and firing. Examples of the precursor of the element (A) include alkoxides, chloride salts, nitrates, sulfates, phosphates, metal oxide sol and the like. Further, as the precursor of the silicon dioxide carrier, an organic silicon compound such as alkoxide, polysiloxane, polysilazane, an organic silicate such as a silicate, and a silica sol can be used.

元素(A)を二酸化ケイ素に固定化した触媒は、加水分解性基を有するケイ素化合物によって処理される。加水分解性基を有するケイ素化合物とは、珪素原子に1〜4個の加水分解性基が結合したものである。加水分解性基としては,例えば,水素,ハロゲン原子,アルコキシ基,アシルオキシ基,ケトキシメート基,アミノ基,アミド基,酸アミド基,アミノオキシ基,メルカプト基,アルケニルオキシ基などが挙げられる。 加水分解性基を有するケイ素化合物はたとえば下記式(1)で表される。
SiYn(4-n) ・・・(1)
The catalyst in which the element (A) is immobilized on silicon dioxide is treated with a silicon compound having a hydrolyzable group. A silicon compound having a hydrolyzable group is one in which 1 to 4 hydrolyzable groups are bonded to a silicon atom. Examples of the hydrolyzable group include hydrogen, halogen atom, alkoxy group, acyloxy group, ketoximate group, amino group, amide group, acid amide group, aminooxy group, mercapto group, alkenyloxy group and the like. A silicon compound having a hydrolyzable group is represented by, for example, the following formula (1).
SiY n R (4-n)・ ・ ・ (1)

式中、Yは、それぞれ独立に加水分解性基であり、Rは炭素数が1〜20の置換又は非置換の炭化水素基である。nは、1〜4の整数である。炭素数が1〜20の置換又は非置換の炭化水素基は、特に限定されず、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基などの炭素数が1〜20のアルキル基、炭素数6〜20のアリール基、炭素数7〜20のアラルキル基などが挙げられる。なお2個以上のYまたはRが結合する場合、これらは互いに同一であっても相違してもよい。さらに加水分解性基を有するケイ素化合物は、少なくとも一部が重縮合した部分重縮合物であってもよい。 In the formula, Y is an independently hydrolyzable group, and R is a substituted or unsubstituted hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms. n is an integer of 1 to 4. The substituted or unsubstituted hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms is not particularly limited, and for example, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms such as a methyl group, an ethyl group and a propyl group, and an alkyl group having 6 to 20 carbon atoms. Examples thereof include an aryl group and an aralkyl group having 7 to 20 carbon atoms. When two or more Y or R are combined, they may be the same or different from each other. Further, the silicon compound having a hydrolyzable group may be a partially polycondensed product at least partially polycondensed.

処理は、水、有機溶媒などにこれらの加水分解性基を有するケイ素化合物を溶かし、元素(A)を二酸化ケイ素に固定化した物質を加えて処理を行っても良いし、加水分解性基を有するケイ素化合物を気化させて、元素(A)を二酸化ケイ素に固定化した物質の表面に吸着させて処理を行っても良い。これらの処理によって、元素(A)を二酸化ケイ素に固定化した物質の表面水酸基や、元素(A)が周期表第5族金属である場合には元素(A)上のオキソ基は、ケイ素化合物の加水分解性基と縮合反応し、元素(A)上やその周辺に−O−Si結合を生成すると考えられる。 The treatment may be carried out by dissolving a silicon compound having these hydrolyzable groups in water, an organic solvent or the like, and adding a substance in which the element (A) is immobilized on silicon dioxide, or the hydrolyzable group may be used. The silicon compound may be vaporized and the element (A) may be adsorbed on the surface of a substance immobilized on silicon dioxide for treatment. By these treatments, the surface hydroxyl group of the substance in which the element (A) is immobilized on silicon dioxide and the oxo group on the element (A) when the element (A) is a metal of Group 5 of the periodic table are silicon compounds. It is considered that the condensation reaction with the hydrolyzable group of the element (A) forms an −O—Si bond on or around the element (A).

ゼオライト中の金属の配位状態がLewis酸性や反応性に影響を与えることが、近年明らかになってきている。Snを導入したゼオライト(SnBEA)では、2種類の活性サイト(−Si−O−)3Sn−OHとSn(−Si−O−)4が存在することが明らかとなっており、このうちの(−Si−O−)3Sn−OHのほうが強いLewis酸を有しており、過酸化水素によるアダマンタン酸化反応に寄与していると報告されている(Journal of Catalysis, vol.234, pp.111(2005))。また、Zrを導入したゼオライト(ZrBEA)でも同様に、2種類の活性サイトのうち(−Si−O−)3Zr−OHのほうが強いLewis酸を有しており、エタノールからの1,3−ブタジエン合成反応速度と(−Si−O−)3Zr−OH の数に相関が見られることが報告されている(ACS Catalysis, vol.5, pp.4833(2015), Journal of Physical Chemistry, vol.119, pp.17633(2015))。 In recent years, it has become clear that the coordination state of a metal in zeolite affects Lewis acidity and reactivity. It has been clarified that there are two types of active sites (-Si-O-) 3 Sn-OH and Sn (-Si-O-) 4 in the Sn-introduced zeolite (SnBEA). It has been reported that (-Si-O-) 3 Sn-OH has a stronger Lewis acid and contributes to the adamantane oxidation reaction by hydrogen peroxide (Journal of Catalyst, vol. 234, pp. 111 (2005)). Similarly, in the Zr-introduced zeolite (ZrBEA), (-Si-O-) 3 Zr-OH of the two types of active sites has a stronger Lewis acid, and 1,3- from ethanol. It has been reported that there is a correlation between the butadiene synthesis reaction rate and the number of (-Si-O-) 3 Zr-OH (ACS Catalysis, vol. 5, pp. 4833 (2015), Journal of Physical Chemistry, vol. 119, pp.17633 (2015)).

当該特許で記述する触媒は、ゼオライト構造を有していないが、二酸化ケイ素中に活性金属が存在しているという状態は先の報告と同様であり、活性金属周辺の配位状態(−OH基、−OSi基のどちらを有するか)が、触媒のLewis酸性や反応性に大きく寄与していると予想される。そのため、元素(A)上、または近辺に−O−Si結合を生成することによって触媒の活性・選択性が変化していると考えられる。 The catalyst described in the patent does not have a zeolite structure, but the state in which the active metal is present in silicon dioxide is the same as in the previous report, and the coordination state around the active metal (-OH group). , -OSi group) is expected to contribute significantly to the Lewis acidity and reactivity of the catalyst. Therefore, it is considered that the activity / selectivity of the catalyst is changed by forming an −O—Si bond on or near the element (A).

本発明では、触媒の29Si−NMRのケミカルシフト値:−111ppm付近の極大値のシグナル強度を1とした場合の、ケミカルシフト値:−105ppmでのシグナル強度が0.55以上であることが好ましい。このようなケミカルシフト値のシグナル強度を有する触媒は、触媒活性が高い。 In the present invention, when the signal intensity of the maximum value near the chemical shift value of 29 Si-NMR of the catalyst: -111 ppm is 1, the signal intensity at the chemical shift value of -105 ppm is 0.55 or more. preferable. A catalyst having such a signal intensity of a chemical shift value has high catalytic activity.

加水分解性基を有するケイ素化合物中のケイ素と元素(A)のモル比(加水分解性基を有するケイ素化合物中のケイ素[mol]/元素(A)[mol])は、特に限定されないが、0.1から100の範囲が好ましい。加水分解性基を有するケイ素化合物中のケイ素と元素(A)のモル比が低すぎるとケイ素化合物処理による効果が十分得られない。加水分解性基を有するケイ素化合物中のケイ素と元素(A)のモル比が高すぎると、ケイ素が元素(A)を完全に覆ってしまい、触媒活性が低下することがあると考えられる。 The molar ratio of silicon to the element (A) in the silicon compound having a hydrolyzable group (silicon [mol] / element (A) [mol] in the silicon compound having a hydrolyzable group) is not particularly limited. The range of 0.1 to 100 is preferable. If the molar ratio of silicon to the element (A) in the silicon compound having a hydrolyzable group is too low, the effect of the silicon compound treatment cannot be sufficiently obtained. If the molar ratio of silicon to the element (A) in the silicon compound having a hydrolyzable group is too high, it is considered that the silicon completely covers the element (A) and the catalytic activity may decrease.

二酸化ケイ素上の元素(A)の密度は、特に限定されないが、1〜50個/nm2の範囲が好ましい。元素(A)の密度が低すぎると触媒単位体積あたりの1,3−ブタジエン生成速度が遅くなる。元素(A)の密度が高すぎると、副反応が進行することにより1,3−ブタジエン選択率が低下する。 The density of the element (A) on silicon dioxide is not particularly limited, but is preferably in the range of 1 to 50 elements / nm 2 . If the density of the element (A) is too low, the 1,3-butadiene formation rate per catalyst unit volume will be slow. If the density of the element (A) is too high, the side reaction proceeds and the 1,3-butadiene selectivity decreases.

触媒は、元素(A)および二酸化ケイ素のほかに、亜鉛、銀、銅、金などの金属や、アルカリ金属、アルカリ土類金属、ランタノイド等を含んでいても構わない。
触媒の形状としては特に制限されるものではなく、粒状、円柱状、円筒状、ハニカム状など公知の形状であっても使用できる。
The catalyst may contain metals such as zinc, silver, copper, and gold, alkali metals, alkaline earth metals, lanthanoids, and the like, in addition to the element (A) and silicon dioxide.
The shape of the catalyst is not particularly limited, and known shapes such as granular, cylindrical, cylindrical, and honeycomb can be used.

[1,3−ブタジエンの製造方法]
本発明の1,3−ブタジエンの製造方法は、加熱下で、少なくともエタノールを含む原料を前記触媒に接触させることを特徴とする。エタノールとしては、特に限定されることが無く、例えば、サトウキビやトウモロコシなどのバイオマス由来のエタノールや、石油、石炭若しくは天然ガス由来のエタノールなどを挙げることができる。なお、バイオマス由来のエタノールを使用すれば、温室効果ガス削減に貢献することができる。
[Method for producing 1,3-butadiene]
The method for producing 1,3-butadiene of the present invention is characterized in that a raw material containing at least ethanol is brought into contact with the catalyst under heating. The ethanol is not particularly limited, and examples thereof include ethanol derived from biomass such as sugar cane and corn, and ethanol derived from petroleum, coal, or natural gas. If ethanol derived from biomass is used, it can contribute to the reduction of greenhouse gases.

本発明の原料は、エタノール単独でもよいが、エタノールと共にアセトアルデヒドを含有していてもよい。
アセトアルデヒドを含有する場合、エタノールとアセトアルデヒドのモル比(EtOH:AcH)は、95:5〜40:60、好ましくは90:10〜50:50、さらに好ましくは85:15〜50:50の範囲にある。
The raw material of the present invention may be ethanol alone, or may contain acetaldehyde together with ethanol.
When acetaldehyde is contained, the molar ratio of ethanol to acetaldehyde (EtOH: AcH) is in the range of 95: 5-40: 60, preferably 90: 10-50: 50, more preferably 85: 15-50: 50. is there.

アセトアルデヒドはエタノールの脱水素反応により製造したものを使用することができる。エタノールの脱水素反応では、例えば、特開2005−342675号公報、特開2011−000532号公報公報などに開示された公知の銅触媒や銀触媒が使用される。具体的には、Cu系や、Ni、Pd、Pt等の元素周期表8族の金属等を好適に用いることができ、中でもCuを含有するものが更に好ましい。例えばCu単独あるいはこれにCr、Co、Ni、Fe、Mn等の遷移金属元素を加えた2成分の金属を含むものが挙げられ、CuとNiを含有するものが好ましく用いられる。更に3成分以上の金属を含むものも好ましく用いられる。またこれらをさらに二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化チタン、ゼオライト等に担持させたもの等も用いられる。 As acetaldehyde, one produced by the dehydrogenation reaction of ethanol can be used. In the dehydrogenation reaction of ethanol, for example, known copper catalysts and silver catalysts disclosed in JP-A-2005-342675 and JP-A-2011-000532 are used. Specifically, Cu-based metals, metals of Group 8 of the Periodic Table of the Elements such as Ni, Pd, and Pt can be preferably used, and among them, those containing Cu are more preferable. For example, Cu alone or one containing a two-component metal to which a transition metal element such as Cr, Co, Ni, Fe, Mn is added can be mentioned, and one containing Cu and Ni is preferably used. Further, those containing a metal having three or more components are also preferably used. Further, those obtained by further supporting these on silicon dioxide, aluminum oxide, titanium oxide, zeolite or the like are also used.

反応条件としては特に制限されるものではなく、通常200〜300℃程度の範囲で、所定のアセトアルデヒド生成量となるような条件で反応を行う。
かかる製造方法は、回分式、半回分式、連続式等の周知の方式を採用できる。連続式を採用すると、大量合成が可能であり、運転作業負荷が軽い上に、未反応原料を反応系に再利用することにより原料のエタノールの使用率を極めて高いレベルに向上させることができる。そのため、簡便且つ効率的に1,3−ブタジエンを分離、回収することができる連続式を採用することが好ましい。
The reaction conditions are not particularly limited, and the reaction is usually carried out in the range of about 200 to 300 ° C. under conditions such that a predetermined amount of acetaldehyde is produced.
As such a manufacturing method, well-known methods such as batch type, semi-batch type, continuous type and the like can be adopted. If the continuous method is adopted, mass synthesis is possible, the operating work load is light, and the ethanol usage rate of the raw material can be improved to an extremely high level by reusing the unreacted raw material in the reaction system. Therefore, it is preferable to adopt a continuous system that can easily and efficiently separate and recover 1,3-butadiene.

原料を上記触媒に接触させる方法としては、例えば、懸濁床方式、流動床方式、固定床方式等を挙げることができる。また、本発明は、気相法、液相法のいずれであってもよいが、気相法を用いることが好ましい。 Examples of the method of bringing the raw material into contact with the catalyst include a suspension bed method, a fluidized bed method, a fixed bed method and the like. Further, the present invention may be either a gas phase method or a liquid phase method, but it is preferable to use the gas phase method.

気相で反応を行う場合、原料ガス(例えば、エタノールガス、好ましくはエタノールガスとアセトアルデヒドガスの混合物)は、希釈することなく反応器に供給してもよく、窒素、ヘリウム、アルゴン、水蒸気、などの不活性ガスにより適宜希釈して反応器に供給してもよい。 When the reaction is carried out in the gas phase, the raw material gas (for example, ethanol gas, preferably a mixture of ethanol gas and acetaldehyde gas) may be supplied to the reactor without dilution, such as nitrogen, helium, argon, water vapor, etc. It may be appropriately diluted with the inert gas of the above and supplied to the reactor.

反応時に、エタノールを含む原料にアセトアルデヒドを添加してもよく、エタノールとアセトアルデヒド(添加後の総量)のモル比(EtOH:AcH)が前記の比率となるようにすればよい。 At the time of the reaction, acetaldehyde may be added to the raw material containing ethanol, and the molar ratio (EtOH: AcH) of ethanol and acetaldehyde (total amount after addition) may be the above ratio.

反応温度としては、例えば300℃以上450以下℃程度、好ましくは320〜380℃の範囲にある。温度が高すぎると、1,3−ブタジエン選択率が低下する。一方、温度が低すぎるとブタジエン生成速度が十分でない。 The reaction temperature is, for example, about 300 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, preferably in the range of 320 to 380 ° C. If the temperature is too high, the 1,3-butadiene selectivity will decrease. On the other hand, if the temperature is too low, the butadiene formation rate is not sufficient.

反応圧力は、常圧から高圧までの広い範囲で適宜設定できるが、製造効率や装置構成などの観点から、エタノールおよびアセトアルデヒドの分圧が0.1〜1.0MPaAに設定することが好ましい。 The reaction pressure can be appropriately set in a wide range from normal pressure to high pressure, but the partial pressures of ethanol and acetaldehyde are preferably set to 0.1 to 1.0 MPaA from the viewpoint of production efficiency and device configuration.

原料と触媒との接触時間は、原料の供給速度を調整することによりコントロールすることができ、単位触媒あたりの重量空間速度(WHSV)は0.1〜30g-(EtOH+AcH)・g-cat -1・h-1、好ましくは0.5〜20g-(EtOH+AcH)・g-cat -1・h-1の範囲が好ましい。WHSVが低すぎると反応器サイズが大きくなり設備費の点から好ましくない。一方、WHSVが高すぎるとブタジエン収率が低下する。 The contact time between the raw material and the catalyst can be controlled by adjusting the supply rate of the raw material, and the weight space velocity (WHSV) per unit catalyst is 0.1 to 30 g- (EtOH + AcH) · g -cat. -1 · h -1 , preferably 0.5 to 20 g- (EtOH + AcH) · g -cat -1 · h -1 . If the WHSV is too low, the reactor size becomes large, which is not preferable in terms of equipment cost. On the other hand, if WHSV is too high, the butadiene yield will decrease.

反応終了後、反応生成物は、例えば、蒸留、抽出等の分離手段や、これらを組み合わせた分離手段により、軽質ガス、C4留分、重質分、水、エタノール、アセトアルデヒド等に分離精製することができる。
本発明では、上述した触媒を用いて1,3−ブタジエンをより効率的に製造することができるため、産業上の利用可能性は高い。
After completion of the reaction, the reaction product is separated and purified into light gas, C4 fraction, heavy component, water, ethanol, acetaldehyde, etc. by, for example, separation means such as distillation and extraction, or a separation means combining these. Can be done.
In the present invention, 1,3-butadiene can be produced more efficiently using the catalyst described above, so that it has high industrial applicability.

[実施例]
以下、本発明を実施例によりさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
<触媒調製>
調製例1
タンタルエトキシド(99.98%、Sigma−Aldrich製)0.3gをエタノール(和光純薬工業(株)製)100mlに溶解させ、NIPGEL CX−200(東ソー・シリカ(株)製、比表面積392m2/g)10.0gを加えて2時間撹拌したのち、エバポレーターを用いてエタノールを蒸発させた。120℃乾燥後、空気流通下500℃で焼成し、Ta25/SiO2 (Ta25担持量:1.6重量%)触媒を得た。この触媒をTa25(1.6)/SiO2と表記する。この触媒の比表面積は335m2/gであり、担体SiO2上のTa原子密度は14.9個/nm2であった。
[Example]
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.
<Catalyst preparation>
Preparation Example 1
0.3 g of tantalum ethoxydo (99.98%, manufactured by Sigma-Aldrich) was dissolved in 100 ml of ethanol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and NIPGEL CX-200 (manufactured by Toso Silica Co., Ltd., specific surface area 392 m) was dissolved. 2 / g) After 10.0 g was added and the mixture was stirred for 2 hours, ethanol was evaporated using an evaporator. After drying at 120 ° C., it was calcined at 500 ° C. under air flow to obtain a Ta 2 O 5 / SiO 2 (Ta 2 O 5 supported amount: 1.6% by weight) catalyst. This catalyst is referred to as Ta 2 O 5 (1.6) / SiO 2 . The specific surface area of this catalyst was 335 m 2 / g, and the Ta atom density on the carrier SiO 2 was 14.9 n / nm 2 .

調製例2
タンタルエトキシド0.06gをエタノール100mlに溶解させ、NIPGEL CX−200 10.0gを加えて2時間撹拌したのち、エバポレーターを用いてエタノールを蒸発させた。120℃乾燥後、空気流通下500℃で焼成し、Ta25/SiO2 (Ta25担持量:0.16重量%)触媒を得た。この触媒をTa25(0.16)/SiO2と表記する。この触媒の比表面積は357m2/gであり、担体SiO2上のTa原子密度は2.8個/nm2であった。
Preparation Example 2
0.06 g of tantalum ethoxide was dissolved in 100 ml of ethanol, 10.0 g of NIPGEL CX-200 was added, and the mixture was stirred for 2 hours, and then ethanol was evaporated using an evaporator. After drying at 120 ° C., it was calcined at 500 ° C. under air flow to obtain a Ta 2 O 5 / SiO 2 (Ta 2 O 5 supported amount: 0.16% by weight) catalyst. This catalyst is referred to as Ta 2 O 5 (0.16) / SiO 2 . The specific surface area of this catalyst was 357 m 2 / g, and the Ta atom density on the carrier SiO 2 was 2.8 cells / nm 2 .

調製例3
オキシ硝酸ジルコニウム二水和物0.22gを蒸留水50.0mlに溶解させ、NIPGEL CX−200 10.0gを加えて30分撹拌したのち、エバポレーターを用いて水を蒸発させた。120℃乾燥後、空気流通下500℃で焼成し、ZrO2/SiO2 (ZrO2担持量:1.0重量%)触媒を得た。この触媒をZrO2(1.0)/SiO2と表記する。この触媒の比表面積は341m2/gであり、担体SiO2上のZr原子密度は14.7個/nm2であった。
Preparation Example 3
0.22 g of zirconium oxynitrite dihydrate was dissolved in 50.0 ml of distilled water, 10.0 g of NIPGEL CX-200 was added, and the mixture was stirred for 30 minutes, and then the water was evaporated using an evaporator. After drying at 120 ° C., it was calcined at 500 ° C. under air flow to obtain a ZrO 2 / SiO 2 (ZrO 2 supported amount: 1.0% by weight) catalyst. This catalyst is referred to as ZrO 2 (1.0) / SiO 2 . The specific surface area of this catalyst was 341 m 2 / g, and the Zr atomic density on the carrier SiO 2 was 14.7 n / nm 2 .

調製例4
塩化ハフニウム0.27gを蒸留水50.0mlに溶解させ、NIPGEL CX−200 10.0gを加えて30分撹拌したのち、エバポレーターを用いて水を蒸発させた。120℃乾燥後、空気流通下500℃で焼成し、HfO2/SiO2 (HfO2担持量1.7重量%)触媒を得た。この触媒をHfO2(1.7)/SiO2と表記する。この触媒の比表面積は350m2/gであり、担体SiO2上のZr原子密度は14.3個/nm2であった。
Preparation Example 4
0.27 g of hafnium chloride was dissolved in 50.0 ml of distilled water, 10.0 g of NIPGEL CX-200 was added, and the mixture was stirred for 30 minutes, and then the water was evaporated using an evaporator. After drying at 120 ° C., it was calcined at 500 ° C. under air flow to obtain an HfO 2 / SiO 2 (HfO 2 supported amount 1.7% by weight) catalyst. This catalyst is referred to as HfO 2 (1.7) / SiO 2 . The specific surface area of this catalyst was 350 m 2 / g, and the Zr atomic density on the carrier SiO 2 was 14.3 n / nm 2 .

調製例5
調製例1で得られたTa25(1.6)/SiO2 3.0gにNH3水(pH=10.0) 15mlを加えて、そこに3−アミノプロピルトリエトキシシラン(信越化学工業(株)製) 0.070gを滴下し、撹拌しながら60℃まで昇温して4時間保持した。その後、遠心分離で触媒を回収し、120℃乾燥後、空気流通下500℃で焼成した。このように得られた触媒をSi−Ta25(1.6)/SiO2と表記する。この触媒の比表面積は289m2/gであった。
Preparation Example 5
To 3.0 g of Ta 2 O 5 (1.6) / SiO 2 obtained in Preparation Example 1, 15 ml of NH 3 water (pH = 10.0) was added, and 3-aminopropyltriethoxysilane (Shin-Etsu Chemical) was added thereto. 0.070 g (manufactured by Kogyo Co., Ltd.) was added dropwise, the temperature was raised to 60 ° C. with stirring, and the mixture was held for 4 hours. Then, the catalyst was recovered by centrifugation, dried at 120 ° C., and calcined at 500 ° C. under air flow. The catalyst thus obtained is referred to as Si-Ta 2 O 5 (1.6) / SiO 2 . The specific surface area of this catalyst was 289 m 2 / g.

調製例6
ケイ酸エチル(和光純薬工業(株)製)12.5g、エタノール12.5ml、蒸留水1.1g、硝酸0.55g(和光純薬工業(株)製)を混合し、撹拌しながら76℃で3時間還流した。一方で、タンタルエトキシド0.3gをエタノール100mlに溶解させ、NIPGEL CX−200 10.0gを加えて室温で2時間撹拌した。これら2つの溶液を混合し、76℃で5時間還流した。その後、遠心分離で触媒を回収し、120℃乾燥後、空気流通下500℃で焼成した。このように得られた触媒をSi(TEOS)−Ta25(1.6)/SiO2と表記する。この触媒の比表面積は361m2/gであった。
Preparation Example 6
Ethyl silicate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 12.5 g, ethanol 12.5 ml, distilled water 1.1 g, nitric acid 0.55 g (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) are mixed and stirred while stirring 76. The mixture was refluxed at ° C. for 3 hours. On the other hand, 0.3 g of tantalum ethoxide was dissolved in 100 ml of ethanol, 10.0 g of NIPGEL CX-200 was added, and the mixture was stirred at room temperature for 2 hours. These two solutions were mixed and refluxed at 76 ° C. for 5 hours. Then, the catalyst was recovered by centrifugation, dried at 120 ° C., and calcined at 500 ° C. under air flow. The catalyst thus obtained is referred to as Si (TEOS) -Ta 2 O 5 (1.6) / SiO 2 . The specific surface area of this catalyst was 361 m 2 / g.

調製例7
調製例2で得られたTa25(0.16)/SiO2 3.0gにNH3水(pH=10.0)15mlを加えて、そこに3−アミノプロピルトリエトキシシラン0.026gを滴下し、撹拌しながら60℃まで昇温して4時間保持した。その後、遠心分離で触媒を回収し、120℃乾燥後、空気流通下500℃で焼成した。このように得られた触媒をSi−Ta25(0.16)/SiO2と表記する。この触媒の比表面積は314m2/gであった。
Preparation Example 7
To 3.0 g of Ta 2 O 5 (0.16) / SiO 2 obtained in Preparation Example 2, 15 ml of NH 3 water (pH = 10.0) was added, and 0.026 g of 3-aminopropyltriethoxysilane was added thereto. Was added dropwise, the temperature was raised to 60 ° C. with stirring, and the mixture was held for 4 hours. Then, the catalyst was recovered by centrifugation, dried at 120 ° C., and calcined at 500 ° C. under air flow. The catalyst thus obtained is referred to as Si-Ta 2 O 5 (0.16) / SiO 2 . The specific surface area of this catalyst was 314 m 2 / g.

調製例8
調製例3で得られたZrO2(1.0)/SiO2 3.0gにNH3水(pH=10.0) 15mlを加えて、そこに3−アミノプロピルトリエトキシシラン0.083gを滴下し、撹拌しながら60℃まで昇温して4時間保持した。その後、遠心分離で触媒を回収し、120℃乾燥後、空気流通下500℃で焼成した。このように得られた触媒をSi−ZrO2(1.0)/SiO2と表記する。この触媒の比表面積は305m2/gであった。
Preparation Example 8
To 3.0 g of ZrO 2 (1.0) / SiO 2 obtained in Preparation Example 3, 15 ml of NH 3 water (pH = 10.0) was added, and 0.083 g of 3-aminopropyltriethoxysilane was added dropwise thereto. Then, the temperature was raised to 60 ° C. with stirring and maintained for 4 hours. Then, the catalyst was recovered by centrifugation, dried at 120 ° C., and calcined at 500 ° C. under air flow. The catalyst thus obtained is referred to as Si-ZrO 2 (1.0) / SiO 2 . The specific surface area of this catalyst was 305 m 2 / g.

調製例9
調製例4で得られたHfO2(1.7)/SiO2 3.0gにNH3水(pH=10.0)15mlを加えて、そこに3−アミノプロピルトリエトキシシラン0.083gを滴下し、撹拌しながら60℃まで昇温して4時間保持した。その後、遠心分離で触媒を回収し、120℃乾燥後、空気流通下500℃で焼成した。このように得られた触媒をSi−HfO2(1.7)/SiO2と表記する。この触媒の比表面積は307m2/gであった。
Preparation Example 9
To 3.0 g of HfO 2 (1.7) / SiO 2 obtained in Preparation Example 4, 15 ml of NH 3 water (pH = 10.0) was added, and 0.083 g of 3-aminopropyltriethoxysilane was added dropwise thereto. Then, the temperature was raised to 60 ° C. with stirring and maintained for 4 hours. Then, the catalyst was recovered by centrifugation, dried at 120 ° C., and calcined at 500 ° C. under air flow. The catalyst thus obtained is referred to as Si-HfO 2 (1.7) / SiO 2 . The specific surface area of this catalyst was 307 m 2 / g.

比較例1〜4、実施例1〜5
<反応試験>
表1に記載の触媒 0.63 gを固定床流通型反応器に充填し、以下の反応条件で実験を行った。
Comparative Examples 1 to 4, Examples 1 to 5
<Reaction test>
0.63 g of the catalyst shown in Table 1 was filled in a fixed bed flow reactor, and the experiment was conducted under the following reaction conditions.

反応器に窒素(6.8Nml/min)を流しながら350℃まで昇温し0.26MPaGまで昇圧した後、原料ガスとしてエタノール(11.0Nml/min)とアセトアルデヒド(4.4Nml/min)および窒素(6.8Nml/min)を混合して反応器に供給した(WHSV=3.0g-(EtOH+AcH)・g-cat -1・h-1)。反応器出口ガス組成をガスクロマトグラフにより求めた。
転化率、選択率は以下の式により求めた。
While flowing nitrogen (6.8 Nml / min) through the reactor, the temperature was raised to 350 ° C. and the pressure was increased to 0.26 MPaG, and then ethanol (11.0 Nml / min), acetaldehyde (4.4 Nml / min) and nitrogen were used as raw material gases. (6.8 Nml / min) was mixed and supplied to the reactor (WHSV = 3.0 g-(EtOH + AcH) · g -cat -1 · h -1 ). The composition of the reactor outlet gas was determined by gas chromatography.
The conversion rate and selectivity were calculated by the following formulas.

Figure 0006803289
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Figure 0006803289
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比較例1のTa25(1.6)/SiO2では1,3−ブタジエン選択率66.2C−mol%、1,3−ブタジエン収率32.3C−mol%であるのに対し、実施例1のSi−Ta25(1.6)/SiO2では1,3−ブタジエン選択率79.9C−mol%、1,3−ブタジエン収率39.5C−mol%、実施例2のSi(TEOS)-Ta25(1.6)/SiO2では1,3−ブタジエン選択率73.4C−mol%、1,3−ブタジエン収率36.8C−mol%と、ケイ素を含む物質により処理されることによって1,3−ブタジエン選択率、1,3−ブタジエン収率が向上した。処理によって転化率はほとんど変わらなかった。 In Comparative Example 1, Ta 2 O 5 (1.6) / SiO 2 , the selectivity of 1,3-butadiene was 66.2 C-mol% and the yield of 1,3-butadiene was 32.3 C-mol%, whereas it was 32.3 C-mol%. In the case of Si-Ta 2 O 5 (1.6) / SiO 2 of Example 1, the selectivity of 1,3-butadiene was 79.9 C-mol%, the yield of 1,3-butadiene was 39.5 C-mol%, and that of Example 2. In Si (TEOS) -Ta 2 O 5 (1.6) / SiO 2 , silicon has a selectivity of 73.4 C-mol% and a yield of 1,3-butadiene of 36.8 C-mol%. Treatment with a substance containing improved 1,3-butadiene selectivity and 1,3-butadiene yield. The conversion rate was almost unchanged by the treatment.

Ta担持量の異なるTa25(0.16)/SiO2でも、比較例2と比べてケイ素を含む化合物による処理を行った実施例3では、1,3−ブタジエン収率は16.2C−mol%から16.7C−mol%とやや向上し、1,3−ブタジエン選択率が66.3C−mol%から71.7C−mol%に向上した(それぞれ比較例2、実施例3)。 Even with Ta 2 O 5 (0.16) / SiO 2 having a different amount of Ta carried, in Example 3 in which the treatment with a compound containing silicon was performed as compared with Comparative Example 2, the yield of 1,3-butadiene was 16.2 C. It was slightly improved from −mol% to 16.7C−mol%, and the 1,3-butadiene selectivity was improved from 66.3C−mol% to 71.7C−mol% (Comparative Example 2 and Example 3 respectively).

同様に、ZrO2(1.0)/SiO2でも、比較例3に比べてケイ素を含む化合物による処理によって実施例4では、1,3−ブタジエン収率は32.3C−mol%から37.4C−mol%に、1,3−ブタジエン選択率は67.5C−mol%から77.3C−mol%に向上した(それぞれ比較例3、実施例4)。 Similarly, in ZrO 2 (1.0) / SiO 2 , the yield of 1,3-butadiene was 32.3 C-mol% to 37. In Example 4 by treatment with a compound containing silicon as compared with Comparative Example 3. At 4C-mol%, the selectivity of 1,3-butadiene was improved from 67.5C-mol% to 77.3C-mol% (Comparative Example 3 and Example 4, respectively).

HfO2(1.7)/SiO2でも比較例4と実施例5とを対比すると、1,3−ブタジエン収率が37.0C−mol%から39.1C−mol%に、1,3−ブタジエン選択率が64.1C−mol%から68.0C−mol%に向上した(比較例3、実施例5)。 Comparing Comparative Example 4 and Example 5 with HfO 2 (1.7) / SiO 2 , the yield of 1,3-butadiene increased from 37.0 C-mol% to 39.1 C-mol%, 1,3-. The butadiene selectivity was improved from 64.1 C-mol% to 68.0 C-mol% (Comparative Example 3 and Example 5).

29Si−MAS−NMR測定>
29Si−MAS−NMR測定は以下の条件で実施した。
装置:Agilent社製VNMRS−600
パルスプログラム:シングルパルス
サンプル回転数:6 kHz
繰り返し時間:100 sec
パルス幅:90°
積算回数:512回
二次標準としてポリジメチルシロキサン(PDMS)を用いて−34.44ppmに調整
< 29 Si-MAS-NMR measurement>
29 Si-MAS-NMR measurement was carried out under the following conditions.
Equipment: Agilent's VNMRS-600
Pulse program: Single pulse sample rotation speed: 6 kHz
Repeat time: 100 sec
Pulse width: 90 °
Number of integrations: 512 times Adjusted to -34.44 ppm using polydimethylsiloxane (PDMS) as a secondary standard

比較例5
調製例1で得られたTa25(1.6)/SiO229Si−MAS−NMRを測定した。Q2(−91ppm付近)、Q3(−101ppm付近)、Q4(−111ppm付近)に帰属されるシグナルが検出された。ケミカルシフト値−111ppm付近の極大値のシグナル強度を1とした場合の、ケミカルシフト値−105ppmでのシグナル強度は0.48であった。
Comparative Example 5
29 Si-MAS-NMR of Ta 2 O 5 (1.6) / SiO 2 obtained in Preparation Example 1 was measured. Signals attributed to Q2 (around -91 ppm), Q3 (around -101 ppm), and Q4 (around -111 ppm) were detected. When the signal intensity of the maximum value near the chemical shift value of −111 ppm was set to 1, the signal intensity at the chemical shift value of −105 ppm was 0.48.

実施例6
調製例6で得られたSi−Ta25(1.6)/SiO229Si−MAS−NMRを測定した。Q2(−91ppm付近)、Q3(−101ppm付近)、Q4(−111ppm付近)に帰属されるシグナルが検出された。ケミカルシフト値−111ppm付近の極大値のシグナル強度を1とした場合の、ケミカルシフト値−105ppmでのシグナル強度は0.68であった。
Example 6
29 Si-MAS-NMR of Si-Ta 2 O 5 (1.6) / SiO 2 obtained in Preparation Example 6 was measured. Signals attributed to Q2 (around -91 ppm), Q3 (around -101 ppm), and Q4 (around -111 ppm) were detected. When the signal intensity of the maximum value near the chemical shift value of −111 ppm was set to 1, the signal intensity at the chemical shift value of −105 ppm was 0.68.

実施例7
調製例7で得られたSi(TEOS)−Ta25(1.6)/SiO229Si−MAS−NMRを測定した。Q2(−91ppm付近)、Q3(−101ppm付近)、Q4(−111ppm付近)に帰属されるシグナルが検出された。ケミカルシフト値−111ppm付近の極大値のシグナル強度を1とした場合の、ケミカルシフト値−105ppmでのシグナル強度は0.58であった。
Example 7
29 Si-MAS-NMR of Si (TEOS) -Ta 2 O 5 (1.6) / SiO 2 obtained in Preparation Example 7 was measured. Signals attributed to Q2 (around -91 ppm), Q3 (around -101 ppm), and Q4 (around -111 ppm) were detected. When the signal intensity of the maximum value near the chemical shift value of −111 ppm was set to 1, the signal intensity at the chemical shift value of −105 ppm was 0.58.

Claims (7)

周期表第4族および5族の元素(A)と、担体成分である二酸化ケイ素とを含む物質の表面水酸基およびオキソ基の少なくとも一部を、加水分解性基を有するケイ素化合物との反応により、−O−Si基で置換して得られ、
前記物質は、担体成分である二酸化ケイ素の表面に周期表第4族および5族の元素(A)を担持させ、前記元素(A)を前記二酸化ケイ素に固定化して得られることを特徴とする、エタノールを含む原料から1,3−ブタジエンを製造する1,3−ブタジエン製造触媒の製造方法
At least a part of the surface hydroxyl groups and oxo groups of a substance containing the elements (A) of Group 4 and Group 5 of the periodic table and silicon dioxide as a carrier component is reacted with a silicon compound having a hydrolyzable group. Obtained by substitution with an —O—Si group
The substance is characterized in that the element (A) of Group 4 and Group 5 of the periodic table is supported on the surface of silicon dioxide which is a carrier component, and the element (A) is immobilized on the silicon dioxide. , A method for producing a 1,3-butadiene production catalyst for producing 1,3-butadiene from a raw material containing ethanol.
前記加水分解性基を有するケイ素化合物は、式(1)からなるモノマーであることを特徴とする請求項1に記載の1,3−ブタジエン製造触媒の製造方法。 The method for producing a 1,3-butadiene production catalyst according to claim 1, wherein the silicon compound having a hydrolyzable group is a monomer composed of the formula (1).
SiYSiY nn R (4-n)(4-n) ・・・(1) ... (1)
式中、Yは、それぞれ独立に加水分解性基、Rは炭素数が1〜20の置換又は非置換の炭化水素基、nは、1〜4の整数である。In the formula, Y is an independently hydrolyzable group, R is a substituted or unsubstituted hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms, and n is an integer of 1 to 4.
前記1,3−ブタジエン製造触媒は、前記元素(A)上の表面水酸基およびオキソ基の少なくとも一部を、前記加水分解性基を有するケイ素化合物との反応により、−O−Si基で置換して得られることを特徴とする、請求項1または2に記載の1,3−ブタジエン製造触媒の製造方法。 In the 1,3-butadiene production catalyst, at least a part of the surface hydroxyl group and the oxo group on the element (A) is replaced with an —O—Si group by a reaction with the silicon compound having a hydrolyzable group. The method for producing a 1,3-butadiene production catalyst according to claim 1 or 2, wherein the catalyst is obtained. 加水分解性基を有するケイ素化合物中のケイ素と元素(A)のモル比(加水分解性基を有するケイ素化合物中のケイ素[mol]/元素(A)[mol])が0.1から100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1,3−ブタジエン製造触媒の製造方法。 The molar ratio of silicon to element (A) in a silicon compound having a hydrolyzable group (silicon [mol] / element (A) [mol] in a silicon compound having a hydrolyzable group) is 0.1 to 100. The method for producing a 1,3-butadiene production catalyst according to any one of claims 1 to 3, wherein the method is characterized by the above. 二酸化ケイ素上の元素(A)の密度が1〜50個/nm2の範囲であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の1,3−ブタジエン製造触媒の製造方法。 The production of the 1,3-butadiene production catalyst according to any one of claims 1 to 4, wherein the density of the element (A) on silicon dioxide is in the range of 1 to 50 elements / nm 2. Method. 元素(A)がジルコニウム、ハフニウムおよびタンタルから選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の1,3−ブタジエン製造触媒の製造方法。 The method for producing a 1,3-butadiene production catalyst according to any one of claims 1 to 5, wherein the element (A) is at least one selected from zirconium, hafnium and tantalum. 29Si−NMRのケミカルシフト値:−111ppm付近の極大値のシグナル強度を1とした場合に、ケミカルシフト値:−105ppmでのシグナル強度が0.55以上であることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の1,3−ブタジエン製造触媒の製造方法。 29 Si-NMR chemical shift value: When the signal intensity of the maximum value near −111 ppm is 1, the signal intensity at the chemical shift value: −105 ppm is 0.55 or more. The method for producing a 1,3-butadiene production catalyst according to any one of 1 to 6.
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