JP7689877B2 - Zeolite manufacturing method and manufacturing device - Google Patents
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Description
本発明は、有機構造規定剤(OSDA)を用いないでゼオライトを製造する方法及び当該方法に適したゼオライトの製造装置に関する。 The present invention relates to a method for producing zeolite without using an organic structure directing agent (OSDA) and a zeolite production apparatus suitable for said method.
OSDAを用いずにゼオライトを製造する方法は公知である(特許文献1)。特許文献1に記載の方法は、シリカ源、アルミナ源、アルカリ源及び水からなる反応混合物に種結晶を混ぜて、高温高圧下でゼオライトを製造する。反応混合物は、固相であるアルミノシリケートのゲルと液相であるアルカリ水溶液とを含有する。特許文献1には、OSDAを用いずにゼオライトを製造する方法として、撹拌せずに静置状態で反応混合物と種結晶とを加熱して反応させる方法が記載されている。
A method for producing zeolite without using an OSDA is known (Patent Document 1). In the method described in
種結晶を含む反応混合物を静置状態で所定温度まで昇温して所定時間反応させることで高品質なゼオライトを高収率で得られる。
種結晶を混ぜた反応混合物に加熱昇温する段階では反応が起きないか極めて遅いので撹拌混合することが可能なので、迅速に昇温することが可能である。反応温度に到達したのち静置反応すると、反応混合物のうち固相部分は、反応容器の下部に沈積し、上部の液相のアルカリ水溶液で徐々に溶解され、その過飽和度により種結晶を取り込みながらゼオライトを生成する。
しかしながら、反応混合物と種結晶とを静置状態で加熱して反応させる方法には以下の問題があった。
反応時間を制御するには、反応終了後のゼオライトの冷却速度を制御する必要がある。反応終了時に反応容器下部に沈積したゼオライト結晶のケーキは、ケーキ状に堆積状態で固まりやすい。ケーキ状のままでは外部冷却面からの固体伝熱となり、総括伝熱係数が小さく結果的に徐冷することになり、反応時間制御が難しい。また、スケールアップすると比表面積が小さくなり、一層冷却速度の制御が難しくなる。反応時間が正確に制御できないと、副反応が起こり目的とするゼオライト以外の他のゼオライトが生成するなど不純物の混入につながる。
また、ゼオライト結晶のケーキは、理由は明確ではないが、反応容器の内壁表面に固着しやすく、取り出し難い。結果として、歩留まりが低下すること、反応容器をアルカリ溶液で洗浄して付着したゼオライト結晶を溶解除去する処理コストがかかることとなる。これらはコストや環境問題を重要視する工業生産において解決すべき重要な問題である。かといって反応容器の内壁表面に剥離作用を付与する処理をすると、撹拌翼を回転させるとケーキ全体が空回りしてケーキの解砕は一層難しくなる。
The reaction mixture containing the seed crystals is allowed to stand while being heated to a predetermined temperature and reacted for a predetermined period of time, whereby a high-quality zeolite can be obtained in high yield.
When the reaction mixture containing the seed crystals is heated, the reaction does not occur or is very slow, so it is possible to stir and mix, making it possible to heat the mixture quickly. When the reaction mixture is left to react after reaching the reaction temperature, the solid phase of the reaction mixture is deposited at the bottom of the reaction vessel and is gradually dissolved by the alkaline aqueous solution in the liquid phase at the top, and zeolite is produced while incorporating the seed crystals due to the degree of supersaturation.
However, the method of reacting the reaction mixture with the seed crystals by heating them in a stationary state has the following problems.
To control the reaction time, it is necessary to control the cooling rate of the zeolite after the reaction is complete. The cake of zeolite crystals that settles at the bottom of the reaction vessel at the end of the reaction tends to solidify in a cake-like pile. If it remains in a cake-like form, heat is transferred through a solid state from the external cooling surface, and the overall heat transfer coefficient is small, resulting in slow cooling, making it difficult to control the reaction time. Furthermore, when the reaction is scaled up, the specific surface area becomes smaller, making it even more difficult to control the cooling rate. If the reaction time cannot be accurately controlled, side reactions occur, leading to the production of zeolites other than the desired zeolite, and the introduction of impurities.
In addition, the cake of zeolite crystals, although the reason is unclear, tends to adhere to the inner wall surface of the reaction vessel, making it difficult to remove. As a result, the yield decreases, and the cost of washing the reaction vessel with an alkaline solution to dissolve and remove the adhering zeolite crystals is high. These are important problems that must be solved in industrial production, where cost and environmental issues are important. However, if the inner wall surface of the reaction vessel is treated to give it a peeling effect, the entire cake will spin freely when the stirring blades are rotated, making it even more difficult to break down the cake.
本発明の課題は、前述した従来技術が有する種々の欠点を解消し得るゼオライトの製造方法及び製造装置を提供することにある。
すなわち、本発明は、反応装置下部に沈積したゼオライト結晶のケーキを短時間に解砕して流動化でき、反応時間の正確な制御を可能とすることで高品質で安価なゼオライトを製造する方法とその製造装置に関するものである。
An object of the present invention is to provide a method and apparatus for producing zeolite which can eliminate the various drawbacks of the prior art described above.
That is, the present invention relates to a method and an apparatus for producing high-quality, inexpensive zeolite by crushing and fluidizing the cake of zeolite crystals deposited in the lower part of a reaction apparatus in a short period of time and enabling accurate control of the reaction time.
本発明は、シリカ源、アルミナ源、アルカリ源、及び水を含み、且つ有機構造規定剤を含まない反応混合物と種結晶とを含むゼオライト原料を、密閉状態の反応容器内で加熱して静置状態で反応させる第1工程と、
反応によって生成した塊状のゼオライトを反応容器外に排出する第2工程と、を有するゼオライトの製造方法であって、
前記反応容器は、ゼオライトを排出するための排出口を底部に有しており、当該底部の底面は、前記排出口に向けて下方傾斜した傾斜面を有する漏斗状に形成されており、
前記反応容器は、撹拌部材を有しており、
前記撹拌部材は、反応容器を平面視したときに前記漏斗状の底面の中心に位置して上下方向に延びる回転軸と、当該回転軸に取り付けられて前記反応容器の前記傾斜面に沿って延びる端縁部を有する第1の撹拌翼と、当該回転軸における当該第1の撹拌翼の上部に取り付けられた第2の撹拌翼とを有しており、
反応容器の底部の傾斜面と、第1の撹拌翼の前記端縁部とは非接触の状態にあり、
前記第2工程において、前記回転軸を回転させて第1の撹拌翼と第2の撹拌翼によりゼオライトを流動化し、流動化したゼオライトを前記排出口から排出する、ゼオライトの製造方法を提供するものである。
The present invention relates to a method for producing a zeolite-based catalyst comprising the steps of: a first step of heating a reaction mixture containing a silica source, an alumina source, an alkali source, and water, but not containing an organic structure-directing agent, and a seed crystal in a sealed reaction vessel and allowing the reaction to occur in a stationary state;
A second step of discharging the aggregated zeolite produced by the reaction from the reaction vessel,
The reaction vessel has a discharge port at a bottom for discharging the zeolite, and a bottom surface of the bottom is formed in a funnel shape having an inclined surface that is inclined downward toward the discharge port,
The reaction vessel has a stirring member,
The stirring member has a rotating shaft that is located at the center of the funnel-shaped bottom surface when the reaction vessel is viewed from above and extends in the vertical direction, a first stirring blade that is attached to the rotating shaft and has an edge portion that extends along the inclined surface of the reaction vessel, and a second stirring blade that is attached to an upper portion of the first stirring blade on the rotating shaft,
the inclined surface of the bottom of the reaction vessel and the edge of the first agitating blade are in a non-contact state;
In the second step, the rotating shaft is rotated to fluidize the zeolite with the first stirring blade and the second stirring blade, and the fluidized zeolite is discharged from the discharge outlet.
また本発明は、有機構造規定剤を使用せずにゼオライトを製造するための製造装置であって、
ゼオライト原料を密閉状態下に加熱可能な反応容器と、該反応容器内に収容可能な撹拌部材とを有しており、
前記反応容器は、底部に流動化したゼオライトを排出するための排出口を有しており、当該底部の底面は、前記排出口に向けて傾斜した傾斜面を有する漏斗状に形成されており、
前記撹拌部材は、平面視したときに前記漏斗状の底面の中心に位置して上下方向に延びる回転軸と、当該回転軸に取り付けられて、前記反応容器の前記傾斜面に沿って延びる端縁部を有する第1の撹拌翼と、当該回転軸における当該第1の撹拌翼の上部に取り付けられた第2の撹拌翼とを有しており、反応容器の底部の傾斜面と、第1の撹拌翼の前記端縁部とは非接触の状態にある、製造装置を提供するものである。
The present invention also provides an apparatus for producing a zeolite without using an organic structure-directing agent, comprising:
The apparatus includes a reaction vessel capable of heating the zeolite raw material under a sealed condition, and a stirring member that can be accommodated in the reaction vessel.
The reaction vessel has a discharge port at a bottom for discharging the fluidized zeolite, and a bottom surface of the bottom is formed in a funnel shape having an inclined surface inclined toward the discharge port,
The stirring member has a rotating shaft that is located at the center of the funnel-shaped bottom surface when viewed in a plane and extends in the vertical direction, a first stirring blade attached to the rotating shaft and having an edge portion extending along the inclined surface of the reaction vessel, and a second stirring blade attached to the upper part of the first stirring blade on the rotating shaft, and the inclined surface of the bottom of the reaction vessel and the edge portion of the first stirring blade are in a non-contact state, thereby providing a manufacturing apparatus.
本発明によれば、OSDAを用いずに静置状態の密閉加熱によりゼオライトを製造した場合であっても、塊状のゼオライトを容易に反応容器20外に取り出すことができ、製造コストを低減しながら高品質なゼオライトを製造可能なゼオライトの製造方法及び製造方法を提供することができる。本発明で用いる撹拌部材はオートクレーブ内に収容可能で反応混合物と種結晶の混合にも使用でき、比較的単純な構造により優れた効果を奏する。
According to the present invention, even when zeolite is produced by heating in a closed, stationary state without using an OSDA, the lump zeolite can be easily removed from the
以下図面に基づき本発明の好ましい実施形態を説明する。
図1に示す通り、本実施形態で用いるゼオライト製造装置10は、オートクレーブ装置であり、ゼオライト原料を密閉状態下に加熱可能な反応容器20と、該反応容器20内に収容可能な撹拌部材30とを有している。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the
図1に示すようにゼオライト製造装置10は、その缶体がそのままゼオライト原料を貯留する反応容器20を構成する。すなわち、製造装置10において反応容器20は、取り外し可能に缶体に設置されていてもよく、取り外し不可能な状態で缶体に設置されていてもよい。ゼオライト製造装置10のこのような構造は、熱せられた缶体(反応容器20)の熱が直接ゼオライト原料に伝わり、ゼオライト原料の温度制御が容易で高品質なゼオライトを得やすい点で好ましい。反応容器20はステンレス鋼等で構成することが好ましい。
As shown in FIG. 1, the
反応容器20には蓋体24が開閉可能に設置されている。反応容器20内のゼオライト原料は、反応容器20の外周部に設けられたジャケット26内のパイプ(不図示)に熱媒体又はスチームを流通させることによって加熱される。
The
図1に示すように、反応容器20は、ゼオライトを排出するための排出口22を底部21に有している。反応容器20の底部21は、漏斗状に形成された底面23を有する。底面23は排出口22に向けて下方傾斜した傾斜面23aを有する。ここでいう漏斗状とは、円錐状を含む。傾斜面23aは反応容器20を側面視したときに平坦である。傾斜面23aは排出口22と連続している。傾斜面23aは反応容器20を側面視したときに、水平面に対する角度(図1の角度α)が5°以上70°以下であることがゼオライトの排出容易性や反応容器の容量を高めて製造効率を向上する点で好ましく、30°以上50°以下であることがより好ましい。特に、前記の角度αは42°よりも大きいことが、流動性が高く確実に排出効率を高められるため好ましい。なお、水平面とは、後述する回転軸31の延びる上下方向と直交する面をいう。以下、上下方向を「垂直方向」と記載する場合もある。
As shown in FIG. 1, the
反応容器20は、漏斗状に形成された底面23を有する底部21と、当該底部21と連続する直胴部25とを有している。直胴部25は、後述する回転軸31の延びる方向と同方向に延びる垂直壁部である。直胴部25の内面は漏斗状の底面23の上端から回転軸31の延びる方向と同方向に延びる垂直壁面となっている。直胴部25は屈曲部28を構成している。屈曲部28は、反応容器20を側面視したときに曲線状に形成されていてもよい。反応容器における直胴部25の側部には、反応容器20内部に合成されるゼオライト固相内部の温度を測定し目標温度に調整するための温度計71(測温抵抗体)が取り付けられている。反応容器20内の温度は、温度計71等を用いて制御される。
The
図1及び図2(a)に示すように、反応容器20は、その内部貯留物を撹拌可能な撹拌部材30を有している。撹拌部材30は、反応容器20を平面視したときに漏斗状の底面23の中心に位置して上下方向に延びる回転軸31と、回転軸31に取り付けられた第1の撹拌翼41と、回転軸31における第1の撹拌翼41における上方に取り付けられた第2の撹拌翼51とを有している。図1に示すように、第2の撹拌翼51は、回転軸31と直交する方向において直胴部25に対向する位置に設けられている。第1の撹拌翼41及び第2の撹拌翼51はいずれも、反応容器20を平面視したときに、回転軸31を中心とする円の径方向外側に延びる翼部(翼部43、53、63)を有する。
1 and 2(a), the
図1及び図2(a)に示す例では、第2の撹拌翼51は回転軸31を中心とする円の径方向外側に延びる翼部として、前記回転軸の延びる方向における下側に位置する下段翼部63と、上側に位置する上段翼部53とを有する。図1及び図2(a)に示す例では、第2の撹拌翼51は、上段翼部53及び下段翼部63を有する。しかしながら、例えば上段翼部53のみを設け、下段翼部63を有しなくてもよい。複数の上段翼部53は、それぞれ、前記の径方向外側の先端にスクレイパー(第2翼部)47を有している。スクレイパー47は直胴部25の垂直に延びる壁面(以下「垂直壁面」ともいう。)に対向して当該垂直壁面に沿って且つ垂直壁面の延びる方向に沿って延びる端縁部42aを有する。図1及び図2(a)に示す例では、上段翼部53と下段翼部63は同数存在する。反応容器20を平面視したときに、複数の上段翼部53それぞれと複数の下段翼部63それぞれは、径方向外側へ延びる方向が互いに一致している。そして上方に位置する上段翼部53が結合するスクレイパー47に、下方に位置する下段翼部63の前記径方向外側端部が結合している。
In the example shown in FIG. 1 and FIG. 2(a), the second agitating
図1に示すように、回転軸31は蓋体24に取り付けられた回転軸31の支持体32に接続されており、支持体32は回転軸31を駆動するための不図示のモーターを有している。回転軸31は、不図示のモーターにより、反応容器20を平面視したときに底面の中心を回転可能になされている。回転軸31が回転することで、第1の撹拌翼41及び第2の撹拌翼51が回転軸31と一体に駆動されて、反応容器20の内部貯留物を撹拌可能になされている。
As shown in FIG. 1, the rotating
ゼオライトを排出する第2工程において、第1の撹拌翼41は反応容器20の底面23に固着したゼオライトを引きはがし、流動化する役割をもっぱら担う。第2の撹拌翼51は第2工程において、反応容器20の直胴部25の下方部分に形成されたゼオライト固相部分を直胴部25内面から引きはがし流動化する役割を持つと同時に、当該固相部の上面より上の液相部をも撹拌することにより第1の撹拌翼41とともに上下方向の流れを起こす役割を担う。この上下方向の流れは、反応容器20の下部に堆積したゼオライトを掻き揚げるとともに、反応容器20上部の反応母液を下方に送り込み塊状のゼオライトに取り込ませ流動化を促す。撹拌部材30はステンレス鋼等で形成されていることが好ましい。
In the second step of discharging the zeolite, the
第1の撹拌翼41の翼部43はそれぞれ、反応容器20の上面側に位置する表面の少なくとも一部が水平面に対して傾斜した傾斜面となった形状を有する。例えば、第1の撹拌翼41の翼部43は回転軸の延びる方向と直交する方向からみたときに、その上面が水平面に対して傾斜した板状である(以下、当該形状を「傾斜板状」ともいう。)か、又は長手方向における前記の径方向外側から内側をみたときに、断面が上方に向かうにつれて窄んだ三角形状若しくは台形形状をしていることが好ましい。第1の撹拌翼41の翼部43の前記断面の形状が前記三角形状若しくは台形状であることは以下の点で好ましい。すなわち、この場合、回転軸31の回転始動時の正転又は逆転のいずれの方向に回転軸31が回転した場合でもゼオライト固相から受けるせん断抵抗の受圧面積を低下させてモーターのトルク負荷を低減しながら効率よくゼオライト固相部の反応容器20の底面23からの引きはがし及び解砕を行うことができるためである。特に底部に生成したゼオライトの固相を撹拌するためモーターのトルク負荷が大きくなりがちな第1の撹拌翼41の翼部43では、前記断面の形状が前記三角形状若しくは台形状をしていることが好ましく、前記三角形状をしていることが更に好ましい。前記断面の形状が三角形状又は台形状を有する場合、第1の撹拌翼41の翼部43は三角柱状又は台形柱状である。なお前記断面の台形状は等脚台形状であることが好ましい。
Each of the
図1及び図2(a)に示す例では、第1の撹拌翼41の翼部43は、前記断面の形状が二等辺三角形状に形成されている。この二等辺三角形は、1つの底辺と2つの等辺からなり、2つの等辺の交点である頂点が上方を向いた形状を有している。前記断面の形状が二等辺三角形である場合にその底角が鋭角であることが好ましい。この場合、回転軸31の回転始動時の正転または逆転のどちらの回転においても、ゼオライト固相から受けるせん断抵抗の受圧面積を一層低下させ回転軸31のトルク負荷を更に低減することができる。前記断面の二等辺三角形状の底角の角度は、合成終了後、撹拌部材30の正転起動時または逆転起動時の剪断力を極力小さくし、反応容器20の底面23からゼオライト固相を引きはがしその後の解砕を効率よく行う点から、20°以上40°以下であることが好ましく、25°以上35°以下であることがより好ましい。
1 and 2(a), the
第1の撹拌翼41は反応容器20の傾斜面23aに沿って延びる端縁部42を有する。図1及び図2(a)の例で、端縁部42は、翼部43の延びる方向と直交する断面において前記二等辺三角形状における底面又は底角の頂点に該当する。端縁部42は傾斜面23aに沿って直線状に延びている。回転軸31が回転する場合、第1の撹拌翼41は、その端縁部42が、反応容器20における漏斗状の底面23に沿って回転するように駆動される。これにより反応容器20の底面に生成した塊状のゼオライトを効果的にほぐして流動化させ、反応容器20の底面23へのゼオライトの残留を効果的に抑制できる。
The
本実施形態において、反応容器20の底部21の傾斜面23aと、第1の撹拌翼41の端縁部42とは非接触の状態にある。本発明者は、この構成は以下の効果を奏すると考えている。
ナノ粒子を含むスラリーでは、スラリーの粘性は、擬塑性流体、すなわちずり速度が大きいほど粘度が低下する流体となることが多い。さらに、ゼオライトの如き多孔質の場合は、比表面積が大きいことからなおさらそのスラリーの挙動は、せん断速度の影響を受けやすい。すなわち、流動していないゼオライトスラリー、いわゆるゼオライトケーキの粘度は極めて大きく容易には流動化しない。例えばOSDAを非含有の反応混合物に種結晶を添加して製造した複数のベータ型ゼオライトを、反応混合物から分離してせん断速度と粘度との関係をアントンパール社製MCR-501を用い25mmφパラレルプレート、ギャップ1mmで100/sの定常流で1分間撹拌後、測定したグラフを図3に示す。▲●■のプロットは、水1体積に対してゼオライト1体積を加えたスラリーの粘度であり、△○□のプロットは、同じゼオライトを1体積に対して、水3体積を加えたスラリーの粘度である。測定に使用したベータ型ゼオライトは後述する比較例1において反応終了後の反応容器から取り出したスラリーである。
図3に示す通り、スラリー中のゼオライト量が多い場合も少ない場合も、ゼオライトのずり速度がゼロに近い状態では、せん断応力は極めて大きく、流動性を付与することが極めて難しい。しかしながら極めてわずかなせん断力を与えることができるならば、その粘度は急激に低下し、撹拌及び流体輸送が可能となる。また、スラリー中の水の割合が多いと粘性は低いが、ゼオライトの割合が多いと粘性は10倍以上高くなることがわかる。
そこで、本発明者は、反応容器20の内壁の近傍にずり速度を与える第1の撹拌翼41の端縁部42を設置すれば、ずり速度を最大化できること、それにより生じた流動化したゼオライトのケーキは、反応混合溶液によって希釈され、ゼオライトスラリー全体が流動化することを見出した。
In this embodiment, the
In the case of slurries containing nanoparticles, the viscosity of the slurry is often pseudoplastic, that is, the viscosity decreases with increasing shear rate. Furthermore, in the case of porous materials such as zeolites, the behavior of the slurry is even more susceptible to the influence of shear rate due to the large specific surface area. In other words, the viscosity of a non-fluidized zeolite slurry, or zeolite cake, is extremely high and does not easily become fluid. For example, several beta zeolites produced by adding seed crystals to a reaction mixture not containing OSDA were separated from the reaction mixture, and the relationship between shear rate and viscosity was measured using an Anton Paar MCR-501 with 25 mmφ parallel plates and a gap of 1 mm after stirring for 1 minute at a steady flow of 100/s. The plots of ▲●■ show the viscosity of a slurry with 1 volume of zeolite added to 1 volume of water, and the plots of △○□ show the viscosity of a slurry with 1 volume of the same zeolite added to 3 volumes of water. The beta zeolite used in the measurement was a slurry taken out from the reaction vessel after completion of the reaction in Comparative Example 1 described later.
As shown in Figure 3, whether the amount of zeolite in the slurry is large or small, when the shear rate of the zeolite is close to zero, the shear stress is very large and it is very difficult to give fluidity to the slurry. However, if a very small shear force can be applied, the viscosity drops rapidly and stirring and fluid transport become possible. It can also be seen that the viscosity is low when the proportion of water in the slurry is large, but the viscosity is more than 10 times higher when the proportion of zeolite is large.
Therefore, the present inventors discovered that the shear rate can be maximized by placing the
本発明により反応時間の制御が可能となることはゼオライトの製造において重要である。
上述した通り、ゼオライトの製造原料である反応混合物は、固相であるアルミノシリケートのゲルと液相であるアルカリ水溶液とを含有する。例えば特許文献1に記載の反応混合物は、種結晶を添加せずに加熱する場合、安定相であるモルデナイトゼオライトが析出するが、不安定相ゼオライト(例えばβゼオライト)の種結晶を添加すると、βゼオライトが得られる。OSDAを用いずに不安定相ゼオライトを製造すると、反応時間に伴って不安定相ゼオライトの生成量が増加するが、その結晶化度は反応時間が長くなるほど加速度的に増加する。また、不安定相ゼオライトの結晶化度が極大となる反応時間になると、安定相ゼオライトが少しずつ増加する。反応時間が短すぎると不安定相ゼオライトの結晶化度が少なく、反応時間が長すぎると安定相ゼオライトの量が増え同時に不安定相ゼオライトの結晶化度が減少するので、反応時間を正確に制御する必要がある。
The ability of the present invention to control reaction time is important in the production of zeolites.
As described above, the reaction mixture, which is a raw material for producing zeolite, contains aluminosilicate gel, which is a solid phase, and an alkaline aqueous solution, which is a liquid phase. For example, when the reaction mixture described in
この第1の撹拌翼41の端縁部42は、反応容器20の内壁に近接していればいるほど大きなずり速度を与えることが可能となる。しかし近接しすぎると粘度が低下したスラリーの量は少なくなりゼオライトケーキ全体をほぐすための粘度が低下したスラリー量の割合が減ってしまう。上記の観点から、反応容器20の底部21の傾斜面23aと、第1の撹拌翼41の端縁部42との間隔W(図1参照)は、反応容器20を側面視したときの第1の撹拌翼41における端縁部の長さL1(図4(b)参照)に対する割合(W/L1)が、0.8%以上5.0%以下であることが好ましく、1.5%以上3.5%以下であることがより好ましい。
The closer the
図1及び図2(a)に示す例では、第1の撹拌翼41は同形の翼が複数枚設けられており、好ましくは1~6枚、特に好ましくは2~5枚である。
In the example shown in Figures 1 and 2(a), the
第2の撹拌翼51は、前記回転軸の延びる方向と直交する方向からみたときに、反応容器20の上面側に位置する表面の少なくとも一部が水平面に対して傾斜した傾斜面となった形状の翼部を有する。例えば第2の撹拌翼51はその翼部をその延びる方向における前記の径方向外側から内側に向けてみたときに、上面が水平面に対して傾斜した板状(傾斜板状)をしているか、又は、翼部の延びる方向と直交する断面が上方に向かうにつれて窄んだ三角形状若しくは台形形状をしていることが好ましい。第2の撹拌翼51の前記断面の形状が前記三角形状若しくは台形状であることは前述した第1の撹拌翼41について説明した理由と同様の理由で好ましい。例えば、第2の撹拌翼51の上段翼部53及び下段翼部63のうち、下段翼部63が、前記断面が上方に向かうにつれて窄んだ三角形状若しくは台形形状をしており、上段翼部53が、前記断面が下方に向かうにつれて窄んだ三角形状若しくは台形形状をしていてもよい。
The
図1及び図2(a)に示す例では、第2の撹拌翼51の上段翼部53及び下段翼部63それぞれは傾斜板状である。上段翼部53及び下段翼部63はそれぞれその延びる方向と直交する断面が略矩形状である板状を有している。従って、上段翼部53及び下段翼部63それぞれは、反応容器20の下面側に位置する表面も少なくとも一部が水平面に対して傾斜した傾斜面となった形状となっている。第2の撹拌翼51の上段翼部53及び下段翼部63が傾斜板状である場合、互いに同方向に傾斜していてもよく、或いは互いに逆方向に傾斜していてもよい。
第1の撹拌翼41として前記の三角柱状のものを用い、第2の撹拌翼51として傾斜板状のものを用いることで、邪魔板を用いずに反応容器20内に上下方向の流れを生じさせることができるため好ましい。反応容器20内に邪魔板を設置することはケーキ付着およびケーキ剥離死角の発生の点で好ましくない。
第1の撹拌翼41として三角柱状のものを用い、第2の撹拌翼51として傾斜板状のものを用いることで、撹拌翼の上面にゼオライト結晶が降り積もって固く付着する現象を防止し、不純物の生成を引き起こす可能性を効果的に低減できる。
In the example shown in Figures 1 and 2(a), the
It is preferable to use the triangular prism-shaped first agitating
By using a triangular prism-shaped
ゼオライトを流動化させる効果を高める観点及び撹拌機動力低減の観点から、第1の撹拌翼41の翼部43の水平面に対する傾斜角A(図2(c)参照)は0°超~60°が好ましく、5°~45°がより好ましい。上下方向の流れを効果的に起こす点及び撹拌動力低減の点から、第2の撹拌翼51の上段翼部53の水平面に対する傾斜角B(図2(b)参照)は0°超~60°が好ましく、5°~50°がより好ましい。
図2(b)及び(c)に示す通り、翼部43の水平面となす傾斜角A及び上段翼部53の水平面のなす傾斜角Bとは、翼部43又は上段翼部53が傾斜板状である場合は、翼部の延びる方向と直交する断面における傾斜板の上面が水平線Lxに対してなす鋭角の傾斜角度であり、翼部43又は上段翼部53の延びる方向と直交する断面が三角形である場合、その断面におけるいずれかの三角形の辺と水平線Lxとがなす最大の鋭角の傾斜角であり、翼部の延びる方向と直交する断面の断面が台形である場合はその断面における台形のいずれかの辺と水平線Lxとがなす最大の鋭角の傾斜角である。(このことは後述する下段翼部63の傾斜角Cでも同様である)。
From the viewpoint of enhancing the effect of fluidizing zeolite and reducing the power required for the agitator, the inclination angle A (see FIG. 2(c)) of the
2B and 2C, the inclination angle A of the
第2の撹拌翼51は同形の翼が複数枚設けられている。上段翼部53及び下段翼部63はそれぞれ好ましくは1~6枚、特に好ましくは2~5枚である。第1の撹拌翼41と、第2の撹拌翼51の上段翼部53及び/又は下段翼部63とはそれぞれ翼の数が同じであっても異なっていてもよい。
The second agitating
本実施形態においては、複数の第1の撹拌翼41と複数の上段翼部53及び複数の下段翼部63とは、反応容器20を平面視したときに、回転軸31から延びる方向が互いに一致している。この場合は、蓋体24に設けられた鏡部マンホール(不図示)から内部へのサンプル採取などのアクセスに際し、開口面積が大きく確保できる利点がある。しかし、翼部43と上段翼部53及び下段翼部63とは、前記平面視において回転軸31から異なる方向に延びていてもよい。
In this embodiment, the directions in which the first agitating
図2(a)の例のように、第1の撹拌翼41と上段翼部53及び下段翼部63という三段の撹拌翼で、堆積したゼオライト及びその上の液相からなる部分を撹拌することで、ゼオライトの流動化効果を一層高めることができる。特に、後述する図4(a)に示す通り、第1の撹拌翼41によりゼオライト1を反応容器20の底部から剥がす役割、下段翼部63が反応容器底部よりも上方においてゼオライト1を直接ほぐす役割、上段翼部53が液相からなる部分2の上部においてゼオライト上下方向の流れを生じさせる役割をそれぞれ担うことになり、効果的にゼオライトを流動化できる。
As shown in the example of FIG. 2(a), the effect of fluidizing the zeolite can be further enhanced by using three stages of agitating blades, the first agitating
ゼオライトを流動化させる効果及び製造効率を高めるために、下段翼部63の水平面に対する傾斜面の傾斜角C(図2(b)参照)は0°超~60°が好ましく、5°~50°がより好ましい。
In order to improve the effect of fluidizing the zeolite and the production efficiency, the inclination angle C (see FIG. 2(b)) of the inclined surface of the
図1及び図2(a)に示すように、本実施形態において、第2の撹拌翼51は、翼部53、63の外方端に連接された第2翼部47を更に具備し、第2翼部47は、直胴部25の垂直壁面に沿って且つ垂直壁面の延びる方向に沿って延びる端縁部42aを有していることが、反応容器20の直胴部25に付着したゼオライトを効果的に除去できる点で好ましい。図1及び図2(a)に示す例では、第2の撹拌翼51は直胴部25の垂直壁面に沿って垂直に延びるように配された板状のスクレイパーである第2翼部47における前記径方向外側の端縁部として、端縁部42aを有する。
As shown in Figures 1 and 2(a), in this embodiment, the second agitating
当該端縁部42aと直胴部25との隙間の幅としては、上述した端縁部42と傾斜面23aの隙間の幅Wと同様とすることができる。
反応容器20において上下方向の全長L2(図1参照)のうち、いずれかの撹拌翼の端縁部と反応容器20の内壁とが前記幅Wとして挙げた範囲の隙間を有するように近接している部分の長さL3の割合(L3/L2)が、5%以上70%以下であることが好ましく、35%以上65%以下であることがより好ましい。図1においてL3はL3aとL3bの合計である。
The width of the gap between the
In the
反応容器20の直胴部25の下部に付着するゼオライトを効果的に流動化する観点から、第2翼部(スクレイパー)47は、反応容器20を平面視したときに、回転軸31を中心とする円の中心と該第2翼部47とを結ぶ直線に対して傾斜していることが好ましい。その場合、第2翼部47の前記の直線に対する傾斜角度(鋭角)は、例えば90°未満30°以上であることが好ましい。図1及び図2(a)に示す例において、複数枚の第2の撹拌翼51における第2翼部47は、当該第2翼部47に係る前記の直線に対して同方向に傾斜している。本実施形態において、第2翼部47は、垂直板部であり、板状であって、回転軸を向く板面及びそれと反対側の板面が互いに平行であり、各板面が前記直線に対して同様に前記範囲内の傾斜角度で傾斜しているが、これに限定されない。
From the viewpoint of effectively fluidizing the zeolite adhering to the lower part of the
上記で説明した反応容器20を用いた本実施形態のゼオライトの製造方法を説明する。
本製造方法は、シリカ源、アルミナ源、アルカリ源、及び水を含み、且つ有機構造規定剤を含まない反応混合物に種結晶を添加した後に加熱するゼオライトの製造方法であって、
前記反応混合物及び種結晶を、密閉状態の反応容器20内で加熱して静置状態で反応させる第1工程と、
反応によって生成した塊状のゼオライトを反応容器20外に排出する第2工程と、を有し、
前記第2工程において、回転軸31を回転させて第1の撹拌翼41と第2の撹拌翼51によりゼオライトを流動化し、流動化したゼオライトを排出口22から排出する。第2工程では、降温開始と同時に回転軸31を回転させて第1の撹拌翼41と第2の撹拌翼51によりゼオライトを流動化させることが内容物の速やかな冷却のため冷却効率を上げつつ不純物生成を効果的に抑制できる点から好ましい。
The method for producing a zeolite according to this embodiment using the
The present production method is a method for producing a zeolite, which comprises adding seed crystals to a reaction mixture containing a silica source, an alumina source, an alkali source, and water, but not containing an organic structure-directing agent, and then heating the mixture,
A first step of heating the reaction mixture and the seed crystals in a sealed
A second step of discharging the aggregated zeolite produced by the reaction out of the
In the second step, the rotating
シリカ源としては、シリカそのもの及び水中でケイ酸イオンの生成が可能なケイ素含有化合物が挙げられる。具体的には、湿式法シリカ、乾式法シリカ、コロイダルシリカ、ケイ酸ナトリウム、アルミノシリケートゲルなどが挙げられる。これらのシリカ源は単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。 Examples of silica sources include silica itself and silicon-containing compounds capable of generating silicate ions in water. Specific examples include wet-process silica, dry-process silica, colloidal silica, sodium silicate, and aluminosilicate gel. These silica sources can be used alone or in combination of two or more.
アルミナ源としては、例えば水溶性アルミニウム含有化合物を用いることができる。具体的には、アルミン酸ナトリウム、硝酸アルミニウム、硫酸アルミニウムなどが挙げられる。また、水酸化アルミニウムも好適なアルミナ源の一つである。またアルミノシリケートゲルはアルミナ源としても用いることができる。これらのアルミナ源は単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。 As the alumina source, for example, a water-soluble aluminum-containing compound can be used. Specific examples include sodium aluminate, aluminum nitrate, and aluminum sulfate. Aluminum hydroxide is also a suitable alumina source. Aluminosilicate gel can also be used as an alumina source. These alumina sources can be used alone or in combination of two or more.
アルカリ源としては、例えば水酸化ナトリウムを用いることができる。なお、シリカ源としてケイ酸ナトリウムを用いた場合やアルミナ源としてアルミン酸ナトリウムを用いた場合、そこに含まれるアルカリ金属成分であるナトリウムは同時にNaOHとみなされ、アルカリ成分でもある。したがって、前記のNa2Oは反応混合物中のすべてのアルカリ成分の和として計算される。 As the alkali source, for example, sodium hydroxide can be used. When sodium silicate is used as the silica source or sodium aluminate is used as the alumina source, sodium, which is an alkali metal component contained therein, is simultaneously regarded as NaOH and is also an alkali component. Therefore, the above Na 2 O is calculated as the sum of all the alkali components in the reaction mixture.
本製造方法は、撹拌部材30を、生成したゼオライトの結晶ケーキをほぐして流動化する流動化用部材としてのみならず、反応混合物を混合するための撹拌用部材、及び、内容物温度の昇温および降温に際しての伝熱促進用部材としても用いることが好ましい。このように構成することで、OSDAを用いずに静置晶析法によりゼオライトを比較的単純な機構で製造することができる。
In this manufacturing method, it is preferable to use the stirring
反応に先立ち、排出口22を閉塞状態とする。反応混合物と種結晶は、事前に混合するかあるいは反応容器20内で混合し、反応容器20内に満たす。固相と液相の比率にもよるが、多くの場合、撹拌しないとスラリー及び種結晶は沈降し上部にアルカリ水溶液の清澄層に分離する。このため、反応混合物と種結晶は、マクロ的によく混合されていることが好ましく、反応装置に入れた後に反応温度よりも低温度でより均一に混合されていることが望ましい。この観点から、反応温度に達しない状態では、回転軸31を回転させて第1の撹拌翼41及び第2の撹拌翼51により反応混合物及び種結晶を撹拌することが好ましい。撹拌を続けたまま、反応容器20の外部に設置したジャケット26にスチームあるいは熱媒体を流通させて昇温を開始する。なお反応温度は例えば、100~200℃、特に120~180℃であることが好ましい。
Prior to the reaction, the
反応温度まで昇温する前に撹拌を止め、静置状態で反応を開始する。スラリー及び種結晶からなる固相分は徐々に沈降し、下部に集まり、装置上部は、若干アルミノシリケートが溶解したアルカリ水溶液となる。図4(a)に示すように、反応後、例えば、上方に位置する第2の撹拌翼51の上段翼部53(内容物の仕込量が少ない場合、上段翼部53及び下段翼部63)は、生成した塊状のゼオライトの堆積部分1よりも上方な清澄部分2に位置することが、第2の撹拌翼51による、反応容器20上部の反応母液を下方に送り込み塊状のゼオライトに取り込ませ流動化を促す効果をより良好に発揮する点で好ましい。なお、図4(a)の符号3は水面である。
Before the temperature is raised to the reaction temperature, stirring is stopped and the reaction is started in a stationary state. The solid phase consisting of the slurry and seed crystals gradually settles and collects at the bottom, and the upper part of the device becomes an alkaline aqueous solution with some aluminosilicate dissolved therein. As shown in FIG. 4(a), after the reaction, for example, the
反応後、ジャケット26のスチーム又は熱媒体を停止するか、低温の熱媒体を流通させることで、装置内の温度を低下させる。スチーム又は熱媒体の停止又は低温の熱媒体を流通させることで反応容器20の内容物の間接冷却が開始される。反応温度からの急速な冷却を行うことで不純物発生の要因を低下させることができるため間接冷却の開始と同時に回転軸31を回転駆動するモータ(不図示)を起動することが好ましい。
上記の製造装置10では、低速で数回ずつ正転及び逆転のトルクを与えることで、反応容器20の内壁に固着したゼオライト結晶のケーキ層を効果的に剥離することができる。更に回転軸31を回転させ、反応容器20内に上方流を生じさせるように第1の撹拌翼41、第2の撹拌翼51により内部貯留物を撹拌し、流動化する。その後、反応容器20下部の排出口22を開放し、反応容器20内からゼオライト結晶を取り出す。
After the reaction, the temperature inside the apparatus is lowered by stopping the steam or heat medium in the
In the above-mentioned
排出口22を解放直後、第1の撹拌翼41及び第2の撹拌翼51により解砕されスラッジ状になったゼオライトがその比重が反応容器20内部の液相の比重に対し大きいため排出口20付近に堆積しブリッジングを起こし排出口22を塞ぎ、このため内部スラリーの滑らかな排出ができない場合がある。
この場合に内部スラリーの滑らかに排出するため図1及び図4に示すように排出口22直近に取り付けた第1排出弁90と第1排出弁90の大気側フランジ91に取り付けたエルボ配管92とその他端に取り付けた第2排出弁93の間に昇圧されている乾燥空気を導入するための小径の導入管94を設置しておくことが好ましい。
Immediately after the
In this case, in order to smoothly discharge the internal slurry, it is preferable to install a small-
上記機構によれば、第1排出弁90を閉止状態において第2排出弁93を閉止し導入管94から昇圧されている乾燥空気を導入し、第1排出弁90と第2排出弁93間に乾燥空気を導入蓄圧する。次に一旦、乾燥空気のエルボ配管92への導入を停止し、第1排出弁を一気に開状態としエルボ配管92内部に蓄圧されている乾燥空気を反応容器20の内部に吹き込ませる。この操作を数回実施することにより反応容器底部で固化しているゼオライトを分散でき、排出口22付近を閉塞しているスラッジ状ゼオライトによるブリッジングが解消され反応容器20内部のスラリーが滑らかにかつ勢いよく排出することができる。この操作によりスラリーの外部排出時間が極端に短縮される。エルボ配管90及び導入管94が本発明の好ましい形態における空気管に該当する。
According to the above mechanism, the
反応容器20内で合成後の内容物の状況は、ゼオライト固相部とその上部の液相部に大まかに区分けされる。後述の比較例1の(2)OSDAフリーベータ型ゼオライトの合成の手順にて合成した場合、その反応容器内のゼオライト固相部の容積(Vs)が合成後の内容物の容積(VT)に占める割合は、20%以上60%以下が好ましく30%以上40%以下がより好ましい。この範囲とすることで固相が多すぎるために硬くなり撹拌部材30の回転のためのトルクが大きくなることを抑制できる一方で、製造効率を高めることができる。上記の体積比率とするために、反応混合物の組成を調整すればよい。
The state of the contents after synthesis in the
このゼオライト固相部の内容物全体に占める割合を考慮すると第1の撹拌翼41はゼオライト固相部を反応容器20の底部から引き剥がす役割を持つ点から、反応容器20の漏斗状の底部21上に設置される高さ位置が以下となるようになることが好ましい。具体的には第1の撹拌翼41の高さ位置は、当該高さ以下の反応容器の容積が、反応後のゼオライト固相部全容積に対し5%以上115%以下となる位置に設置することが好ましく20%以上50%以下となる範囲内に設置することがより好ましい。第1の撹拌翼41の高さ位置とは、回転軸における翼部43の取り付けられる高さ位置の上端を指す。
Considering the proportion of the zeolite solid phase in the entire contents, the
また、撹拌翼51の下段翼部63はゼオライト固相部を反応容器20の直胴部面から引き剥がす点から、反応容器20の直胴部25に設置され、その高さ位置が、当該位置以下の反応容器の容積が、反応後のゼオライト固相部全容積に対し38%以上100%以下となる範囲内に設置することが好ましく70%以上95%以下となる範囲内に設置することがより好ましい。下段翼部63の高さ位置とは、回転軸における下段翼部63の取り付けられる高さ位置を指す。
The
また、第2の撹拌翼の上段翼部53は、反応容器20の直胴部に設置され、その高さ位置が、当該位置以下の反応容器の容積が、反応容器内のゼオライト固相部の直上に形成される母液の溶液相部全容積(VL)に対し、55%以上155%以下となる位置への設置が好ましく100%以上120%以下となる位置への設置がより好ましい。上段翼部53の高さ位置とは、回転軸における上段翼部53の取り付けられる高さ位置を指す。
The
また、本実施形態では反応容器における反応混合物収容部分の全容積のうち、底部からの容積が20%以上30%以下となる高さ位置に温度計71を配設して温度を測定し、当該測定温度を用いてゼオライト合成温度を制御することが好ましい。これは、ゼオライト製造は溶解及び晶析に伴う吸発熱を伴うところ、温度計が静置反応中の固相の温度を測定できる位置にあることで反応温度制御をより正確にできるとみられるためである。また温度計の位置が低すぎると底部の撹拌に抵触する。この観点から、本実施形態では、第1の撹拌翼41と第2の撹拌翼51とを回転軸以外の部分で結合しないように構成し、第1の撹拌翼41と第2の撹拌翼51との間の高さ位置に配置している。
In this embodiment, it is preferable to measure the temperature by disposing a
以上の通り、OSDAを用いないゼオライトの製造方法は、反応混合物がスラリー状固体であり、反応直後の生成物は塊状であり、その上、反応中はゼオライト原料を混合できないという制約されたものである。しかし、本製造方法により、単純な機構でゼオライトの収率を向上させ、装置におけるゼオライトの除去作業を大幅に向上させることができる。 As described above, the method for producing zeolite without using OSDA is limited in that the reaction mixture is a slurry-like solid, the product immediately after the reaction is lumpy, and the zeolite raw material cannot be mixed during the reaction. However, this production method improves the zeolite yield with a simple mechanism and greatly improves the zeolite removal process in the equipment.
ゼオライトとしては、有機構造規定剤を含まない反応混合物に種結晶を添加した後に加熱するゼオライトの製造方法により得られるものであればよく、その結晶型としては、ベータ型、チャバサイト型、MWW型、MSE型、MTW型、MEL型、PAU型を挙げることができ、ベータ型であることが好ましい。ベータ型であることが好ましい理由は以下にある。上述した通り、アルミノシリケートのゲル(固相)とアルカリ水溶液(液相)とを含有する反応混合物は、種結晶を添加せずに加熱する場合、モルデナイト型ゼオライトが析出するが、この反応混合物にベータ型ゼオライトの種結晶を添加して静置状態で加熱することで、ベータ型ゼオライトが得られる。一方、ベータ型ゼオライトの種結晶を反応混合物に添加して、反応温度で反応させている際に、ある程度の撹拌を与えるとモルデナイト型ゼオライトが生成することがしばしばある。この物理現象の理由は解明されていないが、ベータ型ゼオライトが析出しても、撹拌などの物理的エネルギーを与えると、熱力学的により安定なモルデナイト型ゼオライトに転位してしまうものと推測される。このようにベータ型ゼオライトは、とりわけ、OSDAを添加していない反応混合物に種結晶を混合し加熱して製造する場合に、反応中の撹拌による不純物を生成しやすく、静置晶析での製造が必要とされるゼオライトである。このようなベータ型ゼオライトについて、本発明を適用することは、それによる工業的な意義が大きい点で好ましい。 The zeolite may be any zeolite obtained by a method for producing zeolite in which seed crystals are added to a reaction mixture not containing an organic structure directing agent and then heated. Examples of the crystal type include beta type, chabazite type, MWW type, MSE type, MTW type, MEL type, and PAU type, and beta type is preferable. The reason why beta type is preferable is as follows. As described above, when a reaction mixture containing an aluminosilicate gel (solid phase) and an alkaline aqueous solution (liquid phase) is heated without adding seed crystals, mordenite type zeolite is precipitated. However, beta type zeolite can be obtained by adding beta type zeolite seed crystals to this reaction mixture and heating it in a stationary state. On the other hand, when beta type zeolite seed crystals are added to the reaction mixture and reacted at the reaction temperature, mordenite type zeolite is often produced by applying a certain amount of stirring. The reason for this physical phenomenon has not been elucidated, but it is speculated that even if beta zeolite precipitates, it will rearrange to the thermodynamically more stable mordenite zeolite when physical energy such as stirring is applied. As such, beta zeolite is prone to producing impurities due to stirring during the reaction, particularly when it is produced by mixing seed crystals with a reaction mixture to which no OSDA has been added and heating it, and therefore requires production by static crystallization. It is preferable to apply the present invention to such beta zeolite, as it has great industrial significance.
OSDAフリーベータ型ゼオライトの合成方法としては、例えば国際公開2011/013560号パンフレットに記載の方法を採用することができる。また、中国特許出願公開第101249968号明細書に記載の方法も採用することができる。更に、Chemistry of Materials, Vol.20, No.14, p.4533-4535 (2008)に記載の方法を採用することもできる。 As a method for synthesizing OSDA free beta zeolite, for example, the method described in International Publication No. 2011/013560 can be used. In addition, the method described in Chinese Patent Application Publication No. 101249968 can also be used. Furthermore, the method described in Chemistry of Materials, Vol. 20, No. 14, p. 4533-4535 (2008) can also be used.
OSDAフリーベータ型ゼオライトの合成方法の一例を挙げるならば、以下のとおりである。
(i)以下に示すモル比で表される組成の反応混合物となるように、シリカ源、アルミナ源、アルカリ源、及び水を混合し、
Si/Alモル比が4以上100以下、特に5以上100以下
OH/Siモル比が0.35以上0.8以下、特に0.37以上0.7以下
H2O/Siモル比が10以上50以下、特に12以上25以下
(ii)SiO2/Al2O3モル比が8~30であり、かつ平均粒子径が150nm以上、特に150~1000nmである、有機化合物を含まないベータ型ゼオライトを種結晶として用い、これを、前記反応混合物中のシリカ成分に対して0.1~20質量%の割合で該反応混合物に添加し、
(iii)前記種結晶が添加された前記反応混合物を100~200℃、特に120~180℃で密閉加熱する。平均粒子径とは、走査型電子顕微鏡による観察における最大頻度の結晶の粒子直径を指す。
An example of a method for synthesizing OSDA free beta zeolite is as follows.
(i) mixing a silica source, an alumina source, an alkali source, and water to obtain a reaction mixture having a composition represented by the molar ratios shown below;
a Si/Al molar ratio of 4 or more and 100 or less, particularly 5 or more and 100 or less, an OH /Si molar ratio of 0.35 or more and 0.8 or less, particularly 0.37 or more and 0.7 or less, and an H 2 O/Si molar ratio of 10 or more and 50 or less, particularly 12 or more and 25 or less; (ii) a beta zeolite having a SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio of 8 to 30 and an average particle size of 150 nm or more, particularly 150 to 1000 nm, and containing no organic compounds, is used as seed crystals, which are added to the reaction mixture in a ratio of 0.1 to 20 mass% based on the silica component in the reaction mixture,
(iii) The reaction mixture to which the seed crystals have been added is sealed and heated at 100 to 200° C., particularly 120 to 180° C. The average particle size refers to the particle diameter of the most frequent crystals when observed with a scanning electron microscope.
上記範囲の反応混合物を得る一手段として、反応混合物としてアルミノシリケートゲルを用いる手法が挙げられる。アルミノシリケートゲルは、シリカ源及びアルミナ源として用いることができる。反応混合物としてアルミノシリケートゲルを用いる場合、大型反応装置内に無撹拌で保持された反応混合物であっても、その組成を均一に維持することがシリカ粉末とアルミン酸ソーダの混合物よりも容易であるという利点がある。具体的な方法としては、例えばアルミノシリケートゲルと水酸化ナトリウム及び水を混合して反応混合物を得る方法が挙げられる。この場合の混合比率は、上記(i)の好ましいモル比を満たせばよい。アルミノシリケートゲルは、反応混合物を構成するシリカ源の70質量%以上及びアルミナ源の70質量%以上を占めることが好ましく、シリカ源の80質量%以上及びアルミナ源の80質量%以上を占めることがより好ましく、全てのシリカ源及びアルミナ源としてアルミノシリケートゲルとしてもよい。 One method for obtaining a reaction mixture in the above range is to use an aluminosilicate gel as the reaction mixture. The aluminosilicate gel can be used as a silica source and an alumina source. When an aluminosilicate gel is used as the reaction mixture, it has the advantage that it is easier to maintain the composition of the reaction mixture uniformly than a mixture of silica powder and sodium aluminate, even if the reaction mixture is held in a large reaction apparatus without stirring. A specific method is, for example, a method of mixing an aluminosilicate gel with sodium hydroxide and water to obtain a reaction mixture. In this case, the mixing ratio may be as long as it satisfies the preferred molar ratio of (i) above. The aluminosilicate gel preferably accounts for 70% by mass or more of the silica source and 70% by mass or more of the alumina source constituting the reaction mixture, more preferably 80% by mass or more of the silica source and 80% by mass or more of the alumina source, and all of the silica source and alumina source may be aluminosilicate gel.
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は上記態様に限定されない。例えば、本発明の製造装置10は、図2(a)に示す撹拌部材30の代わりに図5に示す撹拌部材30’を用いてもよい。
Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment. For example, the
撹拌部材30’では、第1の撹拌翼41が、傾斜板状となっている。また第2の撹拌翼51における下段翼部63のみが直胴部の壁面に沿って延びる端縁部を有するスクレイパー67を有しており、上段翼部53及び下段翼部63が結合していない。それ以外の点は、撹拌部材30’は撹拌部材30と同様である。
In the stirring member 30', the
(実施例1)
(1)種結晶の合成
水酸化テトラエチルアンモニウムを有機SDAとして用い、アルミン酸ナトリウムをアルミナ源、微粉状シリカ(Mizukasil P707)をシリカ源とする従来公知の方法により、165℃、96時間、撹拌加熱を行って、SiO2/Al2O3モル比が24.0のベータ型ゼオライトを合成した。これを電気炉中で空気を流通しながら550℃で10時間焼成して、有機物を含まない結晶を製造した。この結晶を走査型電子顕微鏡により観察した結果、平均粒子径は280nmであった。この有機物を含まないベータ型ゼオライトの結晶を、種結晶として使用した。
(2)反応混合物の製造
工水820kgに、前記の種結晶20kgを投入しながら撹拌混合した。その混合溶液にアルミノシリケートゲル(=「粉末状の生成物前駆体」、含水率70.1質量%、Si/Alモル比=8.0)1920kgを投入しながら撹拌混合した。さらに、30質量%水酸化ナトリウム320kgを投入し撹拌混合し反応混合物(OH/Siモル比:0.5、H2O/Siモル比:16.5)を得た。
(3)OSDAフリーベータ型ゼオライトの合成
図1に示す製造装置10(傾斜角A及び傾斜角Cは30°、傾斜角Bは45°、α=42°超50°以下、W/L1=2.5%、L3/L2=53.9%、反応容器20の内部空間容積=3.5m3)を用いた。
先の反応混合物をステンレス製の反応容器20に入れて熟成することなしに150℃で47時間、自生圧力下で静置加熱した。
なお、温度計の高さ位置並びに各翼部43、53、63の高さ位置は当該高さ以下の反応容器の容積が、上述した範囲のうち最も好ましい範囲内であった。
反応時間が経過した後、反応容器20を加熱から冷却に切り替えた後、必要に応じて低速で数回ずつ正回転及び逆回転のトルクを与えた。その後、平面視して時計回りに回転軸31を回転させ、反応容器20内に上方流を生じさせるように第1の撹拌翼41、第2の撹拌翼51の上段翼部53並びに第2の撹拌翼51の下段翼部63により内部貯留物を撹拌し、ゼオライトを流動化させた。その点以外は比較例1と同様とした。ゼオライトの排出後、反応容器20の内壁表面にゼオライトの付着はほとんど観察されなかった。
なお各成分の量を4分の1とし、容量500リットルの相似の製造装置を用いた場合も同様の結果となった。
Example 1
(1) Synthesis of seed crystals Using tetraethylammonium hydroxide as an organic SDA, sodium aluminate as an alumina source, and fine powder silica (Mizukasil P707) as a silica source, a beta zeolite having a SiO2 / Al2O3 molar ratio of 24.0 was synthesized by stirring and heating at 165°C for 96 hours by a conventionally known method. This was fired in an electric furnace at 550°C for 10 hours while circulating air, to produce crystals that do not contain organic matter. The crystals were observed with a scanning electron microscope, and the average particle size was 280 nm. This beta zeolite crystal that does not contain organic matter was used as a seed crystal.
(2) Production of
(3) Synthesis of OSDA free beta zeolite The
The reaction mixture obtained above was placed in a stainless
The height position of the thermometer and the height positions of the
After the reaction time had elapsed, the
Similar results were obtained when the amounts of each component were reduced to one-fourth and a similar production apparatus with a capacity of 500 liters was used.
(比較例1)
図1の反応装置に替えて、図6に示す楕円型底部を有するステンレス製の反応容器120を用いた。また、各成分の量を4分の1とし、反応容器120の容量は500リットルとした。その点以外は実施例1と同様にして、反応を行った。反応前の撹拌用として、図7(a)に示す撹拌部材を用いたが、反応終了後の撹拌は行わなかった。
反応終了後に反応容器120底部の排出口122を閉塞していたバルブ121を開放したが、生成したゼオライトが排出しなかった。冷却させた後に蓋部123を開放して、反応容器120内のゼオライトを撹拌棒で撹拌して流動化し、排出口122から排出させた。その後反応容器120内部を観察すると、底部には、ゼオライトが堆積して反応容器120内壁に固着していることを確認した。反応容器120内壁に固着したゼオライトを高圧洗浄装置で剥離させようとしたがほとんど取れなかった。最終的には、1~10質量%濃度の苛性ソーダ水溶液をいれ、80℃で12時間撹拌することで清浄化することができた。
(Comparative Example 1)
Instead of the reaction apparatus of Fig. 1, a stainless
After the reaction was completed, the
(比較例2)
反応終了後、バルブ121を開放せずに冷却後に図7(a)に示す撹拌部材によりゼオライトを撹拌した。それ以外は比較例1と同様とした。しかし図7(a)に示す撹拌部材を用いた場合、ゼオライトを流動化できなかった。
(Comparative Example 2)
After the reaction was completed, the zeolite was cooled and then stirred with the stirring member shown in Fig. 7(a) without opening the
(比較例3)
撹拌部材を図7(a)のものから図7(b)のものへ変更した。それ以外は比較例2と同様とした。その結果、比較例2と同様の結果となった。
(Comparative Example 3)
The stirring member was changed from that shown in Fig. 7(a) to that shown in Fig. 7(b). Other than that, the comparative example was the same as in Comparative Example 2. As a result, the same results as in Comparative Example 2 were obtained.
10 ゼオライト製造装置
20 反応容器
21 底部
23 底面
23a 傾斜面
30 撹拌部材
31 回転軸
32 支持体
41 第1の撹拌翼
42 端縁部
51 第2の撹拌翼
10 Zeolite manufacturing equipment
20 Reaction vessel
21 Bottom
23 Bottom
23a Slope
30 Stirring member
31 Rotation axis
32 Support
41 First stirring blade
42 Edge
51 Second stirring blade
Claims (15)
反応によって生成した塊状のゼオライトを反応容器外に排出する第2工程と、を有するゼオライトの製造方法であって、
前記反応容器は、ゼオライトを排出するための排出口を底部に有しており、当該底部は、前記排出口に向けて下方傾斜した傾斜面を有する漏斗状に形成されており、
前記反応容器は、撹拌部材を有しており、
前記撹拌部材は、反応容器を平面視したときに前記漏斗状の底面の中心に位置して上下方向に延びる回転軸と、当該回転軸に取り付けられて前記反応容器の前記傾斜面に沿って延びる端縁部を有する第1の撹拌翼と、当該回転軸における当該第1の撹拌翼の上部に取り付けられた第2の撹拌翼とを有しており、
反応容器の底部の傾斜面と、第1の撹拌翼の前記端縁部とは非接触の状態にあり、
前記第2工程において、前記回転軸を回転させて第1の撹拌翼と第2の撹拌翼によりゼオライトを流動化し、流動化したゼオライトを前記排出口から排出する、ゼオライトの製造方法。 A first step of heating a reaction mixture containing a silica source, an alumina source, an alkali source, and water, but not containing an organic structure-directing agent, and a zeolite raw material containing seed crystals in a sealed reaction vessel and allowing the reaction to occur in a stationary state;
A second step of discharging the aggregated zeolite produced by the reaction from the reaction vessel,
The reaction vessel has a discharge port at a bottom for discharging the zeolite, and the bottom is formed in a funnel shape having an inclined surface that is inclined downward toward the discharge port,
The reaction vessel has a stirring member,
The stirring member has a rotating shaft that is located at the center of the funnel-shaped bottom surface when the reaction vessel is viewed from above and extends in the vertical direction, a first stirring blade that is attached to the rotating shaft and has an edge portion that extends along the inclined surface of the reaction vessel, and a second stirring blade that is attached to an upper portion of the first stirring blade on the rotating shaft,
the inclined surface of the bottom of the reaction vessel and the edge of the first agitating blade are in a non-contact state;
In the second step, the rotating shaft is rotated to fluidize the zeolite with the first stirring blade and the second stirring blade, and the fluidized zeolite is discharged from the discharge port.
前記回転軸の延びる方向と直交する方向からみたときに、第1の撹拌翼及び第2の撹拌翼における前記翼部はそれぞれ、水平面に対して傾斜した上面を有する形状を有する、請求項1に記載のゼオライトの製造方法。 In a plan view of the reaction vessel, the first agitating blade and the second agitating blade each have a blade portion extending radially outwardly of a circle centered on the rotation shaft,
The method for producing zeolite as described in claim 1, wherein when viewed from a direction perpendicular to the direction in which the rotation shaft extends, the blade portions of the first agitating blade and the second agitating blade each have a shape having an upper surface that is inclined with respect to a horizontal plane.
第2の撹拌翼は、前記翼部の外方端に連接された第2翼部を更に具備し、第2翼部は、前記垂直壁面に沿って且つ垂直壁面の延びる方向に沿って延びる端縁部を有する請求項2又は3に記載のゼオライトの製造方法。 The reaction vessel has a vertical wall surface extending in the same direction as the rotation shaft from an upper end of a funnel-shaped bottom surface,
The method for producing zeolite described in claim 2 or 3, wherein the second agitating blade further comprises a second blade portion connected to the outer end of the blade portion, and the second blade portion has an edge portion extending along the vertical wall surface and along the direction in which the vertical wall surface extends.
Si/Alモル比が4以上100以下、
OH/Siモル比が0.35以上0.8以下、
H2O/Siモル比が10以上50以下である、請求項12に記載のゼオライトの製造方法。 The composition of the reaction mixture is
Si/Al molar ratio is 4 or more and 100 or less,
OH/Si molar ratio is 0.35 or more and 0.8 or less,
The method for producing a zeolite according to claim 12, wherein the H 2 O/Si molar ratio is 10 or more and 50 or less.
ゼオライト原料を密閉状態下に加熱可能な反応容器と、該反応容器内に収容可能な撹拌部材とを有しており、
前記反応容器は、底部に流動化したゼオライトを排出するための排出口を有しており、当該底部の底面は、前記排出口に向けて傾斜した傾斜面を有する漏斗状に形成されており、
前記撹拌部材は、平面視したときに前記漏斗状の底面の中心に位置して上下方向に延びる回転軸と、当該回転軸に取り付けられて、前記反応容器の前記傾斜面に沿って延びる端縁部を有する第1の撹拌翼と、当該回転軸における当該第1の撹拌翼の上部に取り付けられた第2の撹拌翼とを有しており、反応容器の底部の傾斜面と、第1の撹拌翼の前記端縁部とは非接触の状態にある、製造装置。
A manufacturing apparatus for manufacturing a zeolite without using an organic structure directing agent, comprising:
The apparatus includes a reaction vessel capable of heating the zeolite raw material under a sealed condition, and a stirring member that can be accommodated in the reaction vessel.
The reaction vessel has a discharge port at a bottom for discharging the fluidized zeolite, and a bottom surface of the bottom is formed in a funnel shape having an inclined surface inclined toward the discharge port,
The stirring member has a rotating shaft that is located at the center of the funnel-shaped bottom surface and extends in the vertical direction when viewed in a plane, a first stirring blade attached to the rotating shaft and having an edge portion extending along the inclined surface of the reaction vessel, and a second stirring blade attached to the upper part of the first stirring blade on the rotating shaft, and the inclined surface of the bottom of the reaction vessel and the edge portion of the first stirring blade are not in contact with each other.
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