JP7724166B2 - Method for producing lower olefins - Google Patents
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Description
本発明はDDR型ゼオライトを含む触媒を用いた低級オレフィンの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing lower olefins using a catalyst containing DDR-type zeolite.
エチレン、プロピレン、ブテンといった低級オレフィンを製造する方法としては、従来からナフサのスチームクラッキングや減圧軽油の流動接触分解が一般的に実施されており、近年ではエチレンと2-ブテンを原料としたメタセシス反応やメタノールおよび/またはジメチルエーテルを原料としたMTO(メタノール to オレフィン)プロセスが知られている。 Conventional methods for producing lower olefins such as ethylene, propylene, and butene include steam cracking of naphtha and fluid catalytic cracking of vacuum gas oil. In recent years, metathesis reactions using ethylene and 2-butene as feedstocks and the MTO (methanol to olefins) process using methanol and/or dimethyl ether as feedstocks have become well known.
例えば非特許文献1~3には、メタノールを原料として、DDR型構造を有するゼオライト(Sigma-1、ZSM-58ゼオライト)を触媒として使用することにより、C5以上の炭化水素成分の副生を抑制することができ、エチレンとプロピレンを高収率で製造できることが開示されている。 For example, Non-Patent Documents 1 to 3 disclose that by using methanol as a raw material and a zeolite with a DDR structure (Sigma-1, ZSM-58 zeolite) as a catalyst, it is possible to suppress the by-production of hydrocarbon components of C5 or more, and produce ethylene and propylene in high yields.
非特許文献1では、粒子径が2.4μmでSi/Al2比(NH3-TPDより算出した値)が315のDDR型ゼオライトの反応温度を380℃から475℃まで振ったときのエチレン収率が報告されている。この結果をみると反応温度が高いほどエチレン収率が高い結果となっており、反応温度475℃でエチレンの最高収率45%程度となっている。380℃から450℃までは反応温度を上げると大幅にエチレン収率が上がっているが、450℃と475℃では大きく変化していないことが読み取れる。
また、非特許文献2にはSi/Al=50で粒子径が500-1000nm程度のDDR型ゼオライトの反応温度を350℃から450℃まで振った時のエチレン収率が報告されており、反応温度450℃でエチレンの最高収率は48%程度となっている。
しかしながら、エチレンを高収率化するための反応温度に関する検討は十分になされてはいない。一般的に、反応温度を上げた場合、平衡上炭素数の小さいオレフィン成分が増える傾向にあるが、一方で炭素数の一番小さいメタン等の副生物が増えるので、上述のように反応温度を475℃より高い温度にすることは行われていなかった。
Non-Patent Document 1 reports the ethylene yield when the reaction temperature of a DDR zeolite having a particle size of 2.4 μm and an Si/Al 2 ratio (value calculated from NH 3 -TPD) of 315 is varied from 380°C to 475°C. The results show that the ethylene yield increases as the reaction temperature increases, with the maximum ethylene yield reaching approximately 45% at a reaction temperature of 475°C. It can be seen that the ethylene yield increases significantly when the reaction temperature is increased from 380°C to 450°C, but does not change significantly between 450°C and 475°C.
Furthermore, Non-Patent Document 2 reports the ethylene yield when the reaction temperature of a DDR-type zeolite with Si/Al=50 and a particle size of about 500-1000 nm is varied from 350°C to 450°C, and the maximum ethylene yield at a reaction temperature of 450°C is about 48%.
However, the reaction temperature for increasing the yield of ethylene has not been sufficiently studied. Generally, when the reaction temperature is increased, the amount of olefin components with small carbon numbers tends to increase at equilibrium, but on the other hand, the amount of by-products such as methane, which has the smallest carbon number, increases. Therefore, as mentioned above, the reaction temperature has not been increased to a temperature higher than 475°C.
本発明は、上記課題を解決するものであり、エチレンの高収率化を達成できる低級オレフィンの製造方法を提供することを課題とする。 The present invention aims to solve the above problems and provide a method for producing lower olefins that can achieve a high ethylene yield.
本発明者らは上記課題を解決すべく検討を進め、メタノールおよび/またはジメチルエーテルを含む原料に、DDR型ゼオライトを接触させる工程を備える低級オレフィンの製造方法であって、反応温度を一定温度以上とすることで、エチレンの高収率化を達成できる低級オレフィンの製造方法を提供することができることを見出し、本発明を完成させた。なお、本明細書において、低級オレフィンとは、エチレン、プロピレンおよびブテンを意味する。言い換えれば炭素数2から4のオレフィンである。 The inventors conducted research to solve the above-mentioned problems and discovered that a method for producing lower olefins comprising a step of contacting a raw material containing methanol and/or dimethyl ether with a DDR-type zeolite can be provided, which can achieve a high yield of ethylene by setting the reaction temperature at a certain temperature or higher, and thus completed the present invention. In this specification, lower olefins refer to ethylene, propylene, and butene. In other words, they are olefins having 2 to 4 carbon atoms.
本発明は、以下の要旨を含む。
[1]メタノールおよび/またはジメチルエーテルを含む原料に、DDR型ゼオライトを接触させる工程を備える低級オレフィンの製造方法であって、反応温度が490℃以上600℃以下であることを特徴とする、低級オレフィンの製造方法。
[2]前記DDR型ゼオライトの平均一次粒子径が2000nm以下である、上記[1]に記載の低級オレフィンの製造方法。
[3]前記DDR型ゼオライトが、界面活性剤の存在下、アルカリ条件で処理されているDDR型ゼオライトである、上記[1]又は[2]に記載の低級オレフィンの製造方法。
[4]前記DDR型ゼオライトの構成元素としてケイ素(Si)とアルミニウム(Al)を含有し、ケイ素(Si)とアルミニウム(Al)とのモル比(Si/Al)が25以上500以下である上記[1]~[3]のいずれかに記載の低級オレフィンの製造方法。
The present invention includes the following aspects.
[1] A method for producing lower olefins, comprising a step of contacting a raw material containing methanol and/or dimethyl ether with a DDR-type zeolite, wherein the reaction temperature is 490°C or higher and 600°C or lower.
[2] The method for producing lower olefins according to the above [1], wherein the average primary particle diameter of the DDR type zeolite is 2000 nm or less.
[3] The method for producing lower olefins according to the above [1] or [2], wherein the DDR type zeolite is a DDR type zeolite that has been treated under alkaline conditions in the presence of a surfactant.
[4] The DDR type zeolite contains silicon (Si) and aluminum (Al) as constituent elements, and the molar ratio of silicon (Si) to aluminum (Al) (Si/Al) is 25 or more and 500 or less. [1] - [3] The method for producing lower olefins according to any one of the above.
本発明によれば、エチレンの高収率化を達成できる低級オレフィンの製造方法を提供することができる。 The present invention provides a method for producing lower olefins that can achieve a high ethylene yield.
以下、本発明について詳細に説明するが、以下に記載する構成要件の説明は、本発明の実施形態の一例(代表例)であり、本発明はこれらの内容に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。 The present invention will be described in detail below. However, the following description of the constituent elements is one example (representative example) of an embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to these contents, and various modifications can be made within the scope of the gist of the invention.
[DDR型ゼオライト]
DDR型ゼオライトは、その構成単位として、2つの8員環構造が交差した形状を有する2次元細孔構造を有するゼオライトである。IZAのデータベースによると細孔径は3.6×4.4Åであり、MTO触媒として工業化されているSAPO-34に代表されるCHA型ゼオライト(3.8×3.8Å)と比較すると、細孔が狭まった構造となっており、そのため、C5以上の炭化水素成分の副生を抑制できると推察される。
[DDR type zeolite]
DDR-type zeolite is a zeolite with a two-dimensional pore structure in which two eight-membered ring structures intersect as its structural units. According to the IZA database, the pore size is 3.6 x 4.4 Å, which is a narrower pore structure compared to CHA-type zeolites (3.8 x 3.8 Å) such as SAPO-34, which is industrially used as an MTO catalyst. This is thought to be why the by-production of hydrocarbon components of C5 or higher can be suppressed.
本実施形態のDDR型ゼオライトの組成は、特に限定されないが、構成元素としてケイ素(Si)およびアルミニウム(Al)を含んでいることが好ましい。SiおよびAl以外の元素を含む場合、そのほかの元素としては特に限定はされないが、例えばホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、鉄(Fe)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、ジルコニウム(Zr)、錫(Sn)から選ばれる1種または2種以上が挙げられる。 The composition of the DDR-type zeolite of this embodiment is not particularly limited, but preferably contains silicon (Si) and aluminum (Al) as constituent elements. When elements other than Si and Al are contained, the other elements are not particularly limited, but examples include one or more selected from boron (B), titanium (Ti), vanadium (V), iron (Fe), zinc (Zn), gallium (Ga), germanium (Ge), zirconium (Zr), and tin (Sn).
具体的に好ましくは、構成元素としてSiおよびAlを含有する結晶性アルミノシリケートに加えGaを含有する結晶性ガロアルミノシリケートが挙げられる。これらのゼオライトは、ゼオライト骨格内のAlやGaが酸点となり、触媒反応の活性点として働くため、触媒活性に優れる。 Specific examples of preferred zeolites include crystalline aluminosilicates containing Si and Al as constituent elements, as well as crystalline galloaluminosilicates containing Ga. These zeolites have excellent catalytic activity because the Al and Ga in the zeolite framework act as acid sites and act as active sites for catalytic reactions.
前記結晶性アルミノシリケートの場合、そのSi/Alモル比は、好ましくは25以上、より好ましくは50以上、更に好ましくは60以上、特に好ましくは70以上、とりわけ好ましくは80以上であり、好ましくは500以下、より好ましくは250以下、更に好ましくは150以下である。特に好ましくは140以下、とりわけ好ましくは130以下である。Si/Alモル比をこのような範囲とすることで、十分な触媒活性を有するとともに、触媒寿命が一層向上したゼオライト触媒とすることができる。
前記結晶性ガロシリケートの場合、その構成元素の比率としては特に限定されるものではないが、そのSi/Gaモル比は、通常5以上、好ましくは10以上、より好ましくは25以上、更に好ましくは50以上、特に好ましくは100以上、とりわけ好ましくは200以上であり、通常5000以下、好ましくは1000以下、さらに好ましくは500以下である。Si/Gaモル比をこのような範囲とすることで、十分な触媒活性を有するとともに、触媒寿命が一層向上したゼオライト触媒とすることができる。
In the case of the crystalline aluminosilicate, the Si/Al molar ratio is preferably 25 or more, more preferably 50 or more, even more preferably 60 or more, particularly preferably 70 or more, and especially preferably 80 or more, and is preferably 500 or less, more preferably 250 or less, and even more preferably 150 or less. It is especially preferably 140 or less, and especially preferably 130 or less. By setting the Si/Al molar ratio within this range, a zeolite catalyst can be obtained that has sufficient catalytic activity and further improves the catalyst life.
In the case of the crystalline gallosilicate, the ratio of its constituent elements is not particularly limited, but the Si/Ga molar ratio is usually 5 or more, preferably 10 or more, more preferably 25 or more, even more preferably 50 or more, particularly preferably 100 or more, and especially preferably 200 or more, and is usually 5000 or less, preferably 1000 or less, and more preferably 500 or less. By setting the Si/Ga molar ratio within this range, a zeolite catalyst can be obtained that has sufficient catalytic activity and further improved catalyst life.
なお、本実施形態のDDR型ゼオライトのSi、Al、Ga、B等の含有量は、通常、誘導結合プラズマ発光分光分析(ICP-AES)等により、製造されたDDR型ゼオライトについて測定された値であり、原料の仕込みの比率ではない。 The contents of Si, Al, Ga, B, etc. in the DDR zeolite of this embodiment are typically values measured for the manufactured DDR zeolite using inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-AES) or similar, and are not the ratios of the raw material loadings.
本実施形態のDDR型ゼオライトのイオン交換サイトは、特に限定されず、H型であっても、金属イオンで交換されたものであってもよい。ここで、金属イオンとは、具体的にはアルカリ金属イオンやアルカリ土類金属イオン、セリウム、タングステン、マンガン、鉄等である。 The ion exchange sites of the DDR-type zeolite of this embodiment are not particularly limited and may be H-type or may be exchanged with metal ions. Here, specific examples of metal ions include alkali metal ions, alkaline earth metal ions, cerium, tungsten, manganese, and iron.
[外表面積(A1)に対するBET比表面積(A2)の割合]
本実施形態のDDR型ゼオライトの外表面積(A1)は、通常5m2/g以上、好ましくは10m2/g以上、より好ましくは15m2/g以上、さらに好ましくは20m2/g以上であって、通常500m2/g以下、好ましくは300m2/g以下、より好ましくは200m2/g以下である。
本実施形態のDDR型ゼオライトのBET比表面積(A2)は、特に限定されるものでなく、通常150m2/g以上、好ましくは200m2/g以上、より好ましくは250m2/g以上、さらに好ましくは300m2/g以上であって、通常800m2/g以下、好ましくは700m2/g以下、より好ましくは600m2/g以下である。
本実施形態の外表面積(A1)に対する、BET比表面積(A2)の割合(A2/A1)は、20以下であることが好ましい。A2/A1が20以下であると反応生成物の細孔外への拡散が向上し、コーキングが抑制できると考えられる。以上の観点から、A2/A1はより好ましくは18以下、さらに好ましくは17以下、よりさらに好ましくは16以下、特に好ましくは15以下である。一方、下限値は特に限定されないが、通常2以上である。
本実施形態のDDR型ゼオライトのマイクロ孔容積(A3)は、特に限定されるものでなく、通常0.05ml/g以上、好ましくは0.075ml/g以上、より好ましくは0.10ml/g以上であって、通常3ml/g以下、好ましくは2ml/g以下である。
なお、外表面積(A1)、BET比表面積(A2)、及びマイクロ孔容積(A3)は窒素吸脱着測定から算出することができ、例えばマイクロトラック・ベル社製Belsorp-miniIIを用いて行うことができる。そしてデータ解析はマイクロトラック・ベル社製の解析ソフトBELMasterを用いて行うことができる。ここで、BET比表面積(A2)は相対圧(P/P0)が0.002~0.06の測定データをBETプロットすることにより算出することができる。外表面積(A1)及びマイクロ孔容積(A3)は相対圧(P/P0)が0.20~0.42のデータをtプロットすることにより算出することができる。尚、標準等温線としてHarkins-Juraを用いる。
[Ratio of BET specific surface area (A2) to external surface area (A1)]
The external surface area (A1) of the DDR zeolite of this embodiment is usually 5 m 2 /g or more, preferably 10 m 2 /g or more, more preferably 15 m 2 /g or more, and even more preferably 20 m 2 /g or more, and is usually 500 m 2 /g or less, preferably 300 m 2 /g or less, and more preferably 200 m 2 /g or less.
The BET specific surface area (A2) of the DDR zeolite of this embodiment is not particularly limited, but is usually 150 m 2 /g or more, preferably 200 m 2 /g or more, more preferably 250 m 2 /g or more, and even more preferably 300 m 2 /g or more, and is usually 800 m 2 /g or less, preferably 700 m 2 /g or less, and more preferably 600 m 2 /g or less.
In this embodiment, the ratio (A2/A1) of the BET specific surface area (A2) to the external surface area (A1) is preferably 20 or less. When A2/A1 is 20 or less, it is thought that the diffusion of the reaction product out of the pores is improved, and coking can be suppressed. From the above viewpoints, A2/A1 is more preferably 18 or less, even more preferably 17 or less, still more preferably 16 or less, and particularly preferably 15 or less. On the other hand, the lower limit is not particularly limited, but is usually 2 or more.
The micropore volume (A3) of the DDR zeolite of the present embodiment is not particularly limited, and is usually 0.05 ml/g or more, preferably 0.075 ml/g or more, more preferably 0.10 ml/g or more, and is usually 3 ml/g or less, preferably 2 ml/g or less.
The external surface area (A1), BET specific surface area (A2), and micropore volume (A3) can be calculated from nitrogen adsorption/desorption measurements, for example, using a Belsorp-mini II manufactured by Microtrac-Bell. Data analysis can be performed using analysis software BELMaster manufactured by Microtrac-Bell. The BET specific surface area (A2) can be calculated by BET plotting measurement data at relative pressures (P/P0) of 0.002 to 0.06. The external surface area (A1) and micropore volume (A3) can be calculated by t-plotting data at relative pressures (P/P0) of 0.20 to 0.42. The Harkins-Jura isotherm is used as the standard isotherm.
本実施形態のDDR型ゼオライトの平均一次粒子径は、特に限定されるものではなく、通常3μm(3000nm)以下、好ましくは2μm(2000nm)以下、より好ましくは1μm(1000nm)以下、さらに好ましくは800nm以下、よりさらに好ましくは700nm以下、特に好ましくは600nm以下である。また通常20nm以上、好ましくは40nm以上である。
なお、DDR型ゼオライトの平均一次粒子径は、走査型電子顕微鏡(SEM)により求めることができる。
The average primary particle size of the DDR zeolite of the present embodiment is not particularly limited, and is usually 3 μm (3000 nm) or less, preferably 2 μm (2000 nm) or less, more preferably 1 μm (1000 nm) or less, even more preferably 800 nm or less, still more preferably 700 nm or less, and particularly preferably 600 nm or less. Also, it is usually 20 nm or more, preferably 40 nm or more.
The average primary particle size of DDR type zeolite can be determined using a scanning electron microscope (SEM).
「一次粒子径」及び「平均一次粒子径」は、前述のように、いずれも走査型電子顕微鏡(SEM)により算出することができる。
ここで、「一次粒子」とは、粒界が確認されない最小の粒子のことをいう。本発明では、ゼオライト触媒のSEM画像を取得し、当該SEM画像に含まれるゼオライトに相当する部分であって、粒界が確認されない最小粒子を「一次粒子」として判断する。尚、本発明においては、一次粒子は単体の粒子として存在していなくてもよく、凝集等により二次粒子を形成していてもよい。二次粒子を形成していたとしても、SEM画像において二次粒子の表面の一次粒子を判別可能である。なお、DDR型ゼオライトは表面にひび割れのようなものが見られることがあるが、それは粒界とはみなさない。
「平均一次粒子径」とは以下のようにして測定されたものをいう。すなわち、ゼオライト触媒のSEM画像に含まれる一次粒子を無作為に50個選択し、選択した50個の一次粒子それぞれについて長径(一次粒子の一端と多端とを直線で結んだ場合に最長となる直線の長さ)を測定し、測定した50個の長径の相加平均値を「平均一次粒子径」とする。ただし、ゼオライト触媒全体において一次粒子が50個未満しか含まれていない場合は、ゼオライト触媒に含まれるすべての一次粒子について、それぞれの長径を測定し、その平均値を「平均一次粒子径」とする。
As described above, the "primary particle size" and the "average primary particle size" can both be calculated using a scanning electron microscope (SEM).
Here, "primary particles" refer to the smallest particles for which no grain boundaries are observed. In the present invention, an SEM image of the zeolite catalyst is obtained, and the smallest particles that correspond to the zeolite contained in the SEM image and for which no grain boundaries are observed are determined to be "primary particles." In the present invention, the primary particles do not have to exist as single particles, and may form secondary particles by aggregation or the like. Even if secondary particles are formed, it is possible to distinguish the primary particles on the surfaces of the secondary particles in the SEM image. Note that although cracks-like things may be seen on the surface of DDR-type zeolite, these are not considered to be grain boundaries.
The "average primary particle diameter" is measured as follows. That is, 50 primary particles contained in an SEM image of a zeolite catalyst are randomly selected, and the major axis (the length of the longest straight line when connecting one end of a primary particle with the other end of a primary particle) of each of the selected 50 primary particles is measured, and the arithmetic mean of the major axes of the 50 measured particles is defined as the "average primary particle diameter." However, if the entire zeolite catalyst contains fewer than 50 primary particles, the major axis of each of all primary particles contained in the zeolite catalyst is measured, and the average value thereof is defined as the "average primary particle diameter."
[DDR型ゼオライトの製造方法]
以下、本実施形態のDDR型ゼオライトを製造する方法について説明する。
[Method for producing DDR type zeolite]
Hereinafter, a method for producing the DDR type zeolite of this embodiment will be described.
DDR型ゼオライトは一般的に水熱合成法によって調製することが可能である。例えば水にアルカリ源、有機構造規定剤、好ましくは1-アダマンチルアミン、ヨウ化メチルトロピニウム、水酸化キヌクリジニウム等を加えて撹拌し、さらに、アルミニウム源、ガリウム源およびホウ素源、シリカ源等を加えて均一なゲルを生成させ、得られた原料ゲルをオートクレーブ等の加圧加熱容器中で100~220℃に保持して結晶化させる。結晶化の際に、必要に応じて種結晶を添加してもよく、種結晶を添加する方が、DDR型ゼオライトが結晶化しやすくなるので好ましい。種結晶としては、DDR型ゼオライトを用いることが好ましい。種結晶は粉砕処理を行ったゼオライトを用いることが好ましく、粉砕処理を行った種結晶を用いることで、粒子径の小さなDDR型ゼオライトが得られやすい。 DDR-type zeolite can generally be prepared by hydrothermal synthesis. For example, an alkali source and an organic structure-directing agent, preferably 1-adamantylamine, methyltropinium iodide, or quinuclidinium hydroxide, are added to water and stirred. An aluminum source, a gallium source, a boron source, a silica source, or the like is then added to form a uniform gel. The resulting raw gel is then crystallized by holding it at 100 to 220°C in a pressurized, heated vessel such as an autoclave. Seed crystals may be added as needed during crystallization, but adding seed crystals is preferred because it facilitates crystallization of DDR-type zeolite. It is preferable to use DDR-type zeolite as the seed crystals. It is preferable to use pulverized zeolite as the seed crystals. Using pulverized seed crystals makes it easier to obtain DDR-type zeolite with a small particle size.
原料ゲルの結晶化後は、結晶化した原料ゲルを濾過および洗浄した後、固形分を100~200℃で乾燥し、引き続き400~900℃で焼成することによって、ゼオライト粉末として得ることができる。 After the raw gel crystallizes, the crystallized raw gel is filtered and washed, and the solids are dried at 100-200°C and then calcined at 400-900°C to obtain zeolite powder.
原料ゲルの調製に用いるシリカ源としては、フュームドシリカ、シリカゾル、シリカゲル、二酸化珪素、水ガラスなどのシリケートやテトラエトキシオルソシリケートやテトラメトキシシランなどの珪素のアルコキシド、珪素のハロゲン化物等の1種または2種以上を用いることができる。
アルミニウム源としては硫酸アルミニウム、硝酸アルミニウム、擬ベーマイト、アルミニウムアルコキシド、水酸化アルミニウム、アルミナゾル、アルミン酸ナトリウム等の1種または2種以上を用いることができる。
ガリウム源としては硝酸ガリウム、硫酸ガリウム、リン酸ガリウム、塩化ガリウム、臭化ガリウム、水酸化ガリウム等の1種または2種以上を用いることができる。
ホウ素源としてはホウ酸、ホウ酸ナトリウム、酸化ホウ素等の1種または2種以上を用いることができる。
The silica source used in preparing the raw gel may be one or more of silicates such as fumed silica, silica sol, silica gel, silicon dioxide, and water glass, silicon alkoxides such as tetraethoxyorthosilicate and tetramethoxysilane, and silicon halides.
As the aluminum source, one or more of aluminum sulfate, aluminum nitrate, pseudoboehmite, aluminum alkoxide, aluminum hydroxide, alumina sol, sodium aluminate, etc. can be used.
As the gallium source, one or more of gallium nitrate, gallium sulfate, gallium phosphate, gallium chloride, gallium bromide, gallium hydroxide, etc. can be used.
As the boron source, one or more of boric acid, sodium borate, boron oxide, etc. can be used.
種結晶として用いるDDR型ゼオライトのケイ素(Si)とアルミニウム(Al)とのモル比(Si/Al)には特に制限はないが25~10000の範囲であることが好ましい。また、種結晶は添加するシリカ源に対して1~20質量%程度用いることが好ましい。 There are no particular restrictions on the molar ratio (Si/Al) of silicon (Si) to aluminum (Al) in the DDR-type zeolite used as seed crystals, but it is preferably in the range of 25 to 10,000. It is also preferable to use approximately 1 to 20 mass% of the seed crystals relative to the silica source added.
DDR型ゼオライトは、合成時に構成元素の量(Si,Al,Ga,B等)を調整することで、含有金属量を調整することができる。また、構成元素の一部をスチーミングや酸処理等により除去して含有量を調整したものを用いることもできる。 DDR-type zeolite can adjust the amount of metals it contains by adjusting the amount of constituent elements (Si, Al, Ga, B, etc.) during synthesis. It is also possible to use zeolites in which the content is adjusted by removing some of the constituent elements through steaming, acid treatment, etc.
本実施形態では、水熱合成により調製したDDR型ゼオライトを、界面活性剤の存在下、アルカリで処理するアルカリ処理を行ってもよい。アルカリ処理することにより、エチレン収率が向上する。
アルカリ処理工程に用いる界面活性剤としては、カチオン界面活性剤、アニオン界面活性剤、ノニオン界面活性剤、両性界面活性剤等を、単独でまたは組み合わせて用いることができる。一例として、臭化ヘキサデシルトリメチルアンモニウム、塩化ヘキサデシルトリメチルアンモニウム、水酸化ヘキサデシルトリメチルアンモニウムなどのカチオン界面活性剤が好適に挙げられる。
アルカリ処理工程における界面活性剤の濃度は特に限定されず、処理液中に0.1~10質量%程度含有させることができる。
In this embodiment, the DDR zeolite prepared by hydrothermal synthesis may be subjected to an alkali treatment in the presence of a surfactant. The alkali treatment improves the ethylene yield.
The surfactant used in the alkali treatment step may be a cationic surfactant, anionic surfactant, nonionic surfactant, amphoteric surfactant, or the like, which may be used alone or in combination. Suitable examples include cationic surfactants such as hexadecyltrimethylammonium bromide, hexadecyltrimethylammonium chloride, and hexadecyltrimethylammonium hydroxide.
The concentration of the surfactant in the alkali treatment step is not particularly limited, and it can be contained in the treatment liquid at about 0.1 to 10% by mass.
アルカリ処理のためのアルカリは特に限定されず、アンモニア溶液、水酸化ナトリウム溶液などを用いることができ、アルカリの程度も特に限定されず、例えばpHが9~12程度であればよい。
アルカリ処理は、DDR型ゼオライトをアルカリと接触させればよいが、界面活性剤を含むアルカリ溶液中で撹拌してもよい。また、アルカリ処理の温度も特段限定されず、例えば100~200℃程度であればよい。アルカリ処理の時間も特段限定されず、界面活性剤を含むアルカリ溶液中に0.1~24時間浸漬すればよい。
アルカリ処理後乾燥させ、触媒として用いるために再度焼成を行い、取り込まれた界面活性剤を除去することが望ましい。
The alkali for the alkali treatment is not particularly limited, and an ammonia solution, a sodium hydroxide solution, or the like can be used. The level of alkalinity is also not particularly limited, and the pH may be, for example, about 9 to 12.
The alkali treatment can be carried out by bringing DDR zeolite into contact with an alkali, or by stirring it in an alkali solution containing a surfactant. The temperature of the alkali treatment is not particularly limited, and may be, for example, about 100 to 200°C. The time for the alkali treatment is also not particularly limited, and the zeolite may be immersed in the alkali solution containing a surfactant for 0.1 to 24 hours.
After the alkali treatment, it is desirable to dry the product and then calcinate it again to remove the incorporated surfactant for use as a catalyst.
[触媒]
本実施形態のDDR型ゼオライトは低級オレフィンを生成する反応に用いられる触媒として有用である。
[catalyst]
The DDR zeolite of this embodiment is useful as a catalyst used in a reaction for producing lower olefins.
本実施形態のDDR型ゼオライトは、そのまま本発明における触媒として反応に用いてもよいし、反応に不活性な他の物質、例えばアルカリ土類金属やケイ素を含む化合物との混合物として用いてもよい。また、バインダーを用いて、造粒ないし成形して反応に用いてもよい。該反応に不活性な物質やバインダーとしては、アルミナまたはアルミナゾル、シリカ、シリカゲル、シリケート、石英、および、それらの混合物等が挙げられる。これらの中でも工業触媒として強度と触媒性能が優れることが期待される点でシリカが好ましい。これらの物質と混合することは、触媒全体のコスト削減、触媒の高密度化、触媒強度増加にも効果的である。 The DDR-type zeolite of this embodiment may be used directly as a catalyst in the reaction of the present invention, or may be used as a mixture with other substances inert to the reaction, such as alkaline earth metals or silicon-containing compounds. It may also be granulated or molded using a binder and used in the reaction. Examples of substances or binders inert to the reaction include alumina or alumina sol, silica, silica gel, silicate, quartz, and mixtures thereof. Among these, silica is preferred because it is expected to have excellent strength and catalytic performance as an industrial catalyst. Mixing with these substances is also effective in reducing the overall cost of the catalyst, increasing the density of the catalyst, and increasing the catalyst strength.
[低級オレフィンの製造方法]
本実施形態のDDR型ゼオライトを含む触媒を用いて低級オレフィンを製造する方法において、原料としてはメタノール、ジメチルエーテルを用いる。また、メタノールとジメチルエーテルの混合物を用いてもよい。
[Method for producing lower olefins]
In the method for producing lower olefins using a catalyst containing a DDR zeolite of this embodiment, methanol or dimethyl ether is used as a raw material. Alternatively, a mixture of methanol and dimethyl ether may be used.
本発明の実施形態である低級オレフィンの製造方法は、メタノールおよび/またはジメチルエーテルを含む原料に、上記DDR型ゼオライトを含む触媒を接触させる工程を備える。 A method for producing lower olefins, which is an embodiment of the present invention, includes a step of contacting a feedstock containing methanol and/or dimethyl ether with a catalyst containing the above-mentioned DDR-type zeolite.
原料として用いるメタノールおよびジメチルエーテルの製造由来は特に限定されない。例えば、石炭および天然ガス、ならびに製鉄業における副生物由来の水素/COの混合ガスの水素化反応により得られるもの、植物由来のアルコール類の改質反応により得られるもの、発酵法により得られるもの、再循環プラスチックや都市廃棄物等の有機物質から得られるもの、二酸化炭素を原料としたメタノール合成反応により得られるもの等が挙げられる。このとき各製造方法に起因するメタノールおよびジメチルエーテル以外の化合物が任意に混合した状態のものをそのまま用いてもよいし、精製したものを用いてもよい。
なお、反応原料としては、メタノールのみを用いてもよく、ジメチルエーテルのみを用いてもよく、これらを混合して用いてもよい。メタノールとジメチルエーテルを混合して用いる場合、その混合割合に制限はない。
The origin of the methanol and dimethyl ether used as raw materials is not particularly limited. Examples include those obtained by the hydrogenation reaction of a hydrogen/CO mixed gas derived from coal, natural gas, and a by-product of the steel industry, those obtained by the reforming reaction of plant-derived alcohols, those obtained by fermentation, those obtained from organic substances such as recycled plastics and urban waste, and those obtained by a methanol synthesis reaction using carbon dioxide as a raw material. In this case, a mixture of compounds other than methanol and dimethyl ether resulting from each production method may be used as is, or a purified product may be used.
As the reaction raw material, only methanol or only dimethyl ether may be used, or a mixture of these may be used. When a mixture of methanol and dimethyl ether is used, there is no limitation on the mixing ratio.
本実施形態における反応様式としては、メタノールおよび/またはジメチルエーテル供給原料が反応域において気相であれば特に限定されず、流動床反応装置、移動床反応装置または固定床反応装置を用いた公知の気相反応プロセスを適用することができる。流動床反応装置を用いることで、ワンパス寿命が短い触媒でも運転が可能となる。
また、バッチ式、半連続式または連続式のいずれの形態でも行われ得るが、連続式で行うのが好ましく、その方法は、単一の反応器を用いた方法でもよいし、直列または並列に配置された複数の反応器を用いた方法でもよい。
The reaction mode in this embodiment is not particularly limited as long as the methanol and/or dimethyl ether feedstock is in the gas phase in the reaction zone, and a known gas-phase reaction process using a fluidized bed reactor, a moving bed reactor, or a fixed bed reactor can be applied. The use of a fluidized bed reactor enables operation even with a catalyst having a short one-pass life.
The process may be carried out in any of a batch system, a semi-continuous system, or a continuous system, but is preferably carried out in a continuous system, and the process may use a single reactor or a plurality of reactors arranged in series or parallel.
なお、固定床反応器に前述の触媒を充填する際、触媒層の温度分布を小さく抑えるために、石英砂、アルミナ、シリカ、シリカ-アルミナ等の反応に不活性な粒状物を、触媒と混合して充填してもよい。この場合、石英砂等の反応に不活性な粒状物の使用量は特に制限はない。なお、この粒状物は、触媒との均一混合性の面から、触媒と同程度の粒径であることが好ましい。
また、反応器には、反応に伴う発熱を分散させることを目的に、反応基質(反応原料)を分割して供給してもよい。
When the fixed-bed reactor is packed with the catalyst, in order to minimize the temperature distribution in the catalyst layer, granular materials inert to the reaction, such as quartz sand, alumina, silica, or silica-alumina, may be mixed with the catalyst and packed. In this case, there are no particular restrictions on the amount of granular materials inert to the reaction, such as quartz sand, used. In order to ensure uniform mixing with the catalyst, it is preferable that the granular materials have a particle size similar to that of the catalyst.
Furthermore, the reaction substrates (reaction raw materials) may be supplied to the reactor in divided portions for the purpose of dispersing the heat generated by the reaction.
反応器に供給する全供給成分中の、メタノールとジメチルエーテルの合計濃度(基質濃度)に関しては特に制限はないが、メタノールとジメチルエーテルの和は、全供給成分中、90モル%以下が好ましい。更に好ましくは10モル%以上70モル%以下である。
上記範囲であると反応速度および低級オレフィン収率の点で好ましい。
The total concentration (substrate concentration) of methanol and dimethyl ether in all the components fed to the reactor is not particularly limited, but the sum of methanol and dimethyl ether is preferably 90 mol % or less, more preferably 10 mol % or more and 70 mol % or less, of all the components fed.
The above range is preferable in terms of the reaction rate and the yield of low olefins.
反応器内には、メタノールおよび/またはジメチルエーテルの他に、ヘリウム、アルゴン、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素、水素、水、パラフィン類、メタン等の炭化水素類、芳香族化合物類、および、それらの混合物など、反応に不活性な気体(以下、「希釈剤」とも称する。)を存在させることができるが、この中でも水(水蒸気)が共存しているのが、分離が良好であることから好ましい。
このような希釈剤としては、反応原料に含まれている不純物をそのまま使用してもよいし、別途調製した希釈剤を反応原料と混合して用いてもよい。また、希釈剤は反応器に入れる前に反応原料と混合してもよいし、反応原料とは別に反応器に供給してもよい。
In addition to methanol and/or dimethyl ether, the reactor may contain gases inert to the reaction (hereinafter also referred to as "diluents"), such as helium, argon, nitrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen, water, paraffins, hydrocarbons such as methane, aromatic compounds, and mixtures thereof. Among these, the coexistence of water (water vapor) is preferred because it allows for good separation.
As such a diluent, impurities contained in the reaction raw materials may be used as they are, or a separately prepared diluent may be mixed with the reaction raw materials. In addition, the diluent may be mixed with the reaction raw materials before being charged into the reactor, or may be supplied to the reactor separately from the reaction raw materials.
本発明において、反応温度は490℃以上600℃以下である。反応温度の下限としては、好ましくは495℃以上、より好ましくは500℃以上であり、反応温度の上限としては、好ましくは560℃以下、より好ましくは540℃以下である。反応温度が低すぎると、エチレン以外のオレフィン収率が高くなり、エチレンの収率が低下する。一方で反応温度が高すぎると、メタン等のパラフィン収率が高くなり、エチレン収率が低下する。また、触媒のコーキングが激しくなり、長期間安定的にオレフィン製造ができなくなる。なお、ここで、反応温度とは、触媒層出口の温度をさす。 In the present invention, the reaction temperature is 490°C or higher and 600°C or lower. The lower limit of the reaction temperature is preferably 495°C or higher, more preferably 500°C or higher, and the upper limit of the reaction temperature is preferably 560°C or lower, more preferably 540°C or lower. If the reaction temperature is too low, the yield of olefins other than ethylene will increase and the yield of ethylene will decrease. On the other hand, if the reaction temperature is too high, the yield of paraffins such as methane will increase and the yield of ethylene will decrease. In addition, coking of the catalyst will become severe, making it impossible to produce olefins stably over a long period of time. Note that the reaction temperature here refers to the temperature at the outlet of the catalyst layer.
反応圧力の上限は通常5MPa(絶対圧、以下同様)以下であることが好ましく、より好ましくは2MPa以下であり、さらに好ましくは1MPa以下、よりさらに好ましくは0.7MPa以下、特に好ましくは0.4MPa以下である。また、反応圧力の下限は特に制限されないが、通常0.1kPa以上、好ましくは7kPa以上、より好ましくは50kPa以上である。反応圧力が上記上限値以下であると、パラフィン類や芳香族化合物等の好ましくない副生成物の生成量が抑制され、低級オレフィンの収率が増大する。一方、反応圧力が上記下限値以上であると十分な反応速度が得られる。 The upper limit of the reaction pressure is preferably 5 MPa (absolute pressure, hereinafter) or less, more preferably 2 MPa or less, even more preferably 1 MPa or less, even more preferably 0.7 MPa or less, and particularly preferably 0.4 MPa or less. There is no particular restriction on the lower limit of the reaction pressure, but it is usually 0.1 kPa or more, preferably 7 kPa or more, and more preferably 50 kPa or more. When the reaction pressure is below the upper limit, the amount of undesirable by-products such as paraffins and aromatic compounds produced is suppressed, and the yield of lower olefins is increased. On the other hand, when the reaction pressure is above the lower limit, a sufficient reaction rate is obtained.
反応原料の重量空間速度は0.1hr-1以上であることが好ましく、0.5hr-1以上であることがより好ましい。一方、重量空間速度は10hr-1以下であることが好ましく、5hr-1以下であることがより好ましい。重量空間速度がこの範囲内であると、高転化率を維持しつつ低級オレフィン収率が向上する。 The weight hourly space velocity of the reaction raw materials is preferably 0.1 hr -1 or more, more preferably 0.5 hr -1 or more. On the other hand, the weight hourly space velocity is preferably 10 hr -1 or less, more preferably 5 hr -1 or less. When the weight hourly space velocity is within this range, the yield of light olefins is improved while maintaining a high conversion.
反応器出口ガス(反応器流出物)としては、反応生成物である低級オレフィン、副生成物および希釈剤を含む混合ガスが得られる。該混合ガス中の低級オレフィン濃度は通常5~95質量%である。
反応条件によっては反応生成物中に未反応原料としてメタノールおよび/またはジメチルエーテルが含まれるが、メタノールおよび/またはジメチルエーテルの転化率が高い反応条件で行うのが好ましい。それにより、反応生成物と未反応原料との分離が容易になる。特にメタノールおよび/またはジメチルエーテルの転化率が100%になるような反応条件で反応を行うことで、反応生成物と未反応原料との分離が不要になり好ましい。
The reactor outlet gas (reactor effluent) is a mixed gas containing lower olefins as the reaction product, by-products, and a diluent. The concentration of lower olefins in the mixed gas is usually 5 to 95 mass %.
Depending on the reaction conditions, the reaction product may contain methanol and/or dimethyl ether as unreacted raw materials. However, it is preferable to carry out the reaction under conditions that result in a high conversion of methanol and/or dimethyl ether. This facilitates separation of the reaction product from the unreacted raw materials. In particular, carrying out the reaction under reaction conditions that result in a 100% conversion of methanol and/or dimethyl ether is preferable, as this eliminates the need for separation of the reaction product from the unreacted raw materials.
反応器出口ガスとしての、反応生成物である低級オレフィン、未反応原料、副生成物および希釈剤を含む混合ガスは、公知の分離・精製設備に導入され、それぞれの成分に応じて回収、精製、リサイクル、排出の処理を行えばよい。 The reactor outlet gas, a mixed gas containing the reaction product lower olefins, unreacted raw materials, by-products, and diluent, is introduced into known separation and purification equipment, where each component can be recovered, purified, recycled, or discharged according to its composition.
以下、実施例により本発明をより詳細に説明するが、本発明の範囲は以下の実施例により限定されるものではない。 The present invention will be explained in more detail below using examples, but the scope of the present invention is not limited to the following examples.
製造例1
1M水酸化ナトリウム水溶液3.63g、有機構造規定剤である1-アダマンチルアミン0.30gおよび水9.62gを混合し、これに硫酸アルミニウム0.062gを加えて撹拌した後に、シリカ源としてCataloidSI-30(日揮触媒化成社製)を3.95g加えて十分に撹拌した。さらに種結晶(Seed)として粉砕処理を施したDDR型ゼオライトを0.072g加えて、撹拌することにより原料ゲルを調製した。
Production Example 1
3.63 g of a 1 M aqueous solution of sodium hydroxide, 0.30 g of 1-adamantylamine as an organic structure-directing agent, and 9.62 g of water were mixed, and 0.062 g of aluminum sulfate was added to the mixture and stirred, and then 3.95 g of Cataloid SI-30 (manufactured by JGC Catalysts and Chemicals Co., Ltd.) as a silica source was added and thoroughly stirred. Furthermore, 0.072 g of pulverized DDR-type zeolite was added as seed crystals, and the mixture was stirred to prepare a raw material gel.
得られた原料ゲルをオートクレーブに仕込み、160℃、1日間加熱した。生成物を濾過、水洗した後、100℃で乾燥させ、as-made型の白色粉末を得た。生成物のX線回折(XRD)パターンから、得られた生成物がDDR型ゼオライトであることを確認した。なお、「as-made型」とは、乾燥後、有機構造規定剤の焼成前の状態との意味である。 The resulting raw gel was placed in an autoclave and heated at 160°C for one day. The product was filtered, washed with water, and then dried at 100°C to obtain an as-made white powder. The X-ray diffraction (XRD) pattern of the product confirmed that the resulting product was DDR-type zeolite. Note that "as-made" refers to the state after drying and before calcination of the organic structure-directing agent.
得られたゼオライト粉末を空気雰囲気下、600℃で6時間焼成し、ナトリウム型ゼオライト粉末を得た。得られた粉末を1N硝酸アンモニウム水溶液中で80℃、1時間のイオン交換を行い、その後濾過した。濾過した粉末を再び1N硝酸アンモニウム水溶液中で80℃、1時間のイオン交換を行い、その後、濾過、乾燥してアンモニウム型ゼオライト粉末を得た。その後空気雰囲気下、500℃で6時間焼成してプロトン型ゼオライトを得た。当該ゼオライトをサンプルAとする。 The resulting zeolite powder was calcined in an air atmosphere at 600°C for 6 hours to obtain sodium-type zeolite powder. The resulting powder was subjected to ion exchange in a 1N ammonium nitrate aqueous solution at 80°C for 1 hour and then filtered. The filtered powder was again subjected to ion exchange in a 1N ammonium nitrate aqueous solution at 80°C for 1 hour, then filtered and dried to obtain ammonium-type zeolite powder. This was then calcined in an air atmosphere at 500°C for 6 hours to obtain proton-type zeolite. This zeolite is designated Sample A.
製造例2
1M水酸化ナトリウム水溶液3.61g、1-アダマンチルアミン0.60gおよび水9.64gを混合し、これに硫酸アルミニウム0.060gを加えて撹拌した後に、シリカ源としてCataloidSI-30(日揮触媒化成社製)を3.97g加えて十分に撹拌した。さらに種結晶(Seed)として粉砕処理を施したDDR型ゼオライトを0.073g加えて、撹拌することにより原料ゲルを調製した。得られた原料ゲルを製造例1と同様の方法で加熱・後処理し、プロトン型ゼオライト粉末を得た。
得られたプロトン型ゼオライト0.400g、臭化ヘキサデシルトリメチルアンモニウム0.280g、脱塩水23.98g、10%アンモニア水1.63gを混合し、十分に攪拌した。得られたスラリーをオートクレーブに仕込み、静置下150℃7時間加熱した。生成物を濾過、水洗した後、100℃で乾燥させ、白色粉末を得た。乾燥後に、空気雰囲気下、600℃で6時間焼成し、ゼオライト粉末を得た。当該ゼオライトをサンプルBとする。
Production Example 2
3.61 g of a 1 M aqueous sodium hydroxide solution, 0.60 g of 1-adamantylamine, and 9.64 g of water were mixed, and 0.060 g of aluminum sulfate was added to the mixture and stirred. Then, 3.97 g of Cataloid SI-30 (manufactured by JGC Catalysts and Chemicals) was added as a silica source and stirred thoroughly. Furthermore, 0.073 g of pulverized DDR-type zeolite was added as seed crystals and stirred to prepare a raw gel. The obtained raw gel was heated and post-treated in the same manner as in Production Example 1, and a proton-type zeolite powder was obtained.
0.400 g of the obtained proton-type zeolite, 0.280 g of hexadecyltrimethylammonium bromide, 23.98 g of demineralized water, and 1.63 g of 10% aqueous ammonia were mixed and thoroughly stirred. The obtained slurry was charged into an autoclave and heated at 150°C for 7 hours while standing. The product was filtered, washed with water, and then dried at 100°C to obtain a white powder. After drying, the product was calcined in an air atmosphere at 600°C for 6 hours to obtain a zeolite powder. This zeolite was designated Sample B.
製造例3
1M水酸化ナトリウム水溶液8.37g、1-アダマンチルアミン0.61gおよび水23.73gを混合し、これに硫酸アルミニウム0.124gを加えて撹拌した後に、シリカ源としてaerosil200(日本アエロジル社製)を2.40g加えて十分に撹拌することにより原料ゲルを調製した。得られた原料ゲルを160℃5日間加熱すること以外は製造例1と同様の方法で加熱・後処理し、プロトン型ゼオライト粉末を得た。当該ゼオライトをサンプルCとする。
Production Example 3
A raw gel was prepared by mixing 8.37 g of a 1 M aqueous sodium hydroxide solution, 0.61 g of 1-adamantylamine, and 23.73 g of water, adding 0.124 g of aluminum sulfate and stirring, and then adding 2.40 g of aerosil 200 (manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd.) as a silica source and stirring thoroughly. The obtained raw gel was heated and post-treated in the same manner as in Production Example 1, except that it was heated at 160°C for 5 days, to obtain a proton-type zeolite powder. This zeolite is designated Sample C.
製造例4
1M水酸化ナトリウム水溶液3.65g、1-アダマンチルアミン0.30gおよび水9.61gを混合し、これに硫酸アルミニウム0.125gを加えて撹拌した後に、シリカ源としてCataloidSI-30(日揮触媒化成社製)を3.96g加えて十分に撹拌した。さらに種結晶(Seed)として粉砕処理を施したDDR型ゼオライトを0.072g加えて、撹拌することにより原料ゲルを調製した。得られた原料ゲルを製造例1と同様の方法で加熱・後処理し、プロトン型ゼオライト粉末を得た。当該ゼオライトをサンプルDとする。
Production Example 4
3.65 g of a 1 M aqueous sodium hydroxide solution, 0.30 g of 1-adamantylamine, and 9.61 g of water were mixed, and 0.125 g of aluminum sulfate was added thereto and stirred. Then, 3.96 g of Cataloid SI-30 (manufactured by JGC Catalysts and Chemicals) was added as a silica source and stirred thoroughly. Furthermore, 0.072 g of pulverized DDR-type zeolite was added as seed crystals and stirred to prepare a raw gel. The obtained raw gel was heated and post-treated in the same manner as in Production Example 1, to obtain a proton-type zeolite powder. This zeolite is designated Sample D.
製造例5
1M水酸化ナトリウム水溶液3.62g、1-アダマンチルアミン0.30gおよび水9.61gを混合し、これに硫酸アルミニウム0.015gを加えて撹拌した後に、シリカ源としてCataloidSI-30(日揮触媒化成社製)を3.95g加えて十分に撹拌した。さらに種結晶(Seed)として粉砕処理を施したDDR型ゼオライトを0.072g加えて、撹拌することにより原料ゲルを調製した。得られた原料ゲルを製造例1と同様の方法で加熱・後処理し、プロトン型ゼオライト粉末を得た。当該ゼオライトをサンプルEとする。
Production Example 5
3.62 g of a 1 M aqueous sodium hydroxide solution, 0.30 g of 1-adamantylamine, and 9.61 g of water were mixed, and 0.015 g of aluminum sulfate was added thereto and stirred. Then, 3.95 g of Cataloid SI-30 (manufactured by JGC Catalysts and Chemicals) was added as a silica source and stirred thoroughly. Furthermore, 0.072 g of pulverized DDR-type zeolite was added as seed crystals and stirred to prepare a raw gel. The obtained raw gel was heated and post-treated in the same manner as in Production Example 1, to obtain a proton-type zeolite powder. This zeolite is designated Sample E.
サンプルA~Eに係る合成条件について表1にまとめた。 The synthesis conditions for samples A to E are summarized in Table 1.
[ゼオライトの評価]
サンプルA~Eに係るゼオライトについて以下の評価を行った。
[Evaluation of Zeolite]
The zeolites of Samples A to E were evaluated as follows.
<X線回折測定>
合成したゼオライトのX線回折(XRD)測定は、BRUKER社製の「D2PHASER」を用いて行った。測定により得られたXRDパターンを図1に示す。図1から、サンプルA~Eに係るゼオライトは、いずれもDDR型構造を有することが確認された。
<X-ray diffraction measurement>
X-ray diffraction (XRD) measurements of the synthesized zeolites were carried out using a "D2PHASER" manufactured by BRUKER. The XRD patterns obtained by the measurements are shown in Figure 1. From Figure 1, it was confirmed that all of the zeolites related to samples A to E had a DDR type structure.
<元素分析>
元素分析は、誘導結合プラズマ発光分光分析(ICP-AES)により行った。サンプルA~Eのゼオライトの測定には、サーモフィッシャーサイエンティフィック社製「iCAP7600Duo」を用いた。合成したゼオライトのSi/Alモル比を表1に示す。
<Elemental analysis>
Elemental analysis was performed by inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-AES). The zeolites of Samples A to E were measured using an iCAP7600Duo manufactured by Thermo Fisher Scientific. The Si/Al molar ratios of the synthesized zeolites are shown in Table 1.
<走査型電子顕微鏡>
サンプルA,D,Eに係る走査型電子顕微鏡(SEM)測定は、Zeiss社製の「ULTRA55」を用いて行った。また、サンプルB,Cに係るSEM測定は、日立ハイテクノロジーズ社製の「S-4800」を用いて行った。図2にサンプルA~Eに係るゼオライト触媒についてのSEM画像を示す。なお、図2は10000倍の画像である。得られたSEM像から無作為に一次粒子50個を抽出し、その粒子の長径を測定し、粒径とした。(なお、サンプルCについては粒径が大きいため、4000倍の画像を用いて粒径を測定した。)求めた粒径の相加平均をもって平均一次粒子径とした。結果を表1に示す。
<Scanning electron microscope>
Scanning electron microscope (SEM) measurements for samples A, D, and E were performed using an "ULTRA55" manufactured by Zeiss. SEM measurements for samples B and C were performed using an "S-4800" manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation. Figure 2 shows SEM images of the zeolite catalysts for samples A to E. Note that Figure 2 is an image magnified 10,000 times. Fifty primary particles were randomly extracted from the obtained SEM image, and the major axis of the particles was measured to determine the particle size. (Note that for sample C, the particle size was measured using an image magnified 4,000 times, as the particle size was large.) The arithmetic mean of the determined particle sizes was determined as the average primary particle size. The results are shown in Table 1.
<窒素吸脱着測定>
合成したゼオライトの窒素吸脱着測定は、マイクロトラック・ベル社製「Belsorp-miniII」を用いて行った。測定にあたり、ゼオライトを真空下400℃で2時間加熱・乾燥させた後、液体窒素温度にて窒素吸脱着測定を実施した。データ解析はマイクロトラック・ベル社製の解析ソフトBELMasterを用いて行った。BET比表面積(A2)は相対圧(P/P0)が0.002~0.06の測定データをBETプロットすることにより算出した。外表面積(A1)およびマイクロ孔容積(A3)は相対圧(P/P0)が0.20~0.42のデータをtプロットすることにより算出した。尚、標準等温線としてHarkins-Juraを用いた。
<Nitrogen adsorption/desorption measurement>
Nitrogen adsorption and desorption measurements of the synthesized zeolite were performed using a Microtrac-Bell "Belsorp-mini II." For the measurements, the zeolite was heated and dried at 400°C under vacuum for 2 hours, and then nitrogen adsorption and desorption measurements were performed at liquid nitrogen temperature. Data analysis was performed using Microtrac-Bell's analysis software, BELMaster. The BET specific surface area (A2) was calculated by BET plotting the measurement data for relative pressures (P/P0) of 0.002 to 0.06. The external surface area (A1) and micropore volume (A3) were calculated by t-plotting the data for relative pressures (P/P0) of 0.20 to 0.42. Harkins-Jura was used as the standard isotherm.
<低級オレフィンの製造>
[実施例1]
サンプルAのゼオライトを用いて、低級オレフィンの製造を行った。反応には、固定床流通反応装置を用い、内径6mmの石英反応管に、予め混合したプロトン型ゼオライト粉末100mgおよび石英砂400mgを充填した。メタノール50モル%、窒素50モル%の混合ガスをメタノールの重量空間速度が1hr-1となるように反応器に供給し、500℃、0.1MPa(絶対圧)で反応を行った。反応開始から1時間毎にガスクロマトグラフィーで生成物の分析を行った。図3にメタノール転化率、および選択率の推移を表したグラフを示す。表1に反応開始から3時間経過後のメタノール転化率(%)、エチレン収率(C-mol%)、プロピレン収率(C-mol%)、ブテン収率(C-mol%)を示す。なお、メタノール転化率(%)、エチレン収率(C-mol%)、プロピレン収率(C-mol%)、ブテン収率(C-mol%)について、反応から2時間後から4時間後までの平均値をあわせて示す。
<Production of lower olefins>
[Example 1]
Lower olefins were produced using zeolite sample A. A fixed-bed flow reactor was used for the reaction, and a quartz reactor tube with an inner diameter of 6 mm was filled with 100 mg of premixed proton-type zeolite powder and 400 mg of quartz sand. A mixed gas of 50 mol% methanol and 50 mol% nitrogen was supplied to the reactor so that the weight hourly space velocity of methanol was 1 hr -1 , and the reaction was carried out at 500°C and 0.1 MPa (absolute pressure). The products were analyzed by gas chromatography every hour from the start of the reaction. Figure 3 shows a graph showing the changes in methanol conversion and selectivity. Table 1 shows the methanol conversion (%), ethylene yield (C-mol%), propylene yield (C-mol%), and butene yield (C-mol%) after 3 hours from the start of the reaction. The methanol conversion rate (%), ethylene yield (C-mol%), propylene yield (C-mol%), and butene yield (C-mol%) are also shown as average values from 2 hours to 4 hours after the reaction.
[実施例2]
触媒にサンプルBを用いた以外は実施例1と同様の方法で低級オレフィンの製造を行った。表1に触媒評価結果を示す。
[Example 2]
Lower olefins were produced in the same manner as in Example 1, except that Sample B was used as the catalyst. Table 1 shows the results of catalyst evaluation.
[実施例3]
触媒にサンプルCを用いた以外は実施例1と同様の方法で低級オレフィンの製造を行った。表1に触媒評価結果を示す。
[Example 3]
Lower olefins were produced in the same manner as in Example 1, except that Sample C was used as the catalyst. Table 1 shows the results of catalyst evaluation.
[実施例4]
触媒にサンプルDを用いた以外は実施例1と同様の方法で低級オレフィンの製造を行った。表1に触媒評価結果を示す。
[Example 4]
Lower olefins were produced in the same manner as in Example 1, except that Sample D was used as the catalyst. Table 1 shows the results of catalyst evaluation.
[実施例5]
触媒にサンプルEを用いた以外は実施例1と同様の方法で低級オレフィンの製造を行った。表1に触媒評価結果を示す。
[Example 5]
Lower olefins were produced in the same manner as in Example 1, except that Sample E was used as the catalyst. Table 1 shows the results of catalyst evaluation.
[比較例1]
実施例1において、反応温度を450℃とした以外は実施例1と同様の方法で低級オレフィンの製造を行った。表1に触媒評価結果を示す。
[Comparative Example 1]
Lower olefins were produced in the same manner as in Example 1, except that the reaction temperature was changed to 450° C. Table 1 shows the results of catalyst evaluation.
[比較例2]
実施例2において、反応温度を450℃とした以外は実施例2と同様の方法で低級オレフィンの製造を行った。表1に触媒評価結果を示す。
[Comparative Example 2]
Lower olefins were produced in the same manner as in Example 2, except that the reaction temperature was changed to 450° C. Table 1 shows the results of catalyst evaluation.
[比較例3]
実施例3において、反応温度を450℃とした以外は実施例3と同様の方法で低級オレフィンの製造を行った。表1に触媒評価結果を示す。
[Comparative Example 3]
Lower olefins were produced in the same manner as in Example 3, except that the reaction temperature was changed to 450° C. Table 1 shows the results of catalyst evaluation.
[比較例4]
実施例4において、反応温度を450℃とした以外は実施例4と同様の方法で低級オレフィンの製造を行った。表1に触媒評価結果を示す。
[Comparative Example 4]
Lower olefins were produced in the same manner as in Example 4, except that the reaction temperature was 450° C. Table 1 shows the catalyst evaluation results.
[比較例5]
実施例5において、反応温度を450℃とした以外は実施例5と同様の方法で低級オレフィンの製造を行った。表1に触媒評価結果を示す。
[Comparative Example 5]
Lower olefins were produced in the same manner as in Example 5, except that the reaction temperature was 450° C. Table 1 shows the results of catalyst evaluation.
メタノール転化率(%)、エチレン収率(C-mol%)、プロピレン収率(C-mol%)、ブテン収率(C-mol%)と記載されるのは、反応開始から3時間経過後の数値を示し、平均と記載されるのは、それぞれの2~4時間経過後の1時間おきの値を平均化したものである。 The values shown for methanol conversion (%), ethylene yield (C-mol%), propylene yield (C-mol%), and butene yield (C-mol%) indicate the values three hours after the start of the reaction, and the "average" values are the average of the values measured every hour after two to four hours have elapsed.
表1に示すように、反応温度が500℃である実施例1~5と反応温度が450℃である比較例1~5とを比較すると、それぞれのゼオライトにおいて、実施例1~5の方が高いエチレン収率を示していることが分かる。また、平均一次粒子径が2000nm以下である実施例1,2,4および5に係るDDR型ゼオライトはエチレン収率が55%を超えており、特に高いエチレン収率を示した。さらに、アルカリ処理を施した実施例2に係るDDR型ゼオライトは最も高いエチレン収率を示した。 As shown in Table 1, when comparing Examples 1 to 5, in which the reaction temperature was 500°C, with Comparative Examples 1 to 5, in which the reaction temperature was 450°C, it can be seen that for each zeolite, Examples 1 to 5 exhibited a higher ethylene yield. Furthermore, the DDR-type zeolites of Examples 1, 2, 4, and 5, which had an average primary particle size of 2000 nm or less, exhibited an ethylene yield exceeding 55%, a particularly high ethylene yield. Furthermore, the DDR-type zeolite of Example 2, which was subjected to alkali treatment, exhibited the highest ethylene yield.
Claims (4)
反応温度が490℃以上600℃以下であり、前記DDR型ゼオライトの平均一次粒子径が2000nm以下であることを特徴とする、低級オレフィンの製造方法。 A method for producing lower olefins, comprising a step of contacting a raw material containing methanol and/or dimethyl ether with a DDR type zeolite,
A method for producing lower olefins, characterized in that the reaction temperature is 490°C or higher and 600°C or lower , and the average primary particle size of the DDR-type zeolite is 2000 nm or less .
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