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JP7782949B2 - Catalyst systems for Fischer-Tropsch reactions - Google Patents
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JP7782949B2 - Catalyst systems for Fischer-Tropsch reactions - Google Patents

Catalyst systems for Fischer-Tropsch reactions

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JP7782949B2 JP2020217585A JP2020217585A JP7782949B2 JP 7782949 B2 JP7782949 B2 JP 7782949B2 JP 2020217585 A JP2020217585 A JP 2020217585A JP 2020217585 A JP2020217585 A JP 2020217585A JP 7782949 B2 JP7782949 B2 JP 7782949B2
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Description

本発明は、炭化水素を製造する際に用いる触媒の技術に関する。 The present invention relates to catalyst technology used in producing hydrocarbons.

排ガス等に含まれる二酸化炭素を有効利用する方法として、二酸化炭素と水素から、エネルギー密度の高い液状の炭化水素を触媒の存在下で生成させることが知られている(特許文献1参照)。また、水素と一酸化炭素とを用いて炭化水素を生成する方法として、フィッシャートロプシュ法(Fischer-Tropsch process:以下、適宜「FT法」という。)が知られている(非特許文献1参照)。 One known method for effectively utilizing carbon dioxide contained in exhaust gases, etc., is to produce high-energy-density liquid hydrocarbons from carbon dioxide and hydrogen in the presence of a catalyst (see Patent Document 1). Also known as a method for producing hydrocarbons using hydrogen and carbon monoxide is the Fischer-Tropsch process (hereinafter referred to as the "FT process" where appropriate) (see Non-Patent Document 1).

特開平7-80309号公報Japanese Patent Application Publication No. 7-80309

Energy & Fuels, Vol. 23, 4195(2009)Energy & Fuels, Vol. 23, 4195(2009)

FT反応で通常用いられるコバルト系触媒は、二酸化炭素から選択的にメタンを生成させる。そのため、二酸化炭素を含む原料を用いると、メタンが多く生成し、液状の炭化水素を高い収率で得ることができなかった。 The cobalt-based catalysts typically used in FT reactions selectively produce methane from carbon dioxide. Therefore, when a feedstock containing carbon dioxide is used, a large amount of methane is produced, making it impossible to obtain a high yield of liquid hydrocarbons.

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的のひとつは、二酸化炭素又は一酸化炭素のうち少なくとも一方と水素とを含む原料ガスから液状の炭化水素を生成させることのできる新たな触媒を提供する。 The present invention was made in light of these circumstances, and one of its exemplary purposes is to provide a new catalyst capable of producing liquid hydrocarbons from a feed gas containing at least one of carbon dioxide or carbon monoxide and hydrogen.

上記課題を解決するために、本発明のある態様の触媒は、酸化第二鉄を主成分とする担体と、担体に担持されたアルカリ金属とを含有する。担体は、比表面積が20m/g以上である。 In order to solve the above problems, a catalyst according to one embodiment of the present invention comprises a support containing ferric oxide as a main component and an alkali metal supported on the support, wherein the support has a specific surface area of 20 m 2 /g or more.

本発明の一態様によれば、二酸化炭素又は一酸化炭素のうち少なくとも一方と水素とを含む原料ガスから液状の炭化水素を生成させることのできる新たな触媒を提供する炭化水素の製造において、高い収率で液状の炭化水素を得ることができる。 One aspect of the present invention provides a new catalyst capable of producing liquid hydrocarbons from a feed gas containing at least one of carbon dioxide or carbon monoxide and hydrogen, making it possible to obtain liquid hydrocarbons in high yields in hydrocarbon production.

本実施の形態に係る固定床流通式反応装置の概略構成を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing the general configuration of a fixed-bed flow reactor according to the present embodiment.

はじめに、本発明の態様を列挙する。本発明のある態様の触媒は、酸化第二鉄を主成分とする担体と、担体に担持されたアルカリ金属とを含有する。担体は、比表面積が20m/g以上である。 First, embodiments of the present invention will be described. A catalyst according to one embodiment of the present invention comprises a support containing ferric oxide as a main component and an alkali metal supported on the support. The support has a specific surface area of 20 m 2 /g or more.

この態様によると、液状の炭化水素の収率を高めることができる。酸化第二鉄は、酸化鉄(III)や三酸化二鉄といもいう。 This embodiment allows for an increased yield of liquid hydrocarbons. Ferric oxide is also known as iron(III) oxide or iron trioxide.

アルカリ金属は、ナトリウム及びカリウムからなる群より選択される少なくとも1種を含んでもよい。 The alkali metal may include at least one selected from the group consisting of sodium and potassium.

担体は、比表面積が40m/g以上であり、細孔容積が0.15cm/g以上であってもよい。これにより、液状の炭化水素の収率を更に高めることができる。 The support may have a specific surface area of 40 m 2 /g or more and a pore volume of 0.15 cm 3 /g or more, which can further increase the yield of liquid hydrocarbons.

本発明の他の態様は、触媒システムである。触媒システムは、上流側の入口から導入した原料ガスから生成された炭化水素を下流側の出口から排出するように構成された反応器と、反応器の入口側に配置された、逆シフト反応を生じさせる第1の触媒と、前述の酸化第二鉄を主成分とする担体を含有する触媒であって、反応器の出口側に配置された第2の触媒と、を備える。 Another aspect of the present invention is a catalyst system. The catalyst system includes a reactor configured to introduce a feed gas from an upstream inlet and discharge hydrocarbons produced from a downstream outlet, a first catalyst that causes a reverse shift reaction and is disposed on the inlet side of the reactor, and a second catalyst that contains the aforementioned ferric oxide-based support and is disposed on the outlet side of the reactor.

この態様によると、逆シフト反応で生じた一酸化炭素を反応器から取り出すことなく、反応器の入口側に導入した原料ガスに含まれる二酸化炭素や水素から炭化水素を簡易に生成できる。 According to this embodiment, hydrocarbons can be easily produced from the carbon dioxide and hydrogen contained in the feed gas introduced into the inlet side of the reactor without removing the carbon monoxide produced in the reverse shift reaction from the reactor.

第1の触媒は、銅及び酸化亜鉛を含有してもよい。これにより、原料ガスに含まれる二酸化炭素から効率よく一酸化炭素を生成できる。また、第1の触媒を第2の触媒の吸熱部として利用できる。 The first catalyst may contain copper and zinc oxide. This allows carbon monoxide to be efficiently produced from carbon dioxide contained in the feed gas. The first catalyst can also be used as a heat absorption component for the second catalyst.

第1の触媒は、ロジウムを含有してもよい。 The first catalyst may contain rhodium.

第1の触媒は、白金を含有してもよい。 The first catalyst may contain platinum.

第1の触媒は、鉄-クロムを含有してもよい。 The first catalyst may contain iron-chromium.

第1の触媒と第2の触媒との間に、第1の触媒及び第2の触媒の少なくとも一方の温度を調整する温度調整機構を更に備えてもよい。これにより、第2の触媒が触媒反応で発熱する場合でも、比較的低温で利用できる。 A temperature adjustment mechanism may be further provided between the first catalyst and the second catalyst to adjust the temperature of at least one of the first catalyst and the second catalyst. This allows the second catalyst to be used at a relatively low temperature even if it generates heat during the catalytic reaction.

本発明の別の態様は、触媒の製造方法である。この方法は、硝酸鉄の水溶液と、塩基性水溶液とを混合する混合工程と、混合工程で生じた水酸化鉄(III)を含む沈殿物をろ過するろ過工程と、ろ過された水酸化鉄(III)を洗浄する洗浄工程と、洗浄された水酸化鉄(III)を焼成することで酸化第二鉄を生成する生成工程と、酸化第二鉄を担体としてアルカリ金属を担持させる工程と、を含む。担体は、比表面積が20m/g以上である。 Another aspect of the present invention is a method for producing a catalyst. This method includes the steps of: mixing an aqueous solution of iron nitrate with a basic aqueous solution; filtering a precipitate containing iron(III) hydroxide produced in the mixing step; washing the filtered iron(III) hydroxide; calcining the washed iron(III) hydroxide to produce ferric oxide; and supporting an alkali metal on the ferric oxide as a support. The support has a specific surface area of 20 m /g or more.

混合工程でアンモニアを含む水溶液を用いると、水酸化ナトリウムや水酸化カリウムを用いた場合と比較して、混合工程で生じた水酸化鉄(III)の沈殿物にアルカリ金属が含まれない。沈殿物にアルカリ金属が含まれていると、後の担持工程で担持させるアルカリ金属の量の精度を高めるためには、含まれているアルカリ金属を極力取り除く必要があり、製造コストが増大する。これに対して、この態様によると、アルカリ水溶液の代わりにアンモニアを含む水溶液を用いることで、ろ過時の洗浄の手間や残留アルカリ金属の含有量の把握の手間を低減できる。 When an aqueous solution containing ammonia is used in the mixing process, the iron(III) hydroxide precipitate produced in the mixing process does not contain alkali metals, compared to when sodium hydroxide or potassium hydroxide is used. If the precipitate contains alkali metals, it is necessary to remove as much of the contained alkali metal as possible to increase the accuracy of the amount of alkali metal loaded in the subsequent loading process, which increases manufacturing costs. In contrast, according to this embodiment, by using an aqueous solution containing ammonia instead of an alkaline aqueous solution, it is possible to reduce the effort required for cleaning during filtration and the effort required to determine the amount of residual alkali metal content.

混合工程で担持させるアルカリ金属と同じアルカリ金属を含む塩基性水溶液を用いた場合、洗浄工程で残存したアルカリ量を測定し、所定量のアルカリ量に対し不足する分を担持することにより、洗浄工程を短縮することができ、製造コストの増大を抑えることができる。この場合のアルカリ金属を含む塩基性水溶液としては、水酸化ナトリウムや水酸化カリウムであってもよい。 When using a basic aqueous solution containing the same alkali metal as the alkali metal to be loaded in the mixing step, the amount of alkali remaining in the washing step can be measured and the required amount of alkali can be loaded to shorten the washing step and prevent increases in production costs. In this case, the basic aqueous solution containing the alkali metal may be sodium hydroxide or potassium hydroxide.

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。また、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。 In addition, any combination of the above components, or any transformation of the present invention into a method, device, system, etc., is also valid as an embodiment of the present invention. Furthermore, any appropriate combination of the above-mentioned elements may also be included within the scope of the invention for which patent protection is sought through this patent application.

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組合せは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。各図面に示される同一又は同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図に示す各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。また、同一の部材であっても、各図面間で縮尺等が若干相違する場合もあり得る。また、本明細書又は請求項中に「第1」、「第2」等の用語が用いられる場合には、特に言及がない限り、いかなる順序や重要度を表すものでもなく、ある構成と他の構成とを区別するためのものである。 The present invention will be described below with reference to the drawings, based on preferred embodiments. The embodiments are illustrative and do not limit the invention, and all features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention. Identical or equivalent components, parts, and processes shown in the drawings will be designated by the same reference numerals, and redundant explanations will be omitted where appropriate. The scale and shape of each part shown in the drawings are set for convenience to facilitate explanation and should not be interpreted as limiting unless otherwise specified. The same components may have slightly different scales between drawings. Furthermore, when terms such as "first" and "second" are used in this specification or claims, unless otherwise specified, they do not represent any order or importance, but are used to distinguish one configuration from another.

(触媒システム)
次に、本実施の形態に係る触媒システムを含む反応装置の概略構成について説明する。図1は、本実施の形態に係る固定床流通式反応装置の概略構成を示す模式図である。図1に示す反応装置10は、触媒システムとして、上流側の入口12aから導入した原料ガスから生成された炭化水素を下流側の出口12bから排出するように構成された反応器12と、反応器12の入口12a側に配置された、逆シフト反応を生じさせる第1の触媒14と、後述の酸化第二鉄を主成分とする担体を含有する触媒であって、反応器12の出口12b側に配置された第2の触媒16と、を備える。
(catalyst system)
Next, a schematic configuration of a reaction apparatus including a catalyst system according to this embodiment will be described. Fig. 1 is a schematic diagram showing the schematic configuration of a fixed-bed flow reactor according to this embodiment. The reaction apparatus 10 shown in Fig. 1 includes, as a catalyst system, a reactor 12 configured to discharge hydrocarbons produced from a feed gas introduced through an upstream inlet 12a from a downstream outlet 12b, a first catalyst 14 arranged on the inlet 12a side of the reactor 12 to cause a reverse shift reaction, and a second catalyst 16 arranged on the outlet 12b side of the reactor 12, which is a catalyst containing a carrier mainly composed of ferric oxide (described below).

第1の触媒14においては、逆シフト反応により二酸化炭素から一酸化炭素が生成される。また、第2の触媒16においては、FT法による反応により一酸化炭素から炭化水素が生成される。この触媒システムは、反応器12の入口側に二酸化炭素や水素を含む原料ガスを入れることで、ガス状あるいは液状の炭化水素を簡易に生成できる。 In the first catalyst 14, carbon monoxide is produced from carbon dioxide through a reverse shift reaction. In the second catalyst 16, hydrocarbons are produced from carbon monoxide through a reaction using the FT method. This catalyst system can easily produce gaseous or liquid hydrocarbons by introducing a feed gas containing carbon dioxide and hydrogen into the inlet side of the reactor 12.

反応装置10は、例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタンといった炭素数1~4のガス状の炭化水素であるCH、C2-C4成分と、炭素数5以上の炭化水素であって、常圧で液状の油分成分であるC5+成分(例えば、直鎖アルカンにおいて炭素数nが5以上の成分)とを生成し、ガス成分と油分とを気液分離し、場合によっては分留することで、所望の成分を抽出することができる。 The reactor 10 produces CH4 and C2-C4 components, which are gaseous hydrocarbons with 1 to 4 carbon atoms, such as methane, ethane, propane, and butane, and C5+ components, which are hydrocarbons with 5 or more carbon atoms and are liquid oil components at normal pressure (for example, linear alkanes with a carbon number n of 5 or more), and performs gas-liquid separation of the gas components and oil components, and in some cases performs fractional distillation to extract the desired components.

本実施の形態に係る触媒システムは、前述の通り、少なくとも2種類の触媒を含むものであり、第1の触媒14は、銅を含む銅系触媒体であり、第2の触媒は鉄を含む鉄系触媒体である。第1の触媒14は、銅及び酸化亜鉛を含有してもよい。これにより、原料ガスに含まれる二酸化炭素から効率よく一酸化炭素を生成できる。また、本実施の形態に係る銅系触媒体の作用による反応は吸熱反応であり、第1の触媒14を第2の触媒16の吸熱部として利用できる。また、第1の触媒14と第2の触媒16との間に、第1の触媒14及び第2の触媒16の少なくとも一方の温度を調整する温度調整機構を備えてもよい。温度調整機構は、それ自体が吸熱する媒体を有するものであってもよく、あるいは、一連のプラントにおける他の熱源で冷却された熱伝達媒体を用いる機構であってもよい。これにより、第2の触媒が触媒反応で発熱する場合でも、比較的低温で利用できる。 As described above, the catalyst system according to this embodiment includes at least two types of catalysts. The first catalyst 14 is a copper-based catalyst containing copper, and the second catalyst is an iron-based catalyst containing iron. The first catalyst 14 may contain copper and zinc oxide. This allows for efficient production of carbon monoxide from carbon dioxide contained in the feed gas. Furthermore, the reaction caused by the copper-based catalyst according to this embodiment is an endothermic reaction, and the first catalyst 14 can be used as a heat absorption portion of the second catalyst 16. A temperature adjustment mechanism may be provided between the first catalyst 14 and the second catalyst 16 to adjust the temperature of at least one of the first catalyst 14 and the second catalyst 16. The temperature adjustment mechanism may include a medium that absorbs heat itself, or it may be a mechanism that uses a heat transfer medium cooled by another heat source in the plant. This allows the second catalyst to be used at a relatively low temperature even if it generates heat during the catalytic reaction.

各触媒体の形態は、特に限定されず、例えば粉体であってもよく、粉体の凝集体からなる粒状の成形体であってもよい。粒状の成形体である触媒体の形状は、特に制限されず、例えば円柱状、角柱状、球状又は不定形であってもよい。粒状の成形体の粒径(最大幅)は、1mm以上50mm以下であってもよい。触媒体の粉体の粒径(最大幅)は、1μm以上1000μm未満であってもよい。 The form of each catalyst body is not particularly limited and may be, for example, a powder or a granular compact consisting of powder agglomerates. The shape of the granular catalyst body is not particularly limited and may be, for example, cylindrical, prismatic, spherical, or irregular. The particle size (maximum width) of the granular compact may be 1 mm or more and 50 mm or less. The particle size (maximum width) of the catalyst body powder may be 1 μm or more and less than 1000 μm.

第1の触媒14は、金属銅、若しくは酸化銅(CuO)、又はこれらの両方を含有する。銅系触媒体が触媒として機能する間、銅系触媒体は少なくとも金属銅を含む。そのため、触媒は、反応に用いられる前に還元処理される。還元処理前の銅系触媒体は、酸化銅を含むことが多い。 The first catalyst 14 contains metallic copper, copper oxide (CuO), or both. While the copper-based catalyst body functions as a catalyst, it contains at least metallic copper. Therefore, the catalyst is subjected to a reduction treatment before being used in a reaction. Before the reduction treatment, the copper-based catalyst body often contains copper oxide.

銅系触媒体における銅成分の含有量は、銅系触媒体に含まれる銅成分の量を全て金属銅の量に換算したときに、銅系触媒体全体の質量を基準として、20~100質量%であることが好ましい。 The copper content in the copper-based catalyst body is preferably 20 to 100 mass% based on the total mass of the copper-based catalyst body when the amount of copper components contained in the copper-based catalyst body is converted into the amount of metallic copper.

銅系触媒体は、酸化亜鉛(ZnO)を更に含有していてもよい。銅系触媒体が酸化亜鉛を含有することにより、液状の炭化水素をより一層効率的に生成させることができる。銅系触媒体に含まれる銅元素の量を全て酸化銅の量に換算したときに、酸化亜鉛の量の割合が、酸化銅と酸化亜鉛の合計量を基準として、10~70質量%であることが好ましく、20~50質量%であることが更に好ましい。 The copper-based catalyst body may further contain zinc oxide (ZnO). By including zinc oxide in the copper-based catalyst body, liquid hydrocarbons can be produced more efficiently. When the amount of copper element contained in the copper-based catalyst body is converted into the amount of copper oxide, the proportion of zinc oxide is preferably 10 to 70 mass%, and more preferably 20 to 50 mass%, based on the total amount of copper oxide and zinc oxide.

第1の触媒14は、ロジウム、白金、又は鉄-クロムからなる群から選択される少なくとも1つの金属や合金を含有していてもよい。これらの金属や合金を含有することにより、原料ガスに含まれる二酸化炭素から更に効率よく一酸化炭素を生成できる。 The first catalyst 14 may contain at least one metal or alloy selected from the group consisting of rhodium, platinum, or iron-chromium. By containing these metals or alloys, carbon monoxide can be produced more efficiently from the carbon dioxide contained in the source gas.

銅系触媒体は、銅成分を担持する担体を更に含有してもよい。銅系触媒体が酸化亜鉛を含有する場合、通常、酸化亜鉛も担体に担持される。担体は、例えばγ-アルミナ等のアルミナであることが好ましい。銅系触媒体における担体の含有量は、銅の含有量、酸化亜鉛の含有量及びアルミナの含有量の合計を基準として、例えば0.5~60質量%であり、好ましくは1~50質量%、更に好ましくは1~40質量%である。ここでの銅の含有量は、銅系触媒体に含まれる銅成分の量を全て金属銅の量に換算した量を意味する。 The copper-based catalyst body may further contain a carrier that supports the copper component. When the copper-based catalyst body contains zinc oxide, the zinc oxide is usually also supported on the carrier. The carrier is preferably alumina, such as gamma-alumina. The content of the carrier in the copper-based catalyst body is, for example, 0.5 to 60 mass%, preferably 1 to 50 mass%, and more preferably 1 to 40 mass%, based on the total content of copper, zinc oxide, and alumina. The copper content here refers to the amount of copper component contained in the copper-based catalyst body converted into the amount of metallic copper.

銅成分と酸化亜鉛を含有する銅系触媒体は、例えば、銅と亜鉛を含む沈殿物を共沈法により生成させる工程と、生成した沈殿物を焼成する工程とを含む方法によって得ることができる。沈殿物は、例えば、銅と亜鉛の水酸化物、炭酸塩又はこれらの複合塩を含む。銅と亜鉛を含む沈殿物を担体(例えばアルミナ)を含む溶液からの共沈法によって生成させることにより、銅成分、酸化亜鉛と担体を含有する銅系触媒体を得ることができる。 A copper-based catalyst containing a copper component and zinc oxide can be obtained, for example, by a method including the steps of generating a precipitate containing copper and zinc by coprecipitation and calcining the generated precipitate. The precipitate includes, for example, hydroxides, carbonates, or composite salts of copper and zinc. A copper-based catalyst containing a copper component, zinc oxide, and a support can be obtained by generating a precipitate containing copper and zinc by coprecipitation from a solution containing a support (e.g., alumina).

焼成によって形成された、銅成分と酸化亜鉛を含有する焼成体を、粉体化してもよく、更に粉体を成形して粒状の成形体を形成してもよい。粉体を成形する方法の例としては、押出成形と錠剤成形が挙げられる。焼成体の粉体とカーボンブラックを含む混合物を成形して、成形体を得ることもできる。 The fired body containing copper components and zinc oxide formed by firing may be powdered, and the powder may be further molded to form a granular compact. Examples of methods for molding the powder include extrusion molding and tablet molding. A molded body can also be obtained by molding a mixture containing the fired body powder and carbon black.

第2の触媒16は、鉄系触媒体であり、酸化第二鉄を主成分とする担体と、担体に担持された添加金属としてのアルカリ金属とを含有する。 The second catalyst 16 is an iron-based catalyst body containing a carrier whose main component is ferric oxide and an alkali metal as an additive metal supported on the carrier.

鉄系触媒体における鉄成分の含有量は、鉄系触媒体に含まれる鉄成分の量を全て酸化鉄の量に換算したときに、鉄系触媒体全体の質量を基準として、5~100質量%であることが好ましい。 The content of iron components in the iron-based catalyst body is preferably 5 to 100 mass% based on the total mass of the iron-based catalyst body when the amount of iron components contained in the iron-based catalyst body is converted into the amount of iron oxide.

添加金属は、アルカリ金属から任意に選択される1種以上を含む。例えば、添加金属が、ナトリウム、カリウム及びセシウムからなる群より選ばれる少なくとも1種を含むことが好ましい。当然、添加金属が2種以上であってもよい。添加金属が、ナトリウム、カリウム、又はセシウムを含むことにより、液状の炭化水素をより一層効率的に生成させることができる。 The added metal includes one or more types arbitrarily selected from alkali metals. For example, it is preferable that the added metal includes at least one type selected from the group consisting of sodium, potassium, and cesium. Naturally, two or more types of added metals may be used. When the added metal includes sodium, potassium, or cesium, liquid hydrocarbons can be produced even more efficiently.

鉄系触媒体における添加金属の含有量は、鉄系触媒体のうち添加金属以外の部分の量を基準として、0.2~40質量%であることが好ましく、0.5~20質量%であることが更に好ましい。添加金属がナトリウムを含む場合、鉄系触媒体におけるナトリウムの含有量が、0.2~20質量%であることが好ましく、0.5~10質量%であることが更に好ましい。添加金属がカリウムを含む場合、鉄系触媒体におけるカリウムとセシウムの合計の含有量が、0.2~40質量%であることが好ましく、0.5~20質量%であることが更に好ましい。添加金属がセシウムを含む場合、鉄系触媒体におけるセシウムの含有量が、0.2~20質量%であることが好ましく、0.5~10質量%であることが更に好ましい。添加金属の含有量が上記範囲内であると、一酸化炭素から炭化水素への転化率がより向上する傾向がある。 The content of the added metal in the iron-based catalyst body is preferably 0.2 to 40 mass%, and more preferably 0.5 to 20 mass%, based on the amount of the portion of the iron-based catalyst body other than the added metal. When the added metal includes sodium, the sodium content in the iron-based catalyst body is preferably 0.2 to 20 mass%, and more preferably 0.5 to 10 mass%. When the added metal includes potassium, the total content of potassium and cesium in the iron-based catalyst body is preferably 0.2 to 40 mass%, and more preferably 0.5 to 20 mass%. When the added metal includes cesium, the cesium content in the iron-based catalyst body is preferably 0.2 to 20 mass%, and more preferably 0.5 to 10 mass%. When the added metal content is within the above range, the conversion rate of carbon monoxide to hydrocarbons tends to be further improved.

鉄系触媒体は、例えば、Fe3+を含有する水溶液から三価の鉄を含む水酸化物の沈殿物を生成させる工程と、沈殿物を焼成して酸化第二鉄を含有する粉体を形成する工程と、粉体を添加金属を含む水溶液に混ぜて、次いで添加金属を含む水溶液を乾燥させる工程とを含む方法によって、得ることができる。 The iron-based catalyst body can be obtained, for example, by a method including the steps of generating a precipitate of hydroxide containing trivalent iron from an aqueous solution containing Fe 3+ , calcining the precipitate to form a powder containing ferric oxide, mixing the powder with an aqueous solution containing an additive metal, and then drying the aqueous solution containing the additive metal.

酸化第二鉄を含有する粉体を更に成形して粒状の成形体を形成してもよい。粉体を成形する方法の例としては、押出成形及び錠剤成形が挙げられる。焼成体の粉体とカーボンブラックを含む混合物を成形して、成形体を得ることもできる。 The powder containing ferric oxide may be further molded to form a granular compact. Examples of methods for molding the powder include extrusion molding and tablet molding. A mixture containing the sintered powder and carbon black can also be molded to obtain a compact.

本実施の形態に係る炭化水素を製造する方法の一つとしては、上述の触媒の存在下で、二酸化炭素又は一酸化炭素のうち少なくとも一方と水素とを含む原料ガスから炭化水素を生成させることである。銅系触媒体と鉄系触媒体の組合せを含む触媒は、例えば銅と鉄を含む複合酸化物とアルカリ金属とを含有する触媒体と比較して、二酸化炭素又は一酸化炭素のうち少なくとも一方と水素とを含む原料ガスから高い収率で液状の炭化水素を生成させることができる。二酸化炭素と一酸化炭素を含む原料ガスは、例えば、二酸化炭素の一部を電気化学反応又は通常の化学反応で一酸化炭素に転換して得られたガスであってもよい。 One method for producing hydrocarbons according to this embodiment involves producing hydrocarbons from a feed gas containing at least one of carbon dioxide or carbon monoxide and hydrogen in the presence of the above-described catalyst. A catalyst containing a combination of a copper-based catalyst and an iron-based catalyst can produce liquid hydrocarbons at a higher yield from a feed gas containing at least one of carbon dioxide or carbon monoxide and hydrogen, compared to, for example, a catalyst containing a composite oxide containing copper and iron and an alkali metal. The feed gas containing carbon dioxide and carbon monoxide may be, for example, a gas obtained by converting part of the carbon dioxide into carbon monoxide through an electrochemical reaction or a conventional chemical reaction.

原料ガスから炭化水素を生成する反応を進行させる間、各触媒を加熱してもよい。反応のための加熱温度は、例えば200~400℃である。また、原料ガスは、二酸化炭素又は一酸化炭素のうち一方のみを含んでいてもよいし、二酸化炭素と一酸化炭素を含む混合ガスであってもよい。 While the reaction to produce hydrocarbons from the feed gas is proceeding, each catalyst may be heated. The heating temperature for the reaction is, for example, 200 to 400°C. The feed gas may contain only carbon dioxide or carbon monoxide, or may be a mixed gas containing carbon dioxide and carbon monoxide.

以下、実施例を挙げて本発明について更に具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 The present invention will be explained in more detail below using examples. However, the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
1.触媒の準備
[銅系触媒体の調製]
γ-アルミナ(住友化学工業社製、BK-105)5.0gを、ホモミキサーで撹拌することによって純水1.0L中に懸濁させた。形成された懸濁液に、硝酸銅水和物(ナカライ試薬社製)31.7gと硝酸亜鉛水和物(ナカライ試薬社製)38.1gを含む水溶液300mLを室温で素早く加え、次いで室温で懸濁液を更に1時間撹拌した。その後、ホモミキサーによる撹拌を続けながら、炭酸ナトリウム(富士フイルム和光純薬製)35.0gを含む水溶液300mLを、ローラーポンプを用いて室温にて5mL/分の滴下速度で滴下した。滴下により生成した沈殿物を含む懸濁液を、35℃で24時間放置することにより熟成させた。熟成後の懸濁液から、デキャント操作により上澄みを除去し、残った沈殿物を再び水で希釈した。このデキャントと希釈の操作を4回繰り返した。
Example 1
1. Preparation of catalyst [Preparation of copper-based catalyst body]
5.0 g of γ-alumina (BK-105, manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.) was suspended in 1.0 L of purified water by stirring with a homomixer. 300 mL of an aqueous solution containing 31.7 g of copper nitrate hydrate (manufactured by Nakarai Reagent Co., Ltd.) and 38.1 g of zinc nitrate hydrate (manufactured by Nakarai Reagent Co., Ltd.) was quickly added to the resulting suspension at room temperature, and the suspension was then stirred for an additional hour at room temperature. Subsequently, while continuing to stir with the homomixer, 300 mL of an aqueous solution containing 35.0 g of sodium carbonate (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added dropwise at a rate of 5 mL/min using a roller pump at room temperature. The suspension containing the precipitate formed by the dropwise addition was allowed to stand at 35°C for 24 hours for aging. The supernatant was removed from the aged suspension by decanting, and the remaining precipitate was diluted again with water. This decanting and dilution process was repeated four times.

その後、吸引ろ過によって沈殿物を取り出し、これを再び純水中に懸濁させてから吸引ろ過により沈殿物を取り出す操作を4回繰り返した。この操作により沈殿物を十分に水洗した。得られた沈殿物を120℃で24時間の加熱により乾燥させた。乾燥後の沈殿物を、空気流通下で、150℃で1時間、200℃で1時間、250℃で1時間、300℃で1時間、350℃で1時間、400℃で4時間の順で加熱することにより、焼成した。焼成により、銅成分と酸化亜鉛を含有する銅系触媒体である黒色粉体を得た。この黒色粉体を乳鉢で微粉化し、微粉体を40MPaの圧力で成形することにより、直径3mm、高さ3mmの円柱状の成形体である銅系触媒体を得た。 The precipitate was then removed by suction filtration, suspended again in pure water, and then removed by suction filtration. This procedure was repeated four times. The precipitate was thoroughly washed with water through this process. The resulting precipitate was dried by heating at 120°C for 24 hours. The dried precipitate was calcined by heating under air flow in the following order: 1 hour at 150°C, 1 hour at 200°C, 1 hour at 250°C, 1 hour at 300°C, 1 hour at 350°C, and 4 hours at 400°C. Calcination yielded a black powder, a copper-based catalyst containing copper components and zinc oxide. This black powder was pulverized in a mortar and molded at a pressure of 40 MPa to obtain a cylindrical copper-based catalyst body with a diameter of 3 mm and a height of 3 mm.

[鉄系触媒体の調製]
硝酸鉄・九水和物(富士フィルム和光純薬製)146.9gを、純水120mlに70℃で撹拌しながら溶解させ、鉄イオンの濃度が3mol/Lの溶液を調製した。その溶液に、水酸化ナトリウム47.9gを純水70mlに融解させた水酸化ナトリウム溶液(16.6mol/L)を、溶液のpHが11~12になるように滴下し、水酸化鉄(III)(Fe(OH))の沈殿物を含有する溶液を作製した。この溶液に含まれる沈殿物を真空ポンプを用いてろ過し、得られたろ過物を、アルカリ金属が所定量以下となるように繰り返し洗浄した。その理由は、アルカリ金属が多く(不定量)残留していると、後のアルカリ金属添加工程において、担体である酸化第二鉄に担持させるアルカリ金属の添加量を調整することが難しくなるからである。
[Preparation of iron-based catalyst body]
A solution with an iron ion concentration of 3 mol/L was prepared by dissolving 146.9 g of iron nitrate nonahydrate (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) in 120 ml of purified water with stirring at 70°C. A sodium hydroxide solution (16.6 mol/L) prepared by dissolving 47.9 g of sodium hydroxide in 70 ml of purified water was added dropwise to the solution so that the pH of the solution was 11 to 12, producing a solution containing a precipitate of iron (III) hydroxide (Fe(OH) 3 ). The precipitate contained in this solution was filtered using a vacuum pump, and the resulting filtrate was repeatedly washed until the alkali metal content was below a predetermined level. This is because if a large amount (unspecified amount) of alkali metal remained, it would be difficult to adjust the amount of alkali metal to be supported on the ferric oxide carrier in the subsequent alkali metal addition step.

その後、得られた沈殿物を120℃で12~20時間加熱し、乾燥した。乾燥後の沈殿物を、空気流通下で5℃/minの昇温速度で雰囲気温度を上げながら、最終的に400℃で5時間加熱することにより、焼成した。その結果、28.7gの酸化第二鉄(Fe)が得られた。 The obtained precipitate was then dried by heating at 120°C for 12 to 20 hours. The dried precipitate was calcined by finally heating at 400°C for 5 hours while increasing the ambient temperature at a rate of 5°C/min in an air stream. As a result, 28.7 g of ferric oxide ( Fe2O3 ) was obtained.

次に、得られた酸化第二鉄5gを水酸化ナトリウム水溶液又は硝酸ナトリウム水溶液に融解し、120℃で12~20時間乾燥し、空気流通下で5℃/minの昇温速度で雰囲気温度を上げながら、最終的に400℃で5時間加熱することにより、焼成した。これにより、酸化第二鉄を主成分とする担体と、担体に担持されたアルカリ金属とを含有する鉄系触媒体の粉末が得られる。なお、水酸化ナトリウム水溶液に酸化第二鉄を溶解する場合は、焼成工程を省略し、乾燥工程だけでもよい。そして、粉末を成形し所定形態の成形体が得られる。以下の各実施例における鉄系触媒体は、直径2~3mmのフレーク状の形態である。 Next, 5 g of the obtained ferric oxide was dissolved in an aqueous sodium hydroxide solution or an aqueous sodium nitrate solution, dried at 120°C for 12 to 20 hours, and finally calcined by heating to 400°C for 5 hours while raising the ambient temperature at a rate of 5°C/min in an air stream. This produces a powder of an iron-based catalyst body containing a support primarily composed of ferric oxide and an alkali metal supported on the support. Note that if ferric oxide is dissolved in an aqueous sodium hydroxide solution, the calcination step can be omitted and only the drying step can be performed. The powder is then molded to obtain a molded body of the desired shape. The iron-based catalyst body in each of the following examples is in the form of flakes with a diameter of 2 to 3 mm.

なお、アルカリ金属としてカリウムを酸化第二鉄に担持させる場合には、水酸化カリウム水溶液や硝酸カリウム水溶液を用いればよい。また、アルカリ金属としてセシウムを酸化第二鉄に担持させる場合には、水酸化セシウム水溶液や硝酸セシウム水溶液を用いればよい。 When potassium is used as the alkali metal to be supported on ferric oxide, an aqueous solution of potassium hydroxide or potassium nitrate can be used. When cesium is used as the alkali metal to be supported on ferric oxide, an aqueous solution of cesium hydroxide or cesium nitrate can be used.

2.評価
[触媒の還元処理]
内径1.27cmの固定床式反応管に、銅系触媒体0.5g、鉄系触媒体3.5g(銅系触媒体:鉄系触媒体=1:7)を順次充填し、反応管のガス入口側(上流側)から銅系触媒体、鉄系触媒体の順で配置した。続いて、大気圧下、1容量%の水素と窒素からなる流通ガスを、反応管内に200Ncc/分の流量で流通させながら、触媒の温度を室温から1時間かけて150℃まで昇温した。150℃に保ったまま、流通ガスに含まれる水素の濃度を2容量%、10容量%、20容量%、50容量%、及び100容量%の順に変更した。水素濃度100容量%の流通ガス(水素ガス)に変更してから、流通の状態を2時間保持した。その後、水素ガスの流通を継続しながら、触媒の温度を200℃/時間の速度で350℃まで昇温し、350℃で7時間保持することにより、触媒を還元処理した。
2. Evaluation [Catalyst reduction treatment]
A fixed-bed reactor tube with an inner diameter of 1.27 cm was sequentially filled with 0.5 g of a copper-based catalyst and 3.5 g of an iron-based catalyst (copper-based catalyst: iron-based catalyst = 1:7), and the copper-based catalyst and iron-based catalyst were arranged in this order from the gas inlet side (upstream side) of the reactor tube. Subsequently, under atmospheric pressure, a flow gas consisting of 1% by volume of hydrogen and nitrogen was circulated through the reactor tube at a flow rate of 200 Ncc/min, while the temperature of the catalyst was raised from room temperature to 150 ° C. over 1 hour. While maintaining the temperature at 150 ° C., the concentration of hydrogen contained in the flow gas was changed in the order of 2% by volume, 10% by volume, 20% by volume, 50% by volume, and 100% by volume. After changing to a flow gas (hydrogen gas) with a hydrogen concentration of 100% by volume, the flow state was maintained for 2 hours. Thereafter, while continuing to pass hydrogen gas, the temperature of the catalyst was raised to 350° C. at a rate of 200° C./hour and maintained at 350° C. for 7 hours, thereby reducing the catalyst.

[反応試験]
還元処理後、水素ガスを200Ncc/分の流量で流通させながら、触媒を320℃に降温した。降温後、流通ガスの圧力を0.8MPaに昇圧した。昇圧後、二酸化炭素を67Ncc/分の流量で追加し、水素と二酸化炭素からなる原料ガスを6時間、反応管に流通させた(ガスの空間速度:4000Ncc・g-cat-1h-1)。6時間の間に反応管から流出した液状物を捕集した。また、反応管から流出したガスを、試験終了直前の5分間捕集した。液状物の上澄みの油分を、ガスクロマトグラフ/水素炎イオン化型検出器(GC-FID)によって分析した。ガスはガスクロマトグラフ/熱伝導度検出器(GC-TCD)及び水素炎イオン化型検出器(GC-FID)によって分析した。分析結果から、原料ガス中の二酸化炭素の量に対する生成物の収率を求めた。
[Reaction test]
After the reduction treatment, the catalyst was cooled to 320°C while hydrogen gas was passed through at a flow rate of 200 Ncc/min. After the temperature was lowered, the pressure of the flowing gas was increased to 0.8 MPa. After the pressure was increased, carbon dioxide was added at a flow rate of 67 Ncc/min, and the feed gas consisting of hydrogen and carbon dioxide was passed through the reaction tube for 6 hours (gas space velocity: 4000 Ncc·g-cat-1h -1 ). The liquid that flowed out of the reaction tube during the 6 hours was collected. In addition, the gas that flowed out of the reaction tube was collected for 5 minutes just before the end of the test. The oil content of the supernatant of the liquid was analyzed by gas chromatography/flame ionization detector (GC-FID). The gas was analyzed by gas chromatography/thermal conductivity detector (GC-TCD) and flame ionization detector (GC-FID). From the analysis results, the product yield relative to the amount of carbon dioxide in the feed gas was calculated.

表1に担体1の諸元を示す。担体1は、Fe(Hematite)が100%の担体であり、比表面積が56.7m/g、細孔容積が0.239cm/gである。また、表2の実施例1には、担体1にナトリウム(4wt%:鉄系触媒体のうち添加金属以外の量を基準とする。以下同様とする。)を担持させた鉄系触媒体を用いた触媒システム(反応装置10)において、二酸化炭素と水素を原料ガスとして反応させた場合に生成された炭化水素生成物の各成分の割合を示している。各成分の割合は、CH、C2-C4、C5-C9、C10+で算出した。表2~5において「CO転化率」は原料中の二酸化炭素から一酸化炭素への転化率を示し、「CO転化率」は一酸化炭素から炭化水素への転化率を示している。表2に示すように、実施例1では、原料ガス中の二酸化炭素の量に対する炭素数が5以上の炭化水素生成物の収率(以下、適宜「C5+収率」という。)は15.1%であり非常に良好な結果を示している。加えて、油分としての利用が可能な炭素数が5以上の液状の炭化水素の選択率(以下、適宜「C5+選択率」という。)が55.1%であり非常に良好な結果を示している。 Table 1 shows the specifications of Carrier 1. Carrier 1 is a 100% Fe 2 O 3 (hematite) carrier with a specific surface area of 56.7 m 2 /g and a pore volume of 0.239 cm 3 /g. Example 1 in Table 2 shows the proportions of each component in a hydrocarbon product produced when carbon dioxide and hydrogen are reacted as feed gases in a catalytic system (reactor 10) using an iron-based catalyst body in which sodium (4 wt %: based on the amount of the iron-based catalyst body other than added metals; the same applies below) is supported on Carrier 1. The proportions of each component were calculated for CH 4 , C2-C4, C5-C9, and C10+. In Tables 2 to 5, "CO 2 conversion" indicates the conversion rate of carbon dioxide in the feedstock to carbon monoxide, and "CO conversion" indicates the conversion rate of carbon monoxide to hydrocarbons. As shown in Table 2, in Example 1, the yield of hydrocarbon products having 5 or more carbon atoms relative to the amount of carbon dioxide in the feed gas (hereinafter referred to as "C5+ yield") was 15.1%, which is a very good result. In addition, the selectivity of liquid hydrocarbons having 5 or more carbon atoms that can be used as oil (hereinafter referred to as "C5+ selectivity") was 55.1%, which is a very good result.

(比較例1)
比較例1に係る担体2は、表1に示すように、Fe(Magnetite)が100%の担体であり、比表面積が85.9m/g、細孔容積が0.361cm/gである。また、表2の比較例1には、担体2にナトリウム(4wt%)を担持させた鉄系触媒体を用いた触媒システム(反応装置10)において、二酸化炭素と水素を原料ガスとして反応させた場合に生成された炭化水素生成物の各成分の割合を示している。表2に示すように、比較例1では、実施例1より性能が同等以下である。換言すれば、実施例1に係る触媒システムは、比較例1に係る触媒システムが用いる担体2と異なる担体1(酸化第二鉄)を用いながら、比較例1と同等以上の性能を実現できる。
(Comparative Example 1)
As shown in Table 1, the carrier 2 of Comparative Example 1 is a carrier made of 100% Fe3O4 (magnetite), with a specific surface area of 85.9 m2 /g and a pore volume of 0.361 cm3 /g. Furthermore, Comparative Example 1 in Table 2 shows the proportions of each component of hydrocarbon products produced when carbon dioxide and hydrogen are reacted as feed gases in a catalyst system (reactor 10) using an iron-based catalyst body in which sodium (4 wt%) is supported on the carrier 2. As shown in Table 2, the performance of Comparative Example 1 is equal to or lower than that of Example 1. In other words, the catalyst system of Example 1 can achieve performance equal to or higher than that of Comparative Example 1, even though it uses a carrier 1 (ferric oxide) different from the carrier 2 used in the catalyst system of Comparative Example 1.

(比較例2)
比較例2に係る担体3は、表1に示すように、Fe(Magnetite)が100%の担体であるが、比表面積が4.0m/g、細孔容積が0.019cm/gであり、いずれの値も実施例1に係る担体1と比較して小さい。そのため、表2に示すように、比較例2では、C5+選択率が50%未満となっている。
(Comparative Example 2)
As shown in Table 1, Carrier 3 according to Comparative Example 2 is a carrier composed of 100% Fe 3 O 4 (Magnetite), but has a specific surface area of 4.0 m 2 /g and a pore volume of 0.019 cm 3 /g, both of which are smaller than those of Carrier 1 according to Example 1. Therefore, as shown in Table 2, in Comparative Example 2, the C5+ selectivity is less than 50%.

(比較例3)
比較例3に係る担体4は、表1に示すように、Fe(Hematite)が76%、Fe21.1631.92(Maghemite)が24%の割合で存在する担体であり、比表面積が4.3m/g、細孔容積が0.020cm/gであり、いずれの値も実施例1に係る担体1と比較して小さい。そのため、表2に示すように、比較例3では、C5+選択率が50%未満となっている。
(Comparative Example 3)
As shown in Table 1, carrier 4 according to Comparative Example 3 is a carrier containing 76% Fe2O3 ( hematite ) and 24% Fe21.16O31.92 (maghemite) , and has a specific surface area of 4.3 m2 /g and a pore volume of 0.020 cm3 /g, both of which are smaller than those of carrier 1 according to Example 1. Therefore, as shown in Table 2, in Comparative Example 3, the C5+ selectivity is less than 50%.

(比較例4)
比較例4に係る担体5は、表1に示すように、Fe(Hematite)が44%、Fe21.1631.92(Maghemite)が56%の割合で存在する担体であり、比表面積が6.4m/g、細孔容積が0.035cm/gであり、いずれの値も実施例1に係る担体1と比較して小さい。そのため、表2に示すように、比較例4では、C5+選択率が40%程度、C5+収率は10%程度となっており、実施例1に係る触媒システムと比較して性能が低い。
(Comparative Example 4)
As shown in Table 1, Carrier 5 according to Comparative Example 4 is a carrier containing 44% Fe2O3 ( hematite ) and 56 % Fe21.16O31.92 (maghemite), and has a specific surface area of 6.4 m2 /g and a pore volume of 0.035 cm3 /g, both of which are smaller than those of Carrier 1 according to Example 1. Therefore, as shown in Table 2, in Comparative Example 4, the C5+ selectivity is about 40% and the C5+ yield is about 10%, which is lower in performance than the catalyst system according to Example 1.

このように、実施例1及び比較例1乃至4の結果から、本実施の形態に係る酸化第二鉄を主成分とする担体は、比表面積が20m/g以上、より好ましくは比表面積が40m/g以上であるとよい。また、本実施の形態に係る担体は、細孔容積が0.05cm/g以上、より好ましくは細孔容積が0.15cm/g以上であるとよい。これにより、液状の炭化水素の収率を更に高めることができる。 As described above, from the results of Example 1 and Comparative Examples 1 to 4, it is clear that the carrier containing ferric oxide as a main component according to this embodiment should have a specific surface area of 20 m /g or more, more preferably 40 m /g or more. Furthermore, it is also clear that the carrier according to this embodiment should have a pore volume of 0.05 cm /g or more, more preferably 0.15 cm /g or more. This makes it possible to further increase the yield of liquid hydrocarbons.

(実施例2)
実施例2に係る触媒は、表3に示すように、実施例1に係る触媒と同様に担体1を用いているが、添加するアルカリ金属がナトリウムではなくカリウムである点が異なる。実施例2に係る触媒システムは、実施例1に係る触媒システムと比較して、C5+選択率やC5+収率が更に向上している。
Example 2
As shown in Table 3, the catalyst of Example 2 uses the same carrier 1 as the catalyst of Example 1, but differs in that the alkali metal added is potassium instead of sodium. The catalyst system of Example 2 further improves the C5+ selectivity and C5+ yield compared to the catalyst system of Example 1.

(比較例5)
比較例5に係る担体6は、表1に示すように、スピネル構造のZnFe担体であり、比表面積が33.9m/g、細孔容積が0.017cm/gである。ここで、スピネル構造のZnFeは、Feと同じABの結晶構造をとり、AサイトをZnが占める結晶構造である。スピネル構造のZnFeは、ZnをFeと近接することにより、Feの還元性が向上し活性が上がると言われているが、表3に示すように、比較例5では、同じくアルカリ金属としてカリウムを添加した実施例2と比較してC5+選択率やC5+収率が劣っている。換言すれば、実施例2に係る触媒システムは、比較例5に係る触媒システムが用いる担体6と異なる担体1(酸化第二鉄)を用いながら、比較例5と同等以上の性能を実現できる。
(Comparative Example 5)
As shown in Table 1, Carrier 6 of Comparative Example 5 is a ZnFe2O4 carrier with a spinel structure, having a specific surface area of 33.9 m2 /g and a pore volume of 0.017 cm3 / g. Here, the spinel ZnFe2O4 has the same AB2O4 crystal structure as Fe3O4 , with Zn occupying the A site. It is said that the proximity of Zn to Fe in ZnFe2O4 with a spinel structure improves the reducibility of Fe and increases activity. However, as shown in Table 3, Comparative Example 5 exhibits inferior C5+ selectivity and C5+ yield compared to Example 2, which also contained potassium as an alkali metal. In other words, the catalyst system of Example 2 uses Carrier 1 (ferric oxide), which is different from Carrier 6 used in the catalyst system of Comparative Example 5, yet achieves performance equal to or better than that of Comparative Example 5.

(比較例6)
比較例6に係る担体7は、表1に示すように、Fe(Hematite)が100%の担体であり、比表面積が47.1m/g、細孔容積が0.202cm/gである。また、比較例6に係る触媒システムでは、担体7にアルカリ金属を担持させていない触媒を用いている。そのため、表4に示すように、比較例6では、C5+選択率が14.8%、C5+収率が2.0%となっており、実施例1に係る触媒システムと比較して性能が低いことがわかる。
(Comparative Example 6)
As shown in Table 1, the carrier 7 of Comparative Example 6 is a carrier made of 100% Fe 2 O 3 (hematite), with a specific surface area of 47.1 m 2 /g and a pore volume of 0.202 cm 3 /g. The catalyst system of Comparative Example 6 uses a catalyst in which no alkali metal is supported on the carrier 7. Therefore, as shown in Table 4, in Comparative Example 6, the C5+ selectivity is 14.8% and the C5+ yield is 2.0%, indicating that the performance is lower than that of the catalyst system of Example 1.

(実施例3)
実施例3に係る触媒システムは、実施例1に係る触媒システムと比較して、担体1に担持させるナトリウムの量が1.6wt%である点が異なり、その他の構成は同じである。表4に示すように、実施例3に係る触媒システムは、実施例1に係る触媒システムと比較して、C5+選択率やC5+収率は同等である。
Example 3
The catalyst system of Example 3 is different from the catalyst system of Example 1 in that the amount of sodium supported on the carrier 1 is 1.6 wt %, but the other configurations are the same. As shown in Table 4, the catalyst system of Example 3 is equivalent to the catalyst system of Example 1 in C5+ selectivity and C5+ yield.

(実施例4)
実施例3に係る触媒システムは、実施例1に係る触媒システムと比較して、担体1に担持させるナトリウムの量が2.6wt%である点が異なり、その他の構成は同じである。表4に示すように、実施例4に係る触媒システムは、実施例1に係る触媒システムと比較して、C5+選択率やC5+収率は同等である。
Example 4
The catalyst system of Example 3 is different from the catalyst system of Example 1 in that the amount of sodium supported on the carrier 1 is 2.6 wt %, but the other configurations are the same. As shown in Table 4, the catalyst system of Example 4 is equivalent to the catalyst system of Example 1 in C5+ selectivity and C5+ yield.

(実施例5)
実施例5に係る触媒システムは、実施例2に係る触媒システムと比較して、担体1に担持させるカリウムの量が1.0wt%である点が異なり、その他の構成は同じである。表5に示すように、実施例5に係る触媒システムは、実施例2に係る触媒システムと比較して、C5+選択率やC5+収率は同等である。
Example 5
The catalyst system of Example 5 is different from the catalyst system of Example 2 in that the amount of potassium supported on the carrier 1 is 1.0 wt %, but the other components are the same. As shown in Table 5, the catalyst system of Example 5 has the same C5+ selectivity and C5+ yield as the catalyst system of Example 2.

(実施例6)
実施例6に係る触媒システムは、実施例2に係る触媒システムと比較して、担体1に担持させるカリウムの量が2.0wt%である点が異なり、その他の構成は同じである。表5に示すように、実施例6に係る触媒システムは、実施例2に係る触媒システムと比較して、C5+選択率やC5+収率は同等である。
Example 6
The catalyst system of Example 6 is different from the catalyst system of Example 2 in that the amount of potassium supported on the carrier 1 is 2.0 wt %, but the other components are the same. As shown in Table 5, the catalyst system of Example 6 is equivalent to the catalyst system of Example 2 in C5+ selectivity and C5+ yield.

比較例6及び実施例1乃至6を比較すると、酸化第二鉄を主成分とする担体にアルカリ金属を担持させることで、C5+選択率やC5+収率が大きく向上することがわかる。アルカリ金属の担持量は、0.5wt%以上であればよく、好ましくは1.0wt%以上、更に好ましくは1.5wt%以上であればよい。また、アルカリ金属としては、ナトリウムよりもカリウムを担持させた酸化第二鉄の担体の方が、C5+選択率やC5+収率が向上する傾向にある。 Comparing Comparative Example 6 with Examples 1 to 6, it can be seen that loading an alkali metal onto a support primarily composed of ferric oxide significantly improves C5+ selectivity and C5+ yield. The amount of alkali metal loaded should be 0.5 wt% or more, preferably 1.0 wt% or more, and more preferably 1.5 wt% or more. Furthermore, ferric oxide supports loaded with potassium as the alkali metal tend to improve C5+ selectivity and C5+ yield more than those loaded with sodium.

(実施例7)
次に、担体の製造方法の際に使うアルカリ溶液の違いについて検討する。実施例1に係る鉄系触媒体の調製では、アルカリ水溶液として水酸化ナトリウムを用いている。しかしながら、前述のように、本実施の形態に係る鉄系触媒体は、酸化第二鉄にアルカリ金属であるナトリウムやカリウムを担持させる必要があり、酸化第二鉄を製造する段階で不定量のナトリウムが含まれていると、洗浄工程やアルカリ金属添加工程に影響を与える。
Example 7
Next, differences in the alkaline solutions used in the support manufacturing method will be examined. In the preparation of the iron-based catalyst body in Example 1, sodium hydroxide was used as the alkaline aqueous solution. However, as mentioned above, the iron-based catalyst body in this embodiment requires that the ferric oxide support an alkali metal such as sodium or potassium. If an inconsistent amount of sodium is present in the ferric oxide manufacturing stage, this will affect the washing process and the alkali metal addition process.

そこで、実施例7では、水酸化鉄(III)(Fe(OH))の沈殿物を含有する溶液を作製する際に、アルカリ金属を含まずアンモニアを含む水溶液を用いて担体7を製造した。その他の工程は担体1の製造方法と実質的に同じである。表1に示すように、担体7は、Fe(Hematite)が100%の担体であり、比表面積が47.1m/g、細孔容積が0.202cm/gである。担体7を用いた実施例7に係る触媒システムは、実施例1に係る触媒システムと比較して、C5+選択率やC5+収率は同等である。 Therefore, in Example 7, when preparing a solution containing a precipitate of iron (III) hydroxide (Fe(OH) 3 ), an aqueous solution containing ammonia but not an alkali metal was used to produce Carrier 7. The other steps were substantially the same as those in the production method of Carrier 1. As shown in Table 1, Carrier 7 is a carrier composed of 100% Fe2O3 ( hematite ), and has a specific surface area of 47.1 m2 /g and a pore volume of 0.202 cm3 /g. The catalyst system of Example 7 using Carrier 7 has the same C5+ selectivity and C5+ yield as the catalyst system of Example 1.

また、実施例7における担体7の調製方法を触媒の製造方法と捉えれば、この方法は、硝酸鉄の水溶液と、アンモニアを含む水溶液とを混合する混合工程と、混合工程で生じた水酸化鉄(III)を含む沈殿物をろ過するろ過工程と、ろ過された水酸化鉄(III)を焼成することで酸化第二鉄を生成する生成工程と、酸化第二鉄を担体としてアルカリ金属を担持させる工程と、を含む。また、担体7は、比表面積が20m/g以上である。 Furthermore, if the preparation method of support 7 in Example 7 is considered as a catalyst manufacturing method, this method includes a mixing step of mixing an aqueous solution of iron nitrate with an aqueous solution containing ammonia, a filtration step of filtering a precipitate containing iron (III) hydroxide produced in the mixing step, a production step of calcining the filtered iron (III) hydroxide to produce ferric oxide, and a step of supporting an alkali metal on the ferric oxide as a support. Furthermore, support 7 has a specific surface area of 20 m2 /g or more.

この方法では、混合工程で水酸化ナトリウムや水酸化カリウムを用いた場合と比較して、混合工程で生じた水酸化鉄(III)の沈殿物にアルカリ金属が含まれない。沈殿物にアルカリ金属が含まれていると、後の担持工程で担持させるアルカリ金属の量の精度を高めるためには、含まれているアルカリ金属を極力取り除く必要があり、製造コストが増大する。これに対して、この態様によると、アルカリ水溶液の代わりにアンモニアを含む水溶液を用いることで、ろ過時の洗浄の手間や残留アルカリ金属の含有量の把握の手間を低減できる。 In this method, compared to when sodium hydroxide or potassium hydroxide is used in the mixing process, the iron(III) hydroxide precipitate produced in the mixing process does not contain alkali metals. If the precipitate contains alkali metals, it is necessary to remove as much of the contained alkali metal as possible to increase the accuracy of the amount of alkali metal loaded in the subsequent loading process, which increases manufacturing costs. In contrast, in this embodiment, by using an aqueous solution containing ammonia instead of an alkaline aqueous solution, it is possible to reduce the effort required for cleaning during filtration and the effort required to determine the amount of residual alkali metal content.

一方、混合工程で担持させるアルカリ金属と同じアルカリ金属を含む塩基性水溶液を用いた場合、洗浄工程で残存したアルカリ量を測定し、所定量のアルカリ量に対し不足する分を担持することにより、洗浄工程を短縮することができ、製造コストの増大を抑えることができる。 On the other hand, if a basic aqueous solution containing the same alkali metal as the alkali metal to be loaded in the mixing process is used, the amount of alkali remaining in the washing process can be measured and the required amount of alkali can be loaded to make up for the deficiency. This makes it possible to shorten the washing process and prevent increases in production costs.

以上、本発明を上述の実施の形態や各実施例を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態や各実施例に限定されるものではなく、実施の形態や各実施例の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態や各実施例における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。 The present invention has been described above with reference to the above-mentioned embodiments and examples, but the present invention is not limited to the above-mentioned embodiments and examples, and appropriate combinations and substitutions of the configurations of the embodiments and examples are also included in the present invention. Furthermore, based on the knowledge of those skilled in the art, it is possible to appropriately rearrange the combinations and processing orders in the embodiments and examples, and to make various design changes and other modifications to the embodiments, and such modified embodiments are also included within the scope of the present invention.

10 反応装置、 12 反応器、 12a 入口、 12b 出口、 14 第1の触媒、 16 第2の触媒。 10 Reactor, 12 Reactor, 12a Inlet, 12b Outlet, 14 First catalyst, 16 Second catalyst.

Claims (8)

上流側の入口から導入した原料ガスから生成された炭化水素を下流側の出口から排出するように構成された反応器と、
前記反応器の入口側に配置された、逆シフト反応を生じさせる第1の触媒と、
前記反応器の出口側に配置されたフィッシャートロプシュ反応を生じさせる第2の触媒と、を備え、
前記原料ガスは、二酸化炭素と水素とを含み、
前記第2の触媒は、
酸化第二鉄を主成分とする担体と、前記担体に担持されたアルカリ金属とを含有し、
前記担体は、比表面積が20m/g以上であるフィッシャートロプシュ反応用触媒システム。
a reactor configured to discharge hydrocarbons produced from a raw material gas introduced from an upstream inlet through a downstream outlet;
a first catalyst for causing a reverse shift reaction, the first catalyst being disposed on the inlet side of the reactor;
a second catalyst for causing a Fischer-Tropsch reaction, the second catalyst being disposed on the outlet side of the reactor;
the raw material gas contains carbon dioxide and hydrogen,
The second catalyst is
The catalyst comprises a carrier containing ferric oxide as a main component and an alkali metal supported on the carrier,
The catalyst system for a Fischer-Tropsch reaction, wherein the support has a specific surface area of 20 m 2 /g or more.
前記第2の触媒における前記アルカリ金属は、ナトリウム及びカリウムからなる群より選択される少なくとも1種を含む請求項1に記載のフィッシャートロプシュ反応用触媒システム。 The catalyst system for a Fischer-Tropsch reaction according to claim 1, wherein the alkali metal in the second catalyst includes at least one selected from the group consisting of sodium and potassium. 前記第2の触媒における前記担体は、比表面積が40m/g以上であり、細孔容積が0.15cm/g以上である請求項1または2に記載のフィッシャートロプシュ反応用触媒システム。 3. The catalyst system for a Fischer-Tropsch reaction according to claim 1, wherein the support in the second catalyst has a specific surface area of 40 m 2 /g or more and a pore volume of 0.15 cm 3 /g or more. 前記第1の触媒は、銅及び酸化亜鉛を含有する請求項1に記載のフィッシャートロプシュ反応用触媒システム。 The catalyst system for a Fischer-Tropsch reaction according to claim 1, wherein the first catalyst contains copper and zinc oxide. 前記第1の触媒は、ロジウムを含有する請求項1に記載のフィッシャートロプシュ反応用触媒システム。 The catalyst system for a Fischer-Tropsch reaction according to claim 1, wherein the first catalyst contains rhodium. 前記第1の触媒は、白金を含有する請求項1に記載のフィッシャートロプシュ反応用触媒システム。 The catalyst system for a Fischer-Tropsch reaction according to claim 1, wherein the first catalyst contains platinum. 前記第1の触媒は、鉄-クロムを含有する請求項1に記載のフィッシャートロプシュ反応用触媒システム。 The catalyst system for a Fischer-Tropsch reaction according to claim 1, wherein the first catalyst contains iron-chromium. 前記第1の触媒と前記第2の触媒との間に、前記第1の触媒及び前記第2の触媒の少なくとも一方の温度を調整する温度調整機構を更に備える請求項1乃至7のいずれか1項に記載のフィッシャートロプシュ反応用触媒システム。 The catalyst system for a Fischer-Tropsch reaction according to any one of claims 1 to 7, further comprising a temperature adjustment mechanism between the first catalyst and the second catalyst that adjusts the temperature of at least one of the first catalyst and the second catalyst.
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