JP2008110974A - アルカンをアルケンに変換するための一体化された触媒方法およびその方法に有用な触媒 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、アルカンをそれらの対応するアルケンに変換するための一体化されたマルチゾーン方法に関するものであり、その方法は、アルカンの一部の、酸素および適切な触媒の存在下における、発熱反応ゾーンでの酸化的脱水素化によりその対応するアルケンに発熱的に変換し、その後、発熱反応ゾーンの生成物を吸熱反応ゾーンへ送り、吸熱反応ゾーン内において、少なくとも、残留する未変換アルカンの一部が二酸化炭素および他の適切な触媒の存在下で吸熱的に脱水素化されることを含む。
【選択図】図1
Description
この発明は、United States Department of Energyにより与えられた法律文書第DE−FC36−O4GO14272号の下での政府の支援を受けて為されたものである。本政府は、この発明における特定の権利を有している。
後述の態様から、および図面を参照して、本発明のより完全な理解が得られるであろう。図1は本発明の方法の1態様を示す略図である。
(上流の)酸化的脱水素化触媒として選定された触媒である、酸化ケイ素上に担持されたV/Nb/Oxは、次のようにして調製された。
連続的な酸化的脱水素化および吸熱的脱水素化(「ハイブリッド方法」)によるプロパンの変換が、上流の発熱反応ゾーンおよび隣接した下流の吸熱反応ゾーンを含む、外径(OD)が0.75インチ(1.9センチメートル)の石英管状マイクロリアクター内で実施された。反応条件は以下のとおりであった。1psigの圧力(1.07atm)および1分間当たり620標準立方センチメートル(SCCM)の流量において、500℃から650℃まで。供給ガス混合物は、10%のプロパン、40%の二酸化炭素、45%の窒素および5%の酸素(供給物A)、を含んでいた。この供給物が、ODH触媒の独立した評価、更には、本明細書の以降の箇所で説明されているODH/EDハイブリッド方法において使用された。
上で説明されている方法により調製された2ミリリットル(ml)のV/Nb/Si/Ox酸化的脱水素化触媒を発熱反応ゾーンに配置し、および吸熱反応ゾーンでは2mlのV/Cr/Ag/Si/Ox吸熱的脱水素化触媒を使用した。それぞれの触媒が、625℃において、0.4秒の滞留時間で独立に試験された。第一のゾーンにおける触媒、V/Nb/Si/Oxは供給物Aを用いて評価され、一方、第二のゾーンにおける触媒、V/Cr/Ag/Si/Oxは供給物Bを用いて試験された。ハイブリッド実験(即ち、両方の触媒)は供給物Aを用いて実施された。これらの実験の結果が表1に与えられている。表に示されているように、ハイブリッド方法での累積的な収率は、別々に運転されたどちらの反応ゾーンの場合よりも高かった。
第二の実験は、滞留時間が0.6秒である点を除き、実施例1と同じ量の同じ触媒を用いて実施された。結果が以下の表2に与えられている。表に示されているように、ハイブリッド方法での累積的な収率は、別々に運転されたどちらの反応ゾーンの場合よりも高かった。
本発明により、実施例1または2の場合よりももっと高濃度のプロパン、例えば約10%から約50%までなどの濃度のプロパンを含有する供給ガス混合物を用いてハイブリッド方法を運転することもできる。
供給物C:40%のプロパン、5%の酸素、45%の二酸化炭素および10%の窒素
供給物D:40%のプロパン、50%の二酸化炭素および10%の窒素
第三の実験は、温度が522℃であり、供給物CおよびDが用いられる点を除き、実施例1と同じ量の同じ触媒を用い、実施例1と同じ滞留時間で実施される。期待された結果が以下の表3に与えられている。ハイブリッド方法での累積的な収率は、別々に運転されたどちらの反応ゾーンの場合よりも高いことが期待される。
(実施例4〜5で使用した装置構成)
実施例4および5における担持された触媒の性能が、内径10ミリメートルの石英製管型マイクロリアクター内におけるプロパンの酸化的脱水素化の下で実施された。
5重量%のV2O5/SiO2の組成を有する粉末触媒が、シリカゲル(Merck、グレード10181、粒径300〜500ミクロン)のサンプルを、焼成後、1グラムの触媒当たり0.05gのV2O5をもたらす、1.3モルのシュウ酸水溶液中におけるメタバナジン酸アンモニウムの溶液で含浸させることにより調製された。この物質を120℃において8時間乾燥させ、500℃で2時間焼成した。触媒粉末(1g)を管型反応器内の石英フリット上に装填した。供給ガスは0.5SLPMの流量で供給された。
5重量%のV2O5/Al2O3の組成を有する粉末触媒が、多孔質アルミナ(約1.0ml/グラムの窒素細孔体積、1グラム当たり145平方メートルの面積)のサンプルを、焼成後、1グラムの触媒当たり0.05gのV2O5をもたらす、1.3モルのシュウ酸水溶液中におけるメタバナジン酸アンモニウムの溶液で含浸させることにより調製された。この物質を120℃において8時間乾燥させ、500℃で2時間焼成した。触媒粉末(粒径300〜500ミクロン、0.125g+0.875gの石英)を管型反応器内のガラスフリット上に装填した。供給ガスは0.25SLPMの流量で供給された。
12 酸素
14 発熱反応ゾーン
16 加熱された混合生成物ガス
18 穏やかな酸化剤
20 吸熱反応ゾーン
22 累積的な生成物の流れ
24 単一の反応器
Claims (18)
- C2−C4アルカンをその対応するC2−C4アルケンへ変換する方法であって、
A)C2−C4アルカンおよび酸素を発熱反応ゾーン内において上流触媒と接触させる工程、ここで、当該上流触媒は、酸素の存在下において、C2−C4アルカンの、その対応するC2−C4アルケンへの発熱的変換について触媒的に活性である;および
B)発熱反応ゾーン内において、C2−C4アルカンの一部を、対応するC2−C4アルケンに発熱的に変換して、加熱された混合生成物ガスを生成する工程、当該生成物ガスは、対応するC2−C4アルケン、未反応のC2−C4アルカンおよび当該発熱的に変換する工程により生成された熱を含む;
C)加熱された混合生成物ガスおよび弱い酸化剤を、吸熱反応ゾーン内において下流触媒と接触させる工程、ここで、当該下流触媒は、弱い酸化剤の存在下で、未反応のC2−C4アルカンの、対応するC2−C4アルケンへの吸熱的変換について触媒的に活性である;
D)吸熱反応ゾーン内において、未反応のC2−C4アルカンの少なくとも一部を、対応するC2−C4アルケンに吸熱的に変換して、累積的な生成物の流れを生成する工程、ここで、当該累積的な生成物の流れが、少なくとも、反応ゾーンのそれぞれにおいて生成された対応するC2−C4アルケンを含む:
を含む方法。 - 上流触媒が酸化的脱水素化触媒を含む、請求項1記載の方法。
- 酸化的脱水素化触媒が、
A)Pt、Pd、Rh、IrおよびRuから選択される一種以上の貴金属を含む触媒;および
B)Li、Mo、W、V、Nb、Sb、Sn、Ga、Zr、Mg、Mn、Ni、Co、Ceおよび希土類金属から選択される金属の少なくとも一種の酸化物を含む触媒:
からなる群から選択される少なくとも一種の触媒組成物を含む、請求項2記載の方法。 - 酸化的脱水素化触媒が担体物質を含む、請求項2記載の方法。
- 酸化的脱水素化触媒の担体物質が、アルミナ、チタン、ジルコニウム、シリカ、ゼオライト、希土類金属酸化物、混合金属酸化物、メソ多孔性物質、耐火性物質およびこれらの組合せ:からなる群から選択される物質を含む、請求項4記載の方法。
- 酸化的脱水素化触媒が、必須物質として、酸化バナジウム、および金属(当該金属はニオブ、マグネシウム、モリブデンおよび希土類元素、からなる群から選択される)の少なくとも一種の酸化物を含む、請求項5記載の方法。
- 酸化的脱水素化触媒の担体物質が酸化ケイ素を含む、請求項5記載の方法。
- 下流触媒が吸熱的脱水素化触媒を含む、請求項1記載の方法。
- 吸熱的脱水素化触媒が、
A)酸化クロム、および場合によってMo、W、V、Ga、Mg、Ni、Fe、アルカリ元素、アルカリ土類元素および希土類元素からなる群から選択される少なくとも一種の金属の酸化物を含む触媒;
B)酸化バナジウム、および場合によってLi、Na、KおよびMgからなる群から選択される少なくとも一種の元素を含む触媒;
C)白金、および場合によってナトリウム、カリウム、セシウム、レニウムおよびスズからなる群から選択される少なくとも一種の金属を含む触媒;および
D)Ga、Fe、MnおよびCoからなる群から選択される少なくとも一種の金属を含む触媒:
からなる群から選択される少なくとも一種の触媒組成物を含む、請求項8記載の方法。 - 吸熱的脱水素化触媒が担体物質を含む、請求項8記載の方法。
- 吸熱的脱水素化触媒の担体物質が、アルミナ、チタン、ジルコニウム、シリカ、ゼオライト、希土類金属酸化物、混合金属酸化物、メソ多孔性物質、耐火性物質およびそれらの組合せ:からなる群から選択される物質を含む、請求項10記載の方法。
- 吸熱的脱水素化触媒が、必須物質として、酸化バナジウム、酸化クロム、ならびに、少なくとも一種の金属(当該金属は、銅、銀および金からなる群から選択される)を含む、請求項11記載の方法。
- 吸熱的脱水素化触媒の担体物質が酸化ケイ素を含む、請求項11記載の方法。
- 弱い酸化剤が二酸化炭素を含む、請求項8記載の方法。
- 酸素含有ガスがC2−C4アルカンとは別に発熱反応ゾーンに供給される、請求項1記載の方法。
- 弱い酸化剤の少なくとも一部がC2−C4アルカンとは別に発熱反応ゾーンに供給される、請求項1記載の方法。
- 弱い酸化剤の少なくとも一部が、加熱された混合生成物ガスとは別に吸熱反応ゾーンに供給される、請求項1記載の方法。
- C2−C4アルカンがプロパンを含み、対応するC2−C4アルケンがプロペンを含み、および弱い酸化剤が二酸化炭素を含む、請求項1記載の方法。
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