JP5999569B2 - C2酸素化物合成用の触媒、c2酸素化物の製造装置及びc2酸素化物の製造方法 - Google Patents

C2酸素化物合成用の触媒、c2酸素化物の製造装置及びc2酸素化物の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、C2酸素化物合成用の触媒、C2酸素化物の製造装置及びC2酸素化物の製造方法に関する。
本願は、2012年2月28日に、日本に出願された特願2012−041775号、2012年7月27日に、日本に出願された特願2012−167725号、及び2012年8月22日に、日本に出願された特願2012−183389号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
バイオエタノールは、石油代替燃料としての普及が進められている。バイオエタノールは、主にサトウキビやトウモロコシの糖化及び発酵によって製造されている。近年、食料や飼料と競合しない、廃木材や稲わら等の作物の未利用部分等の木質系及び草本系バイオマス(セルロース系バイオマスともいう)からバイオエタノールを製造する技術が開発されている。
セルロース系バイオマスを原料とし、従来のエタノール発酵法を用いてバイオエタノールを製造するためには、セルロースを糖化させる必要がある。糖化方法としては、濃硫酸糖化法、希硫酸・酵素糖化法、水熱糖化法等があるが、安価にバイオエタノールを製造するためにはいまだ多くの課題が残されている。
一方、セルロース系バイオマスを水素と一酸化炭素とを含む混合ガスに変換した後、この混合ガスからエタノールを合成する方法がある。この方法により、エタノール発酵法の適用が難しいセルロース系バイオマスから、効率的にバイオエタノールを製造する試みがなされている。この方法によれば、木質系・草本系バイオマスに限らず、動物の死骸や糞等由来の動物バイオマス、生ゴミ、廃棄紙、廃繊維等のバイオマス、及びプラスチック等の多様な有機物を原料に用いることができる。
さらに、水素と一酸化炭素との混合ガスは、天然ガス、石炭等の石油以外の資源からも得られるため、混合ガスからエタノール、アセトアルデヒド、酢酸等のC2酸素化物を合成する方法は、石油依存を脱却する技術として研究されている。
水素と一酸化炭素との混合ガスからC2酸素化物を得る方法としては、例えば、ロジウム及びアルカリ金属をシリカゲルの担体に担持させた触媒に、混合ガスを接触させる方法が知られている(例えば、特許文献1〜2)。
特公昭61−36730号公報 特公昭61−36731号公報
C2酸素化物合成用の触媒の能力は、CO転化率、選択率、C2酸素化物の空時収量等を指標として評価される。
「CO転化率」は、混合ガス中のCOのモル数の内、消費されたCOのモル数が占める百分率である。
「選択率」は、混合ガス中の消費されたCOのモル数のうち、特定の酸素化物へ変換されたCのモル数が占める百分率である。例えば、下記(α)式によれば、C2酸素化物であるエタノールの選択率は100モル%である。一方、下記(β)式によれば、C2酸素化物であるエタノールの選択率は50モル%であり、C2酸素化物であるアセトアルデヒドの選択率も50モル%である。加えて、(α)式及び(β)式において、C2酸素化物の選択率は100モル%である。
4H+2CO→CHCHOH+HO ・・・(α)
7H+4CO→COH+CHCHO+2HO ・・・(β)
「C2酸素化物の空時収量」は、触媒の単位体積当たりにおける、単位時間当たりのC2酸素化物の合成量(g/L−触媒/h)であり、CO転化率とC2酸素化物の選択率との積に比例する。このため、CO転化率とC2酸素化物の選択率とのいずれか一方が著しく低下する触媒は、C2酸素化物の空時収量を高められない。
また、C2酸素化物の選択率を高められても、CO転化率を十分に高められなかった。このため、従来のC2酸素化物合成用の触媒を用いたC2酸素化物の製造方法では、C2酸素化物の空時収量を十分に高められなかった。
そこで、本発明は、生成物であるC2酸素化物中のエタノールの比率を高めて、エタノールを効率的に合成できるC2酸素化物合成用の触媒の提供およびC2酸素化物の空時収量を高めることのできるC2酸素化物合成用の触媒の提供を目的とする。
本発明は、以下に関する。
(1)多孔質担体に水素化活性金属が担持され、水素と一酸化炭素とを含む混合ガスからC2酸素化物を合成するC2酸素化物合成用の触媒において、
前記多孔質担体は、平均細孔直径が0.1〜20nmである、C2酸素化物合成用の触媒。
(2)前記平均細孔直径が、0.1〜8nmである、(1)に記載のC2酸素化物合成用の触媒。
(3)前記多孔質担体の細孔直径のモード径が、0.1〜8nmである、(1)に記載のC2酸素化物合成用の触媒。
(4)前記平均細孔直径が、2〜20nmである、(1)に記載のC2酸素化物合成用の触媒。
(5)前記多孔質担体の細孔直径のモード径が、2〜20nmである、(1)に記載のC2酸素化物合成用の触媒
(6)前記水素化活性金属は、アルカリ金属及び周期表の第7〜10族に属する元素からなる群から選択される1種以上である(2)又は(3)に記載のC2酸素化物合成用の触媒。
(7)前記水素化活性金属は、アルカリ金属及び周期表の第7〜10族に属する元素からなる群から選択される1種以上である(4)又は(5)に記載のC2酸素化物合成用の触媒。
(8)前記C2酸素化物が、エタノール、アセトアルデヒド及び酢酸からなる群から選択される少なくとも1つである(1)〜(7)のいずれか1つに記載のC2酸素化物合成用の触媒。
(9)前記C2酸素化物合成用の触媒が、ロジウムと、マンガンと、リチウムとを含有する触媒である(1)〜(8)のいずれか1つに記載のC2酸素化物合成用の触媒。
(10)前記C2酸素化物合成用の触媒が、さらに、チタン又はマグネシウムを含有する(1)〜(9)のいずれか1つに記載のC2酸素化物合成用の触媒。
(11)前記多孔質担体の比表面積が、400〜700m/gである(1)〜(10)のいずれか1つに記載のC2酸素化物合成用の触媒。
(12)前記多孔質担体における(全細孔容積)/(比表面積×平均細孔直径)で表される値が、0.2〜0.5である(1)〜(11)のいずれか1つに記載のC2酸素化物合成用の触媒。
(13)前記水素化活性金属がアルカリ金属であり、かつ、前記水素化活性金属の担持量が、前記多孔質担体100質量部に対して、0.125〜10質量部である(1)〜(12)のいずれか1つに記載のC2酸素化物合成用の触媒。
(14)前記水素化活性金属が周期表の第7族に属する元素であり、かつ、前記水素化活性金属の担持量が、前記多孔質担体100質量部に対して、0.25〜10質量部である(1)〜(13)のいずれか1つに記載のC2酸素化物合成用の触媒。
(15)前記助活性金属の担持量が、前記多孔質担体100質量部に対して、1〜10質量部である(1)〜(14)のいずれか1つに記載のC2酸素化物合成用の触媒。
(16)(1)〜(15)のいずれか1つに記載のC2酸素化物合成用の触媒が充填された反応管と、前記混合ガスを前記反応管に供給する供給手段と、前記反応管から生成物を排出する排出手段とを備えるC2酸素化物の製造装置。
(17)(1)〜(15)のいずれか1つに記載のC2酸素化物合成用の触媒に、水素と一酸化炭素とを含む混合ガスを接触させてC2酸素化物を得ることと特徴とするC2酸素化物の製造方法。
(18)前記C2酸素化物の空時収量が650(g/L−触媒/h)〜180(g/L−触媒/h)である、(17)に記載のC2酸素化物の製造方法。
(19)前記C2酸素化物中のエタノールの選択率が、96モル%〜35モル%である、(17)に記載のC2酸素化物の製造方法。
本明細書においてC2酸素化物は、酢酸、エタノール、アセトアルデヒド等、炭素原子と水素原子と酸素原子からなり、炭素数が2である分子を意味する。
本発明のC2酸素化物合成用の触媒は、生成物であるC2酸素化物中のエタノールの比率を高めること、及び/又はC2酸素化物の空時収量を高めることにより、C2酸素化物、ひいてはエタノールを効率的に合成できる。
本発明の一実施形態に係るC2酸素化物の製造装置の模式図である。 実施例2の結果を示すグラフである。
(C2酸素化物合成用の触媒)
本発明のC2酸素化物合成用の触媒(以下、単に触媒ということがある)は、水素と一酸化炭素とを含む混合ガスからC2酸素化物を合成する触媒であり、多孔質担体に水素化活性金属が担持された、いわゆる担持触媒である。
多孔質担体の材質は、特に限定されず、例えば、シリカ、ジルコニア、チタニア、マグネシア等が挙げられ、中でも、比表面積や細孔直径が異なる種々の製品が市場で調達できることから、シリカが好ましい。
多孔質担体の大きさは特に限定されないが、例えば、シリカの多孔質担体であれば、粒子径0.5〜5000μmのものが好ましい。多孔質担体の粒子径は、篩分けにより調節される。
加えて、多孔質担体は、粒子径分布ができるだけ狭いものが好ましい。
多孔質担体における細孔容積の合計(全細孔容積)は、特に限定されないが、例えば、0.01〜1.0mL/gが好ましく、0.1〜0.8mL/gがより好ましく、0.3〜0.7mL/gがさらに好ましい。全細孔容積が上記下限値未満では、多孔質担体の比表面積が不十分となり、水素化活性金属や後述する助活性金属(以下、総じて触媒金属ということがある)の担持量が不十分となって、CO転化率が低下するおそれがある。全細孔容積が上記上限値超では、原料である混合ガスの拡散速度が速くなりすぎて、触媒と混合ガスとの接触時間が不十分となって、エタノールの選択率が低くなるおそれがある。
全細孔容積は、水滴定法により測定される値である。水滴定法とは、多孔質担体の表面に水分子を吸着させ、分子の凝縮から細孔分布を測定する方法である。
なお、「CO転化率」とは、混合ガス中のCOのモル数のうち、消費されたCOのモル数が占める百分率を意味する。
「選択率」とは、混合ガス中の消費されたCOのモル数のうち、特定のC2酸素化物へ変換されたCのモル数が占める百分率である。例えば、下記(α)式によれば、C2酸素化物であるエタノールの選択率は100モル%である。一方、下記(β)式によれば、C2酸素化物であるエタノールの選択率は50モル%であり、C2酸素化物であるアセトアルデヒドの選択率も50モル%である。
4H+2CO→CHCHOH+HO ・・・(α)
7H+4CO→COH+CHCHO+2HO ・・・(β)
多孔質担体の平均細孔直径は、0.1〜20nmであるが、C2酸素化物、好ましくはエタノールの選択率の観点からは、0.1〜8nmが好ましく、
より好ましくは0.1〜5nm、さらに好ましくは1〜4nmである。平均細孔直径が上記下限値未満では、触媒金属の担持量が少なくなって、CO転化率が低下する。平均細孔直径が上記上限値超では、混合ガスの拡散速度が速くなりすぎて、触媒金属と混合ガスとの接触時間が不十分となって、C2酸素化物、ひいてはエタノールの選択率が低くなる。加えて、平均細孔直径が上記上限値以下であれば、多孔質担体の比表面積が十分に大きくなって触媒への伝熱効率が高まり、C2酸素化物をより効率的に合成できる。このため、平均細孔直径が上記上限値以下であれば、より効率的にC2酸素化物、ひいてはエタノールを合成できる。
また、C2酸素化物の空時収量の観点からは、多孔質担体の平均細孔直径は、2〜20nmが好ましく、より好ましくは5nm超14nm未満、さらに好ましくは5nm超10nm以下である。平均細孔直径が上記下限値未満では、触媒金属の担持量が少なくなって、CO転化率が低下する。平均細孔直径が上記上限値超では、混合ガスの拡散速度が速くなりすぎて、触媒金属と混合ガスとの接触時間が不十分となって、C2酸素化物、好ましくはエタノールの選択率が低くなる。即ち、平均細孔直径が上記範囲内であれば、触媒金属と混合ガスとの接触時間が、C2酸素化物の空時収量を高めるのに適した時間となり、C2酸素化物をより効率的に合成できる。
本明細書において、「C2酸素化物の空時収量」とは、C2酸素化物が、従来公知の水素還元処理(例えば、接触水素還元等)によって、すべてエタノールに変換されたと仮定した場合の値を意味する。
加えて、平均細孔直径が上記上限値以下であれば、多孔質担体の比表面積が十分に大きくなって触媒への伝熱効率が高まり、C2酸素化物をより効率的に合成できる。平均細孔直径は、以下の手法で測定される値である。平均細孔直径が0.1nm以上10nm未満の場合、全細孔容積とBET比表面積とから算出される。平均細孔直径が10nm以上の場合、水銀圧入法ポロシメーターにより測定される。
ここで、全細孔容積は、水滴定法により測定される値であり、BET比表面積は、窒素を吸着ガスとし、その吸着量とその時の圧力から算出される値である。
水銀圧入法は、水銀を加圧して多孔質担体の細孔に圧入させ、その圧力と圧入された水銀量から平均細孔直径を算出するものである。
多孔質担体の細孔直径のモード径は、C2酸素化物、好ましくはエタノールの選択率の観点からは、0.1〜8nmが好ましく、より好ましくは0.1〜5nm、さらに好ましくは1〜4nmである。また、C2酸素化物、好ましくはエタノールの空時収量の観点からは、多孔質担体の細孔直径のモード径は、2〜20nmが好ましく、より好ましくは5nm超14nm未満、さらに好ましくは5nm超10nm以下である。
多孔質担体の比表面積は、特に限定されないが、例えば、1〜1000m/gが好ましく、450〜1000m/gがより好ましく、300〜800m/gがさらに好ましく、400〜700m/gが特に好ましく、500〜700m/gが特により好ましい。比表面積が上記下限値以上であれば、触媒金属の担持量が十分となって、CO転化率がより高まる。加えて、比表面積が上記下限値以上であれば、C2酸素化物をより効率的に合成できる。これは、比表面積の大きな多孔質担体を用いることで、触媒への伝熱効率が高まり、C2酸素化物の合成反応がより促進されるためと考えられる。
比表面積が上記上限値以下であれば、混合ガスの拡散速度がより適切になって、エタノールの選択率がより高まる。
比表面積は、窒素を吸着ガスとし、BET式ガス吸着法により測定されるBET比表面積である。
多孔質担体における全細孔容積と比表面積との積は、1〜1000mL・m/gが好ましく。100〜500mL・m/gがより好ましい。上記下限値以上であれば、触媒金属の担持量が十分となって、CO転化率がより高まる。
上記上限値以下であれば、混合ガスの拡散速度がより適切になって、C2酸素化物、好ましくはエタノールの選択率がより高まる。すなわち、上記範囲内であれば、C2酸素化物の空時収量をより高められる。
多孔質担体における(全細孔容積)/(比表面積×平均細孔直径)で表される値(以下、容積/面積・直径比ということがある)は、0.1〜1が好ましく、0.2〜0.5がより好ましい。上記下限値以上であれば、多孔質担体の多孔性が十分となって、CO転化率をより高められ、上記上限値以下であれば、混合ガスの拡散速度がより適切になって、C2酸素化物の選択率をより高められる。即ち、容積/面積・直径比が上記範囲内であれば、C2酸素化物の空時収量をより高められる。
例えば、全細孔容積0.61mL/g、比表面積430m/g、平均細孔直径5.7nmの多孔質担体における容積/面積・直径比は、下記(i)式により求められる。
容積/面積・直径比=(0.61×10−6/g)/{(430m/g)×(5.7×10−9m)}=0.249 ・・・(i)
水素化活性金属としては、従来、混合ガスからC2酸素化物を合成できる金属として知られているものであればよく、例えば、リチウム、ナトリウム等のアルカリ金属;マンガン、レニウム等、周期表の第7族に属する元素;ルテニウム等、周期表の第8族に属する元素;コバルト、ロジウム等、周期表の第9族に属する元素;ニッケル、パラジウム等、周期表の第10族に属する元素等が挙げられる。
これらの水素化活性金属は、1種単独で用いられてもよいし、2種以上が組み合わされて用いられてもよい。例えば、水素化活性金属としては、CO転化率やエタノールの選択率をより高める観点から、ロジウム、マンガン及びリチウムを組み合わせたものや、ルテニウム、レニウム及びナトリウムを組み合わせたもの等、ロジウム又はルテニウムとアルカリ金属とその他の水素化活性金属とを組み合わせたものが好ましい。
触媒中の水素化活性金属の担持量は、水素化活性金属の種類や多孔質担体の材質等を勘案して決定される。
水素化活性金属としてアルカリ金属を用いる場合、水素化活性金属の担持量は、多孔質担体100質量部に対して0.001〜30質量部が好ましく、0.125〜10質量部がより好ましい。上記下限値未満では、水素化活性金属の担持量が少なすぎてCO転化率が低下するおそれがあり、上記上限値超では、水素化活性金属を均一かつ高分散状態にできず、CO転化率やC2酸素化物の選択率、さらには、C2酸素化物の空時収量が低下するおそれがある。
水素化活性金属として、周期表の第7族に属する元素を用いる場合、水素化活性金属の担持量は、多孔質担体100質量部に対して0.001〜30質量部が好ましく、0.25〜10質量部がより好ましい。上記下限値未満では、水素化活性金属の担持量が少なすぎてCO転化率が低下するおそれがあり、上記上限値超では、水素化活性金属を均一かつ高分散状態にできず、CO転化率やC2酸素化物の選択率、さらには、C2酸素化物の空時収量が低下するおそれがある。
水素化活性金属として、周期表の第8族〜第10族に属する元素を用いる場合、水素化活性金属の担持量は、多孔質担体100質量部に対して0.1〜30質量部が好ましく、1〜10質量部がより好ましい。上記下限値未満では、水素化活性金属の担持量が少なすぎてCO転化率が低下するおそれがあり、上記上限値超では、水素化活性金属を均一かつ高分散状態にできず、CO転化率やC2酸素化物の選択率、さらには、C2酸素化物の空時収量が低下するおそれがある。
また、2種以上の水素化活性金属を組み合わせて用いる場合、水素化活性金属の担持量は、その組成や多孔質担体の種類等を勘案して決定され、例えば、多孔質担体がシリカであれば、多孔質担体100質量部に対して0.05〜30質量部が好ましく、1〜10質量部がより好ましい。上記下限値未満では、CO転化率が低下するおそれがあり、上記上限値超では、水素化活性金属を均一かつ高分散状態にできず、CO転化率、C2酸素化物の選択率やC2酸素化物の空時収量が低下するおそれがある。
触媒における水素化活性金属の担持状態は、特に限定されず、例えば、粉体状の金属が多孔質担体に担持された状態であってもよいし、金属元素の形態で多孔質担体に担持された状態であってもよく、中でも、金属元素の形態で多孔質担体に担持された状態が好ましい。金属元素の形態で多孔質担体に担持された状態であれば、混合ガスとの接触面積が大きくなり、CO転化率やC2酸素化物中のエタノールの選択率をより高められる。
触媒には、水素化活性金属に加え、助活性金属が担持されていてもよい。
助活性金属としては、例えば、チタン、バナジウム、クロム、ホウ素、マグネシウム、ランタノイド及び周期表の第13族に属する元素から選択される1種以上が挙げられ、中でも、例えば、チタン、マグネシウム、バナジウム等が好ましい。C2酸素化物の空時収量を高める観点からは、チタンが好ましい。触媒は、これらの助活性金属が担持されていることで、CO転化率やC2酸素化物中のエタノールの選択率、又は、C2酸素化物の空時収量をより高めることができる。
触媒中の助活性金属の担持量は、助活性金属の種類や水素化活性金属の種類等を勘案して決定され、例えば、多孔質担体100質量部に対して0.01〜20質量部が好ましく、1〜10質量部がより好ましい。上記下限値未満では、助活性金属の担持量が少なすぎて、CO転化率やC2酸素化物、例えばエタノールの選択率のさらなる向上を図りにくく、また、C2酸素化物、例えばエタノールの空時収量のさらなる向上を図りにくい。また、上記上限値超では、多孔質担体の表面が助活性金属で過剰に被覆されてしまい、CO転化率やC2酸素化物、例えばエタノールの選択率の向上を図りにくく、また、C2酸素化物、例えばエタノールの空時収量のさらなる向上を図りにくい。
触媒における助活性金属の担持状態は、特に限定されず、例えば、粉体状の金属が多孔質担体に担持された状態であってもよいし、金属元素の形態で多孔質担体に担持された状態であってもよく、中でも、金属元素の形態で多孔質担体に担持された状態が好ましい。
金属元素の形態で多孔質担体に担持された状態であれば、混合ガスとの接触面積が大きくなり、CO転化率、C2酸素化物、例えばエタノールの選択率やC2酸素化物、例えばエタノールの空時収量をより高められる。
触媒金属の担持量は、触媒金属の種類や組成、多孔質担体の材質等を勘案して決定され、例えば、多孔質担体100質量部に対して0.05〜30質量部が好ましく、1〜10質量部がより好ましい。上記下限値未満では、触媒金属の担持量が少なすぎて、CO転化率、エタノールの選択率やC2酸素化物、例えばエタノールの空時収量の向上を図りにくく、上記上限値超では、助活性金属が多くなりすぎて水素化活性金属を均一かつ高分散状態にできず、CO転化率、C2酸素化物、例えばエタノールの選択率やC2酸素化物、例えばエタノールの空時収量のさらなる向上を図りにくい。
触媒としては、例えば、ロジウムと、マンガンと、アルカリ金属とを含有するものが好ましく、ロジウムと、マンガンと、アルカリ金属と、助活性金属とを含有するものがより好ましい。このような触媒を用いることで、C2酸素化物、例えばエタノールをより効率的に合成でき、さらには、触媒活性を長時間維持することができる。
ロジウムと、マンガンと、アルカリ金属とを含有する触媒の中でも、ロジウムと、マンガンと、リチウムとを含有する触媒が好ましい。
ロジウムと、マンガンと、アルカリ金属と、助活性金属とを有する触媒のうち、ロジウムと、マンガンと、リチウムと、マグネシウムとを含有する触媒、又はロジウムと、マンガンと、リチウムと、チタンとを含有する触媒が好ましい。
ロジウムと、マンガンと、アルカリ金属と、助活性金属とを含有する触媒、好ましくは、ロジウムと、マンガンと、リチウムと、マグネシウムとを含有する触媒、又は、ロジウムと、マンガンと、リチウムと、チタンとを含有する触媒としては、下記(I)式で表される組成が好ましい。
aA・bB・cC・dD ・・・・(I)
(I)式中、Aはロジウムを表し、Bはマンガンを表し、Cは例えばリチウム等のアルカリ金属を表し、Dは例えばマグネシウム又はチタン等の助活性金属を表し、a、b、c及びdはモル分率を表し、a+b+c+d=1である。
(I)式中のaは、0.053〜0.98が好ましい。上記下限値未満であるとロジウムの含有量が少なすぎて、C2酸素化物の合成効率が十分に高まらないおそれがあり、上記上限値超であると他の金属の含有量が少なくなりすぎて、C2酸素化物の合成効率が十分に高まらないおそれがある。
(I)式中のbは、0.0006〜0.67が好ましい。上記下限値未満であるとマンガンの含有量が少なすぎて、C2酸素化物の合成効率が十分に高まらないおそれがあり、上記上限値超であると他の金属の含有量が少なくなりすぎて、C2酸素化物の合成効率が十分に高まらないおそれがある。
(I)式中のcは、0.00056〜0.51が好ましい。上記下限値未満であるとアルカリ金属の含有量が少なすぎて、C2酸素化物の合成効率が十分に高まらないおそれがあり、上記上限値超であると他の金属の含有量が少なくなりすぎて、C2酸素化物の合成効率が十分に高まらないおそれがある。
(I)式中のdは、0.0026〜0.94が好ましい。上記下限値未満であると助活性金属の含有量が少なすぎて、C2酸素化物の合成効率が十分に高まらないおそれがあり、上記上限値超であると他の金属の含有量が少なくなりすぎて、C2酸素化物の合成効率が十分に高まらないおそれがある。
本発明の触媒は、従来公知の担持触媒の製造方法に準じて製造される。触媒の製造方法としては、例えば、含浸法、イオン交換法等が挙げられ、中でも含浸法が好ましい。含浸法を用いることで、得られる触媒は、触媒金属がより均一に分散され、混合ガスとの接触効率がより高められ、CO転化率やC2酸素化物、例えばエタノールの選択率、さらには、C2酸素化物、例えばエタノールの空時収量をより高められる。
触媒の調製に用いられる触媒金属の原料化合物としては、酸化物、塩化物、硫化物、硝酸塩、炭酸塩等の無機塩、シュウ酸塩、アセチルアセトナート塩、ジメチルグリオキシム塩、エチレンジアミン酢酸塩等の有機塩又はキレート化合物、カルボニル化合物、シクロペンタジエニル化合物、アンミン錯体、アルコキシド化合物、アルキル化合物等、触媒金属の化合物として、従来、金属触媒を調製する際に用いられるものが挙げられ、中でも、塩化物又は硫化物が好ましい。
含浸法について説明する。まず、水素化活性金属、及び必要に応じて助活性金属の原料化合物を水、メタノール、エタノール、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ヘキサン、ベンゼン、トルエン等の溶媒に溶解し、得られた溶液(含浸液)に多孔質担体を浸漬する等して、含浸液を多孔質担体に付着させる。含浸液を多孔質担体の細孔内に十分浸透させた後、溶媒を蒸発させて触媒とする。含浸法においては、含浸液中の各触媒金属の質量比が、触媒に担持された各触媒金属の質量比となる。このため、含浸法で触媒を製造することで、触媒中の各触媒金属の質量比を容易に制御できる。
含浸液を多孔質担体に含浸させる方法としては、全ての原料化合物を溶解した溶液を担体に含浸させる方法(同時法)、各原料化合物を別個に溶解した溶液を調製し、逐次的に担体に各溶液を含浸させる方法(逐次法)等が挙げられる。
逐次法としては、例えば、助活性金属を含む溶液(一次含浸液)を多孔質担体に含浸させ(一次含浸工程)、これを乾燥して助活性金属を多孔質担体に担持させた一次担持体を得(一次担持工程)、次いで水素化活性金属を含む溶液(二次含浸液)を一次担持体に含浸させ(二次含浸工程)、これを乾燥する(二次担持工程)方法が挙げられる。このように、助活性金属を多孔質担体に担持させ、次いで水素化活性金属を多孔質担体に担持させることで、触媒は、触媒金属がより高度に分散されたものとなり、CO転化率やC2酸素化物、例えばエタノールの選択率、さらには、C2酸素化物、例えばエタノールの空時収量をより高められる。
一次担持工程は、例えば、一次含浸液が含浸された多孔質担体を乾燥し(一次乾燥操作)、これを任意の温度で加熱して焼成する(一次焼成操作)方法が挙げられる。
一次乾燥操作における乾燥方法は特に限定されず、例えば、一次含浸液が含浸された多孔質担体を任意の温度で加熱する方法が挙げられる。一次乾燥操作における加熱温度は、一次含浸液の溶媒を蒸発できる温度であればよく、溶媒が水であれば、80〜120℃とされる。一次焼成操作における加熱温度は、例えば、300〜600℃とされる。一次焼成操作を行うことで、助活性金属の原料化合物に含まれていた成分の内、触媒反応に寄与しない成分を十分に揮散し、触媒活性をより高められる。
二次担持工程は、例えば、二次含浸液が含浸された一次担持体を乾燥し(二次乾燥操作)、さらに任意の温度で加熱して焼成する(二次焼成操作)方法が挙げられる。
二次乾燥操作における乾燥方法は特に限定されず、例えば、二次含浸液が含浸された一次担持体を任意の温度で加熱する方法が挙げられる。二次乾燥操作における加熱温度は、二次含浸液の溶媒を蒸発できる温度であればよく、溶媒が水であれば、80〜120℃とされる。二次焼成操作における加熱温度は、例えば、300〜600℃とされる。二次焼成操作を行うことで、水素化活性金属の原料化合物に含まれていた成分の内、触媒反応に寄与しない成分を十分に揮散し、触媒活性をより高められる。
上述の方法によって調製された触媒は、通常、還元処理が施されて活性化され、C2酸素化物の合成に用いられる。還元処理としては、水素を含む気体に、触媒を接触させる方法が簡便で好ましい。この際、処理温度は、水素化活性金属が還元される程度の温度、例えば、ロジウムであれば100℃以上、好ましくは200〜600℃とされる。加えて、水素化活性金属を十分に分散させる目的で、低温から徐々にあるいは段階的に昇温しながら水素還元を行ってもよい。また、例えば、一酸化炭素と水との存在下、又はヒドラジン、水素化ホウ素化合物もしくは水素化アルミニウム化合物等の還元剤の存在下で、触媒に還元処理を施してもよい。
還元処理における加熱時間は、例えば、1〜10時間が好ましく、2〜5時間がより好ましい。上記下限値未満では、触媒金属の還元が不十分となり、CO転化率やC2酸素化物、例えばエタノールの選択率、さらには、C2酸素化物、例えばエタノールの空時収量が低くなるおそれがある。上記上限値超では、触媒金属が凝集し、CO転化率やC2酸素化物、例えばエタノールの選択率、さらには、C2酸素化物の空時収量、例えばエタノールの空時収量が低くなったり、還元処理におけるエネルギーが過剰になり経済的な不利益が生じたりするおそれがある。
(C2酸素化物の製造装置)
本発明のC2酸素化物の製造装置(以下、単に製造装置ということがある)は、本発明の触媒が充填された反応管と、混合ガスを反応管内に供給する供給手段と、反応管から生成物を排出する排出手段とを備えるものである。
本発明の製造装置の一例について、図1を用いて説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る製造装置10を示す模式図である。製造装置10は、触媒が充填されて反応床2が形成された反応管1と、反応管1に接続された供給管3と、反応管1に接続された排出管4と、反応管1に接続された温度制御部5と、排出管4に設けられた圧力制御部6とを備えるものである。
反応管1は、原料ガス及び合成されたC2酸素化物に対して不活性な材料が好ましく、100〜500℃程度の加熱、又は10MPa程度の加圧に耐え得る形状のものが好ましい。
反応管1としては、例えば、ステンレス製の略円筒形の部材が挙げられる。
供給管3は、混合ガスを反応管1内に供給する供給手段であり、例えば、ステンレス製等の配管が挙げられる。
排出管4は、反応床2で合成されたC2酸素化物を含む合成ガス(生成物)を排出する排出手段であり、例えば、ステンレス製等の配管が挙げられる。
温度制御部5は、反応管1内の反応床2を任意の温度にできるものであればよく、例えば、電気炉等が挙げられる。
圧力制御部6は、反応管1内の圧力を任意の圧力にできるものであればよく、例えば、公知の圧力弁等が挙げられる。
また、製造装置10は、マスフロー等、ガスの流量を調整するガス流量制御部等の周知の機器を備えていてもよい。
(C2酸素化物の製造方法)
本発明のC2酸素化物の製造方法は、混合ガスを触媒に接触させるものである。本発明のC2酸素化物の製造方法の一例について、図1の製造装置を用いて説明する。
まず、反応管1内を任意の温度及び任意の圧力とし、混合ガス20を供給管3から反応管1内に流入させる。
混合ガス20は、水素と一酸化炭素とを含むものであれば特に限定されず、例えば、天然ガス、石炭から調製されたものであってもよいし、バイオマスをガス化して得られるバイオマスガス等であってもよい。バイオマスガスは、例えば、粉砕したバイオマスを水蒸気の存在下で加熱(例えば、800〜1000℃)する等、従来公知の方法で得られる。
混合ガス20として、バイオマスガスを用いる場合、混合ガス20を反応管1内に供給する前に、タール分、硫黄分、窒素分、塩素分、水分等の不純物を除去する目的で、混合ガス20にガス精製処理を施してもよい。ガス精製処理としては、例えば、湿式法、乾式法等、当該技術分野で知られる各方式を採用できる。湿式法としては、水酸化ナトリウム法、アンモニア吸収法、石灰・石膏法、水酸化マグネシウム法等が挙げられ、乾式法としては、圧力スイング吸着(PSA)法等の活性炭吸着法、電子ビーム法等が挙げられる。
混合ガス20は、水素と一酸化炭素とを主成分とするもの、即ち混合ガス20中の水素と一酸化炭素との合計が、50体積%以上であることが好ましく、80体積%以上であることがより好ましく、90体積%以上であることがさらに好ましく、100体積%であってもよい。水素と一酸化炭素との含有量が多いほど、C2酸素化物の生成量、エタノールの生成量をより高められる。
混合ガス20における水素/一酸化炭素で表される体積比(以下、H/CO比ということがある)は、1/5〜5/1が好ましく、1/2〜3/1がより好ましく、1/1〜2.5/1がさらに好ましい。上記範囲内であれば、CO転化率、C2酸素化物、好ましくはエタノールの選択率、さらには、C2酸素化物、好ましくはエタノールの空時収量をより高められる。
なお、混合ガス20は、水素及び一酸化炭素の他に、メタン、エタン、エチレン、窒素、二酸化炭素、水等を含んでいてもよい。
混合ガス20と触媒とを接触させる際の温度(反応温度)、即ち反応管1内の温度は、例えば、150〜450℃が好ましく、200〜400℃がより好ましく、250〜350℃がさらに好ましい。上記下限値以上であれば、触媒反応の速度を十分に高め、C2酸素化物、好ましくはエタノールをより効率的に製造できる。上記上限値以下であれば、C2酸素化物、好ましくはエタノールの合成反応を主反応とすると共に、C2酸素化物、好ましくはエタノールの選択率を高めてC2酸素化物、好ましくはエタノールをより効率的に製造できる。
混合ガス20と触媒とを接触させる際の圧力(反応圧力)、即ち反応管1内の圧力は、例えば、0.5〜10MPaが好ましく、1〜7.5MPaがより好ましく、2〜5MPaがさらに好ましい。上記下限値以上であれば、触媒反応の速度を十分に高め、C2酸素化物、好ましくはエタノールをより効率的に製造できる。上記上限値以下であれば、C2酸素化物、好ましくはエタノールの合成反応を主反応とすると共に、C2酸素化物、好ましくはエタノールの選択率を高めて、C2酸素化物、好ましくはエタノールをより効率的に製造できる。
流入した混合ガス20は、反応床2の触媒と接触しながら流通し、その一部がC2酸素化物となる。
混合ガス20は、反応床2を流通する間、例えば、下記(1)〜(5)式で表される触媒反応によりC2酸素化物を生成する。本発明においては、主に、(5)式で表される触媒反応が進行すると共に、(1)〜(2)式の触媒反応により生成された酢酸又はアセトアルデヒドが(3)〜(4)式で表される触媒反応によりエタノールとなる。
2H+2CO→CHCOOH・・・(1)
3H+2CO→CHCHO+HO ・・・(2)
2H+CHCOOH→CHCHOH+HO ・・・(3)
+CHCHO→CHCHOH ・・・(4)
4H+2CO→CHCHOH+HO ・・・(5)
そして、このC2酸素化物を含む合成ガス22は、排出管4から排出される。合成ガス22は、C2酸素化物、好ましくはエタノールを含むものであれば特に限定されず、エタノール以外の生成物(例えば、酢酸、アセトアルデヒド等、エタノールを除くC2酸素化物や酢酸エチル、酢酸メチル、蟻酸メチル等のエステル類等の酸素化物;メタン等の炭化水素)を含んでいてもよい。
合成ガス22において、C2酸素化物の選択率は60モル%以上が好ましく、80モル%以上がより好ましい。C2酸素化物の選択率が上記下限値以上であれば、C2酸素化物の生成量をより高められる。
合成ガス22中の酸素化物におけるC2酸素化物の含有量は、特に限定されないが、60モル%以上が好ましく、80モル%以上がより好ましい。上記下限値以上であれば、C2酸素化物の生成量をより高められる。
合成ガス22中のC2酸素化物におけるエタノール含有量は、特に限定されないが、55モル%以上が好ましく、70モル%以上がより好ましい。上記下限値以上であれば、エタノール以外の生成物を除去したり、エタノール以外の生成物をエタノールに変換したりする工程の簡略化が図れる。
本発明に係るC2酸素化物の製造方法においては、前記C2酸素化物の空時収量が650(g/L−触媒/h)〜180(g/L−触媒/h)であることが好ましい。空時収量がこれらの範囲にあることにより、C2酸素化物を高効率で合成することができる。
また、本発明に係るC2酸素化物の製造方法においては、前記C2酸素化物中のエタノールの選択率が96モル%〜35モル%であることが好ましい。エタノールの選択率が、下限値以上であることにより、分離精製が容易になるという利点がある。
混合ガス20の供給速度は、例えば、反応床2における混合ガスの空間速度(単位時間当たりのガスの供給量を触媒量(体積換算)で除した値)が標準状態換算で、好ましくは10〜100000L/L−触媒/h、より好ましくは1000〜50000L/L−触媒/h、さらに好ましくは3000〜20000L/L−触媒/hとされる。空間速度は、反応圧力、反応温度、及び原料である混合ガスの組成を勘案して、適宜調整される。
必要に応じ、排出管4から排出された合成ガス22を気液分離器等で処理し、未反応の混合ガス20とC2酸素化物とを分離してもよい。
本実施形態では、固定床の反応床2に混合ガスを接触させているが、例えば、触媒を流動床又は移動床等、固定床以外の形態とし、これに混合ガスを接触させてもよい。
本発明では、得られたC2酸素化物を蒸留等によって、必要成分毎に分離してもよい。
また、本発明では、エタノール以外の生成物を水素化してエタノールに変換する工程(エタノール化工程)を設けてもよい。エタノール化工程としては、例えば、アセトアルデヒド、酢酸等を含むC2酸素化物を水素化触媒に接触させてエタノールに変換する方法が挙げられる。
ここで、水素化触媒としては、当該技術分野で知られる触媒が使用でき、銅、銅−亜鉛、銅−クロム、銅−亜鉛−クロム、鉄、ロジウム−鉄、ロジウム−モリブデン、パラジウム、パラジウム−鉄、パラジウム−モリブデン、イリジウム−鉄、ロジウム−イリジウム−鉄、イリジウム−モリブデン、レニウム−亜鉛、白金、ニッケル、コバルト、ルテニウム、酸化ロジウム、酸化パラジウム、酸化白金、酸化ルテニウム等が挙げられる。これらの水素化触媒は、本発明の触媒に用いられる担体と同様の多孔質担体に担持させた担持触媒であってもよく、担持触媒としては、銅、銅−亜鉛、銅−クロム又は銅−亜鉛−クロムをシリカ系担体に担持させた銅系触媒が好適である。担持触媒である水素化触媒の製造方法としては、本発明の触媒と同様に同時法又は逐次法が挙げられる。
上述したように、本発明の触媒を用いることで、C2酸素化物中のエタノールの選択率を高めたり、又はC2酸素化物の空時収量を高めることにより、C2酸素化物、好ましくはエタノールを効率的に合成できる。すなわち、C2酸素化物中のエタノールの選択率を高めることで、分離精製を容易にすることできる。また、C2酸素化物の空時収量を高めることで、C2酸素化物の生産量を増大させることができる。
本発明を適用することで、エタノールを効率的に合成できる理由は明らかでないが、以下のように推測できる。
多孔質担体の平均細孔直径が0.1〜8nmであると、触媒に混合ガスを接触させた際、混合ガスが細孔内に浸入する速度及び浸出する速度が相対的に遅くなる。即ち、混合ガスが細孔内に滞留する時間が長くなり、細孔内に担持された触媒金属と混合ガスとの接触時間が相対的に長くなる。そして、この混合ガスと触媒金属との接触時間は、上記の(3)〜(5)式の触媒反応、特に(5)式の触媒反応に適しているため、エタノールの選択率が高まり、エタノールを効率的に合成できると考えられる。
また、多孔質担体の平均細孔直径が2nm未満では、混合ガスが細孔内に浸入する速度及び細孔内から浸出する速度が相対的に遅くなりすぎる。細孔内に浸入した混合ガスと触媒金属との接触時間は、C2酸素化物に転換されるための十分な時間になるものの、混合ガスが細孔内に浸入し又は細孔内から浸出する頻度が小さくなって、CO転化率を高められない。このため、平均細孔直径が2nm未満では、C2酸素化物の空時収量を高められない。
平均細孔直径が20nm超では、混合ガスが細孔内に浸入し又は細孔内から浸出する速度が速くなりすぎる。混合ガスが細孔内に浸入し又は細孔内から浸出する頻度は高まるものの、細孔内に浸入した混合ガスと触媒金属との接触時間は、混合ガスがC2酸素化物に転換されるには不十分なものとなる。このため、平均細孔直径が20nm超では、C2酸素化物の選択率が小さくなり、C2酸素化物の空時収量を高められない。
従って、多孔質担体の平均細孔径が2〜20nmであれば、混合ガスが細孔内に滞留する時間をC2酸素化物の空時収量を高めるのに適した時間にできると考えられる。
以下に、実施例を示して本発明を説明するが、本発明は実施例によって何ら限定されるものではない。
以下の実施例1−2、実施例1−4、実施例1−5、及び実施例1−6は、比較例1−2、比較例1−4、比較例1−5、及び比較例1−6である。
(実施例1−1)
チタンラクテートアンモニウム塩(Ti(OH)[OCH(CH)COO(NH )0.049gを含む水溶液(一次含浸液)0.58mLを、多孔質担体(材質:シリカ、粒子径:1.18〜2.36mm、平均細孔直径:1.9nm、全細孔容積:0.29mL/g、比表面積:620m/g)2.0gに滴下して含浸させた(一次含浸工程)。これを110℃にて3時間乾燥し(一次乾燥操作)、さらに400℃にて4.5時間焼成して一次担持体とした(一次焼成操作,以上、一次担持工程)。塩化ロジウム三水和物(RhCl・3HO)0.154gと、塩化マンガン二水和物(MnCl・2HO)0.087gと、塩化リチウム一水和物(LiCl・HO)0.01gとを含む水溶液(二次含浸液)0.6mLを一次担持体に滴下して含浸させ(二次含浸工程)、110℃にて3時間乾燥し(二次乾燥操作)、さらに400℃にて4.5時間焼成して触媒を得た(二次焼成操作,以上、二次担持工程)。一次含浸液と二次含浸液との合計において、水素化活性金属のモル比は、ロジウム:マンガン=1:0.75、ロジウム:リチウム=1:0.275、マンガン:リチウム=1:0.667である。
(実施例1−2)
一次含浸工程及び一次担持工程を行わなかった以外は、実施例1−1と同様にして触媒を得た。二次含浸液において、水素化活性金属のモル比は、ロジウム:マンガン=1:0.75、ロジウム:リチウム=1:0.275、マンガン:リチウム=1:0.667である。
(実施例1−3)
一次含浸工程において、チタンラクテートアンモニウム塩0.049gを含む水溶液(一次含浸液)1.22mLを多孔質担体(材質:シリカ、粒子径:1.18〜2.36mm、平均細孔直径:5.7nm、全細孔容積:0.61mL/g、比表面積:430m/g)2.0gに滴下し、含浸させた以外は、実施例1−1と同様にして触媒を得た。一次含浸液と二次含浸液との合計において、水素化活性金属のモル比は、ロジウム:マンガン=1:0.75、ロジウム:リチウム=1:0.275、マンガン:リチウム=1:0.667である。
(実施例1−4)
一次含浸工程及び一次担持工程を行わなかった以外は、実施例1−3と同様にして触媒を得た。二次含浸液において、水素化活性金属のモル比は、ロジウム:マンガン=1:0.75、ロジウム:リチウム=1:0.275、マンガン:リチウム=1:0.667である。
(実施例1−5)
チタンラクテートアンモニウム塩0.123gを含む水溶液(一次含浸液)2.16mLを、多孔質担体(材質:シリカ、粒子径:0.7〜2.0mm、平均細孔直径:13.7nm、全細孔容積:1.08mL/g、比表面積:315m/g)2.0gに滴下して含浸させた(一次含浸工程)。これを110℃にて3時間乾燥し(一次乾燥操作)、さらに400℃にて4.5時間焼成して一次担持体とした(一次焼成操作,以上、一次担持工程)。塩化ロジウム三水和物0.154gと、塩化マンガン二水和物0.032gと、塩化リチウム一水和物0.005gとを含む水溶液(二次含浸液)2.16mLを一次担持体に滴下して含浸させ(二次含浸工程)、110℃にて3時間乾燥し(二次乾燥操作)、さらに400℃にて4.5時間焼成して触媒を得た(二次焼成操作,以上、二次担持工程)。一次含浸液と二次含浸液との合計において、水素化活性金属のモル比は、ロジウム:マンガン=1:0.275、ロジウム:リチウム=1:0.138、マンガン:リチウム=1:0.5である。
(実施例1−6)
一次含浸工程及び一次担持工程を行わなかった以外は、実施例1−5と同様にして触媒を得た。二次含浸液において、水素化活性金属のモル比は、ロジウム:マンガン=1:0.75、ロジウム:リチウム=1:0.275、マンガン:リチウム=1:0.667である。
(実施例1−7)
チタンラクテートアンモニウム塩0.123gを含む水溶液(一次含浸液)0.58mLを、多孔質担体(材質:シリカ、粒子径:1.18〜2.36mm、平均細孔直径:1.9nm、全細孔容積:0.29mL/g、比表面積:620m/g)2.0gに滴下して含浸させた一次含浸工程、及び塩化ロジウム三水和物0.154gと塩化マンガン二水和物0.032gと塩化リチウム一水和物0.005gとを含む水溶液(二次含浸液)2.16mLを一次担持体に滴下して含浸させた二次含浸工程以外は、実施例1−1と同様にして触媒を得た。二次含浸液において、水素化活性金属のモル比は、ロジウム:マンガン=1:0.75、ロジウム:リチウム=1:0.275、マンガン:リチウム=1:0.667である。
(比較例1−1)
一次含浸工程において、チタンラクテートアンモニウム塩0.123gを含む水溶液(一次含浸液)1.96mLを多孔質担体(材質:シリカ、粒子径:1.18〜2.36mm、平均細孔直径:31.1nm、全細孔容積:0.98mL/g、比表面積:107m/g)2.0gに滴下し、含浸させた以外は、実施例1−1と同様にして触媒を得た。
一次含浸液と二次含浸液との合計において、水素化活性金属のモル比は、ロジウム:マンガン=1:0.75、ロジウム:リチウム=1:0.275、マンガン:リチウム=1:0.667である。
<評価方法>
実施例1−1〜1−7、比較例1−1の触媒0.5gを直径0.5インチ(1.27cm)、長さ10インチ(25.4cm)のステンレス製の円筒型の反応管に充填して反応床を形成した。反応床に、常圧で水素−窒素ガス(H/N=1/2)を30mL/分で流通させながら、320℃で2.5時間加熱し、触媒に還元処理を施した。
次いで、反応床を250℃とした後、反応床を表1中の反応温度とし、混合ガス(H/CO比=2/1)を空間速度8400L/L−触媒/h、又は12000L/L−触媒/h、2MPaで反応床に流通させて、C2酸素化物を含む合成ガスの製造を行った。
混合ガスを反応床に3時間流通させ、得られた合成ガスを回収し、ガスクロマトグラフィーにより分析した。
得られたデータからCO転化率(モル%)、C2酸素化物の選択率(モル%)、各生成物の選択率(モル%)、C2酸素化物の空時収量(g/L−触媒/h)を算出し、これらの結果を表1に示す。C2酸素化物の空時収量は、得られたC2酸素化物の全てを、従来公知の水素還元処理(例えば、接触水素還元等)に付し、エタノールに変換したと仮定した場合の値である。また、表中、C2酸素化物中のエタノールの比率は、生成物におけるエタノール、アセトアルデヒド及び酢酸の合計量(即ち、C2酸素化物の総量)中のエタノールの含有量として算出した。
Figure 0005999569
表1に示すように、本発明を適用した実施例1−1〜1−7においては、
エタノールの選択率が、12.3モル%以上であり、C2酸素化物中のエタノールの比率が、22.6モル%以上であった。
なかでも、平均細孔直径が8nm未満の実施例1−1〜1−4、及び1−7においては、エタノールの選択率が23.0モル%以上であり、C2酸素化物中のエタノールの比率が39.1モル%以上であった。加えて、実施例1−1と実施例1−2との比較、実施例1−3と実施例1−4との比較において、助活性金属を担持させた実施例1−1、1−3は、それぞれ実施例1−2、1−4に比べてエタノール選択率及びC2酸素化物中のエタノールの比率が高まっていた。
また、平均細孔直径が8nm超の多孔質担体を用いた実施例1−5、1−6では、実施例1−1〜1−4に比べて、エタノール選択率及びC2酸素化物中のエタノールの比率は劣るものの、C2酸素化物の選択率はいずれも50モル%以上であり、かつ、C2酸素化物の空時収量も200(g/L-触媒/h)以上であった。
一方、比較例1−1においては、エタノールの選択率が15.8モル%以下であり、C2酸素化物中のエタノールの比率が29.9モル%以下であり、また、C2酸素化物の空時収量は122.5(g/L-触媒/h)であった。
これらの結果から、本発明を適用することで、混合ガスからエタノールを効率的に合成できることが判った。
(実施例2)
実施例1−1で得られた触媒を用い、表2中の反応温度とした以外は、実施例1−1と同様にしてC2酸素化物を含む合成ガスの製造を行い、各生成物の選択率(モル%)を算出した。得られた結果を表2、図2に示す。表2及び図2中、C2酸素化物中のエタノールの比率は、生成物におけるエタノール、アセトアルデヒド及び酢酸の合計量(即ち、C2酸素化物の総量)中のエタノールの含有量として算出した。
Figure 0005999569
図2は、横軸に反応温度、縦軸にC2酸素化物中のエタノールの比率(モル%)を取ったグラフである。
表2、図2に示すように、本実施例は、反応温度272〜305℃の間でC2酸素化物中のエタノールの比率を90モル%以上にできた。
1 反応管
2 反応床
3 供給管
4 排出管
5 温度制御部
6 圧力制御部
10製造装置
20混合ガス
22合成ガス

Claims (4)

  1. 多孔質担体にチタン及び水素化活性金属が担持され、水素と一酸化炭素とを含む混合ガスからC2酸素化物を合成するC2酸素化物合成用の触媒において、前記多孔質担体は、平均細孔直径が0.1〜nmである、C2酸素化物合成用の触媒。
  2. 前記水素化活性金属は、アルカリ金属、周期表の第7〜10族に属する元素からなる群から選択される1種以上であることを特徴とする請求項1に記載のC2酸素化物合成用の触媒。
  3. 請求項1又は2に記載のC2酸素化物合成用の触媒が充填された反応管と、前記混合ガスを前記反応管内に供給する供給手段と、前記反応管から生成物を排出する排出手段とを備えることを特徴とするC2酸素化物の製造装置。
  4. 請求項1又は2に記載のC2酸素化物合成用の触媒に、水素と一酸化炭素とを含む混合ガスを接触させてC2酸素化物を得ることを特徴とするC2酸素化物の製造方法。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015163387A (ja) * 2014-01-30 2015-09-10 積水化学工業株式会社 合成用の触媒及びその製造方法、酸素化物の製造装置ならびに酸素化物の製造方法
KR102054428B1 (ko) * 2017-05-19 2019-12-10 한국에너지기술연구원 촉매 제조장치 및 시스템
KR102584042B1 (ko) * 2019-02-13 2023-10-06 서강대학교산학협력단 C2-함산소화합물 제조용 불균일계 촉매

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4235798A (en) 1979-06-28 1980-11-25 Union Carbide Corporation Process for producing two-carbon atom oxygenated compounds from synthesis gas with minimal production of methane
CA1146592A (en) 1979-06-28 1983-05-17 Thomas P. Wilson Process for producing two-carbon atom oxygenated compounds from synthesis gas with minimal production of methane
JPS6136730A (ja) 1984-07-30 1986-02-21 Hokubu Tsushin Kogyo Kk 色印刷原版用フイルム作成装置
JPS6136731A (ja) 1984-07-30 1986-02-21 Matsushita Electric Ind Co Ltd スリツト露光照明装置
DE10132500A1 (de) * 2001-07-05 2003-01-23 Basf Ag Verfahren und Katalysator zur Herstellung von C2-Oxygenaten aus Synthesegas
WO2005079979A1 (ja) * 2004-02-24 2005-09-01 Japan Oil, Gas And Metals National Corporation 炭化水素類製造用触媒、その製造方法、及びその触媒を用いた炭化水素類の製造方法
KR20070004776A (ko) * 2004-03-03 2007-01-09 쉘 인터내셔날 리써취 마트샤피지 비.브이. 촉매 담체 및 촉매 조성물, 그의 제조 방법 및 그의 용도
MY142111A (en) * 2004-04-16 2010-09-15 Nippon Oil Corp Catalyst for fischer-tropsch synthesis and process for producing hydrocarbons
EA200602293A1 (ru) * 2004-06-23 2007-06-29 Бп П.Л.К. Синтез микропористого силикагеля и его применение для приготовления катализаторов для синтеза c-оксигенатов из синтез-газа
JP2007314745A (ja) 2006-04-27 2007-12-06 Tokyo Electric Power Co Inc:The エタノール発酵工程で発生した二酸化炭素から燃料を製造する方法
JP2010188238A (ja) * 2009-02-16 2010-09-02 Idemitsu Kosan Co Ltd 水素製造用触媒及び該触媒を用いた水素製造方法
JP2012001441A (ja) 2010-06-14 2012-01-05 Sekisui Chem Co Ltd エタノール製造方法、およびエタノール製造システム
US9975105B2 (en) * 2012-07-23 2018-05-22 Sekisui Chemical Co., Ltd. System for producing oxygenate and method for producing oxygenate
JP6093780B2 (ja) * 2012-12-20 2017-03-08 積水化学工業株式会社 アルコール合成用の触媒、アルコールの製造装置及びアルコールの製造方法

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