JPH10174872A - ジメチルエーテル製造用触媒の製造方法およびジメチルエーテルの製造方法 - Google Patents

ジメチルエーテル製造用触媒の製造方法およびジメチルエーテルの製造方法

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JPH10174872A
JPH10174872A JP8339758A JP33975896A JPH10174872A JP H10174872 A JPH10174872 A JP H10174872A JP 8339758 A JP8339758 A JP 8339758A JP 33975896 A JP33975896 A JP 33975896A JP H10174872 A JPH10174872 A JP H10174872A
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勉 鹿田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高収率でジメチルエーテルを製造するた
めの触媒および空時収率の高いジメチルエーテルの製造
方法を提供する。 【解決手段】 メタノール合成触媒、メタノール脱水触
媒および水性ガスシフト触媒を、以下の式で示されるA
の値の各触媒間の差がいずれも±1×10-6g/cm以
内になるようにして、溶媒に懸濁することを特徴とする
ジメチルエーテル製造用触媒の製造方法 A=D2・(P−S) ただし、Dは触媒の平均粒径で単位はcm、Pは触媒の
粒子密度で単位はg/cm3、Sは溶媒の密度で単位は
g/cm3であると、上記の製造方法で得られた触媒
に、一酸化炭素と水素の混合ガス、あるいはこれにさら
に二酸化炭素および/または水蒸気が含まれる混合ガス
を流通させることを特徴とするジメチルエーテルの製造
方法によって解決される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ジメチルエーテル
を製造するための触媒の製造方法、およびその触媒を溶
媒に懸濁したスラリーに一酸化炭素と水素の混合ガスを
流通させてジメチルエーテルを製造する方法に関するも
のである。
【0002】
【従来の技術】従来、溶媒に懸濁した触媒の存在下で、
一酸化炭素、二酸化炭素および水素の混合ガスからジメ
チルエーテルを製造する方法は、いくつか知られてい
る。
【0003】例えば、特開平2−9833号公報、特開
平3−181435号公報、特開平3−52835号公
報、特開平4−264046号公報、特表平5−810
069号公報(WO93/10069)には、不活性液体
に懸濁したメタノール合成触媒とメタノール脱水触媒の
混合物に合成ガスを触媒させて、ジメチルエーテルまた
はジメチルエーテルとメタノールの混合物を製造する方
法が開示されている。
【0004】特開平2−9833号公報に開示されてい
る方法は、水素、一酸化炭素および二酸化炭素から成る
合成ガスを固体触媒と接触させ、また固体触媒の存在に
おいて反応させる前記合成ガスからのジメチルエーテル
の直接合成法において、前記合成ガスを固体触媒系の存
在において接触させることから成り、そこにおいて前記
固体触媒は3相(液相)反応器系において液状媒体の懸
濁された単一触媒または複数の触媒の混合物であり、そ
こにおいて前記3相反応器系は少くとも1基の3相反応
器から成る合成ガスからのジメチルエーテルの直接合成
法である。
【0005】特開平3−181435号公報に開示され
ている方法は、一酸化炭素と水素の混合ガス、あるいは
これにさらに二酸化炭素および/または水蒸気が含まれ
る混合ガスからジメチルエーテルを製造する方法におい
て、触媒を溶媒に懸濁してスラリー状態で使用すること
を特徴とするジメチルエーテルの製造方法である。
【0006】特開平3−52835号公報に開示されて
いる方法は、合成ガスを固体メタノール合成触媒の存在
において反応させてメタノールを生産し、又生産された
メタノールを固体脱水触媒の存在において反応させてジ
メチルエーテルを生産する。水素、一酸化炭素及び二酸
化炭素から成る合成ガスからジメチルエーテルを合成す
る方法において、前記合成ガスを、メタノール合成成分
と脱水(エーテル形成)成分から成る固体触媒系の存在に
おいて接触させて反応させ、その際前記固体触媒系3相
(液相)反応器系にある液状媒体中の単一触媒又は複数
の触媒混合物であり、前記反応器系を操作して、最小有
効メタノール速度を少くとも1時間当り触媒1kg当り
1.0gモルのメタノールに維持することを特徴とする
ジメチルエーテル合成法である。
【0007】特表平5−810069号公報に開示され
ている方法は、一酸化炭素と水素および水蒸気のいずれ
か一方または両方が含まれる混合ガス、あるいはこれに
さらに二酸化炭素が含まれる混合ガスからジメチルエー
テルを製造する方法において、少なくとも酸化亜鉛と、
酸化銅又は酸化クロムと酸化アルミニウムを含む混合触
媒を粉砕した後、加圧密着させ、その後再度粉砕した触
媒を溶媒に懸濁してスラリー状態で使用することを特徴
とするジメチルエーテルの製造方法である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
2−9833号公報、特開平3−52835号公報、特
開平4−264046号公報や特開平3−181435
号公報に開示されたジメチルエーテルの製造方法は、メ
タノール合成触媒とメタノール脱水触媒あるいは水性ガ
スシフト触媒で比重に差があるため、反応器内で溶媒に
懸濁したこれら2種あるいは3種の触媒が分離し、触媒
の濃度分布が生じたり、一方の触媒が沈降するなどし
て、触媒の利用効率が著しく低下するなどの問題があっ
た。
【0009】また、特表平5−810069号公報開示
の触媒は、上記3種の触媒を機械的に一体化したもので
あるが、スラリー状態で使用しているうちに、触媒の粒
子同士が剥離して、触媒の濃度分布、沈降が生じる問題
があった。
【0010】本発明は、上記の問題点を解決し、高収率
でジメチルエーテルを製造するための触媒および空時収
率の高いジメチルエーテルの製造方法を提供することを
目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するためになされたもので、本発明者らは、メタノー
ル合成触媒、メタノール脱水触媒および水性ガスシフト
触媒を、以下の式で示されるAの値の各触媒間の差がい
ずれも±1×10-6g/cm以内になるようにして、溶
媒に懸濁することを特徴とするジメチルエーテル製造用
触媒の製造方法 A=D2・(P−S) ただし、Dは触媒の平均粒径で単位はcm、Pは触媒の
粒子密度で単位はg/cm3、Sは溶媒の密度で単位は
g/cm3であるを開発するに至り、この方法で製造さ
れた触媒を溶媒に懸濁してスラリー状態で使用すること
により、一酸化炭素と水素の混合ガス、あるいはこれに
さらに二酸化炭素および/または水蒸気が含まれる混合
ガスから、ジメチルエーテルを高い収率および高い空時
収率で製造し得ることを見い出し、本発明を完成した。
【0012】本発明では、メタノール合成触媒、メタノ
ール脱水触媒および水性ガスシフト触媒の各粒子密度お
よび各粒子径を制御してそれぞれ調製した後、物理的に
混合したので、各種触媒を反応中に分離させることな
く、それらの触媒の距離を接近させることにより、以下
に述べる反応サイクルを速やかに進行させ、ジメチルエ
ーテルの収率を向上させる。すなわち本反応は、まず一
酸化炭素と水素からメタノール合成触媒上でメタノール
が生成し、次いでメタノールがメタノール脱水触媒上に
移行して脱水縮合によりジメチルエーテルと水が生成す
る。さらに、水が水性ガスシフト触媒および/またはメ
タノール合成触媒に移動し、一酸化炭素と反応して二酸
化炭素と水素を生成する。反応式は以下の通りである。
【0013】 CO+2H2 → CH3OH (1) 2CH3OH → CH3OCH3+H2O (2) CO+H2O → CO2+H2 (3)
【0014】
【発明の実施の形態】本発明で使用される触媒は、基本
的にはメタノール合成触媒、メタノール脱水触媒および
水性ガスシフト触媒からなるものであるが、メタノール
合成触媒は優れた水性ガスシフト触媒であり、水性ガス
シフト触媒を兼ねることができる。
【0015】メタノール合成触媒としては、酸化銅−酸
化亜鉛−アルミナ、酸化亜鉛−酸化クロム−アルミナな
どがある。酸化銅と酸化亜鉛、アルミナの比率は重量比
で酸化銅1に対し酸化亜鉛0.05〜20程度、好まし
くは0.1〜5程度、アルミナ0〜2程度、好ましくは
0〜1程度であり、酸化亜鉛と酸化クロム、アルミナの
場合の比率は重量比で酸化亜鉛1に対し酸化クロム0.
1〜10程度、好ましくは0.5〜5程度、アルミナ0
〜2程度、好ましくは0〜1程度である。メタノール脱
水触媒としては、γ−アルミナ、シリカ・アルミナ、ゼ
オライトなどがある。ゼオライトの金属酸化物成分とし
てはナトリウム、カリウム等のアルカリ金属の酸化物、
カルシウム、マグネシウム等のアルカリ土類金属の酸化
物等である。水性ガスシフト触媒としては、酸化銅一酸
化亜鉛、酸化鉄−酸化クロムなどがある。酸化銅と酸化
亜鉛の比率は重量比で酸化銅は酸化亜鉛1に対し0.1
〜20程度、好ましくは0.5〜10程度であり、酸化
鉄と酸化クロムの比率は重量比で酸化鉄1に対し酸化ク
ロム0.1〜20程度、好ましくは0.5〜10程度であ
る。また、メタノール脱水触媒と水性ガスシフト触媒を
兼ねた触媒として、銅(酸化銅を含む。)−アルミナな
どがある。
【0016】これらの各触媒は公知の方法によって製造
すればよく、例えば各金属成分の水溶性塩を用いてこれ
らを含む水溶液を調製する。塩の種類は水溶性であれば
無機酸塩、有機酸塩のいずれであってもよい。ただし、
水中に投入すると加水分解して水酸化物を生じやすいも
のは適当でない。例えば硝酸塩、炭酸塩、有機酸塩、ハ
ロゲン化物、等を使用できる。各成分の濃度としては
0.1〜3モル/l程度でよい。次いで、この水溶液に
塩基を加えて中和し水酸化物を沈澱させ、固液分離して
洗浄後乾燥し、さらに焼成することによって製造でき
る。また、市販品を使用することもできる。
【0017】前述のメタノール合成触媒、メタノール脱
水触媒および水性ガスシフト触媒の混合割合は、特に限
定されることなく各成分の種類あるいは反応条件等に応
じて適宜選定すればよいが、通常は重量比でメタノール
合成触媒1に対しメタノール脱水触媒0.5〜10程
度、水性ガスシフト触媒0〜5程度の範囲が適当である
ことが多い。
【0018】前記の式で計算されるAの値の各触媒間で
の差は、前述のように1×10-6g/cm以内とするこ
とが好ましいが、より好ましくは5×10-7g/cm以
内である。Aの値の差が1×10-6g/cmよりも大き
いと、一酸化炭素の転化率が低くなる。このAの値の制
御方法は特に限定されないが、一般的には溶媒の密度は
あまり大きな変化がないので主に触媒の平均粒径と粒子
密度で行なうことになる。そして、粒子密度は平均粒径
が一定であれば一般的にはそれ程大きな変化にはならな
いので、まず平均粒径をコントロールするのが簡便であ
る。平均粒径のコントロール方法としては、ボールミル
等による粉砕等がある。平均粒径の測定方法は、ふるい
分け法(JIS Z 8801−1982)、沈降法等に
従って行ない、粒子密度の測定は、比重びん法(JIS
R−5201)、浮力法(JISR6125)に従って
行なう。
【0019】上記触媒は溶媒に懸濁してスラリー化した
状態で使用される。溶媒中に存在させる触媒量は、溶媒
の種類、反応条件などによって適宜決定されるが、通常
は溶媒に対して1〜50重量%である。
【0020】本発明でジメチルエーテル合成の際に使用
される溶媒は、反応条件下において液体状態を呈するも
のであれば、そのいずれもが使用可能である。例えば、
脂肪族、芳香族および脂環族の炭化水素、アルコール、
エーテル、エステル、ケトンおよびハロゲン化物、これ
らの化合物の混合物等を使用できる。
【0021】また、硫黄分を除去した軽油、減圧軽油、
水素化処理したコールタールの高沸点留分等も使用でき
る。
【0022】このようにして形成された触媒−溶媒スラ
リー中に一酸化炭素と水素の混合ガスを流通させること
により、ジメチルエーテルが高収率で得られる。水素と
一酸化炭素の混合割合(H2/CO比)は広範囲のもの
が適用可能である。例えばH2/COモル比で20〜
0.1、好ましくは10〜0.2の混合比のものを使用
できる。
【0023】これは本反応系では、気固触媒反応のよう
に混合ガスが直接触媒に接触することなく、一度、一酸
化炭素と水素が溶媒に溶解した後、触媒と接触するため
に、一酸化炭素と水素の溶媒への溶解性を考慮して溶媒
を選択することにより、ガス組成によらず一定の一酸化
炭素と水素の組成を溶媒中で達成させ、さらに触媒表面
に供給することが可能である。
【0024】一方、水素と一酸化炭素の割合(H2/CO
比)が著しく小さな(例えば0.1以下)混合ガスある
いは水素を含まない一酸化炭素の場合には、別途スチー
ムを供給して反応器中で一酸化炭素の一部をスチームに
より水素と二酸化炭素に変換することが必要である。
【0025】また、原料ガスと触媒の間に溶媒が存在し
ているため、ガス組成と触媒表面での組成が必ずしも一
致しないことから、一酸化炭素と水素の混合ガス、ある
いは一酸化炭素ガス中に比較的高濃度(20〜50%)
の二酸化炭素が存在してもよい。
【0026】また、本発明の製造方法は、原料ガス中に
硫化水素等の硫黄化合物、シアン化水素等のシアン化合
物、塩化水素等の塩素化合物など触媒毒となる成分が存
在していても、触媒に対する影響が気固接触法に比べ著
しく軽減されている。なお、触媒が被毒され、その活性
が低下した場合には、反応器よりスラリーを抜き出し、
新たに高活性触媒を含有するスラリーを反応器へ圧入す
ることにより、反応器全体の生産性を一定に保持するこ
とができる。
【0027】なお、反応熱は、反応器内へ冷却コイルを
設置し、それに熱水を通過させることにより中圧蒸気と
して回収される。これにより反応温度を自由に制御でき
る。
【0028】反応温度は150〜400℃が好ましく、
特に200〜350℃の範囲が好ましい。反応温度が1
50℃より低くても、また400℃より高くても一酸化
炭素の転化率が低くなる。
【0029】反応圧力は10〜300kg/cm2が好
ましく、特に15〜150kg/cm2である。反応圧
力が10kg/cm2より低いと一酸化炭素の転化率が
低く、また300kg/cm2より高いと反応器が特殊
なものとなり、また昇圧のために多大なエネルギーが必
要であって経済的でない。
【0030】空間速度(触媒1gあたりの標準状態にお
ける混合ガスの供給速度)は、100〜50000ml
/g・hが好ましく、特に500〜30000ml/g
・hである。空間速度が50000ml/g・hより大
きいと一酸化炭素の転化率が低くなり、また100ml
/g・hより小さいと反応器が極端に大きくなって経済
的でない。
【0031】
【実施例】
I.触媒の調製 1)触媒の調製 硝酸銅(Cu(NO32・3H2O)185g、硝酸亜
鉛(Zn(NO32・6H2O)117gおよび硝酸ア
ルミニウム(Al(NO33・9H2O)52gをイオ
ン交換水約1lに溶解た水溶液と、炭酸ナトリウム(N
2CO3)約200kgをイオン交換水約1lに溶解し
た水溶液とを、約60℃に保温したイオン交換水約3l
の入ったステンレス製容器中に、pHが7.0±0.5
に保持されるように調節しながら、約2時間かけて滴下
した。滴下終了後、そのまま約1時間保持して熟成を行
った。なお、この間にpHが7.0±0.5から外れる
ようであれば、約1mol/lの硝酸水溶液または約1
mol/lの炭酸ナトリウム水溶液を滴下して、pHを
7.0±0.5にあわせた。次に、生成した沈澱を濾過
した後、洗浄液に硝酸イオンが検出されなくなるまでイ
オン交換水を用いて洗浄した。得られたケーキを120
℃で24時間乾燥した後、さらに空気中350℃で3時
間焼成して目的の触媒を得た。
【0032】得られた触媒の組成はCuO:ZnO:
Al23=61:32:7(重量比)であった。
【0033】2)触媒の調製 硝酸銅(Cu(NO32・3H2O)91gおよび硝酸
亜鉛(Zn(NO32・6H2O)256gをイオン交換
水約1lに溶解した水溶液と、炭酸ナトリウム(Na2
3)約130gをイオン交換水約1lに溶解した水溶液
とを、約60℃に保温したイオン交換水約3lの入った
ステンレス製容器中に、pHが8.5±0.5に保持さ
れるように調節しながら、約2時間かけて滴下した。滴
下終了後、そのまま約1時間保持して熟成を行った。な
お、この間にpHが8.5±0.5から外れるようであれ
ば、約1mol/lの硝酸水溶液または約1mol/l
の炭酸ナトリウム水溶液を滴下して、pHを8.5±
0.5にあわせた。次に、生成した沈澱を濾過した後、
洗浄液に硝酸イオンが検出されなくなるまでイオン交換
水を用いて洗浄した。得られたケーキを120℃で24
時間乾燥した後、さらに空気中350℃で3時間焼成し
て目的の触媒を得た。
【0034】得られた触媒の組成はCuO:ZnO=
3:7(重量比)であった。
【0035】3)触媒の調製 アルミナ(日揮化学製,N612)100gを空気中、
120℃で24時間乾燥した後、空気中450℃で3時
間焼成して目的のアルミナ触媒を得た。
【0036】4)触媒の調製 イオン交換水約200mlに酢酸銅(Cu(CH3CO
O)2・H2O)15.7gを溶解し、これに上記3)で
調製したアルミナ触媒95gを投入した後、蒸発乾固
した。ついでこのものを空気中、120℃で24時間乾
燥した後、空気中450℃で3時間焼成した。さらに水
蒸気流中、400℃で3時間処理して触媒を得た。こ
のものの組成はCu:Al23=5:95(重量比)で
あった。
【0037】5)触媒の調製 硝酸アルミニウム(Al(NO33・9H2O)736g
をイオン交換水約2lに溶解した水溶液と、炭酸ナトリ
ウム(Na2CO3)約350gをイオン交換水約2lに
溶解した水溶液とを、常温のイオン交換水約3lの入っ
たステンレス製容器中に、pHが7.5±0.5に保持
されるように調節しながら、約2時間かけて滴下した。
滴下終了後、そのまま約1時間保持して熟成を行った。
なお、この間にpHが7.5±0.5から外れるようで
あれば、約1mol/lの硝酸水溶液または約1mol
/lの炭酸ナトリウム水溶液を滴下して、pHを7.5
±0.5にあわせた。次いで、生成した沈澱を濾過した
後、洗浄液に硝酸イオンが検出されなくなるまでイオン
交換水を用いて洗浄した。得られたケーキを120℃で
24時間乾燥した後、さらに空気中350℃で3時間焼
成してアルミナを得た。
【0038】次に、イオン交換水約200mlに酢酸銅
(Cu(CH3COO)2・H2O)15.7gを溶解
し、これに上記のアルミナ95gを投入した後、蒸発乾
固した。ついでこのものを空気中、120℃で24時間
乾燥した後、空気中450℃で4時間焼成した。さらに
水素気流中、400℃で3時間処理して触媒を得た。
このものの組成はCu:Al23=5:95(重量比)
であった。
【0039】実施例1 上記の触媒をボールミル中で粉砕して平均粒径16.
9μmの微粉末粒子状にし、また上記の触媒をボール
ミル中で粉砕して平均粒径15.6μmの微粉末粒子状
にし、さらに触媒をボールミル中で粉砕して平均粒径
15.5μmの微粉末粒子状にした。ついでこの微粉末
粒子状触媒2.4g、微粉末粒子状触媒1.2gお
よび微粉末粒子状触媒1.2gを取り、物理的に混合
した。
【0040】実施例2 上記の触媒をボールミル中で粉砕して平均粒径16.
9μmの微粉末粒子状にし、また上記の触媒をボール
ミル中で粉砕して平均粒径15.2μmの微粉末粒子状
にした。ついでこの微粉末粒子状触媒2.4gと微粉
末粒子状触媒1.2gを取り、物理的に混合した。
【0041】実施例3 平均粒径14.4μmの触媒2.4gと平均粒径12.
9μmの触媒1.2gを物理的に混合した。
【0042】実施例4 平均粒径16.9μmの触媒2.4gと平均粒径18.
4μmの触媒1.2gを物理的に混合した。
【0043】比較例1 実施例1において触媒の平均粒径が20.1μm、触
媒の平均粒径が18.5μmであること以外、実施例
1と同じ方法により触媒を混合した。
【0044】比較例2 実施例2において触媒の平均粒径が12.9μmであ
ること以外、実施例2と同じ方法により触媒を混合し
た。
【0045】II.触媒の活性化方法および反応方法 内径2cm、高さ2mの気泡塔式反応器に、n−ヘキサ
デカン24g(31.1ml)を加え、これにさらに上記
の粉末粒子状混合触媒を加えて懸濁状態にした。次い
で、この気泡塔に水素、一酸化炭素および窒素から成る
混合ガス(H2:CO:N2=1:1:9、モル比)を約
300ml/minの流速で流通させつつ、室温より2
20℃まで数時間かけて徐々に昇温し、同時に混合ガス
中の窒素の濃度を最終的に0まで徐々に減少させて、さ
らに220℃で約3時間保持して触媒の活性化を行っ
た。
【0046】反応は、所定の反応温度、反応圧力で、H
2/CO/CO2比がモル比で47.5/47.5/5.
0の水素、一酸化炭素、二酸化炭素の混合ガスを常温、
常圧換算で336ml/minの流速で流通させて行っ
た。
【0047】以上の操作により得られた反応生成物およ
び未反応物はガスクロマトグラフにより分析した。
【0048】III.反応条件および実験結果 反応条件および実験結果を第1表及び第2表に示す。
【0049】
【数1】
【0050】
【数2】
【0051】
【数3】
【0052】
【数4】 各速度の単位は全て [mol/g−cat・h]
【0053】
【表1】
【0054】
【表2】
【0055】
【発明の効果】本発明のジメチルエーテル製造用触媒は
メタノール合成触媒、メタノール脱水触媒および水性ガ
スシフト触媒の各粒子密度と粒子径を、方程式に従って
制御したため、これらの各触媒が反応中に分離すること
がなく、したがって反応サイクルが円滑に進行し、高い
ジメチルエーテル収率を得ることができる効果を有す
る。
【0056】また、本発明のジメチルエーテルの製造方
法は、メタノール合成触媒、メタノール脱水触媒および
水性ガスシフト触媒を一体化した触媒を溶媒に懸濁して
スラリー状態で使用するように構成したので、ジメチル
エーテルの空時収率が高く、また触媒の目詰まりや触媒
に機械的強度を問題とせず、さらに反応熱の除去、反応
温度の制御が容易であり、さらにまた一酸化炭素と水素
の比率の適用範囲が広く、また高濃度の二酸化炭素の存
在下での反応が可能であるとともに、不純物、触媒毒の
影響が少ないなどの効果を有する。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 メタノール合成触媒、メタノール脱水触
    媒および水性ガスシフト触媒を、以下の式で示されるA
    の値の各触媒間の差がいずれも±1×10-6g/cm以
    内になるようにして、溶媒に懸濁することを特徴とする
    ジメチルエーテル製造用触媒の製造方法 A=D2・(P−S) ただし、Dは触媒の平均粒径で単位はcm、Pは触媒の
    粒子密度で単位はg/cm3、Sは溶媒の密度で単位は
    g/cm3である
  2. 【請求項2】 請求項1の製造方法で得られた触媒に、
    一酸化炭素と水素の混合ガス、あるいはこれにさらに二
    酸化炭素および/または水蒸気が含まれる混合ガスを流
    通させることを特徴とするジメチルエーテルの製造方法
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