JPWO2012132322A1 - 炭化水素油分解用触媒および炭化水素油の分解方法 - Google Patents
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Abstract
Description
なお、本発明において、「元素の存在量」は、触媒を溶解して得た溶液をICP発光分光分析法で分析し、得られた測定値から触媒中の各元素の金属単体換算でのモル濃度を算出することにより求めることができる。そして、「元素の存在量の比(モル比)」は、算出した各元素のモル濃度の比を算出することにより求めることができる(以下、元素の存在量の比の算出方法を「融解/ICP−AES法」と称する場合がある。)。
そして、本発明の炭化水素油分解用触媒は、前記元素Y1がセリウムであり、前記元素Y2が、タングステン、マンガンおよび鉄からなる群より選択される1種であることが更に好ましい。
(1)周期表のIVA族元素から選択される1種の元素Xと、
(2)周期表の、IIIA族元素、VIA族元素、VIIA族元素および第4周期のVIII族元素からなる群より選択される1種の元素Y1と、
(3)周期表の、IIIA族元素、VIA族元素およびVIIA族元素、並びに、第4〜6周期のIVA族元素および第4周期のVIII族元素からなる群より選択される1種の元素Y2(但し、元素Xおよび元素Y1とは異なる元素である。)と、
の3種の金属元素を所定の比率で含有していることを特徴とする。
ここで、触媒に含有させる金属元素として上記(1)〜(3)に記載の元素群から選択される元素を採用したのは、上記元素群から選択される元素を含む化合物、特に酸化物は、高温高圧の水蒸気雰囲気下でも安定であり、且つ、硫黄化合物や窒素化合物による被毒に対する耐性が高いという特徴を有するからである。また、3種の金属元素を所定の比率で含有させたのは、3種の金属元素を所定の比率で含有させることにより、炭化水素油の分解反応を促進することができるからである。
(4)元素Y1の存在量y1と元素Y2の存在量y2との合計(y1+y2)に対する元素Xの存在量xの比が、0.5以上2.0以下(0.5≦x/(y1+y2)≦2.0)
(5)元素Y1の存在量y1に対する元素Y2の存在量y2の比が、0.02以上0.25以下(0.02≦y2/y1≦0.25)
CnHm+2nH2O→nCO2+(2n+(m/2))H2
(i)まず、元素Xを含む化合物と、元素Y1を含む化合物と、元素Y2を含む化合物とを、例えばX/(Y1+Y2)が0.5〜2.0(モル比)となり、且つ、Y2/Y1が0.02〜0.25(モル比)となるような量でイオン交換水に溶解させて、元素X,Y1,Y2を含む水溶液を調製する。
(ii)次に、調製した水溶液に対し、アンモニア水や、炭酸ナトリウム水溶液などの共沈剤を、水溶液のpHがアルカリ側に偏らないように(例えばpHが5〜8の範囲となるように)調整しながら滴下し、元素X,Y1,Y2を含む共沈殿物を生成させる。
(iii)そして最後に、得られた沈殿をろ過および乾燥した後、乾燥した沈殿を焼成して複合酸化物とする。
ここで、上記(iii)において沈殿を乾燥する温度は、水分を効率的に蒸発させる観点からは、100℃以上であることが好ましい。更に、沈殿を乾燥する温度は、急激な乾燥を防止する観点からは、160℃以下であることが好ましい。また、乾燥した沈殿を焼成する温度は、生成する複合酸化物(触媒)の構造安定性(即ち、触媒として使用して炭化水素油を分解した際の複合酸化物の構造変化の抑制)の観点からは、500℃以上であることが好ましい。更に、沈殿を焼成する温度は、生成する複合酸化物の表面積の減少を抑制する観点からは、900℃以下であることが好ましい。
具体的には、混合物と触媒とを接触させる温度は、比較的低い温度、例えば300〜600℃、好ましくは350〜550℃、更に好ましくは400〜500℃とすることができる。温度が300℃未満の場合、反応に必要な活性化エネルギーが得られずに炭化水素油の分解が十分に進行しない場合があるからである。また、温度が600℃超の場合、不要なガス(メタン、エタン等)が大量に発生し、炭化水素油の分解効率が低下するおそれがあるからである。
また、混合物と触媒とを接触させる際の圧力は、例えば0.1〜40MPa、好ましくは0.1〜35MPa、更に好ましくは0.1〜30MPaとすることができる。圧力が0.1MPa未満の場合、炭化水素油と水とを反応器へスムーズに流入させることが困難になる場合があるからである。また、圧力が40MPa超の場合、反応器の製造コストが高くなる場合があるからである。
更に、触媒を充填した反応器に混合物を流通する際の液空間速度(LHSV)は、例えば0.01〜10h-1、好ましくは0.05〜5h-1、更に好ましくは0.1〜2h-1とすることができる。液空間速度が0.01h-1未満の場合、不要なガスの発生が支配的となり、炭化水素油の分解効率が低下する場合があるからである。また、液空間速度が10h-1超の場合、反応時間が短すぎて炭化水素油の分解反応が十分に進行しない場合があるからである。
元素Xがジルコニウムであり、元素Y1がセリウムであり、元素Y2が鉄である触媒を調製した。具体的には、まず、硝酸ジルコニルと硝酸セリウムとを、Zr:Ce=1:1(モル比)となるようにイオン交換水中に溶解して水溶液を得た。次に、得られた水溶液に対し、硝酸鉄をCe:Fe=1:0.06(モル比)となるように加え撹拌した。そして、Zr,Ce,Feを含有する水溶液に対し、水溶液のpHが8超とならないように調整しながらアンモニア水を滴下し、沈殿を生成させた。そして最後に、得られた沈殿を熟成(室温にて一昼夜静置)、ろ過および乾燥(130℃、16時間)した後、乾燥した沈殿を温度600℃で焼成して、Zr,Ce,Feを含有する複合酸化物からなる触媒を調製した。
なお、得られた触媒中のZr,Ce,Feの存在比を融解/ICP−AES法で確認したところ、Zr:Ce:Fe=49:48:3であった。
そして、調製した触媒5.3gを超合金(インコネル625)製の反応器(内容積10mL)に充填した。次いで、触媒を充填した反応器にイオン交換水を流量0.1mL/minで通水しつつ、反応器内を温度470℃、圧力15MPaまで加熱および加圧した。その後、水素を供給することなく、表1に示すような性状の重質炭化水素油(熱分解装置から留出した油)と、イオン交換水とを反応器内に連続的に流通させた(イオン交換水、重質炭化水素油共に流量は0.1mL/minであり、LHSVは0.75h-1である。)。そして、通油開始から6時間経過後に、反応器からの流出物(分解反応生成物)を1時間採取し、以下のようにして重質炭化水素油の分解率を算出した。結果を表2に示す。
下記式を用いて、供給した重質炭化水素油中の沸点380℃以上の留分の分解率Cvを算出した。なお、Cokeは燃焼紫外蛍光法により測定した。
F:供給した重質炭化水素油中の沸点380℃以上の留分の量[g/h]
R:分解反応生成物中の沸点380℃以上の留分の量[g/h]
Coke:触媒上に堆積した炭素質の量[g/h]
元素Xがジルコニウムであり、元素Y1がセリウムであり、元素Y2がタングステンである触媒を調製した。具体的には、硝酸ジルコニルと硝酸セリウムとを、Zr:Ce=1:1(モル比)となるようにイオン交換水中に溶解してZr,Ceを含有する水溶液を得た。次に、メタタングステン酸アンモニウムをイオン交換水中に溶解して所定の濃度のメタタングステン酸アンモニウム水溶液を得た。そして、Zr,Ceを含有する水溶液に対し、水溶液のpHが8超とならないように調整しながらメタタングステン酸アンモニウム水溶液を滴下し、沈殿を生成させた。そして最後に、得られた沈殿を熟成(室温にて一昼夜静置)、ろ過および乾燥(130℃、16時間)した後、乾燥した沈殿を温度600℃で焼成して、Zr,Ce,Wを含有する複合酸化物からなる触媒を調製した。
そして、実施例1と同様にして重質炭化水素油を分解し、重質炭化水素油の分解率を算出した。結果を表2に示す。
なお、得られた触媒中のZr,Ce,Wの存在比を実施例1と同様にして確認したところ、Zr:Ce:W=49:48:3であった。
(実施例3)
元素Y2をマンガンとし、硝酸鉄の代わりに硝酸マンガンをCe:Mn=1:0.06(モル比)となるように加えた以外は、実施例1と同様にして触媒を調製した。そして、実施例1と同様にして重質炭化水素油を分解し、重質炭化水素油の分解率を算出した。結果を表2に示す。
なお、得られた触媒中のZr,Ce,Mnの存在比を実施例1と同様にして確認したところ、Zr:Ce:Mn=49:48:3であった。
(実施例4)
硝酸ジルコニル、硝酸セリウムおよび硝酸鉄をZr:Ce:Fe=46:46:8となるように加えた以外は、実施例1と同様にして触媒を調製した。そして、実施例1と同様にして重質炭化水素油を分解し、重質炭化水素油の分解率を算出した。結果を表2に示す。
なお、得られた触媒中のZr,Ce,Feの存在比を実施例1と同様にして確認したところ、Zr:Ce:Fe=46:46:8であった。
硝酸鉄を添加しなかった以外は実施例1と同様にして、元素Y2を含まない触媒を調製した。そして、実施例1と同様にして重質炭化水素油を分解し、重質炭化水素油の分解率を算出した。結果を表2に示す。
なお、得られた触媒中のZr,Ceの存在比を実施例1と同様にして確認したところ、Zr:Ce=54:46であった。
(比較例2)
硝酸ジルコニル、硝酸セリウムおよび硝酸鉄をZr:Ce:Fe=44:43:13となるように加えた以外は、実施例1と同様にして触媒を調製した。そして、実施例1と同様にして重質炭化水素油を分解し、重質炭化水素油の分解率を算出した。結果を表2に示す。
なお、得られた触媒中のZr,Ce,Feの存在比を実施例1と同様にして確認したところ、Zr:Ce:Fe=44:43:13であった。
元素Xがチタンであり、元素Y1がセリウムであり、元素Y2が鉄である触媒を調製した。具体的には、まず、四塩化チタンと硝酸セリウムとを、Ti:Ce=1:1(モル比)となるようにイオン交換水中に溶解して水溶液を得た。次に、得られた水溶液に対し、硝酸鉄をCe:Fe=1:0.25(モル比)となるように加え撹拌した。そして、Ti,Ce,Feを含有する水溶液に対し、水溶液のpHが8超とならないように調整しながらアンモニア水を滴下し、沈殿を生成させた。そして最後に、得られた沈殿を熟成(室温にて一昼夜静置)、ろ過および乾燥(130℃、16時間)した後、乾燥した沈殿を温度600℃で焼成して、Ti,Ce,Feを含有する複合酸化物からなる触媒を調製した。
そして、実施例1と同様にして重質炭化水素油を分解し、重質炭化水素油の分解率を算出した。結果を表3に示す。
なお、得られた触媒中のTi,Ce,Feの存在比を融解/ICP−AES法で確認したところ、Ti:Ce:Fe=44:45:11であった。
元素Y2をジルコニウムとし、硝酸セリウムの代わりに硝酸ジルコニルをTi:Zr:Fe=1:1:1(モル比)となるように加えた以外は、実施例5と同様にして触媒を調製した。そして、実施例5と同様にして重質炭化水素油を分解し、重質炭化水素油の分解率を算出した。結果を表3に示す。
なお、得られた触媒中のTi,Zr,Feの存在比を実施例5と同様にして確認したところ、Ti:Zr:Fe=33:34:33であった。
Claims (5)
- 水の存在下で炭化水素油を分解する際に用いられ、
IVA族元素から選択される1種の元素Xと、
IIIA族元素、VIA族元素、VIIA族元素および第4周期のVIII族元素からなる群より選択される1種の元素Y1と、
IIIA族元素、VIA族元素およびVIIA族元素、並びに、第4〜6周期のIVA族元素および第4周期のVIII族元素からなる群より選択され、且つ、前記元素Xおよび前記元素Y1とは異なる1種の元素Y2と、
を含有し、
元素Y1の存在量(y1)と元素Y2の存在量(y2)との合計(y1+y2)に対する元素Xの存在量(x)の比(x/(y1+y2))が、0.5以上2.0以下であり、
元素Y1の存在量(y1)に対する元素Y2の存在量(y2)の比(y2/y1)が、0.02以上0.25以下であることを特徴とする、炭化水素油分解用触媒。 - 前記元素Xと、前記元素Y1と、前記元素Y2とを含む複合酸化物からなることを特徴とする、請求項1に記載の炭化水素油分解用触媒。
- 前記元素Xがジルコニウムであることを特徴とする、請求項1または2に記載の炭化水素油分解用触媒。
- 前記元素Y1がセリウムであり、前記元素Y2が、タングステン、マンガンおよび鉄からなる群より選択される1種であることを特徴とする、請求項1〜3の何れかに記載の炭化水素油分解用触媒。
- 水の存在下で、炭化水素油と、請求項1〜4の何れかに記載の炭化水素油分解用触媒とを接触させて、炭化水素油を分解することを特徴とする、炭化水素油の分解方法。
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