JP2005255605A

JP2005255605A - 触媒を用いた低級炭化水素の転化方法

Info

Publication number: JP2005255605A
Application number: JP2004068439A
Authority: JP
Inventors: Masaru Ichikawa; 勝市川; Ayaichi Kojima; 綾一小島; Masamichi Kuramoto; 政道倉元; Yasuyuki Mizobuchi; 康之溝渕; Yuji Ogawa; 裕治小川
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2024-03-11
Also published as: JP4677194B2

Abstract

【課題】低級炭化水素を改質及び芳香族化する際に水素と芳香族化合物の生成速度を安定さらには向上させること。
【解決手段】低級炭化水素を含んだガスをモリブデンと白金族系の金属成分を担持した低級炭化水素直接改質触媒と反応させて低級炭化水素を転化する低級炭化水素の転化方法であって、前記ガスを前記低級炭化水素直接改質触媒と反応させる際、前記ガス中に水素を添加している。前記白金族元素としては、例えばルテニウムまたはロジウムが挙げられる。前記低級炭化水素直接改質触媒は、還元性ガス供給のもとモリブデンと白金族系の金属成分を担持したメタロシリケートを炭化処理することで生成される。前記還元性ガスは、例えば、低級炭化水素と水素とを含んだガス、水素ガスまたはアンモニアガスを採用するとよい。
【選択図】なし

Description

本発明はメタンを主成分とする天然ガスやバイオガス、メタンハイドレートの高度利用に関するものである。

天然ガス、バイオガス、メタンハイドレートは地球温暖化対策として最も効果的なエネルギーと考えられ、その利用技術に関心が高まっている。メタン資源はそのクリーン性を活かして、次世代の新しい有機資源、燃料電池用の水素資源として着目されているが、本発明はメタンからプラスチック類などの化学製品の原料であるベンゼンおよびナフタレン類を主成分とする芳香族化合物と高純度の水素ガスを効率的に製造しうる触媒化学変換技術に関するものである。

低級炭化水素とりわけメタンからベンゼン等の芳香族化合物と水素と併産する方法としては、触媒の存在下、酸素または酸化剤の非存在下でメタンを反応させる方法が知られている。前記触媒としては例えば非特許文献１（ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＣＡＴＡＬＹＳＩＳ（１９９７））によるとＺＳＭ−５にモリブデンを担持したものが有効とされている。しかしながら、これらの触媒を使用した場合でも、炭素析出が多いことやメタンの転化率が低いという問題を有している。

そこで、モリブデン等を多孔質のメタロシリケートに担持してなる触媒が提案されている（例えば特許文献１（特開平１０−２７２３６６号公報）及び特許文献２（特開平１１−６０５１４号公報））。これらの公報によると、担体として７オーグストロングの細孔経を有する多孔質のメタロシリケートを採用し、これに触媒材料を担持している。この触媒を用いた実験によると、低級炭化水素が効率良く芳香族化され、これに付随して高純度の水素が得られることが確認されている。特に特許文献２においては、モリブデンのみばかりではなく第二成分としてモリブデン以外の金属類を添加することで前記触媒の特性を向上させたことが記載されている。
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＣＡＴＡＬＹＳＩＳ，１９９７年，ｐｐ．１６５，ｐｐ．１５０−１６１特開平１０−２７２３６６号公報（段落番号（０００８）〜（００１３）及び（００１９））特開平１１−６０５１４号公報（段落番号（０００７）〜（００１１）及び（００２０））

しかしながら、今日においても、芳香族化合物及び水素の製造効率をさらに高めるために、なお一層優れた触媒の開発が望まれている。特に、前記先行技術においては水素と芳香族化合物の生成速度が安定しないのが現状である。

本発明は、かかる事情に鑑みなされたもので、その目的は、低級炭化水素を改質及び芳香族化する際に水素と芳香族化合物の生成速度を安定さらには向上させることができる触媒を用いた低級炭化水素の転化方法の提供にある。

本発明の低級炭化水素の転化方法は、低級炭化水素を含んだガスをモリブデンと白金族系の金属成分を担持した低級炭化水素直接改質触媒と反応させて低級炭化水素を転化する低級炭化水素の転化方法であって、前記ガスを前記低級炭化水素直接改質触媒と反応させる際、前記ガス中に水素を添加している。水素は前記供給ガスにおいて一定濃度例えば６％となるように注入するとよい。

本発明の低級炭化水素の転化方法によれば、低級炭化水素含有ガスを低級炭化水素直接改質触媒と接触反応させるにあたり前記ガスに水素を添加すると、水素を添加しない従来の転化方法と比較して、安定した芳香族化合物と水素の生成が可能となることが見出されている。

前記低級炭化水素直接改質触媒は還元性ガス供給のもとモリブデンと白金族系の金属成分を担持したメタロシリケートを炭化処理することで生成される。この触媒において担持される前記白金族元素としてはルテニウムやロジウム等がある。前記金属成分を担持する方法としては含浸方法、イオン交換方法、または昇華性の化合物を用いて担体に蒸着担持する方法等が挙げられる。また、前記メタロシリケートを炭化処理に供するにあたり、これらの金属元素若しくは他の金属元素例えば鉄族元素成分を適宜組み合わせて担持させてもよい。尚、前記低級炭化水素直接改質触媒の製造に供される前記還元性ガスとしては、例えば、メタン，エタン，ブタン等の低級炭化水素と水素とを含んだガス、水素ガスまたはアンモニアガス等が挙げられる。

また、前記メタロシリケートとしては、例えばアルミノシリケートの場合、シリカおよびアルミナから成る４．５〜６．５オングストローム径の細孔を有する多孔質体であり、モレキュラーシーブ５Ａ，フォジャサイト（ＮａＹおよびＮａＸ），ＺＳＭ−５，ＭＣＭ−２２等が例示される。さらに、リン酸を主成分とするＡＬＰＯ−５，ＶＰＩ−５等の６〜１３オングストロームのミクロ細孔からなる多孔質体、チャンネルからなるゼオライト担体、シリカを主成分とし一部アルミナを成分として含むメゾ細孔（１０〜１０００オングストローム）の筒状細孔（チャンネル）を有するＦＳＭ−１６やＭＣＭ−４１等のメゾ細孔多孔質担体なども例示される。また、前記アルミナシリケートの他に、シリカおよびチタニアからなるメタロシリケート等も挙げられる。

本発明に供される低級炭化水素直接改質触媒は、粉末状または棒状の他、中空円柱状、ペレット状、ハニカム状、リング形状若しくはその他の形状の形態で使用される。尚、メタロシリケートを前記形状に加工するために、例えば粘土等の無機バインダーやガラス繊維等の無機フィラーをメタロシリケートに対して配合してもよい。

本発明の低級炭化水素の転化方法によれば、経時的な触媒劣化等による効率低下が少ないので、より一層、安定且つ効率良く芳香族化合物と水素の製造が可能となる。したがって、モリブデンを担持した改質触媒を採用した水素及び芳香族化合物の製造方法において、水素及び芳香族化合物の量産性を制御するシステムの構築化にも大いに寄与する。

以下、本発明の低級炭化水素の転化方法する実施する形態について図面を参照しながら説明する。

本実施形態に供される低級炭化水素直接改質触媒（以下、触媒と称する）は、メタロシリケートを他の無機フィラーと配合させた無機成分を有機バインダー及び水分と共に配合して成形し、これを乾燥及び焼成して焼成体を得て、この焼成体にモリブデン成分に第二の金属成分として白金族元素を適宜担持した後に、還元性ガスを混合して炭化処理することで得られる。白金族元素としてはルテニウムやロジウム等がある。

前記メタロシリケートとしては、例えばアルミノシリケートの場合、シリカおよびアルミナから成る４．５〜６．５オングストローム径の細孔を有する多孔質体であり、モレキュラーシーブ５Ａ、フォジャサイト（ＮａＹおよびＮａＸ）、ＺＳＭ−５、ＭＣＭ−２２等が例示される。さらに、リン酸を主成分とするＡＬＰＯ−５、ＶＰＩ−５等の６〜１３オングストロームのミクロ細孔からなる多孔質体、チャンネルからなるゼオライト担体、シリカを主成分とし一部アルミナを成分として含むメゾ細孔（１０〜１０００オングストローム）の筒状細孔（チャンネル）を有するＦＳＭ−１６やＭＣＭ−４１等のメゾ細孔多孔質担体なども例示される。また、前記アルミナシリケートの他に、シリカおよびチタニアからなるメタロシリケート等も挙げられる。

前記無機フィラーは粘土等の無機バインダーやガラス繊維等の補強用無機材料が挙げられ、触媒の全無機成分に対して１５〜２５重量％配合される。また、前記有機バインダーは水分と共に前記メタロシリケート及び無機フィラーとを混錬して成形できるものであれば既知のものでよい。

そして、上記材料を配合してからの成形にあたっては高圧成形法を採用している。炭化水素を改質するための触媒担体は数μｍから数百μｍの粒径の粒子を用いて流動床触媒の形態で使用することが通常である。かかる触媒は触媒担体を有機バインダー、無機バインダー及び水と混合してスラリー状としてスプレードライヤーで造粒成形した後に焼成するのが常套の手段である。この場合、成形圧力が小さいため、焼成強度を確保するために焼成助材として加える粘土の添加量は４０〜６０重量％程度必要になる。本発明の触媒の製造過程における成形工程では高圧成形法を採用することで、粘土等の無機バインダーの添加量を触媒において１５〜２５重量％までに低減、すなわち触媒におけるメタロシリケート成分を７５〜８５重量％までに高めることができ、スプレードライヤーで造粒成形して得た触媒よりも、実質的な触媒活性が高くなる。高圧成形法の具体的な手段として例えば真空押し出し成形機等がある。また、このときの押し出し圧力は７０〜１００ｋｇ／ｃｍ²の範囲で設定するとよい。尚、成形体の形状は、触媒の使用形態に応じて、粉末状または棒状の他、中空円柱状、ペレット状、ハニカム状、リング形状若しくはその他の形状に形成される。

得られた成形体は成形時に添加した水分を除去できる程度に適温一定時間乾燥させればよい。また、焼成は昇温及び降温速度ともに３０〜５０℃／時としている。このとき、２５０〜４５０℃の温度範囲の中に２〜５時間程度の温度キープを２回実施するとよい。昇温及び降温速度が前記速度以上であり、バインダーを除去するキープ時間を確保しない場合にはバインダーが瞬時に燃焼し、焼成体の強度が低下するためである。焼成温度は７２５〜８００℃の範囲とすればよい。７００℃以下では担体の強度低下、８００℃以上では特性の低下が起こるためである。

次に、前記得られた焼成体に金属成分を担持するにあたり、発明者らはモリブデンの担持方法の検討も行なっており、これに関する発明について特願２００２−２６０７０６にて出願している。この出願に係る発明ではモリブデンを含浸する場合にはモリブデン酸アンモニウム水溶液を使用しているが、前記白金族元素をモリブデンと共に担持する場合には含浸時にモリブデン酸アンモニウム水溶液にそれぞれ前記白金族元素の塩化物、硝酸塩及びアンモニウム塩等を用いるとよい。このとき、モリブデン担持量は例えば前記担体に対して６重量％とすればよい。また共に含浸させる白金族元素の金属成分はモル比で例えば前記白金族元素：モリブデン＝０．２：１の比率とするとよい。前記モリブデン担持量及び前記白金族成分とモリブデンとのモル比率はこれに限定されることなく適宜調整されるものとする。このように、メタロシリケートにモリブデンのみならず、白金族金属元素を第二成分として同時に担持することにより触媒による水素と芳香族化合物の生成速度の安定性が向上する。尚、焼成体に含浸されたモリブデン及び前記金属成分は一定の温度及び時間で酸化処理することで酸化物としてこの焼成体に担持される。

前記含浸処理された焼成体の酸化処理によって得た触媒前駆体を炭化処理するにあたっては、従来の炭化処理に基づくメタンガス及びアルゴンガスの雰囲気ではなく、還元性ガスを混合して３５０〜７５０℃の温度のもと２〜２４時間加熱処理している。還元性ガスとしては、メタンと水素とを含んだガス、水素ガスまたはアンモニアガス等が例示される。例示された還元ガスは適宜組み合わせて用いてもよい。さらには、前記従来の炭化処理法に供されるメタンガスとアルゴンガスとを組み合わせてもよい。

以上のようにして製造された触媒は前述のように加圧成形法が採用されているので有形物となっており主に固定床式の反応装置に充填される。そして、この反応装置に低級炭化水素を含んだガスを供して一定の温度、圧力、空間速度及び滞留時間のもとで前記触媒と接触反応させている。このとき、前記低級炭化水素を含んだガスには水素を添加することで、安定した生成速度での芳香族化合物と水素の製造を実現している。水素は前記供給ガスにおいて一定濃度例えば６％となるように注入される。尚、前記低級炭化水素としてはメタンの他、エタン、エチレン、プロパン、プロプレン、ｎ‐ブタン、イソブタン、ｎ−ブテン及びイソブテン等が例示される。

本発明を以下の実施例によりさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。

（比較例１）
比較例１では、低級炭化水素を含んだガスに水素を添加しないで、このガスを低級炭化水素直接改質触媒と反応させて低級炭化水素を転化している。前記低級炭化水素直接改質触媒は、モリブデンの他に白金族元素成分としてルテニウムを担持している。

１．低級炭化水素改質触媒の製造
触媒の主成分であるメタロシリケートにはアンモニウム型ＺＳＭ−５（ＳｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃＝２５〜６０）を採用し、これを他の無機成分と有機バインダーと共に混練して成形し乾燥さらに焼成し、その後、金属成分を含浸させてから酸化及び炭化処理に供して低級炭化水素直接改質触媒（以下、触媒と称する）得た。以下に比較例及び実施例に係る触媒の製造の各工程について説明する。

１）触媒構成成分の配合
触媒の構成成分とその配合比率（重量％）以下に示した。

無機成分：有機バインダー：水分＝６５．４：１３．６：２１．０
また、無機成分の構成成分とその配合比率（重量％）以下に示した。

ＺＳＭ−５：粘土：ガラス繊維＝８２．５：１０．５：７．０
２）成形無機成分と有機バインダーと水分とを前記比率で配合し、ニーダ等の混練手段によって混練した。次いで、この混合体を真空押し出し成型機によって棒状（径５ｍｍ）に成形した。このときの成形圧力は７０〜１００ｋｇ／ｃｍ²とした。そして、この押し出し成型で得られた径５ｍｍの棒状担体を長さ６ｍｍに切断して成形体を得た。

３）乾燥・焼成成形時に添加した水分を除去するために、前記成形体を１００℃のもとで約５時間乾燥させた後に焼成した。焼成温度は７２５〜８００℃の範囲とした。昇温及び降温速度はともに３０〜５０℃／時とした。尚、焼成の際、有機バインダーが瞬時に燃焼しないように、温度範囲２５０〜４５０℃のもとでの２〜５時間程度の温度キープを２回実施することでバインダー成分を除去した。

４）含浸前記得られた焼成体をルテニウム酸アンモニウムが添加されたモリブデン酸アンモニウム水溶液に浸して、この焼結体にモリブデン成分を含浸させた。モリブデン担持量は焼結体重量に対して６重量％、ルテニウム担持量はモル比でルテニウム：モリブデン＝０．２：１とした。

５）酸化処理前記焼結体に含浸させた金属塩を分解、酸化して酸化モリブデンにするために５５０℃のもと１０時間焼成して触媒前駆体を得た。

６）炭化処理１従来の触媒前駆体の炭化処理法に基づく。モリブデンのみを含浸させ酸化処理した触媒前駆体を空気雰囲気のもと５５０℃まで昇温し、この状態を１時間維持させた後、雰囲気を９ＣＨ₄＋Ａｒの反応ガスに切り替え、６５０℃まで昇温し、この状態を１時間維持した。その後、７５０℃まで昇温した。このようにしてモリブデンのみを担持した比較例１に係る触媒を得た。

２．低級炭化水素の転化
固定床流通式反応装置のインコネル８００Ｈ接ガス部カロライジング処理製反応管（内径１８ｍｍ）に評価対象の触媒を１４ｇ充填（ゼオライト率８２．５０％）した。そして、これにメタンを含んだ混合ガス（メタン＋１０％アルゴン）を供給して、反応空間速度３０００ｍｌ／ｇ−ＭＦＩ／ｈ（ＣＨ₄ｇａｓｆｌｏｗｂａｓｅ）、反応温度７５０℃、反応時間１０時間、反応圧力０．３ＭＰａの条件で、触媒と混合ガスとを反応させた。この際、水素と芳香族化合物（ベンゼン）が生成する速度を経時的に調べた。

（比較例２）
比較例２では、低級炭化水素を含んだガスに水素を添加しないで、このガスを低級炭化水素直接改質触媒と反応させて低級炭化水素を転化している。前記低級炭化水素直接改質触媒は、モリブデンの他に白金族元素成分としてロジウムを担持している。低級炭化水素の転化は比較例１と同じ方法で行なった。

尚、前記低級炭化水素直接改質触媒の製造にあたり含浸工程以外は、実施例１に係る触媒の製造工程と同じ方法で製造した。すなわち、含浸工程では、ロジウム酸アンモニウムが添加されたモリブデン酸アンモニウム水溶液に前記１）〜３）の工程で得られた焼成体を浸して、この焼結体にモリブデン成分と鉄成分を含浸させた。モリブデン担持量は焼結体重量に対して６重量％、コバルト担持量はモル比でロジウム：モリブデン＝０．２：１とした。そして、この含浸処理した焼成体を前述の炭化処理１に供してモリブデンとロジウムとを担持した比較例２に係る触媒を得た。
（実施例１）
実施例１では、低級炭化水素を含んだガスに水素を添加しながら、このガスを低級炭化水素直接改質触媒と反応させて低級炭化水素を転化している。前記低級炭化水素直接改質触媒は、モリブデンの他に白金族元素成分としてルテニウムを担持している。本実施例に係る触媒は、比較例１に係る触媒の製造工程と同じ方法で製造した。

本実施例における低級炭化水素の転化方法について説明する。

固定床流通式反応装置のインコネル８００Ｈ接ガス部カロライジング処理製反応管（内径１８ｍｍ）に評価対象の触媒を１４ｇ充填（ゼオライト率８２．５０％）した。そして、これにメタンと水素とを含んだ混合ガス（メタン＋１０％アルゴン＋６％水素）を供給して、反応空間速度３０００ｍｌ／ｇ−ＭＦＩ／ｈ（ＣＨ₄ｇａｓｆｌｏｗｂａｓｅ）、反応温度７５０℃、反応時間１０時間、反応圧力０．３ＭＰａの条件で、触媒と混合ガスとを反応させた。この際、水素と芳香族化合物（ベンゼン）が生成する速度を経時的に調べた。

（実施例２）
実施例２では、低級炭化水素を含んだガスに水素を添加しながら、このガスを低級炭化水素直接改質触媒と反応させて低級炭化水素を転化している。前記低級炭化水素直接改質触媒は、モリブデンの他に白金族元素成分としてルテニウムを担持している。本実施例に係る触媒は、以下の炭化処理２からなる工程以外は実施例１に係る触媒の製造工程と同じ方法で製造した。

炭化処理２モリブデンを含浸させ酸化処理した触媒前駆体をＣ₄Ｈ₁₀＋１１Ｈ₂混合ガスの雰囲気及び３５０℃のもと２４時間処理、その後５５０℃に昇温した段階で雰囲気を９ＣＨ₄＋Ａｒ反応ガスに切り替え、７５０℃まで昇温し、この状態を１０分間維持した。このようにしてモリブデンとルテニウムとを担持した実施例１に係る触媒を得た。

本実施例における低級炭化水素の転化は実施例１における転化方法と同じ方法で行なった。

（実施例３）
実施例３では、低級炭化水素を含んだガスに水素を添加しながら、このガスを低級炭化水素直接改質触媒と反応させて低級炭化水素を転化している。前記低級炭化水素直接改質触媒は、モリブデンの他に白金族元素成分としてロジウムを担持している。本実施例に係る触媒は、比較例１に係る触媒の製造工程と同じ方法で製造した。

（実施例４）
実施例３では、低級炭化水素を含んだガスに水素を添加しながら、このガスを低級炭化水素直接改質触媒と反応させて低級炭化水素を転化している。前記低級炭化水素直接改質触媒は、モリブデンの他に白金族元素成分としてロジウムを担持している。本実施例に係る触媒は、含浸工程が比較例２における含浸工程と、炭化処理工程が実施例２における炭化処理２と同じ方法であること以外は、比較例１に係る触媒の製造工程と同じ方法で製造した。

図１は、比較例１、比較例２、実施例１、実施例２、実施例３及び実施例４に係る触媒を用いた場合の２４時間の改質時間における水素の生成速度の経時的変化を示したものである。

図２は、比較例１、比較例２、実施例１、実施例２、実施例３及び実施例４に係る触媒を用いた場合の２４時間の改質時間におけるベンゼンの生成速度の経時的変化を示したものである。

図１及び図２に示された水素とベンゼンと生成速度の経時的変化から明らかなように、実施例１〜４に係る触媒を用いた場合、比較例１及び比較例２に係る触媒よりも、水素，ベンゼンの生成速度の安定性が向上していることが確認できる。

以上の実施例に基づき本発明の低級炭化水素直接改質触媒について詳細に説明したが、この実施例が本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

例えば、本実施例の触媒は主な担持金属としてモリブデンを採用されているが、既に低級炭化水素改質触媒としての効果が確認され、前記実施の形態で紹介した文献で紹介されている各種触媒金属のうちレニウムやタングステンさらにはこれら（モリブデンを含む）の化合物を単独または組み合わせて用いた場合においても、同様の作用効果が得られることが確認されている。

また、本実施例では含浸方法により触媒金属が担持された担持体の乾燥方法についてのみ示したが、イオン交換方法により触媒金属が担持された担持体に適用した場合や、昇華性の化合物を用いて担体に蒸着担持した場合においても、同様の作用効果が得られることが確認されている。

さらに、実施例に係る触媒は棒状に形成されたものであるが、中空円柱状、ハニカム形状、粉末状，ペレット状，リング形状の形成した場合においても、同様の作用効果が得られることが確認されている。

比較例１、比較例２、実施例１、実施例２、実施例３及び実施例４に係る触媒を用いた場合の２４時間の改質時間における水素の生成速度の経時的変化。比較例１、比較例２、実施例１、実施例２、実施例３及び実施例４に係る触媒を用いた場合の２４時間の改質時間におけるベンゼンの生成速度の経時的変化。

Claims

低級炭化水素を含んだガスをモリブデンと白金族系の金属成分を担持した低級炭化水素直接改質触媒と反応させて低級炭化水素を転化する低級炭化水素の転化方法であって、前記ガスを前記低級炭化水素直接改質触媒と反応させる際、前記ガス中に水素を添加することを特徴とする触媒を用いた低級炭化水素の転化方法。
前記白金族元素は、ルテニウムまたはロジウムであること
を特徴とする請求項１記載の触媒を用いた低級炭化水素の転化方法。
前記低級炭化水素直接改質触媒は、還元性ガス供給のもとモリブデンと白金族系の金属成分を担持したメタロシリケートを炭化処理することで生成したものであること
を特徴とする請求項１または２記載の触媒を用いた低級炭化水素の転化方法。
前記還元性ガスは、低級炭化水素と水素とを含んだガス、水素ガスまたはアンモニアガスであること
を特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の触媒を用いた低級炭化水素の転化方法。