JP2024144183A - Zeolite catalyst and method for producing synthesis gas - Google Patents
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- Low-Molecular Organic Synthesis Reactions Using Catalysts (AREA)
Abstract
【課題】メタンと酸素との反応において、メタンの完全酸化を抑制し、高選択的にメタンを部分酸化させる触媒を提供すること。【解決手段】構成元素としてケイ素(Si)とアルミニウム(Al)を含有し、周期律表8~10族の元素の含有量が0.1質量%未満である、軽質炭化水素の部分酸化に用いられるゼオライト系触媒である。【選択図】なしThe present invention provides a catalyst that suppresses complete oxidation of methane in the reaction between methane and oxygen and highly selectively partially oxidizes methane. The present invention provides a zeolite catalyst used for partial oxidation of light hydrocarbons, containing silicon (Si) and aluminum (Al) as constituent elements and with a content of elements from Groups 8 to 10 of the periodic table of less than 0.1 mass%. [Selected Figures] None
Description
本発明はゼオライト系触媒及び合成ガスの製造方法に関し、より詳細には、メタンを原料として、触媒を用いて一酸化炭素及び水素(合成ガス)を製造する方法に関する。 The present invention relates to a zeolite catalyst and a method for producing synthesis gas, and more specifically, to a method for producing carbon monoxide and hydrogen (synthesis gas) using a catalyst and methane as a raw material.
一酸化炭素(CO)及び水素(H2)の混合ガス(合成ガス)を製造する技術としてメタン(CH4)の改質はよく利用される技術である。メタンの改質反応の中でも、メタンの水蒸気改質(CH4+H2O→3H2+CO、ΔH0=+206kJ)は最もよく利用される技術であるが、この反応は大きな吸熱反応であり、プロセスにおける大きなエネルギー消費が問題となっている。
一方で、メタンの部分酸化(2CH4+O2→4H2+2CO、ΔH0=-36kJ)は発熱反応であるために、いったん反応が始まれば外部からエネルギーを供給する必要のない、エネルギー効率が高いプロセスとして注目を集めている。
Methane ( CH4 ) reforming is a commonly used technology for producing a mixed gas (synthetic gas) of carbon monoxide (CO) and hydrogen ( H2 ). Among the methane reforming reactions, steam reforming of methane ( CH4 + H2O → 3H2 + CO, ΔH0 = + 206 kJ) is the most commonly used technology, but this reaction is a large endothermic reaction, and the large energy consumption in the process is a problem.
On the other hand, the partial oxidation of methane (2CH 4 +O 2 →4H 2 +2CO, ΔH 0 =-36 kJ) is an exothermic reaction, and therefore, once the reaction starts, it does not require an external energy supply, and is therefore attracting attention as a highly energy-efficient process.
このようなメタンの部分酸化には、従来から活性点としてCo、Ni、Ru、Rh、Pd、Ptといった遷移金属を含む触媒材料が用いられてきた。例えば特許文献1には、コバルトおよびロジウム担持ゼオライトを含む、軽質炭化水素の部分酸化触媒が開示される。また、特許文献2には、ゼオライトに、周期表第8族~11族の遷移金属から選択される少なくとも1種の元素、周期表第1族~3族の金属から選択される少なくとも1種の元素と、を担持した、軽質炭化水素の部分酸化触媒が開示される。 For such partial oxidation of methane, catalytic materials containing transition metals such as Co, Ni, Ru, Rh, Pd, and Pt as active sites have traditionally been used. For example, Patent Document 1 discloses a partial oxidation catalyst for light hydrocarbons that contains cobalt and rhodium-supported zeolite. Patent Document 2 discloses a partial oxidation catalyst for light hydrocarbons in which zeolite supports at least one element selected from the transition metals of Groups 8 to 11 of the periodic table and at least one element selected from the metals of Groups 1 to 3 of the periodic table.
特許文献1及び2に開示される触媒材料を用いたときには、メタンの部分酸化と同時にメタンの一部が完全酸化(CH4+2O2→2H2O+CO2、ΔH0=-803kJ)を起こしやすい。完全酸化の発熱量は部分酸化時の発熱量に対して、非常に大きいものであるため、反応が起こり始めるとすぐに触媒床が急激に加熱され、ホットスポットが形成される。このような、ホットスポットの形成により、一酸化炭素の収率が低下するのみならず、ホットスポットでの活性金属種の凝集が生じる。ホットスポットが形成された場合に、いったん反応を停止し部分酸化反応を再開させたとしても、再び完全酸化反応が起こりやすく、また金属の凝集により、触媒劣化の原因ともなる。したがって、メタンの完全酸化を抑制し、酸素との反応によって高選択的にメタンを部分酸化する触媒の開発が求められている。 When the catalyst materials disclosed in Patent Documents 1 and 2 are used, a part of methane is likely to be completely oxidized (CH 4 +2O 2 →2H 2 O+CO 2 , ΔH 0 =−803 kJ) simultaneously with the partial oxidation of methane. Since the heat generated by the complete oxidation is much larger than that generated during partial oxidation, the catalyst bed is rapidly heated as soon as the reaction starts, forming a hot spot. The formation of such a hot spot not only reduces the yield of carbon monoxide, but also causes aggregation of active metal species at the hot spot. When a hot spot is formed, even if the reaction is stopped and the partial oxidation reaction is resumed, the complete oxidation reaction is likely to occur again, and the aggregation of metals may also cause catalyst deterioration. Therefore, there is a demand for the development of a catalyst that suppresses the complete oxidation of methane and partially oxidizes methane highly selectively by reaction with oxygen.
本発明は、上記課題を解決するものであり、メタンと酸素との反応において、メタンの完全酸化を抑制し、高選択的にメタンを部分酸化させる触媒を提供することを課題とするものである。 The present invention aims to solve the above problems by providing a catalyst that suppresses the complete oxidation of methane in the reaction between methane and oxygen and partially oxidizes methane with high selectivity.
本発明者らは上記課題を解決すべく検討を進め、ゼオライト表面の酸性質を利用してメタンを活性化することで、メタンが一酸化炭素と水素へと転換すること、すなわち、ゼオライトがメタンの部分酸化において、高い選択率でメタンから一酸化炭素へと転換できることを見出した。
本発明はかかる知見に基づいて完成したものである。
The present inventors have conducted studies aimed at solving the above problems, and have found that by activating methane by utilizing the acidic properties of the zeolite surface, the methane can be converted into carbon monoxide and hydrogen, that is, that zeolite can convert methane to carbon monoxide with high selectivity in the partial oxidation of methane.
The present invention was completed based on these findings.
本発明は、以下の要旨を含む。
[1]構成元素としてケイ素(Si)とアルミニウム(Al)を含有し、周期律表8~10族の元素の含有量が0.1質量%未満である、軽質炭化水素の部分酸化に用いられるゼオライト系触媒。
[2]前記ゼオライト系触媒に含まれるアルミニウムに対するケイ素のモル比率(Si/Al)が1以上100以下である、上記[1]に記載のゼオライト系触媒。
[3]前記ゼオライト系触媒が、International Zeolite Association(IZA)で規定されるコードで、AEI、CHA、MFI、及びBEAからなる群から選ばれる少なくとも1種の結晶構造を含む、上記[1]又は[2]に記載のゼオライト系触媒。
[4]前記軽質炭化水素が炭素数6以下の炭化水素である、上記[1]~[3]のいずれかに記載のゼオライト系触媒。
[5]前記軽質炭化水素がメタン又はメタンを主成分とする、上記[1]~[4]のいずれかに記載のゼオライト系触媒。
[6]構成元素としてケイ素(Si)とアルミニウム(Al)を含有し、周期律表8~10族の元素の含有量が0.1質量%未満であるゼオライト系触媒を触媒とし、650℃以上の反応温度でメタンの部分酸化反応によって合成ガスを製造する方法。
[7]前記メタンの部分酸化反応の生成物である合成ガスが、一酸化炭素、水素、エタン、エチレン、二酸化炭素、及び水を含み、メタンに対する二酸化炭素の選択率が30モル%以下である、上記[6]に記載の合成ガスを製造する方法。
[8]前記メタンの部分酸化反応は、酸素に対するメタンのモル比(メタン/酸素)を1以上とする、上記[6]又は[7]に記載の合成ガスを製造する方法。
[9]前記メタンの部分酸化反応は1000℃以下で行う、上記[6]~[8]のいずれかに記載の合成ガスを製造する方法。
[10]前記ゼオライト系触媒に含まれるアルミニウムに対するケイ素のモル比率(Si/Al)が1以上100以下である、上記[6]~[9]のいずれかに記載の合成ガスを製造する方法。
[11]前記ゼオライト系触媒におけるゼオライトは、International Zeolite Association(IZA)で規定されるコードで、AEI、CHA、MFI、及びBEAからなる群から選ばれる少なくとも1種の結晶構造を含む、上記[6]~[10]のいずれかに記載の合成ガスを製造する方法。
The present invention includes the following gist.
[1] A zeolite catalyst used for partial oxidation of light hydrocarbons, containing silicon (Si) and aluminum (Al) as constituent elements and having a content of elements of Groups 8 to 10 of the Periodic Table of less than 0.1 mass%.
[2] The zeolite catalyst according to the above [1], wherein the molar ratio of silicon to aluminum (Si/Al) contained in the zeolite catalyst is 1 or more and 100 or less.
[3] The zeolite catalyst according to the above [1] or [2], which includes at least one crystal structure selected from the group consisting of AEI, CHA, MFI, and BEA, as defined by the International Zeolite Association (IZA) code.
[4] The zeolite catalyst according to any one of the above [1] to [3], wherein the light hydrocarbons are hydrocarbons having 6 or less carbon atoms.
[5] The zeolite catalyst according to any one of the above [1] to [4], wherein the light hydrocarbon is methane or contains methane as a main component.
[6] A method for producing synthesis gas by a partial oxidation reaction of methane at a reaction temperature of 650°C or higher using a zeolite-based catalyst containing silicon (Si) and aluminum (Al) as constituent elements and having a content of elements from Groups 8 to 10 of the Periodic Table of less than 0.1 mass%.
[7] The method for producing a synthesis gas according to the above [6], wherein a synthesis gas that is a product of the partial oxidation reaction of methane contains carbon monoxide, hydrogen, ethane, ethylene, carbon dioxide, and water, and the selectivity of carbon dioxide relative to methane is 30 mol % or less.
[8] The method for producing a synthesis gas according to the above [6] or [7], wherein the partial oxidation reaction of methane is performed in a molar ratio of methane to oxygen (methane/oxygen) of 1 or more.
[9] The method for producing a synthesis gas according to any one of the above [6] to [8], wherein the partial oxidation reaction of methane is carried out at 1000° C. or less.
[10] The method for producing a synthesis gas according to any one of [6] to [9] above, wherein a molar ratio of silicon to aluminum (Si/Al) contained in the zeolite catalyst is 1 or more and 100 or less.
[11] The method for producing a synthesis gas according to any one of [6] to [10] above, wherein the zeolite in the zeolite-based catalyst has at least one crystal structure selected from the group consisting of AEI, CHA, MFI, and BEA, as defined by the International Zeolite Association (IZA) code.
本発明によれば、メタンと酸素との反応において、メタンの完全酸化を抑制し、高選択的にメタンを部分酸化させる触媒を提供することができる。 The present invention provides a catalyst that suppresses complete oxidation of methane in the reaction of methane with oxygen and partially oxidizes methane with high selectivity.
以下、本発明について詳細に説明するが、以下に記載する構成要件の説明は、本発明の実施形態の一例(代表例)であり、本発明はこれらの内容に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。 The present invention will be described in detail below. However, the following description of the components is an example (representative example) of an embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to these contents, and can be practiced in various modifications within the scope of the gist.
[ゼオライト系触媒]
本発明のゼオライト系触媒は、構成元素としてケイ素(Si)とアルミニウム(Al)を含有し、周期律表8~10族の元素の含有量が0.1質量%未満である、軽質炭化水素の部分酸化に用いられる触媒である。
ここで、軽質炭化水素としては、炭素数6以下の炭化水素であることが好ましい。炭素数6以下の炭化水素であると、本発明のゼオライト系触媒が、部分酸化触媒として有効に機能する。特に、炭素数6以下の炭化水素としては、メタン又はメタンを主成分とすることが特に好ましい。
[Zeolite-based catalyst]
The zeolite catalyst of the present invention is a catalyst used for partial oxidation of light hydrocarbons, which contains silicon (Si) and aluminum (Al) as constituent elements and has a content of elements of Groups 8 to 10 of the periodic table of less than 0.1 mass%.
Here, the light hydrocarbon is preferably a hydrocarbon having a carbon number of 6 or less. When the light hydrocarbon is a hydrocarbon having a carbon number of 6 or less, the zeolite catalyst of the present invention effectively functions as a partial oxidation catalyst. In particular, the light hydrocarbon having a carbon number of 6 or less is preferably methane or a hydrocarbon containing methane as a main component.
<ゼオライト>
本発明の触媒として用いるゼオライトは、構成元素としてケイ素(Si)とアルミニウム(Al)を含有する。構成元素としては、Si、Alの他に、例えばホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、鉄(Fe)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、ジルコニウム(Zr)、錫(Sn)から選ばれる1種または2種以上を含んでいてもよい。なお、ゼオライト骨格を形成するAl等は酸点となり、触媒活性の反応点として作用する。
これらのゼオライトのアルミニウムに対するケイ素のモル比率(以下、「Si/Al比」という。)は、本発明の効果を奏する範囲であれば、特に制限はないが、1以上100以下であることが好ましい。
Si/Al比が100以下であると、酸量が適度となり、メタンの部分酸化反応を促進することができる。以上の観点から、Si/Al比は80以下であることがさらに好ましい。一方、Si/Al比が1以上であると、メタンの部分酸化反応における脱アルミを抑制し、活性を高く維持することができる。以上の観点から、Si/Al比は3以上であることが好ましく、8以上であることがさらに好ましい。
なお、本発明の方法により製造されるゼオライトのSi、Al等の含有量は、通常、誘導結合プラズマ発光分光分析(ICP-AES)等により、測定することができる。本発明における「Si/Al比」とは、製造されたゼオライトについてICP-AESを用いて測定した値から算出された値であり、原料の仕込み量から算出したAlに対するSiの比率ではない。
Si/Al比は、ゼオライトを製造する際の仕込みのSiO2/Al2O3の比によって制御することができ、また製造条件によっても制御することができる。さらには、ゼオライトを製造した後に、スチーミング処理等により、Al等を脱離させてSi/Al比を制御することもできる。
<Zeolite>
The zeolite used as the catalyst of the present invention contains silicon (Si) and aluminum (Al) as constituent elements. In addition to Si and Al, the constituent elements may contain one or more elements selected from boron (B), titanium (Ti), vanadium (V), iron (Fe), zinc (Zn), gallium (Ga), germanium (Ge), zirconium (Zr), and tin (Sn). The Al and other elements forming the zeolite framework become acid sites and act as reaction sites for catalytic activity.
The molar ratio of silicon to aluminum (hereinafter referred to as "Si/Al ratio") of these zeolites is not particularly limited as long as it is within a range in which the effects of the present invention can be achieved, but is preferably 1 or more and 100 or less.
When the Si/Al ratio is 100 or less, the amount of acid becomes appropriate, and the partial oxidation reaction of methane can be promoted. From the above viewpoints, it is more preferable that the Si/Al ratio is 80 or less. On the other hand, when the Si/Al ratio is 1 or more, dealumination in the partial oxidation reaction of methane can be suppressed, and high activity can be maintained. From the above viewpoints, it is preferable that the Si/Al ratio is 3 or more, and more preferably 8 or more.
The contents of Si, Al, etc. in the zeolite produced by the method of the present invention can usually be measured by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-AES), etc. The "Si/Al ratio" in the present invention is a value calculated from the value measured by ICP-AES for the produced zeolite, and is not the ratio of Si to Al calculated from the amount of the raw material charged.
The Si / Al ratio can be controlled by the SiO2 / Al2O3 ratio of the feed when producing the zeolite, and can also be controlled by the production conditions. Furthermore, after the production of the zeolite, the Si/Al ratio can also be controlled by desorbing Al and the like by a steaming treatment or the like.
本発明に係るゼオライトの結晶構造については、本発明の効果を奏するものであれば、特に制限はなく、International Zeolite Association(IZA)が定めるコードで、AEI、AEL、AFI、AFX、APC、ATO、BEA、BRE、CDO、CHA、CON、DDR、EAB、EPI、ERI、ESV、EUO、FAU、FER、GIS、GME、HEU、ITH、KFI、LEV、LTA、LTL、MER、MEL、MFI、MON、MOR、MSE、MTF、MTT、MTW、MWW、NES、OFF、PAU、PHI、RHO、RTE、RTH、SOD、STI、STT、SZR、TON、TSC、TUN、UFI、VNI、WEI、YUGなどが挙げられる。中でも、AEI、CHA、MFI、及びBEAから選択される1種以上を含むことが好ましい。これらのゼオライトは、メタン部分酸化反応中でルイス酸性を発現しうるAl種が生成し、メタンの部分酸化反応の反応場として好適である。したがって、MOR、FAUと比較して、より好ましい活性を示す。
上記ゼオライトは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
なお、ルイス酸Al種の形成はCO分子をプローブとした吸着IRによって確認することができる。
The crystal structure of the zeolite according to the present invention is not particularly limited as long as it exhibits the effects of the present invention. The codes are defined by the International Nuclear Safety Association (IZA), and include AEI, AEL, AFI, AFX, APC, ATO, BEA, BRE, CDO, CHA, CON, DDR, EAB, EPI, ERI, ESV, EUO, FAU, FER, GIS, GME, HEU, ITH, KFI, LEV, LTA, LTL, MER, MEL, MFI, MON, MOR, MSE, MTF, MTT, MTW, MWW, NES, OFF, PAU, PHI, RHO, RTE, RTH, SOD, STI, STT, SZR, TON, TSC, TUN, UFI, VNI, WEI, and YUG. Among them, it is preferable to use one or more selected from AEI, CHA, MFI, and BEA. These zeolites generate Al species that can exhibit Lewis acidity during the partial oxidation of methane, and are suitable as reaction fields for the partial oxidation of methane. Therefore, they show more favorable activity than MOR and FAU.
The above zeolites may be used alone or in combination of two or more kinds.
The formation of Lewis acid Al species can be confirmed by adsorption IR using CO molecules as a probe.
ゼオライトの細孔径は、特に限定されないが、0.3nm以上が好ましく、0.35nm以上がより好ましい。また0.9nm以下が好ましく、0.8nm以下がより好ましく、0.6nm以下がさらに好ましい。なお、ここで言う細孔径とは、International Zeolite Association(IZA)が定める結晶学的なチャネル直径を示す。ゼオライトの細孔径が上記範囲であると、原料であるメタン及び酸素がゼオライト細孔内に入りやすく、細孔内の活性点で反応が進みやすい。また、生成物の脱離が容易であり、細孔内で過度に反応が進むことによるコーキング等の問題もない。 The pore size of the zeolite is not particularly limited, but is preferably 0.3 nm or more, more preferably 0.35 nm or more. It is also preferably 0.9 nm or less, more preferably 0.8 nm or less, and even more preferably 0.6 nm or less. The pore size referred to here indicates the crystallographic channel diameter defined by the International Zeolite Association (IZA). When the pore size of the zeolite is within the above range, the raw materials methane and oxygen easily enter the zeolite pores, and the reaction easily proceeds at the active sites in the pores. In addition, the product is easily desorbed, and there is no problem such as caulking caused by excessive reaction in the pores.
ゼオライトのイオン交換サイトは、特に限定されず、H型であっても、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン等で交換されたものであってもよいが、H型が好ましい。 The ion exchange sites of the zeolite are not particularly limited and may be H-type or may be exchanged with alkali metal ions, alkaline earth metal ions, etc., but H-type is preferred.
また、ゼオライトのBET比表面積は、本発明の効果を奏する範囲で特に限定されないが、例えば、200m2/g以上であることが好ましい。ゼオライトのBET比表面積が200m2/g以上であると、原料であるメタンの吸着サイトが十分確保され、反応効率を向上させることができる。以上の観点から、ゼオライトのBET比表面積は、250m2/g以上であることがより好ましく、300m2/g以上であることがさらに好ましい。一方、ゼオライトのBET比表面積は、2000m2/g以下であることが好ましい。ゼオライトのBET比表面積が2000m2/g以下であると、ゼオライトの合成が容易になる。以上の観点からゼオライトのBET比表面積は1500m2/g以下であることがより好ましく、1000m2/g以下であることがさらに好ましい。なお、BET比表面積は、窒素吸着法により測定することができる。 In addition, the BET specific surface area of the zeolite is not particularly limited within the range in which the effects of the present invention are exhibited, but is preferably, for example, 200 m 2 /g or more. When the BET specific surface area of the zeolite is 200 m 2 /g or more, the adsorption sites of the raw material methane are sufficiently secured, and the reaction efficiency can be improved. From the above viewpoints, the BET specific surface area of the zeolite is more preferably 250 m 2 /g or more, and even more preferably 300 m 2 /g or more. On the other hand, the BET specific surface area of the zeolite is preferably 2000 m 2 /g or less. When the BET specific surface area of the zeolite is 2000 m 2 /g or less, the synthesis of the zeolite becomes easy. From the above viewpoints, the BET specific surface area of the zeolite is more preferably 1500 m 2 /g or less, and even more preferably 1000 m 2 /g or less. The BET specific surface area can be measured by a nitrogen adsorption method.
また、本発明に係るゼオライトの細孔容積は、本発明の効果を奏する範囲で特に限定されないが、0.1mL/g以上であることが好ましい。ゼオライトの細孔容積が0.1mL/g以上であると、原料であるメタンの吸着サイトが十分確保され、反応効率を向上させることができる。以上の観点から、ゼオライトの細孔容積は0.2mL/g以上であることがより好ましく、0.3mL/g以上であることがさらに好ましい。
一方、ゼオライトの細孔容積は、3mL/g以下であることが好ましく、さらに好ましくは2mL/g以下である。
なお、ゼオライトの平均細孔径は前記IZAが公開している各結晶構造の細孔径の値を使用すればよく、細孔容積は、窒素吸着法により測定することができる。
In addition, the pore volume of the zeolite according to the present invention is not particularly limited as long as the effects of the present invention are achieved, but is preferably 0.1 mL/g or more. When the pore volume of the zeolite is 0.1 mL/g or more, sufficient adsorption sites for the raw material methane are secured, and the reaction efficiency can be improved. From the above viewpoints, the pore volume of the zeolite is more preferably 0.2 mL/g or more, and even more preferably 0.3 mL/g or more.
On the other hand, the pore volume of the zeolite is preferably 3 mL/g or less, and more preferably 2 mL/g or less.
The average pore size of the zeolite may be the value of the pore size of each crystal structure published by the IZA, and the pore volume can be measured by a nitrogen adsorption method.
本発明に係るゼオライトの平均一次粒子径は、本発明の効果を奏する範囲で特に限定されないが、10μm以下であることが好ましい。ゼオライトの平均一次粒子径が10μm以下であると、反応基質と反応生成物の拡散の点で有利である。以上の観点から、ゼオライトの平均一次粒子径は、3μm以下であることがより好ましく、700nm以下であることがさらに好ましい。
一方、下限値については、本発明の効果を奏する範囲であれば、特に制限はなく、通常20nm以上であり、好ましくは40nm以上である。
The average primary particle size of the zeolite according to the present invention is not particularly limited as long as the effects of the present invention are achieved, but is preferably 10 μm or less. If the average primary particle size of the zeolite is 10 μm or less, it is advantageous in terms of the diffusion of the reaction substrate and the reaction product. From the above viewpoints, the average primary particle size of the zeolite is more preferably 3 μm or less, and even more preferably 700 nm or less.
On the other hand, the lower limit is not particularly limited as long as it is within a range in which the effects of the present invention can be obtained, and is usually 20 nm or more, preferably 40 nm or more.
なお、「平均一次粒子径」は、いずれも走査型電子顕微鏡(SEM)により算出することができる。
ここで、「一次粒子」とは、粒界が確認されない最小の粒子のことをいう。本発明では、ゼオライト触媒のSEM画像を取得し、当該SEM画像に含まれるゼオライトに相当する部分であって、粒界が確認されない最小粒子を「一次粒子」として判断する。なお、本発明においては、一次粒子は単体の粒子として存在していなくてもよく、凝集等により二次粒子を形成していてもよい。二次粒子を形成していたとしても、SEM画像において二次粒子の表面の一次粒子を判別可能である。
「平均一次粒子径」とは以下のようにして測定されたものをいう。すなわち、ゼオライト触媒のSEM画像に含まれる一次粒子を無作為に50個選択し、選択した50個の一次粒子それぞれについて長径(一次粒子の一端と多端とを直線で結んだ場合に最長となる直線の長さ)を測定し、測定した50個の長径の相加平均値を「平均一次粒子径」とする。
ただし、ゼオライト触媒全体において一次粒子が50個未満しか含まれていない場合は、ゼオライト触媒に含まれるすべての一次粒子について、それぞれの長径を測定し、その平均値を「平均一次粒子径」とする。
The "average primary particle size" can be calculated using a scanning electron microscope (SEM).
Here, "primary particles" refer to the smallest particles for which no grain boundaries are observed. In the present invention, an SEM image of the zeolite catalyst is obtained, and the smallest particles that correspond to the zeolite contained in the SEM image and for which no grain boundaries are observed are determined to be "primary particles." In the present invention, the primary particles do not have to exist as single particles, and may form secondary particles by aggregation or the like. Even if secondary particles are formed, the primary particles on the surfaces of the secondary particles can be identified in the SEM image.
The "average primary particle size" refers to a measurement as follows: 50 primary particles included in a SEM image of a zeolite catalyst are randomly selected, and the major axis (the length of the longest straight line when connecting one end of a primary particle with the other end of a straight line) of each of the selected 50 primary particles is measured, and the arithmetic mean of the major axes of the 50 particles is defined as the "average primary particle size."
However, when the entire zeolite catalyst contains less than 50 primary particles, the major axis of each of all primary particles contained in the zeolite catalyst is measured, and the average value thereof is regarded as the "average primary particle diameter."
平均一次粒子径を特定の範囲とすることは、例えば、種結晶として粒子径の小さいゼオライトを用いることや、ゼオライトの製造工程において、ゼオライトの合成原料ゲルに界面活性剤を添加することなどにより、達成できる。 The average primary particle size can be set within a specific range, for example, by using zeolite with a small particle size as seed crystals, or by adding a surfactant to the zeolite synthesis raw material gel during the zeolite manufacturing process.
本発明に係るゼオライトは、周期律表8~10族の元素の含有量が0.1質量%未満である。周期律表8~10族の元素の含有量が0.1質量%未満であることにより、メタンの完全酸化反応が引き起こされない。したがって、一酸化炭素の収率が低下することがなく、ホットスポットの形成が抑制されるため、好ましい。 The zeolite according to the present invention has a content of elements from Groups 8 to 10 of the periodic table of less than 0.1% by mass. When the content of elements from Groups 8 to 10 of the periodic table is less than 0.1% by mass, the complete oxidation reaction of methane is not triggered. Therefore, the carbon monoxide yield is not reduced and the formation of hot spots is suppressed, which is preferable.
<ゼオライトの製造方法>
本発明のゼオライトの製造方法は、原料組成物を水熱合成する工程を有する。
より具体的には、シリカ源、アルミニウム源及びアルカリ金属を含む原料ゲルを調製する工程、該原料ゲルを10~240℃で水熱合成する工程を有する。
<Method of manufacturing zeolite>
The method for producing a zeolite of the present invention includes a step of hydrothermally synthesizing a raw material composition.
More specifically, the method includes a step of preparing a raw material gel containing a silica source, an aluminum source, and an alkali metal, and a step of hydrothermally synthesizing the raw material gel at 10 to 240°C.
(原料ゲルの調製)
原料ゲルは、シリカ源、アルミニウム源、アルカリ金属を含む化合物を用いて調製する。原料ゲルの調製には、本発明の効果を大幅に阻害しない限り、更にアルカリ土類金属を含む化合物、有機構造規定材、種晶などのこれら以外の成分を用いてもよい。
(Preparation of raw gel)
The raw gel is prepared using a silica source, an aluminum source, and a compound containing an alkali metal. In preparing the raw gel, other components such as a compound containing an alkaline earth metal, an organic structure directing material, and a seed crystal may be further used as long as they do not significantly impair the effects of the present invention.
<<原料等>>
シリカ源は、ゼオライトを構成するケイ素原子になる原料化合物のことを言う。シリカ源としては、ヒュームドシリカ、シリカゾル、コロイダルシリカ、水ガラス、ケイ酸エチル、ケイ酸メチルなどが挙げられ、これらの1種又は2種以上が用いられる。これらのうち、ヒュームドシリカおよびコロイダルシリカが取扱い易く反応性が高いので好ましい。
<<Raw materials, etc.>>
The silica source refers to a raw material compound that becomes silicon atoms that constitute zeolite. Examples of the silica source include fumed silica, silica sol, colloidal silica, water glass, ethyl silicate, methyl silicate, etc., and one or more of these are used. Among these, fumed silica and colloidal silica are preferred because they are easy to handle and highly reactive.
アルミニウム源は、ゼオライトを構成するアルミニウム原子になる原料化合物のことを言う。アルミニウム源は、通常、擬ベーマイト、ギブサイト、アルミニウムイソプロポキシド、アルミニウムトリエトキシド等のアルミニウムアルコキシド;水酸化アルミニウム;アルミナゾルおよびアルミン酸ナトリウムなどが挙げられ、これらの1種又は2種以上が用いられる。これらのうち、水酸化アルミニウム、アルミニウムイソプロポキシド、及び擬ベーマイトが取り扱い易く反応性が高い点で好ましい。 The aluminum source refers to a raw material compound that becomes the aluminum atoms that constitute the zeolite. The aluminum source typically includes aluminum alkoxides such as pseudoboehmite, gibbsite, aluminum isopropoxide, and aluminum triethoxide; aluminum hydroxide; alumina sol, and sodium aluminate, and one or more of these are used. Of these, aluminum hydroxide, aluminum isopropoxide, and pseudoboehmite are preferred because they are easy to handle and highly reactive.
アルカリ金属を含む化合物は、NaOH、KOHなどのアルカリ金属の水酸化物などを用いることができる。アルカリ金属の種類は特に限定されず、通常Na、K、Li、Rbが挙げられ、好ましくはNaおよびKである。また、アルカリ金属を含む化合物は2種類以上を併用してもよい。
また、アルカリ土類金属を含む化合物を用いてもよい。アルカリ土類金属を含む化合物としては、Ca(OH)2などを用いることができる。アルカリ土類金属の種類は特に限定されず、通常Ca、Mg、Sr、Baが挙げられる。また、アルカリ土類金属を含む化合物は2種類以上を併用してもよい。
The compound containing an alkali metal may be a hydroxide of an alkali metal such as NaOH or KOH. The type of alkali metal is not particularly limited, and typically includes Na, K, Li, and Rb, and preferably Na and K. Two or more types of compounds containing an alkali metal may be used in combination.
In addition, a compound containing an alkaline earth metal may be used. As the compound containing an alkaline earth metal, Ca(OH) 2 or the like may be used. The type of alkaline earth metal is not particularly limited, and typically includes Ca, Mg, Sr, and Ba. In addition, two or more types of compounds containing an alkaline earth metal may be used in combination.
ゼオライトの合成に用いられる有機構造規定材としては、通常、アミン類、4級アンモニウム塩類などが用いられる。例えば、CHA型のアルミノシリケートを合成する場合には、米国特許第4544538号明細書、米国特許公開第2008/0075656号明細書に記載の有機テンプレートが好ましいものとして挙げられる。なお、得られるゼオライトの組成によっては、有機構造規定材は必ずしも必要ではない。 As organic structure-directing materials used in the synthesis of zeolites, amines, quaternary ammonium salts, etc. are usually used. For example, when synthesizing CHA-type aluminosilicates, the organic templates described in U.S. Pat. No. 4,544,538 and U.S. Patent Publication No. 2008/0075656 are preferred. However, depending on the composition of the resulting zeolite, an organic structure-directing material is not necessarily required.
原料ゲルの調製には、種晶を用いてもよい。種晶としては、通常ゼオライトを用いる。
種晶は、製造されるゼオライトがアルミノシリケートであれば、同じくアルミノシリケートのゼオライトが好ましく、CBUとしてd6rが含まれるアルミノシリケートのゼオライトがより好ましい。種晶には、その一部としてアモルファス成分を含んでいてもよい。
また、種晶として用いるゼオライトは、有機構造規定材を含むものでもよいし、含まないものでもよい。種晶となるゼオライトの製造方法は、特に限定されず、本発明のゼオライトの製造方法により製造されたものであってもよく、他の方法、例えばオートクレーブ等を用いて一般的なバッチ方式で製造されたものであってもよい。種晶の量としては、種晶として結晶化を促す効果が発現しやすい点では多いことが好ましい。また、一方で、種晶の溶解がしやすく、種晶として機能しやすい点では少ないことが好ましい。そこで、原料組成物に含まれるシリカ源に対して0.1質量%以上であることが好ましく、0.5質量%以上がより好ましく、1.0質量%以上が更に好ましく、2質量%以上が特に好ましい。また、一方で、30質量%以下が好ましく、20質量%以下がより好ましく、15質量%以下が更に好ましく、10質量%以下が特に好ましい。
The raw gel may be prepared using seed crystals, and zeolite is usually used as the seed crystals.
If the zeolite to be produced is an aluminosilicate, the seed crystals are preferably aluminosilicate zeolite, more preferably aluminosilicate zeolite containing d6r as CBU. The seed crystals may contain an amorphous component as a part thereof.
The zeolite used as the seed crystals may or may not contain an organic structure-directing material. The method for producing the zeolite to be used as the seed crystals is not particularly limited, and the zeolite may be produced by the zeolite production method of the present invention, or may be produced by another method, for example, a general batch method using an autoclave or the like. The amount of the seed crystals is preferably large in terms of the effect of promoting crystallization as the seed crystals being easily exhibited. On the other hand, it is preferable that the amount of the seed crystals is small in terms of the ease of dissolving the seed crystals and the ease of functioning as the seed crystals. Therefore, the amount of the seed crystals is preferably 0.1% by mass or more, more preferably 0.5% by mass or more, even more preferably 1.0% by mass or more, and particularly preferably 2% by mass or more, relative to the silica source contained in the raw material composition. On the other hand, it is preferably 30% by mass or less, more preferably 20% by mass or less, even more preferably 15% by mass or less, and particularly preferably 10% by mass or less.
(原料ゲルの水熱合成)
本発明のゼオライトは、上述の原料ゲルを水熱合成することにより製造することができる。原料ゲルの水熱合成温度は、通常、10℃以上、好ましくは50℃以上、更に好ましくは70℃以上である。反応が進行しやすい点では高温とすることが好ましい。また、水熱合成の温度の上限は特に制限はなく、通常240℃以下、好ましくは220℃以下、更に好ましくは200℃以下である。
(Hydrothermal synthesis of raw material gel)
The zeolite of the present invention can be produced by hydrothermal synthesis of the raw material gel described above. The temperature of the hydrothermal synthesis of the raw material gel is usually 10° C. or higher, preferably 50° C. or higher, and more preferably 70° C. or higher. A high temperature is preferable in terms of facilitating the reaction. There is no particular upper limit to the temperature of the hydrothermal synthesis, and it is usually 240° C. or lower, preferably 220° C. or lower, and more preferably 200° C. or lower.
<<カチオン交換>>
本発明のゼオライトの製造方法は、更に、上述の水熱合成により得られるゼオライトのカチオン型を交換する工程を有していてもよい。
水熱合成により得られるゼオライトは、必要に応じて、得られたゼオライトを、所望のカチオン型へカチオン交換することができる。カチオン交換は、以下に限定されないが、例えば、NH4NO3、LiNO3、NaNO3、KNO3、RbNO3、CsNO3、Be(NO3)2、Ca(NO3)2、Mg(NO3)2、Sr(NO3)2、Ba(NO3)2などの硝酸塩、或いはこれらの硝酸塩に含まれる硝酸イオンに代えて、ハロゲン化物イオン、硫酸イオン、炭酸イオン、炭酸水素イオン、酢酸イオン、リン酸イオン、リン酸水素イオンとした塩、および硝酸や塩酸などの酸を用いて行うことができる。カチオン交換の温度は、一般的なカチオン交換の温度であれば特に限定されないが、通常、10℃以上、100℃以下である。また、アンモニウム型ゼオライトは、該ゼオライトを焼成することによりプロトン型ゼオライトに変換することもできる。
<<Cation exchange>>
The method for producing a zeolite of the present invention may further include a step of exchanging the cation type of the zeolite obtained by the above-mentioned hydrothermal synthesis.
Zeolite obtained by hydrothermal synthesis can be cation-exchanged to a desired cation type as necessary. Cation exchange can be performed using, but is not limited to, nitrates such as NH 4 NO 3 , LiNO 3 , NaNO 3 , KNO 3 , RbNO 3 , CsNO 3 , Be(NO 3 ) 2 , Ca(NO 3 ) 2 , Mg(NO 3 ) 2 , Sr(NO 3 ) 2 , Ba(NO 3 ) 2 , or salts of halide ions, sulfate ions, carbonate ions, hydrogen carbonate ions, acetate ions, phosphate ions, and hydrogen phosphate ions instead of the nitrate ions contained in these nitrates, and acids such as nitric acid and hydrochloric acid. The temperature of the cation exchange is not particularly limited as long as it is a general cation exchange temperature, but is usually 10°C or higher and 100°C or lower. Ammonium-type zeolite can also be converted to proton-type zeolite by calcining the zeolite.
原料ゲルの結晶化後は、結晶化した原料ゲルを濾過および洗浄した後、固形分を100~200℃で乾燥し、引続き400~900℃で焼成することによって、ゼオライト粉末として得ることができる。 After the raw gel crystallizes, the crystallized raw gel is filtered and washed, and the solids are dried at 100 to 200°C and then calcined at 400 to 900°C to obtain zeolite powder.
[合成ガスの製造方法]
本発明の合成ガスの製造方法は、メタンの部分酸化反応によって合成ガスを製造する方法であって、構成元素としてケイ素(Si)とアルミニウム(Al)を含有し、周期律表8~10族の元素の含有量が0.1質量%未満であるゼオライト系触媒を触媒とし、650℃以上の反応温度でメタンの部分酸化反応によって合成ガスを製造することを特徴とする。
[Method of producing synthetic gas]
The method for producing a synthesis gas of the present invention is a method for producing a synthesis gas by a partial oxidation reaction of methane, and is characterized in that the synthesis gas is produced by the partial oxidation reaction of methane at a reaction temperature of 650° C. or higher using a zeolite-based catalyst that contains silicon (Si) and aluminum (Al) as constituent elements and has a content of elements from Groups 8 to 10 of the periodic table of less than 0.1 mass %.
<反応条件>
本発明の合成ガスの製造方法における反応温度は650℃以上であることが必要である。反応温度が650℃以上であることで、メタンの部分酸化が進行し、合成ガスを効率的に得ることができる。
一方、反応温度の上限値については、特に制限はないが、メタンの完全酸化を抑制するために、1000℃以下であることが好ましく、触媒の活性が安定的になることから、900℃以下がより好ましく、850℃以下がさらに好ましく、800℃以下が最も好ましい。
以上の観点から、本反応における反応温度は、650℃~1000℃の範囲が好ましく、650℃~900℃の範囲がより好ましく、650℃~850℃の範囲がさらに好ましく、650~800℃の範囲であることが最も好ましい。
なお、本反応は発熱反応であるため、例えば、反応開始温度を500℃としても、断熱反応容器を用いた場合には650℃以上になることもある。したがって、ここで反応温度とは、反応ガスの入り口温度ではなく、反応器の触媒層の温度を指す。触媒層の温度は、通常反応器の内部温度(入り口温度ではなく)と同じであるとみなすことができる。
<Reaction conditions>
In the synthesis gas production method of the present invention, the reaction temperature must be at least 650° C. By setting the reaction temperature at 650° C. or higher, partial oxidation of methane progresses, and synthesis gas can be efficiently obtained.
On the other hand, there is no particular restriction on the upper limit of the reaction temperature, but in order to suppress complete oxidation of methane, it is preferably 1000°C or lower, and in order to stabilize the activity of the catalyst, it is more preferably 900°C or lower, further preferably 850°C or lower, and most preferably 800°C or lower.
From the above viewpoints, the reaction temperature in this reaction is preferably in the range of 650°C to 1000°C, more preferably in the range of 650°C to 900°C, even more preferably in the range of 650°C to 850°C, and most preferably in the range of 650°C to 800°C.
Since this reaction is an exothermic reaction, even if the reaction start temperature is 500°C, it may reach 650°C or higher when an adiabatic reaction vessel is used. Therefore, the reaction temperature here refers to the temperature of the catalyst layer of the reactor, not the inlet temperature of the reaction gas. The temperature of the catalyst layer can usually be considered to be the same as the internal temperature (not the inlet temperature) of the reactor.
また、本発明におけるメタンの部分酸化プロセスにおいては、原料中の酸素に対するメタンのモル比(メタン/酸素)が1以上であることが好ましい。この比が1以上であると、メタンの完全酸化を抑制しやすくすることができ、メタンの部分酸化を促進することができる。また、メタン/酸素(CH4/O2)が1以上であると十分な反応速度が得られる。以上の観点から、原料中のメタン/酸素(CH4/O2)は1以上であることが好ましく、さらに好ましくは1.5以上、最も好ましくは2以上である。
一方、メタン/酸素(CH4/O2)の上限値については、特に制限はないが、反応効率の点から、6以下であることが好ましく、3以下であることがさらに好ましい。
In the partial oxidation process of methane in the present invention, the molar ratio of methane to oxygen in the raw material (methane/oxygen) is preferably 1 or more. When this ratio is 1 or more, complete oxidation of methane can be easily suppressed, and partial oxidation of methane can be promoted. Furthermore, when the methane/oxygen ( CH4 / O2 ) ratio is 1 or more, a sufficient reaction rate can be obtained. From the above viewpoints, the methane/oxygen ( CH4 / O2 ) ratio in the raw material is preferably 1 or more, more preferably 1.5 or more, and most preferably 2 or more.
On the other hand, there is no particular upper limit to the methane/oxygen (CH 4 /O 2 ) ratio, but from the viewpoint of reaction efficiency, it is preferably 6 or less, and more preferably 3 or less.
本実施形態における反応様式としては、流動床反応装置、移動床反応装置または固定床反応装置を用いた公知の気相反応プロセスを適用することかできる。固定床反応装置の場合、特に附帯設備を含めた設備費、触媒コスト、運転管理の点で有利である。
また、バッチ式、半連続式または連続式のいずれの形態でも行われ得るが、連続式で行うのが好ましく、その方法は、単一の反応器を用いた方法でもよいし、直列または並列に配置された複数の反応器を用いた方法でもよい。
As the reaction mode in this embodiment, a known gas phase reaction process using a fluidized bed reactor, a moving bed reactor, or a fixed bed reactor can be applied. A fixed bed reactor is advantageous in terms of the equipment cost including auxiliary equipment, catalyst cost, and operation management.
The process may be carried out in any of a batch, semi-continuous or continuous manner, but is preferably carried out in a continuous manner, and may be a process using a single reactor or a process using multiple reactors arranged in series or parallel.
なお、流動床反応器に前述の触媒を充填する際、触媒層の温度分布を小さく抑えるために、石英砂、アルミナ、シリカ、シリカ-アルミナ等の反応に不活性な粒状物を、触媒と混合して充填してもよい。この場合、石英砂等の反応に不活性な粒状物の使用量は特に制限はない。なお、この粒状物は、触媒との均一混合性の面から、触媒と同程度の粒径であることが好ましい。
また、反応器には、反応に伴う発熱を分散させることを目的に、反応基質(反応原料)を分割して供給してもよい。
When the above-mentioned catalyst is packed into the fluidized bed reactor, in order to minimize the temperature distribution in the catalyst layer, granular materials inactive to the reaction, such as quartz sand, alumina, silica, silica-alumina, etc., may be mixed with the catalyst and packed. In this case, there is no particular restriction on the amount of granular materials inactive to the reaction, such as quartz sand, used. In addition, it is preferable that the granular materials have a particle size similar to that of the catalyst, from the viewpoint of uniform mixing with the catalyst.
In addition, the reaction substrate (reaction raw material) may be divided and fed to the reactor for the purpose of dispersing heat generated by the reaction.
反応器内には、メタンと酸素の他に、ヘリウム、アルゴン、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素、水素、水、パラフィン類、芳香族化合物類、および、それらの混合吻など、を存在させることかできるが、この中でも水(水蒸気)および/または二酸化炭素が共存しているのが、触媒上への炭素析出を抑制する効果が期待できることから好ましい。
このような希釈剤としては、反応原料に含まれている不純物をそのまま使用してもよいし、別途調製した希釈剤を反応原料と混合して用いてもよい。また、希釈剤は反応器に入れる前に反応原料と混合してもよいし、反応原料とは別に反応器に供給してもよい。
In addition to methane and oxygen, other gases that can be present in the reactor include helium, argon, nitrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen, water, paraffins, aromatic compounds, and mixtures thereof. Of these, the coexistence of water (water vapor) and/or carbon dioxide is preferred because it is expected to have the effect of suppressing carbon deposition on the catalyst.
As such a diluent, the impurities contained in the reaction raw materials may be used as they are, or a separately prepared diluent may be mixed with the reaction raw materials. The diluent may also be mixed with the reaction raw materials before being placed in the reactor, or may be supplied to the reactor separately from the reaction raw materials.
反応温度の下限としては、650℃以上であることが重要である。反応温度の上限としては、本発明の効果を奏する範囲であれば、制限はないが、800℃以下であることが好ましい。反応温度が650℃以上であると、十分な反応速度が得られる。一方、反応温度が800℃以下であると、触媒の活性が安定的になる。 It is important that the lower limit of the reaction temperature is 650°C or higher. There is no upper limit to the reaction temperature as long as the effects of the present invention are achieved, but it is preferable that the upper limit is 800°C or lower. If the reaction temperature is 650°C or higher, a sufficient reaction rate can be obtained. On the other hand, if the reaction temperature is 800°C or lower, the activity of the catalyst becomes stable.
反応圧力の上限は、3MPa(絶対圧、以下同様)以下であることが好ましい。反応圧力が3MPa以下であると、好ましくない副生成物の生成を抑制することができる。以上の観点から、反応圧力は1MPa以下であることが好ましい。
また、反応圧力の下限は特に制限されないが、通常0.1kPa以上、好ましくは1kPa以上、より好ましくは、10kPa以上である。これらの下限値以上であることで、十分な反応速度を得ることができる。
The upper limit of the reaction pressure is preferably 3 MPa (absolute pressure, the same applies below). If the reaction pressure is 3 MPa or less, the production of undesirable by-products can be suppressed. From the above viewpoint, the reaction pressure is preferably 1 MPa or less.
The lower limit of the reaction pressure is not particularly limited, but is usually 0.1 kPa or more, preferably 1 kPa or more, and more preferably 10 kPa or more. By keeping the reaction pressure at or above these lower limits, a sufficient reaction rate can be obtained.
反応原料の重量空間速度は0.1hr-1以上であることが好ましく、0.5hr-1以上であることがより好ましい。一方、重量空間速度は10hr-1以下であることが好ましく、5hr-1以下であることがより好ましい。重量空間速度がこの範囲内であると、メタンの部分酸化反応に有利である。 The weight hourly space velocity of the reaction raw material is preferably 0.1 hr -1 or more, more preferably 0.5 hr -1 or more. On the other hand, the weight hourly space velocity is preferably 10 hr -1 or less, more preferably 5 hr -1 or less. If the weight hourly space velocity is within this range, it is advantageous for the partial oxidation reaction of methane.
本発明の方法によれば、反応生成物は、合成ガス(CO+H2)の他にエタン、エチレン等の炭素数2の炭化水素(副生成物)、二酸化炭素、および水を含むが、これらの反応生成物のうち、反応原料であるメタンに対する二酸化炭素の選択率を30モル%以下とすることができ、より好ましくは25モル%以下とすることができる。また、本発明においては、メタンの転化率は8~100%であり、一酸化炭素及び水素の選択率は、それぞれ60~90%、8~25%である。
なお、反応器出口ガス中の未反応原料、副生成物および希釈剤を含む混合ガスは、公知の分離・精製設備に導入され、それぞれの成分に応じて回収、精製、リサイクル、排出の処理を行うことができる。
According to the method of the present invention, the reaction products include, in addition to synthesis gas (CO+H 2 ), hydrocarbons having two carbon atoms (by-products) such as ethane and ethylene, carbon dioxide, and water, and among these reaction products, the selectivity of carbon dioxide relative to the raw material methane can be set to 30 mol % or less, more preferably 25 mol % or less. Furthermore, in the present invention, the conversion rate of methane is 8 to 100%, and the selectivities of carbon monoxide and hydrogen are 60 to 90% and 8 to 25%, respectively.
The mixed gas containing the unreacted raw materials, by-products and diluent in the reactor outlet gas can be introduced into a known separation and purification facility and can be recovered, purified, recycled or discharged according to the respective components.
以下、実施例により本発明をより詳細に説明するが、本発明の範囲は以下の実施例により限定されるものではない。
(評価方法)
(1)ゼオライトの物性
<元素分析>
元素分析は、誘導結合プラズマ発光分光分析(ICP-AES)により行った。
<X線回折測定>
各ゼオライトの結晶構造をX線回折測定(XRD)により決定した。測定は、BRUKER社製の「D2PHASER」を用いて行った。
各実施例及び比較例で用いたゼオライトの結晶構造、Si/Al比、元素分析結果を表1に示す。
The present invention will be described in more detail below with reference to examples, but the scope of the present invention is not limited to the following examples.
(Evaluation Method)
(1) Physical properties of zeolite <Elemental analysis>
Elemental analysis was performed by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-AES).
<X-ray diffraction measurement>
The crystal structure of each zeolite was determined by X-ray diffraction measurement (XRD). The measurement was performed using a "D2PHASER" manufactured by BRUKER.
Table 1 shows the crystal structure, Si/Al ratio, and elemental analysis results of the zeolites used in the respective Examples and Comparative Examples.
(2)反応評価
固定床気相流通式反応装置を用いて、石英ガラス製反応管(触媒層部分:外径8.0mm、内径6.0mm、その他:外径6.0mm、内径4.0mm、全長260mm)の中段に、各実施例及び比較例の触媒100mgを充填した。N2流通下(10ml/min)で電気炉を500℃まで昇温した。その後、CH4を5.0ml/min及び、O2を2.5ml/min、N2を12.5ml/minの流量で導入し、反応温度500℃から800℃の温度範囲でメタンの部分酸化反応試験を行った。反応器の下流では、リボンヒーターにより100℃での加熱及び、反応ガスをN2(100ml/min)で希釈することによって、生成した水の凝縮を防いだ。生成物の分析は2チャンネルのオンラインMicro-GC(FUSION、INFICON製)で分析した。Micro-GCのチャンネル1では、キャリアガスにArを用いたキャピラリーカラム Moleculer Sieve 5A(商品名)によって、H2、O2、N2、CH4、COを定量した。チャンネル2では、キャリアガスにHeを用いたキャピラリーカラム Porapak(商品名)によって、CO2、C2H4、C2H6、H2Oを定量した。検出器にはTCDを用いた。
(2) Reaction evaluation Using a fixed-bed gas-phase flow reactor, 100 mg of the catalyst of each example and comparative example was packed in the middle of a quartz glass reaction tube (catalyst layer part: outer diameter 8.0 mm, inner diameter 6.0 mm, other: outer diameter 6.0 mm, inner diameter 4.0 mm, total length 260 mm). The electric furnace was heated to 500 ° C. under N 2 flow (10 ml / min). Then, CH 4 was introduced at a flow rate of 5.0 ml / min, O 2 at a flow rate of 2.5 ml / min, and N 2 at a flow rate of 12.5 ml / min, and a partial oxidation reaction test of methane was performed at a reaction temperature range of 500 ° C. to 800 ° C. Downstream of the reactor, condensation of the generated water was prevented by heating at 100 ° C. with a ribbon heater and diluting the reaction gas with N 2 (100 ml / min). The products were analyzed using a two-channel online Micro-GC (FUSION, manufactured by INFICON). In channel 1 of the Micro-GC, H 2 , O 2 , N 2 , CH 4 , and CO were quantified using a capillary column Molecular Sieve 5A (trade name) using Ar as the carrier gas. In channel 2, CO 2 , C 2 H 4 , C 2 H 6 , and H 2 O were quantified using a capillary column Porapak (trade name) using He as the carrier gas. A TCD was used as the detector.
反応物の転化率及び生成物の収率は以下のようにして算出した。なお、以下の式で、Fはflow rate、inはinlet、outはoutletを意味する。例えば、FCH4,inは入口のCH4流量を意味する。 The conversion rate of the reactants and the yield of the products were calculated as follows: In the following formula, F means flow rate, in means inlet, and out means outlet. For example, F CH4,in means the flow rate of CH4 at the inlet.
なお、上記式には、以下の関係が成り立つ。 In addition, the following relationship holds in the above formula.
実施例1
メタン部分酸化触媒としてプロトン型BEAゼオライト(Zeolyst製、Si/Al比=13)を準備した。上記方法にて、反応評価を行った。700℃におけるプロトン型BEAゼオライトの反応結果は、表2に示すように、CH4転化率22%、O2転化率60%、CO選択率81%、H2選択率20%、二酸化炭素選択率19%であった。
Example 1
A proton-type BEA zeolite (manufactured by Zeolyst, Si/Al ratio = 13) was prepared as a methane partial oxidation catalyst. The reaction evaluation was performed by the above method. As shown in Table 2, the reaction results of the proton-type BEA zeolite at 700 ° C were CH 4 conversion rate 22%, O 2 conversion rate 60%, CO selectivity 81%, H 2 selectivity 20%, and carbon dioxide selectivity 19%.
実施例2~21及び比較例1~5
実施例1において、表1に示す触媒を用い、表1に示す反応条件にて反応させたこと以外は実施例1と同様にして、メタンの部分酸化反応試験を行った。結果を表2に示す。
Examples 2 to 21 and Comparative Examples 1 to 5
A partial oxidation reaction test of methane was carried out in the same manner as in Example 1, except that the catalysts shown in Table 1 were used and the reaction was carried out under the reaction conditions shown in Table 1. The results are shown in Table 2.
表1及び表2に示す結果から、SiとAlから構成されるゼオライトであって、周期表第8族~10族の遷移金属の含有量を0.1質量%未満とすることで、メタンの完全燃焼反応を抑制することができ、メタンの部分酸化の選択性を向上させることができた。具体的には、メタンの完全酸化により発生するCO2の選択率を30%以下に抑えることができた。
また、MOR、FAUに比較して、ルイス酸性を有するAlサイトが存在するCHA、MFI、BEAが好ましいことがわかる。
さらに、各実施例と比較例4及び5との比較から、反応温度が600℃以下であると、メタンの転化率が低いことがわかる。したがって、本発明においては、反応温度を650℃以上とすることが肝要であることがわかる。
From the results shown in Tables 1 and 2, it is clear that by using a zeolite composed of Si and Al and setting the content of transition metals of Groups 8 to 10 of the periodic table to less than 0.1 mass%, it is possible to suppress the complete combustion reaction of methane and improve the selectivity of the partial oxidation of methane. Specifically, it is possible to suppress the selectivity of CO2 generated by the complete oxidation of methane to 30% or less.
It is also seen that, compared to MOR and FAU, CHA, MFI, and BEA, which have Al sites having Lewis acidity, are preferable.
Furthermore, from a comparison between each of the Examples and Comparative Examples 4 and 5, it is seen that the conversion rate of methane is low when the reaction temperature is 600° C. or lower. Therefore, it is seen that in the present invention, it is essential that the reaction temperature is 650° C. or higher.
本発明の製造方法によれば、高い選択率でメタンを部分酸化することができ、効率的に合成ガス(CO+H2)を製造することができる。合成ガスは、種々の反応原料として重要であることから、本発明は産業に貢献し得る技術である。 According to the production method of the present invention, methane can be partially oxidized with high selectivity, and synthesis gas (CO + H 2 ) can be efficiently produced. Since synthesis gas is important as a raw material for various reactions, the present invention is a technology that can contribute to industry.
Claims (11)
650℃以上の反応温度でメタンの部分酸化反応によって合成ガスを製造する方法。 A zeolite catalyst containing silicon (Si) and aluminum (Al) as constituent elements and having a content of elements of Groups 8 to 10 of the Periodic Table of less than 0.1 mass % is used as a catalyst;
A method for producing synthesis gas by partial oxidation of methane at a reaction temperature of 650°C or higher.
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