JPH0692628A - 新規結晶珪素強化アルミナ及びその製法並びに該組成物を用いた炭化水素転化方法 - Google Patents

新規結晶珪素強化アルミナ及びその製法並びに該組成物を用いた炭化水素転化方法

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JPH0692628A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は新規な珪素を強化したアルミナ並び
にその製法を提供するものであり、この珪素強化アルミ
ナは例えば炭化水素のクラッキング触媒、触媒支持体と
して用いた場合極めて優れた効果を有するものである。 【構成】 強及び弱酸の両サイトを有し、アルミナの結
晶構造を持ち、20〜300Å径の孔を持つ3次元構造で、
その表面が内部より珪素の濃度が高い〔化1〕の不均質
結晶珪素強化アルミナ。 〔化1〕

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は結晶珪素強化アルミナ及
び結晶珪素強化アルミナの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】アルミナは触媒支持体及び触媒としてよ
く知られている。また、アルミナと珪素との同時ゲル化
によって珪素-アルミナを生成するような種々の方法に
よってアルミナの性質を変性することもよく知られてい
る。例えば米国特許No.4,758,330にはアルミナのヒドロ
ゲルの生成とこのヒドロゲルにアルカリ金属珪酸塩を加
えて珪素-アルミナ支持体を製造することが開示してあ
る。更に、米国特許No.4,806,513には珪素を表面に被覆
し、更にフッ素で処理したアルミナの製造法が開示して
ある。米国特許No.4,576,711にはY-ゼオライトとヘキ
サフルオロ珪酸アンモニウムと接触させることが開示さ
れている。同様に米国特許No.4,503,023にもまたこの場
合L2-210において、ゼオライトのアルミナ除去につい
て開示してある。米国特許No.4,753,910には水溶性フッ
化物を用いアルミニウム除去工程中又は後にアルミニウ
ム除去(アルミニウム除去工程)中に生成するフッ化ア
ルミニウムの溶解により除去することが開示してある。
【0003】米国特許No.4,711,770にはアルミノ珪素塩
ゼオライトの結晶格子にゼオライトとフルオロ珪酸塩と
を約5〜7のpH及びゼオライトの結晶度の少くとも60%
を保持する割合で接触させて珪素原子を挿入すること並
びにこの骨組構造に欠点のある材料も開示されている。
米国特許No.4,597,956にはフッ化アルミニウムと硫酸ア
ルミニウムのような可溶性アルミナ化合物とを接触させ
てフッ化アルミニウムを除く方法が開示されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】これらの従来技術に対
し、出願人はアルミナ格子からアルミニウム原子の幾つ
かを除きそして珪素原子をこの組成物中に入れた組成物
を製造した。出願人はまた珪素がアルミナ骨組構造中に
組み込まれることを見出した。更に、始めのアルミナの
基本構造は珪素強化アルミナ(以下SEALという)に
保持される。最終的にSEAL組成物もまたフッ素も含
む。結晶アルミナをフルオロ珪酸塩で処理して結晶SE
ALを製造することは、上記従来技術には何らの記載は
ない。出願人が始めてこのような新規組成物を合成し得
たことである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明のSEAL組成物
はアルミナとフルオロ珪酸塩とをアルミニウム原子の幾
つかを除き、そして珪素でアルミナを強化する反応条件
で接触させて製造される。従来技術はフルオロ珪酸塩の
使用は開示してあるが、それはゼオライトの処理に関し
てである。
【0006】本発明は結晶珪素強化アルミナ(SEA
L)及びSEALの製造法に関する。従って、本発明の
一つの具体例はアルミナの結晶構造特性を有し、20〜30
0Åの範囲の径の孔を持つ3次元構造を有し、そしてS
EALの表面がSEALの内部より珪素が高濃度を有す
る実験式〔化1〕の不均質結晶珪素強化アルミナ(SE
AL)である。
【化1】 (式中、Xは0.01〜0.5,Yは0.01〜Xの値である)本
発明の他の具体例は強及び弱酸サイトを有し、アルミナ
の結晶構造特性を有し、20〜300Åの範囲の径の孔を持
つ3次元構造を有し、そしてSEALの表面がSEAL
の内部より珪素が高濃度を有する実験式〔化1〕の不均
質結晶珪素強化アルミナである。
【0007】更に、本発明の具体例は結晶アルミナとフ
ルオロ珪酸塩溶液をアルミナの結晶構造特性を有し、20
〜300Åの範囲の径の孔を持つ3次元構造を有し、そし
てSEALの表面がSEALの内部より珪素が高濃度を
有するSEALを製造するに有効な温度及び時間で接触
させる〔化2〕の不均質結晶SEALの製法である。
【化2】 (式中、Xは0.01〜0.5の値である)発明は結晶アルミ
ナとフルオロ珪酸塩溶液を結晶珪素強化生成物が生成す
るに有効な温度及び時間で接触しそしてSEAL組成
物、このSEALは20〜300Åの範囲の径を持つ孔の3
次元孔構造を有し、強及び弱酸サイトを有し、結晶アル
ミナの結晶構造特性を有しSEALの表面がSEALの
内部より珪素の高濃度を有する特性がある、を形成する
に有効な温度と時間で焙焼することよりなる実験式〔化
1〕を有する不均質結晶珪素強化アルミナ(SEAL)
の製造法である。他の目的及び具体例は本発明の次の詳
細な記載により一層明らかになるであろう。
【0008】本発明は結晶珪素強化アルミナ及び結晶珪
素強化アルミナの製法に関する。出発材料を構成するア
ルミナはベーマイト、シュード ベーマイト、ガンマ ア
ルミナ、デルタ アルミナ、シータ アルミナ及びアルフ
ァ アルミナのような当該技術分野でよく知られたアル
ミナ類の何れでもよい。
【0009】主題の結晶SEALの製造に処理される出
発アルミナ類は粉状、球状、押し出状、不規則状の形状
の粒子、顆粒等でよい。固体の取扱いの容易さから、ペ
レット、球、押し出物、環、不規則形の粒子が粉体より
好ましい。特に好適な形状は小粒径の球体である。これ
らは当該技術において教示される何れかの方法によりア
ルミナ ヒドロゾルを形成するよく知られたオイル-ドロ
ップ法により製造される、そして好適にはアルミニウム
金属と塩酸を反応させる方法である;得られたハイドロ
ゾルは適宜のゲル化剤と混合する;この生成混合物を昇
温を維持した油浴中に滴下する。混合物の滴下物は油浴
中に留めヒドロゲル球が生成する。この球体は後油浴か
ら連続的に取り出しそして典型的には特定のエージング
を行いそして乾燥する油の処理及びアンモニア溶液はこ
れらの物理的性質を向上させる。かくして得られたエー
ジされそしてゲル化した粒子は後に洗浄し、そして比較
的低温で約200〜300°F(93-149℃)で乾燥され、そし
て850°〜1,300°Fの温度で1〜2時間の間焙焼工程に
付される。この処理はアルミナヒドロゲルの相当する結
晶ガンマ アルミナに変換する効果がある。好適な担体
材料は0.3〜0.7g/ccの明らかな嵩密度を有し、そして
表面積は平均孔径20及び300Åの間であり、孔の容積は
0.1〜1cc/gである特性をもつ。オイル-ドロップ法に
関する詳細は引例として入れる米国特許No.2,620,314に
見ることができる。
【0010】SEALはアルミニウムの除去とゼオライ
ト中に所謂「外来」珪素を挿入するに使用する一般的条
件及び水溶液は同じものを用いて製造することができ
る。これらの条件は米国特許No.4,597,956;4,711,770
及び4,753,910に説明してある。ゼオライト中の珪素置
換は第6回国際ゼオライト会議録87頁で開示されている
G. Gavalon ら「Zeolite Chemistry V-Substitution of
Silicon for Aluminumin Zeolite via Reaction with
Aqueous Fluorosilicate」;「FaujasitesDealuminated
with Ammonium Hecafluorosilicate:Variables Affec
ting theMethod of Preparation」David Olson ら「Zeo
lite」第8巻268頁、1988年7月、そして米国特許No.4,
610,856で開示されている。これらの参照文献は結晶ア
ルミナの本発明に適用できる珪素挿入方法のそれらの教
示する参照に含まれる。
【0011】従って、この方法は結晶アルミナとフルオ
ロ珪酸塩そして好適にはヘキサフルオロ珪酸アンモニウ
ムの水溶液と接触させることを含む。接触は液相が保持
される条件の充分な圧力下で10-125℃及び好適に20〜95
℃で行われる。溶液のpHは3〜7そして好適には5〜7
の範囲である。ヘキサフルオロ珪酸アンモニウム(AF
S)の量は適宜加えることができる、しかし一般にAF
S:アルミナの割合が5〜95重量%,好適には5〜35重
量%の範囲である。典型的には反応はヘキサフルオロ珪
酸アンモニウムの溶液を処理されるアルミナのスラリー
に加えて行う。添加は30分から8時間の間、好ましくは
30分から120分の間以上少量ずつ増量するか連続的に行
う。珪酸塩溶液を加えた後、得られた混合物を1から4
時間好ましくは1から2時間の間撹拌する。得られた混
合物はSEAL材料、不溶性副生粉末及び液相からなっ
ている。出発アルミナが球のような形状の場合は、SE
AL材料は不溶性副生粉末から物理的手段で分離する。
しかしながら、出発アルミナが粉体又は小粒子状である
場合は、不要の副生物から必要とする生成物を物理的に
分離することは難しい。この場合、混合した固体は可溶
性アルミニウム塩で、好適には副生物粉末(それは主と
してNH4AlF4)可溶化する硫酸アルミニウムで洗
う。SEAL生成物を単離した後、25°〜50℃の温度で
水洗しそして後100°〜120℃の温度で4〜24時間乾燥す
る。
【0012】この工程中に起こる反応は次の化学反応式
〔数1〕により示される。
【数1】 Xの値は0.01から0.5の範囲である。化学分析は珪素及
びフッ素の両者はアルミナ中に存在し、アルミナは珪素
で強化される。珪素の分布を決定するには、球試料を半
分に割り、そして断面を走査電子顕微鏡(SEM)によ
り分析する。この分析は珪素が球の外側の5分の1に濃
縮されていることを示す。フッ素の分布はSEMを使用
して検出できない。分離された試料はまた核磁気共鳴
(NMR)により分析される。フッ素NMRスペクトル
は珪素と結合したフッ素を示し、一方珪素のNMRは不
完全な重合した二酸化珪素を示す。反応混合物中に存在
する珪素の全てがアルミナに結合するものではないこと
も指摘できる。ヘキサフルオロ珪酸アンモニウムとして
加ええられた珪素の50パーセントはSEAL組成物中に
結合されることを分析結果は示している。この反応の完
全なマスバランスはフッ素化物イオンの大部分はNH4
AlF4(形成支持体が使われた時)として微細にそし
てNH4Fとして反応液中に見出され、フッ素化物イオ
ンの小部分はSEAL製品に会合されている。SEAL
中に存在するフッ素化物イオンの量はSEAL中に存在
する全珪素とチャージバランスをとっている。フッ化ア
ンモニウムはまたSEAL中に存在する。
【0013】上記のSEALは400から800℃の温度で焙
焼し実験式〔化1〕のSEALを得ることができる。
【化1】 式中Xは上記の通りそしてYは0.01からXからの範囲。
焙焼したSEALは未焙焼のSEALより構造中に存在
するフッ化物が小である特性がある。焙焼SEAL(50
0℃で焙焼)組成物の試料はESCA(化学分析用電子
分光器)により分析した。完全な球と一部を摩耗した球
を分析した。ESCAは表面感度測定であるから、完全
な球と摩耗球試料間の元素の濃度の相違は元素の不均一
な分布を示す。この技術により或試料を分析し完全球の
表面の珪素の濃度が摩耗球の濃度より1.6倍高いことを
示した。フッ素の場合完全球の表面は摩耗球試料よりフ
ッ素が1.3倍多く含んでいることはフッ素の方が分布が
均一なことを示している。これらの分析は焙焼した試料
で行ったが、珪素分布が焙焼しないで乾燥した材料にお
いても何らの差異も示さなかった。
【0014】理論に拘束されずに、上記物理的特性を基
にして次のように考えることができる。粒子、例えば球
の表面で、全珪素のチャージバランスするに充分なフッ
素がある(F/Si原子比は1.2である)。残ったフッ
素は恐らくアルミニウムイオンと会合し、それは恐らく
粒子又は球を通して一層均一に分布するであろう。
【0015】SEAL組成物の焙焼はSEALのアンモ
ニウムとフッ化物含量に影響を与える。アンモニウムイ
オンの量はSEAL組成物で800℃において窒素の質量
パーセントが0.1%以下に顕著に減少することを示し
た。フッ素含量もまた焙焼温度の上昇により減少する。
焙焼SEALはまたその酸性によっても特徴づけられ
る。酸化物の酸性は2,3の公知の方法によって測定で
きる。本件の酸性においてはアンモニア温度プログラム
脱着(NH3-TPD)及び1-ヘプテンの転化により測
定した。1-ヘプテンをクラックする材料の能力の大き
さは触媒の酸性の大きさである。従って、SEAL組成
物を400℃で焙焼したものは出発アルミナム又は無定形
シリカ-アルミナ材料より極めて高いクラッキング能を
有することが判った。本発明の800℃でSEAL組成物
を焙焼することはSEALのクラッキング能力を減少さ
せることも認められる。400℃で焙焼されたSEAL材
料のNH3-TPD試験は弱酸サイトと600℃以上までア
ンモニアを遊離することのない極めて強い酸サイトの多
くが存在することを示す。これに対し、ガンマ アルミ
ナは400℃以下の温度でアンモニアの遊離することによ
り証明されるように弱酸サイトのみを示す。800℃で焙
焼されたSEAL試料のNH3-TPDが多くの強及び弱
酸サイトの両者の還元を示すことは1-ヘプテン試験と
一致する。従って、400°〜600℃の温度でSEALを焙
焼するのが好適である。
【0016】焙焼したSEALのNMRはまた乾燥した
SEALと相違していることを示す。400℃で焙焼した
SEAL組成物は二酸化珪素と似ている珪素NMRスペ
クトルを示し、一方800℃で焙焼したSEAL組成物は
珪素の解重合か一層アンモニウムが多い環境中の珪素の
何れかに一致するスペクトラムを示す。最後に、800℃
で焙焼したSEAL組成物の赤外線スペクトル(1R)
データは珪素がアルミナ格子中に結合した假定と一致す
る。更にSEAL組成物の活性スペシースの特性に対し
アルミナ上のフッ素の効果が決定された。不定形シリカ
-アルミナ支持体にフッ素の添加は支持体のクラック能
力を増加させるが焙焼したSEAL組成物の活性は及ば
ないことは決定される。再び単なるセオリーに拘束され
ることを欲しないが、SEAL組成物の活性部位はアル
ミナ格子中に部分的に接触しているか又は結合している
珪素-フッ素スペシースであることは明らかである。
【0017】SEAL材料はまた出発アルミナとして不
変の結晶構造及び孔の構造を有している。出発アルミナ
は20〜300Åの範囲の径を持つ孔を有する3次元孔構造
を有する。事実SEAL材料は出発アルミナの結晶構造
を保持している独特のアルミナ構造は崩壊せずそして従
ってアルミナの孔の構造は元のまま残っていることを示
す。このことは重要である何故なら孔構造が崩壊したも
のであったなら、反応剤はSEALを通して拡散するこ
とはできない。
【0018】本発明のSEAL材料はそのまま又は触媒
金属を散布した後炭化水素転化触媒として適用すること
を見出した。例えば、これらの材料はクラッキング及び
ハイドロ クラッキング工程の何れにも使用することが
できる。SEALはよく知られたハイドロ クラッキン
グ条件下で使用できる。典型的に、これらの条件は400
°〜1200°F(204〜649℃)の範囲の温度、好適には60
0°〜950°F(316〜510℃)を含む。反応圧力は大気圧
〜3,500psig(24,132kPag)、好適には200及び3,000psi
g(1,379〜20,685kPag)である。接触時間は一般的に液
空間速度(LHSV)0.1hr▲上付き−1▼〜15hr▲上
付き−1▼、好適には0.2〜3hr▲上付き−1▼に相当
する。水素循環割合は投入バレル(178〜8,888std m3
/m3)当り1,000〜50,000標準立法呎(scf)、好適
には投入バレル(355〜5,333stdm3/m3)当り2,000〜
30,000(scf)である。適した水素処理条件は上述ハ
イドロ クラッキング条件の広い範囲中である。反応域
流出液は一般に触媒床から分離し、部分濃縮及び気液分
離及び後分別し種々の成分を回収する。水素、及び若し
必要なら未転換重い原料の一部又は全部、反応装置に循
環する。若しくは、2個の反応装置に流れを用いること
ができ未転換原料は第2の反応装置に通す。本発明の触
媒はこのような工程の一つの使用するか又は双方の反応
装置に使用することができる。本発明のSEAL材料は
よく知られた技術によって触媒金属をその上に分散され
そして参照文献として含まれる米国特許No.4,422,959の
製法に従って製造できる。SEAL材料はまたゼオライ
ト、クレー等と配合しハイドロ クラッキング触媒とす
ることができる。次の実施例は本発明の説明に挙げる、
そして請求の範囲の本発明の範囲を限定する意図はな
い。
【0019】
【実施例】
実施例1 ヘプテン クラッキング試験 実施例2〜5で製造した材料の評価に次の試験を実施し
た。ヘプテン クラッキング試験又はマイクロリアクタ
ー クラッキング試験は供試触媒の40〜60メッシュ(420
〜250ミクロン)粒子の125mgを装填した電気加熱反応装
置を用いた。各触媒は水素流を用いて200℃で30分間乾
燥した、そして後水素流中550℃の温度で1時間還元処
理を施した。反応装置の温度は後に425℃(入り口)に
調節した。処理物の流れが試験に供せられる触媒は1-
ヘプテンを0℃、大気圧で飽和する水素ガスよりなって
いる。処理物の流れを500cc/分の流速で触媒上を流
す。液ガス流をガスクロマトグラフで分析する。実施例
におけるクラックされた生成物の重量パーセント及びC
3+C4の選択性は次の結果を得た。
【0020】実施例2 米国特許No.2,620,314の方法で製造したガンマ アルミ
ナの1/16″球の試料を40メッシュ(420ミクロン)網
を通して摩耗する。この材料の100gを1,000g脱イオン
水中に97℃に加熱してスラリーとする。200g脱イオン
水中に溶解したヘキサフルオロ珪酸アンモニウムの35.4
gの分離溶液をアルミナ スラリーに滴下する。この添
加は50分間必要とし、反応時間中反応混合物は83〜91℃
の範囲の温度であった。添加が完了した後反応混合物は
1時間90℃で温浸する。固体を反応混合物から濾過によ
り分離し、そして後0.2M硫酸アルミニウム溶液の1リ
ットルで50℃において洗浄する。400mL脱イオン水で5
0℃で引き続き行う。固体を100℃で乾燥し107.9gの材
料を得る。乾燥試料は2.86質量パーセントF〔標準とし
て(AR)〕、0.725質量パーセントN(AR)及び4.9
7質量パーセントSi(AR)を含む。900℃の強熱減量
(LOI)は12.74%の減少である。この乾燥試料の一
部はマッフル炉中500℃で5時間空気中で焙焼する。焙
焼試料は2.47質量パーセントF(AR)、0.36質量パー
セントN(AR)及び5.27質量パーセントSi(AR)
を含んでいる。この質量パーセントの結果は標準(A
R)に基いている、従って焙焼試料は全ての揮発成分が
脱離され、フッ素及び窒素も脱離するであろう。焙焼試
料は900℃で2.14%のLOIを有す。この材料のX-線回
析パターンは一つの結晶相としてガンマ アルミナを示
す。焙焼試料は実施例1で記載した1-ヘプテン マイク
ロリアクターテストで試験された。この材料は66重量パ
ーセント クラッキングを示し、C3+C4生成物の選択
性は95%であった。
【0021】実施例3 実施例2により摩耗した1/16″球により得られたガン
マ アルミナの250mg試料を処理物の流れの流速500cc/
分を1,000cc/分とする以外は実施例1で述べた方法に
従って試験した。これは500cc/分の処理物流速の触媒1
25mgの試験と同じである。アルミナの分析は珪素がなく
又はフッ素があることを示す。この試料は処理物のクラ
ックはただ0.34重量パーセントのみであり、そしてC3
+C4生成物の選択性はただ40%のみであった。
【0022】実施例4 米国特許No.2,620,314の記載により製造したガンマ ア
ルミナの1/16″球の試料を本実施例ではヘキサフルオ
ロ珪酸アンモニウムで処理する。アルミナの球状径は生
成物の分離を容易にする。球形ガンマ アルミナ、110g
を脱イオン水1,000g中にスラリーとし、そして62℃に
加熱する。400g脱イオン水中に70.0gのヘキサフルオ
ロ珪酸アンモニウムの溶液を6時間以上かけてアルミナ
スラリーに滴下する。反応温度が84℃に達した添加を
停止して82-84℃に維持する。ヘキサフルオロ珪酸アン
モニウムの添加が完了した後、この混合物は液体と微粉
体を傾瀉する前に83℃で1時間温浸する。球を脱イオン
化水5リットルで洗浄し、そして100℃で乾燥し135gが
得られる。球はマッフル炉中5時間500℃に焙焼する。
焙焼材料は4.76質量パーセントSi(AR)、1.88質量
パーセントF(AR)、そして900℃でLOI 21.46%
を有す。この材料は実施例1の1-ヘプテンマイクロリ
アクター試料のクラッキング活性は34重量パーセントを
示す。C3+C4選択性は95%であった。
【0023】実施例5 米国特許No.2,620,314の記載により製造した1/16″球
の110g試料を脱イオン化水1,000g中にスラリーとし、
そして80-90℃に加熱する。200g脱イオン化水中7.00g
のヘキサフルオロ珪酸アンモニウムの溶液を3時間以上
かけてスラリーに加える、反応混合物を更に86℃で2時
間温浸する。球を反応混合物から傾瀉で分離し、脱イオ
ン化水5.5リットルで洗浄する、そして後100℃で乾燥す
る。最後に、乾燥球をマッフル炉で500℃で5時間焙焼
する。生成物は0.92質量パーセントSi(AR)及び1.
88質量パーセントF(AR)を含み、そして900℃のL
OIは8.27%を有する。焙焼試料を実施例1の方法を用
いて試験し、そしてクラッキング転化15%及びC3+C4
選択率93%であった。
【0024】
【発明の効果】以上述べた通り、本願発明は新規珪素強
化アルミナで例えば炭化水素クラッキング触媒又はその
支持体として用いた場合顕著なクラッキング効果を示す
極めて有用な発明である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C10G 47/12 2115−4H 47/16 2115−4H

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 強及び弱酸の両サイトを有し、アルミナ
    の結晶構造特性を持ち、20〜300Åの範囲の径の孔を持
    つ3次元構造で、その表面が内部より珪素の濃度が高い
    実験式〔化1〕の不均質結晶珪素強化アルミナ。 【化1】 (式中、Xは0.01〜0.5,Yは0.01〜Xの値である)
  2. 【請求項2】 珪素強化アルミナがガンマ アルミナの
    結晶構造を有す請求項1の珪素強化アルミナ。
  3. 【請求項3】 結晶アルミナとフルオロ珪酸塩溶液を珪
    素強化アルミナが20〜300Åの範囲の径の孔を持つ3次
    元構造で、アルミナの結晶構造特性を有し、その表面が
    内部より珪素の濃度が高い珪素強化アルミナを生成する
    に有効な温度と時間で接触させることよりなることを特
    徴とする請求項1又は2記載の珪素強化アルミナの製
    法。
  4. 【請求項4】 接触工程が400〜800℃の温度で約1〜約
    5時間焙焼する請求項3記載の製造方法。
  5. 【請求項5】 請求項1又は2の珪素強化アルミナを炭
    化水素転化条件下で炭化水素と接触させることよりなる
    炭化水素の転化方法。
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