JPH10272366A - 低級炭化水素の芳香族化触媒及び該触媒を用いた芳香族化合物の製造方法 - Google Patents

低級炭化水素の芳香族化触媒及び該触媒を用いた芳香族化合物の製造方法

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JPH10272366A
JPH10272366A JP9084728A JP8472897A JPH10272366A JP H10272366 A JPH10272366 A JP H10272366A JP 9084728 A JP9084728 A JP 9084728A JP 8472897 A JP8472897 A JP 8472897A JP H10272366 A JPH10272366 A JP H10272366A
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 天然ガス等の低級炭化水素を用いて、ベンゼ
ン、ナフタレン等の芳香族炭化水素と水素とを製造する
ための触媒と該触媒を用いる低級炭化水素の芳香族化方
法の提供。 【解決手段】 亜鉛、ガリウム及びコバルトから選ば
れた少なくとも一種の金属とメタロシリケート、
(1)モリブデン及び(2)亜鉛、ガリウム、コバル
ト、クロム、ランタン、ネオジム、サマリウム、イット
リウムから選ばれた少なくとも一種の金属と(3)メタ
ロシリケートモリブデン、タングステン又はバナジウ
ムから選ばれた少なくとも一種類の金属を含有するヘテ
ロポリ酸とメタロシリケートからなる低級炭化水素の芳
香族化触媒であり、上記からの触媒の存在下、低
級炭化水素を反応させることを特徴とする芳香族炭化水
素を主成分とする芳香族化合物及び水素の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、天然ガス等の低級
炭化水素含有ガスから化学工業、薬品類、プラスチック
類などの化学製品の原料として有用であるベンゼン類及
びナフタレン類を主成分とする芳香族炭化水素と高純度
の水素ガスとを同時に効率的に製造することができる触
媒と、該触媒の存在下に、低級炭化水素を高温接触反応
に付して芳香族炭化水素を主成分とする芳香族化合物及
び水素を製造する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、ベンゼン、トルエン、キシレン等
の芳香族炭化水素は主にナフサから製造されている。ま
た、ナフタレン類の製造方法としては石油などの溶剤抽
出法、天然ガスやアセチレンなどのガスの非触媒的な熱
分解法などが採られている。しかし、これら従来法では
ベンゼンやナフタレン類は石炭やアセチレンなどの原料
に対して数パーセントしか得られず、利用価値の少ない
芳香族化合物、炭化水素、タール、非溶解性の炭素残留
物も多く得られるという問題点を有している。さらに石
炭からの溶剤抽出法は高価な有機溶剤を多量に必要とす
る難点もある。
【0003】また、メタン、アセチレンの熱分解による
ナフタレンの製造法では、数%のメタン、アセチレン転
化率を達成するだけで1000℃以上の反応温度が必要
であるにもかかわらず、得られるナフタレン類の量は変
換メタン、アセチレンの1%以下に過ぎず、実用上問題
があった。
【0004】ほかに、触媒を用いたナフタレン類の製造
法として、オルトキシレン等のアルキルベンゼン類を高
温で白金類担持触媒を用いた脱水素縮合化反応によりナ
フタレン類を製造する方法も知られているが、ナフタレ
ン類への変換効率は低く、また原料として用いるアルキ
ルベンゼン類が高価であることもあって実用上問題があ
った。
【0005】さらに、本発明において併産される水素ガ
スの製造方法としては、水成ガス(ウォーターガスシフ
ト)反応あるいは原油の熱分解法、製鉄廃ガスを用いる
水素製造法などがあげられるが、いずれの方法によって
も製造された水素ガス中に硫黄類、一酸化炭素等が多量
に含まれることから、これらを除去するための精製工程
に多大な負荷と設備を必要とする工業的問題があった。
【0006】一方、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の製造方法として、触
媒の存在下に、酸素あるい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おり、この際の触媒として
はZSM−5に担持されたモリブデンが有効とされてい
る(JOURNAL OF CATALYSIS 165,150〜161
(1997)及び該文献の引用文献)。しかしながら、
これらの触媒を使用した場合でも、炭素析出多いこと
や、メタンの転化率が低いという解決すべき問題を有し
ている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる従来技
術の実状と問題点に鑑み、天然ガス等の低級炭化水素含
有ガスを用いて有用な化学原料であるベンゼン、ナフタ
レン等の芳香族化合物と水素ガスとを同時に製造する有
効な低級炭化水素変換用触媒を提供し、かつ該触媒を用
いた芳香族化合物の製造法を提供することを課題とす
る。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者らは前記課題を
達成するために、鋭意検討を行った結果、本発明を完成
するに至った。本発明は、亜鉛、ガリウム及びコバルト
からなる金属並びにそれらの金属の化合物からなる群か
ら選ばれた少なくとも一種とメタロシリケートとからな
る低級炭化水素の芳香族化触媒に関する。
【0009】また、本発明は、モリブデン及びその化合
物から選ばれた少なくとも一種と、亜鉛、ガリウム、コ
バルト、クロム、ランタン、ネオジム、サマリウム及び
イットリウムからなる金属並びにそれらの金属の化合物
からなる群から選ばれた少なくとも一種と、メタロシリ
ケートとからなる低級炭化水素の芳香族化触媒に関す
る。
【0010】また、本発明は、モリブデン、タングステ
ン及びバナジウムから選ばれた少なくとも一種の金属を
含有するヘテロポリ酸とメタロシリケートとからなる低
級炭化水素の芳香族化触媒に関する。
【0011】また、本発明は、亜鉛、ガリウム及びコバ
ルトからなる金属並びにそれらの金属の化合物からなる
群から選ばれた少なくとも一種とメタロシリケートとか
らなる触媒の存在下、低級炭化水素を高温で反応させる
事を特徴とする芳香族炭化水素を主成分とする芳香族化
合物及び水素の製造方法の関する。
【0012】また、本発明は、モリブデン及びその化合
物から選ばれた少なくとも一種と、亜鉛、ガリウム、コ
バルト、クロム、ランタン、ネオジム、サマリウム及び
イットリウムからなる金属並びにそれらの金属の化合物
からなる群から選ばれた少なくとも一種と、メタロシリ
ケートとからなる触媒の存在下、低級炭化水素を高温接
触反応させる事を特徴とする芳香族炭化水素を主成分と
する芳香族化合物及び水素の製造方法に関する。
【0013】また、本発明は、モリブデン、タングステ
ン及びバナジウムから選ばれた少なくとも一種の金属を
含有するヘテロポリ酸とメタロシリケートとからなる低
級炭化水素の芳香族化触媒の存在下、低級炭化水素を高
温で反応させる事を特徴とする芳香族炭化水素を主成分
とする芳香族化合物及び水素の製造方法に関する。
【0014】
【発明の実施の形態】本発明の芳香族化触媒に使用する
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、シリカ及びアルミナからなる多孔質体であるモ
レキュラーシーブ5A(UTA)、フォジャサイト(N
aY)及びNaX、ZSM−5やリン酸を主成分とする
ALPO−5、VPI−5等の多孔質担体で6〜13Å
のミクロ細孔やチャンネルからなることを特徴とするゼ
オライト担体や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(10〜100Å)の筒状細孔(チ
ャンネル)で特徴つけられるFSM−16やMCM−4
1などのメゾ細孔多孔質担体などが例示できる。アルミ
ノシリケートの他に、シリカ及びチタニアから成るチタ
ノシリケート等も用いる事が出来る。
【0015】本発明で用いるメタロシリケートは、表面
積が200〜1000m2 /gであり、そのミクロ及び
メゾ細孔は5〜100Åの範囲のものが好ましい。メタ
ロシリケートが例えばアルミノシリケートである場合に
は、そのシリカとアルミナの含有比としては通常入手し
得る多孔質担体のシリカ/アルミナ=1〜8000のも
のを用いることができるが、本発明の低級炭化水素の芳
香族化反応を、実用的な低級炭化水素の転化率及び芳香
族化合物への選択率で実施するためには、シリカ/アル
ミナ比は10〜100であることが好ましい。
【0016】本発明の触媒に用いられる亜鉛、ガリウム
及びコバルトからなる金属並びにそれらの化合物から選
ばれた少なくとも一種とメタロシリケートとからなる低
級炭化水素の芳香族化触媒は、亜鉛、ガリウム及びコバ
ルトを含む前駆体をメタロシリケートに担持する事によ
り得られる。
【0017】本発明の触媒に用いられる亜鉛、ガリウム
及びコバルトを含む前駆体の例としては、亜鉛、ガリウ
ムおよびコバルトの塩化物、臭化物等のハロゲン化物、
硝酸塩、硫酸塩、リン酸塩等の鉱酸塩、炭酸塩、酢酸
塩、蓚酸塩等のカルボン酸塩が例示できる。亜鉛、ガリ
ウムおよびコバルトをメタロシリケートに担持する際
の、金属又はその化合物と担体の重量比はあらゆる範囲
の担持量に適用が可能であるが、一般的には0.001
〜50%、好ましくは0.01〜40%が良好な担持範
囲である。
【0018】亜鉛、ガリウム及びコバルトをメタロシリ
ケートに担持させる方法としては、前述した金属の前駆
体の水溶液あるいはアルコール等の有機溶媒の溶液から
メタロシリケート担体に含浸担持あるいはイオン変換方
法により担持させた後、不活性ガスあるいは酸素ガス中
で加熱処理する方法がある。この方法の例をより具体的
に説明すると、まず最初に例えば、メタロシリケート担
体に硝酸亜鉛の水溶液を含浸担持させ、さらに乾燥して
溶媒を適当量除いた後、窒素含有酸素気流中又は純酸素
気流中で250〜800℃、好ましくは350〜600
℃で加熱処理して亜鉛を担持したメタロシリケート触媒
を製造することができる。
【0019】本発明の触媒である(1)モリブデン及び
/又はその化合物、(2)亜鉛、ガリウム、コバルト、
クロム、ランタン、ネオジム、サマリウム、イットリウ
ム及びそれらの化合物からなる群から選ばれた少なくと
も一種類の金属及び/又はそれらの化合物(以下、第二
成分と略記する)、及び(3)メタロシリケートからな
る低級炭化水素の芳香族化触媒は、以下の各方法で製造
することができる。即ち、(1)メタロシリケートにま
ずモリブデンを担持させた後、第二成分を担持させる。
(2)メタロシリケートにまず第二成分を担持させた
後、モリブデンを担持させる。(3)メタロシリケート
にモリブデンと第二成分を同時に担持させる。これらの
方法の中では、(1)の方法が好ましい。
【0020】モリブデンを含む前駆体の例としては、パ
ラモリブデン酸アンモニウム、リンモリブデン酸、12
ケイモリブデン酸の他に、塩化物、臭化物等のハロゲン
化物、硝酸塩、硫酸塩、リン酸塩等の鉱酸塩、炭酸塩、
酢酸塩、蓚酸塩等のカルボン酸塩等が例示できる。ま
た、第二成分を含む前駆体の例としては、第二成分の塩
化物、臭化物等のハロゲン化物、硝酸塩、硫酸塩、リン
酸塩等の鉱酸塩、炭酸塩、酢酸塩、蓚酸塩等のカルボン
酸塩等が例示できる。
【0021】モリブデンをメタロシリケート担体に担持
させる際の、金属と担体の重量比は0.001〜50
%、好ましくは0.01〜40%が良好な担持範囲であ
り、第二成分と担体の重量比は0.001〜50%、好
ましくは0.01〜40%が良好な担持範囲である。た
だし、モリブデンと担体の重量比と第二成分と担体の重
量比との合計は0.001〜50%、好ましくは0.0
1〜40%の担持範囲である。また、メタロシリケート
への金属の担持方法や、加熱処理方法は上述した方法と
同様に実施できる。
【0022】本発明で用いられるモリブデン、タングス
テン又はバナジウムから選ばれた少なくとも一種類の金
属を含有するヘテロポリ酸とメタロシリケートからなる
低級炭化水素の芳香族化触媒は、ヘテロポリ酸をメタロ
シリケートに担持することにより製造できる。ヘテロポ
リ酸の例としては、12−リンモリブデン酸、12−リ
ンタングステン酸、12−リンモリブデンタングステン
酸、12−リンモリブデンバナジン酸等が例示できる。
ヘテロポリ酸をメタロシリケートに担持させる際の金属
と担体の重量比(使用されるヘテロポリ酸中に含まれる
モリブデン、タングステン及び又はバナジウム金属と担
体の重量比)は、0.001〜50%、好ましくは0.
01〜40%の担持範囲である。また、メタロシリケー
トへのヘテロポリ酸の担持方法や、加熱処理方法は上述
した方法と同様に実施できる。
【0023】本発明に用いる触媒は粉末状又はペレット
状及びその他形状を問わず使用できる。本発明に用いる
低級炭化水素変換触媒は芳香族化合物を生成する誘導期
を短縮するため、水素ガスやヒドラジン、金属水素化合
物例えば、BH3 、NaH、AlH3 等による前処理を
含む触媒活性化過程を施してもよい。
【0024】本発明で原料として用いられる低級炭化水
素は、重量%で少なくとも50%、好ましくは少なくと
も70%のメタンを含有することが好ましい。メタン含
有量がこの範囲であれば、その他に炭素数が2〜6の飽
和及び不飽和炭化水素が含まれていても差し支えない。
これらの例としては、エタン、エチレン、プロパン、プ
ロピレン、n−ブタン、イソブタン、n−ブテン及びイ
ソブテン等が例示できる。
【0025】本発明の低級炭化水素の変換反応は、回分
式あるいは流通式の反応形式で実施されるが、固定床、
移動床又は流動化床等の流通式反応形式で実施すること
が好ましい。反応は、低級炭化水素原料を、気相中で酸
素の非存在下で300〜800℃、好ましくは450〜
775℃で触媒と接触させることによっておこなわれ
る。反応は、0.1〜10気圧、好ましくは1〜7気圧
で好適に実施される。重量時間空間速度(WHSV)は
0.1〜10であり、好ましくは0.5〜5.0であ
る。反応生成物から回収される未反応原料は、芳香族化
反応に再循環させることができる。
【0026】
【実施例】以下に本発明を実施例によりさらに詳細に説
明する。なお、メタン転化率、炭化水素選択率、炭化水
素の分布及び水素生成速度は以下のように定義した。 メタン転化率=(原料メタンモル数−未反応のメタンモ
ル数)/原料メタンモル数×100(%) 炭化水素選択率=生成した全炭化水素のメタン換算モル
数/(原料メタンモル数−未反応のメタンモル数)×10
0 (%) 炭化水素の分布=着目する炭化水素のメタン換算モル数
/生成した全炭化水素のメタン換算モル数×100
(%) 水素生成速度=触媒1gあたり、1秒間に生成した水素
のnmol数
【0027】実施例1 HZSM−5に亜鉛、ガリウム、コバルトを担持した触
媒の調製方法:0.21gの硝酸亜鉛を3mlの蒸留水
に溶解し、HZSM−5(シリカ/アルミナ比=23)
(表面積800m2 /g,細孔径=7Å)の粉末1.5
gを混入し、充分に攪拌しながら回転式減圧エバポレー
ターを用いて蒸発乾固して、硝酸亜鉛のHZSM−5担
持体を得た。これを石英製反応管(1.2φ長さ30c
mV字タイプ)に充填後、純酸素ガス(40ml/分、
1気圧)を流しながら、400℃で4時間焼成して3%
の亜鉛をHZSM−5に担持した触媒(以下、Zn(3
%)/HZSM−5と略記する)を得た。同様にして、
Co(2%)/HZSM−5触媒及びGa(2%)/H
ZSM−5触媒を調製した。
【0028】実施例2 実施例1で調製した担持HZSM−5触媒を用いて、メ
タンの芳香族化反応を行った。Co(2%)/HZSM
−5触媒(シリカ/アルミナ比=23)0.3gを固定
床流通式反応装置の石英製反応器(内径8mm)に充填
し、反応温度700℃、常圧でメタンガスを7.5ml
/minの流量で供給し、メタンの芳香族化反応を行っ
た。反応物中には未反応のメタンの他に、水素、一酸化
炭素、二酸化炭素、炭素数2〜5の炭化水素、ベンゼ
ン、トルエン、キシレン、メシチレン、ナフタレン、メ
チルナフタレン、ジメチルナフタレン等が存在してい
た。反応開始後、200分経過後の結果を、表1に示
す。同様にして、実施例1で調製したGa(2%)/H
ZSM−5触媒、Zn(3%)/HZSM−5触媒を用
いて、実施例2と同様の方法でメタンの芳香族化反応を
行った。反応開始後、200分経過後の反応成績を表1
に示す。
【0029】比較例1 実施例2の比較例として金属を担持しないHZSM−5
触媒を用いて、実施例2と同様の方法でメタンの芳香族
化反応を行った。反応開始後、200分経過後の結果
を、表1に示す。
【0030】
【表1】
【0031】注:以下の定義は表1〜4に共通。Co
(2%)はHZSM−5にコバルトを2%担持した触媒
を示す。 転化率:メタン転化率 HC選択率:炭化水素選択率 HC分布:炭化水素の分布 C6 H6 :ベンゼン C10H8 :ナフタレン
【0032】実施例3 HZSM−5にモリブデンを担持した触媒の調製方法:
0.66gパラモリブデン酸アンモニウム塩を10ml
の蒸留水に溶解し、HZSM−5(シリカ/アルミナ比
=12)(表面積800m2 /g,細孔径=7Å)の粉
末12gを加え、充分に攪拌しながら回転式減圧エバポ
レーターを用いて蒸発乾固して、パラモリブデン酸アン
モニウムのHZSM−5担持体を得た。これを石英製反
応管(1.2φ長さ30cmV字タイプ)に充填後、純
酸素ガス流(40ml/分、1気圧)下、400℃で4
時間焼成して薄草色粉末としてMo(3%)/HZSM
−5を得た。
【0033】Mo(3%)/HZSM−5触媒に更にコ
バルト、ガリウム、亜鉛、クロムを担持した触媒の調製
方法:硝酸コバルト0.072gを3mlの蒸留水に溶
解し、さらに上記で調製したMo(3%)/HZSM−
5触媒1.5gを加えた後、同様に蒸発乾固、焼成する
事により、Mo(3%)/Co(1%)/HZSM−5
触媒を調製した。同様にして、Mo(3%)/Ga
(1.5%)/HZSM−5触媒、Mo(3%)/Zn
(1%)/HZSM−5触媒及びMo(3%)/Cr
(3%)/HZSM−5触媒を調製した。
【0034】実施例4 実施例3で調製しMo(3%)/HZSM−5触媒に更
にコバルト、ガリウム、亜鉛、クロムを担持した触媒を
用いて実施例2と同様の方法でメタンの芳香族化反応を
行った。反応開始後、200分経過後の結果を表2に示
す。 比較例2 実施例4の比較例として6%のMoを担持したMo/H
ZSM−5触媒を用いて実施例2と同様の方法でメタン
の芳香族化反応を行った。反応開始後、200分経過後
の結果を表2に示す。
【0035】
【表2】
【0036】実施例5 Mo(3%)/HZSM−5触媒に更にランタン、ネオ
ジム、サマリウム、イットリウムを担持した触媒の調製
方法:硝酸ランタン0.11gを2mlの蒸留水に溶解
し、さらに実施例3で調製したMo(3%)/HZSM
−5触媒1.2gを加えた後、同様に蒸発乾固、焼成す
る事により、Mo(3%)/La(3%)/HZSM−
5触媒を調製した。同様にして、Mo(3%)/Nd
(3%)/HZSM−5触媒、Mo(3%)/Sm(3
%)/HZSM−5触媒及びMo(3%)/Y(3%)
/HZSM−5触媒を調製した。
【0037】実施例6 実施例5で調製しMo(3%)/HZSM−5触媒に更
にランタン、ネオジム、サマリウム、イットリウムを担
持した触媒を用いて実施例2と同様の方法でメタンの芳
香族化反応を行った。反応開始後、200分経過後の結
果を表3に示す。
【0038】
【表3】
【0039】実施例7 HZSM−5にヘテロポリ酸を担持した触媒の調製及び
反応:12−リンモリブデンタングステン酸を原料とし
HZSM−5に担持して調製したPMoW(1.5%)
−HZSM−5触媒を用いて行ったメタンの芳香族化試
験結果を表4に示す。同様にして12−リンモリブデン
バナジウム酸を原料としたPMoV(3%)−HZSM
−5触媒を調製し、同様にメタンの芳香族化試験結果を
表4に示す。
【0040】
【表4】
【0041】
【発明の効果】本発明の触媒は,芳香族化反応の触媒と
してきわめて優れた転化率、選択率を示す。また、本発
明の触媒を使用した芳香族化方法により、メタン等の低
級炭化水素から高付加価値のベンゼン、トルエン、キシ
レン及びナフタレン等の芳香族炭化水素及び水素を高活
性、高収率で製造することが可能である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI C07C 15/24 C07C 15/24

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 亜鉛、ガリウム及びコバルトからなる金
    属並びにそれらの金属の化合物からなる群から選ばれた
    少なくとも一種とメタロシリケートとからなる低級炭化
    水素の芳香族化触媒。
  2. 【請求項2】 モリブデン及びその化合物から選ばれた
    少なくとも一種と、亜鉛、ガリウム、コバルト、クロ
    ム、ランタン、ネオジム、サマリウム及びイットリウム
    からなる金属並びにそれらの金属の化合物からなる群か
    ら選ばれた少なくとも一種と、メタロシリケートとから
    なる低級炭化水素の芳香族化触媒。
  3. 【請求項3】 モリブデン、タングステン及びバナジウ
    ムから選ばれた少なくとも一種の金属を含有するヘテロ
    ポリ酸とメタロシリケートとからなる低級炭化水素の芳
    香族化触媒。
  4. 【請求項4】 亜鉛、ガリウム及びコバルトからなる金
    属並びにそれらの金属の化合物からなる群から選ばれた
    少なくとも一種とメタロシリケートとからなる触媒の存
    在下、低級炭化水素を高温で接触反応させる事を特徴と
    する芳香族炭化水素を主成分とする芳香族化合物及び水
    素の製造方法。
  5. 【請求項5】 モリブデン及びその化合物から選ばれた
    少なくとも一種と、亜鉛、ガリウム、コバルト、クロ
    ム、ランタン、ネオジム、サマリウム及びイットリウム
    からなる金属並びにそれらの金属の化合物からなる群か
    ら選ばれた少なくとも一種と、メタロシリケートとから
    なる触媒の存在下、低級炭化水素を高温接触反応させる
    事を特徴とする芳香族炭化水素を主成分とする芳香族化
    合物及び水素の製造方法。
  6. 【請求項6】 モリブデン、タングステン及びバナジウ
    ムから選ばれた少なくとも一種の金属を含有するヘテロ
    ポリ酸とメタロシリケートとからなる低級炭化水素の芳
    香族化触媒の存在下、低級炭化水素を高温で接触反応さ
    せる事を特徴とする芳香族炭化水素を主成分とする芳香
    族化合物及び水素の製造方法。
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