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JP4304340B2 - Catalyst for production of alcohol, production method and apparatus thereof - Google Patents

Catalyst for production of alcohol, production method and apparatus thereof Download PDF

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JP4304340B2
JP4304340B2 JP2004079469A JP2004079469A JP4304340B2 JP 4304340 B2 JP4304340 B2 JP 4304340B2 JP 2004079469 A JP2004079469 A JP 2004079469A JP 2004079469 A JP2004079469 A JP 2004079469A JP 4304340 B2 JP4304340 B2 JP 4304340B2
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直樹 三村
和久 村田
茂生 大山
厚 高橋
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Description

本発明は、低級炭化水素の直接酸化によるアルコール類の製造方法、それに用いる触媒及びその製造装置に関するものである。    The present invention relates to a method for producing alcohols by direct oxidation of lower hydrocarbons, a catalyst used therefor, and a production apparatus therefor.

アルコール類は重要な基礎化学物質であり、燃料、化学原料などの広範な分野に用いられている。なかでも、特に需要が多く、最も重要度が高いと考えられるメタノールについて詳しく説明する。メタノールは1995年当時において世界で年間3000万トンの生産能力があり、今後は燃料電池の燃料としても期待されておりさらなる需要増加が見込まれる。また、メタノールは酸触媒による脱水反応により低公害ディーゼル燃料であるジメチルエーテルが製造され、さらにロジウム錯体を用いたモンサントプロセスで一酸化炭素と反応させると工業的に需要の多い酢酸が製造される。   Alcohols are important basic chemical substances and are used in a wide range of fields such as fuels and chemical raw materials. In particular, methanol will be described in detail, which is particularly demanded and considered the most important. Methanol has a worldwide production capacity of 30 million tons annually in 1995, and is expected to become a fuel for fuel cells in the future. In addition, dimethyl ether, which is a low-pollution diesel fuel, is produced by a dehydration reaction using an acid catalyst, and methanol is reacted with carbon monoxide by a Monsanto process using a rhodium complex to produce acetic acid which is industrially highly demanded.

現在、メタノールの主な製法は次のとおりである。メタンに代表される低級炭化水素を部分酸化またはスチームリフォーミングして合成ガス(H+CO)を得、その成分比を適宜調整して原料ガス(H+CO+CO)とした後、これを反応温度200〜300℃、20〜100気圧で銅、亜鉛を主成分とする触媒に接触させるという方法が一般的である(例えば、非特許文献1参照)。 Currently, the main production methods of methanol are as follows. A lower hydrocarbon represented by methane is partially oxidized or steam reformed to obtain a synthesis gas (H 2 + CO), and its component ratio is adjusted appropriately to obtain a raw material gas (H 2 + CO + CO 2 ), which is then reacted. A method of contacting a catalyst mainly composed of copper and zinc at a temperature of 200 to 300 ° C. and 20 to 100 atm is common (see, for example, Non-Patent Document 1).

アルコール合成の理想的な反応としては、飽和炭化水素を部分酸化または選択酸化反応により直接アルコール(メタノールなど)に変換させる反応があり、メタン、プロパンなどで例示すると下記の化学式で表される。
(1) CH+1/2O→CHOH
(2) C+1/2O→CHOH+C
(3) C+1/2O →(n−,iso−)COH
(1)はメタンから酸化的反応で直接メタノールを得る反応、(2)はプロパンからメタノール及び工業的にも重要な化学原料であるエチレンを得る反応、(3)はプロパンからプロパノールを得る反応である。
しかしながら、上記の反応、特に(1)に示すメタンからメタノールの直接合成に適する決定的な触媒は盛んな研究開発にもかかわらず、未だに見出されておらず、非常に困難な反応であるとされている。
As an ideal reaction for alcohol synthesis, there is a reaction in which a saturated hydrocarbon is directly converted to an alcohol (such as methanol) by partial oxidation or selective oxidation reaction, which is represented by the following chemical formula as exemplified by methane, propane and the like.
(1) CH 4 + 1 / 2O 2 → CH 3 OH
(2) C 3 H 8 + 1 / 2O 2 → CH 3 OH + C 2 H 4
(3) C 3 H 8 + 1 / 2O 2 → (n−, iso−) C 3 H 7 OH
(1) is a reaction to obtain methanol directly from methane by oxidative reaction, (2) is a reaction to obtain methanol from propane and ethylene which is an industrially important chemical raw material, and (3) is a reaction to obtain propanol from propane. is there.
However, the decisive catalyst suitable for the direct synthesis of methanol from methane shown in (1) above, in particular, has not yet been found in spite of active research and development, and is a very difficult reaction. Has been.

「有機プロセス工業」八嶋建明、藤元薫著、大日本図書、2:「化学プロセス」化学工学会編、東京化学同人)“Organic Process Industry” by Tateaki Yajima, Atsushi Fujimoto, Dai Nippon Books, 2: “Chemical Process”, Chemical Engineering Society, Tokyo Chemical Doujin)

本発明は、従来の技術における上記した実状に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、炭化水素と分子状酸素を原料として一段階反応でアルコール類を製造する方法を提供すること、その反応に好適な触媒を提供すること及びその反応に好適な反応装置を提供することにある。   This invention is made | formed in view of the above-mentioned actual condition in a prior art. That is, an object of the present invention is to provide a method for producing alcohols by a one-step reaction using hydrocarbons and molecular oxygen as raw materials, to provide a catalyst suitable for the reaction, and a reactor suitable for the reaction Is to provide.

本発明者らは、低級炭化水素と分子状酸素とを反応させて一段でアルコール類を合成する反応について鋭意検討を重ねた結果、チタン酸化物と他の無機物との無機複合体がアルコール類の製造用触媒として有用であること、及びその触媒と接触後の生成物含有ガスが、ある程度長時間反応温度に保たれた空間層に滞留する構造の流通式反応装置がアルコールの製造装置として有用であることを見出し、本発明を完成させるに至った。   As a result of intensive studies on the reaction of synthesizing alcohols in a single step by reacting lower hydrocarbons with molecular oxygen, the present inventors have found that inorganic complexes of titanium oxide and other inorganic substances are alcohols. Useful as a catalyst for production, and a flow reactor having a structure in which the product-containing gas after contact with the catalyst stays in a space layer maintained at the reaction temperature for a certain period of time is useful as an alcohol production device. As a result, the present invention has been completed.

すなわち、本発明のアルコール類の製造方法は、炭化水素及び分子状酸素を、チタン化合物を含む無機複合体触媒と接触させることを特徴とするものである。
そのチタン化合物は、塩化チタン、チタンテトラアルコキシド及びチタン錯体から選ばれる前駆体から得られたものであることが好ましい。
また、本発明の炭化水素の直接酸化によるアルコール類の製造用触媒は、チタン化合物と無機化合物との無機複合体からなることを特徴とするものである。
さらに、本発明のアルコール類製造装置は、炭化水素と分子状酸素を気相反応させてアルコール類を製造する流通式アルコール製造装置であって、チタン化合物を含む無機複合体触媒充填層及びその触媒接触後のガスが長時間滞留する空間層を備えてなり、その空間層が反応温度またはその近傍温度に保温されている反応管または反応槽であることを特徴とする。
That is, the alcohol production method of the present invention is characterized in that hydrocarbons and molecular oxygen are brought into contact with an inorganic composite catalyst containing a titanium compound.
The titanium compound is preferably obtained from a precursor selected from titanium chloride, titanium tetraalkoxide and a titanium complex.
Further, the catalyst for producing alcohols by direct oxidation of hydrocarbons according to the present invention is characterized by comprising an inorganic complex of a titanium compound and an inorganic compound.
Furthermore, the alcohol production apparatus of the present invention is a flow-through alcohol production apparatus for producing an alcohol by reacting a hydrocarbon and molecular oxygen in a gas phase, and includes an inorganic composite catalyst packed layer containing a titanium compound and a catalyst thereof A space layer in which the gas after contact stays for a long time is provided, and the space layer is a reaction tube or a reaction vessel kept at a reaction temperature or a temperature in the vicinity thereof.

本発明は、炭化水素と酸素との気相反応で直接アルコール類を得るものであって、メタノールなどの高需要なアルコール類を安価で簡易に製造することが可能である。   In the present invention, alcohols are directly obtained by a gas phase reaction between hydrocarbon and oxygen, and high demand alcohols such as methanol can be easily produced at low cost.

本発明は、チタン化合物を含む無機複合体触媒の存在下に、炭化水素と分子状酸素から一段の気相反応でアルコール類を製造するものである。本発明に用いられるチタン化合物を含む無機複合体触媒は、チタンまたはその化合物と無機物質が化学的または物理的に複合化された物質である。チタンまたはその化合物として特に好ましい物質はチタン酸化物である。また、無機物質として好ましいものとしては、金属化合物、炭素材料、珪素化合物、ゼオライト系化合物またはメソポーラス物質などが例示されるが、これらに限定されるものではない。   In the present invention, alcohols are produced from hydrocarbons and molecular oxygen by a one-step gas phase reaction in the presence of an inorganic composite catalyst containing a titanium compound. The inorganic composite catalyst containing a titanium compound used in the present invention is a substance in which titanium or a compound thereof and an inorganic substance are chemically or physically combined. A particularly preferable substance as titanium or a compound thereof is titanium oxide. Examples of preferable inorganic substances include, but are not limited to, metal compounds, carbon materials, silicon compounds, zeolitic compounds, and mesoporous substances.

その無機物質についてさらに詳しく例示すると、金属化合物としては、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、スカンジウム、イットリウム、チタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、マンガン、テクネチウム、レニウム、鉄、ルテニウム、オスミウム、コバルト、ロジウム、イリジウム、ニッケル、パラジウム、白金、銅、銀、金、亜鉛、カドミウム、水銀、アルミニウム、ガリウム、インジウム、ツリウム、ゲルマニウム、スズ、鉛、ランタン、セリウム、プラセオジム、サマリウム、ユーロピウムの酸化物、塩化物、炭酸塩、硫酸塩、硝酸塩または硫化物などが挙げられる。中でも好ましく用いることができるのはマグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、ニオブ、亜鉛、セリウム、ランタンの酸化物、炭酸塩である。例えば、アルミニウム酸化物(化学式:Al)のように同じ原子組成であってもアルファ型、ガンマ型などの多様な結晶構造をもつ場合はどの結晶構造でも用いることができる。それらの化合物は2種以上の金属元素が含有されている複合化合物であっても良い。 Illustrating the inorganic substance in more detail, examples of the metal compound include lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium, magnesium, calcium, strontium, barium, scandium, yttrium, titanium, zirconium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, Tungsten, manganese, technetium, rhenium, iron, ruthenium, osmium, cobalt, rhodium, iridium, nickel, palladium, platinum, copper, silver, gold, zinc, cadmium, mercury, aluminum, gallium, indium, thulium, germanium, tin, Examples thereof include lead, lanthanum, cerium, praseodymium, samarium, europium oxide, chloride, carbonate, sulfate, nitrate or sulfide. Among these, magnesium, calcium, strontium, barium, titanium, zirconium, aluminum, niobium, zinc, cerium, lanthanum oxide, and carbonate can be preferably used. For example, any crystal structure can be used as long as it has various crystal structures such as an alpha type and a gamma type even with the same atomic composition such as aluminum oxide (chemical formula: Al 2 O 3 ). These compounds may be composite compounds containing two or more metal elements.

炭素材料の例としては、活性炭、グラファイト、フラーレン、カーボンナノチューブ、ダイヤモンドなどが例示される。珪素化合物の例としては二酸化珪素、シリカゲル、窒化珪素、炭化珪素、シリカライトが例示される。ゼオライト系化合物はA型、X型、Y型、モルデナイト、ベータ、ZSM−5、ZSM−11、AlPOn、SAPOn(nは正の整数である)などが例示され、メソポーラス物質としては、科学技術文献などに一般的に広く用いられている略称としてMCM−41、SBA−15、FSM−16と称される物質などが例示されるが、これらに限定されるものではない。 Examples of the carbon material include activated carbon, graphite, fullerene, carbon nanotube, and diamond. Examples of the silicon compound include silicon dioxide, silica gel, silicon nitride, silicon carbide, and silicalite. Zeolite compounds include A type, X type, Y type, mordenite, beta, ZSM-5, ZSM-11, AlPO - n, SAPO - n (n is a positive integer), etc. Examples of the abbreviations commonly used in scientific and technical literature include MCM-41, SBA-15, and FSM-16, but are not limited thereto.

これらの無機複合体を調製するには公知の方法が用いられ、好ましい方法としては含浸法、ゾルゲル法、気相蒸着法、液相吸着法などが例示されるが、これらに限定されるものではない。簡便で安全に得られる方法として特に好ましい含浸法を用いて、さらに詳細に説明する。チタン化合物として、例えばチタンテトラアルコキシドの一種であるチタンテトライソプロポキシド、チタン錯体の一種であるチタンペルオキソクエン酸アンモニウムまたは塩化チタンなどのチタン酸化物の前駆体であるチタン化合物を溶媒に溶解させ、この溶液中に担体の無機化合物の粉末またはペレットを分散させて十分に撹拌し、減圧、加熱などの方法で溶媒を除去することにより無機担体とチタン化合物を結合させる。この溶媒にはチタン化合物の種類に応じてその化合物が容易に溶解するように、また、無機担体と親和性の高い適切な溶媒が用いられ、その例としては水、アルコール類、エーテル類、エステル類、石油系溶剤類などが挙げられる。また、無機担体は用いる担持方法に好適な公知の前処理を行ってもよい。前処理の例としては、加熱、乾燥、ガス処理などが挙げられるが、これらに限定されない。また、前記の炭素材料では、必要に応じて酸素処理、水蒸気処理などの公知の処理法で表面特性を変化させて用いることができるが、これらの前処理を行うことは必須ではない。   Known methods are used to prepare these inorganic composites, and preferred methods include impregnation method, sol-gel method, vapor phase deposition method, liquid phase adsorption method and the like, but are not limited thereto. Absent. This will be described in more detail using a particularly preferred impregnation method as a simple and safe method. As a titanium compound, for example, titanium tetraisopropoxide which is a kind of titanium tetraalkoxide, titanium compound which is a precursor of titanium oxide such as titanium peroxocitrate ammonium which is a kind of titanium complex or titanium chloride is dissolved in a solvent, The inorganic carrier powder or pellets in the carrier are dispersed in this solution and stirred sufficiently, and the solvent is removed by a method such as reduced pressure or heating to bond the inorganic carrier and the titanium compound. As this solvent, an appropriate solvent having high affinity with an inorganic carrier is used so that the compound can be easily dissolved according to the type of titanium compound. Examples thereof include water, alcohols, ethers, esters. And petroleum solvents. In addition, the inorganic carrier may be subjected to a known pretreatment suitable for the loading method used. Examples of pretreatment include, but are not limited to, heating, drying, gas treatment and the like. In addition, the carbon material can be used by changing the surface characteristics by a known treatment method such as oxygen treatment or steam treatment, if necessary, but it is not essential to perform these pretreatments.

次に、チタン化合物を担持させた後、チタン化合物に熱、電磁波、放射線などの外部からエネルギーを付与するかまたは反応剤を加えて最終的に酸化物の状態に変化させることが好ましい。外部より熱、電磁波、放射線などのエネルギーを与える手法として、公知の方法を用いることができる。例えば、安全かつ容易に行う方法として電気炉、ガス炉、イメージ炉のような炉を用いる加熱、赤外線の照射、可視光線の照射、紫外線の照射、マイクロ波の照射、エックス線の照射、レーザーの照射、電子線の照射、アルファ線の照射、ベータ線の照射、ガンマ線の照射などが例示されるが、これらに限定されるものではない。また赤外線、紫外線、マイクロ波などの光、電磁波の波長は限定されない。   Next, after the titanium compound is supported, it is preferable to apply energy to the titanium compound from the outside such as heat, electromagnetic waves, radiation, or the like, or add a reactive agent to finally change the state to an oxide state. As a method for applying energy such as heat, electromagnetic waves, and radiation from the outside, a known method can be used. For example, as a safe and easy method, heating using a furnace such as an electric furnace, gas furnace, image furnace, infrared irradiation, visible light irradiation, ultraviolet irradiation, microwave irradiation, X-ray irradiation, laser irradiation Examples include, but are not limited to, electron beam irradiation, alpha ray irradiation, beta ray irradiation, and gamma ray irradiation. In addition, the wavelengths of light such as infrared rays, ultraviolet rays, and microwaves, and electromagnetic waves are not limited.

また、前駆体を分解させる雰囲気としては、空気、酸素、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、一酸化炭素、水蒸気及びこれらの混合ガスが好ましいが、これらに限定されない。その際に加えられる熱、電磁波、放射線のエネルギーの総量は、前駆体の大部分を分解してチタン酸化物に変化するのに充分な量であることが望ましい。外部エネルギーとして熱を選択した場合、加熱温度は特に限定されないが、好ましい温度は100〜1500℃、より好ましくは300〜800℃である。また、加熱時間は1秒〜10日が好ましく、より好ましくは10秒〜10時間である。   The atmosphere for decomposing the precursor is preferably air, oxygen, nitrogen, argon, helium, carbon dioxide, carbon monoxide, water vapor, or a mixed gas thereof, but is not limited thereto. The total amount of heat, electromagnetic wave, and radiation energy applied at that time is desirably an amount sufficient to decompose most of the precursor into titanium oxide. When heat is selected as the external energy, the heating temperature is not particularly limited, but a preferable temperature is 100 to 1500 ° C, more preferably 300 to 800 ° C. The heating time is preferably 1 second to 10 days, more preferably 10 seconds to 10 hours.

反応剤としては、塩酸、硝酸、硫酸などの酸性物質、水酸化ナトリウム、アンモニア水、炭酸ナトリウムなどの塩基性物質などが例示されるが、用いるチタン前駆体の分解に適した物質を適量用いることが好ましい。反応剤を用いる場合、反応の終了後に加熱、洗浄などの方法で反応剤を除去することが好ましい。   Examples of the reactant include acidic substances such as hydrochloric acid, nitric acid and sulfuric acid, and basic substances such as sodium hydroxide, aqueous ammonia and sodium carbonate, but use an appropriate amount of a substance suitable for decomposing the titanium precursor to be used. Is preferred. When using a reactive agent, it is preferable to remove the reactive agent by a method such as heating or washing after completion of the reaction.

本発明におけるアルコール類の製法における原料ガスとしては、炭化水素と分子状酸素を必須成分として含有する必要がある。その炭化水素としては、低級飽和炭化水素及び低級不飽和炭化水素から選ばれるものが好ましく、具体的にはメタン、エタン、プロパン、n−ブタン、イソブタン、エチレン、プロピレン、1−ブテン、2−ブテン、イソブテン、ブタジエン、アセチレンから選ばれる1種以上が用いられる。また、分子状酸素としては、純酸素、空気などの酸素含有ガスが用いられる。さらに、酸化反応の暴走などによる爆発防止などの安全性の観点、反応時の発熱を緩和し速やかに除去するための熱媒体などの観点から、必要に応じて不活性な希釈ガスを混合することが好ましい。その希釈ガスとしては、窒素、ヘリウム、アルゴン、ネオン、クリプトン、キセノン、ラドン、二酸化炭素、一酸化炭素、水蒸気などが例示される。これらのガスは必ずしも単独で用いる必要性は無く、2種以上を混合して用いても良い。   The raw material gas used in the process for producing alcohols in the present invention needs to contain hydrocarbon and molecular oxygen as essential components. The hydrocarbon is preferably selected from lower saturated hydrocarbons and lower unsaturated hydrocarbons, specifically methane, ethane, propane, n-butane, isobutane, ethylene, propylene, 1-butene, 2-butene. , One or more selected from isobutene, butadiene, and acetylene are used. As the molecular oxygen, oxygen-containing gas such as pure oxygen or air is used. Furthermore, from the viewpoint of safety such as prevention of explosion due to runaway of oxidation reaction, etc., and from the viewpoint of heat medium etc. for mitigating heat generation during reaction and removing it quickly, inert diluent gas should be mixed as necessary. Is preferred. Examples of the dilution gas include nitrogen, helium, argon, neon, krypton, xenon, radon, carbon dioxide, carbon monoxide, and water vapor. These gases are not necessarily used alone, and two or more kinds may be mixed and used.

本発明において、炭化水素と分子状酸素を気相反応させてアルコール類を製造する反応装置としては、通常、流通式、バッチ式などの固体触媒、粉体触媒を用いるために適した公知の反応形式を適用できるが、流通式反応器を用いることが好ましい。反応装置の材質には石英、ステンレスなどのように耐熱性が高く、不活性な材質で作製されていることが好ましく、さらに公知の不活性材料でコーティングなどの処理を施したものであっても良い。本発明では、チタン化合物を含む無機複合体触媒充填層の後に、その触媒と接触した後のガスが長時間滞留する空間層が備えられており、その空間層は反応温度またはその近傍温度に保温されている反応管または反応槽からなるものである。   In the present invention, as a reaction apparatus for producing alcohols by gas phase reaction of hydrocarbon and molecular oxygen, a known reaction suitable for using a solid catalyst such as a flow type or a batch type, or a powder catalyst is usually used. Although the format can be applied, it is preferable to use a flow reactor. The material of the reactor is preferably made of an inert material having high heat resistance such as quartz or stainless steel, and even if it has been treated with a known inert material such as coating. good. In the present invention, a space layer in which a gas after contact with the catalyst stays for a long time is provided after the inorganic composite catalyst packed layer containing a titanium compound, and the space layer is kept at a reaction temperature or a temperature in the vicinity thereof. It consists of a reaction tube or reaction tank.

触媒充填層と空間層の間は、触媒の移動及び流出を防止するために、ガスの流通を妨げることなく、不活性な材質および形状の仕切りで仕切られていることが望ましい。空間層は、触媒と接触した後の混合生成ガスがある程度長時間滞留する層であり、反応温度またはそれに近い温度、好ましくは100〜1200℃、より好ましくは200〜800℃に保温されていることが好ましい。触媒層と後部空間層の温度差は特に限定されないが、(触媒層温度)−(空間層温度)の値が−200〜200℃の範囲が好ましい範囲として例示され、特に好ましくは−50〜50℃の範囲である。また、好ましい後部空間層の容積は、触媒と接触した後の混合生成ガスをある程度長時間加熱可能である容積で、空間層容積を原料ガス流速で除した値(ガスの滞留時間)は特に限定されないが、5秒〜60分間、またはそれ以上の時間であることが好ましく、特に好ましい時間は10秒〜10分間である。   In order to prevent the catalyst from moving and flowing out, it is desirable that the catalyst packed bed and the space layer be partitioned by an inert material and shape partition without interfering with gas flow. The space layer is a layer in which the mixed product gas after contact with the catalyst stays for a long time, and is kept at the reaction temperature or a temperature close thereto, preferably 100 to 1200 ° C., more preferably 200 to 800 ° C. Is preferred. The temperature difference between the catalyst layer and the rear space layer is not particularly limited, but a range of (catalyst layer temperature) − (space layer temperature) is preferably −200 to 200 ° C., particularly preferably −50 to 50. It is in the range of ° C. Further, the preferable volume of the rear space layer is a volume in which the mixed product gas after contact with the catalyst can be heated for a long time, and the value obtained by dividing the space layer volume by the raw material gas flow rate (gas residence time) is particularly limited. Although it is not, it is preferable that the time is 5 seconds to 60 minutes or more, and a particularly preferable time is 10 seconds to 10 minutes.

本発明の反応装置を図面を参照して説明する。図1には管状流通式反応器の構造をさらに明確にするための概念図を示す。(A)で示される供給ガスは、まず(B)で示されている触媒充填層において触媒と接触した後、(C)で示されるガスの流通を妨げない材質及び形状の仕切りを通過し、(D)で示される後方の空間層に達する。管全体は(E)で示される加熱用ヒーターなどを用いて反応温度またはそれに近い温度に保持されている。ここにある程度長時間滞留させた後、(F)により生成物、未反応原料などを含むガスを管外に排出する。(G)は管状反応管である。   The reaction apparatus of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a conceptual diagram for further clarifying the structure of the tubular flow reactor. The supply gas indicated by (A) first comes into contact with the catalyst in the catalyst packed bed indicated by (B), and then passes through a partition having a material and shape that does not obstruct the gas flow indicated by (C), The rear space layer indicated by (D) is reached. The entire tube is maintained at or near the reaction temperature using a heater for heating indicated by (E). After being retained for a long time here, the gas containing the product, unreacted raw materials, etc. is discharged out of the pipe by (F). (G) is a tubular reaction tube.

また、この反応には流通式反応装置の一つである流動床触媒反応装置も好ましく用いることができるが、この場合にも同様に、触媒に接触したガスが反応温度またはそれに近い温度、好ましくは100〜1000℃、より好ましくは150〜650℃で保温されていることが望ましい。この場合は、反応器内部容積から反応に供されている触媒容積を減じた容積が空間層容積となり、空間層容積を原料ガス流速で除した値(ガスの滞留時間)は特に限定されないが、前記の固定床装置と同様にある程度長時間、好ましくは5秒〜60分間、またはそれ以上の時間、特に好ましくは10秒〜10分間滞留する構造であることが好ましい。   In addition, a fluidized bed catalytic reactor, which is one of flow-type reactors, can also be preferably used for this reaction. In this case as well, similarly, the gas in contact with the catalyst is at or near the reaction temperature, preferably It is desirable that the temperature is kept at 100 to 1000 ° C, more preferably 150 to 650 ° C. In this case, the volume obtained by subtracting the catalyst volume provided for the reaction from the internal volume of the reactor becomes the space layer volume, and the value obtained by dividing the space layer volume by the raw material gas flow rate (gas residence time) is not particularly limited. Like the above fixed bed apparatus, it is preferable to have a structure in which it stays for a long time, preferably 5 seconds to 60 minutes, or more, particularly preferably 10 seconds to 10 minutes.

実施例
以下、本発明を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。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.

(触媒の調製)
チタンペルオキソクエン酸アンモニウム四水和物(化学式:(NH[Ti(C(O]・4HOまたは(NH[Ti(C(O]・8HO)(商品名:タスファイン、フルウチ化学社製)0.6gを蒸留水50mLに溶解させた均一な溶液を得た。その溶液に二酸化珪素粉末(キャリアクトQ−30、富士シリシア化学社製、物性値(カタログに記載の値):表面積100m/g、平均細孔径30nm、細孔容積1.0mL/g、粒子径75〜500μm)9.8gを分散させてスラリー状にした。これを十分撹拌した後、80℃で減圧乾燥を行って水を除去し、チタン化合物と二酸化珪素からなるチタン前駆体を含む粉末が生成した。
次に、生成した粉末を、空気中600℃で3時間焼成することにより無機複合体粉末を得た。得られた複合体粉末は、チタン酸化物2%と二酸化珪素98%の重量組成比からなるものであり、これをサンプルAとした。
(Preparation of catalyst)
Titanium peroxocitrate ammonium tetrahydrate (chemical formula: (NH 4 ) 4 [Ti 2 (C 6 H 4 O 7 ) 2 (O 2 ) 2 ] · 4H 2 O or (NH 4 ) 8 [Ti 4 (C 6 H 4 O 7 ) 4 (O 2 ) 4 ] · 8H 2 O) (trade name: Tasfine, manufactured by Furuuchi Chemical Co., Ltd.) 0.6 g was dissolved in 50 mL of distilled water to obtain a uniform solution. Silicon dioxide powder (Caractect Q-30, manufactured by Fuji Silysia Chemical Ltd., physical property values (values described in the catalog)): surface area 100 m 2 / g, average pore diameter 30 nm, pore volume 1.0 mL / g, particles 9.8 g (diameter 75 to 500 μm) was dispersed to form a slurry. After sufficiently stirring this, it was dried under reduced pressure at 80 ° C. to remove water, and a powder containing a titanium precursor composed of a titanium compound and silicon dioxide was produced.
Next, the produced powder was fired in air at 600 ° C. for 3 hours to obtain an inorganic composite powder. The obtained composite powder was composed of a weight composition ratio of 2% titanium oxide and 98% silicon dioxide.

(プロパンと酸素を原料とするアルコール類の製造)
実施例1で得た複合体粉末(サンプルA)1.0gを触媒とし、これを石英砂3.0gと物理混合して石英製反応管に充填した。この反応管は触媒充填層とその後に25mLの空間を設けたものである。この反応管内にヘリウムを流通させながら反応温度の330℃まで温度を上昇させ、温度の安定を確認した後、ヘリウムをプロパン10mL/分、酸素5mL/分及びヘリウム5mL/分の混合ガス(計毎分20mL)に切り替えて流通させて反応を開始させた。その際、反応後のガスが触媒層後方の空間に滞留する時間は1.25分であった。その反応圧は3.5気圧(圧力計指示値)であった。25分経過後に330℃で温度と圧力が安定したことを確認し、オンラインガスクロマトグラフを用いて生成物の分析を行った。
その結果、プロパンの転化率は19.4%であり、アルコール類(メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノールの合計)の収率は2.3%、中でもメタノールの収率は1.9%、メタノールの選択率は9.7%であった。主な副生物はCO、CO、アルデヒド類、ケトン類、ハイドロカーボン類であり、そのハイドロカーボン類にはエチレンが含まれていた。これにより本触媒を用いてプロパンの分子状酸素による酸化でメタノールに代表されるアルコール類が合成できることが明らかになった。
(Manufacture of alcohols using propane and oxygen as raw materials)
1.0 g of the composite powder (sample A) obtained in Example 1 was used as a catalyst, which was physically mixed with 3.0 g of quartz sand and filled into a quartz reaction tube. This reaction tube has a catalyst packed bed followed by a 25 mL space. The temperature was raised to 330 ° C. while allowing helium to flow through the reaction tube, and after confirming the stability of the temperature, helium was mixed with propane at 10 mL / min, oxygen at 5 mL / min, and helium at 5 mL / min (for each meter). The reaction was started by switching to 20 mL / minute). At that time, the time for the gas after the reaction to stay in the space behind the catalyst layer was 1.25 minutes. The reaction pressure was 3.5 atmospheres (pressure gauge reading). After 25 minutes, it was confirmed that the temperature and pressure were stable at 330 ° C., and the product was analyzed using an online gas chromatograph.
As a result, the conversion rate of propane was 19.4%, the yield of alcohols (total of methanol, ethanol, n-propanol and isopropanol) was 2.3%, and the yield of methanol was 1.9%, The methanol selectivity was 9.7%. The main by-products were CO, CO 2 , aldehydes, ketones, and hydrocarbons, and the hydrocarbons contained ethylene. As a result, it became clear that alcohols represented by methanol can be synthesized by oxidation of propane with molecular oxygen using this catalyst.

(メタンと酸素を原料とするアルコール類の製造)
実施例1で得た複合体粉末(サンプルA)1.0gを触媒とし、これを石英砂3.0gと物理混合して石英製反応管に充填した。この反応管は触媒充填層とその後に25mLの空間を設けたものである。この反応管内にヘリウムを流通させながら反応温度の500℃まで温度を上昇させ、温度の安定を確認した後、炭化水素としてメタン10mL/分と酸素5mL/分、ヘリウム5mL/分の混合ガス(計毎分20mL)に切り替え反応を開始した。この場合、反応後のガスが触媒層後方の空間に滞留する時間は1.25分であった。その反応圧は3.5気圧(圧力計指示値)であった。25分経過後に500℃で温度と圧力が安定したことを確認し、オンラインガスクロマトグラフを用いて生成物の分析を行った。
その結果、メタンの転化率が12.9%であり、メタノールの収率は0.3%、メタノールの選択率は2.3%であった。主な副生物はCO、CO、ハイドロカーボン類であった。これにより本触媒を用いてメタンの分子状酸素による酸化でメタノールが合成できることが明らかになった。
(比較例1)
(Manufacture of alcohols using methane and oxygen as raw materials)
1.0 g of the composite powder (sample A) obtained in Example 1 was used as a catalyst, which was physically mixed with 3.0 g of quartz sand and filled into a quartz reaction tube. This reaction tube is provided with a catalyst packed bed followed by a 25 mL space. The reaction temperature was raised to 500 ° C. while helium was circulated in the reaction tube, and after confirming the stability of the temperature, a mixed gas of methane 10 mL / min, oxygen 5 mL / min, and helium 5 mL / min as a hydrocarbon (total The reaction was switched to 20 mL / min). In this case, the time for the gas after the reaction to stay in the space behind the catalyst layer was 1.25 minutes. The reaction pressure was 3.5 atmospheres (pressure gauge reading). After 25 minutes, it was confirmed that the temperature and pressure were stable at 500 ° C., and the product was analyzed using an online gas chromatograph.
As a result, the conversion rate of methane was 12.9%, the yield of methanol was 0.3%, and the selectivity of methanol was 2.3%. The main by-products were CO, CO 2 and hydrocarbons. This revealed that methanol can be synthesized by oxidation of methane with molecular oxygen using this catalyst.
(Comparative Example 1)

実施例2の反応に用いた反応装置は、触媒充填層の後方に25mLの空間を持ち反応温度とほぼ同じ温度に保たれていて触媒に接触したガスが1.25分間反応管内に滞留する構造であったが、その後方の空間に石英砂を充填し、空間の大部分をガスの流通を妨げないように塞ぎ、空間層のガス滞留時間を3秒未満にした。その装置に、実施例1で得た複合体粉末(サンプルA)1.0gと不活性な石英砂3.0gの混合物を触媒として用い、供給ガスをプロパン10mL/分、酸素5mL/分及びヘリウム5mL/分とし、反応温度335℃、反応圧3.5気圧で反応を行い、得られた生成物について実施例2と同様にして分析を行った。その結果、プロピレン転化率0.4%、アルコール類(メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノールの合計)収率0%、アルコール類の選択率0%であった。
このことから、1分以上の比較的長時間にわたって反応ガスを滞留させる後方空間層を有する反応管がアルコール類の製造装置として有効であることを確認した。
The reactor used in the reaction of Example 2 has a structure in which a space of 25 mL is provided behind the catalyst packed bed and is maintained at substantially the same temperature as the reaction temperature, and the gas in contact with the catalyst stays in the reaction tube for 1.25 minutes. However, the space behind it was filled with quartz sand, and most of the space was closed so as not to disturb the gas flow, and the gas residence time in the space layer was made less than 3 seconds. In the apparatus, a mixture of 1.0 g of the composite powder (sample A) obtained in Example 1 and 3.0 g of inert quartz sand was used as a catalyst, the supply gas was propane 10 mL / min, oxygen 5 mL / min, and helium. The reaction was performed at 5 mL / min, a reaction temperature of 335 ° C., and a reaction pressure of 3.5 atm. The obtained product was analyzed in the same manner as in Example 2. As a result, the propylene conversion was 0.4%, the yield of alcohols (total of methanol, ethanol, n-propanol, and isopropanol) was 0%, and the selectivity for alcohols was 0%.
From this, it was confirmed that the reaction tube having the rear space layer in which the reaction gas is retained for a relatively long time of 1 minute or more is effective as an alcohol production apparatus.

本発明は、炭化水素を原料とするアルコール類の新規な一段合成法であって簡易な工業的生産法として有用である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is a novel one-step synthesis method for alcohols using hydrocarbon as a raw material and is useful as a simple industrial production method.

本発明のアルコール類製造装置の一例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows an example of the alcohol manufacturing apparatus of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

A・・・供給ガス
B・・・触媒充填層
C・・・仕切り
D・・・空間層
E・・・加熱用ヒーター
F・・・生成物を含むガス
G・・・反応管
A ... Supply gas B ... Catalyst packed bed C ... Partition D ... Spatial layer E ... Heating heater F ... Gas containing product G ... Reaction tube

Claims (2)

炭化水素と分子状酸素を気相反応させてアルコール類を製造する流通式アルコール製造装置であって、チタン化合物を含む無機複合体触媒充填層及びその触媒接触後のガスが長時間滞留する空間層を備えてなり、その空間層が反応温度またはその近傍温度に保温されている反応管または反応槽であることを特徴とするアルコール類製造装置。   A flow-type alcohol production apparatus for producing an alcohol by reacting a hydrocarbon with molecular oxygen in a gas phase, an inorganic composite catalyst packed layer containing a titanium compound, and a space layer in which a gas after contacting the catalyst stays for a long time An alcohol production apparatus comprising: a reaction tube or a reaction vessel in which the space layer is kept at a reaction temperature or a temperature in the vicinity thereof. 前記触媒充填層と前記空間層の間が、ガスの流通を妨げない材質および形状の仕切りで仕切られていることを特徴とする請求項1に記載のアルコール類製造装置。   2. The alcohol production apparatus according to claim 1, wherein the catalyst packed layer and the space layer are partitioned by a partition having a material and a shape that do not hinder gas flow.
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