(57)【要約】触媒有効量の銀含有化合物と、促進量のアルカリ金属含有化合物と、促進量の遷移金属含有化合物を沈着した不活性担体を含む触媒前駆体を提供する工程と、銀含有化合物中の銀を金属銀に変換するように触媒前駆体を加熱して触媒を形成する工程と、約１時間〜２００時間の間約２５０℃〜約６００℃の温度で不活性ガス雰囲気中において触媒を硬化する工程を含むエチレンと酸素から酸化エチレンを気相製造するために有用な触媒の調製方法を提供する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒有効量の銀含有化合物と、促進量のアルカリ金属含有化合物と、促進量の遷移金属含有化合物を沈着した不活性担体を含む触媒前駆体を提供する工程と、
前記銀含有化合物中の銀を金属銀に変換するために前記触媒前駆体を加熱して触媒を形成する前記触媒前駆体を焼成する工程と、
約１時間〜２００時間の間約２５０℃〜約６００℃の温度で不活性ガス雰囲気中において前記触媒を硬化する工程を含むことを特徴とする、エチレンと酸素から酸化エチレンを気相製造するために有用な触媒の調製方法。
【請求項２】
前記焼成工程中に、前記触媒前駆体を不活性ガス雰囲気中で加熱することにより、前記触媒前駆体上の前記銀含有化合物中の銀を金属銀に変換する請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記焼成工程の温度は約３００℃〜約５００℃である請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記焼成工程において、前記触媒前駆体を酸素含有雰囲気中で加熱することにより、前記触媒前駆体上の前記銀含有化合物中の銀を金属銀に変換する請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記焼成工程の温度は約３００℃未満である請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記硬化工程の温度は約３００℃〜約４５０℃である請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記硬化工程の時間は約２時間〜６時間である請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記硬化工程の前に、約５０℃未満まで前記触媒を冷却する工程を更に含む請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記遷移金属はレニウムを含む請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記アルカリ金属含有化合物はセシウムを含む請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
自然環境には微量で存在するが、酸化エチレンは、１８５９年にフランス人化学者Charles-Adolphe Wurtzにより所謂「クロロヒドリン」法を用いて研究室で初めて合成された。しかし、Wurtzの時代には、工業用化学物質としての酸化エチレンの実用性が十分に理解されず、第一次世界大戦直前まで、クロロヒドリン法を用いた酸化エチレンの工業生成が開始されることはなかった。これは、少なくとも部分的には、急成長する自動車市場で使用される不凍液としてのエチレングリコール（酸化エチレンはその中間体）の需要の急増に起因する。その時でさえ、クロロヒドリン法で製造した酸化エチレンは比較的少量であり、非常に不経済だった。
【０００２】
クロロヒドリン法は、結局、酸素とエチレンの直接触媒酸化という別の方法に取って代わられた。これは、１９３１年に別のフランス人化学者Theodore Lefortにより発見され、酸化エチレン合成の第二の突破口となった。Lefortは、固体の銀触媒に、エチレンを含み酸素源として空気を利用した気相供給材料を用いた。直接酸化法の開発から８０年の間に、酸化エチレンの製造は著しく増加し、今日では、ある試算によると、不均一酸化で製造される有機化学物質の総額の半分をも占める、化学産業で最大の生成量を有する製品の１つとなっている。２０００年の世界的生成量は、約１５０億トンであった。酸化エチレンのおよそ６５％は、ポリエステル繊維やポリエチレンテレフタレートなどの重要なポリマの前駆体であるＭＥＧに加水分解される。酸化エチレンの第２の市場として、界面活性剤、主に非イオン性アルキルフェノールエトキシレート類及びアルコールエトキシレート洗剤がある。酸化エチレン自体を重合して、非毒性水溶性ポリマとして有用なポリエチレングリコールやポリエチレンオキシドを形成することができる。エチレンオキサイドガスはバクテリア、カビ及び菌類を滅菌することから、熱に依存した低温殺菌などの殺菌技術で損傷しうる物質を消毒するために用いられる。また、酸化エチレンは、包帯、縫合糸及び手術用具などの医療用品の消毒に広く用いられている。酸化エチレンとアンモニア水を反応させることによりモノエタノールアミンが生成され、この反応でジエタノールアミン及びトリエタノールアミンもまた生成される。
【０００３】
工業化学における酸化エチレンの重要性を考えると、各々が独自の特性を有する多様な触媒が酸化エチレンの製造のために考案されてきたことは、驚くべきことではない。最も長期にわたり使用されている「標準的」酸化エチレン触媒は、低表面積の担体上に沈着した銀及びセシウムを主に含有している。しばしば「高活性触媒」とも呼ばれるこの触媒の性能は、安定し、かつ始動時の選択性が８０〜８３％であることが望まれる。この高活性触媒は、所望の性能を提供するために特別な処理を必要としない。しかし、この２０年の研究の焦点は高活性触媒ではなく、所謂「高選択性触媒」であり、銀系エポキシ化触媒もそうである。高選択性触媒の中には、少量のレニウム及びセシウムとその他の「促進」元素を含有するものがある。最適条件では、この種の触媒の選択性は８３％を超え、９０％を超えることもある。
【０００４】
レニウム含有触媒には選択性を最大限に高めるための開始期間が必要であることから、これらレニウム含有触媒に関しては、最適な始動（一般に「開始」又は「活性化」ともいう）条件の究明に高い関心が集まっている。高選択性触媒の開始工程に関する一部の初期の開示のうちLauritzenらの米国特許第４，８７４，８７９号及びShankerらの米国特許第５，１５５，２４２号は、供給材料に酸素を導入する前にレニウム含有触媒を前塩素処理することで、処理温度未満の温度の塩素の存在下での触媒の「予浸」を可能とする始動工程を開示する。これらの方法を用いることにより全体的な触媒性能が若干改善することが報告されているが、それでも予浸では、レニウム含有触媒の最適性能を引き出すのに十分ではなかった。また、予浸段階における過塩素化に起因する触媒性能への悪影響を低減するため、時として塩素除去工程を追加で行う必要がある。
【０００５】
さらに近年の開始又は調整工程技術が、Lockemeyerらの米国特許第７，４８５，５９７号に開示されている。特に、この開示では、担体の表面積１ｍ２当たり最大０．１７ｇの量の銀を含む高選択性担持エポキシ化触媒の選択性を改善する方法を提供する。２５０℃を超える触媒温度で最大１５０時間まで酸素を含む供給材料に触媒を接触させることで改善が実現されている。
【０００６】
別の始動工程が、Lockemeyerらの米国特許第７，１０２，０２２号に開示されている。特に、米国特許第７，１０２，０２２号は、高選択性銀系エポキシ化触媒を含むオレフィンのエポキシ化工程の始動方法を開示する。米国特許第７、１０２、０２２号に開示された方法は、酸素を含む供給材料に触媒床を接触させる工程を含む。この処理では、最大１５０時間触媒床の温度を２６０℃超としている。
【０００７】
米国特許第７，５５３，９８０号は、高選択性銀系エポキシ化を含む触媒床を、開始期間中は第１の温度でエチレン、酸素、減速材（反応調節剤：moderator）及び６体積％を超える第１の濃度の二酸化炭素を含む供給ガス組成物に接触させ、第１の温度を第２の温度に昇温し、所望の触媒作用速度としながら酸化エチレンを前記所望の濃度に維持するために供給ガス組成物を調節する工程を含むエチレンのエポキシ化の「開始」方法を開示する。開始期間の終了時には、第２の温度を第３の温度まで下げる。
【０００８】
２０１０年５月１７日出願の同時係属特許出願「エポキシ化触媒の調製方法」には二段階焼成が開示されており、触媒の「開始」又は調整期間の必要性を排除している。この処理では、まず不活性雰囲気中で触媒前駆体を加熱し、その後、約３５０℃〜約４５０℃の温度の酸素含有雰囲気中で、最大約５分間まで焼成が継続される。
【０００９】
上述の先行技術文献に開示されるレニウム含有エポキシ化触媒を活性化する処理方法では、触媒性能に若干の改善が見られるが、上述のような幾つかの欠陥もある。少なくとも、活性又は調製方法により、また工程の細部の複雑さにより、生産に遅れが出る。最適な性能条件下で高選択性銀系触媒を作用させる重要性を考えると、オレフィン、特にエチレンのエポキシ化の始動工程に用いることができる新規で改善された方法の開発が継続的に必要とされている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、触媒有効量の銀含有化合物と、促進量のアルカリ金属含有化合物と、促進量の遷移金属含有化合物を沈着した不活性担体を含む触媒前駆体を提供する工程と、銀含有化合物中の銀を金属銀に変換するために触媒前駆体を加熱して触媒を形成する触媒前駆体を焼成する工程と、約１時間〜２００時間の間約２５０℃〜約６００℃の温度で不活性ガス雰囲気中において触媒を硬化する工程を含むエチレンと酸素から酸化エチレンを気相製造するために有用な触媒の調製工程に関する。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明は、始動時に調整を必要とすることなく最適性能を発揮する高選択性触媒の製造方法を開示する。この方法では、製造中又は製造後に、高選択性触媒の硬化工程を行っている。触媒は、工場持ち込み時に遅延なくその最適性能で作用する準備が整っている。上述したように、調整工程を回避することで、少なくとも触媒を扱う作業者にかかる時間と費用を大幅に節約することができる。驚くべきことに、本発明により調製した高選択性触媒が、先行技術の方法により調製した触媒より選択性が高いことも発見された。本発明により調製した触媒は、触媒が先行技術の方法により調製された場合と比べ、０．５〜２％選択性が高い。
【００１２】
本発明は、革新的な硬化工程を含む高選択性触媒の製造工程に関する。「高選択性触媒」とは、８４％を超える選択性を実現し、セシウムの他に少なくとも１つの助触媒、特に、周期表のVIB及びVIIB族の遷移元素を追加で含有する銀系担持触媒を意味する。本発明で使用される担体は、多数の固体で耐火性の担体から選択することができ、多孔質であってもよい。担体は、α−アルミナ、炭、軽石、マグネシア、ジルコニア、チタニア、珪藻土、酸性白土、炭化ケイ素、シリカ、炭化ケイ素、粘土類、人工ゼオライト、天然ゼオライト、二酸化ケイ素及び／又は二酸化チタン、セラミック類等の材料及びその組み合わせから構成されてもよい。好適な担体は、非常に高純度、即ち、少なくとも９０重量％の純度のα−アルミナからなる。残余成分は、ケイ酸アルミニウム、シリカ、アルカリ金属酸化物（例えば、酸化ナトリウム）、アルカリ土類金属酸化物及び、微量のその他の金属含有又は非金属含有添加剤又は不純物等の、α−アルミナ以外の無機酸化物を含んでもよい。
【００１３】
担体は、当業者に周知の従来技術を用いて製造してもよい。あるいは、担体は、触媒担体販売業者から購入してもよい。
【００１４】
担体は、多孔質であり、最大で２０ｍ２／ｇのＢＥＴ表面積を有することが好ましく、０．１〜１０ｍ２／ｇがより好ましく、０．５〜５ｍ２／ｇが更に好ましい。本明細書で用いるＢＥＴ表面積とは、Brunauer, Emmet and Teller in J. Am. Chem. Soc. 60 (1938) 309-316 に記載される方法により測定されたものとする。担体は、単峰性細孔径分布を有しても、多峰性細孔径分布を有してもよい。
【００１５】
使用される担体の性質に関わらず、担体は通常の場合、固定床エポキシ化反応器での使用に適した寸法の粒子、塊、断片、小粒、輪、球体、ワゴン車輪状、十字分割された中空円筒等に成形される。担体粒子は、通常は触媒を留置する管型反応器の内径に対応した約３ｍｍ〜約１２ｍｍの範囲、好ましくは約５ｍｍ〜約１０ｍｍの範囲の等価直径を有することが望ましい。等価直径とは、使用される担体粒子と体積比に対する外部表面積（即ち、粒子の細孔内の表面積は無視）が同一の球体の直径である。
【００１６】
エチレンを酸化エチレンに酸化するための触媒を生成するために、上記の特性を有する担体の表面に触媒有効量の銀を供給する。触媒は、適した溶剤に溶解した銀の化合物、錯体又は塩に担体を含浸することにより準備する。好ましくは、銀水溶液が使用される。含浸後、余分な溶液を含浸担体から除去し、本分野で知られるように、含浸担体を加熱し、溶剤を蒸発させて銀又は銀化合物を担体上に沈着させる。
【００１７】
本発明により調製される好適な触媒は、担体を含む触媒の総重量に対して、金属として表わされる銀を最大約４５重量％まで含む。銀は、多孔質耐熱担体の表面上と細孔全体に沈着される。金属として表わされる銀の含有量は、触媒の総重量に対して約１％〜約４０％が好ましく、約８％〜約３５％の銀含有量が更に好ましい。担体上に沈着された又は担体上に存在する銀の量は、触媒有効量の銀、即ち、酸化エチレンを生成するためのエチレンと酸素を経済的に触媒反応させる量である。本明細書で使用される用語「触媒有効量の銀」とは、エチレンと酸素から酸化エチレンへの測定可能な変換率を提供する銀の量を言う。銀前駆体である有用な銀含有化合物としては、硝酸銀、酸化銀、又はカルボン酸銀、例えば、シュウ酸銀、クエン酸銀、フタル酸銀、乳酸銀、プロピオン酸銀、酪酸銀及び高脂肪酸塩と、その組み合わせを含むが、他を排除するものではない。
【００１８】
また、銀の沈着の前に、同時に、又はその後に、促進量のレニウム化合物が担体に沈着される。レニウム化合物は、レニウム含有化合物又はレニウム含有錯体でもよい。レニウム助触媒は、レニウム金属として表わされた場合、担体を含む全触媒の重量に対して、約０．００１ｗｔ％〜約１ｗｔ％の量で存在してもよく、好ましくは約０．００５ｗｔ％〜約０．５ｗｔ％であり、より好ましくは約０．０１ｗｔ％〜約０．１ｗｔ％である。
【００１９】
また、銀及びレニウムの沈着の前に、同時に、又は後に、担体上に沈着されるのは、促進量のアルカリ金属又は２種類以上のアルカリ金属の混合物、及び任意の促進量のIIA族アルカリ土類金属成分又は２種類以上のIIA族アルカリ土類金属成分の混合物及び／又は遷移金属成分又は２種類以上の遷移金属成分の混合物であり、その全ては適切な溶剤に溶解した金属イオン、金属化合物、金属錯体及び／又は金属塩の形態のものである。担体は、同時に又は別の工程で、様々な助触媒に含浸することができる。本発明の銀、担体、アルカリ金属助触媒、レニウム成分及び任意の追加助触媒の特定の組み合わせは１つ以上の触媒特性を改善させ、銀と担体と助触媒無し又は１種類の助触媒の同様の組み合わせよりも優れている。
【００２０】
本明細書で使用される触媒の特定の成分の「促進量」という用語は、その成分を含まない触媒と比較した場合に、触媒の触媒性能を向上させるために効果的に作用する成分の量を言う。適用される正確な濃度は、もちろん、その他の要素のうち、所望の銀含有量、担体の性質、液体の粘度、及び含浸溶液に助触媒を導入するために使用される特定の化合物の溶解性によって決定される。触媒特性の例は、とりわけ、操作性（耐暴走性）、選択性、活性、変換率、安定性及び収率を含む。１つ以上の個々の触媒特性が「促進量」によって改善される一方で、他の触媒特性が改善される場合、及び改善されない場合があり、さらに低下する場合もあることは、当業者であれば理解するだろう。更に、異なる触媒特性が異なる処理条件により高められることも理解される。例えば、ある処理条件で選択性が高まる触媒が、異なる条件で処理されてもよく、この場合選択性よりは活性において向上が見られる。エポキシ化工程においては、他の触媒特性を犠牲にしても、特定の触媒特性の利点を得るため意図的に処理条件を変更することが望ましいこともある。好適な処理条件は、その他の要因のうち、原料費、エネルギー費、副生成物除去費などにより決定される。
【００２１】
適切なアルカリ金属助触媒は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム又はその組み合わせから選択することができるが、セシウムが好ましく、セシウムと他のアルカリ金属の組み合わせが特に好ましい。担体上に沈着される又は存在するアルカリ金属の量が促進量となる。好適には、その量の範囲は、金属として測定された場合の、全触媒の重量に対して約１０ｐｐｍ〜約３０００ｐｐｍであり、好ましくは約１５ｐｐｍ〜約２０００ｐｐｍであり、より好ましくは約２０ｐｐｍ〜約１５００ｐｐｍであり、特に好ましくは約５０ｐｐｍ〜約１０００ｐｐｍである。
【００２２】
適切なアルカリ土類金属助触媒は、元素周期表のIIA族の元素からなり、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム及びバリウム又はその組み合わせとすることができる。適切な遷移金属助触媒は、元素周期表のIVA、VA、VIA、VIIA及びVIIIA族の元素及びその組み合わせとすることができる。最も好ましくは、遷移金属は元素周期表のIVA、VA又はVIA族から選択された元素からなる。存在させることのできる好適な遷移金属は、モリブデン、タングステン、クロム、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、バナジウム、タンタル、ニオブ又はその組み合わせを含む。
【００２３】
担体上に沈着されるアルカリ土類金属助触媒及び／又は遷移金属助触媒の量は、促進量である。通常、遷移金属助触媒は、金属として表わされた場合、全触媒の約１０ｐｐｍ〜約１０００ｐｐｍの量で存在することができ、好ましくは２０ｐｐｍ〜約５００ｐｐｍであり、より好ましくは３０ｐｐｍ〜約３５０ｐｐｍである。触媒は、それぞれ促進量の１種類以上の硫黄化合物、１種類以上のリン化合物、１種類以上のホウ素化合物、１種類以上のハロゲン含有化合物又はその組み合わせを更に含んでもよい。
【００２４】
担体を含浸するために使用される銀溶液は、本分野で公知の任意の溶剤又は錯化／可溶化剤を含んでもよい。多種多様な溶剤又は錯化／可溶化剤を、銀を含浸媒体で所望の濃度になるように可溶化するために用いることができる。有用な錯化／可溶化剤は、アミン類、アンモニア、シュウ酸、乳酸及びその組み合わせを含む。アミン類は、１〜５個の炭素原子を有するジアミノアルカンを含む。好適な一実施の形態において、溶液はシュウ酸銀及びエチレンジアミンの水溶液からなる。錯化／可溶化剤は、含浸溶液中に銀１モルにつき約０．１〜約５．０モルの量で存在することができ、好ましくは約０．２〜約４．０モル、より好ましくは銀１モルにつき約０．３〜約３．０モルである。
【００２５】
溶剤を使用する場合は、有機溶剤でも水でもよく、極性であっても実質的に非極性であってもよい。一般に溶液は、溶液成分を可溶化するために十分な溶媒和力を有するべきである。同時に、溶媒和した助触媒への悪影響又は相互作用を避けるように、溶剤を選択することが好ましい。
【００２６】
通常、含浸溶液中の銀の濃度は、約０．１重量％から、使用される特定の溶剤／可溶化剤の組み合わせで溶解可能な最大限までの範囲内である。一般に、約５％〜約４５重量％の銀を含む溶液の使用が非常に適しており、約１０〜３５重量％の銀の濃度が好ましい。
【００２７】
選択された担体の含浸は、例えば、過剰溶液含浸法、初期湿潤含浸法、吹き付け塗装等の、いずれかの従来の方法で行われる。通常、担体材料は、十分な量の溶液が担体に吸収されるまで、銀含有溶液に接触させて留置される。溶液中の銀成分の濃度に部分的に応じて、途中の乾燥の有無に関わらず、１回の含浸又は一連の含浸を行うことができる。含浸工程は、米国特許第４，７６１，３９４号、米国特許第４，７６６，１０５号、米国特許第４，９０８，３４３号、米国特許第５，０５７，４８１号、米国特許第５，１８７，１４０号、米国特許第５，１０２，８４８号、米国特許第５，０１１，８０７号、米国特許第５，０９９，０４１号及び米国特許第５，４０７，８８８号に記載されている。様々な助触媒の前蒸着、共蒸着及び後蒸着の公知の先行技術の工程を利用することができる。
【００２８】
銀含有化合物、即ち、銀前駆体、レニウム成分、アルカリ金属成分、及び任意の他の助触媒に担体を含浸した後、含浸担体／触媒前駆体は、銀塩を触媒的に活性な金属銀に還元し、含浸担体からほぼ全ての揮発性成分を除去して触媒とするのに十分な時間で焼成される。含浸担体の焼成は、不活性ガス雰囲気である雰囲気中で行うのが好ましい。「不活性ガス雰囲気」とは、触媒前駆体の成分と反応しない雰囲気を意味する。典型的な不活性大気は、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｎ２及びその混合物を含む。任意で、不活性ガスと約１ｐｐｍ〜約０．１％の酸素の混合物から不活性ガス雰囲気を構成してもよい。焼成は、０．５〜３５バールの範囲の圧力で、好ましくは段階的な変化率で約２００℃〜約６００℃、好ましくは約２００℃から約５００℃、更に好ましくは約２５０℃から約４５０℃の範囲の温度まで含浸担体を加熱することにより行うことができる。
【００２９】
別の実施の形態において、焼成は、空気中又は希釈空気中で行われる。希釈空気は、不活性ガスと混合された空気である。希釈空気は、０．１〜２１％の酸素を含んでもよい。この場合、０．５〜３５バールの範囲の圧力で、約２００℃〜約５００℃、好ましくは約２００℃〜約４００℃、更に好ましくは約２３０℃〜約３５０℃の範囲の温度で行われる。焼成を空気中で行う場合、最も好適な焼成温度は、約３００℃未満である。
【００３０】
焼成の長さに関しては、一般に、温度が高いほど、必要な加熱時間は短くなる。焼成は、あらゆるタイプの加熱装置又は加熱炉により行うことができる。焼成には、緩やかな段階的加熱が好ましい。例えば、段階的加熱は、触媒前駆体を複数の加熱区間を通る移動ベルト上に載せ、触媒前駆体が周囲温度で加熱炉内に入り、最高温度となるまで徐々に温度が上がる１区間以上を通過するようにして行ってもよい。最高温度に達した後、触媒前駆体が概ね周囲温度で加熱炉から出るまで徐々に温度が下がっていく１区間以上を、触媒前駆体に通過させる。別の実施の形態では、連続的加熱が用いられる。
【００３１】
焼成工程の後、このように形成された触媒に対し硬化工程を行う。この工程では、不活性ガス雰囲気下で触媒を加熱する。硬化工程は、約２５０℃〜約６００℃、好ましくは２７５℃〜約５００℃、最も好ましくは３００〜約４５０℃の温度で、約１０分〜約２００時間、好ましくは約１時間〜約６時間かけて行われる。一実施の形態では、焼成工程の後、触媒を５０℃未満まで冷却し、一定時間がたった後に硬化工程を行う。この実施の形態では、製造現場又はそれ以外の場所で硬化を行うことができる。
【００３２】
異なる実施の形態では、焼成工程の直後に同じ加熱装置内で、冷却期間を置かずに硬化工程を行う。例えば、移動ベルト型加熱炉で焼成が行われる場合、触媒が１区間以上の加熱区間に焼成に要するよりも長い時間残ることができるようにして硬化を行う。
【００３３】
高選択性触媒を焼成した後、当業者に周知の従来の充填方法を用いて、エポキシ化反応器、通常は固定床管型反応器、の反応管に触媒を充填する。エポキシ化工程は、前述の本発明により生成される触媒の存在下で、酸素含有ガスとオレフィン、好ましくはエチレンを連続的に接触させることにより行うことができる。酸素は、ほぼ純粋な分子形態又は空気等の混合物として反応用に供給することができる。一例として、反応体供給混合物は、約０．５％〜約４５％のエチレンと約３％〜約１５％の酸素を含み、残部は二酸化炭素、水、不活性ガス類、他の炭化水素類及び上述の反応減速材等の物質を含む比較的不活性な材料としてもよい。不活性ガスの非限定的な例は、窒素、アルゴン、ヘリウム及びその混合物を含む。他の炭化水素類の非限定的な例は、メタン、エタン、プロパン及びその混合物を含む。二酸化炭素と水は、エポキシ化工程の副生成物であるとともに、供給ガスの一般的な不純物である。どちらも触媒に悪影響を与えるため、これらの成分の濃度は通常最小限に維持される。
【００３４】
反応器に送る供給材料の追加成分は、減速材である。減速材材料は、通常、塩化メチル類、塩化エチル類、クロロプロパン及びその他のクロロアルカン類、且つ、塩化ビニル類などのクロロアルケン類、及びクロロプロペン類などの有機塩素化合物を含むが、これに限定されない。その他の有機塩素化合物及びその他の有機ハロゲン化合物を排除するものでもない。特に、減速材材料は、供給ガス混合物中の全ての有機塩素化合物（あるいは、有機ハロゲン化合物）部分の有効和を含むよう意図される。供給ガス混合物中の有機塩素化合物部分の量は、通常体積％で０．５〜１５ｐｐｍの範囲である。
【００３５】
一般的なエチレンのエポキシ化工程の方法は、本発明の触媒の存在下の固定床管型反応器内におけるエチレンと分子酸素の気相酸化法を含む。従来の市販されている固定床エチレン酸化反応器は、通常、外径約０．７〜２．７インチ、内径０．５〜２．５インチで、長さ１５〜５３フィートの、触媒が充填された複数の平行な細長い管（適切な外殻構造内）の形状を有する。かかる反応器は、反応器出口を有し、それにより、酸化オレフィン、未使用の反応物質及び副生成物を反応器チャンバから排出することができる。
【００３６】
一般的なエチレンのエポキシ化工程の処理条件では、温度範囲は約１８０℃〜約３３０℃、好ましくは約２００℃〜約３２５℃、より好ましくは約２２５℃〜約２８０℃である。処理圧力は、所望の質量速度と生成性に依存して、略大気圧〜約３０気圧まで変化をもたせてもよい。本発明の範囲では、より高圧を使用することもできる。商用規模の反応器内の滞留時間は、通常約２〜約２０秒のオーダーである。
【００３７】
反応器出口を介して反応器から排出された生成後の酸化エチレンは、従来の方法を用いて反応生成物から分離され、回収される。本発明において、エチレンのエポキシ化工程はガスのリサイクルを含んでもよい。ガスのリサイクルでは、酸化エチレン生成物と二酸化炭素を含む副生成物を実質的に又は部分的に除去した後、ほぼ全ての反応器排水が反応器入口から再び導入される。
【００３８】
前述の触媒が、特にエチレン及び酸素の高転化率で、エチレンと分子酸素から酸化エチレンへの酸化に特に選択的であることを示してきた。本発明の触媒の存在下でかかる酸化反応を行う条件は、先行技術に記載されたものを広く含む。適切な温度、圧力、滞留時間、希釈材、緩和剤及びリサイクル操作がこれに当たり、酸化エチレンの収率を増大させるべく異なる反応器にて順次に行う変換も当てはまる。エチレン酸化反応での本発明の触媒の使用は、効果的であることが知られるもののうちの特定の条件の使用に限定されない。
【００３９】
単なる例示として、以下に、現在市販されている酸化エチレン反応器ユニットで多く用いられる条件を示す。気体時空間速度（ＧＨＳＶ）１５００〜１００００ｈ−１、反応器入口圧力１５０〜４００ｐｓｉｇ、冷却液温度１８０〜３１５℃、酸素変換レベル１０〜６０％、及び酸化エチレン生成率（作業速度）が触媒１立方フィートにつき毎時７〜２０ｌｂｓの酸化エチレンである。反応器入口での供給組成物は、通常、（体積％で）５〜４０％のエチレン、３〜１２％のＯ２、０．３％〜２０％、好ましくは０．３〜５％、より好ましくは０．３〜１％のＣＯ２、０〜３％のエタンと、所定の量の１種類以上の本明細書に記載された塩素減速材と、供給物の残部はアルゴン、メタン、窒素又はその混合物からなるものでもよい。
【実施例】
【００４０】
以下の非限定的例に関連して、本発明を更に詳細に説明する。
【実施例１】
【００４１】
上記に開示するように、高選択性銀系触媒の調製を一般的な従来手順に従って行った。具体的には、アルミナ担体１５Ｋｇを容器に留置し、含浸前に約０．１torrで排出した。Lauritzenらの米国特許第４，７６６，１０５号の実施例５〜１０による触媒組成を生成するため、上記銀溶液に、水酸化セシウム、過レニウム酸及び硫酸アンモニウムの水溶液を加えた。十分に混合した後、圧力を約０．１torrに保ちながら、促進された銀溶液を真空排気したフラスコ内に吸引して担体を覆った。約３分後に真空を開放して環境気圧に回復させた。その後、余分な含浸溶液を含浸担体から排出した。
【００４２】
湿式触媒の焼成は、移動ベルトか焼炉で行われた。このユニット内では、湿式触媒は、ステンレス鋼ベルト上に載せられ、多段加熱炉を通過して運ばれる。加熱炉の全ての区間は予熱した窒素で連続的に浄化されており、触媒が１つの区間から次へと進むにつれ、徐々に温度が上がっていった。触媒に与えられた熱は、加熱炉の壁と予熱した窒素から放射されたものである。本実施例においては、湿式触媒は周囲温度で加熱炉内に入れられた。触媒の温度は、触媒が加熱区間を通過するごとに上がり、最大の約４５０℃まで徐々に上げられた。最後の（冷却）区間では、この焼成された触媒が開放空気雰囲気に出てくる前に、その温度が１００℃未満まで徐々に下げられた。加熱炉内での総滞留時間は、およそ４５分であった。触媒は、５分間最高温度に晒された。
【００４３】
その後、電気炉内に設置された管状容器内に留置し、１２時間にわたり３００℃の窒素気流で加熱して、焼成触媒の一部を硬化させた。この硬化した触媒が開放空気雰囲気に晒される前に、その温度を１００℃未満まで徐々に下げていった。
【００４４】
硬化した触媒を３２．５ｍｍの反応管に詰め、約２０００キロパスカルの圧力下で窒素ガスが触媒床を通って流れることができるようにした。反応器の温度を１９０℃まで徐々に昇温し、そして、以下のガス混合物が反応器を流れて反応器内の窒素と置換するようにした。
エチレン２５％
酸素７％
二酸化炭素２％
塩化エチル（減速材）―  触媒性能を調整する必要がある場合
残部  窒素
【００４５】
２．５％の酸化エチレンを含む排出ガスを生成するため、反応器の温度を上げた。ガス供給物の導入から４０時間以内で、排出物に目標値である２．５％の酸化エチレンが含有され、選択性は９０．５％のピークに達した。この期間の間、触媒の温度は２４０℃を超えなかった。触媒に対し別途活性化工程行う必要がないという性能が示された。かかる性能は、当業者により予測されるものではない。
【００４６】
２０１０年５月１７日出願の同時係属特許出願「エポキシ化触媒の調製方法」には二段階焼成が開示されており、触媒の「開始」又は調整期間の必要性を排除している。この処理では、まず不活性雰囲気中の触媒前駆体を加熱し、その後、約３５０℃〜約４５０℃の温度の酸素含有雰囲気中で、最大約５分間まで焼成が継続される。
【実施例２】
【００４７】
（比較例）
実施例１で調製した同じ触媒の一部を、硬化工程を行うことなく使用した。実施例１に記載した手順により、触媒の試験を行った。触媒は非常に活性を有し、試験開始後１００時間以内に、選択性は８５％以下となった。
【実施例３】
【００４８】
不活性窒素中の最初の焼成で使用した同じ移動ベルトか焼炉で触媒を再焼成して、実施例１で調製した同じ触媒の一部を硬化させた。加熱炉内でピーク温度が３２０℃の最高温度区間に触媒が入った時点で、か焼炉のベルトを止めた。６０分後、ベルトを再び通常速度に戻した。その後、実施例１の試験手順を使って、触媒の試験を行った。試験開始から６０時間以内に、触媒の選択性は８９．７％のピークに達した。この期間の間、触媒の温度は２４０℃を超えなかった。通常であれば高選択性触媒に要求される調整工程を用いることなく、この高性能が達成された。
【実施例４】
【００４９】
高選択性銀系触媒の調製を、実施例１の詳細に従って行った。そして、焼成は、移動ベルトか焼炉で行った。加熱炉内でピーク温度が３２０℃の最高温度区間に触媒が入った時点で、か焼炉のベルトを止めた。６０分後、ベルトを再び通常速度に戻した。ピーク温度での加熱を延長している間に、生成した触媒を焼成し、硬化させた。その後、実施例１の試験手順を使って、触媒の試験を行った。試験開始から４０分以内に、触媒の選択性は８９のピークに達した。
【実施例５】
【００５０】
実施例１で準備した同じ触媒の一部を、電気炉内に設置された管状容器内に留置し、６時間にわたり３００℃でアルゴン気流で加熱して硬化させた。この硬化した触媒が開放空気雰囲気に晒される前に、その温度１００℃未満まで徐々に下げていった。その後、実施例１の試験手順を使って、触媒の試験を行った。試験開始から１００時間以内に、触媒の選択性は９０．１％のピークに達した。この期間の間、触媒の温度は２４５℃を超えなかった。通常であれば高選択性触媒に要求される調整工程を用いることなく、この高性能が達成された。
【実施例６】
【００５１】
高選択性銀系触媒の調製を、実施例１の詳細に従って行った。焼成は、移動ベルトか焼炉で行った。この実施例では、加熱炉中を流れる気体は、窒素に代わり空気である。触媒の温度は、触媒が加熱区間を通過するごとに、最大の約２７０℃まで徐々に上げていった。加熱炉内での総滞留時間は、およそ３０分であった。そして、焼成した触媒の一部を、電気炉内に設置された管状容器内に留置し、６時間にわたり３００℃で窒素気流で加熱し、硬化させた。その後、実施例１の試験手順を使って、触媒の試験を行った。試験開始から１００時間以内に、触媒の選択性は９０．５％のピークに達した。この期間の間、触媒の温度は２４０℃を超えなかった。通常であれば高選択性触媒に要求される調整工程を用いることなく、この高性能が達成された。かかる性能は、当業者により予測されるものではない。
【実施例７】
【００５２】
実施例６の焼成触媒の試料について、硬化することなく試験を行った。触媒は目標の作用速度を達成することができず、その性能の劣化は速かった。この実施例は、触媒が先行技術によって調製され、硬化を行わなかった場合、触媒が十分に性能発揮するには調整工程が必要であることを実証している。一方、硬化工程を含んだ工程により調製された本発明の触媒は、調整を要しない。
【国際調査報告】
2013527033.tif 000002
2013527033.tif 000003
2013527033.tif 000004