(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＦＩ型ゼオライトを含有する担体及び該担体に担持されたニッケルを含み、アルキル基を有する芳香族炭化水素のトランスアルキレーション反応に用いられ、
前記アルキル基を有する芳香族炭化水素のトランスアルキレーション反応が、トルエンの不均化反応であり、
前記ＭＦＩ型ゼオライトのケイ素／アルミニウムモル比が１１〜１３であり、
前記ニッケルの含有量が、前記ＭＦＩ型ゼオライトの含有量１００質量部に対し、５〜７質量部である、芳香族転換反応用触媒。
【請求項２】
ＭＦＩ型ゼオライトを含有する担体と、該担体に担持されたニッケルと、を含み、アルキル基を有する芳香族炭化水素の脱アルキル反応に用いられ、
前記ＭＦＩ型ゼオライトのケイ素／アルミニウムモル比が１１〜１３であり、
前記ニッケルの含有量が、前記ＭＦＩ型ゼオライトの含有量１００質量部に対し、３．６〜７質量部であり、
前記アルキル基を有する芳香族炭化水素の脱アルキル反応が、クメンの分解反応である、芳香族転換反応用触媒。
【請求項３】
前記担体における前記ＭＦＩ型ゼオライトの含有量が９０〜１００質量％である、請求項２に記載の芳香族転換反応用触媒。
【請求項４】
トルエンが含まれる原料を、請求項１に記載の触媒に接触させて、前記トルエンの不均化反応をするステップ、を備える、芳香族炭化水素の製造方法。
【請求項５】
クメンが含まれる原料を、請求項２又は３に記載の触媒に接触させて、前記クメンの分解反応をするステップ、を備える、芳香族炭化水素の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、芳香族転換反応用触媒及び芳香族炭化水素の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
芳香族炭化水素は、種々の化学製品の原料となり、工業分野から生活関連分野に至るまで広く利用されている。その中でも、キシレン類は、ポリエステルの原料となるテレフタル酸、イソフタル酸、オルソフタル酸などを製造する出発原料として、極めて重要な化合物である。これらのキシレン類は、例えば、ゼオライトを含む触媒を用いたトルエンのトランスアルキル化、不均化反応などによって製造される（例えば、下記特許文献１及び２を参照）。また、炭素数９以上の単環芳香族類は、分解反応によって工業的に有用なベンゼン、トルエン、キシレン類への変換が可能である（例えば、下記特許文献２を参照）。
【０００３】
トルエンの不均化反応で生成する生成物中には構造異性体であるｐ−キシレン、ｏ−キシレン、ｍ−キシレンが存在する。中でもｐ−キシレンは、ポリエチレンテレフタレートのモノマー原料であるテレフタル酸の製造原料として有用である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２６４１５２２号公報
【特許文献２】特許第３７８５８１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、目的とする芳香族炭化水素を効率よく製造するうえで、芳香族炭化水素の転換反応における原料の転化率と目的物の選択率とが重要とされている。選択率については、例えば、生成物中の目的物の純度が上がることで分離工程を省くことができる。しかし、高い選択率の領域においては選択率の上昇に対して転化率の低下が著しい傾向にある。
【０００６】
本発明は、芳香族炭化水素の転換反応における転化率を高めることができる高活性な芳香族転換反応用触媒及びそれを用いる芳香族炭化水素の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、上記課題を解決するべく鋭意検討した結果、特定の金属と、特定のゼオライトを含む担体に特定の金属を担持させた触媒が、トルエンやクメンなどのアルキル基を有する芳香族炭化水素の転換反応において、他の触媒に比べて高い転化率が得られることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【０００８】
すなわち、本発明は、ＭＦＩ型ゼオライトを含有する担体及び該担体に担持されたニッケルを含み、アルキル基を有する芳香族炭化水素のトランスアルキレーション反応に用いられる、芳香族転換反応用触媒を提供する。
【０００９】
本発明の芳香族転換反応用触媒によれば、アルキル基を有する芳香族炭化水素のトランスアルキレーション反応を高い転化率で行うことができる。
【００１０】
上記芳香族転換反応用触媒において、転化率向上の観点から、上記ニッケルの含有量は、上記ＭＦＩ型ゼオライトの含有量１００質量部に対し、１．５〜１２質量部であることが好ましい。
【００１１】
上記ＭＦＩ型ゼオライトは、転化率向上の観点から、ケイ素／アルミニウムモル比が１０〜３０であることが好ましい。
【００１２】
上記アルキル基を有する芳香族炭化水素のトランスアルキレーション反応は、トルエンの不均化反応であってもよい。
【００１３】
本発明はまた、ＭＦＩ型ゼオライトを含有する担体と、該担体に担持されたニッケルと、を含み、アルキル基を有する芳香族炭化水素の脱アルキル反応に用いられる、芳香族転換反応用触媒を提供する。
【００１４】
本発明の芳香族転換反応用触媒によれば、アルキル基を有する芳香族炭化水素の脱アルキル反応を高い転化率で行うことができる。
【００１５】
上記芳香族転換反応用触媒において、転化率向上の観点から、上記ニッケルの含有量は、上記ＭＦＩ型ゼオライトの含有量１００質量部に対し、１．５〜７質量部であることが好ましい。
【００１６】
上記ＭＦＩ型ゼオライトは、転化率向上の観点から、ケイ素／アルミニウムモル比が１０〜３０であることが好ましい。
【００１７】
上記アルキル基を有する芳香族炭化水素の脱アルキル反応は、クメンの分解反応であってもよい。
【００１８】
本発明はまた、アルキル基を有する芳香族炭化水素が含まれる原料を、上記本発明に係る芳香族転換反応用触媒に接触させて、上記芳香族炭化水素のトランスアルキレーション反応をするステップを備える芳香族炭化水素の製造方法を提供する。
【００１９】
本発明はまた、アルキル基を有する芳香族炭化水素が含まれる原料を、上記本発明に係る芳香族転換反応用触媒に接触させて、上記芳香族炭化水素の脱アルキル反応をするステップを備える芳香族炭化水素の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、芳香族炭化水素の転換反応における転化率を高めることができる高活性な芳香族転換反応用触媒及びそれを用いる芳香族炭化水素の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本実施形態の芳香族転換反応用触媒は、ＭＦＩ型ゼオライトを含有する担体及び該担体に担持されたニッケルを含む。
【００２２】
本実施形態の芳香族転換反応用触媒は、アルキル基を有する芳香族炭化水素のトランスアルキレーション反応に用いることができる（以下、「本実施形態の第１の触媒」という場合もある）。
【００２３】
本実施形態の芳香族転換反応用触媒は、アルキル基を有する芳香族炭化水素の脱アルキル反応に用いることができる（以下、「本実施形態の第２の触媒」という場合もある）。
【００２４】
本実施形態で用いられるＭＦＩ型ゼオライトは、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｚｅｏｌｉｔｅ  Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ（国際ゼオライト学会）で規定されているＭＦＩ型ゼオライトを意味する。ＭＦＩ型ゼオライトとしては、例えば、ＺＳＭ−５、ＴＳ−１、ＴＳＺ、ＳＳＩ−１０、ＵＳＣ−４、ＮＵ−４等を用いることができる。このようなＭＦＩ型ゼオライトを用いることで、パラ置換芳香族炭化水素、特にはｐ−キシレンを高収率で製造することができる。転化率向上の点で、ＺＳＭ−５を用いることが好ましい。
【００２５】
ＭＦＩ型ゼオライトのケイ素／アルミニウムモル比（Ｓｉ／Ａｌモル比）は、１０〜３０が好ましく、１１〜１４．５がより好ましく、１１〜１３がさらに好ましく、１１．５〜１２がさらにより好ましい。ケイ素／アルミニウムモル比が１０より小さい場合は、ＭＦＩ構造を安定的に保持することが難しくなる傾向にあり、一方、３０より大きい場合は、反応活性点である酸量が少なくなり、反応活性が低下する傾向にある。
【００２６】
ＭＦＩ型ゼオライトは、転化率向上の点で、粒径が１００μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以下であることがより好ましく、１μｍ以下であることがさらに好ましい。
【００２７】
担体としては、上記ＭＦＩ型ゼオライトをそのまま用いてもよく、本発明の効果を損なわない範囲で、アルミナ、シリカ、ジルコニア、ゼオライトなどを含む無機バインダー、炭化系、炭化水素系、高分子系の化合物を含む有機バインダーと混合することもできる。また、担体は転動造粒法、押し出し成形法、打錠成形法などによって成形されていてもよい。
【００２８】
本実施形態においては、担体におけるＭＦＩ型ゼオライトの含有量が、担体全量を基準として、５０〜１００質量％であることが好ましく、８０〜１００質量％であることがより好ましく、９０〜１００質量％であることがさらに好ましい。
【００２９】
本実施形態において担体にニッケルを担持する方法は、特に限定されるものではなく、公知の方法を適用することにより容易に行うことができる。例えば、イオン交換法、含浸法、混合法が挙げられ、これらのうち、イオン交換法及び含浸法が好ましく、ニッケルの含有量を任意に調製しやすいという観点から、含浸法が特に好ましい。
【００３０】
含浸法としては、吸着法、ポアフィリング法、ｉｎｃｉｐｉｅｎｔ  ｗｅｔｎｅｓｓ法、蒸発乾固法、スプレー法が挙げられる。これらの方法は特に限定されるものではないが、操作の容易性から、ポアフィリング法、蒸発乾固法が好ましい方法として挙げられる。
【００３１】
ニッケルの出発物質は、適宜選択することができるが、通常、硝酸塩、硫酸塩、塩化物、酢酸塩、ギ酸塩を用いることができる。具体的には、硝酸ニッケル６水和物、硫酸ニッケル６水和物、塩化ニッケル６水和物、酢酸ニッケル４水和物、ギ酸ニッケル２水和物等が挙げられる。
【００３２】
本実施形態の芳香族転換反応用触媒におけるニッケルの含有量は、転化率向上の観点から、上記ＭＦＩ型ゼオライトの含有量１００質量部に対し、１．５〜１２質量部であることが好ましく、３〜１２質量部であることがより好ましく、５〜７質量部であることがさらに好ましい。
【００３３】
なお、上記の含有割合は、触媒の元素含有量をＩＣＰ法等により測定することにより求めることができる。
【００３４】
本実施形態に係る芳香族転換反応用触媒の形態については特に制限はなく、粉末、球形、リング状、タブレット状、又は円筒状などに成形することができる。
【００３５】
本実施形態に係る芳香族転換反応用触媒は、アルキル基を有する芳香族炭化水素のトランスアルキレーション反応や、アルキル基を有する芳香族炭化水素の脱アルキル反応に用いることができる。トランスアルキレーション反応としては、例えば、トルエンの不均化反応、トルエンとトリメチルベンゼンのメチル基交換反応等の芳香族炭化水素同士の反応が挙げられる。脱アルキル反応としては、例えば、クメンの分解反応、トリメチルベンゼンの分解反応、メチルエチルベンゼンの分解反応等の芳香族炭化水素の側鎖が分解する反応が挙げられる。
【００３６】
次に、本実施形態に係る芳香族転換反応用触媒を用いた本実施形態に係る芳香族炭化水素の製造方法について説明する。
【００３７】
本実施形態に係る芳香族炭化水素の製造方法の一態様は、アルキル基を有する芳香族炭化水素が含まれる原料を、上述した本実施形態に係る芳香族転換反応用触媒に接触させて、上記芳香族炭化水素のトランスアルキレーション反応をするステップを備える。
【００３８】
本実施形態に係る芳香族炭化水素の製造方法の他の態様は、アルキル基を有する芳香族炭化水素が含まれる原料を、上述した本実施形態に係る芳香族転換反応用触媒に接触させて、上記芳香族炭化水素の脱アルキル反応をするステップを備える。
【００３９】
アルキル基を有する芳香族炭化水素としては、炭素数７以上の単環芳香族炭化水素が挙げられ、具体的には、トルエン、クメン、トリメチルベンゼン、メチルエチルベンゼン、ｎ−プロピルベンゼン、ジエチルベンゼン、テトラメチルベンゼン等が挙げられる。
【００４０】
トランスアルキレーション反応の場合は、原料がトルエン、又は炭素数９以上の単環芳香族炭化水素を含むことが好ましい。不均化反応の場合は、原料がトルエンを含むことが好ましい。脱アルキル化反応の場合は、原料が炭素数９以上の単環芳香族炭化水素を含むことが好ましい。ただし、原料には、トルエン及び炭素数９以上の単環芳香族炭化水素以外の芳香族炭化水素が含まれていてもよい。
【００４１】
本実施形態において、原料中のアルキル基を有する芳香族炭化水素の含有量は、目的とする芳香族炭化水素（例えば、キシレン類）の収率向上の観点から、５０〜１００質量％が好ましく、９０〜１００質量％がより好ましく、９５〜１００質量％がさらに好ましい。
【００４２】
トランスアルキレーション反応をするステップ及び脱アルキル反応をするステップにおいては、原料を、液空間速度（ＬＨＳＶ）が好ましくは０．０１ｈ−１以上、より好ましくは０．１ｈ−１以上、好ましくは２０ｈ−１以下、より好ましくは１０ｈ−１以下で供給して本実施形態に係る芳香族転換反応用触媒と接触させることができる。
【００４３】
反応温度は、好ましくは２００℃以上、より好ましくは２３０℃以上、さらに好ましくは２５０℃以上とすることができ、好ましくは５５０℃以下、より好ましくは５３０℃以下、さらに好ましくは５１０℃以下とすることができる。反応温度が低すぎると、芳香族炭化水素の活性化が不充分であることなどから、原料である芳香族炭化水素の転化率が低くなる傾向にあり、一方、反応温度が高すぎると、エネルギーを多く消費してしまうことに加え、触媒寿命が短くなる傾向がある。
【００４４】
トランスアルキレーション反応をするステップ及び脱アルキル反応をするステップにおいては、窒素やヘリウムのような不活性ガスやコーキングを抑制するための水素を流通、又は加圧してもよい。
【００４５】
圧力は、好ましくは大気圧以上、より好ましくは０．１ＭＰａＧ以上、さらに好ましくは０．５ＭＰａＧ以上とすることができ、好ましくは２０ＭＰａＧ以下、より好ましくは１０ＭＰａＧ以下、さらに好ましくは５ＭＰａＧ以下とすることができる。
【実施例】
【００４６】
以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに制限されるものではない。
【００４７】
［触媒の調製］
（触媒Ｅ−１）
ビーカーに、飽和給水させたＮＨ４−ＺＳＭ−５（東ソー製、ケイ素／アルミニウムモル比＝１１．９、平均粒径：１μｍ）を１ｇ、及び硝酸ニッケル６水和物を０．０９ｇ入れ、更にイオン交換水１００ｃｍ３を加え、ホットプレート上で撹拌しながら加熱し、８０℃にて蒸発乾固させた。その後、１００℃で１２時間乾燥させ、触媒Ｅ−１を得た。
【００４８】
（触媒Ｅ−２）
硝酸ニッケル６水和物を０．１８ｇとした以外は触媒Ｅ−１と同様の操作をして、触媒Ｅ−２を得た。
【００４９】
（触媒Ｅ−３）
硝酸ニッケル６水和物を０．２２ｇとした以外は触媒Ｅ−１と同様の操作をして、触媒Ｅ−３を得た。
【００５０】
（触媒Ｅ−４）
硝酸ニッケル６水和物を０．２７ｇとした以外は触媒Ｅ−１と同様の操作をして、触媒Ｅ−４を得た。
【００５１】
（触媒Ｅ−５）
硝酸ニッケル６水和物を０．３１ｇとした以外は触媒Ｅ−１と同様の操作をして、触媒Ｅ−５を得た。
【００５２】
（触媒Ｅ−６）
硝酸ニッケル６水和物を０．３６ｇとした以外は触媒Ｅ−１と同様の操作をして、触媒Ｅ−６を得た。
【００５３】
（触媒Ｅ−７）
硝酸ニッケル６水和物を０．４０ｇとした以外は触媒Ｅ−１と同様の操作をして、触媒Ｅ−７を得た。
【００５４】
（触媒Ｅ−８）
硝酸ニッケル６水和物を０．４５ｇとした以外は触媒Ｅ−１と同様の操作をして、触媒Ｅ−８を得た。
【００５５】
（触媒Ｅ−９）
硝酸ニッケル６水和物を０．５２ｇとした以外は触媒Ｅ−１と同様の操作をして、触媒Ｅ−９を得た。
【００５６】
（触媒Ｅ−１０）
ビーカーに、飽和給水させたＮＨ４−ＺＳＭ−５（水澤化学製、ケイ素／アルミニウムモル比＝１５．０、平均粒径：１μｍ）を２ｇ、及び硝酸ニッケル６水和物を０．５９ｇ入れ、更にイオン交換水１００ｃｍ３を加え、ホットプレート上で撹拌しながら加熱し、８０℃で蒸発乾固をさせた。その後、１００℃で１２時間乾燥させ、触媒Ｅ−１０を得た。
【００５７】
（触媒ＣＥ−１）
ＮＨ４−ＺＳＭ−５（東ソー製、ケイ素／アルミニウムモル比＝１１．９、平均粒径：１μｍ）をそのまま使用した。
【００５８】
（触媒ＣＥ−２）
硝酸ニッケル６水和物の代わりに、硝酸銀０．２６ｇを加えた以外は触媒Ｅ−１と同様の操作をして、触媒ＣＥ−２を得た。
【００５９】
（触媒ＣＥ−３）
硝酸ニッケル６水和物の代わりに、テトラアンミン白金塩化物０．４１ｇを加えた以外は触媒Ｅ−１と同様の操作をして、触媒ＣＥ−３を得た。
【００６０】
（触媒ＣＥ−４）
硝酸ニッケル６水和物の代わりに、硝酸コバルト６水和物０．１８ｇを加えた以外は触媒Ｅ−１と同様の操作をして、触媒ＣＥ−４を得た。
【００６１】
（触媒ＣＥ−５）
硝酸ニッケル６水和物の代わりに、７モリブデン酸アンモニウム４水和物０．２５ｇを加えた以外は触媒と同様の操作をして、触媒ＣＥ−５を得た。
【００６２】
（触媒ＣＥ−６）
硝酸ニッケル６水和物の代わりに、テトラアンミンパラジウム塩化物０．１５ｇを加えた以外は触媒と同様の操作をして、触媒ＣＥ−６を得た。
【００６３】
（触媒ＣＥ−７）
ビーカーに、飽和給水させたシリカ（ＪＲＣ−ＳｉＯ−１０）を１ｇ入れ、硝酸ニッケル６水和物を０．３１ｇ加えた。そこにイオン交換水１００ｃｍ３を加え、ホットプレート上で撹拌しながら加熱し、８０℃で蒸発乾固をさせた。その後、１００℃で１２時間乾燥させ、触媒ＣＥ−７を得た。
【００６４】
［触媒の物性］
上記で得られた触媒について以下の物性を表１〜６にまとめる。
【００６５】
（金属／４配位Ａｌの測定）
２９Ａｌ−ＮＭＲにより全Ａｌ中の４配位Ａｌの割合を求め、金属含有量及びアルミニウム含有量から、金属／４配位Ａｌの値を求めた。
【００６６】
（金属イオン交換率）
ＮＨ４−ＺＳＭ−５上のＮＨ４イオンが金属イオンに置き換わった割合を意味する。
【００６７】
（金属担持量（質量％））
表に示す金属担持量（質量％）は、担体（金属イオンを含まないＭＦＩ型ゼオライト触媒）の質量を基準とした金属の質量割合を意味する。なお、比較例７は、シリカの質量を基準としたＮｉ金属の質量割合である。
【００６８】
［トルエンの不均化］
（参考例１〜３、実施例４〜５、参考例６〜１０、及び比較例１〜７）
上記のようにして調製した触媒を、内径４ｍｍのステンレス管を用いた固定床流通式反応装置に０．１ｇ充填した。大気圧、６．０ｃｍ３／分のＨ２流通下、５００℃で１時間前処理した後、全圧１．５ＭＰａ、６．０ｃｍ３／分のＨ２流通下、４００℃の条件にて、無脈流ポンプを用いて０．０２６１ｃｍ３／分の流速でトルエンを供給して、トルエンの不均化反応を実施した。なお、トルエンは反応管の入口で蒸発させた。生成物の捕集は、氷浴のヘキサントラップで行い、１，４−ジイソプロピルベンゼンを内部標準物質として、生成物をガスクロマトグラフィーで分析した。カラムとしては、Ｘｙｌｅｎｅ  Ｍａｓｔｅｒ（長さ５０ｍ、内径０．３２ｍｍ）を使用した。なお、トルエン転化率は以下のようにして求めた。結果を表１〜４に示す。
【００６９】
トルエン転化率（ｍｏｌ％）＝１００−［出口でのトルエン回収量（ｍｏｌ）］／［出口での全芳香族化合物の検出量（ｍｏｌ）］×１００
【００７０】
【表１】
0006566306.tif 000002
【００７１】
【表２】
0006566306.tif 000003
【００７２】
【表３】
0006566306.tif 000004
【００７３】
【表４】
0006566306.tif 000005
【００７４】
［クメンの脱アルキル化］
（参考例１１、実施例１２〜１４、参考例１５〜１７、及び比較例８）
触媒１ｍｇを、内径４ｍｍのガラス管にグラスウールで挟むように詰めた。電気炉内に反応管をセットし、６０ｃｍ３／分のＨｅ流通下で５００℃で１時間の前処理を行った。反応管を２００℃まで冷却し、反応管上部の注入口からクメン２．８７×１０−５ｍｏｌを注入した。出口をガスクロマトグラフに直結し、炎イオン化検出器（ＦＩＤ）で生成物を分析した。なお、クメン転化率は以下のようにして求めた。
【００７５】
クメン転化率（ｍｏｌ％）＝１００−［クメンのＧＣ検出強度］／［全出口有機物のＧＣ検出強度合計］×１００
【００７６】
【表５】
0006566306.tif 000006
【００７７】
【表６】
0006566306.tif 000007
【００７８】
表１〜４に示されるように、触媒Ｅ−１〜Ｅ−１０によれば、トルエン転化率を高めることができることが分かる。また、表５〜６に示されるように、触媒Ｅ−１〜２、４〜８によれば、クメン転化率を高めることができることが分かる。