成果報告書詳細
管理番号20110000001755
タイトル平成21年度~平成22年度成果報告書 グリーン・サステイナブルケミカルプロセス基盤技術開発 化学品原料の転換・多様化を可能とする革新グリーン技術の開発 バイオマスからのバルク化学品製造プロセスの研究開発
公開日2012/3/13
報告書年度2009 - 2010
委託先名三菱化学株式会社
プロジェクト番号P09010
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約バイオマスからのバルク化学品製造プロセスの開発を目的として、「エタノールから直接プロピレンを製造する触媒プロセス」および「バイオマスからフルフラール経由でTHFを製造する触媒プロセス」の検討を行った。[1] エタノールから直接プロピレンを製造する触媒プロセス(ETP)の開発: エタノールから直接プロピレンを製造する触媒プロセスの開発を目的として、流動床連続再生による触媒性能の評価、固定床反応器による各種評価、触媒開発および製造コスト・二酸化炭素排出量の見積りを行った。流動床反応器を用いた連続再生による触媒性能の評価では、固定床反応と同等の反応成績であることが確認された。固定床反応器では、開発した熱安定性の高い触媒について寿命評価を行い、1000時間以上にわたり活性低下が見られず、触媒の劣化がほとんど進行していないことが確認された。また、反応器内に水が存在すると、触媒の劣化が一部進行することにより活性が低下する傾向が見られたが、その程度は大きくないことが示唆された。製造コストの見積りは、プロセス合成により導出した用役必要量を基に行った。その結果、エタノール価格として、経済産業省と農林水産省の連携の下2008年に策定された「バイオ燃料技術革新計画」における技術革新ケースの目標である40円/L程度で、ナフサ法と同等の製造コストになることが示唆された。また、用役必要量を基にライフサイクルベースの二酸化排出量を計算し、ナフサ法に対して約54%削減できるという結果となった。[2] バイオマスからフルフラール(FRL)経由でTHFを製造する触媒プロセスの開発: FRL脱カルボニル反応の触媒寿命評価装置を製作し、目標である1000Hrを超える連続反応実績を得た。触媒活性低下を補償する反応温度上昇は許容範囲内となり、触媒コスト目標である5円/kgの目処を得た。フラン水素化については、バッチ反応器においてPd系触媒により>99%のTHF選択率で液相水素化反応が進行することがわかった。反応液には触媒からの溶出金属は認められず、触媒の繰返し使用が可能なことを確認した。これらの実験結果を基にFRLからTHFまでの連続プロセスを構築した。一方、セルロースを原料とする新規なFRL製造法においては、目標の25%を超えた30%強のFRLモル収率を得た。30%を超えるモル収率を与える固体酸触媒を数種開発した。バイオマスからフルフラール(FRL)経由でTHFを製造するプロセスの経済性についても調べた。設計したプラントを国内石油化学プラント隣接立地で建設するとした場合、FRLからTHFを 50000t/yで製造する商用プロセスの建設費は約35-40億円であった。検討で得られた反応条件、実測値や各種物性値を基に、FRLコストを除いた変動費+固定費は約150円/kg-THFと算出された。さらには農産廃棄物から生産されるFRLのコストを変数としてTHF製造コストを解析した。また、プロセスCO2排出量は製品kgあたり約2kgで、石化法に比べて約3kgのCO2排出削減が可能なことが判明した。FRL脱カルボニル化触媒の表面解析、劣化触媒解析を行い、反応中のコーク生成には一義的には触媒担体の表面酸性質が関与すること、およびコーク生成の抑制に対しては特定の吸着種と共存水素寄与することが示唆された。その他、劣化触媒においてはコークとともに複数のS種が触媒表面に蓄積することが確認された。
英文要約In order to develop the manufacturing process of bulk chemicals from biomass, "Catalytic process of propylene production from bio-ethanol " and "Catalytic process of THF production from biomass via furfural " were examined. [1] Development of Catalytic Process for Propylene production from bio-ethanol: To develop the catalytic process of propylene production, we conducted (i) evaluation of catalytic performance by a fluidized bed reactor, (ii) various evaluation of catalysts by fixed bed reactors, (iii) catalysts development, and estimation of the manufacturing costs and the carbon footprint. In the evaluation by the fluidized bed reactor with continuous regeneration system, it was confirmed that the catalytic performance was same to that of the fixed-bed reaction. From the life test by the fixed-bed reactor to evaluate the developed heat-stable catalysts, the decrease of catalytic activity was not observed for more than 1000 Hrs. In the presence of water in the reactor, while the catalyst activity tended to decrease by some deterioration of the catalyst, it seemed to be not significant. Manufacturing cost was estimated based on the utility requirement derived by the process synthesis. It was suggested that the cost might be comparable to that of the naphtha cracking process when the ethanol price is about 40 \/L. Also life cycle-base carbon dioxide emission was estimated based on the utility requirement. As a result, it was suggested that approximately 54 percent of carbon dioxide can be reduced compare to the naphtha cracking process. [2] Development of Catalytic Process for Tetrahydrofuran(THF) production from Biomass via Furfural: The continuous flow reaction system was constructed to evaluate catalyst longevity for furfural decarbonylation. The reaction was continuously examined for a long time over 1000 Hr. The reaction temperature was gradually raised to compensate for activity loss of catalysts, but it remained within the acceptable range. As a result, it was shown that catalyst-cost target, 5 \/kg-product, is achievable. Furan hydrogenation in liquid phase proceeded over Pd catalysts with a high selectivity more than 99%. No metal leaching from catalysts was observed in liquid phase after the reaction, which suggests possibility of successive catalyst using. Based on these experimental results, the catalytic process for THF production from furfural via furan was designed in detail. For direct conversion of cellulose, furfural yield higher than 25mol% was obtained by using solid acid catalysts. A few kinds of solid acid catalysts were developed for selective conversion of cellulose to furfural. Economical feasibility was also studied for chemical process from biomass to THF. The construction fee for furfural-based 50,000t-THF/y commercial plant adjacent to domestic petrochemical plant was estimated at 3.5-4.0 billion yen based on the designed process. Total cost for THF production was estimated at about 150 \/kg-THF except for furfural cost based on optimal reaction condition, experimental value obtained, and physical property. It was also analyzed with variation of furfural cost derived from agricultural wastes. The CO2 emission for THF production via furfural was about 2 kg/kg-THF. It is possible to reduce CO2 emission by ca. 3 kg per kg-THF production by replacing petrochemical process with this biomass-based process. The surface characterization for fresh and spent catalysts for furfural decarbonylation was carried out. It was confirmed that coke formation on the catalyst surface during the reaction is ascribed to surface acid property of catalyst supports. The formation of specific adsorbate and presence of hydrogen were suggested to be effective for reduction of coke formation. In addition to coke formation, sulfur accumulated on the surface was observed for spent catalysts.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る