説明

アクリル酸製造用触媒の製造方法

【課題】 気相接触酸化によりアクロレインからアクリル酸を高収率で製造するのに適する触媒の製造方法の提供。
【解決手段】 下記金属元素Bを構成成分とする化合物および必要に応じて下記金属元素Cを構成成分とする化合物を他の金属成分と混合させ、さらに使用されるアンモニウムイオンおよび蓚酸イオンの金属元素Aに対する割合が、モル比でアンモニウムイオン2〜7および蓚酸イオン4〜12であることを特徴とする下記組成式(1)で表される金属酸化物からなるアクリル酸製造用触媒の製造方法。
組成式 MoVg Sbh Ai Bj Ck (1)
(式中、Aは、NbおよびTaからなる群から選ばれた一種以上の元素であり、Bは、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Cr、W、Mn、Fe、Ru、Co、NiまたはPであり、またCは、Ag、Zn、Tl、Sn、Pb、Cu、AsまたはSeである。

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、プロパンの気相接触酸化によるアクリル酸の製法に適用される触媒の製造方法およびその触媒を使用したアクリル酸の製法に関するものである。
【0002】
【従来技術】近年、プロパンとプロピレンの価格差等の理由で、プロパンを出発原料として一段階でアクリル酸を製造する方法が検討されており、その際に使用される触媒に関する提案が多数なされている。代表例としては、〔V、P、Te〕系の触媒[キャタリシス ツデイー(Catal.Today)、13,679(1992)]、AgBiVMoO(特開平2−83348号公報)、BiMo12V5Nb0.5SbKOn(USP第5198580号)および〔Mo、Te、V、Nb〕系の触媒(特開平6ー279351号公報)等が挙げられる。本発明者らも〔Mo、Sb、V、Nb〕系触媒(特開平9−316023公報、特開平10−230164公報等)を報告している。しかしながら、上記の方法はいずれも目的とするアクリル酸への選択率が低く、アルカンの気相接触酸化によるアクリル酸製造において、効率よくアクリル酸を製造することが出来なかった。また、本発明者らは〔Mo、Sb、V、Nb〕系触媒の性能を更に向上させるために、主成分以外の元素の添加を行ったが、いずれの反応もアクリル酸収率は低下し、触媒性能を向上させることはできなかった。
【0003】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、プロパンの酸化により、高収率でアクリル酸を製造しうる触媒を得るべく鋭意検討した結果、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は、下記工程(1)および工程(2)からなり、そのいずれかの工程において下記金属元素Bを構成成分とする化合物および必要に応じて下記金属元素Cを構成成分とする化合物を他の金属成分と混合させ、さらに工程(2)で使用されるアンモニウムイオンおよび蓚酸イオンの金属元素Aに対する割合が、モル比でアンモニウムイオン2〜7および蓚酸イオン4〜12であることを特徴とする下記組成式(1)で表される金属酸化物からなるアクリル酸製造用触媒の製造方法である。
組成式 MoVg Sbh Ai Bj Ck (1)
(式中、Aは、NbおよびTaからなる群から選ばれた一種以上の元素であり、Bは、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Cr、W、Mn、Fe、Ru、Co、NiまたはPであり、またCは、Ag、Zn、Tl、Sn、Pb、Cu、AsまたはSeである。g およびh は、各々0.01〜1.5でかつh /g =0.3〜1.0であり、またiは0.001〜3.0、jは0.0001〜0.1、kは0〜0.05である。)
工程(1):水性媒体中でMo+6の存在下にV+5およびSb+3を70℃以上の温度で反応させる工程工程(2):前記工程(1)で得られる反応生成物に、アンモニウムイオン、蓚酸イオンおよび金属元素Aを含有する水性液を加えて均一に混合し、さらに蒸発乾固して得られる混合物を焼成する工程
【0004】
【発明の実施の形態】本発明における工程(2)において、金属元素Aの使用量1モルに対するアンモニウムイオンが、7モルを越えると、工程(2)で得られる金属元素A含有水溶液が不均一状態になり、得られる触媒を使用してプロパン酸化反応を行っても、アクリル酸収率は低下する。アンモニウムイオンが2モル未満であると、アンモニウムイオンの効果が無くなり、アクリル酸収率は低下する。アンモニウムイオンの添加のために使用し得る化合物としては、アンモニア、アンモニア水溶液および硝酸アンモニウム等が挙げられる。また、金属元素A含有水溶液における元素Aの使用量1モルに対する蓚酸イオンが、12モルを越えると、プロパンの転化率が低下する。蓚酸イオンが、4モル未満であるとプロパンの転化率が低下し、アクリル酸収率が低下する。蓚酸イオンの添加のために使用し得る化合物としては、蓚酸、蓚酸ニオブ、蓚酸ニオブアンミニウム、蓚酸アンモニウム等が挙げられる。
【0005】工程(1)の酸化還元反応に用いられるV+5を構成元素とするV+5化合物としては、メタバナジン酸アンモニウムまたは五酸化バナジウムが好ましく、Sb+3を構成元素とするSb+3化合物としては、三酸化アンチモンまたは酢酸アンチモンが好ましく、Mo+6を構成元素とするMo+6化合物としては、モリブデン酸アンモニウム、酸化モリブデンまたは、モリブデン酸等が挙げられ、好ましくは、水溶性である点で、モリブデン酸アンモニウムである。また、金属元素Aを構成成分とする化合物の具体例としては、酸化ニオブ、ニオブ酸、酸化タンタル、タンタル酸等が挙げられる。金属元素Bを構成成分とする化合物の具体例としては、炭酸水素ナトリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素カリウム、炭酸カリウム、硝酸カリウム、炭酸ルビジウム、炭酸マグネシウム、硝酸ストロンチウム、硝酸バリウム等に代表される、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Cr、W、Mn、Fe、Ru、Co、NiまたはPの炭酸水素塩、炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩、蓚酸塩または塩酸塩等が挙げられる。金属元素Cを構成成分とする化合物の具体例としては、硝酸銀、酢酸銀、硝酸亜鉛、酢酸鉛、酸化第二銅、三酸化砒素、セレン酸、亜セレン酸等に代表される、Ag、Zn、Tl、Sn、Pb、Cu、AsまたはSeの硝酸塩、酢酸塩、塩酸塩または酸化物等が挙げられる。上記金属C化合物の使用量は、得られる触媒における金属の元素比で、Moを1とするとき、0〜0.05である。金属Cの割合が0.05を越えるとアクリル酸の収率が劣る。金属B化合物および金属C化合物は、工程(1)で使用する水性媒体に添加しても良いし、工程(2)で使用する金属A化合物水溶液に添加しても良く、さらには、工程(2)で得られる各種金属の混合液に添加しても良い。好ましくは、工程(1)で使用する水性媒体への添加である。
【0006】酸化還元反応におけるMo+6化合物、V+5化合物およびSb+3化合物の使用割合は、目的とする触媒においてそれを構成するMo、VおよびSbの原子比が以下の組成式となる割合である。MoVg Sbh (式中、g およびh は各々0.01〜1.5であり、かつh /g=0.3〜1である。)
前記組成式において、g およびh は各々0.01〜1.5であり、より好ましいg およびh は、0.1〜1である。g およびh が、0.01未満であるかまたは1.5を越えると、アクリル酸製造反応においてプロパンの転換率およびアクリル酸選択率が劣る。また、V+5化合物およびSb+3化合物の使用割合は、原子比でSb+3:V+5=(0.3〜1):1である。Sb+3の割合が、0.3未満であるとアクリル酸選択率が低く、一方、1を越えるとプロパンの転化率が低い。
【0007】水性溶媒に対する上記金属化合物の好ましい仕込み量は、水100重量部当たり、3種の金属化合物の合計量の3〜30重量部である。3種の金属化合物の合計量が、30重量部を越えるとV化合物またはMo化合物の一部が不溶解物となり、酸化還元反応が不完全になり易い。上記反応は、70℃以上の加熱下でないと進行せず、好ましい反応温度は、水性溶媒中の沸点付近である。反応時間は、5〜50時間が好ましい。反応の進行度は、反応液におけるSb+5を定量分析し、その量と最初に仕込んだSb+3の量を対比することにより分かる。すなわち、得られた反応液に、その液の10倍以上の1N蓚酸水溶液を加えてSbのみを沈降分離させた後、沈澱物を沃化水素酸にて滴定することにより、Sb+5を定量分析できる。反応液中のMoおよびVの原子価は、電子スピン共鳴スペクトルの測定等により求められる。
【0008】本発明において、上記酸化還元反応液中に、分子状酸素または該酸素を含むガスを吹き込んだり、過酸化水素水溶液、硝酸化合物などの酸化剤をある一定量混合することにより、得られる触媒の性能をさらに向上させることができる。空気の吹き込み方法としては、工程(1)における酸化還元反応の進行中または反応終了後のいずれでもよい。酸素含有ガスの吹き込み中は反応液を撹拌することが好ましい。酸化還元反応液中に分子状酸素または該酸素を含むガスを吹き込む方法における、酸素ガスの濃度、吹き込み速度(流量)、吹き込み時間などの条件は、特に限定されるものではない。酸素含有ガスにおける好ましい酸素ガス濃度は、0.5vol%(以下%と略す)以上であり、更に好ましくは、1〜20%であり、特に好ましくは、2〜15%である。酸素含有ガスにおける酸素ガス濃度が、0.5%未満であると最終的に得られる触媒の活性が低いことがある。好ましい吹き込み速度は(流量)は、酸化還元反応液の反応液量に依存するが、反応液量が200ml〜500ml程度であれば、3〜12リットル/Hrが好ましい。上記酸素含有ガスの反応液中への吹き込み時間は、4時間以上が好ましい。さらに好ましい吹き込み時間は、5〜10時間である。酸素含有ガスの吹き込み時間が4時間未満であると得られる触媒の活性が低いことがある。過酸化水素の混合方法としては、過酸化水素を含有する化合物が際限なく使用でき、具体的には、純過酸化水素、過酸化水素を含有する水溶液、あるいは過酸化尿素のような過酸化水素の付加物などが使用できるが、取り扱い易さの点で、過酸化水素水が好ましい。
【0009】過酸化水素の酸化還元反応液への添加は、酸化還元反応の進行中または反応終了後のいずれでも良いが、特に反応終了後が好ましい。また、NbまたはTaを含有する溶液と混合する前あるいは後のいずれの時点で過酸化水素を加えても良い。また、分子状酸素を含有するガスを上記酸化還元反応液に吹き込む方法と組み合わせて行っても良い。過酸化水素水の好ましい過酸化水素濃度は、0.001%以上であり、さらに好ましくは、取り扱い易さや安全面から0.01〜35%である。過酸化水素の添加量については、原料中のSb化合物の使用量、分解により反応に関わらない過酸化水素の割合、酸化剤として併用される分子状酸素の反応量、各元素の酸化状態に大きく影響を与える焼成温度や焼成雰囲気などにより変化するため、限定はできないが、例えば、本発明の実施例における触媒の調製条件では、モル比で、Sbを1としたときの過酸化水素の最適使用量は0.2〜1.2である。過酸化水素の反応液中への好ましい添加時間は、特に限定されるものではない。
【0010】また、硝酸化合物の混合方法としては、上記の過酸化水素と同様の手法で行うことができるが、好ましくは、上記工程(2)に使用するA含有水溶液に加えるか、あるいは、工程(2)の後で加えるのがよく、更に好ましくはA含有水溶液に加えるのが、より好ましい。元素Aの使用量は、得られる触媒における金属の原子比で、Moを1としたとき、元素Aが0.001〜3.0となる量である。触媒におけるMoを1としたときの元素Aの割合が、0.001未満であると触媒の劣化が起こり、一方3.0を越えると触媒が低活性となり、プロパンの転換率に劣る。
【0011】上記操作によって得られる金属化合物の混合物は、必要により蒸発乾固または噴霧乾燥等の方法により乾燥した後、焼成処理を加えることにより、本発明の触媒として用いられる金属酸化物に変換される。焼成の条件は、金属酸化物を製造する際に一般的に採用される条件が採用でき、具体的には、温度300〜900℃で焼成時間1〜20時間が適当である。より好ましくは、温度450〜700℃の温度で1〜5時間である。焼成の雰囲気としては、窒素およびアルゴン等の不活性ガス気流中または空気および酸素等の酸素含有気流中が好ましく、得られる触媒の活性が高い点でより好ましくは前記不活性ガス気流中である。上記焼成により得られる金属酸化物の中の金属元素の含有量の確認は、螢光X線分析によって行うことができる。上記方法により得られるアクリル酸製造用触媒は、適当な粒度にまで粉砕して、表面積を増大させることが好ましく、粉砕方法としては、乾式粉砕法または湿式粉砕法のいずれの方法も使用でき、粉砕装置としては、乳鉢、ボールミル等が挙げられる。本触媒の好ましい粒度は、20μm以下であり、さらに好ましくは5μm以下である。本発明におけるアクリル酸製造用触媒は、無担体の状態でも使用できるが、適当な粒度を有するシリカ、アルミナ、シリカアルミナおよびシリコンカーバイド等の担体に担持させた状態で使用することもできる。担体との複合化は、触媒の製造工程のいずれの時点で行ってもよいが、触媒前駆体であるスラリーにあらかじめ混合する方法がより好ましい。
【0012】アクリル酸製造の原料であるプロパンおよび酸素ガスは、別々に反応器に導入して反応器内で混合させてもよく、また予め両者を混合させた状態で反応器に導入してもよい。酸素ガスとしては、純酸素ガスまたは空気、ならびにこれらを窒素、スチームまたは炭酸ガスで希釈したガスが挙げられる。プロパンおよび空気を使用する場合、空気のプロパンに対する使用割合は、容積比率で30倍以下が好ましく、さらに好ましくは、0.2〜20倍の範囲である。好ましい反応温度は300〜600℃であり、より好ましくは350〜500℃である。また、ガス空間速度(以下SVという)としては、300〜5000/hrが適当である。
【0013】以下、実施例および比較例を挙げて、本発明をさらに具体的に説明する。なお、各例で得られた触媒は、その1.5ml(約2.22g)を10mmφの石英製の反応管に充填した。反応管は所定の温度に加温し、そこにプロパン4.4容積%、酸素7.0容積%、窒素26.3容積%および水蒸気62.3容積%の混合ガスを空間速度1800/hrで供給することにより、アクリル酸を合成した。反応生成物に基づき以下の転化率および選択率を算出し、それらの値により使用した触媒の性能を評価し、その結果は後記の表1に記載した。またプロパン転化率およびアクリル酸選択率は、以下の式に基づいて計算した(いずれもモル数により計算)。
・プロパン転化率(%)=(供給プロパン−未反応プロパン)/供給プロパン・アクリル酸選択率(%)=生成アクリル酸/(供給プロパン−未反応プロパン)
・アクリル酸収率(%)=プロパン転化率×アクリル酸選択率
【0014】
【実施例1】300mlのガラス製フラスコ内の蒸留水130ml中にメタバナジン酸アンモニウム6.15gを加え、撹拌下で加熱溶解させた後、三酸化アンチモン5.87g、モリブデン酸アンモニウム30.9gおよび炭酸水素カリウム0.053gを加えた。さらに、上記フラスコ内に大量の窒素ガスを流通させて十分に窒素置換した。上記成分からなる混合物を360回転/分の速度で撹拌機を回転させながら、窒素ガス雰囲気下、16時間加熱還流し、反応させた。さらに加熱撹拌しながら、該液中に1.51重量%の過酸化水素水40gを5時間かけて滴下した。得られた青いコロイド分散液状の分散液を室温まで冷却し、そこに蓚酸8.82g、ニオブ酸2.33gおよび28重量%のアンモニア水3.0gを75mlの蒸留水に溶解した常温の水溶液を加えた。得られた混合液を、窒素ガス雰囲気下30分間激しく撹拌した後、加熱濃縮し、さらに120℃で蒸発乾固させた。得られた固体を280℃で5時間焼成した後、窒素ガス気流中において580℃で2時間焼成することにより、金属酸化物の触媒を得た。得られた触媒を打錠成形し、さらに16〜30メッシュに粉砕して、アクリル酸製造反応に使用した。この触媒の原子比は、Mo/V/Sb/Nb/K=1.0/0.3/0.23/0.08/0.003であった。本触媒を使用してアクリル酸合成試験を行った結果は、表1に示すとおりである。以下の各例において得られた触媒の原子組成比およびそれを用いたアクリル酸合成の結果も、それぞれ表1に記載のとおりである。
【0015】
【実施例2】炭酸水素カリウムを0.175g、1.54重量%の過酸化水素水40gを使用したこと以外は、実施例1と同様の条件で触媒を製造した。
【実施例3】蓚酸7.06g、1.71重量%の過酸化水素水40gを使用したこと以外は、実施例2と同様の条件で触媒を製造した。
【実施例4】炭酸水素カリウムを0.263g、1.54重量%の過酸化水素水40gを使用したこと以外は、実施例1と同様の条件で触媒を製造した。
【実施例5】炭酸水素カリウムを0.35g使用し、1.71重量%の過酸化水素水40gを5分間で滴下し、かつアンモニア水の代わりに硝酸アンモニウム5.0gを75mlの蒸留水に溶解した水溶液を使用した以外は、実施例1と同様の条件で触媒を製造した。
【0016】
【実施例6】炭酸水素カリウムを0.875g使用し、1.71重量%の過酸化水素水40gを5分間で滴下し、かつアンモニア水の代わりに硝酸アンモニウム5.0gを75mlの蒸留水に溶解した水溶液を使用した以外は、実施例1と同様の条件で金属酸化物を製造した。上記金属酸化物10gに蒸留水7gを混合し、24時間ボールミルで粉砕を行った。得られた分散液を120℃で乾燥させた後、打錠成形し、さらに16〜30メッシュに粉砕することにより、触媒を製造した。
【実施例7】炭酸水素カリウムの代わりに炭酸水素ナトリウムを0.147g使用し、かつ1.71重量%の過酸化水素水40gを使用したこと以外は、実施例1と同様の条件で触媒を製造した。
【実施例8】炭酸水素カリウムの代わりに炭酸ルビジウムを0.404gを使用し、また、1.71重量%の過酸化水素水40gを使用したこと以外は、実施例1と同様の条件で触媒を製造した。
【実施例9】炭酸水素カリウムの代わりに硝酸鉄(III)9水和物を0.212g使用したこと以外は、実施例1と同様の条件で触媒を製造した。
【0017】
【実施例10】炭酸水素カリウムの代わりに硝酸鉄(III)9水和物を0.707g、1.63重量%の過酸化水素水40gを5分間で滴下したこと以外は、実施例1と同様の条件で触媒を製造した。
【実施例11】炭酸水素カリウムの代わりに82重量%セレン酸溶液を0.317gを使用し、かつ1.71重量%の過酸化水素水40gを5分間で滴下したこと以外は、実施例1と同様の条件で触媒を製造した。
【実施例12】炭酸水素カリウムの代わりに硝酸コバルト(II)(6水和物)を0.509gを使用し、また、1.63重量%の過酸化水素水40gを使用したこと以外は、実施例1と同様の条件で触媒を製造した。
【実施例13】炭酸水素ナトリウムの代わりに三酸化クロム0.053gを使用し、また、1.54重量%の過酸化水素水40gを5分間で滴下したこと以外は、実施例1と同様の条件で触媒を製造した。
【実施例14】炭酸水素ナトリウムの代わりにメタタングステン酸アンモニウム水溶液(酸化タングステン換算50.4wt%水溶液)0.406gを使用し、また、1.54重量%の過酸化水素水40gを5分間で滴下したこと以外は、実施例1と同様の条件で触媒を製造した。
【実施例15】炭酸水素ナトリウムの代わりにリン酸水素二アンモニウム0.069gを使用し、また、1.54重量%の過酸化水素水40gを5分間で滴下したこと以外は、実施例1と同様の条件で触媒を製造した。
【0018】
【比較例1〜4】比較例1:炭酸水素カリウムを使用せず、1.47重量%の過酸化水素水40gを5分間で滴下したこと以外は、実施例1と同様の条件で触媒を製造した。
比較例2:炭酸水素カリウムおよびアンモニア水を使用せず、1.47重量%の過酸化水素水40gを5分間で滴下したこと以外は、実施例1と同様の条件で触媒を製造した。
比較例3:アンモニア水を使用しなかったこと以外は、実施例1と同様の条件で触媒を製造した。
比較例4:蓚酸を6.17g使用したこと以外は、実施例1と同様の条件で触媒を製造した。
【0019】
【発明の効果】本発明の方法によれば、プロパンの気相接触酸化反応に適用され、プロパンからアクリル酸を高収率で合成し得る触媒が容易に得られる。
【0020】
【表1】


【特許請求の範囲】
【請求項1】 下記工程(1)および工程(2)からなり、そのいずれかの工程において下記金属元素Bを構成成分とする化合物および必要に応じて下記金属元素Cを構成成分とする化合物を他の金属成分と混合させ、さらに工程(2)で使用されるアンモニウムイオンおよび蓚酸イオンの金属元素Aに対する割合が、モル比でアンモニウムイオン2〜7および蓚酸イオン4〜12であることを特徴とする下記組成式(1)で表される金属酸化物からなるアクリル酸製造用触媒の製造方法。
組成式 MoVg Sbh Ai Bj Ck (1)
(式中、Aは、NbおよびTaからなる群から選ばれた一種以上の元素であり、Bは、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Cr、W、Mn、Fe、Ru、Co、NiまたはPであり、またCは、Ag、Zn、Tl、Sn、Pb、Cu、AsまたはSeである。g およびh は、各々0.01〜1.5でかつh /g =0.3〜1.0であり、またiは0.001〜3.0、jは0.0001〜0.1、kは0〜0.05である。)
工程(1):水性媒体中でMo+6の存在下にV+5およびSb+3を70℃以上の温度で反応させる工程工程(2):前記工程(1)で得られる反応生成物に、アンモニウムイオン、蓚酸イオンおよび金属元素Aを含有する水性液を加えて均一に混合し、さらに蒸発乾固して得られる混合物を焼成する工程
【請求項2】 請求項1記載の製造方法によって得られる触媒の存在下に、プロパンを気相で接触酸化させることを特徴とするアクリル酸の製造方法。

【公開番号】特開2000−317309(P2000−317309A)
【公開日】平成12年11月21日(2000.11.21)
【国際特許分類】
【出願番号】特願平11−135136
【出願日】平成11年5月17日(1999.5.17)
【出願人】(000003034)東亞合成株式会社 (548)
【Fターム(参考)】