説明

メタクリル酸製造用触媒の製造方法

【課題】本発明は、メタクロレイン、イソブチルアルデヒドまたはイソ酪酸を気相接触酸化してメタクリル酸を高収率、高選択的に長期間に亘り安定的なメタクリル酸収率を維持することができる触媒の簡便な製造方法及び、多様な反応条件に対応すべく触媒活性を簡便に制御する方法を提供することを目的とする。
【解決手段】モリブデン、リン、バナジウム、セシウム、アンチモンおよびアンモニウムを必須の活性成分とする触媒の製造方法であって、該触媒必須活性成分の、アンチモン以外の活性成分を含み加熱工程を経ることにより複合酸化物に変換しうるスラリーと、アンチモン化合物とを0〜20℃で混合し、次いでこれを乾燥し乾燥粉体を得た後、これを成型、焼成することを特徴とするメタクリル酸製造用触媒の製造方法。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、高活性、高選択性を有する触媒を使用してメタクロレイン、イソブチルアルデヒドまたはイソ酪酸を気相接触酸化してメタクリル酸を製造するための触媒及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
メタクロレイン、イソブチルアルデヒドまたはイソ酪酸を気相接触酸化してメタクリル酸を製造するために使用される触媒としては数多くの触媒が提案されている。これら触媒の大部分はモリブデン、リンを主成分とするもので、ヘテロポリ酸及び/又はその塩の構造を有するものである。
【0003】
例えば特許文献1にはモリブデン、バナジウム、リン、砒素、銅を必須成分とする触媒におけるそれぞれの元素の役割ならびに触媒の調製方法が詳細に記述されている。また特許文献2にはモリブデン、リン、バナジウム、アンチモン、銅を必須成分とする触媒におけるそれぞれの元素の役割ならびに触媒の調製方法が詳細に記述されており、特定の方法で調製したバナジウム、アンチモンの双方を含む触媒が反応活性、メタクリル酸選択率、触媒寿命を兼ねそろえたものであることが記述されている。また、特許文献3にはモリブデン、リン、バナジウム、アンチモン、銅系の触媒を調製するにあたって、触媒原料のうちバナジウム原料および/またはアンチモン原料をのぞく触媒原料を水に溶解または懸濁させ、アンモニウム根が存在する状態で80〜200℃の温度で1〜24時間加熱処理した後、バナジウム原料および/またはアンチモン原料を添加し再度80〜200℃の温度で1〜24時間加熱処理し、焼成する発明が記載されている。
【0004】
特許文献4にはモリブデン、リン、バナジウム、アンチモン、銅系の触媒を調製するにあたりアンチモン成分とモリブデン、バナジウムおよび/または銅成分とを予め混合し400〜800℃で熱処理したものを触媒原料に使用する発明が記載されている。
【0005】
これら公知技術は、アンチモン化合物の添加工程を種々工夫して、得られる触媒の高活性化を図っているが、アンチモン化合物の添加工程が複雑、もしくは長時間の工程を必要とするため、簡便な製造方法の確立が必要とされている。
さらに、メタクロレイン、イソブチルアルデヒドまたはイソ酪酸の気相接触酸化反応と同様の反応として知られているアクロレインの酸化によるアクリル酸を製造するために提案されているモリブデン−バナジウム系触媒と比較すると、反応活性は低く、目的物質への選択性も低く、寿命も短いため、提案されている触媒は一部工業化されているものの、これら触媒性能の改良が求められている。
【0006】
また、触媒の最適な活性(原料の転化率)は反応条件(空間速度、原料ガスモル比、反応管径など)によって異なってくる。触媒活性が強すぎると逐次酸化反応の進行によりメタクリル酸収率が低下してしまう。一方、触媒活性が弱すぎると反応浴温度の上昇によって長時間の使用に耐えうるものにならない。そこで、触媒活性を制御する方法の確立も、多くの反応条件に対応するために必要とされている。
【0007】
特許文献5には反応器を管軸方向に二層以上に分割して設けた複数個の反応帯に、活性の異なる複数個の触媒を原料ガス入り口側から出口側に向かって活性がより高くなるように充填する方法が記載されている。これにより反応器内の発熱はある程度抑えることができるが、触媒充填作業が煩雑になる。また、この特許文献5の実施例および比較例にはアンチモン量を制御して触媒活性を調節した2種の触媒を充填し反応を行っているが、これらの触媒を単層で使用するとアンチモン量の少ない触媒は活性が非常に低く、アンチモン量の多い触媒は活性が高いが選択率が低くいずれも収率が低い旨が記載されている。更にはこの二つの中間的組成の触媒でさえも収率が低く、かつΔT(ホットスポット温度―熱媒浴温度)が高く、熱負荷による劣化が懸念される旨が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特許第3146486号公報
【特許文献2】特開平9−24277号公報
【特許文献3】特許第3482476号公報
【特許文献4】特開平6−91172号公報
【特許文献5】特許第2574948号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明は、メタクロレイン、イソブチルアルデヒドまたはイソ酪酸を気相接触酸化してメタクリル酸を高収率、高選択的に長期間に亘り安定的なメタクリル酸収率を維持することができる触媒の簡便な製造方法及び、多様な反応条件に対応すべく触媒活性を簡便に制御する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】
【0010】
本発明者らは、モリブデン、リン、バナジウム、セシウム、アンチモンおよびアンモニウムを必須成分とするヘテロポリ酸部分中和塩において特定の方法でアンチモン化合物を添加した触媒が極めて高い触媒性能を持つこと、また、特定の方法でアンチモンを添加することにより触媒活性を簡便かつ正確に制御できること、更にアンチモンが特許文献5と全く逆の効果を示すことを見出し、本発明を完成させるに至った。
すなわち本発明は、
(1)モリブデン、リン、バナジウム、セシウム、アンチモンおよびアンモニウムを必須の活性成分とする触媒の製造方法であって、該触媒必須活性成分の、アンチモン以外の活性成分を含み加熱工程を経ることにより複合酸化物に変換しうるスラリーと、アンチモン化合物とを0〜20℃で混合し、次いでこれを乾燥し乾燥粉体を得た後、これを成型、焼成することを特徴とするメタクリル酸製造用触媒の製造方法
(2)混合工程が、熟成工程を含む上記(1)記載のメタクリル酸製造用触媒の製造方法
(3)成型工程が、バインダーを使用して、乾燥粉体を不活性担体にコーティングし、被覆触媒とする工程である上記(1)または(2)に記載の製造方法
(4)バインダーが水及または1気圧下での沸点が150℃以下の有機化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種の液体である上記(3)に記載の製造方法
(5)焼成温度が300〜450℃である上記(1)〜(4)のいずれか1項に記載の製造方法
(6)上記(1)〜(5)のいずれか1項に記載の製造方法により得られた触媒を使用することを特徴とするメタクロレイン、イソブチルアルデヒドまたはイソ酪酸を気相接触酸化することによるメタクリル酸の製造方法
に関する。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、モリブデン、リン、バナジウム、セシウム、アンチモンおよびアンモニウムを必須成分とする高活性、高選択率な触媒を製造することができ、触媒活性の制御が容易であり、多様の反応条件に対応できる触媒の提供が可能である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
本発明の製造方法は、触媒の活性成分(モリブデン、リン、バナジウム、セシウムおよびアンモニウム)を含有する化合物を含む水溶液または該化合物の水分散体(以下、両者をあわせてスラリーという)とアンチモン化合物を混合する工程を含んでなる。
すなわち、モリブデン、リン、バナジウム、セシウム、およびアンモニウム並びに必要によりその他の元素をそれぞれ若しくは複数含有する化合物を水に溶解及び/又は分散(工程(f))させ、スラリーを調製し、これにアンチモン化合物を混合し(工程(g))、これを乾燥(工程(h))、成型(工程(i))、焼成(工程(j))して使用する。
本発明において、モリブデン、リン、バナジウム、セシウム、アンチモンおよびアンモニウム以外の活性成分としては、銅、砒素、銀、マンガン、亜鉛、アルミニウム、ホウ素、ゲルマニウム、錫、鉛、チタン、ジルコニウム、クロム、レニウム、ビスマス、タングステン、鉄、コバルト、ニッケル、セリウム、トリウム、カリウム、ルビジウムからなる群から選ばれる1種以上等が挙げられる。必須成分以外の成分の添加方法は、均一なスラリーが得られる方法であれば特に制限は無く、アンチモン化合物を添加する前でも良いし、アンチモン化合物を添加した後でもよい。
本発明において、活性成分含有化合物の使用割合は、その原子比がモリブデン10に対して、バナジウムが通常0.1以上で6以下、好ましくは0.3以上で2.0以下、リンが通常0.5以上で6以下、好ましくは0.7以上で2.0以下、セシウムが通常0.01以上で4.0以下、好ましくは0.1以上で2.0以下、アンモニウムが通常0.1以上で10.0以下、好ましくは0.5以上で5.0以下、アンチモンが通常0.01以上で5以下、好ましくは0.05以上で2.0以下である。必要により用いるその他の活性成分の種類及びその使用割合は、その触媒の使用条件等に合わせて、最適な性能を示す触媒が得られるように、適宜決定される。なお本発明中に記載される触媒活性成分の原子比は原料仕込み段階のものであり、酸素を除いた値である。
【0013】
以降、上記の工程に従って実施形態を説明する。
工程(f):スラリーの調製
本発明において、触媒調製用に用いられる活性成分含有化合物としては活性成分元素の、塩化物、硫酸塩、硝酸塩、酸化物又は酢酸塩等が挙げられる。好ましい化合物をより具体的に例示すると硝酸カリウム又は硝酸コバルト等の硝酸塩、酸化モリブデン、五酸化バナジウム、酸化セリウム、酸化亜鉛又は酸化ゲルマニウム等の酸化物、正リン酸、リン酸、硼酸、リン酸アルミニウム又は12タングストリン酸等の酸(又はその塩)等が挙げられる。また、セシウム化合物として酢酸セシウム又は水酸化セシウム及びセシウム弱酸塩を、また、アンモニウム化合物として酢酸アンモニウム又は水酸化アンモニウムを使用するのが好ましい。これら活性成分を含む化合物は単独で使用してもよいし、2種以上を混合して使用してもよい。スラリーは、各活性成分含有化合物と水とを均一に混合して得ることができる。スラリーを調製する際の活性成分含有化合物の添加順序は、モリブデン、バナジウム、リン及び必要により他の金属元素を含有する化合物を充分に溶解し、その後セシウム化合物、アンモニウム化合物をスラリーに添加するほうが好ましい。前記スラリーを調製した後、アンチモン化合物を混合する。アンチモン化合物としては三酸化アンチモン、五酸化アンチモン、酢酸アンチモンなどが挙げられ、三酸化アンチモンが特に好ましい。また、必須活性成分以外の金属化合物として例えば、銅化合物としては酢酸銅(酢酸第一銅、酢酸第二銅、塩基性酢酸銅又は酸化第二銅等、好ましくは酢酸第二銅)または酸化銅(酸化第一銅、酸化第二銅)を使用すると好ましい効果を奏する場合がある。
スラリーを調製する際の温度は、モリブデン、リン、バナジウム、及び必要により他の金属元素を含有する化合物を充分溶解できる温度まで加熱することが好ましい。セシウム化合物、アンモニウム化合物を添加する際の温度は、通常0〜35℃、好ましくは10〜30℃程度の範囲であるほうが、得られる触媒が高活性になる傾向がある。スラリーにおける水の使用量は、用いる化合物の全量を完全に溶解できるか、または均一に混合できる量であれば特に制限はないが、乾燥方法や乾燥条件等を勘案して適宜決定される。通常スラリー調製用化合物の合計質量100質量部に対して、200〜2000質量部程度である。水の量は多くてもよいが、多過ぎると乾燥工程のエネルギーコストが高くなり、また完全に乾燥できない場合も生ずるなどデメリットが多い。
【0014】
工程(g):スラリーとアンチモン化合物の混合、熟成
スラリーとアンチモン化合物の混合、熟成するの温度は0〜20℃である。なお、セシウム化合物、アンモニウム化合物を添加する前のスラリー、特に35℃以上のスラリーとアンチモン化合物を混合した場合、活性の低い触媒が得られる場合があり好ましくない。
【0015】
工程(h):乾燥
次いで上記工程(g)で得られたスラリーを乾燥し、乾燥粉体(複合酸化物)とする。乾燥方法は、スラリーが完全に乾燥できる方法であれば特に制限はないが、例えばドラム乾燥、凍結乾燥、噴霧乾燥、蒸発乾固等が挙げられる。これらのうち本発明においては、スラリー状態から短時間に粉末又は顆粒に乾燥することができる噴霧乾燥が特に好ましい。
噴霧乾燥の乾燥温度はスラリーの濃度、送液速度等によって異なるが概ね乾燥機の出口における温度が70〜150℃である。また、この際得られるスラリー乾燥体の平均粒径が30〜700μmとなるよう乾燥するのが好ましい。
【0016】
工程(i):成型
工程(h)で得られた乾燥粉体は、酸化反応において反応ガスの圧力損失を少なくするために、柱状物、錠剤、リング状、球状等に成型し使用する。このうち選択性の向上や反応熱の除去が期待できることから、不活性担体にこれらを被覆し、被覆触媒とするのが特に好ましい。
この被覆工程(工程(i))は以下に述べる転動造粒法が好ましい。この方法は、例えば固定容器内の底部に、平らなあるいは凹凸のある円盤を有する装置中で、円盤を高速で回転することにより、容器内の担体を自転運動と公転運動の繰り返しにより激しく撹拌させ、ここにバインダーと混合物または乾燥粉体並びにこれらに必要により他の添加剤例えば成型助剤及び強度向上材を添加した被覆用混合物を担体に被覆する方法である。バインダーの添加方法は、1)前記被覆用混合物に予め混合しておく、2)被覆用混合物を固定容器内に添加するのと同時に添加、3)被覆用混合物を固定容器内に添加した後に添加、4)被覆用混合物を固定容器内に添加する前に添加、5)被覆用混合物とバインダーをそれぞれ分割し、2)〜4)を適宜組み合わせて全量添加する等の方法が任意に採用しうる。このうち5)においては、例えば被覆用混合物の固定容器壁への付着、被覆用混合物同士の凝集がなく担体上に所定量が担持されるようオートフィーダー等を用いて添加速度を調節して行なうのが好ましい。
バインダーは水及びその1気圧下での沸点が150℃以下の有機化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種であれば特に制限はない。水以外のバインダーの具体例としてはメタノール、エタノール、プロパノール類、ブタノール類等のアルコール、好ましくは炭素数1から4のアルコール、エチルエーテル、ブチルエーテルまたはジオキサン等のエーテル、酢酸エチル又は酢酸ブチル等のエステル、アセトン又はメチルエチルケトン等のケトン等並びにそれらの水溶液等が挙げられ、特にエタノールが好ましい。バインダーとしてエタノールを使用する場合、エタノール/水=10/0〜0/10(質量比)、好ましくは水と混合し9/1〜1/9(質量比)とすること好ましい。これらバインダーの使用量は、被覆用混合物100質量部に対して通常2〜60質量部、好ましくは10〜50質量部である。
【0017】
本発明において用いうる担体の具体例としては、炭化珪素、アルミナ、シリカアルミナ、ムライト、アランダム等の直径1〜15mm、好ましくは2.5〜10mmの球形担体等が挙げられる。これら担体は通常は10〜70%の空孔率を有するものが用いられる。担体と被覆用混合物の割合は通常、被覆用混合物/(被覆用混合物+担体)=10〜75質量%、好ましくは15〜60質量%となる量使用する。
被覆用混合物の割合が多い場合、被覆触媒の反応活性は大きくなるが、機械的強度が小さくなる傾向がある。逆に、被覆用混合物の割合が少ない場合、機械的強度は大きい(磨損度は小さい)が、反応活性は小さくなる傾向がある。
なお、前記において必要により使用する成型助剤としては、シリカゲル、珪藻土、アルミナ粉末等が挙げられる。成型助剤の使用量は、混合物または乾燥粉体100質量部に対して通常1〜60質量部である。
また、更に必要により触媒活性成分および反応ガスに対して不活性な、セラミックス繊維、ウイスカー等の無機繊維を強度向上材として用いる事は、触媒の機械的強度の向上に有用である。しかし、チタン酸カリウムウイスカーや塩基性炭酸マグネシウムウイスカーの様な触媒成分と反応する繊維は好ましくない。これら繊維の使用量は、混合物または乾燥粉体100質量部に対して通常1〜30質量部である。
このようにして混合物または乾燥粉体を担体に被覆するが、この際得られる被覆品は通常直径が3〜15mm程度である。
【0018】
工程(j):焼成
前記のようにして得られた被覆触媒はそのまま触媒として気相接触酸化反応に供することができるが、焼成すると触媒活性が向上する場合があり好ましい。この場合の焼成温度は通常100〜450℃、好ましくは250〜420℃、焼成時間は1〜20時間である。
なお、焼成は、通常空気雰囲気下に行われるが、窒素のような不活性ガス雰囲気下もしくはエタノールのような還元ガス雰囲気で行ってもよい。不活性ガスもしくは還元ガス雰囲気下での焼成後に必要に応じて更に空気雰囲気下で焼成を行ってもよい。
上記のようにして得られた触媒(以下本発明の触媒という)は、メタクロレイン、イソブチルアルデヒドまたはイソ酪酸を気相接触酸化することによるメタクリル酸の製造に用いられる。
以下、本発明の触媒を使用するのに最も好ましい原料である、メタクロレインを使用した気相接触反応につき説明する。
気相接触酸化反応には分子状酸素又は分子状酸素含有ガスが使用される。メタクロレインに対する分子状酸素の使用割合は、モル比で0.5〜20の範囲が好ましく、特に1〜10の範囲が好ましい。反応を円滑に進行させることを目的として、原料ガス中に水をメタクロレインに対しモル比で1〜20の範囲で添加することが好ましい。
原料ガスは酸素、必要により水(通常水蒸気として含む)の他に窒素、炭酸ガス、飽和炭化水素等の反応に不活性なガス等を含んでいてもよい。
また、メタクロレインはイソブチレン、第三級ブタノール、及びメチルターシャリーブチルエーテルを酸化して得られたガスをそのまま供給してもよい。
気相接触酸化反応における反応温度は通常200〜400℃、好ましくは260〜360℃、原料ガスの供給量は空間速度(SV)にして、通常100〜6000hr−1、好ましくは300〜3000hr−1である。
また、気相接触酸化反応は加圧下または減圧下でも可能であるが、一般的には大気圧付近の圧力が適している。
【実施例】
【0019】
以下に本発明を実施例により更に具体的に説明するが本発明は実施例に限定されるものではない。
なお下記において転化率、選択率及び収率は次の通りに定義される。
転化率=反応したメタクロレインのモル数/供給したメタクロレインのモル数×100
選択率=生成したメタクリル酸のモル数/反応したメタクロレインのモル数×100
収率=生成したメタクリル酸のモル数/供給したメタクロレインのモル数×100
【0020】
実施例
1)触媒の調製
純水5680mlに三酸化モリブデン800gと五酸化バナジウム40.43g、及び85質量%正燐酸73.67gを添加し、92℃で3時間加熱攪拌して赤褐色の透明溶液を得た。続いて、この溶液を15〜20℃に冷却して、撹拌しながら9.1質量%の水酸化セシウム水溶液458.2gと、14.3質量%の酢酸アンモニウム水溶液629.1gを同時に徐々に添加し、15〜20℃で1時間熟成させて黄色のスラリーを得た。
続いて、さらにそのスラリーに6.3質量%の酢酸第二銅水溶液709.9gを徐々に添加し、さらに15〜20℃で30分熟成した。続いてこのスラリーに三酸化アンチモン32.4gを混合し、さらに15〜20℃で30分熟成した。次いで、このスラリーを噴霧乾燥し乾燥粉体を得た。得られた複合粉体の組成は
Mo100.81.15Cu0.4Cs0.5(NH2.1Sb0.4
である。
次いで乾燥粉体320g及び強度向上材(セラミック繊維)45gを均一に混合して、球状多孔質アルミナ担体(粒径3.5mm)300gに90質量%エタノール水溶液約80gをバインダーとして被覆成型した。次いで得られた成型物を空気流通下において380℃で5時間かけて焼成を行い目的とする被覆触媒(本発明の触媒)を得た。
【0021】
2)メタクロレインの触媒酸化反応
得られた被覆触媒10.3mlを内径18.4mmのステンレス反応管に充填し、原料ガス(組成(モル比);メタクロレイン:酸素:水蒸気:窒素=1:2:4:18.6)、空間速度(SV)1200hr−1、反応浴温度310℃の条件で、メタクロレインの酸化反応を実施した。反応は、最初反応浴温度310℃で3時間反応を続け、次いで反応浴温度を350℃に上げ15時間反応を続けた(今後この処理を高温反応処理という)。次いで反応浴温度を310℃に下げて反応成績の測定を行った。
結果を表1に示す。
【0022】
【表1】

【0023】
比較例1
純水5680mlに三酸化モリブデン800gと五酸化バナジウム40.43g、及び85質量%正燐酸73.67gを添加し、92℃で3時間加熱攪拌して赤褐色の透明溶液を得た。続いて、そこに三酸化アンチモン32.4gを添加して、さらに92℃で2時間加熱攪拌して濃紺色の溶液を得た。続いて、この溶液を15〜20℃に冷却して、撹拌しながら9.1質量%の水酸化セシウム水溶液458.2gと、14.3質量%の酢酸アンモニウム水溶液629.1gを同時に徐々に添加し、15〜20℃で1時間熟成させてスラリーを得た。
続いて、さらにそのスラリーに6.3質量%の酢酸第二銅水溶液709.9gを徐々に添加し、さらに15〜20℃で30分熟成させた。
続いて、このスラリーを噴霧乾燥し複合酸化物粉末を得た。得られた粉末の組成は
Mo100.81.15Cu0.4Cs0.5(NH2.1Sb0.4
である。
次いでこの複合酸化物粉末320g及び強度向上材(セラミック繊維)45gを均一に混合して、球状多孔質アルミナ担体(粒径3.5mm)300gに90質量%エタノール水溶液約80gをバインダーとして被覆成型した。次いで得られた成型物を空気流通下において380℃で5時間かけて焼成を行い比較用の被覆触媒を得た。この被覆触媒を使用した以外は、実施例1と同様にメタクロレイン酸化反応を行ったところ反応初期のメタクロレイン転化率が15%と非常に低く実用触媒として使用できるものではなかった。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
モリブデン、リン、バナジウム、セシウム、アンチモンおよびアンモニウムを必須の活性成分とする触媒の製造方法であって、該触媒必須活性成分の、アンチモン以外の活性成分を含み加熱工程を経ることにより複合酸化物に変換しうるスラリーと、アンチモン化合物とを0〜20℃で混合し、次いでこれを乾燥し乾燥粉体を得た後、これを成型、焼成することを特徴とするメタクリル酸製造用触媒の製造方法。
【請求項2】
混合工程が、熟成工程を含む請求項1記載のメタクリル酸製造用触媒の製造方法。
【請求項3】
成型工程が、バインダーを使用して、乾燥粉体を不活性担体にコーティングし、被覆触媒とする工程である請求項1または2に記載の製造方法。
【請求項4】
バインダーが水及または1気圧下での沸点が150℃以下の有機化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種の液体である請求項3に記載の製造方法。
【請求項5】
焼成温度が300〜450℃である請求項1〜4のいずれか1項に記載の製造方法。
【請求項6】
請求項1〜5のいずれか1項に記載の製造方法により得られた触媒を使用することを特徴とするメタクロレイン、イソブチルアルデヒドまたはイソ酪酸を気相接触酸化することによるメタクリル酸の製造方法。

【公開番号】特開2011−78975(P2011−78975A)
【公開日】平成23年4月21日(2011.4.21)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−263771(P2010−263771)
【出願日】平成22年11月26日(2010.11.26)
【分割の表示】特願2005−94734(P2005−94734)の分割
【原出願日】平成17年3月29日(2005.3.29)
【出願人】(000004086)日本化薬株式会社 (921)
【Fターム(参考)】