説明

不飽和カルボン酸合成用触媒及び不飽和カルボン酸の製造方法

【課題】メタクリル酸、アクリル酸などの不飽和カルボン酸合成において、高い転化率で不飽和カルボン酸を合成可能な不飽和カルボン酸合成用触媒を提供する。
【解決手段】不飽和アルデヒドを分子状酸素により気相接触酸化して不飽和カルボン酸を合成する際に用いられる、リン、モリブデン、Z元素(Z元素はカリウム、ルビジウム及びセシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素)及びリチウムを含むヘテロポリ酸及びその塩からなる不飽和カルボン酸合成用触媒であって、Z元素の総モル当量がリンに対し0.1以上1.8以下、かつ、リチウムがリンに対し0.04以上0.1以下のモル当量比であることを特徴とする不飽和カルボン酸合成用触媒。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、不飽和カルボン酸合成用触媒に関するものであり、特に、メタクロレインを分子状酸素により気相接触酸化してメタクリル酸を製造する際に使用されるメタクリル酸合成用触媒に関するものである。
【背景技術】
【0002】
不飽和アルデヒドとしてメタクロレインを用い、分子状酸素により気相接触酸化してメタクリル酸を製造する触媒としては、モリブドリン酸、モリブドリン酸塩などのヘテロポリ酸またはその塩を主成分とするものが知られている。
【0003】
これら触媒の製造方法については数多くの検討がなされており、その多くは、まず、触媒を構成する各元素を含む水溶液又は水性スラリーなどの原料液を調製し、その後、これを乾燥、焼成することで触媒を製造している。
【0004】
この原料液は通常水性スラリーであり、スラリーに含まれる固形分はヘテロポリ酸のアルカリ金属塩とアンモニウム塩、含窒素有機化合物塩などの複合塩もしくは混合物である。このうち、アンモニウム塩や含窒素有機化合物塩は焼成により大半が分解され、ヘテロポリ酸となり、最終的な触媒の主成分はヘテロポリ酸のアルカリ金属塩とヘテロポリ酸との複合物となる。
【0005】
従来から知られている不飽和カルボン酸合成用触媒のほとんどがこうしたヘテロポリ酸のアルカリ金属塩とヘテロポリ酸との複合物である。特に、メタクロレインを分子状酸素により気相接触酸化してメタクリル酸を製造する際に使用されるメタクリル酸合成用触媒について、アルカリ金属としてはカリウム、ルビジウム、セシウムが最もよく用いられる。これはカリウム、ルビジウム、セシウムの塩が特定の結晶構造を形成するためで、これ以外のアルカリ金属類、リチウムやナトリウムは異なった結晶構造となるため、主なアルカリ金属としてはあまり用いられない。メタクロレインの気相接触酸化反応については、例えば、特許文献1〜3のような昭和50年代の特許には一部リチウムを使用する記載があるが、リチウムが必須の触媒構成元素として取り扱われているものはなく、近年に出されているメタクロレインの気相接触酸化に関する特許の多くでは、リチウムの使用に関する記載は省かれている。
【0006】
しかしながら、従来技術で得られた触媒は、不飽和カルボン酸の転化率や収率が十分でなく、また、転化率や収率の経時低下が大きいなどの問題点を有しており、工業触媒としては更なる改良が望まれているのが現状である。
【0007】
例えば、特許文献1の実施例では、セシウム0.083当量に対し、リチウム0.017当量を添加したものがあるが、リチウムの添加の効果やその最適量については従来知られていなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開昭51−115414号公報
【特許文献2】特開昭50−142510号公報
【特許文献3】特開昭50−70317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、メタクリル酸、アクリル酸などの不飽和カルボン酸合成において、高い転化率で不飽和カルボン酸を合成可能な不飽和カルボン酸合成用触媒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】
本発明の不飽和カルボン酸合成用触媒は、不飽和アルデヒドを分子状酸素により気相接触酸化して不飽和カルボン酸を合成する際に用いられる、リン、モリブデン、Z元素(Z元素はカリウム、ルビジウム及びセシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素)及びリチウムを含むヘテロポリ酸及びその塩からなる不飽和カルボン酸合成用触媒であって、Z元素の総モル当量がリンに対し0.1以上1.8以下、かつ、リチウムがリンに対し0.04以上0.1以下のモル当量比であることを特徴とする不飽和カルボン酸合成用触媒である。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、メタクリル酸、アクリル酸などの不飽和カルボン酸合成において、不飽和カルボン酸の転化率の高い不飽和カルボン酸合成用触媒を提供できる。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明について詳細に説明する。
【0013】
本発明でいう不飽和カルボン酸とはメタクリル酸、アクリル酸などであり、不飽和アルデヒドとはメタクロレイン、アクロレインなど、不飽和カルボン酸に対応するアルデヒドである。
【0014】
本発明の不飽和カルボン酸合成用触媒は、不飽和アルデヒドを分子状酸素により気相接触酸化して不飽和カルボン酸を合成する際に用いられる、リン、モリブデン、Z元素(Z元素はカリウム、ルビジウム及びセシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素)及びリチウムを含むヘテロポリ酸及びその塩からなる不飽和カルボン酸合成用触媒であって、Z元素の総モル当量がリンに対し0.1以上1.8以下、かつ、リチウムがリンに対し0.04以上0.1以下のモル当量比であることを特徴とする不飽和カルボン酸合成用触媒である。
【0015】
本発明の製造方法により製造される不飽和カルボン酸合成用触媒としては、下記式(A)で表される触媒が好ましい。
aMobcCudefghLi (A)
(式(A)中、P、Mo、V、Cu及びOは、それぞれ、リン、モリブデン、バナジウム、銅及び酸素を示す元素記号である。Xはヒ素、テルル、アンチモンからなる群より選ばれた少なくとも1つの元素であり、セレン、ケイ素を含んでもよい。Yはビスマス、ジルコニウム、銀、鉄、亜鉛、クロム、マグネシウム、コバルト、マンガン、バリウム、セリウム、ランタンからなる群より選ばれた少なくとも1種類の元素を表す。Zはカリウム、ルビジウム、及びセシウムからなる群より選ばれた少なくとも1種類の元素を表す。a〜iは、各元素の原子比率を表し、b=12のとき、a=0.5〜3、c=0.01〜3、d=0.01〜2、e=0.01〜3、f=0〜3、g=0.01〜3、iはaの値に対し0.04以上0.1以下の値を乗じた値、hは前記各成分の原子価を満足するのに必要な酸素の原子比率である。)
リチウムの添加量をこのiの値の範囲とするのが、本発明における必須要件である。リチウムの添加による転化率向上機構の詳細は未解明であるが、触媒の酸塩基特性を適正化する機能があるものと推察される。リチウムの添加量比を示す値iがaの値に対し0.04を乗じた値未満のときや、aの値に対し0.1を乗じた値より大きいときは、リチウムの添加による転化率向上効果は現れない。
【0016】
本発明の不飽和カルボン酸合成用触媒の製造方法は、不飽和カルボン酸合成用触媒の製造一般に用いることが可能である。しかし、特にメタクロレインを分子状酸素により気相接触酸化してメタクリル酸を製造する際に使用されるメタクリル酸合成用触媒の製造方法に好適である。
【0017】
以下に、本発明の不飽和カルボン酸合成用触媒の製造方法における各工程について、詳細を示す。
【0018】
まず、触媒原料を水溶媒中で混合し、原料混合物を調製する。
各元素の原料としては、各元素の酸化物、水酸化物、アンモニウム塩等を適宜選択して使用することができる。ただし、モリブデンの原料としてはモリブデン酸や三酸化モリブデン、モリブデン酸アンモニウムが好ましい。リンの原料としては、リン酸、五酸化リン、リン酸アンモニウム、リン酸銅等が使用できる。ヒ素の原料としてはヒ酸、亜ヒ酸等が使用できる。テルルの原料としては三酸化テルル、テルル酸アンモニウム等が使用できる。アンチモンの原料としては三酸化アンチモン、五酸化アンチモンなどが使用できる。バナジウムの原料としては、メタバナジン酸アンモニウム、五酸化二バナジウム等が使用できる。また、銅の原料としてはリン酸銅、水酸化銅、硝酸銅等が使用できる。
【0019】
カリウム、ルビジウム、セシウム、及びリチウムの原料としては、水酸化物、硝酸塩、炭酸塩が好ましい。このほか、リン酸塩、カルボン酸塩等も使用可能である。
【0020】
これらの主な各元素の原料の他に本発明の触媒製造法には、アンモニウムイオンの添加が好ましい。アンモニウム根の添加量は、リンに対するモル比として、1.5以上20.0当量以下が望ましく、2.0以上4.0以下がより好ましい。アンモニウムイオンの原料としては、炭酸アンモニウム、重炭酸アンモニウム、硝酸アンモニウム、リン酸アンモニウム類などが好ましい。アンモニア水は好ましくないが、予め、硝酸、リン酸等で中和すれば使用可能である。
【0021】
本発明では、まず、触媒原料のうち、モリブデン、リンのうち少なくとも一部の原料を水溶媒中で混合しスラリーもしくは水溶液を調製する。アンモニウムイオンはこの段階ではより少ない方が好ましく、モリブデンのモル当量を12とするとき、合計のモル当量数は1以下とすることが望ましい。このほかのバナジウム、及び、ビスマス、ジルコニウム、銀、鉄、亜鉛、クロム、マグネシウム、コバルト、マンガン、バリウム、セリウム、ランタンなどは、この段階で加えてもよく、または、後の段階で加えることも可能である。ただし、三酸化アンチモンなどの3価のアンチモン化合物を加える場合には、この段階で加えるのは好ましくなく、別途、後の段階で加えることが望ましい。この混合は、30〜100℃に加熱、撹拌して行うことが好ましい。水の使用量は、触媒調製に使用するモリブデン原料の合計100質量部に対して、200〜1000質量部が好ましい。原料混合液の調製スケールには特に制限はないが、安定して原料混合液を調製できる観点から、モリブデン原料の使用量としては、100g〜10tが好ましく、1kg〜1tがより好ましい。
【0022】
ついで、カリウム、ルビジウム及びセシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を含む水溶液A、リチウムを含む水溶液B、アンモニウム根を含む水溶液Cを調製する。A〜Cの各水溶液には触媒原料となる他の元素を含むことも可能である。加熱攪拌により得られた、スラリーもしくは水溶液に対し、各水溶液を添加する。A〜Cの各水溶液の添加順には特に制限はなく、この他の触媒原料となる他の元素をこれら水溶液を加える前後、もしくは合間に加えてもよいが、水溶液Aを最も先とし、水溶液Cを最も後に添加することが望ましい。混合方法には特に制限はないが、混合時の温度は0℃以上70℃以下であることが望ましく、20℃以上60℃以下であることがより好ましい。
【0023】
こうして得られた原料混合液を300℃未満で乾燥し、触媒前駆体を調製する。乾燥工程の具体的な方法には特に制限はないが、例えば蒸発乾固法、噴霧乾燥法、ドラム乾燥法、気流乾燥法等が挙げられる。
【0024】
乾燥に使用する乾燥機の種類、機種、乾燥時の温度、雰囲気等には特に制限はなく、例えば、空気雰囲気下100〜180℃で0.1〜20時間乾燥する条件などが挙げられる。しかし、乾燥条件を変えることによって、触媒前駆体の流動性、成型性等の物性を制御できるため、目的に応じた条件を設定することが好ましい。
【0025】
また、前記乾燥工程後、後述する焼成工程前に、必要に応じて、前記触媒前駆体を成形する成形工程を実施してもよい。その際、具体的な成形方法には特に制限はなく、公知の乾式及び湿式の成形方法が適用でき、例えば、打錠成形、プレス成形、押出成形、造粒成形等が挙げられる。成形品の形状についても特に限定されず、例えば、円柱状、リング状、球状等の形状が挙げられる。また、成形時には、触媒前駆体に担体等を添加せず、触媒前駆体のみを成形することが好ましいが、必要に応じて、例えばグラファイトやタルクなどの公知の添加剤を加えてもよい。
【0026】
前記触媒前駆体を、最高温度300℃以上で焼成する焼成工程を行う。
【0027】
焼成工程で流通させる気体成分には特に制限はないが、空気等の酸素含有ガス流通下又は不活性ガス流通下で焼成するのが好ましい。ここで、不活性ガスとは触媒活性を低下させない気体のことを指し、窒素、炭酸ガス、ヘリウム、アルゴン等が挙げられる。
【0028】
焼成容器の形状には特に制限はないが、断面積を2cm以上、100cm以下とする管状焼成容器を用いるのが好ましい。前記断面積より細い管状焼成容器を用いる場合、工業的な生産性が低下するため好ましくない。また、前記断面積より太い形状のものは、温度コントロールが難しく、焼成中にホットスポットが発生する場合があるため好ましくない。
【0029】
前記焼成温度の最高温度は、300℃以上であることが必要であり、320℃以上が好ましい。また、焼成温度の最高温度は、700℃以下が好ましく、450℃以下がより好ましい。
【0030】
以上の工程により、本発明の不飽和カルボン酸合成用触媒を得ることができる。
【0031】
[不飽和カルボン酸の製造方法]
前記製造方法により製造された不飽和カルボン酸合成用触媒に、例えば、メタクロレインと分子状酸素を含む原料ガスを接触させることにより、メタクロレインが分子状酸素により気相接触酸化され、メタクリル酸が得られる。
【0032】
以下に、不飽和アルデヒドとしてメタクロレインを用い、メタクリル酸を製造する場合の反応条件を示す。
【0033】
原料ガス中のメタクロレイン濃度には制限はなく、任意の濃度に設定できるが、1〜20容量%が適当であり、特に3〜10容量%が好ましい。
【0034】
原料ガス中の分子状酸素濃度は、メタクロレイン1モルに対して0.5〜4モルが好ましく、より好ましくは1〜3モルである。
【0035】
また、原料ガスには、希釈のために窒素、炭酸ガス等の不活性ガスを加えてもよいし、水蒸気を加えてもよい。
【0036】
反応圧力は、通常、常圧から数百kPaまでの範囲内で設定される。
【0037】
反応温度は、通常、230〜450℃の範囲内で設定され、メタクリル酸収率の点からは、250〜400℃が好ましい。
【実施例】
【0038】
以下、本発明について、メタクロレインの酸化に関して実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。また、下記の実施例及び比較例中の「部」は質量部である。また、触媒の組成はICP発光分析法、及び、原子吸光分析法を用いて求めた。原料ガス及び生成物の分析はガスクロマトグラフィーを用いて行った。なお、メタクロレインの反応率、生成するメタクリル酸の選択率及び単流収率は以下のように定義される。
【0039】
メタクロレインの反応率(%)=(B/A)×100
メタクリル酸の選択率(%)=(C/B)×100
メタクリル酸の単流収率(%)=(C/A)×100。
【0040】
ここで、Aは供給したメタクロレインのモル数、Bは反応したメタクロレインのモル数、Cは生成したメタクリル酸のモル数である。
[実施例1]
【0041】
純水600部に、三酸化モリブデン100部、85%リン酸6.67部、メタバナジン酸アンモニウム3.36部、60%ヒ酸水溶液6.85部、硝酸銅2.80部を加え、100℃の還流下で5時間攪拌してスラリーを得た。重炭酸セシウム10.11部を純水30部に溶解、水溶液Aを調製した。スラリーを50℃まで冷却後、スラリーに水溶液Aを添加した。水酸化リチウム0.07部を純水10部に溶解、水溶液Bを調製した。水溶液Aを添加したスラリー(50℃)に水溶液Bを添加した。重炭酸アンモニウム13.25部を純水20部に溶解、水溶液Cを調製した。水溶液B添加後のスラリー(50℃)に水溶液Cを添加した。さらにこの混合溶液を101℃まで加熱し、撹拌しながら蒸発乾固した後、さらに、130℃で16時間乾燥して、触媒前駆体を得た。
得られた触媒前駆体を打錠成形機により、外径5mm、内径2mm、長さ5mmのリング状に成形した。内径3cmの円筒状石英ガラス製焼成容器に成型した触媒前駆体を入れた。空気流通下、10℃/hで昇温、380℃にて2時間焼成して、触媒を得た。
得られた触媒の水素、窒素、酸素を除く組成は、PMo120.5Cu0.3As0.5Cs0.9Li0.05であった。Cs/Pは0.9に、Li/Pは0.05に相当する。この触媒を反応管に充填し、下記条件で気相接触酸化によるメタクリル酸の製造を実施した。結果を表1に示す。
(反応条件)
反応ガス:メタクロレイン5容量%、酸素10容量%、水蒸気30容量%、窒素55容量%の混合ガス
反応温度:290℃
反応圧力:101kPa
接触時間:3.6秒。
[比較例1]
【0042】
実施例1における水溶液Bに含まれる水酸化リチウムの量を0.03部とした以外は実施例1と同様にして触媒を得た。得られた触媒の水素、窒素、酸素を除く組成は、PMo120.5Cu0.3As0.5Cs0.9Li0.02であった。Cs/Pは0.9に、Li/Pは0.02に相当する。この触媒を反応管に充填し、実施例1と同様の条件で気相接触酸化によるメタクリル酸の製造を実施した。結果を表1に示す。
[比較例2]
【0043】
実施例1における水溶液Bに含まれる水酸化リチウムの量を0.16部とした以外は実施例1と同様にして触媒を得た。得られた触媒の水素、窒素、酸素を除く組成は、PMo120.5Cu0.3As0.5Cs0.9Li0.11であった。Cs/Pは0.9に、Li/Pは0.11に相当する。この触媒を反応管に充填し、実施例1と同様の条件で気相接触酸化によるメタクリル酸の製造を実施した。結果を表1に示す。
[実施例2]
【0044】
実施例1における60%ヒ酸水溶液6.85部にかえて三酸化テルル2.40部を添加し、水溶液Aに含まれる重炭酸セシウムの量を16.84部にし、水溶液Bに含まれる水酸化リチウムの量を0.10部にした以外は実施例1と同様にして触媒を得た。得られた触媒の水素、窒素、酸素を除く組成は、PMo120.5Cu0.3Te0.25Cs1.5Li0.07であった。Cs/Pは1.5に、Li/Pは0.07に相当する。この触媒を反応管に充填し、実施例1と同様の条件で気相接触酸化によるメタクリル酸の製造を実施した。結果を表1に示す。
[比較例3]
【0045】
実施例2における水溶液Aに含まれる重炭酸セシウムの量を22.46部にした以外は実施例2と同様にして触媒を得た。得られた触媒の水素、窒素、酸素を除く組成は、PMo120.5Cu0.3Te0.25Cs2.0Li0.07であった。Cs/Pは2.0に、Li/Pは0.07に相当する。この触媒を反応管に充填し、実施例1と同様の条件で気相接触酸化によるメタクリル酸の製造を実施した。結果を表1に示す。
[比較例4]
【0046】
実施例2における水溶液Aに含まれる重炭酸セシウムの量を0.56部にした以外は実施例2と同様にして触媒を得た。得られた触媒の水素、窒素、酸素を除く組成は、PMo120.5Cu0.3Te0.25Cs0.05Li0.07であった。Cs/Pは0.05に、Li/Pは0.07に相当する。この触媒を反応管に充填し、実施例1と同様の条件で気相接触酸化によるメタクリル酸の製造を実施した。結果を表1に示す。
[実施例3]
【0047】
実施例1における60%ヒ酸水溶液6.85部を添加せず、水溶液Aに含まれる重炭酸セシウムの量を3.37部にし、水溶液Bに含まれる水酸化リチウムの量を0.12部にし、三酸化アンチモン2.53部を水溶液Bに混合して加えた以外は実施例1と同様にして触媒を得た。得られた触媒の水素、窒素、酸素を除く組成は、PMo120.5Cu0.3Sb0.3Cs0.3Li0.084であった。Cs/Pは0.3に、Li/Pは0.084に相当する。この触媒を反応管に充填し、実施例1と同様の条件で気相接触酸化によるメタクリル酸の製造を実施した。結果を表1に示す。
[比較例5]
【0048】
実施例3における水溶液Aに含まれる重炭酸セシウムの量を22.46部にし、水溶液Bに含まれる水酸化リチウムの量を0.03部にした以外は実施例3と同様にして触媒を得た。得られた触媒の水素、窒素、酸素を除く組成は、PMo120.5Cu0.3Sb0.3Cs2.0Li0.02であった。Cs/Pは2.0に、Li/Pは0.024に相当する。この触媒を反応管に充填し、実施例1と同様の条件で気相接触酸化によるメタクリル酸の製造を実施した。結果を表1に示す。
[比較例6]
【0049】
実施例3における水溶液Aに含まれる重炭酸セシウムの量を0.56部にし、水溶液Bに含まれる水酸化リチウムの量を0.16部とした以外は実施例3と同様にして触媒を得た。得られた触媒の水素、窒素、酸素を除く組成は、PMo120.5Cu0.3Sb0.3Cs0.05Li0.11であった。Cs/Pは0.05に、Li/Pは0.11に相当する。この触媒を反応管に充填し、実施例1と同様の条件で気相接触酸化によるメタクリル酸の製造を実施した。結果を表1に示す。
【0050】
【表1】

【0051】
表1に示すように、各実施例で得られたメタクリル酸合成用触媒を使用した場合、比較例より高転化率、高収率でメタクリル酸を製造することができる。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
不飽和アルデヒドを分子状酸素により気相接触酸化して不飽和カルボン酸を合成する際に用いられる、リン、モリブデン、Z元素(Z元素はカリウム、ルビジウム及びセシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素)及びリチウムを含むヘテロポリ酸及びその塩からなる不飽和カルボン酸合成用触媒であって、Z元素の総モル当量がリンに対し0.1以上1.8以下、かつ、リチウムがリンに対し0.04以上0.1以下のモル当量比であることを特徴とする不飽和カルボン酸合成用触媒。
【請求項2】
請求項1に記載の不飽和カルボン酸合成用触媒を用いて、不飽和アルデヒドを分子状酸素により気相接触酸化して不飽和カルボン酸を合成することを特徴とする不飽和カルボン酸の製造方法。

【公開番号】特開2010−264397(P2010−264397A)
【公開日】平成22年11月25日(2010.11.25)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−118696(P2009−118696)
【出願日】平成21年5月15日(2009.5.15)
【出願人】(000006035)三菱レイヨン株式会社 (2,875)
【Fターム(参考)】