説明

炭化水素の気相接触酸化用触媒の製造方法

【課題】 炭化水素の気相接触酸化、例えばプロパンからのアクリル酸製造反応等に好適な金属酸化物系触媒の製造方法の提供。
【解決手段】 金属元素の割合が下記組成式(I)で表される金属酸化物または該酸化物を含む無機混合物を、過酸化水素水と接触させることを特徴とする炭化水素の気相接触酸化用触媒の製造方法。
MoViSbjAk (I)
(式中、Aは、Nb、Ta、Sn、W、Ti、Ni、Fe、Cr、CoおよびCeからなる群から選ばれた1種以上の金属元素である。iおよびjは、各々0.01〜1.5でかつj/i=0.3〜1であり、またkは、0.001〜3.0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、炭化水素の気相接触酸化において使用される金属酸化物系触媒の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来技術およびその問題点】モリブデン(Mo)、バナジウム(V)、アンチモン(Sb)を含有する金属酸化物は、炭化水素の気相接触酸化用の触媒として知られており、以下に説明するように多数提案がある。すなわち、プロパンからのアクリル酸合成(特開平9−316023号公報)、プロパンとアンモニアの反応によるアクリロニトリル合成(特開平9−157241号公報)およびイソブタンを出発物質とするメタクロレインまたはメタクリル酸の合成(特開平9−278680号公報)等の気相接触酸化反応において、Mo−V−Sb−Nb系触媒が使用されている。上記のような金属酸化物系触媒は、一般的にそれぞれの触媒に必要とされる複数の金属元素を含む溶液から、蒸発乾固または沈澱により固形物を得た後、それを焼成することにより製造されている。また、別法として、上記のような溶液を調製することなく、複数の無機化合物同士を固体のままで混合した後、焼成するという方法もある。
【0003】しかしながら、上記の方法によって得られる炭化水素の気相接触酸化用の触媒の活性は、微妙に製造条件によって変化するというように、従来の方法で再現性良く活性の高い触媒を得ることは容易でなかった。Mo−V−Te系触媒に関しては、上記問題を解決するために、該触媒を蓚酸、クエン酸、塩酸または硫酸等により処理することことが提案されている(特開平8−57319号公報)。本発明者らは、上記と同様な酸処理をMo−V−Sb系触媒に適用し、得られた触媒をプロパンからのアクリル酸製造反応に適用してみたが、後記比較例2のとおり、アクリル酸の選択率が著しく低下するという結果であった。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明らは、上記課題を解決するため鋭意検討した結果、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は、金属元素の割合が下記組成式(I)で表される金属酸化物または該酸化物を含む無機混合物を、過酸化水素水と接触させることを特徴とする炭化水素の気相接触酸化用触媒の製造方法である。
MoViSbjAk (I)
(式中、Aは、Nb、Ta、Sn、W、Ti、Ni、Fe、Cr、CoおよびCeからなる群から選ばれた1種以上の金属元素である。iおよびjは、各々0.01〜1.5でかつj/i=0.3〜1であり、またkは、0.001〜3.0である。)
以下、本発明についてさらに詳しく説明する。
【0005】
【発明の実施の形態】本発明における前記組成式(I)で表される金属酸化物または該酸化物を含む無機混合物は、従来炭化水素の気相接触酸化用触媒として使用されていたものであり、従来公知の方法により製造できる。すなわち、Mo、V、Sbおよびその他の金属成分を含有する各種化合物を、水または有機溶剤に溶解または分散させ、各成分をできるかぎり均一になるよう混合する。金属成分を含有する化合物としては、酸化物、塩化物、水酸化物、アンモニウム塩、硝酸塩およびアルコキシド等が挙げられ、具体的には、モリブデン酸、モリブデン酸アンモニウム、酸化モリブデン、酸化バナジウム、塩化アンチモン、酢酸アンチモン、ニオブ酸、酸化ニオブおよびメタバナジン酸アンモニウム等がある。
【0006】上記金属化合物溶液または分散液を攪拌し、各化合物を十分に混合させた後、液状媒体を除去して固体混合物を得る。液状媒体の除去方法としては、蒸発乾固、噴霧乾燥または真空乾燥等が使用できる。得られた固体混合物を温度300〜900℃、より好ましくは450〜700℃で焼成する。焼成の雰囲気としては、窒素、アルゴンまたは空気が採用でき、焼成時間は1〜20時間程度が好ましい。上記方法によって得られる金属酸化物触媒は、適当な粒度に粉砕することが好ましい。粉砕方法としては、乾式または湿式のいずれも使用でき、装置としては乳鉢およびボールミル等が挙げられる。
【0007】金属酸化物触媒の機械的強度の向上等のために、上記金属酸化物に、Si、Al、ZrまたはTi等の酸化物を加えた後、造粒しても良い。かかる希釈剤の好ましい使用量は、混合物全体を基準にして、1〜90重量%である。
【0008】本発明においては、上記方法によって得られる金属酸化物粉末、または該粉末に希釈剤が混合された無機混合物粉末を、以下に述べる方法等により過酸化水素水と接触させる。過酸化水素水と接触させる上記金属酸化物粉末または無機混合物粉末の粒径は、特に限定されないが、比較的短時間の接触によって触媒の活性を向上させることができる点で、0.1μm〜2mm程度が好ましい。上記金属酸化物固体を、例えばボールミル等により粉砕することにより、0.1〜20μm程度の粒径のものが得られるし、またかかる微細粒子のものを成型器で整粒した場合には、1〜2mm程度の粒径のものが得られる。使用する過酸化水素水としては、過酸化水素の濃度が0.05〜35重量%のものが好ましく、本発明においては、上記金属酸化物粉末または無機混合物粉末をかかる過酸化水素水に10分以上浸漬することが好ましい。より好まししい浸漬時間は、1〜20時間である。浸漬の期間中、所望により分散液を攪拌しても良い。金属酸化物粉末または無機混合物粉末と過酸化水素水を接触させる際の好ましい温度は室温である。別な接触方法としては、金属酸化物粉末または無機混合物粉末を充填した管内に過酸化水素水を流すという方法もある。
【0009】上記処理の後、過酸化水素水から金属酸化物粉末または無機混合物粉末を分離するが、分離方法として、濾過、デカンテーション、遠心分離等が使用できる。得られた粉末は、そのままでも炭化水素の気相接触酸化用触媒として使用できるが、数回の水洗を行い、その後乾燥させて使用することがより好ましい。乾燥させた金属酸化物粉末または無機混合物粉末を、所望によりさらに400〜700℃で焼成しても良い。得られる金属酸化物系触媒は、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も使用できる。なお、本発明の触媒の製造方法は、気相接触酸化反応に使用されて活性が低下した金属酸化物系触媒を出発原料として用いることもできる。
【0010】本発明により得られる触媒は、炭化水素の中でも反応性の低いアルカンの部分酸化反応において優れた活性を有しており、プロパンからのアクリル酸製造、プロパンのアンモ酸化によるアクリロニトリル製造およびエチレンの製造等にも適用でき、特にプロパンからのアクリル酸製造において、顕著な効果を奏する。なお、かかる性能を有する本発明の触媒は、プロピレン等のアルケンの酸化に適用しても、優れた効果を奏するものと推測される。プロパンの気相接触酸化反応によりアクリル酸を製造するためには、プロパンおよび酸素含有ガスを触媒を充填した温度350〜500℃の反応器に、ガス空間速度300〜5000/hrで通過させる。酸素含有ガスとしては、空気または酸素ガスを水蒸気、炭酸ガスまたは窒素ガス等で希釈したものを使用できる。
【0011】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。
【実施例1】(複合金属酸化物の製造)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およびモリブデン酸アンモニウム30.9gを加えた。上記成分からなる混合液を360回転/分の速度で攪拌機を回転させながら、窒素ガス雰囲気下で16時間加熱還流した。その後さらに、攪拌しながら、1.54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およびニオブ酸2.33g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30分間激しく撹拌した後、120℃で蒸発乾固させた。得られた金属化合物混合物を290℃で5時間焼成した後、窒素ガス気流中で600℃で2時間焼成することにより、複合金属酸化物を得た。この酸化物の原子比は、Mo/V/Sb/Nb=1.0/0.3/0.23/0.08であった。
【0012】(複合金属酸化物の過酸化水素水による処理)上記の方法で製造された複合金属酸化物5gを粒径20μm以下に粉砕した後、5重量%の過酸化水素水50ml中に添加し、得られた分散液を室温で2時間攪拌した。次いで、該分散液から遠心分離によって複合金属酸化物を取り出し、それを脱イオン水50mlで2回洗浄した。その後、空気中で120℃で乾燥した後、打錠成形し、16〜30メッシュに整粒し、これを触媒として以下のアクリル酸製造反応に使用した。
【0013】(アクリル酸製造反応)上記触媒1.5ml(2.22g)を10mmφの石英製の反応管に充填した。反応管は400℃に加温し、そこにプロパン4.4%、酸素ガス7.0%、窒素ガス26.3%および水蒸気62.3%からなる混合ガスをSV=1800/hrの速度で供給することにより、アクリル酸を合成した。その結果は、表1に記載のとおりである。なお、転化率、選択率および収率は、以下の計算式によって算出した(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】
【比較例1】実施例1で製造した複合金属酸化物を過酸化水素水による処理を行うことなく、そのまま触媒として使用する以外、すべて実施例1と同様にしてアクリル酸製造反応を行った。結果は、表1のとおりである。
【0015】
【比較例2】実施例1で製造した複合金属酸化物5gを粒径20μm以下に粉砕した後、10重量%の蓚酸水溶液50ml中に添加し、得られた分散液を50℃で2時間攪拌した。次いで、該分散液から遠心分離によって複合金属酸化物を取り出し、それを脱イオン水50mlで2回洗浄した。その後、空気中で120℃で乾燥した後、打錠成形し、16〜30メッシュに整粒し、これを触媒として用いる以外はすべて実施例1と同様にしてアクリル酸製造反応を行った。結果は、表1のとおりである。
【0016】
【表1】


表中の数値の単位はいずれも%である。
【0017】
【発明の効果】本発明によって得られる金属酸化物触媒は、炭化水素の気相接触酸化反応の触媒として高い活性を有し、特にプロパンからアクリル酸を製造する気相接触酸化反応に使用されると、高収率でアクリル酸が製造できる。

【特許請求の範囲】
【請求項1】 金属元素の割合が下記組成式(I)で表される金属酸化物または該酸化物を含む無機混合物を、過酸化水素水と接触させることを特徴とする炭化水素の気相接触酸化用触媒の製造方法。
MoViSbjAk (I)
(式中、Aは、Nb、Ta、Sn、W、Ti、Ni、Fe、Cr、CoおよびCeからなる群から選ばれた1種以上の金属元素である。iおよびjは、各々0.01〜1.5でかつj/i=0.3〜1であり、またkは、0.001〜3.0である。)
【請求項2】 上記炭化水素がプロパンである請求項1記載の炭化水素の気相接触酸化用触媒の製造方法。

【公開番号】特開2000−51693(P2000−51693A)
【公開日】平成12年2月22日(2000.2.22)
【国際特許分類】
【出願番号】特願平10−236351
【出願日】平成10年8月7日(1998.8.7)
【出願人】(000003034)東亞合成株式会社 (548)
【Fターム(参考)】