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Description
【特許請求の範囲】
【請求項1】 触媒組成物であって、固体の粒子状の形態において、該組成物が:
(a)ニッケルが該触媒組成物のうちの25乃至60wt%を構成する活性なニッケル成分;
(b)モリブデンが該触媒組成物のうちの5乃至20wt%を構成するモリブデン成分;及び
(c)ケイ素の酸化物、並びに、アルミニウム、カルシウム、及び亜鉛のそれぞれが該触媒組成物の重量を基準として2wt%を超えない量で存在する亜鉛、アルミニウム、ジルコニウム、マグネシウム、及びカルシウムのケイ酸塩及び酸化物のうちの少なくとも1つを含む、該触媒組成物の重量を基準として10乃至50wt%の結合剤材料;
からなることを特徴とする触媒組成物。
【請求項2】 該モリブデンが該触媒組成物のうちの6乃至16wt%を構成することを特徴とする、請求項1による触媒組成物。
【請求項3】 該粒子の直径が0.32cm(1/8インチ)未満であることを特徴とする、請求項1または2の触媒組成物。
【請求項4】 ニッケルが該触媒組成物のうちの25乃至45wt%を構成することを特徴とする、請求項1、2、または3による触媒組成物。
【請求項5】 亜鉛及びカルシウムのそれぞれが、該触媒組成物の重量を基準として1wt%を超えない量で存在することを特徴とする、先行する請求項のいずれか一項による触媒組成物。
【請求項6】 1,3−プロパンジオールを調製する方法であって、該方法が:
(a)水性の反応混合液中において、少なくとも30℃の温度で、固体の粒子状触媒組成物であって:
(i)ニッケルが該触媒組成物のうちの25乃至60wt%を構成する活性なニッケル成分;
(ii)モリブデンが該触媒組成物のうちの5乃至20wt%を構成するモリブデン成分;及び
(iii)ケイ素の酸化物、並びに、アルミニウム、カルシウム、及び亜鉛のそれぞれが該触媒組成物の重量を基準として2wt%を超えない量で存在する亜鉛、アルミニウム、ジルコニウム、マグネシウム、及びカルシウムのケイ酸塩及び酸化物のうちの少なくとも1つを含む、該触媒組成物の重量を基準として10乃至50wt%の結合剤材料;
からなる触媒組成物の存在下において、3−ヒドロキシプロパナールと水素を接触させて1,3−プロパンジオールを含む水性の生成物混合液を生成するステップ;及び
(b)該水性の生成物混合液から1,3−プロパンジオールを回収するステップ;
を含むことを特徴とする1,3−プロパンジオールの調製方法。
【請求項7】 該モリブデンが該触媒組成物のうちの6乃至16wt%を構成することを特徴とする、請求項6に記載の方法。
【請求項8】 該固体粒子の直径が0.32cm(1/8インチ)未満であることを特徴とする、請求項6または7に記載の方法。
【請求項9】 亜鉛及びカルシウムのそれぞれが、該触媒組成物の重量を基準として1wt%を超えない量で該触媒組成物中に存在することを特徴とする、請求項6、7、または8に記載の方法。
【請求項10】 1,3−プロパンジオールを調製する方法であって、該方法が:
(a)有効量のヒドロホルミル化触媒の存在下において、エチレンオキシドをヒドロホルミル化条件下で一酸化炭素及び水素と接触させて3−ヒドロキシプロパナールを含む反応生成混合物を形成するステップ;
(b)該反応生成混合物から3−ヒドロキシプロパナールを除去して、3−ヒドロキシプロパナールの水溶液を形成するステップ;
(c)3−ヒドロキシプロパナールの該水溶液に、固体の粒子状水素化触媒組成物であって:
(i)ニッケルが該触媒組成物のうちの25乃至60wt%を構成する活性なニッケル成分;
(ii)モリブデンが該触媒組成物のうちの5乃至20wt%を構成するモリブデン成分;及び
(iii)ケイ素の酸化物、並びに、アルミニウム、カルシウム、及び亜鉛のそれぞれが該触媒組成物の重量を基準として2wt%を超えない量で存在する亜鉛、アルミニウム、ジルコニウム、マグネシウム、及びカルシウムのケイ酸塩及び酸化物のうちの少なくとも1つを含む、該触媒組成物の重量を基準として10乃至50wt%の結合剤材料;
からなる水素化触媒組成物を加えるステップ;
(d)少なくとも68948kPa(100psig)の正の水素圧下において、3−ヒドロキシプロパナールの該水溶液を少なくとも30℃の温度に加熱して1,3−プロパンジオールを含む水素化生成混合物を生成するステップ;及び
(e)該水素化生成混合物から1,3−プロパンジオールを回収するステップ;
を含むことを特徴とする1,3−プロパンジオールの調製方法。
【請求項1】 触媒組成物であって、固体の粒子状の形態において、該組成物が:
(a)ニッケルが該触媒組成物のうちの25乃至60wt%を構成する活性なニッケル成分;
(b)モリブデンが該触媒組成物のうちの5乃至20wt%を構成するモリブデン成分;及び
(c)ケイ素の酸化物、並びに、アルミニウム、カルシウム、及び亜鉛のそれぞれが該触媒組成物の重量を基準として2wt%を超えない量で存在する亜鉛、アルミニウム、ジルコニウム、マグネシウム、及びカルシウムのケイ酸塩及び酸化物のうちの少なくとも1つを含む、該触媒組成物の重量を基準として10乃至50wt%の結合剤材料;
からなることを特徴とする触媒組成物。
【請求項2】 該モリブデンが該触媒組成物のうちの6乃至16wt%を構成することを特徴とする、請求項1による触媒組成物。
【請求項3】 該粒子の直径が0.32cm(1/8インチ)未満であることを特徴とする、請求項1または2の触媒組成物。
【請求項4】 ニッケルが該触媒組成物のうちの25乃至45wt%を構成することを特徴とする、請求項1、2、または3による触媒組成物。
【請求項5】 亜鉛及びカルシウムのそれぞれが、該触媒組成物の重量を基準として1wt%を超えない量で存在することを特徴とする、先行する請求項のいずれか一項による触媒組成物。
【請求項6】 1,3−プロパンジオールを調製する方法であって、該方法が:
(a)水性の反応混合液中において、少なくとも30℃の温度で、固体の粒子状触媒組成物であって:
(i)ニッケルが該触媒組成物のうちの25乃至60wt%を構成する活性なニッケル成分;
(ii)モリブデンが該触媒組成物のうちの5乃至20wt%を構成するモリブデン成分;及び
(iii)ケイ素の酸化物、並びに、アルミニウム、カルシウム、及び亜鉛のそれぞれが該触媒組成物の重量を基準として2wt%を超えない量で存在する亜鉛、アルミニウム、ジルコニウム、マグネシウム、及びカルシウムのケイ酸塩及び酸化物のうちの少なくとも1つを含む、該触媒組成物の重量を基準として10乃至50wt%の結合剤材料;
からなる触媒組成物の存在下において、3−ヒドロキシプロパナールと水素を接触させて1,3−プロパンジオールを含む水性の生成物混合液を生成するステップ;及び
(b)該水性の生成物混合液から1,3−プロパンジオールを回収するステップ;
を含むことを特徴とする1,3−プロパンジオールの調製方法。
【請求項7】 該モリブデンが該触媒組成物のうちの6乃至16wt%を構成することを特徴とする、請求項6に記載の方法。
【請求項8】 該固体粒子の直径が0.32cm(1/8インチ)未満であることを特徴とする、請求項6または7に記載の方法。
【請求項9】 亜鉛及びカルシウムのそれぞれが、該触媒組成物の重量を基準として1wt%を超えない量で該触媒組成物中に存在することを特徴とする、請求項6、7、または8に記載の方法。
【請求項10】 1,3−プロパンジオールを調製する方法であって、該方法が:
(a)有効量のヒドロホルミル化触媒の存在下において、エチレンオキシドをヒドロホルミル化条件下で一酸化炭素及び水素と接触させて3−ヒドロキシプロパナールを含む反応生成混合物を形成するステップ;
(b)該反応生成混合物から3−ヒドロキシプロパナールを除去して、3−ヒドロキシプロパナールの水溶液を形成するステップ;
(c)3−ヒドロキシプロパナールの該水溶液に、固体の粒子状水素化触媒組成物であって:
(i)ニッケルが該触媒組成物のうちの25乃至60wt%を構成する活性なニッケル成分;
(ii)モリブデンが該触媒組成物のうちの5乃至20wt%を構成するモリブデン成分;及び
(iii)ケイ素の酸化物、並びに、アルミニウム、カルシウム、及び亜鉛のそれぞれが該触媒組成物の重量を基準として2wt%を超えない量で存在する亜鉛、アルミニウム、ジルコニウム、マグネシウム、及びカルシウムのケイ酸塩及び酸化物のうちの少なくとも1つを含む、該触媒組成物の重量を基準として10乃至50wt%の結合剤材料;
からなる水素化触媒組成物を加えるステップ;
(d)少なくとも68948kPa(100psig)の正の水素圧下において、3−ヒドロキシプロパナールの該水溶液を少なくとも30℃の温度に加熱して1,3−プロパンジオールを含む水素化生成混合物を生成するステップ;及び
(e)該水素化生成混合物から1,3−プロパンジオールを回収するステップ;
を含むことを特徴とする1,3−プロパンジオールの調製方法。
【発明の詳細な説明】
【0001】
本発明は、1,3−プロパンジオールの製造に関するものである。一つの態様においては、本発明は、3−ヒドロキシプロパナールを1,3−プロパンジオールに水素化するための触媒であって、その水素化反応環境において、延長された触媒寿命を呈する改善された触媒に関するものである。更なる態様においては、本発明は、3−ヒドロキシプロパナールから1,3−プロパンジオールを調製するための改善されたプロセスに関するものである。
【0002】
ポリエステルの調製における化学的な中間体である1,3−プロパンジオールは、水溶液中で3−ヒドロキシプロパナールを水素化することにより調製することができる。1,3−プロパンジオールへの3−ヒドロキシプロパナールの選択的な水素化は、3−ヒドロキシプロパナールが高い反応性を有していることと、水溶液中における水素の溶解度が比較的低いことにより複雑化される。
【0003】
灌液充填塔の形態における水素化では、触媒の粒径が小さい方が有利である。しかし、触媒の破砕強さは、触媒の粒径が小さくなると有意に低下する。ニッケルをベースとしたバルク触媒の破砕強さを高めるため、一般的には、結合剤中のカルシウム量を増やす方法が採られている。しかし、水性の水素化環境では、カルシウムと他の可溶性の結合剤成分は、触媒からすぐに浸出してしまう。これは、合成プロセスに2つのマイナスな影響をもたらす。第一の悪影響は、1,3−プロパンジオールから蒸発により水を分離するときに、その浸出した結合剤材料が蒸発塔に析出し、その結果として、動作不能時間及び装置の浄化コストを招くことである。第二の悪影響は、粒子状の触媒からこれらの可溶性の成分が取り除かれると、その触媒の破砕強さが低下し、その結果として、触媒の領域が潰れ、結局、触媒床を塞いでしまうため、触媒床のフロースルー効率が低下することである。
【0004】
GB−A−1085171は、オキソ合成における一酸化炭素と水素との反応により、オレフィンから得られるアルデヒド、ケトンおよびエステルの硫黄含有混合物の水素化に特に好適である、モリブデン含有ケイ酸ニッケルの製造方法に関する。
【0005】
GB−A−1085171は、従来技術の水素化触媒が抱える問題の克服を探求したもので、そこでは、オキソ合成で同時に得られるケトンが全くか多少しか水素化されず、それらケトンはアルコール共沸混合物と共に形成され、その結果、所望のアルコールからの分離が困難となるので、その後の水素化反応混合物の蒸留に障害となるというものである。
【0006】
GB−A−1085171は、水ガラスおよびモリブデン酸ナトリウムから調製され、珪素に関して0.5〜3モルであり、ナトリウム:ケイ素比0.7:1〜7:1およびモリブデン:ケイ素比0.004:1〜0.2:1を有する水溶液に、攪拌しながら0℃〜100℃の温度で、添加されるニッケルの量が溶液のナトリウム量に等しい量よりも10重量%少ない量〜10重量%多い量までになるように1〜3モルの量のニッケル塩溶液を加え、溶液から得られた沈殿物を分離し、それを水で洗浄し、それを成形し、必要に応じて250〜400℃の温度でそれをか焼し、その後、300〜500℃の温度、好ましくは350〜400℃の温度で水素を用いて還元することにより調製された触媒を提供している。
【0007】
カルシウムおよび他の可溶性結合剤成分の浸出性問題や、触媒の粉砕強度に対するその後の効果について、GB−A−1085171には見出されないし、扱われてもいない。
【0008】
従って、本発明の目的は、水溶液中で3−ヒドロキシプロパナールを1,3−プロパンジオールに水素化するために特別に設計された触媒とプロセスを提供することである。詳細には、本発明の一つの目的は、その反応環境における破砕強さの有意な低減を伴うことなく、浸出性の含量が低減された、3−ヒドロキシプロパナールを水素化するための触媒を提供することである。
【0009】
本発明により、固体の粒子状の形態における触媒であって、(a)ニッケルが該触媒組成物のうちの25乃至60wt%を構成する活性なニッケル成分;(b)モリブデンが該触媒組成物のうちの5乃至20wt%を構成するモリブデン成分;及び、(c)ケイ素の酸化物、並びに、アルミニウム、カルシウム、及び亜鉛のそれぞれが該触媒組成物の重量を基準として2wt%を超えない量で存在する亜鉛、アルミニウム、ジルコニウム、マグネシウム、及びカルシウムのケイ酸塩及び酸化物のうちの少なくとも1つを包含する、該触媒組成物の重量を基準として10乃至50wt%の結合剤材料;からなる触媒組成物が提供される。
【0010】
更に、本発明により、1,3−プロパンジオールを調製するためのプロセスであって、(a)水性の反応混合液中において、少なくとも30℃の温度で、(i)ニッケルがその触媒組成物のうちの25乃至60wt%を構成する活性なニッケル成分;(ii)モリブデンがその触媒組成物のうちの5乃至20wt%を構成するモリブデン成分;及び、(iii)ケイ素の酸化物、並びに、アルミニウム、カルシウム、及び亜鉛のそれぞれがその触媒組成物の重量を基準として2wt%を超えない量で存在する亜鉛、アルミニウム、ジルコニウム、マグネシウム、及びカルシウムのケイ酸塩及び酸化物のうちの少なくとも1つから選択される10乃至50wt%の結合剤材料;からなる固体の粒子状触媒組成物の存在下において、3−ヒドロキシプロパナールと水素を接触させて1,3−プロパンジオールを包含する水性の生成物混合液を生成するステップ;及び、(b)該水性の生成物混合液から1,3−プロパンジオールを回収するステップ;を含む調製プロセスが提供される。
【0011】
水性の3−ヒドロキシプロパナールの水素化において上記の触媒を使用することにより、可溶性の結合剤材料を使用する結果として生じる動作不能時間が低減された状態で、1,3−プロパンジオールを高収量で製造することが可能になる。
【0012】
次に、本発明を、添付図面を参照しながら説明する。
【0013】
図1は、本発明による3−ヒドロキシプロパナール水素化触媒の経時的な触媒活性をプロットしたものである。
【0014】
図2は、本発明による3−ヒドロキシプロパナール水素化触媒の経時的な触媒活性をプロットしたものである。
【0015】
図3は、通常のニッケル水素触媒の経時的な触媒活性をプロットしたものである。
【0016】
図4は、本発明による3−ヒドロキシプロパナール水素触媒の経時的な触媒活性をプロットしたものである。
【0017】
本発明の水素化触媒は、主要な活性成分として、25乃至60wt%、好適には25乃至45wt%のニッケル(Ni0として)を含んでいる。その活性な触媒中のニッケルは、還元形が優勢な状態で存在している。
【0018】
また、本発明の触媒は、5乃至20wt%、好適には6乃至16wt%のモリブデン(Mo0として)を含んでいる。そのモリブデンは、該触媒中に金属と酸化物の両形態において存在している。該モリブデンは結合機能を有しており、また、活性促進因子でもある。
【0019】
本触媒の結合剤部分は、別々の成分を一緒に保持し、そして、触媒床を横切る圧力降下から生じる破砕に対する抵抗性を供給するための「膠」として作用する。該結合剤は、本触媒のうちの10乃至50wt%を構成し、ケイ素の酸化物、並びに、亜鉛、ジルコニウム、カルシウム、マグネシウム、及び/又はアルミニウムのケイ酸塩及び酸化物から調合される。典型的には、本触媒は、30乃至70wt%のケイ素、好適には35乃至55wt%のケイ素;0乃至2wt%の亜鉛、好適には0乃至1wt%の亜鉛;及び、0乃至2wt%のアルミニウム;を包含するであろう。また、該結合剤は、カルシウムを2wt%より多く含まず、好適には0−1wt%のカルシウムを含むであろう。本触媒の好適な実施態様は、亜鉛やカルシウムを本質的に含まない。水溶液中で3−ヒドロキシプロパナールを1,3−プロパンジオールに水素化するためのその好適な触媒組成物は、上記の如きバランス量の結合剤材料と共に、約35wt%のニッケルと約8−12wt%のモリブデンを含む。
【0020】
本触媒は、活性なニッケル成分、モリブデン成分、及び結合剤材料を固体のバルク形態で取り込むどんな手順で調製してもよい。
【0021】
一般的には、触媒の調製は、酸化ニッケル、アタパルガスクレー等の結合剤材料、及び三酸化モリブデン粉末を混合して均質な粉末にするステップを含む。次に、押し出し可能な混合物を形成するため、その固体混合物に、十分な量の水中におけるコロイドシリカの溶液を攪拌しながら混ぜる。次いで、その湿性混合物を、直径が0.10−0.18cm(0.040−0.070インチ)の複数の穴を有するダイプレートを通じて押し出す。その後、得られたそれらの押出し物を、含水率を約5wt%未満に低減するのに十分な時間、100−125℃で乾燥させる。次いで、乾燥させたそれらの押出し物を、所望の強度になるまで少なくとも約3時間、空気中において450−550℃でか焼する。使用する前に、その触媒を、少なくとも60%のニッケルを還元するのに十分な時間、350℃から450℃までの範囲内の温度で、水素下において還元する。その還元された触媒をすぐに使用しない場合には、それを外界温度に冷却し、使用するまで、1,3−プロパンジオール等の保護媒質下で保存する。例証的な触媒の調製プロセスが実施例2及び3に与えられている。
【0022】
本触媒は、流量や圧力等の他のプロセス変量に応じた十分な触媒活性をもたらすような粒径及び形状を有する粒子状の形態を為している。それらの好適な触媒粒子は、幾何学的な表面積と破砕抵抗の最適なバランスをもたらすため、その直径(該粒子の横断面の幅をさしわたす)が0.32cm(1/8インチ)未満、好適には0.08−0.16cm(1/16−1/32インチ)に為されている。最長の触媒床寿命を得るのに好適な触媒の形状は、三葉状及び円柱状である。
【0023】
本触媒は、1,3−プロパンジオールへの3−ヒドロキシプロパナールの選択的な水素化において、好適には少なくとも10h−1/触媒体積分率、より好適には少なくとも20h−1/触媒体積分率の活性を呈するであろう。本触媒は、その反応環境において改善された安定性を有すると共に、該触媒の活性寿命にわたる良好な物理的完全性を有している。
【0024】
3−ヒドロキシプロパナールの1,3−プロパンジオールへの水素化は、水溶液中において、少なくとも30℃の温度で、一般的には50℃から175℃の範囲内の温度で、少なくとも689kPa(100psig)の正の水素圧下において、一般的には1379−13790kPa(200−2000psig)の範囲内の正の水素圧下において実施することができる。HPAのPDOへの水素化がUS−5786524号に開示されている。
【0025】
本発明の水素化プロセスは、例えばUS−A−5463145号及びUS−A−3687981号に開示されているようなエチレンオキシドのヒドロホルミル化により1,3−プロパンジオールを調製するためのプロセスや、あるいは、US−A−5093537号に開示されているようなアクロレインから1,3−プロパンジオールを調製するためのプロセスで使用するために特別に設計されたものである。
【0026】
そのようなプロセスでは、3−ヒドロキシプロパナールは、水溶液中で1,3−プロパンジオールへ水素化される中間生成物である。そのような一つのプロセスでは、3−ヒドロキシプロパナール、1,3−プロパンジオール、及びヒドロホルミル化反応の副産物を包含するヒドロホルミル化生成混合物を生成するため、コバルトまたはロジウムカルボニル等の適当なヒドロホルミル化触媒の存在下において、エチレンオキシドが、50℃から140℃の範囲内の温度、及び、3447−34474kPa(500−5000psig)の範囲内のCO/H2圧で、好適には60℃から90℃の温度、及び、6895−24132kPa(1000−3500psig)の圧力で、ヒドロホルミル化される(一酸化炭素及び水素と反応させられる)。その3−ヒドロキシプロパナール成分は抽出により水中に移され、そして、その水溶液の重量を基準とした3−ヒドロキシプロパナール濃度が15wt%未満、好適には10wt%未満の水溶液の形態で、水素化反応容器へ通される。上述の如く3−ヒドロキシプロパナールの1,3−プロパンジオールへの水素化が行われ、主要な生成物として1,3−プロパンジオールを含有する水素化生成混合物が形成される。その1,3−プロパンジオールは、蒸留等の適当な手段により回収される。
【0027】
実施例1
通常の1,3−プロパンジオール触媒の調製
典型的なバッチ式の触媒調製では、沈殿槽に、2200部の塩化ニッケル溶液(97−98%のNiCl2)、70部のMicrocel E(0.8の固体)、及び130部のアルミン酸ナトリウム溶液からのアルミナが負荷される。沈殿の終了後、液体を注ぎ出し、固体を脱イオン水で数回洗う。その固体塊状物(ケイ酸カルシウムニッケル)を乾燥させ、空気中において390−410℃でか焼する。
【0028】
3.79リットル(1−ガロン)用の鋤型ミキサーに、730部の工業グレードのケイ酸カルシウムニッケル(93−97%のNiCaSiAlOX)、125部のMicrocel E(0.8の固体)、及び125部のベントナイトクレー(0.8の固体)を投入し、2分間混合する。次に、600部の脱イオン水と16−20部のモリブデン酸アンモニウム溶液からのモリブデンからなる溶液をその混合物に攪拌しながら加え、5−10分間、混合し続ける。次いで、その湿性の混合物を、直径が0.15−0.18cm(0.06−0.07インチ)の三葉状の複数の穴を有するダイプレートを通じて押し出す。得られた押出し物を夜通し100−125℃で乾燥させる。次に、その乾燥させた中間体を445−455℃で水素により還元し、ニッケルの総量を基準として、還元形のニッケル含量を約90%にする。
【0029】
実施例2
本発明による触媒の調製
3.79リットル(1−ガロン)用の鋤型ミキサーに、750部の工業グレードの酸化ニッケル(93−97%のNiO)、498部のAttagel−30アタパルガスクレー(0.8の固体)、及び185部の三酸化モリブデン粉末(MoO3)を投入し、2−3分間混合した。次いで、その乾性混合物に、200部の脱イオン水中における796部のNalco 2327、コロイドシリカゾル(Nalco Chemical Companyから入手可能)の溶液を攪拌しながら加え、5分間、攪拌し続けた。そのミキサーに約60部の脱イオン水を付加的に加え、更に5分間、攪拌し続けた。次いで、その湿性の混合物を、直径が0.10cm(0.040インチ)の複数の穴を有する単一のセルコントリ−インサートを通じて押し出した。得られたそれらの押出し物を110℃で乾燥させ、その後、サイズ分類/篩い分けし、固定式のセラミック鞘内で約3時間、空気中において500℃でか焼した。次いで、それらの押出し物を420−430℃で水素により還元し、ニッケルの総量を基準として、還元形のニッケル含量を90%にした。
【0030】
実施例3
本発明による触媒の調製
1−ガロン用の鋤型ミキサーに、735部の工業グレードの酸化ニッケル(93−97%のNiO)、355部のAttagel 30アタパルガスクレー(0.8の固体)、及び286部の三酸化モリブデン粉末(MoO3)を投入し、2分間混合した。次いで、その固体混合物に、225部の脱イオン水中における795部のNalco 2327、コロイドシリカの溶液を攪拌しながら加え、10分間、攪拌し続けた。次いで、その湿性の混合物を、直径が0.10−0.18cm(0.040−0.070インチ)の複数の穴を有するダイプレートを通じて押し出した。得られたそれらの押出し物を100−125℃で夜通し乾燥させた。次いで、その乾燥させた中間体を、約3時間、空気中において500℃でか焼し、続いて、420−430℃で水素により還元し、ニッケルの総量を基準として、還元形のニッケル含量を90%にした。
【0031】
実施例4
3−ヒドロキシプロパナールの水素化
4種類の水素化触媒(表1より、触媒A、B、C、及びD)による運転を、直径が3.05cm(1.2インチ)の灌液充填塔式反応装置内で実施した。その反応装置に400mLの選定された水素化触媒を負荷した。水素でその反応装置を10342kPa(1500psig)に加圧し、該反応装置に、脱気された脱イオン水の流れを連続的に供給した。その反応装置から出る流れの一部をインレットへ連続的に戻し、該反応装置内での表層液の速度(反応装置に流入する液量(mL/s)を反応装置の断面積(cm2)で割った値)が0.3cm/sから0.8cm/sの範囲内に収まるように、流入する供給液と混合した。反応装置の温度が望ましい温度である60℃に達したときに、該水の供給を停止し、約30%の3−ヒドロキシプロパナールを含有する水性の流れを与えた。反応により生じる熱は、再循環ループ内での熱交換により取り除いた。水素を連続的に加えることにより圧力を維持し、消費されたガスを置換した。
【0032】
供給サンプルと生成物サンプルを定期的に採取し、3−ヒドロキシプロパナールの濃度を測定した。3−ヒドロキシプロパナールの濃度が一次反応速度に従うものと仮定して、3−ヒドロキシプロパナール濃度の各供給/生成物ペアに対して、見かけの反応速度定数を算出した。3−ヒドロキシプロパナールを水素化する触媒の活性度は、液体の体積/触媒粒子の体積/時間の単位で表したその反応速度定数として計算した。
【0033】
AからDまでの各触媒での反応速度を約30日間の期間にわたり測定した。触媒Cは、比較的低含量(1.8wt%)のモリブデンを含有する標準的な既製のニッケル水素化触媒である。触媒A、B、及びDは、水溶液中での3−ヒドロキシプロパナールの水素化をより安定に行えるように設計された本発明の触媒である。結果が、図1から図4と、表1に示されている。
【0034】
反応速度は、主に、触媒粒子の内部での反応物の拡散速度により制限されるため、押出し物の断面が小さくなるほど、より好ましい反応速度定数を与える。一方、触媒粒子の破砕強さは、押出し物の断面寸法が小さくなるほど低下する。触媒Cは、0.08cm(1/32インチ)の穴を用いて押し出すには脆弱すぎ、それ故、0.16cm(1/16インチ)の穴を用いて押し出した。触媒中にカルシウムが存在する場合、カルシウムは、短期間内に略完全に浸出し、以降の1,3−プロパンジオールの濃縮ステップにおいて水を蒸発させるために使用される熱交換器の汚損の原因となった。
【0035】
【表1】
【0001】
本発明は、1,3−プロパンジオールの製造に関するものである。一つの態様においては、本発明は、3−ヒドロキシプロパナールを1,3−プロパンジオールに水素化するための触媒であって、その水素化反応環境において、延長された触媒寿命を呈する改善された触媒に関するものである。更なる態様においては、本発明は、3−ヒドロキシプロパナールから1,3−プロパンジオールを調製するための改善されたプロセスに関するものである。
【0002】
ポリエステルの調製における化学的な中間体である1,3−プロパンジオールは、水溶液中で3−ヒドロキシプロパナールを水素化することにより調製することができる。1,3−プロパンジオールへの3−ヒドロキシプロパナールの選択的な水素化は、3−ヒドロキシプロパナールが高い反応性を有していることと、水溶液中における水素の溶解度が比較的低いことにより複雑化される。
【0003】
灌液充填塔の形態における水素化では、触媒の粒径が小さい方が有利である。しかし、触媒の破砕強さは、触媒の粒径が小さくなると有意に低下する。ニッケルをベースとしたバルク触媒の破砕強さを高めるため、一般的には、結合剤中のカルシウム量を増やす方法が採られている。しかし、水性の水素化環境では、カルシウムと他の可溶性の結合剤成分は、触媒からすぐに浸出してしまう。これは、合成プロセスに2つのマイナスな影響をもたらす。第一の悪影響は、1,3−プロパンジオールから蒸発により水を分離するときに、その浸出した結合剤材料が蒸発塔に析出し、その結果として、動作不能時間及び装置の浄化コストを招くことである。第二の悪影響は、粒子状の触媒からこれらの可溶性の成分が取り除かれると、その触媒の破砕強さが低下し、その結果として、触媒の領域が潰れ、結局、触媒床を塞いでしまうため、触媒床のフロースルー効率が低下することである。
【0004】
GB−A−1085171は、オキソ合成における一酸化炭素と水素との反応により、オレフィンから得られるアルデヒド、ケトンおよびエステルの硫黄含有混合物の水素化に特に好適である、モリブデン含有ケイ酸ニッケルの製造方法に関する。
【0005】
GB−A−1085171は、従来技術の水素化触媒が抱える問題の克服を探求したもので、そこでは、オキソ合成で同時に得られるケトンが全くか多少しか水素化されず、それらケトンはアルコール共沸混合物と共に形成され、その結果、所望のアルコールからの分離が困難となるので、その後の水素化反応混合物の蒸留に障害となるというものである。
【0006】
GB−A−1085171は、水ガラスおよびモリブデン酸ナトリウムから調製され、珪素に関して0.5〜3モルであり、ナトリウム:ケイ素比0.7:1〜7:1およびモリブデン:ケイ素比0.004:1〜0.2:1を有する水溶液に、攪拌しながら0℃〜100℃の温度で、添加されるニッケルの量が溶液のナトリウム量に等しい量よりも10重量%少ない量〜10重量%多い量までになるように1〜3モルの量のニッケル塩溶液を加え、溶液から得られた沈殿物を分離し、それを水で洗浄し、それを成形し、必要に応じて250〜400℃の温度でそれをか焼し、その後、300〜500℃の温度、好ましくは350〜400℃の温度で水素を用いて還元することにより調製された触媒を提供している。
【0007】
カルシウムおよび他の可溶性結合剤成分の浸出性問題や、触媒の粉砕強度に対するその後の効果について、GB−A−1085171には見出されないし、扱われてもいない。
【0008】
従って、本発明の目的は、水溶液中で3−ヒドロキシプロパナールを1,3−プロパンジオールに水素化するために特別に設計された触媒とプロセスを提供することである。詳細には、本発明の一つの目的は、その反応環境における破砕強さの有意な低減を伴うことなく、浸出性の含量が低減された、3−ヒドロキシプロパナールを水素化するための触媒を提供することである。
【0009】
本発明により、固体の粒子状の形態における触媒であって、(a)ニッケルが該触媒組成物のうちの25乃至60wt%を構成する活性なニッケル成分;(b)モリブデンが該触媒組成物のうちの5乃至20wt%を構成するモリブデン成分;及び、(c)ケイ素の酸化物、並びに、アルミニウム、カルシウム、及び亜鉛のそれぞれが該触媒組成物の重量を基準として2wt%を超えない量で存在する亜鉛、アルミニウム、ジルコニウム、マグネシウム、及びカルシウムのケイ酸塩及び酸化物のうちの少なくとも1つを包含する、該触媒組成物の重量を基準として10乃至50wt%の結合剤材料;からなる触媒組成物が提供される。
【0010】
更に、本発明により、1,3−プロパンジオールを調製するためのプロセスであって、(a)水性の反応混合液中において、少なくとも30℃の温度で、(i)ニッケルがその触媒組成物のうちの25乃至60wt%を構成する活性なニッケル成分;(ii)モリブデンがその触媒組成物のうちの5乃至20wt%を構成するモリブデン成分;及び、(iii)ケイ素の酸化物、並びに、アルミニウム、カルシウム、及び亜鉛のそれぞれがその触媒組成物の重量を基準として2wt%を超えない量で存在する亜鉛、アルミニウム、ジルコニウム、マグネシウム、及びカルシウムのケイ酸塩及び酸化物のうちの少なくとも1つから選択される10乃至50wt%の結合剤材料;からなる固体の粒子状触媒組成物の存在下において、3−ヒドロキシプロパナールと水素を接触させて1,3−プロパンジオールを包含する水性の生成物混合液を生成するステップ;及び、(b)該水性の生成物混合液から1,3−プロパンジオールを回収するステップ;を含む調製プロセスが提供される。
【0011】
水性の3−ヒドロキシプロパナールの水素化において上記の触媒を使用することにより、可溶性の結合剤材料を使用する結果として生じる動作不能時間が低減された状態で、1,3−プロパンジオールを高収量で製造することが可能になる。
【0012】
次に、本発明を、添付図面を参照しながら説明する。
【0013】
図1は、本発明による3−ヒドロキシプロパナール水素化触媒の経時的な触媒活性をプロットしたものである。
【0014】
図2は、本発明による3−ヒドロキシプロパナール水素化触媒の経時的な触媒活性をプロットしたものである。
【0015】
図3は、通常のニッケル水素触媒の経時的な触媒活性をプロットしたものである。
【0016】
図4は、本発明による3−ヒドロキシプロパナール水素触媒の経時的な触媒活性をプロットしたものである。
【0017】
本発明の水素化触媒は、主要な活性成分として、25乃至60wt%、好適には25乃至45wt%のニッケル(Ni0として)を含んでいる。その活性な触媒中のニッケルは、還元形が優勢な状態で存在している。
【0018】
また、本発明の触媒は、5乃至20wt%、好適には6乃至16wt%のモリブデン(Mo0として)を含んでいる。そのモリブデンは、該触媒中に金属と酸化物の両形態において存在している。該モリブデンは結合機能を有しており、また、活性促進因子でもある。
【0019】
本触媒の結合剤部分は、別々の成分を一緒に保持し、そして、触媒床を横切る圧力降下から生じる破砕に対する抵抗性を供給するための「膠」として作用する。該結合剤は、本触媒のうちの10乃至50wt%を構成し、ケイ素の酸化物、並びに、亜鉛、ジルコニウム、カルシウム、マグネシウム、及び/又はアルミニウムのケイ酸塩及び酸化物から調合される。典型的には、本触媒は、30乃至70wt%のケイ素、好適には35乃至55wt%のケイ素;0乃至2wt%の亜鉛、好適には0乃至1wt%の亜鉛;及び、0乃至2wt%のアルミニウム;を包含するであろう。また、該結合剤は、カルシウムを2wt%より多く含まず、好適には0−1wt%のカルシウムを含むであろう。本触媒の好適な実施態様は、亜鉛やカルシウムを本質的に含まない。水溶液中で3−ヒドロキシプロパナールを1,3−プロパンジオールに水素化するためのその好適な触媒組成物は、上記の如きバランス量の結合剤材料と共に、約35wt%のニッケルと約8−12wt%のモリブデンを含む。
【0020】
本触媒は、活性なニッケル成分、モリブデン成分、及び結合剤材料を固体のバルク形態で取り込むどんな手順で調製してもよい。
【0021】
一般的には、触媒の調製は、酸化ニッケル、アタパルガスクレー等の結合剤材料、及び三酸化モリブデン粉末を混合して均質な粉末にするステップを含む。次に、押し出し可能な混合物を形成するため、その固体混合物に、十分な量の水中におけるコロイドシリカの溶液を攪拌しながら混ぜる。次いで、その湿性混合物を、直径が0.10−0.18cm(0.040−0.070インチ)の複数の穴を有するダイプレートを通じて押し出す。その後、得られたそれらの押出し物を、含水率を約5wt%未満に低減するのに十分な時間、100−125℃で乾燥させる。次いで、乾燥させたそれらの押出し物を、所望の強度になるまで少なくとも約3時間、空気中において450−550℃でか焼する。使用する前に、その触媒を、少なくとも60%のニッケルを還元するのに十分な時間、350℃から450℃までの範囲内の温度で、水素下において還元する。その還元された触媒をすぐに使用しない場合には、それを外界温度に冷却し、使用するまで、1,3−プロパンジオール等の保護媒質下で保存する。例証的な触媒の調製プロセスが実施例2及び3に与えられている。
【0022】
本触媒は、流量や圧力等の他のプロセス変量に応じた十分な触媒活性をもたらすような粒径及び形状を有する粒子状の形態を為している。それらの好適な触媒粒子は、幾何学的な表面積と破砕抵抗の最適なバランスをもたらすため、その直径(該粒子の横断面の幅をさしわたす)が0.32cm(1/8インチ)未満、好適には0.08−0.16cm(1/16−1/32インチ)に為されている。最長の触媒床寿命を得るのに好適な触媒の形状は、三葉状及び円柱状である。
【0023】
本触媒は、1,3−プロパンジオールへの3−ヒドロキシプロパナールの選択的な水素化において、好適には少なくとも10h−1/触媒体積分率、より好適には少なくとも20h−1/触媒体積分率の活性を呈するであろう。本触媒は、その反応環境において改善された安定性を有すると共に、該触媒の活性寿命にわたる良好な物理的完全性を有している。
【0024】
3−ヒドロキシプロパナールの1,3−プロパンジオールへの水素化は、水溶液中において、少なくとも30℃の温度で、一般的には50℃から175℃の範囲内の温度で、少なくとも689kPa(100psig)の正の水素圧下において、一般的には1379−13790kPa(200−2000psig)の範囲内の正の水素圧下において実施することができる。HPAのPDOへの水素化がUS−5786524号に開示されている。
【0025】
本発明の水素化プロセスは、例えばUS−A−5463145号及びUS−A−3687981号に開示されているようなエチレンオキシドのヒドロホルミル化により1,3−プロパンジオールを調製するためのプロセスや、あるいは、US−A−5093537号に開示されているようなアクロレインから1,3−プロパンジオールを調製するためのプロセスで使用するために特別に設計されたものである。
【0026】
そのようなプロセスでは、3−ヒドロキシプロパナールは、水溶液中で1,3−プロパンジオールへ水素化される中間生成物である。そのような一つのプロセスでは、3−ヒドロキシプロパナール、1,3−プロパンジオール、及びヒドロホルミル化反応の副産物を包含するヒドロホルミル化生成混合物を生成するため、コバルトまたはロジウムカルボニル等の適当なヒドロホルミル化触媒の存在下において、エチレンオキシドが、50℃から140℃の範囲内の温度、及び、3447−34474kPa(500−5000psig)の範囲内のCO/H2圧で、好適には60℃から90℃の温度、及び、6895−24132kPa(1000−3500psig)の圧力で、ヒドロホルミル化される(一酸化炭素及び水素と反応させられる)。その3−ヒドロキシプロパナール成分は抽出により水中に移され、そして、その水溶液の重量を基準とした3−ヒドロキシプロパナール濃度が15wt%未満、好適には10wt%未満の水溶液の形態で、水素化反応容器へ通される。上述の如く3−ヒドロキシプロパナールの1,3−プロパンジオールへの水素化が行われ、主要な生成物として1,3−プロパンジオールを含有する水素化生成混合物が形成される。その1,3−プロパンジオールは、蒸留等の適当な手段により回収される。
【0027】
実施例1
通常の1,3−プロパンジオール触媒の調製
典型的なバッチ式の触媒調製では、沈殿槽に、2200部の塩化ニッケル溶液(97−98%のNiCl2)、70部のMicrocel E(0.8の固体)、及び130部のアルミン酸ナトリウム溶液からのアルミナが負荷される。沈殿の終了後、液体を注ぎ出し、固体を脱イオン水で数回洗う。その固体塊状物(ケイ酸カルシウムニッケル)を乾燥させ、空気中において390−410℃でか焼する。
【0028】
3.79リットル(1−ガロン)用の鋤型ミキサーに、730部の工業グレードのケイ酸カルシウムニッケル(93−97%のNiCaSiAlOX)、125部のMicrocel E(0.8の固体)、及び125部のベントナイトクレー(0.8の固体)を投入し、2分間混合する。次に、600部の脱イオン水と16−20部のモリブデン酸アンモニウム溶液からのモリブデンからなる溶液をその混合物に攪拌しながら加え、5−10分間、混合し続ける。次いで、その湿性の混合物を、直径が0.15−0.18cm(0.06−0.07インチ)の三葉状の複数の穴を有するダイプレートを通じて押し出す。得られた押出し物を夜通し100−125℃で乾燥させる。次に、その乾燥させた中間体を445−455℃で水素により還元し、ニッケルの総量を基準として、還元形のニッケル含量を約90%にする。
【0029】
実施例2
本発明による触媒の調製
3.79リットル(1−ガロン)用の鋤型ミキサーに、750部の工業グレードの酸化ニッケル(93−97%のNiO)、498部のAttagel−30アタパルガスクレー(0.8の固体)、及び185部の三酸化モリブデン粉末(MoO3)を投入し、2−3分間混合した。次いで、その乾性混合物に、200部の脱イオン水中における796部のNalco 2327、コロイドシリカゾル(Nalco Chemical Companyから入手可能)の溶液を攪拌しながら加え、5分間、攪拌し続けた。そのミキサーに約60部の脱イオン水を付加的に加え、更に5分間、攪拌し続けた。次いで、その湿性の混合物を、直径が0.10cm(0.040インチ)の複数の穴を有する単一のセルコントリ−インサートを通じて押し出した。得られたそれらの押出し物を110℃で乾燥させ、その後、サイズ分類/篩い分けし、固定式のセラミック鞘内で約3時間、空気中において500℃でか焼した。次いで、それらの押出し物を420−430℃で水素により還元し、ニッケルの総量を基準として、還元形のニッケル含量を90%にした。
【0030】
実施例3
本発明による触媒の調製
1−ガロン用の鋤型ミキサーに、735部の工業グレードの酸化ニッケル(93−97%のNiO)、355部のAttagel 30アタパルガスクレー(0.8の固体)、及び286部の三酸化モリブデン粉末(MoO3)を投入し、2分間混合した。次いで、その固体混合物に、225部の脱イオン水中における795部のNalco 2327、コロイドシリカの溶液を攪拌しながら加え、10分間、攪拌し続けた。次いで、その湿性の混合物を、直径が0.10−0.18cm(0.040−0.070インチ)の複数の穴を有するダイプレートを通じて押し出した。得られたそれらの押出し物を100−125℃で夜通し乾燥させた。次いで、その乾燥させた中間体を、約3時間、空気中において500℃でか焼し、続いて、420−430℃で水素により還元し、ニッケルの総量を基準として、還元形のニッケル含量を90%にした。
【0031】
実施例4
3−ヒドロキシプロパナールの水素化
4種類の水素化触媒(表1より、触媒A、B、C、及びD)による運転を、直径が3.05cm(1.2インチ)の灌液充填塔式反応装置内で実施した。その反応装置に400mLの選定された水素化触媒を負荷した。水素でその反応装置を10342kPa(1500psig)に加圧し、該反応装置に、脱気された脱イオン水の流れを連続的に供給した。その反応装置から出る流れの一部をインレットへ連続的に戻し、該反応装置内での表層液の速度(反応装置に流入する液量(mL/s)を反応装置の断面積(cm2)で割った値)が0.3cm/sから0.8cm/sの範囲内に収まるように、流入する供給液と混合した。反応装置の温度が望ましい温度である60℃に達したときに、該水の供給を停止し、約30%の3−ヒドロキシプロパナールを含有する水性の流れを与えた。反応により生じる熱は、再循環ループ内での熱交換により取り除いた。水素を連続的に加えることにより圧力を維持し、消費されたガスを置換した。
【0032】
供給サンプルと生成物サンプルを定期的に採取し、3−ヒドロキシプロパナールの濃度を測定した。3−ヒドロキシプロパナールの濃度が一次反応速度に従うものと仮定して、3−ヒドロキシプロパナール濃度の各供給/生成物ペアに対して、見かけの反応速度定数を算出した。3−ヒドロキシプロパナールを水素化する触媒の活性度は、液体の体積/触媒粒子の体積/時間の単位で表したその反応速度定数として計算した。
【0033】
AからDまでの各触媒での反応速度を約30日間の期間にわたり測定した。触媒Cは、比較的低含量(1.8wt%)のモリブデンを含有する標準的な既製のニッケル水素化触媒である。触媒A、B、及びDは、水溶液中での3−ヒドロキシプロパナールの水素化をより安定に行えるように設計された本発明の触媒である。結果が、図1から図4と、表1に示されている。
【0034】
反応速度は、主に、触媒粒子の内部での反応物の拡散速度により制限されるため、押出し物の断面が小さくなるほど、より好ましい反応速度定数を与える。一方、触媒粒子の破砕強さは、押出し物の断面寸法が小さくなるほど低下する。触媒Cは、0.08cm(1/32インチ)の穴を用いて押し出すには脆弱すぎ、それ故、0.16cm(1/16インチ)の穴を用いて押し出した。触媒中にカルシウムが存在する場合、カルシウムは、短期間内に略完全に浸出し、以降の1,3−プロパンジオールの濃縮ステップにおいて水を蒸発させるために使用される熱交換器の汚損の原因となった。
【0035】
【表1】
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