JP2003522111A5 - - Google Patents
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Description
【書類名】 明細書
【発明の名称】 選択的酸化プロセスとその触媒
【特許請求の範囲】
【請求項1】 有機分子を選択的に酸化するためのプロセスであって、
粒子支持材に支持される選択的酸化触媒を含む触媒の固定床で有機分子を選択的に酸化し、
前記粒子支持材は50ミクロン以下の平均粒度を持ち、前記支持触媒は複数の繊維層を含むメッシュ状構造に支持され、前記繊維は層に任意に配向され、また前記メッシュ状構造が少なくとも45%の空隙量を持つ、
ことを含むことを特徴とするプロセス。
【請求項2】 前記粒子触媒支持材が20ミクロン以下の平均粒度を持つことを特徴とする請求項1記載のプロセス。
【請求項3】 前記メッシュ状構造が少なくとも55%の空隙量を持つことを特徴とする請求項1記載のプロセス。
【請求項4】 前記メッシュ状構造が少なくとも85%の空隙量を持つことを特徴とする請求項3記載のプロセス。
【請求項5】 前記メッシュ状構造が少なくとも1個の金属または金属酸化物を含むことを特徴とする請求項1記載のプロセス。
【請求項6】 前記メッシュ状構造が少なくとも5ミクロン乃至2ミリメートル以下の厚みを持つことを特徴とする請求項1記載のプロセス。
【請求項7】 前記メッシュ状構造の前記繊維が約30ミクロン以下の径を持つことを特徴とする請求項1記載のプロセス。
【請求項8】 前記選択的酸化が管形反応器で行われ、また前記管形反応器の管が前記固定床を含むことを特徴とする請求項1記載のプロセス。
【請求項9】 前記粒子支持材で支持される前記触媒がメッシュ状構造にコーティングされることを特徴とする請求項1記載のプロセス。
【請求項10】 前記選択的酸化がアルケンのアルキレン酸化物への酸化であることを特徴とする請求項1記載のプロセス。
【請求項11】 前記選択的酸化が0−キシレンの無水フタール酸への酸化であることを特徴とする請求項1記載のプロセス。
【請求項12】 前記選択的酸化がプロピレンのアクロレインへの酸化であることを特徴とする請求項1記載のプロセス。
【請求項13】 前記選択的酸化がプロパンのアクロレインへの酸化であることを特徴とする請求項1記載のプロセス。
【請求項14】 前記選択的酸化がアクロレインのアクリル酸への酸化であることを特徴とする請求項1記載のプロセス。
【請求項15】 前記粒子支持材が25m2/g以上の表面積を持つことを特徴とする請求項1記載のプロセス。
【請求項16】 粒子支持材に支持される選択的酸化触媒を含む組成物であって、
前記粒子支持材は50ミクロン以下の平均粒度を持ち、前記支持触媒はメッシュ状構造に支持され、前記メッシュ状構造は複数の繊維層を含み、前記繊維は層に任意に配向され、また前記メッシュ状構造は少なくとも45%の空隙量を持つ、
ことを特徴とする組成物。
【請求項17】 前記粒子支持材が20ミクロン以下の平均粒度を持つことを特徴とする請求項16記載の組成物。
【請求項18】 前記メッシュ状構造が少なくとも55%の空隙量を持つことを特徴とする請求項16記載の組成物。
【請求項19】 前記メッシュ状構造が少なくとも85%の空隙量を持つことを特徴とする請求項17記載の組成物。
【請求項20】 前記選択的酸化触媒が銀を含み、また前記触媒がエチレンの酸化エチレンへの酸化に触媒作用を及ぼすことを特徴とする請求項16記載の組成物。
【請求項21】 前記メッシュ状構造の前記繊維が約30ミクロン以下の径を持つことを特徴とする請求項16記載の組成物。
【発明の詳細な説明】
【0001】
【技術分野】
この出願は、1998年10月9日に出願された合衆国暫定特許出願番号60/103,717号の優先権を主張する。
【0002】
本発明は、選択的酸化の媒介で作られる化学製品に関する。より詳細には、本発明はメッシュ状構造に支持される触媒の存在下での選択的酸化に関する。
【0003】
【発明の背景分野】
石油化学工業では、選択的酸化の媒介で作られる製品が製作される。選択的酸化によるということは、供給成分が分子状酸素または空気などの分子状酸素含有気流と反応し、この反応が完全な酸化で二酸化炭素と水になる前に停止されることを意味する。
【0004】
例えば、無水フタール酸は選択的酸化プロセスで製造される。フタール酸を製造する大抵の工場は不活性ラシヒリングまたは活性触媒でコーティングされたビードで充填された多管形反応器を採用する。反応は高度に発熱反応であり、製品である無水フタール酸の過剰な酸化は温度管理もしくは熱除去が不完全なために生じる。0−キシレンの転化は殆ど完全ではあるが、無水フタール酸への選択性は100%よりはかなり低い。最良の商業プロセスは約80%の収率で知られている。
【0005】
酸化エチレンも触媒上のエチレンのエポキシ化を伴う選択的酸化により商業的に生産され、触媒は酸化エチレンの生産で触媒作用を及ぼす。一般にはこのような生産に採用される触媒は銀含有触媒であり、これは適切な支持材で支持される。
【0006】
酸化エチレンの生産は発熱反応であり、一般に反応熱を除去するために酸化エチレンは管形反応器で生産され、ここでガス状エチレンとガス含有酸素は複数の管で支持触媒の床上でガス相で反応され、反応熱は管を取り巻く循環冷却剤の使用で除去される。
【0007】
酸化エチレンの収率はエチレンの酸化エチレンへの転化速度とそのような転化の選択性の両方に依存する。一般に高温は転化を増進し、選択性を減少させるが、これにより転化は適当な収率を得るために選択性に対して均衡される。一般にこのような酸化エチレン生産に商業的に採用される銀含有触媒と併用する各種の助触媒を採用することにより酸化エチレンの収率を改良する試みがこれまでにも行われた。
【0008】
アクリル酸の収率はプロピレンまたはプロパンのアクロレインへの酸化、および更にはアクロレインのアクリル酸への酸化での転化と選択性に依存する。一般により高い温度は転化を増進し選択性を低下させ、これにより適切な収率を得るために転化は選択性に対して均衡される。通常使用される混合酸化触媒への修飾により選択性を増進するための試みがなされてきた。
【0009】
この結果、分子状酸素の使用により、有機化合物の選択的酸化のプロセスでの改良が必要とされる。
【0010】
【発明の概要】
本発明の一つの見地に従って、選択的酸化プロセスが提供され、ここで有機化合物が適切な酸化触媒の存在下で分子状酸素と反応し、この触媒はそのような支持触媒がメッシュ状物質である非粒子触媒支持構造に支持される粒子支持材に支持される。「メッシュに支持される」という用語はメッシュ上に支持触媒をコーティングし、同じくメッシュのすきまに支持触媒を入れることを含む。
【0011】
メッシュに支持される支持触媒は固定床として使用される。反応は望ましくはガス相で行われる。
【0012】
より詳細には、メッシュ状物質は針金または繊維メッシュなどの繊維または針金、金属フェルトまたはガーゼ、金属繊維フィルターまたは類似のものなどよりなる。メッシュ状構造は単一層よりなり、または1層以上の針金(例えば編み針金構造または織り針金構造)を含み、また望ましくは三次元網状組織の物質を形成する針金または繊維の複数の層よりなる。望ましい実施例において、支持構造は層内で任意配向された複数の繊維層よりなる。金属メッシュを生産するには、1個もしくはそれ以上の金属が使用される。選択肢としては、金属単独以外の物質、例えば炭素、金属炭化物、金属酸化物、またはセラミックを金属と併用して形成され、またはそれらのものを含むことがある。
【0013】
メッシュ状構造が物質の三次元網状組織を形成するために複数の繊維層よりなる望ましい実施例においては、そのような支持材の厚みは少なくとも5ミクロンであり、一般に10ミリメーターを越えない。望ましい実施例に従って、網状組織の厚みは少なくとも50ミクロンであり、より望ましくは100ミクロンであり、一般に2ミリメートルを越えることはない。
【0014】
一般に複数の繊維層を形成する繊維の厚みまたは径は約500ミクロン以下であり、望ましくは約150ミクロン以下でありより望ましくは約30ミクロン以下である。望ましい実施例において、繊維の厚みまたは径は約8ミクロン乃至約25ミクロンである。
【0015】
三次元メッシュ状構造は合衆国特許番号5,304,330号;5080,962号;5,102,745号;または5,096,663号に記載された通りに生産することができる。しかしそのようなメッシュ状構造が前記特許に記載されたもの以外の手順で形成されることは理解されるべきであろう。
【0016】
本発明に採用されるメッシュ状構造(メッシュ上に支持触媒のないもの)は空隙量を持ち、それは少なくとも45%、望ましくは少なくとも55%でより望ましくは少なくとも65%、また更に望ましくは少なくとも85%(例えば少なくとも90%)である。一般に空隙量は約98%を越えることは無い。ここで使用される「空隙量」という用語は、空になっている構造の量を構造の全量(空の部分とメッシュ物質)で割り100倍したものである。一般に平均空隙開口部は少なくとも10ミクロンであり、望ましくは少なくとも20ミクロンである。
【0017】
触媒が支持されそのような支持触媒が次いでメッシュ状構造で支持される触媒支持材は粒子形態にある支持材である。ここで使用される粒子という用語は、球状粒子、延伸粒子、繊維などを含みかつ網羅する。一般に選択的酸化触媒が支持される粒子の平均粒度は200ミクロンを越えず典型的には50ミクロン以下で大半の場合平均粒度は20ミクロン以下である。一般にこのような粒子の平均粒度は少なくとも0.002ミクロンでより一般には少なくとも0.5ミクロンである。粒子支持材で支持される触媒がメッシュ上でコーティングされると、触媒支持材の平均粒度は一般に10ミクロンを越えることはなく、メッシュに入れられる場合には、一般に150ミクロンを越えない。
【0018】
本発明の望ましい実施例に従って、選択的酸化が固定床で行われ、粒子支持材は前記のとおり平均粒度を持ち、この径は従来の技術の固定床プロセスで使用されたものよりも著しく小さい。
【0019】
本発明の一実施例において、粒子支持材に支持される酸化触媒の支持材として機能するメッシュ状構造は成形構造パッキングの形態にある。このパッキングは選択的酸化反応器で触媒上に流れるガス相の乱流を提供するように形成することができる。メッシュ状触媒支持構造は乱流を増やすために適切な波形を配設される。選択肢として、メッシュ状構造は乱流を提供するためにタブまたは渦流発生器を含む。乱流発生器の存在は放射状(および長尺)方向での混合を可能にし、従来の技術で既知のプロセスと比較して壁での伝熱の改良を可能にする。これは乱流発生器を壁と接触する構造に加えることで達成できる。壁での改良された伝熱特性は全体としてのより低い温度と従ってより高い選択性に導く。構造パッキングは更にモジュール内のチャンネルが管の長尺方向を進んでいくように反応器の管内に配置される1個もしくはそれ以上のシートのロールのようなモジュールの形態であることができる。このロールは平らな、波形またはウェーブ状もしくはこれらの組合せたシートを含むことができ、またシートは混合を促進するためにフィンまたは孔を含むことができる。シートは更に波形ストリップに形作ることができ、それは管のサイズに正確に合致する平らなシートでお互いに分離され、また溶接部、針金、円筒型平板シートもしくはそれらの組合せで一緒に保持される。
【0020】
支持触媒を支持するメッシュ状支持材は構造シート以外の形態で採用されることもある。例えば、メッシュ状支持材はリング、粒子、リボン等に形成され、充填層として反応器に採用される。一つの実施例では、粒子の大きさで従来の技術で公知の充填層の粒子より小さなものが使われる。
【0021】
メッシュ状構造で支持される支持選択的酸化触媒はメッシュ状構造を形成する針金もしくは繊維へのコーティングの形でメッシュ状支持材に存在し、およびまたはメッシュ状構造のすきまに存在もしくは保持される。
【0022】
一つの実施例では、粒子支持材に支持される触媒がメッシュ状構造にコーティングとして存在する場合には、メッシュ状触媒構造はまず粒子支持材でコーティングされ、次いで選択的酸化触媒がメッシュ状構造へのコーティングとして存在するように粒子支持材に加えられる。選択肢として、粒子支持材で支持される触媒はメッシュにコーティングされる。触媒ありもしくは無しでの粒子支持材は例えば浸漬または噴霧などの各種の技術によりメッシュ状構造にコーティングされる。
【0023】
支持触媒粒子はメッシュ状構造で液体コーティング組成物(望ましくはコーティング浴の形態のもの)に接触させてメッシュ状構造に適用することができ、この繊維コーティング組成物は、それがメッシュ状構造に入り込みメッシュ状構造物の内部と外部の両方に多孔コーティングを形成するような条件の下で液体に分散される粒子を含む。
【0024】
選択肢として、メッシュ状構造は活性触媒を含む粒子支持材でコーティングされ、またはメッシュ状構造は触媒前駆物質の粒子でコーティングされる。
【0025】
望ましい実施例において、液体被覆組成物は175センチストーク以下の動粘度と300ダイン/cm以下の表面張力を持つ。
【0026】
一つの実施例において、支持触媒または触媒支持材は浸漬法でメッシュにコーティングされる。望ましい実施例では、三次元メッシュ状構造物質はコーティングの前に酸化され、例えば300℃から700℃までの温度で大気中で加熱される。ある場合には、もしメッシュ状物質が有機物質で汚染されるならば、メッシュ状物質は酸化の前に、例えばアセトンなどの有機溶媒で洗浄される。
【0027】
コーティング浴は望ましくはその中で粒子が分散される有機溶媒と水との混合溶媒系である。溶媒系の極性は触媒の高い溶解性を防ぎまたコーティングのための良質のスラリを得るために望ましくは水の極性より低い。溶媒系は水、アミド、エステル、及びアルコールの混合物である。コーティング浴の動粘度は望ましくは175センチストーク以下であり、表面張力は望ましくは300ダイン/cm以下である。
【0028】
本発明の望ましい実施例において、コーティングされるメッシュ状構造は金属線または繊維を含み、コーティングされる金属線または繊維は「化学における進歩、43巻、接触角、湿潤性および粘着性、アメリカン・ケミカル・ソサイエティ、1964年」に記載された方法で定義されるように、その表面張力が50ダイン/cm以上になるように選択されまたは処理される。
【0029】
金属繊維を含むメッシュ状構造をコーティングする際に、T.C.パットン「塗料の流れと顔料分散」第2版、ワイリー−インターサイエンス、1979年、223ページに記載されているように、毛管法で測定された通り、液体コーティング組成物は望ましくは約50乃至300ダイン/cm、より望ましくは約50乃至150ダイン/cmの表面張力を持つ。同時に液体コーティング組成物は、毛管粘度計で測定され、またP.C.ヒーメンズ、「コロイドの原理と界面化学」第2版、マーセル・デッカー・インコーポレイテッド、1986年、182ページに記載されているように、液体コーティング組成物は175センチストーク以下の動粘度を有する。
【0030】
このような一つの実施例において、コーティングされる金属の表面張力は液体コーティング組成物の動粘度と表面張力を調整されるので、液体コーティング組成物はメッシュ状構造への粒子コーティングを生み出すように構造内部に引き寄せられる。コーティングされる金属は、50ダイン/cmよりも大きく、また望ましくは自発的湿潤とメッシュ内部への液の浸透を得るために液体コーティング組成物の表面張力よりも高い表面張力を有している。
【0031】
コーティングされる構造の金属が望ましい表面張力を持たない場合は、望ましい表面張力を産生するために構造は前処理される。
【0032】
液体コーティング組成物は粒子コーティングの構造への粘着を起こすための何らの結合剤または接着剤なしで準備することが可能である。
【0033】
コーティングされる構造の表面はコーティングを形成する表面と粒子間の吸引力を増加するために化学的、物理的に修飾される。例えば表面の熱処理または化学的修飾がそれである。
【0034】
コーティング浴の固体容量は一般に約2%ないし約50%で、望ましくは約5%乃至30%である。
【0035】
浴はまた界面活性剤、分散剤などの添加物を含む。一般にコーティング浴での粒子に対する添加剤の重量比は0.0001乃至0.4であり、より望ましくは0.001乃至0.1である。
【0036】
メッシュ状物質は望ましくはメッシュ状物質をコーティング浴に1回以上浸漬してコーティングされ、一方浸漬と浸漬の間に乾燥またはカ焼される。浴の温度は望ましくは室温であるが、浴内の液体の沸点より十分下でなければならない。
【0037】
コーティング後は、複数の粒子より成る多孔コーティングを含むメッシュ状物質は、望ましくは垂直位置で物質と共に乾燥される。乾燥は望ましくは20℃乃至150℃、より望ましくは100℃乃至150℃の温度で空気のような流動ガスとの接触により達成される。乾燥後に、コーティングされたメッシュ状物質は例えば250℃乃至800℃、望ましくは300℃乃至500℃、もっとも望ましくは約400℃でカ焼される。望ましい実施例において、温度と空気流は例えばクラッキング(深割れ)、孔の閉塞などの触媒コーティングに悪影響を与えない乾燥速度を産生するために調整される。多くの場合、乾燥はより遅い速度が望ましい。
【0038】
形成されたコーティング厚みは変化する。一般に厚みは少なくとも1ミクロンで一般に100ミクロンを越えない。典型的には、コーティング厚みは50ミクロン以下であり、より典型的には30ミクロン以下である。
【0039】
コーティングされるメッシュ物質の内部は空隙率を持ちそれは十分に三次元網状繊維に浸漬し移動するコーティングを含む粒子を許容する。かくして三次元物質の孔径とコーティングよりなる粒子の粒度が物質の網状組織の内部に付着できるコーティングの量と均一性、およびまたは網状組織のコーティング厚みを事実上決定する。孔サイズが大きければ本発明に基づく均一にコーティングできるコーティング厚みも大きくなる。
【0040】
粒子が触媒前駆物質の形態にある場合には、製品は粒子の付着後触媒前駆物質を活性触媒に転化するように処理される。物質の三次元網状組織に付着される粒子が触媒支持材である場合には、活性触媒または触媒前駆物質は例えば噴霧、浸漬または含浸などによりそのような支持材に適用される。
【0041】
コーティング浴を使用するに当り、ある場合にはコーティング浴は添加剤を含む。これらの添加剤はコーティング浴の物理的特性、とりわけ粘度と表面張力を変化させ、そのため浸漬の間にメッシュの浸透が起こり、コーティングはメッシュの内部と外部での均質な分布を得ることができる。ゾルはコーティング浴の物性を変えるだけでなく、結合材としても作用する。付着後に、物品は乾燥されカ焼される。
【0042】
代表的な安定剤としては、ポリマー状ポリアクリル酸、アクリルアミン、有機第四アンモニウム化合物、あるいは粒子に基づいて選択される他の特別な混合物が挙げられる。選択肢として、有機溶媒も同じ目的に使用できる。このような溶媒の例は、アルコールまたは流動パラフィン(ホワイト油)である。例えばHNO3の追加によるスラリのpH制御はコーティングスラリの粘度と表面張力を変更するも一つの方法である。触媒ありもしくは無しでの粒子支持材は、1998年9月17日に出願された合衆国出願連続番号09/156,023号に記載されているように、電気泳動コーティング手順によりメッシュ状触媒支持材にコーティングされる。このような手順では、針金メッシュ状構造は電極の一つとして採用され、(より大きな粒子の針金メッシュへの付着を促進するためにゾル形態の支持材を含む)触媒ありもしくは無しの必要な粒度の粒子支持材がコーティング浴で懸濁される。電位は電極全体に適用され、その一つは複数の繊維層から形成されるメッシュ状構造であり、メッシュ状構造は触媒ありまたは無しで支持材に電気泳動でコーティングされる。もし支持材が触媒を含まなければ、無水フタール酸触媒は次いで触媒を望ましくは1個またはそれ以上の助触媒を含む適切な溶液に構造(コーティングとしての支持材を含むもの)を浸漬することにより触媒構造に加えられる。
【0043】
ここに示されたように、支持選択酸化触媒はメッシュのすきまに粒子支持材をいれ保持することにより、メッシュ物質に支持される。例えば、任意に配向された複数の繊維層より成るメッシュ状構造を生産する際に、粒子支持材はメッシュ状構造を生産するのに使用される混合物に含まれ、これによりメッシュ状構造はメッシュのすきまに保持される粒子支持材と共に生産される。例えば、このようなメッシュ状構造は前記の特許に記載された通り生産することができ、適切な粒子支持材がセルロースのような繊維と結合材を含むメッシュに加えられる。生産されたメッシュ構造はメッシュ構造に保持される支持粒子を含む。メッシュ構造に保持される粒子支持材は次いで公知の技術による手順により選択的酸化触媒で含浸される。
【0044】
これらおよび他の実施例はここでの教示から当業者にとっては明らかなものである。
【0045】
望ましい実施例では、基本的に物質の全厚みは触媒でコーティングされるけれども、このような粒子で全厚み以下でコーティングすることは本発明の精神と範囲内にある。更に三次元構造内で各種のコーティング厚みを持つことも本発明の精神と範囲内で可能である。
【0046】
本発明の触媒構造は従来の技術で一般に公知である酸化手順を用いる選択的酸化プロセスで採用することができる。改良された収率は転化の増加速度により得ることができ、ここで増加された選択性が得られ、およびまたはこれまで使用された転化速度で増加された選択性から得ることができる。
【0047】
本発明のもう一つの見地に従って、酸化触媒(粒子支持材に支持された触媒)は、すべて重量で少なくとも5%、また望ましくは10%の量でメッシュ状構造に支持され、支持触媒の量はメッシュと支持触媒合計のすべて重量で一般に80%以下であり、より望ましくは50%以下である。一つの実施例で支持触媒を加える前にメッシュ状構造の空隙量が約90%である場合には、支持触媒の重量%は約5%乃至約40%であり、また空隙量が約95%である時には、支持触媒の重量%は約5%乃至約80%である。望ましい実施例において、支持触媒を含むメッシュ状構造は反応域で空隙量を提供するために少なくとも60%、望ましくは少なくとも70%の量で採用される。一般には、このような望ましい実施例において、空隙量は約95%を越えない。
【0048】
本発明の実施例で、選択的酸化は管形反応器で行われ、触媒構造は有機化合物と酸素が反応する管に挿入される。本発明のこのような実施例で、触媒の支持材として機能するメッシュ状構造は触媒全体に流れ込むガス相の乱流を提供し反応管の壁で層流層の消滅を提供するように形作られる。メッシュ状触媒支持構造は管内に乱流を提供し、従来の技術で公知の充填層と比較して反応器壁で数多くの接触点を提供するために適切な波形を配設される。
【0049】
本発明は分子状酸素の使用により有機化合物の触媒選択的酸化のための広範囲のプロセスに適用できる。大抵の場合、有機化合物は炭化水素、例えば芳香族炭化水素、または飽和もしくは不飽和脂肪族炭化水素である。代表的な例として、ナフタレンおよびまたは0−キシレンを無水フタール酸に選択的に酸化するプロセス;ベンゼン、ブタンおよびまたはブテンを無水マレイン酸、脂肪族炭化水素を対応するエポキシ化合物に、例えば、アルケンをアルキレン酸化物に、第一アルコールをアルデヒド(例えばホルムアルデヒドを形成するためのメチルアルコールの酸化)、アルケンまたはアルカンをアルデヒドに(例えば、プロペンおよびまたはプロパンをアクロレインに)、アルデヒドをカルボン酸に(例えば、アクロレインをアクリル酸に)等の選択的酸化のためのプロセスがあげられる。
【0050】
例えば、プロピレンの部分酸化は通常2段階システムで実行される。反応供給ガス、つまり熱交換器に予備加熱されたプロピレン、蒸気と空気の混合物が第1反応器に供給され、ここでプロピレンのアクロレイン(CH2=CH−CHO)への酸化が、350−400℃で多価金属(モリブデンが主成分)の酸化物よりなる触媒の存在下で起こる(欧州特許出願第0911311A1)。
【0051】
反応ガスは次いで直接第2反応器に導入され、ここでの主反応は(250℃−300℃での)アクロレインのアクリル酸への酸化である。両反応器での反応圧は数秒の接触時間でほぼ大気条件となる(例えばUSP4111983,USP4333858,USP4410858,USP4415752)。反応の熱は反応器の外皮側を通じる伝熱媒体、例えば水の循環で典型的に除去され、水は次いで蒸気として回収される。本発明に従って、このようなプロセスは前に記載の型のメッシュの上に支持された選択的酸化触媒で実行される。
【0052】
もう一つの選択的酸化プロセスの代表例として、0−キシレンが予備加熱され、大気の蒸気内に気化される。大気は立方メートル当り約60グラム乃至約100グラムの0−キシレンを含む。この0−キシレンの濃度は爆発限界外にある。大気/0−キシレン混合物は次いで、前に記載の型の構造触媒で充填された多管形反応器を通過する。運転圧はほぼ大気圧である。典型的な50,000メトリックトン工場は約17,000個の管を有し、これは本発明の触媒で充填されるであろう。反応器は2個の隣接インライン反応ゾーンより成る。各ゾーンは各ゾーンで本発明の触媒構造を持つ塩浴で冷却されるが、そこで支持される触媒は各ゾーンで異なることができる。硝酸カリウムと亜硝酸ナトリウムの共融混合物が冷却のために使用される。第1ゾーンでの塩温度は第2ゾーンの温度よりも約10℃高い。バナジウム酸化物とチタン酸化物は触媒の主要成分である。少量のセシウム酸化物(またはルビジウム酸化物)が触媒の活性を下げるために第1ゾーンの触媒の主成分に加えられる。同様に少量のリン酸化物が活性を高めるために第2ゾーンの触媒の主成分に加えられる。ガスは反応器の温度を約350℃乃至360℃の温度に留める。0−キシレンの転化はほぼ完全であり、主たる副産物は二酸化炭素と水になる。無水マレイン酸、フタリド、また微量の他の物質も形成される。
【0053】
反応器から出るガス混合物は予備冷却され、次いで切り換え固体化システムに供給され、ここで無水フタール酸はひれ付き管で固体にされる。切り換え固体化装置は次いで自動切り換えサイクルで伝熱油により加熱される。加熱の間に、付着無水フタノール酸は融解され貯蔵タンクに集められる。最後に未加工生産物は2個の蒸留塔で精製される。
【0054】
熱除去と正確な温度管理はこのプロセスで重要である。これらの要素は異常な高温を避けるためだけでなく、より良い収率を達成するためにも重要である。従来の技術による触媒構造を使用する際に、たとえ管径が僅か1インチであっても、大きな温度勾配が径方向で存在する。これは反応の高熱が触媒床からの劣った熱除去能力と結合した結果である。触媒温度は約340℃乃至350℃でなければならないが、伝熱の制限と温度勾配の故で、ある種のホットスポットで440℃までに温度が上昇することは異常なものではない。これらの高温では、無水フタール酸への選択性は殆どゼロになる。何故なら無数フタール酸は酸化して二酸化炭素になるためである。本発明の触媒構造を使用することによって、選択性は改良される(収率は向上する)。以下は無水フタール酸触媒の代表的な例である。
【0055】
球形不活性支持材は五塩化バナジウムと二酸化チタンよりなる触媒活性物質の薄層(0.02乃至2.0mm厚)でコーティングされる(DE−A1,442,590参照)。使用物はまた支持触媒で作られ、ここで触媒活性物質はリンでドープ処理され(合衆国特許3,684,741号)またはルビジウムおよびセシウムでドープ処理される(合衆国特許4,007,136号、合衆国特許4,096,094号、合衆国特許5,910,608号)。
【0056】
本発明に従って、このような選択的酸化は前に記載したメッシュ上で支持される支持触媒で達成される。
【0057】
もう一つの実施例において、選択的酸化はアルケンを選択的にエポキシ化しアルキレン酸化物を形成するためのプロセスである。この反応の1例は、ガス相で酸化エチレンを形成するエチレンのエポキシ化である。酸化エチレンの収率はエチレンの酸化エチレンへの転化速度とその転化の選択性の両方に依存する。一般により高い温度は転化を増加し選択性を減少し、これにより転化は最適収率を得るために選択性に対してバランスされる。この実施例においては、エチレンは粒子支持材で支持される選択的酸化触媒の存在下で選択的に酸化される。支持触媒はメッシュ状構造で支持される。
【0058】
一つの実施例では、アルケンを酸化アルキレンに転化する触媒を支持するために使用される粒子支持材は0.1m2/g乃至5m2/gの表面積を持つ。もう一つの実施例では、表面積は従来の技術でこれまでに使用された触媒支持材の表面積よりも大きい。従来公知であるように、このような従来技術の支持材は、望ましくは0.1m2/g乃至5m2/gの表面積を持つ。このような従来技術の支持材は、望ましくはアルファアルミナから形成される。この実施例では、特定の触媒支持材は表面積が5m2/g以上、望ましくは表面積が25m2/g以上である表面積を持つ多孔支持材である。大抵の場合表面積は300m2/g以下である。表面積はブルナウアー−エメット−テラー法(BET法:多分子層吸着理論法)で測定される。支持材は耐熱性の多孔支持材であり、このような支持材の代表的な例として、アルミナ、炭化ケイ素、シリカ、ジルコニア、チタニア、またはシリカ/アルミナ支持材である。望ましい支持材はアルファアルミナまたは遷移アルミナ、例えばガンマー、デルタ、またはシータ−アルミナがあげられる。
【0059】
代表的な例として、アルケンと酸素が、望ましくは管形反応器である固定床反応器内でメッシュ状支持構造に支持された支持酸化アルキレン触媒の存在下でガス層で反応される。
【0060】
本発明に基づくプロセスでのアルケンの分圧は0.1乃至30バール、望ましくは1乃至30バールの範囲にある。酸素のアルケンに対するモル比は0.05乃至100の範囲にある。酸素の分圧は0.01バール以上の範囲にあり、望ましくは0.1乃至20バール、より望ましくは1−10バールの範囲にある。酸素は例えば大気の形態で、また望ましくは商業用酸素として供給される。希釈剤、例えばヘリウム、窒素、アルゴン、二酸化炭素、およびまたはメタンは全体に対する量として10−80%、望ましくは40−70%の比率で存在する。適切なものして希釈剤は前に述べたように、メタンと共に例えば量で100乃至20,000百万分率のエタンを、また少量の例えば10乃至10,000百万分率の量のC3からC6までのアルカンを含む。爆発限界外のガス組成物を使用して運転することが必要である。
【0061】
温度は適切に180℃乃至320℃、望ましくは200℃乃至300℃の範囲に、より望ましくは220℃乃至290℃の範囲にある。接触時間はエチレンの0.5−70%、例えば2乃至20%および5−20%を転化するのに十分でなければならず、未転化のエチレンは、選択肢として生産物の分離後に、適切な場合は未転化の酸素の存在下で、またCO2の部分的除去後には適切に再循環される。適切には15乃至50%、望ましくは25乃至40%の供給酸素が消費される。CO2含有量は量で1%乃至10%、より望ましくは1.5%乃至8%でなければならない。
【0062】
反応は一般に適当なシェル内で平行に延びる複数の管よりなる管形反応器で実行され、このシェルには反応熱を除去するための適切な冷却剤が供給される。管は一般に内径が0.5乃至2.5インチであり、管長は15−30フィートの大きさである。
【0063】
望ましい実施例において、酸化アルキレンはメッシュ状構造で支持された支持触媒を含み、圧力低下が管全体で2バール以下、望ましくは1.75バール以下である複数の管で生産される。
【0064】
本発明はこれから以下の実施例と関連して説明されるが、本発明の範囲はそれにより限定されるものではない。
【0065】
実施例1.
蒸留水279.0グラムとホルムアルデヒド46.5グラムを混合して混合溶媒が準備された。鋭錐石144.5グラム、シュウ酸バナジル26.5グラム、三酸化アンチモン3.9グラム、炭化ルビジウム0.19グラムの混合物が予備スラリ液を得るために前記溶媒と混合された。このスラリは粒度を約0.8ミクロンにするためにアイガーボールミルで粉砕された。最終粉砕スラリの固形物含有量は29.1重量%と決定された。0.8mm厚の316ステンレススチール(それ以前にアセトン洗浄され300℃で熱処理されたもの)で作られた平板シートにこのスラリをコーティングして、26.9重量%の触媒が装荷された。この装荷は過剰なスラリを除去するためのエアガン処理の後、120℃でのオーブン乾燥と組合わせた室温乾燥で決定された。窒素雰囲気の下での450℃のカ焼後の最終装荷は25.3重量%と決定された。
【0066】
実施例2.
実施例1で使用された前もってアセトンで洗浄され300℃でスラリを用いて熱処理された10枚の波形シートのコーティングが以下の手順で行われた:浸漬コーティング、次いでエアナイフ吹付け(5バール)、室温乾燥、120℃でのオーブン乾燥である。生成する生産物は25.1重量%の平均触媒装荷を示した。
【0067】
実施例3.
15mm径、高さ254mm、アセトン洗浄され300℃(1時間)加熱された波形状構造パッキングのコーティングが実施例1に記載された同じスラリを用いて行われた。実施例2の手順に基づき23.3重量%の触媒の装荷が得られた。
【0068】
実施例4.
蒸留水271グラムとホルムアミド54グラムを混合して混合溶媒が準備された。鋭錐石147.8グラム、シュウ酸バナジル27.0グラム、リン酸アンモニウム0.20グラムの混合物が予備スラリ液を作るために溶媒と混合された。このスラリは次いで平均粒度を0.58ミクロンにするためにアイガーボールミルで粉砕された。このスラリの固形物含有量は29.0重量%と決定された。このスラリ混合物で前もってアセトンで洗浄され、300℃で1時間空気中で熱処理された0.8mm厚の316ステンレススチロールの微小繊維のコーティングが実施例1に記載された通り、乾燥後に23.4重量%の固形物装荷を持つように定められた。この場合支持材からスラリの過剰分を除去するためにエアナイフ処理が使用された。平面シートの粒子分布は120℃の乾燥後、または大気もしくは窒素内での450℃加熱後に優れた接着を示し非常に平坦であるように見えた。
【0069】
実施例5.
スラリで15mm径で高さ25.4mmの高さの実施例1で記載された2個の前処理モノリスへのコーティングと実施例1で記載された乾燥手順によりそれぞれ19.1重量%、19.2重量%の触媒装荷が与えられた。同一サイズでの30個の追加のモノリスがこの同じ手順に従って続いて準備された。
【0070】
実施例1−5は0−キシレンの無水フタノール酸への選択的酸化に使用される触媒構造の調製を記載する。
【0071】
実施例6.
5×5cmの支持材は12μm径で空隙量90%の0.8mm厚のステンレススチール繊維の金属メッシュである。メッシュはナイアコル(登録商標)アルミナゾル10重量%を含む水溶液に浸漬される。金属メッシュは複数の金属繊維層より成る。メッシュは電源の陰極に接続され、電源の陽極に接続される2個の垂直方向金属電極の間で平行に配置される。5Vの電位が60秒適用され、その間ゾルがメッシュにコーティングされる。コーティングされた生産物は150℃で20分乾燥され、続いて500℃で1時間カ焼され、この温度でアルミナゾルはガンマアルミナに転化される。付着したアルミナ量はアルミナとメッシュ合計の21重量%である。コーティングされた針金メッシュは室温で3重量%の銀含有水溶液1.10gに含浸され、ここでシュウ酸銀はエチレンジアミンで錯体とされ、この溶液に水酸化セシウムが加えられる。含浸サンプルは280℃で20分加熱される。支持材上のアルミナは銀約10重量%とセシウム約150ppmを含む。
【0072】
実施例7.
針金メッシュはこれまでの実施例に記載された同じ大きさと組成のものである。メッシュは電源と接続され、アルミナゾル0.18重量%と商業用第四塩化アンモニウム0.06重量%を有する水で7.8m2/gの表面積を持つ粉末化商業用アルミナ触媒支持材の10重量%スラリを持つ浴に配置される。10Vの電位が2分適用される。サンプルは500℃で60分大気中でカ焼される。メッシュに付着される触媒支持材の量はメッシュ支持材と触媒合計の重量で24.4%である。コーティングされた針金メッシュは室温で7重量%銀含有水溶液1.0gで含浸され、ここでシュウ酸銀はエチレンジアミンと錯体化され、これに水酸化セシウム溶液が加えられた。含浸サンプルは大気中で280℃で20分加熱される。支持材上のアルミナは銀約20重量%とセシウム約150ppmを含有する。
【0073】
実施例6−7はエチレンの酸化エチレンへの選択的酸化で使用される触媒構造の調製法を記載する。
【0074】
しかし本発明の範囲は前に記載の特異的実施例に限定されるべきでないことは理解されねばならない。本発明は特に記載されたもの以外にも実施することができ、しかもなお冒頭に記載した請求項の範囲内にある。
【0075】
【産業上の利用可能性】
以上のように、本発明に係るメッシュ構造に支持される粒子支持材に支持される選択的酸化触媒により固定床で有機分子を選択的に酸化することよりなるプロセスは触媒の装荷を高め生産物の収率を高める。
【発明の名称】 選択的酸化プロセスとその触媒
【特許請求の範囲】
【請求項1】 有機分子を選択的に酸化するためのプロセスであって、
粒子支持材に支持される選択的酸化触媒を含む触媒の固定床で有機分子を選択的に酸化し、
前記粒子支持材は50ミクロン以下の平均粒度を持ち、前記支持触媒は複数の繊維層を含むメッシュ状構造に支持され、前記繊維は層に任意に配向され、また前記メッシュ状構造が少なくとも45%の空隙量を持つ、
ことを含むことを特徴とするプロセス。
【請求項2】 前記粒子触媒支持材が20ミクロン以下の平均粒度を持つことを特徴とする請求項1記載のプロセス。
【請求項3】 前記メッシュ状構造が少なくとも55%の空隙量を持つことを特徴とする請求項1記載のプロセス。
【請求項4】 前記メッシュ状構造が少なくとも85%の空隙量を持つことを特徴とする請求項3記載のプロセス。
【請求項5】 前記メッシュ状構造が少なくとも1個の金属または金属酸化物を含むことを特徴とする請求項1記載のプロセス。
【請求項6】 前記メッシュ状構造が少なくとも5ミクロン乃至2ミリメートル以下の厚みを持つことを特徴とする請求項1記載のプロセス。
【請求項7】 前記メッシュ状構造の前記繊維が約30ミクロン以下の径を持つことを特徴とする請求項1記載のプロセス。
【請求項8】 前記選択的酸化が管形反応器で行われ、また前記管形反応器の管が前記固定床を含むことを特徴とする請求項1記載のプロセス。
【請求項9】 前記粒子支持材で支持される前記触媒がメッシュ状構造にコーティングされることを特徴とする請求項1記載のプロセス。
【請求項10】 前記選択的酸化がアルケンのアルキレン酸化物への酸化であることを特徴とする請求項1記載のプロセス。
【請求項11】 前記選択的酸化が0−キシレンの無水フタール酸への酸化であることを特徴とする請求項1記載のプロセス。
【請求項12】 前記選択的酸化がプロピレンのアクロレインへの酸化であることを特徴とする請求項1記載のプロセス。
【請求項13】 前記選択的酸化がプロパンのアクロレインへの酸化であることを特徴とする請求項1記載のプロセス。
【請求項14】 前記選択的酸化がアクロレインのアクリル酸への酸化であることを特徴とする請求項1記載のプロセス。
【請求項15】 前記粒子支持材が25m2/g以上の表面積を持つことを特徴とする請求項1記載のプロセス。
【請求項16】 粒子支持材に支持される選択的酸化触媒を含む組成物であって、
前記粒子支持材は50ミクロン以下の平均粒度を持ち、前記支持触媒はメッシュ状構造に支持され、前記メッシュ状構造は複数の繊維層を含み、前記繊維は層に任意に配向され、また前記メッシュ状構造は少なくとも45%の空隙量を持つ、
ことを特徴とする組成物。
【請求項17】 前記粒子支持材が20ミクロン以下の平均粒度を持つことを特徴とする請求項16記載の組成物。
【請求項18】 前記メッシュ状構造が少なくとも55%の空隙量を持つことを特徴とする請求項16記載の組成物。
【請求項19】 前記メッシュ状構造が少なくとも85%の空隙量を持つことを特徴とする請求項17記載の組成物。
【請求項20】 前記選択的酸化触媒が銀を含み、また前記触媒がエチレンの酸化エチレンへの酸化に触媒作用を及ぼすことを特徴とする請求項16記載の組成物。
【請求項21】 前記メッシュ状構造の前記繊維が約30ミクロン以下の径を持つことを特徴とする請求項16記載の組成物。
【発明の詳細な説明】
【0001】
【技術分野】
この出願は、1998年10月9日に出願された合衆国暫定特許出願番号60/103,717号の優先権を主張する。
【0002】
本発明は、選択的酸化の媒介で作られる化学製品に関する。より詳細には、本発明はメッシュ状構造に支持される触媒の存在下での選択的酸化に関する。
【0003】
【発明の背景分野】
石油化学工業では、選択的酸化の媒介で作られる製品が製作される。選択的酸化によるということは、供給成分が分子状酸素または空気などの分子状酸素含有気流と反応し、この反応が完全な酸化で二酸化炭素と水になる前に停止されることを意味する。
【0004】
例えば、無水フタール酸は選択的酸化プロセスで製造される。フタール酸を製造する大抵の工場は不活性ラシヒリングまたは活性触媒でコーティングされたビードで充填された多管形反応器を採用する。反応は高度に発熱反応であり、製品である無水フタール酸の過剰な酸化は温度管理もしくは熱除去が不完全なために生じる。0−キシレンの転化は殆ど完全ではあるが、無水フタール酸への選択性は100%よりはかなり低い。最良の商業プロセスは約80%の収率で知られている。
【0005】
酸化エチレンも触媒上のエチレンのエポキシ化を伴う選択的酸化により商業的に生産され、触媒は酸化エチレンの生産で触媒作用を及ぼす。一般にはこのような生産に採用される触媒は銀含有触媒であり、これは適切な支持材で支持される。
【0006】
酸化エチレンの生産は発熱反応であり、一般に反応熱を除去するために酸化エチレンは管形反応器で生産され、ここでガス状エチレンとガス含有酸素は複数の管で支持触媒の床上でガス相で反応され、反応熱は管を取り巻く循環冷却剤の使用で除去される。
【0007】
酸化エチレンの収率はエチレンの酸化エチレンへの転化速度とそのような転化の選択性の両方に依存する。一般に高温は転化を増進し、選択性を減少させるが、これにより転化は適当な収率を得るために選択性に対して均衡される。一般にこのような酸化エチレン生産に商業的に採用される銀含有触媒と併用する各種の助触媒を採用することにより酸化エチレンの収率を改良する試みがこれまでにも行われた。
【0008】
アクリル酸の収率はプロピレンまたはプロパンのアクロレインへの酸化、および更にはアクロレインのアクリル酸への酸化での転化と選択性に依存する。一般により高い温度は転化を増進し選択性を低下させ、これにより適切な収率を得るために転化は選択性に対して均衡される。通常使用される混合酸化触媒への修飾により選択性を増進するための試みがなされてきた。
【0009】
この結果、分子状酸素の使用により、有機化合物の選択的酸化のプロセスでの改良が必要とされる。
【0010】
【発明の概要】
本発明の一つの見地に従って、選択的酸化プロセスが提供され、ここで有機化合物が適切な酸化触媒の存在下で分子状酸素と反応し、この触媒はそのような支持触媒がメッシュ状物質である非粒子触媒支持構造に支持される粒子支持材に支持される。「メッシュに支持される」という用語はメッシュ上に支持触媒をコーティングし、同じくメッシュのすきまに支持触媒を入れることを含む。
【0011】
メッシュに支持される支持触媒は固定床として使用される。反応は望ましくはガス相で行われる。
【0012】
より詳細には、メッシュ状物質は針金または繊維メッシュなどの繊維または針金、金属フェルトまたはガーゼ、金属繊維フィルターまたは類似のものなどよりなる。メッシュ状構造は単一層よりなり、または1層以上の針金(例えば編み針金構造または織り針金構造)を含み、また望ましくは三次元網状組織の物質を形成する針金または繊維の複数の層よりなる。望ましい実施例において、支持構造は層内で任意配向された複数の繊維層よりなる。金属メッシュを生産するには、1個もしくはそれ以上の金属が使用される。選択肢としては、金属単独以外の物質、例えば炭素、金属炭化物、金属酸化物、またはセラミックを金属と併用して形成され、またはそれらのものを含むことがある。
【0013】
メッシュ状構造が物質の三次元網状組織を形成するために複数の繊維層よりなる望ましい実施例においては、そのような支持材の厚みは少なくとも5ミクロンであり、一般に10ミリメーターを越えない。望ましい実施例に従って、網状組織の厚みは少なくとも50ミクロンであり、より望ましくは100ミクロンであり、一般に2ミリメートルを越えることはない。
【0014】
一般に複数の繊維層を形成する繊維の厚みまたは径は約500ミクロン以下であり、望ましくは約150ミクロン以下でありより望ましくは約30ミクロン以下である。望ましい実施例において、繊維の厚みまたは径は約8ミクロン乃至約25ミクロンである。
【0015】
三次元メッシュ状構造は合衆国特許番号5,304,330号;5080,962号;5,102,745号;または5,096,663号に記載された通りに生産することができる。しかしそのようなメッシュ状構造が前記特許に記載されたもの以外の手順で形成されることは理解されるべきであろう。
【0016】
本発明に採用されるメッシュ状構造(メッシュ上に支持触媒のないもの)は空隙量を持ち、それは少なくとも45%、望ましくは少なくとも55%でより望ましくは少なくとも65%、また更に望ましくは少なくとも85%(例えば少なくとも90%)である。一般に空隙量は約98%を越えることは無い。ここで使用される「空隙量」という用語は、空になっている構造の量を構造の全量(空の部分とメッシュ物質)で割り100倍したものである。一般に平均空隙開口部は少なくとも10ミクロンであり、望ましくは少なくとも20ミクロンである。
【0017】
触媒が支持されそのような支持触媒が次いでメッシュ状構造で支持される触媒支持材は粒子形態にある支持材である。ここで使用される粒子という用語は、球状粒子、延伸粒子、繊維などを含みかつ網羅する。一般に選択的酸化触媒が支持される粒子の平均粒度は200ミクロンを越えず典型的には50ミクロン以下で大半の場合平均粒度は20ミクロン以下である。一般にこのような粒子の平均粒度は少なくとも0.002ミクロンでより一般には少なくとも0.5ミクロンである。粒子支持材で支持される触媒がメッシュ上でコーティングされると、触媒支持材の平均粒度は一般に10ミクロンを越えることはなく、メッシュに入れられる場合には、一般に150ミクロンを越えない。
【0018】
本発明の望ましい実施例に従って、選択的酸化が固定床で行われ、粒子支持材は前記のとおり平均粒度を持ち、この径は従来の技術の固定床プロセスで使用されたものよりも著しく小さい。
【0019】
本発明の一実施例において、粒子支持材に支持される酸化触媒の支持材として機能するメッシュ状構造は成形構造パッキングの形態にある。このパッキングは選択的酸化反応器で触媒上に流れるガス相の乱流を提供するように形成することができる。メッシュ状触媒支持構造は乱流を増やすために適切な波形を配設される。選択肢として、メッシュ状構造は乱流を提供するためにタブまたは渦流発生器を含む。乱流発生器の存在は放射状(および長尺)方向での混合を可能にし、従来の技術で既知のプロセスと比較して壁での伝熱の改良を可能にする。これは乱流発生器を壁と接触する構造に加えることで達成できる。壁での改良された伝熱特性は全体としてのより低い温度と従ってより高い選択性に導く。構造パッキングは更にモジュール内のチャンネルが管の長尺方向を進んでいくように反応器の管内に配置される1個もしくはそれ以上のシートのロールのようなモジュールの形態であることができる。このロールは平らな、波形またはウェーブ状もしくはこれらの組合せたシートを含むことができ、またシートは混合を促進するためにフィンまたは孔を含むことができる。シートは更に波形ストリップに形作ることができ、それは管のサイズに正確に合致する平らなシートでお互いに分離され、また溶接部、針金、円筒型平板シートもしくはそれらの組合せで一緒に保持される。
【0020】
支持触媒を支持するメッシュ状支持材は構造シート以外の形態で採用されることもある。例えば、メッシュ状支持材はリング、粒子、リボン等に形成され、充填層として反応器に採用される。一つの実施例では、粒子の大きさで従来の技術で公知の充填層の粒子より小さなものが使われる。
【0021】
メッシュ状構造で支持される支持選択的酸化触媒はメッシュ状構造を形成する針金もしくは繊維へのコーティングの形でメッシュ状支持材に存在し、およびまたはメッシュ状構造のすきまに存在もしくは保持される。
【0022】
一つの実施例では、粒子支持材に支持される触媒がメッシュ状構造にコーティングとして存在する場合には、メッシュ状触媒構造はまず粒子支持材でコーティングされ、次いで選択的酸化触媒がメッシュ状構造へのコーティングとして存在するように粒子支持材に加えられる。選択肢として、粒子支持材で支持される触媒はメッシュにコーティングされる。触媒ありもしくは無しでの粒子支持材は例えば浸漬または噴霧などの各種の技術によりメッシュ状構造にコーティングされる。
【0023】
支持触媒粒子はメッシュ状構造で液体コーティング組成物(望ましくはコーティング浴の形態のもの)に接触させてメッシュ状構造に適用することができ、この繊維コーティング組成物は、それがメッシュ状構造に入り込みメッシュ状構造物の内部と外部の両方に多孔コーティングを形成するような条件の下で液体に分散される粒子を含む。
【0024】
選択肢として、メッシュ状構造は活性触媒を含む粒子支持材でコーティングされ、またはメッシュ状構造は触媒前駆物質の粒子でコーティングされる。
【0025】
望ましい実施例において、液体被覆組成物は175センチストーク以下の動粘度と300ダイン/cm以下の表面張力を持つ。
【0026】
一つの実施例において、支持触媒または触媒支持材は浸漬法でメッシュにコーティングされる。望ましい実施例では、三次元メッシュ状構造物質はコーティングの前に酸化され、例えば300℃から700℃までの温度で大気中で加熱される。ある場合には、もしメッシュ状物質が有機物質で汚染されるならば、メッシュ状物質は酸化の前に、例えばアセトンなどの有機溶媒で洗浄される。
【0027】
コーティング浴は望ましくはその中で粒子が分散される有機溶媒と水との混合溶媒系である。溶媒系の極性は触媒の高い溶解性を防ぎまたコーティングのための良質のスラリを得るために望ましくは水の極性より低い。溶媒系は水、アミド、エステル、及びアルコールの混合物である。コーティング浴の動粘度は望ましくは175センチストーク以下であり、表面張力は望ましくは300ダイン/cm以下である。
【0028】
本発明の望ましい実施例において、コーティングされるメッシュ状構造は金属線または繊維を含み、コーティングされる金属線または繊維は「化学における進歩、43巻、接触角、湿潤性および粘着性、アメリカン・ケミカル・ソサイエティ、1964年」に記載された方法で定義されるように、その表面張力が50ダイン/cm以上になるように選択されまたは処理される。
【0029】
金属繊維を含むメッシュ状構造をコーティングする際に、T.C.パットン「塗料の流れと顔料分散」第2版、ワイリー−インターサイエンス、1979年、223ページに記載されているように、毛管法で測定された通り、液体コーティング組成物は望ましくは約50乃至300ダイン/cm、より望ましくは約50乃至150ダイン/cmの表面張力を持つ。同時に液体コーティング組成物は、毛管粘度計で測定され、またP.C.ヒーメンズ、「コロイドの原理と界面化学」第2版、マーセル・デッカー・インコーポレイテッド、1986年、182ページに記載されているように、液体コーティング組成物は175センチストーク以下の動粘度を有する。
【0030】
このような一つの実施例において、コーティングされる金属の表面張力は液体コーティング組成物の動粘度と表面張力を調整されるので、液体コーティング組成物はメッシュ状構造への粒子コーティングを生み出すように構造内部に引き寄せられる。コーティングされる金属は、50ダイン/cmよりも大きく、また望ましくは自発的湿潤とメッシュ内部への液の浸透を得るために液体コーティング組成物の表面張力よりも高い表面張力を有している。
【0031】
コーティングされる構造の金属が望ましい表面張力を持たない場合は、望ましい表面張力を産生するために構造は前処理される。
【0032】
液体コーティング組成物は粒子コーティングの構造への粘着を起こすための何らの結合剤または接着剤なしで準備することが可能である。
【0033】
コーティングされる構造の表面はコーティングを形成する表面と粒子間の吸引力を増加するために化学的、物理的に修飾される。例えば表面の熱処理または化学的修飾がそれである。
【0034】
コーティング浴の固体容量は一般に約2%ないし約50%で、望ましくは約5%乃至30%である。
【0035】
浴はまた界面活性剤、分散剤などの添加物を含む。一般にコーティング浴での粒子に対する添加剤の重量比は0.0001乃至0.4であり、より望ましくは0.001乃至0.1である。
【0036】
メッシュ状物質は望ましくはメッシュ状物質をコーティング浴に1回以上浸漬してコーティングされ、一方浸漬と浸漬の間に乾燥またはカ焼される。浴の温度は望ましくは室温であるが、浴内の液体の沸点より十分下でなければならない。
【0037】
コーティング後は、複数の粒子より成る多孔コーティングを含むメッシュ状物質は、望ましくは垂直位置で物質と共に乾燥される。乾燥は望ましくは20℃乃至150℃、より望ましくは100℃乃至150℃の温度で空気のような流動ガスとの接触により達成される。乾燥後に、コーティングされたメッシュ状物質は例えば250℃乃至800℃、望ましくは300℃乃至500℃、もっとも望ましくは約400℃でカ焼される。望ましい実施例において、温度と空気流は例えばクラッキング(深割れ)、孔の閉塞などの触媒コーティングに悪影響を与えない乾燥速度を産生するために調整される。多くの場合、乾燥はより遅い速度が望ましい。
【0038】
形成されたコーティング厚みは変化する。一般に厚みは少なくとも1ミクロンで一般に100ミクロンを越えない。典型的には、コーティング厚みは50ミクロン以下であり、より典型的には30ミクロン以下である。
【0039】
コーティングされるメッシュ物質の内部は空隙率を持ちそれは十分に三次元網状繊維に浸漬し移動するコーティングを含む粒子を許容する。かくして三次元物質の孔径とコーティングよりなる粒子の粒度が物質の網状組織の内部に付着できるコーティングの量と均一性、およびまたは網状組織のコーティング厚みを事実上決定する。孔サイズが大きければ本発明に基づく均一にコーティングできるコーティング厚みも大きくなる。
【0040】
粒子が触媒前駆物質の形態にある場合には、製品は粒子の付着後触媒前駆物質を活性触媒に転化するように処理される。物質の三次元網状組織に付着される粒子が触媒支持材である場合には、活性触媒または触媒前駆物質は例えば噴霧、浸漬または含浸などによりそのような支持材に適用される。
【0041】
コーティング浴を使用するに当り、ある場合にはコーティング浴は添加剤を含む。これらの添加剤はコーティング浴の物理的特性、とりわけ粘度と表面張力を変化させ、そのため浸漬の間にメッシュの浸透が起こり、コーティングはメッシュの内部と外部での均質な分布を得ることができる。ゾルはコーティング浴の物性を変えるだけでなく、結合材としても作用する。付着後に、物品は乾燥されカ焼される。
【0042】
代表的な安定剤としては、ポリマー状ポリアクリル酸、アクリルアミン、有機第四アンモニウム化合物、あるいは粒子に基づいて選択される他の特別な混合物が挙げられる。選択肢として、有機溶媒も同じ目的に使用できる。このような溶媒の例は、アルコールまたは流動パラフィン(ホワイト油)である。例えばHNO3の追加によるスラリのpH制御はコーティングスラリの粘度と表面張力を変更するも一つの方法である。触媒ありもしくは無しでの粒子支持材は、1998年9月17日に出願された合衆国出願連続番号09/156,023号に記載されているように、電気泳動コーティング手順によりメッシュ状触媒支持材にコーティングされる。このような手順では、針金メッシュ状構造は電極の一つとして採用され、(より大きな粒子の針金メッシュへの付着を促進するためにゾル形態の支持材を含む)触媒ありもしくは無しの必要な粒度の粒子支持材がコーティング浴で懸濁される。電位は電極全体に適用され、その一つは複数の繊維層から形成されるメッシュ状構造であり、メッシュ状構造は触媒ありまたは無しで支持材に電気泳動でコーティングされる。もし支持材が触媒を含まなければ、無水フタール酸触媒は次いで触媒を望ましくは1個またはそれ以上の助触媒を含む適切な溶液に構造(コーティングとしての支持材を含むもの)を浸漬することにより触媒構造に加えられる。
【0043】
ここに示されたように、支持選択酸化触媒はメッシュのすきまに粒子支持材をいれ保持することにより、メッシュ物質に支持される。例えば、任意に配向された複数の繊維層より成るメッシュ状構造を生産する際に、粒子支持材はメッシュ状構造を生産するのに使用される混合物に含まれ、これによりメッシュ状構造はメッシュのすきまに保持される粒子支持材と共に生産される。例えば、このようなメッシュ状構造は前記の特許に記載された通り生産することができ、適切な粒子支持材がセルロースのような繊維と結合材を含むメッシュに加えられる。生産されたメッシュ構造はメッシュ構造に保持される支持粒子を含む。メッシュ構造に保持される粒子支持材は次いで公知の技術による手順により選択的酸化触媒で含浸される。
【0044】
これらおよび他の実施例はここでの教示から当業者にとっては明らかなものである。
【0045】
望ましい実施例では、基本的に物質の全厚みは触媒でコーティングされるけれども、このような粒子で全厚み以下でコーティングすることは本発明の精神と範囲内にある。更に三次元構造内で各種のコーティング厚みを持つことも本発明の精神と範囲内で可能である。
【0046】
本発明の触媒構造は従来の技術で一般に公知である酸化手順を用いる選択的酸化プロセスで採用することができる。改良された収率は転化の増加速度により得ることができ、ここで増加された選択性が得られ、およびまたはこれまで使用された転化速度で増加された選択性から得ることができる。
【0047】
本発明のもう一つの見地に従って、酸化触媒(粒子支持材に支持された触媒)は、すべて重量で少なくとも5%、また望ましくは10%の量でメッシュ状構造に支持され、支持触媒の量はメッシュと支持触媒合計のすべて重量で一般に80%以下であり、より望ましくは50%以下である。一つの実施例で支持触媒を加える前にメッシュ状構造の空隙量が約90%である場合には、支持触媒の重量%は約5%乃至約40%であり、また空隙量が約95%である時には、支持触媒の重量%は約5%乃至約80%である。望ましい実施例において、支持触媒を含むメッシュ状構造は反応域で空隙量を提供するために少なくとも60%、望ましくは少なくとも70%の量で採用される。一般には、このような望ましい実施例において、空隙量は約95%を越えない。
【0048】
本発明の実施例で、選択的酸化は管形反応器で行われ、触媒構造は有機化合物と酸素が反応する管に挿入される。本発明のこのような実施例で、触媒の支持材として機能するメッシュ状構造は触媒全体に流れ込むガス相の乱流を提供し反応管の壁で層流層の消滅を提供するように形作られる。メッシュ状触媒支持構造は管内に乱流を提供し、従来の技術で公知の充填層と比較して反応器壁で数多くの接触点を提供するために適切な波形を配設される。
【0049】
本発明は分子状酸素の使用により有機化合物の触媒選択的酸化のための広範囲のプロセスに適用できる。大抵の場合、有機化合物は炭化水素、例えば芳香族炭化水素、または飽和もしくは不飽和脂肪族炭化水素である。代表的な例として、ナフタレンおよびまたは0−キシレンを無水フタール酸に選択的に酸化するプロセス;ベンゼン、ブタンおよびまたはブテンを無水マレイン酸、脂肪族炭化水素を対応するエポキシ化合物に、例えば、アルケンをアルキレン酸化物に、第一アルコールをアルデヒド(例えばホルムアルデヒドを形成するためのメチルアルコールの酸化)、アルケンまたはアルカンをアルデヒドに(例えば、プロペンおよびまたはプロパンをアクロレインに)、アルデヒドをカルボン酸に(例えば、アクロレインをアクリル酸に)等の選択的酸化のためのプロセスがあげられる。
【0050】
例えば、プロピレンの部分酸化は通常2段階システムで実行される。反応供給ガス、つまり熱交換器に予備加熱されたプロピレン、蒸気と空気の混合物が第1反応器に供給され、ここでプロピレンのアクロレイン(CH2=CH−CHO)への酸化が、350−400℃で多価金属(モリブデンが主成分)の酸化物よりなる触媒の存在下で起こる(欧州特許出願第0911311A1)。
【0051】
反応ガスは次いで直接第2反応器に導入され、ここでの主反応は(250℃−300℃での)アクロレインのアクリル酸への酸化である。両反応器での反応圧は数秒の接触時間でほぼ大気条件となる(例えばUSP4111983,USP4333858,USP4410858,USP4415752)。反応の熱は反応器の外皮側を通じる伝熱媒体、例えば水の循環で典型的に除去され、水は次いで蒸気として回収される。本発明に従って、このようなプロセスは前に記載の型のメッシュの上に支持された選択的酸化触媒で実行される。
【0052】
もう一つの選択的酸化プロセスの代表例として、0−キシレンが予備加熱され、大気の蒸気内に気化される。大気は立方メートル当り約60グラム乃至約100グラムの0−キシレンを含む。この0−キシレンの濃度は爆発限界外にある。大気/0−キシレン混合物は次いで、前に記載の型の構造触媒で充填された多管形反応器を通過する。運転圧はほぼ大気圧である。典型的な50,000メトリックトン工場は約17,000個の管を有し、これは本発明の触媒で充填されるであろう。反応器は2個の隣接インライン反応ゾーンより成る。各ゾーンは各ゾーンで本発明の触媒構造を持つ塩浴で冷却されるが、そこで支持される触媒は各ゾーンで異なることができる。硝酸カリウムと亜硝酸ナトリウムの共融混合物が冷却のために使用される。第1ゾーンでの塩温度は第2ゾーンの温度よりも約10℃高い。バナジウム酸化物とチタン酸化物は触媒の主要成分である。少量のセシウム酸化物(またはルビジウム酸化物)が触媒の活性を下げるために第1ゾーンの触媒の主成分に加えられる。同様に少量のリン酸化物が活性を高めるために第2ゾーンの触媒の主成分に加えられる。ガスは反応器の温度を約350℃乃至360℃の温度に留める。0−キシレンの転化はほぼ完全であり、主たる副産物は二酸化炭素と水になる。無水マレイン酸、フタリド、また微量の他の物質も形成される。
【0053】
反応器から出るガス混合物は予備冷却され、次いで切り換え固体化システムに供給され、ここで無水フタール酸はひれ付き管で固体にされる。切り換え固体化装置は次いで自動切り換えサイクルで伝熱油により加熱される。加熱の間に、付着無水フタノール酸は融解され貯蔵タンクに集められる。最後に未加工生産物は2個の蒸留塔で精製される。
【0054】
熱除去と正確な温度管理はこのプロセスで重要である。これらの要素は異常な高温を避けるためだけでなく、より良い収率を達成するためにも重要である。従来の技術による触媒構造を使用する際に、たとえ管径が僅か1インチであっても、大きな温度勾配が径方向で存在する。これは反応の高熱が触媒床からの劣った熱除去能力と結合した結果である。触媒温度は約340℃乃至350℃でなければならないが、伝熱の制限と温度勾配の故で、ある種のホットスポットで440℃までに温度が上昇することは異常なものではない。これらの高温では、無水フタール酸への選択性は殆どゼロになる。何故なら無数フタール酸は酸化して二酸化炭素になるためである。本発明の触媒構造を使用することによって、選択性は改良される(収率は向上する)。以下は無水フタール酸触媒の代表的な例である。
【0055】
球形不活性支持材は五塩化バナジウムと二酸化チタンよりなる触媒活性物質の薄層(0.02乃至2.0mm厚)でコーティングされる(DE−A1,442,590参照)。使用物はまた支持触媒で作られ、ここで触媒活性物質はリンでドープ処理され(合衆国特許3,684,741号)またはルビジウムおよびセシウムでドープ処理される(合衆国特許4,007,136号、合衆国特許4,096,094号、合衆国特許5,910,608号)。
【0056】
本発明に従って、このような選択的酸化は前に記載したメッシュ上で支持される支持触媒で達成される。
【0057】
もう一つの実施例において、選択的酸化はアルケンを選択的にエポキシ化しアルキレン酸化物を形成するためのプロセスである。この反応の1例は、ガス相で酸化エチレンを形成するエチレンのエポキシ化である。酸化エチレンの収率はエチレンの酸化エチレンへの転化速度とその転化の選択性の両方に依存する。一般により高い温度は転化を増加し選択性を減少し、これにより転化は最適収率を得るために選択性に対してバランスされる。この実施例においては、エチレンは粒子支持材で支持される選択的酸化触媒の存在下で選択的に酸化される。支持触媒はメッシュ状構造で支持される。
【0058】
一つの実施例では、アルケンを酸化アルキレンに転化する触媒を支持するために使用される粒子支持材は0.1m2/g乃至5m2/gの表面積を持つ。もう一つの実施例では、表面積は従来の技術でこれまでに使用された触媒支持材の表面積よりも大きい。従来公知であるように、このような従来技術の支持材は、望ましくは0.1m2/g乃至5m2/gの表面積を持つ。このような従来技術の支持材は、望ましくはアルファアルミナから形成される。この実施例では、特定の触媒支持材は表面積が5m2/g以上、望ましくは表面積が25m2/g以上である表面積を持つ多孔支持材である。大抵の場合表面積は300m2/g以下である。表面積はブルナウアー−エメット−テラー法(BET法:多分子層吸着理論法)で測定される。支持材は耐熱性の多孔支持材であり、このような支持材の代表的な例として、アルミナ、炭化ケイ素、シリカ、ジルコニア、チタニア、またはシリカ/アルミナ支持材である。望ましい支持材はアルファアルミナまたは遷移アルミナ、例えばガンマー、デルタ、またはシータ−アルミナがあげられる。
【0059】
代表的な例として、アルケンと酸素が、望ましくは管形反応器である固定床反応器内でメッシュ状支持構造に支持された支持酸化アルキレン触媒の存在下でガス層で反応される。
【0060】
本発明に基づくプロセスでのアルケンの分圧は0.1乃至30バール、望ましくは1乃至30バールの範囲にある。酸素のアルケンに対するモル比は0.05乃至100の範囲にある。酸素の分圧は0.01バール以上の範囲にあり、望ましくは0.1乃至20バール、より望ましくは1−10バールの範囲にある。酸素は例えば大気の形態で、また望ましくは商業用酸素として供給される。希釈剤、例えばヘリウム、窒素、アルゴン、二酸化炭素、およびまたはメタンは全体に対する量として10−80%、望ましくは40−70%の比率で存在する。適切なものして希釈剤は前に述べたように、メタンと共に例えば量で100乃至20,000百万分率のエタンを、また少量の例えば10乃至10,000百万分率の量のC3からC6までのアルカンを含む。爆発限界外のガス組成物を使用して運転することが必要である。
【0061】
温度は適切に180℃乃至320℃、望ましくは200℃乃至300℃の範囲に、より望ましくは220℃乃至290℃の範囲にある。接触時間はエチレンの0.5−70%、例えば2乃至20%および5−20%を転化するのに十分でなければならず、未転化のエチレンは、選択肢として生産物の分離後に、適切な場合は未転化の酸素の存在下で、またCO2の部分的除去後には適切に再循環される。適切には15乃至50%、望ましくは25乃至40%の供給酸素が消費される。CO2含有量は量で1%乃至10%、より望ましくは1.5%乃至8%でなければならない。
【0062】
反応は一般に適当なシェル内で平行に延びる複数の管よりなる管形反応器で実行され、このシェルには反応熱を除去するための適切な冷却剤が供給される。管は一般に内径が0.5乃至2.5インチであり、管長は15−30フィートの大きさである。
【0063】
望ましい実施例において、酸化アルキレンはメッシュ状構造で支持された支持触媒を含み、圧力低下が管全体で2バール以下、望ましくは1.75バール以下である複数の管で生産される。
【0064】
本発明はこれから以下の実施例と関連して説明されるが、本発明の範囲はそれにより限定されるものではない。
【0065】
実施例1.
蒸留水279.0グラムとホルムアルデヒド46.5グラムを混合して混合溶媒が準備された。鋭錐石144.5グラム、シュウ酸バナジル26.5グラム、三酸化アンチモン3.9グラム、炭化ルビジウム0.19グラムの混合物が予備スラリ液を得るために前記溶媒と混合された。このスラリは粒度を約0.8ミクロンにするためにアイガーボールミルで粉砕された。最終粉砕スラリの固形物含有量は29.1重量%と決定された。0.8mm厚の316ステンレススチール(それ以前にアセトン洗浄され300℃で熱処理されたもの)で作られた平板シートにこのスラリをコーティングして、26.9重量%の触媒が装荷された。この装荷は過剰なスラリを除去するためのエアガン処理の後、120℃でのオーブン乾燥と組合わせた室温乾燥で決定された。窒素雰囲気の下での450℃のカ焼後の最終装荷は25.3重量%と決定された。
【0066】
実施例2.
実施例1で使用された前もってアセトンで洗浄され300℃でスラリを用いて熱処理された10枚の波形シートのコーティングが以下の手順で行われた:浸漬コーティング、次いでエアナイフ吹付け(5バール)、室温乾燥、120℃でのオーブン乾燥である。生成する生産物は25.1重量%の平均触媒装荷を示した。
【0067】
実施例3.
15mm径、高さ254mm、アセトン洗浄され300℃(1時間)加熱された波形状構造パッキングのコーティングが実施例1に記載された同じスラリを用いて行われた。実施例2の手順に基づき23.3重量%の触媒の装荷が得られた。
【0068】
実施例4.
蒸留水271グラムとホルムアミド54グラムを混合して混合溶媒が準備された。鋭錐石147.8グラム、シュウ酸バナジル27.0グラム、リン酸アンモニウム0.20グラムの混合物が予備スラリ液を作るために溶媒と混合された。このスラリは次いで平均粒度を0.58ミクロンにするためにアイガーボールミルで粉砕された。このスラリの固形物含有量は29.0重量%と決定された。このスラリ混合物で前もってアセトンで洗浄され、300℃で1時間空気中で熱処理された0.8mm厚の316ステンレススチロールの微小繊維のコーティングが実施例1に記載された通り、乾燥後に23.4重量%の固形物装荷を持つように定められた。この場合支持材からスラリの過剰分を除去するためにエアナイフ処理が使用された。平面シートの粒子分布は120℃の乾燥後、または大気もしくは窒素内での450℃加熱後に優れた接着を示し非常に平坦であるように見えた。
【0069】
実施例5.
スラリで15mm径で高さ25.4mmの高さの実施例1で記載された2個の前処理モノリスへのコーティングと実施例1で記載された乾燥手順によりそれぞれ19.1重量%、19.2重量%の触媒装荷が与えられた。同一サイズでの30個の追加のモノリスがこの同じ手順に従って続いて準備された。
【0070】
実施例1−5は0−キシレンの無水フタノール酸への選択的酸化に使用される触媒構造の調製を記載する。
【0071】
実施例6.
5×5cmの支持材は12μm径で空隙量90%の0.8mm厚のステンレススチール繊維の金属メッシュである。メッシュはナイアコル(登録商標)アルミナゾル10重量%を含む水溶液に浸漬される。金属メッシュは複数の金属繊維層より成る。メッシュは電源の陰極に接続され、電源の陽極に接続される2個の垂直方向金属電極の間で平行に配置される。5Vの電位が60秒適用され、その間ゾルがメッシュにコーティングされる。コーティングされた生産物は150℃で20分乾燥され、続いて500℃で1時間カ焼され、この温度でアルミナゾルはガンマアルミナに転化される。付着したアルミナ量はアルミナとメッシュ合計の21重量%である。コーティングされた針金メッシュは室温で3重量%の銀含有水溶液1.10gに含浸され、ここでシュウ酸銀はエチレンジアミンで錯体とされ、この溶液に水酸化セシウムが加えられる。含浸サンプルは280℃で20分加熱される。支持材上のアルミナは銀約10重量%とセシウム約150ppmを含む。
【0072】
実施例7.
針金メッシュはこれまでの実施例に記載された同じ大きさと組成のものである。メッシュは電源と接続され、アルミナゾル0.18重量%と商業用第四塩化アンモニウム0.06重量%を有する水で7.8m2/gの表面積を持つ粉末化商業用アルミナ触媒支持材の10重量%スラリを持つ浴に配置される。10Vの電位が2分適用される。サンプルは500℃で60分大気中でカ焼される。メッシュに付着される触媒支持材の量はメッシュ支持材と触媒合計の重量で24.4%である。コーティングされた針金メッシュは室温で7重量%銀含有水溶液1.0gで含浸され、ここでシュウ酸銀はエチレンジアミンと錯体化され、これに水酸化セシウム溶液が加えられた。含浸サンプルは大気中で280℃で20分加熱される。支持材上のアルミナは銀約20重量%とセシウム約150ppmを含有する。
【0073】
実施例6−7はエチレンの酸化エチレンへの選択的酸化で使用される触媒構造の調製法を記載する。
【0074】
しかし本発明の範囲は前に記載の特異的実施例に限定されるべきでないことは理解されねばならない。本発明は特に記載されたもの以外にも実施することができ、しかもなお冒頭に記載した請求項の範囲内にある。
【0075】
【産業上の利用可能性】
以上のように、本発明に係るメッシュ構造に支持される粒子支持材に支持される選択的酸化触媒により固定床で有機分子を選択的に酸化することよりなるプロセスは触媒の装荷を高め生産物の収率を高める。
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