JP2005526597A - 無水マレイン酸の製造用の触媒先駆物質及びその製法 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)五価バナジウム化合物(例えばV2O5)、五価又は三価燐化合物(例えばオルト及び/又はピロ燐酸、燐酸エステル又は亜燐酸)及び還元アルコール(例えばイソブタノール)からの燐酸バナジル半水和物先駆物質(VOHPO4・1/2H2O)の合成、沈殿の単離及び乾燥、場合により成形(例えばタブレット成形);及び
(2)焼成によるピロ燐酸バナジル((VO)2P2O7)への予備活性化。
・102〜110%濃度の燐酸の使用、
・炭素原子3〜6個を有する第一又は第二、非環式又は環式、枝なし又は枝分れ、飽和アルコールの使用、
・適切な条件下でピロ燐酸相の生成の実質的な排除下で熱処理により有機炭素含量≦1.1%に調整すること、及び
・熱処理した、実質的にピロ燐酸不含の生成物の成形。
工程(a)
本発明の方法で使用するための燐酸は、算術H3PO4含量102〜110質量%を有する。これは略して濃度102〜110%を有する燐酸と記載する。102〜110%濃度の燐酸は、オルト燐酸(H3PO4)、ピロ燐酸(H4P2O7)及び式Hn+2PnO3n+1(n≧3)を有するポリ燐酸から成る混合物である。本発明の方法で、102〜108%、特に有利には102〜106%、特に非常に有利には104〜106%の濃度を有する燐酸を使用するのが有利である。使用するための燐酸は、通常五酸化燐酸を水又は例えば85〜100%の濃度の水性燐酸中に装入することによって製造する。
反応終了後、生成した沈殿を単離し、場合により引き続き冷却期、冷却した反応混合物の貯蔵又は熟成期を設ける。単離工程で沈殿を液相から分離する。好適な方法の例は、濾過、デカント法及び遠心分離である。沈殿は有利には濾過又は遠心分離により単離する。沈殿の単離は通常同じく0〜160℃の温度範囲内で行われ、その際、50〜150℃の範囲、特に80〜150℃の温度が有利である。
工程(c)で、単離した沈殿中で温度範囲250〜350℃で熱処理することによって有機炭素含量≦1.1質量%に調整し、その際、熱処理した生成物は、内部標準として黒鉛3.0質量%の添加及びCuKα線(λ=1.54・10−10m)の使用下で、2Θ範囲で28.5°で存在するピロ燐酸相のピーク高対26.6°での黒鉛によるピーク高の比が≦0.1である粉末X線回折図を生じる。
工程(d)で工程(c)から得た熱処理した生成物を、平均直径少なくとも2mm、有利には少なくとも3mmを有する粒子に成形する。粒子に平均直径は、2個の平行平面板間の最小寸法と最大寸法の平均である。
本明細書に使用した変数は、他に記載のない限り、下記のように定義される:
V触媒 全反応帯域で合計した触媒の嵩容量[L]
t 時間単位[h]
V炭化水素 0℃及び0.1013MPaに標準化した気相中の炭化水素
容量[L(stp)](算術変数。炭化水素がこれらの条件
下で液相である場合には、理想気体法を使用して仮定の気体
容量を算出する。)
U 反応器通過当たりの炭化水素変換率
S 反応器通過当たりの無水マレイン酸の選択性
A 反応器通過当たりの無水マレイン酸の収率
nHC、反応器、in 反応器入口の炭化水素の容量流量[モル/h]
nHC、反応器、out 反応器出口の炭化水素の容量流量[モル/h]
nHC、装置、in 装置入口の炭化水素の容量流量[モル/h]
nHC、装置、out 装置出口の炭化水素の容量流量[モル/h]
nMAN、反応器、out 反応器出口の無水マレイン酸の容量流量[モル/h]
nMAN、装置、out 装置出口の無水マレイン酸の容量流量[モル/h]。
乾燥した触媒先駆物質の残留イソブタノール含量の測定
残留イソブタノール含量を測定するために、乾燥した粉末状触媒先駆物質約4g及びN,N−ジメチルホルムアミド約10gを還流冷却器を有する加熱可能な攪拌装置中に正確に計り入れた。次いで混合物を攪拌下で沸騰温度に加熱し、この条件下で30分間放置した。冷却後、懸濁液を濾過し、濾液のイソブタノール含量をガスクロマトグラフィーにより定量した。次いで残留イソブタノール含量をN,N−ジメチルホルムアミド中のイソブタノールの検出濃度及びN,N−ジメチルホルムアミド及触媒先駆物質の最初の質量から算出した。
全炭素含量を測定するために、正確に秤量した粉末状試料約50〜200mgを純粋な酸素流の存在で約1000℃に加熱した石英管中に装入し、焼成した。得られた燃焼ガスをIRセルを通し、二酸化炭素含量を定量した。検出した二酸化炭素の量から遡って試料の全炭素含量を算出することができた。
無機炭素含量を測定するために、正確に秤量した粉末状試料約50〜200mgを10質量%濃度の塩酸水溶液と混合した。遊離した二酸化炭素を、緩慢な加熱下で窒素流を混合物中を通して、追出し、イソプロパノール/ドライアイスで冷却した冷却トラップ、過マンガン酸カリウム溶液を含有する吸収容器2個、濃硫酸を含有する吸収容器1個及び二酸化マンガン管から成るカスケードを通すことによって精製した。精製した気体流を、ジメチルスルホキシド中のチモールフタレン0.1質量%の溶液を充填した電量計中に装入し、色変化を光度計により測定した。透過率の変化から装入した二酸化炭素の量、従って試料の無機炭素含量を逆算することができる。
有機炭素含量は、全炭素含量と無機炭素含量の差から算出する。
XRD分析用に、黒鉛3質量%と緊密に混合した粉末状沈殿をSiemens D5000theta/theta X線粉末回折計で測定した。測定パラメーターは下記であった:
円直径 435mm
X線 CuKα(λ=1.54・10−10m)
管電圧 40kV
管電流 30mA
アパーチャー 変数V20
コリメーター 変数V20
二次モノクロメーター 黒鉛
モノクロメーター アパーチャー 0.1mm
シンチレーション検出器アパーチャー0.6mm
ステップ 0.02° 2Θ
ステップモード 連続
測定時間 2.4s/ステップ
測定速度 0.5° 2Θ/分。
横圧縮強さを測定するために、一連の連続測定で中空シリンダーを円形にした側面を相応する測定装置の平面金属操作架台上に載せた。従って2個の平行平面端面は垂直方向に存在していた。次いで平面金属ダイを、中空シリンダー上に前進速度1.6mm/分で下げ、中空シリンダーに対する作用力の時間経過を、シリンダーが破裂するまで記録した。各中空シリンダーの横圧縮強さは最高作用力に相応する。
バナジウムの平均酸化状態は、電位差滴定によって測定した。
実験装置は、供給単位及び反応器管を装備していた。シェルアンドチューブ反応器の代わりに反応器管を使用することは、反応器管の寸法が工業的反応器管の範囲内である限り、実験室又は工業的規模でなんら問題なく可能である。装置は直線通過法で操作した。
反応器入口のn−ブタン濃度= 2.0容量%
MHSV= 2000L(stp)/L触媒・h
反応器出口の圧力= 0.2MPa絶対
燐酸トリエチル(TEP)濃度=2容量ppm
水蒸気の濃度= 1.5容量%。
窒素で不活性化し、加圧水により外部から加熱可能なかつフローブレーカーを有する8m3鋼/エナメル攪拌釜にイソブタノール6.1m3を前装入した。3段インペラー攪拌機の操業開始後、イソブタノールを還流下で90℃に加熱した。この温度に達したら、五酸化バナジウム736kgの添加をスクリューコンベアを用いて開始した。約20分後に所望量の約2/3の五酸化バナジウムを添加した後、更に五酸化バナジウムを添加する際に105%濃度の燐酸900kgをポンプで装入した。ポンプを洗浄するために更にイソブタノール0.2m3をポンプ装入した。引き続き、反応混合物を環流下で約100〜108℃に加熱し、この条件下で14時間放置した。その後、熱懸濁液を前もって窒素で不活性にし、加熱した圧吸引フィルター中に排出し、温度約100℃で0.35MPa絶対までの吸引フィルター上の圧力下で濾過した。フィルターケーキを100℃で中央に配置した高さ調整可能な攪拌機を用いて攪拌しながら約1時間以内に連続的窒素導入によりブロー乾燥させた。ブロー乾燥後、約155℃に加熱し、減圧して圧力15kPa絶対(150ミリバール絶対)にした。乾燥は、乾燥させた触媒先駆物質中で残イソブタノール含量<2質量%に成るまで実施した。
例1から得た乾燥させた先駆物質粉末から約10kgの試料を取り出し、20回分に分けて各々0.5kgをマッフル炉で空気中で250℃(試料10個、例2.1)又は300℃(試料10個、例2.2)で熱処理した。同じ温度で熱処理した試料を、次いで緊密に混合し、残イソブタノール含量、全炭素含量、無機炭素含量及び有機炭素含量を測定した。更に例2.2からの代表試料を黒鉛3.0質量%と混合し、そのX線回折図を記録した。これを図1に記載する。熱処理した触媒先駆物質の結果は第1表に記載する。
工程(1):空気中で加熱率3℃/分で250℃に加熱。
工程(2):空気中で加熱率2℃/分で250〜350℃に加熱。
工程(3):この温度を15分間維持。
工程(4):20分以内で空気雰囲気から窒素/水蒸気(1:1)に変更。
工程(5):この雰囲気下で加熱率1.7℃/分で425℃に加熱。
工程(6):この温度で3時間維持。
工程(7):雰囲気を窒素に変更かつ室温に冷却。
強制空気炉で焼成した例2.1及び2.2からの2種の触媒の統計学的混合物各々2.2Lを用いて、触媒性能試験を前記実験装置中で実施した。この場合の塩浴温度は、約84%のn−ブタン変換率を生じるように調整した。得られた結果を第3表に記載する。
例1により製造した先駆物質粉末を、長さ6.5m及び内径0.9mを有し、螺旋状コイルを有するロータリーチューブ中で空気中で2時間熱処理した。ロータリーチューブの回転速度は0.4ppmであった。粉末を60kg/時の量でロータリーチューブ中に装入した。空気供給は100m3/時であった。5箇所の加熱帯域(同じ長さであった)の温度は、ロータリーチューブの外側で直接測定して、250℃、300℃、340℃、340℃及び340℃であった。ロータリーチューブ中で熱処理した触媒先駆物質の合計7個の試料を全製造工程から統計学的間隔で取り出し、残留イソブタノール含量、全炭素含量、無機炭素含量及び有機炭素含量を測定した。
例4.5からの熱処理した触媒先駆物質約4kgを例2に記載したように黒鉛と混合し、5×3×2mm(外径×高さ×内部穴直径)の中空シリンダーにタブレット成形し、強制空気炉で焼成した。生成物2.2Lを用いて例3に記載したように前記実験装置中で触媒性能試験を行った。この場合に塩浴温度は、約84%のn−ブタン変換率が得られるように、調整した。得られた結果を第5表に記載する。
例6でEP−A0056183の“例1〜7”を再実施した。このために、五酸化バナジウム91g及び105%濃度の燐酸112g(これはオルト燐酸49%、ピロ燐酸約42%、トリ燐酸約8%及びポリ燐酸約8%の組成に相応する)を攪拌下でイソブタノール1.5L中に装入し、得られた懸濁液を還流下で16時間加熱した。次いで懸濁液を冷却し、濾過した。単離した沈殿を150℃で2時間乾燥させ、空気中で400℃で1時間熱処理した。
例7でEP−A00520972の“例1〜7”を再実施した。このために、イソブタノール9000mL、蓚酸378.3g及び五酸化バナジウム848.4gを初装入として装入し、105.7%濃度の燐酸997.6gを攪拌下で添加し、得られた懸濁液を還流下で16時間加熱した。引き続き1時間以内に約25%のイソブタノールを蒸発により除去した後、懸濁液を冷却し、残りのイソブタノール量の半分をデカント法により除去した。残留した混合物を皿に移し、窒素下で110〜150℃で24時間乾燥させた。次いで乾燥させた生成物を空気中で250〜260℃で5時間熱処理した。
Claims (10)
- 炭素原子少なくとも4個を有する炭化水素の不均質触媒気相酸化により無水マレイン酸の製造用のバナジウム、燐及び酸素含有触媒先駆物質を製造するに当たり、(a)五酸化バナジウムを102〜110%濃度の燐酸と炭素原子3〜6個を有する第一又は第二、非環式又は環式、枝なし又は枝分れ、飽和アルコールの存在で80〜160℃の温度範囲の温度で反応させ、(b)生成した沈殿を単離し、(c)単離した沈殿中で温度範囲250〜350℃で熱処理により有機炭素含量≦1.1質量%に調整するが、その際、熱処理した生成物は、内部標準として黒鉛3.0質量%の添加後及びCuKα線(λ=1.54・10−10m)使用下で、2Θ範囲で28.5°で存在するピロ燐酸相のピーク高対26.6°での黒鉛によるピーク高の比≦0.1を有する粉末X線回折図を生じるものであり、(d)工程(c)から得た熱処理生成物を成形して平均直径少なくとも2mmを有する粒子にすることを特徴とする、無水マレイン酸製造用の触媒先駆物質の製法。
- 工程(c)の熱処理を270〜340℃で行うことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 工程(c)で≦0.8質量%の有機炭素含量に調整することを特徴とする、請求項1及び2のいずれか1項に記載の方法。
- 工程(c)からの熱処理した生成物が、内部標準として黒鉛3.0質量%の添加後にかつCuKα線(λ=1.54・10−10m)使用下で、2Θ範囲で28.5°で存在するピロ燐酸相のピーク高対26.6°での黒鉛によるピーク高の比≦0.05を有する粉末X線回折図を生じることを特徴とする、請求項1から3までのいずれか1項に記載の方法。
- 工程(d)で粒子を主として中空シリンダー構造に成形することを特徴とする、請求項1から4までのいずれか1項に記載の方法。
- 炭素原子3〜6個を有する第一又は第二、非環式又は環式、枝なし又は枝分れ、飽和アルコールとしてイソブタノールを使用することを特徴とする、請求項1から5までのいずれか1項に記載の方法。
- 請求項1から6までにより得られる、炭素原子少なくとも4個を有する炭化水素の不均質触媒気相酸化による無水マレイン酸の製造用の触媒先駆物質。
- 請求項7に記載の触媒先駆物質を使用することを特徴とする、バナジウム、燐及び酸素含有触媒先駆物質を酸素(O2)、酸化水素(H2O)及び/又は不活性気体から成る少なくとも1種の雰囲気中で温度範囲250〜600℃で処理することによる、炭素原子少なくとも4個を有する炭化水素の不均質触媒気相酸化による無水マレイン酸の製造用のバナジウム−燐−酸素含有触媒の製法。
- 請求項8により得られる、炭素原子少なくとも4個を有する炭化水素の不均質触媒気相酸化による無水マレイン酸の製造用の触媒。
- 請求項9による触媒を使用することを特徴とする、炭素原子少なくとも4個を有する炭化水素の酸素含有気体を用いる不均質触媒気相酸化による無水マレイン酸の製法。
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