JP2005538173A - 分子酸素の存在下におけるプロパンからのアクリル酸の製造方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、分子酸素の存在下におけるプロパンからのアクリル酸の製造に関する。その方法は、式(I)MoTeNbSiの触媒上に、プロパン、分子酸素、水蒸気及び任意の不活性ガスを含有するガス混合物を通過させて、プロパンをアクリル酸に酸化させることからなる。初期のガス混合物中のプロパン/分子酸素のモル比は0.5以上である。

Description

本発明は、分子酸素の存在下におけるプロパンからのアクリル酸の製造に関する。
必須成分として、Mo、V、Te、Oと共に、ニオブ、タンタル、タングステン、チタン、アルミニウム、ジルコニウム、クロム、マンガン、鉄、ルテニウム、コバルト、ロジウム、ニッケル、パラジウム、白金、アンチモン、ビスマス、ホウ素、インジウム及びセリウムからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とを含み、これらの元素が良好に特定された割合で存在する、混合金属酸化物を含む触媒の存在下に、気相触媒酸化反応によってアルカンから不飽和カルボン酸を製造する方法は、欧州特許出願公開第608838号明細書から知られている。その反応は、次のようなモル比率に対応するアルカン、酸素、不活性ガス及び水蒸気から成るガス混合物を使用して実施されうる。
アルカン/酸素/不活性ガス/水蒸気=1/0.1〜10/0〜20/0.2〜70好ましくは1/1〜5/0〜10/5〜40
更に、欧州特許出願公開第895809号明細書には、モリブデン、バナジウム、ニオブ、酸素、テルル及び/又はアンチモン、加えて鉄又はアルミニウムのような他の元素を少なくとも1種を含む酸化物に基づく触媒が記載されている。これらの触媒は、その実施例9及び10に示されるように、分子酸素の存在下でプロパンをアクリル酸へ転化するために使用され得る。特に実施例9には、式Mo0.33Nb0.11Te0.22の触媒を用いて、およそ1/3.2/12.2/14.3なるプロパン/酸素/ヘリウム/水蒸気のモル比によるプロパン、酸素、ヘリウムから成るガス流れ及び水蒸気流れからのプロパンの酸化が記載されている。そのようなガス流れでは、反応性ガスの流れが非常に低いプロパン濃度を有している。その結果、未転化プロパンが反応流れにおいて希釈され過ぎる為に、その未転化プロパンのリサイクルが非常に重要である。
本発明の目的は、良好なアクリル酸への選択率を保持しながら、プロパンの高い転化率を得ることを可能にする、分子酸素の存在下におけるプロパンからのアクリル酸の製造方法を提供することにある。
発明者らは、プロパン、酸素及び水蒸気、そして適宜な不活性ガスのガス混合物を、そのガス混合物の酸素が、導入されるプロパンに関して準化学量論的比率であるような条件下で、特定の触媒上に通過させることによって、この目的が達成され得ることを見出した。それは、多分その触媒がレドックス(redox)系と類似の方法で作用することを可能にし、そしてその反応が満足なように実施されるように不足している酸素を提供する。
この新規な方法の利点は、次のとおりである。
− 過剰な分子酸素の存在下に起こる、出来た生成物の過剰酸化を抑制すること。本発明によると、準化学量論的に操作することにより、分解生成物であるCOx(一酸化炭素及び二酸化炭素)の生成は抑制され、アクリル酸への選択率を向上させることが可能になる。
− アクリル酸への選択率が良好なレベルに維持される。
− 選択率が低下すること無く、その転化率が増加される。
− その触媒が、低い還元、従ってその活性の少量のロスのみを受ける。ある期間の使用の後に、酸素又は酸素を含むガスの存在下において加熱によって、それが容易に再生され得る。再生の後、その触媒がその初期の活性を取り戻し、更なる反応サイクルに使用され得る。
− 更に、その触媒の還元の段階と後半の再生の段階の分離が、プロパンの分圧を増加させる。そのようなプロパンの供給分圧は、酸素が準化学量論的な比率で分子状に存在する為に、プロパン+酸素の混合物により形成される爆発ゾーンの存在によって制限されることがほとんどなくなる。
− 更に、この方法は、水和によって生成される生成物、特にプロピオン酸、アセトン及び酢酸の形成を抑制させ得る。
従って、本発明の主題は、プロパンからアクリル酸を製造する方法であって、そこでは、プロパン、分子酸素、水蒸気、加えて適宜な不活性ガスを含むガス混合物が、式(I)を有する触媒上を通過し、
MoTeNbSi (I)
そこでは、
− aが、両端を含む、0.006と1の間に含まれ、
− bが、両端を含む、0.006と1の間に含まれ、
− cが、両端を含む、0.006と1の間に含まれ、
− dが、両端を含む、0と3.5の間に含まれ、そして
− xが、その他の元素に結合した酸素の量であって、それらの酸化状態によるものであり、
そのプロパンをアクリル酸へ酸化するために、初期のガス混合物におけるプロパン/分子酸素のモル比が0.5以上である。
そのような方法は、得られるアクリル酸への選択率を60%近くにし、そしてプロパンの高い転化率を可能にするものである。更に、それは流動床又は移動床において容易に実施され得るものであり、高いプロパン濃度、そして結果的に高い触媒生産性を有して、引火性領域外になるように、その反応器の種々の場所で薬剤の注入が行われ得る。
特に有利な態様に従って、本発明の方法は、次のような
a)ガス混合物が、移動触媒床を備えた第1反応器中に導入され、
b)その第1反応器の出口で、それらのガスが触媒から分離され、
c)その触媒が再生器中に戻され、
d)それらのガスが移動触媒床を備えた第2反応器中に導入され、
e)その第2反応器の出口で、それらのガスが触媒から分離され、そしてその分離されたガス類中に含有されるアクリル酸が回収され、
f)その触媒がその再生器中に戻され、そして
g)その再生器からの再生された触媒が、第1及び第2反応器中に再導入される、
工程を含んでいる。
本発明の別の有利な態様では、その反応器又は反応器類が、助触媒(cocatalyst)をも備えている。上記の工程が、触媒と助触媒を使用して同様な形式で実施され得る。
本発明の別の有利な態様に従って、その方法は、式(I)の触媒を備え、そして適宜な助触媒をも備えた反応器において、次のような
1) 上記に規定されるようなガス混合物の注入工程、
2) 水蒸気、及び適宜な不活性ガスの注入工程、
3) 分子酸素、水蒸気、及び適宜な不活性ガスの混合物の注入工程、及び
4) 水蒸気、及び適宜な不活性ガスの注入工程、
なる連続した工程を含むサイクルの反復を含む。
ちょうど前記された有利な態様の改良によれば、そのサイクルは、工程1)に先行する又は後に続き、そして工程1)のものに対応するが分子酸素無しのガス混合物が注入される間の追加の工程を含み、そこでは、プロパン/分子酸素のモル比が、工程1)及びこの追加の工程について全体的に算出される。
説明したその改良の有利な態様に従って、その追加工程が、そのサイクル中で工程1)に先行する。
本発明の他の特徴及び有利な点は、本発明による方法の有利な態様の実施に適した装置を図によって示す単一の添付図面に関して与えられる、以下の説明において詳細に記載される。
本発明によれば、初期のガス混合物中におけるプロパン/分子酸素のモル比が0.5よりも大きいために、おそらく次のような併行反応(1)及び(2)に従って酸化することによって、その触媒を使用することによるプロパンのアクリル酸への転化が実施される。
− 標準的な触媒反応(1):
CH-CH-CH+2O → CH=CH-COOH+2HO (1)
− 及びレドックス反応(2):
固体酸化された+CH-CH-CH → 固体還元された+CH=CH-COOH(2)
初期のガス混合物中におけるプロパン/水蒸気の体積比は重要ではなくて、広い範囲内で変化し得る。
同様に、ヘリウム、クリプトン、これらの二つのガスの混合物、又は窒素、二酸化炭素などであり得る、不活性ガスの比率もまた重要ではなく、広い範囲内で変化し得る。
初期のガス混合物の成分の比率は、通常次のようなもの(モル比で)である。
プロパン/酸素/不活性(He‐Kr)/水蒸気=1/0.05〜2/1〜10/1〜10
好ましくは、それらが1/0.1〜1/1〜5/1〜5である。
更により好ましくは、それらが1/0.167〜0.667/2〜5/2〜5である。特に有利な比率として、次のようなものが挙げられ得る。
1/0.2〜0.4/4〜5/4〜5
一般に、反応(1)及び(2)は、200〜500℃、好ましくは250〜450℃、更により好ましくは350〜400℃の温度で、実施される。
反応器の、又は反応器類の圧力は、通常1.01×10〜1.01×10Pa(0.1〜10気圧)で、好ましくは5.05×10〜5.05×10Pa(0.5〜5気圧)である。
反応器における、或いはいくつかの反応器がある場合には各反応器における滞留時間は、通常0.01〜90秒、好ましくは0.1〜30秒である。
式(I)に相当する触媒において、
MoTeNbSi (I)
− aが、両端を含む、0.006と1の間に含まれ、
− bが、両端を含む、0.006と1の間に含まれ、
− cが、両端を含む、0.006と1の間に含まれ、
− dが、両端を含む、0と3.5の間に含まれ、そして
− xが、その他の元素に結合した酸素の量であって、それらの酸化状態によるものである。
有利には、
− aが、両端を含む、0.09と0.8の間に含まれ、
− bが、両端を含む、0.04と0.6の間に含まれ、
− cが、両端を含む、0.01と0.4の間に含まれ、そして
− dが、両端を含む、0.4と1.6の間に含まれる。
式(I)の触媒の組成に含まれる種々の金属の酸化物は、この触媒の調製において原料として使用され得るが、その原料は酸化物に限定されない。他の原料として、
− モリブデンの場合には、モリブデン酸アンモニウム、パラモリブデン酸アンモニウム、ヘプタモリブデン酸アンモニウム、モリブデン酸、MoClのようなモリブデンのハロゲン化物又はオキシハロゲン化物、Mo(OC、アセチルアセトンモリブデニルなどのモリブデンのアルコキシドのようなモリブデンの有機金属化合物;
− バナジウムの場合には、メタバナジン酸アンモニウム、VCl、VCl又はVOClのようなバナジウムのハロゲン化物又はオキシハロゲン化物、VO(OCなどのバナジウムのアルコキシドのようなバナジウムの有機金属化合物;
− テルルの場合には、テルル、テルル酸及びTeO
− ニオブの場合には、ニオブ酸、酒石酸ニオブ、シュウ酸水素ニオブ、オキソトリオキサレートアンモニウムニオベート{(NH[NbO(C]・1.5HO}、シュウ酸ニオブアンモニウム、シュウ酸酒石酸ニオブ、NbCl、NbClのようなニオブのハロゲン化物又はオキシハロゲン化物、及びNb(OC、Nb(O‐n‐Bu)などのニオブのアルコキシドのようなニオブの有機金属化合物;
そして、一般的に、焼成(calcination)によって酸化物を形成し得る全ての化合物、即ち有機酸の金属塩、鉱酸の金属塩、金属錯体化合物などが挙げられ得る。
珪素の供給源は、一般にコロイド状シリカ及び/又はポリ珪酸により構成される。
特定の態様によれば、式(I)の触媒は、攪拌しながらニオブ酸、ヘプタモリブデン酸アンモニウム、メタバナジン酸アンモニウム、テルル酸の各水溶液を混合し、好ましくはコロイドシリカを添加し、次いで空気中において280〜340℃で、好ましくはおよそ320℃で予備焼成し、そして窒素中においておよそ600℃で焼成することによって調製され得る。
好ましくは、式(I)の触媒において、
− aが、両端を含む、0.09と0.8の間に含まれ、
− bが、両端を含む、0.04と0.6の間に含まれ、
− cが、両端を含む、0.01と0.4の間に含まれ、そして
− dが、両端を含む、0.4と1.6の間に含まれるものである。
式(I)の触媒の好ましい調製方法
式(I)の触媒は、以下の方法によって調製され得る。
1) ニオブ溶液がシュウ酸とニオブ酸を混合することによって調製されて、次いで任意 にその溶液の回収を意図して分離される。
2) モリブデン、バナジウム及びテルルの溶液が調製される。
3) その二つの先行する溶液が、シリカ溶液の添加によって共沈殿される。
4) その沈殿物が乾燥されて、次の式を有する前駆体を生成する。
MoTeNbSi(Oxalate)(NHY (I’)
そこでは、a、b、c、d及びxが前のように定義されて、
eが、両端を含む、0.006と3.5の間に含まれ、
yが、両端を含む、0.006と3.5の間に含まれる。
5) その前駆体が予備焼成される。
6) その前駆体が焼成される。
工程1)の分離は、遠心分離、デカンテーション又は濾過によって実施され得る。
工程4)の乾燥は、炉内において、薄い層状で、噴霧、凍結乾燥、ゼオドレーション(zeodration)、マイクロ波使用などによって実施され得る。
予備焼成は、予備焼成中に又は可能性のある焼成中にそれらを融解させないために触媒ペレットが個々に分離されるように、270〜300℃の空気流れ中、又は320℃の静止空気中において、流動床、回転チューブ、所謂エアーレーションを伴う固定床中で実施され得る。
焼成は、好ましくは、非常に純粋な窒素下で、600℃未満の温度で、例えば回転炉、固定床、流動床中で、そして2時間であり得る期間に、実施されうる。
その焼成の最後に得られる触媒は、小さい粒子を形成するために粉砕され得る。もしその粉砕が、およそミクロンサイズの粒子から成る粉末が得られるまで続けられれば、その粉末は、例えばポリ珪酸の形のシリカのような結合剤を用いることにより、更にその懸濁体が例えば噴霧により再乾燥されることによって、結果的にその形に戻され得る。
特に好ましい態様によれば、その予備焼成は、
− およそ275℃の温度で少なくとも10ml/分/g触媒の空気流れ下、
− 又は、300〜350℃の範囲の温度で10ml/分/g触媒未満の空気流れ下
のいずれかで実施される。
最も特別に好ましい態様によれば、その予備焼成は、およそ320℃の温度で空気流れのない状態で実施される。
触媒の再生
レドックス反応(2)の間に、その触媒が、還元、並びにその活性の漸次的な損失をこうむる。それ故、その触媒が還元された状態に少なくとも部分的に一旦変化すれば、酸素又は酸素含有ガスの存在下において250〜500℃の温度でその触媒の再酸化に必要な時間の間加熱されることによって、反応(3)に従ってその再生が実施される。
固体還元された+O→固体酸化された (3)
再生ガス混合物の成分の比率は、通常次のようなもの(モル比で)である。
酸素/不活性(He‐Kr)/水蒸気=1/1〜10/0〜10
好ましくは、それらが1/1〜5/0〜5である。
酸素のみを使用する代わりに、乾燥空気(21%O)が使用され得る。水蒸気の代わりに又はそれに加えて、湿潤が更に使用され得る。
一般に、触媒の還元比率が0.1〜10g酸素/kg触媒の範囲に含まれるまで、その方法が実施される。
この還元比率は、その反応の間、得られる生成物の量によってモニターされ得る。次いで、当量の酸素が算出される。それは、その反応の発熱性によってもモニターされ得る。その還元比率は、再生器における酸素の消費量によってもモニターされ得る。
反応(1)及び(2)と同様の又は異なる温度及び圧力の条件下で実施され得る再生の後に、その触媒が初期活性を取り戻し、そしてそれらの反応器中へ再導入され得る。
反応(1)及び(2)並びに再生(3)は、固定床反応器、流動床反応器又は移動床反応器のような通常の反応器中で実施され得る。
従って、反応(1)及び(2)並びに再生(3)は、2段階、即ち同時に稼動し、二つの触媒充填が定期的に交代する、反応器と再生器を有する装置において実施され得る。
その反応(1)及び(2)並びに再生(3)は、反応と再生の期間を交代させることによって、同一の反応器において実施され得る。
好ましくは、その反応(1)及び(2)並びに再生(3)は、特に鉛直反応器においてより好ましくは触媒が底部から上部に移動する、移動触媒床を備えた反応器中で実施される。
ガスの一回の通過のみで、或いはガスのリサイクルを伴って稼動する方法が採用され得る。
好ましい態様に従って、生成したプロピレン及び/又は未反応のプロパンが、プロパン、水蒸気及び適宜な不活性のガス又はガス類の初期混合物と混合して或いは平行して、反応器の入り口へリサイクルされ(戻され)、即ちそれらが第1反応器の入り口へ再導入される。
2基の反応器と再生器を備えた装置の使用
本発明の有利な態様に従って、添付図において示されるような装置において、本発明の方法が使用される。
プロパン、分子酸素、水蒸気、加えて適宜な不活性ガスを含む初期ガス混合物が、移動触媒床を備えた第1反応器(ライザー(Riser)1)中に導入される。
次いで、第1反応器の出口で、流出物がガス類と移動床触媒から分離される。
その触媒が再生器中に送られる。
そのガス類が移動触媒床を備えた第2反応器(ライザー2)中に導入される。
その第2反応器の出口で、流出物がガス類と移動床触媒から分離される。
その触媒が再生器中に送られる。
そのガス類が、生成されたアクリル酸の回収を意図して、既知の方法で、通常吸収及び精製によって処理される。
その再生された触媒が、第1反応器中と同様に第2反応器中にも再導入される。
かくしてその方法が連続的に稼動して、それらの反応器と再生器の間における触媒の循環が、規則正しいそして一般的に連続した形式で実施される。
勿論、単一の再生器が2基以上の再生器で置き換えられても良い。
更に、その第2反応器の後に、他の反応器類を追加することが可能であって、それらも、個々の反応器と再生器又は他の再生器の間で循環する触媒を有している。
好ましくは、その第1及び第2の反応器が鉛直であって、触媒がガスの流れによって上方へ移動される。
一回の通過のみで、或いは第2の反応器を出る生成物のリサイクルを伴って稼動する方法が採用され得る。
本発明の好ましい態様に従って、第2の反応器から発生するガスの処理の後に、生成したプロピレン及び/又は未反応のプロパンが、プロパン、水蒸気及び適宜な不活性のガス又はガス類の初期混合物と混合して或いは平行して、反応器の入り口へリサイクルされ(戻され)、即ちそれらが第1反応器の入り口へ再導入される。
助触媒の使用
本発明の有利な態様に従って、ガス混合物が助触媒上をも通過する。
これは、プロピオン酸の生成を少なくするという利点を有する。プロピオン酸は、一般にその転化反応の副生成物であって、それが過剰量で存在する場合にアクリル酸のある用途において問題を生じさせるものである。
かくして、プロピオン酸/アクリル酸の比が、反応器の出口で大幅に低減される。
更には、プロパンからのアクリル酸の生成における副生成物であるアセトンの生成も低減される。
そのために、それらの反応器の少なくとも一つが次のような式(II)を有する助触媒を含み、
MoBia’Feb’Coc’Nid’e’Sbf’Tig’Sih’Cai’Nbj’Tek’Pbl’m’Cun’ (II)
そこでは、
− a’が、両端を含む、0.006と1の間に含まれ、
− b’が、両端を含む、0と3.5の間に含まれ、
− c’が、両端を含む、0と3.5の間に含まれ、
− d’が、両端を含む、0と3.5の間に含まれ、
− e’が、両端を含む、0と1の間に含まれ、
− f’が、両端を含む、0と1の間に含まれ、
− g’が、両端を含む、0と1の間に含まれ、
− h’が、両端を含む、0と3.5の間に含まれ、
− i’が、両端を含む、0と1の間に含まれ、
− j’が、両端を含む、0と1の間に含まれ、
− k’が、両端を含む、0と1の間に含まれ、
− l’が、両端を含む、0と1の間に含まれ、
− m’が、両端を含む、0と1の間に含まれ、そして
− n’が、両端を含む、0と1の間に含まれる。
そのような助触媒は、式(I)の触媒と同様な方法で調製され得る。
式(II)の助触媒の組成に含まれる種々の金属の酸化物が、この助触媒の調製における原料として使用され得るが、その原料は酸化物に限定されるものではない。ニッケル、コバルト、ビスマス、鉄又はカリウムの場合に、他の原料として、対応する硝酸塩が挙げられ得る。
一般に、その助触媒は、移動床の形で存在し、そして好ましくは、適宜触媒と同様な方法で、再生されそして循環する。
好ましくは、式(II)の助触媒において、
− a’が、両端を含む、0.01と0.4の間に含まれ、
− b’が、両端を含む、0.2と1.6の間に含まれ、
− c’が、両端を含む、0.3と1.6の間に含まれ、
− d’が、両端を含む、0.1と0.6の間に含まれ、
− e’が、両端を含む、0.006と0.01の間に含まれ、
− f’が、両端を含む、0と0.4の間に含まれ、
− g’が、両端を含む、0と0.4の間に含まれ、
− h’が、両端を含む、0.01と1.6の間に含まれ、
− i’が、両端を含む、0と0.4の間に含まれ、
− j’が、両端を含む、0と0.4の間に含まれ、
− k’が、両端を含む、0と0.4の間に含まれ、
− l’が、両端を含む、0と0.4の間に含まれ、
− m’が、両端を含む、0と0.4の間に含まれ、そして
− n’が、両端を含む、0と0.4の間に含まれる。
触媒の助触媒に対する重量比は、一般に0.5よりも大きく、好ましくは少なくとも1である。
有利には、その助触媒がそれら二つの反応器中に存在する。
その触媒および助触媒は、固体の触媒組成物の形で存在する。
それら各々は、通常20〜300μmの直径のペレット状であっても良く、通常本発明による方法を実施する前に、その触媒ペレット及び助触媒ペレットが混合される。
その触媒および助触媒は、各々が触媒と助触媒の両方を含むペレットから成る固体触媒組成物の形でも存在しても良い。
以下の実施例は、その範囲を限定することなく、本発明を説明するものである。
実施例1で与えられる式において、xは他の元素に結合した酸素の量であり、それらの酸化状態によるものである。
転化率、選択率及び収率は次のように定義される。
プロパンの転化率〔%〕=(反応したプロパンのモル数)/(導入されたプロパンのモル数)×100
アクリル酸への選択率〔%〕=(生成されたアクリル酸のモル数)/(反応したプロパンのモル数)×100
アクリル酸の収率〔%〕=(生成されたアクリル酸のモル数)/(導入されたプロパンのモル数)×100
他の化合物に関する選択率及び収率が、同様な方法で計算される。
転化比(conversion ratio)は、1kgのプロパンを転化するのに要求される触媒の重量(kg)である。
実施例1
Mo0.33Nb0.11Te0.22Si0.95触媒の調製
a)ニオブの溶液の調製
640gの蒸留水、更に51.2gのニオブ酸(即ち0.304モルのニオブ)を5リッターのビーカー中へ投入する。次いで、103.2g(0.816モル)のシュウ酸二水和物を添加する。
従って、シュウ酸/ニオブのモル比は2.69である。
蒸発を避けるように蓋をして、攪拌しながら、前もって得ておいた溶液を60℃で2時間加熱する。そのようにして、白色の懸濁液を得て、攪拌しながらおよそ2時間かけて30℃まで冷却させる。
b)Mo、V及びTeの溶液の調製
2120gの蒸留水、488gのヘプタモリブデン酸アンモニウム(即ち2.768モルのモリブデン)、106.4gのメタバナジン酸アンモニウムNHVO(即ち0.912モルのバナジウム)及び139.2gのテルル酸(供給元;FLUKA)(即ち0.608モルのテルル)を5リッターのビーカー中へ投入する。
蒸発を避けるように蓋をして、攪拌しながら、前もって得ておいた溶液を60℃で1時間20分の間加熱する。このようにして、赤色で透明な溶液を得て、それを攪拌しながらおよそ2時間かけて30℃まで冷却させる。
c)シリカの導入
393.6gのLudoxシリカ(40重量%のシリカを含有、Dupontにより供給)を、前もって得ておいたMo、V及びTeの溶液中に攪拌しながら投入する。その終わりのものは、その透明さと赤色を保持する。
次いで、前もって得ておいたニオブ溶液を添加する。このようにして、数分間の攪拌の後に、蛍光オレンジ色のゲルを得る。次いで、この溶液を噴霧によって乾燥する。使用された噴霧器は実験室用噴霧器(SodevaからのATSELAB)である。その噴霧は窒素雰囲気中で行う。
運転パラメータは、全体的に以下のとおりである。
− 45Nm/hのオーダーの窒素流速
− 500g/hのオーダーのスラリー流速
− 155〜170℃のガスの流入温度
− 92〜100℃のガスの流出温度
次いで、40μm未満の粒子サイズを有する、回収された生成物(355.2g)をテフロン(登録商標)(Teflon(登録商標))でカバーされた平皿(plate)中に130℃で一晩置く。
このようにして、331gの乾燥生成物を得る。
d)焼成
予備焼成及び焼成を、スチール製のキャパシター(capacitor)中で空気及び窒素に流れ下で実施した。これらのキャパシターは、マッフル炉に直接設置し、空気を送気管(flue)により供給する。内部の温度計のさやが、その温度の正確なモニターを可能にする。空気が触媒の方に戻るのを防ぐのに、カバーが有用である。
まず、前もって得ておいた331gの前駆体を、47.9ml/分/g前駆体の空気流れの下において300℃で4時間の間予備焼成する。
次いで、得られた固形物を、12.8ml/分/g固形物の窒素流れの下において600℃で2時間の間焼成する。
このようにして、所望の触媒を得る。
実施例2
触媒試験
a)装置
本発明による方法をシミュレートするために、実験室用の固定床式反応器中で、プロパンのパルスと酸素のパルスを発生させることによって、シミュレーションを実施した。
円筒状でパイレックス(登録商標)(pyrex(登録商標))製の鉛直反応器の底部から上部へ、次の物を充填する。
− 直径0.125mmの粒子状の炭化珪素1mlの第1の高さ
− 直径0.062mmの粒子状の炭化珪素1mlの第2の高さ
− 直径0.062mmの粒子状の炭化珪素10mlで希釈された、0.02〜1mmの粒子状の触媒5gの第3の高さ
− 直径0.062mmの粒子状の炭化珪素1mlの第4の高さ
− 直径0.125mmの粒子状の炭化珪素3mlの第5の高さ、及び
− その反応器の全てを満たすための、1.19mmの粒子状の炭化珪素の第6の高さ
b)運転方法
次いで、その反応器を250℃まで加熱し、噴霧器を200℃に加熱する。水ポンプの電気始動を駆動させる。
その反応器及び噴霧器が上記の温度に到達すれば、その水ポンプを駆動させ、そして反応器の温度を所望の試験温度、即ち400℃まで上昇させる。
次いで、反応器のホットスポットを残して、30分間安定化させる。
次いで、触媒を充分に酸化させるために、酸素をそれぞれ23秒の10パルスで導入する。ホットスポットの温度が安定化したとき、即ちその反応による発熱活性がもはや無い場合に、その触媒が全て酸化されたと考えられる(触媒床中に配置された熱電対を用いて測定される触媒温度をモニターすることによって、温度の変動がパルスの作用として見ることができる)。
その反応器の入り口での圧力が、およそ1.1〜1.8バール(絶対値)であった。その反応器の端から端までの圧力降下は、およそ0.1〜0.8バール(相対値)である。
試験A
− レドックスバランスを用いてアクリル酸の生成量を測定した。
− レドックスバランスは、40のレドックスサイクルから成る。レドックスサイクルは、次のものを表す。
以下の10サイクル;
− 10/10/45/45のプロパン/O/He‐Kr/HO比率、及び4.292Nl/h(Nlは0℃760mmHgでのガスのリッター)のヘリウム‐クリプトン流れでの、30秒間のプロパン+5秒間の酸素(プロパンのパルスの最初に酸素が注入される);
− He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る45秒間の中間パルス;
− 20/45/45のO/He‐Kr/HO比率での60秒間の酸素パルス;及び
− He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る45秒間のもう一つの中間パルス;
以下の10サイクル;
− 10/10/45/45のプロパン/O/He‐Kr/HO比率、及び4.292Nl/hのヘリウム‐クリプトン流れでの、30秒間のプロパン+10秒間の酸素;
− He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る45秒間の中間パルス;
− 20/45/45のO/He‐Kr/HO比率での60秒間の酸素パルス;及び
− He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る45秒間のもう一つの中間パルス;
以下の10サイクル;
− 10/10/45/45のプロパン/O/He‐Kr/HO比率、及び4.292Nl/hのヘリウム‐クリプトン流れでの、30秒間のプロパン+15秒間の酸素;
− He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る45秒間の中間パルス;
− 20/45/45のO/He‐Kr/HO比率での60秒間の酸素パルス;及び
− He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る45秒間のもう一つの中間パルス;及び
以下の10サイクル;
− 10/10/45/45のプロパン/O/He‐Kr/HO比率、及び4.292Nl/hのヘリウム‐クリプトン流れでの、30秒間のプロパン+20秒間の酸素;
− He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る45秒間の中間パルス;
− 20/45/45のO/He‐Kr/HO比率での60秒間の酸素パルス;及び
− He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る45秒間のもう一つの中間パルス
そのバランス操作の間に、それぞれが10サイクルを代表する4個のサンプルが採取される。ガスバッグ(gas bag)を使用して、それぞれがおよそ10サイクルを大体代表する4個のガスのサンプルも採取される。(注入されたプロパンの理論量を知ることができるように、複数のサイクル期間に対応する期間に渡ってそのガスサンプルが採取される。)
各々の小さなガス洗浄ボトル(25mlの容量を有し、20mlの水が充填されている)がガスバッグを備えており、そのボトルが反応器の出口に連結されたとき(すぐに液体が泡立つ)、そのバッグが開き、そしてクロノメーターがスタートする。
触媒の酸化状態を変化させるために、10個の23秒酸素パルスの別のシリーズを実施する。それは、そのバランス操作の期間に固形物の酸化状態が維持されたことを示している(発熱活性無し)。
特定の調製を実施した後で、HP6890クロマトグラフで、液状流出物を分析する。
バランス操作の間に、Chrompack micro‐GCクロマトグラフで、ガスを分析する。
生成された酸の正確なモル数を決定し、クロマトグラフ分析を確認にするために、バランス操作の間に、各ボトルについて、酸度の評価を実施する。
試験B
レドックスバランスが次のような40のレドックスサイクルから成ったことを除いて、試験Aのような手順が取られた。
以下の10サイクル;
− 20/15/45/45のプロパン/O/He‐Kr/HO比率、及び4.292Nl/hのヘリウム‐クリプトン流れでの、30秒間のプロパン+5秒間の酸素(プロパンのパルスの最初に酸素が注入される);
− He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る60秒間の中間パルス;
− 20/45/45のO/He‐Kr/HO比率での60秒間の酸素パルス;及び
− He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る60秒間のもう一つの中間パルス;
以下の10サイクル;
− 20/15/45/45のプロパン/O/He‐Kr/HO比率、及び4.292Nl/hのヘリウム‐クリプトン流れでの、30秒間のプロパン+10秒間の酸素;
− He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る60秒間の中間パルス;
− 20/45/45のO/He‐Kr/HO比率での60秒間の酸素パルス;及び
− He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る60秒間のもう一つの中間パルス;
以下の10サイクル;
− 20/15/45/45のプロパン/O/He‐Kr/HO比率、及び4.292Nl/hのヘリウム‐クリプトン流れでの、30秒間のプロパン+15秒間の酸素;
− He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る60秒間の中間パルス;
− 20/45/45のO/He‐Kr/HO比率での60秒間の酸素パルス;及び
− He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る60秒間のもう一つの中間パルス;及び
以下の10サイクル;
− 20/15/45/45のプロパン/O/He‐Kr/HO比率、及び4.292Nl/hのヘリウム‐クリプトン流れでの、30秒間のプロパン+20秒間の酸素;
− He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る60秒間の中間パルス;
− 20/45/45のO/He‐Kr/HO比率での60秒間の酸素パルス;及び
− He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る60秒間のもう一つの中間パルス
試験C
レドックスバランスが次のような40のレドックスサイクルから成ったことを除いて、手順は試験Aと同様であった。
以下の10サイクル;
− 20/20/45/45のプロパン/O/He‐Kr/HO比率、及び4.292Nl/hのヘリウム‐クリプトン流れでの、30秒間のプロパン+5秒間の酸素(プロパンのパルスの最初に酸素が注入される);
− He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る60秒間の中間パルス;
− 20/45/45のO/He‐Kr/HO比率での60秒間の酸素パルス;及び
− He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る60秒間のもう一つの中間パルス;
以下の10サイクル;
− 20/10/45/45のプロパン/O/He‐Kr/HO比率、及び4.292Nl/hのヘリウム‐クリプトン流れでの、30秒間のプロパン+10秒間の酸素;
− He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る60秒間の中間パルス;
− 20/45/45のO/He‐Kr/HO比率での60秒間の酸素パルス;及び
− He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る60秒間のもう一つの中間パルス;
以下の10サイクル;
− 20/6.7/45/45のプロパン/O/He‐Kr/HO比率、及び4.292Nl/hのヘリウム‐クリプトン流れでの、30秒間のプロパン+15秒間の酸素;
− He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る60秒間の中間パルス;
− 20/45/45のO/He‐Kr/HO比率での60秒間の酸素パルス;及び
− He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る60秒間のもう一つの中間パルス;及び
以下の10サイクル;
− 20/5/45/45のプロパン/O/He‐Kr/HO比率、及び4.292Nl/hのヘリウム‐クリプトン流れでの、30秒間のプロパン+20秒間の酸素;
− He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る60秒間の中間パルス;
− 20/45/45のO/He‐Kr/HO比率での60秒間の酸素パルス;及び
− He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る60秒間のもう一つの中間パルス
試験D
レドックスバランスが次のような40のレドックスサイクルから成ったことを除いて、手順は試験Aと同様であった。
以下の10サイクル;
− 30/30/45/45のプロパン/O/He‐Kr/HO比率、及び4.292Nl/hのヘリウム‐クリプトン流れでの、30秒間のプロパン+5秒間の酸素(プロパンのパルスの最初に酸素が注入される);
− He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る60秒間の中間パルス;
− 20/45/45のO/He‐Kr/HO比率での60秒間の酸素パルス;及び
− He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る60秒間のもう一つの中間パルス;
以下の10サイクル;
− 30/15/45/45のプロパン/O/He‐Kr/HO比率、及び4.292Nl/hのヘリウム‐クリプトン流れでの、30秒間のプロパン+10秒間の酸素;
− He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る60秒間の中間パルス;
− 20/45/45のO/He‐Kr/HO比率での60秒間の酸素パルス;及び
− He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る60秒間のもう一つの中間パルス;
以下の10サイクル;
− 30/10/45/45のプロパン/O/He‐Kr/HO比率、及び4.292Nl/hのヘリウム‐クリプトン流れでの、30秒間のプロパン+15秒間の酸素;
− He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る60秒間の中間パルス;
− 20/45/45のO/He‐Kr/HO比率での60秒間の酸素パルス;及び
− He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る60秒間のもう一つの中間パルス;及び
以下の10サイクル;
− 30/7.5/45/45のプロパン/O/He‐Kr/HO比率、及び4.292Nl/hのヘリウム‐クリプトン流れでの、30秒間のプロパン+20秒間の酸素;
− He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る60秒間の中間パルス;
− 20/45/45のO/He‐Kr/HO比率での60秒間の酸素パルス;及び
− He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る60秒間のもう一つの中間パルス
c)結果
最終的な結果は、4個のガス洗浄ボトルと4個のガスバッグで実施した微量天秤に対応している。
試験Aと試験Bでは、酸素パルスの期間が増加しているので、10サイクルの一つのシリーズから別のシリーズに変化する際に、注入された酸素の量が増加していた。
試験Cと試験Dでは、10サイクルの一つのシリーズから別のシリーズに変化する際に、酸素の量は一定のままであった。実際、10サイクルの一つのシリーズから別のシリーズに向けて酸素パルスの期間が増加したが、そのパルス中の酸素の比率が毎回調製(減少)された。
それらの結果が以下の表Iと表IIにまとめられている。
Figure 2005538173
Figure 2005538173
上記の表Iから、次のような所見が導かれ得る。
− 同様な試験A又は試験Bにおいて、酸素注入量が多いほど、アクリル酸への選択率が高い。
− 試験C及び試験Dは、短期間の高い分圧の酸素の方が、より長い期間の同じ量の酸素よりも良いことを示している。
表IIから、次のような所見が導かれ得る。
− 得られた生成物に基づいて計算された酸素消費量は、分子酸素の追加でそれほど増加せず、転化率は分子酸素の追加でそれほど増加しない。
− その酸素消費量(原子酸素のμモルで)は、パルスによって添加された量よりも大きい。これは、どの場合にも触媒が還元されたことを意味している。
− 転化率は試験Aにおいてより高い。
− プロパンの分圧が最も高い場合に、最も低い転化率が得られる。
実施例3(比較例)
次のようにして触媒を調製した。
5.35gのパラモリブデン酸アンモニウムと0.80gの二酸化テルル(TeO)を20mlの水中に攪拌しながら連続して添加する。別途に、20mlの蒸留水中に3.94gの水和硫酸バナジル(hydrated vanadyl sulphate)を溶解することによって、15ミリモルのバナジウムを含有する溶液を調製する。次いで、その二つの溶液を10分間ゆっくり混合攪拌したあとで、テフロン(登録商標)で覆われた70mlのオートクレーブに投入する。次いで、そのオートクレーブ中に存在する空気を置換するように、窒素を5分間泡立てた後に、オートクレーブを閉じる。次にそのオートクレーブを175℃で72時間保持する。
この期間の後で、そのオートクレーブを蛇口下の水で10分間冷却する。オートクレーブ中に得られた黒色の固形分を濾過によってその溶液から分離し、全体を蒸留水で洗浄して、80℃で12時間乾燥する。このようにして得られた前駆体を、次いで空気中280℃で2時間予備焼成する。次に、得られた固形分を窒素流れ(25ml/h/g)の下で600℃で2時間焼成する。このようにして触媒3が得られる。
試験条件
500mgの触媒3を強力に粉砕し、パイレックス(登録商標)で出来た反応器中に注ぎ込む。通常の流量下でのその反応器中で、プロパンについての選択的な酸化反応を大気圧で実施する。プロパン/酸素/窒素/水蒸気(6.5%/10%/38%/45%)のガス状反応混合物を、2.1秒の接触時間を維持しながら、その反応器に導入する。その触媒を320℃と360℃で試験する。それらの結果を表2と表3にまとめて示す。
実施例4
触媒を次のようにして調製した。
4.32gの酸化モリブデン、0.80gの二酸化テルル(TeO)及び0.82gの酸化バナジウムVを、80℃に加熱された30mlの水に攪拌しながら連続して添加する。別途に、80℃に加熱された10mlの蒸留水中に2.33gの水和シュウ酸二オブを攪拌しながら溶解することによって、3.6ミリモルのニオブを含有する溶液を調製する。次いで、その二つの溶液を10分間ゆっくり混合攪拌した後で、テフロン(登録商標)で覆われた70mlのオートクレーブに投入する。次いで、そのオートクレーブ中に存在する空気を置換するように、窒素を5分間泡立てた後で、オートクレーブを閉じる。次にそのオートクレーブを175℃で48時間保持する。
この期間の後で、そのオートクレーブを水道水で10分間冷却する。オートクレーブ中に得られた黒‐青色の固形分を濾過によってその溶液から分離し、全体を蒸留水で洗浄して、80℃で12時間乾燥する。このようにして得られた前駆体を、窒素流れ(25ml/h/g)の下で600℃で2時間焼成する。このようにして触媒4が得られる。この触媒を、触媒3と同様の条件で試験する。それらの結果を表2と表3にまとめて示す。
実施例5
触媒を次のようにして調製した。
5.35gのパラモリブデン酸アンモニウムと1.16gのテルル酸を80℃に加熱された20mlの水中に攪拌しながら連続して添加する。別途に、80℃に加熱された10mlの蒸留水中に2.37gの水和硫酸バナジルを溶解することによって、9ミリモルのバナジウムを含有する溶液を調製する。80℃に加熱された10mlの蒸留水中に2.33gの水和シュウ酸二オブを攪拌しながら溶解することによって、3.6ミリモルのニオブを含有する第3の溶液を同時に調製する。その第2の溶液を第1の溶液に加えて、その混合物を5分間攪拌する。最後に、第3の溶液を添加し、その混合物を10分間攪拌した後で、テフロン(登録商標)で覆われた70mlのオートクレーブに投入する。次いで、そのオートクレーブ中に存在する空気を置換するように、窒素を5分間泡立てた後にオートクレーブを閉じる。次にそのオートクレーブを175℃で48時間保持する。
この期間の後で、そのオートクレーブを水道水で10分間冷却する。オートクレーブ中に得られた黒‐青色の固形分を濾過によってその溶液から分離し、全体を蒸留水で洗浄して、80℃で12時間乾燥する。このようにして得られた前駆体を、窒素流れ(25ml/h/g)の下で600℃で2時間焼成する。このようにして触媒5が得られる。この触媒を、触媒3と同様の条件で試験する。それらの結果を表2と表3にまとめて示す。
実施例6
触媒を次のようにして調製した。
5.35gのパラモリブデン酸アンモニウムを80℃に加熱された20mlの水に攪拌しながら添加する。別途に、80℃に加熱された20mlの蒸留水中に3.94gの水和硫酸バナジルを溶解することによって、15ミリモルのバナジウムを含有する溶液を調製する。その第2の溶液を第1の溶液に加えて、その混合物を10分間攪拌した後に、テフロン(登録商標)で覆われた70mlのオートクレーブに投入する。次いで、そのオートクレーブ中に存在する空気を置換するように、窒素を5分間泡立てた後に、オートクレーブを閉じる。次にそのオートクレーブを175℃で24時間保持する。
この期間の後で、そのオートクレーブを水道水で10分間冷却する。オートクレーブ中に得られた黒‐青色の固形分を濾過によってその溶液から分離し、全体を蒸留水で洗浄して、80℃で12時間乾燥する。このようにして得られた前駆体を、窒素流れ(25ml/h/g)の下で500℃で2時間焼成する。このようにして触媒6が得られる。この触媒を、触媒3と同様の条件で試験する。
同様な操作方法に従って、テルルがこの調製中へ導入され得る。
Figure 2005538173
Figure 2005538173
Figure 2005538173
実施例3及び実施例5の場合、4時間の間にアイストラップ中に試験の流出物を捕獲する。質量分析計に連結されたクロマトグラフィーによる二つの解析を、各サンプルについて実施する。
アセトン、水、酢酸、プロピオン酸及びアクリル酸の五つの主生成物を、各サンプルについて検出する。
このようにして、320℃と360℃の反応温度について、プロピオン酸/アクリル酸のモル比を各サンプルに関して計算する。サンプル毎に実施した二つの解析の平均を、以下の表4に示す。
Figure 2005538173
温度の上昇と共に、モル比が減少することが示されている。但し、ニオブ含有触媒について、この比率がまだより小さい。
アセトンへの選択性に関しても同様に、触媒がニオブを含有する場合、これが更に小さい。
実施例7
この実施例では、実施例1で調製した触媒を再度試験した。この触媒は、40μm未満の粒子サイズを有する。
次いで、反応器を、実施例2a)において示したように充填し、実施例2b)において示した操作方法に従って操作した。
i)試験E
この試験では、プロパンの酸化を400℃で行う。
プロパン及び酸素の圧力を一定に維持したままで、プロパンのパルス中への酸素注入の期間を変化させる。
酸素をプロパンのパルスの最後に注入して、そのパルスの最初に注入した場合に比較して、触媒性能に影響があるか否かを調べる。
その40サイクルのバランスは、以下のように細分される。
30/30/45/45のプロパン/O/He‐Kr/HO比率、及び4.27Nl/hのヘリウム‐クリプトン流れでの、30秒間のプロパン+20秒間の酸素の10サイクル(プロパンのパルスの最後に酸素が注入される)。
次いで、He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る60秒間の中間パルス、次に20/45/45のO/He‐Kr/HO比率での60秒間の酸素パルス、そしてキャリアーガスの60秒間のもう一つのパルスがある。
更に、30/30/45/45のプロパン/O/He‐Kr/HO比率、及び4.27Nl/hのヘリウム‐クリプトン流れでの、30秒間のプロパン+15秒間の酸素の別のシリーズの10サイクルがある。次いで、He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る60秒間の中間パルス、次に20/45/45のO/He‐Kr/HO比率での60秒間の酸素パルス、そしてキャリアーガスの60秒間のもう一つの中間パルスがある。
更に、30/30/45/45のプロパン/O/He‐Kr/HO比率、及び4.27Nl/hのヘリウム‐クリプトン流れでの、30秒間のプロパン+10秒間の酸素の別のシリーズの10サイクルがある。次いで、He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る60秒間の中間パルス、次の20/45/45のO/He‐Kr/HO比率での60秒間の酸素パルス、そしてキャリアーガスの60秒間のもう一つの中間パルスがある。
更に、30/30/45/45のプロパン/O/He‐Kr/HO比率、及び4.27Nl/hのヘリウム‐クリプトン流れでの、30秒間のプロパン+5秒間の酸素の別のシリーズの10サイクルがある。次いで、He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る60秒間の中間パルス、次の20/45/45のO/He‐Kr/HO比率での60秒間の酸素パルス、そしてキャリアーガスの60秒間のもう一つの中間パルスがある。
ii)試験F
この試験でも、プロパンの酸化を400℃で行う。
プロパン及び酸素の圧力を一定に維持したままで、但しプロパンパルスにおける酸素注入の期間も一定にしたままで、プロパンのパルスの最初及び最後での酸素注入の影響を比較する。
その40サイクルのバランスは、以下のように細分される。
30/30/45/45のプロパン/O/He‐Kr/HO比率、及び4.27Nl/hのヘリウム‐クリプトン流れでの、30秒間のプロパン+20秒間の酸素(プロパンのパルスの最後に酸素が注入される)の10サイクルがある。次いで、He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る60秒間の中間パルス、次の20/45/45のO/He‐Kr/HO比率での60秒間の酸素の中間パルス、そしてキャリアーガスの60秒間のもう一つの中間パルスがある。
更に、30/30/45/45のプロパン/O/He‐Kr/HO比率、及び4.27Nl/hのヘリウム‐クリプトン流れでの、30秒間のプロパン+20秒間の酸素(プロパンのパルスの最後に酸素が注入される)の別のシリーズの10サイクルがある。次いで、He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る60秒間の中間パルス、次の20/45/45のO/He‐Kr/HO比率での60秒間の酸素の中間パルス、そしてキャリアーガスの60秒間のもう一つの中間パルスがある。
更に、30/30/45/45のプロパン/O/He‐Kr/HO比率、及び4.27Nl/hのヘリウム‐クリプトン流れでの、30秒間のプロパン+20秒間の酸素(プロパンのパルスの最初に酸素が注入される)の別のシリーズの10サイクルがある。次いで、He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る60秒間の中間パルス、次の20/45/45のO/He‐Kr/HO比率での60秒間の酸素の中間パルス、そしてキャリアーガスの60秒間のもう一つの中間パルスがある。
更に、30/30/45/45のプロパン/O/He‐Kr/HO比率、及び4.27Nl/hのヘリウム‐クリプトン流れでの、30秒間のプロパン+20秒間の酸素(プロパンのパルスの最初に酸素が注入される)の別のシリーズの10サイクルがある。次いで、He‐Kr/HOのキャリアーガス流れのみなら成る60秒間の中間パルス、次の20/45/45のO/He‐Kr/HO比率での60秒間の酸素の中間パルス、そしてキャリアーガスの60秒間のもう一つの中間パルスがある。
iii)試験G
この試験は、試験Fに類似の型式で実施した。
iv)試験の結果
Figure 2005538173
Figure 2005538173
酸素をプロパンパルスの最後に注入した場合、その触媒の触媒性能が少しより良好であることを示している。この時点で注入される酸素は、既に還元された触媒の再酸化を可能にする。
プロパンパルスへの酸素添加によって、転化率が26%ではあるものの、アクリル酸への選択率45%、及びプロピレンへの選択率13%と共に、380〜400kg/kgのオーダーの転化比(conversion ratio)が達成され得る。
実施例8
触媒の前駆体類及び触媒類の調製
I)前駆体P1の合成
この合成は、およそ100gの乾燥前駆体の調製を可能にする。
a)二オブ溶液の調製
500mlのビーカーに次のようなものを投入する。
− 88.0gの脱イオン水;
− 15.9gのシュウ酸、即ちnオキサレート=0.126モル
− 7.0gの二オブ酸、即ちnNb=0.042モル
尚、オキサレート/二オブの比が3である。
その溶液を60℃に加熱しながら2時間攪拌する。但し、形成されたシュウ酸二オブが分解するのを防ぐために、加熱温度が80℃を超えないように注意する。その溶液は初め乳白色である。加熱及び攪拌の間に、次第にその溶液の曇りが少なくなる。攪拌を続けながら、周囲の空気中でおよそ30℃まで冷却させる。その透明さを改良するために、その溶液を6200r.p.m.で12分間遠心分離機にかける。二オブ酸の白色沈積物が見られる。
b)Mo‐V‐Te溶液の調製
500mlのビーカーに次のようなものを投入する。
− 292.2gの脱イオン水;
− 19.1gのテルル酸、即ちnTe=0.083モル
− 14.6gのMVA、即ちn=0.125モル
− 67.1gのHMA、即ちnMo=0.380モル
最初その溶液は、オレンジ色/黄色で曇っている。透明な赤色が見られるまで(即ちおよそ30分間)、その混合物を攪拌しおよそ60℃まで加熱する。次いで、攪拌を続けながら、周囲温度で30℃まで冷却させる。
c)Mo‐V‐Te‐Nb‐Siゲルの調製
54.0gのシリカ溶液(即ちnSi=0.360モル)を、前もって得られたその透明で赤色のMo‐V‐Te溶液に添加する。その溶液は、赤色/オレンジ色になり、少し濁る。それを攪拌し続ける。次いで、遠心分離された二オブ溶液を投入する。その混合物の非常に早い発色が見られる。実際に、2〜3分でその溶液がより濁り、そしてより更にオレンジ色になる。ゲルが形成する。その混合物の濁りの間に、渦に注意しなければならない。これは漸減し、そしてその混合物をいっそう濁らせる。その攪拌は、さらに増加させねばならない。45分間更に攪拌する。
d)溶液の乾燥
そのオレンジ色のゲルをテフロン(登録商標)コートの平皿中に注ぎ、次いで130℃の炉中に一晩据える。次いで、その平皿に固着してない、粗い褐色/黒色の粉末を得る。得られた前駆体の重量は122.6である。当初に投入された量によるが、その前駆体の式は、
MoV0.33Te0.22Nb0.11Si0.95(オキサレート)0.33(NH1.19
である。
他の前駆体P2、P3及びP4
表7は、他の前駆体P2、P3及びP4の調製のために投入された薬剤の量を示している。それら全ての実験について、前記と同様の操作を実施して、色及び外観における同様の変化を観察した。
Figure 2005538173
前駆体P2、P3及びP4の全ては、実質上以下の同様な式を有する。
P2:MoV0.33Te0.22Nb0.11Si0.96(Oxalate)0.33(NH1.19
P3:MoV0.33Te0.22Nb0.11Si0.96(Oxalate)0.33(NH1.19
P4:MoV0.33Te0.22Nb0.11Si0.96(Oxalate)0.33(NH1.19
燃焼によるロス
この実験は、シュウ酸二オブ溶液の調製中に溶解しなかった二オブ酸の量を決定することを目的としている。
前駆体P4の調製中において、遠心分離の間に形成された白色沈積物をサンプル採取した。この沈積物は、0.5gの重量を有する。それをセラミックのるつぼ中に据える。大気中で蒸発の後、その沈積物は0.4gの重量である。その沈積物を次いで、3℃/分で20℃から600℃へ温度上昇させて、600℃で1時間保持する。
この加熱の後に、Nbの固形物のみが残り、その重量が0.2gである。かくして、0.3gの全体的な重量ロスがあった。
最初に、79%の二オブ酸を7.0g、即ち7×0.79=5.53gのNbを投入した。溶解しないおよそ3.62%(={0.2/(7×0.79)}×100)の二オブ酸があった。従って、その二オブ酸のほとんどが溶解されたことになる。
II)空気下での予備焼成
次いで、空気下での予備焼成を行う。他のものの中におけるこの段階の目的は、ヘプタモリブデン酸アンモニウム及びメタバナジン酸アンモニウムによって生成されたアンモニアを除去することである。このために、小さいスチールカップ中にそして二つのシリカウールワッド(wad)の間に、30gの前駆体を置く。その操作の間に以下の二つのパラメータを調整した。
− 予備焼成温度:望ましくは280、300、320及び340℃;及び
− 導入されるべき空気の流量:望ましくは1、10、30、50ml/分/g触媒
予備焼成時間のみが全実験において同一である。それを4時間に固定する。
III)窒素下での焼成
次いで、窒素下での焼成を行う。
流量、温度及び焼成時間は、全ての操作について同一である。
それらの条件は、次のとおりである。
− 50ml/分/g触媒の窒素の流量
− 600℃の焼成温度
− 2時間の焼成時間
表8は、種々の前駆体について実施した予備焼成及び焼成の条件のまとめを示すものである。
Figure 2005538173
実施例9
a)装置
本発明による方法をシミュレートするために、実験室において実験室用の固定床反応器内でシミュレーションを実施した。
円筒状でパイレックス(登録商標)製の鉛直反応器の底部から上部へ、次の物を充填する。
− 直径0.125mmの粒子状の炭化珪素2mlの第1の高さ
− 直径0.125mmの粒子状の炭化珪素10mlで希釈された、0.02〜1mmの粒子状の触媒5.00gの第2の高さ
− 直径0.125mmの粒子状の炭化珪素2mlの第3の高さ、及び
− その反応器の全てを満たすための、1.19mmの粒子状の炭化珪素の第4の高さ
b)触媒試験
1)運転方法
その反応器を250℃まで加熱し、噴霧器を200℃に加熱する。水ポンプの電気始動を駆動させる。He‐Krの流量を4.25Nl/hの表示値に設定する。
その反応器及び噴霧器が上記の温度に到達すれば、その水ポンプを駆動させる。その水が反応器の出口に存在する時、プロパン及び酸素の流量計を駆動させる。その反応器の温度を所望の温度まで上昇させて、ホットスポットが安定化されるように30分間そのままにしておく。
熱電対を触媒床中に配置して、ホットスポットの温度を読み取っても良い。
次いで、アクリル酸自体の生成に関する測定に着手する。
各バランス操作の期間中、液体サンプルを採取する。ガスサンプルも順次採取する。
125mlの容量を有する各ガス洗浄ボトルに水を充填し、そのフラスコを反応器の出口に連結した時にクロノメーターをスタートさせる。
特定の調整を実施した後で、HP6890クロマトグラフで、液状流出物を分析する。
バランス操作の間に、Chrompack micro‐GCクロマトグラフで、ガスを分析する。
各バランス操作の間に生成された酸の正確なモル数を決定し、クロマトグラフ分析を確認にするために、各フラスコについて、酸度の評価を実施する。
2)実施例8において調製された触媒の試験
触媒A1〜A4、B1〜B4、C1〜C4及びD1〜D4の触媒を、三つの異なる温度380℃、390℃及び400℃で試験した。
最初のガス混合物の成分の比率は以下のとおり(モル比)であった。
プロパン/酸素/不活性(He‐Kr)/HO(蒸気)=1/1/4.5/4.5
最良の結果を与える温度は400℃である。
この温度で得られた選択率及び収率は、表9及び表10にまとめられている。実施例8の予備焼成における温度と流量が、その触媒試験の期間中の炉及びホットスポットの温度も加えて、これらの表に示される。
アリルアルコール及びアリルアクリレートについて得られた収率及び選択率は0である。その結果、表9及び表10には、それらが見られない。
表9は、TTG=ΣTTU及びTTG02=ΣTTUと共に、炭素の収率(TTU)、ソーダでの検定毎に測定された酸度、炭素及び酸素バランスを示している。
表10は、炭素の選択性を示している。
Figure 2005538173
Figure 2005538173
プロパンの転化率は、一般に触媒活性を示すと考えられる。即ち、この転化率が大きいほど、その触媒がより活性である。この転化率は炭素のTTG(TTG=ΣTTU)で与えられる。
273℃で10、30又は50ml/分/g触媒の空気流量において、300℃及び320℃で低い空気流量において、そして350℃で空気流れの無い状態において、予備焼成された触媒に関して、プロパンの転化率が15%よりも大きいことが言及される。これらの値において、最も高いアクリル酸収率(10%より大きい)及び最も高い選択率と最も高い酸度(3000ppmより大きい)も得られる。
一般的に、酸素のTTG(TTG02)も考慮される。このTTGが60%を下回る限り、プロパンの酸化に供し得るのに充分な酸素がまだ在ると考えられる。この場合には、その触媒の最大の酸素転化能力が達成されなかった。酸素に対する転化率を改良するために、反応温度が高められ得る。但し、酸素転化率が80%を超えるのを防ぐことが好ましい。
酢酸の選択率及び収率に関する一連の結果は、満足できるものである。
従って、以下の非常に異なる予備焼成の条件に耐えたいくつかの触媒で、非常に良好な触媒性能が得られることが言及される。
− 273℃で10、30及び50ml/分/g触媒の空気流量下;
− 300及び320℃で10ml/分/g触媒の空気流量下;及び
− 350℃で流れの無い状態
実施例10
触媒Eの調製
前駆体;MoV0.33Te0.23Nb0.11Si(Oxalate)0.33(NH1.19を使用して、実施例8において記載した方法で、静止空気下において319℃で予備焼成を実施することによって、式:MoV0.33Te0.23Nb0.11Siを有する触媒Eを調製した。
但し、予備焼成に先行する乾燥は、炉内ではなくて、マイクロ波を用いて行った。
実施例11
触媒E及び触媒B2の比較
380℃から430℃までにおける六つの異なる温度で、触媒E及び触媒B2を試験した。得られた結果を表11及び表12に記載する。
Figure 2005538173
Figure 2005538173
それらの挙動がこれら二つの触媒で類似することが言及される。それ故、マイクロ波での乾燥と炉内での乾燥の間に優劣が無い。
反応温度が高まるにつれて、アクリル酸の収率及びその酸度が高い。これらの結果は、アクリル酸の最高収率が420℃で達成されることを示している。
(原文記載なし)

Claims (27)

  1. プロパンからアクリル酸を製造する方法であって、そこでは、プロパン、分子酸素、水蒸気、加えて適宜な不活性ガスを含むガス混合物が、式(I)を有する触媒上を通過し、
    MoTeNbSi (I)
    そこでは、
    a)aが、0.006〜1であり、
    b)bが、0.006〜1であり、
    c)cが、0.006〜1であり、
    d)dが、0〜3.5であり、そして
    e)xが、その他の元素に結合した酸素の量であって、それらの酸化状態によるものであり、
    該プロパンをアクリル酸へ酸化するために、初期の該ガス混合物におけるプロパン/分子酸素のモル比が0.5以上であることを特徴とする方法。
  2. 前記初期ガス混合物の成分のモル比率が、
    プロパン/O/不活性ガス/HO(蒸気)=1/0.05〜2/1〜10/1〜10;好ましくは1/0.1〜1/1〜5/1〜5
    である、請求項1に記載の方法。
  3. 式(I)の触媒において、
    − aが、0.09〜0.8であり、
    − bが、0.04〜0.6であり、
    − cが、0.01〜0.4であり、そして
    − dが、0.4〜1.6である、
    請求項1又は請求項2に記載の方法。
  4. 前記酸化反応が200〜500℃の温度で行われることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の方法。
  5. 前記酸化反応が250〜450℃の温度で行われることを特徴とする、請求項4に記載の方法。
  6. 前記酸化反応が1.01×10〜1.01×10Pa(0.1〜10気圧)の圧力で行われることを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載の方法。
  7. 前記酸化反応が5.05×10〜5.05×10Pa(0.5〜5気圧)の圧力で行われることを特徴とする、請求項6に記載の方法。
  8. 0.1〜10g酸素/kg触媒に含まれる触媒の還元比率があるまで、使用されることを特徴とする、請求項1〜7のいずれかに記載の方法。
  9. 前記触媒が少なくとも部分的に還元状態に一旦変化すれば、その再生が、反応(3)により、
    固体還元された+O→固体酸化された (3)
    酸素又は酸素含有ガスの存在下において250〜500℃の温度で、該触媒の再酸化に必要な期間加熱することにより行われることを特徴とする、請求項1〜8のいずれかに記載の方法。
  10. 2段階、即ち同時に稼動し、二つの触媒充填が定期的に交代する、反応器と再生器を有する装置において、前記酸化と前記再生(3)の反応が行われることを特徴とする、請求項9に記載の方法。
  11. 反応と再生の期間を交互に生じる同一の反応器において、前記酸化と前記再生(3)の反応が行われることを特徴とする、請求項9に記載の方法。
  12. 移動床を備えた反応器において、前記酸化と前記再生(3)の反応が行われることを特徴とする、請求項9に記載の方法。
  13. a)前記初期ガス混合物が、移動触媒床を備えた第1反応器中に導入され、
    b)該第1反応器の出口で、該ガス類が触媒から分離され、
    c)該触媒が再生器中に戻され、
    d)該ガス類が、移動触媒床を備えた第2反応器中に導入され、
    e)該第2反応器の出口で、該ガス類が触媒から分離され、そして該分離されたガス類中に含有されるアクリル酸が回収され、
    f)該触媒が該再生器中に戻され、そして
    g)該再生器からの再生された触媒が、該第1及び第2反応器中に再導入される、
    請求項1〜7のいずれかに記載の方法。
  14. 前記第1及び第2の反応器が鉛直であって、前記触媒が前記ガスの流れによって上方へ移動される、請求項13に記載の方法。
  15. 前記酸化反応が、0.01〜90秒の各反応器中における滞留時間で行われることを特徴とする、請求項1〜14のいずれかに記載の方法。
  16. 前記酸化反応が、0.1〜30秒の各反応器中における滞留時間で行われることを特徴とする、請求項15に記載の方法。
  17. 生成したプロピレン及び/又は反応しなかったプロパンが、前記反応器の入り口へ、或いはいくつかの反応器があれば第1反応器の入り口へ、リサイクルされることを特徴とする、請求項1〜16のいずれかに記載の方法。
  18. 前記反応器が、或いはいくつかの反応器があれば少なくとも一つの反応器が、次のような式(II)に相当する助触媒をも含み、
    MoBia’Feb’Coc’Nid’e’Sbf’Tig’Sih’Cai’Nbj’Tek’Pbl’m’Cun’ (II)
    そこでは
    − a’が、0.006〜1であり、
    − b’が、0〜3.5であり、
    − c’が、0〜3.5であり、
    − d’が、0〜3.5であり、
    − e’が、0〜1であり、
    − f’が、0〜1であり、
    − g’が、0〜1であり、
    − h’が、0〜3.5であり、
    − i’が、0〜1であり、
    − j’が、0〜1であり、
    − k’が、0〜1であり、
    − l’が、0〜1であり、
    − m’が、0〜1であり、そして
    − n’が、0〜1である、
    請求項1〜17のいずれかに記載の方法。
  19. 前記助触媒が、適宜前期触媒と同様な方法で再生され、そして循環する、請求項18に記載の方法。
  20. 前記式(II)の助触媒において、
    − a’が、0.01〜0.4であり、
    − b’が、0.2〜1.6であり、
    − c’が、0.3〜1.6であり、
    − d’が、0.1〜0.6であり、
    − e’が、0.006〜0.01であり、
    − f’が、0〜0.4であり、
    − g’が、0〜0.4であり、
    − h’が、0.01〜1.6であり、
    − i’が、0〜0.4であり、
    − j’が、0〜0.4であり、
    − k’が、0〜0.4であり、
    − l’が、0〜0.4であり、
    − m’が、0〜0.4であり、そして
    − n’が、0〜0.4である、
    請求項18又は請求項19に記載の方法。
  21. 0.5よりも大きい、そして好ましくは少なくとも1の、前記触媒の前記助触媒に対する重量比が用いられる、請求項18〜20のいずれかに記載の方法。
  22. 前記触媒と前記助触媒が混合される、請求項18〜21のいずれかに記載の方法。
  23. 前記触媒と前記助触媒が、ペレット状で存在し、各ペレットが該触媒と該助触媒の両方を含むものである、請求項18〜21のいずれかに記載の方法。
  24. 請求項1において規定される式(I)の触媒を、及び適宜に請求項18において規定される式(II)の助触媒を、備えた反応器における、次のような連続した工程;
    1) 請求項1〜3に規定されるような前記ガス混合物の注入工程、
    2) 水蒸気、及び適宜な不活性ガスの注入工程、
    3) 分子酸素、水蒸気、及び適宜な不活性ガスの混合物の注入工程、及び
    4) 水蒸気、及び適宜な不活性ガスの注入工程、
    を含むサイクルの反復を含む、請求項1〜23のいずれかに記載の方法。
  25. 前記サイクルが、工程1)に先行する又は後に続き、そして工程1)のものに対応するが分子酸素無しのガス混合物が注入される間の追加の工程を含み、プロパン/分子酸素のモル比が次いで工程1)とこの追加工程について全体的に算出されることを特徴とする、請求項24に記載の方法。
  26. 前記追加工程が、前記サイクルにおいて工程1)に先行することを特徴とする、請求項25に記載の方法。
  27. 前記反応器が移動床を備えた反応器であることを特徴とする、請求項24〜26のいずれかに記載の方法。
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