JP2008238098A - 複合酸化物触媒の製造法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】MoV系触媒の製造過程で、有機物を含む原料に対し、焼成温度と保持時間が特定された第1工程と第2工程の焼成を行う。第1工程は、焼成温度が200〜400℃かつ保持時間が0.5〜10時間で焼成する工程であり、第2工程は、第1工程より後に行われ、焼成温度が300〜450℃かつ保持時間が0.5〜10時間で焼成する工程である。さらに第2工程の焼成温度は、第1工程の焼成温度より50℃以上高温である。
【選択図】なし
Description
MoV系触媒は、触媒を構成する各元素の供給源となる化合物(供給源化合物)を一体化し、必要に応じて乾燥、成形等の工程を経た後、焼成することにより製造される。MoV系触媒の製造においては、触媒の特性の改良や成形の際のバインダー機能の付与を目的として、有機物を添加することがある。
例えば、供給源化合物を一体化させる際に、供給源化合物の水溶液または水分散液に有機酸を添加する技術が知られている。有機酸は、触媒を構成する各元素に配位することにより、成分元素同士の結合を抑制し、最終的に得られる複合酸化物触媒の構造、酸化還元状態、および触媒成分の担体上での分散状態を変化させ、触媒の特性を改良する。有機酸の添加は、触媒を構成する元素の有機酸塩を供給源化合物として使用する方法(特許文献1参照)や供給源化合物を一体化させる際に、有機酸を加える方法により行われる(特許文献2参照)。
また、セルロース等の高分子化合物は、触媒の成形のためのバインダーとして使用されたり、触媒に孔を設けるために使用されたりすることもある。また、アルコール類も、種々の目的で原料に含まれることがある。例えばエチレングリコール等の比較的低分子アルコールは、前述した有機酸と同様の働きをすることが期待され、また、ポリビニルアルコール等の高分子アルコールは、前述したセルロースと同様の働きをすることが期待される。
このように、MoV系触媒の製造において、有機物を添加することには様々な利点がある。
しかしながら、これらの方法でも、供給源化合物を一体化させる際に、有機物を添加したり、バインダーとして有機物を使用したりする場合には、焼成工程によりこれらの有機
物が十分に焼失せず、得られる触媒の活性が不十分であるという問題がある。
すなわち、有機物を含む原料を焼成してMoV系触媒を製造する場合には、これまで知られている焼成方法では、有機物の焼成を十分に行い、触媒の活性相を十分に形成することが困難である。このような背景において、MoV系触媒について安定した品質を得るための技術の開発が望まれている。
また、前記第1工程と第2工程は、酸素濃度が0%より大きく10%未満の雰囲気で行われることが好ましい。
また、前記有機物は、カルボン酸、アルコールおよびセルロースから選ばれた少なくとも1つであることが好ましく、熱分解温度が100〜400℃であることが好ましい。
式(1):(Mo)12(V)a(X)b(Cu)c(Y)d(Sb)e(Z)f(Si)g(C)h(O)i
i、Bi、Si、CおよびOは元素記号である。a、b、c、d、e、f、g、hおよびiは各元素の原子比を表し、0<a≦12、0≦b≦12、0<c≦12、0≦d≦8、0≦e≦500、0≦f≦500、0≦g≦500、0≦h≦500、iはCを除いた上記各元素の酸化度によって決まる数である。
本発明において、MoV系触媒とは、不飽和アルデヒドを分子状酸素含有ガスにより気相接触酸化して、不飽和カルボン酸を製造するための複合酸化物触媒であって、Mo(モリブデン)およびV(バナジウム)を含む触媒をいう。
MoV系触媒は、上記複合酸化物触媒として機能する限りにおいて、Mo、V、O以外の元素を含んでいてもよい。例えば、Mo、V、Nb、W、Cu、Mg、Ca、Sr、Ba、Zn、Sb、Fe、Co、Ni、Bi、Si、C等が挙げられる。
MoV系触媒としては、好ましくは、前記式(1)で表される触媒が挙げられる。
すなわち、供給源化合物を一体化する方法には、(イ)供給源化合物を一括して混合する方法、(ロ)供給源化合物を一括して混合し、さらに熟成処理する方法、(ハ)供給源化合物を段階的に混合する方法、(ニ)供給源化合物を段階的に混合し、さらに熟成処理する方法を繰り返す方法、および(イ)〜(ニ)を組み合わせた方法が含まれる。
ばよい。
例えば、MoおよびVの供給源化合物としては、これらの元素の酸化物、ハロゲン化物、アンモニウム塩、ハロゲン化アンモニウム塩、硫酸塩、水酸化物、水素酸を用いることができる。また、これらの元素の有機酸塩を使用することもできる。なお、有機酸塩を供給源化合物とし、一体化して得られた原料は、後述する有機物を含む原料に含まれる。有機酸塩としては、カルボン酸塩、カルボン酸アンモニウム塩、アセチルアセトナート、アルコキシド等が挙げられる。
Moの供給源化合物としては、具体的にはパラモリブデン酸アンモニウム、三酸化モリブデン、モリブデン酸、ケイモリブデン酸アンモニウム等が挙げられる。
Vの供給源化合物としては、バナジン酸アンモニウム、五酸化バナジウム、シュウ酸バナジウム、硫酸バナジウム等が挙げられる。
また、SiおよびCの供給源化合物としては、緑色炭化ケイ素、黒色炭化ケイ素等を使用することができ、これらの炭化ケイ素は微粉体のものが好ましい。
また、供給源化合物を一体化する際には、アルミナ、ムライト、耐火酸化物等の担体材料も供給源化合物と一緒に混合して一体化することができる。
まず、供給源化合物の水溶液または水分散液を調製する。本明細書においては、これらの水溶液または水分散液をスラリー溶液ともいう。スラリー溶液は、供給源化合物を水と均一に混合して得ることができる。スラリー溶液における供給源化合物の使用割合は、製造するMoV系触媒の構成元素の原子比に応じて決定すればよい。
ストがかさむ虞がある。スラリー溶液の調製過程における混合や攪拌を通じて、供給源化合物の一体化は進行するが、一体化をさらに促進するために、好ましくは室温〜200℃、特に好ましくは70〜100℃で、好ましくは1分〜24時間、特に好ましくは30分〜6時間、熟成処理するのが好ましい。
乾燥は、通常の方法により行うことができ、スラリー溶液を充分に乾燥でき、粉体が得られる方法であれば特に制限されない。例えばドラム乾燥、凍結乾燥、噴霧乾燥等が好ましい方法として挙げられる。噴霧乾燥は、スラリー溶液から短時間に均質な粉体状態に乾燥することができるので、本発明に好ましく適用できる方法である。
成形をする際には、バインダー(成形助剤)を使用することができる。例えば、打錠成形する場合には、シリカ、グラファイト、結晶性セルロース等のバインダーを粉体100重量部に対して好ましくは約0.01〜50重量部程度使用することが好ましい。また、押出成形する場合には、シリカゲル、珪藻土、アルミナ粉末等のバインダーを粉体100重量部に対して、好ましくは約0.01〜50重量部程度使用することが好ましい。また、必要によりセラミックス繊維、ウイスカー等の無機繊維を触媒粒子の機械的強度向上材として用いることもできる。しかし、チタン酸カリウムウイスカーや塩基性炭酸マグネシウムウイスカーのような触媒成分と反応する繊維は好ましくない。強度向上のためには、セラミックス繊維が特に好ましい。これらの繊維の使用量は、粉体100重量部に対して好ましくは1〜30重量部である。上記バインダーおよび機械的向上剤は、通常、予め粉体と混合して用いられる。
本発明のMoV系触媒の製造に用いる有機物は、後述する焼成工程において熱分解することが可能であればよい。例えば、有機酸、バインダー機能を有する高分子化合物、アルコール類等が挙げられる。また、有機物の熱分解温度は、好ましくは100〜400℃、さらに好ましくは150〜350℃である。
有機物の添加量は、有機物の種類および添加の目的に応じて適宜選択することができるが、通常は、焼成前の乾燥状態の原料に対し、0.01〜10質量%であることが好ましく、0.1〜5重量%であることがさらに好ましい。
これらの有機酸のうち、触媒を構成する元素の有機酸塩の形態とした場合に、酸素の存在で加熱により元素の酸化物に転化可能であるものは、触媒を構成する元素の有機酸塩の形態で供給源化合物として使用することができる。また、有機酸は、供給源化合物とは別に添加する形態で使用することもできる。この場合、有機酸は、供給源化合物を一体化させる際に添加すればよい。すなわち、スラリー溶液を調製した後、または調製する途中に添加することができるが、中でも、MoおよびVを溶解した後の段階で添加するのが好ま
しい。例えば、クエン酸、シュウ酸、リンゴ酸等の水に易溶な有機酸は、供給源化合物を一体化させる際に添加することが好ましい。また、この場合、有機酸の添加量は、Mo1モルに対し0.001〜1モルが好ましく、0.01〜0.5モルがさらに好ましい。
アルコール類としては、低分子アルコールおよび高分子アルコールの何れも用いることができる。低分子アルコールとしては、エタノール、エチレングリコール等が挙げられ、前述した有機酸と同様の働きをする。高分子アルコールとしては、ポリビニルアルコール等が挙げられ、成形の際のバインダーとして使用することができる。低分子アルコールは、供給源化合物を一体化させる際に添加することが好ましく、添加量はMo1モルに対し、0.001〜1モルが好ましく、0.01〜0.5モルがさらに好ましい。また、高分子アルコールは、成形する際に添加することが好ましく、添加量は焼成前の乾燥状態の原料に対し、0.01〜10質量%であることが好ましい。
第1工程は、焼成温度が200〜400℃かつ保持時間が0.5〜10時間であることを特徴とする。焼成温度が200℃未満の場合は、有機物が十分に焼失せず、この有機物が後の第2工程で燃焼・発熱し、設定温度以上に昇温し、触媒の活性相が分解するおそれがある。一方、焼成温度が400℃以上の場合は、触媒の活性相が分解するおそれがある。また、保持時間が0.5時間未満の場合には、有機物が十分に焼失しないおそれがある。一方、保持時間が10時間を超える場合には不経済である。
さらに、第2工程は、焼成温度が第1工程の焼成温度より50℃以上高温であることを特徴とする。第2工程の焼成温度を、第1工程の焼成温度より高温にすることにより、十分な活性相を形成することができる。第2工程の焼成温度が低温すぎて第1工程および第2工程の焼成温度の差が50℃未満である場合は、焼成が不十分となり、触媒の活性相が十分に形成されないおそれがある。一方、第1工程の焼成温度が高温すぎて第1工程および第2工程の焼成温度の差が50℃未満である場合は、焼成工程の初期段階で温度が上がりすぎて、触媒原料が有機物を含んだまま高温にさらされるため、有機物が燃焼・発熱し、焼成ムラが生じるおそれがある。また、第2工程は、焼成温度が、第1工程の焼成温度より、好ましくは60℃以上高温である。
本発明のMoV系触媒の製造における上記焼成工程においては、第1工程と第2工程の間に1以上の他の工程が含まれていてもよい。
不飽和アルデヒドを分子状酸素または分子状酸素含有ガスを使用して気相接触酸化し、対応する不飽和カルボン酸を製造するためには、既存の方法を使用することができる。例えば、反応器としては、固定床管型反応器を用いることができる。この場合、反応は、反応器を通じて単流通法を用いてもリサイクル法を用いても行うことができ、この種の反応に一般的に使用される条件下で実施できる。
アクロレイン転化率、アクリル酸選択率、アクリル酸収率は、下記の式(2)〜(4)のように定義する。
(2) アクロレイン転化率(モル%)=100×(反応したアクロレインのモル数)/(供給したアクロレインのモル数)
(3) アクリル酸選択率(モル%)=100×(生成したアクリル酸モル数)/(転化したアクロレインモル数)
(4) アクリル酸収率(モル%)=100×(生成したアクリル酸モル数)/(供給し
たアクロレインモル数)
酸素を除く構成成分の実験式がMo12V2.4Nb1Cu2Sb34Ni15Si27である複合金属酸化物を以下のようにして製造した。
塩基性炭酸ニッケル221gを純粋400mlに分散させ、これにシリカ(塩野義製薬社製:カープレックス#67)156gおよび三酸化アンチモン474gを加えて十分に撹拌した。
このスラリー状液を加熱して濃縮し、乾燥した。得られた乾燥固体をマッフル炉にて800℃で3時間焼成し、生成固体を粉砕して60メッシュ篩を通過する粉体を得た。(Sb−Ni−Si−O粉末)。
一方、純水842mlを80℃に加熱し、パラモリブデン酸アンモニウム201g、メタバナジン酸アンモニウム26.7g、クエン酸12.0g順次攪拌しながら溶解した。これに硫酸銅47.3gを純水70mlに溶解させた硫酸銅水溶液を加え、さらに水酸化ニオブ18.7gを加えて攪拌し、スラリー液を得た。
このスラリー液に上記Sb−Ni−Si−O粉末を撹拌しながら徐々に加えて充分に撹拌混合した。このスラリー状液を90℃に加熱して乾燥した。これに1.5重量%のグラファイトを添加混合し、小型打錠成形機にて成形した。
得られた成形体を反応管に500ml充填し、表1に示す各組成の混合ガスを毎時100リットルの流速で流通させ、表1の焼成条件で成形体を焼成し、実施例1、2および比較例1〜3のMoV系触媒を製造した。
なお、室温から第1工程までの昇温工程、及び第1工程後、第2工程開始時点までの昇温工程は、いずれも1時間を要した。
因みに、ナイター浴は、アルカリ金属の硝酸塩からなる熱媒体に反応管を入れて反応させる塩浴をいい、この熱媒体は200℃以上で溶融し、400℃まで使用可能で除熱効率がよいので、発熱量の大きな酸化反応に適した反応浴である。
原料ガスの組成はアクロレイン 5vol% 酸素 8vol% スチーム 15vol% 窒素ガス 72vol%であった。反応の結果を表2に示した。このように、有機物を含む触媒において、2段階の焼成を行なった実施例1、2のMoV系触媒は比較例1〜3のMoV系触媒と比較してアクロレイン転化率、アクリル酸選択率およびアクリル酸収率に優れ、低温でのアクロレインの気相接触酸化反応を効率よく行なえた。
このように、本発明の焼成条件を採用することにより、焼成の過不足を招くことなく、焼成ムラを抑制できることから、高い性能の触媒が得られることが分かる。
有機物としてクエン酸の代わりにエチレングリコール12gを用いた以外は実施例1と同様の操作を焼成の前段階まで行なった。得られた成形体を反応管に500ml充填し、表3に示す各組成の混合ガスを毎時100リットルの流速で流通させ、表3の焼成条件で成形体を焼成し、触媒とした。
得られた触媒の反応性を実施例1と全く同様の条件で評価した。反応結果を表4に示した。このように有機物を含む触媒において、2段階の焼成を行なった実施例3は比較例4と比較してアクロレイン転化率、アクリル酸選択率およびアクリル酸収率に優れ、低温でのアクロレインの気相接触酸化反応を効率よく行なえた。
有機物としてクエン酸の代わりにセルロース(旭化成製 アビセルPH−M6)12gを用いた以外は実施例1と同様の操作を焼成の前段階まで行なった。得られた成形体を反応管に500ml充填し、表3に示す各組成の混合ガスを毎時100リットルの流速で流通させ、表3の焼成条件で成形体を焼成し、触媒とした。
得られた触媒の反応性を実施例1と全く同様の条件で評価した。反応結果を表4に示した。このように有機物を添加する工程を含むMoV系触媒の製造法において、2段階の焼成を行なった実施例4は比較例5と比較してアクロレイン転化率、アクリル酸選択率およびアクリル酸収率に優れ、低温でのアクロレインの気相接触酸化反応を効率よく行なえた。
このように、本発明の焼成条件を採用することにより、焼成の過不足を招くことなく、焼成ムラを抑制できることから、高い性能の触媒が得られることが分かる。
Claims (7)
- 有機物を含む原料を焼成してMoV系触媒を得る焼成工程を含むMoV系触媒の製造法であって、
前記焼成工程が、焼成温度が200〜400℃かつ保持時間が0.5〜10時間で焼成する第1工程と、第1工程より後に行われ、焼成温度が300〜450℃かつ保持時間が0.5〜10時間で焼成する第2工程を含み、
第2工程の焼成温度が第1工程の焼成温度より50℃以上高温であるMoV系触媒の製造法。 - 第1工程と第2工程の保持時間の比が1:0.5〜2.0である請求項1に記載のMoV系触媒の製造法。
- 第1工程と第2工程は、酸素濃度が0%より大きく10%未満の雰囲気で行われる請求項1または2に記載のMoV系触媒の製造法。
- 有機物がカルボン酸、アルコール、およびセルロースから選ばれた少なくとも1つである請求項1〜3のいずれか1項に記載のMoV系触媒の製造法。
- 有機物の熱分解温度が100〜400℃である請求項1〜4のいずれか1項に記載のMoV系触媒の製造法。
- MoV系触媒の組成が下記の式(1)で表される請求項1〜5のいずれか1項に記載のMoV系触媒の製造法。
式(1):(Mo)12(V)a(X)b(Cu)c(Y)d(Sb)e(Z)f(Si)g(C)h(O)i
(式中、各成分および変数は次の意味を有する。XはNb、Wから選ばれた少なくとも一種の元素を示す。YはMg、Ca、Sr、BaおよびZnから選ばれた少なくとも一種の元素を示す。ZはFe、Co、Ni、Biから選ばれた少なくとも一種の元素を示す。但し、Mo、V、Nb、W、Cu、Mg、Ca、Sr、Ba、Zn、Sb、Fe、Co、Ni、Bi、Si、CおよびOは元素記号である。a、b、c、d、e、f、g、hおよびiは各元素の原子比を示し、0<a≦12、0≦b≦12、0<c≦12、0≦d≦8、0≦e≦500、0≦f≦500、0≦g≦500、0≦h≦500、iはCを除いた上記各元素の酸化度によって決まる数である) - 請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法により製造された触媒を用いて、アクロレインを分子状酸素で気相接触酸化することを特徴とするアクリル酸の製造法。
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