JP2009183871A - 固定床反応器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】少なくともモリブデンを含む固体粒状触媒11が充填された反応管12を備えた固定床反応器10において、前記反応管12の内面がモリブデン化合物で被覆されたことを特徴とする固定床反応器10。
【選択図】図1
Description
また、固体触媒の落下充填に際し、触媒の粉化や崩壊を抑制し、反応管の圧力損失を軽減することを目的として、反応管が鉛直方向に対して3〜30°の傾きを有する固定床反応器が開示されている(例えば、特許文献3参照。)。
また、触媒製造や反応器の改造において工夫を行なった場合でも、触媒使用期間内の触媒の活性や選択性は必ずしも十分ではなかった。
ここで、前記反応管を複数配置した多管式であってもよい。
さらに、前記固体粒状触媒がさらにリンおよびバナジウムを含むことが好ましい。
また、前記モリブデン化合物が、モリブデンを含む酸化物であることが好ましい。
また、本発明によれば、触媒の充填状態が改善され、同じ触媒を充填した場合でも、活性や選択性が向上する。
図1は、本発明の固定床反応器の概略図である。この例の固定床反応器10は、固体粒状触媒(以下、単に「触媒」という場合がある。)11が充填された反応管12を備えており、該反応管12に、所定の原料化合物を通過させながら、気相接触反応により原料化合物を酸化させ、目的化合物を得るものである。
また、固定床反応器10は、反応器下部に設けられた原料ガス入口13と、反応器上部に設けられた反応生成物出口14と、反応管12を加熱または除熱するための熱媒体を反応器内に導入する熱媒体入口15と、熱媒体を反応器内から排出する熱媒体出口16とを有して概略構成される。
Moを含む酸化物としては、例えば三酸化モリブデン、ビスマスモリブデート、ニッケルモリブデート、コバルトモリブデート、リンモリブデン酸、バナドリンモリブデン酸などのモリブデンを含むヘテロポリ酸、およびこれらのアルカリ金属塩等が挙げられる。これらのMoを含む酸化物は、1種単独で用いてもよく、2種以上の混合物として用いてもよい。
また、反応管内面を被覆するMo化合物と、反応管に充填される触媒の組成を同じものにする場合は、例えば触媒を反応管に充填し、反応に用いる原料混合ガス等を反応管内に通過させた後、抜き取ることで、反応管内面に触媒と同じ組成のMo化合物を被覆できる。この場合、被覆に用いる原料混合ガスと、実際の反応に用いる原料混合ガスとは同一であってもよく、異なっていてもよいが、同一であることが好ましい。
また、触媒を交換するに際して、反応管内面に被覆されたMo化合物の厚さが厚すぎて、反応管内面の熱伝導率が悪くなる場合には、反応管内の一部または全部を洗浄してもよい。ただし、反応管内面の洗浄工程を行わずに、そのまま次の新品触媒を充填する方が簡便であるため、好ましい。
モリブデンを含む固体粒状触媒は、例えば、イソブチレンおよび/またはtert−ブチルアルコール(以下、「イソブチレン等」という。)からメタクロレイン等への酸化反応、プロピレンからアクロレイン等への酸化反応、メタクロレインからメタクリル酸への酸化反応、アクロレインからアクリル酸への酸化反応等に適している。中でも、イソブチレン等からメタクロレイン等への酸化反応、およびメタクロレインからメタクリル酸への酸化反応に好適である。
MoaBibFecMdXeYfZgSihOi ・・・(1)
PpMoqVrCusXtYuZvOw ・・・(2)
不活性充填材の材質としては、シリカ、アルミナ、シリカ−アルミナ、シリコンカーバイト、酸化チタン、酸化マグネシウム、セラミックボール、ステンレス鋼などが挙げられる。また、不活性充填剤の形状としては、球形粒状、円柱形ペレット状、リング形状、星型状、鞍型状などが挙げられる。
ここで、管理目標量は体積でも質量でもよいが、精度が高くなるという点で、質量で計量することが好ましい。管理目標量が体積の場合、その量は反応管の容積から、一方質量の場合は反応管の容積と、別途予備的に測定される触媒充填密度とから容易に算出される。また、触媒を計量する際には、反応管に充填する触媒量と、それら管理目標量との差は、触媒量の平均値の±10%以内、好ましくは±5%以内とする。反応管に充填する触媒量と管理目標量との差が、この範囲でない場合は、反応管の触媒負荷が不均一となる場合がある。
また、計量した触媒を反応管に全て充填し終わる前に、反応管が満たされる場合には、反応管内での触媒のブリッジ等による充填ミスが考えられるので、その反応管については触媒の再充填を行う必要がある。
なお、触媒の充填長は、図1に示す上部の管理面17からの反応管12の無充填空間の深さを充填前後に測定し、その差として求めることができる。無充填空間の深さは、例えば針金等を差し込み、その針金の長さを測定して求めることができる。
熱媒体としては、例えば溶融塩、スチーム、有機化合物、溶融金属などが挙げられ、特に溶融塩、スチームを使用するのが熱安定性や取り扱い性の上から好ましい。
さらに、本発明によれば、特定の触媒を用いることで、メタクロレイン等またはメタクリル酸等を高収率で製造することができる。
固定床反応器には、溶融塩(硝酸ナトリウム/硝酸カリウム/亜硝酸ナトリウム=1/1/1重量比)を熱媒体とするジャケットを備え、1本の反応管(SUS304管、内径23mm、長さ5m)を備えた、固定床多管式熱交換型反応器を用いた。
実施例および比較例中の原料イソブチレンの反応率、生成する不飽和アルデヒド(メタクロレイン)の選択率、不飽和カルボン酸(メタクリル酸)の選択率、不飽和アルデヒドおよび不飽和カルボン酸の合計収率(以下、合計収率という。)は、下記式(3)〜(6)により算出した。
イソブチレンの反応率(%)=A/B×100 ・・・(3)
不飽和アルデヒドの選択率(%)=C/A×100 ・・・(4)
不飽和カルボン酸の選択率(%)=D/A×100 ・・・(5)
合計収率(%)=(C+D)/B×100 ・・・(6)
ここで、Aは反応した原料イソブチレンのモル数、Bは供給した原料イソブチレンのモル数、Cは生成した不飽和アルデヒドのモル数、Dは生成した不飽和カルボン酸のモル数である。分析はガスクロマトグラフィーを用いて行った。
不飽和アルデヒドの反応率(%)=E/F×100 ・・・(7)
不飽和カルボン酸の選択率(%)=G/E×100 ・・・(8)
不飽和カルボン酸の収率(%)=G/F×100 ・・・(9)
ここで、Eは反応した不飽和アルデヒド(メタクロレイン)のモル数、Fは供給した原料不飽和アルデヒドのモル数、Gは生成した不飽和カルボン酸のモル数である。分析はガスクロマトグラフィーを用いて行った。
下記組成(ただし酸素を除く)の、イソブチレンの気相接触酸化によるメタクロレインおよびメタクリル酸合成用触媒の触媒粉末を調製した。
Mo12.0Bi0.8Fe1.5Sb0.7Co8.0Zn0.1Cs0.4
得られた触媒粉末5000質量部に、有機バインダーであるメチルセルロースと純水1750質量部を加え、混練し、外径5mm、内径2mm、高さ4mmのリング状に押出成形し、固体粒状触媒とした。
次いで、イソブチレン5%、酸素12%、水蒸気10%および窒素73%の原料混合ガスを、原料ガス入口から接触時間4.5秒で反応管に充填された触媒層(下から上)に通過させた。
反応生成物出口から採取したガスを、ガスクロマトグラフィーを用いて分析した結果、イソブチレンの反応率96.9%、メタクロレインの選択率87.5%、メタクリル酸の選択率5.2%、合計収率89.8%であった。結果を表1に示す。
実施例1で得られた固体粒状触媒1200gを反応器の上側開口部より反応管に落下充填した。次いで、反応管外部に設けられた熱媒浴の温度を330℃に設定し、空気を流通させながら、固体粒状触媒中の有機バインダーを除去した後、イソブチレン5%、酸素12%、水蒸気10%および窒素73%の原料混合ガスを、原料ガス入口から接触時間4.5秒で反応管に充填された触媒層(下から上)に通過させた。その後、触媒を抜き取った。この充填、熱処理、反応、抜取りの操作を5回繰り返し、Moを含む固体粒状触媒を1.5mmの厚さで反応管内面に被覆させた。
次いで、再度固体粒状触媒を充填し、固体粒状触媒中の有機バインダーを除去した後、イソブチレン5%、酸素12%、水蒸気10%および窒素73%の原料混合ガスを、原料ガス入口から接触時間4.5秒で反応管に充填された触媒層(下から上)に通過させた。
反応生成物出口から採取したガスを、ガスクロマトグラフィーを用いて分析した結果、イソブチレンの反応率97.2%、メタクロレインの選択率87.7%、メタクリル酸の選択率5.3%、合計収率90.4%であった。結果を表1に示す。
反応管内面を三酸化Moの粉末にて被覆しなかった以外は、実施例1と同様にして、イソブチレンの気相接触酸化を行った。
反応生成物出口から採取したガスを、ガスクロマトグラフィーを用いて分析した結果、イソブチレンの反応率96.5%、メタクロレインの選択率87.2%、メタクリル酸の選択率5.1%、合計収率89.1%、であった。結果を表1に示す。
下記組成(ただし酸素を除く)の、メタクロレインの気相接触酸化によるメタクリル酸合成用触媒の触媒粉末を調製した。
Mo12.0P0.9Cu0.1V0.5Ge0.3Bi0.2Cs1.0
得られた触媒粉末5000質量部を、グラファイト粉末100質量部と混合した後、外径5mm、高さ5mmに打錠成形し、固体粒状触媒とした。
次いで、メタクロレイン5%、酸素12%、水蒸気10%および窒素73%の原料混合ガスを、原料ガス入口から接触時間4.5秒で反応管に充填された触媒層(下から上)に通過させた。
反応生成物出口から採取したガスを、ガスクロマトグラフィーを用いて分析した結果、メタクロレインの反応率86.0%、メタクリル酸の選択率84.4%、メタクリル酸の収率72.6%であった。結果を表2に示す。
実施例3で得られた固体粒状触媒2300gを反応器の上側開口部より反応管に落下充填した。次いで、反応管外部に設けられた熱媒浴の温度を290℃に設定し、メタクロレイン5%、酸素12%、水蒸気10%および窒素73%の原料混合ガスを、原料ガス入口から接触時間4.5秒で反応管に充填された触媒層(下から上)に通過させた。その後、触媒を抜き取った。この充填、反応、抜取りの操作を8回繰り返し、Moを含む固体粒状触媒を1.6mmの厚さで反応管内面に被覆させた。
次いで、再度固体粒状触媒を充填し、反応管外部に設けられた熱媒浴の温度を290℃に設定し、メタクロレイン5%、酸素12%、水蒸気10%および窒素73%の原料混合ガスを、原料ガス入口から接触時間4.5秒で反応管に充填された触媒層(下から上)に通過させた。
反応生成物出口から採取したガスを、ガスクロマトグラフィーを用いて分析した結果、メタクロレインの反応率86.4%、メタクリル酸の選択率84.7%、メタクリル酸の収率73.2%であった。結果を表2に示す。
反応管内面を三酸化Moの粉末にて被覆しなかった以外は、実施例3と同様にして、メタクロレインの気相接触酸化を行った。
反応生成物出口から採取したガスを、ガスクロマトグラフィーを用いて分析した結果、メタクロレインの反応率85.5%、メタクリル酸の選択率83.3%、メタクリル酸の収率71.2%であった。結果を表2に示す。
一方、比較例は、固定床反応器に備わる反応管の内面がMo化合物で被覆されていなかったため、実施例に比べて目的とする反応生成物の選択率、反応率、および収率が低かった。
11:固体粒状触媒
12:反応管
Claims (5)
- 少なくともモリブデンを含む固体粒状触媒が充填された反応管を備えた固定床反応器において、
前記反応管の内面がモリブデン化合物で被覆されたことを特徴とする固定床反応器。 - 前記反応管を複数配置した多管式であることを特徴とする請求項1に記載の固定床反応器。
- 前記固体粒状触媒がさらにビスマスおよび鉄を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の固定床反応器。
- 前記固体粒状触媒がさらにリンおよびバナジウムを含むことを特徴とする請求項1または2に記載の固定床反応器。
- 前記モリブデン化合物が、モリブデンを含む酸化物であることを特徴とする請求項1〜4に記載の固定床反応器。
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JP2011106728A (ja) * | 2009-11-17 | 2011-06-02 | Sumitomo Chemical Co Ltd | 多管式反応器用伝熱管 |
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