JP2012091157A - グリセリン脱水用触媒、ならびに、この触媒を用いたアクロレインの製造方法、アクリル酸の製造方法、および親水性樹脂の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】リン酸の希土類金属塩を含有し、リン(P)と希土類金属(R)とのモル比P/Rが1.0より大きく1.5より小さいグリセリン脱水用触媒。また、この触媒の存在下において、グリセリンを脱水させてアクロレインを得るアクロレインの製造方法。さらに、得られたアクロレインを酸化してアクリル酸を得るアクリル酸の製造方法。さらに、得られたアクリル酸を含む単量体成分を重合する親水性樹脂の製造方法。
【選択図】なし
Description
本発明のグリセリン脱水用触媒は、リン酸の希土類金属塩を含有し、リン(P)と希土類金属(R)とのモル比P/Rが1.0より大きく1.5より小さいところに特徴を有する。本発明の触媒は、リン酸の希土類金属塩を触媒活性成分として有し、リン(P)と希土類金属(R)とのモル比P/Rが所定の範囲内にある限り、他の成分を含有してもよい。触媒に含まれるリン酸の希土類金属塩は、1種のみであってもよく、2種以上であってもよい。
本発明の触媒は、混練法、濃縮法、沈殿法、共沈法、ゾルゲル法、水熱法等の従来公知の触媒調製法により調製することができる。混練法としては、リン酸化合物と希土類金属化合物を含む原料化合物を混練して得られた固形物(触媒前駆体)を焼成する方法を採用すればよい。濃縮法、沈殿法、共沈法、ゾルゲル法、水熱法としては、リン酸化合物と希土類金属化合物を含む原料化合物を溶媒に加え、処理法に応じた物理処理を施すことにより生成した固形物(触媒前駆体)を焼成する方法を採用すればよい。触媒を調製する際のリン酸化合物および希土類金属化合物の使用量は、得られる触媒のモル比P/Rが所定の範囲内になるように、適宜調整すればよい。
本発明のアクロレインの製造方法について説明する。本発明によるアクロレインの製造方法は、本発明のグリセリン脱水用触媒の存在下において、グリセリンを脱水させてアクロレインを得るものである。
を行えば、触媒の表面に付着した炭素状物質を除去して触媒の活性を復活させることができる。再生用ガスとしては、例えば、酸素、酸素を含有する空気等の酸化性ガスが挙げられる。再生用ガスには、必要に応じて、窒素、二酸化炭素、水蒸気等の再生処理に不活性なガスを含有させてもよい。触媒と酸素との接触により、急激な発熱が懸念される場合には、その急激な発熱を抑制するためにも、不活性ガスを再生用ガスに含有させることが推奨される。再生処理の温度は、触媒を熱劣化させることなく、炭素状物質を除去できる温度であれば、特に限定されるものではないが、触媒製造の際の焼成温度以下であることが好ましい。
本発明のアクリル酸の製造方法について説明する。本発明によるアクリル酸の製造方法は、上記のようなアクロレインの製造方法により得られるアクロレインを酸化してアクリル酸を得るものである。すなわち、本発明のアクリル酸の製造方法は、本発明のグリセリン脱水用触媒の存在下において、グリセリンを脱水させてアクロレインを得る工程と、前記アクリロレインを酸化してアクリル酸を得る工程を有する。従って、本発明のアクロレインの製造方法により得られるアクロレインは、アクリル酸の原料として用いることができる。
本発明による親水性樹脂の製造方法は、上記のようなアクリル酸の製造方法により得られたアクリル酸を含む単量体成分を重合するものである。すなわち、本発明の親水性樹脂の製造方法は、本発明のグリセリン脱水用触媒の存在下において、グリセリンを脱水させてアクロレインを得る工程と、前記アクリロレインを酸化してアクリル酸を得る工程と、前記アクリル酸を含む単量体成分を重合する工程を有する。従って、本発明のアクリル酸の製造方法により得られたアクリル酸は、吸水性樹脂や水溶性樹脂等の親水性樹脂の原料として用いることができる。
(1−1) 触媒の製造
実施例1(ゾルゲル法による触媒の製造例)
Nd(NO3)3水溶液(信越化学工業社製、Nd2O3換算濃度:221g/kg)461.14gに蒸留水1800gを加えた後、得られた水溶液を撹拌しながら、ここに、高速液体クロマトグラフ用ポンプ(日立製作所社製「L7110」)を用いて、28質量%アンモニア水187.58gを3時間かけて一定速度で滴下した。滴下後、この溶液を撹拌しながら15時間放置して熟成させることにより、ネオジム水酸化物を含有する溶液を得た。この溶液に、この溶液を撹拌しながら、高速液体クロマトグラフ用ポンプを用いて、リン酸水溶液(H3PO4濃度:85質量%)78.22gを3時間かけて一定速度で滴下した。滴下後、この溶液を撹拌しながら15時間放置し、リン酸とネオジム(希土類金属)を含有するゾルまたはゲル状物を得た。このゾルまたはゲル状物を、0.005MPa、60℃の条件で脱水した後、空気雰囲気下、120℃で10時間乾燥した。得られた乾燥物を、乾燥物中に存在していると考えられる含窒素成分を分解除去する目的で、450℃の窒素雰囲気に10時間置き(前加熱処理)、その後、空気雰囲気下、1000℃で5時間焼成することにより焼成物を得た。この焼成物を粉砕して、目開き0.7mmおよび2.0mmの篩を用いて篩い分けし、0.7〜2.0mmの範囲に分級された焼成物を触媒とした。得られた触媒は、リン酸の希土類金属塩であるリン酸ネオジム塩を含有するグリセリン脱水用触媒である。
Nd(NO3)3水溶液、アンモニア水、リン酸水溶液の使用量を表1に記載した量に変更したこと以外は、実施例1と同様にして触媒を製造した。得られた触媒は、リン酸の希土類金属塩であるリン酸ネオジム塩を含有するグリセリン脱水用触媒である。
微粉砕した酸化ネオジム(関東化学社製)69.34gとリン酸水素二アンモニウム57.61gを順次乳鉢に秤量し、乳棒で30分間粉砕しながら混合した。得られた混合物を、空気雰囲気下、120℃で24時間乾燥させた。得られた乾燥物を、乾燥物中に存在していると考えられる含窒素成分を分解除去する目的で、450℃の空気雰囲気下に10時間置き(前加熱処理)、その後、空気雰囲気下、1000℃で5時間焼成することにより焼成物を得た。この焼成物を、目開き0.7mmおよび2.0mmの篩を用いて篩い分けし、0.7〜2.0mmの範囲に分級された焼成物を触媒とした。得られた触媒は、リン酸の希土類金属塩であるリン酸ネオジム塩を含有するグリセリン脱水用触媒である。
酸化ネオジムおよびリン酸水素二アンモニウムの使用量を表2に記載した量に変更したこと以外は、実施例3と同様にして触媒を製造した。得られた触媒は、リン酸の希土類金属塩であるリン酸ネオジム塩を含有するグリセリン脱水用触媒である。
実施例1においてNd(NO3)3水溶液461.14gに蒸留水1800gを加えて得られた水溶液を用いる代わりに、硝酸イットリウム(キシダ化学社製)200.8gに蒸留水820.0gを加えて得られた水溶液を用い、アンモニア水、リン酸水溶液の使用量を表3に記載した量に変更したこと以外は、実施例1と同様にして触媒を製造した。得られた触媒は、リン酸の希土類金属塩であるリン酸イットリウム塩を含有するグリセリン脱水用触媒である。
硝酸イットリウム、蒸留水、アンモニア水、リン酸水溶液の使用量を表3に記載した量に変更したこと以外は、実施例6と同様にして触媒を製造した。なお、比較例5では、焼成は1100℃で行った。
硝酸イットリウムの代わりに硝酸セリウムを表4に記載した量使用し、蒸留水、アンモニア水、リン酸水溶液の使用量を表4に記載した量に変更したこと以外は、実施例6と同様にして触媒を製造した。得られた触媒は、リン酸の希土類金属塩であるリン酸セリウム塩を含有するグリセリン脱水用触媒である。
上記(1−1)に記した実施例1〜9および比較例1〜8で製造した触媒を使用して、次に示す常圧気相固定床流通反応形式により、グリセリンを脱水してアクロレインを製造した。触媒15mLをステンレス製反応管(内径10mm、長さ500mm)に充填して固定床反応器を準備し、この反応器を360℃の塩浴に浸漬した。その後、反応器内に窒素ガスを流量62mL/minで30分間流通させた後、80質量%グリセリン水溶液の気化ガスと窒素ガスとからなる反応ガス(反応ガス組成:グリセリン27モル%、水34モル%、窒素39モル%)を流量(GHSV)640hr-1で流通させた。反応器に反応ガスを流通させてから2.5〜3.0時間の30分間における反応器からの流出ガスを、アセトニトリル中に冷却吸収して捕集した。なお、以下では「捕集した流出ガスの冷却吸収物」を「流出物」ということがある。
GLY転化率(%)=(1−(流出物中のグリセリンのモル数)/(30分間で反応器に流入させたグリセリンのモル数))×100
ACR選択率(%)=((アクロレインのモル数)/(30分間に反応器に流入させたグリセリンのモル数))×100/グリセリン転化率×100
PALD選択率(%)=((プロピオンアルデヒドのモル数)/(30分間に反応器に流入させたグリセリンのモル数))×100/グリセリン転化率×100
実施例10
グリセリン脱水用触媒として、上記実施例1で得られた触媒を用い、上記(1−2)に記載した方法に従いアクロレインを製造した。ただし、反応器には反応ガスを24時間流通させた。この間、反応器に反応ガスを流通させてから所定時間(3,5,7,9,18または24時間)経過前から30分間における反応器からの流出ガスをアセトニトリル中に冷却吸収して捕集し、各々の所定時間における流出物の定性および定量分析を行った。
実施例10において、グリセリン脱水用触媒として上記実施例2で得られた触媒を用いた以外は、実施例10と同様にアクロレインを製造し、性能評価を行った。
実施例10において、グリセリン脱水用触媒として上記比較例4で得られた触媒を用いた以外は、実施例10と同様にアクロレインを製造し、性能評価を行った。
グリセリン脱水用触媒の初期性能評価に係る実験結果を表5に、寿命評価に係る実験結果を表6に示す。表5から分かるように、リン酸希土類金属塩としてリン酸ネオジム塩を含有し、リン(P)と希土類金属(R)とのモル比P/Rが1.0より大きい触媒を用いた場合(実施例1〜5、比較例4)、アクロレイン(ACR)選択率を比較的高く維持しつつ、プロピオンアルデヒド(PALD)選択率を低く抑えることができる。モル比P/Rが1.0より大きい触媒(実施例1〜5、比較例4)は、モル比P/Rが1.0以下の触媒(比較例1〜3)と比べて、プロピオンアルデヒド(PALD)選択率が約1/4以下に低減した。リン酸の希土類金属塩としてリン酸イットリウム塩またはリン酸セリウム塩を含有し、リン(P)と希土類金属(R)とのモル比P/Rが1.0より大きい触媒を用いた場合(実施例6〜9、比較例6,8)も、アクロレイン(ACR)選択率を比較的高く維持しつつ、プロピオンアルデヒド(PALD)選択率を低く抑えることができた。モル比P/Rが1.0より大きい触媒(実施例6〜9、比較例6,8)は、モル比P/Rが1.0以下の触媒(比較例5,7)と比べて、プロピオンアルデヒド(PALD)選択率が低減した。
下記に示す工程で、グリセリンからアクリル酸の製造を行った。
(i)前段反応工程:グリセリンを脱水してプロピオンアルデヒドとアクロレインとを含む反応生成物を得た。
(ii)前段精製工程:(i)で得られた反応生成物を精製して後段反応に供することができるプロピオンアルデヒドとアクロレインとを含む組成物を得た。
(iii)後段反応工程:(ii)で得られた組成物を酸化反応に供して粗製アクリル酸を含む反応生成物を得た。
(iv)後段精製工程:(iii)で得られた反応生成物を蒸留して粗製アクリル酸を得た後、この粗製アクリル酸を晶析により精製してアクリル酸を得た。
以下、上記の各工程を順に説明する。
前段反応に用いた触媒(前段反応触媒)として、実施例1に示した触媒を使用した。この触媒50mLをステンレス製反応管(内径25mm、長さ500mm)に充填し、固定床反応器として準備し、この反応器を360℃のナイターバス中に設置した。反応器出口部には、コンデンサーを設け、約4℃の冷却水を流した。反応系を真空ポンプで62kPaまで減圧し、圧力の調整には、真空一定装置を用いた。その後、グリセリン含有ガスを反応器内に流通させた。ここでグリセリン含有ガスとして、グリセリン44容量%、水56容量%からなる混合ガスを、ガス空間速度(GHSV)420hr-1の流量で流通させた。グリセリン含有ガスの流通開始から24時間供給し、反応器から流出するガスをコンデンサーで全て凝縮させ、氷浴で冷却した受器に回収した。回収された反応生成物の重量は1088gであり、供給原料の98質量%であった。得られた反応生成物をガスクロマトグラフィで定量分析した結果、反応生成物中、アクロレイン34質量%、プロピオンアルデヒド0.4質量%、1−ヒドロキシアセトン8.0質量%、水45質量%、重質分12.6質量%であった。
(i)で得られた反応生成物を常圧条件下、0.48kg/hで10段のオールダーショウ式連続蒸留塔の5段目に供給し、ボトム温度96℃、還流比2の条件で運転した。塔頂から、アクロレイン97質量%、プロピオンアルデヒド0.3質量%、水3質量%を含む留出液を0.16kg/hで得た。
後段反応に用いた酸化触媒(後段反応触媒)は、次のように調製した。加熱撹拌している水2500mLにパラモリブデン酸アンモニウム350g、メタバナジン酸アンモニウム116gおよびパラタングステン酸アンモニウム44.6gを溶解させた後、三酸化バナジウム1.5gを添加した。これとは別に、加熱撹拌している水750mLに硝酸銅87.8gを溶解させた後、酸化第一銅1.2gおよび三酸化アンチモン29gを添加した。これら2つの液を混合した後、担体である直径3〜5mmの球状α−アルミナ1000mLを加え、撹拌しながら蒸発乾固させて触媒前駆体を得た。この触媒前駆体を400℃で6時間焼成してアクリル酸製造用酸化触媒を調製した。なお、アクリル酸製造用酸化触媒の担持金属組成は、Mo12V6.1W1Cu2.3Sb1.2である。
(iii)で得られた反応生成物を段数10の蒸留塔の5段目に0.2kg/hで供給し、還流比1、塔頂からの留出量0.070kg/hの条件で連続蒸留を行った。その結果、塔底より、アクリル酸88.4質量%、プロピオン酸0.24質量%、酢酸1.02質量%、ギ酸0.05質量%、水10.3質量%の組成を有する粗製アクリル酸を0.140kg/hで得た。この粗製アクリル酸を、母液として、室温(約15℃)〜−5.5℃の温度範囲まで冷却して結晶を析出させ、同温度で保持した後、吸引濾過により結晶を液体から分離する晶析操作を行った。分離した結晶を融解させてから、一部をサンプリングして分析し、残りを母液として室温(約15℃)〜5.0℃の温度範囲まで冷却して結晶を析出させ、同温度で保持した後、吸引濾過により結晶を液体から分離する晶析操作を行った。合計2回の晶析操作により、最終的に、純度99.9質量%以上のアクリル酸を得ることができた。結果を表7に示す。なお、プロピオン酸は検出限界(1ppm)以下であった。
アクリル酸の製造例において、2回目の晶析操作で得られた酢酸およびプロピオン酸の合計量が200質量ppmのアクリル酸に重合禁止剤を60質量ppm含有するアクリル酸を調製した。別途、鉄を0.2質量ppm含有する水酸化ナトリウムから得られたNaOH水溶液に対して、上記のアクリル酸を冷却下(液温35℃)で添加することにより、75モル%中和を行なった。アクリル酸や水中の鉄は検出限界以下であり、よって、単量体の鉄含有量は計算値で約0.07質量ppmであった。
Claims (5)
- リン酸の希土類金属塩を含有するグリセリン脱水用触媒であって、
リン(P)と希土類金属(R)とのモル比P/Rが1.0より大きく1.5より小さいことを特徴とするグリセリン脱水用触媒。 - 前記希土類金属がイットリウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、およびガドリニウムよりなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項1に記載のグリセリン脱水用触媒。
- 請求項1または2に記載の触媒の存在下において、グリセリンを脱水させてアクロレインを得ることを特徴とするアクロレインの製造方法。
- 請求項3に記載の製造方法で得られるアクロレインを酸化してアクリル酸を得ることを特徴とするアクリル酸の製造方法。
- 請求項4に記載の製造方法により得られるアクリル酸を含む単量体成分を重合することを特徴とする親水性樹脂の製造方法。
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