JP2013202459A - 複合金属酸化物触媒及び共役ジエンの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】モノオレフィンの酸化反応を行い対応する生成物を製造する際に用いる複合金属酸化物触媒であって、式(1)で表現される成分組成と式(2)で定義されるX線回折ピークの相対強度を有することを特徴とする複合金属酸化物触媒。
MoaBibCocNidFeeXfYgZhSiiOj (1)
0.1<R(=P1/P2)<0.8 (2)
【選択図】なし
Description
即ち、本発明の要旨は、以下の[1]〜[4]に存する。
[1] モノオレフィンの酸化反応を行い対応する生成物を製造する際に用いる複合金属酸化物触媒であって、式(1)で表現される成分組成と式(2)で定義されるX線回折ピークの相対強度を有することを特徴とする複合金属酸化物触媒。
0.1<R(=P1/P2)<0.8 (2)
(式(1)において、Xはマグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、亜鉛(Zn)、
セリウム(Ce)及びサマリウム(Sm)からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、Yはナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)及びタリウム(Tl)からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、Zはホウ素(B)、リン(P)、砒素(As)及びタングステン(W)からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素である。また、a〜jはそれぞれの元素の原子比を表し、a=12のとき、b=0.5〜7、c=0〜10、d=0〜10(但しc+d=1〜10)、e=0.05〜3、f=0〜3、g=0〜2、h=0〜3、i=0〜48の範囲にあり、またjは他の元素の酸化状態を満足させる数値である。)
(式(2)において、P1とP2は、それぞれX線回折図における回折角2θが26.4°と28.2°のピークの強度であり、Rは相対強度である。)
[2] 前記組成式(1)において、a=12のとき、b=0.1〜2であることを特徴とする[1]に記載の複合金属酸化物触媒。
[3] 前記モノオレフィンがブテンであり、前記生成物がブタジエンであることを特徴とする[1]又は[2]に記載の複合金属酸化物触媒。
[4] 触媒の存在下、炭素原子数4以上のモノオレフィンを含む原料ガスと分子状酸素含有ガスとを酸化脱水素反応を行うことにより、対応する共役ジエンを製造するにあたり、該触媒が式(1)で表現される成分組成と式(2)で定義されるX線回折ピークの相対強度を有する複合金属酸化物触媒であることを特徴とする共役ジエンの製造方法。
0.1<R(=P1/P2)<0.8 (2)
(式(1)において、Xはマグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、亜鉛(Zn)、
セリウム(Ce)及びサマリウム(Sm)からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、Yはナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)及びタリウム(Tl)からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、Zはホウ素(B)、リン(P)、砒素(As)及びタングステン(W)からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素である。また、a〜jはそれぞれの元素の原子比を表し、a=12
のとき、b=0.5〜7、c=0〜10、d=0〜10(但しc+d=1〜10)、e=0.05〜3、f=0〜3、g=0〜2、h=0〜3、i=0〜48の範囲にあり、またjは他の元素の酸化状態を満足させる数値である。)
(式(2)において、P1とP2は、それぞれX線回折図における回折角2θが26.4°と28.2°のピークの強度であり、Rは相対強度である。)
[複合金属酸化物触媒]
本発明の複合金属酸化物触媒は、下記組成式(1)で示される成分組成であることを特徴とする。
MoaBibCocNidFeeXfYgZhSiiOj (1)
(式(1)中、Xはマグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、亜鉛(Zn)、セリウム(Ce)及びサマリウム(Sm)からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、Yはナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)及びタリウム(Tl)からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、Zはホウ素(B)、リン(P)、砒素(As)及びタングステン(W)からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素である。また、a〜jはそれぞれの元素の原子比を表し、a=12のとき、b=0.5〜7、c=0〜10、d=0〜10(但しc+d=1〜10)、e=0.05〜3、f=0〜3、g=0〜2、h=0〜3、i=0〜48の範囲にあり、またjは他の元素の酸化状態を満足させる数値である。)
次に本発明に好適な複合金属酸化物触媒の製造方法について説明する。
記後工程で用いられるモリブデンが、モリブデンの全原子比(a)からa1を差し引いた残りの原子比(a2)相当のモリブデンであることが好ましい。また、前記a1が1<a1/(c+d+e)<3を満足する値であることが好ましい。さらに、前記a2が0<a2/b<8を満足する値であることが好ましい。
Moの供給源化合物としては、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、リンモリブデン酸アンモニウム、リンモリブデン酸等が挙げられる。
Coの供給源化合物としては、硝酸コバルト、硫酸コバルト、塩化コバルト、炭酸コバルト、酢酸コバルト等が挙げられる。
Niの供給源化合物としては、硝酸ニッケル、硫酸ニッケル、塩化ニッケル、炭酸ニッケル、酢酸ニッケル等が挙げられる。
Biの供給源化合物としては、塩化ビスマス、硝酸ビスマス、酸化ビスマス、次炭酸ビスマス等が挙げられる。また、X成分(Mg,Ca,Zn,Ce,Smの1種又は2種以上)やY成分(Na,K,Rb,Cs,Tlの1種又は2種以上)を固溶させた、BiとX成分やY成分との複合炭酸塩化合物として供給することもできる。
また、BiとX成分との複合炭酸塩化合物は、炭酸アンモニウム又は重炭酸アンモニウムの水溶液等に、硝酸ビスマス及びX成分の硝酸塩等の水溶性化合物からなる水溶液を滴下混合し、得られた沈殿を水洗、乾燥することによって製造することができる。
その他の成分元素の供給源化合物としては、下記のものが挙げられる。
Kの供給源化合物としては、硝酸カリウム、硫酸カリウム、塩化カリウム、炭酸カリウム、酢酸カリウム等を挙げることができる。
Csの供給源化合物としては、硝酸セシウム、硫酸セシウム、塩化セシウム、炭酸セシウム、酢酸セシウム等を挙げることができる。
Tlの供給源化合物としては、硝酸第一タリウム、塩化第一タリウム、炭酸タリウム、酢酸第一タリウム等を挙げることができる。
Pの供給源化合物としては、リンモリブデン酸アンモニウム、リン酸アンモニウム、リン酸、五酸化リン等を挙げることができる。
Asの供給源化合物としては、ジアルセノ十八モリブデン酸アンモニウム、ジアルセノ十八タングステン酸アンモニウム等を挙げることができる。
Mgの供給源化合物としては、硝酸マグネシウム、硫酸マグネシウム、塩化マグネシウム、炭酸マグネシウム、酢酸マグネシウム等が挙げられる。
Caの供給源化合物としては、硝酸カルシウム、硫酸カルシウム、塩化カルシウム、炭酸カルシウム、酢酸カルシウム等が挙げられる。
Ceの供給源化合物としては、硝酸セリウム、硫酸セリウム、塩化セリウム、炭酸セリウム、酢酸セリウム等が挙げられる。
Smの供給源化合物としては、硝酸サマリウム、硫酸サマリウム、塩化サマリウム、炭酸サマリウム、酢酸サマリウム等が挙げられる。
前工程において用いる原料化合物水溶液は、触媒成分として少なくともモリブデン(全原子比aの内のa1相当)、鉄、ニッケル又はコバルトの少なくとも一方、及びシリカを含む水溶液、水スラリー又はケーキである。
このようにして得られたシリカを含む原料化合物水溶液(スラリー)を60〜90℃に加温し、熟成する。
この熟成とは、上記触媒前駆体用スラリーを所定温度で所定時間、撹拌することをいう。この熟成により、スラリーの粘度が上昇し、スラリー中の固体成分の沈降を緩和し、とりわけ次の乾燥工程での成分の不均一化を抑制するのに有効となり、得られる最終製品である複合酸化物触媒の原料転化率や選択率等の触媒活性がより良好となる。
雑になり、経済性及び操作性の面で著しく不利となる。
上記撹拌方法としては、任意の方法を採用することができ、例えば、撹拌翼を有する撹拌機による方法や、ポンプによる外部循環による方法等が挙げられる。
加熱処理後に得られた触媒前駆体の灼熱減量は、0.5〜5重量%であることが好ましく、1〜3重量%であるのがより好ましい。灼熱減量をこの範囲とすることで、原料転化率や選択率が高い触媒を得ることができる。なお、灼熱減量は、前記のように、次式により与えられる値である。
W0:触媒前駆体を150℃で3時間乾燥して付着水分を除いたものの重量(g)
W1:付着水分を除いた前記触媒前駆体を更に500℃で2時間熱処理した後の
重量(g)
本発明の複合金属酸化物触媒は、式(2)で定義されるX線回折ピークの相対強度を持つ事を特長としている。
(式(2)において、P1とP2は、それぞれX線回折図における回折角2θが26.4°と28.2°のピークの強度であり、Rは相対強度である。)
ここで、X線回折図(XRDと略記する)の回折角2θは、Cu-Kα線を用いて測定され
る角度であり、P1とP2は、それぞれ、2θが26.4°±0.3、28.2°±0.3のピーク強度である。これらの2つのピーク強度は、管電圧40kV、管電流40mA、発散スリット1度、散乱スリット1度、受光スリット0.15mm、スキャン速度1.2度/分およびサンプリング幅0.02度の条件下で測定した時に得られるXRD上のピークについて、以下のように定義される。
.2°±0.3のピークの頂点である。B1、B2、B3およびB4は、それぞれ、2θが
26.1°±0.3の範囲、26.8°±0.3の範囲、27.5°±0.3の範囲および28.7±0.3の範囲におけるXRDの接線の傾きが、2θ軸を基準にして、負から正に変化する点かまたは0に収束する点である。C1はH1から2θ軸に下ろした垂線と線分B1、B2の交点であり、そして、C2はH2から2θ軸に下ろした垂線と線分B2、B3の交点である。式(1)の成分組成で示される触媒で且つ式(2)によって定義される相対強度Rが0.1より大きく0.8より小さい複合金属酸化物触媒は、触媒成分中のモリブデン成分の揮散が少なく、それによるコーキングの発生が抑制された触媒である。
。
本発明の共役ジエンの製造方法は、ブテン(1−ブテン及び/又は2−ブテン等のn−ブテン、イソブテン)、ペンテン、メチルブテン、ジメチルブテン等の炭素原子数4以上、好ましくは炭素原子数4〜6のモノオレフィンの接触酸化脱水素反応による対応する共役ジエンの製造に有効に適用することができる。この中でも、ブテン、更には、n−ブテン(1−ブテン及び/又は2−ブテン)からのブタジエンの製造に最も好適に用いられる。
もよい。窒素ガスは、混合ガスが爆鳴気を形成しないように可燃性ガスと酸素の濃度を調整するという理由から、水(水蒸気)は窒素ガスと同様に可燃性ガスと酸素の濃度を調整するという理由と触媒のコーキングを抑制するという理由から、混合ガスに水(水蒸気)と窒素ガスとを更に混合し反応器に供給するのが好ましい。
また、反応器が固定床反応器の場合、反応器には、上述の酸化脱水素反応触媒を有する触媒層が存在する。その触媒層は、触媒のみからなる層から構成されていても、触媒と該触媒と反応性の無い固形物とを含む層のみから構成されていても、触媒と該触媒と反応性の無い固形物とを含む層と触媒のみからなる層の複数の層から構成されていてもよいが、触媒層が、触媒と該触媒と反応性の無い固形物とを含む層を含むことで、反応時の発熱による触媒層の急激な温度上昇を抑制できるので、触媒層に反応性の無い固形物を有することが好ましい。
、反応器が小さくなる傾向にある。
[実施例1]
複合金属酸化物触媒の調製
パラモリブデン酸アンモニウム54gを純水250mlに70℃に加温して溶解させた。次に、硝酸第二鉄7.18g、硝酸コバルト31.8g及び硝酸ニッケル31.8gを純水60mlに70℃に加温して溶解させた。これらの溶液を、充分に攪拌しながら徐々に混合した。
得られた触媒前駆体の粒状固体(灼熱減量:1.4重量%)を粉砕し、パラモリブデン酸アンモニウム40.1gを純水150mlにアンモニア水10mlを加え溶解した溶液に分散した。次に、純水40mlにホウ砂0.85g及び硝酸カリウム0.36gを25℃の加温下に溶解させて、上記スラリーを加えた。
なお、触媒調製の際のモリブデンの原子比a1とa2は、それぞれ6.9と5.1であった。
を篩い分けた。この触媒を図5に示す装置に10グラム充填し、24.4Nl/hの空気、9
7.6Nl/hの水蒸気を供給し、440℃で43時間の加熱処理を行った。加熱処理終了後の触媒を抜き出してXRD測定を行った。なお、XRDの測定に使用した装置は(株)リガク製
、型式RINT2200を使用した。得られたX線回折図を図2に示す。上述のXRDのP1、P2の測定と同様に算出した。P1、P2はそれぞれ、240、903であった。P1,P2,及びRを表−1に示す。
図6に示す装置を用いて、コーキング実験を行った。内径6mmのガラス製反応管に上述の加熱処理条件と同様の条件で加熱処理を行った触媒を1グラム充填した。原料ガス供給
口から、1,3-ブタジエン、酸素、窒素及び水蒸気を含む混合ガスを2.0NL/hで供給した。この混合ガスの組成を表−2に示す。
電気ヒーターでガラス製反応管を360℃に加熱し、反応管の出口から流出する廃ガスの一部を排出口から排出させながら、上記混合ガスを反応管に48時間流通させた。48時間後に混合ガスの供給を止め、反応管から触媒を取り出し、METTLER(株)社製の熱天
秤(TGA/DSC1型)で空気流通下に昇温し、200〜500℃の間の重量減少を調べた。
結果を表―1に示す。
図6の装置を用いて、複合金属酸化物触媒中のモリブデン成分の揮散量の測定を行った。上述の加熱処理条件と同様の条件で加熱処理を行った複合金属酸化物触媒を0.8g充填し、表−3の組成のガスを450℃で10時間流通させた。触媒層出口でガラス管を切断し
、ガラスに付着したモリブデンをアンモニア溶液(水:アンモニア=1:1)で溶かし出し、日本ジャーレル・アッシュ(株)製の誘導結合プラズマ発光分光装置(IRIS−AP型)を用いてモリブデンの量を分析した。
モリブデンの揮散量の表−1に示す。
実施例1において、複合金属酸化物触媒の水蒸気の加熱処理の時間を158時間に変更し
た以外はすべて同様に実施した。
X線回折図を図3に示す。また、P1、P2、R、コーク付着量測定結果及びモリブデン揮散量を測定した結果を表−1に示す。
実施例1において、複合金属酸化物触媒の水蒸気の加熱処理の時間を326時間に変更した以外は全て同様に実施した。
X線回折図を図4に示す。また、P1、P2、R、コーク付着量測定結果及びモリブデン揮散量を測定した結果を表−1に示す。
実施例1において、水蒸気による加熱処理を実施しない複合金属酸化物触媒を使用した以外は全て同様に実施した。X線回折図を図1に示す。また、P1、P2、R、コーク付着量測定結果及びモリブデン揮散量を測定した結果を表−1に示す。
2 原料ガス供給口
3 温度指示計
4 温度指示計保護管
5 電気ヒーター
6 触媒
7 排出口
Claims (4)
- モノオレフィンの酸化反応を行い対応する生成物を製造する際に用いる複合金属酸化物触媒であって、式(1)で表現される成分組成と式(2)で定義されるX線回折ピークの相対強度を有することを特徴とする複合金属酸化物触媒。
MoaBibCocNidFeeXfYgZhSiiOj (1)
0.1<R(=P1/P2)<0.8 (2)
(式(1)において、Xはマグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、亜鉛(Zn)、
セリウム(Ce)及びサマリウム(Sm)からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、Yはナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)及びタリウム(Tl)からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、Zはホウ素(B)、リン(P)、砒素(As)及びタングステン(W)からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素である。また、a〜jはそれぞれの元素の原子比を表し、a=12のとき、b=0.5〜7、c=0〜10、d=0〜10(但しc+d=1〜10)、e=0.05〜3、f=0〜3、g=0〜2、h=0〜3、i=0〜48の範囲にあり、またjは他の元素の酸化状態を満足させる数値である。)
(式(2)において、P1とP2は、それぞれX線回折図における回折角2θが26.4°と28.2°のピークの強度であり、Rは相対強度である。) - 前記組成式(1)において、a=12のとき、b=0.1〜2であることを特徴とする請求項1に記載の複合金属酸化物触媒。
- 前記モノオレフィンがブテンであり、前記生成物がブタジエンであることを特徴とする請求項1又は2に記載の複合金属酸化物触媒。
- 触媒の存在下、炭素原子数4以上のモノオレフィンを含む原料ガスと分子状酸素含有ガスとを酸化脱水素反応を行うことにより、対応する共役ジエンを製造するにあたり、該触媒が式(1)で表現される成分組成と式(2)で定義されるX線回折ピークの相対強度を有する複合金属酸化物触媒であることを特徴とする共役ジエンの製造方法。
MoaBibCocNidFeeXfYgZhSiiOj (1)
0.1<R(=P1/P2)<0.8 (2)
(式(1)において、Xはマグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、亜鉛(Zn)、
セリウム(Ce)及びサマリウム(Sm)からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、Yはナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)及びタリウム(Tl)からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、Zはホウ素(B)、リン(P)、砒素(As)及びタングステン(W)からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素である。また、a〜jはそれぞれの元素の原子比を表し、a=12のとき、b=0.5〜7、c=0〜10、d=0〜10(但しc+d=1〜10)、e=0.05〜3、f=0〜3、g=0〜2、h=0〜3、i=0〜48の範囲にあり、またjは他の元素の酸化状態を満足させる数値である。)
(式(2)において、P1とP2は、それぞれX線回折図における回折角2θが26.4°と28.2°のピークの強度であり、Rは相対強度である。)
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