JP2014189543A - 共役ジエンの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ｎ−ブテン等のモノオレフィンの接触酸化脱水素反応によりブタジエン等の共役ジエンを製造する方法において、継続的に触媒を使用する際に、触媒上へのコーキングを抑制し、より安定的に高い収率で安定的にブタジエン等の共役ジエンの製造を行うことができる方法を提供することを目的とする。
【解決手段】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混合して得られる混合ガスを反応器に供給する工程と、触媒の存在下、前記炭素原子数４以上のモノオレフィンの酸化脱水素反応により生成した対応する共役ジエンを含む生成ガスを得る工程とを有する共役ジエンの製造方法において、前記混合ガス中の直鎖状の炭素原子数４以上のモノオレフィンの濃度が１体積％以上であって、かつ、前記反応器に窒素と二酸化炭素を含む不活性ガスを供給することを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】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混合して得られる混合ガスを反応器に供給する工程と、触媒の存在下、前記炭素原子数４以上のモノオレフィンの酸化脱水素反応により生成した対応する共役ジエンを含む生成ガスを得る工程とを有する共役ジエンの製造方法において、前記混合ガス中の直鎖状の炭素原子数４以上のモノオレフィンの濃度が１体積％以上であって、かつ、前記反応器に窒素と二酸化炭素を含む不活性ガスを供給することを特徴とする。
【選択図】図１
Description
本発明は、共役ジエンの製造方法にかかり、特にｎ−ブテン等の炭素原子数４以上のモノオレフィンの接触酸化脱水素反応により、ブタジエン等の共役ジエンを製造する方法に関する。
ｎ−ブテン等のモノオレフィンを触媒の存在下に酸化脱水素反応させてブタジエン（以下、「ＢＤ」と称す場合がある。）等の共役ジエンを製造する方法としては、下記の反応式に従う接触酸化脱水素反応等があげられる。この反応においては、水が副生する。
Ｃ４Ｈ８＋１／２Ｏ２→Ｃ４Ｈ６＋Ｈ２Ｏ
Ｃ４Ｈ８＋１／２Ｏ２→Ｃ４Ｈ６＋Ｈ２Ｏ
この接触酸化脱水素反応によるブタジエンの工業的な製造法として、ナフサ分解で副生するＣ４留分（炭素原子数４の炭化水素の混合物。以下、「ＢＢ」と称す場合がある。）からのブタジエンの抽出分離プロセスにおいて、抽出蒸留塔でブタジエンを分離して得られた、１−ブテンの他、２−ブテン等を含む混合物（以下、この混合物を「ＢＢＳＳ」と称す場合がある。）を、原料として用い、このＢＢＳＳ中に含まれるブテンからブタジエンを製造する方法が提案されている。
例えば、特許文献１には、モリブデン、ビスマス及び鉄を含む酸化物触媒の存在下で流動床反応器を用いて、炭素数４以上のモノオレフィンと酸素とを接触させて共役ジエンを製造する方法において、反応温度が３００〜４２０℃であって、且つ反応器の出口ガス中の酸素濃度が０．０５〜０．７体積％である共役ジエンの製造方法が記載されている。
また、特許文献２には、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混合して反応器に供給する工程と、触媒の存在下、前記炭素原子数４以上のモノオレフィンの酸化脱水素反応により生成した対応する共役ジエンを含む生成ガスを得る工程とを有する共役ジエンの製造方法において、反応器に供給されるガス中の可燃性ガスの濃度が爆発上限界以上であり、かつ、前記生成ガス中の酸素濃度が２．５容量％以上８．０容量％以下である共役ジエンの製造方法が記載されている。
ところで、特許文献２に記載されているように、酸化脱水素反応においては、原料の炭化水素などの可燃性ガスと酸素とを含むガスを使用するため、反応中での爆発を回避しなければならない。爆発を回避する方法の一つとして、ガス中の可燃性ガス濃度を、可燃性ガスの組成、酸素及びイナートガスから決定される爆発範囲から外すことが考えられる。そのため、原料ガス中のｎ−ブテンなどのモノオレフィンの濃度が高い場合、生成ガス中の限界酸素濃度の制約があるため、出口での酸素濃度を下げざるを得なかった。
特許文献２に記載の方法である程度は触媒上へのコーキングが抑制できていたが、ｎ−ブテンなどの原料ガス中の直鎖状のモノオレフィンの濃度が高い原料ガスを使用すると、触媒へのコーキングが発生することがあった。また爆発下限界以下の可燃性ガス濃度で爆発を回避する場合には生産効率が低下する問題があった。
本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであって、ｎ−ブテン等のモノオレフィンの接触酸化脱水素反応によりブタジエン等の共役ジエンを製造する方法において、継続的に触媒を使用する際に、触媒上へのコーキングを抑制し、より安定的に高い収率で安定的にブタジエン等の共役ジエンの製造を行うことができる方法を提供することを目的とする。
本発明者等は上記課題を解決すべく鋭意検討を行なった結果、特許文献２に示されるような、可燃性ガス（ブタジエン）−空気−イナートガスの爆発範囲を示した三成分図で示される爆発限界から決定される限界酸素濃度が使用するイナートガスの種類によっては、この限界酸素濃度の領域が従来よりも大きくなることがわかった。それによって、原料ガス中のｎ−ブテン等の直鎖状のモノオレフィン濃度が高い場合であっても、生成ガス中の酸素濃度を高めることが出来、コーキングを抑制できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は下記の共役ジエンの製造方法に関する。
［１］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混合して得られる混合ガスを反応器に供給する工程と、触媒の存在下、前記炭素原子数４以上のモノオレフィンの酸化脱水素反応により生成した対応する共役ジエンを含む生成ガスを得る工程とを有する共役ジエンの製造方法において、前記混合ガス中の直鎖状の炭素原子数４以上のモノオレフィンの濃度が１体積％以上であって、かつ、前記反応器に窒素と二酸化炭素を含む不活性ガスを供給することを特徴とする共役ジエンの製造方法。
［２］前記触媒が、少なくともモリブデン、ビスマス及びコバルトを含有する複合酸化物触媒であることを特徴とする［１］に記載の共役ジエンの製造方法。
［３］前記原料ガスが、エチレンの２量化により得られる１−ブテン、シス−２−ブテン、トランス−２−ブテン若しくはこれらの混合物を含有するガス、ｎ−ブタンの脱水素若しくは酸化脱水素反応により生成するブテン留分、又は重油留分を流動接触分解する際に得られる炭素原子数が４の炭化水素を含むガスであることを特徴とする［１］又は［２］に記載の共役ジエンの製造方法。
すなわち、本発明は下記の共役ジエンの製造方法に関する。
［１］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混合して得られる混合ガスを反応器に供給する工程と、触媒の存在下、前記炭素原子数４以上のモノオレフィンの酸化脱水素反応により生成した対応する共役ジエンを含む生成ガスを得る工程とを有する共役ジエンの製造方法において、前記混合ガス中の直鎖状の炭素原子数４以上のモノオレフィンの濃度が１体積％以上であって、かつ、前記反応器に窒素と二酸化炭素を含む不活性ガスを供給することを特徴とする共役ジエンの製造方法。
［２］前記触媒が、少なくともモリブデン、ビスマス及びコバルトを含有する複合酸化物触媒であることを特徴とする［１］に記載の共役ジエンの製造方法。
［３］前記原料ガスが、エチレンの２量化により得られる１−ブテン、シス−２−ブテン、トランス−２−ブテン若しくはこれらの混合物を含有するガス、ｎ−ブタンの脱水素若しくは酸化脱水素反応により生成するブテン留分、又は重油留分を流動接触分解する際に得られる炭素原子数が４の炭化水素を含むガスであることを特徴とする［１］又は［２］に記載の共役ジエンの製造方法。
本発明によれば、炭素原子数４以上のモノオレフィンの酸化脱水素反応により共役ジエンを製造するにあたり、反応系の限界酸素濃度の領域を従来よりも大きくなるので、原料ガス中のｎ−ブテン等の直鎖状のモノオレフィン濃度が高い場合であっても、爆発限界から外すことができる。このため、原料ガス中のｎ−ブテン等の直鎖状のモノオレフィン濃度を高くすることができ、反応器内の触媒にコークのような炭素分が蓄積するのを抑制でき、より安定的にプラントの連続運転が可能となる。
以下に本発明の共役ジエンの製造方法の実施の形態を詳細に説明するが、以下に記載する説明は、本発明の実施態様の一例（代表例）であり、本発明はこれらの内容に限定されない。
本発明では、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触媒層を有する反応器に供給し、酸化脱水素反応により対応する共役ジエンを製造する。
本発明では、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触媒層を有する反応器に供給し、酸化脱水素反応により対応する共役ジエンを製造する。
＜炭素原子数４以上のモノオレフィンを含む原料ガス＞
本発明の原料ガスは炭素原子数４以上のモノオレフィンを含むが、炭素原子数４以上のモノオレフィンとしては、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のモノオレフィンが挙げられ、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、ｎ−ブテン（１−ブテン及び／又は２−ブテン等のｎ−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。
また、炭素原子数４以上のモノオレフィンを含む原料ガスとしては、単離した炭素原子数４以上のモノオレフィンそのものを使用する必要はなく、必要に応じて任意の混合物の形で用いることができる。例えばブタジエンを得ようとする場合には高純度のｎ−ブテン（１−ブテン及び／又は２−ブテン）を原料ガスとすることもできるが、前述のナフサ分解で副生するＣ４留分（ＢＢ）からブタジエン及びｉ−ブテン（イソブテン）を分離して得られるｎ−ブテン（１−ブテン及び／又は２−ブテン）を主成分とする留分（ＢＢＳＳ）やｎ−ブタンの脱水素又は酸化脱水素反応により生成するブテン留分を使用することもできる。また、エチレンの２量化により得られる高純度の１−ブテン、シス−２−ブテン、トランス−２−ブテン又はこれらの混合物を含有するガスを原料ガスとして使用しても差し支えない。
本発明の原料ガスは炭素原子数４以上のモノオレフィンを含むが、炭素原子数４以上のモノオレフィンとしては、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のモノオレフィンが挙げられ、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、ｎ−ブテン（１−ブテン及び／又は２−ブテン等のｎ−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。
また、炭素原子数４以上のモノオレフィンを含む原料ガスとしては、単離した炭素原子数４以上のモノオレフィンそのものを使用する必要はなく、必要に応じて任意の混合物の形で用いることができる。例えばブタジエンを得ようとする場合には高純度のｎ−ブテン（１−ブテン及び／又は２−ブテン）を原料ガスとすることもできるが、前述のナフサ分解で副生するＣ４留分（ＢＢ）からブタジエン及びｉ−ブテン（イソブテン）を分離して得られるｎ−ブテン（１−ブテン及び／又は２−ブテン）を主成分とする留分（ＢＢＳＳ）やｎ−ブタンの脱水素又は酸化脱水素反応により生成するブテン留分を使用することもできる。また、エチレンの２量化により得られる高純度の１−ブテン、シス−２−ブテン、トランス−２−ブテン又はこれらの混合物を含有するガスを原料ガスとして使用しても差し支えない。
なお、このエチレンはエタン脱水素、エタノール脱水、又はナフサ分解などの方法で得られるエチレンを使用することができる。更に、石油精製プラントなどで原油を蒸留した際に得られる重油留分を、流動層状態で粉末状の固体触媒を使って分解し、低沸点の炭化水素に変換する流動接触分解(Fluid Catalytic Cracking)から得られる炭素原子数４の炭化水素類を多く含むガス（以下、ＦＣＣ−Ｃ４と略記することがある）をそのまま原料ガスとする、又は、ＦＣＣ−Ｃ４からリンや砒素などの不純物を除去したものを原料ガスとして使用しても差し支えない。なお、ここでいう、主成分とは、原料ガスに対して、通常４０体積％以上、好ましくは６０体積％以上、より好ましくは７５体積％以上、特に好ましくは９９体積％以上を示す。
また、本発明の原料ガス中には、本発明の効果を阻害しない範囲で、任意の不純物を含んでいても良い。ｎ−ブテン（１−ブテン及び２−ブテン）からブタジエンを製造する場合、含んでいても良い不純物として、具体的には、イソブテンなどの分岐型モノオレフィン；プロパン、ｎ−ブタン、ｉ−ブタン、ペンタンなどの飽和炭化水素；プロピレン、ペンテンなどのオレフィン；１，２−ブタジエンなどのジエン；メチルアセチレン、ビニルアセチレン、エチルアセチレンなどのアセチレン類等が挙げられる。この不純物の量は、通常４０％以下、好ましくは２０％以下、より好ましくは１０％以下、特に好ましくは１％以下である。この量が多すぎると、主原料である１−ブテンや２−ブテンの濃度が下がって反応が遅くなったり、目的生成物であるブタジエンの収率が低下する傾向にある。また、本発明では、原料ガス中の炭素原子数４以上の直鎖型モノオレフィンの濃度は、特に限定されないが、通常は、５０．００〜９９．９９ｖｏｌ％であり、好ましくは、５５．００〜９９．９ｖｏｌ％、更に好ましくは、６０．００〜９９．９ｖｏｌ％である。
＜酸化脱水素反応触媒＞
次に、本発明で好適に用いられる酸化脱水素反応触媒について説明する。本発明で用いる酸化脱水素触媒は、少なくともモリブデン、ビスマス及びコバルトを含有する複合酸化物触媒であることが好ましい。そして、この中でも、下記一般式（１）で表される複合酸化物触媒であることがより好ましい。
次に、本発明で好適に用いられる酸化脱水素反応触媒について説明する。本発明で用いる酸化脱水素触媒は、少なくともモリブデン、ビスマス及びコバルトを含有する複合酸化物触媒であることが好ましい。そして、この中でも、下記一般式（１）で表される複合酸化物触媒であることがより好ましい。
ＭｏａＢｉｂＣｏｃＮｉｄＦｅｅＸｆＹｇＺｈＳｉｉＯｊ （１）
なお、式中、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種の元素である。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種の元素である。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。
さらに、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＝０〜２、ｇ＝０．０４〜２、ｈ＝０〜３、ｉ＝５〜４８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。
なお、式中、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種の元素である。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種の元素である。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。
さらに、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＝０〜２、ｇ＝０．０４〜２、ｈ＝０〜３、ｉ＝５〜４８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。
また、この複合酸化物触媒は、この複合酸化物触媒を構成する各成分元素の供給源化合物を水系内で一体化して加熱する工程を経て製造する方法がよい。例えば、前記各成分元素の供給源化合物の全部を水系内で一体化して加熱してもよい。
その中でも、モリブデン化合物、鉄化合物、ニッケル化合物及びコバルト化合物よりなる群から選ばれる少なくとも１種とシリカとを含む原料化合物の水溶液若しくは水分散液、又はこれを乾燥して得た乾燥物を加熱処理して触媒前駆体を製造する前工程と、この触媒前駆体、モリブデン化合物及びビスマス化合物を水性溶媒とともに一体化し、乾燥、焼成する後工程とを有する方法で製造するのが好ましい。この方法を用いると、得られた複合酸化物触媒は、高い触媒活性を発揮するので、高収率でブタジエン等の共役ジエンを製造することができ、アルデヒド類含有量の少ない反応生成ガスを得ることができる。なお、水性溶媒とは、水、又はメタノール、エタノール等の水と相溶性を有する有機溶媒、又はこれらの混合物をいう。
その中でも、モリブデン化合物、鉄化合物、ニッケル化合物及びコバルト化合物よりなる群から選ばれる少なくとも１種とシリカとを含む原料化合物の水溶液若しくは水分散液、又はこれを乾燥して得た乾燥物を加熱処理して触媒前駆体を製造する前工程と、この触媒前駆体、モリブデン化合物及びビスマス化合物を水性溶媒とともに一体化し、乾燥、焼成する後工程とを有する方法で製造するのが好ましい。この方法を用いると、得られた複合酸化物触媒は、高い触媒活性を発揮するので、高収率でブタジエン等の共役ジエンを製造することができ、アルデヒド類含有量の少ない反応生成ガスを得ることができる。なお、水性溶媒とは、水、又はメタノール、エタノール等の水と相溶性を有する有機溶媒、又はこれらの混合物をいう。
次に、本発明に好適な複合酸化物触媒の製造方法について説明する。
まず、この複合酸化物触媒の製造方法においては、前記前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）の内の一部の原子比（ａ１）相当のモリブデンであり、前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。そして、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く、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。
前記成分元素の供給源化合物としては、成分元素の酸化物、硝酸塩、炭酸塩、アンモニウム塩、水酸化物、カルボン酸塩、カルボン酸アンモニウム塩、ハロゲン化アンモニウム塩、水素酸、アセチルアセトナート、アルコキシド等が挙げられ、その具体例としては、下記のようなものが挙げられる。
まず、この複合酸化物触媒の製造方法においては、前記前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）の内の一部の原子比（ａ１）相当のモリブデンであり、前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。そして、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く、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。
前記成分元素の供給源化合物としては、成分元素の酸化物、硝酸塩、炭酸塩、アンモニウム塩、水酸化物、カルボン酸塩、カルボン酸アンモニウム塩、ハロゲン化アンモニウム塩、水素酸、アセチルアセトナート、アルコキシド等が挙げられ、その具体例としては、下記のようなものが挙げられる。
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。
Ｆｅの供給源化合物としては、硝酸第二鉄、硫酸第二鉄、塩化第二鉄、酢酸第二鉄等が挙げられる。
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。
Ｓｉの供給源化合物としては、シリカ、粒状シリカ、コロイダルシリカ、ヒュームドシリカ等が挙げられる。
Ｆｅの供給源化合物としては、硝酸第二鉄、硫酸第二鉄、塩化第二鉄、酢酸第二鉄等が挙げられる。
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。
Ｓｉの供給源化合物としては、シリカ、粒状シリカ、コロイダルシリカ、ヒュームドシリカ等が挙げられる。
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。
例えば、Ｙ成分としてＮａを用いた場合、ＢｉとＮａとの複合炭酸塩化合物は、炭酸ナトリウム又は重炭酸ナトリウムの水溶液等に、硝酸ビスマス等の水溶性ビスマス化合物の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。
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。
前記炭酸アンモニウム又は重炭酸アンモニウムの代わりに、炭酸ナトリウム又は重炭酸ナトリウムを用いると、Ｂｉ、Ｎａ及びＸ成分との複合炭酸塩化合物を製造することができる。
例えば、Ｙ成分としてＮａを用いた場合、ＢｉとＮａとの複合炭酸塩化合物は、炭酸ナトリウム又は重炭酸ナトリウムの水溶液等に、硝酸ビスマス等の水溶性ビスマス化合物の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。
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。
前記炭酸アンモニウム又は重炭酸アンモニウムの代わりに、炭酸ナトリウム又は重炭酸ナトリウムを用いると、Ｂｉ、Ｎａ及びＸ成分との複合炭酸塩化合物を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。
Ｒｂの供給源化合物としては、硝酸ルビジウム、硫酸ルビジウム、塩化ルビジウム、炭酸ルビジウム、酢酸ルビジウム等を挙げることができる。
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。
Ｒｂの供給源化合物としては、硝酸ルビジウム、硫酸ルビジウム、塩化ルビジウム、炭酸ルビジウム、酢酸ルビジ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。
Ｂの供給源化合物としては、ホウ砂、ホウ酸アンモニウム、ホウ酸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。
Ｂの供給源化合物としては、ホウ砂、ホウ酸アンモニウム、ホウ酸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。
Ｗの供給源化合物としては、パラタングステン酸アンモニウム、三酸化タングステン、タングステン酸、リンタングステン酸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。
Ｗの供給源化合物としては、パラタングステン酸アンモニウム、三酸化タングステン、タングステン酸、リンタングステン酸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。
Ｚｎの供給源化合物としては、硝酸亜鉛、硫酸亜鉛、塩化亜鉛、炭酸亜鉛、酢酸亜鉛等が挙げられる。
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。
Ｚｎの供給源化合物としては、硝酸亜鉛、硫酸亜鉛、塩化亜鉛、炭酸亜鉛、酢酸亜鉛等が挙げられる。
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。
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の水溶液又は水分散液は、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。
この原料化合物の水溶液又は水分散液の調製は、供給源化合物の水性系での一体化により行われる。ここで各成分元素の供給源化合物の水性系での一体化とは、各成分元素の供給源化合物の水溶液あるいは水分散液を一括に、あるいは段階的に混合及び熟成処理のうち少なくとも一方を行うことをいう。即ち、（イ）前記の各供給源化合物を一括して混合する方法、（ロ）前記の各供給源化合物を一括して混合し、そして熟成処理する方法、（ハ）前記の各供給源化合物を段階的に混合する方法、（ニ）前記の各供給源化合物を段階的に混合・熟成処理を繰り返す方法、及び（イ）〜（ニ）を組み合わせる方法のいずれもが、各成分元素の供給源化合物の水性系での一体化という概念に含まれる。ここで、熟成とは、工業原料もしくは半製品を、一定時間、一定温度等の特定条件のもとに処理して、必要とする物理性、化学性の取得、上昇あるいは所定反応の進行等を図る操作をいい、一定時間とは、通常１０分〜２４時間の範囲であり、一定温度とは通常室温〜水溶液又は水分散液の沸点範囲をいう。
前記の一体化の具体的な方法としては、例えば、触媒成分から選ばれた酸性塩を混合して得られた溶液と、触媒成分から選ばれた塩基性塩を混合して得られた溶液とを混合する方法等が挙げられ、具体例としてモリブデン化合物の水溶液に、鉄化合物とニッケル化合物及びコバルト化合物のうち少なくとも一方との混合物を加温下添加し、シリカを混合する方法等が挙げられる。
このようにして得られたシリカを含む原料化合物の水溶液又は水分散液を６０〜９０℃に加温し、熟成する。
この熟成とは、前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。
この熟成とは、前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。
前記熟成における温度は、６０〜９０℃が好ましく、７０〜８５℃がより好ましい。熟成温度が６０℃未満では、熟成の効果が十分ではなく、良好な活性を得られない場合がある。一方、９０℃を超えると、熟成時間中の水の蒸発が多く、工業的な実施には不利である。更に１００℃を超えると、溶解槽に耐圧容器が必要となり、また、ハンドリングも複雑になり、経済性及び操作性の面で著しく不利となる。
前記熟成にかける時間は、２〜１２時間がよく、３〜８時間が好ましい。熟成時間が２時間未満では、触媒の活性及び選択性が十分に発現しない場合がある。一方、１２時間を超えても熟成効果が増大することはなく、工業的な実施には不利である。
前記熟成にかける時間は、２〜１２時間がよく、３〜８時間が好ましい。熟成時間が２時間未満では、触媒の活性及び選択性が十分に発現しない場合がある。一方、１２時間を超えても熟成効果が増大することはなく、工業的な実施には不利である。
前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。
熟成されたスラリーは、そのままで、又は乾燥した後、加熱処理を行う。乾燥する場合の乾燥方法及び得られる乾燥物の状態については特に限定はなく、例えば、通常のスプレードライヤー、スラリードライヤー、ドラムドライヤー等を用いて粉体状の乾燥物を得てもよいし、また、通常の箱型乾燥器、トンネル型焼成炉を用いてブロック状又はフレーク状の乾燥物を得てもよい。
前記の原料塩水溶液又はこれを乾燥して得た顆粒あるいはケーキ状のものは、空気中で２００〜４００℃、好ましくは２５０〜３５０℃の温度域で短時間の熱処理を行う。その際の炉の形式及びその方法については特に限定はなく、例えば、通常の箱型加熱炉、トンネル型加熱炉等を用いて乾燥物を固定した状態で加熱してもよいし、また、ロータリーキルン等を用いて乾燥物を流動させながら加熱してもよい。
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、次式により与えられる値である。
灼熱減量（％）＝［（Ｗ０−Ｗ１）／Ｗ０］×１００
・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）
灼熱減量（％）＝［（Ｗ０−Ｗ１）／Ｗ０］×１００
・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）
前記の後工程では、前記の前工程において得られる触媒前駆体とモリブデン化合物（全原子比ａからａ１相当を差し引いた残りのａ２相当）とビスマス化合物の一体化を、水性溶媒下で行う。この際、アンモニア水を添加するのが好ましい。Ｘ、Ｙ、Ｚ成分の添加もこの後工程で行うのが好ましい。また、この発明のビスマス供給源化合物は、水に難溶性ないし不溶性のビスマスである。この化合物は、粉末の形態で使用することが好ましい。触媒製造原料としてのこれら化合物は粉末より大きな粒子のものであってもよいが、その熱拡散を行わせるべき加熱工程を考えれば小さい粒子である方が好ましい。従って、原料としてのこれらの化合物がこのように粒子の小さいものでなかった場合は、加熱工程前に粉砕を行うべきである。
次に、得られたスラリーを充分に撹拌した後、乾燥する。このようにして得られた乾燥品を、押出し成型、打錠成型、あるいは担持成型等の方法により任意の形状に賦形する。
次に、このものを、好ましくは４５０〜６５０℃の温度条件にて１〜１６時間程度の最終熱処理に付す。以上のようにして、高活性で、かつ目的とする酸化生成物を高い収率で与える複合酸化物触媒が得られる。
次に、このものを、好ましくは４５０〜６５０℃の温度条件にて１〜１６時間程度の最終熱処理に付す。以上のようにして、高活性で、かつ目的とする酸化生成物を高い収率で与える複合酸化物触媒が得られる。
＜分子状酸素含有ガス＞
本発明の分子状酸素含有ガスとは、通常、分子状酸素が１０体積％以上、好ましくは、１５体積％以上、更に好ましくは２０体積％以上含まれるガスのことであり、具体的に好ましくは空気である。なお、分子状酸素含有ガスを工業的に用意するのに必要なコストが増加するという観点から、分子状酸素の含有量の上限としては、通常５０体積％以下であり、好ましくは、３０体積％以下、更に好ましくは２５体積％以下である。また、本発明の効果を阻害しない範囲で、分子状酸素含有ガスには、任意の不純物を含んでいても良い。
本発明の分子状酸素含有ガスとは、通常、分子状酸素が１０体積％以上、好ましくは、１５体積％以上、更に好ましくは２０体積％以上含まれるガスのことであり、具体的に好ましくは空気である。なお、分子状酸素含有ガスを工業的に用意するのに必要なコストが増加するという観点から、分子状酸素の含有量の上限としては、通常５０体積％以下であり、好ましくは、３０体積％以下、更に好ましくは２５体積％以下である。また、本発明の効果を阻害しない範囲で、分子状酸素含有ガスには、任意の不純物を含んでいても良い。
＜ガス供給＞
本発明では、反応器に原料ガスを供給するにあたり、原料ガスと分子状酸素含有ガスとを混合し、その混合されたガス（以下、「混合ガス」呼ぶことがある）を反応器に供給する必要がある。なお、本発明の混合ガス中の、原料ガスの割合としては、通常、５．０体積％以上であり、好ましくは８．０体積％以上、更に好ましくは９．０体積％以上である。この下限値が大きくなるほど、反応器のサイズを小さくでき、建設費および運転に要するコストが低減する傾向にある。また、一方、上限は、２５．０ｖｏｌ％以下であり、好ましくは、２０．０ｖｏｌ％以下、更に好ましくは、１５．０ｖｏｌ％以下である。この上限値が小さくなるほど、原料ガス中の触媒上へのコーキングの起因物質も低減するため、触媒のコーキングが発生しにくく好ましい。
本発明では、反応器に原料ガスを供給するにあたり、原料ガスと分子状酸素含有ガスとを混合し、その混合されたガス（以下、「混合ガス」呼ぶことがある）を反応器に供給する必要がある。なお、本発明の混合ガス中の、原料ガスの割合としては、通常、５．０体積％以上であり、好ましくは８．０体積％以上、更に好ましくは９．０体積％以上である。この下限値が大きくなるほど、反応器のサイズを小さくでき、建設費および運転に要するコストが低減する傾向にある。また、一方、上限は、２５．０ｖｏｌ％以下であり、好ましくは、２０．０ｖｏｌ％以下、更に好ましくは、１５．０ｖｏｌ％以下である。この上限値が小さくなるほど、原料ガス中の触媒上へのコーキングの起因物質も低減するため、触媒のコーキングが発生しにくく好ましい。
また、前記混合ガス中の炭素数４以上の直鎖状モノオレフィンの割合としては、１体積％以上であり、好ましくは３体積％以上であり、更に好ましくは５体積％以上である。一方で、上限は、２３体積％以下であり、好ましくは２０体積％以下であり、より好ましくは１７体積％以下である。この割合が１体積％を下回ると得られる共役ジエンの量が下がるため、好ましくない。また、この割合が大きくなるほど、得られる共役ジエンの量が増えるが、コーキングが発生しやすくなる。
本発明では、上述の混合ガスと共に、窒素ガスと二酸化炭素を含む不活性ガスを反応器に供給する。二酸化炭素を含む不活性ガスを用いることで、窒素ガスのみを使用する場合に比べて、混合ガスが爆鳴気を形成しにくくなる。また、生成ガスの爆発範囲の領域が従来よりも下がるため、限界酸素濃度が高くなる。そのため、二酸化炭素を反応器に供給することで、原料ガス濃度が高くなり、コーキングが発生しやすい状態でも、コーキングが抑えられる。
反応器に上記の不活性ガスを供給する場合、前記原料ガスの供給量に対して１〜５０の比率（体積比）で導入することが好ましい。この比率が大きくなるほど、後工程の生成ガスを圧縮する工程の負荷が上がる傾向にあり、小さくなるほど、反応器に供給する水蒸気の使用量が増加する傾向にある。そのため、不活性ガスを前記原料ガスの供給量に対して、好ましくは、２〜４０、更に好ましくは、５〜２０の比率（体積比）で供給する。
この不活性ガス中の二酸化炭素の含有割合は、１重量％以上がよく、５重量％以上が好ましい。１重量％より少ないと、爆発限界を外すために、酸素濃度を低くする必要があり、コーキングが生じる場合がある。一方、含有割合の上限は特にないが、二酸化炭素濃度を高くするためには実用上新たに二酸化炭素を供給する一方、窒素をパージする必要があり経済性の観点から好ましくない。
また、上記の不活性ガスと共に水（水蒸気）を供給してもよい。反応器に水蒸気を供給する場合、前記原料ガスの供給量に対して０．５〜５．０の比率で導入することが好ましい。この比率が大きくなるほど、廃水量が増加する傾向にあり、小さくなるほど、目的生成物であるブタジエンの収率が低下する傾向にある。そのため、水蒸気を前記原料ガスの供給量に対して、好ましくは、０．８〜４．５であり、更に好ましくは、１．０〜４．０である。
原料ガスと分子状酸素含有ガスの混合ガス、及び必要により供給される不活性ガス、及び水（水蒸気）を供給する方法は特に限定されず、別々の配管で供給してもよいが、爆鳴気の形成を確実に回避するために、混合ガスを得る前に、予め不活性ガスを原料ガス、もしくは分子状酸素含有ガスに供給しておき、その状態で、原料ガスと分子状酸素含有ガスとを混合して混合ガスを得、該混合ガスを供給することが好ましい。
反応器に供給する混合ガスは、酸素と可燃性ガスの混合物であることから、爆発範囲に入らないように各々のガス（原料ガス、空気、及び必要に応じて窒素ガスと水（水蒸気））を供給する配管に設置された流量計にて流量を監視しながら、混合ガスの反応器入り口の組成制御を行い、上記のような混合ガス組成に調整することができる（Ｃ４留分を用いた場合）。
なお、ここでいう爆発範囲とは、酸素と可燃性ガスを含むガスが何らかの着火源の存在下で着火するような組成を持つ範囲のことである。例えば、可燃性ガスとしてＢＢＳＳを用い、これと空気及びイナートガス（Ｎ２ガス）を用いた場合の爆発範囲は、後述する方法で測定した結果、図２に示す可燃性ガス（ＢＢＳＳ）−空気−イナートガスの三成分図において、左下の方の網掛け部分となり、また、可燃性ガスとして１，３−ブタジエンを用い、これと空気及びイナートガス（Ｎ２ガス）を用いた場合の爆発範囲は、後述する方法で測定した結果、図３に示す可燃性ガス（ブタジエン）−空気−イナートガスの三成分図において、左下の方の網掛け部分となる。
一般的に、ガス中の可燃性ガスの濃度がある値より低いと着火源が存在しても着火しないことが知られており、この濃度を爆発下限界という。また、ガス中の可燃性ガスの濃度がある値より高いとやはり着火源が存在しても着火しないことが知られており、この濃度を爆発上限界という。各々の値はガス中の酸素濃度に依存しており、一般に酸素濃度が低いほど両者の値が近づき、酸素濃度がある値になったとき両者が一致する。このときの酸素濃度を限界酸素濃度と言い、酸素濃度がこれより低ければ可燃性ガスの濃度によらずガスは着火しない。
酸化脱水素反応では、酸化脱水素反応器に供給するガス中の可燃性ガスの濃度が爆発上限界以上であることが必要であるが、酸化脱水素反応を開始する際、予め反応器に供給する分子状酸素含有ガス、不活性ガス、水蒸気の量を調整して反応器入り口の混合ガス中の酸素濃度が限界酸素濃度以下になるようにしてから可燃性ガス（主に原料ガス）の供給を開始し、次いで混合ガス中の可燃性ガス濃度が爆発上限界よりも高くなるように可燃性ガス（主に原料ガス）と空気などの分子状酸素含有ガスの供給量を増やしていくのがよい。
可燃性ガス（主に原料ガス）と分子状酸素含有ガスの供給量を増やしていくときに窒素及び水蒸気のうち少なくとも一方の供給量を減らして混合ガスの供給量が一定となるようにしてもよい。こうすることで、配管および反応器における混合ガスの滞留時間を一定に保ち、圧力の変動を抑えることができる。
本発明では、可燃性ガス濃度が爆発上限界以上である混合ガスを反応器に供給して、触媒の存在下、酸化脱水素反応を行うことで生成ガスを得るが、反応器の入り口混合ガスの組成において、可燃性ガスが爆発上限界以上である場合、酸化脱水素反応により可燃性ガス濃度が低下しないので、反応器出口の組成も通常は爆発上限界以上であり、爆発の恐れはない。
可燃性ガス（主に原料ガス）と分子状酸素含有ガスの供給量を増やしていくときに窒素及び水蒸気のうち少なくとも一方の供給量を減らして混合ガスの供給量が一定となるようにしてもよい。こうすることで、配管および反応器における混合ガスの滞留時間を一定に保ち、圧力の変動を抑えることができる。
本発明では、可燃性ガス濃度が爆発上限界以上である混合ガスを反応器に供給して、触媒の存在下、酸化脱水素反応を行うことで生成ガスを得るが、反応器の入り口混合ガスの組成において、可燃性ガスが爆発上限界以上である場合、酸化脱水素反応により可燃性ガス濃度が低下しないので、反応器出口の組成も通常は爆発上限界以上であり、爆発の恐れはない。
更に、本発明では、生成ガス中の酸素濃度が１０．４容量％以下であることが必要であるが、好ましくは、８．７容量％以下であり、より好ましくは７．０容量％以下である。この上限値が小さくなるほど、溶媒吸収工程で共役ジエンなどの可燃性ガスが溶媒に吸収された場合でも、ガス組成が爆発範囲内に入るのを防止でき、更に生成ガス中の副生固形物を低減する傾向になる。一方、生成ガス中の酸素濃度は、１容量％以上であることが必要であるが、好ましくは、２容量％以上であり、更に好ましくは、３容量％以上である。この下限値が大きくなるほど、触媒表面に炭素分などが付着する（コーキング）のを低減できる。
生成ガス中の酸素濃度は、磁気ダンベル式などの公知の酸素濃度計やガスクロマトグラフィーを使用して、反応器出口若しくは反応の後工程にて測定することができる。
生成ガス中の酸素濃度は、磁気ダンベル式などの公知の酸素濃度計やガスクロマトグラフィーを使用して、反応器出口若しくは反応の後工程にて測定することができる。
＜反応器＞
本発明の酸化脱水素反応に用いられる反応器は特に限定されないが、具体的には、管型反応器、槽型反応器、又は流動床反応器が挙げられ、好ましくは、固定床反応器、より好ましくは固定床の多管式反応器やプレート式反応器であり、最も好ましくは固定床の多管式反応器である。
本発明の酸化脱水素反応に用いられる反応器は特に限定されないが、具体的には、管型反応器、槽型反応器、又は流動床反応器が挙げられ、好ましくは、固定床反応器、より好ましくは固定床の多管式反応器やプレート式反応器であり、最も好ましくは固定床の多管式反応器である。
＜反応条件＞
本発明の酸化脱水素反応は発熱反応であり、反応により温度が上昇するが、本発明では、通常、反応温度は２５０〜４５０℃、好ましくは、２８０〜４００℃の範囲に調整される。この温度が大きくなるほど、触媒活性が急激に低下しやすい傾向にあり、小さくなるほど、目的生成物である共役ジエンの収率が低下する傾向にある。反応温度は、熱媒体（例えば、ジベンジルトルエンや亜硝酸塩など）を使用して制御することができる。なお、ここでいう反応温度は熱媒体の温度のことのことである。
本発明の酸化脱水素反応は発熱反応であり、反応により温度が上昇するが、本発明では、通常、反応温度は２５０〜４５０℃、好ましくは、２８０〜４００℃の範囲に調整される。この温度が大きくなるほど、触媒活性が急激に低下しやすい傾向にあり、小さくなるほど、目的生成物である共役ジエンの収率が低下する傾向にある。反応温度は、熱媒体（例えば、ジベンジルトルエンや亜硝酸塩など）を使用して制御することができる。なお、ここでいう反応温度は熱媒体の温度のことのことである。
また、本発明における反応器内温度は、特に限定されないが、通常、２５０〜４５０℃、好ましくは、２８０〜４００℃、更に好ましくは、３２０〜３９５℃である。触媒層の温度が４５０℃を超えると、反応を継続するに従って、急激に触媒活性が低下する恐れがある傾向にあり、一方、触媒層の温度が２５０℃を下回ると、目的生成物である共役ジエンの収率が低下する傾向にある。反応器内温度は、反応条件によって決定されるが、触媒層の希釈率や混合ガスの流量等で制御することができる。なお、ここでいう反応器内温度とは、反応器出口での生成ガスの温度、又は触媒層を有する反応器の場合は、その触媒層の温度のことである。
本発明の反応器内の圧力は、特に限定されないが、下限は、通常、０ＭＰａＧ以上、好ましくは、０．００１ＭＰａ以上、更に好ましくは、０．０１ＭＰａＧ以上である。この値が大きくなるほど、反応器に反応ガスを多量に供給できるというメリットがある。一方、上限は、０．５ＭＰａＧ以下であり、好ましくは０．３ＭＰａＧ以下、更に好ましくは、０．１ＭＰａＧである。この値が小さくなるほど、爆発範囲が狭くなる傾向にある。
本発明における反応器の滞留時間は、特に限定されないが、下限は、通常０．３６秒以上、好ましくは、０．８０秒以上、更に好ましくは０．９０秒以上である。この値が大きくなるほど、原料ガス中のモノオレフィンの転化率が高くなるというメリットがある。一方、上限は、３．６０秒以下であり、好ましくは２．８０秒以下、更に好ましくは、２．１０秒である。この値が小さくなるほど、反応器が小さくなる傾向にある。
なお、本発明では、反応器の後段に後工程として、冷却工程、脱水工程、溶媒吸収工程、精製工程なども必要に応じて設けても良い。
なお、本発明では、反応器の後段に後工程として、冷却工程、脱水工程、溶媒吸収工程、精製工程なども必要に応じて設けても良い。
［プロセスの実施形態］
以下に、図面を参照して、本発明の共役ジエンの製造方法に関するプロセスの実施形態について、ブタジエンを製造する例を挙げて説明する。
以下に、図面を参照して、本発明の共役ジエンの製造方法に関するプロセスの実施形態について、ブタジエンを製造する例を挙げて説明する。
図１は本発明プロセスの実施の態様の一つである。
図１において、１は反応器（反応塔）、２はクエンチ塔、３，６，１３は冷却器（熱交換器）、４，７，１４はドレンポット、８Ａ，８Ｂは脱水塔、９は加熱器（熱交換器）、１０は溶媒吸収塔、１１は脱気塔、１２は溶媒分離塔を示し、符号１００〜１２６は配管を示す。
なお、図１においては、ＢＢＳＳとしてブテンを用い、得られる共役ジエンとしてブタジエンを用いた場合を示す。
図１において、１は反応器（反応塔）、２はクエンチ塔、３，６，１３は冷却器（熱交換器）、４，７，１４はドレンポット、８Ａ，８Ｂは脱水塔、９は加熱器（熱交換器）、１０は溶媒吸収塔、１１は脱気塔、１２は溶媒分離塔を示し、符号１００〜１２６は配管を示す。
なお、図１においては、ＢＢＳＳとしてブテンを用い、得られる共役ジエンとしてブタジエンを用いた場合を示す。
原料となるｎ−ブテン或いは前述のＢＢＳＳ等のｎ−ブテンを含む混合物を、気化器（図示せず）でガス化して、配管１０１より導入すると共に、配管１０２、１０３、１０４より、窒素ガス、空気（分子状酸素含有ガス）、及び水（水蒸気）をそれぞれ導入し、これらの混合ガスを予熱器（図示せず）で１５０〜４００℃程度に加熱した後、配管１００より触媒が充填された多管式の反応器１（酸化脱水素反応器）に供給する。反応器１からの反応生成ガスは、配管１０５よりクエンチ塔２に送給され、２０〜９９℃程度に冷却される。
クエンチ塔２には、配管１０６より冷却水が導入され、生成ガスと向流接触する。そして、この向流接触で生成ガスを冷却した水は、配管１０７より排出される。なお、この冷却排水は、熱交換器（図示せず）で冷却されて再度クエンチ塔２において循環使用される。
クエンチ塔２で冷却された生成ガスは、塔頂から留出され、次いで配管１０８より冷却器３を経て室温に冷却される。冷却により発生した凝縮水は配管１０９よりドレンポット４に分離される。水分離後のガスは更に配管１１０を経て圧縮機５で０．１〜０．５ＭＰａ程度に昇圧され、昇圧ガスは配管１１１を経て冷却器６で再度１０〜３０℃程度に冷却される。冷却により発生した凝縮水は配管１１２よりドレンポット７に分離される。水分離後の圧縮ガスは、モレキュラーシーブ等の乾燥剤が充填された脱水塔８Ａ，８Ｂに導入され脱水処理される。脱水塔８Ａ，８Ｂは圧縮ガスの脱水と乾燥剤の加熱乾燥による再生とが交互に行われる。即ち、圧縮ガスは、まず、配管１１３，１１３ａを経て脱水塔８Ａに導入されて脱水処理され、配管１１４ａ，１１４を経て溶媒吸収塔１０に送給される。
この間に、脱水塔８Ｂには、配管１２２、加熱器９、配管１２３，１２３ａ，１２３ｂを経て１５０〜２５０℃程度に加熱された窒素ガスが導入され、乾燥剤の加熱による水分の脱着が行われる。脱着した水分を含む窒素ガスは、配管１２４ａ，１２４ｂ、１２４を経て冷却器１３で室温まで冷却され、凝縮水が配管１２５よりドレンポット１４に分離された後、配管１２６より排出される。
脱水塔８Ａの乾燥剤が飽和に達したら、ガス流路を切り換え、脱水塔８Ｂで圧縮ガスの脱水処理を行い、脱水塔８Ａ内の乾燥剤の再生を行う。
脱水工程における脱水塔内の乾燥剤の再生時間は、特に限定されないが、通常６〜４８時間、好ましくは、１２〜３６時間、更に好ましくは１８〜３０時間である。
脱水塔８Ａ，８Ｂからの脱水ガスは、必要に応じて冷却器（図示せず）で１０〜３０℃程度に冷却された後、溶媒吸収塔１０に送給され、配管１１５からの溶媒（吸収溶媒）と向流接触される。これにより、脱水ガス中の共役ジエンや未反応の原料ガスが吸収溶媒に吸収される。吸収溶媒に吸収されなかった成分（ｏｆｆガス）は、溶媒吸収塔１０の塔頂より配管１１７を経て排出され燃焼廃棄される。このとき、吸収溶媒として、トルエンのような比較的沸点の低い溶媒を用いると経済的に無視できない量の溶媒が配管１１７を経て揮散することがある。このような場合はより沸点の高い溶媒を用いて沸点の低い溶媒を回収する工程を配管１１７の先に設けてもよい。この溶媒吸収塔１０で、ブタジエンや未反応の原料ガスを吸収溶媒に吸収した溶媒吸収液は、溶媒吸収塔１０の塔底より抜き出され、配管１１６より脱気塔１１に送給される。溶媒吸収塔１０で得られるブタジエンの溶媒吸収液には、若干量の窒素、酸素も吸収されているため、次いでこの溶媒吸収液を脱気塔１１に供給して加熱することにより、液中に溶存する窒素や酸素をガス化して除去する。
この際、ブタジエンや原料ガス、溶媒の中には、その一部がガス化することがあるため、この脱気塔１１の塔頂に設けたコンデンサ（図示せず）でこれを液化して溶媒吸収液中に回収する。凝縮しなかった原料ガス、ブタジエン等は窒素、酸素の混合ガスとして配管１１８より抜き出され、共役ジエンの回収率を高めるために圧縮機５の入口側へ循環され再度処理が行われる。一方、溶媒吸収液を脱気した脱気処理液は配管１１９より溶媒分離塔１２へ送給される。
溶媒分離塔１２では、リボイラとコンデンサにより共役ジエンの蒸留分離が行われ、塔頂より配管１２０を経て粗ブタジエン留分が抜き出される。分離された吸収溶媒は塔底より配管１２１を経て抜き出され、溶媒吸収塔１０の吸収溶媒として循環使用される。
［調製例１］（複合酸化物触媒の調製）
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、充分に撹拌しながら徐々に混合した。
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、充分に撹拌しながら徐々に混合した。
次に、シリカ６４ｇを加えて、充分に攪拌した。このスラリーを７５℃に加温し、５時間熟成した。その後、このスラリーを加熱乾燥した後、空気雰囲気で３００℃、１時間の熱処理に付した。
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、上記スラリーに加えた。
次に、Ｎａを０．４５％固溶した次炭酸ビスマス５８．１ｇを加えて、撹拌混合した。このスラリーを１３０℃、１２時間加熱乾燥した後、得られた粒状固体を、小型成形機にて径５ｍｍ、高さ４ｍｍの錠剤に打錠成型し、次に５００℃、４時間の焼成を行って、触媒を得た。仕込み原料から計算される触媒は、次の原子比を有する複合酸化物であった。
Ｍｏ：Ｂｉ：Ｃｏ：Ｎｉ：Ｆｅ：Ｎａ：Ｂ：Ｋ：Ｓｉ＝１２：５：２．５：２．５：０．４：０．３５：０．２：０．０８：２４
また、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。
Ｍｏ：Ｂｉ：Ｃｏ：Ｎｉ：Ｆｅ：Ｎａ：Ｂ：Ｋ：Ｓｉ＝１２：５：２．５：２．５：０．４：０．３５：０．２：０．０８：２４
また、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。
［参考例１］
［不活性ガス−空気−可燃性ガス爆発範囲の測定］
不活性ガス、空気、可燃性ガスの混合割合を種々変更した混合ガスを用意し、それらを点火プラグと圧力計を備えた１Ｌの耐圧容器に導入し、点火プラグでスパークを飛ばして爆発するかどうかを調べた。爆発の判定は以下の基準で実施し、不爆または境界と判定された可燃物濃度をもって爆発範囲とした。
［不活性ガス−空気−可燃性ガス爆発範囲の測定］
不活性ガス、空気、可燃性ガスの混合割合を種々変更した混合ガスを用意し、それらを点火プラグと圧力計を備えた１Ｌの耐圧容器に導入し、点火プラグでスパークを飛ばして爆発するかどうかを調べた。爆発の判定は以下の基準で実施し、不爆または境界と判定された可燃物濃度をもって爆発範囲とした。
不活性ガスを窒素（９９％以上の純度）とし、可燃性をブタジエンとした場合の爆発範囲を図２に、不活性ガスを窒素と二酸化炭素の混合ガス（窒素：二酸化炭素＝５０：５０）とし、可燃性ガスをブタジエンとした場合の爆発範囲を図３に示す。なお、爆発圧力上昇率＝（△Ｐ／Ｐo）×１００の式で爆発圧力上昇率を測定した（△Ｐ＝爆発圧力、Ｐo＝測定初期圧力）。
・不爆：爆発圧力上昇率が８％未満
・境界：爆発圧力上昇率が８％を超えて１０％未満
・爆発：爆発圧力上昇率が１０％を超える
［結果］
不活性ガス−空気−可燃性ガス爆発範囲の測定によって、反応器に供給する不活性ガスを窒素と二酸化炭素にすることで、不活性ガスの種類を窒素と二酸化炭素の混合ガスで得られた爆発範囲図（図４）から、生成ガスの爆発限界の領域が狭まることが分かった。
・不爆：爆発圧力上昇率が８％未満
・境界：爆発圧力上昇率が８％を超えて１０％未満
・爆発：爆発圧力上昇率が１０％を超える
［結果］
不活性ガス−空気−可燃性ガス爆発範囲の測定によって、反応器に供給する不活性ガスを窒素と二酸化炭素にすることで、不活性ガスの種類を窒素と二酸化炭素の混合ガスで得られた爆発範囲図（図４）から、生成ガスの爆発限界の領域が狭まることが分かった。
［製造例１］（１，３−ブタジエンの製造）
上部が内径６ｍｍ長さ１７５ｍｍ、下部が内径４ｍｍ長さ１２５ｍｍのパイレックス製反応管の内径６ｍｍ部分に製造例で調製した触媒を０．３８ｇ充填した。この反応管には外径１．６ｍｍの挿入管を設置し、挿入管の中に熱電対を設置して反応器内温度を測定した。加熱源としては電気ヒータを利用した。
不活性ガスとして窒素を１．３７Ｌ／ｈｒ、酸素を０．２９Ｌ／ｈｒ、水蒸気を０．２００Ｌ／ｈｒ、及び表１に示す組成の原料ガスを０．２３Ｌ／ｈｒ供給し、ヒータで触媒層最高温度を３８７℃に昇温した。この際、触媒量０．６ｇに対して、合計ガス流量は２．００Ｌ／ｈであった。また、混合ガス中の原料ガスの割合は１１．３体積％であり、混合ガス中のｎ−ブテン（１−ブテン、シス−２−ブテン、トランス−２−ブテン）の割合は８．６体積％であった。なお、反応器出口での生成ガス中の酸素濃度は６．４体積％とした。
反応器出口からの生成ガスは冷却した後、ガスクロマトグラフィーで分析した。ｎ−ブテン転化率（１−ブテン、シス−２−ブテン、トランス−２−ブテンの合計での転化率）は８５．８ｍｏｌ％、ブタジエン選択率は８４．７ｍｏｌ％であった。１３３時間反応継続後の触媒層へのコーク付着量は０．８ｗｔ％だった。
上部が内径６ｍｍ長さ１７５ｍｍ、下部が内径４ｍｍ長さ１２５ｍｍのパイレックス製反応管の内径６ｍｍ部分に製造例で調製した触媒を０．３８ｇ充填した。この反応管には外径１．６ｍｍの挿入管を設置し、挿入管の中に熱電対を設置して反応器内温度を測定した。加熱源としては電気ヒータを利用した。
不活性ガスとして窒素を１．３７Ｌ／ｈｒ、酸素を０．２９Ｌ／ｈｒ、水蒸気を０．２００Ｌ／ｈｒ、及び表１に示す組成の原料ガスを０．２３Ｌ／ｈｒ供給し、ヒータで触媒層最高温度を３８７℃に昇温した。この際、触媒量０．６ｇに対して、合計ガス流量は２．００Ｌ／ｈであった。また、混合ガス中の原料ガスの割合は１１．３体積％であり、混合ガス中のｎ−ブテン（１−ブテン、シス−２−ブテン、トランス−２−ブテン）の割合は８．６体積％であった。なお、反応器出口での生成ガス中の酸素濃度は６．４体積％とした。
反応器出口からの生成ガスは冷却した後、ガスクロマトグラフィーで分析した。ｎ−ブテン転化率（１−ブテン、シス−２−ブテン、トランス−２−ブテンの合計での転化率）は８５．８ｍｏｌ％、ブタジエン選択率は８４．７ｍｏｌ％であった。１３３時間反応継続後の触媒層へのコーク付着量は０．８ｗｔ％だった。
[製造例２]
製造例１において、触媒の充填量を０．４ｇに変更して反応器出口での生成ガス中の酸素濃度を７．０体積％とした以外は、全て同様に実施した。反応器出口からの生成ガスは冷却した後、ガスクロマトグラフィーで分析した。ｎ−ブテン転化率（１−ブテン、シス−２−ブテン、トランス−２−ブテンの合計での転化率）は８１．７ｍｏｌ％、ブタジエン選択率は８９．０ｍｏｌ％であった。２００時間反応継続後の触媒層へのコーク付着量は０．４％であった。
製造例１において、触媒の充填量を０．４ｇに変更して反応器出口での生成ガス中の酸素濃度を７．０体積％とした以外は、全て同様に実施した。反応器出口からの生成ガスは冷却した後、ガスクロマトグラフィーで分析した。ｎ−ブテン転化率（１−ブテン、シス−２−ブテン、トランス−２−ブテンの合計での転化率）は８１．７ｍｏｌ％、ブタジエン選択率は８９．０ｍｏｌ％であった。２００時間反応継続後の触媒層へのコーク付着量は０．４％であった。
［結果］
製造例１と製造例２の結果から、反応器出口の生成ガス中の酸素濃度を高くする事により触媒のコーク付着量が半減しており、触媒のコーキングが抑制出来る事が明確に示された。また、図５に、製造例１と製造例２それぞれの反応器出口生成ガス中の組成を、図４の上にプロットした図を示す。この図から、製造例２で得られた反応器出口ガスから反応器後段の溶媒吸収等の操作により可燃性物質（ブテン、ブタジエンなど）を除去した場合、当該操作で得られる無機ガスを主とする混合ガス中の可燃性物質濃度は低下することから、窒素を不活性ガスとして用いた場合の爆発範囲を横切る恐れがある。一方、窒素―二酸化炭素混合物を不活性ガスとして用いる場合には、爆発範囲が狭くなるため結果として可燃性物質濃度が低下しても爆発範囲を横切らないので、窒素―二酸化炭素混合物を不活性ガスを使用すれば、爆発範囲を横切る恐れが無く、安全に反応器の出口での生成ガス中の酸素濃度を高くして触媒のコーキングを抑制できることが期待される。
製造例１と製造例２の結果から、反応器出口の生成ガス中の酸素濃度を高くする事により触媒のコーク付着量が半減しており、触媒のコーキングが抑制出来る事が明確に示された。また、図５に、製造例１と製造例２それぞれの反応器出口生成ガス中の組成を、図４の上にプロットした図を示す。この図から、製造例２で得られた反応器出口ガスから反応器後段の溶媒吸収等の操作により可燃性物質（ブテン、ブタジエンなど）を除去した場合、当該操作で得られる無機ガスを主とする混合ガス中の可燃性物質濃度は低下することから、窒素を不活性ガスとして用いた場合の爆発範囲を横切る恐れがある。一方、窒素―二酸化炭素混合物を不活性ガスとして用いる場合には、爆発範囲が狭くなるため結果として可燃性物質濃度が低下しても爆発範囲を横切らないので、窒素―二酸化炭素混合物を不活性ガスを使用すれば、爆発範囲を横切る恐れが無く、安全に反応器の出口での生成ガス中の酸素濃度を高くして触媒のコーキングを抑制できることが期待される。
[製造例３]
不活性ガスとして窒素を１．０８Ｌ／ｈｒ、酸素を０．２１Ｌ／ｈｒ、水蒸気を０．５Ｌ／ｈｒ、及び表１に示す組成の原料ガスを０．２６Ｌ／ｈｒ供給し、ヒータで触媒層最高温度を３９０℃に昇温した。この際、触媒量０．８ｇに対して、合計ガス流量は２．００Ｌ／ｈであった。また、混合ガス中の原料ガスの割合は１３．１体積％であり、混合ガス中のｎ−ブテン（１−ブテン、シス−２−ブテン、トランス−２−ブテン）の割合は１０．１体積％であった。なお、反応器出口での生成ガス中の酸素濃度は２．８体積％とした。反応器出口からの生成ガスは冷却した後、ガスクロマトグラフィーで分析した。ｎ−ブテン転化率（１−ブテン、シス−２−ブテン、トランス−２−ブテンの合計での転化率）は９０．５ｍｏｌ％、ブタジエン選択率は８５．４ｍｏｌ％であった。１５０時間反応継続後の触媒層へのコーク付着量は７．８ｗｔ％であった。
不活性ガスとして窒素を１．０８Ｌ／ｈｒ、酸素を０．２１Ｌ／ｈｒ、水蒸気を０．５Ｌ／ｈｒ、及び表１に示す組成の原料ガスを０．２６Ｌ／ｈｒ供給し、ヒータで触媒層最高温度を３９０℃に昇温した。この際、触媒量０．８ｇに対して、合計ガス流量は２．００Ｌ／ｈであった。また、混合ガス中の原料ガスの割合は１３．１体積％であり、混合ガス中のｎ−ブテン（１−ブテン、シス−２−ブテン、トランス−２−ブテン）の割合は１０．１体積％であった。なお、反応器出口での生成ガス中の酸素濃度は２．８体積％とした。反応器出口からの生成ガスは冷却した後、ガスクロマトグラフィーで分析した。ｎ−ブテン転化率（１−ブテン、シス−２−ブテン、トランス−２−ブテンの合計での転化率）は９０．５ｍｏｌ％、ブタジエン選択率は８５．４ｍｏｌ％であった。１５０時間反応継続後の触媒層へのコーク付着量は７．８ｗｔ％であった。
[製造例４]
製造例３において、触媒の充填量を０．５ｇに変更して反応器出口での生成ガス中の酸素濃度を７．０体積％とした以外は、全て同様に実施した。反応器出口からの生成ガスは冷却した後、ガスクロマトグラフィーで分析した。ｎ−ブテン転化率（１−ブテン、シス−２−ブテン、トランス−２−ブテンの合計での転化率）は８８．０ｍｏｌ％、ブタジエン選択率は８７．３ｍｏｌ％であった。１３０時間反応継続後の触媒層へのコーク付着量はわずかに０．３ｗｔ％であった。
製造例３において、触媒の充填量を０．５ｇに変更して反応器出口での生成ガス中の酸素濃度を７．０体積％とした以外は、全て同様に実施した。反応器出口からの生成ガスは冷却した後、ガスクロマトグラフィーで分析した。ｎ−ブテン転化率（１−ブテン、シス−２−ブテン、トランス−２−ブテンの合計での転化率）は８８．０ｍｏｌ％、ブタジエン選択率は８７．３ｍｏｌ％であった。１３０時間反応継続後の触媒層へのコーク付着量はわずかに０．３ｗｔ％であった。
［結果］
製造例３と製造例４の結果から、反応器出口の生成ガス中の酸素濃度を高くする事により触媒のコーキングが抑制出来る事が明確に示された。また、図６に、製造例３と製造例４それぞれの反応器出口生成ガス中の組成を、図４の上にプロットした図を示す。この図から、製造例４で得られた反応器出口ガスから反応器後段の溶媒吸収等の操作により可燃性物質（ブテン、ブタジエンなど）を除去した場合、当該操作で得られる無機ガスを主とする混合ガス中の可燃性物質濃度は低下することから、窒素を不活性ガスとして用いた場合の爆発範囲を横切る恐れがある。一方、窒素―二酸化炭素混合物を不活性ガスとして用いる場合には、爆発範囲が狭くなるため結果として可燃性物質濃度が低下しても爆発範囲を横切らないので、窒素―二酸化炭素混合物を不活性ガスを使用すれば、爆発範囲を横切る恐れが無く、安全に反応器の出口での生成ガス中の酸素濃度を高くして触媒のコーキングを抑制できることが期待される。
製造例３と製造例４の結果から、反応器出口の生成ガス中の酸素濃度を高くする事により触媒のコーキングが抑制出来る事が明確に示された。また、図６に、製造例３と製造例４それぞれの反応器出口生成ガス中の組成を、図４の上にプロットした図を示す。この図から、製造例４で得られた反応器出口ガスから反応器後段の溶媒吸収等の操作により可燃性物質（ブテン、ブタジエンなど）を除去した場合、当該操作で得られる無機ガスを主とする混合ガス中の可燃性物質濃度は低下することから、窒素を不活性ガスとして用いた場合の爆発範囲を横切る恐れがある。一方、窒素―二酸化炭素混合物を不活性ガスとして用いる場合には、爆発範囲が狭くなるため結果として可燃性物質濃度が低下しても爆発範囲を横切らないので、窒素―二酸化炭素混合物を不活性ガスを使用すれば、爆発範囲を横切る恐れが無く、安全に反応器の出口での生成ガス中の酸素濃度を高くして触媒のコーキングを抑制できることが期待される。
[製造例５]
不活性ガスとして窒素を０．５０Ｌ／ｈｒ、酸素を０．１８Ｌ／ｈｒ、水蒸気を０．２８／ｈｒ、及び表１に示す組成の原料ガスを０．１８Ｌ／ｈｒ供給し、ヒータで触媒層最高温度を３９０℃に昇温した。この際、触媒量０．３ｇに対して、合計ガス流量は１．１Ｌ／ｈであった。また、混合ガス中の原料ガスの割合は１８．４体積％であり、混合ガス中のｎ−ブテン（１−ブテン、シス−２−ブテン、トランス−２−ブテン）の割合は１３．４体積％であった。なお、反応器出口での生成ガス中の酸素濃度は５．４体積％とした。反応器出口からの生成ガスは冷却した後、ガスクロマトグラフィーで分析した。ｎ−ブテン転化率（１−ブテン、シス−２−ブテン、トランス−２−ブテンの合計での転化率）は８５．５ｍｏｌ％、ブタジエン選択率は８５．０ｍｏｌ％であった。２００時間反応継続後の触媒層へのコーク付着量は１４．２ｗｔ％であった。
不活性ガスとして窒素を０．５０Ｌ／ｈｒ、酸素を０．１８Ｌ／ｈｒ、水蒸気を０．２８／ｈｒ、及び表１に示す組成の原料ガスを０．１８Ｌ／ｈｒ供給し、ヒータで触媒層最高温度を３９０℃に昇温した。この際、触媒量０．３ｇに対して、合計ガス流量は１．１Ｌ／ｈであった。また、混合ガス中の原料ガスの割合は１８．４体積％であり、混合ガス中のｎ−ブテン（１−ブテン、シス−２−ブテン、トランス−２−ブテン）の割合は１３．４体積％であった。なお、反応器出口での生成ガス中の酸素濃度は５．４体積％とした。反応器出口からの生成ガスは冷却した後、ガスクロマトグラフィーで分析した。ｎ−ブテン転化率（１−ブテン、シス−２−ブテン、トランス−２−ブテンの合計での転化率）は８５．５ｍｏｌ％、ブタジエン選択率は８５．０ｍｏｌ％であった。２００時間反応継続後の触媒層へのコーク付着量は１４．２ｗｔ％であった。
[製造例６]
製造例５において、触媒の充填量を０．５ｇ、混合ガス流量を２．０Ｌ／ｈｒ、反応器出口での生成ガス中の酸素濃度を６．９体積％とした以外は、全て同様に実施した。反応器出口からの生成ガスは冷却した後、ガスクロマトグラフィーで分析した。ｎ−ブテン転化率（１−ブテン、シス−２−ブテン、トランス−２−ブテンの合計での転化率）は８３．７ｍｏｌ％、ブタジエン選択率は８８．０ｍｏｌ％であった。１３３時間反応継続後の触媒層へのコーク付着量は０．６ｗｔ％であった。
製造例５において、触媒の充填量を０．５ｇ、混合ガス流量を２．０Ｌ／ｈｒ、反応器出口での生成ガス中の酸素濃度を６．９体積％とした以外は、全て同様に実施した。反応器出口からの生成ガスは冷却した後、ガスクロマトグラフィーで分析した。ｎ−ブテン転化率（１−ブテン、シス−２−ブテン、トランス−２−ブテンの合計での転化率）は８３．７ｍｏｌ％、ブタジエン選択率は８８．０ｍｏｌ％であった。１３３時間反応継続後の触媒層へのコーク付着量は０．６ｗｔ％であった。
［結果］
製造例５と製造例６の結果から、反応器出口の生成ガス中の酸素濃度を高くする事により触媒のコーキングが抑制出来る事が明確に示された。また、図７に、製造例５と製造例６それぞれの反応器出口生成ガス中の組成を、図４の上にプロットした図を示す。この図から、製造例６で得られた反応器出口ガスから反応器後段の溶媒吸収等の操作により可燃性物質（ブテン、ブタジエンなど）を除去した場合、当該操作で得られる無機ガスを主とする混合ガス中の可燃性物質濃度は低下することから、窒素を不活性ガスとして用いた場合の爆発範囲を横切る恐れがある。一方、仮に、窒素―二酸化炭素混合物を不活性ガスとして用いる場合には、爆発範囲が狭くなるため結果として可燃性物質濃度が低下しても爆発範囲を横切らないので、窒素―二酸化炭素混合物を不活性ガスを使用すれば、爆発範囲を横切る恐れが無く、安全に反応器の出口での生成ガス中の酸素濃度を高くして触媒のコーキングを抑制できることが期待される。
製造例５と製造例６の結果から、反応器出口の生成ガス中の酸素濃度を高くする事により触媒のコーキングが抑制出来る事が明確に示された。また、図７に、製造例５と製造例６それぞれの反応器出口生成ガス中の組成を、図４の上にプロットした図を示す。この図から、製造例６で得られた反応器出口ガスから反応器後段の溶媒吸収等の操作により可燃性物質（ブテン、ブタジエンなど）を除去した場合、当該操作で得られる無機ガスを主とする混合ガス中の可燃性物質濃度は低下することから、窒素を不活性ガスとして用いた場合の爆発範囲を横切る恐れがある。一方、仮に、窒素―二酸化炭素混合物を不活性ガスとして用いる場合には、爆発範囲が狭くなるため結果として可燃性物質濃度が低下しても爆発範囲を横切らないので、窒素―二酸化炭素混合物を不活性ガスを使用すれば、爆発範囲を横切る恐れが無く、安全に反応器の出口での生成ガス中の酸素濃度を高くして触媒のコーキングを抑制できることが期待される。
なお、製造例１〜６の条件及び結果をまとめて表２に示す。
１ 反応器（反応塔）
２ クエンチ塔
３，６，１３ 冷却器
４，７，１４ ドレンポット
５ 圧縮機
８Ａ，８Ｂ 脱水塔
９ 加熱器（熱交換器）
１０ 溶媒吸収塔
１１ 脱気塔
１２ 溶媒分離塔
１００〜１２６ 配管
２ クエンチ塔
３，６，１３ 冷却器
４，７，１４ ドレンポット
５ 圧縮機
８Ａ，８Ｂ 脱水塔
９ 加熱器（熱交換器）
１０ 溶媒吸収塔
１１ 脱気塔
１２ 溶媒分離塔
１００〜１２６ 配管
Claims (3)
- 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混合して得られる混合ガスを反応器に供給する工程と、触媒の存在下、前記炭素原子数４以上のモノオレフィンの酸化脱水素反応により生成した対応する共役ジエンを含む生成ガスを得る工程とを有する共役ジエンの製造方法において、
前記混合ガス中の直鎖状の炭素原子数４以上のモノオレフィンの濃度が１体積％以上であって、かつ、前記反応器に窒素と二酸化炭素を含む不活性ガスを供給することを特徴とする共役ジエンの製造方法。 - 前記触媒が、少なくともモリブデン、ビスマス及びコバルトを含有する複合酸化物触媒であることを特徴とする請求項１に記載の共役ジエンの製造方法。
- 前記原料ガスが、エチレンの２量化により得られる１−ブテン、シス−２−ブテン、トランス−２−ブテン若しくはこれらの混合物を含有するガス、ｎ−ブタンの脱水素若しくは酸化脱水素反応により生成するブテン留分、又は重油留分を流動接触分解する際に得られる炭素原子数が４の炭化水素を含むガスであることを特徴とする請求項１又は２に記載の共役ジエンの製造方法。
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- 2013-03-28 JP JP2013069150A patent/JP2014189543A/ja active Pending
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