JP2016113399A - 有機酸の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
二酸化炭素を直接原料に用いる、炭素数が2以上の炭素化合物を合成する方法として、触媒を用いて二酸化炭素とメタンを原料とする酢酸の合成方法が知られている(例えば非特許文献1)。これは、添加物としてハロゲン化合物や亜硫酸塩を加える必要がない方法であり、原料を二段階で触媒層に供給する操作により、平衡反応の制約を超えた酢酸の合成反応が報告されている。原料を二段階で触媒層に供給する操作とは、第一段階として、触媒層を有する反応器にメタンを導入し、触媒上で脱水素を伴う活性化を経て、第二段階として、二酸化炭素と水素を導入し、触媒上のメタン活性種と反応させることで酢酸を製造する方法である。
前記した従来技術の状況下、本発明が解決しようとする課題は、炭化水素と二酸化炭素を原料とした有機酸の合成反応において、より高い有機酸の収率を実現する製造方法を提供することである。
[1]
炭素数が1〜10である炭化水素と二酸化炭素とを原料として、炭素数が2〜20の有機酸を製造する方法であって、
炭素数が1〜10である炭化水素を少なくとも含む気体xを反応系に導入する工程Xと、
二酸化炭素を少なくとも含む気体yを前記反応系に導入する工程Yと、を備え、
前記気体xにおいて、前記炭化水素のモル分率が0.2以上、1以下であり、
前記気体yにおいて、二酸化炭素のモル分率が0.1以上、1以下であり、かつ、含まれる二酸化炭素のモル分率が、前記気体xの二酸化炭素のモル分率よりも高く、
前記工程X及び前記工程Yにおいて、
前記反応系内には触媒が存在し、
前記反応系内の圧力が3.1〜7.4MPaであり、
前記気体x及び前記気体yの導入時間がそれぞれ3秒以上、155秒以下であることを特徴とする、有機酸の製造方法。
[2]
前記触媒が不均一系触媒である、[1]に記載の有機酸の製造方法。
[3]
前記炭化水素を構成する炭素数が1〜6である、[1]または[2]に記載の有機酸の製造方法。
[4]
前記炭化水素が、メタン、エタン、プロパン、エチレン、プロピレン、アセチレンのいずれかである、[1]〜[3]のいずれかに記載の有機酸の製造方法。
[5]
前記有機酸を構成する炭素数が2〜10である、[1]〜[4]のいずれかに記載の有機酸の製造方法。
[6]
前記有機酸がモノカルボン酸である、[1]〜[5]のいずれかに記載の有機酸の製造方法。
[7]
前記モノカルボン酸が、酢酸またはプロピオン酸である、[6]に記載の有機酸の製造方法。
[8]
前記有機酸がジカルボン酸である、[1]〜[5]のいずれかに記載の有機酸の製造方法。
[9]
前記ジカルボン酸が、シュウ酸またはコハク酸である、[8]に記載の有機酸の製造方法。
[10]
前記気体yにおいて、二酸化炭素のモル分率を1としたとき、水素のモル分率が0.2以下である、[1]〜[9]のいずれかに記載の特徴とする有機酸の製造方法。
[11]
工程Xおよび工程Yにおける気体xの導入時間が、5秒以上、130秒以下であることを特徴とする、[1]〜[10]のいずれかに記載の有機酸の製造方法。
[12]
工程Xにおける気体xの導入時間が、5秒以上、110秒以下であることを特徴とする、[1]〜[11]のいずれかに記載の有機酸の製造方法。
[13]
工程Yにおける気体yの導入時間が、40秒以上、110秒以下であることを特徴とする、[1]〜[12]のいずれかに記載の有機酸の製造方法。
本実施形態は、
炭素数が1〜10である炭化水素と二酸化炭素とを原料として、炭素数が2〜20の有機酸を製造する方法であって、
炭素数が1〜10である炭化水素を少なくとも含む気体xを反応系に導入する工程Xと、二酸化炭素を少なくとも含む気体yを反応系に導入する工程Yと、を備え、
気体xにおいて、炭化水素のモル分率が0.2以上、1以下であり、
気体yにおいて、二酸化炭素のモル分率が0.1以上、1以下であり、かつ、含まれる二酸化炭素のモル分率が、気体xの二酸化炭素のモル分率よりも高く、
工程X及び工程Yにおいて、
反応系内には触媒が存在し、
反応系内の圧力が3.1MPa以上、7.4MPa以下であり、
気体x及び気体yの導入時間がそれぞれ3秒以上、155秒以下であることを特徴とする。
ここで、反応系とは、触媒と原料とを反応させる空間のみを示し、触媒と原料を反応させるまでに原料および生成物を流通、貯蔵又は分離精製するための空間を含まない。反応系とは、具体的には、触媒が充填された固定床、スラリー床、流動床、移動床、または疑似移動床としての反応器などが挙げられる。
本発明において用いられる触媒とは、均一系触媒、不均一系触媒、均一系触媒を担体または不均一系触媒に固定したものなどを示すが、原料と触媒との分離が比較的容易なことから、好ましくは不均一系触媒である。不均一系触媒とは、具体的には、金属触媒、金属酸化物などの金属化合物触媒、ゼオライト、金属または金属化合物を担体に担持またはイオン交換した触媒、金属錯体、活性炭などであり、好ましくは担体に金属化合物を担持した触媒が好ましい。金属化合物を担体に担持した触媒は、担体として、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化アルミ、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化マグネシウムなどの単一金属酸化物または単一金属酸化物に異種金属種をドープしたもの、スピネル型、ペロブスカイト型などの二種以上金属元素からなる複合金属酸化物、ゼオライト、活性炭などを使用できる。
金属種の化学状態としては、金属に限らず、化合物、錯体などでも構わないが、吸着基質への電子供与に寄与する電荷密度が高い材料であるほど高活性化に有利であるため、金属状態であることが好ましい。
本発明にて示す触媒量とは、反応系に充填した触媒金属種と触媒担体の重量の和であり、反応系に触媒を固定する場合には、固定した反応系の重量を含めない。
有機酸の具体例としては、例えばカルボキシル基を一つ、または複数有する炭素数が2〜20のカルボン酸が挙げられる。具体的にはモノカルボン酸、またはジカルボン酸が挙げられる。モノカルボン酸の具体例として、酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸、エナント酸、ペラルゴン酸、カプリン酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、オレイン酸、乳酸、ピルビン酸、リンゴ酸、アクリル酸、安息香酸、サリチル酸、およびこれらの異性体が挙げられ、より具体的には、酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸、乳酸、アクリル酸、さらに具体的には酢酸、プロピオン酸が挙げられる。ジカルボン酸の具体例として、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、フタル酸、グルタル酸、アジピン酸、フマル酸、マレイン酸が挙げられ、より具体的には、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、さらに具体的にはコハク酸が挙げられる。
本発明の工程Xでは、炭素数が1〜10である炭化水素を少なくとも含む気体xを反応系に導入する。
工程Xで反応系に導入する気体xは、炭化水素、および炭化水素以外の気体によって構成される。
炭化水素の炭素数は1〜10である。前記のとおり、炭化水素は触媒上で活性化されるため、炭素数が少ないほど、触媒上での炭化水素吸着のための立体障害が小さくなる。よって、炭化水素の炭素数は、好ましくは1〜6、より好ましくは1〜3、さらに好ましくは1〜2、最も好ましくは1である。炭化水素は飽和炭化水素または不飽和炭化水素である。生成物である有機酸との沸点差が大きく、生成物と未反応原料の分離に有利である観点から、飽和炭化水素が望ましい。
本実施形態において用いられる炭化水素としては、具体的には、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、エチレン、プロピレン、ブテン、ペンテン、ヘキセン、アセチレン、及びこれらの異性体などが挙げられる。前記の観点から、炭化水素は、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、エチレン、プロピレン、ブテン、アセチレン、及びこれらの異性体であることが好ましく、より好ましくは、メタン、エタン、プロパン、エチレン、アセチレンであり、最も好ましくはメタンである。
本発明の原料である炭化水素は、反応器の簡便さの観点から、気体で導入されることが好ましい。
特に水素のモル分率は、触媒上での脱水素による炭化水素活性種の生成の逆反応を抑制する観点から、0.2以下が好ましく、0.1以下がより好ましく、0.05以下がさらに好ましく、0.01以下が最も好ましい。
工程Yでは、二酸化炭素を少なくとも含む気体yを反応系に導入する。
工程Yで反応系に導入する気体yは、二酸化炭素、および二酸化炭素以外の気体によって構成される。
気体yにおいて、二酸化炭素のモル分率が0.1以上、1以下であり、二酸化炭素のモル分率が、気体xにおける二酸化炭素のモル分率よりも高い。
気体y中において、二酸化炭素のモル分率が、0.1以上、1以下である。二酸化炭素のモル分率は、分圧を高くするほど触媒への吸着に有利である観点から、0.4以上が好ましく、0.6以上がより好ましく、0.7以上がさらに好ましい。また、精製コストの観点から、0.99以下が好ましく、0.90以下がより好ましく、0.80以下がさらに好ましい。
また、原料導入の非定常操作による、触媒への基質の吸脱着を促進する観点から、気体yの二酸化炭素のモル分率は、気体xの二酸化炭素のモル分率よりも高い。
二酸化炭素以外の気体とは、例えば、メタンなどの炭化水素、水素、水蒸気、酸素、窒素やアルゴンなどの不活性ガス、等が挙げられる。
特に水素については、導入された炭化水素は触媒上で脱水素した活性種となっているため、二酸化炭素と同時に水素を導入すると、脱水素した炭化水素活性種の導入水素との反応による不活性化が生じる可能性がある観点から、二酸化炭素のモル分率を1としたとき、水素のモル分率は、0.2以下が好ましく、0.1以下がより好ましく、0.05以下が最も好ましい。
導入する水素量が少ないほど、触媒上の活性種および生成有機酸の脱水素を伴う縮合を生じやすくなるため、より高炭素数からなる、または複数のカルボキシル基を有する有機酸の生成に有利になる。より高炭素数または複数のカルボキシル基を有する有機酸とは、具体的には酢酸、プロピオン酸、シュウ酸、コハク酸などが挙げられる。
ルシャトリエの法則より、反応圧力が高いほど生成物の分子数が少なくなる反応が有利であると考えられるため、構成する炭素数が多い有機酸の生成物が多くなる。この構成する炭素数が多い有機酸とは、炭素数が2以上の有機酸であり、例えば、酢酸、プロピオン酸、コハク酸があげられる。
さらに本実施形態では、工程Xと工程Y以外に、一つまたは複数の工程を有機酸の製造工程に加えることができ、その順番は制限しない。工程Xと工程Yおよびそれ以外の工程は、有機酸の製造工程にて周期的または周期的ではなく、繰り返すことができる。工程X及び工程Y以外の工程とは、例えば、触媒再生のために行う酸化または還元処理などが挙げられる。
また、工程X及び工程Yにおいて、反応温度、反応圧力、所要時間は同一である必要はなく、本明細書記載の所定の範囲内でそれぞれ異なる条件とすることができる。
以下に示すような条件で合成を行い、有機酸の生成活性、生成速度について評価した。
なお、各成分のモル分率、生成速度及び生成活性は、つぎのようにして測定した。
[装置] システムコントローラー:CBM−20A(島津製作所製) 送液ポンプ:LC−20AD(島津製作所製)
電気伝導度検出器:CDD−10Avp(島津製作所製)
[カラム]
Shim−pack SCR−102H(島津製作所製)
[移動相]
5mmol/L p−トルエンスルホン酸
[反応液] 5mmol/L p−トルエンスルホン酸
+ 100μmol/L EDTA + 20mmol/L Bis−Tris
[測定条件]
カラム温度40℃、送液速度0.8mL/min
[装置]
HP−6890/5973N(Agilent社製)
[カラム]
TC−FFAP(SIGMA−ALDRICH社製、カラム長:30m、外径:0.25mm、膜厚:0.25μm)
[測定条件]
イオン化条件:70eV
カラム温度:サンプル注入後5分間50℃を維持後、10℃/minにて昇温、その後200℃に5分間保った。
本明細書に記載の水素、二酸化炭素、炭化水素、およびその他成分のモル分率は、以下の式で示すものである。
[気体のモル分率総量]=[炭化水素のモル分率]+[二酸化炭素のモル分率]+[水素のモル分率]+[他成分のモル分率]=1
また、モル分率をガスクロマトグラフィーで評価する際は、水素/二酸化炭素比については、アルゴンをキャリアガスとし熱伝導度検出器を用い、炭化水素については、ヘリウムをキャリアガスとし熱伝導度検出器または水素炎イオン化検出器のガスクロマトグラフィーを用いる。カラムは、水素/二酸化炭素比については活性炭、またはPoraPLOT Q(ジーエルサイエンス社製)を用い、炭化水素については、ジメチルシロキサンのみを充填した無極性型のもの、またはジメチルシロキサンとジフェニルシロキサンの混合組成などの極性型のものなど、適宜対象炭化水素を分離できるものを用いる。
本実施例、および比較例において、各有機酸の生成活性は以下の式より算出した。
[生成活性(mg mol−1 h−1)] =[有機酸生成量(mg)]/([触媒活性種量(mol)]×[工程Aでの反応時間(h−1)])
触媒活性種量は、金属種担持触媒については担持された金属種のみが活性種であるとし、かつ、担持金属種が金属状態であるとして算出した。
この活性とは、生成物の単位触媒活性種量当たりの生成速度であるため、値が高いほど生成量が多いことを示す。
<実施例1>
塩化パラジウムをこれに対し5モル当量の塩酸を含む水溶液に溶解させた15g/L の濃度の溶液を用いて、酸化チタン(ルチル型)粉末にPd種を含浸担持後、500℃で大気中焼成した。こうして得られた粉末に、硝酸コバルトを溶解させた50g/Lの濃度の水溶液を用いてCo種を含浸担持し、その後500℃で大気中焼成することで調製した粉末を触媒とした。担持金属種の担持量は、それぞれの金属種の化学状態が金属であるとして換算した際に、Pd:3 wt%、Co:6wt%であった。この粉末触媒を20MPaの圧力をかけることでペレットとし、これを粉砕後、0.25〜0.50mmに分級した粒状触媒を用いて反応を行った。
反応開始前にH2気流下で400℃、1時間加熱する前処理を触媒に施した。触媒反応時には、反応管に導入する気体はマスフローコントローラーにより制御し、CH4 (気体x)を1分間流通させた(工程X)。その後に、CO2+H2の混合気体(気体y)を1分間導入した(工程Y)。工程Xと、それに続く工程Yとの操作を繰り返し、総時間1時間の反応を行った。ガス流量は、CH4: 200mL/min、CO2:200 mL/min、H2:20mL/min、温度は400℃、4.0MPaの加圧条件にて反応を実施した。
工程Yにおいて、導入する気体yをCO2のみとした以外は、実施例1と同様に反応を行った。
触媒を調製時に、塩化パラジウム担持工程を行わず、硝酸コバルトを硝酸ニッケルとした。さらに、工程Xおよび工程Yにおいて、気体導入時間を共に30秒とした以外は、実施例1と同様に反応を行った。調製した触媒の担持ニッケル種の担持量は、ニッケル種の化学状態が金属であるとして換算した際に2wt%であった。
工程Xにおいて、気体xの導入時間を30秒とした以外は、実施例2と同様に反応を行った。
工程Xにおいて、気体xの導入時間を12秒とした以外は、実施例2と同様に反応を行った。
工程Xおよび工程Yにおいて、気体導入時間を共に120秒とした以外は、実施例2と同様に反応を行った。
反応温度を200℃とした以外は、実施例4と同様に反応を行った。
反応圧力を2.0MPaとし、工程Xおよび工程Yにおいて、気体導入時間を共に240秒とした以外は、実施例2と同様に反応を行った。
反応圧力を大気圧とした以外は、実施例1と同様に反応を行った。
圧力を2MPaとした比較例1では、酢酸およびコハク酸の生成活性が低下してしまった。また、大気圧とした比較例2では、酢酸の生成活性はさらに低く、コハク酸は不検出であった。これらは、圧力が低いことで、炭化水素の触媒への被覆が十分になされなかったためと考えられる。
また、気体導入時間を240秒とした比較例1では、酢酸およびコハク酸の生成活性が低下してしまった。これは、気体導入時間が長すぎると、時間経過と共に、触媒上の炭化水素由来の活性種が二酸化炭素と反応することで減少し、未反応の二酸化炭素が流通する量が多くなることで収率が減少したためと考えられる。
なお、実施例2にて得られた反応後の配管洗浄液をGC−MSにて評価した結果、ギ酸、酢酸、シュウ酸、プロピオン酸、コハク酸、エチレングリコール、メトキシエタノールが検出された。
Claims (13)
- 炭素数が1〜10である炭化水素と二酸化炭素とを原料として、炭素数が2〜20の有機酸を製造する方法であって、
炭素数が1〜10である炭化水素を少なくとも含む気体xを反応系に導入する工程Xと、
二酸化炭素を少なくとも含む気体yを前記反応系に導入する工程Yと、を備え、
前記気体xにおいて、前記炭化水素のモル分率が0.2以上、1以下であり、
前記気体yにおいて、二酸化炭素のモル分率が0.1以上、1以下であり、かつ、含まれる二酸化炭素のモル分率が、前記気体xの二酸化炭素のモル分率よりも高く、
前記工程X及び前記工程Yにおいて、
前記反応系内には触媒が存在し、
前記反応系内の圧力が3.1〜7.4MPaであり、
前記気体x及び前記気体yの導入時間がそれぞれ3秒以上、155秒以下であることを特徴とする、有機酸の製造方法。 - 前記触媒が不均一系触媒である、請求項1に記載の有機酸の製造方法。
- 前記炭化水素を構成する炭素数が1〜6である、請求項1または2に記載の有機酸の製造方法。
- 前記炭化水素が、メタン、エタン、プロパン、エチレン、プロピレン、アセチレンのいずれかである、請求項1〜3のいずれか一項に記載の有機酸の製造方法。
- 前記有機酸を構成する炭素数が2〜10である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の有機酸の製造方法。
- 前記有機酸がモノカルボン酸である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の有機酸の製造方法。
- 前記モノカルボン酸が、酢酸またはプロピオン酸である、請求項6に記載の有機酸の製造方法。
- 前記有機酸がジカルボン酸である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の有機酸の製造方法。
- 前記ジカルボン酸が、シュウ酸またはコハク酸である、請求項8に記載の有機酸の製造方法。
- 前記気体yにおいて、二酸化炭素のモル分率を1としたとき、水素のモル分率が0.2以下である、請求項1〜9のいずれか一項に記載の特徴とする有機酸の製造方法。
- 工程Xおよび工程Yにおける気体xの導入時間が、5秒以上、130秒以下であることを特徴とする、請求項1〜10のいずれかに記載の有機酸の製造方法。
- 工程Xにおける気体xの導入時間が、5秒以上、110秒以下であることを特徴とする、請求項1〜11のいずれか一項に記載の有機酸の製造方法。
- 工程Yにおける気体yの導入時間が、40秒以上、110秒以下であることを特徴とする、請求項1〜12のいずれか一項に記載の有機酸の製造方法。
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