JP2016155775A - Organic acid production method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a production method that achieves a higher yield in a synthetic reaction of organic acids using hydrocarbons and carbon dioxide as raw materials.SOLUTION: An organic acid production method for producing organic acids having 2 or more and 10 or less carbon atoms using hydrocarbons having 1 or more and 6 or less carbon atoms and carbon dioxide as raw materials includes: a step X of introducing a gas x containing hydrocarbons having 1 or more and 6 or less carbon atoms into a reaction system in which a catalyst is present; and a step Y of introducing a gas y containing carbon dioxide and steam into the reaction system. In the gas x, the mole fraction of the hydrocarbons is 0.1 or more and 1 or less, and the mole fraction of steam is 0.1 or less. In the gas y, the mole fraction of the carbon dioxide is 0.1 or more and 0.995 or less, and the mole fraction of the steam is 0.005 or more and 0.36 or less. The mole fraction of the carbon dioxide in the gas y is higher than the mole fraction of the carbon dioxide in the gas x.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、有機酸の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing an organic acid.

現在、化学製品の原料として主に用いられている石油は、価格の高騰や枯渇が懸念されている。そのため、石油に代わる炭素化合物を原料とする化学製品の製造方法が鋭意研究されている。石油代替の化学品の原料として、安価で比較的容易に入手することができる二酸化炭素が注目されている。二酸化炭素を原料として現在の化学製品の需要を満たすためには、炭素数が2以上の炭素化合物を合成する方法の開発が重要である。
二酸化炭素を直接原料として利用し、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と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)。この文献では、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、二酸化炭素と水素とを導入し、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。
Currently, there is a concern that the price of oil, which is mainly used as a raw material for chemical products, will rise and be exhausted. Therefore, intensive research has been conducted on methods for producing chemical products using carbon compounds instead of petroleum as raw materials. Carbon dioxide, which is inexpensive and can be obtained relatively easily, has attracted attention as a raw material for chemicals that substitute for petroleum. In order to satisfy the current demand for chemical products using carbon dioxide as a raw material, it is important to develop a method for synthesizing a carbon compound having 2 or more carbon atoms.
As a method for synthesizing a carbon compound having 2 or more carbon atoms using carbon dioxide directly as a raw material, a method for synthesizing acetic acid using carbon dioxide and methane as raw materials using a catalyst is known (for example, non-patent) Reference 1). In this document, the synthesis reaction of acetic acid exceeding the limitation of the equilibrium reaction is reported by the operation of supplying the raw material to the catalyst layer in two steps. The operation of supplying the raw material to the catalyst layer in two stages is as follows. As a first stage, methane is introduced into a reactor having a catalyst layer, and activation with dehydrogenation is performed on the catalyst. And hydrogen are introduced and reacted with methane active species on the catalyst to produce acetic acid.

非特許文献1では、カルボン酸の収率を増加させるために、様々な反応条件が検討されている。水蒸気を反応器に導入する反応条件については、導入ガスにおける水蒸気のモル分率が0.71〜0.92までの範囲で検討されている。カルボン酸を高収率で得るためには、第一段階のメタン導入工程において、モル分率0.84の水蒸気が最適であり、第二段階のCO導入工程ではモル分率0.71が最適であると述べられている。
しかしながら、炭化水素と二酸化炭素からの、より高い収率でカルボン酸を得ることができる方法が望まれているのが現状である。
In Non-Patent Document 1, various reaction conditions are studied in order to increase the yield of carboxylic acid. Regarding the reaction conditions for introducing water vapor into the reactor, the mole fraction of water vapor in the introduced gas has been studied in the range of 0.71 to 0.92. In order to obtain a carboxylic acid in a high yield, water vapor with a molar fraction of 0.84 is optimal in the first stage methane introduction step, and a molar fraction of 0.71 is obtained in the second stage CO 2 introduction step. It is said to be optimal.
However, the present situation is that a method capable of obtaining carboxylic acid with higher yield from hydrocarbon and carbon dioxide is desired.

W. Huang et al., AIChE 2010, 56, 1279-1284.W. Huang et al., AIChE 2010, 56, 1279-1284.

上述した従来技術の状況下、本発明の目的は、炭化水素と二酸化炭素とを原料とした有機酸の合成反応において、有機酸の収率を向上させるために効果的な製造方法を提供することである。   Under the circumstances of the above-described prior art, the object of the present invention is to provide an effective production method for improving the yield of organic acid in the synthesis reaction of organic acid using hydrocarbon and carbon dioxide as raw materials. It is.

本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意研究し実験を重ねた結果、炭化水素と二酸化炭素とを原料とした有機酸の合成反応において、各工程において導入する水蒸気量を特定の条件にすることで、収率の向上に効果的であることを見出し、これに基づき、本発明を完成するに至ったものである。   As a result of intensive studies and experiments to solve the above-mentioned problems, the present inventors have determined that the amount of water vapor introduced in each step is a specific condition in the synthesis reaction of organic acids using hydrocarbons and carbon dioxide as raw materials. Thus, the inventors have found that the method is effective for improving the yield, and based on this, the present invention has been completed.

すなわち、本発明は下記の通りのものである。
[1]
炭素数が1以上、6以下の炭化水素と二酸化炭素とを原料として、炭素数が2以上、10以下の有機酸を製造する方法であって、
触媒が存在する反応系内に、前記炭化水素を少なくとも含む気体xを導入する工程Xと、
前記反応系内に、前記二酸化炭素と水蒸気とを少なくとも含む気体yを導入する工程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0.1以上、1以下であり、かつ、水蒸気のモル分率が0.1以下であり、
前記気体yにおいて、前記二酸化炭素のモル分率が0.1以上、0.995以下であり、かつ、前記水蒸気のモル分率が0.005以上、0.36以下であり、
前記気体yにおける前記二酸化炭素のモル分率が、前記気体xにおける二酸化炭素のモル分率よりも高いこと、を特徴とする、有機酸の製造方法。
[2]
前記気体yに含まれる、前記水蒸気と前記二酸化炭素とのモル比が0.005以上、2.5以下である、[1]に記載の有機酸の製造方法。
[3]
前記反応系内の温度が160℃以上、340℃以下である、[1]または[2]に記載の有機酸の製造方法。
[4]
前記炭化水素の炭素数が1または2である、[1]〜[3]のいずれかに記載の有機酸の製造方法。
[5]
前記炭化水素がメタンである、[4]に記載の有機酸の製造方法。
[6]
前記炭化水素がエチレンである、[4]に記載の有機酸の製造方法。
[7]
前記触媒が不均一系触媒である、[1]〜[6]のいずれかに記載の有機酸の製造方法。
[8]
前記反応系内の圧力が、3.1MPa以上、5.0MPa以下である、[1]〜[7]のいずれかに記載の有機酸の製造方法。
[9]
前記気体xおよび/または気体yの導入時間が、3秒以上、150秒以下である、[1]〜[8]のいずれかに記載の有機酸の製造方法。
[10]
前記気体yに含まれる水素のモル分率が0.1以下である、[1]〜[9]のいずれかに記載の有機酸の製造方法。
That is, the present invention is as follows.
[1]
A method for producing an organic acid having 2 to 10 carbon atoms using a hydrocarbon having 1 to 6 carbon atoms and carbon dioxide as raw materials,
Introducing a gas x containing at least the hydrocarbon into a reaction system in which a catalyst is present; and
Introducing the gas y containing at least the carbon dioxide and water vapor into the reaction system; and
In the gas x, the mole fraction of the hydrocarbon is 0.1 or more and 1 or less, and the mole fraction of water vapor is 0.1 or less,
In the gas y, the molar fraction of the carbon dioxide is 0.1 or more and 0.995 or less, and the molar fraction of the water vapor is 0.005 or more and 0.36 or less,
The method for producing an organic acid, wherein a mole fraction of the carbon dioxide in the gas y is higher than a mole fraction of the carbon dioxide in the gas x.
[2]
The method for producing an organic acid according to [1], wherein a molar ratio between the water vapor and the carbon dioxide contained in the gas y is 0.005 or more and 2.5 or less.
[3]
The method for producing an organic acid according to [1] or [2], wherein the temperature in the reaction system is 160 ° C or higher and 340 ° C or lower.
[4]
The method for producing an organic acid according to any one of [1] to [3], wherein the hydrocarbon has 1 or 2 carbon atoms.
[5]
The method for producing an organic acid according to [4], wherein the hydrocarbon is methane.
[6]
The method for producing an organic acid according to [4], wherein the hydrocarbon is ethylene.
[7]
The method for producing an organic acid according to any one of [1] to [6], wherein the catalyst is a heterogeneous catalyst.
[8]
The method for producing an organic acid according to any one of [1] to [7], wherein the pressure in the reaction system is 3.1 MPa or more and 5.0 MPa or less.
[9]
The method for producing an organic acid according to any one of [1] to [8], wherein the introduction time of the gas x and / or the gas y is 3 seconds or longer and 150 seconds or shorter.
[10]
The method for producing an organic acid according to any one of [1] to [9], wherein a molar fraction of hydrogen contained in the gas y is 0.1 or less.

本発明に係る有機酸の製造方法によれば、炭化水素と二酸化炭素とを原料とした有機酸の製造方法において、各工程において導入する水蒸気量を特定の条件にすることで、製造される有機酸の高収率化を実現することができる。   According to the method for producing an organic acid according to the present invention, in the method for producing an organic acid using hydrocarbons and carbon dioxide as raw materials, the organic acid produced by setting the amount of water vapor introduced in each step to a specific condition. High acid yield can be achieved.

以下、本発明を実施するための形態を詳細に述べる。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。
本実施形態は、
炭素数が1以上、6以下の炭化水素と二酸化炭素とを原料として、炭素数が2以上、10以下の有機酸を製造する方法であって、
触媒が存在する反応系内に、炭素数が1以上、6以下の前記炭化水素を少なくとも含む気体xを導入する工程Xと、
前記反応系内に、前記二酸化炭素と水蒸気とを少なくとも含む気体yを導入する工程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0.1以上、1以下であり、かつ、水蒸気のモル分率が0.1以下であり、
前記気体yにおいて、前記二酸化炭素のモル分率が0.1以上、0.995以下であり、かつ、前記水蒸気のモル分率が0.005以上、0.36以下であり、
前記気体yにおける前記二酸化炭素のモル分率が、前記気体xにおける二酸化炭素のモル分率よりも高いこと、を特徴とする有機酸の製造方法である。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail. In addition, this invention is not limited to the following embodiment, In the range of the summary, various deformation | transformation can be implemented.
This embodiment
A method for producing an organic acid having 2 to 10 carbon atoms using a hydrocarbon having 1 to 6 carbon atoms and carbon dioxide as raw materials,
Introducing the gas x containing at least the hydrocarbon having 1 to 6 carbon atoms into the reaction system in which the catalyst is present; and
Introducing the gas y containing at least the carbon dioxide and water vapor into the reaction system; and
In the gas x, the mole fraction of the hydrocarbon is 0.1 or more and 1 or less, and the mole fraction of water vapor is 0.1 or less,
In the gas y, the molar fraction of the carbon dioxide is 0.1 or more and 0.995 or less, and the molar fraction of the water vapor is 0.005 or more and 0.36 or less,
The organic acid production method is characterized in that a molar fraction of the carbon dioxide in the gas y is higher than a molar fraction of the carbon dioxide in the gas x.

本発明者らは、炭化水素と二酸化炭素とを原料とした、有機酸の製造において、工程Xおよび工程Yにて導入する水蒸気量を所定の条件とすることで、有機酸の製造を高収率化できることを見出した。
工程Xでの導入水蒸気のモル分率を0.1以下とすることで、工程Xにて触媒上に生成する炭化水素由来の活性種の、水蒸気による不活性化や、触媒活性点の水による被毒や金属触媒の酸化、および、触媒成分の水蒸気による脱離が抑制されると推測される。以上の結果、カルボン酸収率が向上すると推測される。
一方、工程Yでの導入水蒸気のモル分率を0.005以上、0.36以下とすることで、触媒上に強く吸着した生成カルボン酸の脱離が促進される、および/または、COと解離水素などの水素との反応によって、COとHOを生成する反応(例えば式1)の逆反応を促進すると推測される。この逆反応の促進により、COからのCOOH基の生成(式2)効率が向上した結果、カルボン酸収率が向上すると推測される。また、本実施形態では、水蒸気を過剰に導入しないことによりCOの分圧低下を少なくでき、原料であるCOの反応量を増加することができる、と推測される。
CO + 2H → CO + HO (式1)
CO + H → COOH (式2)
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、触媒と原料と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。
In the production of an organic acid using hydrocarbons and carbon dioxide as raw materials, the inventors of the present invention have a high yield of production of an organic acid by setting the amount of water vapor introduced in the process X and the process Y to predetermined conditions. I found out that it can be streamlined.
By making the mole fraction of the introduced water vapor in the process X 0.1 or less, the active species derived from hydrocarbons produced on the catalyst in the process X are inactivated by water vapor or water at the catalyst active point. It is presumed that poisoning, oxidation of the metal catalyst, and desorption due to water vapor of the catalyst component are suppressed. As a result, the carboxylic acid yield is estimated to be improved.
On the other hand, when the molar fraction of the introduced water vapor in Step Y is 0.005 or more and 0.36 or less, the elimination of the generated carboxylic acid strongly adsorbed on the catalyst is promoted and / or CO 2. It is presumed that the reverse reaction of the reaction that generates CO and H 2 O (for example, Formula 1) is promoted by the reaction between hydrogen and dissociated hydrogen. It is presumed that the yield of carboxylic acid is improved as a result of improving the efficiency of the production of COOH groups from CO 2 (Formula 2) by promoting this reverse reaction. Further, in the present embodiment, the water vapor can reduce the partial pressure decrease of CO 2 by not excessively introduced, it is possible to increase the reaction amount of CO 2 as a raw material, and is presumed.
CO 2 + 2H * → CO + H 2 O (Formula 1)
CO 2 + H * → COOH * (Formula 2)
Here, the reaction system indicates only a space for reacting the catalyst and the raw material, and does not include a space for circulating, storing or separating and purifying the raw material and the product until the catalyst and the raw material are reacted. Specific examples of the reaction system include a reactor as a fixed bed filled with a catalyst, a slurry bed, a fluidized bed, a moving bed, or a simulated moving bed.

<触媒>
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の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。
<Catalyst>
The catalyst used in the present invention refers to a homogeneous catalyst, a heterogeneous catalyst, a catalyst in which a homogeneous catalyst is fixed to a support or a heterogeneous catalyst, etc., because the separation of the raw material and the catalyst is relatively easy. Preferably, it is a heterogeneous catalyst. Specifically, the heterogeneous catalyst is a metal catalyst, a metal compound catalyst such as a metal oxide, a zeolite, a catalyst in which a metal or a metal compound is supported or ion-exchanged on a support, a metal complex, activated carbon, etc., preferably A catalyst having a metal compound supported on a carrier is preferred. A catalyst in which a metal compound is supported on a carrier is a single metal oxide or a single metal oxide such as titanium oxide, silicon oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, cerium oxide, or magnesium oxide. , A composite metal oxide composed of two or more metal elements such as spinel type and perovskite type, zeolite, activated carbon and the like can be used.

触媒を構成する元素は、新IUPAC表記の3族から14族までの元素の少なくとも一つを含む。d電子を利用する観点から、好ましくは6族から12族まで、より好ましくは7族から11族まで、さらに好ましくは8族から10族までの元素である。例えば、Ni、Pd、Pt、Co、Rh、Ir、Fe、Ru、Os、Mn、Re、Cr、Mo、W、Cu、Ag、Auが挙げられ、Ni、Pd、Pt、Co、Rh、Ir、Fe、Ru、Mo、W、Cu、Agが好ましく、Ni、Pd、Pt、Co、Rh、Fe、Ruがさらに好ましい。
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。
The elements constituting the catalyst include at least one of elements from Group 3 to Group 14 of the new IUPAC notation. From the viewpoint of utilizing d-electrons, elements from Group 6 to Group 12, more preferably Group 7 to Group 11, more preferably Group 8 to Group 10, are preferred. For example, Ni, Pd, Pt, Co, Rh, Ir, Fe, Ru, Os, Mn, Re, Cr, Mo, W, Cu, Ag, Au can be mentioned, and Ni, Pd, Pt, Co, Rh, Ir Fe, Ru, Mo, W, Cu, and Ag are preferable, and Ni, Pd, Pt, Co, Rh, Fe, and Ru are more preferable.
The chemical state of the metal species is not limited to a metal, but may be a compound, a complex, or the like, but the higher the charge density that contributes to electron donation to the adsorption substrate, the more advantageous it is for high activation. It is preferable that

触媒には、助剤としてリン含有化合物、ホウ素含有化合物、アルカリ金属化合物、アルカリ土類金属化合物などを添加できる。触媒を構成する元素として、一種類または複数の元素で構成することができ、反応時の触媒活性の観点から、通常は遷移金属、13族、および14族が好ましく、より好ましくは6族から14族の元素、さらに好ましくは8族から10族の元素である。   A phosphorus-containing compound, boron-containing compound, alkali metal compound, alkaline earth metal compound, or the like can be added to the catalyst as an auxiliary agent. As an element constituting the catalyst, it can be composed of one or a plurality of elements. From the viewpoint of catalytic activity during the reaction, transition metals, groups 13 and 14 are usually preferred, and groups 6 to 14 are more preferred. Group elements, more preferably Group 8 to Group 10 elements.

触媒の調製方法は、含浸法、固相反応によるもの、フラックス法、水熱合成法、触媒の原料を含有する溶液のpHを変化させること、あるいは、化合物を形成するイオンを添加することなどによって触媒またはその前駆体を析出させる共沈法や均一沈殿法、化学気相成長法、物理気相成長法などである。   Catalyst preparation methods include impregnation method, solid phase reaction, flux method, hydrothermal synthesis method, changing the pH of the solution containing the catalyst raw material, or adding ions forming a compound, etc. Examples thereof include a coprecipitation method, a uniform precipitation method, a chemical vapor deposition method, and a physical vapor deposition method in which a catalyst or a precursor thereof is deposited.

触媒は、反応器に存在する。具体的には、触媒は、固定床、流動床、移動床、または疑似移動床として反応器に充填できる。反応器には一種類の触媒を充填してもよく、また、活性の異なる複数種類の触媒または不活性な無機物を混合した触媒混合物を、触媒として用いてもよい。活性の異なる触媒および触媒混合物を反応器入口から出口に向けて段階的に設置してもよい。
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。
流動床や移動床や疑似移動床を用いる際は、原料ガスの導入時間は、触媒の各ガス組成の滞留時間に相当する。
The catalyst is present in the reactor. Specifically, the catalyst can be charged to the reactor as a fixed bed, fluidized bed, moving bed, or simulated moving bed. The reactor may be filled with one type of catalyst, or a catalyst mixture in which a plurality of types of catalysts having different activities or inactive inorganic substances are mixed may be used as the catalyst. Catalysts and catalyst mixtures with different activities may be installed in stages from the reactor inlet to the outlet.
The amount of catalyst shown in the present invention is the sum of the weight of the catalyst metal species and the catalyst carrier charged in the reaction system. When the catalyst is fixed to the reaction system, the weight of the fixed reaction system is not included.
When using a fluidized bed, moving bed, or simulated moving bed, the introduction time of the raw material gas corresponds to the residence time of each gas composition of the catalyst.

本発明の方法によって製造される有機酸は、分子を構成する炭素数が2以上、10以下の有機酸であり、好ましくは炭素数が2以上、8以下、より好ましくは炭素数が2以上、5以下、さらに好ましくは2以上、4以下、最も好ましくは2以上、3以下である。有機酸を構成する炭素については、直鎖または分岐鎖を有するカルボン酸、飽和結合および/または不飽和結合を有するカルボン酸などが挙げられる。特に、触媒からの脱着が有利である観点から、炭素間の結合が飽和結合のみからなるカルボン酸が望ましい。
有機酸の具体例としては、例えばカルボキシル基を一つ、または複数有し、かつ、炭素数が2以上、10以下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、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。
The organic acid produced by the method of the present invention is an organic acid having 2 to 10 carbon atoms constituting the molecule, preferably 2 to 8 carbon atoms, more preferably 2 or more carbon atoms, It is 5 or less, more preferably 2 or more and 4 or less, and most preferably 2 or more and 3 or less. Examples of the carbon constituting the organic acid include linear or branched carboxylic acids, saturated and / or unsaturated carboxylic acids, and the like. In particular, from the viewpoint that desorption from a catalyst is advantageous, a carboxylic acid in which a bond between carbons consists only of a saturated bond is desirable.
Specific examples of the organic acid include carboxylic acids having one or more carboxyl groups and having 2 to 10 carbon atoms. Specific examples include monocarboxylic acids and dicarboxylic acids. Specific examples of monocarboxylic acids include acetic acid, propionic acid, butyric acid, valeric acid, caproic acid, enanthic acid, pelargonic acid, capric acid, lactic acid, pyruvic acid, malic acid, acrylic acid, benzoic acid, salicylic acid, and isomers thereof. More specifically, examples include acetic acid, propionic acid, butyric acid, valeric acid, caproic acid, lactic acid, acrylic acid, and more specifically acetic acid and propionic acid. Specific examples of the dicarboxylic acid include oxalic acid, malonic acid, succinic acid, phthalic acid, glutaric acid, adipic acid, fumaric acid, maleic acid, and more specifically, oxalic acid, malonic acid, succinic acid, Specific examples include succinic acid.

<工程X>
本発明の工程Xでは、炭素数が1以上、6以下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。気体xにおいて、炭化水素のモル分率が0.1以上、1以下であり、かつ、水蒸気のモル分率が0.1以下である。
<Process X>
In step X of the present invention, a gas x containing at least a hydrocarbon having 1 to 6 carbon atoms is introduced into the reaction system. In the gas x, the mole fraction of hydrocarbon is 0.1 or more and 1 or less, and the mole fraction of water vapor is 0.1 or less.

(気体x)
工程Xで反応系に導入する気体xは、炭化水素、水蒸気、および、炭化水素以外の気体によって構成される。ここで、「炭化水素以外の気体」には、水蒸気は含まれない。
炭化水素の炭素数は、1以上、6以下である。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1〜4、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が好ましい。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との分離に有利である観点から、飽和炭化水素が好ましい。
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、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、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、エチレンである。
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。
(Gas x)
The gas x introduced into the reaction system in the process X is composed of hydrocarbons, water vapor, and gases other than hydrocarbons. Here, the “gas other than hydrocarbon” does not include water vapor.
The carbon number of the hydrocarbon is 1 or more and 6 or less. As described above, since hydrocarbons are activated on the catalyst, the smaller the number of carbon atoms, the smaller the steric hindrance for hydrocarbon adsorption on the catalyst. Therefore, the carbon number of the hydrocarbon is preferably 1 to 4, more preferably 1 to 3, further preferably 1 to 2, and most preferably 1. The hydrocarbon is preferably a saturated hydrocarbon or an unsaturated hydrocarbon. Saturated hydrocarbons are preferred from the viewpoint of having a large boiling point difference from the organic acid that is the product and advantageous for separation of the product and the unreacted raw material.
Specific examples of the hydrocarbon used in the present embodiment include methane, ethane, propane, butane, pentane, hexane, ethylene, propylene, butene, pentene, hexene, acetylene, and isomers thereof. From the above viewpoint, the hydrocarbon is preferably methane, ethane, propane, butane, ethylene, propylene, butene, acetylene, and isomers thereof, and more preferably methane, ethane, propane, ethylene, acetylene. And most preferred are methane and ethylene.
The hydrocarbon which is the raw material of the present invention is preferably introduced as a gas from the viewpoint of the simplicity of the reactor.

気体xにおいて、炭化水素のモル分率が、0.1以上、1以下である。モル分率は、炭化水素の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、0.8以上がさらに好ましい。また、モル分率は炭化水素の精製コストの観点から、0.999以下が好ましく、0.990以下がより好ましく、0.950以下がさらに好ましい。   In the gas x, the molar fraction of hydrocarbon is 0.1 or more and 1 or less. The molar fraction is preferably 0.4 or more, more preferably 0.6 or more, and still more preferably 0.8 or more, from the viewpoint that the higher the partial pressure of the hydrocarbon, the more advantageous the adsorption to the catalyst. In addition, the molar fraction is preferably 0.999 or less, more preferably 0.990 or less, and further preferably 0.950 or less, from the viewpoint of hydrocarbon purification cost.

炭化水素以外の気体とは、例えば、二酸化炭素、水素、酸素、窒素やアルゴンなどの不活性ガス、等が挙げられる。中でも触媒の劣化を防ぐ観点から、不活性ガスが好ましい。気体に酸素を含む場合は、爆発限界以下の濃度とすることが好ましい。また、工程の簡便さの観点から、気体x中の、炭化水素以外の気体のモル分率は、0.5以下が好ましく、0.2以下がより好ましく、0.05以下であることがさらに好ましい。   Examples of gases other than hydrocarbons include carbon dioxide, hydrogen, oxygen, inert gases such as nitrogen and argon, and the like. Among these, an inert gas is preferable from the viewpoint of preventing deterioration of the catalyst. When the gas contains oxygen, the concentration is preferably less than the explosion limit. Further, from the viewpoint of simplicity of the process, the molar fraction of the gas other than hydrocarbon in the gas x is preferably 0.5 or less, more preferably 0.2 or less, and further 0.05 or less. preferable.

導入する水素のモル分率は、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。   The molar fraction of hydrogen to be introduced is preferably 0.2 or less, more preferably 0.1 or less, and more preferably 0.05 or less from the viewpoint of suppressing the reverse reaction of the production of active hydrocarbon species by dehydrogenation on the catalyst. Is more preferable, and 0.01 or less is most preferable.

気体xにおいて、水蒸気のモル分率は0.1以下である。反応系内に導入する水蒸気量が少なくなると、液体の水から水蒸気とするまでに必要な潜熱を少なくできる観点から、導入する水蒸気量は少なくすることが好ましい。また、導入する水蒸気量を0.1以下とすることで、触媒上で生成する炭化水素由来の活性種の失活、触媒活性点の水による被毒、金属触媒の酸化や、触媒成分の水蒸気による脱離、を抑制することができると推測される。このような観点から、気体xにおける水蒸気のモル分率は0.05以下がより好ましく、0.02以下がさらに好ましく、0.01以下が最も好ましい。   In the gas x, the molar fraction of water vapor is 0.1 or less. When the amount of water vapor introduced into the reaction system is reduced, it is preferable to reduce the amount of water vapor introduced from the viewpoint of reducing the latent heat required to convert the liquid water into water vapor. In addition, when the amount of water vapor to be introduced is 0.1 or less, the deactivation of active species derived from hydrocarbons produced on the catalyst, poisoning by water at the catalytic active point, oxidation of the metal catalyst, and water vapor of the catalyst component It is presumed that desorption due to can be suppressed. From such a viewpoint, the molar fraction of water vapor in the gas x is more preferably 0.05 or less, further preferably 0.02 or less, and most preferably 0.01 or less.

水蒸気と炭化水素とのモル分率比(水蒸気/炭化水素)は、気体xの精製コストの観点から0.0001以上が好ましく、0.001以上がより好ましく、0.005以上がさらに好ましい。炭化水素の分圧を大きくするほど炭化水素の活性化に有利である観点から、モル分率比は0.2以下が好ましく、0.1以下がより好ましく0.01以下が最も好ましい。   From the viewpoint of the purification cost of the gas x, the molar fraction ratio of water vapor to hydrocarbon (water vapor / hydrocarbon) is preferably 0.0001 or more, more preferably 0.001 or more, and further preferably 0.005 or more. From the viewpoint of increasing the hydrocarbon partial pressure, which is more advantageous for activating the hydrocarbon, the molar fraction ratio is preferably 0.2 or less, more preferably 0.1 or less, and most preferably 0.01 or less.

気体xにおいて、炭化水素と二酸化炭素とのモル分率の比(炭化水素/二酸化炭素)は0.5より大きいことが好ましく、炭化水素を効率的に触媒によって活性化させる観点から、1以上がより好ましく、5以上がさらに好ましく、10以上が最も好ましい。   In the gas x, the molar ratio of hydrocarbon to carbon dioxide (hydrocarbon / carbon dioxide) is preferably greater than 0.5, and from the viewpoint of efficiently activating the hydrocarbon with a catalyst, one or more is More preferably, 5 or more is more preferable, and 10 or more is most preferable.

気体xは、その製造過程や産出過程、および反応器までの導入過程は限定せず、石油を精製して生じたガス、天然ガス、工場からの排ガス、大気中または地層より回収したガス、例えばシェールガスなども使用できる。   Gas x is not limited in its production process, production process, and introduction process to the reactor. Shale gas can also be used.

工程Xにおいて、気体xの導入時間は、3秒以上、10分以下が好ましい。触媒上の炭化水素由来の活性種の被覆率を向上させる観点から、5秒以上が好ましく、10秒以上が好ましく、より好ましくは20秒以上、さらに好ましくは30秒以上である。また、触媒へ十分に炭化水素が吸着した後に、過剰な時間導入すると、炭化水素は未反応のまま流通し、収率が低下する観点から、5分以下が好ましく、150秒以下が好ましく、110秒以下が好ましく、90秒以下が好ましい。   In the process X, the introduction time of the gas x is preferably 3 seconds or more and 10 minutes or less. From the viewpoint of improving the coverage of the hydrocarbon-derived active species on the catalyst, it is preferably 5 seconds or longer, more preferably 10 seconds or longer, more preferably 20 seconds or longer, and even more preferably 30 seconds or longer. Further, if the hydrocarbon is sufficiently adsorbed on the catalyst and then introduced for an excessive period of time, the hydrocarbon flows unreacted, and from the viewpoint of reducing the yield, 5 minutes or less is preferable, 150 seconds or less is preferable, and 110 Seconds or less are preferable, and 90 seconds or less are preferable.

工程Xにおいて、導入する気体xの総容積流量は、反応系に充填された触媒量1g当たり0.0001〜10000000L/hが好ましく、より好ましくは0.001〜1000000 L/h、さらに好ましくは0.01〜100000 L/hである。   In the step X, the total volume flow rate of the gas x to be introduced is preferably 0.0001 to 10000000 L / h, more preferably 0.001 to 1000000 L / h, more preferably 0, per 1 g of the catalyst charged in the reaction system. 0.01 to 100,000 L / h.

工程Xにおいて、反応系内の温度は、50℃以上、1000℃以下が好ましく、反応速度の観点から80℃以上が好ましく、110℃以上がより好ましく、160℃以上がさらに好ましい。また、触媒の焼結などによる収率低下を防ぐ観点から、790℃以下が好ましく、490℃以下がより好ましく、340℃以下がさらに好ましい。   In step X, the temperature in the reaction system is preferably 50 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower, preferably 80 ° C. or higher, more preferably 110 ° C. or higher, and further preferably 160 ° C. or higher from the viewpoint of the reaction rate. Moreover, from a viewpoint of preventing the yield fall by sintering etc. of a catalyst, 790 degrees C or less is preferable, 490 degrees C or less is more preferable, and 340 degrees C or less is further more preferable.

工程Xにおける反応系内の圧力は、大気圧以上、20MPa以下である。高圧であるほど、炭化水素の触媒への被覆率が高くなるため、0.7MPa以上が好ましく、より好ましくは1.6MPa以上、さらに好ましくは2.6MPa以上、最も好ましくは3.1MPa以上である。また、二酸化炭素の臨界圧力は7.4MPaであり、原料は気体での導入が望ましく、工程Yから工程Xへの切り替え時に、二酸化炭素が液化することを防ぐ観点から、本発明での反応系の圧力は7.4MPa以下が好ましい。圧力が低いほど、加圧のために要するエネルギーは少なくなる観点から、6.5MPa以下がより好ましく、5MPa以下がより好ましい。
さらに、原料炭化水素の蒸気圧が前記圧力よりも低い場合は、炭化水素の蒸気圧以下で導入することが好ましい。
なお、本明細書に記載されている圧力は、大気圧との相対圧力(ゲージ圧)を示している。
The pressure in the reaction system in the process X is not less than atmospheric pressure and not more than 20 MPa. The higher the pressure, the higher the coverage of the hydrocarbon on the catalyst, so 0.7 MPa or more is preferable, more preferably 1.6 MPa or more, still more preferably 2.6 MPa or more, and most preferably 3.1 MPa or more. . The critical pressure of carbon dioxide is 7.4 MPa, and it is desirable that the raw material be introduced in the form of a gas. From the viewpoint of preventing carbon dioxide from liquefying when switching from process Y to process X, the reaction system according to the present invention is used. The pressure is preferably 7.4 MPa or less. From the viewpoint of reducing the energy required for pressurization as the pressure is lower, 6.5 MPa or less is more preferable, and 5 MPa or less is more preferable.
Furthermore, when the vapor pressure of the raw material hydrocarbon is lower than the above pressure, it is preferably introduced at a vapor pressure lower than that of the hydrocarbon.
In addition, the pressure described in this specification has shown the relative pressure (gauge pressure) with atmospheric pressure.

<工程Y>
工程Yでは、二酸化炭素と水蒸気とを少なくとも含む気体yを反応系に導入する。
気体yにおいて、二酸化炭素のモル分率が0.1以上、0.995以下であり、かつ、水蒸気のモル分率が0.005以上、0.36以下である。また、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。
<Process Y>
In process Y, gas y containing at least carbon dioxide and water vapor is introduced into the reaction system.
In the gas y, the molar fraction of carbon dioxide is 0.1 or more and 0.995 or less, and the molar fraction of water vapor is 0.005 or more and 0.36 or less. Further, the molar fraction of carbon dioxide is higher than the molar fraction of carbon dioxide in the gas x.

(気体y)
工程Yで反応系に導入する気体yは、二酸化炭素、水蒸気、および、二酸化炭素以外の気体によって構成される。ここで、「二酸化炭素以外の気体」には、水蒸気は含まれない。
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、0.5以上がより好ましく、0.6以上がさらに好ましい。また、精製コストの観点から、0.9以下が好ましく、0.8以下がより好ましく、0.7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、酸素、窒素やアルゴンなどの不活性ガス、等が挙げられる。
気体yにおいて、水蒸気のモル分率は、0.005以上、0.36以下である。反応系内に導入する水蒸気量が少なくなると、液体の水から水蒸気とするまでに必要な潜熱を少なくできる観点から、導入水蒸気量は少なくすることが好ましい。触媒上に強く吸着した生成カルボン酸の脱離を促進する観点、COと解離水素との反応によるCOと水の生成反応(式1)の逆反応を促進することにより、COからのCOOH基の生成効率を向上させる観点、および、水蒸気を過剰に導入しないことによりCOの分圧低下を少なくでき原料のCOを効率的に反応に利用できる観点から、水蒸気のモル分率は0.05以下が好ましく、0.02以下が好ましく、0.01以下が最も好ましい。
(Gas y)
The gas y introduced into the reaction system in the process Y includes carbon dioxide, water vapor, and a gas other than carbon dioxide. Here, the “gas other than carbon dioxide” does not include water vapor.
In the gas y, the molar fraction of carbon dioxide is 0.1 or more and 1 or less. The molar fraction of carbon dioxide is preferably 0.4 or more, more preferably 0.5 or more, and even more preferably 0.6 or more from the viewpoint of increasing the partial pressure, which is advantageous for adsorption onto the catalyst. Further, from the viewpoint of purification cost, 0.9 or less is preferable, 0.8 or less is more preferable, and 0.7 or less is more preferable.
Further, from the viewpoint of promoting the adsorption / desorption of the substrate to the catalyst due to the unsteady operation of the raw material introduction, the molar fraction of carbon dioxide in the gas y is higher than the molar fraction of carbon dioxide in the gas x.
Examples of the gas other than carbon dioxide include hydrocarbons such as methane, hydrogen, oxygen, inert gases such as nitrogen and argon, and the like.
In the gas y, the molar fraction of water vapor is 0.005 or more and 0.36 or less. If the amount of water vapor introduced into the reaction system decreases, it is preferable to reduce the amount of water vapor introduced from the viewpoint of reducing the latent heat required to convert the liquid water into water vapor. From the viewpoint of promoting the elimination of the produced carboxylic acid strongly adsorbed on the catalyst, by promoting the reverse reaction of the production reaction of CO and water (formula 1) by the reaction of CO 2 and dissociated hydrogen, COOH from CO 2 From the viewpoint of improving the production efficiency of the groups, and from the viewpoint of reducing CO 2 partial pressure drop by not introducing excessive water vapor and efficiently using the raw material CO 2 for the reaction, the molar fraction of water vapor is 0. .05 or less is preferable, 0.02 or less is preferable, and 0.01 or less is most preferable.

工程の簡便さの観点から、工程Yにおいて、二酸化炭素および水蒸気以外の、他の気体は導入しないことが好ましい。また、原料の二酸化炭素の精製コストの観点から、二酸化炭素に含まれる他の気体は、二酸化炭素のモル分率に対し、0.001以上であり、0.01以上が好ましく、0.05以上が最も好ましい。   From the viewpoint of simplicity of the process, it is preferable not to introduce other gases other than carbon dioxide and water vapor in the process Y. Further, from the viewpoint of the purification cost of carbon dioxide as a raw material, the other gas contained in carbon dioxide is 0.001 or more, preferably 0.01 or more, preferably 0.05 or more with respect to the molar fraction of carbon dioxide. Is most preferred.

前記した、二酸化炭素および水蒸気以外の、他の気体が水素であるとき、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と導入水素とが反応することにより不活性化が生じる可能性がある。このため、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。   When the other gas other than carbon dioxide and water vapor is hydrogen as described above, the introduced hydrocarbon is an active species dehydrogenated on the catalyst. Inactivation may occur due to the reaction between the activated hydrocarbon species and the introduced hydrogen. For this reason, when the molar fraction of carbon dioxide is 1, the molar fraction of hydrogen is preferably 0.2 or less, more preferably 0.1 or less, and most preferably 0.05 or less.

脱水素した炭化水素活性種が、導入水素と反応することによる不活性化は、この炭化水素活性種が触媒上で被覆率高く生成している際に、より顕著に不活性化が生じることが考えられる。そのため、この工程Yにおいて、二酸化炭素と共に導入する水素の量が少ないことで、工程Xにおいて高圧条件下で触媒上に被覆率高く生成した炭化水素活性種を、効率良く有機酸の生成に利用することに寄与する、と推測される。
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。
The deactivation of the dehydrogenated hydrocarbon active species by reacting with the introduced hydrogen may cause more significant deactivation when the hydrocarbon active species is produced at a high coverage on the catalyst. Conceivable. Therefore, in this process Y, the amount of hydrogen to be introduced together with carbon dioxide is small, so that the active hydrocarbon species generated on the catalyst at a high coverage under the high pressure conditions in process X are efficiently used for the production of organic acids. It is speculated that it will contribute.
The smaller the amount of hydrogen introduced, the easier it is to condense with dehydrogenation of the active species and the generated organic acid on the catalyst, which is advantageous for the generation of an organic acid having a higher carbon number or having a plurality of carboxyl groups. Become. Specific examples of the organic acid having a higher carbon number or a plurality of carboxyl groups include acetic acid, propionic acid, oxalic acid, and succinic acid.

気体yにおいて、水蒸気と炭化水素とのモル分率比(水蒸気/二酸化炭素)は、水蒸気を導入する効果を大きくする観点から、0.005以上が好ましく、0.1以上がより好ましく、0.3以上がさらに好ましく、0.5以上が最も好ましい。炭化水素の分圧を大きくするほど、炭化水素の活性化に有利である観点から、モル分率比は、2.5以下が好ましく、2.1以下がより好ましく、1.6以下がさらに好ましく、1.0以下が最も好ましい。   In the gas y, the molar ratio of water vapor to hydrocarbon (water vapor / carbon dioxide) is preferably 0.005 or more, more preferably 0.1 or more, from the viewpoint of increasing the effect of introducing water vapor. 3 or more is more preferable, and 0.5 or more is most preferable. From the viewpoint of increasing the hydrocarbon partial pressure, the molar fraction ratio is preferably 2.5 or less, more preferably 2.1 or less, and even more preferably 1.6 or less, from the viewpoint of being advantageous for hydrocarbon activation. 1.0 or less is most preferable.

気体yにおいて、炭化水素と二酸化炭素とのモル分率の比(二酸化炭素/炭化水素)は、0.5より大きいことが好ましく、炭化水素を効率的に触媒によって活性化させる観点から、1以上がより好ましく、5以上がさらに好ましく、10以上が最も好ましい。工程Yでは、炭化水素が存在しない条件のもと実施することも可能である。   In the gas y, the ratio of the molar fraction of hydrocarbon to carbon dioxide (carbon dioxide / hydrocarbon) is preferably greater than 0.5, and is 1 or more from the viewpoint of efficiently activating the hydrocarbon with a catalyst. Is more preferable, 5 or more is more preferable, and 10 or more is most preferable. In the process Y, it is also possible to carry out under the condition that no hydrocarbon exists.

気体yは、その製造過程や産出過程、および反応器までの導入過程は限定せず、石油を精製して生じたガス、天然ガス、工場からの排ガス、大気中または地層より回収したガス、例えばシェールガスなども使用できる。   The gas y is not limited in its production process, production process, and introduction process to the reactor, but gas produced by refining petroleum, natural gas, exhaust gas from a factory, gas recovered from the atmosphere or formation, for example, Shale gas can also be used.

工程Yにおいて、気体yの導入時間は、3秒以上、10分以下が好ましい。触媒上の炭化水素由来の活性種との反応量を多くする観点から、5秒以上が好ましく、10秒以上がより好ましく、25秒以上がさらに好ましく、45秒以上が最も好ましい。また、工程Yの時間経過と共に、触媒上の炭化水素由来の活性種は、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、収率が減少する観点から、導入時間は5分以下が好ましく、150秒以下がより好ましく、110秒以下がさらに好ましく、90秒以下が最も好ましい。   In the process Y, the introduction time of the gas y is preferably 3 seconds or longer and 10 minutes or shorter. From the viewpoint of increasing the amount of reaction with the hydrocarbon-derived active species on the catalyst, it is preferably 5 seconds or more, more preferably 10 seconds or more, further preferably 25 seconds or more, and most preferably 45 seconds or more. In addition, with the passage of time in Step Y, the hydrocarbon-derived active species on the catalyst decrease by reacting with carbon dioxide, and the yield decreases as the amount of unreacted carbon dioxide circulates increases. From the viewpoint, the introduction time is preferably 5 minutes or less, more preferably 150 seconds or less, further preferably 110 seconds or less, and most preferably 90 seconds or less.

工程Yにおいて、導入する気体yの総容積流量は、反応系に充填された触媒量1g当たり0.0001〜10000000L/hが好ましく、より好ましくは0.001〜1000000 L/h、さらに好ましくは0.01〜100000 L/hである。   In the step Y, the total volume flow rate of the gas y to be introduced is preferably 0.0001 to 10000000 L / h, more preferably 0.001 to 1000000 L / h, more preferably 0, per 1 g of the catalyst charged in the reaction system. 0.01 to 100,000 L / h.

工程Yにおいて、反応系内の温度は、50℃以上、1000℃以下が好ましく、反応速度の観点から、80℃以上が好ましく、110℃以上がより好ましく、160℃以上がさらに好ましい。また、触媒の焼結などによる収率低下を防ぐ観点から、790℃以下が好ましく、490℃以下がより好ましく、340℃以下がさらに好ましい。   In step Y, the temperature in the reaction system is preferably 50 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower, and is preferably 80 ° C. or higher, more preferably 110 ° C. or higher, and further preferably 160 ° C. or higher from the viewpoint of the reaction rate. Moreover, from a viewpoint of preventing the yield fall by sintering etc. of a catalyst, 790 degrees C or less is preferable, 490 degrees C or less is more preferable, and 340 degrees C or less is further more preferable.

工程Yにおける反応系内の圧力は、大気圧以上、20MPa以下が好ましい。高圧であるほど、炭化水素活性種への二酸化炭素の反応確率が高くなる観点から、0.7MPa以上が好ましく、より好ましくは1.6MPa、さらに好ましくは2.6MPa以上、最も好ましくは3.1MPa以上である。また、二酸化炭素の臨界圧力は7.4MPaであり、原料は気体での導入が望ましい観点から、本発明での反応系の圧力は7.4MPa以下が好ましい。圧力が低いほど、加圧のために要するエネルギーは少なくなる観点から、反応系の圧力は6.5MPa以下がより好ましく、5MPa以下がより好ましい。
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、シュウ酸、コハク酸があげられる。
The pressure in the reaction system in the step Y is preferably not less than atmospheric pressure and not more than 20 MPa. From the viewpoint of increasing the reaction probability of carbon dioxide to the active hydrocarbon species as the pressure increases, 0.7 MPa or more is preferable, more preferably 1.6 MPa, still more preferably 2.6 MPa or more, and most preferably 3.1 MPa. That's it. Moreover, the critical pressure of carbon dioxide is 7.4 MPa, and the pressure of the reaction system in the present invention is preferably 7.4 MPa or less from the viewpoint that introduction of the raw material in a gas is desirable. From the viewpoint of reducing the energy required for pressurization as the pressure is lower, the pressure of the reaction system is more preferably 6.5 MPa or less, and more preferably 5 MPa or less.
According to Le Chatelier's law, the higher the reaction pressure, the more advantageous is the reaction in which the number of product molecules is reduced. Therefore, the organic acid product having a large number of carbon atoms increases. This organic acid having a large number of carbon atoms is an organic acid having 2 or more carbon atoms, and examples thereof include acetic acid, propionic acid, oxalic acid, and succinic acid.

本実施形態における工程X及び工程Yは、どちらが先でも構わず、製造方法においてそれぞれの工程が2回以上繰り返されても構わない。工程Xと工程Yとの切り換えによる効果を大きくする観点から、工程X及び工程Yの繰り返し回数は2回以上が好ましく、5回以上がより好ましく、10回以上が最も好ましい。本実施形態では、触媒上に生成させた炭化水素由来の活性種に二酸化炭素を反応させることが好ましいために、先に工程Xを行い、その後に工程Yを行うことが好ましい。
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。
Either step X or step Y in the present embodiment may be performed first, and each step may be repeated two or more times in the manufacturing method. From the viewpoint of increasing the effect of switching between the process X and the process Y, the number of repetitions of the process X and the process Y is preferably 2 or more, more preferably 5 or more, and most preferably 10 or more. In the present embodiment, since it is preferable to react carbon dioxide with the hydrocarbon-derived active species generated on the catalyst, it is preferable to perform step X first and then perform step Y.
Furthermore, in this embodiment, in addition to the step X and the step Y, one or a plurality of steps can be added to the organic acid production step, and the order thereof is not limited. Process X, process Y, and other processes can be repeated in the organic acid production process periodically or not periodically. Examples of the process other than the process X and the process Y include an oxidation or reduction treatment performed for catalyst regeneration.

工程Xと工程Yとの切り替えは、反応器の上流から反応器への導入ガスを切り替えることや、原料ガスの濃度分布がある反応器中で触媒を移動させることなどで、実施できる。具体的には、固定床や移動床反応器への導入ガスの切り替えや、原料ガスの濃度分布がある反応器中での流動床や移動床などである。   Switching between the process X and the process Y can be performed by switching the gas introduced into the reactor from the upstream side of the reactor, or by moving the catalyst in the reactor having the concentration distribution of the raw material gas. Specifically, switching of the introduced gas to a fixed bed or moving bed reactor, or a fluidized bed or moving bed in a reactor having a concentration distribution of raw material gas.

工程X、工程Y、およびそれ以外の工程間の切り換え操作は、流動床、移動床や、疑似移動床など、触媒が反応系内を移動する反応形態において、反応系内に定常的に気体x、気体yなどの各気体の成分組成となる領域が存在し、触媒が所定の時間その領域に滞留することによって、前記各工程を実施することができる。その際、前記各工程の所要時間は、反応工程におけるその領域での触媒の平均滞留時間を意味する。   In the reaction mode in which the catalyst moves in the reaction system, such as a fluidized bed, a moving bed, and a simulated moving bed, the switching operation between the process X, the process Y, and the other processes is performed constantly in the reaction system by the gas x, Each of the above steps can be performed by a region having a component composition of each gas such as the gas y and the catalyst staying in the region for a predetermined time. In this case, the time required for each step means the average residence time of the catalyst in that region in the reaction step.

また、工程X及び工程Yにおいて、反応系内の温度や圧力、気体の導入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。
工程X、工程Y、およびそれ以外の工程間において、前記温度および/または圧力が異なるとは、流動床、移動床や、疑似移動床など、触媒が反応系内を移動する反応形態において、反応系内に定常的に気体x、気体yなどの各気体の成分組成となり、かつ温度、および/または圧力が異なる領域が存在し、触媒が所定の時間その領域に滞留することによって、前記各工程を実施することができる。
Moreover, in the process X and the process Y, the temperature, pressure, and gas introduction time in the reaction system do not have to be the same, and can be set to different conditions within a predetermined range described in this specification.
The difference in temperature and / or pressure between the process X, the process Y, and other processes means that the reaction system in a reaction mode in which the catalyst moves in the reaction system, such as a fluidized bed, a moving bed, or a simulated moving bed. There are regions where the composition of each gas, such as gas x and gas y, steadily changes and the temperature and / or pressure is different, and the catalyst stays in that region for a predetermined time. Can be implemented.

以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
以下に示すような条件で合成を行い、有機酸の生成量について評価した。
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。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in detail, this invention is not limited to these.
The synthesis was performed under the following conditions, and the amount of organic acid produced was evaluated.
In addition, the molar fraction, production | generation rate, and production | generation activity of each component were measured as follows.

(液クロマトグラフィー)
[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
(Liquid chromatography)
[apparatus]
System controller: CBM-20A (manufactured by Shimadzu Corporation)
Liquid feed pump: LC-20AD (manufactured by Shimadzu Corporation)
Electrical conductivity detector: CDD-10Avp (manufactured by Shimadzu Corporation)
[column]
Shim-pack SCR-102H (manufactured by Shimadzu Corporation)
[Mobile phase]
5 mmol / L p-toluenesulfonic acid [reaction solution] 5 mmol / L p-toluenesulfonic acid + 100 μmol / L EDTA + 20 mmol / L Bis-Tris
[Measurement condition]
Column temperature 40 ° C, liquid feed rate 0.8mL / min

(モル分率)
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]+[水蒸気のモル分率]+[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、水蒸気/二酸化炭素比については、アルゴンまたはヘリウム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、水蒸気/二酸化炭素比については水を強く吸着しすぎないカラム(例えば、CP−Sil5、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。
(Molar fraction)
The mole fractions of hydrogen, carbon dioxide, hydrocarbons, and other components described in this specification are shown by the following formula.
[Mole fraction of gas] = [Mole fraction of hydrocarbon] + [Mole fraction of carbon dioxide] + [Mole fraction of water vapor] + [Mole fraction of other components] = 1
In addition, when evaluating the molar fraction by gas chromatography, for the water vapor / carbon dioxide ratio, argon or helium is used as a carrier gas and a thermal conductivity detector is used. For hydrocarbons, heat is conducted using helium as a carrier gas. Use gas chromatography with degree detector or flame ionization detector. As for the water vapor / carbon dioxide ratio, a column that does not absorb water too strongly (for example, CP-Sil5, manufactured by GL Sciences Inc.) is used, and the hydrocarbon is a nonpolar type packed only with dimethylsiloxane, Alternatively, a polar type such as a mixed composition of dimethylsiloxane and diphenylsiloxane, which can appropriately separate the target hydrocarbon, is used.

(生成量)
本実施例、および比較例において、各有機酸の生成量は、反応器下流に設置した水トラップ液、および、反応管下流を蒸留水で洗浄した洗浄液を、前記液クロマトグラフィーで評価し、水トラップ液中の有機酸と洗浄液中の有機酸との和を生成量とした。
(Production amount)
In this example and comparative example, the amount of each organic acid produced was determined by evaluating the water trap solution installed downstream of the reactor and the washing solution obtained by washing the reaction tube downstream with distilled water using the liquid chromatography. The sum of the organic acid in the trap liquid and the organic acid in the cleaning liquid was defined as the amount of production.

実施例1〜実施例7では、飽和炭化水素と二酸化炭素とを触媒存在下で反応させて、有機酸を製造し、有機酸の生成量について評価した。
<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:3wt%、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。
In Examples 1 to 7, saturated hydrocarbons and carbon dioxide were reacted in the presence of a catalyst to produce an organic acid, and the amount of organic acid produced was evaluated.
<Example 1>
Palladium chloride was dissolved in an aqueous solution containing 5 molar equivalents of hydrochloric acid, and a titanium oxide (rutile type) powder was impregnated with Pd species and supported at 500 ° C. in the atmosphere. Baked. The powder thus obtained was impregnated and supported with Co seeds using an aqueous solution having a concentration of 50 g / L in which cobalt nitrate was dissolved, and then the powder prepared by firing in the atmosphere at 500 ° C. was used as a catalyst. The amount of the supported metal species was Pd: 3 wt% and Co: 6 wt% when converted based on the chemical state of each metal species as metal. The powder catalyst was pelletized by applying a pressure of 20 MPa, and this was pulverized and reacted using a granular catalyst classified into 0.25 to 0.50 mm.

一本のSUS管(外径:3/8インチ、肉厚:1.0mm、長さ:56cm)の中央部に、0.5gの触媒を石英ウールにはさみ込むことで充填した。このSUS管を設置した流通系の反応器を用いて有機酸の製造を行った。
反応開始前にH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、CH (気体x)を1分間流通させた(工程X)。その後に、プランジャーポンプにてCOに水を導入し、加熱することで生成した、COと水蒸気との混合気体(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、CH: 200mL/min、CO:200 mL/min、水蒸気:25mL/minとし、温度は200℃、4.0MPaの加圧条件にて反応を実施した。
A central portion of one SUS tube (outer diameter: 3/8 inch, wall thickness: 1.0 mm, length: 56 cm) was filled by sandwiching 0.5 g of catalyst into quartz wool. An organic acid was produced using a flow reactor equipped with this SUS tube.
Prior to the start of the reaction, the catalyst was pretreated by heating at 400 ° C. for 1 hour in a H 2 stream. During the catalytic reaction, the gas introduced into the reaction tube was controlled by a mass flow controller, and CH 4 (gas x) was allowed to flow for 1 minute (step X). Thereafter, water was introduced into CO 2 with a plunger pump, and a mixed gas (gas y) of CO 2 and water vapor generated by heating was introduced for 1 minute (step Y). The operations of Step X and subsequent Step Y were repeated, and the reaction was performed for a total time of 1 hour. The gas flow rates were CH 4 : 200 mL / min, CO 2 : 200 mL / min, water vapor: 25 mL / min, and the reaction was carried out under pressure conditions of 200 ° C. and 4.0 MPa.

1時間反応後の回収液の評価結果を表1に示す。配管洗浄液は、有機酸が検出されなくなるまで回収し、配管中の残留有機酸がなくなったことを確認した後に、次の反応工程に移行した。その結果、それぞれの炭素数が2以上の有機酸の生成量は、酢酸:174 nmol、プロピオン酸:127 nmolであった。   Table 1 shows the evaluation results of the recovered liquid after the reaction for 1 hour. The pipe cleaning liquid was collected until no organic acid was detected, and after confirming that there was no residual organic acid in the pipe, the process moved to the next reaction step. As a result, the amount of each organic acid having 2 or more carbon atoms was acetic acid: 174 nmol and propionic acid: 127 nmol.

<実施例2>
工程Xおよび工程Yにおける反応温度を、300℃とした以外は、実施例1と同様に反応を行った。結果を表1に示す。
<Example 2>
The reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that the reaction temperature in Step X and Step Y was 300 ° C. The results are shown in Table 1.

<実施例3>
工程Yにおいて、導入する気体yに含有される水蒸気量を74 mL/minとした以外は、実施例2と同様に反応を行った。結果を表1に示す。
<Example 3>
In step Y, the reaction was carried out in the same manner as in Example 2 except that the amount of water vapor contained in the introduced gas y was 74 mL / min. The results are shown in Table 1.

<実施例4>
工程Xにおいて、導入する気体xの炭化水素をエチレンとした以外は、実施例1と同様に反応を行った。結果を表1に示す。
<Example 4>
In Step X, the reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that ethylene was used as the hydrocarbon of the gas x to be introduced. The results are shown in Table 1.

<比較例1>
工程Yにおいて、導入する気体yを二酸化炭素のみとした以外は、実施例1と同様に反応を行った。結果を表1に示す。
<Comparative Example 1>
In Step Y, the reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that the gas y to be introduced was only carbon dioxide. The results are shown in Table 1.

<比較例2>
工程Yにおいて、導入する気体yに含有される水蒸気量を123mL/minとした以外は、実施例1と同様に反応を行った。結果を表1に示す。
<Comparative example 2>
In Step Y, the reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that the amount of water vapor contained in the introduced gas y was 123 mL / min. The results are shown in Table 1.

<比較例3>
工程Xにおいて、導入する気体xを、CH:200mL/minと、水蒸気:25mL/minとの混合気体とした以外は、実施例1と同様に反応を行った。結果を表1に示す。
<Comparative Example 3>
In Step X, the reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that the gas x to be introduced was a mixed gas of CH 4 : 200 mL / min and water vapor: 25 mL / min. The results are shown in Table 1.

Figure 2016155775
Figure 2016155775

表1からわかるように、触媒の存在下で、反応器にCH(気体x)を導入し、その後に、CO+HOの混合気体(気体y)を導入することで、有機酸として酢酸とプロピオン酸が生成されていることが確認された。工程Xおよび工程Yにて導入する水蒸気量を変更することにより、有機酸の生成量に差がみられた。
気体xと気体yにおいて共に水蒸気を導入しなかった比較例1、気体yにのみモル分率0.38の水蒸気を導入した比較例2に比べ、気体yにモル分率0.005以上、0.36以下の水蒸気を導入した実施例1〜4では、酢酸、およびプロピオン酸について、2倍から20倍程度の生成量の増加がみられた。この結果から、水蒸気を気体yに導入することで有機酸の生成に効果があるが、過剰な水蒸気を導入すると有機酸の生成量は減少することがわかった。
As can be seen from Table 1, in the presence of a catalyst, CH 4 (gas x) is introduced into the reactor, and then a mixed gas of CO 2 + H 2 O (gas y) is introduced as an organic acid. It was confirmed that acetic acid and propionic acid were produced. By changing the amount of water vapor introduced in Step X and Step Y, a difference was observed in the amount of organic acid produced.
Compared to Comparative Example 1 in which water vapor was not introduced into both gas x and gas y and Comparative Example 2 in which water vapor having a molar fraction of 0.38 was introduced only into gas y, the molar fraction of gas y was 0.005 or more, 0 In Examples 1 to 4 into which water vapor of .36 or less was introduced, the production amount of acetic acid and propionic acid was increased by about 2 to 20 times. From this result, it was found that introducing water vapor into the gas y is effective in producing an organic acid, but introducing excess water vapor reduces the amount of organic acid produced.

気体xにモル分率0.11の水蒸気を含む比較例3と、気体xの水蒸気量が0.10以下である実施例1〜4とを比較すると、気体xにモル分率0.1以上の水蒸気を含むことで、触媒上の炭化水素由来の活性種の不活性化などにより、有機酸の生成量は減少したと考えられる。
また、実施例4から、炭化水素はメタンだけでなく、エチレンなど他の炭化水素を用いても、本発明の効果が得られることが示された。
Comparing Comparative Example 3 in which the gas x contains water vapor having a molar fraction of 0.11 and Examples 1 to 4 in which the water vapor amount of the gas x is 0.10 or less, the gas x has a molar fraction of 0.1 or more. It is considered that the production amount of the organic acid decreased due to the inactivation of the active species derived from hydrocarbons on the catalyst.
Further, from Example 4, it was shown that the effects of the present invention can be obtained by using not only methane but also other hydrocarbons such as ethylene.

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。   Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to this, and can be appropriately changed without departing from the spirit of the invention.

本発明に係る炭化水素と二酸化炭素を原料とする有機酸の製造方法は、本明細書に示したような、適した反応条件とすることで有機酸の高収率化を発現することができるものとなり、工業的に有機酸を製造する方法において、好適に利用可能である。   The organic acid production method using hydrocarbons and carbon dioxide as raw materials according to the present invention can achieve high yields of organic acids by using suitable reaction conditions as shown in this specification. And can be suitably used in industrially producing organic acids.

Claims (10)

炭素数が1以上、6以下の炭化水素と二酸化炭素とを原料として、炭素数が2以上、10以下の有機酸を製造する方法であって、
触媒が存在する反応系内に、前記炭化水素を少なくとも含む気体xを導入する工程Xと、
前記反応系内に、前記二酸化炭素と水蒸気とを少なくとも含む気体yを導入する工程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0.1以上、1以下であり、かつ、水蒸気のモル分率が0.1以下であり、
前記気体yにおいて、前記二酸化炭素のモル分率が0.1以上、0.995以下であり、かつ、前記水蒸気のモル分率が0.005以上、0.36以下であり、
前記気体yにおける前記二酸化炭素のモル分率が、前記気体xにおける二酸化炭素のモル分率よりも高いこと、を特徴とする有機酸の製造方法。
A method for producing an organic acid having 2 to 10 carbon atoms using a hydrocarbon having 1 to 6 carbon atoms and carbon dioxide as raw materials,
Introducing a gas x containing at least the hydrocarbon into a reaction system in which a catalyst is present; and
Introducing the gas y containing at least the carbon dioxide and water vapor into the reaction system; and
In the gas x, the mole fraction of the hydrocarbon is 0.1 or more and 1 or less, and the mole fraction of water vapor is 0.1 or less,
In the gas y, the molar fraction of the carbon dioxide is 0.1 or more and 0.995 or less, and the molar fraction of the water vapor is 0.005 or more and 0.36 or less,
A method for producing an organic acid, wherein a mole fraction of carbon dioxide in the gas y is higher than a mole fraction of carbon dioxide in the gas x.
前記気体yに含まれる、前記水蒸気と前記二酸化炭素とのモル比が0.005以上、2.5以下である、請求項1に記載の有機酸の製造方法。   The manufacturing method of the organic acid of Claim 1 whose molar ratio of the said water vapor | steam and the said carbon dioxide contained in the said gas y is 0.005 or more and 2.5 or less. 前記反応系内の温度が160℃以上、340℃以下である、請求項1または請求項2に記載の有機酸の製造方法。   The manufacturing method of the organic acid of Claim 1 or Claim 2 whose temperature in the said reaction system is 160 degreeC or more and 340 degrees C or less. 前記炭化水素の炭素数が1または2である請求項1〜3のいずれか1項に記載の有機酸の製造方法。   The method for producing an organic acid according to any one of claims 1 to 3, wherein the hydrocarbon has 1 or 2 carbon atoms. 前記炭化水素がメタンである、請求項4に記載の有機酸の製造方法。   The method for producing an organic acid according to claim 4, wherein the hydrocarbon is methane. 前記炭化水素がエチレンである、請求項4に記載の有機酸の製造方法。   The method for producing an organic acid according to claim 4, wherein the hydrocarbon is ethylene. 前記触媒が不均一系触媒である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の有機酸の製造方法。   The method for producing an organic acid according to any one of claims 1 to 6, wherein the catalyst is a heterogeneous catalyst. 前記反応系内の圧力が、3.1MPa以上、5.0MPa以下である、請求項1〜7のいずれか1項に記載の有機酸の製造方法。   The method for producing an organic acid according to any one of claims 1 to 7, wherein a pressure in the reaction system is 3.1 MPa or more and 5.0 MPa or less. 前記気体xおよび/または気体yの導入時間が、3秒以上、150秒以下である、請求項1〜8のいずれか1項に記載の有機酸の製造方法。   The method for producing an organic acid according to claim 1, wherein the introduction time of the gas x and / or the gas y is 3 seconds or longer and 150 seconds or shorter. 前記気体yに含まれる水素のモル分率が0.1以下である、請求項1〜9のいずれか1項に記載の有機酸の製造方法。   The method for producing an organic acid according to any one of claims 1 to 9, wherein a molar fraction of hydrogen contained in the gas y is 0.1 or less.
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