JP2022160637A - 乳酸メチルからアクリル酸メチルを製造する方法 - Google Patents
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Abstract
Description
水中、20wt%の乳酸が基質として使用された。乳酸の触媒的転化が、固定床式の連続的ダウンストリーム流通反応器(downstream flow reactor)内で実施された。反応は、330℃及び大気圧で実施された。典型的には、0.25~0.5mmのフラクションにペレット化された触媒1g(1.65ml)が使用された。反応器内の基質及び生成物の熱分解を回避する為に、石英反応器管が、触媒床より下は石英ウールで、触媒床より上はガラスビーズで充填された。触媒を用いない反応温度でのブランク試験が実施され、この試験期間中に有意なレベルの転化は検出されなかった。供給溶液が、HPLCポンプ(Waters社515HPLCポンプ、供給流速0.05ml/分)を使用してシステム内にポンプ搬送され、完全な蒸発を確保する為にN2と混合された(窒素ガスのガス流量27.5ml/分)。液空間速度(LHSV)は、1.8時間-1に設定された。
(式中、
98wt%のメチル(S)-乳酸(Purasolv ML/ex Corbion社)が基質として使用された。メタノール、水-メタノール、又は水が、乳酸メチル(ML)希釈用の溶媒として使用された。乳酸メチルからアクリル酸メチルへの触媒的転化は、固定床式の連続的ダウンストリーム流通反応器(downstream flow reactor)内で実施された。反応は320~340℃及び大気圧で実施された。典型的には、0.25~0.5mmのフラクションにペレット化された触媒1g(1.7ml)が使用された。反応器内の基質及び生成物の熱分解を回避する為に、石英反応器管が、触媒床より下は石英ウールで、及び触媒床より上はガラスビーズで充填された。触媒を用いない反応温度でのブランク試験が実施され、この試験期間中に有意なレベルの転化は検出されなかった。乳酸メチル溶液が、HPLCポンプ(Waters社515HPLCポンプ)を使用してシステム内にポンプ搬送され、完全な蒸発を確保する為にN2と混合された。
(式中、
IR実験が、DTGSディテクターを備えたNicolet6700分光光度計上で実施された(スキャン回数128回;分解能2cm-1)。測定前に、自己支持式のウェファーが、真空中、400℃ Kにおいて1時間(5℃/分)事前処理された。触媒の酸性度が、プローブとしてピリジンを使用して分析された。400Kにおいて事前処理した後、試料は、約28mbarのピリジン蒸気を用いて50℃で20分間飽和された。吸着ピリジンを含有する排気された試料が最高150℃まで加熱され、20分間保持され、次にIRスペクトルが記録された。酸性度の定量化で使用される、統合された(integrated)モル吸光係数は、ブレンステッド酸部位に特徴的な1545cm-1バンド、及びルイス酸部位に特徴的な1455cm-1バンドについて、それぞれ1.67cm/マイクロモル、及び2.22cm/マイクロモルであった(C.A. Emeis, J. Catal. 141 (1993) 347-354で報告されたデータに基づく)。
Cat1~Cat6:異なるイオン交換度を有するK交換型のZSM-5触媒が、SiO2/Al2O3比が24である親NaZSM-5ゼオライト(SN27、Alsi Penta社)にイオン交換ステップ(ゼオライト粉末が、表1に規定された種々の濃度の硝酸カリウム及び/又は液体と固体との比を使用して、硝酸カリウム(KNO3)の水性溶液内で撹拌された)を施すことにより調製された。次に得られた物質は濾過され、残存する塩を取り除く為に、液体と固体との比60を使用してミリポアQ水で洗浄された。次に試料が60℃で終夜乾燥され、550℃のマッフルオーブン内、静止空気中、3℃/分の勾配で4時間焼成された。触媒の物理化学特性は、表1に記載されている。表が示す通り、カリウム交換度が増加すると、プロトン密度(吸着ピリジンのIRにより測定される、NH3-TPDは感度がなく、また特徴的でもない)及びルイス酸性度(やはり、吸着ピリジンのIRにより測定される)が実質的に減少する。
(LA転化、KH2PO4の含浸)
Myriant社出願の国際公開第2016/201181号パンフレットの実施例13が再試験された。この目的を達成する為に、SiO2/Al2O3比24を有する、市販Na ZSM-5(Alsi-Penta Zeolith Gmbh社製)1gに、4mmoleのKH2PO4が、初期湿潤含浸法(incipient wetness impregnation)によって含浸された。触媒は、250℃で乾燥及び焼成され、乳酸の溶媒として水を使用する乳酸脱水反応器内で使用された。公正な比較を行う為に、液空間速度(LHSV)が1.8時間-1に設定された。結果は図1aに提示されており、図中、白丸は本発明者等の測定において得られたデータを表わし、黒丸は国際公開第2016/201181号パンフレットで提示されているデータを表わす。
(LA転化、含浸無し)
国際公開第2016/201181号パンフレットの実施例13が、触媒にKH2PO4が含浸されない以外は比較例1に記載の通り再試験された。図1bから明らかなように、アクリル酸収率(60%)及び完全な乳酸転化率のいずれも、経時的に安定なまま保たれた。触媒は、国際公開第2016/201181号パンフレットのKH2PO4含浸触媒よりも良好な性能をもたらした。
(乳酸メチル(ML)転化、水)
比較例1で調製された触媒が、乳酸メチルの溶媒として水を使用する、乳酸メチルの脱水に使用された。下記の反応条件が使用された:反応温度340℃、触媒の容積=1.7ml、キャリヤガス(N2)流量=10ml/分;液体供給原料:0.9ml/時の速度でポンプ搬送される、H2O中35%の乳酸メチル(ML);LHSV=0.5時間-1。
Cat5(実施例1)が触媒として使用された。表3に要約されるように、様々な溶媒中で、又は溶媒を用いないで、35wt.%の乳酸メチル(ML)の脱水が実施された。いずれの場合においても、触媒床上を通過する乳酸メチル(ML)の量は一定に保たれ(WHSV)、且つ気流中の乳酸メチルの濃度はほぼ同一であった。
実施例1で調製された触媒が、乳酸メチル(ML)転化で試験された。下記の反応条件が使用された:反応温度340℃、触媒の容積=1.7ml、キャリヤガス(N2)流量=10ml/分;液体供給原料:0.9ml/時の速度でポンプ搬送される、MeOH中の35%(ML);LHSV(総液体供給)=0.5時間-1。完全な乳酸メチル(ML)転化が、全てのK含有触媒について認められ、最初の24時間の流通時間(time-on-stream)において0.85よりも高い交換度を有した。一方、親ゼオライト(parent zeolite)の場合、12時間の流通時間後に転化率が下落した。ナトリウム陽イオンをカリウム陽イオンにより徐々に置換すると、アセトアルデヒド(AcH)収率の下落を引き起こし、アクリレート形成(アクリル酸メチル及びアクリル酸の両方)にとって有利となる。K交換度(K/(K+Na)として定義される)が0.97を上回ること、及び残留プロトン密度が実質的に低いこと(1マイクロモル/g未満)(Cat4、5、及び6)が、少なくとも30時間の流通時間に、76C%を上回る安定なアクリレート選択率に到達するのに必要とされる2つのパラメーターである(表4)。
プロトンを含まないカリウム型ZSM-5と正確な比較をするために、硝酸ナトリウムを用いたイオン交換により、残留ブレンステッド酸性度を低下させる試みがなされた。この目的を達成する為に、Na型親ZSM-5(parent ZSM-5)が、硝酸ナトリウムを用いて、室温、及び高温での4ステップ交換の両方においてイオン交換された。これらの触媒、Cat7、及びCat8の調製条件は、表1に集約されている。
実施例1に従い調製された、様々なプロトン密度を有する一連のNaを含まないK-ZSM-5触媒(Cat10~11)が試験された。下記の反応条件が使用された:反応温度340℃、触媒の容積=1.7ml、キャリヤガス(N2)流量=10ml/分;液体供給原料:0.9ml/時の速度でポンプ搬送される、MeOH中、35%の乳酸メチル(ML);LHSV=0.5時間-1。図4は、プロトン密度がより高い触媒Cat10及びCat11の流通時間挙動(選択率及び活性の両方)は、プロトン密度が1マイクロモル/g未満のCat9と比較して不良であることを示している。プロトン含有量が高いと、安定性及び選択率の不良を引き起こす。
実施例1に従い調製された過剰のカリウムを有する一連の触媒(Cat12~13)が試験された。下記の反応条件が使用された:反応温度340℃、触媒の容積=1.7ml、キャリヤガス(N2)流量=10ml/分;液体供給原料:0.9ml/時の速度でポンプ搬送される、MeOH中、35%の乳酸メチル(ML);LHSV=0.5時間-1。図5は、1を上回るK/Al比を有する触媒Cat12及びCat13の流通時間挙動(アクリレート選択率及び活性の両方)は、適切に洗浄されたCat9と比較して不良であることを示している。
プロトン密度が低く(1マイクロモル/g未満)、K/Alの比として約1.00を有するK-ZSM-5触媒(Cat5)も、乳酸(LA)転化において試験され、結果が乳酸メチル(ML)転化と比較された。両反応は、類似した反応条件(0.5時間-1のLHSV)下で実施された。しかしながら、ML転化では、メタノールが溶媒として使用された一方、乳酸転化では、水が溶媒として使用された。結果は図6に提示されており、乳酸メチル(ML)転化における触媒の失活は、酸(LA)と比較してより顕著であることを示している。従って、触媒の全体的な性能は基質依存性である。
Claims (17)
- 乳酸メチルが、メタノールの存在下、ZSM-5触媒と接触される、アクリル酸メチルの製造方法。
- メタノールが溶媒として使用され、好ましくは溶媒の総量に基づき1~25wt%の水が併用される、請求項1記載の製造方法。
- 前記ZSM-5のSiO2/Al2O3比が10~30である、請求項1又は2記載の製造方法。
- 前記ZSM-5触媒がカリウム塩イオン交換されたZSM-5触媒である、請求項1記載の製造方法。
- 前記カリウム塩イオン交換の出発物質がナトリウム型ZSM-5触媒である、請求項3記載の製造方法。
- カリウム交換度が0.90より高く、好ましくは0.95より高く、最も好ましくは0.97より高い、請求項3又は4記載の製造方法。
- 前記ZSM-5触媒内のブレンステッド酸部位の量が、吸収されたピリジンに基づくFTIRにより測定されて、1マイクロモル/g未満である、請求項1~6のいずれか1項記載の製造方法。
- ルイス酸部位の量が、吸収されたピリジンに基づくFTIRにより測定されて、50~130マイクロモル/g、好ましくは86~100マイクロモル/gである、請求項1~7のいずれか1項記載の製造方法。
- 前記触媒のK/Al比が、好ましくは0.95~1.00であり、より好ましくは0.97~1.00である、請求項1~8のいずれか1項記載の製造方法。
- 前記ZSM-5触媒のリン含有量が10ppm未満である、請求項1~9のいずれか1項記載の製造方法。
- 前記ZSM-5触媒のイオウ含有量が10ppm未満である、請求項1~10のいずれか1項記載の製造方法。
- 前記触媒が、ナトリウム型、水素型、又はアンモニウム型のZSM-5とカリウム塩とのイオン交換、イオン交換された触媒の洗浄、乾燥、及びの焼成により調製されたものである、請求項1~11のいずれか1項記載の製造方法。
- 前記イオン交換塩が硝酸カリウム又は塩化カリウムである、請求項12記載の製造方法。
- 不活性気体中に気化された、メタノール中の乳酸メチル溶液が、固定触媒床上に連続的に導かれ、生成物流が単離され、分離され、及び精製される、請求項1~13のいずれか1項記載の製造方法。
- 得られたアクリル酸メチルが、蒸留及び/又は抽出ステップ又はそれらの組み合わせの1以上の手段によって更に処理される、請求項1~14のいずれか1項記載の製造方法。
- 前記アクリル酸メチルがアクリル酸へと加水分解される、請求項1~15のいずれか1項記載の製造方法。
- 前記アクリル酸が、蒸留ステップ又は抽出ステップ又はこれらの組み合わせの1以上の手段によって更に処理される、請求項16記載の製造方法。
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