JP3540623B2 - メタクリル酸の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくともモリブデン、リンおよびヒ素を含有する触媒を充填した固定床管型反応器を用いてメタクロレインを分子状酸素で気相接触酸化してメタクリル酸を製造する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
メタクロレインの気相接触酸化用の触媒として数多くの提案がされている。例えば、特開昭53−37614号公報、特開昭53−68718号公報、特開昭54−103819号公報、特開昭57−120547号公報、特開昭60−239439号公報、特開平2−240043号公報等にはモリブデンおよびリンを主成分とする触媒が開示されている。これらは構造的に見るとリンモリブデン酸またはその塩を主体とするヘテロポリ酸構造をとっていると考えられる。
【0003】
これらのヘテロポリ酸系触媒の最大の欠点は特開昭57−72937号公報等に記されているように寿命が短いことであり、比較的安定なアルカリ金属塩にしても長期に反応を継続すると構成元素の一部が酸化物の形に分解していることが観測されている。これはヘテロポリ酸化合物が一般に熱的に不安定であるためである。
【0004】
特開昭59−20243号公報には、リンモリブデン酸化合物は反応につれて触媒中のリンが飛散し、反応ガス出口側に移動していくので、反応管内を複数の触媒層に分割し、原料ガス入口側の触媒層にはリン含量の多い触媒を、出口側の触媒層にはリン含量の少ない触媒を充填する方法が開示されている。しかし、この方法ではリン含量を長期に渡って最適範囲に制御することは難しく、長期間安定に使用することは困難である。更にはリン含量だけを調節すると触媒活性および/またはメタクリル酸選択性が低下することがあるので、工業的な使用には不十分である。
【0005】
特開平4−210937号公報には、固定床多管型反応器の各反応管内を管軸方向に2層以上に分割して設けた複数個の反応帯に、活性の異なる複数個の触媒を原料ガス入口側から出口側に向かって活性がより高くなるように充填することにより、触媒層内のホットスポット部における蓄熱を抑制する方法が開示されている。また、同公報には活性の異なる触媒を調製する方法として、モリブデンおよびリン以外の触媒構成元素の組成比を変えることを提案している。例えば同公報の実施例11では、モリブデン−リン−ヒ素系の触媒を用いて、ヒ素含量の少ない触媒を原料ガス入口側に、ヒ素含量の多い触媒を出口側に充填して反応を行った場合が示されている。しかしながら、モリブデン−リン−ヒ素系の触媒の場合、反応中にリンだけでなくヒ素をヘテロ原子とするヘテロポリ酸化合物の分解も同時に起こり、しかも後者の分解の方がより顕著であることが確認されており、この例のように原料ガス入口側から出口側に向かってヒ素含量がより多くなるように充填した場合、長期間に渡って安定な連続反応は期待できない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
したがって本発明は、反応を長期間に渡って安定に継続できるメタクリル酸の製造方法を提供することを目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、少なくともモリブデン、リンおよびヒ素を含有する触媒を用いたメタクロレインの気相接触酸化反応の反応中における触媒の状態について検討した結果、リンおよびヒ素をヘテロ原子とするヘテロポリ酸化合物の分解が起こっていることを確認した。この分解は触媒層の原料ガス入口側ほど多く起こっており、これが触媒の活性低下の原因になっていると推測した。更に検討の結果、リンの組成比およびヒ素の組成比の異なる複数の触媒を調製し、原料ガス入口側から出口側に向かってリンの組成比がより多く、かつヒ素の組成比がより少ない触媒を充填することにより、長期間活性を低下させることなく安定に反応を継続できることを見出した。
【0008】
すなわち本発明は、少なくともモリブデン、リンおよびヒ素を含有する触媒を充填した固定床管型反応器を用いてメタクロレインを分子状酸素で気相接触酸化するメタクリル酸の製造方法おいて、触媒充填部が原料ガス入口側から出口側方向に分割された複数の触媒層からなり、原料ガスの出口側ほどリンの組成比(モリブデン基準)が多く、かつヒ素の組成比(モリブデン基準)が少ない触媒が充填された触媒層であることを特徴とするメタクリル酸の製造方法に関する。
【0009】
【発明の実施の形態】
本発明では、少なくともモリブデン、リンおよびヒ素を含有する触媒を充填した固定床管型反応器を用いてメタクロレインを分子状酸素で気相接触酸化してメタクリル酸の製造を行う。固定床管型反応器としては、反応管が1本だけの単管型でも複数の反応管を有する多管型でもよいが、工業的には固定床多管型反応器が通常用いられる。
【0010】
本発明では、反応管内の触媒充填部が原料ガス入口側から出口側方向に分割された複数の触媒層からなり、原料ガスの出口側ほどリンの組成比(モリブデン基準)が多く、かつヒ素の組成比(モリブデン基準)が少ない触媒が充填された触媒層とする。すなわち、各触媒層に充填されている触媒のリンの組成比に関しては、原料ガス入口側の触媒層で最も少なくし、出口側に近い触媒層ほど多くして、出口側の触媒層で最も多くする。また同時にヒ素の組成比に関しては、原料ガス入口側の触媒層で最も多くし、出口側に近い触媒層ほど少なくして、出口側の触媒層で最も少なくする。
【0011】
リンの組成比およびヒ素の組成比の異なる触媒層は何層であってもよいが、多いと触媒の製造および充填が煩雑になるため、工業的には2〜3層が好ましい。また各触媒層の割合については特に限定されないが、例えば2層の場合、原料ガス入口側の触媒層に充填する触媒は全触媒充填量の10〜70容量%とするのが好ましい。
【0012】
各触媒層のリンの組成比およびヒ素の組成比は、前述した大小関係を満たしていれば特に限定されないが、リンの組成比はモリブデン12に対して0.1〜3が好ましく、ヒ素の組成比はモリブデン12に対して0.1〜3が好ましい。各触媒層毎のリンおよびヒ素以外の構成元素の組成比は通常同一とするが、異なっていても構わない。
【0013】
各触媒層の触媒は、少なくともモリブデン、リンおよびヒ素を含有し、メタクロレインを分子状酸素で気相接触酸化してメタクリル酸を合成する能力を有しているものであれば特に限定されないが、以下の式で表される組成のものが好ましい。
MoaPbAscCudVeXfYgOh
(式中、Mo、P、As、Cu、VおよびOはそれぞれモリブデン、リン、ヒ素、銅、バナジウムおよび酸素を表し、Xは鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、チタン、クロム、タングステン、マンガン、銀、ホウ素、ケイ素、スズ、鉛、アンチモン、ビスマス、ニオブ、タンタル、ジルコニウム、インジウム、イオウ、セレン、テルル、ランタンおよびセリウムからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素、Yはカリウム、ルビジウム、セシウムおよびタリウムからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素を表す。ただし、a、b、c、d、e、f、gおよびhは各元素の原子比を表し、a=12のとき、0.1≦b≦3、0.1≦c≦3、0.01≦d≦2、0.01≦e≦3、0≦f≦3、0.01≦g≦3であり、hは前記各成分の原子比を満足するのに必要な酸素原子比である。)
【0014】
本発明で用いる触媒の調製方法は特殊な方法に限定されず、成分の著しい偏在を伴わない限り、従来からよく知られている共沈法、蒸発乾固法、酸化物混合法等の種々の方法を用いることができる。
【0015】
触媒の調製に用いる触媒原料は特に限定されず、各元素の硝酸塩、炭酸塩、酢酸塩、アンモニウム塩、酸化物、ハロゲン化物等を組み合わせて使用することができる。例えばモリブデンの原料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、塩化モリブデン等を使用することができる。
【0016】
本発明に用いられる触媒は無担体でもよいが、触媒活性物質をシリカ、アルミナ、シリカ・アルミナ、シリコンカーバイト等の不活性担体に担持させたもの、あるいはこれらで希釈したものでもよい。
【0017】
本発明の方法で気相接触酸化を行うに際して、原料ガスはメタクロレインおよび分子状酸素以外に水を含んでいてもよく、窒素、水蒸気、二酸化炭素等の不活性ガスで希釈されていてもよい。また原料ガスには、原料メタクロレイン等に由来する低級飽和アルデヒド等を本反応に実質的な影響を与えない程度の少量であれば含んでいても構わない。
【0018】
原料ガス中のメタクロレインの濃度は広い範囲で変えることができるが、1〜20容量%が好ましく、特に3〜10容量%が好ましい。原料ガス中の酸素濃度はメタクロレインに対するモル比で規定され、メタクロレインに対して分子状酸素は0.3〜4倍モルが好ましく、特に0.4〜2.5倍モルが好ましい。分子状酸素源としては空気を用いるのが経済的に有利であるが、必要に応じて純酸素で富化した空気を用いてもよい。
【0019】
反応は常圧から数気圧の圧力下で実施される。反応温度は通常230〜400℃で実施されるが、好ましくは250〜350℃である。接触時間は通常1.5〜15秒で実施されるが、好ましくは2〜5秒である。
【0020】
【実施例】
以下、本発明を実施例および比較例により説明する。実施例および比較例中の説明中、「部」は重量部を表し、メタクロレインの反応率(以下、単に反応率という)、生成されるメタクリル酸の選択率(以下、単に選択率という)は次式により算出した。
反応率(%)=A/B×100
選択率(%)=C/A×100
なお、式中Aは反応したメタクロレインのモル数、Bは供給したメタクロレインのモル数、Cは生成したメタクリル酸のモル数を示し、これらの値は原料ガスおよび生成ガスをガスクロマトグラフィーにより分析して求めた。
【0021】
[実施例1]
(触媒1の調製)
パラモリブデン酸アンモニウム100部、メタバナジン酸アンモニウム3.3部および硝酸ルビジウム7.0部を純水400部に溶解した。これに85重量%リン酸3.8部および60重量%ヒ酸12.3部を純水60部に溶解したものを加え、更に二酸化スズ7.1部を加え加熱攪拌した。次に、硝酸銅1.1部を純水50部に溶解したものを加え、混合液を加熱しながら蒸発乾固した。得られた固形物を130℃で16時間乾燥後加圧成型し、空気流通下に380℃で5時間熱処理したものを触媒とした。得られた触媒の酸素以外の元素の組成(以下同じ)は、
Mo12P0.7As1.1V0.6Cu0.1Sn1Rb1
であった。
【0022】
(触媒2の調製)
触媒1と同様にして以下の組成の触媒2を調製した。
Mo12P1.2As0.6V0.6Cu0.1Sn1Rb1
【0023】
(反応テスト)
反応は内径14mmの反応管1本を有する固定床管型反応器を用いて行った。反応管の原料ガス入口側には触媒1を8ml、出口側には触媒2を12ml充填し、メタクロレイン5容量%、酸素10容量%、水蒸気20容量%および窒素65容量%からなる原料ガスを反応温度290℃、接触時間3.6秒で通じ、連続反応テストを行った。結果を表1に示す。
【0024】
[実施例2]
実施例1において、反応器触媒層における触媒充填量を表1のように変更した以外は実施例1と同様にして連続反応テストを行った。結果を表1に示す。
【0025】
[比較例1]
実施例1において、触媒2は使用せずに、触媒1だけを20ml充填した以外は実施例1と同様にして連続反応テストを行った。結果を表1に示す。
【0026】
[比較例2]
実施例1において、原料ガス入口側に触媒2を8ml、出口側に触媒1を12ml充填する方法に変更した以外は実施例1と同様にして連続反応テストを行った。結果を表1に示す。
【0027】
[比較例3]
(触媒3の調製)
触媒1と同様にして以下の組成の触媒3を調製した。
Mo12P1As0.8V0.6Cu0.1Sn1Rb1
【0028】
(反応テスト)
実施例1において、触媒3だけを20ml充填して以外は実施例1と同様にして連続反応テストを行った。結果を表1に示す。
【0029】
[比較例4]
(触媒4の調製)
触媒1と同様にして以下の組成の触媒4を調製した。
Mo12P1.4As0.8V0.6Cu0.1Sn1Rb1
【0030】
(反応テスト)
実施例1において、原料ガス入口側に触媒4を8ml、出口側に触媒3を12ml充填する方法に変更した以外は実施例1と同様にして連続反応テストを行った。結果を表1に示す。
【0031】
【表1】
【0032】
[実施例3]
(触媒5および6の調製)
触媒1の調製と同様にして触媒5および6を調製した。それらの組成を表2に示す。
【0033】
(反応テスト)
実施例1において、原料ガス入口側に触媒5を8ml、出口側に触媒6を12ml充填する方法に変更した以外は実施例1と同様にして連続反応テストを行った。結果を表2に示す。
【0034】
[比較例5]
実施例3において、触媒6は使用せずに、触媒5だけを20ml充填した以外は実施例3と同様にして連続反応テストを行った。結果を表2に示す。
【0035】
[比較例6]
実施例3において、触媒5は使用せずに、触媒6だけを20ml充填した以外実施例3と同様にして連続反応テストを行った。結果を表2に示す。
【0036】
【表2】
【0037】
【発明の効果】
本発明によれば、少なくともモリブデン、リンおよびヒ素を含有する触媒を充填した固定床管型反応器を用いてメタクロレインを分子状酸素で気相接触酸化するメタクリル酸の製造方法おいて、反応を長期間に渡って安定に継続できる。
Claims (2)
- 少なくともモリブデン、リンおよびヒ素を含有する触媒を充填した固定床管型反応器を用いてメタクロレインを分子状酸素で気相接触酸化するメタクリル酸の製造方法おいて、触媒充填部が原料ガス入口側から出口側方向に分割された複数の触媒層からなり、原料ガスの出口側ほどリンの組成比(モリブデン基準)が多く、かつヒ素の組成比(モリブデン基準)が少ない触媒が充填された触媒層であることを特徴とするメタクリル酸の製造方法。
- 各触媒層の触媒の何れもが、
MoaPbAscCudVeXfYgOh
(式中、Mo、P、As、Cu、VおよびOはそれぞれモリブデン、リン、ヒ素、銅、バナジウムおよび酸素を表し、Xは鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、チタン、クロム、タングステン、マンガン、銀、ホウ素、ケイ素、スズ、鉛、アンチモン、ビスマス、ニオブ、タンタル、ジルコニウム、インジウム、イオウ、セレン、テルル、ランタンおよびセリウムからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素、Yはカリウム、ルビジウム、セシウムおよびタリウムからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素を表す。ただし、a、b、c、d、e、f、gおよびhは各元素の原子比を表し、a=12のとき、0.1≦b≦3、0.1≦c≦3、0.01≦d≦2、0.01≦e≦3、0≦f≦3、0.01≦g≦3であり、hは前記各成分の原子比を満足するのに必要な酸素原子比である。)
で表される組成を有することを特徴とする請求項1記載のメタクリル酸の製造方法。
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