JP3995611B2 - メチルアミンの製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ゼオライト触媒を使用し、メタノールとアンモニアの気相接触反応によりメチルアミンを製造する方法に関する。更に詳しくはゼオライト触媒として特定の粒径分布を持つモルデナイトを用いるメチルアミンの製造法に関する。ジメチルアミンは、各種の溶剤、医薬品、ゴム薬品、界面活性剤等の原料として重要な化学中間体である。
【0002】
【従来の技術】
メチルアミンは、一般にアルミナ、シリカアルミナ等の脱水およびアミネーション作用をもつ固体酸触媒の存在下にメタノールとアンモニアを気相で高温(400℃前後)で反応させることにより製造される。この反応ではジメチルアミン(以下、DMAと記す。)、モノメチルアミン(以下、MMAと記す。)及びトリメチルアミン(以下、TMAと記す。)が生成する。MMA、TMAはその需要がDMAに較べ著しく少ないため反応生成物から分離された後、反応系に転送されて再利用される。
【0003】
メチルアミンの反応生成物からジメチルアミンを分離するため蒸留が行われるが、TMAがアンモニア、MMA、DMAと複雑な共沸系を形成することから非常に煩雑で大型な蒸留操作が必要となり、DMA回収プロセスの消費エネルギーコストはこのため大変大きなものとなる。回収プロセスについては、例えば「改訂製造工程図全集」(昭和53年4 月25日 株式会社化学工業社発行)に詳しく示されている。
【0004】
DMA製造コストの低減及び装置の小型化を実現するためには、反応において副生メチルアミン、特にTMAの生成を極力抑制し、DMAの生成を促進することが肝要である。しかしながら、3種のメチルアミンの選択率は、前記のアルミナ、シリカアルミナ等の通常の非晶質固体酸触媒上では熱力学的に決まり、通常の反応条件ではTMAの生成率がDMAを大幅に上回る。
【0005】
例えば、反応温度400℃、反応器入口のアンモニアとメタノールの比率1:1(重量比)の場合、熱力学的に計算される各アミンの平衡生成比は、重量比でMMA:DMA:TMA=0. 284:0. 280:0. 436である。このため、常に多量のMMA及びTMAを分離し、反応を平衡的にDMAに有利に進行させるために存在せしめる多量の過剰アンモニアと共に反応系へ再循環しなければならない。
【0006】
近年、この問題の解決を目指し各種のゼオライト触媒が提案されている。例えば、ゼオライトAに関する特開昭56-69846号、FU−1に関する特開昭54-148708 号、特開昭58-69846号、ZSMー 5に関する米国特許第 4,082,805号、フェリエライト及びエリオナイトに関する特開昭56-113747 号、rho、ZK−5及びシャバサイトに関する特開昭61-178951 号、特開昭63-8358 号、モルデナイトに関する特開昭56-46846号、特開昭59-210050 号、特開昭58-049340 号等の各公報が挙げられる。
【0007】
このようなゼオライト触媒を用いる方法は、全て熱力学平衡値を上回るDMA選択率を与えるが、DMA選択率およびTMA生成の抑制は必ずしも充分なものでなく、また通常DMA選択率はメタノール転化率が95〜96%を越えると急速に低下し、高いDMA選択率を維持するためには常に相当量の未反応メタノールを残さなければならないという問題も残っている。例えば、特開昭59ー210050号公報は、Naー モルデナイトを用いてメタノール転化率が80から96%の範囲で反応を行うDMAの選択的製法を開示しており、この方法は過去に提案されたゼオライト触媒の中でも優れたDMA選択率及びメタノール消費反応活性を与えるものである。ここでは、通常、好ましいN/C範囲である1〜2. 5の間、またメタノール転化率80%以上の条件で優れた成績は、重量百分率でDMA53. 0%、TMA7. 7%(メタノール転化率;86. 1%、SV;2010)またはDMA53. 9%、TMA12. 9%(メタノール転化率;94. 1%、SV;2020)となっている。
【0008】
また、多くの場合、活性(メタノール消費反応速度)と選択性は両立せず、高い選択率を維持するためには或程度の活性を犠牲、あるいはこの逆で高い活性を維持するためには或程度の選択性を犠牲にしなければならない。例えば前記特開昭59ー210050 号公報の実施例1では、重量百分率でDMA39. 5%をアルカリカチオン増量することにより49. 3まで上げた場合、メタノール転化率約90%における反応活性はSV2010からSV1010に低下している。ゼオライト触媒を用いたDMAの選択的製法については「触媒,29 巻4 号322 頁」に詳しく示されている。
【0009】
メチルアミン製造において、処理を施したゼオライト触媒を使用することによりDMAの選択性を改善させる方法として、次のような方法が知られている。特開昭61-254256 号公報には、チャバサイト、エリオナイト、ゼオライトrhoもしくはゼオライトZK‐5を、珪素、アルミニウム、燐および硼素から選ばれた少なくとも1つの元素を含む化合物で処理して、ゼオライトの上に元素を沈澱させて変性したゼオライト触媒を使用する方法が記載されているが、変性剤のみを使用するために変性剤使用量が増大し、また、反応成績においても、活性は小さく、メタノールからのメチルアミン生成率は低く、ジメチルエーテル等の副生物を多く生成するという問題がある。特開平11-35527号公報には、結晶質シリコアルミノフォスフェートを液相にてシリル化処理した触媒を使用する方法が記載されている。また、モルデナイトに関しては、次のような方法が知られている。特開昭59-227841 号公報には、モルデナイトを水蒸気処理した触媒を使用する方法、特開平6-179640号公報には、モルデナイトを液相にてシリル化処理した触媒を使用する方法、特開平3-262540号公報には、モルデナイトをSiCl4 により気相において処理した触媒を使用する方法、特開平8-225498号公報等にはモルデナイトをキレート剤を含む溶液で処理した触媒を使用する方法、特開2000-302735号公報にはアルミニウムイオン交換したモルデナイトを使用する方法等が記載されている。
【0010】
Naー モルデナイトを用いたDMAの製法として、特開昭56-46846号公報にはNa量を調節したモルデナイトを用いMMAよりDMAを選択的に得る方法、特開昭59-210050 号公報にはNa量を調節したモルデナイトを用いDMAを選択的に得る方法が記載されている。また、高シリカモルデナイトを用いたDMAの製法として、特開平6-9510号公報にはMg含有高シリカモルデナイトを用いる方法が記載されている。
【0011】
また、特開平8-283207号公報にはモルデナイトの結晶形態中、アスペクト比に着目してこの比が2以上の棒状のものを使ってのメチルアミンの製造方法、特開2001-38213号公報では結晶子径が0.5μm以下の微粒子からなるモルデナイトを主たる構成成分としてメチルアミンを製造する方法が記載されている。
【特許文献1】
特開昭56-46846号公報
【特許文献2】
特開昭59-210050 号公報
【特許文献3】
特開平6-9510号公報
【特許文献4】
特開平8-283207号公報
【特許文献5】
特開2001-38213号公報
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
このようにメチルアミンの製造に用いる触媒としては、いろいろなゼオライト触媒が提案されているが、当該反応においてTMAの生成を抑制しながらより高いDMAを製造することのできるゼオライト触媒の開発が主であり,触媒活性を上げ生産性を向上させる一層の改良、開発が望まれている。
【0013】
本発明は、メタノールあるいはメチルアミン混合物とアンモニアからジメチルアミンを製造する反応に使用する触媒として、従来のゼオライト触媒が有するメタノールの転化率が95%前後以上になるとDMA選択率が急激に低下するという欠点を改善し、より高いメタノール消費反応活性で、かつ高いDMA選択性と低いTMA選択性を与える新規なゼオライト触媒を提供することを目的とするものである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記目的を達成するために鋭意努力した結果、後述の実施例に示したように、メタノールあるいはメチルアミン混合物とアンモニアからジメチルアミンを製造する際に、触媒として使用するモルデナイトの粒径分布を変えることで、高いメタノール消費反応活性を示し、また高いDMA選択性及び低いTMA選択性を示すことを見い出し本発明に至った。
【0015】
すなわち、本発明は、メタノールとアンモニア、メタノールとメチルアミン混合物とアンモニア、またはメチルアミン混合物とアンモニアを触媒の存在下に気相にて反応させてジメチルアミンを製造する方法において、5mm以上の粒径の粒子の含有量が0.1〜20質量%、2mm以下の粒径の粒子の含有量が20質量%以下であるモルデナイトを触媒とし用いること特徴とするメチルアミンの製造方法に関する。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。本発明は触媒として使用するモルデナイトの粒径分布を特定の範囲に変えることが重要な点である。
【0017】
これらのモルデナイトは天然産の粉砕品、合成品の打錠成型後粉砕したもの等を使用する。モルデナイトの粒子径は天然産品では粉砕後篩にて分級し粒径分布を調整する。合成品では種々の大きさの円形ペレット状に打錠成型し粉砕後篩にて分級し粒径分布を調整する。
【0018】
本発明では、5mm以上の粒径の粒子の含有量が0.1〜20質量%、2mm以下の粒径の粒子の含有量が20質量%以下である粒径分布のモルデナイトを触媒とし用いることが特徴である。5mm以上の粒子の割合は、より好ましくは0.2〜10質量%、特に好ましくは0.3〜5質量%の範囲である。また、2mm以下の粒子の割合は、好ましくは10質量%以下が良い。2mm以下の粒子の含有量の下限はゼロでも良いが、0.1質量%以上がより好ましい。5mm以上の粒径の触媒が多すぎると活性が低下してしまい、また2mm以下の粒径の触媒が多すぎると反応塔内触媒層の圧力損失がつき不都合となる。
【0019】
本発明で用いられるモルデナイトの粒径範囲は特に限定はされないが、1から10mmの範囲が好ましく、さらに好ましくは1.5から6mmの範囲である。これらの粒径分布の時、高活性で、且つメタノール転化率が高くなってもDMA選択率の急激な低下が無く、高いDMA選択率と低いTMA選択率を与える触媒を得ることができる。なお、触媒の活性は式1の定義で示される反応速度定数kで表すことができる。
【0020】
【式1】
式中 F:メタノール供給速度
R:気体定数
T:反応温度
P0:初期メタノール分圧
V:触媒容量
x:メタノール転化率
【0021】
本発明において使用する触媒では100g当たりのナトリウム含量が0.01gから2gの範囲であるモルデナイトもしくは水素型モルデナイトが好ましい。より好ましいナトリウム含量は0.1から1gの範囲である。ナトリウム含量が増大しすぎると活性が低減し、ナトリウム含量が減少しすぎると選択性が低減することがある。
【0022】
本発明において使用する触媒ではSi/Al原子比が5から9の範囲に調整されたモルデナイトが好ましく、5.5から7がより好ましい。Si/Al原子比が大きすぎると選択率が低減し、小さすぎると活性が低減することがある。また、このモルデナイトをキレート剤または有機リン化合物で修飾したもの、SiCl4のCVD処理したものでも良い。
【0023】
本発明によるジメチルアミンを製造する反応は、温度230〜350℃、好ましくは250〜330℃の範囲で行われる。反応圧力は常圧〜5MPa G、好ましくは0.5〜3MPa Gの範囲、N/C(反応系における窒素原子と炭素原子の数の比)が1〜2.5の範囲で実施するのがよい。
【0024】
【実施例】
以下、本発明を実施例および比較例によって具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。
【0025】
反応試験法
長さ800mm、1/2Bのステンレス反応管に触媒を30ml充填し、反応温度322℃、圧力1.75MPa Gで、アンモニアとメタノールの等重量混合物を毎分1.05gの速度で導入して反応を行った。
【0026】
実施例1
紛状のNa型モルデナイトを20倍量の3規定の硝酸アンモニウム溶液で6時間還流煮沸した。モルデナイトをろ別し、再度3規定の硝酸アンモニウム溶液を加えて6時間還流煮沸を合計4回繰り返し行った。ろ別したモルデナイトは水洗後、130℃で6時間乾燥し、500℃で4時間焼成することによってH型のモルデナイトを得た。このH型モルデナイト100gを1規定の硝酸ナトリウム溶液1リッター中で40℃、20時間還流煮沸することによって、ナトリウム0.3質量%を含むモルデナイトを調製した。このモルデナイトは直径10mmの円筒状ペッレトに成形した。このモルデナイトを粉砕しさらに篩で篩い分けし1から10mmの範囲になるように調整した。さらに5mm以上の粒子径の触媒が5質量%以下、2mm以下の粒子径の触媒が10質量%以下になるように再粉砕、篩い分けし調整した。累積分布曲線から粒度分布求めると、5mm以上の粒子径の触媒は4.6質量%、2mm以下粒子径の触媒は0.5質量%であった。得られた触媒を用いてアンモニアとメタノールからメチルアミンを製造する反応を行った。反応開始後72時間目の反応成績は以下の通りであった。
メタノール転化率:94.6%
モノメチルアミン選択率:27.8%
ジメチルアミン選択率:62.5%
トリメチルアミン選択率:9.3%
反応速度定数k:0.22[1/sec]
【0027】
実施例2
Na含有量1.5質量%の天然モルデナイトを粒径1〜10mmになるように粉砕、篩い分けし、さらに5mm以上の粒子径の触媒が5質量%以下、2mm以下の粒子径の触媒が10質量%以下になるように再粉砕、篩い分けし調整した。このモルデナイトを20倍量の3規定の硝酸アンモニウム溶液で6時間還流煮沸した。再度3規定の硝酸アンモニウム溶液を加えて6時間還流煮沸を合計4回繰り返し行った。水洗後、130℃で6時間乾燥し、500℃で4時間焼成することによってH型のモルデナイトを得た。このときのナトリウム含有量は0.4質量%であった。また、累積分布曲線から粒度分布求めると、5mm以上の粒子径の触媒は8.3質量%、2mm以下の粒子径の触媒は1.6質量%であった。得られた触媒を用いてアンモニアとメタノールからメチルアミンを製造する反応を行った。反応開始後72時間目の反応成績は以下の通りであった。
メタノール転化率:93.6%
モノメチルアミン選択率:28.7%
ジメチルアミン選択率:62.1%
トリメチルアミン選択率:9.1%
反応速度定数k:0.21[1/sec]
【0028】
比較例1
実施例1と同一条件で調製したモルデナイトを直径10mmの円筒状ペッレトに成形した。このモルデナイトを粉砕しさらに篩で篩い分けし1から10mmの範囲になるように調整した。累積分布曲線から粒度分布求めると、5mm以上の粒子径の触媒は60.0質量%、2mm以下粒子径の触媒は無しであった。得られた触媒をこのまま反応管に充填し、アンモニアとメタノールからメチルアミンを製造する反応を行った。反応開始後72時間目の反応成績は以下の通りであった。
メタノール転化率:86.8%
モノメチルアミン選択率:29.4%
ジメチルアミン選択率:58.4%
トリメチルアミン選択率:12.3%
反応速度定数k:0.15 [1/sec]
【0029】
比較例2
Na含有量1.5質量%の天然モルデナイトを粒径1から10mmになるように篩い分けした。このモルデナイトを実施例2と同一条件で調製した触媒の粒径分布を測定した。累積分布曲線から粒度分布求めると、5mm以上の粒子径の触媒は34.0質量%、2mm以下の粒子径の触媒は0.7質量%であった。得られた触媒を用いてアンモニアとメタノールからメチルアミンを製造する反応を行った。反応開始後72時間目の反応成績は以下の通りであった。
メタノール転化率:88.8%
モノメチルアミン選択率:28.7%
ジメチルアミン選択率:61.2%
トリメチルアミン選択率:10.1%
反応速度定数k:0.16 [1/sec]
【0030】
比較例3
実施例1と同一条件で調製したモルデナイトを直径5mmの円筒状ペッレトに成形した。このモルデナイトを粉砕しさらに篩で篩い分けし1から4mmの範囲になるように調整した。累積分布曲線から粒度分布求めると、4mm以上の粒子径の触媒はまったくなく、2mm以下粒子径の触媒は2.0質量%あった。得られた触媒このまま反応管に充填し、アンモニアとメタノールからメチルアミンを製造する反応を行った。反応開始後72時間目の反応成績は以下の通りであった。
メタノール転化率:93.1%
モノメチルアミン選択率:27.7%
ジメチルアミン選択率:61.9%
トリメチルアミン選択率:10.4%
反応速度定数k:0.20 [1/sec]
【0031】
【発明の効果】
モルデナイトの粒径分布を本発明の範囲に規定すれば、高い反応活性を発揮し、メチルアミンを効率的に製造することができる。
Claims (5)
- メタノールとアンモニア、メタノールとメチルアミン混合物とアンモニア、またはメチルアミン混合物とアンモニアを触媒の存在下に気相にて反応させてジメチルアミンを製造する方法において、5mm以上の粒径の粒子の含有量が0.1〜20質量%、2mm以下の粒径の粒子の含有量が20質量%以下であるモルデナイトを触媒とし用いること特徴とするメチルアミンの製造方法。
- モルデナイトが合成モルデナイトまたは天然産モルデナイトの粉砕品である請求項1記載のメチルアミンの製造法。
- 100g当たりのナトリウム含量が2g以下のモルデナイトである請求項1または2記載のメチルアミンの製造法。
- Si/Al原子比が5〜9の範囲のモルデナイトである請求項1、2または3記載のメチルアミンの製造法。
- 気相反応を、温度200〜350℃、圧力常圧〜5MPaG、N/C1〜2. 5の範囲の条件下で行う請求項1、2、3または4記載のジメチルアミンの製造方法。
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