JP4129830B2 - Method for producing cyclic saturated alcohols - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、環状飽和アルコール類の製造法に関する。更に詳しくは、芳香族化合物または環状不飽和炭化水素を同時に水素化反応および酸化反応して環状飽和アルコール類を製造する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
環状飽和のアルコール類およびケトン類は、有機化学工業の基礎化学品として重要なものであり、その主な用途はε-カプロラクタム製造用の主原料であり、ε-カプロラクタムは繊維、塗料、ラッカー、圧縮成形材料、発泡樹脂材料等として用いられるポリアミド樹脂の原料として重要である。
【0003】
従来の環状飽和のアルコール類およびケトン類の製造方法について、特に需要の高いポリアミド樹脂原料であるシクロヘキサノンについて述べると、シクロヘキサノールをシクロヘキサノンに変換する技術は、亜鉛系触媒を用いるとほぼ定量的に反応が進行することが知られている。
【0004】
また、ベンゼンを水素化してシクロヘキサンとし、これを空気で自動酸化してシクロヘキサノンとシクロヘキサノールの混合物に変換する方法では、コバルト触媒を用い、反応温度160℃、空気圧0.98MPaの条件下で反応させると、シクロヘキサン転化率6%でシクロヘキサノンとシクロヘキサノールとを加えた選択率は77%程度である。上記反応条件下で、触媒としてメタホウ酸を用いると、転化率5%で選択率は87%に向上している。
【0005】
しかしながら、これらの方法では、反応生成物であるシクロヘキサノンとシクロヘキサノールが反応原料であるシクロヘキサンよりも反応性に富むため、逐次酸化を防ぎ、選択率を良好に保つためには、転化率を6%以上に上げることは困難である。したがって、現行のシクロヘキサノン製造プロセスでは、単流収率が5%以下という極めて低効率での操業を余儀なくされている。さらに、このプロセスでは、未反応のシクロヘキサンの回収、精製が必要で、エネルギー効率の上でも問題がある。
【0006】
また、光エネルギーを利用して、シクロヘキサンと塩化ニトロシルとを反応させ、ポリアミド中間体のシクロヘキサノンオキシムを直接合成する方法も提案され、一時操業もされていたが、反応効率の低さから、現在はその製造を中止している。
【0007】
さらに、トルエンを出発物質とし、シクロヘキシルカルボン酸を経由してシクロヘキサノンを製造する方法も提案されているが、この方法は製造工程が複雑なため生産価格が高くなり、現行法に代替するには至っていない。
【0008】
これらの方法のような複雑な反応系を避けて、一段でシクロヘキサノンを製造する方法も提案されており、電解質膜を利用してシクロヘキサンを直接酸化し、シクロヘキサノンを製造する方法(Nature 第345巻第21頁、1990年6月号)、金属錯体触媒を用い、生物学的な手法で炭化水素を直接酸化する方法(J.Am.Chem.Soc.第114巻第7913〜4頁、1992年)などが提案されているが、いずれの方法も高価な添加物を大量に使用する上、目的物であるシクロヘキサノンの生成量が微量で、学問的な域を脱してはいない。
【0009】
また、ベンゼンから得られるフェノールを経由して、シクロヘキサノールを製造する方法も検討されている。フェノールの製造法として一般的な方法はクメン法であり、欧米では90%以上がこの方法を採用している。この方法では、ベンゼンとプロピレンとを反応させてクメンとした後、コバルト塩触媒で空気酸化してクメンハンドロパーオキサイドを作り、酸触媒でフェノールとアセトンとに分解する方法である。この方法は選択率も高く、非常にすぐれた方法であるが、フェノールと1:1の割合でアセトンが併産されるため、アセトンの需要によってフェノールの価格が左右されることになる。現在は、アセトンが需要よりも供給過剰になっているため、生産の縮小を余儀なくされている。
【0010】
最近になって、ベンゼンから直接にしかも選択的にフェノールのみを製造する試みが提案されており、酸化剤として亜酸化窒素を用いる方法(Appl.Catal.A.第98巻第33頁、1993年)、過酸化水素を酸素源とする方法(特開平6-1738号公報、同7-69950号公報)、担持鉄触媒、貴金属触媒、ゼオライト触媒、ヘテロポリ酸触媒などを用いる方法などが実際に提案されている。これらの方法の内、亜酸化窒素の合成は容易ではなく、ヘテロポリ酸を使用すると過酸化水素当り30数%のフェノールが生成し、副生成物が水だけであるという利点がある反面、過酸化水素の価格がネックとなっている。
【0011】
以上述べたフェノール経由でシクロヘキサノールを製造する方法は、フェノール製造後にさらに水素化する必要があり、また不要な併産物も多いことから実用性に欠け、経済的見地ばかりではなく、環境的見地からも多くの問題をかかえている。
【0012】
さらに、ベンゼンを部分水素化してシクロヘキセンを製造し、これを水和して
シクロヘキサノールを製造する方法も検討されているが、この方法の第1工程では、ベンゼンを部分水素化してシクロヘキセンを得る工程での収率向上、生成したシクロヘキセンの抽出に高価な分離用溶媒を用いなければならないなどの問題があり、またその第2工程では、固定酸水和触媒であるZSM-5が高価であってしかもその寿命、回収、再生等に問題を抱えており、それらが製品価格を高める要素となっているばかりではなく、水和反応率が10数%以上とはならないという問題もある。したがって、シクロヘキセンの回収に多くのエネルギーを使用するという欠点がある。
【0013】
このため、より単純なプロセスでのシクロヘキサノール合成法の出現が待望されているのが現状である。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、芳香族化合物または環状不飽和炭化水素を同時に水素化反応および酸化反応させ、単純な工程で収率良く環状飽和アルコール類を製造する方法を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
かかる本発明の目的は、多孔質膜支持体上に形成された水素選択透過性金属膜の表面を水素選択透過性高分子物質で被覆し、高分子物質で被覆した面を水素透過上流側とする隔膜によって反応容器が複数の部分に区分されており、一方の区分から隔膜を透過させた水素とこれに隣接する他方の区分の酸素とを芳香族化合物または環状不飽和炭化水素と接触させ、水素化反応と酸化反応とを同時に行って環状飽和アルコール類を製造する方法によって達成される。この水素化反応と酸化反応の反応条件を調節することによって、環状飽和アルコール類と共に環状飽和ケトン類を併産することもできる。
【0016】
【発明の実施の形態】
多孔質膜支持体上に水素選択透過性金属膜を形成させた隔膜は、反応容器を複数の部分に区分する位置に設置され、この隔膜を透過する水素を活性化させる作用を有している。
【0017】
ここで、多孔質膜支持体として、一般にアルミナ、シリカ、ジルコニア等の少くとも一種からなる多孔質中空糸膜が用いられる。これらの多孔質中空糸膜上には、水素選択透過性金属膜が形成される。金属膜としては、パラジウム、ニオブ、タンタル、バナジウム等の金属膜あるいはニオブ、タンタル、バナジウム等の膜表面をパラジウムでコーティングした金属膜、さらには第一遷移金属、第二遷移金属、第三遷移金属、ランタニド系元素、アクチニド系元素またはイツトリウム、セリウム、銀、ニッケル、チタン等の元素とパラジウム、ニオブ、タンタル、パラジウムとの合金膜等が例示される。
【0018】
合金膜の形成は、例えばPd合金膜の場合、Pdおよびこれと合金化し得る金属の各担持工程が任意の順序で必要に応じて複数回くり返された後、約600〜900℃で約1〜12時間熱処理して合金化することにより行われる。この際、金属の担持は、金属塩溶液を含浸法、デイップコート法等で付着させた後、金属塩の種類に応じた温度で熱処理することにより行われる。
【0019】
膜支持体上へのこれらの金属膜の形成は、従来法に従って低温金属有機物化学的気相成長法などを用いて行われる。図2に示される方法は、特開平11-300182号公報に記載された方法であり、反応管の内部に設置したPd源物質から多孔質セラミックス中空糸(膜支持体)の製膜範囲に向って流れるキャリヤーガスによって、昇華させたPd源物質を製膜範囲に供給することにより、多孔質セラミックス中空糸の一定の製膜範囲にPd膜を形成させる。
【0020】
反応器としての反応管11の内部には、多孔質セラミックス中空糸12がOリング等で気密固定されており、この中空糸12の内部を真空ポンプ13で連続的に排気する。ここで、多孔質セラミックス中空糸12の製膜範囲14以外の部分は、例えばNa2O-B2O3-SiO2系ガラス等のガラスで気密封止されている。また、反応管11の内部も真空ポンプ13′で排気され、中空糸12の内部圧力は真空計15によって、また反応器11の内部圧力は真空計15′によってそれぞれ測定され、それぞれの内部圧力は圧力調整弁16,16′によって制御される。
【0021】
反応器11の内部には、ガス供給器17からのキャリヤーガスが流量制御器18を通して供給される。反応器11および多孔質セラミックス中空糸12の内部圧力は、このキャリヤーガスの流量や真空ポンプ13,13′の排気量などによって異なるため、一概には特定することができないが、一般的には反応管11の内部圧力は約20〜2000Pa、また多孔質セラミックス中空糸12の内部圧力は約1〜500Paに保持される。キャリヤーガスは、図2においてPd源物質19から多孔質セラミックス中空糸12の製膜範囲14へと向う流れを形成している。
【0022】
反応管11は、Pd源物質設置部の加熱器20および支持体製膜部の加熱器21よりなる少くとも2つ以上に分割された加熱器により加熱され、温度制御器22,22′によって温度制御される。
【0023】
多孔質セラミックス中空糸12の製膜範囲14は、加熱器の支持体製膜部21に配置され、Pd源物質19の熱分解温度以下に保たれた反応管11内に置かれたPd源物質19は、加熱器のPd源物質設置部20によって昇華温度迄加熱される。Pd源物質19の昇華に伴って、反応管11内の圧力が増加したら、加熱器の支持体製膜部21の温度を約200〜500℃の製膜温度迄急速に昇温させ、反応管11の内部を製膜温度とする。
【0024】
昇華したPd源物質19は、キャリヤーガスの流れによって製膜範囲14へと強制的に供給され、この製膜温度に約1〜3時間程度保持すると、熱分解で生じたPdは多孔質セラミックス中空糸12の外表面およびその近傍の細孔内に担持され、そこにPd薄膜を形成させる。ここで、Pd源物質としては、酢酸パラジウム、パラジウムアセチルアセトナート等が用いられる。
【0025】
金属膜の形成方法としては、こうした蒸着法以外に、前記した如き従来から用いられている金属薄膜形成法や無電解メッキ法などの金属メッキ法を用いることもでき、金属メッキ法が用いられる場合には金属膜が形成される膜支持体表面を予め活性化処理しておくことが好ましい。
【0026】
これらの水素透過性金属膜の表面を水素選択透過性高分子物質で被覆した隔膜を、高分子物質で被覆した面を水素透過上流側として用いると、水素脆化や共存ガスの影響が軽減されるばかりではなく、金属膜表面を高分子物質、特にガラス転移温度が常温以下である弾力性ゴム状高分子物質で被覆しているため、他の部材との接触や摺動に対して金属薄膜を保護し、金属薄膜に欠陥が生ずるのを効果的に防止する。
【0027】
水素選択透過性高分子物質としてポリスルホン、ポリイミド、ポリアミド、ポリカーボネート、酢酸セルロース等を用いた場合、これらはいずれもガラス転移温度の高いガラス状高分子であり、これらをPd系によって代表されるような金属膜の被覆に用いた場合、昇降温時に両者の熱膨張率の違いによって剥離が懸念される。従って、この種の用途には、ガラス転移温度が常温より低く、常温以上で弾力性を有する水素選択透過性高分子物質が好ましく、またその高分子物質の耐熱性は、水素化反応および酸化反応の反応温度に合わせて選択される。
【0028】
かかる見地から、金属膜の被覆にはポリシロキサン系、ポリブタジエン系、ブチルゴム、ポリクロロプレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリアミド、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン等の高分子物質が適用可能であるが、気体透過性と耐熱性の面からみて、ポリシロキサン系高分子が好ましい。これらの高分子物質の金属膜への被覆法としては、任意の膜厚で金属膜を被覆できる方法であれば特に制限はなく、例えばディップコーティング法、スプレーコーティング法、スピンコート法など用いられ、一般に約1〜50μm程度に設定される膜厚を制御するために、溶媒で希釈して溶液として用いる方法が好ましい。
【0029】
かかる多孔質セラミックス中空糸膜支持体を用いた隔膜によって複数の部分に区分された反応容器の一態様が、図1に示されている。この反応容器31は、内管(内側通気管)32および外管(外側通気管)33よりなる二重管式反応器である。内管32としては、反応物質導入口35とその表面に水素選択透過性高分子物質被覆水素選択透過性金属膜が形成された多孔質セラミックス中空糸膜12をコネクタ34を介して気密接続したものが用いられる。また、多孔質セラミックス中空糸膜12としては、水素選択透過性金属膜の製膜範囲14以外の部分がガラス等で気密封止されたものが用いられる。内管32は、SUS製等の外管33に同軸的に軸支されており、内管の製膜範囲14は隔膜として、二重管式反応器を内管部分32および外管部分33の二つの部分に区分している。内管32は反応物質の導入口35および反応生成物の排出口36を備えており、一方外管33は水素導入口37および排出口38を備えており、内管32の金属膜製膜部分14を十分にカバーする加熱器39が外管外周面に設けられ、熱電対40と加熱器39とが接続された温度調節器(図示せず)によって温度制御されるようになっている。酸素は反応物質に同伴されて内管内に導入される。
【0030】
このような反応容器を用いての水素化反応および酸化反応は、隔壁14を透過して活性化された水素と接触することにより酸素が活性化されることにより、同時反応として行われる。その際の反応温度は約-200〜900℃、好ましくは約-10〜600℃であり、反応圧力は0.098〜147MPa、好ましくは0.49〜49MPaである。
【0031】
水素化反応および酸化反応を受ける反応物質である芳香族化合物または環状不飽和炭化水素として、例えばベンゼン、トルエン、キシレン、ナフタレン、テトラリン、ビフェニル、シクロヘキシルベンゼン、シクロオクタジエン、シクロオクタトリエン、シクロドデカトリエン、シクロドデカテトラエン等が挙げられ、これらの炭化水素はアミノ基、水酸基、カルボキシル基、エステル基、シアノ基、ニトロ基、ハゲロン、酸素等の置換基を有していてもよい。また、ピリジン、フラン、ピロール、チオフェン等の酸素、窒素、イオウ原子を含む芳香族複素環化合物も用いられる。
【0032】
水素としては純水素または水素を含有するガスまたは溶液を、また酸素としては純酸素、オゾンまたはこれらを含有するガスまたは溶液をそれぞれ用いることができる。芳香族化合物または環状不飽和炭化水素に対する水素および酸素の使用割合は、それぞれ供給流量を調節することによってコントロールすることができる。
【0033】
一般に、芳香族化合物または環状不飽和炭化水素の転化率は約0.01〜50%、好ましくは約1〜25%に抑えられる。転化率をこれ以上にすると、生成物の選択率が低下するようになる。炭化水素に対する水素および酸素の使用割合は、上記転化率となるような割合で用いられる。
【0034】
また、水素化反応に用いられる水素と酸化反応に用いられる酸素は、例えば後記各参考例に示されるように、芳香族化合物としてベンゼンを用い、その供給流量を0.14ml/分とした場合、水素ガス流量3ml/分で酸素ガス流量を11.4ml/分、15.2ml/分、19.0ml/分、25.5ml/分と増加させていくと、反応生成物はシクロヘキサノール単体からフェノール、さらにはシクロヘキサノンが併産されるようになる。逆に、酸素ガス流量2.2ml/分で水素ガス流量を3ml/分から10.0ml/分に増加させると、反応生成物はシクロヘキサノール単体からシクロヘキサノン、フェノールが併産されるようになる。したがって、反応生成物としてシクロヘキサノール単体が求められる場合あるいはそれと共にシクロヘキサノンを併産する場合それぞれに応じて、水素と酸素との相対的な供給量が調節される。
【0035】
【発明の効果】
本発明方法においては、多孔質膜支持体上に形成された水素選択透過性金属膜の表面を水素選択透過性高分子物質で被覆し、高分子物質で被覆した面を水素透過上流側とする隔膜触媒を用い、活性化された水素および酸素による芳香族化合物または環状不飽和炭化水素の水素化反応および酸化反応を同時に行なうことができ、単純な工程で収率良く環状飽和アルコール類を製造することができ、反応条件を選択することにより、環状飽和ケトン類を併産することができる。水素選択透過性金属膜を水素選択透過性高分子物質、特にガラス転移温度が常温以下である弾力性ゴム状高分子物質、好ましくはポリシロキサン系高分子で被覆して用いると、水素脆化や共存ガスの影響が軽減され、また他の部材との接触 や摺動に対して金属薄膜を保護し、金属薄膜に欠陥が生ずるのを効果的に防止する。
【0036】
【実施例】
次に、参考例について本発明の主要部を説明する。
【0037】
参考例1
特開平11-300182号公報記載の方法に従って、図2に示す装置を用いてPd膜形成多孔質セラミックス中空糸よりなる水素選択透過膜を製造した。
【0038】
膜支持体としては、外径2.0mm、内径1.7mm、長さ350mm、平均細孔径150nm、比表面積6m2/g、気孔率43体積%の多孔質アルミナ中空糸を用い、製膜範囲をその中央部の100mmとし、それ以外の部分をガラス(Na2O-B2O3-SiO2系ガラス)で気密封止し、反応器内の中央に1本設置した。また、Pd源物質としては、酢酸パラジウムを約0.75g用いた。反応器としては、内径85mm、長さ400mmのSUS製管を使用し、加熱器は長さ350mmの抵抗加熱式電気炉を用い、Pd源物質設置部と支持体製膜部の2つに分割し、それぞれ独立に温度制御を行った。
【0039】
製膜に際しては、まず反応器を排気しながらキャリアガスとしてのアルゴンガスを100cm3/分の流量で流し、支持体内も同時に排気することにより、反応器内の圧力を約300〜500Paに、また支持体内の圧力を約10〜200Paにそれぞれ制御した。Pd源物質設置部の温度を200℃迄、また支持体製膜部の温度を205℃迄ゆっくりと昇温させてその温度に保持しておき、反応器内の圧力増加が観察され始めたら、支持体製膜部の製膜温度を300℃迄10℃/分以上の昇温速度で急速に昇温し、そのままの温度で2時間保持した。得られたPd膜形成多孔質アルミナ中空糸の支持体多孔質部分へのPd担持膜厚は1μmで、その担持量を約8.0mgであった。
【0040】
このようにして作製された、内側通気管を兼ねたPd膜担持α-アルミナ製多孔質中空糸を隔膜型触媒として用い、図1に示される反応装置にこれを取り付け、ベンゼンの酸化反応を行った。すなわち、この流通型反応器の外側通気管より内側通気管に水素ガスを3ml/分の流量で透過するようにし、内側通気管には流量2.2ml/分の酸素ガスと流量0.2ml/分のガス状ベンゼンをそれぞれ導入し、反応温度200℃で反応させると、ベンゼン転化率5.8%で生成物中のシクロヘキサノール濃度が91%の反応生成物が得られた。
【0041】
参考例2
参考例1の反応において、ガス状ベンゼンの流量を0.3ml/分に変更すると、ベンゼン転化率3.3%で生成物中のシクロヘキサノール濃度が88%の反応生成物が得られた。
【0042】
参考例3
参考例1の反応において、ガス状ベンゼンの流量を0.55ml/分に変更すると、ベンゼン転化率1.2%で生成物中のシクロヘキサノール濃度が80%の反応生成物が得られた。
【0043】
参考例4
参考例1の反応において、供給水素ガスの流量を10.0ml/分に変更すると、ベンゼン転化率1.5%で生成物中のシクロヘキサノール濃度が18%、シクロヘキサノン濃度11%、フェノール濃度63%の反応生成物が得られた。
【0044】
参考例5
参考例1の反応において、供給酸素ガス流量を11.4ml/分に、ガス状ベンゼン流量を0.14ml/分にそれぞれ変更すると、ベンゼン転化率1.2%で生成物中のシクロヘキサノール濃度72%の反応生成物が得られた。
【0045】
参考例6
参考例1の反応において、供給酸素ガス流量を15.2ml/分に、ガス状ベンゼン流量を0.14ml/分にそれぞれ変更すると、ベンゼン転化率2.8%で生成物中のシクロヘキサノール濃度43%、フェノール濃度48%の反応生成物が得られた。
【0046】
参考例7
参考例1の反応において、供給酸素ガス流量を19.0ml/分に、ガス状ベンゼン流量を0.14ml/分にそれぞれ変更すると、ベンゼン転化率2.8%で生成物中のシクロヘキサノール濃度28%、フェノール濃度62%の反応生成物が得られた。
【0047】
参考例8
参考例1の反応において、供給酸素ガス流量を25.2ml/分に、ガス状ベンゼン流量を0.14ml/分にそれぞれ変更すると、ベンゼン転化率1.3%で生成物中のシクロヘキサノール濃度13%、シクロヘキサノン10%、フェノール68%の反応生成物が得られた。
【0048】
参考例9
参考例1の反応において、ガス状ベンゼンの代りに流量0.3ml/分のシクロオクタジエンを用い、供給酸素ガス流量を15.2ml/分に、反応温度を250℃にそれぞれ変更すると、シクロオクタジエン転化率6.8%で生成物中のシクロオクタノール濃度95%の反応生成物が得られた。
【0049】
参考例10
参考例1の反応において、ガス状ベンゼンの代りに流量0.3ml/分のシクロオクタトリエンを用い、供給酸素ガス流量を15.2ml/分に、反応温度を250℃にそれぞれ変更すると、シクロオクタトリエン転化率8.3%で生成物中のシクロオクタノール濃度96%の反応生成物が得られた。
【0050】
参考例11
参考例1の反応において、ガス状ベンゼンの代りに流量0.3ml/分のシクロドデカトリエンを用い、供給酸素ガス流量を15.2ml/分に、反応温度を250℃にそれぞれ変更すると、シクロドデカトリエン転化率9.6%で生成物中のシクロドデカノール濃度97%の反応生成物が得られた。
【0051】
参考例12
参考例1の反応において、ガス状ベンゼンの代りに流量0.3ml/分のシクロドデカテトラエンを用い、供給酸素ガス流量を15.2ml/分に、反応温度を250℃にそれぞれ変更すると、シクロドデカテトラエン転化率11.2%で生成物中のシクロドデカノール濃度98%の反応生成物が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明方法に用いられる反応装置の概略図である。
【図2】 上記反応装置に用いられるPd担持セラミックス中空糸を製造するための低温金属有機物化学的気相成長法によるPd担持方法の概略図である。
【符号の説明】
11 反応管
12 多孔質セラミックス中空糸
14 製膜範囲
17 キャリヤーガス供給器
19 Pd源物質
20 加熱器のPd源物質設置部
21 加熱器の支持体製膜部
31 反応容器
32 内管(内側通気管)
33 外管(外側通気管)
35 反応物質導入口
36 排出口
37 水素導入口
38 排出口
39 加熱器
40 熱電対
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing cyclic saturated alcohols. More specifically, the present invention relates to a method for producing a cyclic saturated alcohol by simultaneously hydrogenating and oxidizing an aromatic compound or a cyclic unsaturated hydrocarbon.
[0002]
[Prior art]
Cyclic saturated alcohols and ketones are important as basic chemicals in the organic chemical industry, and their main use is the main raw material for the production of ε-caprolactam. Ε-caprolactam is used for fibers, paints, lacquers, It is important as a raw material for polyamide resins used as compression molding materials and foamed resin materials.
[0003]
Regarding conventional methods for producing cyclic saturated alcohols and ketones, cyclohexanone, which is a highly demanded polyamide resin raw material, will be described. The technology for converting cyclohexanol to cyclohexanone reacts almost quantitatively when a zinc-based catalyst is used. Is known to progress.
[0004]
Also, in the method of hydrogenating benzene to cyclohexane and auto-oxidizing it with air to convert it to a mixture of cyclohexanone and cyclohexanol, using a cobalt catalyst, the reaction is carried out under the conditions of a reaction temperature of 160 ° C and an air pressure of 0.98 MPa. The selectivity with cyclohexane conversion of 6% and cyclohexanone and cyclohexanol is about 77%. When metaboric acid is used as a catalyst under the above reaction conditions, the conversion rate is 5% and the selectivity is improved to 87%.
[0005]
However, in these methods, the reaction products cyclohexanone and cyclohexanol are more reactive than cyclohexane, which is the reaction raw material, and therefore, in order to prevent sequential oxidation and maintain good selectivity, the conversion rate is 6%. It is difficult to raise it above. Therefore, the current cyclohexanone production process is forced to operate at a very low efficiency with a single flow yield of 5% or less. Furthermore, this process requires recovery and purification of unreacted cyclohexane, which is problematic in terms of energy efficiency.
[0006]
In addition, a method of directly synthesizing the polyamide intermediate cyclohexanone oxime by reacting cyclohexane and nitrosyl chloride using light energy was proposed and temporarily operated. Its production has been discontinued.
[0007]
Furthermore, a method for producing cyclohexanone using toluene as a starting material via cyclohexylcarboxylic acid has also been proposed, but this method has a high production price due to the complicated production process, and has not been replaced by the current method. .
[0008]
A method of producing cyclohexanone in a single stage while avoiding complicated reaction systems such as these methods has also been proposed. A method of producing cyclohexanone by directly oxidizing cyclohexane using an electrolyte membrane (Nature Vol. 21, June 1990), a method of directly oxidizing hydrocarbons by biological means using a metal complex catalyst (J. Am. Chem. Soc. 114, 7913-4, 1992) However, each method uses a large amount of expensive additives, and the production amount of the target cyclohexanone is very small.
[0009]
Also, a method for producing cyclohexanol via phenol obtained from benzene has been studied. A common method for producing phenol is the cumene method, which is used by over 90% in Europe and the United States. In this method, benzene and propylene are reacted to form cumene, and then oxidized with air using a cobalt salt catalyst to form cumene hand peroxide, and then decomposed into phenol and acetone using an acid catalyst. This method has a high selectivity and is a very good method, but since phenol and acetone are co-produced at a ratio of 1: 1, the price of phenol depends on the demand for acetone. Currently, acetone is in excess of demand, which has forced production to shrink.
[0010]
Recently, an attempt to produce only phenol directly from benzene has been proposed. A method using nitrous oxide as an oxidizing agent (Appl. Catal. A. Vol. 98, p. 33, 1993) ), Methods using hydrogen peroxide as an oxygen source (JP-A-6-1738, JP-A-7-69950), methods using supported iron catalysts, noble metal catalysts, zeolite catalysts, heteropolyacid catalysts, etc. are actually proposed. Has been. Among these methods, synthesis of nitrous oxide is not easy, and the use of heteropolyacid has the advantage that 30 %% of phenol is produced per hydrogen peroxide and the only by-product is water, but it is peroxidation. The price of hydrogen is a bottleneck.
[0011]
The above-described method for producing cyclohexanol via phenol requires further hydrogenation after phenol production, and there are many unnecessary co-products, so it lacks practicality, not only from an economic standpoint, but also from an environmental standpoint. Also have many problems.
[0012]
Furthermore, a method of partially hydrogenating benzene to produce cyclohexene and hydrating it to produce cyclohexanol has also been studied, but in the first step of this method, benzene is partially hydrogenated to obtain cyclohexene. In the second step, ZSM-5, which is a fixed acid hydration catalyst, is expensive. In addition, there are problems in the life, recovery, regeneration, etc., which are not only factors that increase the product price, but also the problem that the hydration reaction rate does not exceed 10% or more. Therefore, there is a disadvantage that a lot of energy is used for recovery of cyclohexene.
[0013]
For this reason, the current situation is that the advent of a cyclohexanol synthesis method in a simpler process is expected.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a method for producing a cyclic saturated alcohol in a simple process with a high yield by simultaneously hydrogenating and oxidizing an aromatic compound or a cyclic unsaturated hydrocarbon.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The object of the present invention is to coat the surface of a hydrogen selective permeable metal membrane formed on a porous membrane support with a hydrogen selective permeable polymer material, and to treat the surface coated with the polymer material as a hydrogen permeable upstream side. The reaction vessel is divided into a plurality of parts by the diaphragm , and hydrogen permeated through the diaphragm from one section and oxygen in the other section adjacent thereto are brought into contact with the aromatic compound or the cyclic unsaturated hydrocarbon, This is achieved by a method of producing a cyclic saturated alcohol by simultaneously performing a hydrogenation reaction and an oxidation reaction. By adjusting the reaction conditions of this hydrogenation reaction and oxidation reaction, cyclic saturated ketones can be produced together with cyclic saturated alcohols.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A diaphragm in which a hydrogen selective permeable metal membrane is formed on a porous membrane support is installed at a position where the reaction vessel is divided into a plurality of parts, and has an action of activating hydrogen that permeates the membrane. .
[0017]
Here, as the porous membrane support, a porous hollow fiber membrane made of at least one of alumina, silica, zirconia and the like is generally used. A hydrogen selective permeable metal membrane is formed on these porous hollow fiber membranes. As the metal film, a metal film of palladium, niobium, tantalum, vanadium or the like, or a metal film coated with palladium on the film surface of niobium, tantalum, vanadium or the like, and further, a first transition metal, a second transition metal, or a third transition metal Examples thereof include alloy films of lanthanide elements, actinide elements or elements such as yttrium, cerium, silver, nickel and titanium and palladium, niobium, tantalum and palladium.
[0018]
For example, in the case of a Pd alloy film, the alloy film is formed by repeating each supporting step of Pd and a metal that can be alloyed therewith in an arbitrary order as needed several times, and then at about 600 to 900 ° C. for about 1 It is performed by heat-treating for ~ 12 hours and alloying. At this time, the metal is supported by attaching a metal salt solution by an impregnation method, a dip coating method, or the like, and then performing a heat treatment at a temperature corresponding to the type of the metal salt.
[0019]
Formation of these metal films on the film support is performed using a low temperature metal organic chemical vapor deposition method according to a conventional method. The method shown in FIG. 2 is a method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-300182, which is suitable for forming a porous ceramic hollow fiber (membrane support) from the Pd source material installed inside the reaction tube. By supplying the sublimated Pd source material to the film forming range by the flowing carrier gas, a Pd film is formed in a certain film forming range of the porous ceramic hollow fiber.
[0020]
Inside the reaction tube 11 as a reactor, a porous ceramic hollow fiber 12 is hermetically fixed by an O-ring or the like, and the inside of the hollow fiber 12 is continuously exhausted by a vacuum pump 13. Here, the part other than the film forming range 14 of the porous ceramic hollow fiber 12 is hermetically sealed with glass such as Na 2 OB 2 O 3 —SiO 2 glass. The inside of the reaction tube 11 is also evacuated by a vacuum pump 13 ', the internal pressure of the hollow fiber 12 is measured by a vacuum gauge 15, and the internal pressure of the reactor 11 is measured by a vacuum gauge 15'. Controlled by pressure regulating valves 16, 16 '.
[0021]
The carrier gas from the gas supply unit 17 is supplied into the reactor 11 through the flow rate controller 18. The internal pressures of the reactor 11 and the porous ceramic hollow fiber 12 vary depending on the carrier gas flow rate and the displacement of the vacuum pumps 13 and 13 ', and therefore cannot be specified. The internal pressure of the tube 11 is maintained at about 20 to 2000 Pa, and the internal pressure of the porous ceramic hollow fiber 12 is maintained at about 1 to 500 Pa. In FIG. 2, the carrier gas forms a flow from the Pd source material 19 toward the film forming region 14 of the porous ceramic hollow fiber 12.
[0022]
The reaction tube 11 is heated by a heater divided into at least two parts consisting of a heater 20 in the Pd source material installation part and a heater 21 in the support film forming part, and the temperature is controlled by temperature controllers 22 and 22 '. Be controlled.
[0023]
The film formation range 14 of the porous ceramic hollow fiber 12 is arranged in the support film-forming part 21 of the heater, and the Pd source material placed in the reaction tube 11 kept below the thermal decomposition temperature of the Pd source material 19 19 is heated to the sublimation temperature by the Pd source material installation unit 20 of the heater. When the pressure in the reaction tube 11 increases with the sublimation of the Pd source material 19, the temperature of the support film forming portion 21 of the heater is rapidly raised to a film forming temperature of about 200 to 500 ° C. The inside of 11 is defined as the film forming temperature.
[0024]
The sublimated Pd source material 19 is forcibly supplied to the film forming range 14 by the flow of the carrier gas, and if this film forming temperature is maintained for about 1 to 3 hours, the Pd produced by the thermal decomposition is hollowed out from the porous ceramics. The Pd thin film is formed on the outer surface of the yarn 12 and in the pores in the vicinity thereof. Here, palladium acetate, palladium acetylacetonate, or the like is used as the Pd source material.
[0025]
As a method for forming a metal film, in addition to such a vapor deposition method, a metal plating method such as a conventional metal thin film formation method or an electroless plating method as described above can be used, and a metal plating method is used. In this case, it is preferable that the surface of the membrane support on which the metal film is formed is activated in advance.
[0026]
Using a membrane with the hydrogen-permeable polymer material coated on the surface of these hydrogen-permeable metal membranes and the surface coated with the polymer material on the upstream side of hydrogen permeation reduces the effects of hydrogen embrittlement and coexisting gases. In addition, the surface of the metal film is coated with a polymer material, particularly an elastic rubber-like polymer material having a glass transition temperature of room temperature or lower, so that the metal thin film can be protected against contact and sliding with other members. And effectively preventing defects in the metal thin film.
[0027]
When polysulfone, polyimide, polyamide, polycarbonate, cellulose acetate or the like is used as the hydrogen selective permeable polymer material, these are all glassy polymers having a high glass transition temperature, and these are represented by Pd-based materials. When used for coating a metal film, there is a concern about peeling due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the two during heating and cooling. Therefore, for this type of application, a hydrogen selective permeable polymer material having a glass transition temperature lower than room temperature and having elasticity at room temperature or higher is preferable, and the heat resistance of the polymer material is a hydrogenation reaction and an oxidation reaction. It is selected according to the reaction temperature.
[0028]
From this point of view, polymer materials such as polysiloxane, polybutadiene, butyl rubber, polychloroprene, polyvinylidene fluoride, polyamide, polyester, polyethylene, and polypropylene can be used for coating the metal film. From the viewpoint of properties, polysiloxane polymers are preferred. There are no particular limitations on the method for coating the metal film with these polymer substances as long as the metal film can be coated with an arbitrary film thickness, such as dip coating, spray coating, and spin coating. In general, in order to control the film thickness set to about 1 to 50 μm, a method of diluting with a solvent and using it as a solution is preferable.
[0029]
An embodiment of a reaction vessel divided into a plurality of parts by a diaphragm using such a porous ceramic hollow fiber membrane support is shown in FIG. The reaction vessel 31 is a double tube reactor comprising an inner tube (inner vent tube) 32 and an outer tube (outer vent tube) 33. As the inner pipe 32, a porous ceramic hollow fiber membrane 12 in which a hydrogen selective permeable polymer material-covered hydrogen selective permeable metal membrane is formed on a surface thereof is hermetically connected via a connector 34. Is used. Further, as the porous ceramic hollow fiber membrane 12, a portion of the hydrogen selective permeable metal membrane other than the film production range 14 is hermetically sealed with glass or the like. The inner pipe 32 is coaxially supported by an outer pipe 33 made of SUS, etc., and the film forming range 14 of the inner pipe is used as a diaphragm, and a double pipe reactor is connected to the inner pipe portion 32 and the outer pipe portion 33. It is divided into two parts . The inner pipe 32 is provided with a reactant inlet 35 and a reaction product outlet 36, while the outer pipe 33 is provided with a hydrogen inlet 37 and a outlet 38, and a metal film forming portion of the inner pipe 32. A heater 39 that sufficiently covers 14 is provided on the outer peripheral surface of the outer tube, and the temperature is controlled by a temperature controller (not shown) to which the thermocouple 40 and the heater 39 are connected. Oxygen is introduced into the inner tube along with the reactants.
[0030]
The hydrogenation reaction and the oxidation reaction using such a reaction vessel are performed as a simultaneous reaction by activating oxygen by contacting hydrogen activated through the partition wall 14. The reaction temperature at that time is about −200 to 900 ° C., preferably about −10 to 600 ° C., and the reaction pressure is 0.098 to 147 MPa, preferably 0.49 to 49 MPa.
[0031]
Examples of aromatic compounds or cyclic unsaturated hydrocarbons that are reactants that undergo hydrogenation and oxidation reactions include benzene, toluene, xylene, naphthalene, tetralin, biphenyl, cyclohexylbenzene, cyclooctadiene, cyclooctatriene, cyclododecatriene And cyclododecatetraene. These hydrocarbons may have a substituent such as an amino group, a hydroxyl group, a carboxyl group, an ester group, a cyano group, a nitro group, a hageron, and oxygen. Aromatic heterocyclic compounds containing oxygen, nitrogen and sulfur atoms such as pyridine, furan, pyrrole and thiophene are also used.
[0032]
Pure hydrogen or a gas or solution containing hydrogen can be used as hydrogen, and pure oxygen, ozone, or a gas or solution containing these can be used as oxygen. The use ratio of hydrogen and oxygen to the aromatic compound or cyclic unsaturated hydrocarbon can be controlled by adjusting the feed flow rate, respectively.
[0033]
In general, the conversion of aromatics or cyclic unsaturated hydrocarbons is limited to about 0.01 to 50%, preferably about 1 to 25%. When the conversion rate is higher than this, the selectivity of the product is lowered. The ratio of hydrogen and oxygen to be used with respect to the hydrocarbon is used at such a ratio as to achieve the above conversion rate.
[0034]
The hydrogen used for the hydrogenation reaction and the oxygen used for the oxidation reaction are, for example , benzene as an aromatic compound and the supply flow rate is 0.14 ml / min as shown in the respective reference examples described later. When the oxygen gas flow rate is increased to 11.4 ml / min, 15.2 ml / min, 19.0 ml / min, and 25.5 ml / min at a gas flow rate of 3 ml / min, the reaction product is converted from cyclohexanol alone to phenol and further cyclohexanone. It will come together. On the contrary, when the hydrogen gas flow rate is increased from 3 ml / min to 10.0 ml / min at an oxygen gas flow rate of 2.2 ml / min, cyclohexanone and phenol are co-produced from cyclohexanol alone. Therefore, the relative supply amount of hydrogen and oxygen is adjusted in accordance with the case where cyclohexanol alone is required as a reaction product or when cyclohexanone is produced together with the reaction product.
[0035]
【The invention's effect】
In the method of the present invention, the surface of the hydrogen selective permeable metal membrane formed on the porous membrane support is coated with a hydrogen selective permeable polymer material, and the surface coated with the polymer material is the upstream side of hydrogen permeation. Using a diaphragm catalyst, hydrogenation and oxidation of aromatic compounds or cyclic unsaturated hydrocarbons with activated hydrogen and oxygen can be carried out simultaneously, and cyclic saturated alcohols are produced in a simple process and with good yield. By selecting reaction conditions, cyclic saturated ketones can be produced together. When a hydrogen selective permeable metal membrane is coated with a hydrogen selective permeable polymer material, particularly an elastic rubbery polymer material having a glass transition temperature of room temperature or lower, preferably a polysiloxane polymer, hydrogen embrittlement or The influence of the coexisting gas is reduced , the metal thin film is protected against contact and sliding with other members, and defects in the metal thin film are effectively prevented.
[0036]
【Example】
Next, the main part of the present invention will be described for a reference example .
[0037]
Reference example 1
According to the method described in JP-A-11-300182, a hydrogen selective permeable membrane made of Pd membrane-forming porous ceramic hollow fibers was produced using the apparatus shown in FIG.
[0038]
As the membrane support, a porous alumina hollow fiber having an outer diameter of 2.0 mm, an inner diameter of 1.7 mm, a length of 350 mm, an average pore diameter of 150 nm, a specific surface area of 6 m 2 / g, and a porosity of 43% by volume is used. The center part was 100 mm, and the other part was hermetically sealed with glass (Na 2 OB 2 O 3 —SiO 2 glass), and one was installed in the center of the reactor. Further, about 0.75 g of palladium acetate was used as the Pd source material. The reactor uses a SUS pipe with an inner diameter of 85 mm and a length of 400 mm, and the heater uses a resistance heating electric furnace with a length of 350 mm, and is divided into two parts: a Pd source material installation part and a support film-forming part. The temperature was controlled independently.
[0039]
When forming a film, first, argon gas as a carrier gas is flowed at a flow rate of 100 cm 3 / min while exhausting the reactor, and the support body is also exhausted at the same time, so that the pressure in the reactor is about 300 to 500 Pa. The pressure in the support was controlled to about 10 to 200 Pa, respectively. Slowly raise the temperature of the Pd source material installation part to 200 ° C. and the temperature of the support film forming part to 205 ° C. and keep it at that temperature, and when an increase in pressure in the reactor begins to be observed, The film forming temperature of the support film forming part was rapidly raised to 300 ° C. at a rate of temperature increase of 10 ° C./min or more and held at that temperature for 2 hours. The Pd-supported porous alumina hollow fiber thus obtained had a Pd-supported film thickness of 1 μm on the support porous portion, and the supported amount was about 8.0 mg.
[0040]
The Pd membrane-supported α-alumina porous hollow fiber also used as the inner vent pipe, thus prepared, was used as a diaphragm-type catalyst and was attached to the reactor shown in FIG. It was. That is, hydrogen gas permeates from the outer vent pipe of this flow type reactor into the inner vent pipe at a flow rate of 3 ml / min, and the inner vent pipe has oxygen gas flow rate of 2.2 ml / min and flow rate of 0.2 ml / min. When gaseous benzene was introduced and reacted at a reaction temperature of 200 ° C., a reaction product having a benzene conversion of 5.8% and a cyclohexanol concentration of 91% in the product was obtained.
[0041]
Reference example 2
In the reaction of Reference Example 1 , when the flow rate of gaseous benzene was changed to 0.3 ml / min, a reaction product having a benzene conversion of 3.3% and a cyclohexanol concentration of 88% in the product was obtained.
[0042]
Reference example 3
In the reaction of Reference Example 1 , when the flow rate of gaseous benzene was changed to 0.55 ml / min, a reaction product having a benzene conversion of 1.2% and a cyclohexanol concentration of 80% in the product was obtained.
[0043]
Reference example 4
In the reaction of Reference Example 1 , when the flow rate of the supplied hydrogen gas is changed to 10.0 ml / min, a reaction product with a benzene conversion of 1.5%, a cyclohexanol concentration of 18%, a cyclohexanone concentration of 11%, and a phenol concentration of 63% Things were obtained.
[0044]
Reference Example 5
In the reaction of Reference Example 1 , when the supply oxygen gas flow rate is changed to 11.4 ml / min and the gaseous benzene flow rate is changed to 0.14 ml / min, a reaction product with a benzene conversion of 1.2% and a cyclohexanol concentration of 72% in the product is produced. Things were obtained.
[0045]
Reference Example 6
In the reaction of Reference Example 1 , when the supplied oxygen gas flow rate was changed to 15.2 ml / min and the gaseous benzene flow rate was changed to 0.14 ml / min, the benzene conversion was 2.8%, the cyclohexanol concentration in the product was 43%, and the phenol concentration. 48% of the reaction product was obtained.
[0046]
Reference Example 7
In the reaction of Reference Example 1 , when the supplied oxygen gas flow rate was changed to 19.0 ml / min and the gaseous benzene flow rate was changed to 0.14 ml / min, the benzene conversion was 2.8%, the cyclohexanol concentration in the product was 28%, and the phenol concentration 62% of the reaction product was obtained.
[0047]
Reference Example 8
In the reaction of Reference Example 1 , when the supply oxygen gas flow rate was changed to 25.2 ml / min and the gaseous benzene flow rate was changed to 0.14 ml / min, the benzene conversion rate was 1.3%, the cyclohexanol concentration in the product was 13%, and cyclohexanone 10 %, Phenol 68% reaction product was obtained.
[0048]
Reference Example 9
In the reaction of Reference Example 1 , when cyclooctadiene was used instead of gaseous benzene, the flow rate of 0.3 ml / min was changed to 15.2 ml / min, and the reaction temperature was changed to 250 ° C. A reaction product having a cyclooctanol concentration of 95% in the product at a rate of 6.8% was obtained.
[0049]
Reference Example 10
In the reaction of Reference Example 1 , using cyclooctatriene at a flow rate of 0.3 ml / min instead of gaseous benzene, changing the supply oxygen gas flow rate to 15.2 ml / min and the reaction temperature to 250 ° C., cyclooctatriene conversion A reaction product having a cyclooctanol concentration of 96% in the product at a rate of 8.3% was obtained.
[0050]
Reference Example 11
In the reaction of Reference Example 1 , if cyclododecatriene was used instead of gaseous benzene, the flow rate of 0.3 ml / min was changed to 15.2 ml / min, and the reaction temperature was changed to 250 ° C., cyclododecatriene conversion. A reaction product having a cyclododecanol concentration of 97% in the product at a rate of 9.6% was obtained.
[0051]
Reference Example 12
In the reaction of Reference Example 1 , when cyclododecatetraene was used instead of gaseous benzene, the flow rate of 0.3 ml / min was changed to 15.2 ml / min, and the reaction temperature was changed to 250 ° C., cyclododecatetra. A reaction product having an ene conversion of 11.2% and a cyclododecanol concentration of 98% in the product was obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a reaction apparatus used in the method of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view of a Pd supporting method by a low temperature metal organic chemical vapor deposition method for producing a Pd supported ceramic hollow fiber used in the reactor.
[Explanation of symbols]
11 reaction tubes
12 Porous ceramic hollow fiber
14 Film formation range
17 Carrier gas supply
19 Pd source material
20 Pd source material installation part of the heater
21 Heater support film forming section
31 reaction vessel
32 Inner pipe (inner vent pipe)
33 Outer pipe (outer vent pipe)
35 Reactant inlet
36 outlet
37 Hydrogen inlet
38 outlet
39 Heater
40 Thermocouple

Claims (5)

多孔質膜支持体上に形成された水素選択透過性金属膜の表面を水素選択透過性高分子物質で被覆し、高分子物質で被覆した面を水素透過上流側とする隔膜によって反応容器が複数の部分に区分されており、一方の区分から隔膜を透過させた水素とこれに隣接する他方の区分の酸素とを芳香族化合物または環状不飽和炭化水素と接触させ、水素化反応と酸化反応とを同時に行うことを特徴とする環状飽和アルコール類の製造法。 A plurality of reaction vessels are formed by a membrane in which the surface of the hydrogen selective permeable metal membrane formed on the porous membrane support is coated with a hydrogen selective permeable polymer material, and the surface coated with the polymer material is on the hydrogen permeable upstream side. The hydrogen permeated through the diaphragm from one section and the oxygen in the other section adjacent thereto are brought into contact with an aromatic compound or a cyclic unsaturated hydrocarbon, and a hydrogenation reaction and an oxidation reaction are performed. A process for producing cyclic saturated alcohols, characterized in that 環状飽和アルコール類と共に環状飽和ケトン類を併産させる請求項1の環状飽和アルコール類の製造法。  The method for producing a cyclic saturated alcohol according to claim 1, wherein the cyclic saturated alcohol is produced together with the cyclic saturated alcohol. 隔膜が多孔質セラミックス中空糸膜を支持体とし、その支持体上に形成された水素選択透過性高分子物質被覆水素透過性金属膜からなる請求項1または2記載の環状飽和アルコール類の製造法。The method for producing cyclic saturated alcohols according to claim 1 or 2, wherein the diaphragm comprises a porous ceramic hollow fiber membrane as a support and a hydrogen-permeable metal material-coated hydrogen-permeable metal membrane formed on the support. . 水素選択透過性金属膜表面を被覆する水素選択透過性高分子物質が弾力性ゴム状高分子物質である請求項1、2または3記載の環状飽和アルコール類の製造法。 The method for producing a cyclic saturated alcohol according to claim 1, 2 or 3, wherein the hydrogen selective permeable high molecular weight material covering the surface of the hydrogen selective permeable metal membrane is an elastic rubbery high molecular weight material . 隔膜によって複数の部分に区分された反応容器として多孔質セラミックス中空糸膜を内管とする二重管式反応器が用いられる請求項1、2、3または4記載の環状飽和アルコール類の製造法。  The process for producing cyclic saturated alcohols according to claim 1, 2, 3 or 4, wherein a double-pipe reactor having a porous ceramic hollow fiber membrane as an inner tube is used as a reaction vessel divided into a plurality of parts by a diaphragm. .
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