JP4559736B2 - 無水フタル酸の製造法 - Google Patents

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Description

本発明は、キシレン、ナフタレン又はこれらの混合物を、伝熱媒体で熱安定化された管束型反応器中で、層状に配置された3種以上の異なる固定床触媒上で気相酸化させることにより無水フタル酸を製造する方法に関する。
公知の通り、無水フタル酸は、キシレン又はナフタレンを管束型反応器中で接触気相酸化させることにより工業的に製造される。出発材料は、分子酸素を含有する気体、例えば空気、及び酸化すべきキシレン及び/又はナフタレンから成る混合物である。混合物は、反応器中に配置された多数の管(管束型反応器)に導通され、この管中には少なくとも1種の触媒の堆積物が存在する。温度を調節するために、管は伝熱媒体、例えば塩溶融物により包囲されている。それにもかかわらず、触媒堆積物中には局所的な温度極大(ホットスポット)が生じることがあり、この中では触媒堆積物の残りの部分よりも高い温度が支配的である。これらのホットスポットは、副反応へのきっかけ、例えば出発材料の全燃焼をもたらすか、又は好ましくない副生成物を形成し、これは反応生成物から分離することができないか又は多くの費用をかけてのみ分離することができる。更に、所定のホットスポット温度より高い温度で触媒が不可逆的に損傷されることがある。
ホットスポット温度は、通常400〜500℃の温度範囲内、殊に410〜460℃の温度範囲内にある。500℃を上回るホットスポット温度は到達可能なPSA収率及び触媒寿命の強度の低下を招く。それに対して、低すぎるホットスポット温度は無水フタル酸(殊にフタリド)中の不足酸化生成物の高い含分を招き、それにより生成物品質が決定的に損ねられる。ホットスポット温度は、空気流のキシレン負荷、触媒のキシレン/空気混合物の負荷、触媒の老化状態、固定床反応器に特有の熱伝導条件(反応器管、塩浴)及び塩浴温度に依存する。
これらのホットスポットを減少するために種々の措置が講じられ、これらはとりわけDE2546268A号、EP286448A号、DE2948163A号、EP163231A号、DE4109387A号、WO98/37967号及びDE19823362A号に記載されている。殊に、DE4013051A号に記載されているように、種々の活性触媒を層状に触媒堆積物中に配置するようにし、その際、通常は活性の低い触媒をガス入口のより近傍に配置し、活性の高い触媒をガス出口のより近傍に配置する。この方法は、二段階の塩浴を使用し、その際、反応混合物の流れ方向における第一の反応領域の塩浴温度を、第二の反応領域の塩浴温度よりも2〜20℃高くなるように維持するというように実施される。この場合、第一の反応領域の触媒体積は30〜75体積%であり、第二の反応領域の触媒体積は25〜70体積%である。第一の反応領域におけるホットスポットの温度は第二の反応領域におけるホットスポットの温度よりも高い。実施例に記載された方法の場合、ホットスポット温度の差は50℃よりも著しく低い。
DE2830765A号には、2つの反応領域中に存在する触媒を用いた無水フタル酸の製造のためにも適当である管束型反応器が記載されている。ガス入口から見て三番目の反応領域における反応温度は、この場合、第一の反応領域における反応温度よりも高い。
DE2948163A号には、層状に配置された2種の異なる触媒を用いた無水フタル酸の製造法が記載されており、その際、第一の層の触媒は触媒層の全長の30〜70%であり、第二の層の触媒は触媒層の全長の70〜30%である。それにより、ホットスポットの温度は低下されるはずである。しかしながら、無水フタル酸収率は、前記刊行物で使用された出発ガス混合物中でのo−キシレンの負荷がわずかである(最大で85g/標準m)場合であっても改善の余地があることが明らかとなった。類似の開示内容がDE3045624A号にも記載されている。
DE19823262号には、層状に重なり合って配置された少なくとも3種のシェル触媒を用いた無水フタル酸の製造法が記載されており、その際、触媒活性は層から層へと、ガス入口面からガス出口面へ向かって上昇する。触媒から触媒へのホットスポット温度の差はこの方法の場合最大で10℃である。
EP−A1063222号には、1種以上の固定床反応器中で実施する無水フタル酸の製造法が記載されている。反応器中の触媒床は、反応器中で連続した3種以上の個々の触媒層を有する。反応条件下で第一の触媒層への導通の後、使用されるo−キシレン、ナフタレン又はこれら2つの混合物の30〜70質量%が変換される。第二の層の後、70質量%以上が変換されている。
しかしながら、EP−A1063222号により得られた結果は未だ満足のいくものではなく、それというのも、反応熱及び出発物質の変換率は反応器に亘り一様ではなく、殊に、該刊行物の図5中のホットスポットプロフィールから分かるように触媒堆積物は分散されている。従って、触媒層の種々の老化が生じ、これは結果としてより長い運転時間の後に収率の低下を招く。
従って本発明は、高いo−キシレン−又はナフタレン負荷の際にも、かつ高い空間速度の際にも、高い収率で無水フタル酸が生じ(その際、反応熱は均一に全触媒堆積物の長さに亘って分配されている)、かつ延長された触媒の寿命に寄与する、無水フタル酸の製造法を提供するという課題に基づいていた。
驚異的にも、無水フタル酸の製造を、層状に配置された3種以上の、有利に3〜5種の種々の活性触媒上で実施し、その際、ガス入口から(流れ方向で)こちらに向けられた第二の触媒層におけるホットスポット温度が第一の触媒層におけるホットスポット温度よりも0〜50℃低く、かつ、ガス入口から(流れ方向で)見て三番目の触媒層におけるホットスポット温度が第一の触媒層におけるホットスポット温度よりも30〜100℃低くなるように反応を制御する場合に、前記課題が解決されることが見出された。
従って本発明の対象は、キシレン、ナフタレン又はこれらの混合物を、伝熱媒体で熱安定化された管束型反応器中で、層状に配置された3種以上の種々の固定床触媒上で気相酸化させることにより無水フタル酸を製造する方法において、流れ方向の第二の触媒層における最高温度が第一の触媒層における最高温度よりも50℃まで低く、かつ、ガス入口から見て三番目の層における最高温度が第一の触媒層における最高温度よりも30〜100℃低くなるように前記方法を実施することを特徴とする無水フタル酸の製造法である。
有利に、第二の触媒層における最高温度は第一の触媒層における最高温度よりも少なくとも10〜40℃低い。有利に、ガス入口から(流れ方向で)から見て三番目の触媒層における最高温度は、第一の触媒層における最高温度よりも40〜80℃低い。
更に、前記方法は、第一の触媒層におけるホットスポット温度が470℃未満となり、かつ有利に450℃未満となるように実施される。
ホットスポット温度差は、種々の方法で調節することができる。例えば、これは、出発混合物の入口圧力を10%まで高めることにより、又は酸化のために使用する空気量を20%まで低下することにより行うことができる。しかしながら有利に、温度差の制御は、3種以上の触媒層の堆積物の長さの割合により、又は伝熱媒体の温度により(以下では、常に有利な伝熱媒体、即ち塩浴に関する)、殊に、3種以上の触媒層を種々の塩浴循環により調温することにより行われる。第一の触媒層の堆積物長さは、全触媒堆積物の長さの有利に30%を上回り、殊に40%を上回る。
制御のために塩浴温度が使用される場合、塩浴温度の上昇が第一の触媒層におけるホットスポット温度の上昇をもたらし、第二及び後続の各触媒層における低下をもたらす。従って一般には、所望のホットスポット温度差を調節するためには、例えば1、2又は3℃といったわずかな上昇又は低下で十分である。3種以上の触媒層を種々の塩浴循環により調温する場合、上方の塩浴循環、即ち第一の触媒層を調温する塩浴循環は、有利に、下方の塩浴循環よりも0.5〜5℃高く運転される。それとは別に、第二の触媒層の温度を調温する塩浴の温度は10℃まで低下され、三番目の触媒層の温度を調温する塩浴の温度は更に10℃低下される。
触媒の寿命は一般に約4〜5年である。時間の経過と共に、触媒の活性は一般に若干低下する。それにより、第一の触媒層と三番目の触媒層との間のホットスポット温度差が30℃の最低値未満に低下することがある。これは、上記の塩浴温度の上昇により再度30℃又はそれを上回る値に調節することができる。有利に、ホットスポット温度差が、触媒寿命の少なくとも初めの50%、殊に少なくとも初めの70%、殊に有利に少なくとも初めの90%に亘って、殊に有利に本質的に全触媒寿命に亘ってそのままであるように処理を行う。
ホットスポット温度は、公知の方法で、例えば複数の熱電対を反応器中に取り付けることにより測定される。
触媒として、酸化物の担持触媒が適当である。o−キシレン又はナフタレンの気相酸化により無水フタル酸を製造する際ために、ケイ酸塩、炭化ケイ素、陶材、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、二酸化スズ、ルチル、ケイ酸アルミニウム、ケイ酸マグネシウム(ステアタイト)、ケイ酸ジルコニウム又はケイ酸セリウム又はこれらの混合物から成る、球状、環状又はシェル状の担体を使用する。触媒活性成分として、一般に、殊にアナターゼ変態の形の二酸化チタンの他に五酸化バナジウムが有効である。更に、例えば活性を減少または増加することにより、促進剤として触媒の活性及び選択率に影響を与える少量の他の数多くの酸化物化合物が、触媒活性材料中に更に含有されてもよい。このような促進剤は、例えばアルカリ金属酸化物、酸化タリウム(I)、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化鉄、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化マンガン、酸化スズ、酸化銀、酸化銅、酸化クロム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化イリジウム、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化砒素、酸化アンチモン、酸化セリウム及び五酸化リンである。アルカリ金属酸化物は、例えば活性を減少させ、選択率を増加させる促進剤として作用し、一方、酸化リン化合物、特に五酸化リンは、触媒の活性を増加させるがしかしその選択率を減少させる。使用可能な触媒は、例えばDE2510994号、DE2547624号、DE2914683号、DE2546267号、DE4013051号、WO98/37965号及びWO98/37967号に記載されている。触媒活性材料がシェル状に担体上に施与されているいわゆるシェル触媒が殊に有効であることが示された(例えばDE1642938A号、DE1769998A号及びWO98/37967号を参照のこと)。
活性の低い触媒は、反応ガスがまずこの触媒と接触し、その後になってようやく第二の層中のより活性の高い触媒と接触するように固定床中に配置される。引き続き、反応ガスはさらに活性の高い触媒層と接触する。種々の活性触媒を同じか又は異なる温度に調温する。一般に、ガス入口に最も近い第一の触媒層中ではアルカリ金属酸化物でドーピングされた触媒を使用し、第二の反応領域中ではより少量のアルカリ金属酸化物及び/又はリン化合物及び/又はその他の促進剤でドーピングされた触媒を使用する。三番目の触媒層において、更に少量のアルカリ金属酸化物ないしリン化合物及び/又はその他の促進剤でドーピングされた触媒を使用する。
以下の組成の触媒は殊に有利である:
−第一の層に関して:
五酸化バナジウム 3〜5質量%
アルカリ金属酸化物、例えば酸化セシウム 0.1〜1質量%
二酸化チタン 94〜96.9質量%
−第二の層に関して:
五酸化バナジウム 4〜7質量%
アルカリ金属酸化物、例えば酸化セシウム 0〜0.5質量%
五酸化リン(Pとして算出されたもの) 0.05〜0.4質量%
二酸化チタン 100質量%までの残分
−三番目の層に関して:
五酸化バナジウム 6〜9質量%
アルカリ金属酸化物、例えば酸化セシウム 0〜0.3質量%
五酸化リン(Pとして算出されたもの) 0.05〜0.4質量%
場合によりもう1種の促進剤、殊にSb 1〜5質量%
二酸化チタン 85.3〜93.95質量%。
一般に、第一の反応領域において、反応ガス中に含有されているo−キシレン及び/又はナフタレンの大部分が反応するように反応を行う。
触媒は、反応の際に層状に管束型反応器の管中に充填される。そのように準備された触媒堆積物に、一般に300〜450℃、有利に320〜420℃、殊に有利に340〜400℃の温度で、かつ、一般に0.1〜2.5バール、有利に0.3〜1.5バールのゲージ圧で、かつ、一般に750〜5000h−1、有利に2000〜5000h−1の空間速度で反応ガスを導通させる。触媒に供給された反応ガス(出発ガス混合物)は、一般に、分子酸素を含有するガス(これは酸素の他に適当な反応調節剤(reaction moderator)及び/又は希釈剤、例えば蒸気、二酸化炭素及び/又は窒素を含有してよい)と、酸化させるべきo−キシレン又はナフタレンとを混合することにより製造される。反応ガスは、一般に、酸素を1〜100モル%、有利に2〜50モル%、殊に有利に10〜30モル%含有する。一般に、反応ガスにはo−キシレン及び/又はナフタレンが5〜140g/ガス標準m、有利に60〜120g/標準m、殊に有利に80〜120g/標準m負荷されている。
所望の場合には、無水フタル酸製造のために、例えばDE19807018号又はDE2005969A号に記載されているような、更に後接続された仕上げ反応器が予定されてよい。この場合触媒として、三番目の層の触媒と比較して有利により活性の高い触媒が使用される。殊に、前記触媒は以下の組成を有する:
五酸化バナジウム 6〜9質量%
活性促進剤、殊にSb 1〜5質量%
五酸化リン(Pとして算出されたもの) 0.1〜0.5質量%
二酸化チタン 85.5〜92.9質量%。
本発明による方法は、o−キシレン及び/又はナフタレンの負荷が高い場合、及び空間速度が高い場合にも、高収率及びわずかな濃度の副生成物、殊にフタリドで、無水フタル酸を製造することができるという利点を有する。本発明による方法の条件下で、フタリド−濃度はPAに対して0.1質量%以下である。本発明による方法の利点は、使用される触媒系が老化により活性を失う場合に殊に効果を発揮する。長い運転時間の後にも、第二の触媒層におけるホットスポットの非本質的な上昇が生じるに過ぎない。
本発明による温度制御は、接触気相酸化により別の生成物、例えばアクリル酸(プロペンから)、無水マレイン酸(ベンゼン、ブテン又はブタジエンから)、無水ピロメリット酸(ズレンから)、安息香酸(トルエンから)、イソフタル酸(m−キシレンから)、テレフタル酸(p−キシレンから)、アクロレイン(プロペンから)、メタクリル酸(イソブテンから)、ナフトキノン(ナフタレンから)、アントラキノン(アントラセンから)、アクリロニトリル(プロペンから)及びメタクリルニトリル(イソブテンから)を製造する際にも利用可能である。
以下の実施例により、制限を加えることなく本発明を説明する。
実施例
1)触媒I〜IVの製造
触媒I:
外径8mm、長さ6mm及び肉厚1.5mmのステアタイト(ケイ酸マグネシウム)リング50kgを、コーティングドラム中で160℃に加熱し、かつBET表面積20m/gを有するアナターゼ28.6kg、シュウ酸バナジル2.19kg、硫酸セシウム0.176kg、水44.1kg及びホルムアミド9.14kgからなる懸濁液で、施与した層の質量が完成触媒の全質量の10.5%(450℃での焼成後)になるまで噴霧した。
こうして施与した触媒活性材料、つまり触媒シェルは、バナジウム4.0質量%(Vとして計算)、セシウム0.4質量%(Csとして計算)及び二酸化チタン95.6質量%からなっていた。
触媒II:
触媒Iの製造と同様に処理したが、但し、硫酸セシウム0.155kgを使用し、これはセシウム0.35質量%(Csとして計算)の含分をもたらした。
触媒III
外径8mm、長さ6mm及び肉厚1.5mmのステアタイト(ケイ酸マグネシウム)リング50kgを、コーティングドラム中で160℃に加熱し、かつBET表面積20m/gを有するアナターゼ28.6kg、シュウ酸バナジル4.11kg、三酸化アンチモン1.03kg、リン酸二水素アンモニウム0.179kg、硫酸セシウム0.045kg、水44.1kg及びホルムアミド9.14kgからなる懸濁液で、施与した層の質量が完成触媒の全質量の10.5%(450℃での焼成後)になるまで噴霧した。
こうして施与した触媒活性材料、つまり触媒シェルは、リン(Pとして計算)0.15質量%、バナジウム(Vとして計算)7.5質量%、アンチモン(Sbとして計算)3.2質量%、セシウム0.1質量%(Csとして計算)及び二酸化チタン89.05質量%からなっていた。
触媒IV
外径8mm、長さ6mm及び肉厚1.5mmのステアタイト(ケイ酸マグネシウム)リング50kgを、コーティングドラム中で160℃に加熱し、かつBET表面積11m/gを有するアナターゼ28.6kg、シュウ酸バナジル3.84kg、三酸化アンチモン0.80kg、リン酸二水素アンモニウム0.239kg、水44.1kg及びホルムアミド9.14kgからなる懸濁液で、施与した層の質量が完成触媒の全質量の12.5%(450℃での焼成後)になるまで噴霧した。
こうして施与した触媒活性材料、つまり触媒シェルは、リン(Pとして計算)0.2質量%、バナジウム(Vとして計算)7.0質量%、アンチモン(Sbとして計算)2.5質量%及び二酸化チタン90.3質量%からなっていた。
2)o−キシレンの酸化
2a)本発明によるPAの製造及び比較(堆積物の長さを変化させることによるホットスポット温度差の調節)
下方から上方に向かって、10 lの管型反応器(標準管99本及び熱電対を備えた管2本)において、それぞれ触媒III(比較:1.30m;本発明による:0.70m)、触媒II(本発明による:0.80m)及び引き続き触媒I(1.70m(比較);本発明による1.50m)を、長さ3.60m、内径25mmの各鉄管(熱電対シース内径10mm及び取り付けられた30個の熱電対(全て10cm)を有する熱電対を備えた管29mm)中に充填した。圧力調節により、各管の入口の圧力が同一となるように留意した。場合により、少量の触媒Iを99本の標準管に添加するか又は吸引により取り出した;熱電対を備えた2つの管の場合、ステアタイト球もしくは石英球の形の不活性材料を添加することにより圧力調節を達成した。鉄管は、温度調節のために、2つの別個の塩浴中に存在する塩溶融物により包囲されていた。下方の塩浴は管を下方の管板から1.30mの高さまで包囲しており、上方の塩浴は管を高さ1.30m〜上方の管板まで包囲していた。(約2ヶ月の運転時間後に)98.5質量%のo−キシレン100g/空気標準mを負荷させた空気を、管1つ当たり4.0標準m/hの流動速度で上方から下方へと、管に導通させた。主反応器を去った後、粗生成物ガス流を280〜290℃に冷却し、触媒IV 100kgを充填した断熱式仕上げ反応器(内径:0.45m、高さ0.99m)に導通させた。
この場合、以下の表に示したデータが得られた(運転日数=触媒の第一のスタートアップからの運転日数;SBT top=反応器入口に最も近い塩浴の塩浴温度;SBT bottom=反応器出口に最も近い塩浴の塩浴温度;HS top=反応器入口に最も近い触媒のホットスポット温度;HS bottom=反応器出口に最も近い触媒のホットスポット温度;PHD含分及びキシレン含分=それぞれ、無水フタル酸に対する、仕上げ反応器の粗生成物ガスダウンストリームのフタリド含分及びキシレン含分;PA収率=完成反応器の粗生成物のガスダウンストリームの分析から導かれる100%純粋なキシレンに対するPAの質量%での収率)。
Figure 0004559736
2b)本発明によるPAの製造(温度変化及び温度構造化)
2a)で比較試験として操作した触媒の組合せにおいて、運転時間250日後に、温度構造化(SBT bottomを低下させる、又はSBT topを高める)又は温度変化(SBT bottom及びtopを高める)を用いて温度差を>40℃に調節した。その他の全ての試験条件は、試験2a)に対して変化させなかった。
この場合、以下の表に示したデータが得られた(運転日数=触媒の第一のスタートアップからの運転日数;SBT top=反応器入口に最も近い塩浴の塩浴温度;SBT bottom=反応器出口に最も近い塩浴の塩浴温度;HS top=反応器入口に最も近い触媒のホットスポット温度;HS bottom=反応器出口に最も近い触媒のホットスポット温度;PHD含分及びキシレン含分=それぞれ、無水フタル酸に対する、仕上げ反応器の粗生成物ガスダウンストリームのフタリド含分及びキシレン含分;PA収率=完成反応器の粗生成物のガスダウンストリームの分析から導かれる100%純粋なキシレンに対するPAの質量%での収率)。
Figure 0004559736
2a)に示された結果は、PA収率がホットスポット温度差と相関関係にあり、従って、第一の触媒層と第二の触媒層との間の温度差が0〜50℃であり、かつ第一の触媒層と三番目の触媒層との間の温度差が30〜100℃である場合、PAは実質的に適切な運転条件下で高い収率で得られることを示す。
2b)に示された結果は、ホットスポット温度差が低すぎる場合、二重に構造化された堆積物におけるホットスポット温度差を高めるためには、塩浴温度を上方及び下方で同時にかつわずかに高めるか、又は上方塩浴の温度を一定にして下方塩浴の温度を低下させるので十分であることを示す。

Claims (9)

  1. キシレン、ナフタレン又はこれらの混合物を、伝熱媒体を用いてサーモスタット調温された管束型反応器中で、層状に配置された3種以上の異なる環状の固定床担持触媒上で気相酸化させることにより無水フタル酸を製造する方法において、流れ方向の第二の触媒層における最高温度が第一の触媒層における最高温度よりも10〜40℃低く、かつ、ガス入口から見て三番目の層における最高温度が第一の触媒層における最高温度よりも0〜0℃低く、かつ第一の触媒層における最高温度が470℃未満となるように前記方法を実施することを特徴とする無水フタル酸の製造法。
  2. 第一の触媒層における最高温度と第二の触媒層における最高温度及び三番目の触媒層における最高温度との間の温度差を、触媒層の堆積物長さの割合により制御する、請求項1記載の方法。
  3. 第一の触媒層の堆積物長さが全ての触媒堆積物の長さの30%を上回る、請求項記載の方法。
  4. 第一の触媒層の堆積物長さが全ての触媒堆積物の長さの40%を上回る、請求項記載の方法。
  5. 第一の触媒層における最高温度と第二の触媒層における最高温度との間の温度差を伝熱媒体の温度により制御する、請求項1記載の方法。
  6. 第一の触媒層における最高温度が450℃未満である、請求項1からまでのいずれか1項記載の方法。
  7. 気相1標準m当たりo−キシレン及び/又はナフタレン80〜140gの負荷を有する気相を使用する、請求項1からまでのいずれか1項記載の方法。
  8. 伝熱媒体の温度が≦360℃である、請求項1からまでのいずれか1項記載の方法。
  9. 気体混合物の空間速度が≧2000h−1である、請求項1からまでのいずれか1項記載の方法。
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