JP4944798B2 - プロパンのプロピレンへの部分的酸化を含むアクリル酸の製造方法 - Google Patents
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Description
得ることが知られている。非特許文献1は金属酸化物の存在下でプロパンを部分的に触媒酸化するための種々の経路について記載しており、それは3つの主な反応経路を含む以下の図により要約され得る。
の重要な利点は、ガス流からアクリル酸を除去し、プロピレン−アクロレイン酸化反応器へのアクリル酸の導入を回避することである。別の利点は、アクリル酸収率(プロパンの部分的酸化反応の副産物の大部分を占める)を増加させることと、さらにはプロピオン酸またはアセトン等の第2の副産物の形成を抑制できることである。
Mo1Va(TeまたはSb)b(NbまたはTa)cSidOx(I)
式中、
−aは0.006と1の間の値(0.006および1を含む);
−bは0.006と1の間の値(0.006および1を含む);
−cは0.006と1の間の値(0.006および1を含む);
−dは0と3.5の間の値(0および3.5を含む);および
−xは他の元素と結合される酸素の数であり、それらの元素の酸化状態によって決まる。
Mo1VaSbbNbcSidOx(Ia)
は、式中、a、b、c、dおよびxは上述に定義した通りであるが、特に好ましい。
−aは0.01と0.06の間の値(0.01および0.06を含む);
−bは0.01と0.5の間の値(0.01および0.5を含む);
−cは0.006と0.3の間の値(0.006および0.3を含む);
−dは0と2の間の値(0および2を含む);および
xは他の元素と結合される酸素の数であり、それらの元素の酸化状態によって決まる。
−モリブデンの場合、モリブデン酸アンモニウム、パラモリブデン酸アンモニウム、ヘ
プタモリブデン酸アンモニウム、モリブデン酸、MoCl5のようなハロゲン化またはオ
キシハロゲン化モリブデン、Mo(OC2H5)5等のモリブデンアルコキシドのようなモ
リブデンからなる有機金属化合物、モリブデニルアセチルアセトン;
−バナジウムの場合、メタバナジン酸アンモニウム、VCl4、VCl5またはVOCl3のようなハロゲン化またはオキシハロゲン化バナジウム、VO(OC2H5)3等のバナジウムアルコキシドのようなバナジウムからなる有機金属化合物;
−アンチモンの場合、例えば特に方安鉱(ほうあんこう)の種類では酸化アンチモン(三酸化アンチモン)、硫酸アンチモン(Sb2(SO4)3)または塩化アンチモン(三塩
化アンチモン、五塩化アンチモン);
−テルルの場合、テルル、テルル酸、TeO2;
−ニオブの場合、ニオブ酸、酒石酸ニオブ、シュウ酸水素ニオブ、オキソトリシュウ酸アンモニウムニオブ{(NH4)3[NbO(C2O4)3]*1.5H2O}、シュウ酸ニオブおよびアンモニウム、シュウ酸および酒石酸ニオブ、NbCl3、NbCl5のようなハロゲン化またはオキシハロゲン化ニオブ、およびNb(OC2H5)5、Nb(On−Bu
)5等のニオブアルコキシドのようなニオブからなる有機金属化合物;
−タンタルの場合、シュウ酸タンタル;
そして、一般に、すべての化合物は焼成(calcination)により酸化物、すなわち、有
機酸の金属塩、無機酸の金属塩、金属複合化合物等を形成することができる。
例として、触媒支持体は、有利にはシリカ、アルミナ、アルミノシリケート、ステアタイト、セラミックまたは炭化ケイ素である。
1)撹拌下と、任意選択で加熱下での、バナジウム源(例えばメタバナジン酸アンモニウム)の水への溶解;
2)適切な場合、先に得られた溶液への、テルルあるいはアンチモン源、例えばテルル酸または酸化アンチモン(特に方安鉱の種類の場合)の添加;
3)モリブデン源(例えばヘプタモリブデンアンモニウム)の追加;
4)得られた溶液の還流下での反応;
5)適切な場合、酸化剤(アンチモン触媒の場合、過酸化水素)の追加;
6)適切な場合、加熱下で、ニオブ源(例えばニオブ酸)をシュウ酸と混合させることにより製造された溶液の追加;
7)還流下と、好ましくは不活性雰囲気下での、ゲルが得られるまでの反応混合物の反応;
8)得られたゲルの乾燥;
9)好ましくはゲルの予備焼成;および
10)触媒を得るための、任意選択で予備焼成されたゲルの焼成。
乾燥[例えば段階8で]は、霧化、凍結乾燥、ゼオライトを用いた乾燥法(Zeodration)、またはマイクロ波等により、オーブンの中の薄層の形で実行することができる;
予備焼成は、触媒の粒子が予備焼成の間にまたは焼成の間に互いに融合するのを防止すべく互いから分離されるように、流動床で280〜300℃の気流下で、または回転式オーブンの曝気した固定床で320℃の静止空気下で行なうことができる;
焼成は、例えば回転式オーブンまたは流動床で、非常に純粋な窒素下で、600℃に近い温度で、2時間であってよい時間の間、好ましくは行なわれる。
−10ml/min/g以上の触媒の気流下で300℃未満の温度で、特に約50ml/min/gの気流下で約290℃で;または
−10ml/min/g未満の触媒の気流下で300℃から350℃までの温度で、特に約10ml/min/g未満の気流下で約320℃で。
上述の方法に従って製造された触媒の各々は、通常20〜300μmの直径をした粒子の形で示すことができ、本発明の方法を行なう前に、組み合わされた触媒の各々の粒子は混合される。ゲルまたは懸濁物の霧化(atomization)により、成形(shaping)を実行することができる。固定床で使用するために、触媒は3〜10mm、好ましくは5〜8mmの直径を備え、有効成分で覆われたビーズまたはシリンダもしくは中空シリンダの形で示すことができる。
取付装置
図1は、並行状態のプロパンの部分的酸化を含む、未反応ガスの再循環によるアクリル酸の製造方法の実行を許容する取付装置について説明する。この取付装置は、本発明の範囲内に包含される。
1:プロピレン/プロパンの新鮮な負荷
2:反応混合物(プロパン、プロピレン、蒸気、酸素)
3:プロピレンからアクロレインへの変換反応器。
5:吸着カラム
6:酸素添加口
7:プロパン変換反応器
本発明はさらに、アクリル酸製造のための装置であって、
a)プロピレンのアクロレインへの酸化用の第1反応器[3]
b)第1反応器[3]が連続的に原料を供給する、アクロレインのアクリル酸への酸化用の第2反応器[4]
c)第2反応器[4]と接続されたアクリル酸の回収のための吸着カラム[5]
d)未反応ガスが送られ、吸着カラム[5]の出口と並行に配置された、プロパンのプロピレンへの部分的酸化用の反応器[7]、該出口にあるガスはさらに吸着カラムまたは同様なカラムを通過して、
e)第1のプロピレン酸化反応器[3]へ再循環すること
を備えた装置に関する:
図1で、アクリル酸の回収を可能にする吸着カラム[5]と並列して配置された反応器[7]は、プロパンのプロピレンへの部分的酸化のためのものである。カラム[5]を離れたガス流は、酸化物混合物に基づく触媒床を含む反応器[7]に向けて送られる。このガス流は主にプロパン、未反応プロピレン、蒸気、一酸化炭素、二酸化炭素、残留酸素および任意選択で不活性ガス(アルゴン)、アクロレインおよびアセトンを含んでいる。蒸気/酸素分子/任意選択で不活性ガスの混合物を含むガス流れも、反応器[7]へ導入される。
プロパン/酸素の分子比は1よりも大きく、好ましくは4以上である。プロパンの部分的酸化反応で実現される混合気では、プロパン含有量は少なくとも20%よりも大きくおよび90%より小さくなければならない。
プロパン/酸素/不活性ガス(Ar、N2、CO2)/H2O(蒸気)=1/0.05−
2/0−12/0.1−10。
反応器中の圧力は、1.01.104〜1.01.106Pa(0.1〜10大気圧)、好ましくは5.05.104〜5.05.105Pa(0.5−5大気圧)に一般に設定される。好ましくは、固定床の操作の場合、圧力は2.105Paに設定される。
選択することは重要である。一般に、反応は、モリブデン酸ビスマス等の触媒を、320℃に近い温度に2.105Paの圧力下で触媒することにより触媒される。触媒は、例え
ば、M. Tanimoto, Shokubai, 45(5), 360(2003)の刊行物の図2に記載されたモリブデン
酸塩から選択することができる。
反応器により受け取られるプロピレン/プロパン/蒸気/酸素/任意選択の不活性ガスの全体的な割合は、高いプロパン分圧が保証される割合でなければならない。この割合は、好ましくは5〜15/30〜50/0〜15/5〜20/0〜50の範囲に位置する。
反応器[4]は、反応器[3]由来の混合気を受け取り、その後、混合気は、アクロレインのアクリル酸への変換を促進するがプロパンの存在に対する感度が低い触媒の存在下でアクリル酸に酸化される。一般に、反応は、2.105Paの圧力下で、250℃に近い温度にてモリブデンおよびバナジウムに基づく混合酸化物等の触媒により触媒される。触媒は、例えばM. Tanimoto, Shokubai, 45(5), 360(2003) の刊行物の表3に記載された混合酸化物から選択することができる。
この利点は以下の試験で詳しく観察することができる。
実施例
以下の実施例は、本発明の範囲を制限することなく、本発明を例証する。
実施例A:触媒Aの製造:Mo1V0.33Nb0.11Te0.22Si0.95Ox。
ニオブ溶液の製造:
以下のものが5リットルのビーカーに入れられる:
640g 蒸留水;
51.2g ニオブ酸(すなわちnNb=0.304モル);
最後に、103.2g シュウ酸二水和物(すなわちnoxalate=0.816モル)。
混合物を、攪拌下、2時間、60℃にて加熱する(蒸発を防ぐためにビーカーの上にビーカーカバーを配置する)。白色の懸濁液が得られる。混合物を、攪拌下、30℃まで冷却させる(約2時間冷却)。
以下のものが5リットルのビーカーに入れられる:
2120g 蒸留水;
次に、488.0g ヘプタモリブデン酸アンモニウム(すなわちnMo=2.768モル);
次に、106.4g メタバナジン酸アンモニウム(すなわちnv=0.912モル)
;
最後に、139.2g テルル酸(すなわちnTe=0.608モル)。
393.6gのLudoxシリカ(40重量%のシリカAS40)を、攪拌下、上述のよう
に調製されたMo、V、Teの溶液へ入れる。溶液は透明かつ赤色のままであるが、若干薄くなった。ニオブ溶液を(Mo、V、Te、Si)溶液に入れ、数分間攪拌した後、蛍光オレンジ色のゲルが得られる。その後、この溶液を霧化(実験用アトマイザ− Sodeva社のATSELAB)により乾燥させる。霧化は窒素雰囲気下で起こる。
−窒素流量 約45Nm3/h;
−スラリー流量 約500g/h;
−ガスの入口温度 155℃と170℃の間;
−ガスの出口温度 92℃と100℃の間。
331gの前駆物質を、空気流(47.9ml/分/g)の下、300℃で4時間予備焼成して、固形物を生じさせ、これを窒素流(12.8ml/分/g)の下、600℃で2時間焼成する。触媒Aはこのようにして得られる。
によって表された前駆物質の製造:
前駆物質の合成:約100gの乾燥前駆物質をこのように製造する。
溶液A
12.3g(0.1052モルV)のメタバナジン酸アンモニウム(AMV)(製造業者GfE)、7.7g(0.0528モルSb)のSb2O3(製造業者CAMPINE)、61.8gのヘプタモリブデン酸アンモニウム(AHM、0.3501モルMo)(製造業者Starck)、1リットルのSVL(登録商標)ガラス製反応器内で、攪拌下、
に130mlの脱塩水溶液に入れ、128℃でサーモスタットで制御した油浴中で加熱する。漏斗をリンスするのに水を20mlでゆっくり添加することが必要である。AHMの添加後、反応器を窒素洗浄(flushing)下に置き、反応を4時間還流下に置いて攪拌下で維持する。濃い藍色に次第に変化する黄色の懸濁液が得られる。
その後、50gの水に溶解した6g(0.0530mol)の30重量%H2O2水溶液を、ゆっくり(約1〜2分かけて)添加する。透明でオレンジ色の溶液を得るために、純粋な過酸化水素の滴を8滴加える。
52.6gのLudox(登録商標)シリカAS40(nsi=0.350モル)を一度に加
える。溶液はわずかに曇る。形成された溶液を溶液Cと呼ぶ。
溶液Dを溶液Aと同様に調製する。100gの蒸留水、5.9gのブラジル国のCBMM社から入荷したニオブ酸を、500mlのビーカーに入れる(つまりnNb=0.035モル、13.2gのProlab社のシュウ酸(つまりnoxalates=0.105モル))。混合物を攪拌下で2時間70℃にて加熱し、次に、30℃に冷却する。その後、溶液を透明溶液を得るために6200rpmで12分間遠心する。
段階2:乾燥
その後、ゲルを、130℃の換気されたオーブン内のテフロン(登録商標)で覆われたプレートに一晩入れて乾燥させる。111.4gの乾燥した前駆物質が回収される。前駆物質は葉の形で示され、上部が黒色で、下側に薄い緑色のフィルムがある。したがって、主成分を示し、次の式により表された前駆物質が得られる。
段階3:熱処理
30gの先に得られた前駆物質を静止空気下で317℃にて予備焼結する。
プロパンの部分的酸化
以下の実施例では、プロパンの収率、選択性および変換率は以下のように定義される:
アクリル酸の収率(TTU)(%)=形成されたアクリル酸のモル数/導入されたプロパンのモル数×100。
プロパン変換率(%)=TTG(プロパン)=反応したプロパンのモル数/導入されたプロパンのモル数×100
アクリル酸選択性(%)=形成されたアクリル酸のモル数/反応したプロパンのモル数×100
他の化合物に関する選択性は、同様の方法で計算される。
〜105%からなる場合、および炭酸ナトリウム滴定法により測定された酸のモル数が、クロマトグラフィによって決定された酸のモル数、すなわち10%に最も近い値に相当する場合、分析は有効である。
実験用反応器はすべて同様のプロトコルにより装填され、その例をここで詳細に示す。触媒は10mlの炭化ケイ素0.125mmで希釈した。
装置(試験1に従う反応器の装填例)
試験は固定床型反応器で行なわれる。
む:
−直径0.125mmの粒子の形をした2ml 炭化ケイ素の第1の高さ、
−直径0.062mmの粒子の形をした2ml 炭化ケイ素の第2の高さ、
−直径0.125mmの粒子の形をした10ml 炭化ケイ素で希釈された直径0.02〜1mmの粒子の形をした1.00gの触媒の第3の高さ、
−直径0.062mmの粒子の形をした2ml 炭化ケイ素の第4の高さ、
−直径0.125mmの粒子の形をした2ml 炭化ケイ素の第5の高さ、および
−反応器の全体を満たす、直径1.19mmの粒子の形をした炭化ケイ素の第6の高さ。
触媒AおよびBの性能を調べるために、本願発明者らは同時供給試験を使用した。これらの試験の主要な特性および収集された情報は以下の通りである:
・標準状態下での同時供給バランス:同時供給モードにおける触媒の迅速な比較に対する基本試験;試験条件(種々のガス流量):
プロパン/酸素/ヘリウム−クリプトン/水=0.829/0.877/4.267/4.234(単位NL/h)。試験温度は380℃、400および420℃である。この種の試験に関して、触媒に対するガスの接触時間は触媒の密度に従って約0.35sであ
る。
プロパン/酸素/ヘリウム−クリプトン/水=0.829/0.877/8.44/4.234(単位NL/h)。試験温度は、0.5g触媒で380℃および1g触媒で420℃。この種の試験に関して、触媒に対するガスの触媒時間は0.5gの触媒で約0.13sおよび1gの触媒で約0.25sである。
プロパン/酸素/ヘリウム−クリプトン/水=5.108/0.877/0/4.234(単位NL/h)。試験温度は0.5g触媒で420および440℃。この種の試験に関して、触媒に対するガスの触媒時間は0.5gの触媒で約0.18sである。
1)手順
触媒を含む反応器を、反応温度が課されることを可能にする垂直式等温オーブンに入れる、反応器の上部はガスおよび蒸気の共通供給線と接続される。
−反応器 250℃、
−気化器 200℃、
− 送水ポンプの電気的始動。
さらなる計算および定義:
VVHは体積速度/時で、h-1で表わされる。これは入口のガス流量と触媒量との間の比を表わす。触媒量は試験片で測定される。入口のガス流は、毎時、標準のリットル(0℃および1気圧で測定されたガスのリットル)で表わされる。
反応器を流れるガス流を増加させることにより高いVVHを得ることは可能であるが、この場合、触媒ベッドに対して生じる圧力損失が増加する。しかしながら、反応器の生産性もそのために増加される。
生成物Pの生産性は、触媒1kg当たりおよび毎秒当たりのこの生成物Pのモル数として計算される。本例では、本願発明者らは、触媒1kg当たりおよび毎秒当たりの、等価
物C3の生産性すなわち生成物Pのマイクロモル数を生産するために反応したプロパンのマイクロモル数)を計算した。3つの炭素を備えた生成物の場合、いずれの生産性も同一である。結果は、生成物Pの収率にプロパン流入流量を乗算し、触媒の質量でその全体を除算することにより直接得られる。
4つのバランスを以下の条件で実行した。
バランス1〜3:
ガス供給流量はプロパン/酸素/ヘリウム−クリプトン/蒸気:0.829/0.877/4.267/4.234(NL/h)である。反応器の温度は380℃、400および420℃である。
5つのバランスを以下の条件で実行した。
バランス1および3:
ガス供給流量はプロパン/酸素/ヘリウムクリプトン/蒸気:0.829/0.877/4.267/4.234(NL/h)である。反応器の温度は380℃および420℃である。
4つのバランスを以下の条件で実行した:
バランス1〜3:
ガス供給流量はプロパン/酸素/ヘリウム−クリプトン/蒸気:0.829/0.877/4.267/4.234(NL/h)である。反応器の温度は380、400および420℃である。
5つのバランスを以下の条件で実行した。
ガス供給流量はプロパン/酸素/ヘリウムクリプトン/蒸気:0.829/0.877/4.267/4.234(NL/h)である。反応器の温度は380および420℃である。
Claims (11)
- プロピレンの酸化と、その後のアクロレインの酸化によるアクリル酸の製造方法であって、
アクロレインのアクリル酸への酸化後の未反応ガスを再循環することからなり、
前記アクリル酸生成後の未反応ガスを再循環することは、
アクリル酸回収のための吸着カラムから、前記吸着カラムの出口と並列に配置された反応器へ、プロパン、未反応プロピレン、蒸気、一酸化炭素、および二酸化炭素を含むガス流を送ること、
前記反応器で、前記ガス流に対しプロパンからプロピレンの部分的酸化を実行すること、および
プロパンとプロピレンに富んだガスを前記反応器から前記吸着カラムに通過させた後、プロピレン変換反応器に戻すこと
からなる方法。 - 前記ガス流は、不活性ガス、アクロレイン、およびアセトンをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- 酸化物の混合物により構成された触媒の存在下で、プロパンがプロピレンへの部分的変換を受けることを特徴とする請求項1または2に記載の製造方法。
- プロパンのプロピレンへの部分的酸化の方法が、300℃〜450℃の温度で実行されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の製造方法。
- プロパンのプロピレンへの部分的酸化の方法が、10000h -1 よりも大きい高い体積速度/時間で実行されることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の製造方法。
- プロパンのプロピレンへの部分的酸化の方法が、触媒の存在下で実行され、該触媒はモリブデン、バナジウム、テルル、ニオブ、タンタル、シリコン、およびアンチモンの少なくとも一つから選択された元素を含む酸化物の混合物であることを特徴とする請求項1〜
5のいずれか一項に記載の製造方法。 - 前記触媒が
Mo1Va(TeまたはSb)b(NbまたはTa)cSidOx(I)
の構造を有し、式中、
aは0.006と1の間の値(0.006および1を含む)からなり;
bは0.006と1の間の値(0.006および1を含む)からなり;
cは0.006と1の間の値(0.006および1を含む)からなり;
dは0と3.5の間の値(0および3.5を含む)からなり;
xは他の元素と結合される酸素の数であり、それらの元素の酸化状態によって決まる;ことを特徴とする請求項6に記載の製造方法。 - 前記触媒が
Mo1VaSbbNbcSidOx (Ia)
の構造を有し、式中、
a、b、c、dおよびxは請求項7に定義された値であることを特徴とする請求項7に記載の製造方法。 - 前記触媒が(I)または(Ia)の構造を有し、
aは0.01と0.06の間の値(0.01および0.06を含む)からなり;
bは0.01と0.5の間の値(0.01および0.5を含む)からなり;
cは0.006と0.3の間の値(0.006および0.3を含む)からなり;
dは0と2の間の値(0および2を含む)からなり;
xは他の元素と結合される酸素の数であり、それらの元素の酸化状態によって決まる;ことを特徴とする請求項7または8に記載の製造方法。 - アクリル酸を製造するための装置であって、
a)プロピレンのアクロレインへの酸化用の第1反応器[3];
b)第1反応器[3]が連続的に原料を供給する、アクロレインのアクリル酸への酸化用の第2反応器[4];
c)第2反応器[4]と接続されたアクリル酸の回収のための吸着カラム[5];
d)アクロレインのアクリル酸への酸化の未反応ガスが送られ、吸着カラム[5]の出口と並行に配置された、プロパンのプロピレンへの部分的酸化用の反応器[7]、前記出口にあるガスはさらに前記吸着カラムまたは同様なカラムを通過して;
e)その後第1のプロピレン酸化反応器[3]へ再循環すること
を備えた装置。 - アクリル酸の製造のための請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法の使用。
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