JP6118016B2

JP6118016B2 - アンモ酸化用触媒及びこれを用いたアクリロニトリルの製造方法

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Publication number: JP6118016B2
Application number: JP2011151183A
Authority: JP
Inventors: 利明市川; 賢治歌島; 藤井　雄一; 雄一藤井
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Current assignee: Asahi Kasei Corp
Priority date: 2011-07-07
Filing date: 2011-07-07
Publication date: 2017-04-19
Anticipated expiration: 2031-07-07
Also published as: JP2013017917A

Description

本発明は、プロピレンをアンモニア及び酸素と反応させてアクリロニトリルを製造する際に用いるアンモ酸化用触媒及びこれを用いたアクリロニトリルの製造方法に関する。

プロピレンをアンモニアの存在下に分子状酸素によって気相接触酸化してアクリロニトリルを製造する方法は、「アンモ酸化プロセス」として広く知られており、現在、工業的規模で実施されている。
工業的規模で一層効率的に実施することを目指し、アンモ酸化プロセスに用いる触媒について種々の検討が進められており、Ｍｏ−Ｂｉ−Ｆｅ系、Ｆｅ−Ｓｂ系等の複合酸化物からなるものが知られているが、更なる性能の向上を目指して、これらの必須金属にその他の成分を加えた組成も多く検討されている。例えば、特許文献１及び２には、モリブデン、ビスマス、鉄に加え、その他成分を添加した触媒が開示されている。
一方、金属組成は共通していても、触媒調製方法を工夫することで目的生成物の収率を向上させる試みも進められてきた。特許文献３には、モリブデン、ビスマス、鉄、ニッケル等を含む複合酸化物触媒の調製方法であって、モリブデン及びニッケル等を含む水性スラリーのｐＨを６以上にした後で鉄成分を含む溶液又はスラリーと混合し、それを乾燥、焼成する方法が記載されている。同文献には、鉄成分を含む溶液はアンモニア水等でｐＨ調整して用いてもよいと記載され、その際に、キレート剤を共存させることで鉄成分の沈殿を防ぎ、高活性な触媒が得られると記載されている。

特開平７−３２８４４１号公報特開平７−４７２７２号公報特開２０００−３７６３１号公報

しかしながら、本発明者らが特許文献１又は２に記載された触媒を調製して検討したところ、アクリロニトリルの収率向上においてある程度の効果はみられるものの、いまだ満足できるものとは言えず、更なる改良が必要である。
また、特許文献３に記載されたようなキレート剤を添加してｐＨ調整する方法の場合、確かにキレート剤を添加することで硝酸鉄の沈殿を抑制する効果はあるものの、例示されている程度の量を添加して製造した触媒は、十分な性能を示さないという問題がある。
本発明者らは、金属の組成が同じ複合酸化物であっても、触媒性能は同じとは限らないことに着目した。これは、触媒中に含まれる金属が必ずしも一つの金属酸化物を形成しているのではなく、複数の酸化物が複合化した状態で存在することに起因すると考えられる。
そこで、本発明者らは特許文献１及び３に記載された触媒に断面処理を施し、触媒粒子中に存在する金属酸化物粒子の状態を検討した。その結果、Ｆｅ_2/3ＭｏＯ₄やＦｅＭｏＯ₄といった複合酸化物を形成せず、単独の鉄酸化物Ｆｅ₂Ｏ₃に帰属される粒子が、Ｂｉ_2/3ＭｏＯ₄やＮｉＭｏＯ₄等の他の金属酸化物粒子に比べて大きな粒子として存在することが分かった。Ｆｅ₂Ｏ₃の含有率がより大きな触媒を用いた場合、アクリロニトリルの選択率が低かったことから、触媒中に偏在したこれらの粒子は、目的生成物の分解サイトとなることで、反応におけるアクリロニトリルの選択率及び収率を下げる要因となっていると推察される。

上記知見に基づき、本発明者らは触媒中の金属のＦｅ₂Ｏ₃の生成を少なくするべく種々の触媒を合成して金属酸化物粒子の状態を観察したところ、触媒に含まれる各粒子が小さくなっている場合は、Ｆｅ₂Ｏ₃の生成が少ないことが分かった。そのため、金属が分散した状態で触媒が得られるよう、触媒の製造方法を検討した結果、前駆体スラリーに特定の比率の配位性有機化合物を添加することで、触媒粒子中の金属酸化物粒子のサイズが小さくなり、良好なアクリロニトリル選択率及び収率を示す触媒が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は以下のとおりである。
［１］
プロピレンをアンモニア及び酸素と反応させてアクリロニトリルを製造する際に用いるアンモ酸化用触媒であって、モリブデン、ビスマス及び鉄を必須成分として含み、かつ、以下の式（１）で表される組成を有し、かつ、断面積１００００ｎｍ²以下の金属酸化物粒子の割合が９０％以上であるアンモ酸化用触媒。
Ｍｏ _a Ｂｉ _b Ｆｅ _c Ｘ _d Ｙ _e Ｚ _f Ｏ _g （１）
（式中、Ｘはセリウム及びクロムから選ばれる１種以上の元素、Ｙはニッケル及びマグネシウムから選ばれる１種以上の元素、Ｚはカリウム、ルビジウム及びセシウムから選ばれる１種以上の元素を示し、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ及びｇは各元素の原子比を示し、ａ＝１０〜１４、ｂ＝０．１〜３、ｃ＝０．１〜３、ｄ＝０．１〜３、ｅ＝４〜１０、ｆ＝０．０１〜０．５であり、ｇは酸素以外の構成元素の原子価によって決まる酸素の原子数である。）
［２］
（ｉ）モリブデン、ビスマス、及び鉄を含む前駆体スラリーを調製する工程、
（ｉｉ）前記前駆体スラリーを噴霧乾燥し、乾燥粒子を得る工程、及び
（ｉｉｉ）前記乾燥粒子を焼成する工程、
を有するアンモ酸化用触媒の製造方法であって、
前記アンモニア酸化用触媒が、以下の式（１）で表される組成を有し、
前記前駆体スラリーが、前記鉄に対して２．３モル当量以上、かつ、アルカリ金属以外の金属元素の総和に対して０．１モル当量以上の配位性有機化合物を含むアンモ酸化用触媒の製造方法。
Ｍｏ _a Ｂｉ _b Ｆｅ _c Ｘ _d Ｙ _e Ｚ _f Ｏ _g （１）
（式中、Ｘはセリウム及びクロムから選ばれる１種以上の元素、Ｙはニッケル及びマグネシウムから選ばれる１種以上の元素、Ｚはカリウム、ルビジウム及びセシウムから選ばれる１種以上の元素を示し、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ及びｇは各元素の原子比を示し、ａ＝１０〜１４、ｂ＝０．１〜３、ｃ＝０．１〜３、ｄ＝０．１〜３、ｅ＝４〜１０、ｆ＝０．０１〜０．５であり、ｇは酸素以外の構成元素の原子価によって決まる酸素の原子数である。）
［３］
プロピレンと、分子状酸素及びアンモニアとを反応させてアクリロニトリルを製造するに際し、上記［１］記載のアンモ酸化用触媒を用いるアクリロニトリルの製造方法。

本発明のアンモ酸化用触媒は、プロピレンのアンモ酸化反応において、良好なアクリロニトリル選択率を示す。

以下に、本発明を実施するための形態（以下、単に「本実施形態」という。）について説明するが、本発明は下記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲でさまざまな変形が可能である。

本実施形態におけるアンモ酸化用触媒は、
プロピレンのアンモ酸化に用いられる触媒であって、モリブデン、ビスマス及び鉄を必須成分として含み、かつ、断面積１００００ｎｍ²以下の金属酸化物粒子の割合が９０％以上である。

［１］アンモ酸化用触媒
（１）組成
本実施形態におけるアンモ酸化用触媒は、モリブデン、ビスマス及び鉄を必須成分として含む。
Ｍｏ−Ｂｉ−Ｆｅ系触媒では、モリブデンがプロピレンの吸着サイト及びアンモニアの活性化サイトとしての機能を担ってＮＨ種を生成し、ビスマスがプロピレンの活性化サイトとして働き、α位水素を引き抜いてπアリル種を生成させ、鉄はＦｅ³⁺／Ｆｅ²⁺のレドックスにより気相から活性サイトへの酸素の授受に機能しているとされる。これらの触媒中の各金属の機能については、例えば、Ｇｒａｓｓｅｌｌｉ，Ｒ．Ｋ．ＨａｎｄｂｏｏｋｏｆＨｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓＣａｔａｌｙｓｉｓ５，ＷｉｌｅｙＶＣＨ１９９７，２３０２に記載されている。

モリブデン、ビスマス及び鉄の他に触媒中に含まれていてもよい任意成分としては、（ａ）セリウム及びクロムから選ばれる少なくとも１種の元素、（ｂ）ニッケル及びマグネシウムから選ばれる少なくとも１種の元素、（ｃ）カリウム、ルビジウム、及びセシウムからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素が挙げられ、上記（ａ）は、鉄と同様に触媒におけるレドックス機能を担う、（ｂ）は、主触媒結晶相の高温安定性を増す、Ｍ^IIＭｏＯ₄構造にＦｅ²⁺を固溶させ安定化させる、（ｃ）は、触媒表面の酸点を被い副反応を抑制する、ことで触媒性能の向上に寄与すると推察される。

本願発明者らの知見によると、触媒中の金属酸化物粒子のサイズはモリブデンと他の金属との複合化の影響を受ける。一般に、複合化した酸化物の粒子は、単独酸化物の粒子に比べて遥かに粒子径が小さい。上記必須成分以外に任意成分を含んでいても、含有量が多量（モリブデンと個々の金属が複合酸化物を形成するに当たってモリブデンが不足する量）でない限り、任意成分はモリブデン等と複合化して、断面積が１００００ｎｍ²を遥かに下回るような微粒子化した状態となる。そのため、本実施形態における「断面積１００００ｎｍ²以下の金属酸化物粒子の割合が９０％以上」を満たす触媒の設計及び調製において必要とされるのは、必須成分であるモリブデン、ビスマス及び鉄の高分散・複合化であって、任意成分（（ａ）〜（ｃ））を含有するか否か、また任意成分の金属種が何であるかは本質には関係しない。従って、ビスマス及び鉄の他、任意成分と複合酸化物を形成するに十分なモリブデンが存在するように組成を決定すれば、触媒のレドックス機能や高温安定性の向上、副反応の抑制といった観点で、自由に任意成分を選択することができる。

ここで、モリブデンとその他の金属が複合酸化物を形成するに当たり十分なモリブデンの含量とは、ビスマス及び鉄がいずれも３価の複合酸化物Ｍ^IIIＭｏＯ₄を形成すると見なした場合に不足しない量を指す。任意成分に言及すれば、例えば、セリウム及びクロムは３価、ニッケル及びマグネシウムは２価等、各金属が形成し得るモリブデンとの酸化物のうち、最大の価数で複合酸化物を形成すると仮定した場合の十分なモリブデン含量を設定する。上記モリブデン含量を考慮した本実施形態のアンモ酸化用触媒の好ましい組成式の例としては、以下の式（１）
Ｍｏ_aＢｉ_bＦｅ_cＸ_dＹ_eＺ_fＯ_g （１）
（式中、Ｘはセリウム及びクロムから選ばれる１種以上の元素、Ｙはニッケル及びマグネシウムから選ばれる１種以上の元素、Ｚはカリウム、ルビジウム及びセシウムから選ばれる１種以上の元素を示し、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ及びｇは各元素の原子比を示し、ａ＝１０〜１４、ｂ＝０．１〜３、ｃ＝０．１〜３、ｄ＝０．１〜３、ｅ＝４〜１０、ｆ＝０．０１〜０．５であり、ｇは酸素以外の構成元素の原子価によって決まる酸素の原子数である。）
で表される組成が挙げられる。

（２）金属酸化物の粒径
本実施態様におけるアンモ酸化用触媒は、断面積１００００ｎｍ²以下の金属酸化物粒子の割合が９０％以上である。触媒中に含まれる金属酸化物粒子の断面積分布が上記数値範囲を満たす場合、目的生成物の分解サイトとなり得る酸化物の生成が抑制され、アクリロニトリル選択率の高い触媒を得ることが可能となる。断面積１００００ｎｍ²以下の金属酸化物粒子の割合は、好ましくは９３％以上、より好ましくは９５％以上である。

金属酸化物を含む触媒中には、一般に、複数種の金属酸化物粒子が存在する。金属酸化物粒子には、複数の金属を含有するものと単独の金属を含有するものがあるが、複数の金属を含有するものは金属が微分散した状態で形成されているために粒径が小さく、単独金属の酸化物は粒径が大きい傾向にある。例えば、触媒の調製工程において鉄が微分散した状態であると、モリブデンと複合化することにより鉄モリブデートになり易く、分散状態が不十分であるほどＦｅ₂Ｏ₃のような単独酸化物が形成し易い。本発明者らは、これら各種の金属酸化物粒子のうち、単独の鉄酸化物Ｆｅ₂Ｏ₃は触媒中で分解サイトとして作用し、反応におけるアクリロニトリルの選択率を下げる要因になると考えた。実際、触媒のＸ線回折パターンにおいて、鉄の酸化物Ｆｅ₂Ｏ₃の形成が認められる場合、その触媒の反応性評価においては、ＣＯ_xの生成量が増大し、分解サイトとして作用していることが裏付けられる。鉄が単独の酸化物を形成しないで、モリブデンとの複合酸化物を形成した場合、Ｆｅ³⁺／Ｆｅ²⁺のレドックスによって、気相酸素の取り込み、反応場への酸素の供給に関与する。Ｍｏ−Ｂｉ−Ｆｅ系触媒の場合、任意成分も適当な量を超過しなければ、鉄以外の金属は触媒の調製工程で分散し易くモリブデン等との複合酸化物を形成し、明らかな分解サイトとはなり難い。従って、主として鉄がＦｅ₂Ｏ₃を形成するのを抑制することによって、触媒中の断面積１００００ｎｍ²以下の金属酸化物粒子の割合を９０％以上にすることができ、その結果、中間生成物であるアクロレインや目的生成物であるアクリロニトリルの分解を防いで反応の選択率を高く維持することができる。

鉄が単独の酸化物を形成したか、モリブデンとの複合酸化物を形成したかは、触媒中の元素の分布において、鉄がモリブデンと同一の分布を示すか否かにより判別できる。触媒中に含まれる各種元素の分布は後述するＥＤＸ（エネルギー分散Ｘ線分光法）、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナリシス）といった分析手法により、金属酸化物粒子の大きさはＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）における二次電子像により確認することができる。本実施形態において、断面積１００００ｎｍ²以下の金属酸化物粒子の割合は、ＳＥＭにおいて５万倍の倍率で観察される触媒断面の二次電子像について、後述のように、触媒外殻より２０μｍ以上内側の任意の箇所で選択した２μｍ四方の視野に観測される金属酸化物粒子を画像解析ソフトにより抽出し、その断面積の分布をもとに算出することとする。

ＥＰＭＡの分析条件を次に示す。
装置：日本電子（株）ＪＸＡ−８５００Ｆ
前処理として触媒試料をエポキシ樹脂（２種混合）で包埋（１３０℃加熱）し、耐水サンドペーパー（＃２０００）で荒研磨する。研磨したサンプルをイオンミリング装置にセットし、Ａｒイオンビームにより断面加工する（６時間）。これを試料台に載せ、ＥＰＭＡを測定する。

ＳＥＭ／ＥＤＸの分析条件を次に示す。
装置：日立ＳＵ−７０／堀場ＥＭＡＸ−Ｘｍａｘ
前処理として触媒試料をエポキシ樹脂（２種混合）で包埋（１３０℃加熱）し、耐水サンドペーパー（＃２０００）で荒研磨する。研磨したサンプルをイオンミリング装置にセットし、Ａｒイオンビームにより断面加工する（６時間）。これをＳＥＭ試料台に載せ、Ｏｓコーティングの後、ＳＥＭ、ＥＤＸを測定する。

断面積１００００ｎｍ²以下の金属酸化物粒子の割合の測定方法について次に示す。
各試料の触媒断面のＳＥＭにおける反射電子像において、触媒外殻より２０μｍ以上内側の任意の箇所で選んだ２μｍ四方の視野に観測される金属酸化物粒子について画像解析を行う。ここで画像解析とは、画像より粒子を抽出し、その個数、面積等を計測し、定量的に解析することを指す。画像解析には旭化成エンジニアリング株式会社製の画像解析ソフト「Ａ像くん（登録商標）」を用いる。
次に、ＳＥＭにおいて５万倍の倍率で観察される触媒断面の二次電子像について、粒子の明度「明」、処理方法「固定法」、雑音除去「有」の各パラメータにて粒子を抽出し、得られた２値像に対して、粒子の明度「明」、補正方法「無」、２値化の方法「固定」、収縮分離「−」、固定しきい値「１００」、雑音除去フィルタ「無」、範囲指定「無」、シェーディング「無」、外縁補正「無」、サイズ「−］、穴埋め「無」、単位「ｎｍ」、小図形除去面積「０画素」、計測項目「面積」の各パラメータを適用し、粒子解析を行い、金属酸化物粒子の断面積の分布を求める。

（３）担体
アクリロニトリルの製造を工業的に実施する場合、触媒は十分な強度を有していることが望ましいので、上述の複合金属酸化物は担体に担持されているのが好ましい。担体としては、例えば、シリカ、アルミナ、チタニア、シリカアルミナ及びシリカチタニア等が挙げられる。中でも、アクリロニトリル収率の観点から、シリカ担体が好ましい。シリカに担持された触媒は、流動層アンモ酸化反応において優れた流動性を有する。また、耐摩耗性の観点からは、複合金属酸化物とシリカの合計量に対して、シリカ含有量が４０質量％以上であることが好ましい。また十分な触媒活性及び良好な選択率を示す観点からは、金属複合酸化物とシリカの合計量に対して、シリカ含有量が６０質量％以下であることが好ましい。

担体の組成や担体量と、金属酸化物粒子のサイズとの間には明瞭な相関は観察されないので、「断面積１００００ｎｍ²以下の金属酸化物粒子の割合を９０％以上にする」観点からの制約はない。そのため、流動性や耐磨耗性の観点で、担体の組成や量を適切に設定すればよい。また、粒径の異なる複数のシリカを触媒担体として用いた場合、又は単一のシリカを用いた場合のいずれについても、断面積１００００ｎｍ²以下の金属酸化物粒子の割合が９０％以上である限り、アクロレイン及びアクリロニトリルの分解サイト抑制の効果は確認されるので、シリカ粒径を単一にするか又は複数にするかについても制約を受けない。また、後述する通り、配位性有機化合物を触媒製造のどの段階でシリカと混ぜても、金属酸化物粒子のサイズへは影響は及ばない。

［２］アンモ酸化用触媒の製造方法
本実施態様におけるアンモ酸化用触媒の製造方法は、以下に示す（ｉ）〜（ｉｉｉ）の工程
（ｉ）モリブデン、ビスマス及び鉄を含む前駆体スラリーを調製する工程、
（ｉｉ）前記前駆体スラリーを噴霧乾燥し、乾燥粒子を得る工程、及び
（ｉｉｉ）前記乾燥粒子を焼成する工程、
を有し、前記前駆体スラリーが、前記鉄に対して１モル当量以上、かつ、金属元素の総和に対して０．１モル当量以上の配位性有機化合物を含む方法である。

［工程（ｉ）］
工程（ｉ）は、金属成分を含有する触媒前駆体スラリーを調製する工程である。工程（ｉ）においては、モリブデンを含む溶液を調製した後、この溶液とその他の金属成分及び配位性有機化合物とを混合し、原料（混合）スラリーを得る。以下、触媒がシリカ担体を含有する場合を例にとって、前駆体スラリーを調製する方法を説明する。

前駆体スラリーに含まれる各成分の原料は、水又は硝酸に可溶な塩であることが好ましい。モリブデン、ビスマス、鉄の各元素の元素源としては、水又は硝酸に可溶なアンモニウム塩、硝酸塩、塩酸塩、硫酸塩、有機酸塩、無機酸を挙げることができる。特にモリブデンの元素源としてはアンモニウム塩が、ビスマス、鉄の元素源としては、それぞれの硝酸塩が好ましい。硝酸塩は、取扱いが容易であることに加え、塩酸塩を使用した場合に生じる塩素の残留や、硫酸塩を使用した場合に生じる硫黄の残留を生じない点でも好ましい。各成分の原料の具体例としては、パラモリブデン酸アンモニウム、硝酸ビスマス、硝酸第二鉄が挙げられる。シリカ源としてはシリカゾルが好適である。その他の成分が混合されていない原料の状態におけるシリカゾルの好ましい濃度は１０〜５０質量％である。後述する原料スラリーの噴霧乾燥に適した濃度になるように、シリカゾル濃度が小さい場合には、添加する水溶液等の濃度を大きくし、シリカゾル濃度が大きい場合には、後述する配位性有機化合物水溶液の濃度を小さくすることができる。

前駆体スラリーは配位性有機化合物を含む。本実施形態において「配位性有機化合物」とは、孤立電子対を有し、金属に配位結合する有機化合物を指す。配位様式は、単座、多座を問わないが、生成する錯体の安定性の観点から多座配位子が好ましい。配位性有機化合物の具体例としては、酒石酸、リンゴ酸、クエン酸及びエチレンジアミンが挙げられる。

前駆体スラリーにおける配位性有機化合物の含有量は、鉄に対して１モル当量以上とする。配位性有機化合物の配位により鉄を高分散化させて単独の酸化物Ｆｅ₂Ｏ₃の形成を抑制する観点から、配位性有機化合物の含有量を鉄に対する当量で規定する。より好ましい含有量は、鉄に対して２モル当量以上である。

さらに、前駆体スラリーにおける配位性有機化合物の含有量は、触媒を構成する金属元素の総和に対して０．１モル当量以上とする。鉄に対する当量の他に、金属元素の総和に対する当量も特定する理由は、配位傾向の違いこそあれ、配位性有機化合物の配位が各構成金属での競争過程であるためである。即ち、配位性有機化合物の含有量が金属元素の総和に対して０．１モル当量未満であると、前駆体スラリー中の配位性有機化合物の濃度が低下することで、配位性有機化合物の鉄への関与が不十分となるほか、鉄以外の金属種への配位の影響が現れ、Ｆｅ₂Ｏ₃の形成が十分に抑制されなくなる。

配位性有機化合物の含有量の上限は特に限定されないが、工業的には、有機化合物の含有量が多すぎると触媒製造の段階において有機物の分解、放散により発熱や触媒粒子のひび割れが生じる傾向にあるため、過度の含有は好ましくなく、触媒質量に対して１５質量％以下にするのが好ましい。

なお、触媒がアルカリ金属を含む場合、アルカリ金属の硝酸塩は高温でも安定であり、触媒中でも硝酸塩のままで存在すると考えられる。例えば、硝酸ルビジウムにおいては、その分解温度は６３０℃と高い。アルカリ金属は配位性有機化合物の必要量に関与しないとみなすことができ、アルカリ金属を含む触媒系の場合、アルカリ金属以外の金属に対し、配位性有機化合物が０．１モル当量以上となるように調整するのが好ましい。

配位性有機化合物は、酸又は水に溶解させてスラリー中に添加するほか、鉄との錯化合物として添加してもよい。

前駆体スラリーの調製において各触媒成分を混合する順序は特に限定されない。一例を挙げると、シリカゾルを攪拌しながらモリブデンを含む水溶液を加え、次いでモリブデン以外の金属成分の化合物（好ましくは硝酸塩）を水性溶媒（好ましくは硝酸水溶液）に溶解した液を加え、最後に、配位性有機化合物を含む水溶液を加える。（ａ）鉄以外の金属と、配位性有機化合物を先に混合し、そこに鉄を混合する場合、（ｂ）鉄と配位性有機化合物を先に混合し、後から他の金属を混合する場合、（ｃ）配位性有機化合物水溶液に順に金属を添加する場合、のいずれも、配位性有機化合物の必要量に違いは無い。モリブデン以外の金属成分の化合物はそれぞれ水性溶媒中で溶解した後、予め混合しないでシリカゾルに加えてもよいし、モリブデン以外の金属成分の化合物の水溶液と、配位性有機化合物含む水溶液とを混合してからシリカゾルに加えてもよい。

配位性有機化合物として酒石酸をスラリーに添加する触媒の調製法については公知であるが、本発明者らが調べたところ、いずれも断面積１００００ｎｍ²以下の金属酸化物粒子の割合が９０％以上にならなかった。これは配位性有機化合物の含有量が不足しており、鉄に対して１モル当量以上又は金属元素の総和に対して０．１モル当量以上、もしくはその両方を満たしていなかったためと考えられる。その結果、公知の調製法を用いた場合、断面積１００００ｎｍ²以下の金属酸化物粒子を多く含む触媒が生成し、その結果、目的化合物の選択率が不十分となった。

［工程（ｉｉ）］
本実施の形態のアクリロニトリル製造用触媒の製造方法における工程（ｉｉ）は、前記前駆体スラリーを噴霧乾燥する工程である。本工程においては、前駆体スラリーを噴霧乾燥することによって流動層反応に適した球形微粒子を得ることができる。噴霧乾燥装置としては、回転円盤式、ノズル式等の一般的なものでよく、条件を調節することで、流動層触媒として好適な粒径の触媒が得られるように噴霧乾燥を行う。流動層触媒として好適な粒径とは、２５〜１８０μｍである。好適な粒径を有する触媒粒子を得るための条件の一例を記載すると、乾燥器上部の中央に設置された、皿型回転子を備えた遠心式噴霧化装置を用い、乾燥器の入口空気温度を２５０℃、出口温度を１３５℃に保持して行う噴霧乾燥が挙げられる。

［工程（ｉｉｉ）］
本実施の形態のアクリロニトリル製造用触媒の製造方法における工程（ｉｉｉ）は、噴霧乾燥により得られた噴霧乾燥粒子を焼成する工程である。噴霧乾燥粒子が硝酸を含有する場合、焼成の前に脱硝処理することが好ましい。脱硝処理は３００〜４５０℃で０．５〜２．０時間熱処理することによって行なうことができる。本工程において、焼成雰囲気は特に限定されず、６００〜８００℃、好ましくは６５０〜７５０℃、より好ましくは６７０〜７３０℃の温度で噴霧乾燥粒子を焼成して触媒を得る。焼成温度が低過ぎるとプロピレンの反応活性は大きくなるが、アクリロニトリルへの選択率が小さくなるだけではなく、耐摩耗性も減少する傾向にある。一方、焼成温度が高過ぎるとプロピレンの反応活性が減少し、かつ次式によるアンモニアの燃焼が増大する傾向にある。

ＮＨ₃＋３／４Ｏ₂→１／２Ｎ₂＋３／２Ｈ₂

好適な焼成温度は、６００〜８００℃の範囲から、アンモ酸化反応テストの結果をみて決定することができる。焼成時間は、通常１〜５時間である。

本実施の形態におけるアクリロニトリル製造用触媒を用いて、プロピレンをアンモニア及び分子状酸素と反応（すなわち、気相接触アンモ酸化反応）させて、アクリロニトリルを製造することができる。

アンモ酸化反応の原料であるプロピレン及びアンモニアは、必ずしも高純度である必要はなく、工業グレードのものを使用することができる。分子状酸素の酸素源としては通常空気を用いる。プロピレンに対するアンモニアと空気の容積比は一般的には１：０．９〜１．７：７〜１１、好ましくは１：１．０〜１．５：８〜１０の範囲である。

反応温度は好ましくは４００〜４６０℃、より好ましくは４１０〜４４０℃の範囲である。反応圧力は常圧〜３気圧の範囲で行なうことができる。原料混合ガスと触媒との接触時間は好ましくは１〜８秒、より好ましくは２〜６秒である。

以下、実施例及び比較例により本実施形態を具体的に説明するが、本実施形態はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。

金属酸化物粒子の断面積分布は以下のとおりに測定した。
各試料の触媒断面のＳＥＭにおける反射電子像において、触媒外殻より２０μｍ以上内側の任意の箇所で選んだ２μｍ四方の視野に観測される金属酸化物粒子について画像解析を行った。ここで画像解析とは、画像より粒子を抽出し、その個数、面積等を計測し、定量的に解析することを指す。画像解析には旭化成エンジニアリング株式会社製の画像解析ソフト「Ａ像くん（登録商標）」を用いた。
次に、ＳＥＭにおいて５万倍の倍率で観察される触媒断面の二次電子像について、粒子の明度「明」、処理方法「固定法」、雑音除去「有」の各パラメータにて粒子を抽出し、得られた２値像に対して、粒子の明度「明」、補正方法「無」、２値化の方法「固定」、収縮分離「−」、固定しきい値「１００」、雑音除去フィルタ「無」、範囲指定「無」、シェーディング「無」、外縁補正「無」、サイズ「−］、穴埋め「無」、単位「ｎｍ」、小図形除去面積「０画素」、計測項目「面積」の各パラメータを適用し、粒子解析を行い、金属酸化物粒子の断面積の分布を求めた。

前駆体スラリーのｐＨは以下のとおりに測定した。
前駆体スラリーを室温にて１時間撹拌したのちに、スラリーを撹拌した状態で、横河電気社製のｐＨ計、ＰＨ７１を用いて測定した。

［実施例１］
組成がＭｏ_12.0Ｂｉ_0.38Ｃｅ_0.25Ｃｒ_0.42Ｆｅ_0.63Ｎｉ_6.47Ｍｇ_2.61Ｒｂ_0.21Ｏ_gで表される金属酸化物を、５０質量％のシリカに担持した触媒を、以下のとおりに製造した。なお、実施例及び比較例においては、各原料の仕込みの組成を、酸化物の組成とみなした。
３０質量％のＳｉＯ₂を含むシリカゾル１，５００ｇに、あらかじめ水７５４．４ｇに３７７．２ｇのパラモリブデン酸アンモニウム〔（ＮＨ₄）₆Ｍｏ₇Ｏ₂₄・４Ｈ₂Ｏ〕を混合し溶解させた液を撹拌下で加え、さらに、あらかじめ１６．６質量％の硝酸３６７．４ｇに３２．４ｇの硝酸ビスマス〔Ｂｉ（ＮＯ₃）₃・５Ｈ₂Ｏ〕、１９．６ｇの硝酸セリウム〔Ｃｅ（ＮＯ₃）₃・６Ｈ₂Ｏ〕、２９．８ｇの硝酸クロム〔Ｃｒ（ＮＯ₃）₃・９Ｈ₂Ｏ〕、４５．２ｇの硝酸鉄〔Ｆｅ（ＮＯ₃）₃・９Ｈ₂Ｏ〕、３３７．３ｇの硝酸ニッケル〔Ｎｉ（ＮＯ₃）₂・６Ｈ₂Ｏ〕、１１９．２ｇの硝酸マグネシウム〔Ｍｇ（ＮＯ₃）₂・６Ｈ₂Ｏ〕、５．４４ｇの硝酸ルビジウム〔ＲｂＮＯ₃〕を溶解させた混合液を加えた。そして最後に、酒石酸６１．９ｇを水１８０ｇに溶解させた水溶液を加えた。得られたスラリーの噴霧乾燥は乾燥器上部の中央に設置された、皿型回転子を備えた遠心式噴霧化装置を用いて行なった。乾燥器の入口空気温度を２５０℃に、出口温度を１３５℃に保持してスラリーの噴霧乾燥を行なった。こうして得られた乾燥粉体をキルンに移し、先ず３５０℃で１時間脱硝し、次いで６３０℃で１時間焼成して触媒を得た。

［実施例２］
組成がＭｏ_12.0Ｂｉ_0.50Ｃｅ_1.01Ｆｅ_1.01Ｎｉ_5.61Ｍｇ_2.24Ｒｂ_0.11Ｏ_gで表される金属酸化物を、４０質量％のシリカに担持した触媒を、以下のとおりに製造した。３０質量％のＳｉＯ₂を含むシリカゾル１，２００ｇに、あらかじめ水８８２．６ｇに４４１．３ｇのパラモリブデン酸アンモニウム〔（ＮＨ₄）₆Ｍｏ₇Ｏ₂₄・４Ｈ₂Ｏ〕を混合し溶解させた液を撹拌下で加え、さらに、あらかじめ１６．６質量％の硝酸３６７．４ｇに５１．５ｇの硝酸ビスマス〔Ｂｉ（ＮＯ₃）₃・５Ｈ₂Ｏ〕、９０．７ｇの硝酸セリウム〔Ｃｅ（ＮＯ₃）₃・６Ｈ₂Ｏ〕、８５．５ｇの硝酸鉄〔Ｆｅ（ＮＯ₃）₃・９Ｈ₂Ｏ〕、３４４．２ｇの硝酸ニッケル〔Ｎｉ（ＮＯ₃）₂・６Ｈ₂Ｏ〕、１２１．３ｇの硝酸マグネシウム〔Ｍｇ（ＮＯ₃）₂・６Ｈ₂Ｏ〕、３．４３ｇの硝酸ルビジウム〔ＲｂＮＯ₃〕を溶解させ、これに酒石酸７２．０ｇを水２１０ｇに溶解させた水溶液を加えた混合液を加えた。得られたスラリーの噴霧乾燥は乾燥器上部の中央に設置された、皿型回転子を備えた遠心式噴霧化装置を用いて行なった。乾燥器の入口空気温度を２５０℃に、出口温度を１３５℃に保持してスラリーの噴霧乾燥を行なった。こうして得られた乾燥粉体をキルンに移し、先ず３５０℃で１時間脱硝し、次いで６２０℃で１時間焼成して触媒を得た。

［実施例３］
酒石酸に代えてクエン酸一水和物８８．６ｇを水に加えた水溶液をスラリーに添加し、組成及び焼成温度を表１に示すとおりに変更したこと以外は実施例１と同様にして、触媒を製造した。

［実施例４］
酒石酸に代えてリンゴ酸７２．０ｇを水に加えた水溶液をスラリーに添加し、組成及び焼成温度は表１に示すとおりに変更したこと以外は実施例２と同様にして、触媒を製造した。

［実施例５］
組成がＭｏ_12.0Ｂｉ_1.20Ｆｅ_0.60Ｃｒ_1.20Ｎｉ_7.80Ｋ_0.48Ｏ_gで表される金属酸化物を、６０質量％のシリカに担持した触媒を、以下のとおりに製造した。
３０質量％のＳｉＯ₂を含むシリカゾル１，２００ｇに、硝酸カリウム〔ＫＮＯ₃〕４．２６ｇを純水２５．０ｇに溶解させた水溶液を加えた。続いて、あらかじめ純水５００．０ｇに１８６．１ｇのパラモリブデン酸アンモニウム〔（ＮＨ₄）₆Ｍｏ₇Ｏ₂₄・４Ｈ₂Ｏ〕を混合し溶解させた液を撹拌下で加えた。さらに、２０１．９ｇの硝酸ニッケル〔Ｎｉ（ＮＯ₃）₂・６Ｈ₂Ｏ〕、４２．３ｇの硝酸クロム〔Ｃｒ（ＮＯ₃）₂・９Ｈ₂Ｏ〕を純水２５０．０ｇに溶解した溶液及び１６．６質量％の硝酸３１．８ｇに５１．６ｇの硝酸ビスマス〔Ｂｉ（ＮＯ₃）₃・５Ｈ₂Ｏ〕を溶解した溶液を順次加えた。このスラリーに１５％アンモニア水を加えｐＨ９．５に調整した後に、クエン酸一水和物４３．８ｇ及び硝酸鉄〔Ｆｅ（ＮＯ₃）₃・９Ｈ₂Ｏ〕２１．４ｇを純水２５．０ｇに溶解した溶液を加えた。得られたスラリーの噴霧乾燥は乾燥器上部の中央に設置された、皿型回転子を備えた遠心式噴霧化装置を用いて行なった。乾燥器の入口空気温度を２５０℃に、出口温度を１３５℃に保持してスラリーの噴霧乾燥を行なった。こうして得られた乾燥粉体をキルンに移し、先ず３５０℃で１時間脱硝し、次いで６００℃で１時間焼成して触媒を得た。

［比較例１］
実施例１と同様の手法で酒石酸４５．０ｇを加えて触媒を製造した。組成及び焼成温度は表１に示すとおりである。

［比較例２］
実施例２と同様の手法で酒石酸６３．０ｇを加えて触媒を製造した。組成及び焼成温度は表１に示すとおりである。

［比較例３］
実施例１と同様の手法で配位性有機化合物を添加せずに触媒を製造した。組成及び焼成温度は表１に示すとおりである。

［比較例４］
実施例１と同様の手法で酒石酸９．０ｇを加えて触媒を製造した。組成及び焼成温度は表１に示すとおりである。

［比較例５］
実施例１と同様の手法で酒石酸２７．０ｇを加えて触媒を製造した。組成及び焼成温度は表１に示すとおりである。

［比較例６］
実施例５と同様の手法でクエン酸一水和物６．１ｇを加えて触媒を製造した。組成及び焼成温度は表１に示すとおりである。

実施例及び比較例で得られた触媒の製造条件を表１に示した。

（触媒断面の画像解析）
画像解析により求められた、各触媒断面中の金属酸化物粒子の断面積分布を表２に示す。

（プロピレンのアンモ酸化反応）
１０メッシュの金網を１ｃｍ間隔で１２枚内蔵した内径２５ｍｍのバイコールガラス製流動層反応管に、５０ｃｃの実施例１で得られた触媒をとり、反応温度４３０℃、反応圧力常圧下に、プロピレン９容積％の混合ガス（プロピレン：アンモニア：酸素：ヘリウムの容積比が１：１．２：１．８５：７．０６）を毎秒３．６４ｃｃ（ＮＴＰ換算）の流速で通過させた。この反応の結果を、下記式で定義されるプロピレン転化率、アクリロニトリル選択率、アクリロニトリル収率によって評価し、それらの値を表３に示した。

実施例２〜５で得られた触媒及び比較例１〜６で得られた触媒について上記と同様の反応を行なった。これらの反応は、原料混合ガスのプロピレンを９容積％、プロピレンに対するアンモニアの容積比を１：１．２に固定し、プロピレンに対する酸素の容積比を１．８〜１．９の範囲から適宜選択して行った。また、各触媒のプロピレン反応活性に応じて、次式で定義される接触時間を適宜変更した。各触媒の反応成績を表３に示す。

ここで、Ｖ：触媒量（ｃｃ）、Ｆ：原料混合ガス流量（ｃｃ−ＮＴＰ／ｓｅｃ．）、Ｔ：反応温度（℃）を示す。

表３の結果から明らかなように、本実施形態の触媒を用いた実施例１〜５においては、プロピレンのアンモ酸化反応において、良好な選択率でアクリロニトリルを得ることが可能であった。

本発明のアンモ酸化用触媒は、工業的規模で実施されるアンモ酸化プロセスにおける産業上利用可能性を有する。

Claims

プロピレンをアンモニア及び酸素と反応させてアクリロニトリルを製造する際に用いるアンモ酸化用触媒であって、モリブデン、ビスマス及び鉄を必須成分として含み、かつ、以下の式（１）で表される組成を有し、かつ、断面積１００００ｎｍ²以下の金属酸化物粒子の割合が９０％以上であるアンモ酸化用触媒。
Ｍｏ _a Ｂｉ _b Ｆｅ _c Ｘ _d Ｙ _e Ｚ _f Ｏ _g （１）
（式中、Ｘはセリウム及びクロムから選ばれる１種以上の元素、Ｙはニッケル及びマグネシウムから選ばれる１種以上の元素、Ｚはカリウム、ルビジウム及びセシウムから選ばれる１種以上の元素を示し、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ及びｇは各元素の原子比を示し、ａ＝１０〜１４、ｂ＝０．１〜３、ｃ＝０．１〜３、ｄ＝０．１〜３、ｅ＝４〜１０、ｆ＝０．０１〜０．５であり、ｇは酸素以外の構成元素の原子価によって決まる酸素の原子数である。）
（ｉ）モリブデン、ビスマス、及び鉄を含む前駆体スラリーを調製する工程、
（ｉｉ）前記前駆体スラリーを噴霧乾燥し、乾燥粒子を得る工程、及び
（ｉｉｉ）前記乾燥粒子を焼成する工程、
を有するアンモ酸化用触媒の製造方法であって、
前記アンモニア酸化用触媒が、以下の式（１）で表される組成を有し、
前記前駆体スラリーが、前記鉄に対して２．３モル当量以上、かつ、アルカリ金属以外の金属元素の総和に対して０．１モル当量以上の配位性有機化合物を含むアンモ酸化用触媒の製造方法。
Ｍｏ _a Ｂｉ _b Ｆｅ _c Ｘ _d Ｙ _e Ｚ _f Ｏ _g （１）
（式中、Ｘはセリウム及びクロムから選ばれる１種以上の元素、Ｙはニッケル及びマグネシウムから選ばれる１種以上の元素、Ｚはカリウム、ルビジウム及びセシウムから選ばれる１種以上の元素を示し、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ及びｇは各元素の原子比を示し、ａ＝１０〜１４、ｂ＝０．１〜３、ｃ＝０．１〜３、ｄ＝０．１〜３、ｅ＝４〜１０、ｆ＝０．０１〜０．５であり、ｇは酸素以外の構成元素の原子価によって決まる酸素の原子数である。）
プロピレンと、分子状酸素及びアンモニアとを反応させてアクリロニトリルを製造するに際し、請求項１記載のアンモ酸化用触媒を用いるアクリロニトリルの製造方法。