JP6835583B2 - メチルメタクリレートの製造法 - Google Patents

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Description

本発明は、メタクロレインの直接酸化エステル化によるメチルメタクリレートの製造法に関する。
大量のメチルメタクリレート(MMA)が、ポリマーおよびコポリマーを製造するために別の重合性化合物と一緒に使用される。MMAの約80%を消費する主な適用は、ポリメチルメタクリレートアクリル樹脂(PMMA)の製造である。メチルメタクリレートは、コポリマー、例えばメチルメタクリレートブタジエンスチレン(MBS)の製造にも使用され、例えばPVC用改質剤として使用される。
したがって、可能な限り容易で、費用効率が高く、かつ環境を保護する方法によってメチルメタクリレートを製造できることが非常に望ましい。
現在、メチルメタクリレート(MMA)は、いくつかの工業的手法によって製造されており、主な手法は、アセトンおよびシアン化水素を原材料として使用し、主要中間体として合成物(resultant)のACHを経由するアセトンシアノヒドリン(ACH)経路である。次に、中間体のACHは、硫酸によって転換されてメタクリルアミドの硫酸エステルになり、そのメタノリシスは、重硫酸アンモニウムおよびMMAをもたらす。広範囲に使用されているが、ACH経路は相当量の硫酸アンモニウムを副生成し、その処理はきわめて高いコストを招く。
前述のACH経路に基づいていない別の方法は、関連する特許文献に記載されており、同じく生産規模で充分に確立されている。出発材料としてこの文脈で使用される原材料のうち、C4化合物をベースにするもの、例えばイソブチレンまたはtert−ブタノールは、複数の段階を経て所望のメタクリル酸誘導体に転換される。
特に、Asahi Kaseiは、MMAを製造する2段階の方法を展開しており、まずイソブチレンまたはtert−ブタノールを高温で気相中の大気酸素により不均一系触媒で酸化させることによってメタクロレイン(MAL)を得てから、触媒の存在下でMALのメタノールおよび酸素との酸化エステル化反応による第二段階が続く。この方法は、特にUS5,969,178およびUS7,012,039の刊行物に記載されている。この方法についての詳細情報は、Trends and Future of Monomer−MMA Technologies、SUMITOMO KAGAKU 2004−IIの論文でも提供される。この刊行物では、Asahiが展開した直接酸化法が詳細に、かつ特にMALをMMAに転換する直接酸化エステル化段階に相当する第二段階の欠点が記載されている。実際、MALの回収、過剰のメタノールの再循環、副生成物の分離などは、大量のエネルギーを必要とすると考えられうる。生産性を上げる、および再循環を減らすために過剰のメタノールを減らそうとする場合、収率が低下する問題があると思われる。一般論として、酸化エステル化の間の副生成物、例えば二酸化炭素、ギ酸メチル、不所望のカルボン酸エステルの形成は、最終生成物のMMAを単離するために複雑な段階を必要とする。例えば、酸化エステル化で使用される出発材料のMALは、きわめて不安定な化合物であり重合反応を容易に受けやすい。酸化エステル化反応器内でのそれらの副反応は強く回避されるべきである、それというのは、MALの重合は、触媒表面上の活性面の目詰まりおよび不活性化を結果的にもたらし、かつ触媒性能の低下を引き起こすからである。その結果として、長期の連続運転の実施は実質的に困難である、それというのは、副生成物、例えばポリマーが不都合なほどに蓄積する傾向があるからである。
この問題は、Asahi Kasei Chemicals Corporationの名義で出願されたJP2004−345974で指摘されている。この文献では、酸素拡散器の小孔が、通常ポリマー副生成物によって詰まり、結果として酸素ガスの反応器への不充分な供給または循環が生じることが説明されている。この文献で提案された解決策は、連続的な酸化エステル化法であり、ここで、直接酸化エステル化反応器内での目詰まりを減らすために、反応器内の酸素の温度を0℃から80℃までの間に保つ必要がある。
この反応器内での目詰まりの問題の別の解決策は、Asahi Kasei Chemicals Corporationの名義で出願されたJP2004−345975に提供されている。この文献では、MALを酸素およびメタノールを用いて、貴金属を含有する不均一系触媒の存在下でMMAにする連続的な酸化エステル化法が記載されており、ここで、ポリマー副生成物はメタノール中で分解され、続いて反応器から取り除かれる。
US6,040,472B1では、Asahiの方法は、反応が特別な条件下、すなわち反応温度が60℃以上で実施されて、反応系のMAL供給濃度が20質量%以上である場合に商業的にのみ満足がいくことを説明している。
それにもかかわらず、それらの反応条件下ではMMAの選択率は低くなり、メタノールの酸化に起因するギ酸メチルの副生成物が大幅に増加する。
US6,040,472B1に記載の通り、前述の問題を解決するために、Asahiは、MALのメタノールおよび酸素との酸化エステル化によってMMAを製造するための1段階の方法で使用される新規のPd触媒を開発し、この方法は、それらの反応条件下での進行を可能にし、かつ依然として、MALからMMAにする直接酸化エステル化において優れた収率および選択率を得るものであった。
しかし、選択率が高い、工業的で費用効率の良いMMAの製造法を提供するために、前述の方法の欠点、例えば、副生成物の形成、目詰まり問題による連続法の過度に短い運転時間、低いMAL転化率およびMMAの製造における低い選択率という欠点がない、考えられる代替的な解決策をさらに調査する必要性がまだある。
それに応じて、本発明の目的は、MALのメタノールおよび酸素との、貴金属を含有する不均一系触媒の存在下での直接酸化エステル化によって、MMAを比較的低いエネルギー使用および高水準の環境保護を維持しながら優れた収率、高い選択率および充分な触媒活性で経済的に製造するための方法を、工業的に実現可能な方法で提供することである。
徹底的な調査の後、発明者は、予期せず、特定の反応パラメーターを変更することにより、MMAを製造するためのMALの1段階の直接酸化的エステル化を、優れた収率および高い選択率で連続的に大規模に実施できることを見いだした。請求項1に記載の連続的なMMA製造法の反応条件下では、MMAを、高いMMA選択率および優れた反応活性を保ちながら、製造系において目詰まりの問題がなく、長期間の連続的な運転(campaign)にわたって有利に製造することができる。副生成物、例えばポリマーまたは別の縮合生成物の形成は減少して、その結果、副生成物は製造系においてもはや不利に凝集せず、酸化エステル化で使用される触媒の性能をもはや阻害しない。このことは、結果として生じる本発明の連続法を部分的に経済的に有利にする、それというのは、長期の連続的な運転にわたって高い選択率でMMAを製造することを可能にするからである。
それに応じて、本発明は、MALを酸素およびメタノールと、貴金属を含有する不均一系触媒の存在下で酸化エステル化反応において反応させる段階を含むメチルメタクリレートを製造するための触媒連続法であって、
(a)製造プロセス系の反応器におけるMAL定常濃度は、反応器内の反応混合物の総質量の15質量%以下であり、かつ
(b)リットルで示される反応器内の反応混合物の液体総体積を、キログラムで示される反応器内の触媒の総質量で除したものに相当する比Fは4以下である
ことを特徴とする触媒連続法を提供する。
請求項1に記載される方法は、前述の目的を達成するだけでなく、反応器の体積を比較的小さく保つことによって反応器内での2時間未満の好ましい滞留時間も有利に提供する。
本願の方法は、連続法で実施される。ここで、出発材料の本発明による方法を実施するための装置への導入、および生成物の装置からの除去は、任意の所望の期間にわたって連続的に行われる。
従属請求項2から14までは、特許請求の範囲に記載されたMMAの連続製造法の実施態様を有利に保護する。
したがって、本発明の別の実施態様によれば、触媒連続法は、好ましくは出発材料であるMALの定常濃度が反応器内の反応混合物の総質量の12質量%未満で実施され、より好ましくはMALの定常濃度が反応器内の反応混合物の総質量の8質量%未満で実施される。
本発明の別の実施態様によれば、反応器内での滞留時間は10時間未満、好ましくは5時間未満、より好ましくは3時間未満である。「滞留時間」という用語は、出発材料が反応器内に存在している平均時間を意味する。
触媒連続法は、120℃未満、好ましくは100℃未満、より好ましくは60℃から90℃までの温度で実施されてよい。
本発明の1つの実施態様によれば、酸化エステル化反応は、2barから50barまでの圧力で実施される。
本発明の好ましい実施態様によれば、特許請求の範囲に記載される方法で使用される反応器は、固定床反応器である。
本発明の別の好ましい実施態様によれば、前述の方法で使用される反応器は、流動床反応器である。
本発明の好ましい実施態様によれば、酸化エステル化反応は、メタノール対MALのモル比が1:1から50:1までの範囲で行われる。
好ましくは、酸化エステル化反応で使用される貴金属を含有する不均一系触媒は、金、パラジウム、ルテニウム、ロジウムおよび銀からなる群から選択される、20nm未満の平均粒径を有する1つまたは複数の超微細分散した金属を含んでいる。特に、貴金属を含有する不均一系触媒は、リチウム、ナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウム、スカンジウム、イットリウム、ランタンおよび原子番号58から71までの別のランタノイド、ケイ素、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、マンガン、レニウム、鉄、ルテニウム、オスミウム、コバルト、ロジウム、イリジウム、ニッケル、パラジウム、白金、銅、銀、金、亜鉛、カドミウム、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウム、ゲルマニウム、スズ、鉛、アンチモン、ビスマス、テルルからなる群の、それぞれ金属形態および/または酸化形態で存在している1つまたは複数の要素を含んでいる。
本発明の特に好ましい実施態様によれば、出発材料MALは、より好ましくは有機塩基である第二級アミンおよび少なくとも1つの有機酸の存在下で、プロパナールとホルムアルデヒド(任意にホルムアルデヒド水溶液として提供される)との反応により製造される。
本発明は、詳細な記載および以下の図を考慮すると、より理解しやすく、かつさらなる利点がより容易に明らかになる。
本発明によるMALをMMAにする直接酸化エステル化の例示的な方法流れ図
本発明の例示的な実施態様
前述の通り、本願記載の1つの考えられる実施態様は図1に示される。この方法では、酸素または酸素含有ガス(好ましくは、不活性成分、例えばN2との混合物)は、導管1を通って供給される一方、MAL/メタノール混合物は、導管2を通って反応器Aに供給される。それらの成分が混合されて、結果として生じた不均一なガス/液体混合物は、導管3を通って外部熱交換器を備える固定床反応器Aに供給され、それに関して、ガス/液体混合物もそれらの個々の成分も、反応器の上部から供給されても、下部から供給されてもよい。
反応器は、200μm超の平均径を有する相応の固定床触媒で充填される。ここで、この粒径は反応器内部の圧力増大を防ぐために必要であった。他方、粒径は、触媒と反応物との接触領域を最適化するために、最大20mmに制限される。担体コア上で活性成分がコア・シェル分布している触媒が使用されるのが好ましい。
混合物は、反応後に導管4を通って反応器Aから熱交換器Bに供給され、そこで冷却される。冷却後、混合物はガス/液体分離器Cに供給され、そこで、気相は、連続的に液相から分離される(選択的に、比較的低い温度および比較的高い圧力で)。
排ガスは、導管5を通って処理されるか、または好ましくは導管16を通って再循環される。
液相は、任意に導管6を通って中和槽Dに供給され、ここで、pHは、塩基性溶液(例えばMeOH中のNaOH)を添加することによって5から9までの間になるように調整される。
MMAを含む反応混合物は、さらなる精製のためにアウトプット導管9を通ってこの中和槽Dから分離される一方、反応混合物の残分は、導管8を通って反応器Aに返送される。
本発明の特に好ましい実施態様では、混合物は、熱交換器B内で冷却されない(Bはここで適用されない)。それによって、再循環されるフラクションは、反応温度で反応器Aに供給される一方、精製のための転向されたフラクションは、熱交換器Eに供給され、そこで冷却される。
本発明のさらなる実施態様では、別の反応器、ひいては固定床反応器が使用されてよい。反応器技術によって、触媒の粒径は異なっていてよい。スラリー床反応器の場合、例えば、0.2mm未満の粒径を有する粉末触媒が好ましい。
任意の慣用の反応器が、本発明による酸化エステル化を実施するために選択されてよい。特許請求の範囲に記載される製造法に好適な反応器は、例えば触媒が懸濁される撹拌槽型反応器または気泡塔である。それらの反応器は、等温操作条件に近いアプローチを提供する。本発明によれば、特許請求の範囲に記載される製造法で触媒固定床反応器を使用するのが有利である、それというのは、それらの反応器は、その簡素な設計のおかげで高圧法に適しているからである。固定床反応器は、触媒が摩耗および損失することなく、触媒体積を好ましく利用して触媒連続法の操作も可能にするものである。流動床反応器は、別の考えられる反応器の形態であり、適用されてよい。
連続的に操作される製造設備の一般的な反応器体積は、例えば、10m3から15m3までの容量の管型/管束反応器、または50m3から100m3までの容量の連続的に操作される撹拌槽であってよいが、それらのデータは、なんらかの制限を表すことを意図していない。
前述の通り、本発明による酸化エステル化反応で使用される、貴金属を含有する不均一系触媒は、金、パラジウム、ルテニウム、ロジウムおよび銀からなる群から選択される、20nm未満の平均粒径を有する1つまたは複数の超微細分散した金属を含んでいる。金が触媒活性成分であるのが特に好ましい。担体上で活性成分がコア・シェル分布している触媒が使用されるのが好ましい。
触媒が懸濁される撹拌槽型反応器または気泡塔/流動床反応器における適用に主に好適な、MALを直接酸化エステル化してメチルメタクリレートにするための触媒の平均径は、200μm以下である。
固定床反応器における適用に主に好適な、MALを直接酸化エステル化してメチルメタクリレートにするための触媒の平均径は、200μm超である。

さらに、本発明を以下の非限定例1から3まで、および比較例1から2までにおいて説明する。以下の例1から3までは、本発明による好ましい実施態様をさらに説明するために用いるが、本発明を制限することを意図するものではない。すべての結果は、第1表に示されている。
例1:触媒1の製造(SiO2−MgO上のAu 0.9%−NiO 1.1%)
水100mL中の硝酸マグネシウム六水和物51.2gおよび60%硝酸5.4gの溶液を20℃でSiO2担体(Fuji Silicia、Cariact Q−10、0.85mmから1.75mmまで)108gに添加した。この混合物を50℃で24時間撹拌し、その後、室温まで冷却し、乾燥して焼成させた。このSiO2−MgO担体30gを水100mLに懸濁させて、90℃に加熱した。15分後に90℃で、水100mL中の硝酸ニッケル六水和物1.64gおよび金酸(HAuCl4)530mgを滴下しながら30分の間、上述の懸濁液に添加した。さらに90℃で30分間撹拌した後、この混合物を冷却して固体を取り除き、その後、新鮮な水100mLで3分間洗浄して、いずれの場合も20℃で5分間撹拌してろ別した。触媒を105℃で10時間にわたって乾燥して、450℃で5時間にわたって焼成させた。ICP分析(inductively coupled plasma mass spectrometry(誘導結合プラズマ質量分析装置))は、結果として得られた紫色粉末が、Ni 1.1%およびAu 0.9%を含むことを示した。金のナノ粒子の平均径(TEM)は、5nm未満であった。
例2:MALの直接酸化エステル化によるMMAの製造
MAL 30.9質量%およびメタノール69.1質量%の混合物に、メタノール中の1%水酸化ナトリウム溶液を添加してpHを7にした。次に、この中和した混合物を20.9g/hの流量で、O2/N2ガス混合物(O2 7体積%)と一緒に6barで外部熱交換器を備える管型反応器に供給した(80℃)。排ガス中のO2残留含有率は4体積%に調整した。反応器は、触媒1を15g含んでいた。メタノール中の1%水酸化ナトリウム溶液を中和槽に連続的に添加して、pHを系内でpH7に保った。導管12を通って再循環される混合物の生成物産出量(product output)11に対する比R/Pは10であった。生成混合物をガスクロマトグラフィで分析した。第1表は、MMA製造法を運転して73時間後、および512時間後に得られた結果を示している。
例3:比較的低い供給速度および供給物中の比較的低いMAL濃度でのMALの直接酸化エステル化によるMMAの製造
例3は、例2と同じ運転条件下で実施したが、供給流量は15.1g/h、供給濃度はMAL 45.3質量%およびメタノール54.7質量%で実施した。
比較例1:反応器内のMAL定常濃度が15質量%よりも高い、MALの直接酸化エステル化によるMMAの製造
比較例1は、例2と同じ運転条件下で実施したが、供給流量は10.3g/h、供給濃度はMAL 63質量%およびメタノール27質量%で実施した。反応器内のMAL定常濃度は、15質量%よりも高かった。
比較例2:MAL定常濃度が15質量%より高く、比Fが4より高い、MALの直接酸化エステル化によるMMAの製造
比較例2は、例2と同じ運転条件下で実施したが、供給流量は21g/h、触媒1 5g、および供給濃度はMAL 33.3質量%およびメタノール66.7質量%で実施した。MAL定常濃度は、15質量%より高く、上に定義した比Fは4より高かった。
Figure 0006835583
第1表に示される通り、長時間の操業にわたるきわめて良好な結果は、MMAの製造を、本発明の特許請求の範囲に記載された特別な反応パラメーター、すなわち、反応器内のMAL定常濃度が15質量%未満であること、請求項1に記載の比Fが4未満であることの組み合わせ(例2および3を参照)を使用して実施する場合に得られる。
実際、例2で示される通り、製造の開始73時間後で、MAL転化率は70.8%であり、MMA選択率は97.4%であった。製造の開始512時間後で、MAL転化率は69.8%であり、MMA選択率は97.2%であり、したがって、反応性においてほとんど変化がないことを示している。この方法は、導管の目詰まりの問題なく(ポリマー副生成物を形成せずに)依然として実行しており、MMA選択率は依然としてきわめて高かった。
一方、比較例1および2は、反応パラメーター(すなわち、比Fおよび/またはMAL定常濃度)の少なくとも1つが、本発明の請求項1に記載の、特許請求の範囲に記載された反応パラメーターの組み合わせに従っていない場合、反応活性およびMMA選択率が低下することを示している。
比較例1に示される通り、比Fは4未満であるが(F=1.7)、MAL定常濃度が15質量%超、すなわち、71時間の操業時間で20.2質量%、または173時間の操業時間で32.1質量%である場合、MMA選択率は、それぞれ82.5%または68.7%しかない。MALの転化率も71時間の操業間で45.1%に大幅に低下し、173時間の操業時間では27.8%しかなく、したがって、反応活性および選択率の低下を示している。
比較例2では、たとえ空時収量が平均6.1molMMA/kg cat hで良好であるとしても、MMA選択率は71時間後にたった83.5%と低く、236時間後はたった79.6%とさらに低い選択率である。連続製造法では、空時収量はそれほど重要ではない、それというのは、反応混合物は常に反応器に戻され再利用されるからであり、それゆえ主要な要因は全収率である。したがって、高い選択率は、高い全収率を得るために必要であり、このことは、方法を効率的かつ経済的に有利にするために不可欠である。
上述の結果に基づいて、2つの反応パラメーター、すなわち、本発明の特許請求の範囲に記載される、反応器内のMAL定常濃度が15質量%未満であること、および比Fが4未満であることは、製造系において目詰まりの問題なしに、高いMMA選択率および良好な反応活性を維持しながら長期の連続的な運転にわたってMMAを製造するために必要であることをはっきりと明示している。さらに、それらの反応条件下では、副生成物の形成は減少し、それゆえ、酸化エステル化で使用される触媒の性能は改善される。
ここで、特定の実施態様に関して説明および記載されるが、それでもやはり、本発明は、示された詳細に制限されることを意図していない。むしろ、さまざまな変更は、特許請求の範囲内で細かく行われてよい。
(A) 反応器
(B) 熱交換器
(C) ガス/液体分離器
(D) 中和槽、ここで、pHは5から9までに調整される
(E) 代替物または追加の熱交換器
(1) 酸素を含む気相(11)のための供給管
(2) 液体反応物(メタノールおよびMAL)(13)のための供給管
(3) 気相(11)と液体反応物(13)を混合するための供給管
(4) 反応器(A)からガス/液体分離器(C)および熱交換器(B)までの導管
(5) ガス/液体分離器(C)からの排ガス(14)のためのアウトプット導管
(6) ガス/液体分離器(C)から中和槽(D)までの導管
(7) 塩基性溶液(12)を中和槽(D)に供給するための供給管
(8) pHが調整された反応混合物の一部を、導管(1)を通って供給される気相(11)と混合しながら導管(3)を通して反応器(A)に返送するための再循環管
(9) MMAを含む液相(15)の精製のためのアウトプット導管
(10) 酸素を含む気相
(11) 塩基性溶液
(12) 液体反応物(メタノールおよびMAL)
(13) 排ガス
(14) MMAを含む液相
(15) 酸素含有ガスの一部を酸素含有ガス供給に返送するための再循環管

Claims (10)

  1. メタクロレインを酸素およびメタノールと、貴金属を含有する不均一系触媒の存在下で酸化エステル化反応において反応させる段階を含むメチルメタクリレートを製造するための触媒連続法であって、
    (a)メタクロレインの定常濃度は、反応器内の反応混合物の総質量を基準として8質量%未満であり、かつ
    (b)リットルで示される反応器内の液体総体積を、キログラムで示される反応器内の触媒の総質量で除した比Fは、4L/kg以下であり、
    前記酸化エステル化反応を、2barから50barまでの圧力で実施し、
    前記反応器は固定床反応器であ
    前記貴金属を含有する不均一系触媒は、AuおよびNiOを含むことを特徴とする前記触媒連続法。
  2. 反応器での滞留時間は10時間未満であることを特徴とする、請求項1に記載の触媒連続法。
  3. 反応器での滞留時間は3時間未満であることを特徴とする、請求項2に記載の触媒連続法。
  4. 酸化エステル化を、120℃未満の反応器内温度で実施することを特徴とする、請求項1から3までのいずれか1項に記載の触媒連続法。
  5. 酸化エステル化を、60℃から90℃までの反応器内温度で実施することを特徴とする、請求項4に記載の触媒連続法。
  6. 酸化エステル化反応を、メタノール対メタクロレインのモル比が1:1から50:1までの範囲で行うことを特徴とする、請求項1から5までのいずれか1項に記載の触媒連続法。
  7. 酸化エステル化反応のために使用する貴金属を含有する不均一系触媒は、平均粒径20nm未満の超微細分散したを含むことを特徴とする、請求項1から6までのいずれか1項に記載の触媒連続法。
  8. 酸化エステル化反応のために使用する貴金属を含有する不均一系触媒は、200μm以下の平均径を有することを特徴とする、請求項7に記載の触媒連続法。
  9. 酸化エステル化反応のために使用する貴金属を含有する不均一系触媒は、200μm超の平均径を有することを特徴とする、請求項1に記載の触媒連続法。
  10. メタクロレインを、有機塩基である第二級アミンおよび少なくとも1つの有機酸の存在下で、プロパナールとホルムアルデヒドとのマンニッヒ縮合反応における反応により製造することを特徴とする、請求項1からまでのいずれか1項に記載の触媒連続法。
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