JP7150815B2 - 不均一触媒を使用した酸化的エステル化によるメタクリル酸メチルの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、不均一触媒を使用してメタクロレインおよびメタノールからメタクリル酸メチルを調製するための方法に関する。

触媒の外側領域内で濃縮された貴金属を有する不均一触媒が知られている（例えば、米国特許第６，２２８，８００号を参照されたい）。しかしながら、貴金属が表面近くでより高濃度であるより大きな触媒粒子に対する必要性が存在する。

本発明は、メタクロレインおよびメタノールからメタクリル酸メチルを調製するための方法であって、メタクロレイン、メタノール、および酸素を含む混合物を、担体および貴金属を含む不均一触媒と接触させることを含み、該触媒が、少なくとも２００ミクロンの平均直径を有し、貴金属の少なくとも９０重量％が、触媒体積の外側５０％にある、方法を対象とする。

別途記載のない限り、すべての百分率組成物は重量百分率（重量％）であり、すべての温度は℃である。貴金属は、金、プラチナ、イリジウム、オスミウム、銀、パラジウム、ロジウム、ルテニウムのいずれかである。２つ以上の貴金属が触媒に存在し得、その場合、制限がすべての貴金属の合計に適用される。「触媒中心」は、触媒粒子の重心、つまり、すべての座標方向のすべての点の平均位置である。直径は、触媒の中心を通過する任意の直線寸法であり、平均直径は、すべての可能な直径の算術平均である。アスペクト比は、最長の直径と最短の直径との比率である。

好ましくは、担体は、酸化物材料の粒子であり、好ましくは、γ－、δ－、もしくはθ－アルミナ、シリカ、マグネシア、チタニア、ジルコニア、ハフニア、バナジア、酸化ニオブ、酸化タンタル、セリア、イットリア、酸化ランタン、またはこれらの組み合わせである。好ましくは、貴金属を含む触媒の部分に、担体は、１０ｍ^２／ｇ超、好ましくは３０ｍ^２／ｇ超、好ましくは５０ｍ^２／ｇ超、好ましくは１００ｍ^２／ｇ超、好ましくは１２０ｍ^２／ｇ超の表面積を有する。貴金属をほとんどまたはまったく含まない触媒の部分において、担体は、５０ｍ^２／ｇ未満、好ましくは２０ｍ^２／ｇ未満の表面積を有し得る。

好ましくは、触媒粒子のアスペクト比は、１０：１以下、好ましくは５：１以下、好ましくは３：１以下、好ましくは２：１以下、好ましくは１．５：１以下、好ましくは１．１：１以下である。触媒粒子の好ましい形状としては、球、円柱、直方体、輪、多葉形状（例えば、クローバー断面）、複数の穴および「ワゴンホイール」を有する形状、好ましくは球が挙げられる。不規則な形状も使用され得る。

好ましくは、貴金属（複数可）の少なくとも９０重量％は、触媒体積（すなわち、平均触媒粒子の体積）の外側４０％、好ましくは外側３５％、好ましくは外側３０％、好ましくは外側の２５％である。好ましくは、任意の粒子形状の外部体積は、外部表面に垂直な線に沿って測定された、その内部表面から外部表面（粒子の表面）まで一定の距離を有する体積に対して計算される。例えば、球形粒子の場合、体積の外側ｘ％は球形シェルであり、その外部表面は粒子の表面であり、その体積は球全体の体積のｘ％である。好ましくは、貴金属の少なくとも９５重量％、好ましくは少なくとも９７重量％、好ましくは少なくとも９９重量％は、触媒の外部体積にある。好ましくは、貴金属（複数可）の少なくとも９０重量％（好ましくは少なくとも９５重量％、好ましくは少なくとも９７重量％、好ましくは少なくとも９９重量％）は、触媒直径の１５％以下、好ましくは１０％以下、好ましくは８％以下、好ましくは６％以下の表面からの距離内にある。表面からの距離は、表面に垂直な線に沿って測定される。

好ましくは、貴金属は、金またはパラジウム、好ましくは金である。

好ましくは、触媒粒子の平均直径は、少なくとも３００ミクロン、好ましくは少なくとも４００ミクロン、好ましくは少なくとも５００ミクロン、好ましくは少なくとも６００ミクロン、好ましくは少なくとも７００ミクロン、好ましくは少なくとも８００ミクロン、好ましくは３０ｍｍ以下、好ましくは２０ｍｍ以下、好ましくは１０ｍｍ以下、好ましくは５ｍｍ以下、好ましくは４ｍｍ以下である。担体の平均直径および最終触媒粒子の平均直径は、有意に異なっていない。

好ましくは、貴金属および担体の百分率としての貴金属の量は、０．２～５重量％、好ましくは少なくとも０．５重量％、好ましくは少なくとも０．８重量％、好ましくは少なくとも１重量％、好ましくは少なくとも１．２重量％、好ましくは４重量％以下、好ましくは３重量％以下、好ましくは２．５重量％以下である。

好ましくは、触媒は、担体の存在下で貴金属塩の水溶液から貴金属を沈殿させることにより製造される。本発明の一実施形態では、触媒は、好適な貴金属前駆体塩の水溶液を多孔性無機酸化物に添加して細孔を溶液で充填し、次いで水を乾燥により除去する初期湿潤によって製造される。好ましい貴金属塩としては、テトラクロロ金酸、金チオ硫酸ナトリウム、金チオリンゴ酸ナトリウム、水酸化金、硝酸パラジウム、塩化パラジウム、および酢酸パラジウムが挙げられる。次いで、得られた材料は、貴金属塩を金属または金属酸化物に分解するための当業者に知られている、焼成、還元、または他の処理によって完成触媒に転化される。好ましくは、少なくとも１個のヒドロキシルまたはカルボン酸置換基を含むＣ_２～Ｃ_１８チオールが、溶液中に存在する。好ましくは、少なくとも１個のヒドロキシルまたはカルボン酸置換基を含むＣ_２～Ｃ_１８チオールは、２～１２個、好ましくは２～８個、好ましくは３～６個の炭素原子を有する。好ましくは、チオール化合物は、合計で４個以下、好ましくは３個以下、好ましくは２個以下のヒドロキシル基およびカルボン酸基を含む。好ましくは、チオール化合物は、２個以下、好ましくは１個以下のチオール基を有する。チオール化合物がカルボン酸置換基を含む場合、それらは酸形態、共役塩基形態、またはこれらの混合物で存在し得る。チオール成分はまた、そのチオール（酸）形態またはその共役塩基（チオレート）形態のいずれかで存在し得る。特に好ましいチオール化合物としては、チオリンゴ酸、３－メルカプトプロピオン酸、チオグリコール酸、２－メルカプトエタノール、および１－チオグリセロール（それらの共役塩基も含まれる）が挙げられる。

本発明の一実施形態では、触媒は、好適な貴金属前駆体塩を含有する水溶液に多孔性無機酸化物を浸漬し、次いで、溶液のｐＨを調整することにより、塩を無機酸化物の表面と相互作用させる析出沈殿により生成される。次いで、得られた処理済み固体を（例えば濾過により）回収し、次いで、貴金属塩を金属または金属酸化物に分解するための当業者に知られている、焼成、還元、または他の処理によって完成触媒に転化される。

本発明の触媒は、酸化的エステル化反応器（ＯＥＲ）内でメタクロレインをメタノールで処理することを含むメタクリル酸メチル（ＭＭＡ）を製造するためのプロセスに有用である。本発明はさらに、触媒粒子と、メタクロレイン、メタノール、およびＭＭＡを含む液相とを含む触媒床を対象とする。触媒床内の触媒粒子は、典型的には、固体壁およびスクリーンによって適所に保持される。いくつかの構成では、スクリーンは、触媒床の両端にあり、固体壁は、側面（複数可）にあるが、いくつかの構成では、触媒床は、完全にスクリーンで囲まれ得る。触媒床の好ましい形状は、円柱、直方体、および円柱シェル、好ましくは円柱を含む。液相は、副生成物、例えば、メタクロレインジメチルアセタール（ＭＤＡ）およびイソ酪酸メチル（ＭＩＢ）をさらに含み得る。好ましくは、液相は、４０～１２０℃、好ましくは少なくとも５０℃、好ましくは少なくとも６０℃、好ましくは１１０℃以下、好ましくは１００℃以下の温度である。好ましくは、触媒床は、０～２０００ｐｓｉｇ（１０１～１４ＭＰａ）、好ましくは２０００ｋＰａ以下、好ましくは１５００ｋＰａ以下の圧力である。好ましくは、触媒床は、管状連続反応器または連続攪拌槽反応器、好ましくは管状連続反応器内にあり、好ましくは、床は円柱形または円柱形シェルである。好ましくは、触媒床は、酸素ガスをさらに含む。

ＯＥＲは、典型的には、メタクリル酸および未反応のメタノールとともにＭＭＡを製造する。好ましくは、メタノールおよびメタクロレインは、１：１０～１００：１、好ましくは１：２～２０：１、好ましくは１：１～１０：１のメタノール：メタクロレインモル比で固定床を含有する反応器に供給される。好ましくは、固定床は、不活性材料をさらに含む。好ましい不活性材料としては、例えば、アルミナ、粘土、ガラス、炭化ケイ素、および石英が挙げられる。好ましくは、不活性材料は、触媒のサイズ範囲以下である。好ましくは、反応生成物は、メタノールおよびメタクロレインに富む塔頂流を提供するメタノール回収蒸留塔に供給され、好ましくは、この流れは、ＯＥＲに戻されてリサイクルされる。メタノール回収蒸留塔からの底流は、ＭＭＡ、ＭＤＡ、メタクリル酸、塩、および水を含む。本発明の一実施形態では、ＭＤＡは、ＭＭＡ、ＭＤＡ、メタクリル酸、塩、および水を含む媒体中で加水分解される。ＭＤＡは、メタノール回収蒸留塔からの底流中で加水分解され得、この流れは、ＭＭＡ、ＭＤＡ、メタクリル酸、塩、および水を含む。別の実施形態では、ＭＤＡは、メタノール回収塔底流から分離された有機相中で加水分解される。ＭＤＡの加水分解に十分な水が存在することを確実にするために、有機相に水を添加する必要があり得、これらの量は、有機相の組成から容易に測定され得る。ＭＤＡ加水分解反応器の生成物は、相分離され、有機相は、１つ以上の蒸留塔を通過して、ＭＭＡ生成物ならびに軽質および／または重質の副生成物を製造する。

触媒７７８：「エッグシェル」金触媒
０．３０８８ｇの金チオリンゴ酸ナトリウムを、撹拌しながら８．９０８ｇのＤＩ水に溶解した。次に、１２０℃の乾燥オーブン内に事前に保管しておいた１０．０２４３ｇのアルミナ（３．２ｍｍの球、Ｎｏｒｐｒｏ ＳＡ６２７５、ロット番号２０１６９１００４８）をセラミックるつぼに入れた。水性金塩を、担体の初期湿潤点に達するまで、スパチュラを使用して定期的に攪拌しながら滴下した。

得られた材料を１２０℃で１時間乾燥させ、次いで、マッフル炉内で３００℃（５℃／分のランプ）で４時間焼成した。次いで、得られた紫色の触媒球を、使用準備が整うまで琥珀色の小瓶内に保管した。ＮＡＡを介した元素分析により、以下の元素組成が明らかになった。

触媒７８０：均一金触媒（比較）
０．３９１８ｇの金チオ硫酸ナトリウム水和物を９．０５６７ｇのＤＩ水に溶解した。１２０℃の乾燥オーブン内に事前に保管しておいた１０．０３６８ｇの試料のアルミナ（３．２ｍｍの球、Ｎｏｒｐｒｏ ＳＡ６２７５、ロット番号２０１６９１００４８）をセラミックるつぼに入れた。水性金塩を、担体の初期湿潤点に達するまで、スパチュラを使用して定期的に攪拌しながら滴下した。

得られた材料を１２０℃で１時間乾燥させ、次いで、マッフル炉内で３００℃（５℃／分のランプ）で４時間焼成した。次いで、得られた紫色の触媒球を、使用準備が整うまで琥珀色の小瓶内に保管した。ＮＡＡを介した元素分析により、以下の元素組成が明らかになった。

触媒のＥＤＳ走査は、以下の結果を用いて行った。

触媒７８０用のデータは、金の９０重量％が、触媒体積の外側８１％に相当する外縁の６８０ミクロン以内であり、９５重量％が、７５０ミクロン以内、つまり外側８５％であることを示している。

触媒７７８（「エッグシェル」）用のデータは、金の９０重量％が、触媒体積の外側１２．６％に相当する外縁の７０ミクロン以内であり、９５重量％が、７５ミクロン以内、つまり外側１３．４％であることを示している。

触媒試験
触媒は、トリクルフローモードで動作する連続固定床反応器内で評価された。いずれの場合も、均一な湿潤を確保するために、約０．５ｇの触媒を炭化ケイ素グリットと混合した。触媒床をガラスビーズの層の間に挟んだ。反応器は、６の入口酸素組成（２０ｓｃｃｍの空気および５０ｓｃｃｍのＨｅで達成した）、または７０ｓｃｃｍのガス流量で２１モル％Ｏ_２で、６０℃および１６０ｐｓｉｇ（１２００ｋＰａ）で動作した。液体供給（メタノール中の１０重量％のメタクロレイン）を０．０７ｍＬ／分の流量で導入した。経時性能、空時収率としてのＭＭＡ率、およびＭＩＢ含有量（１００％ＭＭＡに基づくｐｐｍ）を以下の表に示す。

データは、高い酸素レベルで、副産物ＭＩＢの形成が低いことを示している。しかしながら、酸素が枯渇する触媒床の端部に向かって存在するような低酸素レベルでは、本発明の「エッグシェル」触媒は、大幅に低下したＭＩＢのレベルを提供する。本発明の触媒の空時収率は、両方の酸素レベルで優れているが、特に低酸素レベルで優れている。

Claims (9)

1. メタクロレインおよびメタノールからメタクリル酸メチルを調製するための方法であって、メタクロレイン、メタノール、および酸素を含む混合物を、担体および金を含む不均一触媒と接触させることを含み、前記触媒が、少なくとも２００ミクロンの平均直径を有し、前記金の少なくとも９０重量％が、触媒体積の外側５０％にあり、前記触媒は、前記担体の存在下で金塩の水溶液から前記金を沈殿させることにより製造され、少なくとも１個のヒドロキシルまたはカルボン酸置換基を含むＣ _２ ～Ｃ _１８ チオールが、前記金塩の水溶液中に存在する方法。
2. 前記触媒が、４００ミクロン～１０ｍｍの平均直径を有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記触媒が、触媒床に含有される、請求項２に記載の方法。
4. 前記触媒床が、４０～１２０℃の温度である、請求項３に記載の方法。
5. 前記触媒床のｐＨが、４～１０である、請求項４に記載の方法。
6. 前記金の少なくとも９０重量％が、触媒体積の外側４０％にある、請求項５に記載の方法。
7. 前記担体が、γ－、δ－、またはθ－アルミナ、シリカ、マグネシア、チタニア、バナジア、セリア、酸化ランタン、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項６に記載の方法。
8. メタノールおよびメタクロレインが、それぞれ１：１～１０：１のモル比で、前記触媒床を含有する反応器に供給される、請求項７に記載の方法。
9. 前記金の少なくとも９５重量％が、触媒体積の外側３０％にある、請求項８に記載の方法。