JP7457855B2 - 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は、酸化的エステル化反応で使用されることが知られている（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、改善された選択性を提供する、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、反応器内で、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、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７０％にあり、反応器出口における酸素濃度が、０．５～７．５モル％である、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、好ましくは、γ－、δ－、またはθ－アルミナである。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６０％、好ましくは外側５０％、好ましくは外側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３０％以下、好ましくは２５％以下、好ましくは２０％以下、好ましくは１５％以下、好ましくは１０％以下、好ましくは８％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７ｍｍ以下、好ましくは５ｍｍ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。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、または他の前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。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、または他の前処理によって完成触媒に転化される。

メタクリル酸メチル（ＭＭＡ）を製造するためのプロセスは、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および酸素で処理することを含む。好ましくは、触媒粒子は、触媒床内にあり、好ましくは、固体壁およびスクリーンまたは触媒担持グリッドによって適所に保持される。いくつかの構成では、スクリーンまたはグリッドは、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（１０１ｋＰａ～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撹拌槽反応器内にある。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触媒床を含有する反応器に供給される。好ましくは、触媒床は、触媒の下方および／または上方に位置する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、触媒の直径以上の平均直径を有する。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、上記流れは、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。別の実施形態では、加水分解は、蒸留塔自体の中で実施することができる。

好ましい一実施形態は、リサイクルループ内に冷却能力を備えたリサイクル反応器である。好ましい別の実施形態は、反応器間の冷却および混合能力を備えた一連の反応器である。

好ましくは、反応器出口における酸素濃度は、少なくとも１モル％、好ましくは少なくとも２モル％、好ましくは少なくとも３モル％、好ましくは７モル％以下、好ましくは６．５モル％以下、好ましくは６モル％以下である。好ましくは、反応器を通る液体の空塔速度は、１～５０ｍｍ／秒、好ましくは少なくとも２ｍｍ／秒、好ましくは少なくとも３ｍｍ／秒、好ましくは少なくとも４ｍｍ／秒、好ましくは少なくとも５ｍｍ／秒、好ましくは４０ｍｍ／秒以下、好ましくは２５ｍｍ／秒以下である。

本発明の好ましい実施形態では、反応器出口におけるｐＨは、３～６．７、好ましくは少なくとも３．５、好ましくは少なくとも４、好ましくは少なくとも４．５、好ましくは少なくとも４．８、好ましくは少なくとも５、好ましくは６．６以下、好ましくは６．５以下、好ましくは６．４以下、好ましくは６．３以下、好ましくは６．２以下である。好ましくは、塩基は、反応器、または反応器に入る液体流に添加されない。好ましくは、反応器は、塩基が導入される外部混合槽に接続されていない。反応器内のｐＨは、より高くなる可能性が高く、おそらく入口近くで７を超え、出口において６を下回る可能性がある。

酸化的エステル化のための固定床反応器の好ましい一実施形態は、トリクル床反応器であり、これは触媒の固定床を含有し、気体および液体供給物の両方を下向き方向に反応器に通す。トリクルフロー中では、気相は連続流体相である。したがって、固定床の上方の反応器の上部にあるゾーンは、それらのそれぞれの蒸気圧で窒素、酸素、および揮発性液体成分の蒸気相混合物で充填されることになる。典型的な動作温度および圧力（５０～９０℃および６０～３００ｐｓｉｇ（５１０～２１６０ｋＰａ）では、ガス供給が空気である場合、この蒸気混合物は、可燃性エンベロープ内部にある。したがって、点火源のみが爆燃を開始するのに必要とされ、それにより、一次格納容器の損失、ならびに近傍の物理的なインフラストラクチャおよび人員に損害を与える可能性がある。プロセスの安全性の考慮に対処するために、可燃性ヘッドスペース雰囲気を避けながらトリクル床反応器を動作する手段は、蒸気ヘッドスペース内の酸素濃度が、限界酸素濃度（ＬＯＣ）未満であることを確実にするのに十分に低い酸素モル分率を含有するガス供給物での動作である。

ＬＯＣの知識は、問題の燃料混合物、温度、および圧力に必要とされる。ＬＯＣが温度および圧力の増加とともに減少するので、メタノールが他の２つの重要な燃料（メタクロレインおよびメタクリル酸メチル）よりも低いＬＯＣを与えることを考えると、保守的な設計は、最高の期待動作温度および圧力でＬＯＣ未満の組成を確実にする供給酸素と窒素との比率を選択する。例えば、最大１００℃および２７５ｐｓｉｇ（１９９０ｋＰａ）で動作する反応器の場合、窒素中の供給酸素濃度は７．４モル％を超えてはならない。

通気口Ｏ_２濃度の効果の実施例が以下に提供される。

実施例１
２０重量％のメタクロレイン、２００ｐｐｍの抑制剤、および残りのメタノールを、炭化ケイ素の短い前部区分およびそれに続く１０ｇの触媒を含有する３／８インチ（９．５ｍｍ）のステンレス鋼管状反応器に供給する一連の作業を実施した。触媒は、Ｎｏｒｐｒｏの直径１ｍｍの高表面積アルミナ球状担体上の１．５重量％のＡｕからなっていた。Ａｕは主に、触媒の外縁の近くで、外縁の１５０ミクロン以内に位置する。窒素中に８％の酸素を含有するガスも反応器に供給された。反応器は、６０℃および１６０ｐｓｉｇ（１２００ｋＰａ）で動作した。反応器の生成物は、気液分離器に送られ、蒸気は、液戻りを有する凝縮器に送られた。この分離器からの生成物流の一部分は、いくつかの場合では反応器の入口にリサイクルされ、反応器に入る供給物と混ぜ合わされた。結果を次の表に記載する。ＭＩＢは、１００％ＭＭＡ生成物に基づいて、ｐｐｍで報告される。生成物ＭＭＡは、メタクロレイン反応物として生じる生成物の中のＭＭＡの％である。

エッグシェルおよび均一な触媒装荷の効果の実施例が以下に提供される。

触媒
試験された触媒は、１つのエッグシェル型触媒と、ほぼ均一なＡｕ装荷を有する触媒とからなっていた。エッグシェル触媒は、Ｎｏｒｐｒｏの３．２ｍｍの高表面積アルミナ担体材料の外側５０ミクロン上に主に装荷された約１．５重量％のＡｕからなっていた。均一に装荷された触媒は、同じ種類のＮｏｒｐｒｏの３．２ｍｍのアルミナ担体上に装荷されたがほぼ均一な装荷であった、約１．５重量％のＡｕからなっていた。

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。供給物中の酸素濃度が高くなると、ＭＩＢ値は、酸素拡散に対する障壁が概してこの不純物のより高い生成と相関するという仮説と一致して、収束し始める。

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、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からなる群から選択される担体および金のみからなる不均一触媒と固定床反応器内で接触させることを含み、前記固定床反応器が前記不均一触媒の固定床を含有し、前記触媒が、少なくとも３００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７０％にあり、金を含む触媒の部分の担体の表面積が１２０ｍ^２／ｇ超であり、金及び担体の百分率としての金の量が０．２～５重量％であり、反応器出口における酸素濃度が、０．５～７．５モル％であり、塩基は、前記反応器、または前記反応器に入る液体流に添加されない、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. 前記不均一触媒の前記固定床が、４０～１２０℃の温度である、請求項２に記載の方法
   。
4. 前記反応器出口におけるｐＨが、４～６．７である、請求項３に記載の方法。
5. 前記金の少なくとも９０重量％が、触媒体積の外側５０％にある、請求項４に記載の方法。
6. 前記担体が、γ－、δ－、またはθ－アルミナからなる群から選択される、請求項５に記載の方法。
7. 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、前記固定床反応器に供給される、請求項６に記載の方法。
8. 前記金の少なくとも９５重量％が、触媒体積の外側４０％にある、請求項７に記載の方法。
9. 前記固定床反応器がトリクル床反応器である、請求項１～８のいずれか一項に記載の方法。