JPH0673042A - γ‐ブチロラクトンの製造方法 - Google Patents

γ‐ブチロラクトンの製造方法

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JPH0673042A
JPH0673042A JP4248560A JP24856092A JPH0673042A JP H0673042 A JPH0673042 A JP H0673042A JP 4248560 A JP4248560 A JP 4248560A JP 24856092 A JP24856092 A JP 24856092A JP H0673042 A JPH0673042 A JP H0673042A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 安価で効率の良い、未反応物のリサイクルが
可能な、γ‐ブチロラクトンの製造方法を提供する。 【構成】 気相で1,4−ブタンジオールを、触媒の存
在下に接触脱水素してγ‐ブチロラクトンを製造する方
法において、反応を銅およびクロムを含む触媒の存在下
で水素存在下に行い、かつ反応混合物からγ‐ブチロラ
クトンを分離し、その残部を原料としてリサイクルする
方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、1,4−ブタンジオー
ル(以下で、BDOと称することがある)を、触媒の存
在下に気相で接触脱水素してγ‐ブチロラクトン(以下
で、GBLと称することがある)を製造する方法に関
し、さらに詳しくは、未反応のBDOのリサイクルが可
能な上記方法に関する。
【0002】
【従来の技術】γ‐ブチロラクトンは溶剤として、また
N−メチルピロリドンなどのピロリドン類の製造の際の
中間原料として有用な化合物である。したがって、γ‐
ブチロラクトンの安価でかつ効率の良い製造方法の開発
が強く望まれている。
【0003】従来、γ‐ブチロラクトンの製造方法とし
ては、1,4−ブタンジオールを、Cu‐Cr系触媒の
存在下に脱水素する方法等が知られている。本発明者ら
は、特願平3-329752号において、Cu‐Cr系触媒にM
nおよび/またはBa、ならびにNaおよび/またはK
を添加することにより、触媒の活性および選択性の向上
および触媒の高寿命化が図れることを明らかにし、ま
た、この触媒系の還元処理条件を特定するとさらに触媒
の活性向上が図れることを見出した(特願平4-114257
号)。
【0004】γ−ブチロラクトンを工業的に製造する際
に、生成物中の未反応のBDOをリサイクルさせること
は製造コストの低減のために有利である。しかし上記の
方法においては、副生成物として2-(4- ヒドロキシブト
キシ)- テトラヒドロフラン(以下で、HBTHFと称
することがある)、2-(4- オキソブトキシ)- テトラヒ
ドロフラン(以下で、OBTHFと称することがある)
等の脱水二量体が生成する。
【0005】ブタンジオール類の分離法において2-メチ
ル-1,3- プロパンジオールと1,4−ブタンジオールお
よび不純物として存在するHBTHFより成る混合物を
ルテニウム触媒、水および水素の存在下で加熱すると、
HBTHFが1,4−ブタンジオールに転化することが
知られており、ルテニウム以外の貴金属、Ni、Coで
は不可であるとされている(特開昭58-167532 号公
報)。また、1,4−ブタンジオールの製造方法におい
て、HBTHFおよびOBTHFを含有する粗1,4−
ブタンジオールを蒸留しても、このような副生物はBD
Oと共沸するのでBDOを精製できず、したがって水素
添加触媒の存在下に水素添加する粗1,4−ブタンジオ
ールの精製方法が提案されており、触媒としては金属パ
ラジウム、白金等の白金属元素のみが記載されている
(特開昭61-197534 号公報)。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
1,4−ブタンジオールの精製方法を、γ‐ブチロラク
トンの製造方法において未反応物のための精製方法とし
て工程に追加すると、工程が繁雑となり、コストがかか
りすぎてしまうという問題がある。
【0007】そこで本発明は、安価で効率の良い、未反
応物のリサイクルが可能な、γ‐ブチロラクトンの製造
方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、銅−クロ
ム系触媒を用いて気相で水素存在下に1,4−ブタンジ
オールを接触脱水素してγ−ブチロラクトンを製造する
方法においては、反応混合物からγ−ブチロラクトンを
蒸留分離した後のボトム(未反応1,4−ブタンジオー
ルの他に不純物を含む)をそのまま原料としてリサイク
ルしても触媒の活性、選択性、寿命に何ら悪影響を与え
ないこと、およびしかも銅−クロム系触媒によってでも
HBTHFおよびOBTHFが分解されて原料として利
用されることを見出した。
【0009】すなわち本発明は、気相で1,4−ブタン
ジオールを、触媒の存在下に接触脱水素してγ‐ブチロ
ラクトンを製造する方法において、反応を銅およびクロ
ムを含む触媒の存在下で水素存在下に行い、かつ反応混
合物からγ‐ブチロラクトンを分離し、その残部を原料
としてリサイクルすることを特徴とする方法を提供する
ものである。
【0010】本発明の方法で使用する触媒は、公知の銅
−クロム系触媒であることができる。しかし、好ましく
は触媒は、特願平4-114257号明細書に記載されているよ
うに、CuおよびCrの他に、Mnおよび/またはB
a、ならびにNaおよび/またはKを含む。Naおよび
K以外のアルカリ金属(Li、Rb、Cs等)は使用に
適さない。Cu/Crの原子比は0.4〜1.8である
のが好ましく、さらに好ましくは0.8〜1.4であ
る。Mnは、CuおよびCrの和100重量部に対して
好ましくは1〜10重量部、さらに好ましくは2〜7重
量部含まれ、BaはCuおよびCrの和100重量部に
対して好ましくは2〜20重量部、さらに好ましくは2
〜10重量部含まれる。MnおよびBaの両方が含まれ
るときには合計量として、CuおよびCrの和100重
量部に対して好ましくは3〜30重量部含まれる。ま
た、NaおよびKはアルカリ金属として、CuおよびC
rの和100重量部に対して好ましくは0.1〜10重
量部、さらに好ましくは0.5〜7重量部含まれる。こ
の他に少量のSiを、CuおよびCrの和100重量部
に対して10重量部まで含むことができる。
【0011】上記のような触媒は、例えば次のようにし
て製造することができる。まず、Cu源として、例えば
硝酸銅、硫酸銅、塩化銅、酢酸銅等を、Cr源として重
クロム酸塩(例えばNa2 Cr2 7 )、クロム酸塩、
硝酸クロム等を、Mnおよび/またはBa源として塩化
バリウム、硝酸バリウム、塩化マンガン、硝酸マンガ
ン、酢酸マンガン等を、Naおよび/またはK源として
炭酸塩、ケイ酸塩(水ガラス)、水酸化物等を使用でき
る。Crを含む溶液をアンモニアで塩基性にして、これ
と、CuおよびMnおよび/またはBaを含む溶液とを
混合して沈殿を生成させる。
【0012】得られた沈殿を濾別、水洗、乾燥した後、
300〜400℃で熱分解する。得られた粉体を稀酸水
溶液で洗い、さらに水洗し、乾燥する。得られた触媒前
駆体に、Naおよび/またはKを含む化合物を添加し、
乾燥し、400〜500℃で焼成する。Naおよび/ま
たはKの添加の時期に制限はないが、アルカリ金属の水
溶性が高いことから、上記の沈殿生成後に、水洗、乾燥
をおこなってから、またその後焼成してから添加するの
が普通である。その後、必要であれば黒鉛等の成形助剤
を添加して成形機を用いて所定の形状に成形する。得ら
れた触媒中の各成分は酸化物の形として存在している。
【0013】触媒の還元は、例えば、3体積%程度の水
素を含む窒素ガスを触媒に対して、常温常圧換算でのガ
ス空間速度(G.H.S.V.、以下G.H.S.V.はすべて常温、常
圧換算値で示す)4000〜8000時間-1程度で数Kg
/cm2 Gの加圧下、昇温して、140〜160℃にて、
触媒床の発熱が観測されなくなるまで流通し、さらに水
素濃度と温度を徐々に上げ、100体積%として、触媒
床温度200℃にて数時間流通することにより行う。
【0014】特に好ましい還元処理方法は、特願平4-11
4257号に記載された方法であり、(1)還元ガスとして
0.1〜1体積%の水素を含む不活性ガスを流通させな
がら、40℃以下から100〜140℃(前還元温度)
まで予備加熱し、次いで(2) 徐々に温度および水素濃度
を上昇させていく還元処理方法である。このような還元
処理方法は、マレイン酸ジエステルの水素化反応による
1,4−ブタンジオールの製造用触媒である銅クロマイ
ト触媒について活性を高める効果があることが、特開平
1-127042号公報から知られているが、1,4−ブタンジ
オールの脱水素反応によるγ‐ブチロラクトンの製造用
触媒であるCu−Cr−(Mnおよび/またはBa)−
(Naおよび/またはK)触媒についても活性を向上さ
せる効果があることが見出された(特願平4-114257
号)。
【0015】1,4−ブタンジオールと水素との混合気
体と触媒との接触は、従来知られている方法のなかから
適宜選択できる。例えば、混合気体と触媒とを固定床方
式で接触させる方法、移動床方式で接触させる方法、流
動床方式で接触させる方法などを採用することができ
る。また場合によっては、混合気体と触媒を回分方式で
接触させることもできる。
【0016】脱水素反応は、反応温度150〜300
℃、反応圧力0〜8Kg/cm2 G、水素/1,4−ブタン
ジオール比(モル比)0.5〜10、1,4−ブタンジ
オールの重量空間速度(W.H.S.V.) 0.2〜16時間-1
で行うのが好ましい。
【0017】本発明においては、上記のような反応混合
物からγ‐ブチロラクトン回収後の、未反応の1,4−
ブタンジオールを含む残部を再び原料としてリサイクル
することを特徴とする。その方法としては、例えば反応
混合物を蒸留し、低沸点のγ‐ブチロラクトンを留去後
の蒸留ボトムをそのままリサイクルする方法が最も簡便
である。しかし、より高分子量の副生物(重質物)を除
いて、1,4−ブタンジオールと共にHBTHF、OB
THF等を主として含む蒸留成分をリサイクルするのが
より好ましい。そのような方法としては、γ−ブチロラ
クトン留去後の蒸留ボトムを再度蒸留し、1,4−ブタ
ンジオールおよび共沸するHBTHF、OBTHF等を
含んだ低沸点の留分をリサイクルさせればよい。あるい
は簡便には、蒸留塔を用いてγ−ブチロラクトンを蒸留
する際に、1,4−ブタンジオールを含む留分を途中か
ら直接取り出してリサイクルする。あるいは、原料BD
Oのための気化器に蒸留ボトムをリサイクルすると、H
BTHFおよびOBTHFはBDOと共沸して気化する
が重質物は気化器内に蓄積するので、これを適宜抜き出
せばよい。
【0018】図1を参照して、1,4−ブタンジオール
からγ−ブチロラクトンを製造し、未反応物をリサイク
ルする一例について述べる。反応器1には、触媒が置か
れ、1,4−ブタンジオールが管11から導入され気化
されて反応器1に供給される。運転開始時には管12か
ら水素ガスが導入される(定常運転では水素が発生する
ので、過剰の水素は系から出される)。反応混合物は気
液分離器2へ送られ、ここで水素ガスを分離してその一
部はリサイクルされ、過剰の水素ガスは管14から系外
へ出される。一方、液体は粗蒸留塔(crude tower) 3に
送られ、ここで軽質物を除去された後、生成物蒸留塔(p
roduct tower) 4へと送られる。生成物蒸留塔では、塔
頂から留出する目的物であるγ−ブチロラクトンを凝縮
し、一部は還流し、残りを管15から取り出す。1,4
−ブタンジオールおよび共沸不純物を含んだサイドスト
リームを塔の中間部6から取り出し、管13を介してリ
サイクルに回す。ボトムの重質物は塔底5から取り出
し、別途処分する。あるいは、1,4−ブタンジオール
を含む蒸留ボトムを塔底5からそのまま取り出してリサ
イクルする(図2に示す)。
【0019】
【作用】本発明の方法においては、未反応BDOを精製
することなく、不純物を含んだままリサイクルさせるこ
とができる。これは、不純物がCu−Cr系触媒の活
性、選択性および寿命に悪影響せず、しかもHBTHF
およびOBTHFは、反応系内に導入されるとCu−C
r系触媒により分解されるので、リサイクルにより系内
に蓄積することがないためである。
【0020】以下の実施例により、本発明をさらに詳し
く説明する。
【0021】
【実施例】実施例1 この実施例では、不純物を含む未反応の1,4−ブタン
ジオールをリサイクルする際に、不純物の触媒活性およ
び選択率への影響を調べた。HBTHFを含有する1,
4−ブタンジオールをモデル原料として用いて、Cu−
Cr−Mn−Ba−Na系の触媒と接触させてγ−ブチ
ロラクトンを製造した。 (1)HBTHFの合成 ジヒドロフラン(DHF)1モルに対して、1,4−ブ
タンジオール 10モルの割合で、アンバーリスト16
(ローム アンド ハースジャパン株式会社製)を触媒
として用いて両者を反応させた。生成物をベンゼンを用
いて抽出し、ベンゼンをフラッシュ蒸留により除去した
後、蒸留精製により高濃度のHBTHFを含む留出物を
得た。この留出物の組成は、HBTHF 88重量%、
1,4−ブタンジオール 7.5重量%、1,4-ジ-(2'-
テトラヒドロフロキシ)ブタン3.5重量%であった。 (2)触媒の準備 触媒は以下のようにして調製し、還元処理したものを使
用した。 (a) 触媒の調製 Na2 Cr2 7 ・2H2 O 150gを蒸留水900
mlに溶解し、この溶液に28%アンモニア水225m
lを加えた。これを溶液aとする。
【0022】Cu(NO3 2 ・3H2 O 280g、
Mn(NO3 2 ・6H2 O 26gおよびBa(NO
3 2 8gを蒸留水900mlに溶解させ、80℃に
加熱した。この溶液を溶液bとする。
【0023】溶液aに、撹拌しながら溶液bを加え、生
じた沈殿物を濾別し、水洗、乾燥した後粉砕し、これを
350℃で熱分解した。得られた粉体を10%酢酸水溶
液で洗浄し、水洗し、乾燥し、触媒前駆体を得た。この
触媒前駆体100gに対し、ケイ酸ナトリウム(水ガラ
ス1号)15gを添加し、乾燥した後、450℃で3時
間焼成した。これに、さらに黒鉛を0.5重量%添加し
て、ペレットに成形した。得られた触媒(酸化形)の組
成を蛍光X線分析にて調べたところ、Cu 28.4重
量%、Cr 25.0重量%、Mn 2.3重量%、B
a 1.6重量%、Na 1.7重量%であった。 (b) 触媒の還元処理 上記で調製した触媒(酸化形)10mlをSUS316
製固定床反応器(内径15mm、長さ600mm)に充填
し、系内を窒素気流にて十分に置換した後、3Kg/cm2
Gに加圧した。窒素流量を15リットル/時間とした
(G.H.S.V.1500時間-1)。
【0024】次に、室温にて圧力およびガス流量はその
ままで、窒素ガスを、0.1体積%の水素を含む窒素ガ
スに切換えた後、昇温を開始した。昇温速度は30℃/
時間で120℃まで昇温した。
【0025】120℃で、流通ガスの入口と出口のガス
中の水素濃度が等しいことを確認した後、130℃まで
1時間かけて昇温した。さらに1時間かけて130℃か
ら140℃に、またさらに1時間かけて140℃から1
50℃に、またさらに1時間かけて150℃から160
℃に昇温した。なお、各段階では、流通ガスの入口と出
口のガス中の水素濃度が等しくなるまでその温度に保持
してから昇温した。
【0026】次に、水素濃度を0.1体積%から0.3
体積%までゆっくりと増加させ、この状態に2時間保持
した。
【0027】さらに、水素濃度を0.3体積%から0.
5体積%までゆっくりと増加させた後、還元温度を16
0℃から170℃まで1時間かけて昇温した。170℃
になったところで、水素濃度を2.0体積%に増加させ
て1時間保持した。
【0028】続いて、水素濃度を2.0体積%から、
5.0体積%、10.0体積%、100体積%と段階的
に増加させた。各段階で、それぞれ1〜2時間保持し
た。水素濃度を100体積%にした後、還元温度を20
0℃として、還元処理を終了した。いずれの段階におい
ても、流通ガスの入口と出口のガス中の水素濃度が等し
いことを確認した後、次の段階へと移った。
【0029】以上の還元処理の全過程を通じ、触媒層の
発熱によるΔTは5℃以下であった 。(3)HBTHFを含む1,4−ブタンジオールを原
料としたγ−ブチロラクトンの製造 原料として、上記(1)で製造したHBTHFを、0モ
ル%、0.26モル%、0.40モル%および0.81
モル%の割合で含む1,4−ブタンジオールを使用し
た。上記(2)の還元処理(b)後の触媒に、230
℃、大気圧下、1,4−ブタンジオールの重量空間速度
(W.H.S.V.)2.0または5.0時間-1、H2 /原料比
(モル)=6.0の反応条件下で、水素ガスおよび原料
を流通して脱水素反応を行った。反応混合物をガスクロ
マトグラフィーにより分析し、以下のような結果を得た
(各モル%)。表1において、BDOの転化率およびG
BLの収率は次のように定義した: BDOの転化率=100−(反応混合物に含まれるBD
Oのモル数/反応混合物に含まれる化合物のモル数の総
和)×100 GBLの収率=(反応混合物に含まれるGBLのモル数
/反応混合物に含まれる化合物のモル数の総和)×10
【0030】
【表1】 上記の表から、原料BDOがHBTHFを含有していて
も、1,4−ブタンジオール転化率、γ−ブチロラクト
ン選択率に変化はなく、HBTHFは触媒の活性に影響
しないことが分かった。
【0031】さらに、原料中に含有されるHBTHFの
濃度よりも反応混合物中に含有されるHBTHFの濃度
の方がいずれの場合にも低くなっている(ただし、原料
中0%を除く)ことから、HBTHFは1,4−ブタン
ジオール脱水素反応の条件下では、一部分解されて1,
4−ブタンジオール等になっていることがわかる。この
ことは、HBTHFを含む未反応1,4−ブタンジオー
ルを原料としてリサイクルしても、HBTHFは系内に
蓄積していかないことを示している。実施例2 ここでは、リサイクル原料中に含まれる不純物の触媒寿
命への影響を調べた。モデル原料としてHBTHFを含
む1,4−ブタンジオールを使用した。実施例1の
(2)で製造し、還元したのと同じ触媒(Cu−Cr−
Mn−Ba−Na系の触媒)を使用し、原料として実施
例1の(1)で製造したHBTHFを含む1,4−ブタ
ンジオールを使用して、1,4−ブタンジオールの脱水
素反応を行った。反応の条件は、次の通りであった: 反応温度 232℃、 圧力 2 kg/cm2 G BDOのW.H.S.V. 5.0時間-12 /原料比(モル)=6.0 原料中のHBTHFの濃度は、反応開始後100時間ま
で0モル%、100〜600時間まで0.62モル%、
600〜1000時間まで1.02モル%とした。ま
た、1000時間以降は再び0モル%とした。
【0032】結果を図3に示す。BDO転化率は、HB
THFの濃度が上昇しても変化がみられず、また経時的
な低下もみられなかった。GBL収率はHBTHFの濃
度が上昇するにつれて低下しているが、この低下の割合
は、原料中のHBTHFの割合の増大に相当しており、
原料中のBDOの量を基準にして見るとまったく低下が
見られないといえる。
【0033】また、1000時間以降の原料を再びHB
THFの濃度0モル%(すなわちBDOのみ)としてみ
たところ、BDO転化率およびGBL収率がいずれも反
応開始直後のレベルに戻っていることからも、原料中の
HBTHFの存在による触媒寿命への影響はないと結論
できる。
【0034】
【発明の効果】本発明によれば、安価で効率の良い、未
反応物のリサイクルが可能な、γ‐ブチロラクトンの製
造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明の方法を実施するフローチャー
トの具体例である。
【図2】図2は、本発明の方法を実施するフローチャー
トの具体例である。
【図3】図3は、HBTHFの存在が触媒寿命に及ぼす
影響を調べた実験の結果を表すグラフである。
【符号の説明】
1:反応器 2:気液分離器 3:粗蒸留塔 4:生成物蒸留塔 5:塔底 6:中間部 11:1,4−ブタンジオール導入管 12:水素ガス導入管 13:リサイクル管 14:水素ガス除去管 15:γ‐ブチロラクトン回収管
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上野 廣 埼玉県比企郡滑川町羽尾398−1

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 気相で1,4−ブタンジオールを、触媒
    の存在下に接触脱水素してγ‐ブチロラクトンを製造す
    る方法において、 反応を銅およびクロムを含む触媒の存在下で水素存在下
    に行い、かつ反応混合物からγ‐ブチロラクトンを分離
    し、その残部を原料としてリサイクルすることを特徴と
    する方法。
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