JPWO2004073857A1 - メタクリル酸製造用触媒及びその製法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明者らは、先に従来のメタクロレイン気相接触酸化触媒の低活性、低選択性、短寿命の改良を試み、Mo、V、Pに種々の元素を添加したメタクロレイン気相接触酸化触媒が、ヘテロポリ酸(塩)構造を有し、高活性、高選択性で特に寿命的に安定した触媒であることを見出し、特公昭58−11416号公報、特公昭59−24140号公報、特公昭62−14535号公報、特公昭62−30177号公報記載の触媒を提案している。
近年、原料ガス濃度が高く、高温で酸化反応を行う環境下で、更に高活性、高選択性、長寿命である触媒が求められている。この要求に応える触媒を提供するため種々の製法が提案され、例えば特開平5−31368号公報や特開平8−196908号公報にはMo、V、P以外の成分としてNH4を使用し、アンモニウム源としてアンモニア水を使用する成型触媒の製法が提案されている。また、特開平11−226411号公報には、触媒活性成分を造粒する際に精製デンプンを使用し、焼成工程で該デンプンを焼失させることで、触媒の細孔容積を向上させる成型触媒の製法が記載されている。
また、工業用触媒として固定床反応器に充填して用いる場合は、触媒層前後での反応ガスの圧力損失を少なくするために、ある一定の大きさに触媒を成型する事が必要である。そのため、通常は触媒粉末を柱状物、錠剤、リング状、球状等に成型するか、活性触媒物質を不活性担体に含浸あるいは被覆させて用いる方法も知られている。
この不活性担体を芯とする被覆触媒の利点としては、▲1▼触媒活性成分の有効利用率を上げることができる、▲2▼反応物質の触媒内での滞留時間分布が均一となり選択性の向上が期待できる、▲3▼触媒の熱伝導率向上あるいは不活性担体の希釈効果によって反応熱の除去が容易となる、等が挙げられ、従って発熱の大きな選択的酸化反応への適用の例が多い。
一方、被覆触媒製造上の技術的困難点としては、▲1▼被覆層の剥離、ひび割れが起こり易く機械的強度の強い触媒が得られ難い、▲2▼多量に活性触媒物質を担体上に被覆する事が難しい、▲3▼不活性物質が入るために活性の高い触媒を得ることが難しい等を挙げることができる。
かかる点を克服する方法は活性触媒物質の性状とも関わり、汎用的な技術はなく触媒個々に解決するというのが現状である。
本発明者らは、上記問題点を解決する方法として、従来のメタクロレイン用気相接触酸化触媒の低活性、低選択性、短寿命の改良を試み、Mo、V、P、Cu、Cs及びNH4を必須成分とする触媒を調製する際、即ち、該必須成分を含むヘテロポリ酸(塩)を調製する際に、Cs原料としてセシウム弱酸塩または水酸化セシウムを、また、NH4原料として酢酸アンモニウムまたは水酸化アンモニウムをそれぞれ添加した場合に高活性、高選択性で特に寿命的に安定した高性能な工業化触媒が得られることを見いだし、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、
(1)Mo、V、P、Cu、Cs及びNH4を必須の活性成分とするヘテロポリ酸を含むヘテロポリ酸塩を触媒活性成分とする触媒であって、該触媒活性成分のうちCs原料としてセシウム弱酸塩または水酸化セシウムを、また、NH4原料として酢酸アンモニウムをそれぞれ使用して得られるものであることを特徴とするメタクロレイン、イソブチルアルデヒドまたはイソ酪酸を気相接触酸化してメタクリル酸を製造するための触媒、
(2)Cs原料が酢酸セシウムまたは水酸化セシウムである上記(1)記載の触媒、
(3)活性成分として砒素を含有しない上記(1)または(2)記載の触媒、
(4)Cu原料として酢酸銅または酸化第二銅を使用した上記(1)〜(3)のいずれか一項に記載の触媒、
(5)触媒活性成分の組成が下記式(1)
Mo10VaPbCucCsd(NH4)eXfOg (1)
(式中Moはモリブデン、Vはバナジウム、Pはリン、Cuは銅、Csはセシウム、(NH4)はアンモニウム基を、XはSb、As、Ag、Mg、Zn、Al、B、Ge、Sn、Pb、Ti、Zr、Cr、Re、Bi、W、Fe、Co、Ni、Ce、Th、K及びRbからなる群から選ばれた1種以上の元素をそれぞれ表し、a〜gは、それぞれの元素の原子比を表し、aは0.1≦a≦6.0の正数、bは0.5≦b≦6.0の正数、cは0<c≦3.0の正数、dは0.01≦d≦3.0の正数、eは0.1≦e≦3.0の正数、fは0≦f≦3.0の正数をそれぞれ表す。gは各元素の酸酸価数によって定まる値である。)
で表される上記(1)〜(4)のいずれか一項に記載の触媒、
(6)aが0.5≦a≦1.2の正数、bが0.9≦b≦1.5の正数、cが0.2≦c≦0.8の正数、dが0.2≦d≦0.8の正数、eが1.0≦e≦2.2の正数、fが0≦f≦0.8である上記(5)記載の触媒、
(7)Sbを必須成分とする上記(5)または(6)記載の触媒、
(8)
工程(A)
下記化合物A−1〜A−3及び必要により化合物A−4を水と混合し、これらの化合物の水溶液または水分散体(以下、両者を含めてスラリー液という)を調製する工程、
化合物A−1;Moを有する化合物、Vを有する化合物、Pを有する化合物及びCuを有する化合物
化合物A−2;セシウム弱酸塩または水酸化セシウム
化合物A−3;酢酸アンモニウム
化合物A−4;Sb、As、Ag、Mg、Zn、Al、B、Ge、Sn、Pb、Ti、Zr、Cr、Re、Bi、W、Fe、Co、Ni、Ce、Th、KまたはRbを有する化合物からなる群から選ばれた1種以上の化合物
工程(B)
工程(A)で得られたスラリー液を乾燥してスラリー乾燥体を得る工程
からなることを特徴とするメタクロレイン、イソブチルアルデヒドまたはイソ酪酸の気相接触酸化によるメタクリル酸製造用触媒の製法、
(9)化合物A−4を必須成分として使用する上記(8)記載の触媒の製法、
(10)
工程(a)
下記化合物a−1〜a−3及び必要により化合物a−4を水と混合し、これらの化合物のスラリー液を調製する工程、
化合物a−1;Moを有する化合物、Vを有する化合物、Pを有する化合物及びCuを有する化合物
化合物a−2;セシウム弱酸塩または水酸化セシウム
化合物a−3;酢酸アンモニウムまたは水酸化アンモニウム
化合物a−4;Sb、As、Ag、Mg、Zn、Al、B、Ge、Sn、Pb、Ti、Zr、Cr、Re、Bi、W、Fe、Co、Ni、Ce、Th、KまたはRbを有する化合物からなる群から選ばれた1種以上の化合物
工程(b)
工程(a)で得られたスラリー液を乾燥してスラリー乾燥体を得る工程、
工程(c)
工程(b)で得られたスラリー乾燥体を、バインダーを用いて担体に被覆し、被覆成型物を得る工程、
工程(d)
工程(c)で得られた被覆成型物を焼成する工程、
からなることを特徴とするメタクロレイン、イソブチルアルデヒドまたはイソ酪酸の気相接触酸化によるメタクリル酸製造用被覆触媒の製法、
(11)
工程(a)
下記化合物a−1〜a−3及び必要により化合物a−4を水と混合し、これらの化合物のスラリー液を調製する工程、
化合物a−1;Moを有する化合物、Vを有する化合物、Pを有する化合物及びCuを有する化合物
化合物a−2;セシウム弱酸塩または水酸化セシウム
化合物a−3;酢酸アンモニウムまたは水酸化アンモニウム
化合物a−4;Sb、As、Ag、Mg、Zn、Al、B、Ge、Sn、Pb、Ti、Zr、Cr、Re、Bi、W、Fe、Co、Ni、Ce、Th、KまたはRbを有する化合物からなる群から選ばれた1種以上の化合物
工程(b)
工程(a)で得られたスラリー液を乾燥してスラリー乾燥体を得る工程、
工程(b’)
工程(b)で得られたスラリー乾燥体に固体の銅を有する化合物を混合して粉体を得る工程、
工程(c)
工程(b’)で得られた粉体を、バインダーを用いて担体に被覆し、被覆成型物を得る工程、
工程(d)
工程(c)で得られた被覆成型物を焼成する工程、
からなることを特徴とするメタクロレイン、イソブチルアルデヒドまたはイソ酪酸の気相接触酸化によるメタクリル酸製造用被覆触媒の製法、
(12)化合物a−4を必須成分として使用する上記(10)または(11)記載の被覆触媒の製法、
(13)バインダーとして、水及び1気圧下での沸点が150℃以下である有機化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種を用いる上記(10)〜(12)のいずれか1項に記載の被覆触媒の製法、
(14)バインダーがエタノールである上記(13)記載の被覆触媒の製法、
(15)バインダーがエタノール/水=10/0〜5/5(質量比)である上記(13)記載の被覆触媒の製法、
(16)工程(d)において、被覆成型物を還元剤共存下で焼成する上記(10)〜(15)のいずれか1項に記載の被覆触媒の製法、
(17)還元剤がエタノールである上記(16)記載の被覆触媒の製法、
(18)上記(10)〜(17)のいずれか1項に記載の製法により得られるメタクロレイン、イソブチルアルデヒドまたはイソ酪酸の気相接触酸化によるメタクリル酸製造用被覆触媒、
に関するものである。
本発明の触媒を得る好ましい方法の1つは、Mo、V、P、Cu、Cs及びNH4並びに必要によりその他の元素をそれぞれ若しくは複数有する複数の化合物(以下場合によりこれら活性成分を有する化合物を「活性成分含有化合物」とも言う)を水に溶解及び/または分散(工程(A))させ、スラリー液を調製する際にセシウム化合物としてセシウム弱酸塩または水酸化セシウムを、また、アンモニウム化合物として酢酸アンモニウムをそれぞれ使用し、得られたスラリー液を乾燥(工程(B))する方法である。
本発明において、セシウム弱酸塩または水酸化セシウム及び酢酸アンモニウム以外のスラリー液調製用に用いられる活性成分含有化合物は、乾燥(工程(B))または焼成によりヘテロポリ酸またはその塩を形成する化合物が好ましい。該化合物としては活性成分元素の、塩化物、硫酸塩、硝酸塩、酸化物または酢酸塩等が挙げられる。好ましい化合物をより具体的に例示すると硝酸カリウムまたは硝酸コバルト等の硝酸塩、酸化モリブデン、五酸化バナジウム、三酸化アンチモン、酸化セリウム、酸化亜鉛または酸化ゲルマニウム等の酸化物、正リン酸、リン酸、硼酸、リン酸アルミニウムまたは12タングストリン酸等の酸(またはその塩)等が挙げられる。また、銅原料として酢酸銅(酢酸第一銅、酢酸第二銅、塩基性酢酸銅、酸化第二銅等、好ましくは酢酸第二銅)を使用すると好ましい効果を奏する場合がある。これらは単独で使用してもよいし、2種以上を混合して使用してもよい。
セシウム弱酸塩としては、セシウムと一般的に知られている弱酸の塩であれば特に制限はなく、例えば炭酸水素セシウム、炭酸セシウム、酢酸セシウム等が挙げられ、酢酸セシウムが好ましい。なお、これらのうち酢酸セシウムは、市販品をそのまま使用することができるが、例えば水酸化セシウムや炭酸セシウム等の、セシウムの水溶性塩の水溶液に等当量以上の酢酸を添加して酢酸セシウム水溶液として添加してもよい。
本発明において、Mo、V、P、Cu、Cs及びNH4以外の活性成分としては、メタクリル酸製造用触媒の成分元素として知られている化合物であれば特に制限はないが、Sb、As、Ag、Mg、Zn、Al、B、Ge、Sn、Pb、Ti、Zr、Cr、Re、Bi、W、Fe、Co、Ni、Ce、Th、K及びRbからなる群から選ばれる1種以上が挙げられ、これらのうちAs以外の元素が好ましい。
本発明における触媒の各活性成分の割合は、その原子比がモリブデン10に対して、バナジウムが通常0.1以上で6.0以下、好ましくは、0.3以上で2.0以下、特に好ましくは0.5以上で1.2以下、リンが通常0.5以上で6.0以下、好ましくは0.9以上で1.5以下、銅が通常0より大きく3.0以下、好ましくは0.01以上で1.0以下、特に好ましくは0.2以上で0.8以下、セシウムが通常0.01以上で3.0以下、好ましくは0.1以上で1.5以下、特に好ましくは0.2以上で1.0以下、アンモニウムが通常0.1以上で3.0以下、好ましくは0.5以上で3.0以下、特に好ましくは1.0以上で2.2以下である。必要により用いるその他の活性成分の種類及びその使用割合は、その触媒の使用条件等に合わせて、最適な性能を示す触媒が得られるように、適宜決定される。通常の条件で使用される好ましい触媒は、下記式(1)
Mo10VaPbCucCsd(NH4)eXfOg (1)
(式中Moはモリブデン、Vはバナジウム、Pはリン、Cuは銅、Csはセシウム、(NH4)はアンモニウム基を、XはSb、As、Ag、Mg、Zn、Al、B、Ge、Sn、Pb、Ti、Zr、Cr、Re、Bi、W、Fe、Co、Ni、Ce、Th、K及びRbからなる群から選ばれた1種以上の元素それぞれ表し、a〜gは、それぞれの元素の原子比を表し、aは0.1≦a≦6.0の正数、bは0.5≦b≦6.0の正数、cは0<c≦3.0の正数、dは0.01≦d≦3.0の正数、eは0.1≦e≦3.0の正数、fは0≦f≦3.0の正数をそれぞれ表す。gは各元素の酸酸価数によって定まる値である。)
で示される活性成分組成を有するものである。なお、この活性成分組成は、下記するスラリー乾燥体における組成を意味し、工程(d)を経た粉体の組成を必ずしも反映しているものではない。すなわち、焼成工程(工程(d))における焼成温度と焼成時間によって、NH4成分は揮発し、水素原子又は金属原子と置換することが考えられ、本発明者らの知見によるとスラリー乾燥体中のNH4成分が、焼成工程を経ることにより揮発する場合もある。NH4の揮発の程度は、焼成温度、焼成時間、焼成の雰囲気(空気中か窒素中か)によって異なるが、最大で90モル%程度揮発する。
前記式(1)において、元素XとしてはSbが好ましい。Sbは、前記式(1)において、0以上2.2以下、好ましくは0.01以上0.8以下の範囲で必要に応じ使用される。
該触媒は以下の手順により得ることができる。
まず活性成分含有化合物の水溶液または水分散体(以下、両者を含めてスラリー液という)を調製する。スラリー液は、各活性成分を有する複数の化合物と溶媒、好ましくは水とを均一に混合して得ることができる。該スラリー液は必要な活性成分含有化合物の全てを、触媒の必要量において含有することが好ましい。スラリー液を調製する際の活性成分含有化合物の添加順序に特に制限はないが、Mo、V及びPを有する化合物を先にスラリー液とし、その後セシウム弱酸塩または水酸化セシウム、酢酸アンモニウム及び銅を有する化合物をスラリー液に添加するほうが好ましい。
スラリー液を調製する際の温度は、調製に支障がない範囲であれば特に制限はないが、セシウム弱酸塩または水酸化セシウム、酢酸アンモニウム及び銅を有する化合物を添加する際の温度は、通常0〜35℃、好ましくは10〜30℃の範囲であるほうが、得られる触媒が高活性になる場合がある。この傾向は銅を有する化合物として酢酸銅を使用した場合に顕著になるので、スラリー液の調製方法は、前記好ましい添加方法を採用したほうが効率的になる。
本発明においては、スラリー液が水溶液であるのが好ましい。スラリー液における各活性成分の化合物の使用割合は、各活性成分の原子比が上記した範囲であれば特に制限はない。水の使用量は、用いる化合物の全量を完全に溶解できるか、または均一に混合できる量であれば特に制限はないが、下記する乾燥方法や乾燥条件等を勘案して適宜決定される。即ち、通常スラリー調製用化合物の合計質量100質量部に対して、200〜2000質量部程度である。水の量は多くてもよいが、多過ぎると乾燥工程のエネルギーコストが高くなり、また完全に乾燥できない場合も生ずるなどデメリットが多く、メリットはあまりないので適量が好ましい。
次いで上記で得られたスラリー液を乾燥し、スラリー乾燥体とする。乾燥方法は、スラリー液が完全に乾燥できる方法であれば特に制限はないが、例えばドラム乾燥、凍結乾燥、噴霧乾燥、蒸発乾固等が挙げられる。これらのうち本発明においては、スラリー液状態から短時間に粉末または顆粒に乾燥することができる噴霧乾燥やスラリー液を直接乾燥でき簡便である蒸発乾固が好ましく、蒸発乾固が特に好ましい。
噴霧乾燥の場合の乾燥温度はスラリー液の濃度、送液速度等によって異なるが概ね乾燥機の出口における温度が70〜150℃である。また、この際得られるスラリー乾燥体の平均粒径が30〜500μm程度となるよう乾燥するのが好ましい。蒸発乾固は定法に従って行えばよいが、この場合特にスラリー乾燥体が塊状もしくは大きな粒子として得られるので、適宜粉砕、好ましくは300μm以下となるように粉砕して使用する。本発明においてスラリー乾燥体といった場合、このように粉砕されたものもスラリー乾燥体に含むものとする。
こうして得られたスラリー乾燥体は、本発明の触媒として気相接触酸化反応に供することができるが、前記したように反応ガスの圧力損失を少なくするために、柱状物、錠剤、リング状、球状等に成型するのが好ましい。このうち選択性の向上や反応熱の除去が期待できることから不活性担体をスラリー乾燥体で被覆し、被覆触媒とするのが特に好ましい。なお、工程(A)において銅を有する化合物を使用せずにスラリー液を調製し、これを乾燥工程に供した後、得られた乾燥体と銅を有する化合物の粉末を混合したものを本発明の触媒とすることもできる。
以下、本発明の第二の実施態様である被覆触媒の製法につき説明する。
本発明の被覆触媒は、前記スラリー乾燥体を製造するに際し、工程(A)においてアンモニウム源として、更に水酸化アンモニウムを選択しうることを除き同様に行うことができる。即ち、水に原料化合物を溶解及び/または分散(工程(a))させスラリー液を調製し、これを乾燥(工程(b))し、スラリー乾燥体を得る。工程(a)において各原料化合物の添加順序に特に制限はないが、工程(A)におけると同様、Mo、V、Pを有する化合物を先にスラリー液とし、その後セシウム源、アンモニウム源及び銅源となる化合物をスラリー液に添加するほうが好ましい。工程(a)における場合もセシウム源、アンモニウム源及び銅源となる化合物を添加する際の温度は、通常0〜35℃、好ましくは10〜30℃が好ましい。
なお、工程(a)において銅を有する化合物を使用せずにスラリー液を調製し、これを乾燥工程に供した後、得られた乾燥体と銅を有する化合物の粉末を混合した混合物(工程(b’))から本発明の被覆触媒を得ることもできる。
得られたスラリー乾燥体(または前記混合物;以下、スラリー乾燥体は前記混合物を含む)を下記の被覆工程(工程(c))に供する。
被覆工程(工程(c))は以下に述べる転動造粒法が好ましい。この方法は、例えば固定容器内の底部に、平らなあるいは凹凸のある円盤を有する装置中で、円盤を高速で回転することにより、容器内の担体を自転運動と公転運動の繰り返しにより激しく撹拌させ、ここにバインダーとスラリー乾燥体並びに必要により他の添加剤例えば成型助剤及び強度向上材の混合物等を添加することにより該混合物を担体に被覆する方法である。バインダーの添加方法は、▲1▼前記混合物に予め混合しておく、▲2▼混合物を固定容器内に添加するのと同時に添加、▲3▼混合物を固定容器内に添加した後に添加、▲4▼混合物を固定容器内に添加する前に添加、▲5▼混合物とバインダーをそれぞれ分割し、▲2▼〜▲4▼を適宜組み合わせて全量添加する等の方法が任意に採用しうる。このうち▲5▼においては、例えば混合物の固定容器壁への付着、混合物同士の凝集がなく担体上に所定量が担持されるようオートフィーダー等を用いて添加速度を調節して行うのが好ましい。
バインダーは水及びその1気圧下での沸点が150℃以下の有機化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種であれば特に制限はないが、被覆後の乾燥等を考慮すると沸点100℃以下のものが好ましい。水以外のバインダーの具体例としてはメタノール、エタノール、プロパノール類、ブタノール類等のアルコール、好ましくは炭素数1〜4のアルコール、エチルエーテル、ブチルエーテルまたはジオキサン等のエーテル、酢酸エチルまたは酢酸ブチル等のエステル、アセトンまたはメチルエチルケトン等のケトン等並びにそれらの水溶液等が挙げられ、特にエタノールが好ましい。バインダーとしてエタノールを使用する場合、エタノール/水=10/0〜5/5(質量比)、好ましくは10/0〜7/3(質量比)であるが、エタノール濃度で10〜30質量%程度が特に好ましい。これらバインダーの使用量は、スラリー乾燥体100質量部に対して通常2〜60質量部、好ましくは5〜25質量部である。
本発明において用いうる担体の具体例としては、炭化珪素、アルミナ、シリカアルミナ、ムライト、アランダム等の直径1〜15mm、好ましくは2.5〜10mm、特に好ましくは2.5〜4.5mmの球形担体等が挙げられる。これら担体は通常は10〜70%の気孔率を有するものが用いられる。ここで、担体の気孔率は、担体の乾燥重量をW1、水中重量をW2、飽和吸水重量をW3とした場合に(W3−W1)/(W3−W2)×100で定義される値である。担体と被覆されるスラリー乾燥体の割合は通常、スラリー乾燥体/(スラリー乾燥体+担体)=10〜75質量%、好ましくは15〜60質量%となる範囲である。
被覆されるスラリー乾燥体の割合が多い場合、被覆触媒の反応活性は大きくなるが、機械的強度が小さくなる(磨損度が大きくなる)傾向がある。逆に、被覆されるスラリー乾燥体の割合が少ない場合、機械的強度は大きい(磨損度は小さい)が、反応活性は小さくなる傾向がある。
本発明においては、スラリー乾燥体を担体上に被覆する場合、更に必要によりシリカゲル、珪藻土、アルミナ粉末等の成型助剤を用いてもよい。成型助剤の使用量は、スラリー乾燥体100質量部に対して通常5〜60質量部である。
また、更に必要により触媒成分に対して不活性な、セラミックス繊維、ウイスカー等の無機繊維を強度向上材として用いる事は、触媒の機械的強度の向上に有用である。しかし、チタン酸カリウムウイスカーや塩基性炭酸マグネシウムウイスカーの様な触媒成分と反応する繊維は好ましくない。これら繊維の使用量は、スラリー乾燥体100質量部に対して通常1〜30質量部である。
上記成型助剤及び強度向上材等の添加剤は、通常被覆工程において、担体、スラリー乾燥体、バインダー等と共に造粒機中に添加し、担体の被覆に使用される。
このようにしてスラリー乾燥体を担体に被覆するが、この際得られる被覆品は通常直径が3〜15mm程度、好ましくは3.2〜5mm程度である。
こうして得られた被覆触媒はそのまま触媒として気相接触酸化反応に供することができるが、焼成(工程(d))すると触媒活性が向上する場合があり好ましい。この場合の焼成温度は通常100〜420℃、好ましくは250〜400℃、焼成時間は1〜20時間である。
なお、焼成は通常空気雰囲気下において行われるが、窒素のような不活性ガス雰囲気下で行っても良いし、不活性ガス雰囲気下での焼成後に必要に応じて更に空気雰囲気下で焼成を行っても良い。また、不活性ガス雰囲気下、好ましくは還元剤の存在下に焼成を行うと更に活性の高い触媒が得られる場合があり好ましい。還元剤としては焼成温度において好ましくは気体となるものであれば特に制限はなく、CO及び炭素数が2〜5のアルコール類、アルデヒド類、ケトン類、有機酸類が挙げられるが、特にエタノールが好ましい。
上記のようにして得られた本発明の触媒は、メタクロレイン、イソブチルアルデヒドまたはイソ酪酸を気相接触酸化してメタクリル酸を製造する際に使用される。なお、本発明の触媒といった場合、特に断らない限り、工程(A)〜(B)を経て得られたスラリー乾燥体、または工程(a)〜(c)(及び好ましくは更に工程(d))を経て得られた被覆触媒の両者を含む意味で使用する。
以下、本発明の触媒を使用するのに最も好ましい原料であるメタクロレインの気相接触反応場合につき説明する。
気相接触酸化反応には、分子状酸素または分子状酸素含有ガスが使用される。メタクロレインに対する分子状酸素の使用割合はモル比で0.5〜20の範囲が好ましく、特に1〜10の範囲が好ましい。反応を円滑に進行させることを目的として、原料ガス中に水をメタクロレインに対しモル比で1〜20の範囲で添加することが好ましい。
原料ガスは酸素、必要により水(通常水蒸気として含む)の他に窒素、炭酸ガス、飽和炭化水素等の反応に不活性なガス等を含んでいてもよい。
また、メタクロレインはイソブチレン、第三級ブタノール及びメチルターシャリーブチルエーテルを酸化して得られたガスをそのまま供給してもよい。
気相接触酸化反応における反応温度は通常200〜400℃、好ましくは260〜360℃、原料ガスの供給量は空間速度(SV)にして、通常100〜6000hr−1、好ましくは400〜3000hr−1である。
本発明による触媒を用いた場合、SVを上げても反応成績には大きな変化はなく、高空間速度にて反応を実施することが可能である。
また、接触酸化反応は加圧下または減圧下でも可能であるが、一般的には大気圧付近の圧力が適している。
なお、以下の例中の転化率、選択率及び収率は次の通りに定義される。
転化率=反応したメタクロレインのモル数/供給したメタクロ
レインのモル数×100
選択率=生成したメタクリル酸のモル数/反応したメタクロ
レインのモル数×100
収率=生成したメタクリル酸のモル数/供給したメタクロ
レインのモル数×100
なお、実施例中の触媒活性成分組成はいずれも仕込み原料から算出した比率である。また式において酸素は省略して表示した。
純水1200mlに三酸化モリブデン200gと五酸化バナジウム8.84g、及び85質量%正燐酸17.61gを添加し、90〜100℃で5時間加熱還流して赤褐色の透明溶液を得た。
続いて、そこに三酸化アンチモン6.07gを添加し、さらに90〜100℃で2時間加熱還流して三酸化アンチモンの溶解した濃紺色の溶液を得た。
続いて、この溶液を15〜20℃に冷却して、撹拌しながら純水150mlに酢酸セシウム13.33gを溶解した溶液と、純水150mlに酢酸アンモニウム16.06gを溶解した溶液を同時に徐々に添加し、続いて、さらにそのスラリー液に純水170mlに酢酸第二銅・一水和物11.09gを溶解した溶液を添加し、15〜20℃で1時間熟成させ緑青色のスラリー液を得た。
続いて、このスラリー液を湯煎による蒸発乾固で乾燥し、乳鉢で300μm以下に粉砕してスラリー乾燥体を得た。得られたスラリー乾燥体の組成は
Mo10V0.7P1.1Cu0.4Sb0.3Cs0.5(NH4)1. 5である。
続いて、得られたスラリー乾燥体215.9gを用い、強度向上材(セラミック繊維)29.8gと均一に混合して、球状多孔質アルミナ担体(粒径3.5mm、気孔率25.5%)200gに90質量%エタノール水溶液をバインダーとして、転動造粒法により被覆成型し、被覆成型物を得た。この間の粉末の損失はほとんど認められなかった。
次いで、得られた被覆成型物を空気流通下において310℃で5時間焼成して本発明の被覆触媒を得た。得られた被覆触媒の粒径は4.3mm(平均値)であった。
2)メタクロレインの触媒酸化反応
得られた被覆触媒10.3mlを内径18.4mmのステンレス反応管に充填し、原料ガス組成(モル比)=メタクロレイン:酸素:水蒸気:窒素=1:2.0:4.0:18.6、空間速度(SV)1200hr−1、反応浴温度310℃の条件でメタクロレインの酸化反応を実施した。最初、反応浴温度310℃で反応成績の測定をした後、反応浴温度を350℃に上げ15時間反応を続けた。次いで、反応浴温度を310℃に下げ反応成績の測定を行った。その反応結果を表1に示す。
純水2500mlに三酸化モリブデン350gと五酸化バナジウム17.69g、及び85質量%正燐酸32.27gを添加し、90〜100℃で5時間加熱還流して赤褐色の透明溶液を得た。
続いて、そこに三酸化アンチモン17.71gを添加し、さらに90〜100℃で2時間加熱還流して三酸化アンチモンの溶解した濃紺色の溶液を得た。
続いて、この溶液を15〜20℃に冷却して、撹拌しながら純水170mlに酢酸セシウム23.33gを溶解した溶液と、純水170mlに酢酸アンモニウム33.73gを溶解した溶液を同時に徐々に添加し、15〜20℃で1時間熟成させて緑青色のスラリー液を得た。
続いて、このスラリー液を湯煎による蒸発乾固で乾燥し、乳鉢で300μm以下に粉砕して粉体を得た。得られた粉体の組成は
Mo10V0.8P1.15Sb0.4Cs0.5(NH4)1.8である。
続いて上記粉体に原子比でMo10に対してCu0.4になる量の酢酸第二銅・一水和物の粉末19.41gと強度向上材(セラミック繊維)66.1gとを均一に添加混合して、球状多孔質アルミナ担体(粒径3.5mm、気孔率25.5%)444.1gに90質量%エタノール水溶液をバインダーとして転動造粒法により被覆成型し、被覆成型物を得た。得られた被覆触媒の粒径は4.3mm(平均値)であった。
得られた被覆成型物を、箱形熱風循環焼成炉を用いて窒素流通(5L/min.)下で還元剤としてエタノール(20g/h)を使用し380℃で10時間焼成して本発明の被覆触媒を得た。得られた被覆触媒の活性成分組成は、
Mo10V0.8P1.15Cu0.4Sb0.4Cs0.5(NH4)1.8である。
2)メタクロレインの触媒酸化反応
得られた被覆触媒を用いた以外は実施例1と同様にして、酸化反応を行った。反応結果を表2に示す。
純水1400mlに三酸化モリブデン200gと五酸化バナジウム10.11g、及び85質量%正燐酸18.42gを添加し、90〜100℃で5時間加熱還流して赤褐色の透明溶液を得た。
続いて、この溶液を15〜20℃に冷却して、撹拌しながら純水100mlに酢酸セシウム13.33gを溶解した溶液と、純水100mlに酢酸アンモニウム19.27gを溶解した溶液を同時に徐々に添加し、15℃〜20℃で1時間熟成させて緑青色のスラリー液を得た。
続いて、このスラリー液を湯煎による蒸発乾固で乾燥し、乳鉢で300μm以下に粉砕して粉体を得た。得られた粉体の組成は
Mo10V0.8P1.15Cs0.5(NH4)1.8である。
続いて上記粉体に原子比でMo10に対してCu0.4になる量の酢酸第二銅・一水和物の粉末11.09gと強度向上材(セラミック繊維)28.9gとを均一に添加混合して、球状多孔質アルミナ担体(粒径3.5mm、気孔率25.5%)200gに90質量%エタノール水溶液をバインダーとして転動造粒法により被覆成型し、被覆成型物を得た。得られた被覆触媒の粒径は4.3mm(平均値)であった。
得られた被覆成型物を、箱形熱風循環焼成炉を用いて窒素流通(5L/min.)下で還元剤としてエタノール(20g/h)を使用し、380℃で10時間焼成して本発明の被覆触媒を得た。得られた被覆触媒の活性成分組成は
Mo10V0.8P1.15Cu0.4Cs0.5(NH4)1.8である。
2)メタクロレインの触媒酸化反応
得られた被覆触媒を用いた以外は実施例1と同様にして、酸化反応を行った。反応結果を表3に示す。
比較例1
1)触媒の調製
純水1500mlに三酸化モリブデン200gと五酸化バナジウム8.84g、及び85質量%正燐酸18.42gを添加し、90〜100℃で5時間加熱還流して赤褐色の透明溶液を得た。
続いて、そこに三酸化アンチモン6.07gを添加し、さらに90〜100℃で2時間加熱還流して三酸化アンチモンの溶解した濃紺色の溶液を得た。
続いて、この溶液を15〜20℃に冷却して、撹拌しながら純水200mlに硝酸セシウム13.54gを溶解した溶液と、28%アンモニア水溶液26.08gを純水150mlに希釈したものを同時に徐々に添加し、15〜20℃で1時間熟成させて緑青色のスラリー液を得た。
続いて、このスラリー液を湯煎による蒸発乾固で乾燥し、乳鉢で300μm以下に粉砕して粉体を得た。得られた粉体の組成は
Mo10V0.7P1.15Sb0.3Cs0.5(NH4)1.5である。
続いて上記粉体に原子比でMo10に対して0.4になる量の酢酸第二銅・一水和物の粉末11.09gと強度向上材(セラミック繊維)34.7gとを均一に添加混合して、球状多孔質アルミナ担体(粒径3.5mm、気孔率25.5%)232.6gに90質量%エタノール水溶液をバインダーとして転動造粒法により被覆成型し、被覆成型物を得た。得られた被覆成型物の粒径は4.3mm(平均値)であった。
得られた被覆成型物は、空気流通下において310℃で5時間焼成して比較用の被覆触媒を得た。得られた被覆触媒の組成は
Mo10V0.7P1.15Cu0.4Sb0.3Cs0.5(NH4)1.5である。
2)メタクロレインの触媒酸化反応
得られた被覆触媒を用い、反応浴温度を310℃でのみ行った以外は実施例1と同様にして、酸化反応を行った。反応結果を表4に示す。
比較例2
酢酸アンモニウムを使用せず、85質量%正燐酸の量を20.09gに、三酸化アンチモンの量を8.09gにそれぞれ変えた他は比較例1と同様にして比較用の被覆触媒を得た。得られた被覆触媒の粒径は4.3mm(平均値)であった。
比較例3
酢酸セシウムと酢酸アンモニウムを使用せず、酢酸第二銅・一水和物の量を24.26gに変えた他は実施例2と同様にして比較用の被覆触媒を得た。得られた被覆触媒の粒径は4.3mm(平均値)であった。
比較例4
酢酸セシウムを使用しなかった他は実施例2と同様にして比較用の被覆触媒を得た。得られた被覆触媒の粒径は4.3mm(平均値)であった。
比較例5
85質量%正燐酸の量を19.22gに、硝酸セシウム13.54gを酢酸カリウム7.02gにそれぞれ変えた他は比較例1と同様にして比較用の被覆触媒を得た。得られた被覆触媒の粒径は4.3mm(平均値)であった。
比較例6
85質量%正燐酸の量を19.22gに、硝酸セシウム13.54gを酢酸ルビジウム10.25gにそれぞれ変えた他は比較例1と同様にして比較用の被覆触媒を得た。得られた被覆触媒の粒径は4.3mm(平均値)であった。
試験例
実施例4〜10及び比較例2〜6で得られた被覆触媒につき浴温350℃×15時間の条件で実施例1と同様に酸化反応を行った後、浴温を310℃に下げ反応成績を測定した。結果を表5に被覆触媒の各触媒活性成分の原子比と共に示す。
Claims (18)
- Mo、V、P、Cu、Cs及びNH4を必須の活性成分とするヘテロポリ酸を含むヘテロポリ酸塩を触媒活性成分とする触媒であって、該触媒活性成分のうちCs原料としてセシウム弱酸塩または水酸化セシウムを、また、NH4原料として酢酸アンモニウムをそれぞれ使用して得られるものであることを特徴とするメタクロレイン、イソブチルアルデヒドまたはイソ酪酸を気相接触酸化してメタクリル酸を製造するための触媒。
- Cs原料が酢酸セシウムまたは水酸化セシウムである請求の範囲第1項記載の触媒。
- 活性成分として砒素を含有しない請求の範囲第1または2項記載の触媒。
- Cu原料として酢酸銅または酸化第二銅を使用した請求の範囲第1項〜3項のいずれか一項に記載の触媒。
- 触媒活性成分の組成が下記式(1)
Mo10VaPbCucCsd(NH4)eXfOg (1)
(式中Moはモリブデン、Vはバナジウム、Pはリン、Cuは銅、Csはセシウム、(NH4)はアンモニウム基を、XはSb、As、Ag、Mg、Zn、Al、B、Ge、Sn、Pb、Ti、Zr、Cr、Re、Bi、W、Fe、Co、Ni、Ce、Th、K及びRbからなる群から選ばれた1種以上の元素をそれぞれ表し、a〜gは、それぞれの元素の原子比を表し、aは0.1≦a≦6.0の正数、bは0.5≦b≦6.0の正数、cは0<c≦3.0の正数、dは0.01≦d≦3.0の正数、eは0.1≦e≦3.0の正数、fは0≦f≦3.0の正数をそれぞれ表す。gは各元素の酸酸価数によって定まる値である。)
で表される請求の範囲第1〜4項のいずれか一項に記載の触媒。 - aが0.5≦a≦1.2の正数、bが0.9≦b≦1.5の正数、cが0.2≦c≦0.8の正数、dが0.2≦d≦0.8の正数、eが1.0≦e≦2.2の正数、fが0≦f≦0.8である請求の範囲第5項記載の触媒。
- Sbを必須成分とする請求の範囲第5または6項記載の触媒。
- 工程(A)
下記化合物A−1〜A−3及び必要により化合物A−4を水と混合し、これらの化合物の水溶液または水分散体(以下、両者を含めてスラリー液という)を調製する工程、
化合物A−1;Moを有する化合物、Vを有する化合物、Pを有する化合物及びCuを有する化合物
化合物A−2;セシウム弱酸塩または水酸化セシウム
化合物A−3;酢酸アンモニウム
化合物A−4;Sb、As、Ag、Mg、Zn、Al、B、Ge、Sn、Pb、Ti、Zr、Cr、Re、Bi、W、Fe、Co、Ni、Ce、Th、KまたはRbを有する化合物からなる群から選ばれた1種以上の化合物
工程(B)
工程(A)で得られたスラリー液を乾燥してスラリー乾燥体を得る工程
からなることを特徴とするメタクロレイン、イソブチルアルデヒドまたはイソ酪酸の気相接触酸化によるメタクリル酸製造用触媒の製法。 - 化合物A−4を必須成分として使用する請求の範囲第8項記載の触媒の製法。
- 工程(a)
下記化合物a−1〜a−3及び必要により化合物a−4を水と混合し、これらの化合物の水溶液または水分散体(以下、両者を含めてスラリー液という)を調製する工程、
化合物a−1;Moを有する化合物、Vを有する化合物、Pを有する化合物及びCuを有する化合物
化合物a−2;セシウム弱酸塩または水酸化セシウム
化合物a−3;酢酸アンモニウムまたは水酸化アンモニウム
化合物a−4;Sb、As、Ag、Mg、Zn、Al、B、Ge、Sn、Pb、Ti、Zr、Cr、Re、Bi、W、Fe、Co、Ni、Ce、Th、KまたはRbを有する化合物からなる群から選ばれた1種以上の化合物
工程(b)
工程(a)で得られたスラリー液を乾燥してスラリー乾燥体を得る工程、
工程(c)
工程(b)で得られたスラリー乾燥体を、バインダーを用いて担体に被覆し、被覆成型物を得る工程、
工程(d)
工程(c)で得られた被覆成型物を焼成する工程、
からなることを特徴とするメタクロレイン、イソブチルアルデヒドまたはイソ酪酸の気相接触酸化によるメタクリル酸製造用被覆触媒の製法。 - 工程(a)
下記化合物a−1〜a−3及び必要により化合物a−4を水と混合し、これらの化合物のスラリー液を調製する工程、
化合物a−1;Moを有する化合物、Vを有する化合物、Pを有する化合物及びCuを有する化合物
化合物a−2;セシウム弱酸塩または水酸化セシウム
化合物a−3;酢酸アンモニウムまたは水酸化アンモニウム
化合物a−4;Sb、As、Ag、Mg、Zn、Al、B、Ge、Sn、Pb、Ti、Zr、Cr、Re、Bi、W、Fe、Co、Ni、Ce、Th、KまたはRbを有する化合物からなる群から選ばれた1種以上の化合物
工程(b)
工程(a)で得られたスラリー液を乾燥してスラリー乾燥体を得る工程、
工程(b’)
工程(b)で得られたスラリー乾燥体に固体の銅を有する化合物を混合して粉体を得る工程、
工程(c)
工程(b’)で得られた粉体を、バインダーを用いて担体に被覆し、被覆成型物を得る工程、
工程(d)
工程(c)で得られた被覆成型物を焼成する工程、
からなることを特徴とするメタクロレイン、イソブチルアルデヒドまたはイソ酪酸の気相接触酸化によるメタクリル酸製造用被覆触媒の製法。 - 化合物a−4を必須成分として使用する請求の範囲第10または11項記載の被覆触媒の製法。
- バインダーとして、水及び1気圧下での沸点が150℃以下である有機化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種を用いる請求の範囲第10〜12項のいずれか1項に記載の被覆触媒の製法。
- バインダーがエタノールである請求の範囲第13項記載の被覆触媒の製法。
- バインダーがエタノール/水=10/0〜5/5(質量比)である請求の範囲第13項記載の被覆触媒の製法。
- 工程(d)において、被覆成型物を還元剤共存下で焼成する請求の範囲第10〜15項のいずれか1項に記載の被覆触媒の製法。
- 還元剤がエタノールである請求の範囲第16項記載の被覆触媒の製法。
- 請求の範囲第10〜17項のいずれか1項に記載の製法により得られるメタクロレイン、イソブチルアルデヒドまたはイソ酪酸の気相接触酸化によるメタクリル酸製造用被覆触媒。
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