JPWO2020203581A1 - ニトリル化合物の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
アンモ酸化反応において、供給ガスの組成、接触時間、反応温度等の反応条件は、ニトリル化合物の収率や生産性を決定する重要な因子であり、一般に厳密に管理されている。しかし、アンモ酸化によってニトリル化合物を製造する場合、工業的には酸素源として空気が用いられるが、酸素源として空気を用いる場合には空気中の酸素濃度が一定ではない。
一方、当該炭酸アンモニウムを回収するために冷却装置などを別途設けると設備が大型化するという懸念もあった。また、能力が高い大型の冷却装置導入はコスト面でも問題がある。
前記反応器から反応ガスを排出し、前記反応ガスから前記ニトリル化合物を分離する第2の工程と、
前記反応ガスから前記ニトリル化合物を分離した第1の残ガスからミストを捕集し、前記第1の残ガス中の水と炭酸アンモニウムとを除去する第3の工程と、
を含むニトリル化合物の製造方法。
<2> 前記第3の工程において、ミストエリミネータによって前記第1の残ガスから前記ミストを除去する前記<1>に記載のニトリル化合物の製造方法。
<3> 前記ミストエリミネータが、ベーン型ミストエリミネータである、前記<2>に記載のニトリル化合物の製造方法。
<4> 前記環状化合物が、炭素環化合物、又は、複素環化合物である、前記<1>〜前記<3>のいずれかに記載のニトリル化合物の製造方法。
<5> 前記ニトリル化合物が、芳香族ニトリル化合物である、前記<1>〜前記<4>のいずれかに記載のニトリル化合物の製造方法。
<6> 前記環状化合物が、メタキシレンであり、前記ニトリル化合物がイソフタロニトリルである、前記<1>〜前記<5>のいずれかに記載のニトリル化合物の製造方法。
<7> 前記第1の残ガスから前記水と前記炭酸アンモニウムとを除去した第2の残ガスを、前記反応器に再供給する前記<1>〜前記<6>のいずれかに記載のニトリル化合物の製造方法。
<8> 前記第2の残ガスの前記反応器への供給量が、前記反応器の入口から新たに供給される前記原料ガスに対して、10〜60容量%である、前記<7>に記載のニトリル化合物の製造方法。
本実施形態のニトリル化合物の製造方法(以下、単に「本実施形態の製造方法」と称することがある。)は、
有機置換基を有する環状化合物、アンモニア、及び、空気を含む原料ガスを反応器に導入し、前記原料ガスを触媒の存在下で反応させてニトリル化合物を生成する第1の工程と、
前記反応器から反応ガスを排出し、前記反応ガスから前記ニトリル化合物を分離する第2の工程と、
前記反応ガスから前記ニトリル化合物を分離した第1の残ガスからミストを捕集し、前記第1の残ガス中の水と炭酸アンモニウムとを除去する第3の工程と、
を含む。
第1の工程は、有機置換基を有する環状化合物、アンモニア、及び、空気を含む原料ガスを反応器に導入し、前記原料ガスを触媒の存在下で反応させてニトリル化合物を生成する工程である。本実施液体において「原料ガス」とは、反応器に供給されるガスであり、少なくとも、有機置換基を有する環状化合物、アンモニア、及び、空気を含む。第1の工程においては、原料ガスを用いたアンモ酸化反応によって、例えば、芳香族ニトリル化合物等のニトリル化合物が生成される。反応器内にて生成したニトリル化合物を含む反応ガスは、第2の工程にて反応器内から排出される。
本実施形態における原料ガス中に用いられる有機置換基を有する環状化合物としては、有機置換基を有する炭素環化合物、又は、複素環化合物を挙げることができる。以下、有機置換基を有する環状化合物を「本実施形態における環状化合物」と称することがある。
なお、本実施形態における「容量%」とは0℃、1気圧のいわゆる標準状態における体積比を意味する。
上述のように、本実施形態の製造方法では、触媒存在下に原料ガスを供給し、気相接触アンモ酸化反応によって、ニトリル化合物を製造する。アンモ酸化反応の反応形式としては、固定床、移動床、流動床等の形式が例示されるが、反応温度の制御や装置コスト等の面から流動床形式が好適に用いられる。本実施形態で用いる触媒は気相接触反応に適したアンモ酸化用触媒であれば特に制限されない。当該触媒としては、例えば、バナジウム、モリブテン、鉄から選ばれた少なくとも一種の元素の酸化物を含む触媒が好適に用いられる。流動床形式に用いられる流動層触媒の場合、触媒の粒径は10〜300μmの範囲、平均粒径は30〜200μm、好ましくは40〜100μmの範囲であることが好ましい。また、触媒の嵩密度は0.5〜2g/cm3、好ましくは0.7〜1.5g/cm3の範囲が好ましい。
実施形態における原料ガス中に含まれる、アンモニアとしては、特に限定はないが、工業用グレードのものを用いることができる。アンモニアの使用量が少なすぎるとニトリル化合物の収率が低下し、一方当該使用量が多すぎると未反応アンモニアのロス又は回収コスト増大により工業的に不利となる。かかる観点から、アンモニアの使用量は、原料ガス中の本実施形態における環状化合物に含まれる有機置換基に対するアンモニアのモル比(NH3/有機置換基)が、1〜10倍モル、好ましくは3〜7倍モルの範囲であることが好ましい。
本実施形態においては、反応器出口より排出される反応ガスから、目的物であるニトリル化合物を分離した後の残ガス成分(第1の残ガス)中のミストを除去して第2の残ガスとした後、アンモ酸化反応器に再供給する構成とすることができるが、第1及び第2の残ガス中にアンモニアが無視できない量含有される場合は、適宜新たに供給するアンモニアの量を調整してもよい。
本実施形態の製造方法では酸素源として空気が用いられる。空気の使用量は、使用量が少なすぎるとニトリル化合物の収率が低下し、多すぎると空時収率が小さくなる。かかる観点から、空気の使用量は、原料ガス中の本実施形態における環状化合物に含まれる有機置換基に対する酸素のモル比(O2/有機置換基)として、1.5〜7倍モル、好ましくは1.5〜5倍モル比の範囲となるように調節することが好ましい。
反応器中で、触媒存在下で実施されるアンモ酸化の反応圧力は、常圧、加圧或いは減圧のいずれでもよいが、常圧付近から0.2MPaの範囲が好ましい。また、原料ガスと触媒との接触時間は、本実施形態における環状化合物の種類、供給原料組成、反応温度等の条件に依存するが、通常は0.5秒間〜30秒間の範囲である。
第2の工程は、前記反応器から反応ガスを排出し、前記反応ガスから前記ニトリル化合物を分離する工程である。本実施液体において「反応ガス」とは、少なくとも、反応器内で生成したニトリル化合物を含むガスを意味する。また、第1の工程において反応器内で生成したニトリル化合物を含む反応ガスには、当該ニトリル化合物の他、アンモニア、シアン化水素、二酸化炭素、水、一酸化炭素、窒素、酸素、未反応の炭素環化合物又は複素環化合物等の環状化合物などの“残ガス成分”を含む。
第2の工程は、例えば、後述するニトリル捕集塔などで実施される。また、第2の工程においてニトリルガスが分離されたガスは、第1の残ガスとして次工程である第3の工程に送られる。
反応ガスからニトリル化合物を分離回収する方法としては、(1)反応ガスをニトリル化合物が可溶である有機溶媒と接触させてニトリル化合物を溶媒中に捕集して、残ガス成分と分離する方法、(2)反応ガスを冷却してニトリル化合物を固体又は液体として析出又は凝縮せしめて残ガス成分と分離する方法、等が挙げられる。
前記(1)の方法の場合、有機溶媒としては、アルキルベンゼン、複素環化合物、芳香族ニトリル、複素環ニトリル等の有機溶媒が用いられる。当該有機溶媒として、アンモ酸化反応において生成するニトリル化合物を用いると取扱い物質が増加せず有利である。また、例えば、本実施形態の製造方法においては、本実施形態における環状化合物としてメタキシレンを用いてイソフタロニトリルを得る場合には、アンモ酸化反応で副生するメタトルニトリルを触媒として用いることが好適に使用できる。
第3の工程は、前記反応ガスから前記ニトリル化合物を分離した第1の残ガスからミストを捕集し、前記第1の残ガス中の水と炭酸アンモニウムとを除去する工程である。本実施液体において「第1の残ガス」とは、反応ガスからニトリル化合物を分離した、上述の残ガス成分を有するガスを意味する。ただし、第1の残ガスは、第2の工程で分離しきれなかったニトリル化合物を含んでいてもよい。
一方、キシレンを用いてイソフタロニトリルを製造するなどの際には、反応よって水が多く生成される。当該反応によって生成された水は、ガス流量が多い場合にはミスト状になりやすい。ミスト状の水分は循環ガスに同伴されやすいため水滴などある程度のサイズを有する場合と比して反応系外に排出しにくく、反応系内に滞留しやすい。これに対し、本実施形態の製造方法においては、第3の工程において直接ミスト捕集するため、反応系内におけるミストの存在量を低減でき、炭酸アンモニウムの析出の抑制効果をより高めることができる。
「ミストエリミネータ」は、ミストセパレータとも呼ばれており、捕集体への慣性衝突、拡散、遮り、重力等を利用したミスト捕集機構を有する装置である。ミストエリミネータは、メッシュ型、ベーン型、キャンドル型があり、一般的に公知のミストエリミネータを使用することができる。これらミストエリミネータは、用いる捕集方法(例えば、捕集体への慣性衝突、ミストのブラウン運動による拡散、重力等)によっても区別可能である。例えば、メッシュ型やベーン型のミストエリミネータは捕集体への慣性衝突を利用しており、キャンドル型はブラウン運動を利用している。また、前記ミストエリミネータとしては、公知のものを適宜選定して使用することができるが、工業的にニトリル化合物を製造する際に使用する場合は、大きいガス流速にも対応できるベーン型ミストエリミネータを好適に使用することができる。ベーン型ミストエリミネータは、捕集体への慣性衝突を利用したミストエリミネータであり、高負荷及び高流速が求められる条件下において好適に利用することができる。なお、ミストエリミネータ(セパレータ)の原理などについては、例えば、奥山喜久夫著「ミストセパレータの性能とその応用」(環境技術、1973 年 2 巻 11 号 p. 824−830)等に記載されている。
本実施形態の製造方法においては、第3の工程において、前記第1の残ガスから前記水と前記炭酸アンモニウムとを除去した第2の残ガスを、上述の反応器に再供給する工程を有していてもよい。本実施形態において「第2の残ガス」とは、第3の工程にてミストが捕集された後の第1の残ガスを意味する。第2の残ガスには、少なくとも酸素が含まれ、その他、二酸化炭素、一酸化炭素、窒素、酸素、未反応の炭素環化合物又は複素環化合物等の環状化合物等などが含まれる。また、第2の残ガスには、第2及び第3の工程にて除去しきれなかったニトリル化合物や水などが含まれていてもよい。
本実施形態においては第2の残ガスを反応器に再供給するにあたり、反応器に供給される。
以下、図1を用いて本実施形態の製造方法の流れについて説明する。図1は、本実施形態のニトリル化合物の製造工程の一例を示す概略図である。
図1に示す本実施形態の製造方法は、アンモ酸化反応を流動層反応でおこない、反応器から排出される反応ガスを溶媒と接触させて捕集を行い、捕集後の第1の残ガスをさらに水と接触させてアンモニアを捕集する。ついで、ミストエリミネータによって第1の残ガスからミストを除去し、その後、第2の残ガスをアンモ酸化反応器に再供給する態様である。
[実施例1]
<触媒の調製>
無水クロム酸CrO3196gを純水200mLに溶解しクロム酸水溶液を調製した。
つぎに、シュウ酸753gに純水600mLを加え、50℃〜60℃に加熱してシュウ酸水溶液を調製した。このシュウ酸水溶液に操幹下、前記クロム酸水溶液を徐々に加えシュウ酸クロム水溶液を調製した。
図2に示すように、反応管10の入口側下降部11を予熱層とし、反応管10の出口側上昇部12を触媒層とした。ついで、上述から得られた触媒をペンチで8つに破砕し、その後、目開き1.25mm、ついで0.95mmで篩分けして0.95〜1.25mmの破砕触媒Aを調製した。そして、触媒層の全体に破砕触媒Aを10g充填した。
さらに、イソフタロニトリル除去後のガス(第1の残ガス)から濾過度40μmのミストセパレータ(製品名、日本精機(株)製;BN−2720−8)を用いて、水分を除去した。
その後、得られたガス(第2の残ガス)を、50cm内径6mmのテフロン(登録商標)チューブを通過させた。
結果、初期のpHは9であり、2段の曲線が得られた。2段目のピークより炭酸アンモニウムの回収量を確認した結果、0.004molの炭酸アンモニウムが確認された。
実施例1においてミストセパレータを用いなかった以外は同様にして、イソフタロニトリルを生成した。最終的に得られたガスについて、実施例1と同様に炭酸アンモニアの含有量を測定した。
テフロンチューブより回収された炭酸アンモニウムは0.01molであった。
実施例と異なり、テフロンチューブには白色の粉末が多く付着している状態であり、閉塞が懸念される状況であった。
また、明細書に記載された全ての文献、特許出願、及び技術規格は、個々の文献、特許出願、及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
Claims (8)
- 有機置換基を有する環状化合物、アンモニア、及び、空気を含む原料ガスを反応器に導入し、前記原料ガスを触媒の存在下で反応させてニトリル化合物を生成する第1の工程と、
前記反応器から反応ガスを排出し、前記反応ガスから前記ニトリル化合物を分離する第2の工程と、
前記反応ガスから前記ニトリル化合物を分離した第1の残ガスからミストを捕集し、前記第1の残ガス中の水と炭酸アンモニウムとを除去する第3の工程と、
を含むニトリル化合物の製造方法。 - 前記第3の工程において、ミストエリミネータによって前記第1の残ガスから前記ミストを除去する請求項1に記載のニトリル化合物の製造方法。
- 前記ミストエリミネータが、ベーン型ミストエリミネータである、請求項2に記載のニトリル化合物の製造方法。
- 前記環状化合物が、炭素環化合物、又は、複素環化合物である、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のニトリル化合物の製造方法。
- 前記ニトリル化合物が、芳香族ニトリル化合物である、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のニトリル化合物の製造方法。
- 前記環状化合物が、メタキシレンであり、前記ニトリル化合物がイソフタロニトリルである、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載のニトリル化合物の製造方法。
- 前記第1の残ガスから前記水と前記炭酸アンモニウムとを除去した第2の残ガスを、前記反応器に再供給する請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載のニトリル化合物の製造方法。
- 前記第2の残ガスの前記反応器への供給量が、前記反応器の入口から新たに供給される前記原料ガスに対して、10〜60容量%である、請求項7に記載のニトリル化合物の製造方法。
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