JP5424914B2 - メタクリル酸製造用触媒およびその製造方法、ならびにメタクリル酸の製造方法 - Google Patents
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Description
(a)ヘテロポリ酸(塩)は中心に異種元素があり、酸素を共有して縮合酸基が縮合して形成される単核または複核の錯イオンを有している。縮合形態は数種類知られており、リン、ヒ素、ケイ素、ゲルマニウム、チタン等が中心元素となり得る。
(b)触媒調製時にモリブデン及びバナジウム成分の原料として酸化物を使用し、カリウム、ルビジウム、セシウム及びタリウム以外の触媒原料と水との混合物を85℃以上に1〜10時間加熱したのち、該混合液を80℃以上に冷却し、カリウム、ルビジウム、セシウム及びタリウムからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素を添加し、次いで混合液温80℃以下でさらに硝酸アンモニウム、炭酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウム、硫酸アンモニウム及び硫酸水素アンモニウムからなる群より選ばれた少なくとも1種の化合物を添加した後、水を除去し残留物を熱処理することを特徴とするリン、モリブデン及びバナジウムを含む多成分系のメタクリル酸製造用触媒。
一方、特許文献2〜4には、イソブタンからメタクリル酸の選択率を向上させるヘテロポリ酸系触媒として、以下の触媒が開示されている。
(c)リンまたはヒ素を中心元素とし、モリブデンを含むヘテロポリ酸(塩)を、ヘテロポリ酸一分子当たり一〜六電子相当還元した触媒(特許文献2)。
(d)リン、ヒ素を中心元素、モリブデン、バナジウムを配位元素として含み、その比率がモリブデン12グラム原子に対して中心元素が0.5〜3グラム原子、バナジウムが0.01〜2グラム原子であるヘテロポリ酸(塩)を含む触媒(特許文献3)。
(e)ヘテロポリ酸の難水溶性の塩、およびリン、モリブデン、バナジウムを含む複合酸化物を含有する触媒(特許文献4)。
る際に用いられる、リン元素、モリブデン元素、X元素(ケイ素、チタン、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモンおよびセリウムからなる群より選ばれた少なくとも1種類の元素)およびアルカリ金属元素を含む触媒の製造方法であって、
(i)水中に少なくともモリブデン原料およびX元素の原料を添加して、ヘテロポリ酸を含む水性スラリーまたは水溶液を調製する工程と、
(ii)前記水性スラリーまたは水溶液に、アルカリ金属化合物を添加して、前記ヘテロポリ酸の少なくとも一部のアルカリ金属塩であるヘテロポリ酸塩を析出させる工程と、
(iii)前記ヘテロポリ酸塩が析出している水性スラリーにリン原料を添加する工程と、
(iv)リン原料を添加した後、前記水性スラリーの温度を70℃以下に保持し噴霧乾燥により乾燥物を得る工程と、
(v)前記乾燥物を熱処理する工程と
を有することを特徴とする。
本発明は、リン元素、モリブデン元素、X元素(ケイ素、チタン、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモンおよびセリウムからなる群より選ばれた少なくとも1種類の元素)およびアルカリ金属元素を含む触媒であり、下記式(1)で表される組成を有することが好ましい。
(式中、Mo、P、V、CuおよびOはそれぞれモリブデン、リン、バナジウム、銅および酸素を示す元素記号である。Xはケイ素、チタン、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモンおよびセリウムからなる群より選ばれた少なくとも1種類の元素を示し、Yはビスマス、ジルコニウム、銀、鉄、亜鉛、クロム、マグネシウム、コバルト、マンガン、バリウム、セリウムおよびランタンからなる群より選ばれた少なくとも1種類の元素を示し、Zはカリウム、ルビジウムおよびセシウムからなる群より選ばれた少なくとも1種類の元素を示す。a、b、c、d、e、f、gおよびhは各元素の原子比率を表し、a=12のとき、b=0.5〜3、c=0.01〜3、d=0.01〜2、e=0.1〜3、f=0〜3、g=0.01〜3であり、hは前記各元素の原子価を満足するのに必要な酸素の原子比率である。)
本発明の触媒は、以下の工程を有する製造方法により製造される。
・工程(i):水中に少なくともモリブデン原料およびX元素の原料を添加して、ヘテロポリ酸を含む水性スラリーまたは水溶液を調製する(調製工程)。
・工程(ii):前記水性スラリーまたは水溶液にアルカリ金属化合物を添加して、前記ヘテロポリ酸の少なくとも一部がアルカリ金属塩になったヘテロポリ酸塩を析出させる(析出工程)。
・工程(iii):前記ヘテロポリ酸塩が析出している水性スラリーに、リン原料を添加する(リン添加工程)。
・工程(iv):リン原料を添加した後、前記水性スラリーの温度を70℃以下に保持し噴霧乾燥により乾燥物を得る工程(乾燥工程)。
・工程(v):前記乾燥物を熱処理する工程(熱処理工程)。
この工程では、水中に少なくともモリブデン原料およびX元素の原料を添加して、ヘテロポリ酸を含む水性スラリーまたは水溶液を調製する。リン原料は、この工程では添加しないことが好ましいが、X元素の原料中のX元素のモル数より少ないモル数のリン元素を供給する量のリン原料であれば添加してもよい。なお、モリブデン原料、リン原料、X元素の原料およびアルカリ金属化合物以外の原料(式(1)で表される組成を有する触媒を製造する場合においては、バナジウム原料、銅原料およびY元素の原料)等は、調製工程、析出工程およびリン添加工程のいずれの段階で添加しても構わない。添加する原料の配合量は、目的とする触媒の組成に応じて適宜決定すればよい。
この工程では、調製工程で得られた水性スラリーまたは水溶液にアルカリ金属化合物を添加して、ヘテロポリ酸の少なくとも一部がアルカリ金属塩になったヘテロポリ酸塩を析出させる。アルカリ金属化合物を添加する前に、水性スラリーまたは水溶液を冷却することが好ましい。冷却温度は20〜80℃が好ましく、40〜70℃がより好ましい。
この工程では、ヘテロポリ酸塩が析出している水性スラリーにリン原料を添加する。リン原料としては、正リン酸、五酸化リン、リン酸アンモニウム等が挙げられる。リン原料の添加量は、目的とする触媒の組成に応じて適宜決定すればよい。
この工程では、全ての原料を含む水性スラリーを乾燥することで乾燥物を得る。本発明における乾燥方法としては、モリブデン及びリン原料を含んだ水性スラリーに対し長時間にわたり熱が加えられるのを抑制するため、噴霧乾燥法を用いる。この際に使用する機種や乾燥温度などの条件は特に限定されないが、乾燥するスラリーに熱が加えられる時間が短くなるように乾燥を行うことが好ましい。この際、所望する乾燥品の形状や大きさにより適宜乾燥温度を選択する。
得られた乾燥物をそのまま熱処理してもよいが、その乾燥物を賦形し、得られた賦形品を熱処理してもよい。また、乾燥物を後述する熱処理工程で熱処理したものを賦形してもよい。乾燥物または熱処理した乾燥物の賦形に用いる装置としては、打錠成形機、押出成形機、転動造粒機等の公知の粉体用成形機が挙げられる。賦形品の形状としては特に制限はなく、球状、リング状、円柱状、星型状等の任意の形状が挙げられる。
この工程では、乾燥物または乾燥物の賦形品を熱処理することで、触媒を得ることができる。熱処理条件としては、特に限定はなく、公知の熱処理条件を適用できる。熱処理は、通常、空気等の酸素含有ガス流通下および/または不活性ガス流通下で、200〜500℃、好ましくは300〜450℃で、0.5時間以上、好ましくは1〜40時間で行う。
気相接触酸化してメタクリル酸を高収率で製造できる触媒となる。
本発明のメタクリル酸の製造方法は、上記本発明のメタクリル酸製造用触媒を用いて、メタクロレインを分子状酸素により気相接触酸化してメタクリル酸を製造することを特徴とする。
メタクロレインの反応率(%)=(B/A)×100
メタクリル酸の選択率(%) =(C/B)×100
メタクリル酸の収率(%) =(C/A)×100
式中、Aは供給したメタクロレインのモル数、Bは反応したメタクロレインのモル数、Cは生成したメタクリル酸のモル数である。
純水400部に、三酸化モリブデン100部、メタバナジン酸アンモニウム3.1部、60質量%ヒ酸7.5部および硝酸銅(II)3水和物1.5部を溶解し、これを攪拌しながら95℃に昇温し、液温を95℃に保ちつつ3時間攪拌した。50℃まで冷却後、回転翼攪拌機を用いて攪拌しながら、純水20部に溶解した重炭酸セシウム13.5部および純水20部に溶解した硝酸アンモニウム11.6部を滴下して、ヘテロポリ酸塩を析出させた後、15分攪拌した。析出したヘテロポリ酸塩はケギン型構造を有していた。この水性スラリーに85質量%リン酸水溶液7.3部を滴下し、さらに50℃で15分攪拌した。
この触媒を反応管に充填し、メタクロレイン5容量%、酸素10容量%、水蒸気30容量%、窒素55容量%の原料ガスを反応温度290℃、接触時間3.6秒で通じた。生成物を捕集し、ガスクロマトグラフィーで分析してメタクロレインの反応率、メタクリル酸の選択率、およびメタクリル酸の収率を求めた。結果を表1に示す。
85質量%リン酸水溶液滴下した水性スラリーを60℃まで加熱し、温度を60℃に保持しつつ15分間攪拌を行った後噴霧乾燥を行った以外は実施例1と同様にして乾燥物を得た。なお、途中析出したヘテロポリ酸塩はケギン型構造を有し、乾燥物中のヘテロポリ酸(塩)は、ケギン型構造を有していた。この乾燥物を実施例1と同様にして触媒を得た。得られた触媒の元素組成は、次の通りであった。
実施例1と同様にしてメタクリル酸の製造を行った。結果を表1に示す。
85質量%リン酸水溶液滴下した水性スラリーを90℃まで加熱し、温度を90℃に保持しつつ15分間攪拌を行った後噴霧乾燥を行った以外は、実施例1と同様にして乾燥物を得た。なお、途中析出したヘテロポリ酸塩はケギン型構造を有しており、乾燥物中のヘテロポリ酸(塩)は、ケギン型構造を有していた。この乾燥物を実施例1と同様に処理して触媒を得た。得られた触媒の元素組成は、次の通りであった。
Mo12V0.45P1.1As0.55Cu0.11Cs1.2
この触媒を使用して実施例1と同様にしてメタクリル酸の製造を行った。結果を表1に示す。
85質量%リン酸水溶液滴下後の水性スラリーを101℃に加熱し、攪拌しながら蒸発乾固させた以外は実施例1と同様にして乾燥物を得た。なお、途中析出したヘテロポリ酸塩はケギン型構造を有しており、乾燥物中のヘテロポリ酸(塩)は、ケギン型構造を有していた。この乾燥物を実施例1と同様に処理して触媒を得た。得られた触媒の元素組成は、次の通りであった。
Mo12V0.45P1.1As0.55Cu0.11Cs1.2
この触媒を使用して実施例1と同様にしてメタクリル酸の製造を行った。結果を表1に示す。
メタバナジン酸アンモニウム3.1部を五酸化バナジウム2.4部に変更した以外は、実施例1と同様にして、触媒を製造した。なお、析出したヘテロポリ酸塩はケギン型構造を有しており、乾燥物中のヘテロポリ酸(塩)はケギン型構造を有していた。得られた触媒の元素組成は、次の通りであった。
この触媒を用いた以外は、実施例1と同様にしてメタクリル酸の製造を行った。結果を表1に示す。
85質量%リン酸水溶液滴下した水性スラリーを90℃まで加熱し、温度を90℃に保持しつつ15分間攪拌を行った後噴霧乾燥を行った以外は、実施例3と同様にして乾燥物を得た。なお、途中析出したヘテロポリ酸塩はケギン型構造を有しており、乾燥物中のヘテロポリ酸(塩)は、ケギン型構造を有していた。この乾燥物を実施例1と同様に処理して触媒を得た。得られた触媒の元素組成は、次の通りであった。
Mo12V0.45P1.1As0.55Cu0.11Cs1.2
この触媒を使用して実施例1と同様にしてメタクリル酸の製造を行った。結果を表1に示す。
85質量%リン酸水溶液滴下した水性スラリーを101℃に加熱し、攪拌しながら蒸発乾固させた以外は、実施例3と同様にして乾燥物を得た。なお、析出したヘテロポリ酸塩はケギン型構造を有しており、乾燥物中のヘテロポリ酸(塩)は、ケギン型構造を有していた。この乾燥物を実施例1と同様に処理して触媒を得た。得られた触媒の元素組成は、次の通りであった。
Mo12V0.45P1.1As0.55Cu0.11Cs1.2
この触媒を使用して実施例1と同様にしてメタクリル酸の製造を行った。結果を表1に示す。
純水200部に、三酸化モリブデン100部、メタバナジン酸アンモニウム6.1部、60質量%ヒ酸11.0部、硝酸セリウム(III)六水和物7.5部および硝酸銅(II)3水和物3.4部を溶解し、これを攪拌しながら95℃に昇温し、液温を95℃に保ちつつ3時間攪拌した。50℃まで冷却後、回転翼攪拌機を用いて攪拌しながら、純水22部に溶解した重炭酸セシウム11.2部、純水6.0部に溶解した硝酸ルビジウム3.1部および純水16部に溶解した炭酸アンモニウム7.2部を滴下して、ヘテロポリ酸塩を析出させた後、15分攪拌した。析出したヘテロポリ酸塩はケギン型構造を有していた。この溶液に85質量%リン酸水溶液4.0部を滴下し、さらに50℃で15分攪拌した。
この触媒を用いた以外は、実施例1と同様にしてメタクリル酸の製造を行った。結果を表1に示す。
85質量%リン酸水溶液滴下した水性スラリーを90℃まで加熱し、温度を90℃に保持しつつ15分間攪拌を行った後噴霧乾燥を行った以外は、実施例4と同様にして乾燥物を得た。なお、途中析出したヘテロポリ酸塩はケギン型構造を有しており、乾燥物中のヘテロポリ酸(塩)は、ケギン型構造を有していた。この乾燥物を実施例1と同様に処理して触媒を得た。得られた触媒の元素組成は、次の通りであった。
Mo12V0.9P0.6As0.8Ce0.3Cu0.24Cs1.0Rb0.1
この触媒を使用して実施例1と同様にしてメタクリル酸の製造を行った。結果を表1に示す。
Claims (5)
- メタクロレインを分子状酸素により気相接触酸化してメタクリル酸を製造する際に用いられる、リン元素、モリブデン元素、X元素(ケイ素、チタン、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモンおよびセリウムからなる群より選ばれた少なくとも1種類の元素)およびアルカリ金属元素を含む触媒の製造方法であって、
(i)水中に少なくともモリブデン原料およびX元素の原料を添加して、ヘテロポリ酸を含む水性スラリーまたは水溶液を調製する工程と、
(ii)前記水性スラリーまたは水溶液にアルカリ金属化合物を添加して、前記ヘテロポリ酸の少なくとも一部がアルカリ金属塩になったヘテロポリ酸塩を析出させる工程と、
(iii)前記ヘテロポリ酸塩が析出している水性スラリーにリン原料を添加する工程と、
(iv)リン原料を添加した後、前記水性スラリーの温度を70℃以下に保持し噴霧乾燥により乾燥物を得る工程と、
(v)前記乾燥物を熱処理する工程と
を有することを特徴とするメタクリル酸製造用触媒の製造方法。 - 前記乾燥物中のヘテロポリ酸およびヘテロポリ酸塩が、ケギン型構造を有することを特徴とする請求項1に記載のメタクリル酸製造用触媒の製造方法。
- 前記乾燥物を賦形し、得られた賦形品を熱処理することを特徴とする請求項1または2に記載のメタクリル酸製造用触媒の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれかに記載のメタクリル酸製造用触媒の製造方法で製造されたメタクリル酸製造用触媒。
- 請求項1〜3のいずれかに記載のメタクリル酸製造用触媒の製造方法で製造されたメタクリル酸製造用触媒を用いて、メタクロレインを分子状酸素により気相接触酸化してメタクリル酸を製造するメタクリル酸の製造方法。
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