JP6504774B2 - アクリル酸製造用の触媒および該触媒を用いたアクリル酸の製造方法 - Google Patents
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Description
また、他の製法として、アクリル酸の製造コストを下げることを目的に、近年では、プロピレンよりも安価なプロパンを原料とする方法も開発が進んでおり、プロパンを分子状酸素、または分子状酸素含有ガスの存在下、一段で接触気相酸化してアクリル酸とする方法についても、種々の提案がなされている。
このような、プロパンおよび/またはアクロレインを分子状酸素、または分子状酸素含有ガスの存在下で接触気相酸化してアクリル酸を製造するための触媒として、モリブデン−バナジウム系を中心とした複合酸化物触媒の検討がなされているが、目的とするアクリル酸の収率や寿命等の触媒性能は必ずしも充分なものではなく、触媒性能の改善を目的として各社から様々な提案がされている。
特許文献2では、触媒活性成分についての銅のKα線を用いたX線回折の2θ値において22.2±0.3度のピーク強度が最大であるモリブデン−バナジウム系酸化物触媒が開示されている。
特許文献3では、CuのKα線を用いたX線回折分析によって測定したメインピークがd=4.00±0.1オングストロームであり、かつ、触媒中におけるX成分(X成分は、アンチモン、ニオブおよびスズから選ばれる少なくとも1種の元素である)の粒子径が20μmを超えないことを特徴とするモリブデン−バナジウム系複合酸化物触媒が開示されている。
特許文献4では、X線回折図において2θが22.1°、22.3°、28.2°および36.2°の位置に回折線が存在し、かつ、28.2°における回折線強度を100としたとき、22.1°における同強度が10〜120であるモリブデン−バナジウム−アンチモン系のアクリル酸製造用触媒が開示されている。
かくして、本発明の目的は、プロパンおよび/またはアクロレインからアクリル酸を製造するに際し、触媒活性、選択性等の触媒性能および触媒寿命に優れ、長期にわたって安定した性能を示す触媒を提供することにある。
別の観点からは、以下に示す工程(1)〜工程(3)を含むとともに、該工程の少なくとも1つの工程において、触媒活性成分の出発原料とは異なる、メタノール、プロピルアルコール、エチレングリコール、グリセリン、ベンジルアルコール、ブチルアルコール、フェノールなどの炭素数1から7までのアルコール類、シュウ酸、プロピオン酸、マレイン酸、安息香酸、乳酸、グリシンなどの炭素数1から7までの有機酸類、硝酸、アンモニア、硝酸アンモニウム、尿素、炭酸アンモニウムなどの含窒素化合物から成る添加物を添加することで、前記X線回折ピークの強度比を満足する触媒を得ることが出来ることを見出した。
工程(2):前記触媒活性成分の出発原料混合液を乾燥して、乾燥物を得る工程
工程(3):前記乾燥物を不活性担体に担持する工程
これらの中でも特に、メタノール、プロピルアルコール、エチレングリコール、グリセリン、ベンジルアルコール、ブチルアルコール、フェノールなどの炭素数1から7までのアルコール類、シュウ酸、プロピオン酸、マレイン酸、安息香酸、乳酸、グリシンなどの炭素数1から7までの有機酸類、および尿素が好まれる。
MoaVbWcAdBeCfDgOh(1)
(式中、Moはモリブデン、Vはバナジウム、Wはタングステン、Aはアンチモン、スズから選ばれる少なくとも1種の元素、Bはクロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ビスマス、テルルおよびニオブから選ばれる少なくとも1種の元素、Cはアルカリ金属およびアルカリ土類金属から選ばれる少なくとも1種の元素、Dはシリコン、アルミニウム、チタン、ジルコニウムおよびセリウムから選ばれる少なくとも1種の元素、そしてOは酸素であり、a、b、c、d、e、f、gおよびhは、Mo、V、W、A、B、C、DおよびOの原子数を表し、a=12のとき、2≦b≦14、0≦c≦10、0≦d≦5、0≦e≦12、0≦f≦5、0≦g≦50であり、hは各々の元素の酸化状態によって定まる数値である)
上記触媒活性成分は、この種の調製に一般に用いられている原料を用いることができ、例えば、各元素の酸化物、水酸化物、アンモニウム塩、硝酸塩、炭酸塩、硫酸塩、有機酸塩などの塩類や、それらの水溶液、ゾルなど、あるいは、複数の元素を含む化合物などを用いることもできる。
これら出発原料を、水等の溶媒に溶解あるいは懸濁させることにより、出発原料混合液を調製する。その際の調製方法は、上記出発原料を順次水に混合する方法や、出発原料の種類に応じて複数の水溶液または水性スラリーを調製し、これらを順次混合する方法など、この種の触媒製造に一般的に用いられる方法により調製すればよい。出発原料の混合順序、温度、圧力、pH等については特に制限はなく、出発原料に応じて適宜選択できる。また、適宜、硝酸、アンモニア、硝酸アンモニウム、炭酸アンモニウムなどの含窒素化合物を加えて、pHは4〜10の範囲内で制御するのが好ましい。
得られた触媒前駆体は、必要に応じて適当な粒度の粉体を得るための粉砕工程や分級工程を経て、続く成形工程に送られる。その際の前記触媒前駆体の粉体粒度は、特に限定されないが、成形性に優れる点で500μm以下、好ましくは200μm以下、更には100μm以下が好ましい。
造粒法や蒸発乾固法の場合に使用できる不活性担体としては、アルミナ、シリカ、シリカ−アルミナ、チタニア、マグネシア、ステアタイト、コージェライト、シリカ−マグネシア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ゼオライト等が挙げられる。その形状においても特に制限はなく、球状、円柱状、リング状など公知の形状のものが使用できる。
添加物の具体例としては、メタノール、プロピルアルコール、エチレングリコール、グリセリン、ベンジルアルコール、ブチルアルコール、フェノールなどの炭素数1から7までのアルコール類、シュウ酸、プロピオン酸、マレイン酸、安息香酸、乳酸、グリシンなどの炭素数1から7までの有機酸類、硝酸、アンモニア、硝酸アンモニウム、尿素、炭酸アンモニウムなどの含窒素化合物などが挙げられる。中でも特に、2θ=36.9°にピークを有する触媒という本願の特徴を引き出すため、メタノール、プロピルアルコール、エチレングリコール、グリセリン、ベンジルアルコール、ブチルアルコール、フェノールなどの炭素数1から7までのアルコール類、シュウ酸、プロピオン酸、マレイン酸、安息香酸、乳酸、グリシンなどの炭素数1から7までの有機酸類、および尿素が好まれる。これらは1種のみで用いてもよいが、2種以上を併用するのが好ましく、さらには水との混合溶液として用いるのが好適である。
また、別に触媒の機械強度を向上させる目的で、補強剤を用いることもできる。具体例としては、補強剤として一般的に知られているシリカ、アルミナ、ガラス繊維、炭化ケイ素、窒化ケイ素などが挙げられる。補強剤は、出発原料混合液に添加しておいてもよいし、成形工程時に触媒前駆体に配合してもよい。
注意すべき点として、本発明である回折角2θ=36.9°にピークを有する触媒を得る為には、出発原料混合液調製工程や乾燥工程、成形工程で使用した触媒活性成分を構成する元素を含む原料以外の添加物が焼成工程の開始時に十分に残存していることが好ましい。その理由は、回折角2θ=36.9°にピークを有する構造の発現に際し、添加物が本構造の発現に適した焼成雰囲気形成に寄与しているためと推測される。添加物は成形工程で添加することがより好ましく、更には造粒法においてバインダーとして使用することが好ましい。36.9°にピークを有する構造を得るために好適な条件は、添加物の種類や濃度、触媒活性成分に対する量、焼成工程における昇温速度、炉内の酸素濃度等に左右される複合的な因子であるため、一概には規定できないが、概ね以下の通りである。
添加物をバインダーとして用いる場合、バインダー中の水以外の成分濃度としては、好ましくは0.5〜25質量%、より好ましくは1〜20質量%の濃度が好適である。また、水以外の添加物量は触媒活性成分に対し、0.01〜10質量%が好ましく、さらには0.05〜5質量%の範囲が好ましい。
減量率(質量%)=〔(乾燥物の加熱前の質量(g)−乾燥物の加熱後の質量(g))/乾燥物の加熱前の質量(g)〕×100
これは触媒前駆体中に予め含まれる揮散成分も本触媒の特性である回折角2θ=36.9°±0.3°にピークを有する構造を得るのに適した焼成雰囲気を形成することに寄与しているためと推測される。
アクロレイン転化率(モル%)
=(反応したアクロレインのモル数)/(供給したアクロレインのモル数)×100
アクリル酸選択率(モル%)
=(生成したアクリル酸のモル数)/(反応したアクロレインのモル数)×100
アクリル酸収率(モル%)
=(生成したアクリル酸のモル数)/(供給したアクロレインのモル数)×100
[触媒のX線回折の測定]
X線粉末回折スペクトルは、全ての実施例において、PHILIPS社製X‘pertPROを用いて、Cu−Kα放射線(X線出力:40mA−45kV、Kα1線波長:1.5406Å)を使用して得られた。
[触媒調製]
純水1000部を加熱攪拌しながら、そのなかにパラモリブデン酸アンモニウム100部、メタバナジン酸アンモニウム24.3部、パラタングステン酸アンモニウム19.1部を溶解した。別に純水100部を加熱撹拌しながら、硝酸銅20.5部を溶解した。得られた2つの溶液を混合し、さらに三酸化アンチモン5.5部および酸化アルミニウム7.2部を添加して、出発原料混合液を得た。この出発原料混合液を噴霧乾燥させた後、得られた乾燥物を250μm以下に篩分けし、触媒前駆体の粉体を得た。遠心流動コーティング装置に平均粒径4mmのα−アルミナ球形担体300部を投入し、次いで濃度5質量%の乳酸水溶液7.5部をバインダーとして担体に含浸させてから、触媒前駆体の粉末を担体に担持させた後、約90℃の熱風で乾燥して担持物を得た。得られた担持物をルツボに入れ、酸素濃度を10容量%に合わせた箱型焼成炉で室温から2℃/分で昇温し、400℃で6時間焼成して触媒1を得た。
この触媒1の担持率は30質量%であり、酸素を除く金属元素組成は以下の通りであった。
触媒組成:Mo12V4.4Sb0.8W1.5Cu1.8Al3.0
なお、担持率は下記式により求めた。
担持率(質量%)=(担持された触媒粉体の質量(g))/(用いた担体の質量(g))×100
この触媒の触媒活性成分のX線回折分析における回折角2θ=22.2°±0.3°のピーク強度に対する回折角2θ=36.9°±0.3°のピーク強度の比I(36.9°)/I(22.2°)を表1に示す。
全長300mm、内径18mmのSUS製U字反応管に、層長が100mmとなるように触媒を充填し、アクロレイン2容量%、酸素3容量%、水蒸気10容量%、窒素85容量%の混合ガスを空間速度5000hr−1(STP)で導入し、アクロレイン酸化反応を行った。反応温度はアクロレインの転化率が93.5%前後となるように修正した。その反応結果を表1に示す。
実施例1において、バインダーとして濃度5質量%の乳酸水溶液7.5部の代わりに、濃度10質量%の乳酸水溶液7.5部を用いること以外は実施例1と同様に調製し、触媒2を得た。この触媒2の担持率、および酸素を除く触媒活性成分の金属元素組成は触媒1と同じであった。触媒2を用いて、実施例1と同様にしてアクロレイン酸化反応を行った。その結果を表1に示す。
実施例1において、バインダーとして濃度5質量%の乳酸水溶液7.5部の代わりに、濃度20質量%の乳酸水溶液7.5部を用いること以外は実施例1と同様に調製し、触媒3を得た。この触媒3の担持率、および酸素を除く触媒活性成分の金属元素組成は触媒1と同じであった。触媒3を用いて、実施例1と同様にしてアクロレイン酸化反応を行った。その結果を表1に示す。
実施例1において、バインダーとして濃度5質量%の乳酸水溶液7.5部の代わりに、濃度20質量%の乳酸水溶液7.5部を用いること、および、焼成時の酸素濃度を20容量%とすること以外は実施例1と同様に調製し、触媒4を得た。この触媒4の担持率、および酸素を除く触媒活性成分の金属元素組成は触媒1と同じであった。触媒4を用いて、実施例1と同様にしてアクロレイン酸化反応を行った。その結果を表1に示す。
実施例1において、バインダーとして濃度5質量%の乳酸水溶液7.5部の代わりに、水7.5部を用いること以外は実施例1と同様に調製し、触媒5を得た。この触媒5の担持率、および酸素を除く触媒活性成分の金属元素組成は触媒1と同じであった。触媒5を用いて、実施例1と同様にしてアクロレイン酸化反応を行った。その結果を表1に示す。
実施例1において、バインダーとして濃度5質量%の乳酸水溶液7.5部の代わりに、濃度0.5質量%の乳酸水溶液7.5部を用いること以外は実施例1と同様に調製し、触媒6を得た。この触媒6の担持率、および酸素を除く触媒活性成分の金属元素組成は触媒1と同じであった。触媒6を用いて、実施例1と同様にしてアクロレイン酸化反応を行った。その結果を表1に示す。
実施例1において、バインダーとして濃度5質量%の乳酸水溶液7.5部の代わりに、濃度25質量%の乳酸水溶液7.5部を用いること以外は実施例1と同様に調製し、触媒7を得た。この触媒7の担持率、および酸素を除く触媒活性成分の金属元素組成は触媒7と同じであった。触媒7を用いて、実施例1と同様にしてアクロレイン酸化反応を行った。その結果を表1に示す。
実施例1において、パラタングステン酸アンモニウム19.1部、硝酸銅20.5部、三酸化アンチモン5.5部の代わりに、パラタングステン酸アンモニウム12.8部、硝酸銅34.2部、三酸化アンチモン3.4部を用いること、および、バインダーとして濃度5質量%の乳酸水溶液7.5部の代わりに、濃度10質量%のグリセリン水溶液6部を用いること以外は実施例1と同様に調製し、触媒8を得た。この触媒8の担持率は30質量%であり、酸素を除く金属元素組成は以下の通りであった。
触媒組成:Mo12V4.4Sb0。5W1.0Cu3.0Al3.0
触媒8を用いて、実施例1と同様にしてアクロレイン酸化反応を行った。その結果を表1に示す。
実施例5において、バインダーとして濃度10質量%のグリセリン水溶液6部の代わりに、濃度1質量%のシュウ酸水溶液6部を用いること、および、焼成時の酸素濃度を5容量%とすること以外は実施例5と同様に調製し、触媒9を得た。この触媒の担持率、および酸素を除く触媒活性成分の金属元素組成は触媒8と同じであった。触媒9を用いて、実施例1と同様にしてアクロレイン酸化反応を行った。その結果を表1に示す。
実施例5において、焼成時の酸素濃度を21容量%とすること以外は実施例5と同様に調製し、触媒10を得た。この触媒10の担持率、および酸素を除く触媒活性成分の金属元素組成は触媒8と同じであった。触媒10を用いて、実施例1と同様にしてアクロレイン酸化反応を行った。その結果を表1に示す。
実施例1において、メタバナジン酸アンモニウム24.3部、三酸化アンチモン5.5部、酸化アルミニウム7.2部の代わりに、メタバナジン酸アンモニウム27.6部、三酸化アンチモン6.9部、二酸化ケイ素25.5部を用いること、バインダーとして濃度5質量%の乳酸水溶液7.5部の代わりに、濃度20質量%の尿素水溶液18部を用いること以外は実施例1と同様に調製し、触媒11を得た。この触媒11の担持率は30質量%であり、酸素を除く金属元素組成は以下の通りであった。
触媒組成:Mo12V5.0Sb1.0W1.5Cu1.8Si9.0
触媒11を用いて、実施例1と同様にしてアクロレイン酸化反応を行った。その結果を表1に示す。
実施例2で調製された触媒について、全長3200mm、内径25mmのSUS製反応管およびこれを覆う熱媒体を流すためのシェルからなる反応器を用いて、層長が2200mmとなるように充填した。触媒を充填した反応管に、アクロレイン7容量%、酸素8容量%、水蒸気15容量%、窒素74容量%の混合ガスを空間速度2500hr−1(STP)で導入し、アクロレイン酸化反応を行った。アクロレイン転化率がほぼ一定になるように反応温度を変更しつつ、4000時間継続して行った。その結果を表2に示す。
比較例1で調製された触媒について、実施例8と同様に、アクロレイン酸化反応を行った。その結果を表2に示す。
Claims (3)
- モリブデンおよびバナジウムを必須成分として含有するプロパンおよび/またはアクロレインを分子状酸素または分子状酸素含有ガスの存在下で接触気相酸化してアクリル酸を製造するための触媒であり、触媒活性成分のCu−Kα線を用いたX線回折分析において、回折角2θ=22.2°±0.3°のピーク強度に対する回折角2θ=36.9°±0.3°のピーク強度の比I(36.9°)/I(22.2°)が0.04以上0.7未満であり、該触媒活性成分の組成が下記一般式(1)で表される触媒を製造する方法であって、
MoaVbWcAdBeCfDgOh(1)
(式中、Moはモリブデン、Vはバナジウム、Wはタングステン、Aはアンチモン、スズから選ばれる少なくとも1種の元素、Bはクロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ビスマスから選ばれる少なくとも1種の元素、Cはアルカリ金属およびアルカリ土類金属から選ばれる少なくとも1種の元素、Dはシリコン、アルミニウム、チタン、ジルコニウムおよびセリウムから選ばれる少なくとも1種の元素、そしてOは酸素であり、a、b、c、d、e、f、gおよびhは、Mo、V、W、A、B、C、DおよびOの原子数を表し、a=12のとき、2≦b≦14、0≦c≦10、0≦d≦5、0≦e≦12、0≦f≦5、0≦g≦50であり、hは各々の元素の酸化状態によって定まる数値である)
以下に示す工程(1)〜工程(3)を含むとともに、該工程の少なくとも1つの工程において、触媒活性成分の出発原料とは異なる添加物を添加し、該異なる添加物とは、炭素数1から7までのアルコール類、炭素数1から7までの有機酸類、含窒素化合物から選ばれる少なくとも1種であり、下記工程(3)で使用される乾燥物の減量率が5〜40質量%であることを特徴とする、触媒の製造方法。
工程(1):触媒活性成分の出発原料の混合液を得る工程
工程(2):前記触媒活性成分の出発原料混合液を乾燥して、乾燥物を得る工程
工程(3):前記乾燥物を不活性担体に担持する工程 - 前記添加物の量が、触媒活性成分に対し、0.05〜5質量%の範囲にある請求項1に記載の触媒の製造方法。
- 前記工程(3)で得られた担持体を焼成する工程を有する請求項1または2に記載の触媒の製造方法。
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