JPH0463139A - メタクリル酸製造用触媒の製造方法 - Google Patents

メタクリル酸製造用触媒の製造方法

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JPH0463139A
JPH0463139A JP2171734A JP17173490A JPH0463139A JP H0463139 A JPH0463139 A JP H0463139A JP 2171734 A JP2171734 A JP 2171734A JP 17173490 A JP17173490 A JP 17173490A JP H0463139 A JPH0463139 A JP H0463139A
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長岡 義彦
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  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
  • Low-Molecular Organic Synthesis Reactions Using Catalysts (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野コ 本発明は気相接触酸化によるメタクリル酸の製造に用い
られるヘテロポリ酸系触媒の改良に関する。詳しくはメ
タクロレイン、イソブタンなどを分子状酸素で気相接触
酸化してメタクリル酸を製造するために用いられるヘテ
ロポリ酸系触媒の改良に関する。
[従来の技術] メタクロレインを気相接触酸化してメタクリル酸を製造
するための触媒は数多く提案されており(例えば特開昭
50−101316号、特開昭50−142510号、
特開昭59−4445号など)、既にその一部は工業的
規模の生産に用いられている。またイソ酪酸の酸化脱水
素(特開昭57−72936号など)、イソブチルアル
デヒドの酸化(特開昭57−144238号など)にょ
るメタクリル酸の製造も良く知られている。さらにイソ
ブチレンまたは第三級ブタノールを酸化してメタクリル
酸、メタクロレインを作るための触媒(特開昭55−1
27328号)、最近ではイソブタンを直接酸化してメ
タクリル酸、メタクロレインを得るための触媒(特開平
2−42032号など)も提案されている。
これらの反応に用いられる触媒としてはいずれもモリブ
デン及びリンを主成分とするヘテロポリ酸及びまたはそ
の塩の構造を有するものが有効であることが知られてお
り、組成に関してはバナジウムによるモリブデンの一部
置換、銅、アンチモン、ヒ素などの助触媒成分の添加、
調製法に関しても環状アミンの使用等、種々の改良がな
されてきている。
[発明が解決しようとする課題] しかしながら、これらの知られている触媒系の問題点は
、既に実用化されているメタクロレインの酸化において
も反応収率(活性と選択性)と触媒寿命の両者を満足さ
せる点で必ずしも十分でないことである。例えばアクロ
レインからアクリル酸を製造する触媒に比べ、反応の選
択性が悪いばかりでなく反応活性と寿命も悪く、従って
大量の触媒が必要となり設備費用と触媒コストの負担が
大きいのが現状である。イソブタン、イソ酪酸などを原
料とする場合も未だに工業化できていないのは触媒の性
能が十分でないことが大きな理由の一つである。本発明
の課題は現状の触媒を改良して、より高い反応活性、選
択性と、長い触媒寿命を合わせもつ触媒を提供すること
にある。
[課題を解決するための手段] 本発明者らは上記の課題を達成するために、ヘテロポリ
酸系の触媒の改良について鋭意検討した結果、特定の触
媒組成をもち特別な調製工程を含む方法で調製した触媒
が上記の目的を達成することを見いだし本発明に到達し
たものである。
すなわち、本発明は一般式 %式% (式中、P、 Mo、  V、 As、 Cu、  O
はそれぞれリン、モリブデン、バナジウム、ヒ素、銅及
び酸素を示し、Xはルビジウム、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一種の元素を示し、
また添字a、  b、  c、  d、  e、  f
及びgは各元素の原子比を示し、b=12としたとき、
a、c%dSeS fはそれぞれO(ゼロ)を含まない
3以下の値をとり、gは他の元素の原子価及び原子比に
よって決まる値を示す)で表されるヘテロポリ酸の部分
中和塩であって、バナジウム原料として五酸化バナジウ
ム(V 20 s )を用い、またアンモニウム根の存
在下に触媒原料を水に溶解または懸濁した状態で、80
℃以上の温度で1時間以上加熱処理をする工程と、濃縮
乾燥後得られた固体を400〜500℃の温度で不活性
ガス中で焼成する工程とを含む方法で調製されることを
特徴とするメタクリル酸製造用触媒である。
本発明の触媒の基本的な構造は従来からよく知られてい
るリンモリブデン酸のルビジウム、セシウム、タリウム
による部分中和塩であるが、さらに必須成分として、バ
ナジウム、ヒ素及び銅を含んでいる。これらの元素が有
効であることは既に知られているが、これらの組成の組
合せと調製法との関係を種々検討した結果、組成に関し
ては以下のことが判明した。
まずバナジウムを含まずヒ素を含む触媒は調製法によら
ず反応選択性は高いが、長時間の使用により反応率が低
下し易い欠点を持っており工業的使用に耐えるものでは
ない。一方、ヒ素を含まずバナジウムを含む触媒は従来
の調製法では反応選択性、寿命ともある程度のものがで
きるがともに十分ではない。本発明の五酸化バナジウム
を原料とし加熱工程を含むような調製方法を用いれば反
応率の低下は起こりにくい触媒となるが、反応選択性は
改良されない。反応選択性を高めるためにはヒ素が必要
であり寿命のためにはバナジウムが必要であるが、両者
を含む触媒は、従来の調製法ではバナジウムのみのもの
より寿命は短くなってしまう。反応選択性と活性、寿命
を合わせもつためにはバナジウムとヒ素をともに含みさ
らに本発明の特別な調製法でつくる必要がある。また銅
は反応活性及び選択性の改良の点で必須成分である。
その他、アンチモン、銀、鉄、コバルト、ランタン、セ
リウムなどを任意成分として含んでいてもよい。
本発明の触媒は特定の原料及び方法を用いて調製される
。バナジウムの原料としては五酸化バナジウムを用い、
また後に述べる懸濁物の加熱処理の段階でアンモニウム
根を含んでいることが必要である。なぜ五酸化バナジウ
ムを用いると良いのか理由はよく分からないが、五酸化
バナジウムの代わりにメタバナジン酸アンモニウム、シ
ュウ酸バナジル、モリブドバナドリン酸などの水によく
溶ける原料を用いると反応活性および寿命ともに十分で
ない。モリブデン及びアンモニウムの原料としてはモリ
ブデン酸アンモニウムが適当であるが、酸化モリブデン
、リンモリブデン酸等とアンモニアまたはアンモニウム
塩との組合せで用いてもよい。リンおよびヒ素はリン酸
、ヒ酸を用いるのが一般的であるがリン酸アンモニウム
、リン酸銅など他の必須成分との塩などの形で用いても
よい。銅およびルビジウム等の成分は硝酸塩、塩化物、
炭酸塩、水酸化物、リン酸塩等を用いることができる。
上記の原料を水中に溶解または懸濁させ、これを約80
℃以上の温度で約1時間以上加熱処理をする工程が必要
なことである。熱処理温度が約80℃以下の場合及び約
80℃以上でも反応時間が約1時間以下の場合には反応
が十分に進まず、メタクリル酸選択性のよくない触媒に
なってしまう。
この工程をオートクレーブを用い100℃以上の温度、
約100〜150℃でも実施することができるが、通常
は常圧で煮沸(100℃)還流下に行われる。処理時間
は約1時間以上であれば特に制限されるものではないが
、通常約1〜24時間の範囲で行われる。これ以上長時
間行ってもそれに見合う効果はない。
水溶性の原料は予め別に水に溶解して用いてもよいが、
粉体のまま仕込んでも問題ない。五酸化バナジウムは粉
体のまま仕込む必要がある。この工程では明らかに固体
を含めた不均一系の反応が起こっており、このスラリー
を蒸発乾固して得た固体中には、X線回折によっても五
酸化バナジウムの結晶は見られず、P:Moの比が1:
9のいわゆるドーンン型のへテロポリ酸の塩となってい
る。これを250℃程度に加熱するとP:Moが1:1
2のいわゆるケギン型へテロポリ酸の塩の構造に変化す
る。アンモニウム根を含んで調製しているのでこの段階
の固体は、ヘテロポリ酸のX成分(ルビジウムなど)と
アンモニウムとの混合塩となっている。このままでは固
体酸の性質がなく活性が低いので焼成して活性化する必
要がある。
窒素などの不活性ガス雰囲気中約400〜50f)℃、
好ましくは約420〜450℃の温度で焼成する。これ
によりほぼ全てのアンモニウム成分が脱離しプロトン酸
となり高活性を発現する。空気中で焼成した場合は、約
400℃以上ではへテロポリ酸の分解、焼結が起こって
活性が低くなり、約400℃以下ではアンモニウム根が
多く残ってしまうためにやはり活性が低いと考えられる
。不活性ガス中で焼成した後空気中で約400’l:以
下の温度で焼成することは差し支えない。
本発明の触媒はメタクロレイの酸化をはじめ種々の原料
の酸化によるメタクリル酸の製造に用いられるが、使用
に当たっては触媒単味、またはアルミナ、シリカ、ンリ
コンカーバイドなどの担体に担持または希釈混合した形
で用いられ、固定床の場合は、円柱状、球状、リング状
等に成形−して用いられる。流動床、移動床などの反応
形式を用いることもできる。
本発明の触媒を用いて、メタクロレインを気相で接触酸
化してメタクリル酸を製造する場合、使用される原料と
しては必ずしも純粋のメタクロレインである必要はなく
、インブチレンやターシャリ−ブタノールを気相接触酸
化して得られたメタクロレイン含有ガスでもまた液相法
で得られたメタクロレインを気化したものでもよい。酸
素源は純粋な酸素でもよいが、工業的には空気が使用さ
れる。その他の希釈ガスとしては、窒素、二酸化炭素、
−酸化炭素、水蒸気等を用いることができる。反応原料
ガス中のメタクロレイン濃度は約1〜lO%、メタクロ
レインに対する酸素の比は約1〜5程度が用いられる。
原料ガスの空間速度は約500〜5000 h−’の範
囲、反応温度は約260〜340℃程度が好ましい。反
応圧力は常圧付近または若干の加圧下で行なわれるのが
普通である。。
また本発明の触媒を用いて、イソブタンを直接酸化して
メタクリル酸、メタクロレインを製造する場合は、原料
ガス中のイソブタン濃度は約15%以上の高濃度の方が
よい。酸素源としては、純酸素、酸素富化空気、空気な
どが用いられる。イソブタンに対する酸素の比は約0.
2〜2程度が適当である。反応ガス中には水蒸気を約3
〜30%の範囲で含有させることが望ましい。原料ガス
中には窒素、二酸化炭素、−酸化炭素などが希釈ガスと
して含まれていてもよい。この反応では転化率をそれほ
ど高くできないので、未反応イソブタン及び場合により
酸素は回収して再循環される。
副生メタクロレインは再循環するか別の反応器に導きメ
タクリル酸まで酸化する。空間速度は約300〜300
0 h−’、反応温度は約270〜340℃程度が好ま
しい。反応圧力は常圧または加圧で行なわれる。
本発明の触媒は、イソ酪酸の酸化脱水素、イソブチルア
ルデヒドの酸化によるメタクリル酸の製造にも用いるこ
とができる。またインブチレンから一段でメタクリル酸
を製造する際にも用いることが可能である。これらの反
応では、メタクロレインの酸化と同様な反応条件が採用
できる。
[発明の効果] 本発明の触媒はメタクリル酸の製造において、従来の触
媒よりも高い反応活性、選択性と長い触媒寿命を有して
いる。
[実施例コ 以下に実施例を挙げて、本発明をさらに具体的に説明す
るが、本発明はこれらの実施例によって限定されるもの
ではない。
転化率、および選択率の定義は下記の通りである一 実施例1 イオン交換水500m1にモリブデン酸アンモニウム(
(NH4)sMOloaa ” 4H20)105.9
g1五酸化バナジウム1.82g、リン酸銅(Cu。
(PO,)2・3H20)2.17gを懸濁させ、さら
に85%リン酸7.49 gと60%ヒ酸水溶液4.7
3gおよび硝酸セシウム17.5 gをイオン交換水に
溶解して180m1としたものを加え、得られたスラリ
ーを約100℃でリフラックスしながら15時間撹拌加
熱した。これをステンレス製バットにとり電気炉中15
0℃で水分を蒸発させた。
この段階の乾固物はX線回折では2θ(CuKα)が9
,6°、11.1°、12.4°、15.5°、19゜
1’、20.7°、22.7°、25.9°、27.6
゜などにピークをもち、レーザーラマン分光スペクトル
では960.925.890.650.53Qcrrr
’などにピークをもっており、いわゆるドーソン型のへ
テロポリ酸塩の構造をしていることがわかった。これを
さらに250℃で焼成する。
このものはX線回折でI O,5°、18.4°、23
゜8°、26.1°、30.2°などにピークをもった
いわゆるケギン型のへテロポリ酸塩になっていることが
分かった。これを窒素気流中、435℃で5時間焼成し
たものは、やはりケギン型のへテロポリ酸の塩の構造を
している。
この粉末にグラファイトを2%加えて、直径5mm高さ
5mmの円柱状に打錠成形して触媒を得た。 この触媒
の酸素、水素、窒素を除く組成はMO+zP+、5AS
o、<Vo、aCuo、*CS+、eである。
この触媒9 m lを内径15mmのガラス製反応管に
充填し、メタクロレイン4モル%、酸素12モル%、水
蒸気16モル%、残りが窒素からなる組成の原料ガスを
空間速度(STP基準)670h−1で反応管を通し、
反応温度280℃で活性試験を行なった。その結果メタ
クロレイン転化率87.5%、メタクリル酸選択¥= 
88.6%であった。
また加速寿命試験として、この触媒3mlを内径15m
mのガラス製反応管に充填し、上記と同じ組成のガスを
空間速度2000 h−’で反応管を通し、反応温度3
20℃として連続運転した。その結果、反応開始後15
時間目の反応成績はメタクロレイン転化率65.3%、
メタクリル酸選択率86.5%であり、2000時間後
の成績はそれぞれ59.8%と87.0%であった。
比較例1 ヒ素を用いず五酸化バナジウムを4.56 g用いた以
外は実施例1と同様にして触媒を調製した。
その組成はMo+zP+、sV+、oCuo、C5r−
eである。実施例1と同じ活性試験では転化率78.8
%、選択率79.3%であり、特に選択性が十分ではな
い。
比較例2 パラモリブデン酸アンモニウム105.9gをイオン交
換水40 Q、m 1に溶解したものに、別に85%リ
ン酸7.72 g、60%ヒ酸水溶液7.10 g、硝
酸銅1.20g、硝酸セシウム17.5 gをイオン交
換水300m1に溶解したものを加え、ロータリーエバ
ポレーターをを用いて蒸発乾固した。これを窒素気流中
435℃で5時間焼成したのち、実施例工と同様に打錠
成形した。その触媒組成はMO+*P+、zASo、6
Cu0.+C3+、eである。
実施例1と同じ活性試験の結果は、転化率82.8%、
選択率90.0%と良い成績であったが、加速寿命試験
の結果は、15時間で転化率60.2%、選択率87.
9%に対し、2000時間では転化率29.4%、選択
率88.0%と、特に転化率の低下が著しい。
比較例3 パラモリブデン酸アンモニウム105.9gとメタバナ
ジン酸アンモニウム(NH,VO,)2.34gをイオ
ン交換水400m1に溶解したものに別に85%リン酸
8.65g、60%ヒ酸水溶液4.73g、硝酸銅3.
62g、硝酸セシウム17.5 gをイオン交換水30
0m1に溶解したものを加え、そのままロータリーエバ
ポレーターを用いて濃縮乾燥し、その後は実施例1と同
じ方法で実施例1と同じ組成の触媒を調製した。
活性試験の結果は、転化率68.5%、選択、$88.
5%と特に活性の点で不十分である。さらに加速寿命試
験の結果は、15時間で転化率51.3%、選択率85
.6%であったが2000時間後には転化率31.5%
、選択率85.8%となった。
比較例4 12モリブドリン酸(H=PMo、□0.。・30H2
0) 118.2 g、 60%ヒ酸4.73 gをイ
オン交換水500m1に溶解し、ここに五酸化バナジウ
ム2.28 gを加えて、アンモニウムイオンの存在し
ない条件下沸騰温度で15時間加熱した。
これにより五酸化バナジウムは溶解し、遊離のモリブド
バナドリン酸を主とする澄明な橙赤色の液体を得る。こ
れに硝酸セシウム17.5g、硝酸アンモニウム4.8
g、硝酸銅1.20 gを300m1のイオン交換水に
溶解したものを加え、そのままロータリーエバポレータ
ーで濃縮乾燥する。その後は実施例1と同じ方法で触媒
を調整した。その組成はMO12P +A Sa、<V
a、sCuo−+CS+、aである。
活性試験の結果は、転化率55.0%、選択率88.2
%であり、特に活性の点で不十分である。
比較例5 実施例1と同じ原料、同じ方法で得られたスラリーを特
に長時間の加熱工程なしにそのまま撹拌しながら濃縮乾
燥する。その後は実施例1と同様にし実施例1と同じ組
成の触媒を得た。
活性試験の結果は、転化率83.5%、選択率80.6
%であり、特に選択率の点で十分ではない。
比較例6 窒素気流中で焼成する代わりに、空気中370℃で5時
間焼成した以外は実施例1と同様にして実施例1と同じ
組成の触媒を得た。
活性試験の結果は、転化率68,5%、選択率89.2
%であり、特に反応活性の点で十分ではない。
実施例2 五酸化バナジウムの量を1.14 gとし、硝酸セシウ
ムの量を19.4 gとした他は実施例1と同様にして
M O+zP+、sA SD、4V0.25Cuo、s
c s2.0なる組成の触媒を得た。
活性試験の結果は、転化率84.5%、選択率89.2
%であった。さらに加速寿命試験の結果は、15時間で
転化率68.3%、選択率85.7%であったが、20
00時間後には転化率61.6%、選択率86.3%と
なった。
実施例3 五酸化バナジウムの量を1.14 g、60%ヒ酸水溶
液の量を7.10g、硝酸セシウムの量を15゜59g
とした他は実施例1と同様にして行い、Mo+aP+−
5Aso、sVo、asCuo、+cS+−sなる組成
の触媒を得た。
活性試験の結果は、転化率86,2%、選択率89.6
%であった。さらに加速寿命試験の結果は、15時間で
転化率70.2%、選択率86.1%であったが、20
00時間後には転化率60.8%、選択率86.8%と
なった。
実施例4 五酸化バナジウムの量を2.28g、硝酸セシウムの量
を13.6gとした他は実施例1と同様にしてM o+
zP +、sA S++、4V0.5Cun−sCS+
、なる組成の触媒を得た。
活性試験の結果は、転化率94.2%、選択率84.1
%であった。
実施例5 モリブデン酸アンモニウムの代わりに三酸化モリブデン
(M o O3) 86.3 gと28%アンモニア水
30gを用い、加熱撹拌時間を24時間にした他は、実
施例3と同様にして実施例3と同じ組成の触媒を調製し
た。
活性試験の結果は、転化率832%、選択率89.9%
であった。
実施例6 硝酸セシウムの代わりに炭酸セシウム(CszC03)
 13.0 gを用いた他は、実施例3と同様にして実
施例3と同じ組成の触媒を調製した。
活性試験の結果は、転化率84.2%、選択¥=88.
9%であった。
実施例7 硝酸セシウムの代わりに硝酸ルビジウム(RbN○、)
 11.8 gを用いた他は、実施例3と同様にしてM
O12P1.5A So、6V0.25Cuo、3Rb
l−6なる組成の触媒を調製した。
活性試験の結果は、転化率85.3%、選択′;;$8
7.5%であった。
実施例8 硝酸セシウムの代わりに硝酸タリウム(T I N03
) 21.3 gを用いた他は、実施例3と同様にして
MO12P+、5ASO,1lV0.25Cuo、3T
 l+、sなる組成の触媒を調製した。
活性試験の結果は、転化率83.8%、選択率87.9
%であった。
実施例9 実施例1の触媒を用い、イソブタンの酸化反応を行なっ
た。
触媒9gを内径15mmのガラス製反応管に充填し、イ
ソブタン42モル%、酸素33モル%、水蒸気12モル
%、残りが窒素よりなる原料ガスを空間速度(STP基
準)600h−’で供給した。
反応圧力は1.5気圧とした。反応温度310℃とし反
応開始15時間後に分析したところ、インブタン転化率
9.2%、メタクリル酸選択率50.2%、メタクロレ
イン選択率13.5%であった。そのまま反応を継続し
、2000時間後の成績は、転化率8.4%、メタクリ
ル酸選択率49.5%、メタクロレイン選択率16.8
%であった。
実施例10 実施例4と同じ触媒を用い、実施例9と同じ反応試験を
行なった。反応温度は300℃とし15時間後にはイソ
ブタン転化率8.9%、メタクリル酸選択率51.3%
、メタクロレイン選択率14.3%であった。さらに2
000時間後の成績は、転化率8.2%、メタクリル酸
選択率50.0%、メタクロレイン選択率17.5%で
あった。
比較例7 比較例3と同じ触媒を用い、実施例9と同じ反応試験を
行なった。反応温度320℃で運転し15時間後の成績
は、イソブタン転化率10,5%、メタクリル酸選択率
45.2%、メタクロレイン選択率13.3%であった
。さらに1000時間後の成績は、転化率5.2%、メ
タクリル酸選択率44゜0%、メタクロレイン選択率1
9.8%となり転化率の低下が著しい。
実施例11 実施例1と同じ触媒を用い、イソ酪酸の酸化脱水素反応
を行なった。
触媒9gを内径15mmのガラス製反応管に充填し、イ
ソ酪酸5モル%、空気60モル%、水蒸気35モル%の
原料ガスを空間速度(STP基準)670 h−’で供
給した。反応温度300℃でイソ酪酸転化率98.2%
、メタクリル酸選択率81.8%であった。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、一般式 P_aMo_bV_cAs_dCu_eX_fO_g(
    式中、P、Mo、V、As、Cu、Oはそれぞれリン、
    モリブデン、バナジウム、ヒ素、銅及び酸素を示し、X
    はルビジウム、セシウム及びタリウムからなる群より選
    ばれた少なくとも一種の元素を示し、また添字a、b、
    c、d、e、f及びgは各元素の原子比を示し、b=1
    2としたとき、a、c、d、e、fはそれぞれ0(ゼロ
    )を含まない3以下の値をとり、gは他の元素の原子価
    及び原子比によって決まる値を示す)で表されるヘテロ
    ポリ酸の部分中和塩であって、バナジウム原料として五
    酸化バナジウム(V_2O_5)を用い、またアンモニ
    ウム根の存在下に触媒原料を水に溶解または懸濁した状
    態で、80℃以上の温度で1時間以上加熱処理をする工
    程と、濃縮乾燥後得られた固体を400〜500℃の温
    度で不活性ガス中で焼成する工程とを含む方法で調製さ
    れることを特徴とするメタクリル酸製造用触媒。
JP17173490A 1990-06-28 1990-06-28 メタクリル酸製造用触媒の製造方法 Expired - Fee Related JP3146486B2 (ja)

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