JPS591378B2 - 無水フタル酸製造用触媒 - Google Patents

無水フタル酸製造用触媒

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JPS591378B2
JPS591378B2 JP54155608A JP15560879A JPS591378B2 JP S591378 B2 JPS591378 B2 JP S591378B2 JP 54155608 A JP54155608 A JP 54155608A JP 15560879 A JP15560879 A JP 15560879A JP S591378 B2 JPS591378 B2 JP S591378B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明はオルトキシレンまたはナフタリンを分子状酸素
含有ガスにより接触気相酸化して無水フタル酸を製造す
るための触媒に関する。
詳しく述べると触媒活性物質として酸化バナジウムおよ
び酸化チタンを含みこれを不活性担体上に担持せしめた
無水フタル酸製造用触媒に関するもので、とくに高濃度
にオルトキシレンやナフタリンを含む原料ガスを接触気
相酸化して工業的に安定して無水フタル酸を製造し得る
酸化バトジウムおよび酸化チタン含有の担持型触媒に関
する。酸化バナジウムおよび酸化チタンを主成分とする
触媒活性物質を不活性担体に担持せしめた無水フタル酸
製造用触媒は広く知られ、特公昭47−15323号、
特開昭49−89694号、特開昭47−5661号、
特公昭49−41036号、特公昭52−4538号各
公報明細書などに報告されている。
これらの公知触媒はそれぞれ特徴点を備え、工業的にも
使用され実積をあげているものもある。とくに特公昭4
9−41036号および特公昭52−4538号発明に
よる触媒は、その高い水準と耐久性のゆえに工業的にき
わめて有効な触媒であることを本発明らは確認している
。無水フタル酸は、酸化剤として空気を用いてナフタリ
ンまたはオルトキシレンの接触気相酸化によつて製造さ
れてきたが、殆んどの場合、原料ガス濃度はそれぞれの
爆発下限界以下に保つて反応が行なわれてきた。しかし
、この数年、単位反応器あたりの生産性の向上、および
省エネルギーを目的として触媒の選択性および耐熱性等
の面での技術水準の向上と反応工学の面での技術水準の
向上とともにナフタリンやオルトキシレンの空気中にお
ける濃度を爆発下限値(409/NM3一空気)以上に
高めて反応を行なわしめるという、いわゆる爆発範囲内
操業が一般化する傾向を持ち、このようなプロセスに関
する文献も以下のように報告されている。特開昭50−
40539号公報明細書、特開昭50−40514号公
報明細書、ケミカルエンジニアリング第82頁(197
4年3月号)など。これらの文献から明らかなことは、
たとえばオルトキシレンを使用する場合、従来はガス濃
度が空気中で409−オルトキシレン/NM3以下であ
る必要があつたが409/NM3以上609/NM3ま
で高濃度とすることが円能であることが示された。
その理由の一つとしては、反応器以降の生成ガス組成を
爆発範囲より外せば危険がないという知見の得られたこ
とが挙げられよう。すなわち、原料ガス側(反応器入口
側)は、原料投入部ょり反応器触媒層に至るまでの間の
ガス線速度を高めることにより、たとえそのガス組成が
静止状態において爆発範囲に入つていてもある程度まで
のガス濃度であれば爆発の危険性は回避できる。しかし
、反応器以降の生成ガス側は無水フタル酸捕集室という
空間を不可避的に必要とする関係上、爆発範囲をガスの
線速度を上げて狭くするというような手段をとることが
できず、結局609/NM3程度までが爆発回避の限界
として上記した如く知見されたためであろう。しかし、
このような従来にない高濃度反応においては、使用され
る触媒にも種々の制約が課せられることになる。
オルトキシレンやナフタリンを接触気相酸化して無水フ
タル酸をえる反応は著しい発熱を伴うのでとくにガス濃
度を高めた場合、ホツトスポツト部での温度上昇はきわ
めて激しくなる。このために過度酸化反応が増大し、無
水フタル酸収率が低下し、しかもホツトスポツト部での
触媒劣化が著しく促進される。このような傾向は、従来
の40f!/NM3以下の濃度できわめて高水準を維持
した触媒でも濃度が609/NM3付近になると顕著に
あられれ、濃度がそれを越え、とくに809/NM3に
まで達するとホツトスポツト部の温度は500℃を越え
、しかも無水マレイン酸、安息香酸、炭酸ガスなどの副
反応も増大することも知見されたのである。一方、これ
ら高濃度反応に対応するため水蒸気を原料ガス中に加え
(主としてこの水蒸気は反応生成ガスからの循環水蒸気
が採用される)、爆発下限を上げて安全域を広げつつ、
しかもこの水蒸気によつてホツトスポツトでの温度上昇
を抑制しようとする試みもある。
なお、水蒸気がホツトスポツトでの温度上昇を抑制する
効果については特開昭50−40514号公報明細書に
記載されている。しかし、このような従来にない新しい
反応条件に適合するためには、従来の触媒では不十分で
あることが判明した。
なるほど反応開始から久らくの間は、所期の無水フタル
酸の生産性を維持するが次第にその触媒活性を失い工業
的使用には耐ええないことが判明したのである。本発明
者らはすでに特願昭53−146459号発明としてす
ぐれて高濃度反応の使用に耐えうる無水フタル酸製造用
触媒を提案したが、さらにこの触媒活性物質にアンチモ
ンを添加することによりさらに耐熱性、耐水蒸気性を改
善し長期間の使用に十分耐えうる無水フタル酸製造用触
媒が得られることを知見し本発明に到達した。
すなわち、本発明は以下の如く特定される。(1)オル
トキシレンまたはナフタリンを分子状酸素含有ガスによ
り接触気相酸化して無水フタル酸を製造するための触媒
において、酸化バナジウムがV2O5として1〜20重
量部、好ましくは2〜16重量部、および実質的に0.
4〜0,7ミクロンの平均直径よりなり、且つ、比表面
積10〜60Tr1/9の多孔性アナターゼTiO2が
TiO2として99〜80重量部、好ましくは98〜8
5重量部、さらにこれら2成分の合計100に対してニ
オブがNb2O5として0.01〜1重量部、好ましく
は0.01〜0.5重量部、カリウム(代)、セシウム
(Cs)、ルビジウム(Rb)およびタリウム(Tl)
よりなる群から選ばれた少くとも1成分が酸化物として
0.05〜1.2重量部、リンがP2O5として0.2
〜1.2重量部、およびアンチモンがSb2O3として
0.5〜5重量部、好ましくは1〜3重量部を含有して
なる触媒活性物質を多孔性担体に3〜15f!/100
cc担体担持せしめてなることを特徴とする無水フタル
酸製造用触媒。
(支)触媒活性物質の担持層の10ミクロン以下の直径
を有する細孔容積の50%以上、好ましくは75%以上
が0.15〜0.45ミクロンの細孔容積よりなことを
特徴とする上記(1)の触媒、(3)担体としてアルミ
ナ(Al2O3)の含量が10重量%以下、シリコンカ
ーバイド(SiC)の含量が80重量%以上の多孔性担
体を使用してなる上記(1)または(2)記載の触媒、
(4)担体としてアルミナ(Al2O3)の含量が5重
量%以下、シリコンカーバイド(SiC)の含量が95
重量%以上であり、且つ見掛け気孔率が15〜40(f
)である多孔性担体を用いてなる上記(1),(2)ま
たは(3)の触媒、(5)実質的に0.45〜0.60
ミクロンの平均直径よりなり、かつ比表面積が15〜4
0m゛/9の多孔性アナターゼ型酸化チタンを使用して
なる上記(1),(2),(3)または(4)記載の触
媒。
上記特定にか\る本発明の無水フタル酸製造用触媒にお
いて最も特徴的な点は実質的に0.4〜0.7ミクロン
、好ましくは0,45〜0.60ミクロンの平均直径よ
りなり、かつ比表面,積が10〜60m”/fl、好ま
しくは15〜407TI/9の多孔性アナターゼ型酸化
チタンを使用することである。この多孔性アナターゼ型
酸化チタンは[溶液法」として知られる方法で製造され
るもので多孔性でありながら機械的強度は高く、通常の
ボールミル等の機械的粉砕ではつぶれず、その限り「一
次粒子」と見做しうるほどの強度を有する。溶液法によ
る酸化チタンは、イルメナイト(FeOTiO2)を硫
酸で処理して製造されるが、固化法による酸化チタンの
製造にくらべ濃度の低い硫酸(すなわち通常は70〜8
0%といわれる)で処理され、加水分解も150℃近辺
で加圧下に処理され、焼成されて製造される。
えられる酸化チタンは多孔性の大きな粒径のもので、し
かも表面積の大きいものである。つぎにこ\で用いられ
る多孔性担体とは酸化アルミニウム(Al2O3)が1
0重量%以下、好ましくは5重量%以下でありシリコン
カーバイド(SiC)含量が80重量%以上、好ましく
は95重量%以上よりなり、かつ見掛け気孔率(以下、
気孔率と略記)が10%以上、好ましくは15〜45%
の担体である。
この代表的な担体として純度98%以上のSiCの粉末
を自焼結し、気孔率を15〜40(fl)に調整したも
のが挙げられる。担体の形状はその大きさが2〜15m
1Lの径であればどのようなものでもよいが、球状もし
くは円柱状のものが取扱い上好適である。触媒活性物質
を担体に担持せしめる方法はとくに限定しないが外部よ
り加熱できる回転ドラムに一定量の担体を入れ、200
〜300℃に保ちつつ触媒活性物質を含有する液状物(
スラリー)を噴霧し活性物質を担持せしめる方法が最も
簡便である。
この際活性物質の担体に対する担持量は使用する担体の
大きさによつて異るが3〜159活性物質/100CC
一担体が好適である。なお、完成触媒に前記した如き物
性、すなわち触媒活性物質の担持層の10ミクロン以下
の直径を有する細孔による細孔容積の5001)以上、
とくに75%以上が0.15〜0.45ミクロンの細孔
の細孔容積よりなる物性を具有するためには多孔性アナ
ターゼ型酸化チタンの本質的な一次粒子の大きさによつ
て特公昭49−41036号公報明細書記載と同様にス
ラリー濃度を調整する必要がある。
本発明触媒に用いる実質的に0.4〜0,7ミクロンの
大きな粒子径をもち、それにも拘らず10〜607TI
/9の高い比表面積を有する多孔性アナターゼ型酸化チ
タンは本質的には小さな径をもつ一次粒子の会合体であ
りその微視的な個々の粒子径は水銀圧入式ポロシメータ
ーで測定用能である。従つて一次粒子が0.005〜0
.05ミクロンの径よりなるものと測定された多孔性ア
ナターゼ型酸化チタンを使用する場合はスラリー濃度を
5〜25重量%、好ましくは10〜20重量%に、一次
粒子が0.05ミクロンより大きい径よりなるものと測
度された多孔性アナターゼ型酸化チタンを使用する場合
はスラリー濃度を10〜40重量%、好ましくは15〜
25重量%に調整する必要がある。このようにして得ら
れた担持組成物は450〜700℃、好ましくは550
〜650℃の温度にて空気流通下2〜10時間焼成して
完成触媒となる。
なお、酸化チタンはその原鉱石の関係で、鉄、亜鉛、ア
ルミニウム、マンガン、クロム、カルシウム、鉛等が混
入する場合があるが酸化チタン(TiO2)に対して酸
化物として0.5重量%以下であれば触媒性能上とくに
支障はない。
一方、V2O5ラNb2O5,P2O5,K2O,CS
2O,Rb2O,Tl2Oで示される各成分はそれらの
酸化物に限らず、それら谷金属のアンモニウム塩、硝酸
塩、硫酸塩、ハロゲン化物、有機酸塩、水酸化物など加
熱によつて上記の如き酸化物に変化する物質から適当に
選ぶことができる。
本発明において触媒活性物質中に添加されるアンチモン
源としては、三酸化アンチモン(Sb2O3)をはじめ
、焼成することにより酸化物を形成しうるものであれば
いずれでもよい。
本発明触媒はオルトキシレンおよびナフタリン、最も好
適にはオルトキシレンの接触気相酸化による無水フタル
酸の製造に使用される。
この場合、触媒を内径15〜40m71L、好ましくは
15〜27m7!Lの管に1〜5メートル、好ましくは
1.5〜3メートルの高さに光填し、管は熱媒体によつ
て300〜400′C1とくに330〜380くCの温
度に保持される。
これに原料のオルトキシレンまたはナフタリンを酸化剤
として空気または5〜21容量%の分子状酸素を含有す
るガスとともに濃度5〜609一原料/NM3一空気ま
たは5〜1109一原料/NM3一分子状酸素含有ガス
、空間速度1000〜6000hr−1(STP)、と
くに1000〜4000hr−1(STP)で導通させ
る。本発明触媒のさらに有利な使用方法は管中でのガス
流れ方向に沿つて管入口側より管出口側にかけて触媒の
活性をコントロールし、オルトキシレンやナフタリンを
上述の如き条件の下で酸化せしめる方法である。具体的
には、全触媒層高のうち、ガス入口側より30〜70%
の層高にV2O,l〜20重量部、および前記物性を有
するアナターゼ型TiO299〜80重量部、およびこ
れら両成分の合計100に対して0.01〜1重量部の
Nb2O5,O.2〜0.4重量部のP2O5,O.2
〜1.2重量部のK2O,CS2O,Rb2O,Tl2
Oよりなる群からより選ばれた少くとも1成分、および
0.05〜5重量部のSb2O3よりなる活性物質をア
ルミニウム化合物がAl2O3として10重量%以下、
好ましくは5重量%以下、SiC含量が80重量%以上
、好ましくは95重量%以上よりなり、気孔率が10%
以上の多孔性担体に担持せしめてよりなる触媒(前段触
媒)を、またガス出口側の残部70〜30%の層高には
前記前段触媒においてP2O5のみを0.4〜1.2重
量部と変化させ、前段触媒よりもより高活性にした触媒
(後段触媒)を積層に光填し反応を行なわしめる。
たマし、前述の前および後段触媒におけるP2O5の添
加量関係内において触媒層を2層以上に区切ることも円
能である。このような積層触媒の採用によつて触媒層に
おけるホツトスポツト部の温度の高さが著しく抑制され
触媒の選択性、耐久性、および負荷性が著しく改善され
る。とくに負荷性の面での改善は著しく、例えば酸素濃
度10容量%程度の分子状酸素を含有するガスを用いて
、かつオルトキシレンの供給量が809/NM3一分子
状酸素含有ガス以上というような過酷な条件の下でも無
水フタル酸は112重量%以上の高収率で長期に安定し
てえられる。
実施例 1 ィルメナイトに80(!)の濃硫酸を混合し、十分反応
を行なわしめたのち、水で希釈し硫酸チタン水溶液とし
た。
これに還元剤として鉄片を加え、イルメナイト中の鉄分
を第1鉄イオンに還元し、しかるのち冷却して硫酸第1
鉄として析出分離した。このよう(こして得られた硫酸
チタン水溶液に15『Cに加熱された水蒸気を吹き込み
含水酸化チタンを沈殿させた。これを水洗、酸洗および
二次水洗したのち、800℃の温度で空気流通下4時間
焼成した。これをジニット気流粉砕処理し、平均粒子径
約0,5ミクロンでBET法比表面積227TI/9の
多孔性アナターゼ型TiO2を得た。脱イオン水640
0CCに蓚酸2009を溶解させ蓚酸水溶液とし、そこ
へメタバナジン酸アンモニウム42.739、第一リン
酸アンモニウム5.989、塩化ニオブ18.79g、
硫酸セシウム7.119および三酸化アンチモン36.
949を添加し十分攪拌した。このようにしてえられた
溶液に上記TiO2l8OO9を加え、乳化機により攪
拌して触媒スラリー液を調製した。外部より加熱できる
直径35CTrL、長さ80CWLのステンレス製回転
炉中に直径57n1L、気孔率350I)のSiC自焼
担体2000CCを入れ、200〜250℃に予熱して
おき、炉を回転させながら担体上に上記触媒スラリー液
を噴霧して触媒活性物質を8.09/100CC一担体
の割合で担持させた。
ついで空気を流通させながら電気炉中で58『Cの温度
にて6時間焼成した。このようにしてえられた触媒の担
持物質の組成は、であつた。
また、調製された触媒について水銀圧入式ポロシメータ
ーで細孔分布の測定を行なつたところ0.15〜0.4
5ミクロンの細孔の占める細孔容積が10ミクロン以下
の全細孔容積の86%であつた(以下、これをゞ0.1
5〜0.45ミクロンの細孔容積が86%7のように略
記する)。この触媒を前段触媒とする。一方、後段触媒
は第一リン酸アンモニウムの添加量を17.949とし
た以外は上記前段触媒と同様にして調製した。
えられた触媒の担持物質の組成は、であり、0.15〜
0.45ミクロンの細孔容積は87%であつた。
365゜Cの温度(以丁、N.T.と略記する)に保た
れた溶融塩浴中にひたされた内径20mm、長さ3メー
トルの鉄製反応管に先ず後段触媒を1.25メートルの
高さに光填し、次いで前段触媒を1.25メートルの高
さに充填し、反応管上部よりオルトキシレンを酸素10
容量%、水10容量%、および80容量%の窒素よりな
る合成ガスに対して83g/NM3一合成ガスの割合で
混合せしめたガスを空間速度(以下、S..と略記する
)2500hr−1(STP)でオルトキシレンを接触
酸化せしめると初期においつ無水フタル酸は113.4
重量%の収率でえられ、約380日経過後には最適N.
T.は353゜Cで安定し、無水フタル収率は113.
7重量%と若干増大した。
実施例2および比較実施例 触媒の耐熱耐久性を短期間で判定するために過酷テスト
法を採用した。
過酷テスト法とは、触媒を反応管に光填し、これを最適
N.T.以上の温度でオルトキシレンまたはナフタリン
を分子状酸素含有ガスで比較的長時間接触酸化せしめる
ものである。
この際、過度酸化反応が激しくなるので結果的に触媒の
ホツトスポツト部の温度は極度に高くなる。このような
過酷な雰囲気中に触媒を長時間さらしているとホツトス
ポツト部の発熱は触媒の劣化とともに次第に低下してく
る。その劣化スピードから触媒の耐熱耐久性を推し計る
手法である。本比較実施例では以下の2種の触媒それぞ
れについてホツトスポツトの温度を55゜Cに保持する
ようにN.T.をコントロールし反応を行なわしめ、過
酷テストを行なつた。(触媒−A) 実施例1記載の前段および後段触媒の調製法において担
体として直径3m7!L、気孔率35%のSiC自焼結
品を用いた以外同じようにして2種の触媒を調製した。
担持率はそれぞれ79/100CC一担体であつた。(
触媒−B) アンチモンを含まない下記B−1,B−2に示す組成の
触媒を、実施例1記載方法に準じて調製した。
ただし担体として直径3mm、気孔率35%のSiC自
焼結品を用い、担持率は79/100CC−担体、焼成
条件は電気炉中で空気流通下550゜C16時間であつ
た。内径2011、長さ50?のU字型反応管の一方の
管に先ず触媒−Aの前段触媒(A−1)を20(177
!の高さに光填し、次いで後段触媒(A−2)を20?
の高さに積層に光填し溶融塩浴に浸した。
U字管の一方よりオルトキシレンを酸素10容量%、水
10容量%、および窒素80容量%よりなる合成ガスに
対して859/NM3一合成ガスの割合で混合されたガ
スをS.V.25OOhr−1で導通した。初期におけ
る最適N.T.は365℃で触媒層の最高温度は435
適Cであつた。過酷テストにおいてはN.T.を380
℃に高め反応を継続せしめた。過酷テスト期間700時
間の間に触媒層の最高温度を550℃に保たせるにはN
.T.は390℃と当初にくらべ10℃上昇させる程度
であり、過酷テスト後の触媒の最適N.T.は362℃
であり、初期よりむしろ3℃低下していた。一方、触媒
−Bについても触媒−Aと同様な手法で過酷テストを行
なつた。
初期に於る最適N.T.は360℃で触媒層最高温度は
およそ440℃であつた。過酷テストにおいてはN.T
.を38『Cに高め反応を継続せしめた。その結果過酷
テスト期間700時間の間に触媒層最高温度を55『C
に保つためには最終的にN.T.を4105Cまで上昇
させる必要があつた。また、700時間過酷テスト後の
触媒−Bの最適N.T.は378℃まで上昇した。実施
例 3〜5 実施例1記載の方法と同様にして以下の各種の触媒を調
製し、それぞれ6ケ月間の触媒活性の変化の様子につい
てしらべた。
実施例 6 平均粒子径0.5ミクロン、比表面積22m”/yの多
孔性アナターゼ型TiO2、および担体として直径5
mm.気孔率35%のSiC自焼結品を用い、以下実施
例1記載の基準に従つて次の2種の触媒を調製した。
内径20鷹貫、長さ3Mの鉄製の管250本よりなる多
管式熱交換型反応器に先ず後段触媒をl.3Mの高さに
、次いで1.3Mの高さに前段触媒を積層に元填した。
熱媒体として溶融塩を用い、これを反応器に循環させて
温度を367℃に保つた。反応管上部より、オルトキシ
レン一空気の混合ガスをS.V.2500hr−1で通
じ、まずオルトキシレンの濃度を40 9 /NM3−
空気に保つた。次いで反応生成ガスより反応生成物を冷
却捕集した廃ガスの一部を反応器に循環させるブロアー
を作動させ、反応器入口の原料ガス中の酸素濃度が11
容量%になつた時点でオルトキシレンの供給量を徐々に
高め、最終的にオルトキシレンの濃度が100θ/NM
3−分子状酸素含有ガスになるようにした。この際、原
料ガス側の酸素濃度が11容量%を保つようにオルトキ
シレンの供給量の増加とともに廃ガス循環量を自動コン
トロールした。反応器を出たガスは熱交換器により16
0℃まで冷却され、スィツチ式結晶捕集室に導入され、
生成無水フタル酸は冷却捕集された。但し、この場合、
生成ガス中の無水フタル酸濃度が高いため全捕集量の約
33%は液状捕集された。廃ガスは結晶捕集室から77
℃の温度で出、さらに120〜130℃に保温された導
管を通じてその51.6%が原料ガスとして循環され、
空気およびオルトキシレンとともに反応器に供給された
。
なお、廃ガスの残部48.4%は触媒式燃焼器に導き、
完全燃焼後大気放出させた。このような条件の下で反応
器入口ガス中の水蒸気濃度は約8.7容量%であつた。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 オルトキシレンまたはナフタリンを分子状酸素によ
    り接触気相酸化して無水フタル酸を製造するための触媒
    において、酸化バナジウムがV_2O_5として1〜2
    0重量部、および実質的に0.4〜0.7ミクロンの平
    均直径よりなり、かつ比表面積が10〜60m^2/g
    の多孔性アナターゼ型酸化チタンがTiO_2として9
    9〜80重量部、さらにこれら2成分の合計100に対
    して、ニオブがNb_2O_5として0.01〜1重量
    部、カリウム、セシウム、ルビジウムおよびタリウムよ
    りなる群から選ばれた少くとも1成分が酸化物として0
    .05〜1.2重量部、リンがP_2O_5として0.
    2〜1.2重量部、およびアンチモンがSb_2O_3
    として0.5〜5重量部を含有してなる触媒活性物質を
    多孔性担体に3〜15g/100cc担体担持せしめて
    なることを特徴とする無水フタル酸製造用触媒。 2 触媒活性物質の担持層の10ミクロン以下の直径を
    有する細孔の占める細孔容積の50%以上が0.15〜
    0.45ミクロンの細孔容積よりなることを特徴とする
    特許請求の範囲1の触媒。 3 担体としてアルミナ(Al_2O_3)の含量が1
    0重量%以下、シリコンカーバイド(SiC)の含量が
    80重量%以上の多孔性担体を使用してなる特許請求の
    範囲1または2の触媒。 4 担体としてアルミナ(Al_2O_3)の含量が5
    重量%以下、シリコンカーバイド(SiC)の含量が9
    5重量%以上であり、かつ見掛気孔率が15〜40%で
    ある多孔性担体を用いてなる特許請求の範囲1、2また
    は3の触媒。 5 実質的に0.45〜0.60ミクロンの平均直径よ
    りなり、かっ比表面積が15〜40m^2/gの多孔性
    アナターゼ型酸化チタンを使用してなる特許請求の範囲
    1、2、3または4の触媒。
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