JPS608860B2 - 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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JPS608860B2
JPS608860B2 JP55180368A JP18036880A JPS608860B2 JP S608860 B2 JPS608860 B2 JP S608860B2 JP 55180368 A JP55180368 A JP 55180368A JP 18036880 A JP18036880 A JP 18036880A JP S608860 B2 JPS608860 B2 JP S608860B2
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carrier
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武彦 鈴木
良之 中西
陽治 赤沢
憲明 池田
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Nippon Shokubai Co Ltd
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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特せしめた
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
酸化バナ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特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49−14036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、工銀的にも
使用され実績をあげているものもある。とくに特公昭4
9−14036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者らは確認してい
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って製造
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っ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、特関昭50−40514号公報明細書、ケミカル
エンジニアリング第82頁(197仏王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40タ
ーオルトキシレン/NM3以下である必要があったが4
0/NM3以上60夕/NM3まで高濃度とすることが
可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かないという知見のえられたこ
とが挙げられよう。すなわち、原料ガス側(反応器入口
側)は、原料投入部よ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、たとえばそのガス組成
が静止状態において爆発範囲に入っ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補集室とい
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60夕/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謀せられれることになる。
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、ホットスポッ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、しかもホットスポット部での
触媒劣化が著しく促進される。このような傾向は、従来
の40夕/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60夕/NM3付近になると顕著にあ
らわれ、濃度がそれを越え、とくに80夕/NM3にま
で達するとホットスポット部の温度は50000を越え
、しかも無水マレィン酸、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城を広げつつ、
しかもこの水蒸気によってホットスポットでの温度上昇
を抑制しようとする試みもある。
なお、水蒸気がホットスポッ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〈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53−1
4645y号(特開昭55−73675号)および特願
昭54−155608号発明(特開昭59−1378号
公報参照)として高濃度反応に耐えうるすぐれた無水フ
タル酸製造用触媒を提案した。
とくに特願昭54−155608号(特公昭59−13
78号公報参照)発明では、V2Q−Ti02系触媒に
アンチモンを添加することにより耐熱性、耐水蒸気性を
改善することが明らかにされた。これらの触媒は「 1
12〜114重量という高い無水フタル酸収率を与える
点て工業上の使用に耐えうるものであるが、本発明者ら
はさらに高い選択性を与えるべく触媒探求を行ない、以
下の如く特定しうる本発明を完成した。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V2Q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10〜60
の/夕の多孔性アナターゼTi02がTj02として9
9〜8の重量部、好ましくは98〜85重量部、さらに
これら2成分の合計100に対してニオブがNb2Q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(K)、セシウム(Cs)、ルビジウ
ム(Rb)およびタリウム(TI)よりなる群から選ば
れた少なくと1成分が酸化物として0.05〜1.2重
量部、リン0がP205として0.05〜1.2重量部
、およびアンチモンがSQ03として0.5〜1の重量
部を含有してなる触媒活性物質を多孔性担体に15〜2
00夕/100cc担体(ただし15夕/100cc担
体は除く)担特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。本発明においては、触媒活性物質の担
体への担持量は15〜20M/100cc担体(ただし
15夕/100cc担体は除く)と多いことが特徴であ
り、しかも反応温度を35000以下好ましくは330
qo以下とすることが可能であり、それにより非常にす
ぐれた無水フタル酸への選択性を有する触媒が提供され
る。そしてV2QとTi02との合計10の重量部に対
してアンチモンを0.5〜1の重量部存在させ、しかも
その含量を変化させることによって高選択性を維持する
とともに活性コントロールをも可能にすることも特徴で
あり、以下に述べる如くきわめて安定的な工業的使用法
が可能である。そして上記特定にか)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10〜60枕
/夕、好ましくは15〜40〆/夕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M 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」と見倣しうるほどの強度を有する。
溶液法による酸化チタンは、ィルメナィト(FeOTj
02)を硫酸で処理して製造されるが、固化法による酸
化チタンの精造にくらべ濃度の低い硫酸(すなわち通常
は70〜80%といわれる)で処理され、加水分解も1
5000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(AI203)が
10重量%以下、好ましくは5重量%以下でありシリコ
ンカーバィド(SIC)含量が8の重量%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15〜4
5%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%に調製したものが挙
げられる。担体の形状はその大きさが2〜15肌の径で
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
特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、200〜300q
0に保ちつつ触媒活性物質を含有する液状物(スラリー
)を曙霧し活性物質を担特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
大きさによって異るが15〜200cc活性物質/10
0cc−担体(ただし15タ活性物質/100cc−担
体は除く)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紬孔による紬孔容積の50%以上、
とくに75%以上が0.1〜0.45ミクロンの紬孔の
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って
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10〜60の/夕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で測定可能である。従って
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−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10〜4広
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400〜7
00℃の温度に空気流通下2〜1畑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(Ti02)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、V24、NQ05、P205、K20、CS20
、RQ0、T120で示される各成分はそれらの酸化物
に限らず、それら各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
っ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(SQ03)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
ずれでもよいし、またバナジウムとアンチモンとをあら
かじめ反応させてえられるバナジン酸アンチモン(Sb
V04)を用いることも好ましい結果を与える。
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15〜40側、好ましくは15〜
27側の管に1〜5メートル、好ましくは1.5〜3メ
ートルの高さに充填し、管は熱媒体によって250〜3
5000、とくに270〜33000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5〜60夕−原料/NM3−空気ま
たは5〜110夕−原料/NM3−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。本発明触媒のさりこ有利な使用方法は管中でのガス
流れ方向に沿って管入口側より管出口側にかけて、上述
した如く、アンチモン舎量を変化させることにより触媒
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V2051〜20重量部、および前記物
性を有するアナターゼ型Ti0299〜80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Nb205、0.05〜1.2重量部のP205
、0.05〜1.2重量部のK20、Cs20、Rb2
0、n20よりなる群からより選ばれた少なくとも1成
分、および2〜1の重量部のSb203よりなる活性物
質をアルミニウム化合物がAI203として1Q重量%
下、好ましくは5重量%以下、SIC含量が8の重量%
以上、好ましくは95重量%以上よりなり、気孔率が1
0%以上の多孔性担体に担特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Nb2Qのみを0.5〜2.
0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)を積層に充填し反応を行なわしめる。
た)、し、前述の前および後段触媒におけるNQ05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
可能である。このような積層触媒の採用によって触媒層
におけるホットスポット部の温度の高さがほ)、380
00以下まで抑えられ、無水フタル酸収率は11り重量
%の水準が維持される。
実施例 1 ィルメナィトに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、ィルメナィト中の鉄分
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。このようにしてえられた硫酸チ
タン水溶液に1500のこ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、80000の温度で空気流通下4時
間焼成した。これをジェット気流粉砕処理し、平均粒子
蚤約0.5ミクロンでBET法比表面積20で/夕の多
孔性アナターゼ型Tj02をえた。脱イオン水6400
ccに修酸200夕を溶解させ修酸水溶液とし、そこへ
メタバナジン酸アンモニウム71.61夕、第一リン酸
のアンモニウム6.02夕、塩化ニオブ18.86夕、
硫酸セシウム9.53夕および三酸化アンチモン46.
39夕を添加し十分櫨拝した。
このようにしてえられた溶液に上記Ti021800夕
を加え、乳化機により礎拝して触媒スラリ−液を調製し
た。外部より加熱できる直径35cm、長さ80肌のス
テンレス製回転炉中に直径5柳、気孔率35%のSIC
目焼給担体2000ccを入れ、200〜25000に
子熱しておき、炉を回転させなから担体上に上記触媒ス
ラリー液を噴露して触媒活性物質を30.0夕/100
cc−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50000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恒持物質の組成は、V
2〇5:Tj〇2:P2〇5:NQQ。
:CS2〇:SQ〇3=3:97:0.2:0.5:0
.4:2.5(重量比)であった。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紬孔分布の測定
を行なったところ0.15〜0.45ミクロンの細孔の
占める紐孔容積が10ミクロン以下の全細孔容積の85
%であった(以下、これを“0.15〜0.45ミクロ
ンの細孔容積が85%”のように略記する)。この触媒
を前段触媒とする。一方、後段触媒は三酸化アンチモン
の添加量を18.56夕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、V24:Ti02:
P2Q。:Nb24:Cs20:Sb203:3:97
:0.2:0.5:0.4:1(重量比)であり、0.
15〜0.45ミクロンの紬孔容積は87%であった。
31300の温度(以下、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2仇奴、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‘こ充填し、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1畔
容量%、水1庇容量%、および8庇容量%の窒素よりな
る合成ガスに対して83夕/NM3−合成ガスの割合で
混合せしめたガスを空間速度(以下、S.V.と略記す
る)2000hr‐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て無水フタル酸は118.
5重量%の収率でえられ、約180日経過後には最適N
.Tは31000で安定し、無水フタル収率は118.
母重量%と若干増大した。実施例 2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4柳
、気孔率35%のSIC目嘘結品を用いた以外同じよう
にして次のような触媒を調製しそれぞれ6ケ月間触媒活
性の変化の様子について調べた。
桃 船 雌 船 トQ 樹 し 溝 ヤ 峠 S 総 血 ト ら M キ 滋 中 ト 鞭 息 R り 鰭 器 鍵 g 甘 Z 実施例 3 脱イオン水2000ccに確酸250夕を溶解させ蔭酸
溶液としそこへメタバナジン酸アンモニウム117#を
加えて溶解さす。
かくしてえられた水溶液に三酸化アンチモン146夕を
加え、充分に混合し蒸発乾固した。その後700℃で焼
成し固形物をえた。このものはX線回折分析の結果28
=27.4o一 にメインピークがあり、lnor舞n
ic Index ○fmePowderDiffra
ctionFile(1970)の同定によりSbV0
4(AntimonyVanadium○kide)で
あることが判明している。脱イオン水6400ccに第
一リン酸アンモニウム6.02夕、塩化ニオブ18.8
6夕、硫酸セシウム7.15夕を添加し十分鷹拝した。
このようにしてえられた溶液に上記バナジン酸アンチモ
ン144.97夕、実施例1の方法でえられたTi02
1800夕を加え乳化機により鷹拝して触媒スラリー液
を調製した。外部より加熱できるステンレス製回転炉に
直径3柳、気孔率35%のSIC目焼結担体2000c
cを入れ担体上に上記スラリー液を贋露して触媒活性物
質を50夕/100cc−担体の割合で担持させた。つ
いで空気流通下電気炉中で500C0の温度で3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V205:Ti02:NQ05:P205:Cs20
:SQ03=3:97:0.5:0.2:0.3:4.
母重量比である(但し、厳密にはTi02:Nb2Q:
P205:Cs20:SbV04=100:0.52:
0.21:0.31:8.05重量比)。また調製され
た触媒の0.15〜0.45山の細孔容積は84%であ
った。この触媒を前段触媒とした。一方、後段触媒は脱
イオン水6400ccに修酸を140タ溶解して修酸溶
液とし、そこへメタバナジ**ン酸アンモニウムを56
.68夕、第1リン酸アンモニウム12.042、塩化
ニオブ18.86夕、硫酸セシウム7.15夕を添加し
充分溶解させた。このようにしてえられた溶液に前段触
媒調製時に使用したバナジン酸アンチモンを30.21
夕および実施例1に於いて使用したのと同じTi021
800夕を加え、乳化器により櫨拝して触媒スラリー液
を調製し前段と同様の坦体に同機の方法で50夕/10
0cc担体の割合で担持させた。触媒の焼成は500℃
で3時間行った。このようにしてえられた触媒の担持物
質の組成はV205:Ti02:Nb205:P2Q:
Cs20:SQ03=3:97:0.5:0.4ミ0.
3:1.の重量比であった(但し、厳密にはV2Q−T
j02−Nb203−P205−Cs20−SbV04
=2.4:97.6:0.5:0.4:0.3:1.6
重量比となる。)。こうしてえられた後段触媒の0.1
5〜0.4ミクロンの紬孔類積は85%であった。30
500の温度に保たれた溶融塩浴中にひたされた内径2
仇吻、長さ3メートルの鉄製反応管に先ず後段触媒を1
.2メートルの高さに充填し、次いで前段触媒を1.3
メートルの高さに充填した。
反応管上部よりオルトキシレンを酸素1舷容量%、水1
0容量%および8坪容量%の窒素よりなる合成ガスに対
して85夕/NM3−合成ガスの割合で混合せしめたガ
スを空間速度(S.V.)2000hrl(STP)で
オルトキシレンを接触酸化せしめると初期において無水
フタル酸は117.4重量%の収率でえられ、約150
日経過後には最適熔融塩温度は30を0で安定し無水フ
タル酸収率は117.母重量%となった。実施例 4実
施例1記載の調製法と同様な方法で次の2種の触媒をえ
た。
第3表 32000の温度に保たれた熔融塩浴中にひたされた内
径25肌、長さ3メートルの鉄製反応管に先ず後段触媒
を1.1メートルの高さに充填し、次いで前段触媒を1
.4メートルの高さに充填した。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 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1〜5
    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99
    〜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0.0
    5〜1.2重量部、およびアンチモンがSb_2O_3
    として0.5〜10重量部含有してなる触媒活性物質を
    多孔性担体に15〜200g/100cc担体(ただし
    15g/100cc担体は除く)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。
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