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JP6414343B2 - メタクリル酸製造用触媒およびその製造方法、並びにメタクリル酸およびメタクリル酸エステルの製造方法 - Google Patents
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JP6414343B2 - メタクリル酸製造用触媒およびその製造方法、並びにメタクリル酸およびメタクリル酸エステルの製造方法 - Google Patents

メタクリル酸製造用触媒およびその製造方法、並びにメタクリル酸およびメタクリル酸エステルの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、メタクリル酸製造用触媒およびその製造方法、並びにメタクリル酸およびメタクリル酸エステルの製造方法に関する。
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メタクリル酸製造用触媒としては、モリブデン元素およびリン元素を含むヘテロポリ酸系触媒が知られている。このようなヘテロポリ酸系触媒としては、カウンターカチオンがプロトンであるプロトン型ヘテロポリ酸、およびそのプロトンの一部をプロトン以外のカチオンで置換したヘテロポリ酸塩が挙げられる。ヘテロポリ酸塩としては、カチオンがアルカリ金属イオンであるアルカリ金属塩や、カチオンがアンモニウムイオンであるアンモニウム塩が知られている。なお、プロトン型ヘテロポリ酸は水溶性であるが、ヘテロポリ酸のアルカリ金属塩はカチオンのイオン半径が大きいため、一般に難溶性である(非特許文献1)。
特許文献1には、リン及びモリブデンを含むケギン型ヘテロポリ酸の酸性塩からなり、X線回折における面間隔3.38〜3.41Åのピーク強度に対する面間隔3.24〜3.26Åのピーク強度の比が、0.001〜0.01であることを特徴とするメタクリル酸製造用触媒が提案されている。
特開2005−131577号公報
大竹正之、小野田武、触媒、vol.18、No.6(1976)
しかしながら、特許文献1に記載された触媒は、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た場合、工業用触媒としてメタクリル酸収率が十分ではなく、更なる改良が望まれている。本発明はメタクリル酸収率の高いメタクリル酸製造用触媒を提供することを目的とする。
本発明は、以下の[1]から[11]である。
[1]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、少なくともリン、モリブデン及びバナジウムを含むヘテロポリ酸塩を含むメタクリル酸製造用触媒であって、温度30℃、湿度90%に保たれた環境下に12時間放置した前記メタクリル酸製造用触媒のCu−Kα線を用いたX線回折パターンにおいて、ヘテロポリ酸塩の立方晶構造に起因する(222)面のピーク強度Iの絶対値に対する、プロトン型ヘテロポリ酸の立方晶構造に起因する(322)面のピーク強度Iの絶対値の比(I/I)が、0.01以上0.80以下である、メタクリル酸製造用触媒。
[2]I/Iが0.05以上0.75以下である[1]に記載のメタクリル酸製造用触媒。
[3]I/Iが0.40以上0.73以下である[2]に記載のメタクリル酸製造用触媒。
[4][1]から[3]のいずれかに記載のメタクリル酸製造用触媒を製造する方法であって、少なくともリン原料及びアルカリ金属イオン原料を含むヘテロポリ酸塩含有液iと、少なくともリン原料及びアンモニウムイオン原料を含むヘテロポリ酸塩含有液iiとを用い、乾燥により触媒前駆体を得る工程を含む、メタクリル酸製造用触媒の製造方法。
[5]前記ヘテロポリ酸塩含有液iの乾燥物と前記ヘテロポリ酸塩含有液iiの乾燥物とを混合して触媒前駆体を得る工程を含む、[4]に記載のメタクリル酸製造用触媒の製造方法。
[6]前記ヘテロポリ酸塩含有液iと前記ヘテロポリ酸塩含有液iiとを混合してヘテロポリ酸塩含有液iiiを得、これを乾燥して触媒前駆体を得る工程を含む、[4]に記載のメタクリル酸製造用触媒の製造方法。
[7]前記ヘテロポリ酸塩含有液iと前記ヘテロポリ酸塩含有液iiのいずれかの乾燥物をもう一方のヘテロポリ酸塩含有液に混合して、ヘテロポリ酸塩含有液ivを得、これを乾燥して触媒前駆体を得る工程を含む、[4]に記載のメタクリル酸製造用触媒の製造方法。
[8]前記ヘテロポリ酸塩含有液iおよびiiが下記式(1)から(3)を満たす、[4]から[7]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。
1.5≦AMi/Pi≦3.0 (1)
4.0≦NHii/Pii≦5.0 (2)
1.0≦Pii/Pi≦2.0 (3)
(式(1)から(3)中、AMiは前記ヘテロポリ酸含有液iに含まれるアルカリ金属イオンのモル数、Piは前記ヘテロポリ酸含有液iに含まれるリンのモル数、NHiiは前記ヘテロポリ酸含有液iiに含まれるアンモニウムイオンのモル数、Piiは前記ヘテロポリ酸含有液iiに含まれるリンのモル数をそれぞれ示す。)。
[9][1]から[3]のいずれかに記載のメタクリル酸製造用触媒の存在下で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。
[10][9]に記載のメタクリル酸の製造方法により製造されたメタクリル酸をエステル化するメタクリル酸エステルの製造方法。
[11][9]に記載の方法によりメタクリル酸を製造し、該メタクリル酸をエステル化するメタクリル酸エステルの製造方法。
本発明によれば、メタクリル酸収率の高いメタクリル酸製造用触媒を提供できる。
[メタクリル酸製造用触媒]
本発明に係るメタクリル酸製造用触媒は、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、少なくともリン、モリブデン及びバナジウムを含むヘテロポリ酸塩を含む触媒である。前記触媒を、温度30℃、湿度90%に保たれた環境下に12時間放置した(以下、前処理とも示す)後の触媒(以下、前処理後触媒とも示す)のCu−Kα線を用いたX線回折パターンにおいて、ヘテロポリ酸塩の立方晶構造に起因する(222)面のピーク強度Iの絶対値に対する、プロトン型ヘテロポリ酸の立方晶構造に起因する(322)面のピーク強度Iの絶対値の比(I/I)(以下、ピーク強度比(I/I)とも示す)が、0.01以上0.80以下である。
本発明に係るメタクリル酸製造用触媒の元素組成は、少なくともリン、モリブデン及びバナジウムを含めば特に限定されないが、リン、モリブデン及びバナジウム以外にも、その他の元素をさらに含むことができる。その他の元素としては、例えば銅、セシウム等が挙げられる。これらは一種をさらに含んでもよく、二種以上をさらに含んでもよい。特に、本発明に係るメタクリル酸製造用触媒は、メタクリル酸収率の観点から下記式(4)で示される元素組成を有することが好ましい。
MoCu (4)
式(4)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。Aはアンチモン、ビスマス、砒素、ゲルマニウム、ジルコニウム、テルル、銀、セレン、ケイ素、タングステンおよびホウ素からなる群から選択される少なくとも1種の元素を示す。Eは鉄、亜鉛、クロム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、タンタル、コバルト、ニッケル、マンガン、バリウム、チタン、スズ、鉛、ニオブ、インジウム、硫黄、パラジウム、ガリウム、セリウムおよびランタンからなる群から選択される少なくとも1種の元素を示す。Gはリチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウムおよびタリウムからなる群から選択される少なくとも1種の元素を示す。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の時、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。なお、前記元素組成は触媒をアンモニア水に溶解した成分をICP発光分析法で分析することにより算出される値である。
本発明では、本発明に係る触媒に対して前記前処理を行った後の前処理後触媒について、Cu−Kα線を用いたX線回折パターンを測定した時に、前記ピーク強度比(I/I)が0.01以上0.80以下の範囲を満たす。前記ピーク強度比(I/I)が0.01以上であることにより、触媒表面におけるメタクロレインの吸着サイトが増加して触媒活性が向上する。また前記ピーク強度比(I/I)が0.80以下であることにより、メタクリル酸の逐次酸化の進行が抑制できる。したがって、本発明に係る触媒をメタクリル酸製造に用いた場合、高い収率でメタクリル酸が得られる。また、本発明のようにヘテロポリ酸塩とプロトン型ヘテロポリ酸を所定の割合で有することで、触媒を長期間使用しても高いメタクリル酸収率を維持することが期待できる。
X線回折パターンの測定においては、まずメタクリル酸製造用触媒に対して前処理を行う。前処理は、触媒を30℃の温度下で、湿度90%で保たれた環境下に12時間放置することにより行われる。該前処理を行うことによって、メタクリル酸製造用触媒に含まれるヘテロポリ酸中に水分子が水和し、プロトン型ヘテロポリ酸の立方晶構造が形成される。該前処理を行った前処理後触媒をX線回折(対陰極Cu−Kα線)により、回折パターンを取得し、ヘテロポリ酸塩の立方晶構造に起因する(222)面のピーク強度Iの絶対値に対する、プロトン型ヘテロポリ酸の立方晶構造に起因する(322)面のピーク強度Iの絶対値の比(I/I)を算出する。
例えば、セシウムをカチオンとして含むヘテロポリ酸塩であるCsPVMo1140の場合、(222)面のピークは2θ=26.241°の位置に表れる(Troemel, M., Inst. f. Anorganische Chem, Frankfurt, Germany., ICDD Grant−in−Aid,(1995))。また、プロトン型ヘテロポリ酸であるHPVMo1140・32HOの場合、(322)面のピークは2θ=26.801°の位置に表れる(Troemel, M., Inst. f. Anorganische Chem, Frankfurt,Germany., ICDD Grant−in−Aid(1994))。その他、ヘテロポリ酸のポリ原子、ヘテロ原子が別の元素で置換された場合やヘテロポリ酸塩のカチオンの当量数の違いにより、ピーク位置は必ずしも一致しないが、ピークパターンを見ることで面の位置を確認することができる。また、ヘテロポリ酸塩として複数の塩が存在し、ピークパターンも複数確認できる場合は、ヘテロポリ酸塩の立方晶構造に起因する(222)面のピークそれぞれの強度の絶対値の和をIとする。Iについても同様である。X線回折パターンは、X線構造解析装置(商品名:X‘Pert PRO MPD、PANalytical社製)にて測定することができる。
前記ピーク強度比(I/I)は0.01以上0.80以下であり、より高いメタクリル酸収率を達成できる観点から、下限は0.05以上が好ましく、0.40以上がより好ましく、0.50以上がさらに好ましい。上限は0.75以下が好ましく、0.73以下がより好ましく、0.70以下がさらに好ましい。
[メタクリル酸製造用触媒の製造方法]
本発明に係るメタクリル酸製造用触媒の製造方法は特に限定されないが、例えば以下の方法により製造することができる。該方法は、少なくともリン原料、モリブデン原料、およびバナジウム原料を溶媒に溶解または懸濁し、触媒原料液を調製する工程(以下、触媒原料液調製工程とも示す)と、前記触媒原料液にカチオン原料を添加してヘテロポリ酸塩含有液を得る工程(以下、カチオン添加工程とも示す)と、前記ヘテロポリ酸塩含有液を乾燥して触媒前駆体を得る工程(以下、乾燥工程とも示す)と、前記触媒前駆体を熱処理してメタクリル酸製造用触媒を製造する工程(以下、熱処理工程とも示す)と、を含む。ここで、熱処理工程の前に触媒前駆体を成形する工程(以下、成形工程とも示す)を含んでもよい。特に本発明に係るメタクリル酸製造用触媒の製造方法は、少なくともリン原料及びアルカリ金属イオン原料を含むヘテロポリ酸塩含有液iと、少なくともリン原料及びアンモニウムイオン原料を含むヘテロポリ酸塩含有液iiとを用い、乾燥により触媒前駆体を得る工程を含むことが好ましい。
(触媒原料液調製工程)
本工程では、少なくともリン原料、モリブデン原料、およびバナジウム原料を溶媒に溶解または懸濁し、触媒原料液を調製する。
各元素の原料化合物は特に限定されず、各元素の硝酸塩、炭酸塩、酢酸塩、アンモニウム塩、酸化物、ハロゲン化物、オキソ酸、オキソ酸塩等を単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。例えばリン原料としては、リン酸、五酸化リン、リン酸アンモニウム等を用いることができる。モリブデン原料としては、三酸化モリブデン、パラモリブデン酸アンモニウム、モリブデン酸、塩化モリブデン等を用いることができる。バナジウム原料としては、メタバナジン酸アンモニウム、リンバナドモリブデン酸、五酸化バナジウム等を用いることができる。これらは一種を用いてもよく、二種以上を併用してもよい。
前記原料化合物を溶解または懸濁する溶媒としては、水、エチルアルコール、アセトン等を用いることができる。これらは一種を用いてもよく、二種以上を併用してもよい。これらの中でも、溶媒としては水が好ましい。
なお、本工程では、触媒原料液を1種調製してもよく、2種以上調製してもよい。特に、触媒原料液を2種以上調製し、後述する乾燥工程の前後にて混合することが、前記ピーク強度比(I/I)を本発明の範囲内に制御しやすい観点から好ましい。
(カチオン添加工程)
本工程では、前記触媒原料液調製工程により得られた前記触媒原料液に、カチオン原料を添加してヘテロポリ酸塩含有液を得る。
ここでカチオンとは、立方晶の結晶構造を有するヘテロポリ酸塩を形成することができるものであり、特にカリウム、ルビジウム、セシウム等のアルカリ金属イオン、およびアンモニウムイオンが好ましい。カチオンがアルカリ金属イオンである場合、カチオン原料としては、アルカリ金属の炭酸塩、炭酸水素塩、水酸化物、塩化物塩、硫酸塩、硝酸塩などが挙げられる。カチオンがアンモニウムイオンである場合、カチオン原料としては、炭酸水素アンモニウム、炭酸アンモニウム、硝酸アンモニウム、アンモニア水等が挙げられる。これらは一種を用いることができ、二種以上を併用することもできる。なお、前記触媒原料液調製工程において、各元素の原料として各元素のアルカリ金属塩やアンモニウム塩を用いることにより、触媒原料液にカチオンが含まれるようにしてもよい。カチオン原料としては、アルカリ金属イオン原料及びアンモニウムイオン原料の両方を用いることが、メタクリル酸収率の観点から好ましい。
前記カチオン原料を前記触媒原料液に添加する際には、前記触媒原料液を撹拌しながら添加することが好ましい。前記カチオン原料を添加する際の温度は、1〜100℃が好ましい。そして、前記カチオン原料の全てまたは一部を添加した後に、90〜150℃で1〜10時間加熱撹拌することが好ましい。
本工程において添加するカチオン原料の量を変更することにより、前記ピーク強度比(I/I)を0.01以上0.80以下に調整することができる。また、前記触媒原料液調製工程において前記触媒原料液を2種以上調製する場合、本工程において少なくとも1種の触媒原料液にカチオン原料を添加し、ヘテロポリ酸塩含有液を調製することができる。特に、少なくともリン原料及びアルカリ金属イオン原料を含むヘテロポリ酸塩含有液iと、少なくともリン原料及びアンモニウムイオン原料を含むヘテロポリ酸塩含有液iiとを調製することが、前記ピーク強度比(I/I)を制御しやすい観点から好ましい。更に、前記ヘテロポリ酸塩含有液iおよびiiが下記式(1)から(3)を満たすことが、前記ピーク強度比(I/I)を制御しやすい観点からより好ましい。
1.5≦AMi/Pi≦3.0 (1)
4.0≦NHii/Pii≦5.0 (2)
1.0≦Pii/Pi≦2.0 (3)
式(1)から(3)中、AMiは前記ヘテロポリ酸含有液iに含まれるアルカリ金属イオンのモル数、Piは前記ヘテロポリ酸含有液iに含まれるリン元素のモル数、NHiiは前記ヘテロポリ酸含有液iiに含まれるアンモニウムイオンのモル数、Piiは前記ヘテロポリ酸含有液iiに含まれるリン元素のモル数をそれぞれ示す。前記式(1)において、AMi/Piはヘテロポリ酸含有液iにおけるリン元素に対するアルカリ金属イオンのモル数の比を示す。AMi/Piの下限は1.7以上、上限は2.8以下が好ましく、下限は1.9以上、上限は2.6以下がより好ましい。前記式(2)において、NHii/Piiはヘテロポリ酸含有液iiにおけるリン元素に対するアンモニウムイオンのモル数の比を示す。NHii/Piiの下限は4.1以上、上限は4.9以下が好ましく、下限は4.2以上、上限は4.8以下がより好ましい。前記式(3)において、Pii/Piはヘテロポリ酸含有液iおよびiiの混合比を示す。Pii/Piの下限は1.1以上、上限は1.9以下が好ましく、下限は1.2以上、上限は1.8以下がより好ましい。
前記ピーク強度比(I/I)を調整する方法として、例えば前記ヘテロポリ酸塩含有液iおよびiiが前記式(1)から(3)を満たす範囲内で、Pii/Piの値を増減させる方法が挙げられる。Pii/Piを増加させるとピーク強度比(I/I)は増加し、Pii/Piを減少させるとピーク強度比(I/I)は減少する傾向がある。
(乾燥工程)
本工程では、前記カチオン添加工程により得られる前記ヘテロポリ酸塩含有液を乾燥して、触媒前駆体を得る。
乾燥方法や乾燥温度等の条件は特に限定されず、所望の乾燥物の形状や大きさにより適宣選択することができる。乾燥方法としては、例えば、箱型乾燥器を用いた乾燥方法、ドラム乾燥法、気流乾燥法、蒸発乾固法、噴霧乾燥法等が挙げられる。乾燥温度は、例えば120〜500℃とすることができ、下限は140℃以上、上限は400℃以下が好ましい。乾燥は、ヘテロポリ酸塩含有液が乾固するまで行うことができる。
得られた触媒前駆体の構造は赤外吸収分析で測定することにより確認することができる。該触媒前駆体は、ケギン型ヘテロポリ酸構造を有することが好ましい。該触媒前駆体がケギン型ヘテロポリ酸構造を有する場合、得られる赤外吸収スペクトルは、1060、960、870、780cm−1付近に特徴的なピークを有する。
なお、前記カチオン添加工程において得られるヘテロポリ酸塩含有液が2種以上ある場合、本工程の前後においてこれらを混合することができる。すなわち、混合は乾燥を行う前のヘテロポリ酸塩含有液の状態で行っても良く、乾燥を行った後の触媒前駆体の状態で行ってもよい。また、1種以上のヘテロポリ酸塩含有液を乾燥した後に、その他のヘテロポリ酸塩含有液と混合したものを再度乾燥し、触媒前駆体を得てもよい。原子比率が異なるヘテロポリ酸塩を含む2種類以上のヘテロポリ酸塩含有液、又は触媒前駆体を混合することで、得られる触媒における前記ピーク強度比(I/I)を本発明の範囲内に制御することが、メタクリル酸収率の観点から好ましい。特に、原子比率が異なるヘテロポリ酸塩を含む2種類以上の触媒前駆体を混合することで、よりメタクリル酸収率の高い触媒を得ることができる。
前記ヘテロポリ酸塩含有液iおよびiiを用いる場合には、前記乾燥により触媒前駆体を得ることができる。例えば、前記ヘテロポリ酸塩含有液iの乾燥物と前記ヘテロポリ酸塩含有液iiの乾燥物とを混合して触媒前駆体を得ることができる。また、前記ヘテロポリ酸塩含有液iと前記ヘテロポリ酸塩含有液iiとを混合してヘテロポリ酸塩含有液iiiを得、これを乾燥して触媒前駆体を得ることができる。また、前記ヘテロポリ酸塩含有液iと前記ヘテロポリ酸塩含有液iiのいずれかの乾燥物をもう一方のヘテロポリ酸塩含有液に混合して、ヘテロポリ酸塩含有液ivを得、これを乾燥して触媒前駆体を得ることができる。
(成形工程)
後述する熱処理工程の前に、前記乾燥工程により得られた触媒前駆体を成形してもよい。成形方法は特に制限されず、公知の乾式又は湿式の成形方法が適用できる。例えば、打錠成形、プレス成形、押出成形、造粒成形等が挙げられる。成形品の形状は特に限定されず、例えば、円柱状、リング状、球状等が挙げられる。また、成形時には触媒前駆体に担体やバインダー等を添加せず、触媒前駆体のみを成形することが好ましいが、必要に応じて例えばグラファイト、タルク等の公知の添加剤や有機物、無機物由来の公知のバインダーを添加してもよい。
(熱処理工程)
本工程では、前記乾燥工程により得られる触媒前駆体、または前記成形工程により得られる触媒前駆体の成形品(以下、まとめて触媒前駆体と示す)を熱処理してメタクリル酸製造用触媒を製造する。例えば、前記触媒前駆体を空気及び不活性ガスの少なくとも一方の流通下で熱処理することができる。ここで、不活性ガスとは触媒活性を低下させない気体のことを示し、例えば窒素、炭酸ガス、ヘリウム、アルゴン等が挙げられる。これらは一種を用いてもよく、二種以上を混合して使用してもよい。熱処理は、空気等の酸素含有ガス流通下で行われることが好ましい。
熱処理容器の形状は特に制限されないが、断面積が2平方センチメートル以上、100平方センチメートル以下である管状熱処理容器を用いることが好ましい。熱処理温度は300℃以上700℃以下が好ましく、下限は320℃以上、上限は450℃以下がより好ましい。
得られたメタクリル酸製造用触媒の構造は赤外吸収分析で測定することにより確認することができる。該メタクリル酸製造用触媒はケギン型ヘテロポリ酸構造を有することが好ましい。該メタクリル酸製造用触媒がケギン型ヘテロポリ酸構造を有する場合、得られる赤外吸収スペクトルは、1060、960、870、780cm−1付近に特徴的なピークを有する。
[メタクリル酸の製造方法]
本発明に係るメタクリル酸の製造方法は、本発明に係るメタクリル酸製造用触媒の存在下で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。該方法によれば、高い収率でメタクリル酸を製造することができ、また高いメタクリル酸収率を長期間維持することができる。
具体的には、メタクロレインおよび分子状酸素を含む原料ガスと、本発明に係るメタクリル酸製造用触媒とを接触させることでメタクリル酸を製造することができる。この反応は固定床で行うことができる。触媒層は1層でもよく、2層以上でもよい。メタクリル酸製造用触媒は、その他の添加剤を含んでもよい。原料ガス中のメタクロレインの濃度は特に限定されないが、1〜20容量%が好ましく、下限は3容量%以上、上限は10容量%以下がより好ましい。メタクロレインは、低級飽和アルデヒド等の本反応に実質的な影響を与えない不純物を少量含んでいてもよい。原料ガス中の分子状酸素の濃度は、メタクロレイン1.0モルに対して0.4〜4.0モルが好ましく、下限は0.5モル以上、上限は3.0モル以下がより好ましい。なお、分子状酸素源としては、経済性の観点から空気が好ましい。必要であれば、空気に純酸素を加えて分子状酸素を富化した気体等を用いてもよい。
原料ガスは、メタクロレインおよび分子状酸素を、窒素、炭酸ガス等の不活性ガスで希釈したものであってもよい。さらに、原料ガスに水蒸気を加えてもよい。水蒸気の存在下で反応を行うことにより、メタクリル酸をより高い選択率で得ることができる。原料ガス中の水蒸気の濃度は、0.1〜50.0容量%が好ましく、下限は1.0容量%以上、上限は40.0容量%以下がより好ましい。原料ガスとメタクリル酸製造用触媒との接触時間は、1.5〜15.0秒が好ましく、下限は2.0秒以上、上限は5.0秒以下がより好ましい。反応圧力は、0.1MPa(G)〜1.0MPa(G)が好ましい。なお、(G)はゲージ圧であることを意味する。反応温度は200〜450℃が好ましく、下限は250℃以上、上限は400℃以下がより好ましい。
[メタクリル酸エステルの製造方法]
本発明に係るメタクリル酸エステルの製造方法は、本発明に係る方法により製造されたメタクリル酸をエステル化する。該方法によれば、メタクロレインの気相接触酸化により得られるメタクリル酸を用いて、メタクリル酸エステルを得ることができる。メタクリル酸と反応させるアルコールとしては特に限定されず、例えばメタノール、エタノール、イソプロパノール、n−ブタノール、イソブタノール等が挙げられる。得られるメタクリル酸エステルとしては、例えばメタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸プロピル、メタクリル酸ブチル等が挙げられる。反応は、スルホン酸型カチオン交換樹脂等の酸性触媒の存在下で行うことができる。反応温度は50〜200℃が好ましい。
以下、実施例および比較例により本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。実施例および比較例中の「部」は質量部を意味する。X線回折パターンは、X線構造解析装置(商品名:X‘Pert PRO MPD、PANalytical社製)にて測定した。原料ガスおよび生成物の分析は、ガスクロマトグラフィーを用いて行った。ガスクロマトグラフィーの結果から、メタクロレインの転化率、生成するメタクリル酸の選択率およびメタクリル酸の収率を下記式にて求めた。
メタクロレイン転化率(%)=(β/α)×100
メタクリル酸選択率(%)=(γ/β)×100
メタクリル酸収率(%)=(γ/α)×100
式中、αは供給したメタクロレイン中の炭素数、βは反応したメタクロレイン中の炭素数、γは生成したメタクリル酸中の炭素数を示す。
[実施例1]
純水132部に、三酸化モリブデン33部、メタバナジン酸アンモニウム2.5部、85質量%リン酸水溶液2.2部、および硝酸銅(II)3水和物2.3部を溶解した。これを攪拌しながら95℃に昇温し、液温を95℃に保ちつつ2時間攪拌した。液温を95℃に保持し、回転翼攪拌機を用いて攪拌しつつ、純水20部に溶解した重炭酸セシウム8.6部を添加して15分攪拌し、ヘテロポリ酸のセシウム塩を析出させた。得られたヘテロポリ酸塩含有液i−1を蒸発乾固することで、触媒前駆体A1を得た。一方、純水216部に、三酸化モリブデン54部、メタバナジン酸アンモニウム4.1部、85質量%リン酸水溶液3.6部、および硝酸銅(II)3水和物3.8部を溶解した。これを攪拌しながら95℃に昇温し、液温を95℃に保ちつつ2時間攪拌した。液温を95℃に保持し、回転翼攪拌機を用いて攪拌しつつ、純水20部に溶解した炭酸アンモニウム4.8部を添加して15分攪拌し、ヘテロポリ酸のアンモニウム塩を析出させた。得られたヘテロポリ酸塩含有液ii−1を蒸発乾固することで、触媒前駆体B1を得た。次に、前記触媒前駆体A1およびB1を混合し、触媒前駆体を得た。
得られた触媒前駆体を成形し、内径3センチメートルの円筒状石英ガラス製焼成容器に成形物を入れた。空気流通下、10℃/hで昇温し、380℃にて5時間焼成してメタクリル酸製造用触媒を調製した。このメタクリル酸製造用触媒は、ケギン型ヘテロポリ酸構造を有していた。該触媒の組成はMo121.01.1Cu0.5Cs0.9であった。なお、該元素組成は触媒をアンモニア水に溶解した成分をICP発光分析法で分析することにより算出した。また、該触媒を、温度30℃、湿度90%に保たれた環境下に12時間放置した後の前処理後触媒について、Cu−Kα線を用いたX線回折パターンを測定した結果、Iは2θ=26.1°、Iは2θ=26.3°の位置に確認され、ピーク強度比I/Iは0.43であった。
得られたメタクリル酸製造用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%および窒素55容量%からなる原料ガスを通じて、反応温度300℃で反応を行った。生成物を捕集し、ガスクロマトグラフィーで分析して、メタクリル酸収率等を算出した。結果を表1に示す。
[実施例2]
実施例1と同様の方法により触媒前駆体A1を得た。一方、純水240部に、三酸化モリブデン60部、メタバナジン酸アンモニウム4.6部、85質量%リン酸水溶液4.0部、および硝酸銅(II)3水和物4.2部を溶解した。これを攪拌しながら95℃に昇温し、液温を95℃に保ちつつ2時間攪拌した。液温を95℃に保持し、回転翼攪拌機を用いて攪拌しつつ、純水22.2部に溶解した炭酸アンモニウム5.3部を添加して15分攪拌し、ヘテロポリ酸のアンモニウム塩を析出させた。得られたヘテロポリ酸塩含有液ii−2を蒸発乾固することで、触媒前駆体B2を得た。次に、前記触媒前駆体A1およびB2を混合し、触媒前駆体を得た。
その後、実施例1と同様の方法により触媒前駆体からメタクリル酸製造用触媒を製造し、該触媒を用いてメタクリル酸の製造を行った。このメタクリル酸製造用触媒は、ケギン型ヘテロポリ酸構造を有していた。触媒の組成はMo121.01.1Cu0.5Cs0.8であった。なお、該元素組成は触媒をアンモニア水に溶解した成分をICP発光分析法で分析することにより算出した。また、実施例1と同様に前処理後触媒を調製し、該前処理後触媒について、Cu−Kα線を用いたX線回折パターンを測定した結果、Iは2θ=26.1°、Iは2θ=26.5°の位置に確認され、ピーク強度比I/Iは0.69であった。結果を表1に示す。
[実施例3]
純水200部に、三酸化モリブデン50部、メタバナジン酸アンモニウム3.8部、85質量%リン酸水溶液3.3部、および硝酸銅(II)3水和物3.5部を溶解した。これを攪拌しながら95℃に昇温し、液温を95℃に保ちつつ2時間攪拌した。液温を95℃に保持し、回転翼攪拌機を用いて攪拌しつつ、純水20部に溶解した重炭酸セシウム13.0部を添加して15分攪拌し、ヘテロポリ酸のセシウム塩を析出させ、ヘテロポリ酸塩含有液i−2を得た。一方、純水280部に、三酸化モリブデン70部、メタバナジン酸アンモニウム5.3部、85質量%リン酸水溶液4.7部、および硝酸銅(II)3水和物4.9部を溶解した。これを攪拌しながら95℃に昇温し、液温を95℃に保ちつつ2時間攪拌した。液温を95℃に保持し、回転翼攪拌機を用いて攪拌しつつ、純水20部に溶解した炭酸アンモニウム6.8部を添加して15分攪拌し、ヘテロポリ酸のアンモニウム塩を析出させ、ヘテロポリ酸塩含有液ii−3を得た。前記ヘテロポリ酸塩含有液i−2およびii−3を混合し、得られたヘテロポリ酸塩含有液iii−1を95℃に保ちつつ15分撹拌した後、蒸発乾固することで、触媒前駆体を得た。
その後、実施例1と同様の方法により触媒前駆体からメタクリル酸製造用触媒を製造し、該触媒を用いてメタクリル酸の製造を行った。このメタクリル酸製造用触媒は、ケギン型ヘテロポリ酸構造を有していた。触媒の組成はMo121.01.1Cu0.5Cs1.0であった。なお、該元素組成は触媒をアンモニア水に溶解した成分をICP発光分析法で分析することにより算出した。また、実施例1と同様に前処理後触媒を調製し、該前処理後触媒について、Cu−Kα線を用いたX線回折パターンを測定した結果、Iは2θ=26.2°、Iは2θ=26.5°の位置に確認され、ピーク強度比I/Iは0.09であった。結果を表1に示す。
[実施例4]
純水100部に、三酸化モリブデン25部、メタバナジン酸アンモニウム1.9部、85質量%リン酸水溶液1.7部、および硝酸銅(II)3水和物1.8部を溶解した。これを攪拌しながら95℃に昇温し、液温を95℃に保ちつつ2時間攪拌した。液温を95℃に保持し、回転翼攪拌機を用いて攪拌しつつ、純水10部に溶解した重炭酸セシウム6.5部を添加して15分攪拌し、ヘテロポリ酸のセシウム塩を析出させた。得られたヘテロポリ酸塩含有液i−3を蒸発乾固することで、触媒前駆体A2を得た。一方、純水300部に、三酸化モリブデン75部、メタバナジン酸アンモニウム5.6部、85質量%リン酸水溶液5.0部、および硝酸銅(II)3水和物5.3部を溶解した。これを攪拌しながら95℃に昇温し、液温を95℃に保ちつつ2時間攪拌した。得られたヘテロポリ酸塩含有液ii−4を蒸発乾固することで、触媒前駆体B3を得た。次に、前記触媒前駆体A2およびB3を混合し、触媒前駆体を得た。
その後、実施例1と同様の方法により触媒前駆体からメタクリル酸製造用触媒を製造し、該触媒を用いてメタクリル酸の製造を行った。このメタクリル酸製造用触媒は、ケギン型ヘテロポリ酸構造を有していた。触媒の組成はMo121.01.1Cu0.5Cs0.6であった。なお、該元素組成は触媒をアンモニア水に溶解した成分をICP発光分析法で分析することにより算出した。また、実施例1と同様に前処理後触媒を調製し、該前処理後触媒について、Cu−Kα線を用いたX線回折パターンを測定した結果、Iは2θ=26.1°、Iは2θ=26.5°の位置に確認され、ピーク強度比I/Iは0.75であった。結果を表1に示す。
[比較例1]
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7.5部、85質量%リン酸水溶液6.7部、および硝酸銅(II)3水和物7.0部を溶解した。これを攪拌しながら95℃に昇温し、液温を95℃に保ちつつ2時間攪拌した。液温を95℃に保持し、回転翼攪拌機を用いて攪拌しつつ、純水40部に溶解した重炭酸セシウム26.0部を添加して15分攪拌し、ヘテロポリ酸のセシウム塩を析出させた。得られたヘテロポリ酸塩含有液i−4を蒸発乾固することで、触媒前駆体を得た。
その後、実施例1と同様の方法により触媒前駆体からメタクリル酸製造用触媒を製造し、該触媒を用いてメタクリル酸の製造を行った。触媒の組成はMo121.01.1Cu0.5Cs2.3であった。なお、該元素組成は触媒をアンモニア水に溶解した成分をICP発光分析法で分析することにより算出した。また、実施例1と同様に前処理後触媒を調製し、該前処理後触媒について、Cu−Kα線を用いたX線回折パターンを測定した結果、Iは2θ=26.0°の位置に確認された。一方、Iは確認できなかったため0とした。従ってピーク強度比I/Iは0.00であった。結果を表1に示す。
[比較例2]
実施例1と同様の方法により触媒前駆体A1を得た。一方、純水280部に、三酸化モリブデン70部、メタバナジン酸アンモニウム5.3部、85質量%リン酸水溶液4.7部、および硝酸銅(II)3水和物4.9部を溶解した。これを攪拌しながら95℃に昇温し、液温を95℃に保ちつつ2時間攪拌した。液温を95℃に保持し、回転翼攪拌機を用いて攪拌しつつ、純水25.9部に溶解した炭酸アンモニウム6.2部を添加して15分攪拌し、ヘテロポリ酸のアンモニウム塩を析出させた。得られたヘテロポリ酸塩含有液ii−5を蒸発乾固することで、触媒前駆体B4を得た。次に、前記触媒前駆体A1およびB4を混合し、触媒前駆体を得た。
その後、実施例1と同様の方法により触媒前駆体からメタクリル酸製造用触媒を製造し、該触媒を用いてメタクリル酸の製造を行った。触媒の組成はMo121.01.1Cu0.5Cs0.7であった。なお、該元素組成は触媒をアンモニア水に溶解した成分をICP発光分析法で分析することにより算出した。また、実施例1と同様に前処理後触媒を調製し、該前処理後触媒について、Cu−Kα線を用いたX線回折パターンを測定した結果、Iは2θ=26.1°、Iは2θ=26.5°の位置に確認され、ピーク強度比I/Iは0.81であった。結果を表1に示す。
[比較例3]
実施例1と同様の方法により触媒前駆体A1を得た。一方、純水455.2部に、三酸化モリブデン114部、メタバナジン酸アンモニウム8.6部、85質量%リン酸水溶液7.6部、および硝酸銅(II)3水和物8.0部を溶解した。これを攪拌しながら95℃に昇温し、液温を95℃に保ちつつ2時間攪拌した。液温を95℃に保持し、回転翼攪拌機を用いて攪拌しつつ、純水42.1部に溶解した炭酸アンモニウム10.1部を添加して15分攪拌し、ヘテロポリ酸のアンモニウム塩を析出させた。得られたヘテロポリ酸塩含有液ii−6を蒸発乾固することで、触媒前駆体B5を得た。次に、前記触媒前駆体A1およびB5を混合し、触媒前駆体を得た。
その後、実施例1と同様の方法により触媒前駆体からメタクリル酸製造用触媒を製造し、該触媒を用いてメタクリル酸の製造を行った。触媒の組成はMo121.01.1Cu0.5Cs0.5であった。なお、該元素組成は触媒をアンモニア水に溶解した成分をICP発光分析法で分析することにより算出した。また、実施例1と同様に前処理後触媒を調製し、該前処理後触媒について、Cu−Kα線を用いたX線回折パターンを測定した結果、Iは2θ=26.2°、Iは2θ=26.4°の位置に確認され、ピーク強度比I/Iは2.25であった。結果を表1に示す。
[比較例4]
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7.5部、85質量%リン酸水溶液6.7部、および硝酸銅(II)3水和物7.0部を溶解した。これを攪拌しながら95℃に昇温し、液温を95℃に保ちつつ2時間攪拌した。得られたヘテロポリ酸塩含有液ii−7を蒸発乾固することで、触媒前駆体を得た。
その後、実施例1と同様の方法により触媒前駆体からメタクリル酸製造用触媒を製造し、該触媒を用いてメタクリル酸の製造を行った。触媒の組成はMo121.01.1Cu0.5であった。なお、該元素組成は触媒をアンモニア水に溶解した成分をICP発光分析法で分析することにより算出した。また、実施例1と同様に前処理後触媒を調製し、該前処理後触媒について、Cu−Kα線を用いたX線回折パターンを測定した結果、Iは2θ=26.5°の位置に確認された。一方、Iは観察されなかったため0とした。従ってピーク強度比I/Iを算出することはできなかった。結果を表1に示す。
Figure 0006414343
実施例1〜4では、ピーク強度比(I/I)が本発明における規定の範囲内であり、メタクリル酸収率が高い触媒であることが確認された。その中でも、ピーク強度比(I/I)が0.69である実施例2において最も高いメタクリル酸収率が得られており、ピーク強度比(I/I)として最適な範囲があることがわかった。
一方、比較例1〜4では、ピーク強度比(I/I)が本発明における規定の範囲外であり、実施例1〜4よりもメタクリル酸収率が低かった。なお、比較例4ではヘテロポリ酸塩に起因するピークパターンが確認されず、Iが0であるため、ピーク強度比(I/I)を算出することができなかった。このような場合にもメタクリル酸収率は低く、ピーク強度比(I/I)が本発明における規定の範囲外である場合には、メタクリル酸収率が低いことが確認された。なお、本実施例で得られたメタクリル酸をエステル化することで、メタクリル酸エステルを得ることができる。
この出願は、2016年9月14日に出願された日本出願特願2016−179403を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
以上、実施形態及び実施例を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態及び実施例に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
本発明に係るメタクリル酸製造用触媒は、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た場合、高いメタクリル酸収率を示すため、工業的に有用である。また、このようにヘテロポリ酸塩とプロトン型ヘテロポリ酸の結晶構造とすることで、ヘテロポリ酸塩の安定性を有しつつ、プロトン型ヘテロポリ酸が活性点として有効に機能することで、長期間高いメタクリル酸収率を発現することが期待できる。

Claims (11)

  1. 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、少なくともリン、モリブデン及びバナジウムを含むヘテロポリ酸塩を含むメタクリル酸製造用触媒であって、温度30℃、湿度90%に保たれた環境下に12時間放置した前記メタクリル酸製造用触媒のCu−Kα線を用いたX線回折パターンにおいて、ヘテロポリ酸塩の立方晶構造に起因する(222)面のピーク強度Iの絶対値に対する、プロトン型ヘテロポリ酸の立方晶構造に起因する(322)面のピーク強度Iの絶対値の比(I/I)が、0.01以上0.80以下である、メタクリル酸製造用触媒。
  2. /Iが0.05以上0.75以下である請求項1に記載のメタクリル酸製造用触媒。
  3. /Iが0.40以上0.73以下である請求項2に記載のメタクリル酸製造用触媒。
  4. 請求項1から3のいずれか1項に記載のメタクリル酸製造用触媒を製造する方法であって、少なくともリン原料及びアルカリ金属イオン原料を含むヘテロポリ酸塩含有液iと、少なくともリン原料及びアンモニウムイオン原料を含むヘテロポリ酸塩含有液iiとを用い、乾燥により触媒前駆体を得る工程を含む、メタクリル酸製造用触媒の製造方法。
  5. 前記ヘテロポリ酸塩含有液iの乾燥物と前記ヘテロポリ酸塩含有液iiの乾燥物とを混合して触媒前駆体を得る工程を含む、請求項4に記載のメタクリル酸製造用触媒の製造方法。
  6. 前記ヘテロポリ酸塩含有液iと前記ヘテロポリ酸塩含有液iiとを混合してヘテロポリ酸塩含有液iiiを得、これを乾燥して触媒前駆体を得る工程を含む、請求項4に記載のメタクリル酸製造用触媒の製造方法。
  7. 前記ヘテロポリ酸塩含有液iと前記ヘテロポリ酸塩含有液iiのいずれかの乾燥物をもう一方のヘテロポリ酸塩含有液に混合して、ヘテロポリ酸塩含有液ivを得、これを乾燥して触媒前駆体を得る工程を含む、請求項4に記載のメタクリル酸製造用触媒の製造方法。
  8. 前記ヘテロポリ酸塩含有液iおよびiiが下記式(1)から(3)を満たす、請求項4から7のいずれか1項に記載のメタクリル酸製造用触媒の製造方法。
    1.5≦AMi/Pi≦3.0 (1)
    4.0≦NHii/Pii≦5.0 (2)
    1.0≦Pii/Pi≦2.0 (3)
    (式(1)から(3)中、AMiは前記ヘテロポリ酸含有液iに含まれるアルカリ金属イオンのモル数、Piは前記ヘテロポリ酸含有液iに含まれるリンのモル数、NHiiは前記ヘテロポリ酸含有液iiに含まれるアンモニウムイオンのモル数、Piiは前記ヘテロポリ酸含有液iiに含まれるリンのモル数をそれぞれ示す。)
  9. 請求項1から3のいずれか1項に記載のメタクリル酸製造用触媒の存在下で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。
  10. 請求項9に記載のメタクリル酸の製造方法により製造されたメタクリル酸をエステル化するメタクリル酸エステルの製造方法。
  11. 請求項9に記載の方法によりメタクリル酸を製造し、該メタクリル酸をエステル化するメタクリル酸エステルの製造方法。
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