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技術 共役ジエン化合物の製造方法及びアリル型不飽和アルコールの脱水触媒

出願人 昭和電工株式会社
発明者 林慎也木村季弘吉村真幸奥村吉邦
出願日 2016年4月26日 (4年7ヶ月経過) 出願番号 2016-088602
公開日 2017年11月2日 (3年0ヶ月経過) 公開番号 2017-197459
状態 特許登録済
技術分野 有機低分子化合物及びその製造 触媒を使用する低分子有機合成反応 触媒
主要キーワード 窒素ガス導入量 原料残量 恒温処理 XRF分析 原料触媒 測定重量 測定体積 気体拡散
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年11月2日)のものです。
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図面 (2)

課題

アリル型不飽和アルコール原料から対応する共役ジエン化合物を効率よく製造する触媒及び共役ジエン化合物の製造方法を提供する。

解決手段

脱水触媒の存在下、アリル型不飽和アルコール原料とし、脱水反応によって式(3)で示される共役ジエン化合物を製造する方法であって、脱水触媒が、第2族金属及び第13族金属から選択される少なくとも1種の金属Mの酸化物並びにケイ素の酸化物を含み、水銀圧入法により測定されたマクロ孔容積が0.05〜1.50mL/gである共役ジエン化合物の製造方法。(R1〜R6は夫々独立にH、C1〜5のアルキル基又はC6〜12のアリール基

概要

背景

1,3−ブタジエンイソプレン等の共役ジエンモノマーは、合成ゴムプラスチックなどの樹脂原料としての工業的価値が高く、その効率的な製造法が求められている。

従来、ジエンモノマーナフサ熱分解炉クラッカー)の熱分解物蒸留分離し、その一留分として得られている。しかしながら、この留分精製による方法では、ジエンモノマーを選択的に得たい場合であっても他のモノマー留分(エチレンプロピレンなど)を含めた採算性を考慮せねばならず、工業的な製造の自由度が低かった。

そこで、入手の容易なエチレン等の低分子量の化合物原料としたジエンモノマーの製造方法が検討されている。例えば低級オレフィン二量化を行った後にMo−Bi−X系触媒の存在下で酸化脱水素処理を行うことによる製造法が特許文献1及び特許文献2に開示されている。しかしこの方法では、酸素を用いることによる爆発の危険性があるほか、未反応ブテンの分離等を行うなど付帯設備が必要となり、設備全体が大型化するという問題がある。特にブテンの副生量が多い場合、1,3−ブタジエン中からブテンを除去する工程が必要となるが、ブテンは蒸留操作では除去することが困難であるため、溶媒抽出法等の多大なコスト又は設備投資が必要な精製操作が必要となる。

別の方法として、不飽和アルコール脱水反応による製造法があげられる。このような不飽和アルコールは、例えば特許文献3及び特許文献4に示すようなジオールの1分子脱水反応により得ることができる。しかし、ジエン生成物である1,3−ブタジエンの選択率が不十分であり、特にブテンの副生成量が多く、ブテンの分離のためには上述のような設備上の問題点を有している。

別の方法として、特許文献5に記載されるようなアリル型不飽和アルコールの脱水反応による製造法があげられる。特許文献5では特定のケイバン比シリカアルミナ触媒を用いてα,β−脂肪族不飽和アルコール脱水して、共役ジエンを生成させている。実施例ではクロチアルコールの脱水反応により1,3−ブタジエンを製造しているが、その選択率は94〜96%にとどまっている。副生物の1−ブテンについての記述はない。また、複数種のα,β−不飽和アルコールを同時に脱水して共役ジエン化合物を得る可能性の記載もない。本反応の原料であるアリル型不飽和アルコール及び生成物である共役ジエンモノマーは重合性化合物である。また、副生物であるブテン等も重合性を示すほか、クロトンアルデヒドメチルビニルケトンに代表される脱水素副生物は特に高い重合性を有する。そのため、本脱水反応は本質的にコークの生成が起こりやすい反応であり、触媒にコークが付着することが触媒失活主要因となる。多量のコークの付着に起因して触媒寿命(連続使用時間)が短いこと、及び共役ジエンモノマーの消費による選択率低下が起こることが本脱水反応の大きな問題点として挙げられる。

このようなコークの付着により失活した触媒は、例えば空気を含むガス流通下に触媒を高温で処理するなど、適切な再生処理を行うことにより、その性能を回復させることができるが、その為には余分な設備、工程、費用などが必要となる。したがって、共役ジエン選択率がより高く、触媒の連続使用可能時間がより長い触媒が非常に望まれている。

概要

アリル型不飽和アルコール原料から対応する共役ジエン化合物を効率よく製造する触媒及び共役ジエン化合物の製造方法を提供する。脱水触媒の存在下、アリル型不飽和アルコールを原料とし、脱水反応によって式(3)で示される共役ジエン化合物を製造する方法であって、脱水触媒が、第2族金属及び第13族金属から選択される少なくとも1種の金属Mの酸化物並びにケイ素の酸化物を含み、水銀圧入法により測定されたマクロ孔容積が0.05〜1.50mL/gである共役ジエン化合物の製造方法。(R1〜R6は夫々独立にH、C1〜5のアルキル基又はC6〜12のアリール基)なし

目的

本発明の課題は、アリル型不飽和アルコール原料から対応する共役ジエン化合物を効率よく製造する触媒及び共役ジエン化合物の製造方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

脱水触媒の存在下、一般式(1)又は一般式(2)で示されるアリル型不飽和アルコールの少なくとも一種原料とし、脱水反応によって一般式(3)で示される共役ジエン化合物を製造する方法であって、前記脱水触媒が、第2族金属及び第13族金属からなる群より選択される少なくとも1種の金属Mの酸化物並びにケイ素の酸化物を含み、水銀圧入法により測定されたマクロ孔容積が0.05〜1.50mL/gであることを特徴とする共役ジエン化合物の製造方法。(式中、R1〜R6はそれぞれ独立に水素原子炭素数1〜5のアルキル基、又は炭素数6〜12のアリール基を示す。)(式中、R1〜R6は一般式(1)と同一のものを示す。)(式中、R1〜R6は一般式(1)と同一のものを示す。)

請求項2

前記脱水触媒の水銀圧入法により測定されたマクロ孔容積が0.16〜1.30mL/gである請求項1に記載の共役ジエン化合物の製造方法。

請求項3

前記脱水触媒の水銀圧入法により測定されたマクロ孔容積が0.40〜1.10mL/gである請求項2に記載の共役ジエン化合物の製造方法。

請求項4

前記脱水触媒の窒素ガス吸着法により測定された平均細孔径が6.0〜70.0nmであり、前記脱水触媒がマクロ孔メソ孔の両方を有する多元細孔構造を有する請求項1〜3のいずれか一項に記載の共役ジエン化合物の製造方法。

請求項5

前記脱水触媒の窒素ガス吸着法により測定された平均細孔径が12.0〜40.0nmである請求項4に記載の共役ジエン化合物の製造方法。

請求項6

前記脱水触媒の金属Mとケイ素の原子比(M/Si)が0.001〜0.250である請求項1〜5のいずれか一項に記載の共役ジエン化合物の製造方法。

請求項7

前記脱水触媒の金属Mとケイ素の原子比(M/Si)が0.010〜0.050である請求項6に記載の共役ジエン化合物の製造方法。

請求項8

前記金属Mの少なくとも一種がAlである請求項1〜7のいずれか一項に記載の共役ジエン化合物の製造方法。

請求項9

前記脱水触媒がシリカアルミナである請求項1〜8のいずれか一項に記載の共役ジエン化合物の製造方法。

請求項10

一般式(1)及び一般式(2)のR1〜R6がすべて水素原子である請求項1〜9のいずれか一項に記載の共役ジエン化合物の製造方法。

請求項11

一般式(1)で示されるアリル型不飽和アルコール及び一般式(2)で示されるアリル型不飽和アルコールの両方を原料とし、同時に脱水反応に供することを含む請求項1〜10のいずれか一項に記載の共役ジエン化合物の製造方法。

請求項12

第2族金属及び第13族金属からなる群より選択される少なくとも1種の金属Mの酸化物並びにケイ素の酸化物を含み、水銀圧入法により測定されたマクロ孔容積が0.05〜1.50mL/gであることを特徴とする、アリル型不飽和アルコールの脱水触媒。

技術分野

0001

本発明はアリル型不飽和アルコール脱水し、効率的に共役ジエン化合物を製造することのできる触媒及びその触媒を用いた共役ジエン化合物の製造方法に関する。

背景技術

0002

1,3−ブタジエンイソプレン等の共役ジエンモノマーは、合成ゴムプラスチックなどの樹脂原料としての工業的価値が高く、その効率的な製造法が求められている。

0003

従来、ジエンモノマーナフサ熱分解炉クラッカー)の熱分解物蒸留分離し、その一留分として得られている。しかしながら、この留分精製による方法では、ジエンモノマーを選択的に得たい場合であっても他のモノマー留分(エチレンプロピレンなど)を含めた採算性を考慮せねばならず、工業的な製造の自由度が低かった。

0004

そこで、入手の容易なエチレン等の低分子量の化合物原料としたジエンモノマーの製造方法が検討されている。例えば低級オレフィン二量化を行った後にMo−Bi−X系触媒の存在下で酸化脱水素処理を行うことによる製造法が特許文献1及び特許文献2に開示されている。しかしこの方法では、酸素を用いることによる爆発の危険性があるほか、未反応ブテンの分離等を行うなど付帯設備が必要となり、設備全体が大型化するという問題がある。特にブテンの副生量が多い場合、1,3−ブタジエン中からブテンを除去する工程が必要となるが、ブテンは蒸留操作では除去することが困難であるため、溶媒抽出法等の多大なコスト又は設備投資が必要な精製操作が必要となる。

0005

別の方法として、不飽和アルコールの脱水反応による製造法があげられる。このような不飽和アルコールは、例えば特許文献3及び特許文献4に示すようなジオールの1分子脱水反応により得ることができる。しかし、ジエン生成物である1,3−ブタジエンの選択率が不十分であり、特にブテンの副生成量が多く、ブテンの分離のためには上述のような設備上の問題点を有している。

0006

別の方法として、特許文献5に記載されるようなアリル型不飽和アルコールの脱水反応による製造法があげられる。特許文献5では特定のケイバン比シリカアルミナ触媒を用いてα,β−脂肪族不飽和アルコールを脱水して、共役ジエンを生成させている。実施例ではクロチアルコールの脱水反応により1,3−ブタジエンを製造しているが、その選択率は94〜96%にとどまっている。副生物の1−ブテンについての記述はない。また、複数種のα,β−不飽和アルコールを同時に脱水して共役ジエン化合物を得る可能性の記載もない。本反応の原料であるアリル型不飽和アルコール及び生成物である共役ジエンモノマーは重合性化合物である。また、副生物であるブテン等も重合性を示すほか、クロトンアルデヒドメチルビニルケトンに代表される脱水素副生物は特に高い重合性を有する。そのため、本脱水反応は本質的にコークの生成が起こりやすい反応であり、触媒にコークが付着することが触媒失活主要因となる。多量のコークの付着に起因して触媒寿命(連続使用時間)が短いこと、及び共役ジエンモノマーの消費による選択率低下が起こることが本脱水反応の大きな問題点として挙げられる。

0007

このようなコークの付着により失活した触媒は、例えば空気を含むガス流通下に触媒を高温で処理するなど、適切な再生処理を行うことにより、その性能を回復させることができるが、その為には余分な設備、工程、費用などが必要となる。したがって、共役ジエン選択率がより高く、触媒の連続使用可能時間がより長い触媒が非常に望まれている。

先行技術

0008

特開2010−120933号公報
特開2011−006395号公報
特開2004−306011号公報
特開2005−238095号公報
特開2015−182032号公報

発明が解決しようとする課題

0009

本発明の課題は、アリル型不飽和アルコール原料から対応する共役ジエン化合物を効率よく製造する触媒及び共役ジエン化合物の製造方法を提供することである。

課題を解決するための手段

0010

本発明者らは、鋭意検討を行った結果、アリル型不飽和アルコールに対し、第2族金属及び第13族金属からなる群より選択される少なくとも1種の金属Mの酸化物並びにケイ素の酸化物を含み、水銀圧入法により測定されたマクロ孔容積が0.05〜1.50mL/gである脱水触媒を作用させることにより、効率的に対応する共役ジエン化合物を製造できることを見いだし、本発明を完成させるに至った。

0011

すなわち本発明は以下の項目[1]〜[12]に関する。
[1]
脱水触媒の存在下、一般式(1)又は一般式(2)で示されるアリル型不飽和アルコールの少なくとも一種を原料とし、脱水反応によって一般式(3)で示される共役ジエン化合物を製造する方法であって、前記脱水触媒が、第2族金属及び第13族金属からなる群より選択される少なくとも1種の金属Mの酸化物並びにケイ素の酸化物を含み、水銀圧入法により測定されたマクロ孔容積が0.05〜1.50mL/gであることを特徴とする共役ジエン化合物の製造方法。



(式中、R1〜R6はそれぞれ独立に水素原子炭素数1〜5のアルキル基、又は炭素数6〜12のアリール基を示す。)



(式中、R1〜R6は一般式(1)と同一のものを示す。)



(式中、R1〜R6は一般式(1)と同一のものを示す。)
[2]
前記脱水触媒の水銀圧入法により測定されたマクロ孔容積が0.16〜1.30mL/gである[1]に記載の共役ジエン化合物の製造方法。
[3]
前記脱水触媒の水銀圧入法により測定されたマクロ孔容積が0.40〜1.10mL/gである[2]に記載の共役ジエン化合物の製造方法。
[4]
前記脱水触媒の窒素ガス吸着法により測定された平均細孔径が6.0〜70.0nmであり、前記脱水触媒がマクロ孔メソ孔の両方を有する多元細孔構造を有する[1]〜[3]のいずれかに記載の共役ジエン化合物の製造方法。
[5]
前記脱水触媒の窒素ガス吸着法により測定された平均細孔径が12.0〜40.0nmである[4]に記載の共役ジエン化合物の製造方法。
[6]
前記脱水触媒の金属Mとケイ素の原子比(M/Si)が0.001〜0.250である[1]〜[5]のいずれかに記載の共役ジエン化合物の製造方法。
[7]
前記脱水触媒の金属Mとケイ素の原子比(M/Si)が0.010〜0.050である[6]に記載の共役ジエン化合物の製造方法。
[8]
前記金属Mの少なくとも一種がAlである[1]〜[7]のいずれかに記載の共役ジエン化合物の製造方法。
[9]
前記脱水触媒がシリカアルミナである[1]〜[8]のいずれかに記載の共役ジエン化合物の製造方法。
[10]
一般式(1)及び一般式(2)のR1〜R6がすべて水素原子である[1]〜[9]のいずれかに記載の共役ジエン化合物の製造方法。
[11]
一般式(1)で示されるアリル型不飽和アルコール及び一般式(2)で示されるアリル型不飽和アルコールの両方を原料とし、同時に脱水反応に供することを含む[1]〜[10]のいずれかに記載の共役ジエン化合物の製造方法。
[12]
第2族金属及び第13族金属からなる群より選択される少なくとも1種の金属Mの酸化物並びにケイ素の酸化物を含み、水銀圧入法により測定されたマクロ孔容積が0.05〜1.50mL/gであることを特徴とする、アリル型不飽和アルコールの脱水触媒。

発明の効果

0012

本発明の触媒を用いると、アリル型不飽和アルコールの脱水による共役ジエンの製造を非常に高い選択率で行うことができ、触媒寿命を大幅に伸ばすことができる。よって、工業的に価値のある共役ジエンを高い選択率で得ることができ、触媒再生頻度を抑えることで再生操作にかかる設備、工程、及び費用を大きく抑えることができる。

図面の簡単な説明

0013

反応実施例1〜4及び反応比較例1におけるマクロ孔容積と触媒寿命の関係を示すグラフである。
反応実施例1〜4及び反応比較例1におけるマクロ孔容積と生成物である1,3−ブタジエンの選択率の関係を示すグラフである。

0014

本発明では、一般式(1)又は一般式(2)で示されるアリル型不飽和アルコールの少なくとも一種を原料とし、脱水反応によって一般式(3)で示される共役ジエン化合物を製造するにあたり、第2族金属及び第13族金属からなる群より選択される少なくとも1種の金属Mの酸化物並びにケイ素の酸化物を含み、水銀圧入法により測定されたマクロ孔容積が0.05〜1.50mL/gである脱水触媒を使用する。



(式中、R1〜R6はそれぞれ独立に水素原子、炭素数1〜5のアルキル基、又は炭素数6〜12のアリール基を示す。)



(式中、R1〜R6は一般式(1)と同一のものを示す。)



(式中、R1〜R6は一般式(1)と同一のものを示す。)

0015

一般式(1)、(2)及び(3)においてR1〜R6はそれぞれ独立に水素原子、炭素数1〜5のアルキル基、又は炭素数6〜12のアリール基を示す。炭素数1〜5のアルキル基としてはメチル基エチル基プロピル基イソプロピル基ペンチル基などが挙げられる。炭素数6〜12のアリール基としてはフェニル基トリル基ナフチル基などが挙げられる。R1〜R6はそれぞれ独立に、水素原子、又は炭素数1〜5のアルキル基であることが好ましく、得られる共役ジエン化合物の有用性から水素原子であることがより好ましい。R1〜R6は互いに同じであっても、異なっていてもよいが、すべて水素原子であることが最も好ましい。このとき、一般式(1)の化合物は2−ブテン−1オール(クロチルアルコール)、一般式(2)の化合物は3−ブテン−2−オールとなり、生成物である一般式(3)の化合物は1,3−ブタジエンとなる。

0016

本脱水反応では、一般式(1)で示されるアリル型不飽和アルコール及び一般式(2)で示されるアリル型不飽和アルコールの両方を原料とし、同時に脱水反応に供することが有利である。これにより、例えばジオールの一分子脱水反応によって得ることができる、一般式(1)で示されるアリル型不飽和アルコール及び一般式(2)で示されるアリル型不飽和アルコールの両方を含有する生成物を、これらのアリル型不飽和アルコールを互いに分離することなく脱水反応に使用することができる。脱水反応の前に上記生成物に対して必要に応じて他の成分の分離及び精製を行ってもよい。

0017

本脱水反応においては、一般式(1)又は一般式(2)で示されるアリル型不飽和アルコール以外の不飽和アルコールが併存していてもよい。

0018

本発明の脱水触媒は、第2族金属及び第13族金属からなる群より選択される少なくとも1種の金属Mの酸化物並びにケイ素の酸化物を含み、水銀圧入法により測定されたマクロ孔容積が0.05〜1.50mL/gである触媒である。本明細書において、「第2族金属及び第13族金属からなる群より選択される少なくとも1種の金属Mの酸化物並びにケイ素の酸化物を含む触媒」は、金属Mの酸化物とケイ素の酸化物の混合体である場合、すなわち担持型(本明細書において「表面型」ともいう。)触媒と、金属M、ケイ素及び酸素の複合酸化物の場合、すなわち複合型(本明細書において「バルク型」ともいう。)触媒の両方を包含する。

0019

金属Mとしては、マグネシウムカルシウムストロンチウムバリウム等の第2族金属、及びアルミニウムガリウムインジウム等の第13族金属が挙げられる。これらの金属Mは、単独で用いてもよいし、2種類以上のどの組み合わせのものでもよい。本明細書における周期表とは、IUPAC無機化学命名法改訂版(1989)の規定に基づく。金属Mとしては触媒活性及び/又は選択率の観点からマグネシウム及びアルミニウムが好ましく、アルミニウムが特に好ましい。

0020

本発明の触媒の金属Mとケイ素の原子比(M/Si)は0.001〜0.250であることが好ましく、より好ましくは0.010〜0.100であり、最も好ましくは、0.010〜0.050である。原子比が0.001〜0.250であると細孔構造及び成形性を含めた触媒調製の自由度を高くでき、0.010〜0.100であると副生物の低減又はコーキングの抑制の面でより有利である。原子比(M/Si)は金属Mが複数種のときはそれらの合計原子数モル数)とケイ素の原子数(モル数)の比とする。複合型(バルク型)触媒の原子比(M/Si)は、リガク製の走査型蛍光X線分析装置ZSX PrimusIIを用いて、XRF分析にて決定される。担持型(表面型)触媒の原子比(M/Si)は仕込み比から計算することもできるが、ICP−MSによりMの量を求め、触媒の乾燥質量から金属Mの酸化物の質量を差し引いた質量を二酸化ケイ素の質量とし、M/Siが計算される。測定方法の詳細は実施例の項に記載する。

0021

本発明の触媒には、第2族金属及び第13族金属である金属Mとは異なる金属酸化物又は金属が含まれていてもよい。そのような金属酸化物又は金属の例としては、酸化ランタン酸化モリブデンなどがあげられる。

0022

金属Mの酸化物及びケイ素の酸化物を含む触媒は、調製法により大きく担持型と複合型の2種類に分類することができるが、本発明においては、両触媒は本質的に同等の特性及び作用効果を示す。触媒の調製方法としては種々の方法を用いることが可能であり、例えば含浸法イオン交換法CVD法混練法、共沈法ゾルゲル法等があげられる。

0023

担持型(表面型)触媒は、二酸化ケイ素(SiO2)担体に含浸法、イオン交換法、CVD法などによって金属Mの酸化物前駆体を付着又は堆積させて調製される触媒であり、二酸化ケイ素(SiO2)担体上に金属Mの酸化物が担持されている。この型の場合、焼結時に一部の金属Mと二酸化ケイ素は混じり合い複合酸化物を形成することがあるが、金属Mの原子の多くが触媒表面に存在している。金属Mの酸化物として具体的には、MgO、CaO、Al2O3等が挙げられる。これらの中では触媒活性及び/又は選択率の観点からMgO(マグネシア)、及びAl2O3(アルミナ)が好ましい。二酸化ケイ素(SiO2)は市販の物をそのまま、あるいは粉砕処理強熱処理、酸処理等の前処理を行ってから使用することができる。含浸法としては、金属Mの硝酸塩水溶液又は金属Mのアルコキシドアルコール溶液二酸化ケイ素担体に加えた後、乾燥及び焼成する方法が挙げられる。加える溶液の量は二酸化ケイ素担体の細孔容積相当でもよいし、細孔容積以上の量を加えて溶液を濃縮し得られた含浸担体濾別してもよい。

0024

複合型(バルク型)触媒は、二酸化ケイ素前駆体及び二酸化ケイ素から選ばれる第1触媒原料と、金属Mの酸化物前駆体及び金属Mの酸化物から選ばれる第2触媒原料との組み合わせを用いて、混練法、共沈法、ゾルゲル法などによって調製される。複合型(バルク型)触媒は、各成分が原子レベルで結合した複合酸化物であり、表面だけでなく固体内部にも金属Mの原子が多く存在している。ゾルゲル法としては、ケイ素アルコキシド及び金属Mのアルコキシドのアルコール溶液に、水を添加してゲルを調製した後、乾燥及び焼成する方法が挙げられる。この際、触媒として酸又は塩基を加えてもよいし、無触媒で触媒調製を行ってもよい。複合酸化物の例としてはシリカアルミナ等が挙げられる。

0025

触媒成形体は、成形体に触媒成分を担持して得ることもできるし、粉末触媒を種々の方法で成形して得ることもできる。成形方法に特に制限はなく、例えば打錠成形押出成形転動造粒等から選択される。

0026

触媒成形体の粒径及び形状は、反応方式、反応器の形状などに応じて適宜選択できる。

0027

触媒の成形に用いるバインダー滑剤、腑孔剤等の添加剤は特に制限されない。マクロ孔を触媒成形体に付与するために添加剤を用いることは一般に知られていることであり、本発明においても種々の方法を適用することができる。その他、触媒調製時、成形時などにおいて、原料触媒粉末粒子径の制御、成形圧力の制御等によってマクロ孔を増減させることも一般に行われることであり、これらを本発明に適用することができる。

0028

本発明の触媒のマクロ孔とはその孔径が0.05μm(50nm)〜200μmの範囲にある孔を意味する。触媒のマクロ孔容積は0.05〜1.50mL/gであり、好ましくは0.16〜1.30mL/g、特に好ましくは0.40〜1.10mL/gである。マクロ孔容積は、水銀表面張力を480dynes/cm、水銀と試料接触角を140°として、水銀圧入法により測定される。測定方法の詳細は実施例の項に記載する。本発明の脱水反応では、触媒のマクロ孔が多いほど触媒寿命及び反応の選択率が向上すると考えられる。しかし、マクロ孔が増えると一般に触媒強度は下がることが知られており、強度が低すぎると反応中の振動等、又は触媒の運搬若しくは充填等の際に触媒が破損するおそれがある。また、マクロ孔の多い触媒は体積当たり触媒質量が小さくなることから反応活性点が少なくなるため、過度に多くのマクロ孔を含む触媒では、マクロ孔が増えることによるメリットよりも反応活性点が少なくなったことによるデメリットの方が大きくなる。すなわち、触媒体積当たりの生産性が下がってしまうことに加え、生産量あたりの触媒の失活までの時間も短くなってしまう。そのため、反応方式、反応器の形状、触媒形状などに合わせて適当なマクロ孔容積が選択される。

0029

本脱水反応の原料となるアリル型不飽和アルコール、生成物である共役ジエン化合物、及び脱水素副生物である不飽和ケトンアルデヒド等は、いずれも重合性を有する化合物である。また、ブテン等のその他の副生物も重合性を有するものが多い。そのため、アリル型不飽和アルコールの脱水触媒上では、非常にコーキングが起こりやすい。よって、重合反応の抑制及び耐コーク性(重合物が付着した際の失活しにくさ)を向上させることで、触媒寿命(連続使用可能時間)を延ばすことができる。

0030

本発明では、水銀圧入法により測定されるマクロ孔容積を0.05〜1.50mL/gとすることで、触媒寿命及び共役ジエン化合物の選択率を大幅に向上させている。マクロ孔を増やし拡散を向上させることで重合反応を抑制し、共役ジエン化合物の消費による選択率の低下及び/又はコーキングによる失活を抑制することができる。また、マクロ孔が多くあるため多少のコーク付着が起きても拡散が阻害されにくくなる(耐コーク性が向上する)ため、触媒寿命を延ばすことができる。そのため、マクロ孔容積を調整することで触媒寿命を大幅に伸ばすことが可能となり、同時に共役ジエン化合物の選択率も大幅に向上させることが可能となる。これらの利点は、以下に記載する実施例並び図1及び図2からも理解することができる。本発明の触媒は、所定時間使用後に活性が低下しても酸素を含む気流下で焼成することでその性能を回復させることができる。マクロ孔が多く内部の気体拡散が良好であるため、再生にかける時間も短くすることができる。

0031

本発明の触媒は、マクロ孔とメソ孔の両方を有する多元細孔構造を有することが好ましい。これにより、共役ジエン化合物の選択率及び触媒寿命を向上させることができる。本発明の触媒は、窒素ガス吸着法により測定された平均細孔径が6.0〜70.0nmであるメソ孔を有することが好ましい。平均細孔径はより好ましくは9.0〜55.0nm、特に好ましくは12.0〜40.0nmである。測定方法の詳細は実施例の項に記載する。平均細孔径が6.0nm以上であると、コーキングの進行が遅く、触媒寿命が長くなる。また、副反応が少ないため共役ジエン化合物の選択率も向上する。平均細孔径が70.0nm以下である触媒は表面積及び反応点の数が適切であり、生産性(STY)の低下が小さい。

0032

本発明の脱水反応で使用する反応装置として連続式気相流通反応装置が好適である。触媒は固定床又は流動床のいずれの方式でもよく、特にメンテナンスの面などから固定床が望ましい。

0033

反応装置の一例として、上部に反応原料であるアリル型不飽和アルコールの気化器を備えた直管型反応器が挙げられる。反応器に触媒を充填し、原料を気化器で蒸発させて生じた原料ストリームを反応器に導入する。反応器下部の熱交換器反応生成物を冷却して水等を分離し、生成物を回収する。気化した原料のアリル型不飽和アルコールを窒素ガス水蒸気などの不活性ガス希釈して反応に供してもよい。

0034

反応温度は200〜450℃の範囲であることが適しており、250〜350℃であることがより好ましい。200℃以上であると反応が速やかに進む。また、450℃以下とすると副反応による選択率低下の影響が小さくなる。反応圧力加圧、常圧、又は減圧のいずれでもよい。

0035

触媒充填容積あたりの不飽和アルコールの導入量は0.05〜20kg/(h・L−cat)の範囲とすることができ、好ましくは0.1〜10kg/(h・L−cat)であり、最も好ましくは0.2〜5kg/(h・L−cat)である。導入量が少ない場合は十分な生産量を得ることができないことがある。多い場合には未反応の原料が増加し、分離及び精製に余分な労力が必要となる。

0036

アリル型不飽和アルコールを含む原料ストリームの触媒充填容積に対する空間速度[SV]は100〜40000[/h]の範囲とすることができ、特に400〜10000[/h]であることが好適である。空間速度が低すぎる場合は接触時間の増加により、不飽和アルコール原料及び生成したジエン化合物から副生成物が生じる可能性がある。空間速度が高すぎる場合には転化率が低下し、収率が低下することがある。

0037

得られた共役ジエン化合物に対し、さらに蒸留等による精製操作を行うことで、純度を高めたジエン化合物を入手することができる。

0038

触媒の空時収率STYは、反応圧力を上げる、原料ガス中の不飽和アルコール濃度を高める、又はSVを上げることにより大きくすることができるが、本脱水反応においては重合反応を加速させることとなるために、一般に触媒寿命が低下する。また、共役ジエン化合物の選択率の低下を招くことがある。本発明によれば、マクロ孔容積を増やすことで触媒寿命、選択性等に特に顕著な改善効果が見られるため、このような重合反応がより加速される条件下であっても脱水反応を有利に進行させることができる。

0039

上記に述べた方法は、本発明の実施形態の一つであり、実施に当たってはその神に照らして、別の実施形態をとることもできるが、それらは全て本発明の範疇に含まれる。

0040

以下、実施例により本発明の効果を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。

0041

[測定方法]
触媒成形体のマクロ孔容積及びメソ孔容積は、Micromeritics社製オートポアIV9520を用いて、水銀圧入法にて測定する。前処理として120℃で4時間恒温処理を行い、水銀表面張力を480dynes/cmとして、水銀と試料の接触角140°で測定を行う。測定範囲細孔直径で約0.0036〜200μmであり、直径0.05μm(50nm)〜200μmの細孔の細孔容積をマクロ孔容積、直径0.0036μm(3.6nm)〜200μmの細孔の細孔容積を全細孔容積として算出する。

0042

触媒成形体の窒素ガス吸着法によるメソ孔の平均細孔径は、以下のように測定する。150℃、40mTorrで3時間前処理したサンプルについて、Micromeritics社製の自動比表面積細孔分布測定装置(TristarII 3020)を用い、液体窒素温度で、相対圧(P/P0、P0:飽和蒸気圧)が0.14〜0.992の範囲で窒素脱着等温線を測定する。窒素ガスを吸着質として用い、吸着質断面積は0.162nm2として計算する。平均細孔径はBJH法を用い、吸着膜の厚みをHarkins−Juraの式でt=[13.99/0.034—log(P/P0)]^0.5として算出する。

0043

複合型触媒の原子比(M/Si)は、リガク製の走査型蛍光X線分析装置ZSX PrimusIIを用いて、XRF分析にて行う。乳鉢粉砕した触媒粉を、外径18mm、内径13mm、高さ5mmのポリ塩化ビニル製セルにつめて35kNで15秒間加圧して、測定試料を調製する。標準試料外標準としてEZスキャンモードにて分析する。

0044

担持型触媒の原子比(M/Si)はICP−MSによりMの量を求め、乾燥減量を考慮したうえで算出することができる。具体的には、以下の手順で求める。乳鉢で粉砕した試料にフッ酸2mL及び純水10mLを添加し試料を溶解させる。その後50mLに定容してICP発光分析により元素Mを定量する。TG−DTAを用いて、乳鉢で粉砕した試料を窒素ガス気流下300℃で1時間処理し、その質量変化から乾燥質量を算出する。乾燥質量から金属Mの酸化物の質量を差し引いた質量を二酸化ケイ素の質量とし、原子比(M/Si)を計算する。簡便のため、仕込み比から算出することも可能であり、本実施例ではこの簡便法によった。

0045

触媒成形体の嵩密度は以下のように決定する。10mLメスシリンダーに約5mLの触媒を測りとる。その際、数回タッピングを行い、触媒をならし、その体積と重量を測定する。測定重量測定体積除算し、嵩密度を計算する。

0046

[反応装置]
以下の実施例及び比較例の脱水反応には、固定床の常圧気相流通反応装置を使用した。反応管ステンレス製)は内径13mm、全長300mmで、上部に原料を蒸発させるための気化器、及び希釈剤(窒素ガス)の導入口が接続され、下部には冷却器、及び気液分離器が設置されている。反応によって生じたガス及び液はそれぞれ別々に回収し、ガスクロマトグラフィー装置にて測定し、検量線補正後、目的物の収量及び原料残量を求め、これらより転化率及び選択率を求めた。

0047

脱水反応における、転化率及び選択率の計算には以下の式を用いた。選択率は、転化率が98.5%を下回るまでの結果から計算した。

0048

代表的な副生成物であるブテンの選択率計算には、以下の式を用いた。選択率は、転化率が98.5%を下回るまでの結果から計算した。

0049

[触媒調製]
以下、脱水触媒の調製に関する実施例及び比較例を示す。

0050

(実施例1:担持型触媒Aの調製)
シリカ粉であるキャリアクト登録商標)G−10(粒径5μm、富士シリシア化学株式会社)20gに対し、硝酸アルミニウム・九水和物(和光純薬工業株式会社製、特級)1.34gを含む水溶液含浸担持させ、エバポレーターで大部分の水を除いたのちに80℃のオーブン中で12時間風乾を行った。得られた粉末を、ポリ塩化ビニル製のセル(30mmφ)に入れ、80MPaの圧力で1分間プレスした。ディスク状のセル(厚さ5mm)を破砕し、1.4〜2.8mmのふるい間に残るものを回収し、その後、マッフル炉(ADVANTEC製KM−280)で600℃、5時間焼成し、触媒Aを得た。

0051

(実施例2:担持型触媒Bの調製)
成形圧力を120MPaにした他は、実施例1と同様にして触媒Bを調製した。

0052

(実施例3:担持型触媒Cの調製)
成形圧力を160MPaにした他は、実施例1と同様にして触媒Cを調製した。

0053

(比較例1:担持型触媒Dの調製)
シリカ球であるキャリアクト(登録商標)Q−15(富士シリシア化学株式会社)20gに対し、硝酸アルミニウム・九水和物(和光純薬工業株式会社製、特級)0.92gを含む水溶液を含浸担持させ、エバポレーターで大部分の水を除いたのちに80℃のオーブン中で12時間風乾を行った。その後、マッフル炉(ADVANTEC製KM−280)で600℃、5時間焼成し、触媒Dを得た。

0054

(実施例4:複合型触媒Eの調製)
500mLの3口フラスコに、メカニカルスターラーに接続したテフロン(登録商標)半月板撹拌翼滴下ロート、及びジムロート冷却管を装着した。このフラスコに、窒素ガス雰囲気中で、テトラエチルオルトシリケートシグマアルドリッチ社製、>99%)60.0g、アルミニウムイソプロポキシド(東京化成工業株式会社製)2.9g、超脱水イソプロパノール(和光純薬工業株式会社製)173gを加え、液温が69〜70℃になるように油浴中で撹拌した。滴下ロートにイソプロパノール(特級、和光純薬工業株式会社製)9gと蒸留水(和光純薬工業株式会社製)10.9gの混合溶液を入れ、上記フラスコに30分間かけて滴下した。滴下終了後も撹拌を続け、合計24時間、69〜70℃で反応させた。得られた白色粉末濾過後、イソプロパノールで洗浄した。70℃のオーブンで12時間乾燥したのち、マッフル炉(ADVANTEC製KM−280)で500℃、5時間焼成した。得られた粉末を実施例1と同様の方法で成形後、同じマッフル炉で500℃、2時間焼成し、触媒Eを得た。XRF分析で測定されたAlとSiの原子比(Al/Si)は0.09(mol/mol)であった。

0055

[脱水反応]
以下、反応実施例を示す。触媒寿命は、原料のアリル型不飽和アルコール(式(1)及び式(2)の合計)の転化率と反応時間とのグラフから、転化率が約100%から低下して、98.5%となるまでの時間を読み取り、その値とした。平均コーク付着速度は、反応後に抜き出した触媒を用いて以下のように算出する。TG−DTAを用いて、反応後の抜出触媒の室温から650℃の区間質量減少を、乾燥空気流通下、10℃/分の速度で昇温しながら測定する。室温から300℃までの質量減少をx%、300℃から650℃までの質量減少をy%とした場合に、下式に当てはめて平均コーク付着速度を算出する。

0056

(反応実施例1)
触媒Aに対して3−ブテン−2−オール/2−ブテン−1−オール混合溶液を基質とし、窒素ガス及び水蒸気を希釈剤として反応を行った。触媒は5mL使用した。基質の3−ブテン−2−オール及び2−ブテン−1−オールのモル比率は6:4であり、合計導入量は触媒1mLあたり毎時1.35gであった。水蒸気の導入量は触媒1mLあたり毎時0.84L、窒素ガス導入量は触媒1mLあたり毎時0.42Lで反応温度は300℃に設定した(SV=1680[/h])。結果を表1に示す。

0057

(反応実施例2〜4、反応比較例1)
表1に示す触媒を使用し、反応実施例1と同様にして脱水反応を行った。結果を表1に示す。

実施例

0058

反応実施例1〜4と反応比較例1のマクロ孔容積に対する触媒寿命を図1に、1,3−ブタジエンの選択率を図2に示す。これらの図から理解できるように、マクロ孔容積が0.05〜1.50mL/gの触媒を用いると、非常に高選択的かつ長寿命で1,3−ブタジエンを得ることができる。

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