JP2015521094A - Gas phase oxidation catalyst with low charge transfer activation energy - Google Patents
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Abstract
有機炭化水素の気相酸化のための触媒であって、バナジウムのような少なくとも1種の遷移金属を含む多元素酸化物を含み、前記触媒が、375〜425℃の温度で、0kJ/mol未満の電荷移動活性化エネルギーEcを有することを特徴とする触媒。前記触媒は、無水マレイン酸の調製に役立つ。A catalyst for vapor phase oxidation of organic hydrocarbons, comprising a multi-element oxide comprising at least one transition metal such as vanadium, said catalyst being less than 0 kJ / mol at a temperature of 375-425 ° C A catalyst having a charge transfer activation energy Ec of Said catalyst serves for the preparation of maleic anhydride.
Description
遷移金属触媒による酸素移動反応は、化学工業において、最も重要な反応種である。その最先端は、分子酸素との炭化水素の部分酸化である。大気酸素の形態の分子酸素は、間違いなく最も安価な酸化剤である。基底状態(base state)において、酸素は常磁性の三重項として存在し、且つ相対的に非反応性である。触媒表面との相互作用の結果として、酸素は、触媒表面への配位、電子移動、酸素分子の解離、及び酸化物結晶格子への酸素原子の取り込みによって活性化される。格子酸素は、求核付加により活性化された炭化水素に取り込まれ得、酸化された生成物は、触媒表面から脱離される。その後、還元された触媒表面は、気相酸素によって再酸化される。 Transition metal catalyzed oxygen transfer reactions are the most important reactive species in the chemical industry. The cutting edge is the partial oxidation of hydrocarbons with molecular oxygen. Molecular oxygen in the form of atmospheric oxygen is undoubtedly the cheapest oxidant. In the base state, oxygen exists as a paramagnetic triplet and is relatively non-reactive. As a result of the interaction with the catalyst surface, oxygen is activated by coordination to the catalyst surface, electron transfer, dissociation of oxygen molecules, and incorporation of oxygen atoms into the oxide crystal lattice. Lattice oxygen can be incorporated into activated hydrocarbons by nucleophilic addition, and the oxidized product is desorbed from the catalyst surface. Thereafter, the reduced catalyst surface is reoxidized by gas phase oxygen.
n−ブタンの無水マレイン酸への酸化は、工業的に用いられている反応の一例であり、単一の操作において、8個の水素原子の引き抜き、3個の酸素原子の取り込み、及び14個の電子の移動を必要とする(例えば、 Millet J.M.M.,Topics on Catalysis 2006年、 38巻、83〜92頁参照)。 Oxidation of n-butane to maleic anhydride is an example of a reaction that is used industrially, with the extraction of 8 hydrogen atoms, the incorporation of 3 oxygen atoms, and 14 in a single operation. (See, for example, Millet JMM, Topics on Catalysis 2006, 38, 83-92).
この厳しい反応が、良好な電子伝導性、酸素伝導性及び/又はプロトン伝導性を有する触媒を必要とすることは、述べてきたことから明らかである。より具体的には、炭化水素の選択的酸化のための反応速度は、電子輸送及び/又はイオン輸送特性によって、即ち、例えば、触媒表面から基質(炭化水素)への(逆の場合も同様)、電子又は正孔(hole)の移動(言い換えれば、触媒の遷移金属イオンの酸化又は還元)、水素原子又は酸素原子の移動によって制限され得、それ故にその触媒に高い要求を突きつける。 It is clear from what has been stated that this harsh reaction requires a catalyst with good electronic, oxygen and / or proton conductivity. More specifically, the reaction rate for the selective oxidation of hydrocarbons depends on the electron transport and / or ion transport properties, ie, for example, from the catalyst surface to the substrate (hydrocarbon) (and vice versa). Can be limited by the movement of electrons or holes (in other words, oxidation or reduction of transition metal ions in the catalyst), the movement of hydrogen atoms or oxygen atoms, and therefore imposes high demands on the catalyst.
大きな課題の一つは、改良された選択性及び/又はより高い変換を有する新規触媒の開発である。しかしながら、新たな触媒の開発は、非常に複雑である。この一つの理由は、ほとんどの工業触媒は、触媒的に活性な遷移金属酸化物と同様に、触媒作用を強化し、及び/又は選択性を改良する、助触媒(promoter)と称されるものを含む、多元素酸化物であることである。新規触媒のための開発時間の短縮が望まれている。 One of the major challenges is the development of new catalysts with improved selectivity and / or higher conversion. However, the development of new catalysts is very complex. One reason for this is that most industrial catalysts, like catalytically active transition metal oxides, are called promoters that enhance catalysis and / or improve selectivity. It is a multi-element oxide containing. Shortening development time for new catalysts is desired.
本発明の目的は、改良された選択性及び/又はより高い変換を有する、有機炭化水素の気相酸化のための触媒を提供することである。本発明のもう一つの目的は、有機炭化水素の気相酸化のための触媒を最適化するための方法を提供することである。 The object of the present invention is to provide a catalyst for the gas phase oxidation of organic hydrocarbons with improved selectivity and / or higher conversion. Another object of the present invention is to provide a method for optimizing the catalyst for the gas phase oxidation of organic hydrocarbons.
本発明は、有機炭化水素の気相酸化のための触媒であって、少なくとも1種の遷移金属を含む多元素酸化物を含み、前記触媒が、375〜425℃の温度で、特に約400℃の温度で、0kJ/mol未満の電荷移動活性化エネルギーEc(負電荷移動活性化エネルギー)を有することを特徴とする触媒に関する。 The present invention is a catalyst for vapor phase oxidation of organic hydrocarbons, comprising a multi-element oxide comprising at least one transition metal, said catalyst being at a temperature of 375-425 ° C, in particular about 400 ° C. And a charge transfer activation energy E c (negative charge transfer activation energy) of less than 0 kJ / mol at a temperature of
本発明で、気相酸化触媒の有利な触媒特性のために極めて重要なことは、電気伝導率の絶対値ではなく、むしろ触媒の電荷移動活性化エネルギーEcであることが見出された。電荷移動活性化エネルギーEcは、触媒の電気伝導率の温度依存に基づいて測定され得る。関連温度範囲における気相酸化触媒の導電率は、本質的にアレニウス挙動(Arrhenius behaviour)に従うことが見出された。したがって、電荷移動活性化エネルギーEcは、温度の逆数に対する、触媒の導電率の自然対数のプロットとして測定され得る。 In the present invention, it has been found that what is crucial for the advantageous catalytic properties of the gas phase oxidation catalyst is not the absolute value of the electrical conductivity, but rather the charge transfer activation energy E c of the catalyst. The charge transfer activation energy E c can be measured based on the temperature dependence of the electrical conductivity of the catalyst. It has been found that the conductivity of the gas phase oxidation catalyst in the relevant temperature range essentially follows Arrhenius behavior. Thus, the charge transfer activation energy E c can be measured as a plot of the natural logarithm of the conductivity of the catalyst against the inverse of temperature.
2電極又は4電極で接触して試料の直流(DC)抵抗又は交流(AC)抵抗を測定する方法は、十分よく知られており、すでに触媒の導電率の測定に使用されている(例えば、Hermann, J.M. et al,Journal of Catalysis 1997,167,106−117; Sartoni,L.et al,Journal of Materials Chemistry 2006,16,4348 〜4360; Rouvet,F.et al,Journal of the Chem.Soc.Faraday Trans.,1994,90,1441〜1448を参照)。接触不良、それ故の高い接触抵抗は、測定されたデータを大幅に歪めるので、これらの測定法の正確性及び再現性は、電極と触媒粉末との間の接触の質に大いに依存する。通常使用される粉末触媒の場合、良好で、且つ再現性のある接触を達成することは難しい。したがって、本発明の目的のため、マイクロ波空洞封入摂動技術(microwave cavity enclosed perturbation technique)(MCPT)と呼ばれる技術による非接触の導電率測定が好ましい。また、この方法による測定値は、本発明の明細書において、マイクロ波導電率とも称される。 Methods for measuring the direct current (DC) or alternating current (AC) resistance of a sample in contact with two or four electrodes are well known and are already used to measure the conductivity of a catalyst (eg, Hermann, J. M. et al, Journal of Catalysis 1997, 167, 106-117; Sartoni, L. et al, Journal of Materials Chemistry 2006, 16, 4348-4360, Rouvet, F. et al. Soc.Faraday Trans., 1994, 90, 1441-1448). Since contact failure and hence high contact resistance greatly distorts the measured data, the accuracy and reproducibility of these measurements is highly dependent on the quality of contact between the electrode and the catalyst powder. In the case of commonly used powder catalysts, it is difficult to achieve good and reproducible contact. Therefore, for the purposes of the present invention, contactless conductivity measurement by a technique called microwave cavity enclosed perturbation technique (MCPT) is preferred. The measured value by this method is also referred to as microwave conductivity in the specification of the present invention.
したがって、電荷移動活性化エネルギーEcは、好ましくは、温度の逆数に対する、触媒床について(触媒床のために)非接触に測定された9.2GHzでのマイクロ波導電率の自然対数の傾きとして測定される。 Therefore, the charge transfer activation energy E c is preferably as the slope of the natural logarithm of microwave conductivity at 9.2 GHz measured non-contacting (for the catalyst bed) for the catalyst bed versus the inverse of temperature. Measured.
導電率の測定は、好ましくはマイクロ波を用いた触媒の励起及び付随する共鳴スペクトルの記録により、非接触に実施される。これは、導電性領域及び絶縁領域からなる多結晶半導体において、電荷担体の移動は通常、導電性粒子の粒子境界での絶縁バリヤー(insulating barrier)により制限されるからである。したがって、直流伝導率は主に粒子境界でのバリヤーの高さ及び幅により測定され、その粒子自体の固有の電子物性によるものではない。対照的に、交流電流測定、したがって、より具体的にはマイクロ波測定の場合、粒子境界は、周波数が上昇すると、導電性粒子間の容量性カップリングにより、次第に迂回され、それで高い周波数では粒子の実際の導電性が測定され得る。その代わりに、電荷担体移動は、ホッピング機構を用いて説明され得、ホッピング機構においては、原子スケール上の電子伝導が、局在化状態間の電荷担体の活性化したホッピング(hopping)により特徴づけられる。バリヤーモデル及びホッピングモデルの両方は、低い周波数での導電率の周波数依存性を、以下の式;
高周波数での測定の大きな利点は、信号が、送信機及び受信機の間を無線で送信され得、したがって完全に非接触プロセスに適していることである。この目的のため、試料の形状に関して実質的に制限がないこと、及び極めて高い感度を特徴とすることから、本発明の明細書において、共振器技術が好ましい。 A great advantage of measuring at high frequencies is that the signal can be transmitted wirelessly between the transmitter and the receiver and is therefore perfectly suitable for contactless processes. For this purpose, resonator technology is preferred in the specification of the present invention because it has virtually no restrictions on the shape of the sample and is characterized by extremely high sensitivity.
「終板摂動(endplate perturbation)」と呼ばれるものの場合、触媒は共振器の終板の1個を形成する一方で、マイクロ波共振器の空洞の中央に配置されることによって、触媒との接触は避けられる(通常、最大の電場で; Chen,L.−F.et al,Microwave Electronics,Measurement and Material Characterization,Wiley 2004,493−530頁、参照)。反応条件下で不均一な触媒のための本発明の場合の非接触導電率測定はマイクロ波空洞封入摂動技術(MCPT)と呼ばれるものに基づいており、この技術においては、触媒及びその周囲の反応器は共振器中に配置される。
MCPT技術は、既に、超電導体、超イオン電導体、金属、半導体及び誘電材料の導電率測定及び誘電率測定に、広い周波数範囲でうまく適用されている。また、触媒筐体をマイクロ波共振器として使用し、その共振特性を測定することにより、自動車部門からの三元触媒コンバーターの酸化状態を定性的に観察することもできる(Moos, R. et al.,Topics in Catalysis 2009,52, 2035−2040頁)。
In what is called “endplate perturbation”, the catalyst forms one of the resonator endplates, while being placed in the center of the cavity of the microwave resonator, contact with the catalyst is reduced. Avoided (usually at maximum electric field; see Chen, L.-F. et al, Microwave Electronics, Measurement and Material Characterisation, Wiley 2004, pages 493-530). The contactless conductivity measurement in the present case for heterogeneous catalysts under reaction conditions is based on what is called the microwave cavity encapsulation perturbation technique (MCPT), in which the catalyst and its surrounding reactions The resonator is disposed in the resonator.
MCPT technology has already been successfully applied in a wide frequency range for conductivity and dielectric constant measurements of superconductors, superionic conductors, metals, semiconductors and dielectric materials. It is also possible to qualitatively observe the oxidation state of the three-way catalytic converter from the automobile sector by using the catalyst housing as a microwave resonator and measuring its resonance characteristics (Moos, R. et al. , Topics in Catalysis 2009, 52, 2035-2040).
測定において、共振器壁の表面の時効(aging)、及びそれ故の空洞のQ値(quality factor)の取消不能の悪化を避けるため、空洞は室温で維持される必要がある一方で、触媒は加熱される必要がある。 In the measurement, the cavity needs to be maintained at room temperature, while the catalyst must be kept at room temperature in order to avoid irreversible deterioration of the cavity wall surface aging and hence the cavity quality factor. It needs to be heated.
好ましくは、導電率測定において、ガスは触媒を通って流れる。好ましくは、ガスは、それぞれの測定温度に予熱される。ガスは窒素のような不活性ガスでもよい。しかしながら、好ましくは、ガスはモデル反応ガスである。モデル反応ガスは、触媒が生産において使用される条件下をシミュレーションする。無水マレイン酸の調製のための好ましい実施形態の適切なモデル反応ガスは、以下のように;2体積%のn−ブテン、20体積%のO2及び残余のN2である。ガスの質量流量は、好ましくは、1〜20ml/分である。 Preferably, in the conductivity measurement, the gas flows through the catalyst. Preferably, the gas is preheated to the respective measured temperature. The gas may be an inert gas such as nitrogen. However, preferably the gas is a model reaction gas. The model reaction gas simulates the conditions under which the catalyst is used in production. A suitable model reaction gas of a preferred embodiment for the preparation of maleic anhydride is as follows: 2% by volume n-butene, 20% by volume O 2 and the balance N 2 . The mass flow rate of the gas is preferably 1 to 20 ml / min.
マイクロ波導電率を測定するため、マイクロ波のための共振器を含み、それには触媒試料の収容場所を有する反応器が配置され、前記共振器はマイクロ波源と接続され、前記反応器は一方の端で反応ガス源と、他方の端でガス分析装置と接続可能である共振器を含むシステムを使用することが好ましい。 In order to measure the microwave conductivity, a resonator for the microwave is included, in which a reactor having a receiving location for the catalyst sample is arranged, the resonator being connected to a microwave source, the reactor being one of the reactors It is preferred to use a system that includes a resonator that is connectable at one end to a reactive gas source and a gas analyzer at the other end.
同時に、ここで反応ガスのため加熱可能源が備えられ、触媒試料が、試料のみが加熱され、且つ共振器は加熱されないように、反応ガスにより加熱され得る。また、その代わりに、触媒試料を、反応ガスを加熱することによるよりむしろ、適切に選択的に導入されたマイクロ波電力によって加熱することもできる。しかしながら、ここでマイクロ波場は、触媒中の双極子に選択的に作用するので、これは触媒の特性を変え、この特性は評価において検討される必要がある。 At the same time, here a heatable source is provided for the reaction gas, and the catalyst sample can be heated by the reaction gas so that only the sample is heated and the resonator is not heated. Alternatively, the catalyst sample can also be heated by appropriately selectively introduced microwave power rather than by heating the reaction gas. However, here the microwave field selectively acts on the dipoles in the catalyst, so this changes the properties of the catalyst and this property needs to be considered in the evaluation.
反応器は、例えば石英(quartz)で作られているサンプル管でもよく、収容場所は、適切な手段(例えば、グラスウール栓による限界の設定等)により規定され、触媒試料は、共振器の中で望ましい位置で静止するように配置される。他の有用な反応器はフラットセル(アレイ)(flat cells(arrays))である。 The reactor may be a sample tube made of quartz, for example, and the storage location is defined by suitable means (eg, setting limits with a glass wool plug) and the catalyst sample is placed in the resonator It is arranged to be stationary at a desired position. Another useful reactor is flat cells (arrays).
試料と石英反応器による摂動に起因する共振周波数及びQ値における変化は、電子物性と直線の依存性(linear dependence)を有し、これは分析される試料の複素誘電率及び導電率を測定することができ、それ故に、反応条件下、即ち、より具体的には、触媒反応のために必要な高温下での定量的な測定を実施することができることを意味する。これは、電界が、例えば、石英等の誘電材料からなる反応器中に集中され、したがって、試料の領域において増幅されるという事実によって支援される。 Changes in resonance frequency and Q value due to perturbation by the sample and quartz reactor have electronic properties and linear dependence, which measures the complex permittivity and conductivity of the sample being analyzed. This means that quantitative measurements can be carried out under the reaction conditions, ie more specifically under the high temperatures required for the catalytic reaction. This is supported by the fact that the electric field is concentrated in a reactor made of a dielectric material, for example quartz, and is therefore amplified in the region of the sample.
共振器は、使用されるモードによって構成され得る。例えば、共振器は、円筒のX−バンドTMm0共振器(n=0、1、2、...;m=1、2、...)であり、且つ反応器の試料収容場所は、共振器の空洞の中央に(重心軸に沿って)配置されることが好ましい。好ましくは、n=m=1であり、したがって、試料収容場所は、電界の極大(local maxima;極大点)間に存在する。試料が、電界の極大における反対の結節点(counter-nodes)(最大値)間に静止する場合、システムの全体的な感度は、幾分低下されるが、これは、更により処理及び分析し易い、より大きい試料体積の使用によって相殺され得る。円筒共振器のサイズ(体積)によれば、その他のTMモード、例えば、大きい共振器(r>5cm)の場合、TM0n0モード(n=1、2、3)を使用することができる。一方、ここでも共振器の中央におけるモードが電界最小値を有し得るとはいえ、TMモードよりむしろTEモードが、励起に使用される矩形共振器を使用することも考えられる。しかしながら、同じ体積では、矩形共振器のQ値(quality)は円筒共振器のものより低い。分割リング共振器の使用も、同様に考えられる。共振器は、原則として300MHz〜300GHzの周波数範囲で使用できるとしても、実際には、導電率測定には1〜30GHzの範囲、及び特に8〜12GHzの範囲(X−バンド)が好ましい。9.2GHzでの測定が特に有用であることが見出された。 The resonator can be configured depending on the mode used. For example, the resonator is a cylindrical X-band TM m0 resonator (n = 0, 1, 2,...; M = 1, 2,...), And the sample storage location of the reactor is: It is preferably arranged in the center of the cavity of the resonator (along the center of gravity axis). Preferably, n = m = 1, so that the sample storage location exists between the local maximums of the electric field. If the sample is stationary between opposite counter-nodes (maximum) at the field maxima, the overall sensitivity of the system is somewhat reduced, but this is even more processed and analyzed. Can easily be offset by the use of larger sample volumes. According to the size (volume) of the cylindrical resonator, in the case of other TM modes, for example, a large resonator (r> 5 cm), the TM 0n0 mode (n = 1, 2, 3) can be used. On the other hand, it is also conceivable here that the TE mode rather than the TM mode uses a rectangular resonator that is used for excitation, although the mode in the center of the resonator can also have a field minimum. However, at the same volume, the quality of the rectangular resonator is lower than that of the cylindrical resonator. The use of split ring resonators is conceivable as well. Although the resonator can in principle be used in the frequency range of 300 MHz to 300 GHz, in practice the range of 1 to 30 GHz, and in particular the range of 8 to 12 GHz (X-band) is preferred for conductivity measurements. Measurements at 9.2 GHz have been found to be particularly useful.
好ましい実施形態において、システムは、反応器の周囲に配置され、且つ真空源と接続され得る真空ジャケット付きのケーシング、及び反応器と接続され、そこに熱ガスを導入する加熱装置を含む。このような方法で、触媒試料は独立して加熱され得、即ち、反応ガスによる加熱が必要にならずに、真空ジャケット付きケーシングは、同時に試料のみが加熱され、且つ共振器は加熱されないことを確保する。ケーシングは、適切にはマイクロ波に対して透過的であり、例えば、石英ガラス又はサファイアガラスからなる。ケーシングへの一般的な必須要件は、低い誘電損失であり、言い換えると、その複素誘電率の虚数部ε2が極めて小さい必要がある。ケーシングの可能性があるデザインは、デュワー(Dewar)として知られる配置である。 In a preferred embodiment, the system includes a casing with a vacuum jacket disposed around the reactor and capable of being connected to a vacuum source, and a heating device connected to the reactor and introducing hot gas therein. In this way, the catalyst sample can be heated independently, i.e. no heating by the reaction gas is required, the vacuum jacketed casing allows only the sample to be heated at the same time and the resonator is not heated. Secure. The casing is suitably transparent to microwaves and is made of, for example, quartz glass or sapphire glass. A general requirement for the casing is a low dielectric loss, in other words, the imaginary part ε 2 of its complex dielectric constant needs to be very small. A possible design for the casing is an arrangement known as Dewar.
使用されるマイクロ波源は、例えば、クライストロン(klystrons)、GaNダイオード又はベクトル・ネットワーク分析器(vector network analyzers)を含み、且つこれらはまた、起された触媒のマイクロ波スペクトルを検出することもできる。 The microwave sources used include, for example, klystrons, GaN diodes or vector network analyzers, and these can also detect the microwave spectrum of the activated catalyst.
好ましい実施形態において、共振器は、共振器空洞の壁を追加的に冷却し、それらを本質的に室温で維持する冷却装置を含む。特に共振器の壁の表面は、共振器中に形成するマイクロ波場に重要な影響を有するので、これは、共振器の機能及び寿命に本質的に貢献する共振器の壁の劣化を特に効果的に防止する。言い換えると、共振器のQ値は、電気的な触媒の物性の測定のための特に長い測定サイクルを可能にする極めて長い期間を越えて一定に維持され得る。 In a preferred embodiment, the resonator includes a cooling device that additionally cools the walls of the resonator cavity and maintains them essentially at room temperature. In particular, the surface of the resonator wall has a significant effect on the microwave field that forms in the resonator, so this is particularly effective for resonator wall degradation, which essentially contributes to the function and lifetime of the resonator. Prevent it. In other words, the Q value of the resonator can be kept constant over a very long period allowing a particularly long measurement cycle for the measurement of the physical properties of the electrocatalyst.
冷却装置は、例えば、任意に追加的な冷却板を用いて共振器から熱を除去する冷却水循環を含む。しかしながら、代わりに又は追加して、共振器の空冷も考えられ、例えば大きな放熱器、例えば銅塊等を使用することが考えられる。結露水の回避のため、共振器の内部通風も可能である。しかしながら、冷却機器は高い触媒温度での共振器の冷却のために使用され得るだけでなく、加熱機器がそれに応じて調節される、低い温度で測定を行うためにも使用され得る。したがって、加熱機器及び冷却機器の適切な組合せを通じて、触媒反応が分析される下、どんな温度条件及び温度/時間プロファイルも設定することができる。 The cooling device includes, for example, a cooling water circulation that removes heat from the resonator, optionally using additional cooling plates. However, alternatively or additionally, air cooling of the resonator is also conceivable, for example using a large radiator, such as a copper mass. Internal ventilation of the resonator is also possible to avoid condensed water. However, the cooling equipment can be used not only for cooling the resonator at high catalyst temperatures, but also for taking measurements at low temperatures, where the heating equipment is adjusted accordingly. Thus, any temperature condition and temperature / time profile can be set under the analysis of the catalytic reaction through the appropriate combination of heating and cooling equipment.
既に冒頭で述べたように、MCPTプロセスは、所定の複素誘電率及び電気伝導率を有する試料が空洞中へ導入されたときの空洞の共振条件の非常に小さい摂動に基づいている。そのような空洞中では、定常波が、特有の共振周波数ν0(空洞の形状による)及び共振器のQ値Q0(共振器の壁の形状及び導電率による)によって特徴付けられるモードを形成することができる。Q値は、共振周波数ν0と半値幅Γ0と呼ばれる値によって関連づけられる。 As already mentioned at the outset, the MCPT process is based on a very small perturbation of the resonant condition of the cavity when a sample with a given complex dielectric constant and electrical conductivity is introduced into the cavity. In such a cavity, a standing wave forms a mode characterized by a characteristic resonance frequency ν 0 (depending on the shape of the cavity) and a resonator Q value Q 0 (depending on the shape of the resonator wall and conductivity). be able to. The Q value is related by a value called a resonance frequency ν 0 and a half-value width Γ 0 .
空洞中への小さい試料の導入の後、共振周波数及び空洞のQ値がν1及びQ1の値へ変化し、数値における付随するシフトが、誘電率、並びに試料の体積及び空洞の体積と結び付けられる。 After the introduction of a small sample into the cavity, the resonant frequency and the cavity Q value change to the values of ν 1 and Q 1 , and the accompanying shift in the numerical value is tied to the dielectric constant and the sample volume and the cavity volume It is done.
準静的近似において、マイクロ波の試料の表面への侵入深さは、試料の寸法より極めて大きく、周波数におけるシフト、及びQ値におけるシフトは、試料の複素誘電率ε=ε1−iε2と直接結び付けられる。 In the quasi-static approximation, the penetration depth of the microwave into the surface of the sample is much larger than the size of the sample, and the shift in frequency and the shift in Q value are the complex permittivity ε = ε 1 −iε 2 of the sample. Directly tied.
上記式中、A及びBは、共振器の形状及びモードに基づく共振器の定数であり、Vs及びVcは、それぞれ試料の体積及び空洞の体積である。定数A及びBは原則的に、空洞の電界分布が知られ、且つ試料の導入の結果として有意に変化しない場合、直接計算され得る。しかしながら、実際上の理由で、共振器の定数は、好ましくは、詳細は後述される公知の複素誘電率を有する適切な校正用の物質の分析によって測定される。絶縁材料又は低導電材料のための準静的近似は、現在の関連の触媒のため極めて良好な近似である。 In the above equation, A and B are resonator constants based on the shape and mode of the resonator, and Vs and Vc are the volume of the sample and the volume of the cavity, respectively. The constants A and B can in principle be calculated directly if the electric field distribution of the cavity is known and does not change significantly as a result of the introduction of the sample. However, for practical reasons, the resonator constant is preferably measured by analysis of a suitable calibration material having a known complex dielectric constant, the details of which will be described later. The quasi-static approximation for insulating or low conductive materials is a very good approximation for current related catalysts.
適切な誘電率標準は、例えば、Crystal GmbH(ベルリン)から入手できるサファイアの単結晶(0001)、サファイア(11−20)、ルチル(001)、ルチル(100)、アルミン酸ランタン(100)及びチタン酸ストロンチウム(100)である。 Suitable dielectric constant standards are, for example, single crystals of sapphire (0001), sapphire (11-20), rutile (001), rutile (100), lanthanum aluminate (100) and titanium available from Crystal GmbH (Berlin). Strontium acid (100).
複素誘電率及び共振周波数におけるシフト、又はQ値におけるシフトの間の直線の依存性に基づいて、検量線が粉状試料のために測定される。単結晶及び粉状試料の誘電特性の関係はランダウ・リフシッツによる式を用いて計算された(Landau/Lifshitz,Electrodynamics of Continuous Media;Pergamon Press,London,1960)。 A calibration curve is measured for a powder sample based on the linear dependence between the shift in complex dielectric constant and resonant frequency, or shift in Q value. The relationship between the dielectric properties of the single crystal and the powdery sample was calculated using the Landau-Lifschitz equation (Landau / Lifshitz, Electrodynamics of Continuous Media; Pergamon Press, London, 1960).
式中、εB及びεPは、単結晶及び所定の充填密度(packing density)δの粉末の複素誘電率である。次いで、この方程式を用いて、以下のように方程式(2)及び(3)を再編することができる。 Where ε B and ε P are the complex dielectric constant of the single crystal and the powder of a predetermined packing density δ. This equation can then be used to reorganize equations (2) and (3) as follows:
校正の完了時に、すぐに気相酸化触媒の誘電率及び電気伝導率の原位置での測定を実施することができる。 Upon completion of calibration, an in-situ measurement of the dielectric constant and electrical conductivity of the gas phase oxidation catalyst can be performed.
マイクロ波導電率σ(σ=ωε0ε2)の対数は、温度[K]の逆数に対してアレニウスプロットとしてプロットされる。電気伝導率のための温度の逆数に指数関数的依存性を考慮することにより、
また、本発明は気相酸化触媒の最適化を単純化する。例えば、調製条件のバリデーション(妥当性確認)によって、又はコンビナトリアル・ケミストリー法によって、多数の可能性がある触媒を調製することができる。その後、触媒の電荷移動活性化エネルギーEcが測定され、したがって、改良された触媒特性を有する触媒が見出される。 The present invention also simplifies optimization of the gas phase oxidation catalyst. For example, a number of possible catalysts can be prepared by validation of the preparation conditions or by combinatorial chemistry methods. Thereafter, the charge transfer activation energy E c of the catalyst is measured, thus finding a catalyst with improved catalytic properties.
本発明は有機炭化水素の気相酸化のための触媒の最適化方法であって、
a)第1の一連の調製条件下で第1の触媒を調製する工程、
b)さらなる一連の調製条件下で、少なくとも1種のさらなる触媒を調製する工程、
c)第1の触媒、及び少なくとも1種のさらなる触媒の電荷移動活性化エネルギーEcを測定する工程、及び
d)最適化された触媒として、0kJ/mol未満の電荷移動活性化エネルギーEcを有する触媒を識別する工程、
を含む方法を提供する。
The present invention is a method for optimizing a catalyst for vapor phase oxidation of an organic hydrocarbon comprising:
a) preparing a first catalyst under a first series of preparation conditions;
b) preparing at least one further catalyst under a further series of preparation conditions;
c) measuring the charge transfer activation energy E c of the first catalyst and at least one further catalyst; and d) as an optimized catalyst, a charge transfer activation energy E c of less than 0 kJ / mol. Identifying a catalyst having,
A method comprising:
多様であり得る調製条件は、触媒の組成、触媒のモルフォロジー(形態)、焼成条件、形成条件、及び焼成開始における吸着有機溶媒のVPO前駆体における含有量を含む。
好ましい実施形態において、本発明の触媒の多元素酸化物はバナジウムを含み、好ましくはバナジウム及びリンを含む。
Preparation conditions that can vary include catalyst composition, catalyst morphology, calcination conditions, formation conditions, and content of adsorbed organic solvent in the VPO precursor at the start of calcination.
In a preferred embodiment, the multi-element oxide of the catalyst of the present invention comprises vanadium, preferably vanadium and phosphorus.
本発明の触媒は、炭化水素の部分的酸化方法に使用される。一般に、少なくとも1種の炭化水素および酸素を含むガス流が触媒の床に通される。部分的酸化の条件は、例えば、特定の反応種の公知の触媒に通常使用される条件に相当し、当業者に良く知られている。 The catalyst of the present invention is used in a process for partial oxidation of hydrocarbons. In general, a gas stream comprising at least one hydrocarbon and oxygen is passed through the catalyst bed. The conditions for partial oxidation correspond, for example, to those normally used for known catalysts of a particular reactive species and are well known to those skilled in the art.
本発明の触媒の好ましい実施形態は、無水マレイン酸(MA)の調製のための触媒である。それは、n−ブタン、1−ブテン、i−ブテン、2−イソブテン、2−トランスブテン及びブタジエンのような少なくとも4個の炭素原子を有する炭化水素の気相酸化によるMAの調整に役立つ。 A preferred embodiment of the catalyst of the present invention is a catalyst for the preparation of maleic anhydride (MA). It serves for the preparation of MA by gas phase oxidation of hydrocarbons having at least 4 carbon atoms such as n-butane, 1-butene, i-butene, 2-isobutene, 2-transbutene and butadiene.
MA触媒の触媒的に活性な組成物は、リン/バナジウム混合酸化物である(したがって、その触媒は、以下、VPO触媒ともいう)。リン/バナジウム原子比は一般に0.9から1.5、好ましくは0.9〜1.2、特に1.0〜1.1である。バナジウムの平均酸化状態は、好ましくは+3.9〜+4.4であり、さらに好ましくは4.0〜4.3である。このような活性組成物は、例えば、特許US5,275,996、US5,641,722、US5,137,860、US5,095,125又はUS4,933,312に記載される。 The catalytically active composition of the MA catalyst is a phosphorus / vanadium mixed oxide (hence, the catalyst is also hereinafter referred to as a VPO catalyst). The phosphorus / vanadium atomic ratio is generally from 0.9 to 1.5, preferably from 0.9 to 1.2, in particular from 1.0 to 1.1. The average oxidation state of vanadium is preferably +3.9 to +4.4, and more preferably 4.0 to 4.3. Such active compositions are described, for example, in patents US 5,275,996, US 5,641,722, US 5,137,860, US 5,095,125 or US 4,933,312.
本発明のMA触媒は、更に助触媒を含んでもよい。適切な助触媒は、周期表の第1〜15族の元素及びそれらの化合物を含む。適切な助触媒は、例えば、WO97/12674及び WO95/26817、特許US5,137,860、US5,296,436、US5,158,923及びUS4,795,818に記載されている。好ましい助触媒はコバルト、モリブデン、鉄、亜鉛、ハフニウム、ジルコニウム、リチウム、チタン、クロム、マンガン、ニッケル、銅、ホウ素、ケイ素、アンチモン、スズ、ニオブ及びビスマス元素の化合物であり、より好ましくは、ニオブ、モリブデン、鉄、亜鉛、アンチモン、ビスマス、リチウムの化合物である。促進された本発明の触媒は1種以上の助触媒を含んでいてもよい。助触媒の含有量は、完成した触媒中の総量で、それぞれの場合、酸化物として計算して、約5質量%未満である。好ましい触媒は、どんな助触媒も含まないもの、及びニオブ、モリブデン、及び/又は鉄を含むものである。 The MA catalyst of the present invention may further contain a cocatalyst. Suitable cocatalysts include the elements of Groups 1-15 of the periodic table and their compounds. Suitable cocatalysts are described, for example, in WO 97/12674 and WO 95/26817, patents US 5,137,860, US 5,296,436, US 5,158,923 and US 4,795,818. Preferred promoters are cobalt, molybdenum, iron, zinc, hafnium, zirconium, lithium, titanium, chromium, manganese, nickel, copper, boron, silicon, antimony, tin, niobium and bismuth element compounds, more preferably niobium. , Molybdenum, iron, zinc, antimony, bismuth and lithium compounds. The promoted catalyst of the present invention may contain one or more promoters. The cocatalyst content is the total amount in the finished catalyst, and in each case is calculated as oxide and is less than about 5% by weight. Preferred catalysts are those that do not contain any promoter and those that contain niobium, molybdenum, and / or iron.
好ましい触媒の前駆体粉末を形成する調製、成形、及びそれに続く焼成の必須の工程を以下に説明する。 The essential steps of preparation, shaping, and subsequent calcination to form a preferred catalyst precursor powder are described below.
(a)五価のバナジウム化合物の有機還元溶媒とのリン化合物の存在下での加熱しながらの反応。この工程は、任意に分散された粉状担体材料の存在下で行われ得る。
(b)形成されたバナジウム−、リン−、及び酸素−含有触媒前駆体(「VPO前駆体」)の、例えば、ろ過又は蒸発濃縮による分離。
(c)50〜200℃の温度でのVPO前駆体の乾燥。任意に粉状担体材料及び/又は乾燥及び好ましくは熱処理されたVPO前駆体粉末への細孔形成剤(pore former)と呼ばれるものを加えることができる。
(d)所望の構造へ変換することによる成形。成形は、好ましくは錠剤化によって、好ましくは事前の、例えばグラファイト等の潤滑剤の添加と共に達成される。
(e)成形されたVPO前駆体の、酸素(O2)、水(H2O)及び/又は不活性ガスを含む雰囲気下で加熱することによる焼成。
(A) Reaction while heating in the presence of a phosphorus compound with an organic reducing solvent of a pentavalent vanadium compound. This step can be performed in the presence of an optionally dispersed powdered carrier material.
(B) Separation of the formed vanadium-, phosphorus-, and oxygen-containing catalyst precursor ("VPO precursor"), for example, by filtration or evaporation.
(C) Drying the VPO precursor at a temperature of 50-200 ° C. Optionally, what is called a pore former can be added to the powdered carrier material and / or to the dried and preferably heat treated VPO precursor powder.
(D) Molding by converting to a desired structure. Molding is preferably accomplished by tableting, preferably with prior addition of a lubricant such as graphite.
(E) Firing of the shaped VPO precursor by heating in an atmosphere containing oxygen (O 2 ), water (H 2 O) and / or an inert gas.
上記調製条件を変えることによって、触媒の触媒的傾向が影響を与えられ、本発明の触媒を得ることができる。焼成の開始時の吸着有機溶媒のVPO前駆体における含有量が電荷移動活性化エネルギーEcに重要な影響を与えるパラメータを構成することが見出された。吸着溶媒分子は、おそらく焼成の過程で、仮にあったとしても、困難を伴ってのみ脱着され得る酸化生成物に変換されるか、及び/又は吸着溶媒分子が、焼成の過程で、仮にあったとしても、困難を伴ってのみ再酸化され得るバナジウム(III)種の形成を引き起こす。したがって、VPO前駆体に、その分離後、有機還元溶媒が、焼成前に実質的に残留しないで、VPO前駆体から除去され得る揮発性溶媒と交換される、溶媒交換を受けることが有利であると見出された。溶媒交換は、好ましくは2回以上繰り返される。溶媒交換サイクルの数が増加に伴って、電荷移動活性化エネルギーEcは、一般に、負の値に移行する。 By changing the above preparation conditions, the catalytic tendency of the catalyst is influenced, and the catalyst of the present invention can be obtained. It has been found that the content of the adsorbed organic solvent in the VPO precursor at the start of calcination constitutes a parameter that has an important influence on the charge transfer activation energy E c . Adsorbed solvent molecules are converted to oxidation products that can be desorbed only with difficulty, if any, possibly during the calcination process, and / or adsorbed solvent molecules were tentatively present during the calcination process. If not, it causes the formation of vanadium (III) species that can only be reoxidized with difficulty. Thus, it is advantageous to undergo a solvent exchange in the VPO precursor, after its separation, the organic reducing solvent is replaced with a volatile solvent that can be removed from the VPO precursor without substantially remaining prior to calcination. Was found. The solvent exchange is preferably repeated twice or more. As the number of solvent exchange cycles increases, the charge transfer activation energy E c generally shifts to a negative value.
使用される五価のバナジウム化合物は、五価のバナジウムを含む酸化物、酸、並びに無機塩及び有機塩、又はそれらの混合物であってもよい。五酸化バナジウム(V2O5)、メタバナジン酸アンモニウム(NH4VO3)、ポリバナジン酸アンモニウム((NH4)2V6O16)が好ましく、特に五酸化バナジウム(V2O5)が好ましい。固形状で存在する五価のバナジウム化合物は、粉末状で、好ましくは50〜500μmの粒範囲の粉末状で使用される。 The pentavalent vanadium compound used may be an oxide, acid, and inorganic and organic salts containing pentavalent vanadium, or a mixture thereof. Vanadium pentoxide (V 2 O 5 ), ammonium metavanadate (NH 4 VO 3 ), and ammonium polyvanadate ((NH 4 ) 2 V 6 O 16 ) are preferable, and vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) is particularly preferable. The pentavalent vanadium compound present in a solid form is used in a powder form, preferably in a powder form having a particle range of 50 to 500 μm.
使用されるリン化合物は、例えばリン酸等の還元性のリン化合物であってもよく、及び例えば五酸化リン(P2O5)、オルトリン酸(H3PO3)、ピロリン酸(H4P2O7)、一般式Hn+2PnO3n+1(式中、n≧3)で表されるポリリン酸、又はそれらの混合物等の五価のリン酸化合物であってもよい。五価のリン化合物の使用が好ましい。通常は、上記化合物及び混合物の含有量はH3PO4に基づいて質量%で報告される。80〜110%H3PO4の使用が好ましく、95〜110%H3PO4の使用が特に好ましく、100〜105%H3PO4の使用が極めて特に好ましい。 The phosphorus compound used may be, for example, a reducing phosphorus compound such as phosphoric acid, and for example phosphorus pentoxide (P 2 O 5 ), orthophosphoric acid (H 3 PO 3 ), pyrophosphoric acid (H 4 P 2 O 7 ), pentavalent phosphate compounds such as polyphosphoric acid represented by the general formula H n + 2 P n O 3n + 1 (where n ≧ 3), or a mixture thereof. The use of pentavalent phosphorus compounds is preferred. Usually, the content of the compounds and mixtures is reported in mass% based on H 3 PO 4 . Is preferably used for 80~110% H 3 PO 4, especially preferred use of 95~110% H 3 PO 4, very particularly preferred use of 100~105% H 3 PO 4.
使用される還元溶媒は、好ましくは、3〜6個の炭素原子を有する、第一級又は第二級、非環式又は環式、非分岐又は分岐の飽和アルコール、又はそれらの混合物である。第一級又は第二級、非分岐又は分岐のC3−〜C6−アルカノールの使用、又はシクロペンタノール若しくはシクロヘキサノールの使用が好ましい。 The reducing solvent used is preferably a primary or secondary, acyclic or cyclic, unbranched or branched saturated alcohol having 3 to 6 carbon atoms, or a mixture thereof. Preference is given to the use of primary or secondary, unbranched or branched C 3- to C 6 -alkanols or the use of cyclopentanol or cyclohexanol.
適切なアルコールとしては、n−プロパノール(1−プロパノール)、イソプロパノール(2−プロパノール)、n−ブタノール(1−ブタノール)、sec−ブタノール(2−ブタノール)、イソブタノール(2−メチル−1−プロパノール)、1−ペンタノール、2−ペンタノール、3−ペンタノール、2−メチル−1−ブタノール、3−メチル−1−ブタノール、3−メチル−2−ブタノール、2,2−ジメチル−1−プロパノール、1−ヘキサノール、2−ヘキサノール、3−ヘキサノール、2−メチル−1−ヘキサノール、3−メチル−1−ペンタノール、4−メチル−1−ペンタノール、3−メチル−2−ペンタノール、4−メチル−2−ペンタノール、2,2−ジメチル−1−ブタノール、2,3−ジメチル−1−ブタノール、3,3−ジメチル−1−ブタノール、3,3−ジメチル−2−ブタノール、シクロペンタノール、シクロヘキサノール及びそれらの混合物が挙げられる。 Suitable alcohols include n-propanol (1-propanol), isopropanol (2-propanol), n-butanol (1-butanol), sec-butanol (2-butanol), isobutanol (2-methyl-1-propanol) ), 1-pentanol, 2-pentanol, 3-pentanol, 2-methyl-1-butanol, 3-methyl-1-butanol, 3-methyl-2-butanol, 2,2-dimethyl-1-propanol 1-hexanol, 2-hexanol, 3-hexanol, 2-methyl-1-hexanol, 3-methyl-1-pentanol, 4-methyl-1-pentanol, 3-methyl-2-pentanol, 4- Methyl-2-pentanol, 2,2-dimethyl-1-butanol, 2,3-dimethyl-1-butanol 3,3-dimethyl-1-butanol, 3,3-dimethyl-2-butanol, cyclopentanol, cyclohexanol, and mixtures thereof.
n−プロパノール(1−プロパノール)、n−ブタノール(1−ブタノール)、イソブタノール(2−メチル−1−プロパノール)、1−ペンタノール、2−メチル−1−ブタノール3−メチル−1−ブタノール、及びシクロヘキサノールが極めて特に好ましく、特にイソブタノールが好ましい。 n-propanol (1-propanol), n-butanol (1-butanol), isobutanol (2-methyl-1-propanol), 1-pentanol, 2-methyl-1-butanol 3-methyl-1-butanol, And cyclohexanol are very particularly preferred, especially isobutanol.
上記成分は、例えば撹拌槽で、様々な方法で結合され得る。還元溶媒の量は、バナジウムの、+5の酸化状態から+3.5〜+4.5の範囲の酸化状態への還元のために化学量論的に要求される量を上回るべきである。一般に、添加される還元溶媒の量は、少なくとも添加されるリン化合物との激しい混合を可能にする、五価のバナジウム化合物のスラリー化に十分であるような量である。 The components can be combined in various ways, for example in a stirred tank. The amount of reducing solvent should exceed the stoichiometric amount required for the reduction of vanadium from the +5 oxidation state to an oxidation state in the range of +3.5 to +4.5. In general, the amount of reducing solvent added is such that it is sufficient for slurrying of the pentavalent vanadium compound, allowing at least vigorous mixing with the added phosphorus compound.
スラリーは上記化合物の変換及び触媒前駆体の形成のために加熱される。選択される温度範囲は、種々の要因、さらに具体的には上記成分の還元作用及び沸点に依存する。一般に、50〜200℃の温度、及び好ましくは100〜200℃の温度が認められている。高温での反応は、一般に、数時間かかる。 The slurry is heated for conversion of the compound and formation of the catalyst precursor. The temperature range selected depends on various factors, more specifically the reducing action and boiling point of the above components. In general, temperatures of 50-200 ° C., and preferably temperatures of 100-200 ° C. are observed. High temperature reactions generally take several hours.
助触媒化合物は、いつでも添加され得る。適切な助触媒化合物は、例えば、前述の助触媒金属の酢酸塩、アセチルアセトネート、シュウ酸塩、酸化物、又はアルコキシドであり、例えば酢酸コバルト、コバルト(II)アセチルアセトネート、塩化コバルト(II)、酸化モリブデン(VI)、塩化モリブデン(III)、鉄(III)アセチルアセトネート、塩化鉄(III)、酸化亜鉛(II)、亜鉛(II)アセチルアセトネート、塩化リチウム、酸化リチウム、塩化ビスマス(III)、ビスマス(III)エチルヘキサノエート、ニッケル(II)エチルヘキサノエート、シュウ酸ニッケル(II)、オキシ塩化ジルコニウム(zirconyl chloride)、ジルコニウム(IV)ブトキシド、シリコン(IV)エトキシド、塩化二オブ(V)及び酸化二オブ(V)である。 The cocatalyst compound can be added at any time. Suitable promoter compounds are, for example, the aforementioned promoter metal acetates, acetylacetonates, oxalates, oxides or alkoxides, such as cobalt acetate, cobalt (II) acetylacetonate, cobalt chloride (II). ), Molybdenum oxide (VI), molybdenum chloride (III), iron (III) acetylacetonate, iron (III) chloride, zinc (II) oxide, zinc (II) acetylacetonate, lithium chloride, lithium oxide, bismuth chloride (III), bismuth (III) ethylhexanoate, nickel (II) ethylhexanoate, nickel oxalate (II), zirconium oxychloride, zirconyl chloride, zirconium (IV) butoxide, silicon (IV) ethoxide, chloride Niobium (V) and niobium oxide (V).
上記熱処理が終了した後、形成された触媒前駆体は分離され、且つ分離の前に、任意に冷却段階、及び冷却された反応混合物の貯蔵又は時効(aging)段階が行われてもよい。分離において、固体の触媒前駆体は、液相から分離される。適切な方法は、例えば、ろ過、デカンテーション、又は遠心分離である。ろ過による触媒前駆体の分離が好ましい。 After completion of the heat treatment, the formed catalyst precursor is separated, and may optionally be subjected to a cooling step and a storage or aging step of the cooled reaction mixture. In the separation, the solid catalyst precursor is separated from the liquid phase. Suitable methods are, for example, filtration, decantation, or centrifugation. Separation of the catalyst precursor by filtration is preferred.
分離された食愛前駆体は溶媒交換(「洗浄」)を受ける。分離された触媒前駆体は、例えば、まだ付着している還元剤(例えば、アルコール)又はその分解生成物を除去するために適切な溶媒で洗浄される。適切な溶媒は、例えば、アルコール(例えば、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール)、脂肪族及び/又は芳香族炭化水素(例えば、ペンタン、ヘキサン、ガソリン、ベンゼン、トルエン、キシレン)、ケトン(例えば、アセトン、2−ブタノン、3−ペンタノン)、エーテル(例えば、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン)又はそれらの混合物である。触媒前駆体を洗浄する場合、2−プロパノン(アセトンともいう)、エタノール及び/又はメタノールを使用することが好ましく、エタノール及び/又は2−プロパノンを使用することが特に好ましい。 The isolated food precursor is subjected to solvent exchange (“washing”). The separated catalyst precursor is washed, for example, with a suitable solvent to remove the reducing agent (eg, alcohol) still attached or its decomposition products. Suitable solvents are, for example, alcohols (eg methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol), aliphatic and / or aromatic hydrocarbons (eg pentane, hexane, gasoline, benzene, toluene, xylene), ketones (For example, acetone, 2-butanone, 3-pentanone), ether (for example, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran, 1,4-dioxane) or a mixture thereof. When the catalyst precursor is washed, 2-propanone (also referred to as acetone), ethanol and / or methanol is preferably used, and ethanol and / or 2-propanone is particularly preferably used.
触媒前駆体の分離の後、又は洗浄の後、固体は、一般に、乾燥される。 After separation of the catalyst precursor or after washing, the solid is generally dried.
乾燥は、種々の条件下で行われ得る。一般に、減圧下又は大気圧下で行われる。乾燥温度は、一般に30〜250℃である。1〜30kPa(絶対)の圧力、及び50〜200℃の温度で、酸素あり又は無酸素の残留ガス雰囲気下、例えば空気又は窒素下で乾燥を行うことが好ましい。 Drying can be performed under various conditions. Generally, it is carried out under reduced pressure or atmospheric pressure. The drying temperature is generally 30 to 250 ° C. It is preferable to perform drying under a pressure of 1 to 30 kPa (absolute) and a temperature of 50 to 200 ° C. in a residual gas atmosphere with or without oxygen, for example, air or nitrogen.
成形の好ましい実施形態において、触媒前駆体粉末は、約2〜4質量%のグラファイトとよく混合され、事前圧縮される。事前圧縮された粒子は、錠剤化され、成形された触媒体が得られる。WO2008/087116に記載されているように、0.5〜5m2/gの特定の表面積、及び40〜200μmの粒径d50を有するグラファイトの使用が好ましい。 In a preferred embodiment of molding, the catalyst precursor powder is well mixed with about 2-4% by weight of graphite and pre-compressed. The pre-compressed particles are tableted to obtain a shaped catalyst body. As described in WO2008 / 087116, the use of graphite having a specific surface area of 0.5-5 m 2 / g and a particle size d 50 of 40-200 μm is preferred.
触媒前駆体粉末は、細孔形成剤とよく混合され、且つさらに処理され、上記のように成形されてもよい。一般に、これは、炭素、水素、酸素、及び/又は窒素を含む化合物で、後の触媒の活性化において、昇華、分解及び/又は気化によって、大部分は再度除去される化合物を含む。適切な細孔形成剤は、例えば、パルミチン酸、又はステアリン酸等の脂肪酸、シュウ酸又はマロン酸等のジカルボン酸、シクロデキストリン又はポリエチレングリコールである。マロン酸の使用が好ましい。 The catalyst precursor powder may be mixed well with the pore former and further processed and shaped as described above. In general, this includes compounds containing carbon, hydrogen, oxygen, and / or nitrogen that are largely removed again by sublimation, decomposition and / or vaporization upon subsequent catalyst activation. Suitable pore formers are, for example, palmitic acid or fatty acids such as stearic acid, dicarboxylic acids such as oxalic acid or malonic acid, cyclodextrins or polyethylene glycols. The use of malonic acid is preferred.
成形は、好ましくは錠剤化により達成される。錠剤化はプレス凝集の方法である。これは粉状のバルク剤を、2個のパンチ(抜き型)間のダイを有する加圧成形金型に導入すること、及びそれを一軸圧縮により圧縮し、固形の成形体へ成形することを含む。この操作は、4セクション:計量、圧縮(弾性変形)、塑性変形、及び排出に分けられる。錠剤化は、例えば、輪転プレス(rotary press)又は偏心プレス(eccentric press)で達成される。 Molding is preferably accomplished by tableting. Tableting is a method of press agglomeration. This is to introduce the powdered bulk agent into a pressure molding die having a die between two punches (cutting die), and to compress it by uniaxial compression and form it into a solid molded body. Including. This operation is divided into four sections: metering, compression (elastic deformation), plastic deformation, and ejection. Tableting is achieved, for example, with a rotary press or an eccentric press.
成形されたVPO前駆体は、酸素(O2)、酸化水素(H2O)及び/又は不活性ガスを含む雰囲気中で加熱することにより、250〜600℃の範囲の温度で焼成される。適切な不活性ガスの例は、窒素、二酸化炭素及び希ガスを含む。 The shaped VPO precursor is fired at a temperature in the range of 250 to 600 ° C. by heating in an atmosphere containing oxygen (O 2 ), hydrogen oxide (H 2 O) and / or an inert gas. Examples of suitable inert gases include nitrogen, carbon dioxide and noble gases.
焼成は、回分式で、例えば、高炉(shaft furnace)、段階的加熱炉(staged furnace)、マッフル炉(muffle furnace)、又は加熱庫(heating cabinet)で、又は連続的にロータリーチューブ(rotary tube)、ベルト焼成炉(belt calcination furnace)又はロータリーバルブ炉(rotary bulb furnace)で行われ得る。それは、例えば加熱、温度保持、冷却等の温度に関して連続する異なるセクション、又は例えば、酸素あり、蒸気含有、無酸素のガス雰囲気等の雰囲気に関して連続する異なるセクションを含んでいてもよい。適切な焼成プロセスは、例えば特許US 5,137,860及びUS 4,933,312、並びに公開明細書WO95/29006に記載されている。任意に異なるガス雰囲気及び異なる温度を有する少なくとも2個の、例えば2〜10個の焼成ゾーンを有するベルト焼成炉における連続的な焼成が特に好ましい。それぞれの触媒系に適合させた、温度、処理時間及びガス雰囲気の適切な組合せにより、触媒の機械的特性及び触媒特性に影響を与え、且つそれにより調節することが可能になる。 Firing is batch-wise, for example, in a blast furnace, staged furnace, muffle furnace, heating cabinet, or continuously in a rotary tube. Can be performed in a belt calcination furnace or a rotary bulb furnace. It may comprise different sections that are continuous with respect to temperature, for example heating, temperature holding, cooling, etc., or different sections that are continuous with respect to an atmosphere such as, for example, an oxygen-containing, vapor-containing, oxygen-free gas atmosphere. Suitable firing processes are described, for example, in patents US 5,137,860 and US 4,933,312 and published specification WO 95/29006. Particularly preferred is continuous firing in a belt firing furnace having at least two, for example 2 to 10 firing zones, optionally having different gas atmospheres and different temperatures. Appropriate combinations of temperature, processing time and gas atmosphere adapted to the respective catalyst system can affect and be adjusted by the mechanical and catalytic properties of the catalyst.
触媒前駆体が、
(i)2〜21体積%の酸素含有量を有する酸化雰囲気下の少なくとも1個の焼成ゾーンにおいて、200〜350℃の温度へ加熱され、バナジウムの所望の平均酸化状態が確立されるまで、この条件下の状態に維持され、且つ
(ii)0.5体積%未満の酸素含有量及び20〜75体積%の酸化水素含有量を有する非酸化雰囲気下の少なくとも1個の更なる焼成ゾーンにおいて、300〜500℃の温度へ加熱され、0.5時間を超える時間、この条件下の状態に維持される、
焼成が好ましい。
The catalyst precursor is
(I) in at least one calcining zone under an oxidizing atmosphere having an oxygen content of 2 to 21% by volume, until heated to a temperature of 200 to 350 ° C. and until the desired average oxidation state of vanadium is established And (ii) in at least one further calcination zone under a non-oxidizing atmosphere having an oxygen content of less than 0.5% by volume and a hydrogen oxide content of 20-75% by volume, Heated to a temperature of 300-500 ° C. and maintained under these conditions for more than 0.5 hours,
Firing is preferred.
工程(i)において、触媒前駆体は、一般に2〜21体積%、好ましくは5〜21体積%の分子酸素含有量を有する酸化雰囲気で、200〜350℃、及び好ましくは250〜350℃の温度で、バナジウムの所望の平均酸化状態の確立に効果がある期間を越えて維持される。一般に、工程(i)において、酸素、不活性ガス(例えば、窒素又はアルゴン)、酸化水素(蒸気)及び/又は空気の混合物、及び空気が使用される。焼成ゾーン(複数可)を通じて焼成される触媒前駆体の観点から、焼成工程(i)間の温度は、一定に維持されてもよく、平均して上昇又は降下してもよい。工程(i)は一般に加熱段階(heating phase)によって先行されるので、温度は、一般に、最初は、その後に所望の最終値に落ち着かせるため、上昇するだろう。したがって、一般に工程(i)の焼成ゾーンは触媒前駆体の加熱のための、少なくとも1個の更なる焼成ゾーンによって先行される。 In step (i), the catalyst precursor is generally in an oxidizing atmosphere having a molecular oxygen content of 2 to 21% by volume, preferably 5 to 21% by volume, and a temperature of 200 to 350 ° C., and preferably 250 to 350 ° C. And maintained over a period effective to establish the desired average oxidation state of vanadium. Generally, in step (i), oxygen, an inert gas (eg, nitrogen or argon), a mixture of hydrogen oxide (vapor) and / or air, and air are used. From the point of view of the catalyst precursor that is calcined through the calcining zone (s), the temperature during the calcining step (i) may be kept constant and may rise or fall on average. Since step (i) is generally preceded by a heating phase, the temperature will generally increase initially to subsequently settle to the desired final value. Thus, generally the calcining zone of step (i) is preceded by at least one further calcining zone for heating of the catalyst precursor.
本発明に従う方法において、工程(i)における加熱処理が維持される期間は、好ましくは+3.9〜+4.4の値での、更に好ましくは+4.0〜+4.3の値でのバナジウムの平均酸化状態が確立するように選択されるべきである。 In the method according to the invention, the period during which the heat treatment in step (i) is maintained is preferably from +3.9 to +4.4, more preferably from +4.0 to +4.3. The average oxidation state should be selected to establish.
焼成の間でのバナジウムの平均酸化状態の測定は、装置及び時間の関係する理由で、極めて困難を伴ってのみ測定され得るので、要求される期間は、有利には予備試験において実験的に測定されるべきである。一般に、この目的は、規定された条件下で加熱処理が達成され、サンプルが異なる時間後に反応系から除去され、冷却され、且つバナジウムの平均酸化状態を分析される、一連の測定によって果たされる。 Since the measurement of the average oxidation state of vanadium during calcination can only be measured with extreme difficulty for equipment and time reasons, the required period is preferably measured experimentally in a preliminary test. It should be. In general, this objective is met by a series of measurements in which the heat treatment is achieved under defined conditions, the sample is removed from the reaction system after different times, cooled and the average oxidation state of vanadium is analyzed.
工程(i)において要求される期間は、一般に触媒前駆体の特性、確立される温度及び選択されるガス雰囲気、より具体的には酸素含有量によって決まる。一般に、工程(i)における期間は、0.5時間より長い継続期間、好ましくは1時間より長い継続期間に伸びる。一般に、所望の平均酸化状態を確立するために4時間以下の継続期間、好ましくは2時間以下の継続期間で十分である。しかしながら、適切に調整された条件下で(例えば、低い温度間隔の範囲及び/又は分子酸素の低含有量)、6時間を越える期間も要求されても良い。 The period required in step (i) is generally determined by the characteristics of the catalyst precursor, the temperature established and the gas atmosphere selected, more specifically the oxygen content. In general, the period in step (i) extends to a duration longer than 0.5 hours, preferably longer than 1 hour. In general, a duration of 4 hours or less, preferably a duration of 2 hours or less, is sufficient to establish the desired average oxidation state. However, periods of more than 6 hours may also be required under appropriately conditioned conditions (eg, low temperature interval range and / or low molecular oxygen content).
工程(ii)において、得られた触媒中間体は0.5体積%未満の分子酸素含有量、及び20〜75体積%、好ましくは30〜60体積%の酸化水素(蒸気)含有量を有する非酸化雰囲気下で、300〜500℃、好ましくは350〜450℃の温度で、0.5時間を超える時間、好ましくは2〜10時間、及び更に好ましくは2〜4時間の期間を越えて維持される。非酸化雰囲気は、上記の酸化水素と同様に、いかなる制限を意味すると理解されるべきではないが、一般に主に窒素及び/又は例えばアルゴン等の希ガスを含む。例えば、二酸化炭素のようなガスもまた、原則として適切である。非酸化雰囲気は、好ましくは少なくとも40体積%の窒素を含む。焼成ゾーン(複数可)を通じて焼成される触媒前駆体の観点から、焼成工程(ii)間の温度は、一定に維持されてもよく、平均して上昇又は降下してもよい。工程(ii)が工程(i)より高い、又は低い温度で行われる場合、一般に、工程(i)及び(ii)の間に、任意に更なる焼成ゾーンにおいて実施される、加熱段階又は冷却段階がある。工程(i)における酸化雰囲気から、改良された分離が可能にするため、この更なる焼成ゾーンは、例えば窒素等の不活性ガスでパージするため、工程(i)及び(ii)の間で浄化され得る。工程(ii)を、工程(i)より50〜150℃高い温度で行うことが好ましい。 In step (ii), the resulting catalyst intermediate has a molecular oxygen content of less than 0.5% by volume and a hydrogen oxide (steam) content of 20 to 75% by volume, preferably 30 to 60% by volume. Under an oxidizing atmosphere, maintained at a temperature of 300-500 ° C., preferably 350-450 ° C., for a time exceeding 0.5 hours, preferably 2-10 hours, and more preferably 2-4 hours. The A non-oxidizing atmosphere, like the hydrogen oxide described above, should not be understood as implying any limitation, but generally comprises mainly nitrogen and / or a noble gas such as argon. For example, a gas such as carbon dioxide is also suitable in principle. The non-oxidizing atmosphere preferably contains at least 40% by volume nitrogen. From the point of view of the catalyst precursor being calcined through the calcining zone (s), the temperature during the calcining step (ii) may be kept constant and may rise or fall on average. If step (ii) is carried out at a temperature higher or lower than step (i), generally a heating or cooling step, optionally performed in a further calcining zone, during steps (i) and (ii) There is. In order to allow improved separation from the oxidizing atmosphere in step (i), this further calcining zone is purged between steps (i) and (ii) for purging with an inert gas, for example nitrogen. Can be done. It is preferable to perform process (ii) at the temperature 50-150 degreeC higher than process (i).
一般に、焼成は、工程(ii)の後に行われる更なる工程(iii)を含み、ここで焼成された触媒前駆体は、不活性ガス雰囲気下で、300℃より低い温度へ、好ましくは200度より低い温度へ、更に好ましくは150℃より低い温度へ冷却される。 In general, the calcination includes a further step (iii) performed after step (ii), wherein the calcined catalyst precursor is brought to a temperature below 300 ° C., preferably 200 ° C., under an inert gas atmosphere. Cooling to a lower temperature, more preferably to a temperature lower than 150 ° C.
本発明に従う方法による焼成において、工程(i)及び(ii)、又は工程(i)、(ii)及び(iii)の前に、間に、及び/又は後に、更なる工程が可能である。いかなる限定の効果なしに、更なる工程は、例えば、温度における変化(加熱、冷却)、ガス雰囲気における変化(ガス雰囲気の交換)、更なる待機時間、触媒中間体の他の装置への移動、又は全体の焼成操作の中断等を含む。触媒前駆体は、一般に焼成の開始前に<100℃の温度を有するので、通常、工程(i)の前に加熱されなければならない。工程(i)で規定したような酸化雰囲気において、又は工程(iii)で規定したような不活性ガス雰囲気において加熱を行うことが好ましい。加熱段階の間でのガス雰囲気の交換もまた可能である。工程(i)でも用いられた酸化雰囲気における加熱が特に好ましい。 In the calcination according to the method according to the invention, further steps are possible before, during and / or after steps (i) and (ii) or steps (i), (ii) and (iii). Without any limiting effect, further steps include, for example, changes in temperature (heating, cooling), changes in gas atmosphere (replacement of gas atmosphere), additional waiting times, transfer of catalyst intermediate to other equipment, Or the interruption of the whole baking operation is included. Since the catalyst precursor generally has a temperature of <100 ° C. before the start of calcination, it must usually be heated before step (i). Heating is preferably performed in an oxidizing atmosphere as defined in step (i) or in an inert gas atmosphere as defined in step (iii). It is also possible to exchange the gas atmosphere during the heating phase. Heating in an oxidizing atmosphere used also in step (i) is particularly preferred.
本発明は、更に無水マレイン酸を調製する方法であって、少なくとも4個の炭素原子を有する炭化水素が、酸素含有ガスの存在下で、本発明の成形触媒体の床と接触される方法を提供する。使用される反応器は、一般に管束型反応器(tube bundle reactor)である。適切な管束型反応器は、例えばEP−B 1 261 424に記載されている。
The present invention further provides a method for preparing maleic anhydride, wherein a hydrocarbon having at least 4 carbon atoms is contacted with the bed of the shaped catalyst body of the present invention in the presence of an oxygen-containing gas. provide. The reactor used is generally a tube bundle reactor. A suitable tube bundle reactor is described, for example, in EP-
本発明に従う方法における適切な炭化水素は、少なくとも4個の炭素原子を有する脂肪族及び芳香族、飽和及び不飽和炭化水素であり、例えば、1,3−ブタジエン、1−ブテン、2−シス−ブテン、2−トランス−ブテン、n−ブタン、C4混合物、1,3−ペンタジエン、1,4−ペンタジエン、1−ペンテン、2−シス−ペンテン、2−トランス−ペンテン、n−ペンタン、シクロペンタジエン、ジシクロペンタジエン、シクロペンテン、シクロペンタン、C5混合物、ヘキセン類、ヘキサン類、シクロヘキサン、及びベンゼンである。プロパン、1−ブテン、2−シス−ブテン、2−トランス−ブテン、n−ブタン、ベンゼン又はそれらの混合物を使用することが好ましく、特にプロパン、n−ブタン、又はベンゼンを使用することが好ましい。例えば、純n−ブタンの形で、又はn−ブタン含有ガス及び液体の形でのn−ブタンの使用が特に好ましい。使用されるn−ブタンは、例えば、天然ガス、スチームクラッカー(steamcrackers)、又はFCCクラッカーが起源であってもよい。 Suitable hydrocarbons in the process according to the invention are aliphatic and aromatic, saturated and unsaturated hydrocarbons having at least 4 carbon atoms, such as 1,3-butadiene, 1-butene, 2-cis- butene, 2-trans - butene, n- butane, C 4 mixture, 1,3-pentadiene, 1,4-pentadiene, 1-pentene, 2-cis - pentene, 2-trans - pentene, n- pentane, cyclopentadiene , dicyclopentadiene, cyclopentene, cyclopentane, C 5 mixture hexenes, hexanes, cyclohexane, and benzene. Propane, 1-butene, 2-cis-butene, 2-trans-butene, n-butane, benzene or a mixture thereof is preferably used, and propane, n-butane or benzene is particularly preferably used. For example, the use of n-butane in the form of pure n-butane or in the form of n-butane-containing gas and liquid is particularly preferred. The n-butane used may originate from, for example, natural gas, steamcrackers, or FCC crackers.
炭化水素は、一般に定量的制御化で、即ち、単位時間当たりに規定量の一定の供給で添加される。炭化水素は、液状、又はガス状で計測され得る。後の管束型反応器ユニットへ入れる前の気化を伴う、液状で計測される添加が好ましい。 Hydrocarbons are generally added in a quantitative control, i.e. with a constant supply of a defined amount per unit time. Hydrocarbons can be measured in liquid or gaseous form. Addition measured in liquid form with vaporization prior to subsequent tube bundle reactor unit is preferred.
使用される酸化剤は酸素含有ガスであり、例えば、空気、合成空気、酸素富化空気、あるいは、例えば、空気の分画が起源の「純」酸素と呼ばれるものである。酸素含有ガスもまた、定量的制御化で添加される。 The oxidant used is an oxygen-containing gas, for example, air, synthetic air, oxygen-enriched air or, for example, what is called “pure” oxygen originating from a fraction of air. An oxygen-containing gas is also added with quantitative control.
本発明に従う方法は、250〜500℃の温度で行われる。規定の温度は、反応器のタイプに関わりなく、それぞれの場合で、熱媒体の平均温度を意味するものと理解される。炭化水素反応物としてのn−ブタンの使用の場合、本発明に従う方法は、好ましくは380〜460℃、及び更に好ましくは380〜440℃の温度で行われる。プロパンの使用の場合、本発明に従う方法は、好ましくは、250〜350℃の間で実行される。ベンゼンの使用の場合、本発明に従う方法は、好ましくは330〜450℃で実行される。 The process according to the invention is carried out at a temperature of 250-500 ° C. The specified temperature is understood to mean the average temperature of the heat carrier in each case, regardless of the type of reactor. In the case of the use of n-butane as the hydrocarbon reactant, the process according to the invention is preferably carried out at a temperature of 380 to 460 ° C and more preferably 380 to 440 ° C. In the case of the use of propane, the process according to the invention is preferably carried out between 250 and 350 ° C. In the case of the use of benzene, the process according to the invention is preferably carried out at 330-450 ° C.
反応器ユニットへ供給される入力流(input stream)の炭化水素濃度は0.5〜10体積%、好ましくは0.8〜10体積%、更に好ましくは1〜10体積%、最も好ましくは2〜10体積%である。 The hydrocarbon concentration of the input stream fed to the reactor unit is 0.5-10% by volume, preferably 0.8-10% by volume, more preferably 1-10% by volume, most preferably 2-2%. 10% by volume.
反応器を通過した炭化水素の変換率は、入力流からの炭化水素の40〜100%、好ましくは50〜95%、更に好ましくは70〜95%、及び特に85〜95%である。 The conversion of hydrocarbons passed through the reactor is 40-100% of hydrocarbons from the input stream, preferably 50-95%, more preferably 70-95%, and especially 85-95%.
本発明に従う方法において、反応器ユニットへの入力流速を経て、好ましくは1000〜1000h−1及び、更に好ましくは1500〜5000h−1のGHSV(ガス時空間速度(gas hourly space velocity))が、0℃及び0.1013MPa(絶対)に標準化され供給される入力流の体積に基づいて、及び触媒又はその幾何学的表面積が被覆された触媒で満たされている反応体積に基づいて、確立される。 In the method according to the present invention, through the input flow rate into the reactor unit, is preferably 1000~1000H -1 and, more preferably of 1500~5000h -1 GHSV (gas hourly space velocity (gas hourly space velocity)), 0 Established on the basis of the volume of the input stream normalized and supplied at 0 ° C. and 0.1013 MPa (absolute) and on the basis of the reaction volume whose catalyst or its geometric surface area is filled with the coated catalyst.
反応生成物又は生成物流は、反応条件下で不活性な物質で、非爆発性の生成物流が得られるように、任意に希釈され得る。さらに、加圧ステージにより非爆発性の生成物流を有利に達成することが可能である。その後、生成物流は、従来型の後処理ユニット(workup unit)により処理され得る。 The reaction product or product stream can be optionally diluted so as to obtain a non-explosive product stream that is inert under the reaction conditions. Furthermore, it is possible to advantageously achieve a non-explosive product stream by means of a pressure stage. The product stream can then be processed by a conventional workup unit.
本発明は、添付図面及び以下の実施例によって詳細に説明される。 The present invention is illustrated in detail by the accompanying drawings and the following examples.
4種のVPO触媒を以下のように調製した。 Four VPO catalysts were prepared as follows.
[触媒前駆体の調製]
(実施例A1:VPO前駆体の調製)
最初に、窒素−不活性化した3L攪拌槽(1−レベル、羽根車撹拌器、da=10mmでバッフル付き)に2000mlのイソブタノールを入れた。続いて、287.9gのポリリン酸(105%(Thermphos社から))を、撹拌しながら(300rpm)添加した。混合物を10分間で均一化した。続いて、218.3gの五酸化バナジウム(GfE社から)及び53.9gのバナジウムオキシトリエトキシド(Sigma−Aldrich社から)を混合物へ添加した。結果として生じた懸濁液を、還流下45分間で100.5〜104℃の温度へ加熱し、この条件下で16時間維持した。混合物を、40分間で45℃の温度へ冷却した。その後、熱い懸濁液を吸引フィルター(孔サイズ4)に移し、77MPa(絶対)以下の圧力でろ過した。120分後、ろ過ケーキを反応槽に戻し移し、1500mlの超高純度(変性)エタノールに懸濁し、200rpmで加熱還流し(T=75〜78℃)、この条件下で1時間維持した。混合物を、60分間で25度の温度へ冷却した。その後、懸濁液を、吸引フィルター(孔サイズ4)へ移し、77MPa(絶対)以下の圧力でろ過した。30分後、ろ過ケーキを再び反応槽に戻し移した。この溶媒交換を、母液(ろ液)が、<2質量%のイソブタノール濃度(GC分析によって検出)を有するまで、合計5回実施した。その後、ろ過ケーキを磁器製の皿へ移し、へらで細かく砕いた。続いて、生成物を真空乾燥庫にて150℃に加熱し、7.7kPa(77mbar)(絶対)の圧力で16時間乾燥した。
[Preparation of catalyst precursor]
Example A1: Preparation of VPO precursor
First, 2000 ml of isobutanol was placed in a nitrogen-inactivated 3 L stirred tank (1-level, impeller stirrer, d a = 10 mm with baffle). Subsequently, 287.9 g of polyphosphoric acid (105% (from Thermphos)) was added with stirring (300 rpm). The mixture was homogenized for 10 minutes. Subsequently, 218.3 g vanadium pentoxide (from GfE) and 53.9 g vanadium oxytriethoxide (from Sigma-Aldrich) were added to the mixture. The resulting suspension was heated to a temperature of 100.5-104 ° C. under reflux for 45 minutes and maintained under these conditions for 16 hours. The mixture was cooled to a temperature of 45 ° C. over 40 minutes. Thereafter, the hot suspension was transferred to a suction filter (pore size 4) and filtered at a pressure of 77 MPa (absolute) or less. After 120 minutes, the filter cake was transferred back to the reaction vessel, suspended in 1500 ml of ultra high purity (denatured) ethanol, heated to reflux at 200 rpm (T = 75-78 ° C.) and maintained under these conditions for 1 hour. The mixture was cooled to a temperature of 25 degrees in 60 minutes. Thereafter, the suspension was transferred to a suction filter (pore size 4) and filtered at a pressure of 77 MPa (absolute) or less. After 30 minutes, the filter cake was transferred back to the reactor. This solvent exchange was performed a total of 5 times until the mother liquor (filtrate) had an isobutanol concentration of <2% by weight (detected by GC analysis). Thereafter, the filter cake was transferred to a porcelain dish and finely crushed with a spatula. Subsequently, the product was heated to 150 ° C. in a vacuum dryer and dried at a pressure of 7.7 kPa (77 mbar) (absolute) for 16 hours.
(比較例B1:VPO前駆体の調製)
最初に、窒素−不活性化した3L攪拌槽(1−レベル、羽根車撹拌器、da=10mmでバッフル付き)に2000mlのイソブタノールを入れた。続いて、287.9gのポリリン酸(105%(Thermphos社から))を、撹拌しながら(300rpm)添加した。混合物を10分間で均一化した。続いて、218.3gの五酸化バナジウム(GfE社から)及び53.9gのバナジウムオキシトリエトキシド(Sigma−Aldrich社から)を混合物へ添加した。結果として生じた懸濁液を、還流下45分間で100.5〜104℃の温度へ加熱し、この条件下で16時間維持した。混合物を、40分間で45℃の温度へ冷却した。その後、熱い懸濁液を吸引フィルター(孔サイズ4)に移し、77MPa(絶対)以下の圧力でろ過した。120分後、ろ過ケーキを磁器製の皿へ移し、へらで細かく砕いた。続いて、生成物を真空乾燥庫にて150℃に加熱し、1kPa(10mbar)(絶対)の圧力で16時間乾燥した。
(Comparative Example B1: Preparation of VPO precursor)
First, 2000 ml of isobutanol was placed in a nitrogen-inactivated 3 L stirred tank (1-level, impeller stirrer, d a = 10 mm with baffle). Subsequently, 287.9 g of polyphosphoric acid (105% (from Thermphos)) was added with stirring (300 rpm). The mixture was homogenized for 10 minutes. Subsequently, 218.3 g vanadium pentoxide (from GfE) and 53.9 g vanadium oxytriethoxide (from Sigma-Aldrich) were added to the mixture. The resulting suspension was heated to a temperature of 100.5-104 ° C. under reflux for 45 minutes and maintained under these conditions for 16 hours. The mixture was cooled to a temperature of 45 ° C. over 40 minutes. Thereafter, the hot suspension was transferred to a suction filter (pore size 4) and filtered at a pressure of 77 MPa (absolute) or less. After 120 minutes, the filter cake was transferred to a porcelain dish and crushed finely with a spatula. Subsequently, the product was heated to 150 ° C. in a vacuum dryer and dried at a pressure of 1 kPa (10 mbar) (absolute) for 16 hours.
(実施例A2:Nb0.1VPO前駆体の調製)
最初に、窒素−不活性化した3L攪拌槽(1−レベル、羽根車撹拌器、da=10mmでバッフル付き)に1800mlのイソブタノールを入れた。続いて、287.9gのポリリン酸(105%(Thermphos社から))を、撹拌しながら(300rpm)添加した。混合物を10分間で均一化した。続いて、242.6gの五酸化バナジウム(GfE社から)及び84.88gのニオブエトキシド(Sigma−Aldrich社から、純度95%)を混合物へ添加した。結果として生じた懸濁液を、さらに実施例A1と同様に処理した。
Example A2: Preparation of Nb 0.1 VPO precursor
First, 1800 ml of isobutanol was placed in a nitrogen-inactivated 3 liter stirred tank (1-level, impeller stirrer, d a = 10 mm with baffle). Subsequently, 287.9 g of polyphosphoric acid (105% (from Thermphos)) was added with stirring (300 rpm). The mixture was homogenized for 10 minutes. Subsequently, 242.6 g of vanadium pentoxide (from GfE) and 84.88 g of niobium ethoxide (from Sigma-Aldrich, 95% purity) were added to the mixture. The resulting suspension was further processed as in Example A1.
(比較例B2:Nb0.1VPO前駆体の調製)
最初に、窒素−不活性化した3L攪拌槽(1−レベル、羽根車撹拌器、da=10mmでバッフル付き)に1800mlのイソブタノールを入れた。続いて、287.9gのポリリン酸(105%(Thermphos社から))を、撹拌しながら(300rpm)添加した。混合物を10分間で均一化した。続いて、242.6gの五酸化バナジウム(GfE社から)及び84.88gのニオブエトキシド(Sigma−Aldrich社から、純度95%)を混合物へ添加した。結果として生じた懸濁液を、さらに実施例B1と同様に処理した。
(Comparative Example B2: Preparation of Nb 0.1 VPO precursor)
First, 1800 ml of isobutanol was placed in a nitrogen-inactivated 3 liter stirred tank (1-level, impeller stirrer, d a = 10 mm with baffle). Subsequently, 287.9 g of polyphosphoric acid (105% (from Thermphos)) was added with stirring (300 rpm). The mixture was homogenized for 10 minutes. Subsequently, 242.6 g of vanadium pentoxide (from GfE) and 84.88 g of niobium ethoxide (from Sigma-Aldrich, 95% purity) were added to the mixture. The resulting suspension was further processed as in Example B1.
[触媒の調製]
実施例A1〜A2及び比較例B1〜B2から得られた乾燥粉末を、円形篩(round sieve)上で<500μmの粒径へ粉末状にし、磁器製の皿へ移した。続いて、生成物を、強制換気オーブンにて、250℃へ加熱し、800L(STP(標準温度、標準気圧))/hの空気の下で5時間熱処理した。室温へ冷却後、触媒前駆体を、1質量%のグラファイト(TimrexT44)を密に混合し、圧縮成型機(Powtec RCC 100*20、圧力=20MPa(200bar)、篩ミル(sieving mill)110.7、ローラー2.4、スクリュー16)で破片(spall)状に処理した。破片は、0.5〜1mmの画分で篩分けした。
[Preparation of catalyst]
The dry powders obtained from Examples A1 to A2 and Comparative Examples B1 to B2 were powdered to a particle size of <500 μm on a round sieve and transferred to a porcelain dish. Subsequently, the product was heated to 250 ° C. in a forced air oven and heat treated under 800 L (STP (standard temperature, standard pressure)) / h of air for 5 hours. After cooling to room temperature, the catalyst precursor is intimately mixed with 1% by weight of graphite (Timrex T44), compression molding machine (Powertec RCC 100 * 20, pressure = 20 MPa (200 bar), sieving mill) 110.7 , Roller 2.4, screw 16). Debris was sieved with a fraction of 0.5-1 mm.
20gの破片を電気的に加熱された管へ導入し、空気(25L(STP)/h)で5℃/分の加熱速度R1で、250℃の温度へ加熱し、50分の保持時間、この温度で維持した。その後、ガス雰囲気を25体積%の空気、25体積%の窒素、及び50体積%の蒸気の混合物(ガス雰囲気G2の総流速は25L(STP)/h)へ切り替え、破片を1℃/分の加熱速度で、370℃の温度へ加熱し、5分の保持時間、この温度で維持した。続いて、ガス雰囲気を50体積%の窒素(12.5L(STP)/h)及び50体積%の蒸気(12.5L(STP)/h)の混合物へ切り替え、破片を3℃/分の加熱速度で、425℃へ加熱し、195分の保持時間、この温度で維持した。その後、ガス雰囲気を窒素(25L(STP)/h)へ切り替え、破片を室温へ冷却した。
20 g of debris is introduced into an electrically heated tube, heated to a temperature of 250 ° C. at a
[触媒の平衡化]
本発明の触媒A1〜A2及び比較例の触媒B1〜B2をDE198 09 477A1に記載されたように、48管試験反応器中で、いずれの場合も1mlの試料について平衡化した。反応ガス混合物の組成を、n−ブタン、空気、蒸気及びリン酸トリエチルの濃度によって規定する。100体積%からの差はアルゴンからなる。
[Catalyst equilibration]
The catalysts A1 to A2 of the invention and the catalysts B1 to B2 of the comparative examples were equilibrated for 1 ml samples in each case in a 48 tube test reactor as described in DE 198 09 477 A1. The composition of the reaction gas mixture is defined by the concentration of n-butane, air, steam and triethyl phosphate. The difference from 100% by volume consists of argon.
Xn−ブタン=入力流のブタン濃度
X空気=入力流の空気濃度
XAr=入力流のアルゴン濃度
XH2O=入力流の蒸気濃度
XTEP=入力流のリン酸トリエチル濃度
GHSV=0℃及び0.1013MPa(絶対)に標準化され供給される入力流の体積に基づく、及び触媒で満たされた反応体積に基づく、入力流の流速
T=反応温度
Xn -butane = butane concentration in the input stream X air = air concentration in the input stream X Ar = argon concentration in the input stream X H2O = vapor concentration in the input stream X TEP = triethyl phosphate concentration in the input stream GHSV = 0 ° C. and 0 The flow rate of the input stream, based on the volume of the input stream normalized and fed to 1013 MPa (absolute) and based on the reaction volume filled with catalyst T = reaction temperature
[MCPT技術による導電率の測定]
平衡化した触媒を導電率測定システムへ移した。使用した導電率測定システムを、図1に概略的に示す。TM110空洞、及び19.5mmの高さ及び38.5mmの直径を有する円筒のX−バンド共振器2’を使用する。そのような共振器は、例えばBruker BioSpin社から入手できる。
[Measurement of conductivity using MCPT technology]
The equilibrated catalyst was transferred to a conductivity measurement system. The conductivity measurement system used is shown schematically in FIG. A TM 110 cavity and a cylindrical X-band resonator 2 ′ having a height of 19.5 mm and a diameter of 38.5 mm are used. Such a resonator is available, for example, from Bruker BioSpin.
円筒共振器2’の終板2a’及び2b’の中間において、反応器管3は径方向に反応器の空洞へ案内され、反応器管3は、接続部5a及び5bで真空吸引(外デュワー体積)及び熱ガス源(内部デュワー体積)と接続される石英デュワー5によって周囲を囲まれている。熱源(オーブン)は、熱ガス供給ライン上に備えられ、導入される窒素ガスN2、及び結果として、窒素ガス流中に保持される試料Pを反応温度へ至らせる。
In the middle of the end plates 2 a ′ and 2 b ′ of the cylindrical resonator 2 ′, the reactor tube 3 is guided radially into the reactor cavity, and the reactor tube 3 is evacuated by the connections 5 a and 5 b (external dewar). Volume) and a
反応器管3は、3mmの内径及び4mmの外径を有し、そのサンプリング点4で、2個のグラスウール栓(示していない)で共振器の長手軸上の位置に保持されている粉状触媒試料Pを含む。この実施例における粉状試料の高さは、約10mmである。石英デュワー、より具体的には共振器の中へ導入されたその管状部分は、10mmの外径を有し、サンプル管と共に、共振器の空洞に接続された導波管(waveguide)に対して直角に、その内部に位置する。 The reactor tube 3 has an inner diameter of 3 mm and an outer diameter of 4 mm, and at its sampling point 4 is held in the position on the longitudinal axis of the resonator with two glass wool plugs (not shown). A catalyst sample P is included. The height of the powdery sample in this example is about 10 mm. The quartz dewar, more specifically its tubular part introduced into the resonator, has an outer diameter of 10 mm and, together with the sample tube, to a waveguide connected to the cavity of the resonator Located at a right angle inside it.
反応器管は、上流方向に、質量流量制御器(Bronkhorst El−Flow)を備える反応ガス供給接続部5cと、及び下流方向に、オンラインガスクロマトグラフGC(Agilent 7890A)と接続される。定量分析のため、ガス流は、CO2、H2O、n−ブタン、N2、O2、及びCOの分析用の第一のガス流、及び無水マレイン酸(生成物)の分析用の第二のガス流に分けられる。第一のガス流における個々のガスは、Poraplotカラム(CO2、H2O、C4H10)及び分子篩(N2、O2及びCO)で分離され、熱伝導率検出器を用いて分析される。第二のガス流における無水マレイン酸は、反応混合物から、DB1カラムで分離され、フレームイオン化検出器により検出された。 The reactor tube is connected in the upstream direction with a reaction gas supply connection 5c having a mass flow controller (Bronkhorst El-Flow), and in the downstream direction with an online gas chromatograph GC (Agilent 7890A). For quantitative analysis, the gas stream is for a first gas stream for analysis of CO 2 , H 2 O, n-butane, N 2 , O 2 , and CO, and for the analysis of maleic anhydride (product). Divided into a second gas stream. Individual gases in the first gas stream are separated by Poraplot columns (CO 2 , H 2 O, C 4 H 10 ) and molecular sieves (N 2 , O 2 and CO) and analyzed using a thermal conductivity detector. Is done. Maleic anhydride in the second gas stream was separated from the reaction mixture with a DB1 column and detected by a flame ionization detector.
オーブン8は、耐性オーブン(resistance oven)(Sylvania Tungsten Series I)として構成され、触媒試料Pの室温と500℃の間の温度への加熱のために、8L/分の予熱された窒素が送られる。液体の凝縮を避けるため、反応器及びGCの間の全ての接続ラインは、150℃へ加熱される。石英デュワーの10−5Pa(10−7mbar)への排気はPfeiffer HiCube 80 Ecopumpを用いて達成された。さらに、空洞は、共振器の終板上に取り付けられた銅板を介して、二回路冷却システムを用いて水冷された。 The oven 8 is configured as a resistance oven (Sylvania Tungsten Series I), and 8 L / min of preheated nitrogen is sent to heat the catalyst sample P to a temperature between room temperature and 500 ° C. . All connection lines between the reactor and GC are heated to 150 ° C. to avoid liquid condensation. Quartz dewar evacuation to 10-5 Pa ( 10-7 mbar) was achieved using a Pfeiffer HiCube 80 Ecopump. In addition, the cavity was water cooled using a two-circuit cooling system via a copper plate mounted on the resonator endplate.
反射モード(周波数の関数として反射電力)におけるS11パラメータと呼ばれるものの共振スペクトルを記録するため、共振器の空洞は、同軸ケーブル10を介してベクトル・ネットワーク分析器9(VNA、Agilent PNA−L N5230C−225、10MHz及び20GHzの間の操作範囲)と接続されている導波管11と、開口部を介して連結された。マイクロ波出力は、11dBmであり、共振周波数は、S11パラメータスペクトルの最小値で周波数を測定することにより直接測定された。Q値(quality)は、3dB電力吸収レベル(FWHM)での共振ピークにおける周波数差を測定し、測定されたバンド幅の逆数と共振周波数を掛け合わせることで測定された。マイクロ波の共振器への臨界結合は、位相調整器(phase shifter)12によって調整され、VNA9のSmithチャート表現によって観察された。VNA9におけるマイクロ波源の周波数の独立した検査のため、基準共振器(reference resonator)13が、さらに導波管11に接続される。 To record the resonance spectrum of what is called the S11 parameter in reflection mode (reflected power as a function of frequency), the cavity of the resonator is connected via a coaxial cable 10 to a vector network analyzer 9 (VNA, Agilent PNA-L N5230C- 225, operating range between 10 MHz and 20 GHz) and connected to the waveguide 11 via the opening. The microwave output was 11 dBm and the resonant frequency was measured directly by measuring the frequency at the minimum of the S11 parameter spectrum. The Q value (quality) was measured by measuring the frequency difference at the resonance peak at 3 dB power absorption level (FWHM) and multiplying the reciprocal of the measured bandwidth by the resonance frequency. The critical coupling of the microwave to the resonator was adjusted by a phase shifter 12 and was observed by a Smith chart representation of VNA9. A reference resonator 13 is further connected to the waveguide 11 for independent examination of the frequency of the microwave source in the VNA 9.
使用された誘電率標準は、Crystal GmbH(ベルリン)から入手できるサファイアの単結晶(0001)、サファイア(11−20)、ルチル(001)、ルチル(100)、アルミン酸ランタン(100)及びチタン酸ストロンチウム(100)である。誘電率標準を粉状試料へ磨り潰した。その後、粉状試料について、校正試料の異なる充填密度を測定し、検量線を測定した。結果を、図2a)及び2b)において、それぞれの場合、共振周波数におけるシフト(校正定数Ap=−0.115±0.005)及びQ値におけるシフト(校正定数Bp=0.067+0.003)を示す。 Dielectric constants used were sapphire single crystals (0001), sapphire (11-20), rutile (001), rutile (100), lanthanum aluminate (100) and titanic acid available from Crystal GmbH (Berlin) Strontium (100). The dielectric constant standard was ground into a powdery sample. Thereafter, for the powdery sample, different calibration densities of the calibration sample were measured, and a calibration curve was measured. The results are shown in FIGS. 2a) and 2b) with the shift in resonance frequency (calibration constant Ap = −0.115 ± 0.005) and the shift in Q value (calibration constant Bp = 0.067 + 0.003) in each case. Show.
触媒試料Pを100〜200μmの粒径の粉末へ磨り潰した。MCPT測定のため、VPO触媒の100〜200μm粒径の、篩を通過した画分の75mgを石英反応器管へ10mm以下の試料充填高さ(sample fill height)で導入した。その後、複素誘電率の温度依存性を、触媒試料に、反応ガス混合物(2体積%のn−ブタン、20体積%のO2及び残余のN2)を5ml/分で流しながら、触媒を10℃/分の加熱速度で25℃から416℃へ加熱して、測定した。同時に、共振周波数及びQ値を、異なる温度で、それぞれの場合、10分の等温の保持時間後確認した。 The catalyst sample P was ground into a powder having a particle size of 100 to 200 μm. For the MCPT measurement, 75 mg of the VPO catalyst 100-200 μm particle size fraction passed through the sieve was introduced into the quartz reactor tube with a sample fill height of 10 mm or less. Thereafter, the temperature dependence of the complex dielectric constant was measured while the catalyst sample was flowed through the reaction gas mixture (2% by volume of n-butane, 20% by volume of O 2 and the remaining N 2 ) at 5 ml / min. Measurement was performed by heating from 25 ° C. to 416 ° C. at a heating rate of ° C./min. At the same time, the resonance frequency and Q value were checked at different temperatures, in each case after an isothermal holding time of 10 minutes.
ε2値を、電気伝導率σを計算するために用いた。σの対数値を温度の逆数に対してプロットした。検討した3種の触媒の、375、400及び425℃の温度での結果を図3に示す(□−触媒A1について測定された値、△−触媒A2について測定された値、×−触媒B1について測定された値、○−触媒B2について測定された値)。 The ε 2 value was used to calculate the electrical conductivity σ. The logarithmic value of σ was plotted against the inverse of temperature. The results of the three types of catalysts examined at temperatures of 375, 400 and 425 ° C. are shown in FIG. 3 (□ —values measured for catalyst A1, Δ—values measured for catalyst A2, x—about catalyst B1 Measured value, ◯ -value measured for catalyst B2).
375℃〜425℃の温度範囲において、それらから測定された活性化エネルギー、及び400℃の温度で検討された触媒についての触媒試験の結果は以下の通りである。 The activation energy measured from them in the temperature range of 375 ° C. to 425 ° C. and the results of the catalyst test for the catalyst examined at a temperature of 400 ° C. are as follows.
Claims (7)
a)第1の一連の調製条件下で第1の触媒を調製する工程、
b)さらなる一連の調製条件下で、少なくとも1種のさらなる触媒を調製する工程、
c)第1の触媒、及び少なくとも1種のさらなる触媒の電荷移動活性化エネルギーEcを測定する工程、及び
d)最適化された触媒として、0kJ/mol未満の電荷移動活性化エネルギーEcを有する触媒を識別する工程、
を含む方法。 A method for optimizing a catalyst for gas phase oxidation of an organic hydrocarbon, comprising:
a) preparing a first catalyst under a first series of preparation conditions;
b) preparing at least one further catalyst under a further series of preparation conditions;
c) measuring the charge transfer activation energy E c of the first catalyst and at least one further catalyst; and d) as an optimized catalyst, a charge transfer activation energy E c of less than 0 kJ / mol. Identifying a catalyst having,
Including methods.
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