KR100193382B1 - Ammonia Oxidation Catalyst - Google Patents

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KR100193382B1
KR100193382B1 KR1019960044813A KR19960044813A KR100193382B1 KR 100193382 B1 KR100193382 B1 KR 100193382B1 KR 1019960044813 A KR1019960044813 A KR 1019960044813A KR 19960044813 A KR19960044813 A KR 19960044813A KR 100193382 B1 KR100193382 B1 KR 100193382B1
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장태선
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조득희
이규갑
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이서봉
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Abstract

본 발명은 가암모니아 산화반응용 촉매에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 몰리브덴, 인을 주성분으로하여 비스무스, 철, 니켈이 포함되어 있는 5성분계 고체촉매로 올레핀의 가암모니아 산화반응에 의한 시안화합물 제조시 높은 전환율과 선택도를 나타내는 다음 화학식1로 표시되는 가암모니아 산화반응용 촉매에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst for ammonia oxidation reaction, and more particularly, to preparing a cyanide compound by ammonia oxidation of olefins with a five-component solid catalyst containing bismuth, iron, and nickel as the main component of molybdenum and phosphorus. It relates to a catalyst for ammonia oxidation represented by the following Chemical Formula 1 showing high conversion and selectivity.

[화학식 1][Formula 1]

Bia·Mob·Pc·Fed·Nie·Of·X·Y / SiO2 A · b · P c Mo Bi Fe · Ni · d e f · O · X · Y / SiO 2

상기식에서,In the above formula,

X는 양이온성 또는 음이온성 염이고;X is a cationic or anionic salt;

Y는 물이고;Y is water;

a,b,c,d,e 및 f는 각각의 원자수를 나타낸 것으로서 a,b,c,d,e는 각각 0 보다 크고 10 이하의 정수이고, f는 a,b,c,d,e의 값에 따라 변하는 수치이며, 단 b/a= 0.2 ∼ 5, c/a= 0.2 ~ 2, d/a= 0.1 ~ 5, 그리고 e/a= 0.1 ~ 5 이다.a, b, c, d, e and f represent the number of atoms, a, b, c, d and e are each an integer greater than 0 and less than or equal to 10, f is a, b, c, d, e It is a numerical value which changes according to the value of b, except that b / a = 0.2-5, c / a = 0.2-2, d / a = 0.1-5, and e / a = 0.1-5.

Description

가암모니아 산화반응용 촉매Ammonia Oxidation Catalyst

본 발명은 가암모니아 산화반응용 촉매에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 몰리브덴, 인을 주성분으로하여 비스무스, 철, 니켈이 포함되어 있는 5성분계 고체촉매로 올레핀의 가암모니아 산화반응에 의한 시안화합물 제조시 높은 전환율과 선택도를 나타내는 다음 화학식1로 표시되는 가암모니아 산화반응용 촉매에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst for ammonia oxidation reaction, and more particularly, to preparing a cyanide compound by ammonia oxidation of olefins with a five-component solid catalyst containing bismuth, iron, and nickel as the main component of molybdenum and phosphorus. It relates to a catalyst for ammonia oxidation represented by the following Chemical Formula 1 showing high conversion and selectivity.

[화학식 1][Formula 1]

Bia·Mob·Pc·Fed·Nie·Of·X·Y / SiO2 A · b · P c Mo Bi Fe · Ni · d e f · O · X · Y / SiO 2

상기식에서,In the above formula,

X는 양이온성 또는 음이온성 염이고;X is a cationic or anionic salt;

Y는 물이고;Y is water;

a,b,c,d,e 및 f는 각각의 원자수를 나타낸 것으로서 a,b,c,d,e는 각각 0 보다 크고 10 이하의 정수이고, f는 a,b,c,d,e의 값에 따라 변하는 수치이며, 단 b/a= 0.2 ∼ 5, c/a= 0.2 ~ 2, d/a= 0.1 ~ 5, 그리고 e/a= 0.1 ~ 5 이다.a, b, c, d, e and f represent the number of atoms, a, b, c, d and e are each an integer greater than 0 and less than or equal to 10, f is a, b, c, d, e It is a numerical value which changes according to the value of b, except that b / a = 0.2-5, c / a = 0.2-2, d / a = 0.1-5, and e / a = 0.1-5.

대표적인 시안화합물로서 아크릴로니트릴의 경우, 아세틸렌, 에틸렌 옥사이드 및 HCN을 반응시켜 제조하였지만, 원료가 고가(高價)라는 이유로 이를 기피하고 있다. 현재 아크릴로니트릴을 비롯한 시안화합물의 산업적인 생산을 위해서 가암모니아 산화반응을 주로 채택하고 있으며, 또한 보다 우수한 활성을 가지는 가암모니아 산화반응용 촉매개발에 주력하고 있다.Acrylonitrile, a typical cyanide compound, was prepared by reacting acetylene, ethylene oxide, and HCN, but this is avoided because the raw material is expensive. Currently, the ammonia oxidation reaction is mainly adopted for the industrial production of acrylonitrile and cyanide compounds, and it is also focusing on the development of catalysts for the ammonia oxidation reaction with better activity.

가암모니아 산화반응용 촉매로서 Bi2O3-MoO3계열, Mo-Bi-P-O 계열의 촉매에 여러 가지 조촉매를 첨가하여 사용하고 있으며, 반응온도도 400 ∼ 460 ℃ 범위의 상압반응으로 행해진다. 프로필렌의 가암모니아 산화반응에 의해 제조된 아크릴로니트릴은 H2O2/Fe 촉매 존재하에서 중합하여 ABS, AS, NBR 등의 합성고무 및 아크릴 섬유의 원료로 사용하고 있다[한국촉매개발연구조합, 촉매와 화학공업, Vol.2(1991)]. 이와같이 시안화합물은 전산업분야에서 핵심적으로 사용되고 있으며, 용도는 계속 개발이 되고 있다.As a catalyst for the ammonia oxidation reaction, various cocatalysts are added to the Bi 2 O 3 -MoO 3 series and the Mo-Bi-PO series catalysts, and the reaction temperature is also performed at atmospheric pressure in the range of 400 to 460 ° C. . Acrylonitrile prepared by the ammonia oxidation of propylene is polymerized in the presence of H 2 O 2 / Fe catalyst and used as a raw material for synthetic rubber and acrylic fiber such as ABS, AS, NBR, etc. Catalysts and Chemical Industry, Vol. 2 (1991)]. As such, cyanide is used as a core in all industries, and its use continues to be developed.

아크릴로니트릴을 제조하는 공정에서 대표적으로 쓰이는 비스무스-몰리브덴 산화물계열 촉매는 여기에 여러 가지 조촉매 예를들면 코발트, 철, 알카리 금속 등의 원소들을 첨가하여 선택도 및 촉매의 안정도를 향상시켰다.Bismuth-molybdenum oxide-based catalysts, which are typically used in the process of producing acrylonitrile, have added various promoters such as cobalt, iron, and alkali metals to improve selectivity and stability of the catalyst.

프로필렌 가암모니아 산화반응용 촉매의 보고 사례는 다음과 같다.Reported examples of propylene ammonia oxidation catalysts are as follows.

1989년 스텐다드 오일(Standard Oil) 사에서는 몰리브덴을 근간으로 하는 촉매의 표면에 열분해될 수 있는 물질, 즉 1% 붕산과 2% 산화몰리브덴 등을 침적시켜서 촉매활성을 증가시켰다고 보고한 바 있다[미국특허 제 4,855,275 호].In 1989, Standard Oil reported that the catalytic activity was increased by depositing pyrolysable materials, such as 1% boric acid and 2% molybdenum oxide, on the surface of molybdenum-based catalysts. 4,855,275].

1987년 차이나 페트로케미칼(China Petrochemical) 사에서는 [M/Mo/O]L[A/B/C/Ni/Co/Na/Fe/Bi/Mo/O]N(이때, L/N = 0.1 ~ 5 임)를 기본으로 하는 다성분계 촉매에 M, A, B, C 등의 금속을 첨가시킴으로써 75.9%의 수율로 아크릴로니트릴을 제조할 수 있었다고 보고한 바 있다[Faming Zuanli Gongkai Shuomingshu CN 87,103,465].In 1987, China Petrochemical Co., Ltd. [M / Mo / O] L [A / B / C / Ni / Co / Na / Fe / Bi / Mo / O] N (where L / N = 0.1 to It has been reported that acrylonitrile could be produced in a yield of 75.9% by adding metals such as M, A, B, and C to the multicomponent catalyst based on the present invention [Faming Zuanli Gongkai Shuomingshu CN 87,103,465].

1989년 니토 케미칼(Nitto Chemical) 사에서는 몰리브덴/비스무스/철/니켈/실리카를 근간으로하여 칼륨 등을 첨가하여 98.8%의 프로필렌 전환율을 나타내는 촉매를 제조하였으며[일본특허 제1,265,067호], 같은 해에 몰리브덴/비스무스/철/니켈/안티몬/알카리금속/실리카로 구성된 다성분계 촉매를 제조하여 99%의 프로필렌 전환율을 얻을 수 있는 촉매를 개발하였다고 보고한 바 있다[유럽특허 제337,779호].In 1989, Nito Chemical Co., Ltd., based on molybdenum / bismuth / iron / nickel / silica, added potassium and the like to produce a catalyst having a propylene conversion of 98.8% [Japanese Patent No. 1,265,067]. It has been reported that a multicomponent catalyst composed of molybdenum / bismuth / iron / nickel / antimony / alkali metal / silica was developed to develop a catalyst capable of obtaining a propylene conversion of 99% (European Patent No. 337,779).

1989년 상하이 제네랄 페트로케미칼 플랜트(Shanghai General Petrochemical Plant) 사에서는 몰리브덴/비스무스/철/크롬/망간 산화물을 근간으로하여 A, B, C, D의 첨가제를 섞어 실리카에 담지시킨 촉매를 제조하였다[Faming Zuanli Shenqing Gongkai Shuomingshu CN 1,031,662].In 1989, Shanghai General Petrochemical Plant, based on molybdenum / bismuth / iron / chromium / manganese oxides, prepared a catalyst mixed with additives of A, B, C, and D on silica. Zuanli Shenqing Gongkai Shuomingshu CN 1,031,662].

1991년 아사이 케미칼(Asahi Chemical) 사에서는 몰리브덴/비스무스/철/칼륨/나트륨/인을 실리카에 담지시킨 촉매상에서 그리고 아세톤 존재하에 프로필렌 가암모니아 산화반응시켜 반응온도 460 ℃에서 80.2%의 아세토니트릴을 얻었다고 보고하였다[일본특허 제3,246,269호].In 1991, Asahi Chemical Co., Ltd. obtained 80.2% of acetonitrile at 460 ° C by oxidizing propylene ammonia on a catalyst supported with molybdenum / bismuth / iron / potassium / sodium / phosphorus on silica and in the presence of acetone. [Japanese Patent No. 3,246,269].

1991년 중국의 장춘응용화학연구소에서는 50%(니켈-코발트-철-비스무스-인-칼륨-첨가제 산화물)/50% 실리카 촉매를 개발하여 매카니즘과 활성상의 구조를 규명하는데 노력하였다[Cuihua Xuebao, 1991, 12(6), 433 ~ 8].In 1991, China's Changchun Institute of Applied Chemistry developed 50% (nickel-cobalt-iron-bismuth-phosphorus-potassium-additive oxide) / 50% silica catalysts to determine the mechanism and structure of the active phase [Cuihua Xuebao, 1991 , 12 (6), 433-8].

1990년 니토 케미칼(Nitto Chemical) 사에서는 철-안티몬-인-첨가제 산화물/실리카 촉매를 근간으로하여 산소첨가 탈수소반응, 알켄방향족 화합물 및 올레핀의 가암모니아 산화반응에 적용하여 프로필렌의 가암모니아 산화반응시 72.1%의 수율로 아세토니트릴을 얻었으며[유럽특허 제404,529호], 같은 해 몰리브덴-비스무스-철-니켈-안티몬-인-칼륨 산화물/실리카 촉매를 제조하는 공정을 개발하여 반응온도 410 ℃에서 86.1%의 아세토니트릴을 얻었다고 보고하였다[유럽특허 제383,598호].In 1990, Nito Chemical Co., Ltd. applied iron-antimony-phosphorus-additive oxide / silica catalysts to oxygenated dehydrogenation, alkene aromatic compounds and ammonia oxidation of olefins. Acetonitrile was obtained with a yield of 72.1% [European Patent No. 404,529]. It was reported that% acetonitrile was obtained (European Patent 383,598).

또한 스텐다드 오일(Standard Oil) 사에서는 안티몬/비스무스/세륨/몰리브덴 산화물 촉매를 근간으로하여 첨가제를 사용한 촉매를 개발하여 보고하였다[미국특허 제4,921,828호]. 1990년 니토 케미칼(Nitto Chemical) 사에서 몰리브덴/비스무스/철 또는 텔루르 산화물을 근간으로 암모니아의 연소성을 낮추는 촉매를 제조하는 공정을 개발하였고 이 촉매를 이용하여 프로필렌의 전환율을 98.5%로하여 85.5%의 아세토니트릴을 얻었다고 보고하였다[일본특허 제259,046호].In addition, Standard Oil Co., Ltd. has developed and reported a catalyst using an additive based on an antimony / bismuth / cerium / molybdenum oxide catalyst [US Pat. No. 4,921,828]. In 1990, Nito Chemical Co., Ltd. developed a process for producing a catalyst that reduces the combustibility of ammonia based on molybdenum / bismuth / iron or tellurium oxides.The catalyst was used to convert propylene to 98.5%, yielding 85.5%. It was reported that acetonitrile was obtained (Japanese Patent No. 259,046).

1990년 러시아에서는 실리카에 담지된 코발트/비스무스/몰리브덴/니켈/철 산화물을 사용하여 실리카의 담지효과에 대해 조사하였다[Zh, Fiz, Khim. 1990, 64(8), 2179 ∼ 85].In Russia in 1990, cobalt / bismuth / molybdenum / nickel / iron oxides supported on silica were used to investigate the loading effects of silica [Zh, Fiz, Khim. 1990, 64 (8), 2179-85].

1989년 니토 케미칼(Nitto Chemical) 사에서는 값이 저렴한 금속을 포함한 촉매의 사용을 초점으로 인/나트륨 또는 칼륨/몰리브덴/비스무스/철/안티몬/니켈 산화물을 사용하여 반응온도 420 ℃에서 98.1%의 전환율을 얻은 바 있다[유럽특허 제331,351호].In 1989, Nito Chemical Co., Ltd. focused on the use of inexpensive metal catalysts with 98.1% conversion at 420 ° C using phosphorus / sodium or potassium / molybdenum / bismuth / iron / antimony / nickel oxides. (European Patent No. 331,351).

1988년 중국의 장춘응용화학연구소에서는 인/몰리브덴/비스무스/철/세륨/칼륨의 다성분계 산화물에 있어서 세륨의 영향을 연구하였으며 세륨이 삼산화몰리브덴(MoO3)의 승화를 억제하고 활성상을 안정하게 해준다고 보고한 바 있다[Yingyong Huaxue, 1988, 5(2), 13 ∼ 17].In 1988, the Changchun Institute of Applied Chemistry in China studied the effect of cerium on multicomponent oxides of phosphorus / molybdenum / bismuth / iron / cerium / potassium. Cerium inhibits the sublimation of molybdenum trioxide (MoO 3 ) and stabilizes the active phase. [Yingyong Huaxue, 1988, 5 (2), 13-17].

1987년 미쓰비시 케미칼(Mitsubishi Chemical) 사에서는 실리카에 담지된 촉매로서 몰리브덴/텅스텐/비스무스/납/붕소/안티몬/크롬 또는 철 산화물계 촉매를 사용하여 99%의 프로필렌 전환율을 얻었다고 하였다[일본특허 제62,176,543호].In 1987, Mitsubishi Chemical Co., Ltd. reported that 99% of propylene conversion was obtained using a molybdenum / tungsten / bismuth / lead / boron / antimony / chromium or iron oxide catalyst as a catalyst supported on silica [Japanese Patent] 62,176,543].

1987년 스탠다드 오일(Standard Oil) 사에서는 비스무스-몰리브덴을 근간으로 하는 촉매의 제조방법에 대하여 조사하였는 바, 그 예로서 실리카에 담지한 칼륨/니켈/코발트/철/크롬/비스무스/텅스텐/몰리브덴 산화물을 제조하여 최적조건을 확립하였다[미국특허 제4,659,689호].In 1987, Standard Oil Co. investigated a method for preparing a catalyst based on bismuth-molybdenum. For example, potassium / nickel / cobalt / iron / chromium / bismuth / tungsten / molybdenum oxide supported on silica. Was prepared to establish optimal conditions [US Pat. No. 4,659,689].

1985년 레빈타(Levinta), 바실라(Vasila) 등은 5 ∼ 10% KOH를 첨가한 몰리브덴, 비스무스, 철, 구리, 니켈, 인산, 실리카 등이 함유된 촉매를 이용하여 부분산화반응과 가암모니아 산화반응을 하였다고 보고하였다[Rom. RO 88,173].In 1985, Levinta and Vasila used partial catalysts and ammonia with a catalyst containing molybdenum, bismuth, iron, copper, nickel, phosphoric acid and silica with 5-10% KOH added. Oxidation reaction was reported [Rom. RO 88,173].

1985년 스탠다드 오일(Standard Oil) 사에서는 A/B/C/철/비스무스/몰리브덴 산화물 촉매(A는 알카리금속, B는 코발트나 니켈 또는 두가지 혼합물, C는 인이나 비소 또는 두가지 혼합물)를 제조하여 저온에서도 높은 활성을 나타낸다고 보고한 바 있다.In 1985, Standard Oil manufactured A / B / C / Iron / bismuth / molybdenum oxide catalysts (A is an alkali metal, B is cobalt or nickel or two mixtures, and C is phosphorus or arsenic or two mixtures). It has been reported to show high activity even at low temperatures.

1982년에는 A/D/E/G/철/비스무스/몰리브덴 산화물 촉매(A는 희토류금속, D는 알카리금속, E는 니켈, 코발트, 아연, 카드뮴, 칼슘 또는 그들의 혼합물, G는 인, 붕소, 비소 또는 그들의 혼합물)를 제조하여 올레핀의 가암모니아 산화반응에 적용하여 높은 활성을 얻었고, 특히 Ni10.5FeBiPMoO57/SiO2촉매에 관한 활성을 측정하여 비교한 바 있다[미국특허 제4,192,776호, 제4,503,001호]. 그러나 이들 특허에서 예시한 촉매들의 경우, 니켈과 몰리브덴이 과량으로 함유되어 있다. 일반적으로 상기 구성성분으로 이루어진 촉매에서 니켈의 함량이 높을수록 촉매의 활성이 떨어지고 불안정하게 반응이 진행되고, 몰리브덴의 함량이 과량이면 삼산화몰리브덴의 승화에 의해 촉매의 활성저하 및 촉매손실로 인하여 반응중에 조성변화가 생길 수 있다. 따라서 니켈 또는 몰리브덴을 과량 사용하는 것은 회피하여야 한다.In 1982, A / D / E / G / iron / bismuth / molybdenum oxide catalysts (A for rare earth metals, D for alkali metals, E for nickel, cobalt, zinc, cadmium, calcium or mixtures thereof, G for phosphorus, boron, Arsenic or a mixture thereof) was applied to ammonia oxidation of olefins to obtain high activity, and in particular, the activity of Ni 10.5 FeBiPMoO 57 / SiO 2 catalyst was measured and compared. [US Pat. No. 4,192,776,4,503,001 number]. However, the catalysts exemplified in these patents contain excess nickel and molybdenum. In general, the higher the content of nickel in the catalyst consisting of the constituents, the lower the activity of the catalyst and the reaction proceeds unstable, and if the content of molybdenum is excessive, the activity of the catalyst is reduced by the sublimation of molybdenum trioxide and the catalyst loss during the reaction. Compositional changes may occur. Therefore, excessive use of nickel or molybdenum should be avoided.

상기와 같이 종래에 보고된 가암모니아 산화반응용 촉매들은 모두 다성분계의 산화물로서 여러성분에 의해 반응물에 대한 활성 및 촉매의 안정도를 증가시켰으며, 다양한 특성분석에 의해 매카니즘 규명 및 활성상을 규명하고자 하였다. 하지만 다성분계 촉매의 단점은 특성분석을 통해 규명하는데 한계가 있다는 것이며, 특히 반응활성이나 활성상에 대한 반응경로 및 활성규명에 큰 도움이 되지 않는다.As described above, all catalysts for ammonia oxidation reactions are multi-component oxides, which increase the activity of the reactants and the stability of the catalysts by various components, and to identify mechanisms and active phases by various characteristics analysis. It was. However, the disadvantage of the multi-component catalyst is that there is a limit in the characterization through characterization, in particular, it does not help much in identifying the reaction activity or the reaction path and activity for the active phase.

따라서 다성분계 촉매 보다는 최소의 성분을 갖고 최대의 활성을 가지는 촉매를 개발하는 것이 경제적인 면에서나 연구의 가치적인 면에서도 바람직하다고 하겠다.Therefore, it is desirable to develop a catalyst having a minimum component and maximum activity rather than a multicomponent catalyst in terms of economic and research value.

또한, 촉매는 사용된 반응기 형태, 생성물 분석방법, 반응조건(전처리 및 반응온도, 접촉시간, 촉매의 양) 등에 따라 그 활성은 매우 다르게 나타나기 때문에종래 문헌이나 특허에 기재된 촉매의 활성을 비교분석하기란 쉽지 않으며 항상 고려하여야 한다. 그러므로 앞에서 설명한 바와같이 최소의 성분을 포함시켜 반응물에 최대의 효과, 즉 활성증가를 나타내는 것이 신촉매 개발의 촛점이다.In addition, since the activity of the catalyst is very different depending on the type of reactor used, product analysis method, reaction conditions (pretreatment and reaction temperature, contact time, amount of catalyst), etc. Is not easy and should always be considered. Therefore, the focus of new catalyst development is to include the minimum amount of components and show the maximum effect on the reactants, that is, increase in activity as described above.

이에 본 발명의 발명자들은 최소 성분이 함유되어 있음에도 불구하고 올레핀의 가암모니아 산화반응시 올레핀의 전환율 및 시안화합물의 선택도를 향상시킬 수 있는 새로운 촉매개발을 위해 연구노력한 결과, 몰리브덴, 인을 주성분으로 하고 비스무스, 철, 니켈을 포함시켜 적절한 비율로 조합하여 반응활성을 증가시킴은 물론 기존의 보고된 특허보다 촉매성분을 대폭 감소시키고, 특히 니켈의 함량변화에 따른 특성을 가짐으로써 열적 안정성이나 대기중에서의 흡습성 및 반응활성에 큰 차이가 있다는 것을 알게됨으로써 본 발명을 완성하였다.Therefore, the inventors of the present invention have tried to develop a new catalyst that can improve the conversion of olefins and the selectivity of cyanide during ammonia oxidation of olefins, even though they contain minimal components. Including bismuth, iron, and nickel in an appropriate proportion, the reaction activity is increased, as well as the catalyst component is significantly reduced compared to the previously reported patents. The present invention was completed by finding that there is a great difference in hygroscopicity and reaction activity.

본 발명은 5가지 종류의 성분들을 포함하고 있고, 올레핀의 가암모니아 산화반응시 높은 전환율과 선택도를 나타내는 5성분계 고체 촉매를 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention comprises five kinds of components, and an object thereof is to provide a five-component solid catalyst that exhibits high conversion and selectivity in ammonia oxidation of olefins.

본 발명은 몰리브덴(Mo), 인(P), 비스무스(Bi), 철(Fe) 및 니켈(Ni)을 함유하는 고체촉매에 있어서, 상기 고체촉매는 다음 화학식1로 표시되는 가암모니아 산화반응용 고체촉매를 그 특징으로 한다.The present invention is a solid catalyst containing molybdenum (Mo), phosphorus (P), bismuth (Bi), iron (Fe) and nickel (Ni), the solid catalyst for ammonia oxidation reaction represented by the following formula (1) It is characterized by a solid catalyst.

[화학식 1][Formula 1]

Bia·Mob·Pc·Fed·Nie·Of·X·Y / SiO2 A · b · P c Mo Bi Fe · Ni · d e f · O · X · Y / SiO 2

상기식에서, X, Y, a,b,c,d,e 및 f는 각각 상기에서 정의한 바와 같다.Wherein X, Y, a, b, c, d, e and f are as defined above, respectively.

이와같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.Referring to the present invention in more detail as follows.

본 발명은 몰리브덴(Mo), 인(P), 비스무스(Bi), 철(Fe) 및 니켈(Ni)이 특정 조성비로 함유되어 있어 프로필렌 등과 같은 올레핀의 가암모니아 산화반응에 의해아크릴로니트릴 등의 시안화합물을 제조시 유용한 새로운 조성의 5성분계 고체촉매에 관한 것이다.According to the present invention, molybdenum (Mo), phosphorus (P), bismuth (Bi), iron (Fe), and nickel (Ni) are contained in specific composition ratios. The present invention relates to a five-component solid catalyst of a novel composition useful for preparing cyanide compounds.

본 발명에 따른 고체촉매의 제조과정을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.Referring to the manufacturing process of the solid catalyst according to the present invention in more detail.

먼저, 몰리브덴을 포함하는 염을 물에 넣고 온도를 서서히 상승시켜 완전히 녹인다음, 교반시키면서 실리카 졸(Silica Sol)을 원하는 비율로 혼합한다. 여기에 비스무스, 철 및 니켈을 각각 포함하는 염(salt)을 첨가하고 다시 인산(H3PO4)을 넣는다. 그런다음 혼합액은 산 또는 염기용액을 첨가하여 pH 2 ~ 5로 조정하며 반응속도를 조절하고 잔여물을 쉽게 제거하기 위해 100 ℃ 부근에서 가열 교반하면서 물을 제거하여 농축시켜 고체생성물을 제조한다. 생성된 고체생성물은 30 ∼ 150 ℃ 오븐에서 1 ∼ 15시간 건조시켜 수분을 완전 제거하고, 200 ℃ ∼ 400 ℃에서 1 ∼ 5시간, 400 ℃ ∼ 600 ℃에서 1 ∼ 5시간 소성하여 10 ∼ 100 메쉬(mesh)로 분쇄한 후 다시 500 ∼ 700 ℃에서 1 ∼ 5시간 소성시킨다.First, a salt containing molybdenum is added to water, and the temperature is gradually raised to completely dissolve. Then, the silica sol is mixed with a desired ratio while stirring. To this is added a salt containing bismuth, iron and nickel, respectively, followed by phosphoric acid (H 3 PO 4 ). Then, the mixed solution is adjusted to pH 2-5 by adding an acid or base solution, and concentrated by removing water with heating and stirring at around 100 ° C. in order to adjust the reaction rate and easily remove the residue to prepare a solid product. The resulting solid product is dried in an oven at 30 to 150 ° C. for 1 to 15 hours to completely remove moisture, and then calcined at 200 ° to 400 ° C. for 1 to 5 hours and at 400 ° to 600 ° C. for 1 to 5 hours to produce 10 to 100 mesh. After pulverizing (mesh), it is baked at 500-700 degreeC for 1 to 5 hours.

상기와 같은 본 발명의 고체촉매의 제조과정에서 사용되는 활성성분은 염의 형태로 첨가되는 데, 이들 염은 비교적 물에 잘 용해되는 성질을 가지고 있어 촉매제조시 균일하게 혼합할 수 있는 조건을 가지고 있다. 예컨대 몰리브덴을 포함하는 염으로는 몰리브덴산 암모늄[ammonium molybdate·tetrahydrate, (NH4)6Mo7O24·4H2O]을, 비스무스를 포함하는 염으로는 질산 비스무스[bismuth nitrate·pentahydrate, Bi(NO3)3·5H2O]를, 철을 포함하는 염으로는 질산철[iron(III) nitrate·nonahydrate, Fe(NO3)3·9H2O]을, 그리고 니켈을 포함하는 염으로는 질산니켈[nickel nitrate·hexahydrate, Ni(NO3)2·6H2O]을 사용하는 것이 특히 바람직하다.The active ingredient used in the preparation of the solid catalyst of the present invention as described above is added in the form of a salt, these salts are relatively well soluble in water has a condition that can be uniformly mixed during the production of the catalyst . For example, a salt containing molybdenum is ammonium molybdatetetrahydrate (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 4H 2 O], and a salt containing bismuth is bismuth nitrate pentahydrate, Bi ( NO 3 ) 3 · 5H 2 O], and salts containing iron include iron (III) nitrate nonahydrate, Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O], and salts containing nickel. It is particularly preferable to use nickel nitrate hexahydrate, Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O.

또한, 각각의 활성성분은 상기 화학식1의 함량범위내에서 함유시키도록 하며, 각 성분의 함량에 따라 촉매의 활성은 크게 달라질 수 있다. 몰리브덴의 경우 Mo/Bi의 몰비가 0.2 미만이면 반응성이 없고, 5를 초과하면 반응중에 삼산화몰리브덴이 생성되며 승화가 일어나 촉매의 손실을 초래하게된다. 인의 경우 P/Bi의 몰비가 0.2 미만이면 반응활성이 급격히 저하되고, 2를 초과하면 촉매의 흡습성을 증가시키고 산도(acidity)를 증가시켜 산화반응이 지나치게 진행되는 문제가 있다. 철의 경우 Fe/Bi의 몰비가 0.1 미만이면 프로필렌의 전환율이 낮아지며, 5를 초과하여 과량 사용하여도 촉매의 활성에는 영향을 미치지않는다.In addition, each active ingredient is to be contained within the content range of the formula (1), the activity of the catalyst can vary greatly depending on the content of each ingredient. In the case of molybdenum, when the mole ratio of Mo / Bi is less than 0.2, it is not reactive, and when it exceeds 5, molybdenum trioxide is generated during the reaction and sublimation occurs, resulting in loss of the catalyst. In the case of phosphorus, if the molar ratio of P / Bi is less than 0.2, the reaction activity is sharply lowered, and if it is more than 2, there is a problem that the oxidation reaction is excessively progressed by increasing the hygroscopicity of the catalyst and increasing acidity. In the case of iron, when the molar ratio of Fe / Bi is less than 0.1, the conversion of propylene is lowered, and the use of excess of 5 does not affect the activity of the catalyst.

상기와 같은 제조과정에 의해 제조된 본 발명의 고체촉매는 거의 황토색에 가깝고 수분에 대한 흡습성이 적어서 보관이 용이하다.The solid catalyst of the present invention prepared by the above-described manufacturing process is almost yellow ocher color and has a low hygroscopicity to moisture and is easy to store.

상기와 같은 제조방법에 의해 제조된 본 발명의 고체촉매는 비표면적 및 기공부피 측정기, 적외선분광 분석기, 열중량분석기, X-선 회절 분석기 등에 의해 그 조성을 확인하였다.The solid catalyst of the present invention prepared by the above production method was confirmed its composition by a specific surface area and pore volume measuring instrument, infrared spectroscopy analyzer, thermogravimetric analyzer, X-ray diffraction analyzer.

이상과 같이 제조된 촉매의 활성을 측정하기 위해 SUS 316 반응기에 촉매를 충진시킨 다음 유입되는 반응물의 구성비를 프로필렌/암모니아/산소/질소 = 1/1/2.52/9.48(몰비)로 하고 접촉시간을 3.6초로 맞춰 반응온도 455 ℃에서 가암모니아 산화반응을 실시하였다.In order to measure the activity of the catalyst prepared as described above, after filling the catalyst in the SUS 316 reactor, the composition of the incoming reactant was propylene / ammonia / oxygen / nitrogen = 1/1 / 2.52 / 9.48 (molar ratio) and the contact time was The ammoxidation reaction was performed at the reaction temperature of 455 degreeC by 3.6 second.

이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following Examples, but the present invention is not limited thereto.

실시예 1Example 1

50%(Bi·Mo·P0.6·Fe0.8·Ni0.8산화물) / 50% SiO2촉매의 제조Preparation of 50% (Bi, Mo, P 0.6 , Fe 0.8 , Ni 0.8 oxide) / 50% SiO 2 catalyst

몰리브덴산 암모늄((NH4)6Mo7O24·4H2O) 3.64 g을 물 30 ㎖에서 서서히 가열하면서 용해시킨 후 교반하면서 실리카졸을 28.6 g을 첨가하였다(A용액). 그리고 질산 비스무스[Bi(NO3)2·5H2O] 10 g, 질산철[Fe(NO3)2·9H2O] 6.67 g과 질산니켈[Ni(NO3)2·6H2O] 4.80 g을 10% 질산 20 ㎖에 용해시킨 용액을 제조하였다(B용액). B용액에 상기에서 제조한 A용액을 첨가한다음, 85% 인산 1.43 g을 넣고 25% 암모니아수를 첨가하여 용액의 pH를 3으로 조정하였다(니켈 = 0.8).3.64 g of ammonium molybdate ((NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 .4H 2 O) was dissolved in 30 ml of water with gentle heating, and 28.6 g of silica sol was added with stirring (A solution). And nitrate of bismuth [Bi (NO 3) 2 · 5H 2 O] 10 g, iron nitrate [Fe (NO 3) 2 · 9H 2 O] 6.67 g and nickel nitrate [Ni (NO 3) 2 · 6H 2 O] 4.80 A solution was prepared by dissolving g in 20 ml of 10% nitric acid (B solution). The solution A prepared above was added to the solution B. Then, 1.43 g of 85% phosphoric acid was added and 25% aqueous ammonia was added to adjust the pH of the solution to 3 (nickel = 0.8).

실시예 2Example 2

50%(Bi·Mo·P0.6·Fe0.8·Ni0.2산화물) / 50% SiO2의 제조50% (Bi, Mo, P 0.6 , Fe 0.8 , Ni 0.2 oxide) / Production of 50% SiO 2

질산니켈[Ni(NO3)2·6H2O] 4.80 g 대신에 1.20 g을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다(니켈 = 0.2).Nickel nitrate [Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O] was prepared in the same manner as in Example 1 except that 1.20 g was used instead of 4.80 g (nickel = 0.2).

실시예 3Example 3

50%(Bi·Mo·P0.6·Fe0.8·Ni0.4산화물) / 50% SiO2의 제조50% (Bi, Mo, P 0.6 , Fe 0.8 , Ni 0.4 oxide) / Preparation of 50% SiO 2

질산니켈[Ni(NO3)2·6H2O] 4.80 g 대신에 2.40 g을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다(니켈 = 0.4).Nickel nitrate [Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O] was prepared in the same manner as in Example 1 except that 2.40 g was used instead of 4.80 g (nickel = 0.4).

실시예 4Example 4

50%(Bi·Mo·P0.6·Fe0.8·Ni0.6산화물) / 50% SiO2의 제조50% (Bi, Mo, P 0.6 , Fe 0.8 , Ni 0.6 oxide) / Preparation of 50% SiO 2

질산니켈[Ni(NO3)2·6H2O] 4.80 g 대신에 3.60 g을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다(니켈 = 0.6).Nickel nitrate [Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O] was prepared in the same manner as in Example 1 except that 3.60 g was used instead of 4.80 g (nickel = 0.6).

실시예 5Example 5

50%(Bi·Mo·P0.6·Fe0.8·Ni1.0산화물) / 50% SiO2의 제조50% (Bi, Mo, P 0.6 , Fe 0.8 , Ni 1.0 oxide) / Preparation of 50% SiO 2

질산니켈[Ni(NO3)2·6H2O] 4.80 g 대신에 6.00 g을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다(니켈 = 1.0).Nickel nitrate [Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O] was prepared in the same manner as in Example 1 except that 6.00 g was used instead of 4.80 g (nickel = 1.0).

실시예 6Example 6

50%(Bi·Mo·P0.6·Fe0.8·Ni1.2산화물) / 50% SiO2의 제조50% (Bi, Mo, P 0.6 , Fe 0.8 , Ni 1.2 oxide) / Preparation of 50% SiO 2

질산니켈[Ni(NO3)2·6H2O] 4.80 g 대신에 7.20 g을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다(니켈 = 1.2).Nickel nitrate [Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O] was prepared in the same manner as in Example 1 except that 7.20 g was used instead of 4.80 g (nickel = 1.2).

비교실시예 1Comparative Example 1

50%(Bi·Mo·P0.6·Fe0.8) / 50% SiO2의 제조Preparation of 50% (Bi, Mo, P 0.6 , Fe 0.8 ) / 50% SiO 2

질산니켈을 첨가하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.It was prepared in the same manner as in Example 1 except that nickel nitrate was not added.

비교실시예 2Comparative Example 2

50%(Bi·Mo·P0.6) / 50% SiO2의 제조Preparation of 50% (BiMoMo P 0.6 ) / 50% SiO 2

질산니켈과 질산철을 첨가하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.It was prepared in the same manner as in Example 1, except that nickel nitrate and iron nitrate were not added.

비교실시예 3Comparative Example 3

50%(Bi·Mo·P0.6·Fe0.8·Ni6산화물) / 50% SiO2의 제조50% (Bi, Mo, P 0.6 , Fe 0.8 , Ni 6 oxide) / Preparation of 50% SiO 2

질산니켈[Ni(NO3)2·6H2O] 4.80 g 대신에 36 g을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다(니켈 = 6).Nickel nitrate [Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O] was prepared in the same manner as in Example 1, except that 36 g was used instead of 4.80 g (nickel = 6).

실험예Experimental Example

상기 실시예 1 ∼ 6 및 비교실시예 1 ∼ 3에서 제조한 촉매의 활성을 관찰하기 위해 내경 10.75 ㎜, 길이 160 ㎜의 SUS 316 반응기에 촉매를 1.5 cc 충전하고 접촉시간이 3.6초 되게 반응혼합물을 프로필렌/암모니아/산소/질소 = 1/1/2.52/9.48(몰비)로하여 455 ℃에서 가암모니아 산화반응을 실시하였다.In order to observe the activity of the catalysts prepared in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3, 1.5 cc of catalyst was charged to a SUS 316 reactor having an inner diameter of 10.75 mm and a length of 160 mm, and the reaction mixture was brought to have a contact time of 3.6 seconds. Ammonia oxidation was carried out at 455 ° C. with propylene / ammonia / oxygen / nitrogen = 1/1 / 2.52 / 9.48 (molar ratio).

[표 1]TABLE 1

상기 표 1의 결과에 의하면, 활성금속의 조성에 따라 전환율과 선택도는 달라질 수 있는 바, 특히 니켈의 함량에 따라 또는 니켈, 철의 첨가여부에 따라 전환율과 선택도에 있어 큰 차이가 있음을 알 수 있으며, 니켈 이외에도 몰리브덴과 인을 근간으로하여 비스무스, 철의 양에 의해서도 결과가 크게 다르게 나타난다.According to the results of Table 1, the conversion rate and selectivity may vary depending on the composition of the active metal, in particular, there is a large difference in conversion rate and selectivity depending on the content of nickel or the addition of nickel and iron. In addition to nickel, molybdenum and phosphorus are used as the basis, and the results vary greatly depending on the amount of bismuth and iron.

본 발명에서는 니켈 함량에 따른 가암모니아 산화반응용 촉매의 개발에 주안점을 두고 있다. 본 발명의 5성분계 고체촉매는 프로필렌에 대하여 약 90%의 전환율과 아크릴로니트릴에 대하여 약 80%의 선택도를 나타내므로써(아크릴로니트릴 제조에서) 매우 활성이 높음을 알 수 있다.The present invention focuses on the development of a catalyst for ammonia oxidation according to the nickel content. It can be seen that the five-component solid catalyst of the present invention exhibits a very high activity (in acrylonitrile production) by exhibiting about 90% conversion for propylene and about 80% for acrylonitrile.

특히, 본 발명에서는 지금까지 알려진 다성분계 촉매 중에서 단지 5가지의 경제적인 면이 고려된 성분들로 이루어져서 높은 활성을 나타내는 특징이 있다. 기존 특허나 문헌에서 제시한 촉매의 가암모니아 산화반응에서는 부수적인 생성물들 예를들면 아세토니트릴, 아크롤레인 및 기타 부산물 등에 대해서 구체적인 언급이 없었지만, 본 발명에서는 이들 부수적인 생성물의 생성에 까지도 조절할 수 있다.Particularly, in the present invention, only five economic aspects of the multi-component catalysts known to date are made up of components that have high activity. In the ammonia oxidation of the catalysts disclosed in the existing patents and literatures, there are no mentions of additional products such as acetonitrile, acrolein and other by-products, but the present invention can control the production of these additional products.

Claims (2)

몰리브덴(Mo), 인(P), 비스무스(Bi), 철(Fe) 및 니켈(Ni)을 함유하는 고체촉매에 있어서, 상기 고체촉매는 다음 화학식1로 표시되는 것임을 특징으로 하는 가암모니아 산화반응용 고체촉매.In a solid catalyst containing molybdenum (Mo), phosphorus (P), bismuth (Bi), iron (Fe) and nickel (Ni), the solid catalyst is represented by the following formula (1) Solid catalyst. [화학식 1][Formula 1] Bia·Mob·Pc·Fed·Nie·Of·X·Y / SiO2 A · b · P c Mo Bi Fe · Ni · d e f · O · X · Y / SiO 2 상기식에서,In the above formula, X는 양이온성 또는 음이온성 염이고;X is a cationic or anionic salt; Y는 물이고;Y is water; a,b,c,d,e 및 f는 각각의 원자수를 나타낸 것으로서 a,b,c,d,e는 각각 0 보다 크고 10 이하의 정수이고, f는 a,b,c,d,e의 값에 따라 변하는 수치이며, 단 b/a= 0.2 ∼ 5, c/a= 0.2 ~ 2, d/a= 0.1 ~ 5, 그리고 e/a= 0.1 ~ 5 이다.a, b, c, d, e and f represent the number of atoms, a, b, c, d and e are each an integer greater than 0 and less than or equal to 10, f is a, b, c, d, e It is a numerical value which changes according to the value of b, except that b / a = 0.2-5, c / a = 0.2-2, d / a = 0.1-5, and e / a = 0.1-5. 제 1 항에 있어서, 상기 Mo는 몰리브덴산 암모늄[(NH4)6Mo7O24·4H2O]로 부터, Bi는 질산 비스무스[Bi(NO3)3·5H2O]로 부터, Fe은 질산철[Fe(NO3)3·9H2O]로 부터, 그리고 Ni은 질산니켈[Ni(NO3)2·6H2O]로부터 각각 유도된 것임을 특징으로 하는 가암모니아 산화반응용 고체촉매.The method of claim 1, wherein Mo is ammonium molybdate [(NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 .4H 2 O], and Bi is bismuth nitrate [Bi (NO 3 ) 3 .5H 2 O]. A solid catalyst for ammonia oxidation, characterized in that it is derived from silver iron nitrate [Fe (NO 3 ) 3 · 9H 2 O] and Ni is derived from nickel nitrate [Ni (NO 3 ) 2 · 6H 2 O], respectively. .
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