KR100290970B1 - Method for producing ethyl toluene - Google Patents

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KR100290970B1
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신시아 팅 와 츄
윤 양 후앙
도날드 제이. 클로크
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데니스 피. 산티니
모빌 오일 코포레이션
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Abstract

본 발명은 제어된 산성과 확산성을 갖는 ZSM-5 촉매 존재하에서 톨루엔을 에틸화시킴으로써 고 함량의 메타 이성질체와 매우 적은 함량의 오르토 이성질체를 포함하는 에틸톨루엔 이성질체 혼합물을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 상기 생성물중의 메타 이성질체와 파라 이성질체의 중량비는 1:1 이상, 바람직하게는 1.2:1 이상이며, 오르토 이성질체의 함량은 1.5중량% 이하, 바람직하게는 0.5중량% 이하로 유지된다. 또한, 상기 에틸톨루엔 생성물을 탈수소화시킴으로써 중합 개량 비닐 톨루엔을 제조할 수 있다.The present invention relates to a process for preparing an ethyltoluene isomeric mixture comprising a high content of meta isomers and a very low amount of ortho isomers by ethylating toluene in the presence of a ZSM-5 catalyst having controlled acidity and diffusibility. The weight ratio of meta isomers and para isomers in the product is at least 1: 1, preferably at least 1.2: 1, and the content of ortho isomers is maintained at 1.5% by weight or less, preferably 0.5% by weight or less. In addition, polymerization-improved vinyl toluene can be prepared by dehydrogenating the ethyltoluene product.

Description

에틸톨루엔의 제조 방법Method for producing ethyl toluene

본 발명은 에틸톨루엔의 제조, 더욱 구체적으로 말하자면 고함량의 메타 이성질체와 극소량의 오르토 이성질체를 함유하는 에틸톨루엔 이성질체들의 혼합물을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to the preparation of ethyltoluene, more specifically to a process for preparing a mixture of ethyltoluene isomers containing a high content of meta isomers and very small amounts of ortho isomers.

비닐 톨루엔은 중합체 제조에 사용되는 중요한 공업용 화학 약품이다. 어떤 목적을 위해서는, 비닐 톨루엔의 전체 함량에 대하여 메타 이성질체(m-메틸 스티렌) 함량이 통상 50 내지 70%로서 비교적 높은 비닐 톨루엔을 제조하는 것이 요망되고 있다. 동시에, 극소량의 오르토 이성질체(o-메틸 스티렌)가 요망되는데, 그 이유는 이 물질이 중합 반응시 사슬 정지제(chain stopper)의 역할을 하기 때문이다. 보통, 상업적으로 허용 가능한 물질인 경우 오르토 이성질체의 최대 함량은 1.5%, 바람직하게는 1% 이하 또는 0.5%이하를 유지해야 한다.Vinyl toluene is an important industrial chemical used to make polymers. For some purposes, it is desired to produce vinyl toluene having a relatively high meta isomer (m-methyl styrene) content of 50 to 70% relative to the total content of vinyl toluene. At the same time, very small amounts of ortho isomers (o-methyl styrene) are desired because they act as chain stoppers in the polymerization reaction. Usually, in the case of commercially acceptable materials, the maximum content of ortho isomers should be maintained at 1.5%, preferably at most 1% or at most 0.5%.

비닐 톨루엔은 에틸톨루엔을 탈수소화시킴으로써 제조되며, 비닐 톨루엔 생성물의 이성질체 비율은 에틸톨루엔 전구 물질의 이성질체 비율에 전적으로 좌우된다. 따라서, 에틸톨루엔은 통상적으로 메타 이성질체 50 내지 70%, 오르토 이성질체 1% 이하 및 그 나머지의 파라 이성질체를 포함해야만 한다.Vinyl toluene is prepared by dehydrogenation of ethyltoluene and the isomer ratio of the vinyl toluene product depends entirely on the isomer ratio of the ethyltoluene precursor. Thus, ethyltoluene should typically comprise from 50 to 70% meta isomers, up to 1% of ortho isomers and the remaining para isomers.

에틸톨루엔은 산 촉매 존재하에, 톨루엔을 에틸화시킴으로써 제조될 수 있는데, 상기 목적을 위해서는 이종(異種)의 제올라이트 촉매와 염화알루미늄과 같은 루이스산류의 촉매가 사용되고 있다. 삼염화알루미늄과 같은 균질상의 루이스산 촉매는 비교적 온화한 조건하에서 톨루엔을 에틸화시킴으로써 이성질체의 비율이 파라 31.5%, 메타 50.2% 및 오르토 18.3%의 평형 비율에 비교적 근접하는 에틸톨루엔 생성물을 제조하는 데 효율적이다. 예를 들어, 미국 특허 제4,143,084호(Kaeding)(실시예 13)에는 염화알루미늄 존재하에 톨루엔을 에틸화시킴으로써 p-이성질체 : m-이성질체 : o-이성질체의 비율이 27:60:13인 에틸톨루엔을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 이 에틸톨루엔 생성물은 필수량의 메타 이성질체를 함유하지만, 오르토 이성질체가 과량으로 존재한다.Ethyltoluene can be prepared by ethylating toluene in the presence of an acid catalyst. For this purpose, heterogeneous zeolite catalysts and catalysts of Lewis acids such as aluminum chloride are used. Homogeneous Lewis acid catalysts, such as aluminum trichloride, are effective in producing ethyltoluene products in which the proportion of isomers is relatively close to the equilibrium ratio of para 31.5%, meta 50.2% and ortho 18.3% by ethylating toluene under relatively mild conditions. . For example, US Pat. No. 4,143,084 to Kaeding (Example 13) discloses ethyltoluene having a p-isomer: m-isomer: o-isomer ratio of 27:60:13 by ethylating toluene in the presence of aluminum chloride. A method of making is disclosed. This ethyltoluene product contains the necessary amount of meta isomers, but the ortho isomer is present in excess.

ZSM-5와 같은 중간 크기의 소공을 갖는 제올라이트는 보통 500 내지 850℉(260 내지 455℃) 범위의 온도에서 톨루엔의 에틸화를 촉진시키는 데 사용될 수 있다. 상기 생성물의 이성질체의 비율은 상기 촉매의 제올라이트 성분의 특이적 형성 선택성에 따라 달라진다. ZSM-5를 개질시키지 않고 수소형으로 사용하는 경우, 에틸톨루엔 생성물은 평형에 비교적 근접하는 이성질체 비율을 가진다. 이것의 예가 미국 특허 제4,086,287호에 개시되어 있는데, 이 특허의 실시예 3에서는 약60%의 메타 함량을 얻을 수 있지만, 오르토 이성질체가 과량으로 존재하고 있다는 것을 보여주고 있다.Zeolites with medium size pores, such as ZSM-5, can be used to promote ethylation of toluene, usually at temperatures ranging from 500 to 850 ° F. (260 to 455 ° C.). The proportion of isomers of the product depends on the specific formation selectivity of the zeolite component of the catalyst. When used in hydrogen form without modifying ZSM-5, the ethyltoluene product has a proportion of isomers that are relatively close to equilibrium. An example of this is disclosed in US Pat. No. 4,086,287, which shows that an ortho isomer is present in excess, although Example 3 of this patent yields a meta content of about 60%.

또한, 제올라이트 촉매를 개질시킴으로써 파라 이성질체에 대한 선택성을 상기 평형 수준 이상으로 크게 증가시킬 수 있다. 예를 들어, ZSM-5의 결정의 크기를 증가시킴으로써, 파라 이성질체 대 메타 이성질체의 비율을 오르토 이성질체의 손실량에 상응하여 크게 증가시킬 수 있다. 미국 특허 제4,086,287호(실시예 4)에는 큰 결정질의 ZSM-5 촉매를 사용하는 경우, 약 1.6% 정도의 낮은 오르토 함량과 약 65%의 메타 함량을 얻을 수 있다는 것이 기재되어 있다. 그러나, 이 경우에도 오르토 이성질체의 함량이 과량으로 존재한다. 고온과 비교적 느린 공간 속도는 메타 이성질체의 함량을 더욱 더 증가시키고 오르토 이성질체의 함량을 더욱 더 감소시킨다[미국 특허 제4,086,287호(실시예 4)]. 그러나, 상업적인 방법에 있어서는 보다 빠른 공간 속도가 바람직한데, 그 이유는 실시예 4로부터, 그리고 주어진 크기를 갖는 유니트에서 생성물을 더욱 더 많이 생성시킬 수 있기 때문이다. 그러나, 보다 빠른 공간 속도에 의해 바람직한 이성질체 비율을 산출한다는 것에 대해서는 전혀 시사하는 바가 없다.In addition, by modifying the zeolite catalysts, the selectivity to para isomers can be greatly increased above the equilibrium level. For example, by increasing the size of the crystals of ZSM-5, the ratio of para isomers to meta isomers can be greatly increased corresponding to the loss of ortho isomers. U.S. Patent 4,086,287 (Example 4) describes that when using a large crystalline ZSM-5 catalyst, a low ortho content of about 1.6% and a meta content of about 65% can be obtained. However, even in this case, the content of the ortho isomer is present in excess. High temperatures and relatively slow space velocities further increase the content of meta isomers and further reduce the content of ortho isomers (US Pat. No. 4,086,287 (Example 4)). However, for commercial processes, faster space velocities are preferred because more and more product can be produced from Example 4 and in units of a given size. However, there is no suggestion that yielding preferred isomer ratios at higher space velocities.

제올라이트의 확산 특성을 적절하게 조절함으로써 오르토 이성질체의 함량을 소량으로 적절하게 감소시킬 수 있지만, 이 경우에는 그 공정이 매우 위치 선택성(regioselectivty)으로 될 정도로 파라 이성질체에 대한 선택성에 있어서 주요 증가가 수반된다. ZSM-5를 마그네슘, 인 또는 붕소로 개질시키는 경우, 오르토 이성질체의 함량은 거의 0으로 감소될 수 있지만, 이 경우에는 파라 이성질체에 대한 선택성이 매우 높아져서 에틸톨루엔 생성물의 파라 이성질체 성분과 메타 이성질체 성분은 소망하는 균형을 이루지 못하게 된다. 이와 같은 방법은 미국 특허 제4,086,287호 및 제4,143,084호에 개시되어 있다.By appropriately adjusting the diffusion properties of the zeolites, the content of ortho isomers can be adequately reduced in small quantities, but this involves a major increase in the selectivity to the para isomers such that the process becomes very regioselectivty. . When ZSM-5 is modified with magnesium, phosphorus or boron, the content of ortho isomers can be reduced to almost zero, but in this case the selectivity to para isomers becomes very high, so that the para isomers and meta isomers of the ethyl toluene product The desired balance is not achieved. Such a method is disclosed in US Pat. Nos. 4,086,287 and 4,143,084.

미국 특허 제4,489,214호(Butler)에는 고도의 규산질형의 제올라이트 ZSM-5로 알려져 있는 “실리카라이트”라고 부르는 촉매 물질을 이용하여 에틸톨루엔을 제조하는 방법이 개시되어 있다(Fyfe 등의 문헌[“Resolving crystallographically distinct sites in silicalite and ZSM-5 by solid state NMR”](Nature 296, 530(1982)) 및 Olson, D. H. 등의 문헌[J.Catalysis] (61, 390-396(1980)) 참조).U.S. Patent No. 4,489,214 (Butler) discloses a process for producing ethyltoluene using a catalytic material called "silicalite", known as a highly siliceous zeolite ZSM-5 (Fyfe et al., "Resolving crystallographically distinct sites in silicalite and ZSM-5 by solid state NMR ”] (Nature 296, 530 (1982)) and Olson, DH et al., J. Catalysis (61, 390-396 (1980)).

그러므로, 요약하자면 비교적 높은 함량의 메타 이성질체와 1.5% 이하, 바람직하게는 0.5% 이하의 낮은 함량의 오르토 이성질체를 갖는 에틸톨루엔을 제조해야 한다는 점이 여전히 문제점으로서 남아 있다.Therefore, in summary it remains a problem that ethyl toluene having a relatively high content of meta isomers and a low content of ortho isomers of up to 1.5%, preferably up to 0.5%, still remains.

본 발명자는 비교적 고함량의 메타 이성질체와 저함량의 오르토 이성질체를 갖는 에틸톨루엔을 제조하는 방법에 착안하기에 이르렀다. 상기 생성물의 메타 이성질체 대 파라 이성질체의 중량비는 1.1(m-:p-) 이상, 바람직하게는 1.5:1 이상이고, 오르토 이성질체의 함량은 어떠한 경우에도 1.5%를 초과하지 못하며 통상적으로는 1% 이하이다. 이러한 결과는 반응시 촉매와 가공 억제제를 적절히 선택함으로써 이루어진다.The inventors have come to focus on a process for producing ethyltoluene having relatively high meta isomers and low ortho isomers. The weight ratio of meta isomer to para isomer of the product is at least 1.1 (m-: p-), preferably at least 1.5: 1, and the content of ortho isomers in any case does not exceed 1.5% and is usually 1% or less. to be. This is achieved by the appropriate choice of catalyst and processing inhibitor in the reaction.

에틸톨루엔 생성물은 증기 처리(steaming)에 의해 제조되는 산도가 조절된 소공의 크기가 중간인 알루미노실리케이트 제올라이트 촉매의 존재하에 톨루엔을 에틸화시킴으로써 제조된다. 상기 반응은 통상적으로 톨루엔:에틸렌의 비율을 약 2:1 내지 20:1으로 하고, 톨루엔 공급 원료에 기초한 공간 속도(WHSV)를 약 10 내지 40으로 하여 700 내지 900℉(약 370 내지 480℃)의 온도에서 수행된다.The ethyltoluene product is prepared by ethylating toluene in the presence of an aluminosilicate zeolite catalyst of moderately sized pore size produced by steaming. The reaction is typically 700 to 900 ° F. (370 to 480 ° C.) with a ratio of toluene: ethylene of about 2: 1 to 20: 1 and a space velocity (WHSV) of about 10 to 40 based on the toluene feedstock. Is carried out at a temperature of.

본 발명의 방법에 있어서, 톨루엔을 소공의 크기가 중간인 증기 처리된 알루미노실리케이트 제올라이트 촉매 존재하에 에틸렌과 반응시킨다. 상기 방법의 목적은 고함량의 메타 이성질체와 매우 극소량의 오르토 이성질체를 갖는 에틸톨루엔 생성물을 제조하는 것이다. 상기 생성물의 메타 이성질체:파라 이성질체의 중량비는 1:1 이상(오르토가 없는 상태를 기준으로 메타 이성질체 50 중량% 이상과 동일함)이며, 바람직하게는 1.2:1 이상(오르토가 없는 상태를 기준으로 메타 이성질체 55 중량% 이상)이다. 그러나, 모든 경우에 있어서, 오르토 이성질체의 최대 함량은 1.5 중량%로 유지되어야 하고, 바람직하게는 1 중량% 이하로 하여야 하거나, 또는, 상기 에틸톨루엔 생성물을 중합 반응 등급의 비닐 톨루엔에 사용하고자 하는 경우에는, 0.5 중량%이어야 더 좋다.In the process of the invention, toluene is reacted with ethylene in the presence of a steamed aluminosilicate zeolite catalyst of medium pore size. The purpose of the process is to produce an ethyltoluene product having a high content of meta isomers and a very small amount of ortho isomers. The weight ratio of meta isomer: para isomer of the product is 1: 1 or more (equivalent to 50% by weight or more meta isomer based on ortho free state), preferably 1.2: 1 or more (based on ortho free state) Meta isomer of at least 55% by weight). In all cases, however, the maximum content of ortho isomers should be maintained at 1.5% by weight, preferably at most 1% by weight, or when the ethyltoluene product is intended for use in the polymerized reaction grade vinyl toluene. It is better that it is 0.5 weight%.

톨루엔을 ZSM-5와 같은 형상 선택성 이종 촉매 존재하에서 에틸렌과 반응시킬 때, 그 초기 생성물은 파라 톨루엔일 가능성이 있는데, 이것은 상기 산성 촉매와의 접촉이 연속됨에 따라 메타 이성질체로, 이어서 오르토 이성질체로 점진적으로 전환된다. 반응이 격렬해짐에 따라, 이에 상응하여 평형 이동이 가속화됨으로써 비교적 다량의 메타 이성질체를 함유하며, 동시에 오르토 이성질체의 함량이 극소량으로 유지되는 생성물을 생성시키는 것이 어렵게 된다. 통상적으로, 전술한 미국 특허 제4,143,084호(Kaeding)에 개시된 바와 같이, 메타 이성질체가 생성될 때는 상기 촉매의 형상 선택성이 파라 이성질체에 대해 높은 위치 선택성(이런 경우, 불충분한 양의 메타 이성질체가 생성됨)을 지닐 정도로 개질되지 않는다면, 반응 생성물의 조성이 상기 촉매 존재하에서 평형으로 이동함에 따라 오르토 이성질체의 양을 증가시키는 결과를 수반한다.When toluene is reacted with ethylene in the presence of a form-selective heterogeneous catalyst such as ZSM-5, the initial product is likely para toluene, which is progressively meta-isomer and then ortho-isomer as the contact with the acidic catalyst is continued. Is switched to. As the reaction intensifies, the equilibrium shift is accelerated accordingly, making it difficult to produce products containing relatively large amounts of metaisomers, while at the same time retaining very small amounts of ortho isomers. Typically, as described in Kaeding, supra, U.S. Patent No. 4,143,084, when meta-isomers are produced, the shape selectivity of the catalysts is highly regioselective with respect to the para-isomers, in which case insufficient amounts of meta-isomers are produced. If not modified to a degree, the composition of the reaction product entails increasing the amount of ortho isomers as it moves to equilibrium in the presence of the catalyst.

그러나, 본 발명의 방법에 있어서는, 촉매의 산성과 선택성을 동시에 개질시키며, 선택된 반응 인자들과 함께 이용함으로써 목적하는 이성질체 분포율을 갖는 에틸톨루엔 생성물을 제조한다. 본 방법은 극소량의 오르토 이성질체와 고함량의 메타 이성질체를 갖는 목적 생성물을 제공하는 것 외에도, 목적 생성물인 에틸톨루엔의 조성을 바람직한 이성질체 분포율로 이동시키는 데 충분한 접촉 시간(공간 속도의 역수)을 유지하면서 촉매의 활성을 제어하여 불균화 반응을 억제함으로써, 톨루엔 공급 원료의 불균화 반응에 의해 생성되는 에틸벤젠 부산물의 비율을 감소시킨다.In the process of the present invention, however, the acidity and selectivity of the catalyst are simultaneously modified and used together with the selected reaction factors to produce an ethyltoluene product having the desired isomer distribution. In addition to providing the desired product with very small amounts of ortho and high meta isomers, the process maintains a sufficient contact time (inverse of space velocity) to shift the composition of the desired product ethyltoluene to the desired isomer distribution. By suppressing the disproportionation reaction by controlling the activity of, the proportion of ethylbenzene by-products produced by the disproportionation reaction of the toluene feedstock is reduced.

상기 촉매는 필수적인 촉매 성분으로서 알루미노실리케이트 제올라이트 ZSM-5를 포함한다. 이러한 제올라이트, 즉 소공의 크기가 중간인 상기 제올라이트는 알루미나와 같은 결합제를 기질로 함으로써 상기 촉매에 충분한 강도를 제공하고, 바람직한 저산성 물질에 대한 결합제의 영향을 피하는 것이 바람직하다. ZSM-5는 소정의 확산 특성을 제공하도록 결정 크기가 1㎛ 보다 큰, 바람직하게는 약 1.5㎛ 또는 그 이상, 예를 들면 2㎛이어야 한다. 이러한 결정 크기의 ZSM-5는 치환된 암모늄 작용제, 예를 들면 테트라프로필암모늄 양이온과 트리메틸암모늄 양이온을 함께 사용하여 종래 기술에 의해 용이하게 제조할 수 있는데, 이러한 제조방법은 관련 기술을 설명하기 위해 본 명세서에 참고 문헌으로서 포함시킨 미국 특허 제4,375,458호(Dwyer)에 개시되어 있는 바와 같다.The catalyst includes aluminosilicate zeolite ZSM-5 as an essential catalyst component. Such zeolites, i.e. the zeolites of medium pore size, provide a sufficient strength to the catalyst by using a binder such as alumina as a substrate, and it is preferable to avoid the influence of the binder on the desired low acidic material. ZSM-5 should have a crystal size larger than 1 μm, preferably about 1.5 μm or more, such as 2 μm, to provide the desired diffusion properties. ZSM-5 of this crystal size can be easily prepared by the prior art using a substituted ammonium agent, for example, tetrapropylammonium cation and trimethylammonium cation. As disclosed in US Pat. No. 4,375,458 (Dwyer), which is incorporated herein by reference.

제올라이트 원료를 증기 처리하여 톨루엔 불균화 반응과 같은 부반응의 발생을 감소시킴으로써, 제올라이트의 활성은 비교적 낮은 조절된 수준으로 유지된다. 상기 촉매의 산 활성은 1 내지 80, 바람직하게는 1 내지 50의 알파 값으로 유지되어야 한다. 밝혀진 바에 의하면, 알파 값이 약 30인 경우에 양호한 결과가 나온다.By steaming the zeolite raw material to reduce the occurrence of side reactions such as toluene disproportionation, the zeolite activity is maintained at relatively low controlled levels. The acid activity of the catalyst should be maintained at an alpha value of 1 to 80, preferably 1 to 50. It has been found that good results are obtained when the alpha value is about 30.

알파 값은 표준 촉매에 비교한 상기 촉매의 접촉 분해 활성의 대략적인 지표이다. 알파 시험은 알파 값이 1로서 주어지는 표준 촉매에 대한 상기 시험 촉매의 상대 속도 상수(단위 시간 및 촉매의 용적당 n-헥산의 전환율)를 제공한다(속도 상수=0.016/초). 이러한 알파 시험은 미국 특허 제3,354,078호 및 문헌[J.Catalysis](4, 527(1965); 6, 278(1966); 및 61, 395(1980))에 나타나 있으며, 이들 문헌은 상기 시험을 설명하고자 본 명세서에서 참고로 인용하였다. 본 명세서에 언급되고 있는 알파 값을 측정하는 데 사용한 상기 시험의 실험 조건은, 문헌[J. Catalysis](61, 395(1980))에 상세히 나타나 있는 바와 같이, 가변 유속과 538℃의 일정한 온도를 포함한다.The alpha value is an approximate indicator of the catalytic cracking activity of the catalyst compared to the standard catalyst. The alpha test provides the relative rate constants (unit time and conversion of n-hexane per volume of catalyst) of the test catalyst relative to the standard catalyst, given an alpha value of 1 (rate constant = 0.016 / sec). Such alpha tests are shown in US Pat. No. 3,354,078 and J. Catalysis (4, 527 (1965); 6, 278 (1966); and 61, 395 (1980)), which describe the test. It is hereby incorporated by reference. The experimental conditions of the test used to determine the alpha value referred to herein are described in J. Catalysis (61, 395 (1980)), which includes a variable flow rate and a constant temperature of 538 ° C.

증기 처리에 의하여 목적하는 산성 활성도를 생성시키는 것이 본 방법의 필수적인 특징인 것으로 밝혀졌다. 즉, 고도의 규산질인 저활성도의 제올라이트를 사용할 경우에는 목적하는 고함량의 메타 이성질체를 갖는 에틸톨루엔 생성물을 제조할 수 없다. 통상적으로, 최종 알파 값까지 증기 처리하기 전에 제올라이트 중의 실리카와 알루미나의 비율이 약 70:1인 경우 최종 촉매에 대해 양호한 결과를 제공하게 된다.It has been found that producing the desired acidic activity by steam treatment is an essential feature of the process. In other words, when using a highly siliceous low activity zeolite, an ethyltoluene product having the desired high meta metaisomer cannot be produced. Typically, a silica to alumina ratio of about 70: 1 in the zeolite prior to steaming up to the final alpha value will provide good results for the final catalyst.

본 발명의 반응은 약 500 내지 약 850℉(약 260 내지 455℃) 범위의 온도에서 ZSM-5 촉매상에 톨루엔과 에틸렌을 함께 통과시킴으로써 수행된다. 접촉 시간(공간 속도의 역수)은, 오르토 이성질체의 함량을 필요한 낮은 수준으로 유지시키는 동시에 목적하는 함량의 메타 이성질체를 제공하는 데 충분하게 생성물의 조성을 이동시킬 수 있는 값으로 유지시킨다. 반응 온도와 접촉 시간은 양쪽 모두 전체 반응의 격렬성과 관계가 있기 때문에, 온도와 옹간 속도를 절충할 수 있으며, 공간속도를 감소시키면 메타 이성질체와 오르토 이성질체의 함량이 증가한다. 통상적으로, 온도는 약 750 내지 850℉(약 400 내지 455℃)이며, 공간 속도는 톨루엔 공급 원료에 대하여 10 내지 40 WHSV이다.The reaction of the present invention is carried out by passing together toluene and ethylene over a ZSM-5 catalyst at a temperature in the range of about 500 to about 850 ° F. (about 260 to 455 ° C.). The contact time (inverse of the space velocity) maintains the content of the ortho isomer at a necessary low level while at the same time allowing the composition of the product to shift to provide the desired content of the metaisomer. Since both reaction temperature and contact time are related to the severity of the overall reaction, there is a trade-off between temperature and knot velocity, and decreasing the space velocity increases the content of meta- and ortho-isomers. Typically, the temperature is about 750-850 ° F. (about 400-455 ° C.) and the space velocity is 10-40 WHSV for the toluene feedstock.

비교적 빠른 공간 속도가 중요하다 상업적인 방법에 있어서, 보다 빠른 공간 속도는 일정 규모 단위로 더 다량의 생성물이 제조되는 것을 가능케 한다. 또한, 그 밖에, 공간 속도는 다량의 메타 이성질체와 극소량의 오르토 이성질체를 함유하는 혼합물의 생성에 기여한다는 사실을 발견하였다.Relatively fast space velocities are important In commercial processes, faster space velocities allow for the production of larger amounts of product on a scale basis. In addition, it was found that space velocity also contributes to the production of mixtures containing large amounts of meta isomers and very small amounts of ortho isomers.

상기 반응에 있어서, 압력은 중요하지 않으며, 경우에 따라서는 보다 높은 압력을 사용할 수도 있지만, 경제적인 이유에서 볼 때 적절한 낮은 압력, 통상적으로 약 500 psig(약 3550 KPa, 절대 압력) 이하에서 수행하는 것이 편리하게 된다. 톨루엔 대 에틸렌의 비율은 에틸톨루엔에 대한 에틸렌의 높은 선택성을 확보하기 위해서 비교적 높은 것이 좋다. 통상적으로, 톨루엔 대 에틸렌의 비율은 2:1 내지 약 30:1이며, 대부분의 경우에 있어서는 10:1 내지 20:1(몰비)이 만족스럽게 된다.In this reaction, the pressure is not critical and in some cases higher pressures may be used, but for economic reasons it is carried out at a suitable low pressure, typically about 500 psig (about 3550 KPa, absolute pressure) or less. Is convenient. The ratio of toluene to ethylene is preferably relatively high in order to ensure high selectivity of ethylene over ethyltoluene. Typically, the ratio of toluene to ethylene is from 2: 1 to about 30: 1, in most cases from 10: 1 to 20: 1 (molar ratio).

톨루엔을 에틸화시키는 데 있어서 3종의 상이한 ZSM-5/알루미나 촉매를 시험하였다. 사용된 촉매는 다음과 같다:Three different ZSM-5 / alumina catalysts were tested for ethylating toluene. The catalyst used is as follows:

촉매 A : 증기 처리하지 않은 ZSM-5, 결정 크기 > 1㎛, 358 알파Catalyst A: ZSM-5 without steam treatment, crystal size> 1 μm, 358 alpha

촉매 B : 증기 처리한 ZSM-5, 결정 크기 > 1㎛, 70 알파Catalyst B: Steam-treated ZSM-5, Crystal size> 1 μm, 70 alpha

촉매 C : 증기 처리한 ZSM-5, 결정 크기 > 1㎛, 30 알파.Catalyst C: ZSM-5 vaporized, crystal size> 1 mu m, 30 alpha.

810 내지 835℉(432 내지 446℃)의 온도에서 150 psig(1130 KPa, 절대압력)의 압력하에 톨루엔과 에틸렌을 상기 촉매상에 통과시켰다. 톨루엔의 공급 원료를 기준으로 한 공간 속도는 130 WHSV로 하였다. 톨루엔 대 에틸렌의 몰 비율은 16으로 하여 사용하였다. 그 결과를 하기 표 1에 요약하였다.Toluene and ethylene were passed over the catalyst at a pressure of 150 psig (1130 KPa, absolute pressure) at a temperature of 810-835 F (432-446 C). The space velocity based on the feedstock of toluene was 130 WHSV. A molar ratio of toluene to ethylene was used as 16. The results are summarized in Table 1 below.

[표 1]TABLE 1

*반응기 주입구 * Reactor inlet

[실시예 2]Example 2

상기 증기 처리된 ZSM-5 30 알파 촉매(촉매 C)를 사용하여 반응의 격렬성에 미치는 영향(접촉 시간, 온도)을 조사하였다. 760 내지 약 790℉(404 내지 421℃)(반응기 주입구)의 온도에서 톨루엔을 에틸화시켰다. 상기 톨루엔의 공급원료를 기준으로 한 공간 속도는 20 내지 130(WHSV) 범위이었다. 150 psig의 압력하에서 톨루엔 대 에틸렌의 몰 비율은 7 또는 16으로 하여 사용하였다. 수소는 전혀 첨가하지 않았다. 그 결과를 하기 표 2에 요약하였다.The vaporized ZSM-5 30 alpha catalyst (catalyst C) was used to investigate the effect (reaction time, temperature) on the severity of the reaction. Toluene was ethylated at a temperature of 760 to about 790 ° F. (404 to 421 ° C.) (reactor inlet). The space velocity based on the feedstock of toluene ranged from 20 to 130 (WHSV). The molar ratio of toluene to ethylene was used at 7 or 16 under a pressure of 150 psig. No hydrogen was added at all. The results are summarized in Table 2 below.

[표 2]TABLE 2

*반응기 주입구 * Reactor inlet

표 3의 결과는 접촉 시간이 증가함에 따라(공간 속도 수치가 감소함에 따라) 메타 이성질체의 생성율이 증가하지만, 바람직하지 못한 오르토 이성질체의 함량의 증가를 수반한다는 것을 보여준다. 반응의 격렬도를 선택함으로써, 오르토 이성질체를 0.5% 이하로 유지시키면서 고함량의 메타 이성질체를 수득할 수 있다.The results in Table 3 show that as the contact time increases (as the space velocity figure decreases) the production rate of meta isomers increases, but it is accompanied by an increase in the content of undesirable ortho isomers. By selecting the intensity of the reaction, it is possible to obtain a high content of meta isomers while maintaining the ortho isomer at 0.5% or less.

[실시예 3]Example 3

250 psig(블랭크 상태 KPa, 절대 압력)의 전체계의 압력(반응기 주입구)하에 수소를 함께 공급하면서 상기 증기 처리된 30 알파 ZSM-5 촉매상에서 톨루엔을 에틸화시켰다. 그 결과를 하기 표 3에 요약하였다.Toluene was ethylated on the steamed 30 alpha ZSM-5 catalyst while feeding hydrogen together at a total pressure of 250 psig (blank KPa, absolute pressure) (reactor inlet). The results are summarized in Table 3 below.

상기 결과는 함께 공급된 수소가 에틸톨루엔 이성질체의 분포율에 현저한 영향을 미치지 못하지만(상기 표 2와 비교), 불균화 반응 활성을 약간 감소시킨다는 것을 보여준다. 그러나, 이러한 연구에 있어서는 비교적 긴 접촉 시간을 사용하였는데, 보다 높은 격렬도에서 작업을 수행할 때는 바람직하지 못한 오르토 에틸톨루엔의 함량이 허용 가능한 수준을 초과할 수 있다.The results show that the hydrogen supplied together does not significantly affect the distribution of ethyltoluene isomers (compare Table 2 above) but slightly reduces disproportionation activity. However, in this study a relatively long contact time was used, where the content of undesirable ortho ethyltoluene could exceed acceptable levels when working at higher severity.

[표 3]TABLE 3

*반응기 주입구 * Reactor inlet

[실시예 4]Example 4

알파 값이 낮고(알파=16), 결정 크기가 2㎛인 고도의 규산질인 ZSM-5를 사용하여 3회의 작업을 실시하였다. 상기 반응은 촉매의 낮은 산성을 보충하기 위해 반응기 주입구의 온도를 820 내지 850℉(438 내지 455℃) 범위에서 변화하는 보다 높은 온도에서 수행하였다. 상기 반응은 수소의 부재하에서 톨루엔 대 에틸렌의 몰비를 16:1로 하여 수행하였다. 공간 속도는 60 내지 130으로 하여 온도에 대하여 역으로 변화시켰다. 그 결과를 하기 표 4에 요약하였다.Three operations were performed using ZSM-5, a highly siliceous, low alpha value (alpha = 16) and crystal size 2 μm. The reaction was carried out at higher temperatures where the temperature of the reactor inlet was varied in the range from 820 to 850 ° F. (438 to 455 ° C.) to compensate for the low acidity of the catalyst. The reaction was carried out with a molar ratio of toluene to ethylene of 16: 1 in the absence of hydrogen. The space velocity was 60 to 130 and was changed inversely with respect to temperature. The results are summarized in Table 4 below.

[표 4]TABLE 4

*반응기 주입구 * Reactor inlet

상기 표 4의 결과는 고도로 규산질인 제올라이트를 사용하는 경우 생성물 중에서 저 함량의 오르토 이성질체를 수득할 수 있지만, 이와 동시에 메타 이성질체에 적절히 논은 함량을 얻을 수 없다는 것을 보여준다.The results in Table 4 show that when a highly siliceous zeolite is used, a low content of ortho isomers can be obtained in the product, but at the same time it is not possible to obtain adequately padded content for metaisomers.

[실시예 5]Example 5

2종의 ZSM-5 촉매를 사용하여 ZSM-5 결정 크기의 영향을 조사하였다. 제1 촉매(촉매 D)는 알파 값이 50이고, 제올라이트 결정 크기가 0.05㎛ 이하이며, 제2 촉매(촉매 E)는 알파값이 18이고, 결정 크기는 0.1 내지 1㎛이다. 상기 2종의 촉매를 사용하여 수소 부재하에서 150 psig(1135 KPa)의 압력하에 약 780 내지 860℉(약 415 내지 460℃)의 온도에서 톨루엔을 에틸화시켰다. 하기 표 5와 표 6의 각각에 촉매 D와 E에 대한 결과를 요약하였다.Two ZSM-5 catalysts were used to investigate the effect of ZSM-5 crystal size. The first catalyst (catalyst D) has an alpha value of 50, a zeolite crystal size of 0.05 μm or less, a second catalyst (catalyst E) has an alpha value of 18 and a crystal size of 0.1 to 1 μm. The two catalysts were used to ethylate toluene at a temperature of about 780 to 860 ° F. (about 415 to 460 ° C.) under a pressure of 150 psig (1135 KPa) in the absence of hydrogen. The results for catalysts D and E are summarized in each of Tables 5 and 6 below.

[표 5]TABLE 5

*반응기 주입구 * Reactor inlet

[표 6]TABLE 6

*반응기 주입구 * Reactor inlet

상기 결과는 촉매의 제올라이트 성분의 결정 크기가 에틸톨루엔 생성물의 이성질체 분포율에 영향을 미친다는 것을 보여준다. 보다 작은 결정의 저산성 ZSM-5 촉매는 대등한 조건하에서 상기 실시예 1의 보다 큰 결정의 저산성 촉매(촉매 B, C)를 이용하여 얻을 수 있는 저함량의 오르토 이성질체를 얻을 수 없었다.The results show that the crystal size of the zeolite component of the catalyst affects the isomer distribution of the ethyltoluene product. The smaller acidic low acid ZSM-5 catalyst was not able to obtain the low content ortho isomers that could be obtained using the larger acidic acid catalysts of Example 1 (catalysts B and C) under comparable conditions.

[실시예 6]Example 6

알파 값이 약 30인 증기 처리된 ZSM-5 촉매를 사용하여, 공간 속도의 증가가 생성물 중의 메타 이성질체의 비율에 미치는 영향을 조사하였다.A steamed ZSM-5 catalyst with an alpha value of about 30 was used to investigate the effect of increasing space velocity on the proportion of metaisomers in the product.

표 7에 보고된 4 가지 경우는, 775 내지 800℉ 범위 내의 온도에서 2층(two-bed) 작동 방식으로 스트림(OS) 상에서 상이한 4회의 시기에 얻어진 결과를 보여준다. WHSV 톨루엔으로 기록되어 있는 반응물의 공간 속도는 약 15 내지 약 42로 변화시켜서 하기 표 7에 나타낸 결과를 수득하였다.The four cases reported in Table 7 show the results obtained at four different times on stream (OS) in a two-bed mode of operation at temperatures in the range of 775 to 800 ° F. The space velocity of the reactants recorded with WHSV toluene was varied from about 15 to about 42 to obtain the results shown in Table 7 below.

[표 7]TABLE 7

상기 결과는 공간 속도가 증가함에 따라서, 생성물내 메타 이성질체의 비율이 감소한다는 것을 보여준다. 동시에, 오르토 이성질체의 비율은 감소한다. 그러므로, 공간 속도의 증가는 이성질체 혼합물의 조성을 평형 값으로부터 멀리 이동시키는 효과를 갖는 반면, 공간 속도의 감소는 평형에 이르려는 경향을 발생시킬 것이다. 생성물 내 오르토 이성질체의 함량은 점차적으로 감소하는 공간 속도에서 메타 이성질체와 함께 증가하는 경향이 있다.The results show that as the space velocity increases, the proportion of meta isomers in the product decreases. At the same time, the proportion of ortho isomers decreases. Therefore, an increase in space velocity has the effect of shifting the composition of the isomeric mixture away from the equilibrium value, while a decrease in space velocity will generate a tendency to reach equilibrium. The content of ortho isomers in the product tends to increase with meta isomers at gradually decreasing space velocities.

Claims (8)

결정 크기가 1㎛를 초과하고, 온도 700 내지 900℉ 및 톨루엔 공급 원료에 대한 공간 속도 10 내지 40 WHSV에서 알파 값 1 내지 80까지 증기 처리한 ZSM-5를 함유하는 촉매의 존재하에 톨루엔을 에틸렌으로 에틸화시켜서, 메타 이성질체 대 파라 이성질체의 중량비가 1:1 이상이며 오르토 이성질체의 함량이 1.5 중량% 이하인 에틸톨루엔 이성질체들의 혼합물로 이루어진 반응 생성물을 제조하는 것을 특징으로 하는 고함량의 메타 이성질체와 극소량의 오르토 이성질체로 이루어진 에틸톨루엔 이성질체 혼합물의 제조 방법.Toluene was converted into ethylene in the presence of a catalyst having a crystal size exceeding 1 μm and containing ZSM-5 steamed to a alpha value of 1 to 80 at a temperature of 700 to 900 ° F. and a space velocity of 10 to 40 WHSV for the toluene feedstock. Ethylation to produce a reaction product consisting of a mixture of ethyltoluene isomers having a weight ratio of meta isomers to para isomers of at least 1: 1 and an ortho isomer content of 1.5 wt% or less, characterized in that the high content of meta isomers and trace amounts Process for the preparation of ethyltoluene isomer mixture consisting of ortho isomers. 제1항에 있어서, 상기 에틸톨루엔 이성질체 혼합물 중의 메타 이성질체 대 파라 이성질체의 중량비는 1.2:1 이상인 것인 방법.The method of claim 1, wherein the weight ratio of meta isomer to para isomer in the ethyltoluene isomer mixture is at least 1.2: 1. 제1항에 있어서, 상기 에틸톨루엔 이성질체 혼합물 중의 오르토 이성질체의 함량은 1 중량% 이하인 것인 방법.The method of claim 1 wherein the content of ortho isomers in the ethyltoluene isomer mixture is 1 wt% or less. 제1항에 있어서, 상기 에틸톨루엔 이성질체 혼합물 중의 오르토 이성질체의 함량은 0.5 중량% 이하인 것인 방법.The method of claim 1, wherein the content of ortho isomers in the ethyltoluene isomer mixture is 0.5 wt% or less. 제1항에 있어서, 상기 ZSM-5의 결정 크기가 2㎛ 이상인 것인 방법.The method of claim 1, wherein the ZSM-5 has a crystal size of at least 2 μm. 제1항에 있어서, 상기 촉매의 알파 값이 1 내지 50인 것인 방법.The method of claim 1 wherein the alpha value of the catalyst is 1-50. 제5항에 있어서, 상기 촉매의 알파 값이 1 내지 40인 것인 방법.The method of claim 5, wherein the alpha value of the catalyst is 1-40. 제1항에 있어서, 상기 톨루엔은 750 내지 850℉의 온도에서 에틸렌과 반응하는 것인 방법.The method of claim 1 wherein the toluene is reacted with ethylene at a temperature of 750 to 850 ° F.
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