KR100296941B1 - Silver supported catalyst for the production of ethylene oxide - Google Patents

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    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/38Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
    • B01J23/54Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals combined with metals, oxides or hydroxides provided for in groups B01J23/02 - B01J23/36
    • B01J23/66Silver or gold
    • B01J23/68Silver or gold with arsenic, antimony, bismuth, vanadium, niobium, tantalum, polonium, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, technetium or rhenium
    • B01J23/682Silver or gold with arsenic, antimony, bismuth, vanadium, niobium, tantalum, polonium, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, technetium or rhenium with vanadium, niobium, tantalum or polonium

Abstract

PURPOSE: The present invention relates to silver supported catalyst that is used for the manufacture of ethylene oxide by gas-phase partial oxidation reaction between ethylene and oxygen/oxygen-containing gas. CONSTITUTION: In the forming of a carrier for the production of catalyst, 5-40wt.% of Nb2O5 is added to the carrier. The carrier material is selected from alpha-alumina, silica, silicon carbide, and zirconia. The carrier of the present invention shows superior activity, selectivity and its catalytic activity last long.

Description

[발명의 명칭][Name of invention]

산화에틸렌 제조용 은 담지 촉매Silver supported catalyst for ethylene oxide production

[발명의 상세한 설명]Detailed description of the invention

본 발명은 에틸렌과 산소 또는 산소함유 기체의 기상접촉 부분산화 반응에 의하여 산화에틸렌을 제조하는데 사용되는 은 담지 촉매에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 산화니오비움을 알파 알루미나와 혼합하여 비표면적이 2㎡/g 이하의 다공성 물질형태로 성형하여 담체를 제조하거나 이미 성형된 담체에 수산니오비움을 도핑한 후, 이 담체에 은을 담지하여 제조된 촉매를 사용하여 에틸렌의 부분산화 반응에 의하여 산화에틸렌을 제조하는데 사용되는 활성 및 선택성이 기존 촉매에 비해 매우 우수한 은 담지 촉매에 관한 것이다.The present invention relates to a silver supported catalyst used for preparing ethylene oxide by gas phase contact partial oxidation of ethylene and oxygen or an oxygen-containing gas. More specifically, the specific surface area is 2 by mixing niobium oxide with alpha alumina. Ethylene oxide is prepared by preparing a carrier by molding into a porous material of ㎡ / g or less or by doping niobium hydroxide on a carrier which has already been molded, and then partially oxidation of ethylene using a catalyst prepared by supporting silver on the carrier. It relates to a silver supported catalyst which has a very good activity and selectivity used to prepare the catalyst as compared to the existing catalyst.

에틸렌의 직접산화에 의해 산화에틸렌을 제조하는 반응에 있어서는 은이 우수한 성능을 나타내는 유일한 촉매로 알려져 있다. 알맞은 반응조건 하에서는 에틸렌 전환율이 낮을 때 성능이 좋은 촉매는 80% 이상의 선택도를 나타내기도 한다. 선택성은 에틸렌이 반응해서 산화에틸렌으로 되는 몰%를 의미하며 주로 생성되는 부산물은 이산화탄소이다. 상업적으로 산화에틸렌은 20~300℃의 온도, 150~300psig의 압력에서 생산된다. 일반적으로 선택도는 에틸렌 전환율이 증가할수록 감소하며 상업적인 공정에서의 선택도는 운전조건에 따라 65~80% 정도의 범위를 갖는다. 에틸렌의 산화에틸렌으로의 부분산화반응이 은촉매의 존재하에서만 일어나지만 촉매의 물리적 형상이나 촉매내의 미량 불순물의 존재 유무가 선택도와 활성에 중요한 영향을 미친다. 은촉매의 연구가 시작된 초기에는 은(Ag)은 박막, 분말, 호일 또는 합금 등이 벌크형태로 사용되었었다. 이러한 형태의 은의 사용은 발열반응에서 생성되는 열의 신속한 제거를 가능하게 함으로써 부반응을 억제하는데 유리한 점이 있으나, 이러한 벌크 형태의 촉매는 비활성이 낮아, 상업적인 규모에서는 많은 양의 금속을 필요로 하므로 경제적이지 못하다. 따라서 은의 분산도를 높임으로서 고가의 은을 보다 효율적으로 사용하기 위해 은을 다공성 무기질 담체에 담지한 촉매를 사용해 왔다. 담체로서는 공극율 40~60%, 비표면적 0.1~1㎡/g 의 적당한 기계적 강도를 가진 것이 많이 사용되었다. 촉매작용에 있어서는 담체는 불황성으로서 촉매성능에 영향을 미치지 않는 것으로 간주되어 왔고 대부분의 특허나 문헌상에서도 담체의 불활성이 강조되어 왔다.In the reaction for producing ethylene oxide by direct oxidation of ethylene, silver is known as the only catalyst showing excellent performance. Under good reaction conditions, a good catalyst at low ethylene conversion may have a selectivity of over 80%. Selectivity refers to the mole percent of ethylene that reacts to ethylene oxide, with the main byproduct being carbon dioxide. Commercially, ethylene oxide is produced at temperatures between 20 and 300 ° C and pressures between 150 and 300 psig. In general, selectivity decreases with increasing ethylene conversion and selectivity in commercial processes ranges from 65 to 80% depending on operating conditions. Although partial oxidation of ethylene to ethylene oxide occurs only in the presence of a silver catalyst, the physical shape of the catalyst and the presence of trace impurities in the catalyst have a significant effect on selectivity and activity. In the early days of the study of silver catalysts, silver (Ag) was used in bulk as thin films, powders, foils or alloys. The use of this type of silver has the advantage of suppressing side reactions by enabling the rapid removal of the heat generated in the exothermic reaction, but this bulk catalyst is not economical because of its low inertness, which requires a large amount of metal on a commercial scale. . Therefore, in order to use expensive silver more efficiently by increasing the dispersion degree of silver, the catalyst which supported silver on the porous inorganic carrier has been used. As the carrier, many having a suitable mechanical strength of 40 to 60% porosity and 0.1 to 1 m 2 / g specific surface area were used. In catalysis, the carrier is considered to be inert and does not affect the catalytic performance, and inertness of the carrier has been emphasized in most patents and literature.

담체에 포함되어 있는 소량의 불순물이 촉매 성능에 영향을 미칠 수 있는 가능성이 있다는 점에서 담체의 불활성에 관해서는 논란의 여지가 있어 왔다. 사실상 에틸렌 산화반응촉매 제조시 조촉매로서 은과 함께 담체에 담지되는 여러 가지 금속들 중에는 원래부터 이미 담체 내에 존재하고 있는 경우가 많다. 대표적인 예가 알칼리 또는 알칼리토류금속 계의 조촉매이다. 촉매내에서 조촉매의 역할이 명확히 규명되지는 않았지만 작고 고르게 분산된 입자의 응집을 막고, 부반응을 억제하거나 활성에 영향을 주는 것으로 보인다. 그러나 원래부터 담체에 존재하고 있는 이들 조촉매 성분들은 대부분이 반응물들이 접근하기 쉬운 담체 표면보다는 담체 내부의 벌크상에 화학적 결합을 하고 있다. 은을 담체에 담지하는 기술로서는 분무담지법, 함침법, 침전법, 증발건조법 등이 있고 담지 후 은 촉매의 활성화를 위해 산화 또는 환원조건에서 소성과정을 거친다. 지금까지의 대부분의 촉매 제조기술에서는 담체가 촉매작용에 전혀 참여하지 않으며 단지 이 불활성인 담체 표면에 담지시키는 성분의 종류 및 양 등의 변화가 촉매의 성능을 변화시키는 것으로 알려져 있다.The inertness of the carrier has been controversial in that small amounts of impurities contained in the carrier may affect the catalyst performance. In fact, among the various metals supported on the carrier together with silver as a co-catalyst in the preparation of the ethylene oxidation catalyst, it is often present in the carrier. Representative examples are alkali or alkaline earth metal based promoters. Although the role of the promoter in the catalyst has not been clearly identified, it appears to prevent the aggregation of small, evenly dispersed particles, to inhibit side reactions or to affect the activity. However, most of these cocatalyst components originally present in the carrier are chemically bound to the bulk inside the carrier rather than to the surface of the carrier which is easily accessible to the reactants. As a technique for supporting silver on a carrier, there are spray supporting method, impregnation method, precipitation method, evaporation drying method, etc .. After supporting, silver is calcined under oxidation or reduction conditions to activate the silver catalyst. In most catalyst production techniques to date, it is known that a carrier does not participate in catalysis at all and only changes in the type and amount of a component supported on the surface of the inert carrier change the performance of the catalyst.

은 담지 촉매는 에틸렌과 산소 또는 산소함유기체를 기상접촉시켜 산화에틸렌을 제조하는데 공업적으로 사용되는 촉매로서, 이 반응에는 은을 다공성 무기질 담체에 담지한 촉매만이 유일한 것으로 알려져 있다. 은은 에틸렌을 산화에틸렌으로 산화시키는데 사용되는 주촉매로서 널리 알려져 있다. 여기에 조촉매의 성분으로서 알칼리 금속류, 알칼리토류 금속류, 철, 구리, 망간, 카드뮴, 지르코늄, 알루미늄 등이 단독 혹은 두 가지 이상이 조합으로 사용되는 등 최근에 미량의 반응 촉진제를 첨가하는 제안이 많아졌다. 그 중에서 촉진제로서 알칼리 금속을 사용하는 방법이 있다. 이들 촉매는 은만을 담지한 촉매에 비해서 활성 또는 선택성이 개량되지만 충분한 것은 아니다. 또한 알칼리 금속을 첨가한 촉매는 대개 은만을 담지한 촉매에 비해서 활성 저하 속도가 빨라서 촉매의 수명이 짧아지기도 하고, 알칼리 금속을 첨가함에 따라서 은만을 담지했을 때보다 촉매의 활성이 저하되어 높은 반응온도를 필요로 하기도 한다. 알칼리금속을 촉매에 담지할 때 복잡한 공정을 취하기 때문에 공업적인 규모로 생산할 때의 재현성이 문제가 되는 등 개선할 점이 많았다. 또한 독성의 물질을 함유한 것은 산화공정에 있어서 보통 사용되는 온도에서 그 표면적 대 중량비가 시간과 함께 감소하여 촉매 활성이 감소된다. 따라서 촉매의 활성감소를 극복하고 플랜트의 생산성을 일정하게 유지하기 위해서는 반응온도를 증가시키기 않으며 안된다. 이것은 생산비의 증가와 촉매수명의 단축을 가져오는 큰 결점이다. 또한 담지된 은촉매의 선택성은 은을 다공질 무기질 담체에 담지시키는 방법 및 촉매에 함유된 조촉매의 종류에 따라서 영향을 받기 쉬워서 다공성 무기질 담체에 은을 담지시키는 방법이 부적합하거나 조촉매의 성분 및 그 양이 부적당하면 촉매의 선택성이 낮아져서 이산화탄소가 많이 생성되고 목적생성물인 산화에틸렌은 조금밖에 생성되지 않는다.따라서 높은 효율로 산화에틸렌을 제조하기 위한 촉매의 성능으로서 높은 선택성, 높은 활성 및 촉매수명의 내구성이 요구되어 지금까지 많은 시도가 있었으며 많은 방법이 제안되었다. 즉 주활성 성분인 은과 촉진제 또는 활성부여제로서 알칼리 금속 등의 첨가물의 조합 및 그 배합비의 최적화, 이들을 담지하는 다공성 무기질 담체의 개량 등이 주된 내용이었다. 특히 담체의 개량은 표면적을 크게 함으로써 은의 분산을 양호하게 하여 저온에서의 사용을 가능하게 하며, 긴 수명, 높은 선택성을 나타내게 하는 것이었다. 그러나 단순히 표면적을 크게 하는 것만으로는 반응무과 생성물의 확산의 영향, 담체 표면에서의 부반응 등에 의해 소기의 효과를 얻을 수 없다. 일반적으로 촉매의 성능을 향상시키기 위해서 나트륨(Na), 리튬(Li), 루비디윰(Rb), 칼륨(K), 세슘(Cs)과 같은 알칼리 금속과 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba)과 같은 알칼리토류 금속 및 구리(Cu), 금(Au), 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 니오비움(Nb), 탄탈(Ta), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 크롬(Cr), 바나듐(V), 수은(Hg), 탈륨(TI), 주석(Sn) 등의 금속 중에서 한 가지 또는 그 이상을 선택하여 촉진제 또는 활성부여제로서 첨가한다. 일반적으로 알칼리 금속이 효과적인 촉진제로서 알려져 있으며 근래에는 알칼리 금속 중에서도 세슘, 나트륨, 칼륨, 루비디움, 칼슘 및 바륨이 가장 효과적인 촉진제로서 알려져 있다. 최근에는 이러한 알칼리 금속의 혼용으로 상승효과(Synergistic Effect)를 얻는 기술이 강조되어 왔다. 알칼리 금속의 첨가량은 일반적으로 원자량이 높을수록 적으며 보통 은·1몰에 대해서 나트륨은 0.05~1몰, 칼륨은 0.02~0.2몰, 루비디움은 0.001~0.008몰, 세슘은 0.0005~0.005몰을 첨가한다. 구리, 금, 마그네슘, 아연, 카드뮴, 수은 등의 첨가량은 은 1몰에 대해 0.001~1몰, 칼슘, 바륨은 0.001~0.1몰, 탄달, 몰리브덴, 텅스텐, 크롬, 바나듐 등은 은 1몰에 대해 0.00001~0.005몰을 첨가하며 0.0001~0.0002몰을 첨가하는 것이 가장 효과적이다. 상술한 금속의 첨가범위는 반응조건, 촉매제조방법, 담체의 비표면적, 기공구조와 표면화학적 성질, 은 담지량, 알칼리 금속 이외에 존재하는 다른 음이온, 양이온, 화합물들 예를 들면 알칼리 금속과 함께 첨가되는 이온들과 담지용액 중에 제거되지 않고 남아 있는 화합물 등에 의해 변할 수도 있다. 이들 반응촉진제 또는 활성부여제는 가용성화합물 형태로서 물 또는 저비점 유기용제에 녹여서 은과 함께 또는 은을 담지하기 전 혹은 후에 본 발명에 의한 담체에 담지하여 사용할 수 있다. 이들 반응촉진제 또는 활성부여제 금속과 결합되어 있는 음이온부분의 종류는 촉매의 성능에 중대한 영향을 미치지는 않는 것으로 알려져 있으며 은화합물과 같은 혹은 유사한 종류의 음이온이 사용 가능하다. 예를 들면 하이드록사이드, 카보네이트, 바이카보네이트, 나이트레이트, 나이트라이트, 포르메이트, 아세테이트, 옥살레이트, 사이트레이트, 락테이트 등이 있으며 할라이드, 설페이트 등을 사용한 예도 있다.Silver supported catalysts are industrially used to produce ethylene oxide by vapor phase contact between ethylene and oxygen or an oxygen-containing gas, and it is known that only a catalyst supporting silver on a porous inorganic carrier is used for this reaction. Silver is widely known as the main catalyst used to oxidize ethylene to ethylene oxide. There are many proposals to add a small amount of reaction accelerators recently, such as alkali metals, alkaline earth metals, iron, copper, manganese, cadmium, zirconium, aluminum, etc., alone or in combination of two or more as co-catalyst components. lost. Among them, there is a method of using an alkali metal as an accelerator. These catalysts have improved activity or selectivity compared to catalysts carrying only silver, but are not sufficient. In addition, catalysts containing alkali metals usually have a lower activity degradation rate than catalysts containing only silver, which shortens the lifetime of the catalyst, and increases the reaction temperature due to the addition of alkali metals. It may be necessary. Since the alkali metal is supported on the catalyst, a complicated process is required, and there are many improvements, such as reproducibility when producing on an industrial scale. Also containing toxic substances, their surface area-to-weight ratio decreases with time at the temperatures normally used in oxidation processes, resulting in reduced catalytic activity. Therefore, the reaction temperature must not be increased in order to overcome the deactivation of the catalyst and to keep the productivity of the plant constant. This is a major drawback that increases production costs and shortens catalyst life. In addition, the selectivity of the supported silver catalyst is easily influenced by the method of supporting the silver on the porous inorganic carrier and the type of the cocatalyst contained in the catalyst, so that the method of supporting the silver on the porous inorganic carrier is inappropriate or the component of the promoter and its Inadequate amounts result in a lower selectivity of the catalyst, producing more carbon dioxide, and a little less ethylene oxide, the desired product.Therefore, high selectivity, high activity and durability of catalyst life as a catalyst for producing ethylene oxide with high efficiency. There have been many attempts so far and many methods have been proposed. That is, the main contents were the combination of additives such as silver and alkali metals as the main active ingredient or an accelerator, and the optimization of the mixing ratio thereof, and the improvement of the porous inorganic carrier supporting them. In particular, the improvement of the carrier was to improve the dispersion of silver by increasing the surface area to enable use at low temperatures, and to exhibit long life and high selectivity. However, by simply increasing the surface area, the desired effect cannot be obtained due to the effect of diffusion of reaction and product, side reactions on the surface of the carrier, and the like. In general, alkali metals such as sodium (Na), lithium (Li), rubidium (Rb), potassium (K), cesium (Cs) and magnesium (Mg), calcium (Ca) and strontium (Sr), alkaline earth metals such as barium (Ba) and copper (Cu), gold (Au), zinc (Zn), cadmium (Cd), niobium (Nb), tantalum (Ta), molybdenum (Mo), One or more metals such as tungsten (W), chromium (Cr), vanadium (V), mercury (Hg), thallium (TI) and tin (Sn) are selected and added as an accelerator or activator. In general, alkali metals are known as effective accelerators, and cesium, sodium, potassium, rubidium, calcium and barium are known as the most effective accelerators in recent years. Recently, a technique for obtaining a synergistic effect by mixing these alkali metals has been emphasized. Generally, the amount of alkali metal added is smaller as the atomic weight is higher. Usually, 0.05 to 1 mol of sodium, 0.02 to 0.2 mol of potassium, 0.001 to 0.008 mol of rubidium, and 0.0005 to 0.005 mol of cesium are added to 1 mol of silver. do. Addition amount of copper, gold, magnesium, zinc, cadmium, mercury, etc. is 0.001-1 mol per 1 mol of silver, calcium, barium 0.001-0.1 mol, tantalum, molybdenum, tungsten, chromium, vanadium, etc. It is most effective to add 0.00001 to 0.005 moles and add 0.0001 to 0.0002 moles. The above-mentioned metals may be added together with the reaction conditions, catalyst production method, specific surface area of the carrier, pore structure and surface chemical properties, silver loading amount, other anions, cations, and compounds present in addition to the alkali metals, for example, alkali metals. It may be changed depending on the ions and the compound remaining without being removed in the supported solution. These reaction promoters or activators can be used in the form of soluble compounds in water or low-boiling organic solvents and supported on the carrier according to the present invention before or after supporting the silver. The type of anion moiety associated with these reaction promoter or activator metals is not known to have a significant effect on the performance of the catalyst. Anions such as or similar silver compounds may be used. For example, hydroxides, carbonates, bicarbonates, nitrates, nitrites, formates, acetates, oxalates, citrates, lactates, and the like, and examples of using halides, sulfates, and the like.

은 담지 촉매는 활성 및 선택성에 의해서 그 성능이 결정된다. 선택성은 에틸렌이 반응해서 산화에틸렌으로 되는 몰%이다. 원료의 가격이 높고, 원료가 부족할 때에 선택성은 특히 경제적으로는 중요한 것이다. 활성은 어떤 일정한 조건에서(예를 들면 온도, 압력, 기체량 및 촉매량) 반응기 출구의 산화에틸렌의 농도로 표시되며, 산화에틸렌의 농도가 높으면 높을수록 활성은 높은 것이다. 즉, 일정한 산화에틸렌의 농도를 달성하는데 필요한 온도가 낮으면 낮을수록 활성은 높은 것이다. 활성이 떨어지면 일정한 생산량을 유지하기 위하여 더욱 높은 온도에서 반응을 시켜 같은 활성을 유지하게 되는데 이 때문에 선택성은 더욱 저하되며 촉매의 수명 단축을 가져오게 된다. 따라서 은담지 촉매는 시간이 경과하면 활성 및 선택성이 떨어져서 수 년 후에는 새로운 촉매로 교체해아 한다. 대규모의 장치 중에서 활성이 떨어진 촉매를 교체하는 것은 시간이 걸리고, 집중적인 작업을 필요로 하기 때문에 생산량 저하 및 원가상승의 요인이 된다.Silver supported catalysts are determined for their performance by activity and selectivity. Selectivity is the mole percent ethylene reacts to form ethylene oxide. Selectivity is particularly economically important when the price of the raw material is high and the raw material is scarce. Activity is expressed as the concentration of ethylene oxide at the reactor outlet under certain constant conditions (e.g. temperature, pressure, gas amount and catalytic amount), the higher the concentration of ethylene oxide, the higher the activity. In other words, the lower the temperature required to achieve a constant concentration of ethylene oxide, the higher the activity. When the activity is lowered, the reaction is maintained at a higher temperature to maintain a constant yield, thereby maintaining the same activity. Therefore, the selectivity is further lowered and the life of the catalyst is shortened. Therefore, silver supported catalysts have poor activity and selectivity over time and should be replaced with new catalysts after several years. Replacing largely inactive catalysts in larger units is time-consuming and requires intensive work, resulting in lower production and higher costs.

본 발명자 등은 담체에 함유된 미량성분이 촉매작용에 있어서 어떤 형태로든 영향을 미치고 있는 점과 니노비움이 은 담지 촉매에서 반응활성과 선택도에 매우 좋은 영향을 미친다는 사실에 착안하여 면밀한 검토를 한 결과 통상의 담체에 특정물질을 첨가하여 촉매를 제조하여 성능을 시험해 본 결과 촉매의 활성 및 선택도가 향상됨을 발견하여 본 발명을 완성하게 되었다.The present inventors have made careful examinations on the fact that the trace components contained in the carrier have any effect on the catalytic action and that niobium has a very good effect on the reaction activity and selectivity in the silver supported catalyst. As a result, the catalyst was prepared by adding a specific substance to a conventional carrier to test the performance and found that the activity and selectivity of the catalyst were improved, thereby completing the present invention.

본 발명에 따른 산화에틸렌 제조용 은 담지 촉매는 에틸렌을 분자상 산소와 기상 접촉산화시켜 산화에틸렌을 제조하는데 사용되는 촉매로서 담체의 성형시에 산화니오비움을 첨가하거나 또는 이미 성형된 담체에 수산니오비움을 도핑(doping)하여 담체를 처리한 것을 특징으로 한다.The silver supported catalyst for producing ethylene oxide according to the present invention is a catalyst which is used to prepare ethylene oxide by gas phase catalytic oxidation of ethylene with molecular oxygen, and niobium oxide is added to a carrier which is already formed or niobium hydroxide in forming a carrier. It characterized in that the carrier is treated by doping (doping).

본 발명에 의하면 담체를 형성시 알루미나에 혼합하는 산화니오비움의 양이 촉매의 성능에 중요한 영향을 미치는데 담체에 혼합하는 산화니오비움의 양은 담체 전체무게에 대하여 5~40중량%가 바람직하고 10~30중량%가 더욱 바람직하다. 본 발명에서는 담체의 성형시에 산화니오비움을 첨가할 수도 있으며, 이미 성형된 담체에 수산니오비움을 도핑(doping) 처리할 수도 있는데, 수산니오비움을 이용할 경우에는 담체 전체 무게에 대하여 니오비움이 100~500ppm 함유되도록 하는 양을 사용한다. 산화니오비움 대신에 산화 아연, 산화 란타늄 및 산화마그네슘을 첨가했을 경우에도 비슷한 효과를 나타내나, 산화니오비움을 첨가했을 때보다는 효과가 떨어지고 산화 티타늄 또는 산화 망간을 사용했을 때는 촉매의 성능이 저하된다. 담체물질로서는 알파 알루미나, 실리카, 실리콘 카아바이드, 지르코니아 등이 사용되며, 알루미나 또는 소량의 실리카가 함유된 알루미나가 바람직하다.According to the present invention, the amount of niobium oxide mixed with alumina when forming a carrier has a significant effect on the performance of the catalyst. The amount of niobium oxide mixed with the carrier is preferably 5 to 40% by weight based on the total weight of the carrier. 30 weight% is more preferable. In the present invention, niobium oxide may be added during molding of the carrier, and niobium hydroxide may also be doped to an already molded carrier. When niobium hydroxide is used, niobium is added to the total weight of the carrier. Use an amount that will contain 100-500 ppm. A similar effect is obtained when zinc oxide, lanthanum oxide and magnesium oxide are added instead of niobium oxide, but the effect is lower than when niobium oxide is added, and the performance of the catalyst is deteriorated when titanium oxide or manganese oxide is used. . As the carrier material, alpha alumina, silica, silicon carbide, zirconia or the like is used, and alumina or alumina containing a small amount of silica is preferable.

본 발명에 따른 산화에틸렌 제조용 은 담지 촉매는 주촉매인 은 및 조촉매로서 알칼리 금속, 알칼리토류 금속 및 염소 적당량을 함유하고 있는 것으로서 담체의 주촉매인 은과 조촉매를 동시 또는 분리 담지시켜서 제조된다.The silver supported catalyst for producing ethylene oxide according to the present invention contains an appropriate amount of alkali metal, alkaline earth metal and chlorine as the main catalyst silver and cocatalyst, and is prepared by simultaneously or separately supporting silver and the cocatalyst, the main catalyst of the carrier. .

본 발명의 방법에 의해서 제조된 담체를 사용하여 제조된 은 담지 촉매는 촉매의 활성 및 선택성이 높아진다. 이것은 본 발명에 의해서 제조된 촉매의 경우에는 동일하거나 약간 높은 전화율을 나타내는 반응온도를 낮출 수가 있다. 이같은 낮은 반응온도는 부반응의 유발을 억제하여 부생성물 예를들면 이산화탄소, 포름알데히드 및 아세트알데히드의 형성을 낮출 수 있다.The silver supported catalyst prepared using the carrier prepared by the method of the present invention increases the activity and selectivity of the catalyst. This can lower the reaction temperature in the case of the catalyst produced by the present invention which shows the same or slightly higher conversion. Such low reaction temperatures can inhibit the induction of side reactions and lower the formation of byproducts such as carbon dioxide, formaldehyde and acetaldehyde.

본 발명에 의한 촉매는 온도 140~300℃에서 사용 가능하며 160~250℃에서 사용하는 것이 적당하고, 반응압력 0~40kg/㎠G범위에서 사용가능하며 0~30 kg/㎠G 범위에서 사용하는 것이 적당하고, 가스유량이 1000~10000cc/hr 범위에서 사용가능하며 3000~7000cc/hr의 범위에서 사용하는 것이 적당하다. 본 발명의 촉매를 사용하여 에틸렌을 분자상 산소와 기상접촉부분 산화반응에 의하여 산화에틸렌을 제조함에 있어서 원료가스 조성은 보통 에틸렌 1~40몰%, 산소 3~20몰%, 나머지는 이산화탄소, 메탄, 에탄 등의 저급탄화수소와 질소나 아르곤 등의 불활성가스이다. 또한 이 원료가스중에 연소반응 억제제로서 이염화에틸렌이나 염화비닐 등의 염소화합물을 0.1~20ppm 정도 첨가하여 좋은 결과를 얻을 수 있다.The catalyst according to the present invention can be used at a temperature of 140 ~ 300 ℃ and suitable to use at 160 ~ 250 ℃, can be used in the reaction pressure 0 ~ 40kg / ㎠G range and used in the 0 ~ 30 kg / ㎠G range It is suitable to use the gas flow in the range of 1000 ~ 10000cc / hr and it is suitable to use in the range of 3000 ~ 7000cc / hr. In preparing ethylene oxide by molecular oxygen and gas phase contact partial oxidation using the catalyst of the present invention, the source gas composition is usually 1-40 mol% of ethylene, 3-20 mol% of oxygen, and the rest is carbon dioxide and methane. And lower hydrocarbons such as ethane and ethane, and inert gases such as nitrogen and argon. In addition, 0.1 to 20 ppm of chlorine compounds such as ethylene dichloride and vinyl chloride can be added to the raw material gas as a combustion inhibitor to obtain good results.

이상에서와 같이 본 발명에 따른 산화에틸렌 제조용 은 담지 촉매는 활성 및 선택성이 매우 높고, 촉매의 수명도 길다.As described above, the silver supported catalyst for producing ethylene oxide according to the present invention has very high activity and selectivity, and has a long service life.

하기 실시예에서는 본 발명을 이해하기 쉽도록 설명하는 것으로서 본 발명을 한정하는 것은 아니다.In the following Examples, the present invention is described for easy understanding, and the present invention is not limited.

[실시예 1]Example 1

(담체의 제조)(Production of carrier)

은 담지 촉매의 제조에 필요한 알루미나 담체를 제조함에 있어서, 먼저 알파 알루미나 100g과 세공조절제 및 성형제를 각각 11g과 1g을 혼합한다. 여기에 담체의 기계적 강도를 증가시킬 수 있는 점토성 접착제 1~2g을 첨가하고, 바셀린과 같은 윤활제와 물을 충분히 첨가하여 원하는 모양대로 성형이 가능하도록 걸죽한 반죽을 만든다. 이 반죽을 성형기를 이용하여 링모양으로 성형하여 상온의 공기중에서 건조시킨 후, 전기로에서 소성하였으며, 이렇게 제조된 담체의 표면적은 1㎡/g 이하였다.In preparing an alumina carrier required for preparing a silver supported catalyst, first, 100 g of alpha alumina, a pore control agent, and a molding agent are mixed with 11 g and 1 g, respectively. 1 to 2 g of a clay adhesive, which can increase the mechanical strength of the carrier, are added thereto, and a lubricating dough such as petrolatum and water is sufficiently added to form a thick dough to be molded into a desired shape. The dough was molded into a ring shape using a molding machine, dried in air at room temperature, and then fired in an electric furnace. The surface area of the carrier thus prepared was 1 m 2 / g or less.

(촉매의 제조)(Production of Catalyst)

상기에서 제조한 알루미나 담체를 이용하여 촉매를 제조하였으며, 촉매성능 테스트에 사용된 촉매는 다음과 같이 제조했다. 먼저 증류수 33ml에 세슘 나이트레이트 0.072g과 암모늄 클로라이드 0.02g 및 니노비움 옥살레이트 0.096g을 넣고 교반하면서 녹인다. 이 용액에 실버 옥살레이트 7.2g과 함께 에틸렌디아민 15ml, 에탄올아민 5ml의 혼합용액을 넣고 잘 교반하면서 실버 옥살레이트를 녹인다. 이때 발열반응이 일어나서 온도가 급격히 상승하므로 얼음에 채워진 물로 식힐 필요가 있다. 여기에 링모양의 알루미나 25g을 첨가하여 30분간 방치후, 은이 담지된 알루미나를 여과하여 110℃에서 2시간 동안 건조 후 다시 270℃에서 4시간동안 소성하여 촉매로 사용했다.The catalyst was prepared using the alumina carrier prepared above, and the catalyst used in the catalyst performance test was prepared as follows. First, add 0.072 g of cesium nitrate, 0.02 g of ammonium chloride, and 0.096 g of niobium oxalate in 33 ml of distilled water, and dissolve while stirring. To this solution, add 7.2 g of silver oxalate, a mixed solution of 15 ml of ethylenediamine and 5 ml of ethanolamine, and dissolve the silver oxalate while stirring well. At this time, the exothermic reaction occurs and the temperature rises sharply, so it is necessary to cool the water filled with ice. After 25 g of ring-shaped alumina was added thereto and left for 30 minutes, the alumina loaded with silver was filtered, dried at 110 ° C. for 2 hours, and then calcined at 270 ° C. for 4 hours to use as a catalyst.

(산화에틸렌의 제조)(Production of ethylene oxide)

내경이 16mm인 석영제 반응기에 상기의 촉매 3g과 석영사 5g을 혼합하여 충전하고 산소 8.0몰%, 에틸렌 24몰%, 및 나머지가 질소로 된 반응혼합가스를 4800cc/hr의 속도로 공급하여 반응온도가 240℃에서 에틸렌의 전화율이 9%, 산화에틸렌의 선택율 69.0%를 얻었다.3 g of the catalyst and 5 g of quartz yarn were mixed and filled into a quartz reactor having an inner diameter of 16 mm, and a reaction temperature was supplied at a rate of 4800 cc / hr by supplying a reaction mixture gas containing 8.0 mol% of oxygen, 24 mol% of ethylene, and the remainder of nitrogen at 4800 cc / hr The conversion rate of ethylene was 9% and the selectivity of ethylene oxide 69.0% was obtained at 240 degreeC.

[실시예 2]Example 2

실시예 1과 동일한 방법으로 담체를 제조하였으며 다만 알파 알루미나 100g 대신 산화니오비움 30g 첨가하고, 알루미나의 양을 70g으로 했다. 촉매의 제조 및 반응도 실시예 1과 동일한 방법으로 반응시킨 결과 반응온도가 230℃에서 에틸렌 전화율 10%, 산화에틸렌의 선택율 62.5%를 얻었다.A carrier was prepared in the same manner as in Example 1 except that 30 g of niobium oxide was added instead of 100 g of alpha alumina, and the amount of alumina was 70 g. Preparation and Reaction of Catalyst The reaction was carried out in the same manner as in Example 1, whereupon the reaction temperature of 230 ° C. yielded an ethylene conversion of 10% and an ethylene oxide selectivity of 62.5%.

[실시예 3]Example 3

실시예 1과 동일한 방법으로 담체를 제조하였으며 다만 알파 알루미나 100g 대신 산화니오비움 20g 첨가하고, 알루미나의 양을 80g으로 했다. 촉매의 제조 및 반응도 실시예 1과 동일한 방법으로 반응시킨 결과 반응온도가 232℃에서 에틸렌 전화율 9.7%, 산화에틸렌의 선택율 64.4%를 얻었다.A carrier was prepared in the same manner as in Example 1 except that 20 g of niobium oxide was added instead of 100 g of alpha alumina, and the amount of alumina was 80 g. Preparation and Reaction of Catalyst The reaction was carried out in the same manner as in Example 1, and the reaction temperature was 232 占 폚 to obtain an ethylene conversion of 9.7% and an ethylene oxide selectivity of 64.4%.

[실시예 4]Example 4

실시예 1과 동일한 방법으로 담체를 제조하였으며 다만 알파 알루미나 100g 대신 산화니오비움 10g 첨가하고, 알루미나의 양을 90g으로 했다. 촉매의 제조 및 반응도 실시예 1과 동일한 방법으로 반응시킨 결과 반응온도가 233℃에서 에틸렌 전화율 9.8%, 산화에틸렌의 선택율 63.8%를 얻었다.A carrier was prepared in the same manner as in Example 1 except that instead of 100 g of alpha alumina, 10 g of niobium oxide was added, and the amount of alumina was 90 g. Preparation and Reaction of Catalyst The reaction was carried out in the same manner as in Example 1, and the reaction temperature was 233 ° C. to obtain an ethylene conversion of 9.8% and an selectivity of ethylene oxide of 63.8%.

[실시예 5]Example 5

실시예 1과 동일한 방법으로 제조된 담체를 수산니오비움 수용액을 사용하여 담체 전체무게에 대하여 니오비움을 300ppm 도핑한 후 담체로 사용했다. 촉매의 제조 및 반응도 실시예 1과 동일한 방법으로 반응시킨 결과 반응온도가 231℃에서 에틸렌 전화율 9.63%, 산화에틸렌의 선택율 64.2%를 얻었다.The carrier prepared in the same manner as in Example 1 was used as a carrier after doping niobium with respect to the total weight of the carrier using an aqueous solution of niobium hydroxide. Preparation and Reaction of Catalyst The reaction was carried out in the same manner as in Example 1, and the reaction temperature was 231 占 폚 to obtain 9.63% ethylene conversion and 64.2% selectivity for ethylene oxide.

[실시예 6]Example 6

담체를 수산니오비움 수용액을 사용하여 담체 전체무게에 대하여 니오비움을 700ppm 도핑한 후 담체로 사용했다. 촉매의 제조 및 반응도 실시예 1과 동일한 방법으로 반응시킨 결과 반응온도가 232℃에서 에틸렌 전화율 9.7%, 산화에틸렌의 선택율 64.5%를 얻었다.The carrier was used as a carrier after 700 ppm doping of niobium with respect to the total weight of the carrier using an aqueous solution of niobium hydroxide. Preparation and Reaction of Catalyst The reaction was carried out in the same manner as in Example 1, and the reaction temperature was 232 占 폚 to obtain 9.7% ethylene conversion and 64.5% selectivity for ethylene oxide.

[실시예 7]Example 7

담체를 수산니오비움 수용액을 사용하여 담체 전체무게에 대하여 니오비움을 1500ppm 도핑한 후 담체로 사용했다. 촉매의 제조 및 반응도 실시예 1과 동일한 방법으로 반응시킨 결과 반응온도가 232℃에서 에틸렌 전화율 9.8%, 산화에틸렌의 선택율 64.0%를 얻었다.The carrier was used as a carrier after 1500 ppm doping of niobium with respect to the total weight of the carrier using an aqueous solution of niobium hydroxide. Preparation and Reaction of Catalyst The reaction was carried out in the same manner as in Example 1, and the reaction temperature was 232 占 폚, whereby 9.8% of ethylene conversion and 64.0% of ethylene oxide were obtained.

Claims (2)

촉매를 제조하기 위해 담체의 성형시에 담체 전체 무게에 대하여 5~40중량%의 산화니오비움을 첨가하여 제조된 담체를 사용한 산화에틸렌 제조용 은 담지 촉매.A silver supported catalyst for producing ethylene oxide using a carrier prepared by adding 5 to 40% by weight of niobium oxide based on the total weight of the carrier when forming the carrier. 제1항에 있어서, 담체물질로서 알파 알루미나, 실리카, 실리콘 카아바이드, 지르코니아를 사용한 산화에틸렌 제조용 은 담지 촉매.2. The silver supported catalyst for producing ethylene oxide according to claim 1, wherein alpha alumina, silica, silicon carbide, and zirconia are used as the carrier material.
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