KR100309489B1 - 올레핀을이성질화시키는방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 20 이하의 탄소원자를 포함하는 n-올레핀을 이성질화시키는 방법에 관한 것으로서, 올레핀을 함유하는 장입물을 규정량의 티탄으로 함침된 알루미나를 주성분으로 하는 촉매와 접촉시키고, 증기 처리하는 것을 포함한다. 이 방법은 증기의 존재하에 실시하는 것이 효과적이다.

Description

올레핀을 이성질화시키는 방법

본 발명은 탄소 원자수가 20 이하인 올레핀을 이성질화시키는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 특정한 촉매를 사용하여 n-부텐을 이소부텐으로, 그리고 n-펜텐을 이소펜텐(이소-아밀렌)으로 이성질화시키는 방법에 관한 것이다.

정유업자들은 종래 수십년 동안 옥탄가를 증가시키기 위해 다양한 화합물, 특히 알콜 및 에스테르를 가솔린에 혼입시키는 방법에 의하여 정유내의 납 알킬화물을 환원시켜 왔다. 가장 효과적인 것으로 알려진 첨가제 중 하나인 메탄올 이외에도, MTBE(메틸-t-부틸 에테르)는 가솔린의 품질을 개량시키고, 옥탄가를 증가시킬 수 있는 노킹 억제(anti-knock) 특성을 갖고 있는데, MTBE에 의한 옥탄가의 증가는 메탄올에 의해 얻을 수 있는 것보다 더 크다. 또한, MTBE는 하기와 같은 많은 이점을 갖는다.

- 제폭제 특성이 가장 낮은 가솔린 성분의 비등점에 해당하는 비등점,

- 전술한 성분들과 양립가능한 증기압,

- 우수한 빙점,

- 낮은 수용해도.

- 탄화수소와의 완전한 혼화성 등.

일반적으로, MTBE는 하기 반응에 의해 이소부탄과 메탄올로부터 생성된다.

일반적으로, 이소부텐은 접촉 분해, 증기 분해, 열 분해 및 비스브레이킹 (visbreaking)에서 유래한 유출물로부터 얻어지는 C₃-C₄올레핀계 유분(cut)에 함유되어 있다. 그러나, 이와 같은 다양한 방법에 의해 제공되는 이소부텐의 양은 MTBE의 제조 방법을 크게 개선시키는 데 충분하지 못하다.

이와 같은 연유로 더 많은 양의 이소부텐을 제조하기 위해, 전술한 방법에 의한 유출물 중에 함유되어 있는 부텐을 완전히 또는 거의 완전히 이성질화시켜 이소부텐을 제공하는 방법이 제안되고 있다.

많은 촉매와 관련된 많은 방법들이 문헌상에 개시되어 있다. 일반적으로, 사용되고 있는 촉매는 알루미나, 특히 증기에 의해 활성화되거나 또는 증기 처리된 알루미나(미국 특허 제3 558 733호)(알루미나 η 또는 알루미나 γ포함), 할로겐화 알루미나(미국 특허 제2 417 647호), 보오크사이트(bauxite), 붕소, 실리콘(미국 특허 제4 013 590호, 제4 038 337호, 영국 특허 제2 129 701호 및 미국 특허 제 4 434 315호) 또는 지르코늄의 유도체로 처리된 알루미나, 그리고 다양한 실리카 알루미나 등을 주성분으로 한다.

대부분 이러한 촉매들은 분해 반응 및 중합 반응과 같은 부반응에 의해 비교적 낮은 선택도 및 1회 통과시의 낮은 전환율을 나타내는데, 또한 상기 중합 반응은 촉매 성능을 급격히 저하시킨다.

본 발명은 성능의 정도, 특히 선택도의에서 성능 향상을 달성할 수 있고, 증가된 안정성을 제공할 수 있는 촉매를 사용하는 방법에 관한 것이다.

놀랍게도, 일정량의 티탄(0.03 중량% 내지 0.6 중량%)을 첨가하고, 바람직하게는 정밀한 조건하에 증기 처리한 알루미나, 바람직하게는 에타 알루미나 또는 감마 알루미나로부터 제조된 촉매가 선택도, 전환율 및 순환 시간을 매우 현저히 개선시킬 수 있는 것으로 밝혀졌다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, C₃유분(cut)을 제거한 후, 전술한 방법에 의해 생성된 C₄올레핀계 유분만을 이성질화시키거나 또는 C₃-C₄올레핀계 유분 전체를 이성질화시킬 수 있다.

본 발명에 의하면, 1 분자당 탄소 원자의 수가 5 내지 20인 직쇄 올레핀계 탄화수소도 이성질화시킬 수 있다.

이성질화시키고자 하는 공급 원료를 절대 압력 1 bar 내지 10 bar(상기 공급 원료가 부텐 및/또는 펜텐에 의해 형성된 경우에는 절대 압력 1 bar 내지 5 bar가 바람직함)하에 300℃ 내지 570℃의 온도(상기 공급 원료가 부텐 및/또는 펜텐에 의해 형성된 경우에는 400℃ 내지 550℃의 온도가 바람직함)에서 촉매와 접촉시킨다.

단위 시간 당 촉매 부피에 대한 올레핀계 공급 원료의 부피로 표시되는 공간 속도는 0.1 h^-1내지 10 h^-1(상기 공급 원료가 부텐 및/또는 펜텐에 의해 형성된 경우에는 0.5 h^-16 h^-1의 공간 속도가 바람직함)이다.

본 발명에 따른 방법은 바람직하지 않은 부반응을 최소화시키기 위해 물의 존재하에서 수행한다. 반응기로 유입되는 물의 양은 H₂O/올레핀계 탄화수소의 몰비가 0.1 내지 10(공급 원료가 부텐 및/또는 펜텐에 의해 형성된 경우에는 0.5 내지 3이 바람직함)이 되도록 한다.

촉매를 제조하기 위해서는, 바람직하게는 활성화 되어 있는 시판용 알루미나를 사용할 수 있으며, 이러한 알루미나는 알칼리 금속의 비율이 낮은, 예를 들면 나트륨을 0 내지 0.1%로 함유하는 에타 알루미나 및 감마 알루미나로 이루어진 군으로부터 선택하는 것이 바람직하다.

알루미나의 비표면적은 10 ㎡/g 내지 500 ㎡/g인 것이 유리하고, 50 ㎡/g 내지 450 ㎡/g인 것이 바람직하며, 알루미나 공극 부피는 0.4 ㎤/g 내지 0 8 ㎤/g이다.

본 발명에 따른 촉매는 이산화티탄 0.05% 내지 1%, 바람직하게는 0.085% 내지 0.5%를 알루미나 지지체에 첨가함으로써 제조한다. 이러한 이산화티탄을 첨가할 수 있는 어떠한 방법이라도 사용할 수 있다. 예를 들면, 알루미늄 화합물을 함유하는 용액중에 티탄 화합물을 용해시키고, 수산화티탄을 동시 침전시키기 위하여 알루미나의 침전 조건을 조절할 수 있다. 또한. 겔 형태의 수산화알루미늄(알루미늄 a-3수화물, b-3수화물 또는 a-1수화물)에, 금홍석(rutile) 및 아나타제(anatase) 형태의 이산화티탄, 아산화물 TiO 및 Ti₂O₃, 티탄산, 알칼리 금속 티탄산염, 알칼리토금속 티탄산염 및 암모늄 티탄산염, 가용성 유기 및 무기 티탄산염, 불용성 유기 및 무기 티탄산염 등으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 티탄 화합물을 첨가할 수 있다.

또한, 성형된 알루미나 지지체를 원료로 하고, 이것을 유기 또는 무기 티탄염의 용액에 함침시킬 수도 있는데, 일반적으로 티탄은 촉매 지지체를 성형하기 이전에, 성형하는 과정 중에 또는 그 이후에 첨가할 수 있다.

바람직한 한가지 방법에서는 유기 용액(예를 들면, 알콜 용액)에 1종 이상의 알루미늄 유기 화합물(예를 들면, 알루미늄 이소프필레이트와 같은 알콕시알루미늄), 1종 이상의 티탄 유기 화합물(예를 들면, 테트라에톡시티탄)을 첨가한 후, 이와 같은 방식으로 얻은 용액을 가수 분해하는 단계를 포함한다.

또한, 사염화티탄(TiCl₄)과 같이 쉽게 가수 분해할 수 있는 무기 화합물 형태로 티탄을 첨가할 수도 있다.

또 다른 바람직한 방법은, 알킬알루미늄(예를 들면, 트리에틸알루미늄), 에티렌 및 1종 이상의 상기 티탄 화합물의 반응에 의해서, 타탄의 유기 화합물(예를들면, 테트라에틸티탄과 같은 알콕시 티탄) 및/또는 티탄의 무기 화합물(예를 들면, 삼염화티탄)의 조절된 양을 폴리알콕시알루미늄의 지글러(ZIEGLER) 합성 과정 중에 첨가하는 단계를 포함한다. 중합 반응과 연이은 산화 반응에 의해, 상기 언급한 폴리알콕시알루미늄을 제조하고, 이것을 가수 분해함으로써 티탄을 함유한 수산 화알루미늄과 폴리올을 형성한다.

실험에서 밝혀진 바에 의하면, 상기 방법들에 따라서 알콕시알루미늄 또는 폴리알콕시알루미늄을 가수 분해시킨 후 얻어지는 알루미나 매트릭스 중에 티탄 이온을 매우 고도하게 분산시킬 수 있다. 예를 들면, 상기 지지체가 볼, 압출물 등의 형태일 경우, 티탄을 함침시키기 위한 바람직한 방법은 하나의 볼과 또 다른 하나의 볼 사이에서 또는 하나의 압출물과 또 다른 하나의 압출물 사이에서 일정한 TiO₂함량을 달성할 수 있는데, 바람직한 평균 농도가 C%인 경우, 하나의 볼과 또 다른 하나의 볼 사이에서 또는 하나의 압출물과 또 다른 하나의 압출물 사이에서 농도 C는 당해 농도의 C±5 중량%로 유지되고, 심지어 ±3 중량%로 유지된다. 특히 TiO₂0.06% 내지 0.15%를 함유하는 촉매 지지체를 사용함으로써 훨씬 더 바람직한 결과를 얻을 수 있다.

촉매상의 티탄 함량은 X선 형광 분석을 사용함으로써 측정한다.

이어서, 이러한 방식으로 얻은 촉매를 100℃ 내지 130℃의 온도에서 건조시키고, 임의로 1 시간 내지 5 시간 동안 400℃ 내지 800℃, 바람직하게는 450℃ 내지 750℃의 온도로 공기 중에서 하소시킨다. 0.5 bar 이상, 바람직하게는 0.6 bar 내지 1 bar의 증기 분압하에서 0.5 시간 내지 120 시간, 바람직하게는 1 시간 내지 100 시간 동안 120℃ 내지 170℃, 바람직하게는 300℃ 내지 700℃의 온도에서 중기 처리하는 것이 유리할 수 있다.

이성질화 반응의 성능은 다음과 같은 식으로 표시된다.

1) 부텐의 전환율

2) 이소부텐에 대한 선택도

3) 이소부텐의 수율

R = C X S / 100

이하 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 기술적 범위를 제한하고자 하는 것이 아니다.

실시예 1- 본 발명에 따르지 않은 촉매 A

표면적이 200 ㎡/g인 시판용 알루미나 γ지지체(carrier)를 20 시간 동안 0.8 bar와 동일한 증기 분압하에 560℃로 증기 처리하였다. 이 촉매를 조성이 하기 표 1에 기재되어 있는 C₄올레핀계 유분을 이성질화시키는데 사용하였다.

LHSV = 2 h^-1

H₂O/C₄= (몰) = 2

T = 530℃

P = 1 bar(절대 압력)

반응 1 시간 후에 얻어진 성능을 표 1에, 그리고 반응 30 분 후에 얻어진 성능을 표 2에 기제하였다. 성능이 낮고, 시간 경과에 따라 저하됨을 알 수 있었다.

실시예 2 - 본 발명에 따른 촉매 B

실시예 1에서 사용된 시판용 알루미나 γ 지지체를 수용액 중의 티탄 옥살레이트 10 수산물을 사용하여 티탄 0.1%로 함침시킨 후, 이어서 2 시간 동안 100℃에서 건조시키고 2 시간 동안 600℃에서 하소시켰다. 이 방법으로 얻은 촉매 B를 실시예 1에 제시된 것과 동일한 증기 처리법으로 처리한 후, 전술한 반응 조건하에서 C₄올레핀계 유분을 이성질화시키는 방법에 사용하였다.

반응 1 시간 후에 얻어진 성능을 표 1에, 그리고 반응 30 시간 후에 얻어진 성능을 표 2에 기재하였다.

본 발명의 촉매 B를 사용할 경우에 얻어지는 성능의 정도는 본 발명에 따르지 않은 촉매 A에 의해 얻어지는 것보다 활성, 선택도 및 안정성 면에서 현저히 우수하였다.

실시예 3 - 본 발명에 따른 촉매 C

촉매 C는 실시예 2에 기재된 반응 조건하에서 Ti를 증착시키고 건조 및 하소시킨 후에, 증기 처리를 수행하지 않는다는 점에서 촉매 B와 상이한 촉매이다.

촉매 C를 전술한 반응 조건하에 C₄올레핀계 유분을 이성질화시키는 방법에 사용하였다, 촉매 C를 사용할 경우에 얻어지는 성능의 정도를, 반응 1 시간 후에 데하여는 표 1에, 반응 30 시간 후에 대하여는 표 2에 기재하였다.

촉매 C의 성능은 촉매 A 성능과 촉매 B 성능의 사이에 존재한다.

표 1에서, C₂: 에탄, C₂= : 에틸렌, C₃: 프로판, iC₄: 이소부탄, nC₄: n-부탄, C₄=2TR : 트랜스-2-부텐, C₄=1 : 1-부텐, iC₄= : 이소부텐, C₄=2Cis: 시스-2-부텐, C₄== : 부타디엔 및 C₅+ : 탄소 원자 수가 5 이상인 탄화수소를 를 나타낸다.

표 I

표 II

Claims (14)

1. 분자당 탄소 원자 수가 20 이하인 직쇄 올레핀계 탄화수소를 온도 300℃ 내지 570℃, 압력 0.1 MPa 내지 1 MPa 및 공간 속도 0.1 h^-1내지 10 h^-1에서, 물/올레핀계 탄화수소의 몰비가 0.1 내지 10이 되도록 주입된 물의 존재하에, 알루미나 및 0.03 중량% 내지 0.6 중량%의 티탄을 함유하는 촉매와 접촉시키는 것을 특징으로 하는 올레핀계 탄화수소의 이성질화 방법,
2. 제1항에 있어서, 상기 알루미나 및 티탄을 함유하는 촉매를 0.5 시간 내지 120 시간 동안 0.5 내지 10 bar의 증기 분압하에 120℃ 내지 700℃의 온도로 증기 처리한 후, 상기 탄화수소와 접촉시키는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 처리된 직쇄 올레핀계 탄화수소가 부텐과 펜텐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 이성질화 반응 온도가 400℃ 내지 550℃인 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 이성질화 반응 압력이 0.1 MPa 내지 0.5 MPa인것을 특징으로 하는 방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 공간 속도가 0.5 h^-1내지 6 h^-1인 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제3항에 있어서, 주입된 물/탄화수소의 몰비가 0.5 내지 3인 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 알루미나가 감마 알루미나인 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 알루미나가 에타 알루미나인 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 알루미나 중의 나트륨 함량이 0 내지 0.1 중량%인 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 알루미나의 비표면적이 10 ㎡/g 내지 550 ㎡/g인 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 알루미나의 공극 부피가 0.4 ㎤/g 내지 0.8 ㎤/g인 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제2항에 있어서, 증기 처리를 300℃ 내지 700℃의 온도에서 실시하는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제2항에 있어서, 증기 처리를 0.6 bar 내지 1 bar의 증기 분압에서 실시하는 것을 특징으로 하는 방법.