KR100418161B1 - 탄화수소스트림내아세틸렌의선택적접촉수소화에사용되는지지된팔라듐촉매 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실리카 지지체를 1 종 이상의 촉진제 금속을 함유하는 용액으로 함침시키고, 함침된 지지체를 건조시키고, 팔라듐 함유 용액으로 함침시키고, 건조시킨 후 하소시킴으로써 얻을 수 있고, 지지된 촉매를 기준으로 0.001 내지 1 중량%의 팔라듐 및 0.005 내지 5 중량%의 1 종 이상의 주기율표의 1족 내지 2족 촉진제 금속을 함유하는, 탄화수소 스트림 내 아세틸렌의 선택적 수소화에 적절한 실리카 담지 촉매에 관한 것이다.

Description

탄화수소 스트림 내 아세틸렌의 선택적 접촉 수소화에 사용되는 지지된 팔라듐 촉매
본 발명은 탄화수소 스트림 내 아세틸렌의 선택적 접촉 수소화에 적절한 새로운 실리카 담지 촉매에 관한 것이다.
본 발명은 또한 상기 촉매의 제조 방법 및 본 발명의 촉매를 이용한 탄화수소 기류 중에서 아세틸렌의 선택적 수소화 방법에 관한 것이다.
아세틸렌은 각종 공업적 반응의 원료에서 중합되고 전이금속 촉매를 불활성화시키기 쉽기 때문에 바람직하지 않은 성분이다. 더욱 구체적으로는, 아세틸렌은 스팀 크래커에서 나오는 C2스트림에 기술적으로 불리하다. 이들 스트림은 주로 에틸렌 및 에탄이며 소량의 아세틸렌이 포함되어 있다. 이들 스트림을 폴레에틸렌 생산에 사용하기 위해서는 아세틸렌 함량을 1 ppm 미만으로 감소시켜야 한다. 아세틸렌의 수소화에 적절한 촉매는 선택성 및 활성 면에서 고도의 요건을 만족시켜야 하는데, 이것은 이 수소화가 에틸렌의 손실 없이 이루어져야 하기 때문이다.
이러한 목적으로 사용되는 촉매는 주로 알루미나 담지 팔라듐 촉매이다. 선행기술로는 BET 표면적이 0.1 내지 2 m2/g인 다공성 Al2O3지지체 상의 팔라듐으로 이루어진 촉매 (일본 특허 공고 제80/047015호; Chem. Abstr., Vol. 82, 169991); 표면적이 5 m2/g 이하인 지지체 상의 팔라듐 및 경우에 따라서는 크롬으로 이루어진 것 (미국 특허 제4,577,047호), 또는 팔라듐 외에 은 (유럽 특허 공개 제64 301호), 금 (유럽 특허 공개 제89 252호), 리튬 (미국 특허 제3,325,556호), 크롬 (독일 특허 공개 제12 84 403호) 또는 칼륨을 촉진제로서 함유한 것 (Park et ai., J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1991, 1188; Ind. Eng. Chem. Res. 31, (1992) 등이 있다.
미국 특허 제4,839,325호에서는 아세틸렌의 선택적 수소화용 팔라듐 촉매를 위한 또다른 지지체 재료로서 TiO2를 제안하고 있다. 미국 특허 제4,906,800호에는 CaCO3기재의 팔라듐-납 촉매가 교시되어 있으며, 독일 특허 공개 제21 56 544호는 실리카 상의 팔라듐-아연 촉매에 관한 것이다.
독일 특허 출원 제19 500 366.7호는 지지체를 팔라듐 졸로 함침시켜 제조되는 지지된 팔라듐 촉매에 관한 것이다.
상기한 촉매를 사용하여 탄화수소 스트림 내 소량의 아세틸렌을 수소화하는데에는 개별 촉매의 선택성을 향상시키기 위해서 수소화시킬 스트림에 일산화탄소를 첨가하는 것이 필요하다. 여기에는 일산화탄소의 선택성 증강 효과가 매우 온도 의존적이라는 단점이 있다. 따라서, 촉매상 내의 온도 구배가 크면 선택성에 나쁜영향을 끼친다. 또한, 비교적 소량의 일산화탄소를 비교적 다량의 스트림에 계량첨가하려면 측정 및 제어에 상당한 노력이 요구된다.
또한, 상술한 촉매 일부에는 다량의 고가 귀금속이 포함되고, 이 점은 공업적 규모에서 촉매를 경제적으로 사용하는 것을 가로막는다.
본 발명의 목적은 상술한 단점이 없는 촉매를 제공하는 것이다. 더욱 구체적으로 말하자면, 본 발명의 촉매는 탄화수소 스트림 중의 소량의 아세틸렌도 일산화탄소를 첨가하지 않으면서 높은 선택성으로 수소화시킬 수 있어야 한다.
상기한 목적은 실리카 지지체를 1 종 이상의 촉진제 금속으로 함침시키고, 함침된 지지체를 건조시키고, 팔라듐 함유 용액으로 함침시키고, 건조시킨 후 하소시킴으로써 얻을 수 있는, 지지된 촉매를 기준으로 팔라듐 0.001 내지 1 중량% 및 1종 이상의 주기율표의 1족 또는 2족 촉진제 금속 0.005 내지 5 중량%를 함유하는 실리카 담지 촉매에 의해 달성된다.
본 발명은 또한 본 발명의 촉매를 제조하는 방법 및 상기 촉매를 사용하여 아세틸렌을 수소화하는 방법을 제공한다.
본 발명의 지지된 촉매는 실리카 지지체의 단계적 함침에 의해 제조된다. 이러한 지지체는 과립, 펠렛 또는 정제형 등 임의의 바람직한 형태로 사용될 수 있으나, 바람직하게는 압출물 형태로 사용된다. BET 표면적이 50 m2/g 이상인 실리카를사용하는 것이 유리하며, 표면적이 100 내지 300 m2/g인 지지체가 바람직하다. 사용되는 실리카의 화학적 이력은 본 발명의 촉매의 성능에 그리 중요하지 않아서, 예를 들면, 침전되거나 소성에 의해 얻어진 실리카를 사용할 수 있다.
일차 함침은 지지체에 촉진제를 부가하는 것이다. 바람직하게는, 이 과정은 지지체를 그것이 흡수할 수 있는 최대량의 용액과 혼합함으로써 이루어진다. 이 용액은 최종적으로 하소된 촉매가 0.005 내지 5 중량%의 촉진제 금속을 함유하게 되는 양의 촉진제 금속을 함유할 것이다. 적절한 혼합비율은 당업자가 몇 차례의 예비 실험을 바탕으로 용이하게 결정할 수 있다.
적절한 촉진제 금속에는 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘, 칼슘, 스트론튬 및 바륨과 같은 알칼리 및 알칼리토 금속이 포함된다. 이들 중, 루비듐, 스트론튬 및 바륨이 바람직하며, 칼륨이 특히 바람직하다. 상기한 촉진제 금속을 1 종만이 아니고 2 종 이상 부가하는 것도 가능하다. 촉진제 금속은 그의 염 형태로 통상적으로 용매, 바람직하게는 물에 용해된다. 적절한 염에는 상기 촉진제 금속의 수산화물, 탄산염, 질산염, 아세트산염 및 포롬산염과 같이 대응하는 산화물로 쉽게 하소되는 염이 포함되며, 이들 중 수산화물이 바람직하다.
촉진제 금속(들)으로 함침시킨 후 지지체를 건조시킨다. 고온이 장기간 작용하면 점점 규산염이 형성되기 쉬워지므로 건조는 일반적으로 300℃ 이하의 온도에서 이루어진다. 건조는 대개 5 내지 20 시간 지속된다. 용매의 증발이 멈추면 건조가 완결된 것이다.
2차 함침은 전처리된 지지체에 통상적인 방법으로 팔라듐을 부가하는 것이다. 촉진제 금속의 경우에서와 마찬가지로, 이 과정은 지지체가 완전히 흡수할 수 있는 용매량으로 함침시킴으로써 이루어진다. 지지체를 팔라듐염 용액과 혼합한다. 팔라듐염에 대해서는 물이 바람직한 용매이다. 진정한 용액만을 사용한다, 즉 팔라듐 함유 졸은 사용하지 않는다. 적절한 팔라듐염에는 예를 들면 질산팔라듐, 아세트산팔라듐, 팔라듐 아세틸아세토네이트 및 염화팔라듐이 있다. 이들 팔라듐염 용액 중 일부는 사용된 음이온 때문에 산성이다.
바람직한 실시태양에서는, 중성 용액을 함침에 앞서 무기산 등을 사용하여 산성으로 만든다.
지지체를 팔라듐염 용액으로 함침시킨 후에는 건조시킨다. 건조 온도는 5 내지 20 시간에 걸쳐 일반적으로 100 내지 200℃이다. 건조 도중에는 균일한 건조가 이루어지도록 지지체를 저어주는 것이 바람직하다.
이어서, 건조된 지지체를 일반적으로 300 내지 700℃, 바람직하게는 320 내지 450℃의 온도에서 0.5 내지 8 시간의 기간 동안 하소시킨다.
본 발명의 촉매를 아세틸렌의 수소화 공정에 사용하기 전에, 일반적으로 100 내지 550℃에 이르는 온도에서 수소 또는 수소 함유 가스를 이용한 환원에 의해 활성화시킬 수 있는데, 이 때 수소 분압은 1 내지 300 바(bar)인 것이 유리하며 환원은 물의 생성이 중단될 때까지 계속한다.
본 발명의 촉매는 촉진제 금속 산화물 상에 얇은 팔라듐층을 가진다. 이러한 촉매 구성에서 고도의 선택성이 유래한다.
본 발명의 촉매는 예를 들면 탄화수소 스트림 내 아세틸렌의 선택적 수소화에 이용될 수 있다. 이와 관련하여 특히 주목되는 것은 주성분인 에틸렌 및 에탄 외에도 0.01 내지 5 부피%의 아세틸렌을 포함하는 스팀 크래커 스트림이다.
아세틸렌 함유 탄화수소 스트림은 일반적으로 10 내지 30 바에 이르는 수소 분압으로 기체상태에서 수소화된다. 수소화될 아세틸렌의 양에 따라 수소화는 1단계 또는 다단계로, 중간 냉각 및 개별 반응기 각각에 대한 수소 공급을 하거나 하지 않으면서 통상적인 방법으로 수행할 수 있다. 단열 공정이 바람직하며, 이것은 1 부피% 이하의 아세틸렌 함량에 대해서는 쉽사리 이루어진다. 1차 반응기로의 아세틸렌 함유 탄화수소 스트림의 투입 온도는 일반적으로 15 내지 120℃, 바람직하게는 25 내지 95℃이다. 반응기를 하나만 사용하는 경우에 수소 대 아세틸렌의 몰비는 일반적으로 1.1:1 내지 2:1, 바람직하게는 1.2:1 내지 1.6:1이다. 이와 대조적으로 반응기 각각에 수소 공급을 하는 다수의 연속적인 반응기를 사용하는 경우에는 이 값이 0.6:1 내지 1.2:1 범위 내일 수 있다.
실시예
실시예 1
칼륨 도핑된 촉매의 제조
BET 표면적이 270 m2/g인 실리카겔 지지체 (직경 4 mm) 111 kg을 수산화칼륨 330 g을 물에 녹인 용액 92 l로 함침시켰다. 이 지지체를 120℃에서 16 시간 동안 저어 건조시켰다. 2차 함침은 팔라듐 33 g을 함유한 질산팔라듐 수용액 95 l로 수행하였다. 120℃에서 16 시간 동안 건조시킨 다음 이 압출물을 400℃에서 4시간에 걸쳐 하소시켰다.
실시예 2
본 발명의 촉매를 사용한 아세틸렌의 선택적 수소화
직경이 305 mm인 튜브형 반응기에 실시예 1의 촉매 50 l를 채웠다. 반응기를 질소로 세정하였다. 그 다음 촉매를 150℃에서 3 시간에 걸쳐 20 바의 수소로 환원시켰다.
반응기에 69.6 부피%의 에틸렌 및 29.6 부피%의 에탄과 함께 0.71 부피%의 아세틸렌을 함유하는 스트림 150 m3/g, 그리고 투입 온도가 35℃인 수소를 채웠다. 수소 대 아세틸렌의 몰비는 단계적으로 감소시켰다. 표 1은 반응 세부사항을 보여주는 것이다.
표 1
본 발명의 촉매는 아세틸렌의 수소화에 있어 매우 활성이 높고, 비교적 낮은 온도에서 사용될 수 있다. 이들 촉매는 아세틸렌 함량이 낮을 때에도 일산화탄소를수소화 단계에 계량투입할 필요 없이 고도로 선택적이다. 약 1 ppm의 잔류 아세틸렌 함량을 달성할 수 있으며, 기존의 촉매와 비교하면 화학양론적으로 낮은 수소 과량을 사용할 수 있다.

Claims (7)

  1. 실리카 지지체를 1 종 이상의 촉진제 금속을 함유하는 용액으로 함침시키고, 함침된 지지체를 건조시키고, 팔라듐 함유 용액으로 함침시키고, 건조시킨 후 하소시킴으로써 얻을 수 있고, 지지된 촉매를 기준으로 팔라듐 0.001 내지 1 중량% 및 1종 이상의 주기율표의 1족 또는 2족 촉진제 금속 0.005 내지 5 중량%를 함유하는, 탄화수소 스트림 내 아세틸렌의 선택적 수소화에 적절한 실리카 담지 촉매.
  2. 제1항에 있어서, 촉진제 금속으로서 칼륨, 루비듐, 스트론튬 또는 바륨을 포함하는 촉매.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 실리카 지지체를 수산화칼륨 수용액으로 함침시키고, 건조시킨 다음 질산팔라듐을 함유하는 용액으로 함침시킴으로써 얻어지는 촉매.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, BET 표면적이 100 내지 300 m2/g인 실리카 지지체를 함침시킴으로써 얻어지는 촉매.
  5. 실리카 지지체를 1 종 이상의 촉진제 금속을 함유하는 용액으로 함침시키는단계, 함침된 지지체를 건조시키는 단계, 팔라듐 함유 용액으로 함침시키는 단계, 건조 단계 및 하소 단계를 포함하는, 지지된 촉매를 기준으로 팔라듐 0.001 내지 1 중량% 및 1 종 이상의 주기율표의 1족 또는 2족 촉진제 금속 0.005 내지 5 중량%를 함유하는 지지된 촉매의 제조 방법.
  6. 기체상에서 제1항 또는 제2항에 따른 촉매 상에서 수소화시키는 단계를 포함하는, 탄화수소 스트림 내에서 수소를 사용한 아세틸렌의 선택적 접촉 수소화 방법.
  7. 제6항에 있어서, 0.01 내지 5 부피%의 아세틸렌을 포함하고 에틸렌 및 에탄을 주로 포함하는 스트림 중에서 아세틸렌을 선택적으로 수소화시키는 방법.
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