KR100458785B1 - 비닐 아세테이트 촉매를 제조하기 위한 2단계 금첨가방법 - Google Patents

비닐 아세테이트 촉매를 제조하기 위한 2단계 금첨가방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 촉매 담체를 수용성 팔라듐 화합물 및 수용성 금 화합물에 침지시키고 고정시킨 후, 고정된 팔라듐 화합물 및 고정된 금 화합물을 팔라듐 금속 및 금 금속으로 환원시킨 다음 상기 담체를 제 2 량의 수용성 금 화합물에 침지시키는, 촉매의 제조 방법에 관한 것이다. 이어서 제 2 량의 금 화합물은 고정되고, 금 금속으로 환원된다. 이어서 상기 촉매는 아세트산 칼륨과 같은 알칼리 금속 아세트산염에 침지된다. 상기 촉매는 에틸렌과 탄소수 2 내지 4의 카복실산으로부터 형성되는 불포화 에스테르(예컨대, 비닐 아세테이트)를 합성하는데 사용할 수 있다.

Description

비닐 아세테이트 촉매를 제조하기 위한 2단계 금 첨가 방법{A TWO STEP GOLD ADDITION METHOD FOR PREPARING A VINYL ACETATE CATALYST}
실리카와 같은 임의의 담체 물질 상에 지지된, 팔라듐, 금 및 알칼리 금속 아세트산염을 포함하는 촉매의 존재 하에 에틸렌, 산소 및 아세트산을 기상 반응시켜 비닐 아세테이트를 제조하는 방법은 당해 분야에 공지되어 있다. 이런 촉매 시스템은 높은 활성을 나타낸다. 불행하게도, 이런 팔라듐 및 금 촉매를 사용한 결과들은 일관성이 없었다. 이러한 비일관성은 담체와 관련하여 그에 침착되는 촉매 성분의 분포 패턴 또는 프로파일에 어느 정도 근거한 것으로 보인다. 예를 들면, 팔라듐 및 금과 함께 다공성 지지체를 포함하는 공지된 비닐 아세테이트 촉매 시스템을 사용하는 경우, 담체의 내부 영역 또는 중심 영역에 또는 이들 영역 주위에 침착된 상기 금속 성분은, 반응물이 촉매의 다공성 망상 구조의 중심 영역 또는 내부 영역 내로 쉽게 확산될 수 없기 때문에 반응 기작에 크게 기여하지 않는다. 보다 중요하게, 촉매 내부 영역에서 형성된 촉매 합성 생성물은 내부 영역으로부터 외부 영역으로 확산되어야 하며, 이때 또 다시 촉매의 외부 영역에서 활성상과 접촉하게 된다. 결과적으로, 이들 촉매 내부 영역에서 형성된 생성물은 추가로 반응하여 종종 비유용한 부산물로 전환된다. 가장 효과적인 반응은 반응물 및 생성물이 쉽게 확산되어 우수한 생성물 수율이 수득되고 부산물이 적게 형성되도록 촉매 금속이 촉매의 표면 영역 내에 침지된 얇은 껍질로서 형성되어 있을 때 일어난다.
높은 수율, 우수한 선택성 및 긴 수명을 갖는 비닐 아세테이트 촉매를 제공하기 위해 담체 표면 상의 좁은 밴드(band) 내에서 금 및 팔라듐 촉매 성분을 보다 골고루 분포시키고 고착시키려는 내용의 여러 특허가 허여되어 있다. 이런 특허의 예들은 미국 특허 제 4,087,622 호; 제 4,048,096 호; 제 3,822,308 호; 제 3,775,342 호 및 영국 특허 제 1,521,652 호를 포함한다.
촉매 담체 상에 침착된 팔라듐 및 금을 함유한 비닐 아세테이트 촉매를 제조하는 기본 방법은 (1) 담체를 수용성 팔라듐 화합물 및 수용성 금 화합물의 수용액에 침지시키는 단계, (2) 침지된 촉매 담체를 수용성 팔라듐 화합물 및 수용성 금 화합물과 반응할 수 있는 화합물의 수용액과 접촉시킴으로써 촉매 담체 상에 수불용성 팔라듐 화합물 및 수불용성 금 화합물을 침전시켜 수불용성 귀금속 화합물을 형성하는 단계, (3) 처리된 촉매를 물로 세척하여 상기 침전 단계동안 초기에 침지된 팔라듐 및 금 화합물로부터 유리된 음이온을 제거하는 단계, 및 (4) 환원제를 이용한 처리에 의해 수불용성 팔라듐 화합물 및 수불용성 금 화합물을 유리 금속으로 전환시키는 단계를 포함한다. 최종 처리는 일반적으로 (5) 환원된 촉매를 알칼리 금속 아세트산염 수용액에 침지시키는 단계, 및 (6) 최종 촉매 생성물을 건조시키는 단계를 포함한다.
담체 상에 팔라듐 금속 및 금 금속을 균일하게 분포시키려는 시도는 상기 언급된 단계를 조작하고/하거나 여러 특정한 공극 치수를 갖는 담체 물질을 사용하는 것을 포함한다. 비닐 아세테이트를 제조하기 위한 고활성 촉매를 제조하는데 있어서 특히 유용한 개선점은 모두 본원에 참고로 인용되고 일반 양도된 미국 특허 제 5,314,858 호 및 제 5,332,710 호에 기술되어 있다. 이들 두 특허는 침전 단계(2), 즉 수용성 귀금속 화합물을 수불용성 화합물로서 담체에 "고정"시키는 단계를 조작함으로써 담체 상에 팔라듐 및 금 분포를 개선시키는 방법을 기술한다. 미국 특허 제 5,314,858 호에서, 담체 상에 귀금속을 고정시키는 방법은 과다한 "고정화" 화합물의 사용을 피하기 위해 2가지 별도의 침전 단계를 사용하여 이루어진다. 미국 특허 제 5,332,710 호는 침지된 촉매 담체를 반응 용액에 함침시키면서 적어도 초기 침전 기간동안 회전시킴으로써 귀금속을 고정시키는 방법을 기술한다. 이런 회전-함침 과정은 담체 금속이 담체 표면 상의 좁은 밴드에 보다 골고루 분포되어 침전되어 있는 촉매를 생성한다는 것이 밝혀졌다.
일반적으로 공간 시간 수율(STY)에 의해 평가되는 촉매 활성을 개선시키려는 시도는 특정한 공극 크기 또는 특정한 형태의 촉매 담체를 사용하는 것을 포함한다. 비닐 에스테르를 제조하는데 유용한 촉매 담체는 전형적으로 실리카, 알루미나, 규산 알루미늄 또는 첨정석으로 구성된다. 실리카는 다공성이고 귀금속 침전에 대한 중성 담체이기 때문에 바람직한 담체 물질이다. 일반적으로 4 내지 8 mm의 범위의 구형, 정제형 또는 실린더형 담체가 종종 사용된다. 촉매 활성이 증가함에 따라, 산업 규모로 불포화 에스테르를 제조하기 위해서는 촉매를 통과하는 올레핀, 유기 카복실산 및 산소로 이루어진 원료 기체의 부피를 증가시키는 것이 바람직하다. 촉매 형태 및 다공성은 촉매를 통과하는 기체 부피 유동에 영향을 미친다. 촉매를 통과하는 원료 기체의 부피를 증가시키는 하나의 이유는 활성 촉매 상에 고온점이 형성되는 것을 막기 위함이다. 불포화 에스테르의 형성 반응이 발열성이기 때문에 촉매 활성의 증가는 촉매의 일부를 과다하게 가열할 수 있다. 촉매 상의 비효율적인 열 분포는 이산화 탄소의 형성과 같은 부반응을 야기시켜, 비닐 아세테이트와 같은 불포화 에스테르의 형성에 대한 선택성을 감소시킨다.
비닐 에스테르 합성 촉매의 활성 증가와 관련된 다른 문제점은 비닐 에스테르 합성동안 중질 최종물이 생성된다는 점이다. 중질 최종물은 불포화 에스테르 합성동안 형성된 고분자량 유기 화합물을 포함하는 부산물 잔기이다. 이런 중질 최종물은 에틸리덴 디아세테이트; 1,1-디아세톡시 에틸렌; 시스- 및 트란스-디아세톡시 에틸렌; 에틸렌 글리콜 디아세테이트; 비닐 아세톡시아세테이트; 비닐 아세톡시아세트산; 에틸렌 글리콜 모노아세테이트; 및 사이클로프로판 카복실산을 포함하나 이에 제한되지 않는다. 불포화 에스테르 합성 반응, 예를 들면 비닐 아세테이트 합성 반응은 종종 반응물 에틸렌을 기준으로 약 2 % 이하의 중질 최종물 선택성을 가질 수 있다. 중질 최종물은 증류에 의해 목적한 생성물로부터 쉽게 제거되고 분리될 수 있으며, 중질 최종물을 포함한 저부 물질을 수거하여 쓰레기 집적 또는 연소에 의해 폐기할 수 있다. 그러나, 중질 최종물의 폐기물은 독성이 있는 것으로 간주되며, 또한 중질 최종물을 연소시키면 독성 생성물이 형성되어 환경으로 방출될 수 있다. 세계의 많은 지역에서는 오염방지법 및 지침을 통해 독성 고체 쓰레기를 집적하거나 또는 이를 연소할 수 있는 한도를 엄격하게 제한하고 있다. 따라서, 불포화 에스테르 합성동안 중질 최종물 형성의 어떤 감소도 매우 바람직하다.
비닐 에스테르 합성 촉매의 촉매 활성은 지지체에 첨가된 금의 상대량을 증가시킴으로써 개선되어 왔다. 비닐 에스테르 합성 촉매의 금 함량을 증가시키면, 촉매의 수명이 유지되고 CO2선택성 및 중질 최종물의 형성이 모두 감소된다는 사실이 밝혀졌다.
촉매 담체 상의 팔라듐 및 금 금속의 개선된 균일한 분포를 가지며 촉매 활성이 높은 촉매, 및 그의 제조 방법이 공지되어 있지만, 담체 표면 상에 팔라듐 및 금이 보다 균일하게 분포된 비닐 아세테이트 합성 촉매를 제조하는 방법, 및 특히 촉매의 금 함량을 증가시키는 방법이 여전히 필요하다. 현재 촉매에 금을 첨가하는 방법은 제조동안 촉매로부터 금 또는 금 염이 상당량 침출되거나 마모되기 때문에 완성된 촉매에서 목적한 금 함량을 반드시 보장하지 않는다.
따라서, 본 발명의 목적은 에틸렌과 탄소수 2 내지 4의 카복실산으로부터 형성되는 비닐 에스테르를 합성하기 위한 증가된 양의 금 금속을 갖는 촉매의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 에틸렌과 탄소수 2 내지 4의 카복실산으로부터 형성되는 비닐 에스테르(예컨대, 비닐 아세테이트)에 대해 개선된 선택성을 갖는 비닐 에스테르 합성 촉매의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 이산화 탄소 및 에틸 아세테이트에 대해 감소된 선택성을 갖는 비닐 아세테이트 합성 촉매의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가의 목적은 에틸렌과 탄소수 2 내지 4의 카복실산으로부터 형성되는 비닐 에스테르를 합성하기 위한 높은 촉매 활성을 갖는 촉매를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 다음의 설명에 개시되고 본 발명의 실행시 당해 분야의 숙련자에게 명백할 것이다.
발명의 요약
승온에서 그리고 상압 또는 승압에서 에틸렌, 탄소수 2 내지 4의 저급 카복실산 및 산소로부터 비닐 에스테르를 제조하는데 유용한, 팔라듐 및 금을 함유하는 고활성의 지지된 촉매가, 촉매 담체에 금을 2단계로 첨가함으로써 수득될 수 있음이 밝혀졌다. 전형적으로, 에틸렌과 탄소수 2 내지 4의 카복실산으로부터 형성되는 비닐 에스테르 합성 촉매의 금 성분은 단일 침지 단계로 촉매 담체에 첨가되고 담체 상에 고정되어 왔다. 예를 들면, 금은 수용성 염 또는 산의 용액으로서 팔라듐 금속의 수용성 염과 동시에 촉매 담체 상에 침지되거나, 또는 다르게는 팔라듐 첨가와는 별도의 단계에서 첨가된다. 이어서 침지된 수용성 팔라듐 및 금 화합물은 알칼리 고정화 용액에 의해 수불용성 팔라듐 화합물 및 수불용성 금 화합물로 형성되어 고정된 후, 수불용성 팔라듐 화합물 및 수불용성 금 화합물은 각각 팔라듐 및 금 금속으로 환원된다. 불행하게도, 상기 논의된 것과 같이, 단일 단계로 촉매 담체에 금을 첨가하면, 촉매 제조동안 담체의 표면으로부터 금이 침출되거나 마모되어 손실되는 경우가 종종 있다. 따라서, 높은 촉매 활성 및 높은 비닐 아세테이트 선택성을 언제나 기대할 수 없다.
이런 문제점을 극복하기 위해서, 에틸렌과 탄소수 2 내지 4의 카복실산으로부터 형성되는 비닐 에스테르를 합성하기 위한 본 발명에 따른 개선된 촉매는, (1) 촉매 담체를 염화 나트륨 팔라듐과 같은 수용성 팔라듐 염의 수용액 및 염화 제 2 금과 같은 제 1 량의 수용성 금 화합물의 수용액에 동시에 또는 연속적으로 침지시키는 단계, (2) 상기 침지된 담체를 팔라듐 및 금 화합물과 반응하는 수성 수산화 나트륨과 같은 반응성 염기성 용액으로 처리하여 담체 표면 상에 팔라듐 및 금의 수산화물을 형성함으로써, 수불용성 팔라듐 화합물 및 수불용성 금 화합물을 침전시켜 담체 상에 이러한 귀금속들을 고정시키는 단계, (3) 물로 세척하여 클로라이드 이온(또는 다른 음이온)을 제거하는 단계 및 (4) 모든 귀금속 수산화물을 환원시켜 팔라듐 및 금을 유리시키는 단계를 포함하는 방법에서 (5) 제 1 량의 수용성 금 화합물을 고정시킨 후, 담체를 제 2 량의 수용성 금 화합물에 침지시키는 단계, 및 (6) 제 2 량의 수용성 금 화합물을 고정시키는 단계를 포함하여 개선된 방법에의해 제조된다. 제 1 량 및 제 2 량의 금은 각각의 고정 단계 후에 따로따로 환원되거나, 또는 제 1 량 및 제 2 량의 금이 개별적으로 고정된 후 최종 환원 단계에서 함께 환원될 수 있다. 촉매가 상기 방법에 의해 제조되는 경우, 에틸렌, 저급 카복실산 및 산소를 기상 반응시켜 에틸렌과 탄소수 2 내지 4의 카복실산으로부터 형성되는 비닐 에스테르(예컨대, 비닐 아세테이트)를 제조하는데 관여하는 촉매 활성이 유지될 수 있으며, 이산화 탄소의 형성과 관련된 부반응이 실질적으로 감소된다는 것이 밝혀졌다.
본 발명은 기상(gas-phase) 반응에 의해 에틸렌과 탄소수 2 내지 4의 카복실산으로부터 형성되는 불포화 에스테르를 합성하는데 유용한 촉매를 제조하는 신규한 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 에틸렌, 산소 및 아세트산을 반응시켜 비닐 아세테이트를 기상 공정으로 제조하는데 유용한 촉매를 제조하는 신규한 방법에 관한 것이다.
본 발명의 에틸렌과 탄소수 2 내지 4의 카복실산으로부터 형성되는 불포화 에스테르 합성용 촉매의 개선된 제조 방법에서, 금은 개별적인 2단계로 촉매 담체에 첨가된다.
본 발명에 따른 촉매용 담체 물질은 임의의 다양한 기하 형태를 가질 수 있다. 예를 들면, 담체는 구형, 정제형 또는 실린더형일 수 있다. 담체 물질의 기하 치수는 일반적으로 약 1 내지 8 mm의 범위일 수 있다. 가장 적합한 기하 형태는 특히 구형, 예를 들면 약 4 내지 8 mm 범위의 직경을 갖는 구이다.
담체 물질의 비표면적은 넓은 한계내에서 다양할 수 있다. 예를 들면, 약 50 내지 300 m2/g, 특히 약 100 내지 200 m2/g(BET에 따라 측정됨)의 내부 표면적을 갖는 담체 물질이 적합하다.
사용될 수 있는 담체 물질의 예들은 실리카, 산화 알루미늄, 규산 알루미늄 또는 첨정석을 포함한다. 실리카가 바람직한 담체 물질이다.
본 발명의 방법에 따르면, 우선 촉매 담체는 수용성 팔라듐 화합물 및 제 1 량의 수용성 금 화합물을 함유한 수용액에 침지된다. 이 경우, 팔라듐 및 금 화합물의 개별적인 용액을 연속적으로 사용할 수도 있으나, 이러한 방식으로 진행하는 것은 불편하다. 염화 팔라듐(II), 염화 나트륨 팔라듐(II), 질산 팔라듐(II) 또는 황산 팔라듐(II)이 적합한 수용성 팔라듐 화합물의 예들이며, 염화 금(III) 또는 그의 활성(III) 산이 수용성 금 화합물로서 사용될 수 있다. 염화 금의 활성(III) 산 및 염화 나트륨 팔라듐(II)이 우수한 수용성 때문에 바람직하다. 담체를 침지시키는데 사용되는 귀금속 용액의 부피가 중요하다. 효과적인 침착을 위해 침지 용액의 부피는 바람직하게는 촉매 담체의 흡수능의 약 95 내지 약 100 %, 바람직하게는 약 98 내지 99 %이다. 이런 침지 기법은 "초기 습윤" 방법으로서 특징지어진다.
담체를 수용성 팔라듐 화합물 및 제 1 량의 수용성 금 화합물에 침지시킨 후, 수용성 팔라듐 화합물 및 수용성 금 화합물은 수불용성 팔라듐 화합물 및 수불용성 금 화합물로서 담체에 고정된다. 고정화 용액은 알칼리 용액, 예를 들면 알칼리 금속 수산화물, 알칼리 금속 중탄산염 및/또는 알칼리 금속 탄산염을 함유한 수용액을 포함하는 것이다. 수산화 나트륨 또는 수산화 칼륨의 수용액을 사용하는 것이 특히 바람직하다. 알칼리 화합물의 사용량은 알칼리 금속 대 수용성 귀금속 화합물로부터 유래한 음이온의 비가 약 1:1 내지 약 2:1, 바람직하게는 약 1.2:1내지 약 1.8:1이 되는 양이다. 알칼리 용액을 이용한 처리에 의해, 귀금속 수용성 화합물은 적어도 알칼리 용액이 수산화 나트륨 또는 수산화 칼륨의 용액인 경우에 수산화물 및/또는 산화물로 생각되는 수불용성 화합물로 전환된다.
바람직하게는, 담체는 1994년 7월 26일자로 니콜라우(Nicolau) 등에게 허여되고 본원에 그 전체가 참고로 인용된 미국 특허 제 5,332,710 호에 개시된 "회전 함침"으로 명명된 방법에 의해 제 1 금 고정 단계에서 침지된다. 상기 방법에서, 고정된 담체는 알칼리 고정화 용액에 함침되고 수불용성 귀금속 화합물의 초기 침전 단계동안 텀블링(tumbling)되거나 또는 회전된다. 알칼리 고정화 용액에서의 담체의 회전 또는 텀블링은 바람직하게는 초기 처리시 약 0.5시간 이상동안, 가장 바람직하게는 약 2.5시간 이상동안 진행된다. 회전 함침 처리는 귀금속 화합물의 완전한 침전을 보장하기 위해, 상기 처리된 담체가 고정화 용액에 정치되기 전에 약 4시간 이하동안 지속될 수 있다.
사용되는 장치의 정확한 유형은 그리 중요하지 않기 때문에 임의의 유형의 회전 또는 텀블링 장치를 사용할 수 있다. 그러나, 회전 운동의 정도는 중요하다. 따라서, 회전은 바람직하게는 침지된 담체의 모든 표면이 알칼리 고정화 용액과 고르게 접촉되기에 충분하여야 한다. 회전은 바람직하게는 수불용성 귀금속 화합물이 실제로 마모되어 담체 표면으로부터 벗겨 나갈 정도로 심하지는 않다. 반면에, 수불용성 귀금속 화합물의 일부 작은 범위의 마모는 실제로 담체 표면 상에 수불용성 귀금속 화합물을 보다 골고루 분포시키는 작용을 한다고 밝혀져 있거나 또는 그렇다고 생각된다. 회전의 정도는 바람직하게는 약 1 내지 약 10 rpm이고, 아마도사용되는 담체의 정확한 유형 및 담체 상에 침착된 귀금속의 양에 따라 크게 좌우될 것이다. 사용된 rpm은 가변적이며, 또한 사용된 장치, 담체의 크기 및 형태, 담체의 유형, 금속 부하 등에 따라 좌우될 수 있으나, 바람직하게는 상기 표현된 한계내, 즉 소량의 마모가 유리하지만 수불용성 화합물이 실제로 담체 표면으로부터 벗겨 나갈 정도는 아닌 범위내에 있다.
담체 상에 귀금속을 고정시키는 다른 방법은 "초기 습윤" 방법이다. 이 방법에서는 상기 기술된 것과 같이 담체의 건조 흡수도와 동일한 비체적의 고정화 용액(예를 들면, 수성 알칼리 금속 수산화물)이 수용성 귀금속 화합물에 침지된 다공성 지지체 상에 부어진다. 상기 처리된 담체는 침전이 완성될 때까지 정치된다. 고정화 단계가 이러한 초기 습윤 방법에 의해 수행되는 경우, 침지된 담체는 공기 건조된 후에 수성 수산화 금속으로 고정된다.
다르게는, 고정화 단계는 알칼리 고정화 용액으로 처리하는 개별적인 2단계 이상의 단계로 나누어질 수 있다. 이런 방법은 1994년 5월 24일자로 콜링(Colling)에게 허여되고 본원에 그 전체가 참고로 인용된 미국 특허 제 5,314,858 호에 기술되어 있다. 각각의 개별적인 고정 처리에서, 알칼리 반응성 화합물의 양은 수용성 화합물로서 담체 상에 존재하는 모든 귀금속 화합물과 반응하는데 필요한 몰량 이하이다. 과량의 반응성 화합물은 사용되지 않는다. 바람직하게는, 각각의 고정화 단계에 사용된 반응성 화합물의 양은 모든 수용성 귀금속 화합물과 반응하는데 필요한 몰량 미만이다. 각각의 고정화 단계는 건조된 침지된 담체를 담체의 건조 흡수도와 거의 같은 양의 알칼리 고정화 용액에 침지시킴으로써 수행된다.
용액에 함유된 알칼리 화합물의 양은 바람직하게는 알칼리 금속 대 수용성 귀금속 화합물로부터 유래한 음이온의 비가 제 1 단계에서 약 0.7 내지 1:1의 몰비이고, 제 2 단계에서 약 0.2 내지 0.9:1의 몰비가 되는 양이다. 바람직하게는, 알칼리 금속 총량 대 음이온 총량의 비는 전체 고정 단계동안 약 1.2 내지 약 1.6:1의 몰비의 범위이다. 제 1 고정화 단계에서 처리된 담체는 수불용성 귀금속 화합물을 침전시키기에 충분한 시간동안 정치된다. 처리 시간은 다양할 수 있으나, 전형적으로 담체가 알칼리 고정화 용액의 제 2 부분으로 다시 처리되기 약 2시간 내지 약 8시간 전의 범위이다. 제 2 고정화 단계에서 처리된 담체는 추가의 2시간 이상동안, 바람직하게는 약 4시간 이상동안 다시 정치되고, 약 16시간 이하동안 침전이 완성되도록 정치될 수 있다.
제 2 고정화 단계에서의 처리는 제 1 단계에서와 동일할 수 있고, 이때 처리되고 부분적으로 고정된 담체는, 목적한 알칼리 농도를 가지며 담체의 건조 흡수도와 역시 동일한 전체 부피를 갖는 고정화 용액에 침지된다. 다르게는, 담체는 상기 논의된 것과 같이 "회전 함침"으로 명명된 방법에 의해 제 2 고정화 단계에서 침지될 수 있다. 상기 방법에서, 고정된 담체는 일단 알칼리 고정화 용액에 함침되고, 이전에 논의된 바와 같이 수불용성 귀금속 화합물의 초기 침전 단계동안 텀블링되거나 또는 회전된다.
제 1 량의 수용성 금을 고정시킨 후, 제 1 량의 금에 침지시키고 고정시키기 위해 상기 기술된 바와 같은 방법에 따라 담체를 제 2 량의 금에 침지시키고 고정시킬 수 있다. 따라서, 제 1 금 첨가 단계에 사용하기 위해 상기 기술된 임의의 금 염을 제 2 량의 금을 첨가하기 위해 사용할 수 있다. 마찬가지로, 이전에 기술된 것과 같은 "회전 함침", "초기 습윤" 및 "이중 고정화" 방법과 같은 임의의 고정화 방법을 담체 상에 불용성 금 화합물을 침전시키기 위해 사용할 수 있다. 바람직하게는, 제 2 량의 금은, 담체를 제 2 량의 수용성 금 화합물 및 수성 알칼리 고정제의 용액에 침지시키거나 또는 담체를 제 2 량의 수용성 금 화합물에 침지시킨 후 알칼리 고정화 수용액으로 처리한 후에, 침지된 담체를 약 16시간 이하동안 정치시켜 수불용성 금 화합물을 침전시킴으로써, "초기 습윤" 방법에 의해 담체에 고정된다. 고정화 용액의 체적은 담체의 건조 흡수도와 동일하며, 알칼리 화합물의 사용량은 모든 침지된 수용성 금 화합물과 반응하는데 필요한 몰 기준으로 과량이다.
귀금속 화합물을 담체에 고정시킨 후, 담체를 탈이온수로 세척함으로써 침지 용액으로부터 유리되어 담체 상에 여전히 포함되어 있는 클로라이드 이온과 같은 음이온을 제거한다. 세척은 모든 음이온이 담체로부터 제거될 때까지 계속된다. 촉매로부터 클로라이드 이온과 같은 음이온의 실질적인 완전한 제거를 보장하기 위해, 세척 유출액을 질산 은을 사용하여 질산 은 시험이 음성이 될 때까지, 즉 염화 은의 형성이 없을 때까지 시험한다. 촉매로부터 이온을 세척한 후, 촉매를 연속 질소 유동과 같은 불활성 대기 하에서 약 150℃를 초과하지 않는 온도에서 건조시킨다. 세척 및 건조 단계는 팔라듐 및 제 1 량의 금을 담체에 고정시킨 후에 수행한 후, 다시 제 2 량의 금을 첨가하고 고정시킨 후에 수행하거나, 또는 일단 모든귀금속을 담체에 고정시킨 후, 즉 제 2 량의 금을 고정시킨 후에 수행할 수 있다.
이어서, 고정된 물질을 환원제로 처리하여 존재하는 귀금속 염 및 화합물을 금속 형태로 전환시킨다. 환원 단계는 액상으로, 예를 들면 수성 하이드라진 하이드레이트를 이용하여 수행하거나, 또는 바람직하게는 기상으로, 예를 들면 수소 또는 탄화수소, 예를 들면 에틸렌을 이용하여 수행할 수 있다. 환원 단계를 하이드라진 하이드레이트의 용액으로 수행하는 경우, 반응은 바람직하게는 상온에서 수행된다. 환원 단계를 기상으로 수행하는 경우, 에틸렌을 이용하여 환원시 승온, 예를 들면 약 100 내지 200℃에서 반응을 수행하는 것이 유리할 수 있다. 환원제는 적합하게는 모든 귀금속 염 및 화합물을 금속 형태로 전환시키는 것을 보장하도록 과량으로 사용된다. 하이드라진을 사용하는 경우, 하이드라진 대 귀금속의 중량비는 약 10:1 내지 약 15:1, 바람직하게는 약 12:1의 범위이다. 팔라듐 및 금 수불용성 화합물을 환원시킨 후, 담체를 약 150℃에서 불활성 대기하에 건조시킨다. 세척 및 건조 단계와 같이, 귀금속의 환원 단계는 각각의 고정 단계 후에 수행되거나 또는 모든 귀금속을 담체에 고정시킨 후에 수행될 수 있다. 또한, 촉매를 세척하여 음이온성 물질을 제거하기 전후에 환원 단계를 수행할 수도 있다.
각각의 침지 단계에서 첨가된 수용성 금 화합물의 상대적인 양은 그리 중요하지 않다. 최종 촉매 상의 전체 금의 약 1/2 내지 약 3/4를 제 1 침지 단계동안 첨가하고, 제 2 침지 단계에서 나머지를 첨가한다. 바람직하게는, 사용된 팔라듐 및 금 화합물의 양은 완성된 촉매 1 리터당 약 3 내지 약 8 g의 팔라듐 및 약 1.5 내지 약 14 g의 금을 제공하는 것이다.
촉매가 본원에 개시된 신규한 방법에 의해 제조되는 한, 상기 개시된 양에 비해 더 많거나 또는 더 적은 양의 귀금속을 함유한 촉매도 증기상으로 에틸렌, 산소 및 아세트산을 반응시켜 비닐 아세테이트를 제조하는데 유용할 수 있다. 따라서, 최종 촉매에서 금:팔라듐의 비는 약 0.2:1 내지 약 2:1, 바람직하게는 약 0.4:1 내지 약 1.5:1의 범위일 수 있다.
상기 방법으로 제조된 촉매의 의도된 용도에 따라, 촉매는 또한 통상적인 첨가제를 포함할 수 있다. 따라서, 촉매가 에틸렌, 산소 및 탄소수 2 내지 4의 카복실산으로부터 불포화 에스테르의 제조를 위해 사용되는 경우, 예를 들면 알칼리 금속 아세트산염을 첨가하는 것이 유리하다. 상기 경우에서, 예를 들면 촉매를 아세트산 칼륨, 아세트산 나트륨, 아세트산 리튬, 아세트산 루비듐 또는 아세트산 세슘의 수용액에 침지시킨 후, 세척하고 건조시킬 수 있다.
본 발명에 따른 촉매는 에틸렌, 산소 및 아세트산으로부터 기상 공정으로 비닐 아세테이트를 제조하는데 특히 유리하게 사용될 수 있다. 상기 목적을 위해, 지지 물질로서 실리카를 포함하고 알칼리 금속 아세트산염의 첨가제를 포함하는 본 발명에 따른 촉매가 특히 적합하다. 비닐 아세테이트의 제조에서, 이런 촉매는 또한 비닐 아세테이트에 대한 높은 활성 및 선택성, 및 긴 수명을 특징으로 한다.
본 발명에 따라 제조된 촉매를 사용하여 비닐 아세테이트를 제조하는 경우, 에틸렌, 산소 및 아세트산을 함유하는 기체의 스트림을 촉매에 통과시킨다. 기체 스트림의 조성은 폭발 한계를 고려하여 넓은 한계 내에서 다양할 수 있다. 예를 들면, 에틸렌 대 산소의 몰비는 약 80:20 내지 약 98:2일 수 있고, 아세트산 대 에틸렌의 몰비는 약 100:1 내지 약 1:100일 수 있으며, 기체상 알칼리 금속 아세트산염의 함량은 사용된 아세트산에 대해 약 2 내지 200 ppm일 수 있다. 기체 스트림은 또한 다른 불활성 기체, 예를 들면 질소, 이산화 탄소 및/또는 포화 탄화수소를 함유할 수 있다. 사용될 수 있는 반응 온도는 승온, 바람직하게는 약 100 내지 약 250℃, 바람직하게는 130 내지 200℃ 범위의 온도이다. 사용되는 압력은 다소 감압, 상압 또는 승압, 바람직하게는 약 20 atm 게이지(gauge) 이하의 압력일 수 있다.
비닐 아세테이트를 제조하는데 사용되는 본 발명의 촉매는 개선된 공간 시간 수율, 낮은 이산화 탄소 선택성 및 낮은 에틸 아세테이트 선택성을 가질 뿐만 아니라 중질 최종물도 적게 생성된다.
다음의 실시예들은 본 발명을 추가로 설명하고자 하는 것이지 본 발명의 범위를 제한하고자 함이 아니다.
실시예 I, II 및 III
촉매를 수드 케미(Sud Chemie)에 의해 제공된 약 5 mm 직경의 구형 실리카 담체 상에서 제조했다. 담체를 각각 250 cc의 3개의 배치(batch)(실시예 I, II 및 III)로 나누었다. 실시예 I의 촉매는 표준 방법(하기 기술됨)에 따라 제조했다. 실시예 II의 촉매는 금의 추가량을 촉매에 첨가한 것을 제외하고는 실시예 I의 촉매와 같은 방법에 따라 제조했다. 금의 양은 촉매에 첨가된 팔라듐의 양과 거의같았다. 실시예 III의 촉매는 실시예 II와 동량의 팔라듐 및 금을 함유하나, 본 발명의 2단계 금 첨가 방법에 따라 제조되었다.
모든 담체를 사염소산 나트륨 팔라듐 및 사염화금산 나트륨을 함유한 수용액에 침지시켰다. 사용된 용액의 체적은 담체가 흡수할 수 있는(초기 습윤 방법) 용액의 양과 같았다. 실시예 I에서는 생성된 촉매가 약 7 g/l의 팔라듐 금속 및 약 4 g/l의 금 금속을 갖기에 충분한 양의 팔라듐 및 금의 수용성 염에 담체를 침지시켰다. 실시예 II 및 III에서는 각각의 촉매가 약 7 g/l의 팔라듐 금속 및 약 7 g/l의 금 금속을 갖기에 충분한 양의 팔라듐 및 금의 수용성 염에 담체를 침지시켰다. 실시예 III에서, 제 1 침지 단계동안 4 g/l의 금을 첨가했다.
침지 후, 담체를 회전식 증발기(진공 없이)에 넣었고, 283 cc의 50 %(중량/중량) 수산화 나트륨의 수용액으로 처리하여 팔라듐 및 금의 수용성 염을 팔라듐 및 금의 수불용성 수산화물 화합물로서 담체에 고정시켰다. 사용된 수산화 나트륨의 양은 금속 염을 금속 수산화물로 전환시키는데 필요한 화학양론적인 당량의 약 120 %였다. 담체를 즉시 약 2.5시간동안 약 5 rpm으로 회전시켰다. 수산화 나트륨 용액의 온도를 고온 수욕에서 회전시킴으로써 회전-함침동안 약 70℃를 유지시켰다.
고정된 담체를 빼내어 딥(dip) 시험관으로 500 ml의 눈금 실린더에 넣고, 세척액으로부터 유출액이 질산 은을 이용한 시험이 음성일 때까지, 즉 염화 은의 형성이 없을 때까지 탈이온수로 5시간동안 세척했다. 이어서 세척된 담체를 500 ml 환저 플라스크에 넣고, 질소의 연속 유동 하의 오븐에 넣어서 밤새, 즉 약 16시간동안 건조시켰다. 오븐 온도를 약 150℃에서 유지시켰다.
이어서 건조된 담체 상의 수불용성 팔라듐 화합물 및 수불용성 금 화합물을 증기상 방법에 의해 팔라듐 및 금 금속으로 환원시켜 촉매를 제조했다. 질소 중의 5 % 에틸렌의 블렌드(blend)를 약 150℃ 온도의 오븐에서 약 5시간동안 담체에 통과시켰다. 기체 블렌드의 유속은 대기압에서 약 0.5 SCFH였다. 환원 후, 촉매를 오븐으로부터 회수하고 실온으로 냉각시켰다.
실시예 I 및 II의 촉매를 초기 습윤 방법에 의해 약 10 g의 아세트산 칼륨(약 40 g/l의 농도)의 수용액에 침지시켰고, 약 150℃에서 약 1시간동안 유체층 건조기에서 건조시켰다.
실시예 III에서 제조된 촉매는 상기 기술된 것과 같이 에틸렌에서 환원시킨 후, 최종 촉매가 약 7 g/l의 총 금량을 위해 추가의 3 g/l의 금을 갖도록 사염화금산 나트륨의 수용액 및 1.65 g의 50 %(중량/중량)의 수산화 나트륨 고정화 수용액에 추가로 침지시켰다. 사용된 수산화 나트륨의 양은 금 염을 금 금속으로 전환시키는데 필요한 화학양론적인 당량의 약 180 %에 상응했다. 촉매를 밤새, 즉 약 16시간동안 용액에 정치시켰다. 이어서 촉매를 딥 시험관으로 500 ml의 눈금 실린더에 넣었고, 세척액으로부터 유출액이 질산 은 시험에서 음성이 될 때까지 탈이온수로 5시간동안 세척했다.
세척된 촉매를 500 ml의 환저 플라스크에 넣고, 밤새 연속 질소 유동 하의 약 150℃의 오븐에서 정치시켰다. 질소 중의 5 % 에틸렌의 블렌드를 약 150℃에서 약 5시간동안 상기 세척되고 건조된 촉매에 통과시켜 금 염을 금 금속으로 환원시켰다.
촉매를 실온으로 냉각시킨 후, 10 g의 아세트산 칼륨 수용액(약 40 g/l의 농도)에 침지시켰다. 촉매를 약 15분동안 정치시킨 후, 약 1시간동안 약 100℃에서 유체층 건조기에서 건조시켰다.
촉매의 30 cc 샘플을 길이 3 ft 및 내부 직경 0.75 in의 플러그(plug) 유동 관형 반응기에 넣었다. 시험관에 0.125 in의 동심원 열전쌍을 장착했다. 아세트산, 에틸렌 및 질소를 약 45 %의 산소가 생성물로 전환되는 온도에서 상기 시험관에 통과시켰다. 생성물을 증기상 크로마토그래피에 의해 오프-라인(off-line)으로 분석했다.
생성물의 분석 결과는 하기 표 1에 개시되어 있다. 이 결과는 본 발명의 2단계 금 첨가 방법에 따라 제조된 촉매가, 표준 방법에 의해 제조된 촉매가 갖는 높은 이산화 탄소 선택성, 높은 에틸 아세테이트 선택성 및 낮은 STY에 비해, 5.4 %의 더 낮은 이산화 탄소 선택성, 0.08 %의 더 낮은 에틸 아세테이트 선택성 및 611의 더 높은 STY를 가짐을 나타낸다. 또한, 2단계 금 첨가 방법에 의해 제조된 촉매는, 2단계 방법에 의해 제조된 촉매와 동일한 양의 금을 이용하여 표준 방법에 의해 제조된 촉매가 갖는 1.26 %의 중질 최종물에 비해, 0.97 %의 더 적은 중질 최종물 선택성을 가졌다. 따라서, 본 발명의 2단계 금 첨가 방법은 개선된 비닐 아세테이트 합성 촉매를 제공한다.
상기 기술된 것과 같이 제조된 각 유형의 촉매 약 60 ml를 별도의 크롬-니켈 강철 바스킷(basket)에 넣었다. 각 바스킷의 온도를 각 바스킷의 상부 및 하부 모두에서 열전쌍에 의해 측정했다. 각 반응 바스킷을 버티(Berty) 반응기에 넣었고 전기 가열 맨틀(mantle)을 이용하여 약 45 %의 산소 전환율을 제공하는 온도로 유지시켰다. 약 50 노르말 리터(N.T.P.에서 측정됨)의 에틸렌, 약 10 노르말 리터의 산소, 약 49 노르말 리터의 질소 및 약 50 g의 아세트산의 기체 혼합물을 각 바스킷을 통해 약 12 atm의 압력하에서 이동시켰다. 최종 생성물을 최적으로 분석하기 위해, 생성물을 온-라인(on-line)으로 기체 크로마토그래피로 분석하면서, 또한 약 10℃에서 생성물 스트림을 응축시킴으로써 오프-라인으로 액체 생성물을 분석하였다.
시험 결과를 하기 표 2에 나타냈다. 이러한 시험으로부터, 본 발명의 방법에 의해 제조된 촉매가 종래 방법에 의해 제조된 같은 촉매와 비교시, 부산물인 이산화 탄소 및 에틸 아세테이트에 대해 확실히 더 낮은 선택성을 가짐을 알 수 있다. 즉, 이산화 탄소 선택성은 9.9 대 10.6이었고, 에틸 아세테이트 선택성은 0.042 대 0.048이었다. 생성되는 중질 최종물의 양은 영향을 받지 않았고, 촉매의 활성은 본 발명의 촉매의 사용에 의해 단지 약간 영향을 받았다.

Claims (29)

  1. 촉매 담체를 수용성 팔라듐 화합물 및 수용성 금 화합물에 침지시키는 단계;
    수용성 팔라듐 화합물 및 수용성 금 화합물을 수불용성 팔라듐 화합물 및 수불용성 금 화합물로서 상기 담체에 고정시키는 단계; 및
    수불용성 팔라듐 화합물을 팔라듐 금속으로 환원시키고 수불용성 금 화합물을 금 금속으로 환원시키는 단계
    를 포함하고, 이때 (1) 담체를 제 1 량의 수용성 금 화합물에 침지시켜 제 1 량의 수불용성 금 화합물을 담체에 고정시킨 후, (2) 이 담체를 제 2 량의 수용성 금 화합물에 침지시켜 제 2 량의 수불용성 금 화합물을 상기 담체에 고정시키는 2단계 방식으로 상기 수용성 금 화합물을 침지 및 고정시킴을 특징으로 하는, 에틸렌과 탄소수 2 내지 4의 카복실산으로부터 형성되는 불포화 에스테르 합성용 촉매의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    수용성 팔라듐 화합물을 촉매 담체에 고정시킨 후에, 이 촉매 담체를 제 1 량의 수용성 금 화합물에 침지시키고 고정시키는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    촉매 담체를 수용성 팔라듐 화합물 및 제 1 량의 수용성 금 화합물에 동시에 침지시키고 고정시키는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    수불용성 팔라듐 화합물, 및 제 1 량 및 제 2 량의 수불용성 금 화합물을 동시에 팔라듐 금속 및 금 금속으로 환원시키는 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    고정된 팔라듐 화합물 및 고정된 제 1 량의 수용성 금 화합물을 팔라듐 금속 및 금 금속으로 환원시킨 후에, 수득된 촉매 담체를 제 2 량의 수용성 금 화합물에 침지시키는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    수용성 팔라듐 화합물에 침지된 담체를 16시간동안 수용성 팔라듐 화합물과 반응하는 화합물을 포함한 용액에 함침시켜 상기 침지된 담체 상에 수불용성 팔라듐 화합물을 침전시킴으로써, 수용성 팔라듐 화합물을 고정시키는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    수용성 팔라듐 화합물에 침지된 담체를 수용성 팔라듐 화합물과 반응하는 화합물을 포함한 용액에서 회전시켜 상기 수용성 팔라듐 화합물을 수불용성 팔라듐 화합물로 완전히 침전시키는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    수용성 팔라듐 화합물에 침지된 담체를 0.5시간 이상동안 1 내지 10 rpm으로 회전시키는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    제 1 량의 수용성 금 화합물에 침지된 담체를 수용성 금 화합물과 반응하는 화합물을 포함한 용액에서 회전시켜 상기 수용성 금 화합물을 수불용성 금 화합물로 완전히 침전시키는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    제 1 량의 수용성 금 화합물에 침지된 담체를 0.5시간 이상동안 1 내지 10 rpm으로 회전시키는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    제 2 량의 수용성 금 화합물에 침지된 담체를 회전시켜 수불용성 금 화합물로 완전히 침전시키는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    제 2 량의 수용성 금 화합물에 침지된 담체를 0.5시간 이상동안 1 내지 10 rpm으로회전시키는 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    제 1 량의 수용성 금 화합물에 침지된 담체를 16시간동안 제 1 량의 수용성 금 화합물과 반응하는 화합물을 포함한 용액에 함침시켜 상기 제 1 량의 수용성 금 화합물을 수불용성 금 화합물로 침전시킴으로써, 담체 상에 침지된 제 1 량의 수용성 금 화합물을 고정시키는 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    제 2 량의 수용성 금 화합물에 침지된 담체를 16시간동안 제 2 량의 수용성 금 화합물과 반응하는 화합물을 포함한 용액에 함침시켜 상기 제 2 량의 수용성 금 화합물을 수불용성 금 화합물로 침전시킴으로써, 담체 상에 침지된 제 2 량의 수용성 금 화합물을 고정시키는 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    촉매 담체를 제 2 량의 수용성 금 화합물 및 고정화 화합물을 포함한 용액에 침지시키는 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    수불용성 팔라듐 화합물, 및 제 1 량 및 제 2 량의 수불용성 금 화합물을 에틸렌또는 하이드라진을 포함하는 환원제를 사용하여 팔라듐 금속 및 금 금속으로 환원시키는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    환원제로서 하이드라진을 사용하고, 이때 하이드라진 대 팔라듐 및 금 금속의 중량비가 12:1인 방법.
  18. 제 1 항에 있어서,
    수용성 팔라듐 화합물과 반응하고 제 1 량의 수용성 금 화합물과 반응하는 화합물을 포함한 용액을 사용하여 수불용성 팔라듐 화합물 및 제 1 량의 수불용성 금 화합물을 촉매 담체 상에 침전시키는 제 1 고정 단계; 및
    수용성 팔라듐 화합물과 반응하고 수용성 금 화합물과 반응하는 화합물을 포함한 추가의 용액과 상기 담체를 접촉시켜 담체 상에 수불용성 팔라듐 화합물 및 수불용성 금 화합물을 추가로 침전시키는 제 2 고정 단계
    를 포함하는 2단계로 수불용성 팔라듐 화합물 및 제 1 량의 수불용성 금 화합물을 고정시키는 방법.
  19. 제 1 항에 있어서,
    촉매 담체를 알칼리 금속 아세트산염에 침지시킴을 추가로 포함하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    아세트산 칼륨, 아세트산 나트륨, 아세트산 리튬, 아세트산 루비듐 또는 아세트산 세슘을 포함하는 알칼리 금속 아세트산염을 사용하는 방법.
  21. 제 1 항에 있어서,
    각 고정 단계 후 담체를 세척하고 건조시킴을 추가로 포함하는 방법.
  22. 제 1 항에 있어서,
    염화 팔라듐, 염화 나트륨 팔라듐 또는 질산 팔라듐을 포함하는 수용성 팔라듐 염을 사용하는 방법.
  23. 제 1 항에 있어서,
    염화 제 2 금 또는 그의 활성 산을 포함하는 수용성 금 화합물을 사용하는 방법.
  24. 제 1 항에 있어서,
    수용성 팔라듐 화합물 및 제 1 량의 수용성 금 화합물을 나트륨 이온을 포함하는 고정화 용액 중에서 담체에 고정시키고, 이때 상기 나트륨 이온 대 수용성 팔라듐 화합물 및 제 1 량의 수용성 금 화합물로부터 유래한 클로라이드 이온의 중량비가 1.2:1인 방법.
  25. 제 1 항에 있어서,
    제 2 량의 수용성 금 화합물을 나트륨 이온을 포함하는 고정화 용액 중에서 담체에 고정시키고, 이때 상기 나트륨 이온 대 제 2 량의 수용성 금 화합물로부터 유래한 클로라이드 이온의 중량비가 1.8:1인 방법.
  26. 제 1 항에 있어서,
    촉매중 담체 상의 팔라듐 금속의 양이 3 g/l 내지 8 g/l의 농도를 포함하고, 촉매중 담체 상의 금 금속의 양이 1.5 g/l 내지 14 g/l의 농도를 포함하는 방법.
  27. 제 1 항에 있어서,
    촉매 상의 팔라듐 금속의 양이 7 g/l를 포함하고, 촉매 상의 금 금속의 양이 7 g/l를 포함하는 방법.
  28. 제 1 항에 있어서,
    0.2:1 내지 2:1의 금 대 팔라듐의 중량비를 갖는 촉매의 제조 방법.
  29. 제 1 항에 있어서,
    촉매 상의 금 총량의 1/2 내지 3/4을 제 1 침지 단계에서 첨가하고 나머지를 제 2 침지 단계에서 첨가하는 방법.
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