KR100538979B1 - Method for the preparation of 1,4-butanediol from maleic ester - Google Patents

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Abstract

본 발명은 말레인산에스테르로부터 1,4-부탄디올을 제조하는 방법에 관한 것으로, 하기 화학식 1의 조성을 가진 촉매의 존재 하에서 말레인산에스테르를 수소화시켜 1,4-부탄디올을 제조하는 본 발명에 따른 방법은 저온 조건, 반응물에 대한 수소의 저몰비 조건하에서 고선택율, 고수율 및 고생산성을 나타내며, 촉매의 수시 재활성화 조작을 수행하지 않고도 장기간 안정적으로 1,4-부탄디올을 제조할 수 있다:The present invention relates to a method for preparing 1,4-butanediol from maleic acid ester, wherein the method according to the present invention for producing 1,4-butanediol by hydrogenating maleic acid ester in the presence of a catalyst having a composition of the formula In the low molar ratio of hydrogen to the reactants, it exhibits high selectivity, high yield and high productivity, and 1,4-butanediol can be produced stably for a long time without performing the reactivation operation of the catalyst:

CuO(a)MnO2(b)M(c)SiO2(d)CuO (a) MnO 2 (b) M (c) SiO 2 (d)

상기 식에서, a, b, c 및 d는 중량을 기준으로 한 백분율을 나타내며, a는 40 내지 90이고, b는 0.15 내지 5이고, c는 0.001 내지 5이고, d는 5 내지 50이고, M은 아연(Zn), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 레늄(Re), 루테늄(Ru) 및 로듐(Rh) 중에서 선택된 적어도 1종 이상의 금속 원소의 산화물을 나타낸다. Wherein a, b, c and d represent percentages by weight, a is 40 to 90, b is 0.15 to 5, c is 0.001 to 5, d is 5 to 50, and M is An oxide of at least one metal element selected from zinc (Zn), platinum (Pt), palladium (Pd), rhenium (Re), ruthenium (Ru), and rhodium (Rh).

Description

말레인산에스테르로부터의 1,4-부탄디올의 제조 방법{METHOD FOR THE PREPARATION OF 1,4-BUTANEDIOL FROM MALEIC ESTER}Method for producing 1,4-butanediol from maleic acid ester {METHOD FOR THE PREPARATION OF 1,4-BUTANEDIOL FROM MALEIC ESTER}

본 발명은 말레인산에스테르로부터 1,4-부탄디올을 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 특정의 구리-실리카계 복합체 촉매 하에서 말레인산에스테르를 수소화시켜 1,4-부탄디올을 효율적으로 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing 1,4-butanediol from maleic acid ester, and more particularly to a method for efficiently producing 1,4-butanediol by hydrogenating maleic acid ester under a specific copper-silica-based complex catalyst. will be.

1,4-부탄디올은 엔지니어링 플라스틱인 폴리부틸렌 테레프탈레이트수지, 가소제, 폴리우레탄, 알키드수지, 감마-부티로락톤, 테트라하이드로퓨란 등의 합성 원료와 중간체로서, 건축, 의류, 석유화학, 전자산업 등 다양한 분야에서 사용되는 중요한 원료이다.1,4-Butanediol is a synthetic raw material and intermediates such as polybutylene terephthalate resin, plasticizer, polyurethane, alkyd resin, gamma-butyrolactone and tetrahydrofuran, which are engineering plastics, and are used in the construction, clothing, petrochemical and electronic industries. It is an important raw material used in various fields.

1,4-부탄디올을 제조하는 방법으로는 아세틸렌, 부타디엔, 산화프로필렌 및 무수말레인산 등의 사용하는 원료물질에 따라 다양한 합성 방법이 공업적으로 이용되고 있다. As a method for producing 1,4-butanediol, various synthetic methods are industrially used according to raw materials such as acetylene, butadiene, propylene oxide and maleic anhydride.

예를 들면, 레페(Reppe)법은 아세틸렌과 포름알데히드를 원료로 하며, 구리아세틸라이드 촉매를 사용하여 100 ℃, 1기압에서 반응시켜 2-부틴-1,4-디올을 만들고, 이를 레니(Raney)니켈 촉매 하에서 50 내지 60 ℃의 온도 및 200 내지 300기압의 압력에서 액상 수소화하여 1,4-부탄디올을 합성하는 것이다.For example, the Reppe method uses acetylene and formaldehyde as raw materials, and reacts at 100 ° C. and 1 atm using a copper acetylide catalyst to make 2-butyne-1,4-diol, which is called Raney 1) 4-butanediol is synthesized by liquid phase hydrogenation under a nickel catalyst at a temperature of 50 to 60 ℃ and a pressure of 200 to 300 atm.

또한, 일본 미쓰비시(Mitsubishi)사에서는 부타디엔을 팔라듐-텔루륨 촉매 하에서 80 ℃의 온도 및 40기압의 압력에서 산화 아세톡시화하여 1,4-디아세톡시-2-부텐을 만들고, 이를 팔라듐 촉매로 수소화한 다음, 강산성 이온교환 수지 촉매로 가수분해하여 1,4-부탄디올을 제조하고 있다.At Mitsubishi, Japan, butadiene is oxidized and acetoxylated under a palladium-tellurium catalyst at a temperature of 80 ° C. and a pressure of 40 atm to form 1,4-diacetoxy-2-butene, which is converted into a palladium catalyst. Hydrogenation is followed by hydrolysis with a strongly acidic ion exchange resin catalyst to produce 1,4-butanediol.

산화프로필렌을 원료로 사용하여 1,4-부탄디올을 제조하는 방법은, 산화프로필렌을 이성화하여 알릴알콜로 전환하고, 이를 하이드로포르밀화 한 후 수소화함으로써 1,4-부탄디올을 제조하는 것이다.A method for producing 1,4-butanediol using propylene oxide as a raw material is to produce 1,4-butanediol by isomerizing propylene oxide to convert it to allyl alcohol, hydroformylating it, and then hydrogenating it.

그러나, 상기 아세틸렌, 부타디엔 또는 산화프로필렌을 원료로 하여 1,4-부탄디올을 제조하는 방법들은, 원료의 가격, 수급의 불안정성, 공정의 복잡함 등의 문제점이 있어, 부탄 산화공정으로 저가로 풍부하게 생산되는 무수말레인산을 원료로 하는 방법이 적극적으로 개발되고 있다.However, the methods for producing 1,4-butanediol using acetylene, butadiene or propylene oxide as raw materials have problems such as price of raw materials, supply and demand instability, complexity of the process, etc. A method of using maleic anhydride as a raw material has been actively developed.

무수말레인산을 원료로 사용하여 1,4-부탄디올을 제조하는 방법으로는, 1) 무수말레인산을 감마-부티로락톤으로 선택 수소화 한 후 2차 수소화하여 1,4-부탄디올을 제조하는 방법; 2) 무수말레인산을 알콜로 에스테르화 한 후 수소화하여 1,4-부탄디올 및 감마-부티로락톤 등을 제조하는 방법; 및 3) 말레인산 수용액을 수소화하여 1,4-부탄디올 및 테트라하이드로퓨란을 제조하는 방법 등이 있다.Method for producing 1,4-butanediol using maleic anhydride as a raw material, 1) a method for producing 1,4-butanediol by the selective hydrogenation of maleic anhydride to gamma-butyrolactone and then secondary hydrogenation; 2) esterification of maleic anhydride with alcohol and then hydrogenation to prepare 1,4-butanediol and gamma-butyrolactone; And 3) hydrogenated aqueous maleic acid solution to produce 1,4-butanediol and tetrahydrofuran.

무수말레인산을 촉매 하에서 2단계 수소화하여 1,4-부탄디올을 제조하는 방법 1)은 공정의 단순함으로 인해 수많은 촉매 및 공정들이 시도되고 있는 기술이다. 그러나, 무수말레인산의 수소화 공정은 공업적 측면에서 많은 문제점이 있다. 예를 들면, 이 방법은 환경적으로 문제가 되는 크롬성분을 다량 함유한 촉매를 사용하거나 열안정성이 낮은 기존의 구리계 수소화 촉매를 사용하여야 하고, 무수말레인산이 기화될 때 발생하는 타르에 의해 촉매가 비활성화되어 촉매의 수명이 짧아진다는 등의 촉매 자체의 문제점, 높은 전환율의 유지를 위해 수소화 반응을 비교적 높은 온도 조건에서 수행하여야 한다는 점 및 높은 반응열에 의해 반응물의 공급속도를 낮추어야 하므로 반응 생산성이 낮고, 전환율 면에서 개선의 여지가 많다는 점 등의 문제점이 있다. Method 1) for preparing 1,4-butanediol by hydrogenating maleic anhydride under a catalyst in two stages is a technique in which numerous catalysts and processes have been tried due to the simplicity of the process. However, the hydrogenation process of maleic anhydride has many problems from an industrial point of view. For example, this method requires the use of a catalyst containing a large amount of chromium, which is environmentally problematic, or an existing copper-based hydrogenation catalyst with low thermal stability, and is catalyzed by tar generated when maleic anhydride is vaporized. Problem of the catalyst itself such as deactivation of the catalyst and shortening of the catalyst life, the hydrogenation reaction must be carried out at a relatively high temperature condition in order to maintain high conversion rate, and the reaction rate must be lowered due to the high heat of reaction. It is low and there is a lot of room for improvement in terms of conversion rate.

또한, 말레인산 수용액을 직접 수소화하여 1,4-부탄디올과 테트라하이드로퓨란을 제조하는 공정 3)은, 공정의 단순함에도 불구하고 팔라듐-레늄과 같은 귀금속촉매를 사용하고, 액상 슬러리 반응으로 인해 공정이 복잡하며, 촉매의 수시 재생이 필요하다는 단점들이 있다.In addition, the process of preparing 1,4-butanediol and tetrahydrofuran by directly hydrogenating aqueous maleic acid solution uses a noble metal catalyst such as palladium-renium despite the simplicity of the process, and the process is complicated by the liquid phase slurry reaction. In addition, there are disadvantages in that the catalyst needs to be regenerated at any time.

이에 비해 말레인산에스테르를 수소화하는 방법 2)는, 무수말레인산을 출발 원료로 할 경우 에스테르화 공정이 추가로 필요하지만, 반응조건을 조절하여 각 생성물의 분포에 있어서 특정 생성물이 최대로 생성될 수 있도록 할 수 있고, 그 후 생성물을 분리 정제하여 1,4-부탄디올(BDO), 감마-부티로락톤(GBL), 테트라하이드로퓨란(THF) 등을 각각 제조할 수 있는 특징이 있다. 따라서, 무수말레인산을 알콜로 에스테르화 한 후 수소화하여 1,4-부탄디올 및 감마-부티로락톤 등을 제조하는 방법 2)는 감마-부티로락톤, 1,4-부탄디올, 테트라하이드로퓨란 등 다양한 생성물을 한 공정에서 생산할 수 있고, 무수말레인산의 2단계 수소화 반응공정 1)에 비해 반응 선택성과 반응 생산성에서 뛰어나며, 비교적 저온의 온화한 반응조건에서 운전이 가능하고, 반응물과 생성물이 모두 실온에서 액상이므로 운반과 이동이 편리하여 공정 장애가 완화된다는 장점이 있다.On the other hand, the method 2) of hydrogenating maleic acid ester requires an additional esterification process when maleic anhydride is used as a starting material, but it is possible to control the reaction conditions so that a specific product can be maximized in the distribution of each product. After that, the product is separated and purified, thereby producing 1,4-butanediol (BDO), gamma-butyrolactone (GBL), tetrahydrofuran (THF), and the like. Therefore, the method of preparing 1,4-butanediol, gamma-butyrolactone, and the like by esterifying maleic anhydride with alcohol and then hydrogenating them is performed by various products such as gamma-butyrolactone, 1,4-butanediol, tetrahydrofuran, etc. It can be produced in one process, and excellent in reaction selectivity and reaction productivity compared to the two-stage hydrogenation reaction process of maleic anhydride 1), can be operated under relatively low temperature and mild reaction conditions, and because both reactants and products are liquid at room temperature, they are transported. It is convenient to move and to reduce the process failure.

상기 방법 2)에 사용되는, 말레인산에스테르의 수소화 촉매로는 구리를 주성분으로 하는 촉매가 주로 사용되고 있다. 미국 특허 제 4,584,419 호(한국 특허공고 제 91-8935 호) 및 제 4,751,334 호에서는 말레인산에스테르의 수소화 촉매로 아크롬산구리형 촉매를 사용하고, 35 내지 55기압의 반응압력, 150 내지 240 ℃의 반응온도 및 에스테르에 대한 수소의 몰비 250 내지 450 : 1의 비교적 온화한 조건에서 수소화하여 1,4-부탄디올을 제조하는 방법을 개시하고 있다. 이때 반응압력, 온도, 수소몰비 등 반응조건을 조절하여 각 생성물의 선택성을 개선할 수 있으나, 일반적으로 1,4-부탄디올 75%, 감마-부티로락톤 14%, 테트라하이드로퓨란 5%, 미반응 에스테르가 5% 등의 수율이 나타난다. 따라서, 1,4-부탄디올의 수율을 높이기 위해서는 감마-부티로락톤의 수소화공정을 재순환하고 있다.As a hydrogenation catalyst of maleic acid ester used for the said method 2), the catalyst which mainly contains copper is mainly used. In U.S. Patent Nos. 4,584,419 (Korean Patent Publication No. 91-8935) and 4,751,334, copper chromite-type catalysts are used as hydrogenation catalysts of maleic acid esters, and reaction temperatures of 35 to 55 atm and reaction temperatures of 150 to 240 ° C. And a process for producing 1,4-butanediol by hydrogenation at relatively mild conditions with a molar ratio of hydrogen to ester of 250 to 450: 1. At this time, the selectivity of each product may be improved by adjusting reaction conditions such as reaction pressure, temperature and hydrogen molar ratio, but in general, 1,4-butanediol 75%, gamma-butyrolactone 14%, tetrahydrofuran 5%, and unreacted Ester yields such as 5% appear. Therefore, in order to increase the yield of 1,4-butanediol, the hydrogenation process of gamma-butyrolactone is recycled.

또한, 미국특허 제 4,613,707 호에서는 말레인산에스테르의 수소화 촉매로 크롬성분을 함유하지 않는, 구리 및 구리알루미늄 보레이트를 결정성 Al4B2O9 담체에 담지한 촉매를 사용하고, 135기압의 반응압력 및 200 ℃의 반응온도에서 1단계 수소화하여 1,4-부탄디올 등을 제조하는 방법을 개시하고 있다. 이때 에스테르의 전환율은 28 내지 34%이고, 1,4-부탄디올의 선택도는 40 내지 52%, 감마-부티로락톤의 선택도는 22 내지 40%, 메틸-4-하이드록시부티레이트의 선택도는 15 내지 18%이었다.In addition, U.S. Patent No. 4,613,707 uses a catalyst in which copper and copper aluminum borate, which does not contain a chromium component, as a hydrogenation catalyst for maleic acid ester are supported on a crystalline Al 4 B 2 O 9 carrier, and a reaction pressure of 135 atm and Disclosed is a method of producing 1,4-butanediol and the like by hydrogenating one step at a reaction temperature of 200 ° C. In this case, the conversion of ester is 28 to 34%, the selectivity of 1,4-butanediol is 40 to 52%, the selectivity of gamma-butyrolactone is 22 to 40%, and the selectivity of methyl-4-hydroxybutyrate is 15 to 18%.

한국특허공고 제 96-4880 호에서는, 산화규소, 산화지르코늄, 산화티탄 등의 담체에 구리성분을 담지시킨 촉매를 사용하여 20 내지 70기압의 반응압력, 160 내지 250 ℃의 반응온도 및 에스테르에 대한 수소 몰비 30 내지 500 : 1의 조건으로 1단계 반응에서, 1,4-부탄디올 60 내지 80% 및 감마-부티로락톤 10 내지 30%의 수율로서 1,4-부탄디올을 제조하는 방법을 개시하고 있다.Korean Patent Publication No. 96-4880 discloses a reaction pressure of 20 to 70 atm, a reaction temperature of 160 to 250 ° C, and an ester using a catalyst having a copper component supported on a carrier such as silicon oxide, zirconium oxide, titanium oxide, or the like. A method for preparing 1,4-butanediol in a one-step reaction at a hydrogen molar ratio of 30 to 500: 1 is obtained with a yield of 60 to 80% of 1,4-butanediol and 10 to 30% of gamma-butyrolactone. .

또한, WO 1999-35114 호(한국 공개특허 제 2000-76035 호)에서는 2연속 수소화로 구성된 방법으로 숙신산에스테르와 감마-부티로락톤의 혼합물로부터 1,4-부탄디올과 테트라하이드로퓨란을 제조하는 방법을 개시하고 있다. 이 방법에서는 촉매로서 구리-아연산화물 또는 아크롬산구리 촉매를 사용하고, 60 내지 100기압의 반응압력, 160 내지 250 ℃의 반응온도 및 에스테르에 대한 수소몰비 30 내지 150 : 1의 조건에서, 1,4-부탄디올 90%, 테트라하이드로퓨란 9%, 부틸알콜 1% 등의 수율로서 비교적 고수율로 1,4-부탄디올을 제조하고 있지만, 말레인산에스테르를 숙신산에스테르로 수소화하여야 하고, 1차 수소화 생성물인 감마부티로락톤을 분리하여 수소화 반응에 재순환하여야 하는 등 다단계 반응공정 및 생성물의 분리 정제공정의 복잡함과 촉매의 반응선택성과 안정성면에서 개선이 요구되고 있다. In addition, WO 1999-35114 (Korean Patent No. 2000-76035) discloses a process for preparing 1,4-butanediol and tetrahydrofuran from a mixture of succinic ester and gamma-butyrolactone by a method consisting of two consecutive hydrogenation. It is starting. In this method, a copper-zinc oxide or copper chromite catalyst is used as a catalyst, and under the conditions of a reaction pressure of 60 to 100 atm, a reaction temperature of 160 to 250 ° C., and a molar hydrogen ratio of ester to ester of 30 to 150: 1, Although 1,4-butanediol is produced in a relatively high yield with a yield of 90% of 4-butanediol, 9% of tetrahydrofuran, and 1% of butyl alcohol, maleic acid ester should be hydrogenated with succinic acid ester and gamma, a primary hydrogenation product. There is a need for improvement in the complexity of the multistage reaction process and the separation and purification process of the product and the reaction selectivity and stability of the catalyst, such as butyrolactone is separated and recycled to the hydrogenation reaction.

이와 같이, 상기 기존의 말레인산에스테르로부터 2단계 수소화에 의해 1,4-부탄디올을 제조하는 방법들은, 반응의 안정성과 생산성이 우수함에도 불구하고 공정이 복잡하기 때문에 1단계 수소화 단계만으로도 고선택성과 고수율로 1,4-부탄디올을 제조할 수 있는 방법이 요구되고 있다.As described above, the method for preparing 1,4-butanediol by two-step hydrogenation from the conventional maleic acid ester has a high selectivity and high yield using only one-step hydrogenation step because the process is complicated despite excellent stability and productivity of the reaction. There is a need for a method for producing 1,4-butanediol.

본 발명자들은 수소화 및 탈수소화 촉매로서, 나노 크기를 갖는 산화구리 전구체 입자를 콜로이달 실리카로 안정화시키는 방법으로 제조한 Cu-SiO2계 촉매(한국특허 출원 제 2001-47151 호)를 제안한 바 있으나, 상기 촉매를 이용한 수소화 반응결과, 저온, 저압 및 저 수소 몰비 하에서 운전시 촉매활성이 낮으며, 선택성과 반응 안정성도 낮다는 점 등의 문제점이 있어 이에 대한 보완이 필요하였다.The present inventors have proposed a Cu-SiO 2 based catalyst (Korean Patent Application No. 2001-47151) prepared by a method of stabilizing a copper oxide precursor particle having nano size with colloidal silica as a hydrogenation and dehydrogenation catalyst. As a result of the hydrogenation reaction using the catalyst, there was a problem such as low catalytic activity, low selectivity and low reaction stability when operating under low temperature, low pressure, and low hydrogen molar ratio.

따라서, 본 발명의 목적은, 말레인산에스테르로부터 1,4-부탄디올을 1단계로 직접 수소화 반응시켜 제조하는 데 있어서, 말레인산에스테르에 대한 수소의 공급비가 낮은 조건에서도 고 선택성, 고수율 및 높은 생산성을 나타내며 또한 장기 반응 안정성을 유지하는 동시에 폐촉매의 환경부하가 적은 액상 수소화 촉매를 이용한 수소화 방법을 제공하는데 있다. Accordingly, an object of the present invention is to produce high selectivity, high yield and high productivity even in a condition where hydrogen supply ratio to maleic acid ester is low in producing hydrogenated 1,4-butanediol in one step directly from maleic acid ester. Another object of the present invention is to provide a hydrogenation method using a liquid hydrogenation catalyst which maintains long-term reaction stability and has a low environmental load of waste catalyst.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 하기 화학식 1로 표시되는 촉매의 존재하에 말레인산에스테르를 수소화하는 것을 포함하는, 1,4-부탄디올의 제조 방법을 제공한다:In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing 1,4-butanediol comprising hydrogenating maleic acid ester in the presence of a catalyst represented by the following formula (1):

화학식 1Formula 1

CuO(a)MnO2(b)M(c)SiO2(d)CuO (a) MnO 2 (b) M (c) SiO 2 (d)

상기 식에서, Where

a, b, c 및 d는 중량을 기준으로 한 백분율로서, a는 40 내지 90이고, b는 0.15 내지 5이고, c는 0.001 내지 5이고, d는 5 내지 50이고, a, b, c and d are percentages by weight, a is 40 to 90, b is 0.15 to 5, c is 0.001 to 5, d is 5 to 50,

M은 아연(Zn), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 레늄(Re), 루테늄(Ru) 및 로듐(Rh) 중에서 선택된 적어도 1종 이상의 금속 원소의 산화물을 나타낸다. M represents an oxide of at least one metal element selected from zinc (Zn), platinum (Pt), palladium (Pd), rhenium (Re), ruthenium (Ru), and rhodium (Rh).

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

일반적으로, 말레인산에스테르를 수소화 반응시키는 경우 생성물인 감마-부티로락톤과 부탄디올의 분율은 반응속도론에 의해 반응조건에 크게 영향을 받는다. 즉, 말레인산에스테르로부터 감마-부티로락톤이 1차적으로 수소화에 의해 생성되고 다시 수소화가 진행되어 부탄디올이 생성되므로 감마-부티로락톤의 제조를 위해서는 기상반응의 조건인 고온, 저압에서 반응이 유리하고, 부탄디올의 제조를 위해서는 액상반응을 위해 저온, 고압의 반응조건이 필요하다. 따라서, 말레인산에스테르로부터 고 수율로 1,4-부탄디올을 얻기 위해서는 낮은 온도와 높은 압력에서 고 활성과 선택성 및 열안정성을 나타내도록 촉매가 설계, 제조되어야 한다.In general, when the maleic acid ester is hydrogenated, the fraction of gamma-butyrolactone and butanediol as a product is greatly influenced by the reaction kinetics. That is, since gamma-butyrolactone is primarily produced by hydrogenation from maleic acid ester, and hydrogenation proceeds to produce butanediol, the reaction is advantageous at high temperature and low pressure, which are conditions of gas phase reaction, for the production of gamma-butyrolactone. For the preparation of butanediol, low-temperature, high-pressure reaction conditions are required for the liquid phase reaction. Therefore, in order to obtain 1,4-butanediol in high yield from maleic acid ester, a catalyst must be designed and manufactured to exhibit high activity, selectivity, and thermal stability at low temperature and high pressure.

본원 발명자들은 한국 특허 출원 제 2001-47151 호에서, 구리 입자를 하이드로겔 형태로 생성시키고 나노 사이즈를 갖는 실리카 존재 하에서 숙성시키는 방법으로 제조할 경우 산화구리 입자 사이즈를 조절할 수 있고 궁극적으로는 실리카로 안정된 나노 막대형 산화구리 결정을 갖는 촉매가 만들어지며, 이 촉매는 말레인산에스테르의 액상 수소화에 고성능을 보인다는 사실을 밝힌 바 있다. 그러나 본 발명에서는 공업화를 위해서 저온, 고압 및 저 수소 몰비 하에서 고활성과 고선택성 및 고생산성을 가지도록 촉매를 개선하였다. 본 발명에 따르면, 말레인산에스테르로부터 1,4-부탄디올를 제조하는데 상기 화학식 1로 표시되는 수소화 반응촉매를 사용함을 특징으로 한다.The inventors of the present invention, in Korean Patent Application No. 2001-47151, can control copper oxide particle size and ultimately stabilize with silica when produced by the method of producing copper particles in hydrogel form and aged in the presence of nano-sized silica. A catalyst with nanorod copper oxide crystals is made, which has been shown to show high performance in the liquid phase hydrogenation of maleic acid esters. However, in the present invention, the catalyst was improved to have high activity, high selectivity, and high productivity under low temperature, high pressure, and low hydrogen molar ratio for industrialization. According to the present invention, a hydrogenation reaction catalyst represented by Chemical Formula 1 is used to prepare 1,4-butanediol from maleic acid ester.

상기 촉매의 구성에 있어서, 산화구리는 40 내지 90 중량% 범위로 포함되고, 산화구리의 활성과 선택도를 증가시키는 역할을 하는 망간 산화물은 0.15 내지 5 중량%, 구리 성분의 활성과 장기 반응 안정성 증진을 위해 첨가되는 금속(M) 산화물은 0.001 내지 5 중량% 범위로 포함된다. 또한, 상기 촉매에서, 실리카는 구리, 아연 및 금속(M) 산화물을 안정화시키는 역할을 하며, 상기 촉매 중의 실리카의 함량은 5 내지 50 중량% 범위이다.In the composition of the catalyst, the copper oxide is included in the range of 40 to 90% by weight, the manganese oxide is 0.15 to 5% by weight to increase the activity and selectivity of the copper oxide, copper component activity and long-term reaction stability Metal (M) oxide added for promotion is included in the range of 0.001 to 5% by weight. In addition, in the catalyst, silica serves to stabilize copper, zinc and metal (M) oxide, the content of silica in the catalyst is in the range of 5 to 50% by weight.

본 발명에서 사용하는 상기 화학식 1의 촉매는, 예를 들면, 구리 염 및 망간 염의 혼합 수용액에 알칼리를 가하여 상기 구리 및 망간 성분들을 하이드로겔 형태로 공침시키고, 생성된 공침액에 나노크기의 실리카를 첨가하고, 상기 혼합 슬러리를 수열 숙성시키고, 숙성된 슬러리 용액을 여과하여 침전물을 분리한 후 세정하고, 세정된 침전물을 건조한 후 금속(M)의 염을 함유하는 용액에 함침시킴으로써 금속(M)을 담지시켜 건조 및 소성하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조할 수 있다. 이때, 금속(M)이 아연인 경우에는 아연 염은 공침 단계에서 미리 사용하는 것이 바람직하다.The catalyst of the formula (1) used in the present invention, for example, by adding alkali to a mixed aqueous solution of copper salt and manganese salt to coprecipitate the copper and manganese components in the form of a hydrogel, and the nano-sized silica in the resulting coprecipitation solution The mixed slurry was hydrothermally aged, the aged slurry solution was filtered to separate the precipitates, washed, and the washed precipitates were dried and then impregnated with a solution containing a salt of the metal (M). It can be produced by a method comprising the step of supporting, drying and baking. At this time, when the metal (M) is zinc, the zinc salt is preferably used in advance in the coprecipitation step.

이에 대해 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.This will be described in more detail as follows.

(1) 혼합 슬러리 용액의 조제 및 공침 (1) Preparation and Coprecipitation of Mixed Slurry Solution

우선, 본 발명의 수소화 반응촉매의 구성 성분 중 구리 및 망간 각각의 염, 예를 들면 질산염 또는 염산염과 같은 수용성 염을 물에 넣고 혼합하여 슬러리화한 후 이를 알칼리로 공침시킨다. First, among the constituents of the hydrogenation reaction catalyst of the present invention, salts of copper and manganese, for example, water-soluble salts such as nitrates or hydrochlorides, are mixed with water, slurryed, and co-precipitated with alkali.

이때 상기 수용성 염의 농도는 각각 5 내지 25 중량% 범위로 조절하고, 슬러리 용액의 온도는 공침시 하이드로 겔 형태를 유지할 수 있도록 1 내지 30 ℃ 범위에서 일정하게 유지되는 것이 바람직하다.At this time, the concentration of the water-soluble salt is adjusted to the range of 5 to 25% by weight, respectively, and the temperature of the slurry solution is preferably kept constant in the range of 1 to 30 ℃ to maintain the hydrogel form during coprecipitation.

공침제로 사용되는 알칼리의 구체적인 예로는 수산화나트륨, 탄산나트륨, 중탄산나트륨, 탄산암모늄 및 중탄산암모늄의 수용액 또는 적당한 기타 알칼리 수용액이 있으며, 이들은 상기 금속 성분들을 혼합 수산화물 또는 수산화 탄산염 형태로 공침시킨다. 이때 공침제의 사용량은, 차후 숙성 과정 후에 여액의 pH가 5 내지 10, 바람직하게는 6 내지 9의 범위 내에 들도록 조절한다. pH가 높을 경우 공침 후에 첨가되는 나노 사이즈의 실리카가 용해되고, pH가 낮을 경우 금속성분 원소의 침전이 완전하게 이루어지지 않고 숙성과정에서 산화물의 상태의 결정 입자를 얻기가 힘들어진다. Specific examples of alkalis used as coprecipitation agents are aqueous solutions of sodium hydroxide, sodium carbonate, sodium bicarbonate, ammonium carbonate and ammonium bicarbonate or other suitable aqueous alkali solutions, which coprecipitate the metal components in the form of mixed hydroxides or hydroxide carbonates. At this time, the amount of coprecipitation is adjusted so that the pH of the filtrate is in the range of 5 to 10, preferably 6 to 9 after the aging process. When the pH is high, the nano-sized silica added after coprecipitation is dissolved, and when the pH is low, precipitation of metal elements is not completely achieved, and it is difficult to obtain crystal grains of an oxide state during the aging process.

(2) 실리카-첨가된 혼합 슬러리 조제(2) Preparation of Silica-Added Mixed Slurry

상기 생성된 공침액에 나노크기의 실리카를 첨가하여 혼합 슬러리를 제조하게 된다. 상기 실리카로는 콜로이달 실리카, 실리카졸 또는 물유리와 같은 실리카가 있으며, 이중에서 콜로이달 실리카가 바람직하며, 특히 pH 8 내지 10, 표면적 100 내지 600 ㎡/g이고, 암모니아 또는 나트륨으로 안정화된 입자크기가 4 내지 60 나노 사이즈의 콜로이달 실리카가 가장 바람직하다. Nano-sized silica is added to the coprecipitation solution to prepare a mixed slurry. Examples of the silica include silica such as colloidal silica, silica sol or water glass, of which colloidal silica is preferable, especially pH 8 to 10, surface area of 100 to 600 m 2 / g, particle size stabilized with ammonia or sodium Most preferred are colloidal silicas of 4 to 60 nano size.

콜로이달 실리카가 암모늄 이온(NH4 +) 이나 나트륨이온(Na+) 또는 다른 알칼리 금속으로 안정화되고, 입자 크기가 4∼60 nm, 표면적이 100∼600 ㎡/g이며, 농도가 실리카를 기준으로 1 내지 60 중량% 범위 내에 있는 것은 어느 것이나 사용될 수 있으며, 상용제품으로서 루독스(Ludox, 듀퐁사), 날코그(Nalcoag, 날코(Nalco)사), 스노우텍스(Snowtex, 닛산케미칼(Nissan chemical)사) 등이 있다.Colloidal silica is stabilized with ammonium ions (NH 4 + ), sodium ions (Na + ) or other alkali metals, particle size 4 to 60 nm, surface area 100 to 600 m 2 / g, concentration based on silica Anything in the range of 1 to 60% by weight may be used, and commercial products include Ludox (DuPont), Nalcoag (Nalco), Snowtex (Nissan chemical), etc. G) and the like.

(3) 수열 숙성 (3) hydrothermal aging

상기 혼합 실리카 슬러리 용액을 50∼100 ℃에서 0.5시간 이상 동안 수열 숙성시킨다. The mixed silica slurry solution is hydrothermally aged at 50-100 ° C. for at least 0.5 hours.

상기 수산화물 형태의 촉매 성분은 나노크기의 실리카 입자의 존재하에서 수열 숙성되는 과정에서 결정성을 가지는 혼합 산화물의 형태로 결정화하며, 이때 나노크기의 실리카 입자는 촉매 성분의 결정 크기를 조절하는 주요 역할을 하게 된다. 이때 실리카 입자 자체는 겔화가 진행되어 촉매 입자를 응집시키는 역할을 동시에 수행함으로써 수세 등 후처리 과정을 원활하게 해준다. 이와 같이 나노크기의 실리카 입자를 사용함으로써 본 발명의 방법에 따라 제조된 촉매는 X선 선폭증가 분석법(X-ray line broadening analysis)에 의한 X-선 회절 분광기(X-ray diffraction spectroscopy, XRD)로 분석시 산화구리 결정 지름이 50 nm 이하인 나노 막대형 결정 입자를 얻을 수 있고 이 입자의 BET 비표면적은 80 ㎡/g 이상이며, 열적으로 안정하다. The hydroxide component is crystallized in the form of a mixed oxide having crystallinity in the course of hydrothermal aging in the presence of nano-sized silica particles, wherein the nano-sized silica particles play a major role in controlling the crystal size of the catalyst component Done. At this time, the silica particles themselves perform a gelling process to simultaneously aggregate the catalyst particles, thereby facilitating post-treatment processes such as water washing. As such, the catalyst prepared according to the method of the present invention by using the nano-sized silica particles was X-ray diffraction spectroscopy (XRD) by X-ray line broadening analysis. In analysis, nanorod-shaped crystal particles having a copper oxide crystal diameter of 50 nm or less can be obtained, and the BET specific surface area of the particles is 80 m 2 / g or more and is thermally stable.

(4) 분리, 세정 및 건조(4) Separation, washing and drying

상기 숙성된 슬러리 용액을 여과한 후, 침전물을 분리하고 탈이온수로 세정하여 과잉의 나트륨이나 암모늄 이온 및 음이온을 제거한다. 이때 공침제 및 콜로이달 실리카의 안정제로 사용된 알칼리성 양이온의 농도는 산화물 상태의 건조된 촉매 입자를 기준으로 1000 ppm 이하, 바람직하게는 500 ppm 이하가 되도록 제어한다. After filtering the aged slurry solution, the precipitate is separated and washed with deionized water to remove excess sodium or ammonium ions and anions. At this time, the concentration of the alkaline cation used as the co-precipitation agent and the stabilizer of the colloidal silica is controlled to be 1000 ppm or less, preferably 500 ppm or less, based on the dried catalyst particles in the oxide state.

상기와 같이 하여 얻은 촉매 물질은 100 내지 300 ℃에서 3 내지 30시간 동안 건조한다.The catalyst material obtained as above is dried at 100 to 300 ° C. for 3 to 30 hours.

(5) 금속(M) 성분의 담지(5) Support of metal (M) component

상기한 방법으로 제조된 구리-망간-실리카 성분으로 구성된 촉매도 말레인산에스테르의 수소화에 높은 활성을 보이지만 촉매의 장기 반응 안정성을 보다 개선시키기 위해 제3의 금속(M), 예를 들면 Zn, Pt, Ru, Re, Rh, Pd 등의 성분을 담지시켜 추가로 개량하는 것이 효과적이다. 상기 금속 성분의 첨가는 주성분인 구리의 활성을 증대시키는 것 이외에 촉매 표면에서의 탄소 침착에 의한 활성저하를 완화시킬 수 있다.The catalyst composed of the copper-manganese-silica component prepared by the above method also shows high activity in the hydrogenation of maleic acid esters, but in order to further improve the long-term reaction stability of the catalyst, a third metal (M) such as Zn, Pt, It is effective to carry out further improvement by supporting components such as Ru, Re, Rh and Pd. The addition of the metal component can alleviate the deactivation due to carbon deposition on the catalyst surface in addition to increasing the activity of the main component copper.

상기 금속(M) 성분을 담지시키는 방법은, 세정 후 건조된 구리-망간-실리카 분말을, 물이나 유기용매에 용해된 상기 금속(M) 성분의 전구체 화합물 용액에 침지한 후 여과함으로써 수행될 수 있다. 상기 금속(M) 중에서, 아연은 질산아연을 구리 및 망간의 공침 과정에서 함께 공침시켜 제조하는 것이 좋고, Pt, Rh 및 Pd 등은 각각 질산염이나 아민 착물(Pd(NH3)4(NO3)2)을 사용하며, Ru은 루테늄카르보닐(Ru3(CO)12), Re은 레늄산화물(Re2O7) 등을 사용하는 것이 좋으나, 상기 화합물에 한정하지 않고 다른 염이나 착물도 사용 가능하다.The method of supporting the metal (M) component may be performed by immersing the dried copper-manganese-silica powder after washing in a solution of the precursor compound of the metal (M) component dissolved in water or an organic solvent and then filtering. have. Among the metals (M), zinc is preferably prepared by co-precipitation of zinc nitrate in the process of co-precipitation of copper and manganese, and Pt, Rh, and Pd are nitrates or amine complexes (Pd (NH 3 ) 4 (NO 3 ), respectively). 2 ) is used, Ru is ruthenium carbonyl (Ru 3 (CO) 12 ), Re is a rhenium oxide (Re 2 O 7 ), but it is preferable to use, but not limited to the compound and other salts or complexes may be used. Do.

(6) 성형 및 소성 (6) forming and firing

상기와 같이 제조된 촉매는 경우에 따라 성형될 수도 있다. The catalyst prepared as described above may be molded in some cases.

성형 방법은 최종 성형체 촉매에서의 촉매 성분의 입자 크기, 모양, 벌크 밀도, 촉매 유효성분의 담지량 등에 따라 선택되며, 그 예로서 압출법, 타정법, 담지법 등이 있다. 예를 들면, 세정 후 여과시킨 촉매 케익의 함수율을 45 ∼ 50% 범위에서 조절하고 직접 압출 성형하거나, 분사 건조(spray drying)법을 이용해 분말을 얻은 후 타정(tableting)하는 방법으로 성형할 수 있으며, 또는 거대 기공을 갖는 담체에 담지시키는 방법으로 성형할 수도 있다. The molding method is selected according to the particle size, shape, bulk density, loading amount of the catalyst active ingredient, etc. of the catalyst component in the final molded product catalyst, and examples thereof include extrusion, tableting, and supporting. For example, the water content of the catalyst cake filtered after washing may be adjusted in the range of 45 to 50%, and may be directly extruded, or may be molded by spray drying to obtain and powder the powder. Alternatively, it may be molded by a method of supporting it on a carrier having macropores.

상기 성형된 촉매는 실리카에 함유된 하이드록시기의 잔류량을 최대로 줄여 촉매를 중성화하기 위해 소성을 하게 되며, 소성 온도는 300 내지 1000 ℃, 바람직하게는 400 내지 800 ℃ 범위가 적합하고, 2 내지 10시간 동안 소성한다. 소성 온도가 너무 높으면 구리 입자의 크기가 증가하여 활성이 떨어지고, 소성 온도가 너무 낮으면 수소화분해 반응의 증가로 활성과 선택성이 동시에 떨어진다. The molded catalyst is fired to neutralize the catalyst by maximizing the residual amount of hydroxyl groups contained in the silica, and the firing temperature is preferably in the range of 300 to 1000 ° C, preferably 400 to 800 ° C, and 2 to Firing for 10 hours. If the firing temperature is too high, the size of the copper particles increases, and the activity decreases. If the firing temperature is too low, the activity and selectivity are simultaneously reduced due to the increase of the hydrocracking reaction.

본 발명에 따라, 상술한 방법으로 제조된 촉매를 수소화 반응에 이용하여 말레인산에스테르로부터 감마-부티로락톤을 제조하기 위해서는, 우선 산화물 상태의 촉매를 수소나 수소함유 기체를 이용하여 100 내지 250 ℃에서 1 내지 60시간 정도 활성화시킨 뒤 사용하는 것이 바람직하다.According to the present invention, in order to prepare gamma-butyrolactone from maleic acid ester by using the catalyst prepared by the above-described method in a hydrogenation reaction, first, an oxide catalyst is used at 100 to 250 ° C. using hydrogen or a hydrogen-containing gas. It is preferable to use after activation for about 1 to 60 hours.

상기 촉매를 사용한 말레인산에스테르의 기상 수소화반응은 고정상 반응기에서 말레인산에스테르(또는 석신산에스테르)의 90% 이상의 전환율, 바람직하게는 98% 이상의 전환율에서 90% 이상의 선택율(1,4-부탄디올, 감마-부티로락톤 및 테트라하이드로퓨란을 포함한 선택율), 바람직하게는 95% 이상의 선택율, 또는 그 이상으로 1,4-부탄디올을 제조하는 반응조건에서 실시한다. 이는 전환율이 낮을 경우 미반응 말레인산에스테르(또는 석신산에스테르)와 생성물인 1,4-부탄디올 및 감마-부티로락톤이 공비혼합물을 이루어 생성물의 분리 정제에 어려움을 일으키기 때문이다. The gas phase hydrogenation of maleic acid esters using the catalyst is performed in a fixed bed reactor of at least 90% conversion of maleic acid ester (or succinic acid ester), preferably at least 98% of conversion (1,4-butanediol, gamma-buty). Selectivity comprising rockactone and tetrahydrofuran), preferably at least 95% or higher, or at reaction conditions for producing 1,4-butanediol. This is because, when the conversion rate is low, unreacted maleic acid ester (or succinic acid ester) and the product 1,4-butanediol and gamma-butyrolactone form an azeotrope and cause difficulty in separation and purification of the product.

이에, 상기 반응은 말레인산에스테르의 공급 WHSV(Weight hourly space velocity, 무게공간속도)가 0.05 내지 5.0 hr-1, 바람직하게는 0.1 내지 2.0 hr-1 범위, 반응온도 120 내지 300 ℃, 바람직하게는 140 내지 260 ℃에서 실시한다. 반응온도를 더 이상 고온으로 하면 높은 전환율과 반응생산성을 얻을 수 있지만 생성된 1,4-부탄디올이 축차 수소화반응하여 부틸알콜 및 테트라하이드로퓨란 등의 부산물을 생성하여 선택율이 크게 감소되며 촉매도 열화를 입어 비활성화되는 원인이 되기도 한다. 또한 120 ℃ 이하의 온도에서는 전환율이 크게 감소되며 고비점 부산물의 침착(deposition)으로 촉매가 비활성화되기도 한다.Thus, the reaction has a weight hourly space velocity (WHSV) of maleic acid ester of 0.05 to 5.0 hr −1 , preferably 0.1 to 2.0 hr −1 , reaction temperature of 120 to 300 ° C., preferably 140 To 260 ° C. When the reaction temperature is higher at higher temperatures, high conversion and productivity can be obtained, but the produced 1,4-butanediol is gradually hydrogenated to produce by-products such as butyl alcohol and tetrahydrofuran, which greatly reduces the selectivity and deteriorates the catalyst. It can also cause deactivation. In addition, at temperatures below 120 ° C., the conversion is greatly reduced and the catalyst is deactivated due to the deposition of high boiling by-products.

상기 반응의 압력은 20 내지 150기압, 바람직하게는 30 내지 120기압의 범위가 좋다. 반응압력을 150기압 이상으로 높이면 고 전환율을 얻을 수 있지만 과수소화 반응 정도가 심화되어 부틸알콜 및 테트라하이드로퓨란 등으로의 부반응 분율이 증가되어 바람직스럽지 않고, 20기압 이하의 낮은 압력에서는 낮은 전환율과 함께 1,4-부탄디올의 선택율이 매우 낮아진다. The pressure of the reaction is in the range of 20 to 150 atm, preferably 30 to 120 atm. Increasing the reaction pressure to more than 150 atm yields a high conversion, but the degree of perhydrogenation is intensified, increasing the side reaction fraction to butyl alcohol and tetrahydrofuran, which is undesirable. The selectivity of 1,4-butanediol is very low.

따라서 본 발명은 종래의 기술(150 ~ 300기압)에 비해 낮은 압력에서 수행한다는 특징이 있으며, 이는 공정운전의 편리성과 장치비의 경제성에서 큰 장점이 된다. Therefore, the present invention is characterized in that it performs at a lower pressure than the conventional technology (150 ~ 300 atm), which is a great advantage in the convenience of process operation and the economics of the equipment cost.

말레인산에스테르는 가열된 반응 공간에 적당량 공급하여 기화시켜 반응시키거나, 반응에 사용되는 수소를 이용하여 기화기에서 분무노즐을 통해 기화시킨 후 반응기에 공급할 수 있다. 기화기에 공급되는 반응물은 말레인산에스테르이거나 말레인산에스테르가 20 ~ 80 중량%, 바람직하게는 30 ~ 60 중량%인 알콜 용액일 수 있다. 말레인산에스테르로 사용되는 화합물로는 디메틸 말리에이트, 디에틸 말리에이트, 디프로필 말리에이트, 디이소프로필 말리에이트, 디부틸 말리에이트, 디이소부틸 말리에이트, 디펜틸 말리에이트, 디헥실 말리에이트, 디이소헥실 말리에이트, 디옥틸 말리에이트 및 디이소옥틸 말리에이트 등이 가능하고, 바람직하게는 디메틸 말리에이트, 디에틸 말리에이트, 디프로필 말리에이트, 디이소프로필 말리에이트 및 디부틸 말리에이트 등이다. 또한 용제로 사용되는 알콜은 말레인산 에스테르의 알킬기에 대응하는 알킬리를 가진 메틸알콜, 에틸알콜, 프로필알콜, 이소프로필알콜 및 부틸알콜 등이 사용하기에 바람직하다. The maleic acid ester may be reacted by supplying an appropriate amount to the heated reaction space to vaporize, or by vaporizing it through a spray nozzle in a vaporizer using hydrogen used in the reaction, and then supplying it to the reactor. The reactant supplied to the vaporizer may be maleic acid ester or an alcohol solution having 20 to 80% by weight of maleic acid ester, preferably 30 to 60% by weight. Compounds used for maleic acid esters include dimethyl maleate, diethyl maleate, dipropyl maleate, diisopropyl maleate, dibutyl maleate, diisobutyl maleate, dipentyl maleate, dihexyl maleate, di Isohexyl maleate, dioctyl maleate and diisooctyl maleate, and the like, and dimethyl maleate, diethyl maleate, dipropyl maleate, diisopropyl maleate, dibutyl maleate and the like. In addition, the alcohol used as the solvent is preferably methyl alcohol, ethyl alcohol, propyl alcohol, isopropyl alcohol, butyl alcohol or the like having an alkyl corresponding to the alkyl group of maleic acid ester.

말레인산에스테르에 대한 수소몰비는 촉매의 고활성, 고선택성 유지와 반응생산성 향상을 위해서는 높여야 하지만 과잉수소를 회수하여 재사용하는 비용이 크게 증가하므로 적절한 몰비는 50 내지 1,000 : 1, 더욱 바람직하게는 50 내지 600 : 1의 범위이다.The hydrogen molar ratio to maleic acid ester should be increased in order to maintain high activity and high selectivity of the catalyst and to improve the reaction productivity, but the appropriate molar ratio is 50 to 1,000: 1, more preferably 50 to 1 because the cost of recovering and reusing excess hydrogen is greatly increased. It is in the range of 600: 1.

본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이며 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 각 실시예의 반응조건에서 말레인산에스테르 자체의 전환율은 100 % 였다.The invention can be better understood by the following examples, which are intended for the purpose of illustration of the invention and are not intended to limit the scope of protection defined by the appended claims. Under the reaction conditions of each example, the conversion rate of maleic acid ester itself was 100%.

실시예 1Example 1

(1) 수소화 촉매 CuO(72.2)MnO2(2.5)ZnO(0.3)SiO2(25)의 제조 (괄호 안은 중량%를 나타냄)(1) Preparation of Hydrogenation Catalyst CuO (72.2) MnO 2 (2.5) ZnO (0.3) SiO 2 (25) (indicated by weight in parentheses)

질산구리 [Cu(NO3)2 3H2O] 200 g과 질산망간 [Mn(NO3)2 6H2O] 7.53 g, 질산아연 [ZnO(NO3)2 6H2O] 1.0 g을 1500 ml의 증류수에 녹인 용액에 수산화나트륨 68.6 g을 500 ml의 물에 녹인 용액을 가하여 침전시켰다. 이때 중화열에 의해 슬러리 용액의 온도가 20 ℃를 넘지 않도록 조절하였다. 침전 용액에 콜로이달 실리카 수용액 루독스(Ludox)SM-30(나트륨 안정형, 실리카 30 중량% 함유, 듀퐁사 제품) 78.0 g을 가한 뒤 85 ℃에서 6시간 숙성시켰다. 침전된 슬러리 용액을 증류수로 세척, 여과하고 120 ℃에서 12시간 동안 건조한 뒤 300 ℃에서 일차 소성하였다. 일차 소성한 촉매를 파쇄하여 분말을 만들고 가압 성형한 후 20-40 메쉬 크기로 파쇄, 선별하고 750 ℃에서 5시간 동안 소성하였다. 소성된 촉매 산화물에서 나트륨의 함량은 180 ppm 이었다.1500 ml of 200 g of copper nitrate [Cu (NO 3 ) 2 3H 2 O] and 7.53 g of manganese nitrate [Mn (NO 3 ) 2 6H 2 O], 1.0 g of zinc nitrate [ZnO (NO 3 ) 2 6H 2 O] To a solution dissolved in distilled water of 68.6 g of sodium hydroxide dissolved in 500 ml of water was added to precipitate. At this time, the temperature of the slurry solution was adjusted not to exceed 20 ° C by the heat of neutralization. 78.0 g of colloidal silica aqueous solution Ludox SM-30 (stable sodium, containing 30 wt% silica, manufactured by Dupont) was added to the precipitated solution, and aged at 85 ° C for 6 hours. The precipitated slurry solution was washed with distilled water, filtered, dried at 120 ° C. for 12 hours, and first calcined at 300 ° C. The first calcined catalyst was pulverized to make a powder, press-molded, crushed to 20-40 mesh, sorted and calcined at 750 ° C. for 5 hours. The sodium content in the calcined catalyst oxide was 180 ppm.

(2) 촉매 활성화 (2) catalyst activation

소성된 산화물 상태의 촉매 1.0 g을 튜브형 반응기(내경 12mm,길이 25cm)에 충진시키고, 5% H2/N2 혼합가스를 흘려 보내면서 서서히 승온하여 180 ℃에서 6시간 동안 활성화시켰다.1.0 g of the calcined oxide catalyst was charged in a tubular reactor (inner diameter 12 mm, length 25 cm), and gradually heated up while flowing 5% H 2 / N 2 mixed gas, and activated at 180 ° C. for 6 hours.

(3) 디에틸 말리에이트의 수소화 반응(3) Hydrogenation of Diethyl Maleate

촉매의 환원 활성화 후, 표 1에서와 같이 반응기 온도를 조절하고 수소 기체를 사용하여 압력을 조절하였다. 이후 수소기체의 유량을 조절하여 반응기로 흘려 보내면서 49 중량%의 디에틸 말리에이트 함유 에틸알콜 용액을 HPLC(고성능 액체 크로마토그래피) 펌프를 사용하여 수소기체의 흐름과 같은 방향으로 주입하여 반응시켰다. 생성물은 반응압력과 같은 압력하에서 포집하여 GC(가스 크로마토그래피)로 분석하였다. 100시간 이상 반응하여 안정된 활성을 보이는 것을 확인한 후 반응조건을 변화시켜가면서 약 500시간 실험하였다. 반응결과는 하기 표 1과 같다.After the reduction activation of the catalyst, the reactor temperature was adjusted as in Table 1 and the pressure was adjusted using hydrogen gas. After adjusting the flow rate of the hydrogen gas flow to the reactor 49% by weight of diethyl maleate containing ethyl alcohol solution was injected into the reaction in the same direction as the flow of hydrogen gas using an HPLC (high performance liquid chromatography) pump. The product was collected under the same pressure as the reaction pressure and analyzed by GC (gas chromatography). After confirming that the reaction was stable for more than 100 hours, the experiment was performed for about 500 hours while changing the reaction conditions. The reaction results are shown in Table 1 below.

반응온도(℃)Reaction temperature (℃) 반응압력(기압)Reaction pressure (atmospheric pressure) H2/DEM (몰비)H 2 / DEM (molar ratio) DEM WHSV(hr-1)DEM WHSV (hr -1 ) 수율(몰%)Yield (mol%) THFTHF BuOHBuOH GBLGBL BDOBDO DESDES 160160 4040 300300 0.320.32 1.31.3 0.00.0 6.66.6 91.991.9 0.10.1 160160 4040 300300 0.500.50 0.40.4 0.10.1 7.97.9 90.790.7 0.90.9 DEM: 디에틸 말리에이트, DES: 디에틸 석시네이트, THF: 테트라하이드로푸란, BuOH:부틸알콜, GBL: γ-부티로락톤, BDO: 부탄디올DEM: diethyl maleate, DES: diethyl succinate, THF: tetrahydrofuran, BuOH: butyl alcohol, GBL: γ-butyrolactone, BDO: butanediol

비교실시예 1Comparative Example 1

구리와 실리카 만으로 구성된 촉매(CuO(80)SiO2(20))를 실시예 1에서와 같은 방법으로 제조하고, 같은 반응기에 동일한 방법으로 충전한 후 디에틸 말리에이트의 수소화 반응을 실시하였다. 실험 결과는 표 2와 같다.A catalyst consisting of only copper and silica (CuO (80) SiO 2 (20)) was prepared in the same manner as in Example 1, and charged in the same reactor in the same manner, followed by hydrogenation of diethyl maleate. The experimental results are shown in Table 2.

반응온도(℃)Reaction temperature (℃) 반응압력(기압)Reaction pressure (atmospheric pressure) H2/DEM (몰비)H 2 / DEM (molar ratio) DEM WHSV(hr-1)DEM WHSV (hr -1 ) 수율(몰%)Yield (mol%) THFTHF BuOHBuOH GBLGBL BDOBDO DESDES 160160 4040 300300 0.320.32 0.60.6 0.10.1 15.115.1 64.964.9 19.219.2 180180 4040 300300 0.320.32 1.81.8 0.30.3 22.622.6 74.674.6 0.70.7

상기 표 2의 결과로부터, 구리와 실리카 만으로 구성된 촉매(CuO(80)SiO2(20))를 사용하는 경우에는 온화한 반응조건에서는 활성과 선택율이 낮고, 미반응 디에틸석시네이트가 1% 이하인 고 전환율 운전조건에서는 1,4-부탄디올의 선택도가 증가하지만 감마-부티로락톤과 테트라하이드로퓨란의 생성이 크게 증가하는 특징을 나타냄을 알 수 있다.From the results in Table 2, when a catalyst consisting of only copper and silica (CuO (80) SiO 2 (20)) is used, the activity and selectivity are low under mild reaction conditions, and unreacted diethyl succinate is 1% or less. In the high conversion operating conditions, the selectivity of 1,4-butanediol is increased, but the production of gamma-butyrolactone and tetrahydrofuran is significantly increased.

비교실시예 2Comparative Example 2

1,4-부탄디올 제조용 상용 말레인산에스테르 수소화 촉매(엥겔하드회사에서 시판하는 Engelhard 72F-69A)를 실시예 1에서와 같은 방법으로 20-40메쉬 크기로 파쇄, 선별하고 같은 반응기에 동일한 방법으로 충전한 후 활성화하고 디에틸 말리에이트의 수소화 반응을 실시하였다. 실험 결과는 표 3과 같다.A commercial maleic acid ester hydrogenation catalyst (Engelhard 72F-69A, commercially available from Engelhard) was crushed and screened to a size of 20-40 mesh in the same manner as in Example 1, and the same reactor was charged in the same manner. It was then activated and subjected to hydrogenation of diethyl maleate. The experimental results are shown in Table 3.

반응온도(℃)Reaction temperature (℃) 반응압력(기압)Reaction pressure (atmospheric pressure) H2/DEM (몰비)H 2 / DEM (molar ratio) DEM WHSV(hr-1)DEM WHSV (hr -1 ) 수율(몰%)Yield (mol%) THFTHF BuOHBuOH GBLGBL BDOBDO DESDES 160160 4040 300300 0.320.32 1.01.0 0.20.2 9.59.5 88.588.5 0.80.8 160160 4040 300300 0.500.50 0.60.6 0.10.1 10.510.5 85.285.2 3.63.6

상기 표 3으로부터, 1,4-부탄디올 제조용 상용 말레인산에스테르 수소화 촉매를 사용하는 경우, 본 발명의 수소화 촉매를 사용(표 1)하는 것보다 1,4-부탄디올의 생성이 낮으며, 감마-부티로락톤의 생성이 비교적 높음을 알 수 있다. From Table 3, when a commercial maleic acid ester hydrogenation catalyst for producing 1,4-butanediol is used, the production of 1,4-butanediol is lower than that of using the hydrogenation catalyst of the present invention (Table 1), and gamma-butyro It can be seen that the production of lactones is relatively high.

비교실시예 3Comparative Example 3

아연 및 망간 성분의 첨가량에 따른 촉매 성능을 조사하기 위해 CuO(73)MnO2(6)ZnO(1)SiO2(20) 촉매를 실시예 1에서와 같은 방법으로 제조하고 활성화시킨 뒤 반응성을 조사하였다. 실험 결과는 표 4와 같다.CuO (73) MnO 2 (6) ZnO (1) SiO 2 (20) catalysts were prepared and activated in the same manner as in Example 1 to investigate the catalyst performance depending on the amount of zinc and manganese added. It was. The experimental results are shown in Table 4.

반응온도(℃)Reaction temperature (℃) 반응압력(기압)Reaction pressure (atmospheric pressure) H2/DEM (몰비)H 2 / DEM (molar ratio) DEM WHSV(hr-1)DEM WHSV (hr -1 ) 수율(몰%)Yield (mol%) THFTHF BuOHBuOH GBLGBL BDOBDO DESDES 160160 4040 300300 0.320.32 1.61.6 0.20.2 14.914.9 83.283.2 0.10.1

상기 결과는, 매우 제한된 범위 내에서 개량효과가 나타나고 있음을 보여주고 있다. The results show that the improvement effect appears within a very limited range.

실시예 2Example 2

실시예 1에서와 같은 방법으로 CuO(72.2)MnO2(2.5)ZnO(0.3)SiO2(25) 촉매를 제조하였다. 제조과정 중 세척, 여과한 케익을 함수율이 약 55%가 될 때까지 건조한 뒤, 압출법으로 성형하였다. 성형된 촉매를 300 ℃에서 5시간 소성한 뒤, 소성된 분말을, 레늄산화물(Re2O7)을 물과 아세톤의 혼합용액에 녹인 용액에 침지시킴으로써, Re성분을 담지시키고 750 ℃에서 5시간 동안 소성하여 (CuO(72.2)MnO2(2.5)ZnO(0.3)SiO2(25))(99.5)Re2O7(0.5) 촉매를 제조하였다.A CuO (72.2) MnO 2 (2.5) ZnO (0.3) SiO 2 (25) catalyst was prepared in the same manner as in Example 1. The cake washed and filtered during the manufacturing process was dried until the moisture content was about 55%, and then molded by extrusion. The calcined catalyst was calcined at 300 ° C. for 5 hours, and then the calcined powder was immersed in a solution in which rhenium oxide (Re 2 O 7 ) was dissolved in a mixed solution of water and acetone. It was calcined during to prepare (CuO (72.2) MnO 2 (2.5) ZnO (0.3) SiO 2 (25)) (99.5) Re 2 O 7 (0.5) catalyst.

위 촉매를 실시예 1에서와 같은 방법으로 활성화시키고 촉매 성능을 조사하였으며, 그 결과는 표 5와 같다. The catalyst was activated in the same manner as in Example 1 and the catalyst performance was investigated, and the results are shown in Table 5.

반응온도(℃)Reaction temperature (℃) 반응압력(기압)Reaction pressure (atmospheric pressure) H2/DEM (몰비)H 2 / DEM (molar ratio) DEM WHSV(hr-1)DEM WHSV (hr -1 ) 수율(몰%)Yield (mol%) THFTHF BuOHBuOH GBLGBL BDOBDO DESDES 160160 4040 300300 0.320.32 0.40.4 0.10.1 6.46.4 91.891.8 1.31.3

실시예 3Example 3

실시예 2의 CuO(72.2)MnO2(2.5)ZnO(0.3)SiO2(25) 촉매를 파쇄하여 100메쉬 이하의 분말을 만들고, Pt(NH3)4(NO3)2를 물과 메탄올에 녹인 후, 이 용액에 상기 분말을 침지시킴으로써 Pt 성분을 추가로 담지시켜((CuO(72.2)MnO2(2.5)ZnO(0.3)SiO2(25))(99.8)PtO(0.2) 촉매를 제조하였다. 담지된 분말을 타정법으로 성형하고 750 ℃에서 5시간 동안 소성하였다. 이 촉매를 실시예 1에서와 같은 방법으로 반응기에 충전시키고 활성화 시켜 촉매성능을 조사하였으며, 그 결과는 표 6과 같다.The CuO (72.2) MnO 2 (2.5) ZnO (0.3) SiO 2 (25) catalyst of Example 2 was crushed to form powders of 100 mesh or less, and Pt (NH 3 ) 4 (NO 3 ) 2 was dissolved in water and methanol. After dissolving, the powder was immersed in this solution to further support the Pt component ((CuO (72.2) MnO 2 (2.5) ZnO (0.3) SiO 2 (25)) to prepare a (99.8) PtO (0.2) catalyst). The supported powder was molded by tableting and calcined for 5 hours at 750 ° C. The catalyst was charged and activated in the same manner as in Example 1 to investigate the catalytic performance, and the results are shown in Table 6.

반응온도(℃)Reaction temperature (℃) 반응압력(기압)Reaction pressure (atmospheric pressure) H2/DEM (몰비)H 2 / DEM (molar ratio) DEM WHSV(hr-1)DEM WHSV (hr -1 ) 수율(몰%)Yield (mol%) THFTHF BuOHBuOH GBLGBL BDOBDO DESDES 160160 4040 300300 0.320.32 0.30.3 0.10.1 6.26.2 91.891.8 1.51.5

실시예 4Example 4

실시예 1의 CuO(72.2)MnO2(2.5)ZnO(0.3)SiO2(25) 촉매를 반응기에 충전시키고 활성화시키고, 42 중량%의 디메틸 말리에이트(DMM) 함유 메틸알콜 용액을 반응기에 공급하며 수소화 반응성을 조사하였다. 반응결과는 표 8과 같다.The CuO (72.2) MnO 2 (2.5) ZnO (0.3) SiO 2 (25) catalyst of Example 1 was charged and activated in a reactor, and 42% by weight of dimethyl maleate (DMM) containing methyl alcohol solution was fed to the reactor Hydrogenation reactivity was investigated. The reaction results are shown in Table 8.

반응온도(℃)Reaction temperature (℃) 반응압력(기압)Reaction pressure (atmospheric pressure) H2/DMM (몰비)H 2 / DMM (molar ratio) DMM WHSV(hr-1)DMM WHSV (hr -1 ) 수율(몰%)Yield (mol%) THFTHF BuOHBuOH GBLGBL BDOBDO DMSDMS 160160 4040 300300 0.320.32 1.11.1 0.00.0 9.29.2 88.388.3 1.41.4

본 발명의 방법은 말레인산에스테르에 대한 수소의 몰비가 1,000 이하, 바람직하게는 50 ~ 600이고, 반응온도가 140 ~ 260 ℃, 반응압력이 30 ~ 120기압인 반응 조건하에서 높은 선택율과 수율 및 높은 생산성을 나타내고, 촉매의 수시 재활성화 조작을 수행하지 않고도 장기간 안정적으로 말레인산에스테르로부터 1,4-부탄디올을 제조할 수 있는 효과를 갖는다. 또한, 본 발명에서 사용하는 실리카로 안정화된 구리를 주성분으로 한 수소화 촉매는 크롬을 사용하지 않으므로 폐촉매의 환경 부하가 극소화된다.The method of the present invention has high selectivity, yield and high productivity under reaction conditions in which the molar ratio of hydrogen to maleic acid ester is 1,000 or less, preferably 50 to 600, reaction temperature is 140 to 260 ° C., and reaction pressure is 30 to 120 atmospheres. It has the effect that 1,4-butanediol can be manufactured from maleic acid ester stably for a long period of time without performing a reactivation operation of a catalyst at any time. In addition, the hydrogenation catalyst mainly composed of copper stabilized with silica used in the present invention does not use chromium, thereby minimizing the environmental load of the spent catalyst.

Claims (7)

하기 화학식 1로 표시되는 촉매의 존재하에 말레인산에스테르를 수소화하는 것을 포함하는, 1,4-부탄디올의 제조 방법:A method for preparing 1,4-butanediol, comprising hydrogenating maleic acid ester in the presence of a catalyst represented by formula (1): 화학식 1Formula 1 CuO(a)MnO2(b)M(c)SiO2(d)CuO (a) MnO 2 (b) M (c) SiO 2 (d) 상기 식에서, Where a, b, c 및 d는 중량을 기준으로 한 백분율로서, a는 40 내지 90이고, b는 0.15 내지 5이고, c는 0.001 내지 5이고, d는 5 내지 50이고, a, b, c and d are percentages by weight, a is 40 to 90, b is 0.15 to 5, c is 0.001 to 5, d is 5 to 50, M은 아연(Zn), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 레늄(Re), 루테늄(Ru) 및 로듐(Rh) 중에서 선택된 적어도 1종 이상의 금속 원소의 산화물을 나타낸다. M represents an oxide of at least one metal element selected from zinc (Zn), platinum (Pt), palladium (Pd), rhenium (Re), ruthenium (Ru), and rhodium (Rh). 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 촉매를, 수소 또는 수소함유 기체를 이용하여 100 내지 250 ℃에서 1 내지 60시간 정도 활성화시킨 후, 수소화 반응에 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.The catalyst is activated by hydrogen or hydrogen-containing gas at 100 to 250 ° C. for about 1 to 60 hours, and then used in a hydrogenation reaction. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 수소화 반응이 30 내지 120기압의 압력 하에 140 내지 260 ℃의 온도에서 수행됨을 특징으로 하는 방법.The hydrogenation reaction is carried out at a temperature of 140 to 260 ℃ under a pressure of 30 to 120 atmospheres. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 수소화 반응이 말레인산에스테르의 공급 WHSV(Weight hourly space velocity, 무게공간속도)가 0.1 내지 2.0 hr-1이고, 수소 : 말레인산에스테르의 몰비가 50 내지 600 : 1인 조건하에서 수행됨을 특징으로 하는 방법.Wherein the hydrogenation reaction is carried out under conditions in which the weight hourly space velocity (WHSV) of the maleic acid ester is 0.1 to 2.0 hr −1 and the molar ratio of hydrogen to maleic acid ester is 50 to 600: 1. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 말레인산에스테르가 디메틸 말리에이트, 디에틸 말리에이트, 디프로필 말리에이트, 디이소프로필 말리에이트 및 디부틸 말리에이트 중에서 선택됨을 특징으로 하는 방법.The maleic acid ester is selected from dimethyl maleate, diethyl maleate, dipropyl maleate, diisopropyl maleate and dibutyl maleate. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 말레인산에스테르가 알콜에 20 ~ 80 중량%의 농도로 용해된 후 수소화 반응에 도입됨을 특징으로 하는 방법.The maleic acid ester is dissolved in alcohol at a concentration of 20 to 80% by weight and then introduced into the hydrogenation reaction. 제 6 항에 있어서, The method of claim 6, 알콜이 말레인산에스테르의 알킬기에 상응하는 알킬기를 가진 것임을 특징으로 하는 방법.And the alcohol has an alkyl group corresponding to the alkyl group of maleic acid ester.
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