KR100553701B1 - High active catalyst for synthetic gas generation, preparing method thereof and the process for preparing synthetic gas using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 합성 가스 제조용 고효율 촉매, 이의 제조방법 및 이를 이용한 합성가스의 제조공정에 관한 것으로, 본 발명의 촉매는 내열성을 갖는 다공성 지지체에 귀금속과 알칼리 토금속을 동시에 담지한 제 1군 촉매 및 다공성 지지체에 저온 합성 가스 생성력이 우수한 귀금속을 담지한 제 2군 촉매를 포함하여 이루어지며, 상기 제 1군 촉매 및 제 2군 촉매를 균일하게 분쇄 혼합하여 제조한다. 본 발명에 따른 촉매를 사용하는 경우, 반응개시 온도를 저하시킴과 동시에 별도의 활성화 공정이 요구되지 않기 때문에 합성가스 제조공정의 구성 단순화 및 기동 시간을 현저히 줄일 수 있다.The present invention relates to a high-efficiency catalyst for syngas production, a method for preparing the same, and a process for preparing the syngas using the same. The catalyst of the present invention is a first group catalyst and a porous support simultaneously supporting noble metals and alkaline earth metals on a porous support having heat resistance. It comprises a second group catalyst carrying a precious metal having excellent low-temperature synthesis gas generating power, and is prepared by uniformly grinding the first group catalyst and the second group catalyst. In the case of using the catalyst according to the present invention, since the reaction start temperature is lowered and a separate activation process is not required, the configuration simplification and start-up time of the syngas production process can be significantly reduced.
합성 가스, 혼합 촉매, 탄화수소, 귀금속 촉매Syngas, Mixed Catalysts, Hydrocarbons, Precious Metal Catalysts
Description
도 1은 분리형 개질 반응기를 이용한 통상의 합성가스 제조 공정도를 나타낸다. 1 shows a conventional syngas production process diagram using a separate reforming reactor.
도 2는 일체형 개질 반응기를 이용한 통상의 합성 가스 제조 공정도를 나타낸다.2 shows a conventional syngas production process diagram using an integrated reforming reactor.
도 3은 실시예 1, 2와 비교예 1에 따른 촉매 성능 비교 그래프이다.3 is a graph comparing catalyst performance according to Examples 1 and 2 and Comparative Example 1. FIG.
도 4는 실시예 3과 비교예 2에 따른 촉매 성능 비교 그래프이다.4 is a graph comparing catalyst performance according to Example 3 and Comparative Example 2. FIG.
도 5는 실시예 4에 따른 촉매성능 그래프이다.5 is a graph of catalytic performance according to Example 4.
도 6은 실시예 5에 따른 촉매성능 그래프이다.6 is a graph of catalytic performance according to Example 5.
도 7은 실시예 6~7에 따른 촉매 성능 그래프이다.7 is a graph of catalyst performance according to Examples 6-7.
도 8은 실시예 8 및 비교예 3에 따른 촉매성능 그래프이다.8 is a graph of catalyst performance according to Example 8 and Comparative Example 3.
도 9는 실시예 1 및 비교예 4에 따른 촉매성능 그래프이다.9 is a graph of catalyst performance according to Example 1 and Comparative Example 4.
도 10은 실시예 9에 따른 촉매성능 그래프이다.10 is a graph of catalytic performance according to Example 9.
본 발명은 합성 가스 제조를 위한 고활성 촉매, 이의 제조방법 및 이를 이용한 합성가스의 제조공정에 관한 것으로, 보다 상세하게는 잦은 운전 및 정지를 필요로 하는 중소규모의 합성가스 제조장치에 적합한 합성 가스 제조용 고활성 촉매, 이의 제조방법 및 이를 이용한 합성가스의 제조공정에 관한 것이다.The present invention relates to a high activity catalyst for syngas production, a method for producing the same, and a process for producing a syngas using the same, and more particularly, a syngas suitable for a small and medium scale syngas production apparatus requiring frequent operation and shutdown. It relates to a high activity catalyst for production, a method for producing the same, and a process for preparing a synthesis gas using the same.
합성 가스 제조공정에는 탄화수소의 스팀개질(steam reforming) 및 부분산화(partial oxidation) 반응이 주로 사용되고 있다. 고농도의 수소 관점에서는 반응식 (1)과 같이 진행되는 스팀 개질이 선호되며 또한, 잦은 기동 정지 및 단순화/소형화를 필요로 하는 공정에서는 총괄 반응식 (2)로 표현되는 부분산화반응이 사용된다.Steam reforming and partial oxidation reactions of hydrocarbons are mainly used in the synthesis gas production process. In view of the high concentration of hydrogen, steam reforming, which proceeds as in Scheme (1), is preferred, and in processes requiring frequent shutdown and simplification / miniaturization, the partial oxidation reaction represented by the general scheme (2) is used.
[반응식 1]
CH4 + H2O → CO + 3H2, ΔH0 298 = +206kJ/mol CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 , ΔH 0 298 = +206 kJ / mol
[반응식 2]
CH4 + 1/2O2 → CO + 2H2, ΔH0 298 = -36kJ/molCH 4 + 1 / 2O 2 → CO + 2H 2 , ΔH 0 298 = -36kJ / mol
부분산화반응은 반응식(2)와 같이 단일 반응경로로 합성가스를 생성하는 직접부분산화반응과 반응식 (3)~(5)를 순차적으로 경유하여 진행되는 간접부분산화반응의 두가지 경로가 존재한다. 각 촉매 표면에서 진행되는 개질 반응이 직접 또는 동시에 간접 부분산화반응을 통해 합성가스의 형성이 진행되는지에 대한 기여도 판정이 불가능하기는 하나, 종래의 스팀개질 반응에 비하여 반응기 온도 조절이 용이하기 때문에 많은 연구가 진행되고 있다. 특히, 중소형의 잦은 기동정지가 필요한 시스템에서 상용성이 기대되고 있다(도 2).There are two paths of partial oxidation reaction: direct partial oxidation reaction that generates syngas in a single reaction path as in reaction equation (2) and indirect partial oxidation reaction which proceeds sequentially through reaction equations (3) to (5). Although it is impossible to determine whether the reforming reaction proceeds on the surface of each catalyst directly or simultaneously with the indirect partial oxidation reaction, the contribution of the synthesis gas to the formation of the synthesis gas, but the reactor temperature is easier to control than the conventional steam reforming reaction. Research is ongoing. In particular, compatibility is expected in systems requiring frequent small and medium start and stop (Fig. 2).
[반응식 3]Scheme 3
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O, ΔH0 298 = -801kJ/molCH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O, ΔH 0 298 = -801 kJ / mol
[반응식 4]Scheme 4
CH4 + CO2 → 2CO + 2H2, ΔH0 298 = +247kJ/mol CH 4 + CO 2 → 2CO + 2H 2 , ΔH 0 298 = +247 kJ / mol
[반응식 5]Scheme 5
CH4 + H2O → CO + 3H2, ΔH0 298 = +206kJ/mol CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 , ΔH 0 298 = +206 kJ / mol
공정의 구성은 도 1과 같이 산화촉매층에서 탄화수소 산화반응에 의한 연소열, 이산화탄소, 스팀을 발생(반응식 3)시킨 후 고온 가스에 일정량의 스팀, 탄화수소를 혼합하여 개질촉매층으로 공급하여 반응식 (4) 및 (5)와 같이 이산화탄소 개질 및 스팀개질을 진행하는 공정이 알려져 있다(대한민국 공개특허 1999-0049702, 및 1999-0046013). 한편, 공정의 단순화를 목적으로 도 2와 같이 단일 반응기에서 탄화수소의 산화반응과 동시에 개질을 진행하는 공정이 발표된 바 있다(K.H Hofstad등, "Partial oxidation of methane to synthesis gas over a Pt/10% Rh gauze", Catal. Lett., 45, 97~105(1997)). As shown in FIG. 1, combustion heat, carbon dioxide, and steam generated by a hydrocarbon oxidation reaction are generated in the oxidation catalyst layer as shown in FIG. Processes for carrying out carbon dioxide reforming and steam reforming are known as in (5) (Korean Patent Laid-Open Publication Nos. 1999-0049702, and 1999-0046013). Meanwhile, for the purpose of simplifying the process, a process of simultaneously reforming a hydrocarbon and simultaneously reforming a hydrocarbon in a single reactor has been announced (KH Hofstad et al., "Partial oxidation of methane to synthesis gas over a Pt / 10%). Rh gauze ", Catal. Lett., 45, 97-105 (1997)).
이 때, 개질 반응기에 사용되는 촉매로는 귀금속 또는 니켈을 주촉매로 하며, 전이금속, 알칼리 금속 또는 귀금속의 조촉매를 포함하는 촉매가 발표된 바 있으며 주된 관심사는 코크에 대한 내성을 얻기 위한 부분에 연구가 집중되고 있다(Hengyong Xu등, "A study on the reforming of natural gas with steam, oxygen and carbon dioxide to produce syngas for methanol feed stock", J. Molecular Catalysis A: Chemical, 147, 41~46(1999)).At this time, the catalyst used in the reforming reactor as the main catalyst is a noble metal or nickel, a catalyst containing a transition metal, alkali metal or a catalyst of the noble metal has been published, the main concern is the part to obtain the resistance to coke (Hengyong Xu et al., "A study on the reforming of natural gas with steam, oxygen and carbon dioxide to produce syngas for methanol feed stock", J. Molecular Catalysis A: Chemical, 147, 41--46 ( 1999).
한편, A.M. O'Connor와 J.R.H. Ross의 연구에 따르면 메탄을 이용한 이산화탄소 개질 반응에서 Pt/ZrO2의 귀금속 촉매를 사용할 때 코크에 대한 내성이 우수한 것으로 발표되었다(Aisling M. O'Connor, Julian R.H Ross, "The effect of O2 addition on the carbon dioxide reforming of methane over Pt/ZrO2 catalysts", Catalysis Today, 46, 203~210(1998)).A study by AM O'Connor and JRH Ross found that coke resistance was superior when using a noble metal catalyst of Pt / ZrO 2 in carbon dioxide reforming with methane (Aisling M. O'Connor, Julian RH Ross). , "The effect of O 2 addition on the carbon dioxide reforming of methane over Pt / ZrO 2 catalysts", Catalysis Today, 46, 203--210 (1998)).
F.Frusteri등에 따르면, 칼륨으로 개질된 니켈담지 촉매(Ni-K/MgO)상에서 메탄을 이용한 이산화탄소 개질 반응시 칼륨의 첨가에 따라서 코크에 대한 내성과 니켈의 열적안정성을 부여할 수 있다는 연구결과를 발표한 바 있다(F.Frusteri등, "Potassium-enhanced stability of Ni/MgO catalysts in the dry reforming of methane", Catalysis Communications, 2, 49~56(2001)).According to F.Frusteri et al., Studies on the potassium-modified nickel-supported catalyst (Ni-K / MgO) in the carbon dioxide reforming reaction with methane can provide resistance to coke and thermal stability of nickel depending on the addition of potassium. (F.Frusteri et al., "Potassium-enhanced stability of Ni / MgO catalysts in the dry reforming of methane", Catalysis Communications, 2, 49--56 (2001)).
미국 특허 6,312,669 B1에 따르면 탄화수소와 이산화탄소로부터 합성 가스를 제조할 때 귀금속의 지지체로 전기음성도 13이하를 갖도록 지지체 중에 알칼리 금속을 포함한 촉매가 코크에 대한 내구성이 우수함을 개시하고 있다.U.S. Patent 6,312,669 B1 discloses that catalysts containing alkali metals in the support have excellent durability against coke to have an electronegativity of 13 or less as a support for precious metals when producing synthesis gas from hydrocarbons and carbon dioxide.
미국특허 6,293,979 B1에서는 지지체에 알칼리 금속을 담지한 후에 활성금속 8A족을 담지한 촉매를 이용하여 탄화수소로부터 합성가스를 제조할 때 코크 및 열에 의한 내구성을 확보할 수 있음을 개시하고 있다. 한편, 산소, 탄화수소 및 수분을 동시에 공급하여 자체 반응열을 생성하는 형태로 진행되는 탄화수소의 촉매자발개질(Catalystic autothermal reforming, 이하 "CATR"이라 함)에 대하여 미국특허 제 6,293,979 B1에서는 비활성 지지체의 외표면에 알칼리 금속을 담지한 다음, 니켈과 코발트를 동시에 공침한 촉매를 개시하고 있다.US Pat. No. 6,293,979 B1 discloses that durability by coke and heat can be ensured when syngas is produced from hydrocarbons using a catalyst carrying an active metal group 8A after supporting an alkali metal on a support. Meanwhile, US Pat. No. 6,293,979 B1 discloses an outer surface of an inert support for catalytic autothermal reforming (hereinafter referred to as “CATR”), which proceeds in the form of supplying oxygen, hydrocarbons, and water to generate heat of reaction. A catalyst in which an alkali metal is supported and then co-precipitated with nickel and cobalt is disclosed.
상기 개시된 촉매들은 코크에 대한 내성을 확보함과 동시에 반응 개시 단계에서 촉매의 활성화를 목적으로 수소를 이용한 환원 또는 반응 가스를 650℃ 이상 의 고온으로 가열할때 반응의 개시가 가능한 특성을 갖는다. The catalysts described above have the property of initiating the reaction when the reduction of hydrogen or the reaction gas is heated to a high temperature of 650 ° C. or more for the purpose of activating the catalyst in the reaction initiation step while ensuring resistance to coke.
그러나, 잦은 기동 정지가 반복되는 중소형의 합성가스 제조시스템에서는 신속한 반응기 운전의 개시가 필요함과 동시에 단순화/소형화를 이루기 위해서는 촉매의 전처리 장치와 가열장치를 최소화할 필요가 있다. 따라서, 저온에서부터 촉매의 활성이 발휘되어 자체 반응열에 의한 온도 상승이 가능하도록 하는 저온기동(startup)용 촉매의 개발이 요구되는 실정이다. However, in the small and medium-sized syngas production system in which frequent start-ups and stops are repeated, it is necessary to start the reactor operation quickly and to minimize the pretreatment device and the heating device of the catalyst in order to simplify / miniaturize. Therefore, there is a need for development of a catalyst for low temperature startup that enables the activity of the catalyst to be exerted at a low temperature to allow a temperature rise by the heat of reaction.
이에 본 발명자들은 탄화수소 및/혹은 알콜의 촉매자발개질반응 (CATR)을 위한 개시온도를 낮출 수 있으며, 특히 초기 기동시 촉매의 활성화 단계가 불필요한 촉매를 제공하게 되었다.
The present inventors have therefore been able to lower the onset temperature for Catalytic Regeneration (CATR) of hydrocarbons and / or alcohols, in particular providing catalysts which do not require an activation step of the catalyst during initial startup.
이에 따라 본 발명의 목적은 탄화수소 및/혹은 알콜을 촉매자발개질반응시키기 위하여 직접부분산화력이 우수한 제 1군 촉매 및 저온 합성가스 생성력이 우수한 제 2군 촉매를 혼합 제조한 합성 가스 제조 공정용 고활성 촉매를 제공하는 것이다.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a high activity for a synthesis gas production process in which a first group catalyst having excellent direct partial oxidation power and a second group catalyst having excellent low temperature syngas generation ability are mixed and mixed for hydrocarbon and / or alcohol catalytic reaction. To provide a catalyst.
본 발명의 다른 목적은 합성가스 제조용 고활성 촉매의 제조 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a method for producing a high activity catalyst for syngas production.
본 발명의 또 다른 목적은 본 발명에 따라 제조된 촉매를 이용하여 합성가스를 제조하는 공정을 제공하는 것이다.
Still another object of the present invention is to provide a process for preparing syngas using the catalyst prepared according to the present invention.
이에 따라서, 본 발명은Accordingly, the present invention
Rh, Ru, Pd 및 Pt로 이루어진 군으로부터 선택되는 최소 하나 이상의 귀금속 및 주기율표상의 2A족 중에서 선택되는 최소 하나 이상의 알칼리 토금속을 Al, Si, Zr, Ti, Ba, Ce, Co, Mg, La, Y 및 이들의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 최소 하나 이상의 물질 또는 이들의 산화물로 구성된 다공성 지지체에 담지하여 제조한 제 1군 촉매; 및At least one precious metal selected from the group consisting of Rh, Ru, Pd and Pt and at least one alkaline earth metal selected from Group 2A on the periodic table are Al, Si, Zr, Ti, Ba, Ce, Co, Mg, La, Y And a first group catalyst prepared by supporting a porous support composed of at least one material selected from the group consisting of oxides or oxides thereof. And
Rh, Ru, Pd 및 Pt로 이루어진 군으로부터 선택된 최소 하나 이상의 귀금속을 Al, Si, Zr, Ti, Ba, Ce, Co, Mg, La, Y 및 이들의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 최소 하나 이상의 다공성 지지체에 담지하여 제조한 제 2군 촉매At least one or more porous supports selected from the group consisting of Al, Si, Zr, Ti, Ba, Ce, Co, Mg, La, Y and oxides thereof, at least one precious metal selected from the group consisting of Rh, Ru, Pd and
를 포함하여 이루어지는 합성 가스 제조용 고활성 촉매가 제공된다. Provided is a high activity catalyst for syngas production comprising a.
또한, 본 발명은In addition, the present invention
제 1군 촉매 및 제 2군 촉매를 균일하게 분쇄하고 혼합하는 단계; 및Uniformly grinding and mixing the
상기 혼합된 촉매를 입자형 혹은 단일체로 제공하거나 혹은 금속판, 금속망 혹은 금속웹에 코팅하는 단계Providing the mixed catalyst in a granular or monolithic form or coating it on a metal plate, metal mesh or metal web
를 포함하여 제조됨을 특징으로 하는 합성가스 제조용 고활성 촉매의 제조방법을 제공하는 것이다.It provides a method for producing a high activity catalyst for syngas production, characterized in that it is prepared to include.
나아가, 본 발명은 탄화수소 및/혹은 알콜, 물 및 공기 혹은 산소를 포함하여 이루어진 반응물을 본 발명의 혼합촉매로 이루어진 촉매층을 통과시켜 개질시킴을 특징으로 하는 합성가스의 제조공정을 제공한다.Furthermore, the present invention provides a process for producing a synthesis gas, characterized in that the reactants comprising hydrocarbons and / or alcohols, water and air or oxygen are reformed by passing through a catalyst layer comprising the mixed catalyst of the present invention.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 고활성 합성가스 제조용 촉매는 2종류 이상의 촉매를 혼합한 형태로 구성된다. 제 1군 촉매는 탄화수소에 대한 개질 활성이 우수하도록 제조된 것으로, 다공성 지지체에 귀금속과 알칼리 토금속을 동시에 담지시켜 제조된 촉매이며, 제 2군 촉매는 반응기동시 저온에서 합성가스 생성력이 우수하도록 귀금속을 다공성 지지체에 담지시켜 제조된 것이다. 본 발명에 따라서, 상기 제 1군 촉매와 제 2군 촉매를 혼합하여 제조된 고활성 합성 가스 제조용 촉매는 별도의 촉매활성화 단계(환원)가 불필요하기 때문에 공정의 구성 및 초기 기동 시간을 현저하게 감소시키며, 또한 저온에서 반응이 시작되어 높은 개질성능이 발휘되는 것이 특징이다. The catalyst for producing highly active syngas according to the present invention is composed of a mixture of two or more kinds of catalysts. The first group catalyst is a catalyst that is prepared to have excellent reforming activity for hydrocarbons, and is a catalyst prepared by simultaneously supporting a noble metal and an alkaline earth metal on a porous support. It is prepared by being supported on a porous support. According to the present invention, the catalyst for preparing a highly active synthesis gas prepared by mixing the first group catalyst and the second group catalyst significantly reduces the configuration and initial startup time of the process because a separate catalyst activation step (reduction) is unnecessary. In addition, the reaction is started at a low temperature is characterized by high reforming performance.
본 발명의 구현에 있어서, 제 1군의 촉매는 Rh, Ru, Pd 및 Pt로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 귀금속 주촉매와 주기율표상의 2A족 중에서 선택된 한가지 이상의 알칼리 토금속 조촉매를 Al, Si, Zr, Ti, Ba, Ce, Co, Mg, La, Y 및 이의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 물질 또는 이들의 산화물로 구성된 다공성 지지체에 담지하여 제조된 탄화수소 개질용 촉매이다. 이 때, 상기 귀금속 주촉매와 혼합되는 알칼리 토금속은 바람직하게는 마그네슘 또는 바륨이다. In an embodiment of the present invention, the catalyst of the first group includes at least one noble metal main catalyst selected from the group consisting of Rh, Ru, Pd and Pt and at least one alkaline earth metal promoter selected from group 2A on the periodic table of Al, Si, Zr , Ti, Ba, Ce, Co, Mg, La, Y and at least one material selected from the group consisting of oxides or a catalyst for hydrocarbon reforming prepared by supporting on a porous support composed of oxides thereof. At this time, the alkaline earth metal mixed with the noble metal main catalyst is preferably magnesium or barium.
또한, 상기 제 1군 촉매 중의 귀금속의 함량은 제 1군 촉매 지지체의 중량기준으로 0.01~5.0중량%이며, 바람직하게는 1.0중량% 이하, 보다 바람직하게는 0.3중량% 이하이다. 또한, 귀금속과 공침되는 알칼리 토금속의 함량은 제 1군 촉매 지지체의 중량기준으로 0.01~15중량%이다. In addition, the content of the noble metal in the first group catalyst is 0.01 to 5.0% by weight based on the weight of the first group catalyst support, preferably 1.0% by weight or less, more preferably 0.3% by weight or less. In addition, the content of the alkaline earth metal co-precipitated with the noble metal is 0.01 to 15% by weight based on the weight of the first group catalyst support.
본 발명의 구현에 있어서, 제 2군의 촉매는 Rh, Ru, Pd 및 Pt로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 귀금속을 Al, Si, Zr, Ti, Ba, Ce, Co, Mg, La, Y 및 이의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 다공성 지지체에 담지하여 제조된 촉매이다. In an embodiment of the invention, the second group of catalysts comprises at least one precious metal selected from the group consisting of Rh, Ru, Pd and Pt, Al, Si, Zr, Ti, Ba, Ce, Co, Mg, La, Y and It is a catalyst prepared by being supported on at least one porous support selected from the group consisting of oxides thereof.
상기 제 2군 촉매 중의 귀금속 함량은 제 2군 촉매 지지체의 중량기준으로 0.01~10.0중량%이다. 바람직하게는 1~5중량%가 적절하며, 더욱 바람직하게는 2~5중량%를 유지할 때 뛰어난 성능을 얻을 수 있다. The noble metal content in the second group catalyst is 0.01 to 10.0% by weight based on the weight of the second group catalyst support. Preferably 1 to 5% by weight is appropriate, more preferably excellent performance can be obtained when holding 2 to 5% by weight.
본 발명의 제 1군 촉매는 내열성 지지체에 귀금속과 함께 알칼리 토금속을 공침하여 활성을 더욱 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 도 4에 나타낸 바와 같이, 미국 특허 6,293,979 B1에 개시된 Rh/Mg-Al2O3 촉매의 경우 반응온도 900℃에서의 전환율이 40%에 불과한 반면, 귀금속과 알칼리 토금속을 동시에 담지하여 제조된 본 발명의 Rh-Mg/Mg-Al2O3 촉매를 사용하는 경우에는 600℃에서 99% 이상의 전환율을 얻을 수 있다.The first group catalyst of the present invention can further increase the activity by coprecipitating alkaline earth metals with noble metals on a heat resistant support. For example, as shown in FIG. 4, in the case of the Rh / Mg-Al 2 O 3 catalyst disclosed in US Pat. No. 6,293,979 B1, the conversion rate at the reaction temperature of 900 ° C is only 40%, while simultaneously supporting the precious metal and the alkaline earth metal. In case of using the prepared Rh-Mg / Mg-Al 2 O 3 catalyst of the present invention, a conversion rate of 99% or more can be obtained at 600 ° C.
한편, 본 발명의 제 1군 촉매만을 사용하는 경우, 총괄 자체 반응열(반응식 2 참고)이 낮기 때문에 반응개시 단계에서 최소 500~600℃까지의 가열이 불가피하게 된다. 그러나, 상기 제 1군 촉매에 제 2군 촉매를 혼합하게 되면 O/C=1.0의 조건에서도 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이 반응 온도를 현저하게 낮출 수 있음을 알 수 있다.On the other hand, in the case of using only the first group catalyst of the present invention, since the overall self-heat of reaction (see Scheme 2) is low, heating up to at least 500 ~ 600 ℃ in the reaction start step is inevitable. However, it can be seen that when the second group catalyst is mixed with the first group catalyst, the reaction temperature can be significantly lowered as shown in FIG. 3 even under the condition of O / C = 1.0.
본 발명에서 사용되는 제 2군과 제 1군의 산화촉매를 비교해보면, 제 1군에 따른 산화촉매는 탄화수소에 대한 완전 산화력과 고온 내구성이 강조된 반면, 본 발명에 따른 제 2군의 촉매는 저온에서 합성가스(수소, 일산화탄소)를 생성할 수 있는 특성을 필요로 한다는 것이다. 이에 의하여 생성된 합성가스에 의하여 제 1군의 개질촉매를 활성화하여 개질반응을 유도하게 된다.Comparing the oxidation catalysts of the second group and the first group used in the present invention, the oxidation catalyst according to the first group emphasizes the perfect oxidation power and high temperature durability against hydrocarbons, whereas the catalyst of the second group according to the present invention has a low temperature. Needs to be able to produce syngas (hydrogen, carbon monoxide). The synthesis gas generated thereby activates the first group of reforming catalysts to induce a reforming reaction.
따라서 제 1군 촉매와 제 2군 촉매를 혼합하여 제조된 촉매는 시스템의 기동정지가 반복되는 합성 가스 제조용 중, 소형 시스템에 사용이 가능하게 되며, 특히, 촉매의 초기 활성화(환원)과정이 불필요하다는 장점이 있다. 본 발명의 제 1군 단일 촉매에 대하여 별도의 활성화과정(전처리)없이 반응을 진행하는 경우, 도 5와 같이 가열공정과 냉각공정에서 상이한 성능을 보이고 있다. 즉, 고온으로 반응을 진행할 때 생성된 합성 가스에 의하여 촉매의 환원이 진행되는 경우, 저온으로 냉각하는 경우 400℃까지 탄화수소에 대한 개질활성이 존재하게 된다. 반면, 제 1군과 제 2군의 촉매를 혼합한 실험 결과(도 6)에 따르면 가열과 냉각 공정에서 동일한 활성을 얻을 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 혼합 촉매를 사용함에 따라서 별도의 촉매 활성화 단계(환원)가 요구되지 않기 때문에 공정의 구성 및 초기 기동시간을 현저하게 줄일 수있는 특징이 있다.Therefore, the catalyst prepared by mixing the
상기 혼합 촉매 중에서 제 2군 촉매의 함량은 촉매 전체 중량의 0.1~49%를 혼합하여 사용할 수 있다. 다만, 제 2군 촉매에 첨가되는 귀금속의 함량은 적용처에 따라서 첨가량을 가감하여 가격 경쟁력을 극대화할 수 있다. 즉, 잦은 기동정지를 하지 않으며 환원가스를 별도로 공급할 수 있도록 부대시설이 갖추어진 사용처에서는 제 2군의 혼합을 최소화(전체 촉매 함량 중 5중량% 이하)하여도 충분한 활성을 얻을 수 있다. 이와 같이 귀금속의 함량이 높은 제 2군의 사용량을 낮출 때 가격 경쟁력을 배가할 수 있다.The content of the second group catalyst in the mixed catalyst may be used by mixing 0.1 to 49% of the total weight of the catalyst. However, the content of the noble metal added to the second group catalyst can be maximized price competitiveness by adding or subtracting the added amount depending on the application. In other words, sufficient activity can be obtained even by minimizing the mixing of the second group (less than 5% by weight of the total catalyst content) in the use facility equipped with supplementary facilities to supply the reducing gas separately without frequent start-up stops. As such, when the amount of the second group having a high content of precious metal is lowered, price competitiveness can be doubled.
또한, 상기 제 1군 또는 제 2군의 단일군에 속하는 촉매들을 물리 혼합하여 목적을 달성할 수 있다. 즉, 제 1군 또는 제 2군에 속하는 단일 촉매를 사용하는 것보다 동일군의 조성 촉매를 혼합하여 사용할 때, 제 1군과 제 2군의 촉매를 혼합한 촉매에 비해서는 다소 낮으나, 제 1군 또는 제 2군의 단일 촉매를 사용하는 것에 비하여 높은 활성을 얻을 수 있다. 다만, 동일군의 촉매를 이용할 때 귀금속의 함량 조절이 더욱 요구된다. 즉, 개질을 목적으로 하는 촉매에서는 고분산도를 갖도록 귀금속의 함량을 0.3중량% 이하로 유지하는 것이 바람직하며, 탄화수소의 저온 개질 역할을 얻기 위한 촉매에서는 귀금속의 함량을 지지체에 대하여 최소 1중량% 이상으로 하여 결정상을 크게 제조할 때 높은 활성을 얻을 수 있다.In addition, it is possible to achieve the object by physically mixing the catalyst belonging to the single group of the first group or the second group. That is, when using a mixture of the same group of composition catalyst than using a single catalyst belonging to the first group or the second group, it is somewhat lower than the catalyst mixed with the catalyst of the first group and the second group, High activity can be obtained as compared to using a single catalyst of the group or the second group. However, when the same group of catalysts are used, the content control of the precious metal is further required. That is, in the catalyst for the purpose of reforming, it is preferable to maintain the content of the noble metal to 0.3% by weight or less so as to have a high dispersion degree, and in the catalyst for obtaining the low temperature reforming role of the hydrocarbon, the content of the noble metal is at least 1% by weight based on the support. In this way, high activity can be obtained when the crystal phase is largely produced.
또한, 본 발명에서와 같이 두가지의 지지체를 사용하지 않고 귀금속을 동일한 지지체에 공침하여 제조하는 것이 또한 가능할 것이다. 그러나 도 9와 같이 별도의 지지체를 이용하여 제조하지 않은 촉매의 경우에는 본 발명의 촉매 활성과 큰 차이를 보이고 있다. 즉, 동일한 귀금속을 사용하여도 이의 지지체에 따라서 상이한 결과를 보이며, 저온에서부터 탄화수소에 대한 개질활성을 얻기 위해서는 반드시 분리된 지지체에 한가지 이상의 귀금속이 독립적으로 존재하도록 해야 한다.It would also be possible to prepare by coprecipitation of a noble metal onto the same support without using two supports as in the present invention. However, in the case of a catalyst which is not prepared using a separate support as shown in FIG. 9, the catalyst activity of the present invention shows a big difference. That is, even if the same precious metal is used, different results are shown depending on the support thereof, and in order to obtain reforming activity for hydrocarbons from low temperature, one or more precious metals must be independently present on the separated support.
이러한 촉매 조합에 대한 실험결과 역시 실시예 6~8(도 7)에 나타낸 바와 같이 동일한 제 1군의 촉매인 Rh-Mg/Al2O3와 Pt-Mg/YSZ를 혼합할 때 Rh-Mg/Al2O
3 또는 Pt-Mg/YSZ 단일 촉매 대비 동일한 전환율을 얻을 수 있는 온도를 80~100℃ 낮출수 있다. 또한, 제 2군을 혼합한 촉매 역시 단일성분에 비해서 메탄 50%의 전환율을 나타내는 온도를 기준으로 볼 때 170℃의 차이를 얻을 수 있다(도 8).Experimental results for this catalyst combination are also shown in Examples 6-8 (FIG. 7) when Rh-Mg / when mixing Rh-Mg / Al 2 O 3 and Pt-Mg / YSZ, the same first group of catalysts. It is possible to lower the temperature to obtain the same conversion rate than Al 2 O 3 or Pt-Mg / YSZ
그러나, 바람직하게는 제 1군과 제 2군의 촉매를 혼합하여 사용할 때 더욱 낮은 온도에서 높은 탄화수소의 전환율을 얻을 수 있다.Preferably, however, when hydrocarbons of the first and second groups are mixed, high hydrocarbon conversion can be obtained at lower temperatures.
본 발명의 촉매는 제 1군 촉매 및 제 2군 촉매를 균일하게 분쇄하고 혼합한 다음, 입자형 혹은 단일체로 가공하거나 혹은 금속판, 금속망 혹은 금속웹에 코팅하여 제조됨을 특징으로 하는 것이다. The catalyst of the present invention is characterized in that it is prepared by uniformly grinding and mixing the
본 발명에 따른 촉매는 이 기술분야에서 실시되는 어떠한 방법으로 제조될 수 있는 것이며, 예를 들어, 제 1군 촉매 및 제 2군 촉매를 각각 입자상으로 제조하고 이를 물리적으로 혼합하여 제조하는 방법 혹은 세라믹 모노리스, 금속판, 금속망 또는 금속웹과 같이 외표면적이 크거나 혹은/동시에 열전달이 우수한 지지체에 코팅하여 제조하는 방법등이 사용될 수 있으며, 가장 바람직하게는 제 1군 및 제 2군 촉매를 혼합하여 10㎛ 이하로 균일하게 분쇄하여 보다 높은 혼합도(mixing degree)를 유지하는 입자형 또는 단일체로 가공하여 제조하는 방법으로 제조된 촉매가 우수한 활성을 나타낸다. The catalyst according to the present invention can be prepared by any method practiced in the art, for example, a method of preparing a first group catalyst and a second group catalyst in a particulate form and physically mixing them, or a ceramic. A method of coating and coating a support having a large external surface area and / or excellent heat transfer at the same time, such as a monolith, a metal plate, a metal mesh, or a metal web, may be used. Most preferably, the first and second group catalysts are mixed The catalyst prepared by the method of processing into a granular or monolithic material which is uniformly ground to 10 μm or less and maintains a higher mixing degree exhibits excellent activity.
본 발명의 합성가스 제조에 있어서, 탄화수소 및/혹은 알콜 및 산소등으로 이루어진 반응물을 귀금속과 알칼리 토금속(2A족 특히, Mg)을 다공성의 내열 지지체에 동시에 담지하여 제조된 제 1군의 촉매성분 및 저온 산화력 및 합성 가스 생성력이 있는 제 2군의 촉매성분을 포함하여 이루어진 촉매층을 통과시켜 개질반응시켜 합성가스를 제조하는 공정이 제공된다. In the synthesis gas production of the present invention, the first group of catalyst components prepared by simultaneously carrying a reactant consisting of a hydrocarbon and / or alcohol and oxygen and supporting a precious metal and alkaline earth metal (Group 2A, in particular Mg) on a porous heat-resistant support and There is provided a process for producing a synthesis gas by reforming the catalyst by passing through a catalyst layer comprising a second group of catalyst components having low temperature oxidation and synthesis gas generating power.
상기 촉매층은 Rh, Ru, Pd 및 Pt로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 귀금속 및 알칼리 토금속인 주기율표상의 2A족 중에서 선택된 한가지 이상의 물질을 Al, Si, Zr, Ti, Ba, Ce, Co, Mg, La, Y 및 이의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 물질 또는 이들의 산화물로 구성된 다공성 지지체에 담지된 제 1군 촉매 및 Rh, Ru, Pd 및 Pt로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 귀금속을 Al, Si, Zr, Ti, Ba, Ce, Co, Mg, La, Y 및 이의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 다공성 지지체에 담지된 제 2촉매를 포함하여 이루이진 촉매를 10㎛ 이하로 균일하게 분쇄 및 혼합하여 입자형 또는 단일체로 가공하거나 금속판, 금속망 혹은 금속웹에 코팅하여 이루어진 것이다.The catalyst layer comprises at least one material selected from the group 2A on the periodic table, which is at least one precious metal and an alkaline earth metal selected from the group consisting of Rh, Ru, Pd and Pt, Al, Si, Zr, Ti, Ba, Ce, Co, Mg, La At least one material selected from the group consisting of Y, and oxides thereof, or at least one precious metal selected from the group consisting of Rh, Ru, Pd, and Pt supported on a porous support composed of oxides thereof and Al, Si And uniformly pulverizing the formed catalyst to 10 μm or less including a second catalyst supported on at least one porous support selected from the group consisting of Zr, Ti, Ba, Ce, Co, Mg, La, Y and oxides thereof. They can be mixed and processed into granules or monoliths or coated on metal plates, metal nets or metal webs.
본 발명에 따른 촉매는 다양한 운전 조건 또는/동시에 비 이상성에 따른 대응력을 갖는다. 도 10에서와 같이, 공급되는 반응물인 탄화수소, 산소, 수분의 분산이 고르게 되지 않을 때 또는 초기 기동시에 반응기의 가열을 목적으로 수분의 공급을 하지 않은 상태에서 부분 산화 반응을 진행하여 반응기의 온도를 500~1000 ℃로 상승시킨 다음에 수분 혹은 스팀을 공급하는 방식이 또한 사용될 수 있다. 수분이 첨가될 때 해당 평형전환율을 보였으며, 또한 500~1000℃로 가열한 후 공기 혹은 산소의 공급을 중단한 상태에서도 스팀개질에 의한 탄화수소의 개질이 진행됨을 볼 수 있었다. 이는 본 발명에 따른 촉매의 다양한 반응기 운전 조건 및 비 이상성에 대한 대응력을 보여주고 있는 것이다. The catalyst according to the invention has a corresponding force according to non-idealities at various operating conditions or at the same time. As shown in FIG. 10, when the dispersion of hydrocarbons, oxygen, and water, which are supplied reactants, is not even or the initial temperature of the reactor, a partial oxidation reaction is performed without supplying water for the purpose of heating the reactor. A method of supplying water or steam after raising to 500-1000 ° C. may also be used. When water was added, the equilibrium conversion was shown, and the hydrocarbon was reformed by steam reforming even after the supply of air or oxygen was stopped after heating to 500 ~ 1000 ° C. This shows the ability of the catalysts according to the invention to various reactor operating conditions and non-idealities.
본 발명에 사용가능한 탄화수소는 탄소수가 1~32개인 지방족 탄화수소, 방향족 탄화수소, 및 올레핀으로 이루어진 군으로부터 선택되며, 바람직하게는 메탄, 에탄, 프로판을 주성분으로 하는 천연가스(LNG), 탄소수 2~7개를 갖는 액화석유가스(LPG), 휘발유, 백등유, 경유를 기화한 탄화수소로 이루어진 군으로부터 선택된다.Hydrocarbons usable in the present invention are selected from the group consisting of aliphatic hydrocarbons, aromatic hydrocarbons, and olefins having 1 to 32 carbon atoms, preferably natural gas (LNG) mainly containing methane, ethane, propane, and 2 to 7 carbon atoms. Liquefied petroleum gas (LPG) with dogs, gasoline, white kerosene, and hydrocarbons vaporized with light oil.
본 발명에 사용가능한 알콜은 바람직하게 메탄올 및/혹은 에탄올이다.Alcohols usable in the present invention are preferably methanol and / or ethanol.
또한 본 발명에 따른 촉매 반응기내의 촉매층 온도는 400~900℃이고, 반응물의 가스공간속도(GHSV)는 2,000~400,000hr-1이다.In addition, the catalyst bed temperature in the catalytic reactor according to the present invention is 400 ~ 900 ℃, the gas space velocity (GHSV) of the reactants is 2,000 ~ 400,000hr -1 .
상기 탄화수소, 알콜, 물, 산소로 이루어지는 반응물의 구성비는 시스템의 운전 방법에 따라 가변될 수 있으며 바람직하게는 탄화수소 중 구성탄소의 몰비에 대하여 0.01~4.5배의 산소, 탄화수소 중 구성 탄소의 몰비에 대하여 0.01~3.5배의 스팀으로 이루어진다.The composition ratio of the reactants consisting of hydrocarbons, alcohols, water and oxygen may vary depending on the operating method of the system, and preferably 0.01 to 4.5 times the molar ratio of the constituent carbon in the hydrocarbon and the molar ratio of the constituent carbon in the hydrocarbon. It consists of 0.01 to 3.5 times the steam.
본 발명은 다음 실시예를 통하여 보다 명확히 이해될 수 있으며, 다음 실시예는 본 발명의 예시목적에 불과하며 본 발명의 범주를 제한하고자 하는 것은 아니다. The present invention can be more clearly understood through the following examples, which are only intended to illustrate the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.
실시예Example
제조예 1; Rh-Mg/Al2O3 촉매Preparation Example 1; Rh-Mg / Al 2 O 3 Catalyst
로듐의 함량이 지지체인 활성화알루미나의 0.1중량%가 되도록, 마그네슘의 함량이 지지체인 활성화알루미나의 3중량%가 되도록, 각각 금속전구체 (KOJIMA CHEMICAL CO., LTD, Rhodium(III) chloride)와 전구체(JUNSEI, Magnesium nitrate hexahydrate)를 증류수에 동시에 용해하여 제조하였다. 제조된 용액은 3회에 걸쳐서 활성화알루미나(알드리치 19996-6, 이하 Al2O3)에 초기젖음법(incipient wetness method)으로 담지하였다. 활성금속 담지는 균일성을 얻기 위하여 지지체인 알루미나 기공부피에 해당되는 용액을 투입하고 혼합하여, 흡수되지 않고 남은 용액이 존재하지 않도록 하였다. 용액을 혼합한 후 교반한 알루미나는 60℃ 건조기에서 30분 건조한 다음 상기와 같이 동일한 방법으로 전구물질의 함침을 반복하였다. 3회 반복한 후 24시간 건조하고 500℃ 소성로에서 4시간 소성하여 완성하였다. 완성된 촉매는 Rh-Mg/Al2O3로 표기하였다.The metal precursors (KOJIMA CHEMICAL CO., LTD, Rhodium (III) chloride) and precursors were added so that the content of rhodium was 0.1% by weight of the activated alumina as the support, and the content of magnesium was 3% by weight of the activated alumina as the support. JUNSEI, Magnesium nitrate hexahydrate) was prepared by simultaneously dissolving in distilled water. The prepared solution was supported on activated alumina (Aldrich 19996-6, hereinafter Al 2 O 3 ) three times by the incipient wetness method. In order to obtain the uniformity of the active metal, a solution corresponding to the alumina pore volume as a support was added and mixed so that the remaining solution was not absorbed. After mixing the solution, the stirred alumina was dried in a 60 ° C. dryer for 30 minutes, and the impregnation of the precursor was repeated in the same manner as described above. After repeating three times, dried for 24 hours and completed by firing for 4 hours at 500 ℃ kiln. The completed catalyst was designated Rh-Mg / Al 2 O 3 .
제조예 2; Rh/Al2O3 촉매Preparation Example 2; Rh / Al 2 O 3 Catalyst
상기 제조예 1과 같이 제조하였다. 다만 마그네슘 전구체를 첨가하지 않고 로듐 단독 성분을 담지하였다. 제조된 촉매는 Rh/Al2O3로 표기하였다.It prepared as in Preparation Example 1. However, rhodium alone was supported without adding a magnesium precursor. The prepared catalyst was designated as Rh / Al 2 O 3 .
제조예 3; Rh-Mg/Mg-Al2O3 촉매Preparation Example 3; Rh-Mg / Mg-Al 2 O 3 Catalyst
상기 제조예 1과 같이 촉매를 제조하였다. 다만, 활성화 알루미나에 마그네슘 10중량%을 담지하고 건조, 1000도에서 10시간 소성한 지지체로 대체하였다. 마그네슘 단독을 먼저 담지하고 소성한 지지체의 제조과정 또한 상기 제조예 1와 같은 방법인 초기 젖음법으로 담지하였다. 이 때 로듐의 함량이 0.1중량%와 0.2중량%인 두가지를 제조하였다. 완성된 촉매는 Rh[0.1]-Mg/Mg-Al2O3, Rh[0.2]-Mg/Mg-Al2 O3로 각각 표기하였다.The catalyst was prepared as in Preparation Example 1. However, the activated alumina was supported by 10% by weight of magnesium, dried and baked at 1000 degrees for 10 hours. Magnesium alone was first supported, and the preparation process of the calcined support was also supported by the initial wetting method, which is the same method as in Preparation Example 1 above. At this time, two kinds of rhodium content of 0.1 wt% and 0.2 wt% were prepared. The completed catalyst was designated as Rh [0.1] -Mg / Mg-Al 2 O 3 and Rh [0.2] -Mg / Mg-Al 2 O 3 , respectively.
제조예 4; Rh/Mg-Al2O3 촉매Preparation Example 4; Rh / Mg-Al 2 O 3 Catalyst
상기 제조예 3과 같이 촉매를 제조하였다. 다만, 로듐 단독성분을 담지 하였으며 이의 함량은 지지체의 0.1중량%가 되도록 전구체의 함량을 조절하였다. 완성된 촉매는 Rh/Mg-Al2O3로 표기하였다.The catalyst was prepared as in Preparation Example 3. However, the rhodium sole component was supported, and the content of the precursor was adjusted to 0.1 wt% of the support. The completed catalyst was designated Rh / Mg-Al 2 O 3 .
제조예 5; Pt-Mg/YSZ 촉매Preparation Example 5; Pt-Mg / YSZ Catalyst
상기 제조예 1과 같이 제조하였다. 다만 활성금속을 백금 전구체(희성엥겔하드제품, H2PtCl6.xH2O)를 사용하였으며 이 때 함량은 지지체의 2중량%가 되도록 하였다. 또한 지지체로 이트리아로 개질된 지르코늄산화물인 YSZ(알드리치, 464228)를 사용하였다. 완성된 촉매는 Pt-Mg/YSZ로 표기하였다. It prepared as in Preparation Example 1. However, the active metal was used as a platinum precursor (Hesung Engelhard, H 2 PtCl 6 x H 2 O) and the content was 2% by weight of the support. In addition, YSZ (Aldrich, 464228), a zirconium oxide modified with yttria, was used as a support. The finished catalyst was designated Pt-Mg / YSZ.
제조예 6; Pt/YSZ 촉매Preparation Example 6; Pt / YSZ Catalyst
상기 제조예 5와 동일한 방법으로 제조하였다. 다만 조촉매 성분인 마그네슘 전구체를 첨가하지 않았다. 완성된 촉매는 Pt/YSZ로 표기하였다.It prepared in the same manner as in Preparation Example 5. However, no magnesium precursor as a promoter component was added. The finished catalyst is designated Pt / YSZ.
제조예 7; Pt-Rh-Mg/Al2O3 촉매Preparation Example 7; Pt-Rh-Mg / Al 2 O 3 Catalyst
상기 제조예 1과 동일한 방법으로 제조하였다. 다만 귀금속으로 백금의 함량을 지지체의 중량기준으로 1중량%가 되도록 이의 전구체를 포함시켜서 담지 용액을 제조하여 사용하였다. 완성된 촉매는 Pt-Rh-Mg/Al2O3로 표기하였다.It prepared in the same manner as in Preparation Example 1. However, a supported solution was prepared by including a precursor thereof such that the content of platinum was 1 wt% based on the weight of the support as a precious metal. The completed catalyst was designated Pt-Rh-Mg / Al 2 O 3 .
상기 제조예 1-7에서 제조된 각각의 촉매와 이들의 혼합촉매에 대하여 메탄개질 활성을 측정하였다.The methane reforming activity of the catalysts prepared in Preparation Examples 1-7 and their mixed catalysts was measured.
실시예 1~2Examples 1-2
제조예 1에 따른 제1군의 촉매 Rh-Mg/Al2O3 0.025g과 제조예 6에 따른 제2군 의 촉매 Pt/YSZ 0.025g을 혼합하여 메탄의 개질 활성을 측정하였다. 반응은 내경 8㎜의 석영 고정층 반응기에서 진행하였으며 반응물은 메탄 0.5부피%, 산소 0.25부피%(O/C=1.0), 물 1.9부피%(S/C=2.8)이며, 균형가스로 질소를 사용하였다. 반응가스의 부피는 50ml/min으로 공급하였다. 이 때 촉매층은 알파알루미나 100/120mesh 1g으로 희석하여 촉매층의 온도 균일성을 확보하였다. 또한 메탄의 농도를 매우 낮게(0.5부피%) 유지하여 반응열에 의한 온도 불균일성을 배제하였다. 충전된 촉매는 반응전에 600℃에서 10%H2/N2 가스로 1시간 환원 전처리 후 반응온도로 냉각한 다음 반응을 진행하였다. 메탄의 전환율이 정상상태에 도달되도록 반응물 공급 후 3시간 후에 측정하였다. 메탄 전환율은 하기 수학식 1을 사용하여 결정하였다. 산소의 전환율 역시 메탄과 동일한 방법으로 결정하였다.The reforming activity of methane was measured by mixing 0.025 g of the catalyst Rh-Mg / Al 2 O 3 of the first group according to Preparation Example 1 and 0.025 g of the catalyst Pt / YSZ of the second group according to Preparation Example 6. The reaction was carried out in a quartz fixed bed reactor with an internal diameter of 8 mm, and the reactants were 0.5 volume% of methane, 0.25 volume% of oxygen (O / C = 1.0), 1.9 volume% of water (S / C = 2.8), and nitrogen was used as the balance gas. It was. The volume of the reaction gas was supplied at 50 ml / min. At this time, the catalyst layer was diluted with 1 g of
[수학식 1][Equation 1]
촉매층 배출가스 중에 수소와 일산화탄소의 농도는 1부피%의 표준가스를 이용하여 정량하였다. 이들은 TCD(thermal conductivity detector) 검출기와 FID(flame ionization detector)가 각각 장착된 휴렛펙커드사의 HP-6890 가스크로마토그래피를 사용하여 분석하였다. 수소, 산소, 일산화탄소는 분자체(Molecular sieve) 13X, 메탄은 HP-1 모세관 컬럼(30m, ID 250㎛)으로 분리하였으며, 가스크로 마토그래피의 운반 가스는 헬륨을 사용하였다. 촉매의 활성은 400℃~700℃에서 측정하였다.The concentrations of hydrogen and carbon monoxide in the catalyst bed exhaust gas were quantified using 1 vol% of standard gas. They were analyzed using Hewlett-Packard's HP-6890 gas chromatography equipped with a thermal conductivity detector (TCD) detector and a flame ionization detector (FID). Hydrogen, oxygen, and carbon monoxide were separated into a molecular sieve 13X, and methane was separated into an HP-1 capillary column (30 m, ID 250 μm), and gaseous chromatography used helium. The activity of the catalyst was measured at 400 ° C to 700 ° C.
활성측정 결과, 메탄전환율은 도 3에 정리한 바와 같으며 생성된 수소, 일산화탄소의 농도와 산소의 전환율은 표1에 정리하였다. As a result of the activity measurement, the methane conversion rate is summarized in FIG. 3, and the concentrations of hydrogen, carbon monoxide and oxygen conversion rates generated are summarized in Table 1.
제조예 1에 따른 단독 촉매 활성을 실시예 1과 같은 조건에서 측정하였다. 다만, 촉매는 Rh-Mg/Al2O3 0.1g 단일성분을 알파알루미나(알드리치, 34,265-3) 1g으로 희석하여 사용하였다.Single catalyst activity according to Preparation Example 1 was measured under the same conditions as in Example 1. However, the catalyst was used by diluting 0.1g single component of Rh-Mg / Al 2 O 3 to 1g of alpha alumina (Aldrich, 34,265-3).
[표 1] TABLE 1
실시예 1, 2에 따른 반응물 전환율 및 생성물 농도
Reactant Conversion and Product Concentration According to Examples 1 and 2
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실험결과 메탄의 전환율은 도3에 나타낸 바와 같으며 산소의 전환율, 수소 및 일산화탄소의 생성농도는 상기 표1에 정리한 바와 같다. 단일촉매가 혼합촉매에 비하여 다소 낮은 활성을 나타내었다. 그러나, 비교예 1에 따른 제2군의 단독 촉매(Pt/YSZ)활성에 비해서 고온 활성은 높은 반면 500℃ 이하의 저온활성은 낮은 것으로 나타났다.As a result of the experiment, the conversion rate of methane is as shown in FIG. 3, and the conversion rate of oxygen, the production concentrations of hydrogen and carbon monoxide are summarized in Table 1 above. The single catalyst showed somewhat lower activity than the mixed catalyst. However, it was found that the high temperature activity was high while the low temperature activity below 500 ° C. was lower than that of the second catalyst alone (Pt / YSZ) activity according to Comparative Example 1.
실시예 3Example 3
제조예 3에 따른 Rh[0.1]-Mg/Mg-Al2O3 촉매의 활성을 실시예 1과 같은 조건에서 측정하였다. The activity of Rh [0.1] -Mg / Mg-Al 2 O 3 catalyst according to Preparation Example 3 was measured under the same conditions as in Example 1.
실험결과 도4와 표2에 정리한 바와 같다. 알카리 토금속을 포함하지 않도록 제조된 비교예 2의 Rh/Mg-Al2O3 촉매에 비하여 월등한 활성을 얻을 수 있었다. Experimental results are summarized in Figure 4 and Table 2. Compared with the Rh / Mg-Al 2 O 3 catalyst of Comparative Example 2 prepared not to include an alkaline earth metal, superior activity could be obtained.
[표 2] TABLE 2
실시예 3에 따른 반응물 전환율 및 생성물 농도Reactant Conversion and Product Concentration According to Example 3
실시예 4Example 4
제조예 1에서 제조된 촉매에 대하여 별도에 전처리 없이 실시예 1과 같은 방법으로 메탄 전환율을 측정하였다. 다만, 촉매는 수소를 사용한 전처리 없이 400℃부터 600℃까지 1℃/min의 속도로 가열후에 -1℃/min속도의 냉각과정을 따라 메탄의 전환율 및 생성가스의 농도를 측정하였다. The methane conversion rate of the catalyst prepared in Preparation Example 1 was measured in the same manner as in Example 1 without any pretreatment. However, after the catalyst was heated at a rate of 1 ° C./min from 400 ° C. to 600 ° C. without pretreatment with hydrogen, the conversion rate of methane and the concentration of the generated gas were measured along the cooling process at a rate of −1 ° C./min.
실험결과 도 5, 표 3에 나타낸 바와 같이 촉매층의 가열 및 냉각공정에서 메탄전환율에서 큰 차이를 나타냈다. 냉각과정에서 나타내는 메탄 전환율은 수소를 사용하여 환원처리한 실시예 1(도 3, A)과 유사한 값으로 고온부분에서 활성화되어 저온부까지 활성이 유지되는 것으로 판단된다. 이러한 점으로 볼 때 촉매의 전 처리에 따라서 활성에 큰 영향이 있음을 알 수 있다. Experimental results, as shown in FIG. 5, Table 3 showed a large difference in the methane conversion rate in the heating and cooling of the catalyst bed. The methane conversion rate shown in the cooling process is similar to that of Example 1 (FIG. 3, A), which is reduced by using hydrogen, and is activated in the high temperature portion and is determined to be maintained until the low temperature portion. In this respect, it can be seen that the pretreatment of the catalyst has a great effect on the activity.
[표 3] 실시예 4에 따른 반응물 전환율 및 생성물 농도TABLE 3 Reactant conversion and product concentration according to Example 4
실시예 5Example 5
실시예 1에 따른 혼합촉매에 대하여 실시예4와 같은 방법으로 촉매의 활성을 측정하였다. The activity of the catalyst was measured in the same manner as in Example 4 with respect to the mixed catalyst according to Example 1.
실험결과 도 6, 표 4에 정리한 바와 같이 별도의 전 처리를 하지 않은 조건임에도 불구하고 가열 공정과 냉각 공정에서 동일한 결과를 나타냈다. 이러한 점으로 볼 때 제2군의 Pt/YSZ 촉매를 혼합하여 사용할 때 촉매의 전처리를 하지 않아도 저온부터 높은 전환율을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 따라서 공정단순화 및 반응기 부피를 최소화할 수 있는 촉매조성으로 평가된다. Experimental results As shown in FIG. 6 and Table 4, the same results were obtained in the heating process and the cooling process despite the condition that the separate pretreatment was not performed. In this regard, it can be seen that a high conversion rate can be obtained from a low temperature without pretreatment of the catalyst when the second group of Pt / YSZ catalysts are mixed and used. Therefore, it is evaluated as a catalyst composition which can minimize the process simplification and the reactor volume.
[표 4] TABLE 4
실시예 5에 따른 반응물 전환율 및 생성물 농도
Reactant Conversion and Product Concentration According to Example 5
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실시예 6Example 6
제1군에 따른 혼합촉매로서, 제조예 1에 따른 Rh-Mg/Al2O3 촉매 0.025g과 제 조예 5에 따른 Pt-Mg/YSZ 촉매 0.025g을 혼합하여, 실시예 1과 같은 방법으로 촉매의 활성을 측정하였다. As a mixed catalyst according to the first group, 0.025 g of the Rh-Mg / Al 2 O 3 catalyst according to Preparation Example 1 and 0.025 g of the Pt-Mg / YSZ catalyst according to Preparation Example 5 were mixed, and in the same manner as in Example 1 The activity of the catalyst was measured.
실험결과 도 7과 표 5에 정리한 바와 같이 제1군과 제 2군의 촉매를 혼합한 실시예 6에 따른 촉매의 활성이 각각의 촉매에 비하여 저온부터 메탄의 분해반응이 진행되는 현상을 볼 수 있었다.As a result of the experiment, as shown in FIG. 7 and Table 5, the activity of the catalyst according to Example 6, in which the catalysts of the first group and the second group were mixed, was compared with the respective catalysts. Could.
[표 5] TABLE 5
실시예 6에 따른 반응물 전환율 및 생성물 농도
Reactant Conversion and Product Concentration According to Example 6
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실시예 7Example 7
제1군에 따른 촉매로서, 제조예 5에서 제조된 Pt-Mg/YSZ 촉매 0.05g에 대한 활성을 실시예 1과 같은 방법으로 측정하였다. As a catalyst according to the first group, activity against 0.05 g of the Pt-Mg / YSZ catalyst prepared in Preparation Example 5 was measured in the same manner as in Example 1.
실험결과 도 7과 표 6에 정리한 바와 같이 제1군과 제 2군의 촉매를 혼합한 실시예 6에 따른 촉매의 활성이 각각의 촉매에 비하여 저온부터 메탄의 분해반응이 진행되는 현상을 볼 수 있었다.As a result of the experiment, as shown in FIG. 7 and Table 6, the activity of the catalyst according to Example 6 in which the catalysts of the first group and the second group were mixed was compared to the respective catalysts. Could.
[표 6] TABLE 6
실시예 7에 따른 반응물 전환율 및 생성물 농도
Reactant Conversion and Product Concentration According to Example 7
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실시예 8Example 8
제2군의 혼합촉매에 대한 활성을 측정하였다. 제조예2에 따른 Rh/Al2O3 0.025g과 제조예 6에 따른 Pt/YSZ 0.025g을 혼합하여 사용하였으며 실험방법은 실시예 1과 동일하게 진행하였다.The activity of the mixed catalyst of the second group was measured. 0.025 g of Rh / Al 2 O 3 according to Preparation Example 2 and 0.025 g of Pt / YSZ according to Preparation Example 6 were mixed and used in the same manner as in Example 1.
실험결과 도 8과 표 7에 정리한 바와 같이 Rh/Al2O3 단독 촉매를 사용한 비교예 3에 비하여 동일한 전환율을 150℃ 낮은 온도에서 얻을 수 있는 것으로 나타났 다. 제2군 단독촉매에 비해서 향상된 결과이나 제1군과 제2군의 혼합 촉매에 비해서는 저온(400-425℃)에서는 반응성이 미약한 것으로 나타났다.As a result, as shown in FIG. 8 and Table 7, it was shown that the same conversion rate can be obtained at a low temperature of 150 ° C. compared with Comparative Example 3 using the Rh / Al 2 O 3 single catalyst. Compared to the second group homocatalyst, the reactivity was weak at low temperatures (400-425 ° C.) compared to the first and second group mixed catalysts.
[표 7] TABLE 7
실시예 8에 따른 반응물 전환율 및 생성물 농도
Reactant Conversion and Product Concentration According to Example 8
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실시예 9Example 9
제조예 1에 따른 제1군의 촉매 Rh[0.2]-Mg[3]/Al2O3 0.025g과 제2군의 촉매로서 제조예 6에 따른 Pt/YSZ 0.025g의 혼합촉매에 대하여 반응온도 700℃에서 아래의 4 가지 조건에 대한 실험을 진행하여 각 반응조건별 메탄전환율, 일산화탄소, 수소의 생성 안정성을 측정하였다. 이 때 반응물의 분석은 실시예 1과 같이 진행하였다. Reaction temperature for a mixed catalyst of 0.025 g of catalyst Rh [0.2] -Mg [3] / Al 2 O 3 according to Preparation Example 1 and Pt / YSZ 0.025 g according to Preparation Example 6 as catalyst of
1(구간 A) : 메탄 30부피%, 산소 15부피%(O/C=1.0), 질소 균형가스, 수분을 공급하지 않은 상태(S/C=0.0)를 6시간 유지. 1 (Section A): Maintain 30 vol% of methane, 15 vol% of oxygen (O / C = 1.0), nitrogen balance gas and no water supply (S / C = 0.0) for 6 hours.
2(구간 B) : 상기 조건 1의 반응물에 수분을 공급하여 S/C=1.8, 공기 공급을 중단하여 O/C=0.0로 변경하여 10시간 유지.2 (section B): supply water to the reactants of the condition 1 S / C = 1.8, the air supply was stopped to change to O / C = 0.0 to maintain for 10 hours.
3(구간 C) : 상기 조건 2의 반응물에서 공기 공급을 추가하고, O/C=0.0, S/C=2.5 조건으로 변경하여 3시간 유지.3 (Section C): Add an air supply in the reactant of the
4(구간 D) : 상기 조건 1로 변경함. 다만, 이 때 공기의 공급량을 줄여서 O/C=0.7로 유지함.4 (section D): Changed to
활성 측정결과, 도 10에 나타낸 바와 같이 반응이 진행되는 동안 일정한 메탄전환율과 수소, 일산화탄소의 생성농도가 일정하게 나타났다. 공기와 수분이 동시에 공급되는 반응조건 3에서 가장 높은 메탄 전환율을 얻을 수 있었다. 이러한 결과로 볼 때 반응기의 초기 기동을 목적으로 탄화수소와 공기만을 공급하는 형태로 촉매 반응기를 운전하는 방법 또한 사용가능한 촉매로 평가된다. 또한 반응기에 공급되는 수분 및 공기의 공급 상태가 불균일하여도 코크 발생에 대한 내성이 있는 촉매시스템으로 평가된다. 특히, 반응기의 운전 상태 또는 반응물의 분산 상태에 따라서 O/C, S/C의 비율 불균일성이 발생되어도 안정성이 확보되는 촉매시스템으로 평가된다.As a result of activity measurement, as shown in FIG. 10, the methane conversion rate and the concentration of hydrogen and carbon monoxide were constant during the reaction. The highest methane conversion was obtained under reaction condition 3, in which both air and moisture were supplied. From these results, the method of operating the catalytic reactor in the form of supplying only hydrocarbons and air for the purpose of initial start-up of the reactor is also evaluated as a usable catalyst. In addition, it is evaluated as a catalyst system that is resistant to coke generation even if the supply conditions of water and air supplied to the reactor are uneven. In particular, it is evaluated as a catalyst system that ensures stability even if O / C, S / C ratio nonuniformity occurs depending on the operating state of the reactor or the dispersion state of the reactants.
비교예 1Comparative Example 1
제조예 6에 따른 촉매로서, 기존에 부분산화반응용 촉매로 활성이 알려져 있는 Pt/YSZ 촉매의 활성을 측정하였다. As a catalyst according to Preparation Example 6, the activity of Pt / YSZ catalyst, which is known as a catalyst for partial oxidation reaction, was measured.
상기 실시예 2와 같은 방법으로 실험을 진행하였다. 다만, 촉매는 Pt/YSZ 로 대체하였다.The experiment was conducted in the same manner as in Example 2. However, the catalyst was replaced with Pt / YSZ.
실험결과 도3과 표 8에 정리한 바와 같이 저온에서 메탄에 대한 전환율은 높은 반면 95%이상의 고 전환율을 얻기 위해서는 반응온도를 600℃까지 상승시켜야 했다. 즉, 본 발명에 따른 혼합촉매의 구성이 매우 효과적임을 입증하는 결과로 평가된다. As a result of the experiment, as shown in FIG. 3 and Table 8, the conversion to methane at low temperature was high, but the reaction temperature had to be raised to 600 ° C. in order to obtain a high conversion of more than 95%. That is, it is evaluated as a result demonstrating that the configuration of the mixed catalyst according to the present invention is very effective.
[표 8] TABLE 8
비교예 1에 따른 반응물 전환율 및 생성물 농도
Reactant Conversion and Product Concentration According to Comparative Example 1
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비교예 2Comparative Example 2
상기 비교예 1과 같은 방법으로 실험을 진행하였다. 다만, 촉매는 제조예 4 에 따른 Rh/Mg-Al2O3로 대체하였다.The experiment was conducted in the same manner as in Comparative Example 1. However, the catalyst was replaced with Rh / Mg-Al 2 O 3 according to Preparation Example 4.
실험결과 도 4와 표 9에 정리한 바와 같이 전 온도범위에서 메탄의 전환율은 매우 낮은 것으로 나타났다. 특히, 알카리 토금속을 포함하도록 제조된 촉매(실시예 3)에 비하여 매우 저조한 활성을 나타냈다. 즉, 본 발명에 따른 제 1군 촉매 구성 성분으로서 알카리 토금속은 귀금속과 동시에 공침하도록 하는 것이 매우 중요함을 입증하는 결과로 평가된다. As shown in FIG. 4 and Table 9, the conversion rate of methane was very low over the entire temperature range. In particular, it exhibited very poor activity compared to catalysts prepared to contain alkaline earth metals (Example 3). That is, the alkaline earth metal as the first group catalyst component according to the present invention is evaluated as a result demonstrating that it is very important to co-precipitate with the precious metal at the same time.
[표 9] TABLE 9
비교예 2에 따른 반응물 전환율 및 생성물 농도
Reactant Conversion and Product Concentration According to Comparative Example 2
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비교예 3Comparative Example 3
상기 비교예 1과 같은 방법으로 실험을 진행하였다. 다만, 촉매는 제조예 2에 따른 Rh/Al2O3 로 대체하였다.The experiment was conducted in the same manner as in Comparative Example 1. However, the catalyst was replaced with Rh / Al 2 O 3 according to Preparation Example 2.
실험결과 도 8과 표 10에 정리한 바와 같이 Pt/YSZ가 혼합된 촉매에 비하여 동일한 전환율을 얻을 수 있는 온도가 180도 상승된 결과를 얻을 수 있었다. 이러한 결과로 볼 때 본 발명에 따른 혼합촉매를 구성할 때 매우 효과적임을 알 수 있다. As a result of the experiment, as shown in FIG. 8 and Table 10, compared to the catalyst mixed with Pt / YSZ, the temperature at which the same conversion rate can be obtained is increased by 180 degrees. From these results, it can be seen that it is very effective when constructing the mixed catalyst according to the present invention.
[표 10] TABLE 10
비교예 3에 따른 반응물 전환율 및 생성물 농도
Reactant Conversion and Product Concentration According to Comparative Example 3
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비교예 4Comparative Example 4
귀금속을 제1군과 제2군의 촉매에 각각 담지된 촉매와 동일한 지지체 상에 귀금속을 담지한 촉매의 활성을 비교하였다. 제조예 7에 따른 Pt-Rh-Mg/Al2O3 촉매의 활성을 실시예 1과 같이 측정하였다. 다만 촉매의 전처리를 실시하지 않은 상태에서 사용하였다. The activity of the catalyst supporting the precious metal on the same support as the catalyst supported on the catalyst of the first and second groups, respectively, was compared. The activity of the Pt-Rh-Mg / Al 2 O 3 catalyst according to Preparation Example 7 was measured as in Example 1. It was used without the catalyst pretreatment.
실험결과 도 9와 표 11에 정리한 바와 같이 실시예 1에 따른 혼합촉매에 비 하여 저온활성이 낮은 것으로 나타났다. 따라서, 이러한 점으로 볼 때 동일한 귀금속을 사용한 촉매라 하여도 동일한 지지체에 동시에 담지된 촉매보다는 본 발명에 따른 분리된 혼합촉매를 사용할 때 저온 활성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. As shown in FIG. 9 and Table 11, the low temperature activity was lower than that of the mixed catalyst according to Example 1. Accordingly, it can be seen that even in the case of a catalyst using the same precious metal, it is possible to improve the low temperature activity when using the separated mixed catalyst according to the present invention rather than a catalyst simultaneously supported on the same support.
[표 11] TABLE 11
비교예 4에 따른 반응물 전환율 및 생성물 농도
Reactant Conversion and Product Concentration According to Comparative Example 4
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본 발명의 촉매를 사용하는 경우, 반응개시온도를 저하시킴과 동시에 별도의 활성화 공정이 요구되지 않으며 합성가스 제조공정의 구성 단순화 및 기동 시간을 현저히 줄일 수 있다. In the case of using the catalyst of the present invention, the reaction start temperature is lowered and at the same time, a separate activation process is not required, and the configuration simplification and start-up time of the syngas production process can be significantly reduced.
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