KR100711320B1 - Hybrid catalyst for preparing dimethylether and process for the preparation of dimethylether using the same - Google Patents

Hybrid catalyst for preparing dimethylether and process for the preparation of dimethylether using the same Download PDF

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Abstract

본 발명은 디메틸에테르 제조용 혼성촉매 및 이를 이용한 디메틸에테르의 제조방법에 관한 것으로, 특정 메탄올 합성 촉매와 메탄올 탈수 촉매를 결합재를 이용하여 물리적으로 결합시켜 된 혼성촉매의 존재 하에서 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소를 포함하는 합성가스를 150∼400℃의 반응온도 및 20∼150㎏/㎠의 반응압력 하에 1단계 반응시키는 것을 특징으로 하는 디메틸에테르 제조용 혼성촉매 및 이를 이용한 디메틸에테르의 제조방법을 제공한다.The present invention relates to a hybrid catalyst for preparing dimethyl ether and a method for producing dimethyl ether using the same, including hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide in the presence of a hybrid catalyst physically bonded to a specific methanol synthesis catalyst and a methanol dehydration catalyst using a binder. It provides a hybrid catalyst for the production of dimethyl ether and a method for producing dimethyl ether, characterized in that the synthesis gas to be reacted in one step under a reaction temperature of 150 ~ 400 ℃ and a reaction pressure of 20 ~ 150kg / ㎠.

본 발명에 따르면, 수소와 일산화탄소를 주성분으로 하는 합성가스로부터 디메틸에테르를 제조하는데 있어서, 특정 혼성촉매를 사용함으로써 기존의 2단계 이상의 반응을 거치지 않고 1단계 직접반응만을 이용하여 경제적이고 효율적인 공정을 통해서 디메틸에테르를 제조할 수 있는 이점이 있다.According to the present invention, in the production of dimethyl ether from a synthesis gas mainly composed of hydrogen and carbon monoxide, by using a specific hybrid catalyst, it is possible to use an economical and efficient process using only one-step direct reaction without going through the conventional two-step reaction. There is an advantage that can be prepared dimethyl ether.

디메틸에테르, 1단계 반응, 직접합성, 혼성촉매, 합성가스 Dimethyl ether, one step reaction, direct synthesis, hybrid catalyst, syngas

Description

디메틸에테르 제조용 혼성촉매 및 이를 이용한 디메틸에테르의 제조방법 {Hybrid catalyst for preparing dimethylether and process for the preparation of dimethylether using the same}Hybrid catalyst for preparing dimethyl ether and method for preparing dimethyl ether {Hybrid catalyst for preparing dimethylether and process for the preparation of dimethylether using the same}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 합성가스를 원료로 하여 1단계 직접반응을 통해서 디메틸에테르를 제조하는 공정흐름도이다.1 is a process flowchart of preparing dimethyl ether through a one-step direct reaction using a synthesis gas as a raw material according to one embodiment of the present invention.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※※ Explanation of code about main part of drawing ※

100 : 디메틸에테르 제조용 반응기100: dimethyl ether production reactor

200 : 분리장치200: separator

10 : 공급원료10: feedstock

20 : 반응생성물 혼합 가스20: reaction product mixed gas

30 : 디메틸에테르30: dimethyl ether

40 : 미반응 합성가스40: unreacted syngas

본 발명은 디메틸에테르 제조용 혼성촉매 및 이를 이용한 디메틸에테르의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 합성가스를 이용하여 디메틸에테르를 제조하는데 있어서, 특정 혼성촉매를 이용하여 기존의 2단계 이상의 반응과정을 1단계로 간단히 하여 경제적이고 효율적인 공정을 통해서 디메틸에테르를 제조할 수 있는 디메틸에테르 제조용 혼성촉매 및 이를 이용한 디메틸에테르의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a hybrid catalyst for preparing dimethyl ether and a method for producing dimethyl ether using the same. More specifically, in the production of dimethyl ether using synthetic gas, dimethyl ether can be produced through economical and efficient process by simply simplifying the existing two or more reaction steps in one step using a specific hybrid catalyst. The present invention relates to a hybrid catalyst for preparation and a method for preparing dimethyl ether using the same.

합성가스로부터 디메틸에테르를 제조하기 위한 대표적인 종래의 기술로는 메탄올 합성촉매를 사용하여 메탄올을 합성한 후, 메탄올 탈수촉매를 사용하여 디메틸에테르를 제조하는 방법이 있다.Representative conventional techniques for preparing dimethyl ether from syngas include synthesizing methanol using a methanol synthesis catalyst and then preparing dimethyl ether using a methanol dehydration catalyst.

디메틸에테르는 물리적, 화학적 특성이 LPG와 유사하거나 오히려 여러 면에서 우수하여 에어로졸 추진제, 디젤 연료의 대체물질 및 화학반응의 중간체로 사용할 수 있어 최근 주목받고 있는 화합물이다.Dimethyl ether is a compound that is attracting attention recently because it can be used as an aerosol propellant, a substitute for diesel fuel, and an intermediate of chemical reactions because its physical and chemical properties are similar to or superior to those of LPG.

디메틸에테르를 공업적 규모로 생산하는 주된 방법은 고정층 반응기에서 탈수촉매를 이용하여 메탄올을 탈수시키고, 그 생성물을 증류하여 고순도의 디메틸에테르를 회수하는 방법이다.The main method for producing dimethyl ether on an industrial scale is to dehydrate methanol using a dehydration catalyst in a fixed bed reactor, and distillate the product to recover high purity dimethyl ether.

즉, 현재까지의 디메틸에테르 생산공정은 합성가스를 메탄올로 전환하고 다시 메탄올을 디메틸에테르로 전환하는 2단계 이상의 반응과정을 거쳐야만 했다.In other words, the production process of dimethyl ether up to now had to go through two or more steps of converting syngas into methanol and then converting methanol into dimethyl ether.

2단계 이상의 반응과정을 거치는 경우, 두 개 이상의 반응기를 운전하여야 하는 어려움과 하나의 반응이 중단될 경우 전체 반응을 중지해야 하는 문제점이 있 다. 또한, 2개 이상의 반응기 사용으로 인한 고가의 장치 및 운전비용을 부담해야 하는 단점이 있다.In the case of two or more reaction processes, there are problems in that two or more reactors must be operated and the entire reaction must be stopped when one reaction is stopped. In addition, there is a disadvantage in that expensive equipment and operation costs due to the use of two or more reactors have to be paid.

특히, 종래기술에서는 하기 반응식 1 내지 3에 나타낸 반응메카니즘에 따라 합성가스로부터 디메틸에테르를 제조하는데 있어서, 주로 메탄올의 제조 및 메탄올의 탈수에 활성을 갖는 촉매 조성물을 제조 및 이용하는 기술에 관한 연구개발이 이루어져 왔다.In particular, in the prior art, in the production of dimethyl ether from syngas according to the reaction mechanism shown in the following reaction schemes 1 to 3, the research and development on the technology for producing and using a catalyst composition having activity mainly for production of methanol and dehydration of methanol Has been made.

CO2 + 3H2 → CH3OH + H2OCO 2 + 3H 2 → CH 3 OH + H 2 O

2CH3OH → CH3-O-CH3 + H2O2CH 3 OH → CH 3 -O-CH 3 + H 2 O

CO + H2O → CO2+ H2 CO + H 2 O → CO 2 + H 2

상기 반응식 1과 3에 나타낸 반응은 합성가스로부터 메탄올 형성에 활성인 촉매에 의해 촉매작용되는 반면, 반응식 2에 나타낸 반응은 메탄올 탈수에 활성인 촉매에 의해 촉매작용된다.The reactions shown in Schemes 1 and 3 above are catalyzed by a catalyst active for methanol formation from syngas, whereas the reaction shown in Scheme 2 is catalyzed by a catalyst active for methanol dehydration.

여기서, 조합된 메탄올과 디메틸에테르 생성물의 형성은 화학평형에 의해 제한된다. 즉, 합성가스에서 DME 합성반응은 발열 반응이며, 몰수가 작아지는 반응이다. 이러한 이유로 반응에 의해 생성되는 열량을 지속적으로 제거하여 등온 반응을 시키면서 높은 압력을 유지해 주어야 하는 단점이 있다.Here, the formation of the combined methanol and dimethylether products is limited by chemical equilibrium. In other words, DME synthesis reaction in the synthesis gas is exothermic reaction, the number of moles is reduced. For this reason, there is a disadvantage in that a high pressure is maintained while isothermally reacting by continuously removing the heat generated by the reaction.

이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로서, 한국 등록특허 제289222호에는 고정층 반응기에서의 기상반응을 통해서 메탄올로부터 연료급 디메틸에테르를 제조하는 방법이 개시되어 있으나, 상기 방법은 적어도 두 단계(two-step) 이상의 반응 단계가 소요되어 공정이 복잡하고 경제적으로 불리한 단점이 있다.As a solution to this problem, Korean Patent No. 289222 discloses a method for preparing a fuel grade dimethyl ether from methanol through a gas phase reaction in a fixed bed reactor, but the method is at least two-step. Due to the above reaction step, the process is complicated and economically disadvantageous.

또한, 한국 등록특허 제241083호에는 슬러리 반응기에서 원-스텝의 반응을 통해서 합성가스로부터 디메틸에테르를 제조하는 방법이 소개되어 있으나, 상기 방법은 액상의 슬러리하에서 촉매 반응을 진행시켜야 하기 때문에 그 작업조건이 매우 까다로워 이를 공업적 규모로 적용하기에는 한계가 있다.In addition, Korean Patent No. 241083 discloses a method for preparing dimethyl ether from syngas through a one-step reaction in a slurry reactor, but the method requires the catalytic reaction to proceed under a slurry in a liquid state. This is very demanding and there is a limit to applying it on an industrial scale.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 광범위한 연구를 거듭한 결과, 수소와 일산화탄소를 주성분으로 하는 합성가스를 원료로 하여 디메틸에테르를 생산함에 있어서 기존의 2단계 이상의 반응과정을 1단계로 직접반응시켜 수행할 수 있는 디메틸에테르 제조용 혼성촉매를 발견하였고, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다.The present invention has been extensively researched to solve the above problems, and as a result, in the production of dimethyl ether using a synthesis gas mainly composed of hydrogen and carbon monoxide as a raw material, the conventional two or more reaction processes are directly reacted in one step. A hybrid catalyst for preparing dimethyl ether that can be carried out was found, and the present invention was completed based on this.

따라서, 본 발명의 목적은 합성가스에서 메탄올로의 고 전환율을 나타내는 동시에 메탄올의 탈수 반응을 원활히 촉진시킬 수 있는 디메틸에테르 제조용 혼성촉매 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a hybrid catalyst for producing dimethyl ether and a method for producing the same, which exhibit a high conversion rate from syngas to methanol and can facilitate the dehydration reaction of methanol.

본 발명의 다른 목적은 상기 혼성촉매를 사용하여 1단계 직접반응을 통해서 디메틸에테르를 경제적이고 효율적으로 제조하는 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for economically and efficiently preparing dimethyl ether through a one-step direct reaction using the hybrid catalyst.

상기 목적 및 기타 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따르면, According to one aspect of the present invention for achieving the above and other objects,

(a) Cu, Zn, Al, Mn 및 Ga의 염을 공침시켜 메탄올 합성 촉매를 제조하는 단계;(a) coprecipitation of salts of Cu, Zn, Al, Mn and Ga to prepare a methanol synthesis catalyst;

(b) γ-알루미나를 180 ∼ 360℃의 온도에서 열처리하여 메탄올 탈수 촉매를 제조하는 단계; 및(b) heat treating γ-alumina at a temperature of 180 to 360 ° C. to produce a methanol dehydration catalyst; And

(c) 상기 메탄올 합성 촉매와 메탄올 탈수 촉매를 10∼100㎚의 평균입경을 갖는 결합재와 함께 혼합하여 성형하는 단계;(c) mixing and molding the methanol synthesis catalyst and the methanol dehydration catalyst together with a binder having an average particle diameter of 10 to 100 nm;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 디메틸에테르 제조용 혼성촉매의 제조방법이 제공된다.Provided is a method for producing a mixed catalyst for producing dimethyl ether, comprising a.

여기서, 상기 결합재는 카본블랙, 흑연, 핏치(pitch) 및 석탄 타르(coal tar)로 이루어진 군으로부터 하나가 선택되는 것이 바람직하다.Here, the binder is preferably selected from the group consisting of carbon black, graphite, pitch and coal tar.

본 발명의 다른 일면에 따르면, 상기 방법에 따라 제조된 디메틸에테르 제조용 혼성촉매가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a hybrid catalyst for preparing dimethyl ether prepared according to the above method.

본 발명의 또 다른 일면에 따르면, 상기 혼성촉매의 존재 하에서 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소를 포함하는 합성가스를 150∼400℃의 반응온도 및 20∼150㎏/㎠의 반응압력 하에 1단계 반응시키는 것을 특징으로 하는 디메틸에테르의 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, in the presence of the hybrid catalyst, a synthesis gas containing hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide is reacted in one step at a reaction temperature of 150 to 400 ° C. and a reaction pressure of 20 to 150 kg / cm 2. There is provided a process for producing dimethyl ether.

여기서, 상기 반응은 기상의 고정층 반응기 또는 유동층 반응기에서 수행되며, 상기 반응이 유동층 반응기에서 수행되는 경우에는 1000∼10000hr-1의 공간속도에서 수행되는 것이 바람직하다.Here, the reaction is carried out in a fixed bed reactor or a fluidized bed reactor in the gas phase, when the reaction is carried out in a fluidized bed reactor is preferably carried out at a space velocity of 1000 ~ 10000hr -1 .

상기 합성가스 중 H2/CO의 부피비가 0.5∼3.0이고, 이산화탄소의 함량이 3∼10부피%인 것이 바람직하다.The volume ratio of H 2 / CO in the synthesis gas is preferably 0.5 to 3.0, and the content of carbon dioxide is 3 to 10% by volume.

상기 방법은 또한 상기 반응 후 디메틸에테르를 분리 및 회수하는 단계를 더욱 포함하며, 상기 분리 및 회수 공정에서 수득된 미반응 합성가스는 회수하여 재사용(recycle)할 수 있다.The method further includes the step of separating and recovering dimethyl ether after the reaction, wherein the unreacted syngas obtained in the separation and recovery process can be recovered and recycled.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

전술한 바와 같이, 본 발명은 합성가스를 공급원료로 하여 디메틸에테르를 합성하는데 있어서, 메탄올을 합성한 후 다시 디메틸에테르로 합성시키는 기존의 방법과는 달리, 본 발명에 따른 특정 혼성촉매 하에서 합성가스에서 하나의 반응기만을 이용하여 직접 반응을 통해서 디메틸에테르를 제조하는 방법을 제공한다.As described above, in the present invention, in synthesizing dimethyl ether using syngas as a feedstock, unlike the conventional method of synthesizing methanol and then synthesizing it back into dimethyl ether, the syngas under a specific hybrid catalyst according to the present invention. In the present invention, a method of preparing dimethyl ether through a direct reaction using only one reactor is provided.

통상적으로 두 개의 공정을 별도로 적용하는 경우, 메탄올 합성 공정에서는 메탄올 합성 촉매를, 메탄올 탈수 공정에서는 메탄올 탈수 촉매를 사용해야 하나, 본 발명에서는 1단계 직접 합성 공정을 통해서 디메틸에테르를 고 전환율로 합성할 수 있는 혼성촉매를 사용한다.In general, when two processes are separately applied, a methanol synthesis catalyst should be used in a methanol synthesis process and a methanol dehydration catalyst should be used in a methanol dehydration process. However, in the present invention, dimethyl ether may be synthesized at a high conversion rate through a one-step direct synthesis process. Use a hybrid catalyst.

디메틸에테르 촉매를 제조함에 있어서 가장 중요한 점은 합성가스에서의 전환율이 높아서 메탄올 합성이 잘 이루어져야 하며, 또한 이 메탄올의 탈수 반응이 원활히 이루어져야 한다는 것이다. 덧붙여, 이 두 반응은 높은 전환율 및 선택성을 유지하면서 비활성화가 작아야 한다. The most important point in the preparation of dimethyl ether catalyst is that the high conversion rate in syngas should be used for methanol synthesis and the dehydration reaction of methanol should be performed smoothly. In addition, these two reactions should have low deactivation while maintaining high conversion and selectivity.

즉, 본 발명의 1단계 직접 합성반응에 사용되는 혼성촉매는 메탄올 합성 활성점과 메탄올 탈수 반응 활성점을 모두 가지고 있어야 한다.That is, the hybrid catalyst used in the one-step direct synthesis reaction of the present invention should have both a methanol synthesis active point and a methanol dehydration active point.

이를 위하여 본 발명에서는 우선, Cu, Zn, Al, Cr, Mn 및 Ga의 염을 공침법을 이용하여 공침시켜 메탄올 합성 촉매를 제조한다. 바람직하게는 공침법을 사용시 온도는 80℃, pH 6∼9, 교반속도 300∼600rpm인 일정한 조건에서 공침시켜 제조하는 것이 좋지만, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다To this end, in the present invention, first, a salt of Cu, Zn, Al, Cr, Mn and Ga is co-precipitated using a coprecipitation method to prepare a methanol synthesis catalyst. Preferably, when using the coprecipitation method, the temperature is preferably prepared by coprecipitation under constant conditions of 80 ° C, pH 6-9, and stirring speed 300-600 rpm, but is not particularly limited thereto.

여기서, 상기 메탄올 합성 촉매 중 Cu, Zn, Al, Cr, Mn 및 Ga의 성분비는 중량비로 22.6∼67.8 : 13.5∼40.6 : 2.3∼6.7 : 10.4∼31.2 : 3.8∼75 : 0.9∼2.7인 것이 메탄올 합성과 메탄올 탈수 촉매와의 결합, 그리고 수성가스 전환반응을 위한 면에서 가장 적합하다.Herein, the component ratios of Cu, Zn, Al, Cr, Mn and Ga in the methanol synthesis catalyst are 22.6 to 67.8: 13.5 to 40.6: 2.3 to 6.7: 10.4 to 31.2: 3.8 to 75: 0.9 to 2.7 by weight. It is most suitable for combining with methanol dehydration catalyst and water gas conversion.

상기 메탄올 합성 촉매의 입경은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 바람직하게는 약 10 내지 100㎛의 평균입경을 갖도록 분쇄하여 사용하는 것이 좋다.Although the particle diameter of the said methanol synthesis catalyst is not specifically limited, It is preferable to grind | pulverize so that it may have an average particle diameter of about 10-100 micrometers.

다음, γ-Al2O3를 180∼360℃의 온도에서 열처리하여 메탄올 탈수 촉매를 제조한다. 상기 열처리온도는 γ-Al2O3를 제조시 촉매의 기공 내에 남아있는 불필요한 성분이나 윤활제들을 제거하기 위한 것으로 상술한 조건에서 수행하는 것이 좋다.Next, γ-Al 2 O 3 is heat treated at a temperature of 180 to 360 ° C. to prepare a methanol dehydration catalyst. The heat treatment temperature is to remove unnecessary components or lubricants remaining in the pores of the catalyst in the preparation of γ-Al 2 O 3 is preferably carried out under the conditions described above.

상기 메탄올 탈수 촉매의 입경은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 바람직하 게는 약 10 내지 100㎛의 평균입경을 갖도록 분쇄하여 사용하는 것이 좋다.Although the particle diameter of the methanol dehydration catalyst is not particularly limited, it is preferable to use it by grinding to have an average particle diameter of about 10 to 100㎛.

마지막으로, 상술한 바와 같이 제조된 메탄올 합성 촉매와 메탄올 탈수 촉매를 약 10 내지 100㎚의 평균입경을 갖는 결합재와 함께 혼합하여 성형함으로써 본 발명에 따른 혼성촉매를 제조한다.Finally, the hybrid catalyst according to the present invention is prepared by mixing and molding a methanol synthesis catalyst prepared as described above and a methanol dehydration catalyst together with a binder having an average particle diameter of about 10 to 100 nm.

상기 결합재로는 카본블랙, 흑연, 핏치(pitch) 및 석탄타르(coal tar)로 이루어진 군으로부터 어느 하나를 선택하여 사용하는 것이 좋다.The binder may be selected from the group consisting of carbon black, graphite, pitch, and coal tar.

여기서, 상기 결합재의 평균입경은 10 내지 100㎚, 바람직하게는 20 내지 30㎚인 것이 서로 다른 촉매들이 잘 혼합되도록 하는 점에서 바람직하다. 또 다른 이유는 탈수 촉매와 합성 촉매간의 접촉 면적을 크게 하고, 반응시 촉매 내에서 전하의 이동을 원활히 이루어지게 유도하기 위한 면에서 바람직하다.Here, the average particle diameter of the binder is preferably 10 to 100 nm, preferably 20 to 30 nm in that different catalysts are mixed well. Another reason is preferable in terms of increasing the contact area between the dehydration catalyst and the synthesis catalyst and inducing the smooth movement of the charge in the catalyst during the reaction.

또한, 상기 혼성 촉매 중 메탄올 합성 촉매, 메탄올 탈수 촉매 및 결합재의 함량은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 중량기준으로 40∼80% : 20∼50% : 1∼10%인 것이 바람직하다.The content of the methanol synthesis catalyst, the methanol dehydration catalyst and the binder in the hybrid catalyst is not particularly limited, but is preferably 40 to 80%: 20 to 50%: 1 to 10% by weight.

상술한 바에 따라 제작된 본 발명의 혼성촉매는 메탄올로의 고 전환율을 나타내는 동시에 메탄올의 탈수 반응을 원활히 촉진시킬 수 있을 뿐 아니라, 안정성이 우수하다.The hybrid catalyst of the present invention prepared as described above not only exhibits high conversion to methanol, but also facilitates the dehydration reaction of methanol, and is excellent in stability.

이하, 본 발명의 혼성촉매를 이용한 디메틸에테르 제조과정을 설명한다.Hereinafter, a process for preparing dimethyl ether using the hybrid catalyst of the present invention will be described.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 합성가스를 원료로 하여 1단계 직접반응을 통해서 디메틸에테르를 제조하는 공정흐름도이다.1 is a process flowchart of preparing dimethyl ether through a one-step direct reaction using a synthesis gas as a raw material according to one embodiment of the present invention.

도 1을 참조하여 설명하면, 우선, 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소를 포함하 는 합성가스 공급원료(10)를 약 20∼150kg/㎠의 압력하에서 그 내부에 본 발명의 혼성촉매가 충전된 반응기(100)에 투입한다. 상기 반응기(100)의 내부 온도는 약 150∼400℃에 이르는 고온의 상태로 유지되어 운전되며, 촉매반응을 거쳐 디메틸에테르가 생산된다.Referring to FIG. 1, first, a reactor 100 in which a hybrid catalyst of the present invention is filled with a synthetic gas feedstock 10 including hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide under a pressure of about 20 to 150 kg / cm 2. ) The internal temperature of the reactor 100 is maintained at a high temperature of about 150 ~ 400 ℃ to operate, and dimethyl ether is produced through a catalytic reaction.

상기 공급원료(10)로서 공급되는 합성가스 중 H2/CO의 부피비는 약 0.5∼3.0인 것이 바람직하다. 상기 H2/CO의 부피비가 0.5 미만인 경우에는 H2의 부족으로 인하여 DME 합성의 반응성이 줄어들고, 3.0을 초과하는 경우에는 CO 전환율이 높아지지만 CO의 부족으로 인하여 생산성이 떨어진다.The volume ratio of H 2 / CO in the syngas supplied as the feedstock 10 is preferably about 0.5 to 3.0. When the volume ratio of H 2 / CO is less than 0.5, the reactivity of the DME synthesis is reduced due to the lack of H 2 , and when it exceeds 3.0, the CO conversion rate is increased but productivity is decreased due to the lack of CO.

또한, 합성가스 중 이산화탄소의 함량은 3∼10부피%인 것이 바람직하다. 상기 이산화탄소의 함량이 3부피% 미만인 경우에는 초기 시작하는 반응이 느려짐으로 인하여 촉매의 활성이 떨어지고, 10부피%를 초과하는 경우에는 CO2 가스가 많은 활성점을 덮는 경우가 발생하여 반응성이 떨어지는 경우가 발생한다.In addition, the content of carbon dioxide in the synthesis gas is preferably 3 to 10% by volume. When the content of the carbon dioxide is less than 3% by volume, the activity of the catalyst is lowered due to the slow initial reaction, and when the amount of carbon dioxide exceeds 10% by volume, the CO 2 gas covers a large number of active sites, resulting in poor reactivity. Occurs.

여기서, 상기 디메틸에테르 제조공정의 반응압력 및 반응온도는 각각 20∼150kg/㎠ 및 150∼400℃인 것이 경제성 대비 반응의 효율성 면에서 가장 적합하다.Here, the reaction pressure and the reaction temperature of the dimethyl ether production process is 20 ~ 150kg / ㎠ and 150 ~ 400 ℃, respectively, is most suitable in terms of economic efficiency compared to the reaction.

상기 반응은 기상의 고정층 반응기 또는 유동층 반응기에서 모두 수행될 수 있다. 상기 반응이 유동층 반응기에서 수행되는 경우에는 1000∼10000hr-1의 공간속도에서 수행되는 것이 공정의 효율성 면에서 가장 적합하다.The reaction can be carried out in both a fixed bed reactor or a fluidized bed reactor in the gas phase. When the reaction is carried out in a fluidized bed reactor it is most suitable in terms of the efficiency of the process is carried out at a space velocity of 1000 to 10000hr -1 .

다음, 상기 반응기(100)에서 1단계 직접 반응되어 생성된 디메틸에테르가 함유된 반응생성물 혼합가스(20)는 후단의 분리장치(200)로 이송된다.Next, the reaction product mixed gas 20 containing dimethyl ether generated by direct reaction in the first stage of the reactor 100 is transferred to the separator 200 at the rear stage.

상기 분리장치(200)에서 디메틸에테르(30)가 분리되어 통상의 방법에 따른 일련의 분리/정제 과정을 거치고 냉각되어 저장 탱크 또는 공급 시설로 이송된다.Dimethyl ether (30) is separated from the separator (200), subjected to a series of separation / purification processes according to a conventional method, and cooled to be transferred to a storage tank or a supply facility.

한편, 이러한 분리과정에서 회수되는 나머지 미반응 합성가스(40)는 공급원료 흐름(10)과 합하여 디메틸에테르 생산 반응기(100)에 재투입된다.On the other hand, the remaining unreacted syngas 40 recovered during this separation is combined with the feedstock stream 10 and re-injected into the dimethylether production reactor 100.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 기존의 2단계 이상의 디메틸에테르의 제조반응 과정을 1단계로 간단히 함으로써 장치비용 및 운전비용을 절감할 수 있는 이점이 있다. 아울러, 반응생성물 혼합 가스 중 이산화탄소를 분리하여 합성과정의 첫 단계로 재투입하여 사용함으로써 이산화탄소의 발생량을 줄일 수 있다.As described above, according to the present invention, there is an advantage that can reduce the device cost and operating cost by simplifying the existing two or more steps of the production process of dimethyl ether in one step. In addition, the amount of carbon dioxide generated can be reduced by separating carbon dioxide from the reaction product mixed gas and re-injecting it as the first step of the synthesis process.

이하 하기 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하지만 이에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the scope of the present invention is not limited thereto.

실시예 1Example 1

디메틸에테르 직접 합성용 혼성촉매는 다음과 같이 합성 촉매와 탈수 반응 촉매를 각각 제조한 후, 이들을 혼합할 때 카본블랙을 첨가하고 성형하는 방식으로 제조하였다. The hybrid catalyst for direct synthesis of dimethyl ether was prepared by preparing a synthesis catalyst and a dehydration reaction catalyst, respectively, and then adding and molding carbon black when mixing them.

(가) 메탄올 합성 촉매(Cu/Zn/Al/Cr/Mn/Ga)의 제조를 위해 다음과 같은 금속수화물들을 사용하였다. Cu(NO3)2·3H2O 38.5중량%, Zn(NO3)2·6H2O 33.7중량%, Al(NO3)3·9H2O 8.9중량%, Cr(NO3)3·9H2O 10.7중량%, Mn(NO3)2 6.8중량%, 및 Ga(NO3)3 ·6H2O 1.4중량%를 증류수에 넣어 수용액 상태로 제조하였다. 다음, Na2CO3·10H2O 100중량%를 수용액 상태로 만들어서 침전제로 사용했다. 이로부터 얻어진 침전물을 증류수로 수회 세척 후 물을 제거한다. 이 침전물들을 80℃∼120℃에서 건조 후 220∼500℃로 소성한다. 건조된 침전물들은 20∼100㎛로 작게 부수어 본 발명의 메탄올 합성 촉매를 제조하였다. (A) The following metal hydrates were used for the preparation of the methanol synthesis catalyst (Cu / Zn / Al / Cr / Mn / Ga). Cu (NO 3 ) 2 3H 2 O 38.5% by weight, Zn (NO 3 ) 2 6H 2 O 33.7% by weight, Al (NO 3 ) 3 · 9H 2 O 8.9% by weight, Cr (NO 3 ) 3 · 9H 10.7% by weight of 2 O, 6.8% by weight of Mn (NO 3 ) 2 , and 1.4% by weight of Ga (NO 3 ) 3 .6H 2 O were added to distilled water to prepare an aqueous solution. Next, 100% by weight of Na 2 CO 3 · 10H 2 O was made into an aqueous solution and used as a precipitant. The precipitate obtained therefrom is washed several times with distilled water and then water is removed. These precipitates are dried at 80 to 120 ° C. and then calcined to 220 to 500 ° C. The dried precipitates were broken into small pieces of 20 to 100 µm to prepare a methanol synthesis catalyst of the present invention.

(나) 메탄올 탈수 촉매로는 γ-알루미나를 약 180∼360℃의 온도에서 12시간동안 열처리한 후 사용하였다. (B) As a methanol dehydration catalyst, gamma -alumina was used after heat treatment at a temperature of about 180 to 360 ° C for 12 hours.

(다) 상기 (가) 과정에서 얻은 메탄올 합성 촉매와 (나) 과정에서 얻은 탈수 촉매를 각각 작게 부순 다음 400∼635Mesh의 체로 걸러주었고, Mesh를 통과한 두 가지 촉매 (가) 75중량% 및 (나) 21중량%와 약 50㎚의 평균입경을 갖는 카본블랙 4중량%를 넣은 후 혼합, 성형하여 본 발명의 혼성촉매를 제조하였다.(C) The methanol synthesis catalyst obtained in the step (A) and the dehydration catalyst obtained in the step (B) were crushed into small pieces, respectively, and then filtered through a sieve of 400 to 635 mesh, and the two catalysts passed through the mesh were (A) 75 wt% and ( B) 21 wt% and 4 wt% of carbon black having an average particle diameter of about 50 nm were added, mixed and molded to prepare a hybrid catalyst of the present invention.

실시예 2Example 2

디메틸에테르 직접 합성용 혼성촉매는 다음과 같이 합성 촉매와 탈수 반응 촉매를 각각 제조한 후, 이들을 혼합할 때 흑연을 첨가하고 성형하는 방식으로 제조하였다. The hybrid catalyst for direct synthesis of dimethyl ether was prepared by preparing a synthesis catalyst and a dehydration reaction catalyst, respectively, and then adding and molding graphite when mixing them.

(가) 메탄올 합성 촉매(Cu/Zn/Al/Cr/Mn/Ga)의 제조를 위해 다음과 같은 금속수화물들을 사용하였다. Cu(NO3)2·3H2O 47.7중량%, Zn(NO3)2·6H2O 26.4중량%, Al(NO3)3·9H2O 11.8중량%, Cr(NO3)3·9H2O 7.9중량%, Mn(NO3)2 4.5중량%, 및 Ga(NO3)3 ·6H2O 1.7중량%를 증류수에 넣어 수용액 상태로 제조하였다. 다음, Na2CO3·10H2O 100중량%를 수용액 상태로 만들어서 침전제로 사용했다. 이로부터 얻어진 침전물을 증류수로 수회 세척 후 물을 제거한다. 이 침전물들을 80℃∼120℃에서 건조 후 220∼500℃로 소성한다. 건조된 침전물들은 20∼100㎛로 작게 부수어 본 발명의 메탄올 합성 촉매를 제조하였다. (A) The following metal hydrates were used for the preparation of the methanol synthesis catalyst (Cu / Zn / Al / Cr / Mn / Ga). Cu (NO 3 ) 2 3H 2 O 47.7 wt%, Zn (NO 3 ) 2 6H 2 O 26.4 wt%, Al (NO 3 ) 3 9H 2 O 11.8 wt%, Cr (NO 3 ) 3 9H 7.9% by weight of 2 O, 4.5% by weight of Mn (NO 3 ) 2 , and 1.7% by weight of Ga (NO 3 ) 3 .6H 2 O were added to distilled water to prepare an aqueous solution. Next, 100% by weight of Na 2 CO 3 · 10H 2 O was made into an aqueous solution and used as a precipitant. The precipitate obtained therefrom is washed several times with distilled water and then water is removed. These precipitates are dried at 80 to 120 ° C. and then calcined to 220 to 500 ° C. The dried precipitates were broken into small pieces of 20 to 100 µm to prepare a methanol synthesis catalyst of the present invention.

(나) 메탄올 탈수 촉매로는 γ-알루미나를 약 180∼360℃의 온도에서 12시간동안 열처리한 후 사용하였다. (B) As a methanol dehydration catalyst, gamma -alumina was used after heat treatment at a temperature of about 180 to 360 ° C for 12 hours.

(다) 상기 (가) 과정에서 얻은 메탄올 합성 촉매와 (나) 과정에서 얻은 탈수 촉매를 각각 작게 부순 다음 400∼635Mesh의 체로 걸러주었고, Mesh를 통과한 두 가지 촉매 (가) 75중량% 및 (나) 21중량%와 약 50㎚의 평균입경을 갖는 흑연 4중량%를 넣은 후 혼합, 성형하여 본 발명의 혼성촉매를 제조하였다.(C) The methanol synthesis catalyst obtained in the step (A) and the dehydration catalyst obtained in the step (B) were crushed into small pieces, respectively, and then filtered through a sieve of 400 to 635 mesh, and the two catalysts passed through the mesh were (A) 75 wt% and ( B) 21 wt% and 4 wt% of graphite having an average particle diameter of about 50 nm were added, mixed and molded to prepare a hybrid catalyst of the present invention.

비교예 1Comparative Example 1

디메틸에테르 직접 합성용 혼성촉매는 다음과 같이 합성 촉매와 탈수 반응 촉매를 각각 제조한 후, 이들을 혼합할 때 특정 결합재를 사용하지 않고 성형하여 제조하였다. Hybrid catalysts for direct synthesis of dimethyl ether were prepared by preparing a synthetic catalyst and a dehydration catalyst, respectively, as follows, and then molding them without using a specific binder when mixing them.

(가) 메탄올 합성 촉매(Cu/Zn/Al/Cr/Mn/Ga)의 제조를 위해 다음과 같은 금속수화물들을 사용하였다. Cu(NO3)2·3H2O 39.8중량%, Zn(NO3)2·6H2O 35.7중량%, Al(NO3)3·9H2O 14.5중량%, Cr(NO3)3·9H2O 4.7중량%, Mn(NO3)2 3.8중량%, 및 Ga(NO3)3 ·6H2O 1.5중량%를 증류수에 넣어 수용액 상태로 제조하였다. 다음, Na2CO3·10H2O 100중량%를 수용액 상태로 만들어서 침전제로 사용했다. 이로부터 얻어진 침전물을 증류수로 수회 세척 후 물을 제거한다. 이 침전물들을 80℃∼120℃에서 건조 후 220∼500℃로 소성한다. 건조된 침전물들은 20∼100㎛로 작게 부숴 주어 메탄올 합성 촉매를 제조하였다. (A) The following metal hydrates were used for the preparation of the methanol synthesis catalyst (Cu / Zn / Al / Cr / Mn / Ga). Cu (NO 3 ) 2 3H 2 O 39.8% by weight, Zn (NO 3 ) 2 6H 2 O 35.7% by weight, Al (NO 3 ) 3 · 9H 2 O 14.5% by weight, Cr (NO 3 ) 3 · 9H 2 O 4.7 wt%, Mn (NO 3) 2 3.8% by weight, and Ga (NO 3) 3 · 6H 2 O 1.5 % by weight to put in distilled water was prepared in an aqueous solution. Next, 100% by weight of Na 2 CO 3 · 10H 2 O was made into an aqueous solution and used as a precipitant. The precipitate obtained therefrom is washed several times with distilled water and then water is removed. These precipitates are dried at 80 to 120 ° C. and then calcined to 220 to 500 ° C. The dried precipitates were broken into small pieces of 20 to 100 µm to prepare a methanol synthesis catalyst.

(나) 메탄올 탈수 촉매로는 γ-알루미나를 약 180∼360℃의 온도에서 12시간동안 열처리한 후 사용하였다. (B) As a methanol dehydration catalyst, gamma -alumina was used after heat treatment at a temperature of about 180 to 360 ° C for 12 hours.

(다) 상기 (가) 과정에서 얻은 메탄올 합성 촉매와 (나) 과정에서 얻은 탈수 촉매를 각각 작게 부순 다음 400∼635Mesh의 체로 걸러주었고, Mesh를 통과한 두 가지 촉매 (가) 68중량% 및 (나) 32중량%를 혼합, 성형하여 혼성촉매를 제조하였다.(C) The methanol synthesis catalyst obtained in the step (A) and the dehydration catalyst obtained in the step (B) were each crushed small and filtered through a sieve of 400 to 635Mesh, and the two catalysts passed through the mesh were (A) 68% by weight and ( B) A mixed catalyst was prepared by mixing and molding 32% by weight.

상술한 바에 따라 실시예 1∼2 및 비교예 1에서 얻은 혼성촉매를 디메틸에테르 합성용 고정층 반응기에 충전하고, 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소가 부피기준으로 각각 58%, 39% 및 3% 함유된 합성가스를 공급원료로 사용하여 반응을 수행하였다. 여기서, 디메틸에테르 합성반응의 반응온도는 260℃이고 반응압력은 50㎏/㎠이었다.As described above, the mixed catalysts obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 were charged in a fixed bed reactor for synthesizing dimethyl ether, and synthesis gas containing 58%, 39%, and 3% of hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide, respectively, by volume. The reaction was carried out using as a feedstock. Here, the reaction temperature of the dimethyl ether synthesis reaction was 260 ℃ and the reaction pressure was 50kg / ㎠.

이로부터 수득된 반응생성물 혼합 가스를 통상의 과정에 따라 분리회수하여 디메틸에테르를 수득하였고, 이러한 반응을 통한 디메틸에테르로의 전환율, 선택도 및 생산성을 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 각각 나타내었다.The reaction product mixture gas obtained therefrom was separated and recovered according to a conventional procedure to obtain dimethyl ether. The conversion, selectivity, and productivity of dimethyl ether through the reaction were measured, and the results are shown in Table 1 below. .

결합재Binder 전환율 (%)% Conversion 선택도 (%)Selectivity (%) 생산성 gmol/Kg-cat. hrProductivity gmol / Kg-cat. hr 비교예 1Comparative Example 1 -- 37.5037.50 70.9670.96 13.1813.18 실시예 1Example 1 카본블랙Carbon black 6363 67.4167.41 22.4122.41 실시예 2Example 2 흑연black smoke 70.5570.55 67.0367.03 22.622.6

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 혼성촉매를 사용하는 경우, 1단계 직접반응을 통해서 우수한 전환율, 선택도 및 생산성으로 디메틸에테르를 제조할 수 있음을 알 수 있다.As shown in Table 1, when the hybrid catalyst according to the present invention is used, it can be seen that dimethyl ether can be prepared with excellent conversion, selectivity, and productivity through a one-step direct reaction.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 디메틸에테르 제조용 혼성촉매 및 이를 이용한 디메틸에테르의 제조방법은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.Although the present invention has been described in detail through specific examples, this is for explaining the present invention in detail, and the hybrid catalyst for preparing dimethyl ether according to the present invention and a method for preparing dimethyl ether using the same are not limited thereto. It is apparent that modifications and improvements are possible by those skilled in the art within the technical idea.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 1단계 직접반응을 통해서 디메틸에테르를 제조함으로써 장치비용과 운전비용을 절약할 수 있다. 또한, 미반응 물질을 회수하여 재투입하는 과정에서 이산화탄소의 발생량을 기존의 공정에 비해 크게 감소시킬 수 있다. 또한, 원료 물질로 투입되는 이산화탄소를 전량 재투입되는 이산 화탄소로 대체할 수 있어 원료 절감 효과가 있다.As described above, according to the present invention, by manufacturing the dimethyl ether through a one-step direct reaction it is possible to reduce the equipment cost and operating cost. In addition, in the process of recovering and re-injecting unreacted materials, the amount of carbon dioxide generated may be significantly reduced compared to the existing process. In addition, it is possible to replace the carbon dioxide introduced as a raw material with carbon dioxide that is re-introduced as a whole, there is a raw material saving effect.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.All simple modifications and variations of the present invention fall within the scope of the present invention, and the specific scope of protection of the present invention will be apparent from the appended claims.

Claims (7)

(a) Cu, Zn, Al, Mn 및 Ga의 염을 공침시켜 메탄올 합성 촉매를 제조하는 단계;(a) coprecipitation of salts of Cu, Zn, Al, Mn and Ga to prepare a methanol synthesis catalyst; (b) γ-알루미나를 180∼360℃의 온도에서 열처리하여 메탄올 탈수 촉매를 제조하는 단계; 및(b) heat treating γ-alumina at a temperature of 180 to 360 ° C. to produce a methanol dehydration catalyst; And (c) 상기 메탄올 합성 촉매와 메탄올 탈수 촉매를 10∼100㎚의 평균입경을 갖는 결합재와 함께 혼합하여 성형하는 단계;(c) mixing and molding the methanol synthesis catalyst and the methanol dehydration catalyst together with a binder having an average particle diameter of 10 to 100 nm; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 디메틸에테르 제조용 혼성촉매의 제조방법.Method for producing a mixed catalyst for the production of dimethyl ether comprising a. 제1항에 있어서, 상기 결합재는 카본블랙, 흑연, 핏치(pitch) 및 석탄 타르(coal tar)로 이루어진 군으로부터 하나가 선택되는 것을 특징으로 하는 디메틸에테르 제조용 혼성촉매의 제조방법.The method of claim 1, wherein the binder is selected from the group consisting of carbon black, graphite, pitch, and coal tar. 제1항 또는 제2항의 방법에 따라 제조된 디메틸에테르 제조용 혼성촉매.A hybrid catalyst for preparing dimethyl ether prepared according to the method of claim 1 or 2. 제3항에 따른 혼성촉매의 존재 하에서 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소를 포함하는 합성가스를 150∼400℃의 반응온도 및 20∼150㎏/㎠의 반응압력 하에 1단계 반응시키는 것을 특징으로 하는 디메틸에테르의 제조방법.The dimethyl ether, characterized in that the synthesis gas containing hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide in the presence of the hybrid catalyst according to claim 3 under a reaction temperature of 150 ~ 400 ℃ and a reaction pressure of 20 ~ 150kg / ㎠ Manufacturing method. 제4항에 있어서, 상기 반응은 기상의 고정층 반응기 또는 유동층 반응기에서 수행되며, 상기 반응이 유동층 반응기에서 수행되는 경우에는 1000∼10000hr-1의 공간속도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 디메틸에테르의 제조방법.The method of claim 4, wherein the reaction is carried out in a fixed bed reactor or a fluidized bed reactor in a gas phase, and when the reaction is performed in a fluidized bed reactor, a method for preparing dimethyl ether, characterized in that the reaction is performed at a space velocity of 1000 to 10000hr -1 . . 제4항에 있어서, 상기 합성가스 중 H2/CO의 부피비가 0.5∼3.0이고, 이산화탄소의 함량이 3∼10부피%인 것을 특징으로 하는 디메틸에테르의 제조방법.The method of claim 4, wherein the volume ratio of H 2 / CO in the synthesis gas is 0.5 to 3.0, and the content of carbon dioxide is 3 to 10% by volume. 제4항에 있어서, 상기 방법은 상기 반응 후 디메틸에테르를 분리 및 회수하는 단계를 더욱 포함하며, 상기 분리 및 회수 공정에서 수득된 미반응 합성가스는 회수하여 재사용(recycle)하는 것을 특징으로 하는 디메틸에테르의 제조방법.The method of claim 4, wherein the method further comprises the step of separating and recovering dimethyl ether after the reaction, wherein the unreacted syngas obtained in the separation and recovery process is recovered and recycled (dimethyl), characterized in that for recycling (recycle) Method for preparing ether.
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