KR100810739B1 - Catalyst for methanol and dimethyl ether synthesis from syngas and preparation method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 합성가스로부터 메탄올 및 디메틸에테르 동시 제조용 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 CuO, ZnO 및 Al2O3를 일정비로 함유하는 Cu-Zn-Al계 산화물의 다공성 촉매로, 상기 촉매는 특정의 비표면적 및 상대적으로 기공크기가 다른 이중 세공구조를 가지고, 또한 종래 촉매의 안정성 향상을 위한 부가적인 촉매 전처리 과정 및 촉매 성형 과정에서 다른 종류의 바인더 성분의 사용 배제가 가능하여, 이산화탄소가 과량으로 존재하는 합성가스(CO/CO2/H2)로부터 메탄올 및 디메틸에테르의 동시제조가 가능하고, 부산물인 이산화탄소의 생성을 억제하면서 메탄올 및 디메틸에테르 선택도가 우수한 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst for synthesizing methanol and dimethyl ether from a synthesis gas and a method for preparing the same, and more particularly, to a porous catalyst of a Cu-Zn-Al-based oxide containing CuO, ZnO and Al 2 O 3 in a fixed ratio, The catalyst has a dual pore structure having a specific specific surface area and relatively different pore sizes, and also eliminates the use of other types of binder components in additional catalyst pretreatment and catalyst forming to improve stability of the conventional catalyst. A catalyst capable of simultaneously producing methanol and dimethyl ether from syngas (CO / CO 2 / H 2 ) in which carbon dioxide is present in excess, and suppressing the production of by-product carbon dioxide, and having excellent methanol and dimethyl ether selectivity and a method of preparing the same It is about.

Cu-Zn-Al계 산화물, 메탄올, 디메틸에테르, 이중 세공, 촉매 Cu-Zn-Al oxide, methanol, dimethyl ether, double pore, catalyst

Description

합성가스로부터 메탄올 및 디메틸에테르 동시 제조용 촉매 및 이의 제조방법{Catalyst for methanol and dimethyl ether synthesis from syngas and preparation method thereof}Catalyst for preparing methanol and dimethyl ether simultaneously from synthesis gas and preparation method thereof {Catalyst for methanol and dimethyl ether synthesis from syngas and preparation method

도 1은 본 발명에 따라 실시예 1 ∼ 7에서 제조된 이중 세공의 다공성 구조를 갖는 촉매 및 비교예 1 ∼ 6에서 제조된 단순 혼합한 단일 세공구조 하에서 각각 메탄올 합성반응 및 탈수 반응을 수행하여 일산화탄소 전환율과 생성물 중의 이산화탄소의 선택도를 나타낸 것이다.1 is a carbon monoxide synthesis and dehydration reaction was carried out under the catalyst having a double pore porous structure prepared in Examples 1 to 7 and the simple mixed single pore structure prepared in Comparative Examples 1 to 6 according to the present invention. The conversion and selectivity of carbon dioxide in the product are shown.

도 2는 비교예 3에서 제조된 각각의 메탄올 합성 반응 및 탈수 반응용 촉매를 단순 혼합하여 활성 실험을 수행한 촉매의 개별적인 기공분포도를 나타낸 것이다.FIG. 2 shows individual pore distribution diagrams of catalysts in which activity experiments were performed by simply mixing the catalysts for methanol synthesis and dehydration reactions prepared in Comparative Example 3. FIG.

도 3은 본 발명에 따라 실시예 1 및 5의 이중의 세공구조를 갖는 촉매와 비교예 1의 촉매의 BET 표면적과 기공분포도를 나타낸 것이다.Figure 3 shows the BET surface area and pore distribution of the catalyst having a double pore structure of Examples 1 and 5 and the catalyst of Comparative Example 1 according to the present invention.

본 발명은 합성가스로부터 메탄올 및 디메틸에테르 동시 제조용 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 CuO, ZnO 및 Al2O3를 일정비로 함유하는 Cu-Zn-Al계 산화물의 다공성 촉매로, 상기 촉매는 특정의 비표면적 및 상대적으로 기공크기가 다른 이중 세공구조를 가지고, 또한 종래 촉매의 안정성 향상을 위한 부가적인 촉매 전처리 과정 및 촉매 성형 과정에서 다른 종류의 바인더 성분의 사용 배제가 가능하여, 이산화탄소가 과량으로 존재하는 합성가스(CO/CO2/H2)로부터 메탄올 및 디메틸에테르의 동시제조가 가능하고, 부산물인 이산화탄소의 생성을 억제하면서 메탄올 및 디메틸에테르 선택도가 우수한 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst for synthesizing methanol and dimethyl ether from a synthesis gas and a method for preparing the same, and more particularly, to a porous catalyst of a Cu-Zn-Al-based oxide containing CuO, ZnO and Al 2 O 3 in a fixed ratio, The catalyst has a dual pore structure having a specific specific surface area and relatively different pore sizes, and also eliminates the use of other types of binder components in additional catalyst pretreatment and catalyst forming to improve stability of the conventional catalyst. A catalyst capable of simultaneously producing methanol and dimethyl ether from syngas (CO / CO 2 / H 2 ) in which carbon dioxide is present in excess, and suppressing the production of by-product carbon dioxide, and having excellent methanol and dimethyl ether selectivity and a method of preparing the same It is about.

원유 가격의 지속적인 상승으로 인한 고유가 시대의 진입으로 대체 연료의 개발이 활발하게 진행되고 있는 현재의 상황하에서는 디메틸에테르의 중요성이 점차로 부각되고 있으며, 이를 경제적으로 생산하기 위한 기술 개발이 다방면으로 진행되고 있는 실정이다. Under the current situation in which alternative fuels are being actively developed due to the high oil prices due to the continuous rise in oil prices, the importance of dimethyl ether is gradually increasing, and the development of technology for economic production is being conducted in various fields. It is true.

특히, 디메틸에테르는 LPG와 화학적, 물리적인 성질이 매우 유사하여 대체 연료로서도 각광 받고 있으며, 합성 가솔린 생산 기술 분야 및 디젤 기관의 연료로서도 사용이 가능하여 향후 지속적으로 그 수요가 증가할 것으로 예상되고 있다.In particular, dimethyl ether has very similar chemical and physical properties to LPG, and thus has been in the spotlight as an alternative fuel. It can also be used as a fuel for synthetic gasoline production technology and diesel engines, and its demand is expected to increase continuously in the future. .

상업화된 디메틸에테르를 제조하는 공업적인 공정은 고정층 및 슬러리 반응기에서 Cu와 Zn을 기본으로 하는 불균일 고체촉매 상에서 합성가스로부터 메탄올을 합성하는 1단계 공정과, 고체산 촉매를 이용하여 메탄올의 탈수 반응에 의해 디메 틸에테르를 제조하는 2단계의 공정으로 이루어져 있다. 이러한, 2단 공정은 복잡한 프로세스 구성으로 인하여 초기 투자비 증가와 함께 생산비용 면에서의 경쟁력이 저하되어 현재는 혼성 촉매를 이용하여 메탄올과 디메틸에테르를 동시에 생산하기 위한 1단 공정에 관한 기술 개발이 활발하게 진행되고 있다. The industrial process for preparing commercialized dimethyl ether is a one-step process for synthesizing methanol from syngas over heterogeneous solid catalysts based on Cu and Zn in fixed bed and slurry reactors, and dehydration of methanol using solid acid catalysts. It consists of a two-step process for producing dimethyl ether. The two-stage process has increased initial investment costs and the competitiveness in production cost has decreased due to the complicated process configuration. Currently, the technology development for the one-stage process for simultaneously producing methanol and dimethyl ether using a hybrid catalyst is active. Is going on.

또한, 1단 반응 공정의 장점으로서는 메탄올 합성 공정이 열역학적으로 평형 반응이므로 합성가스의 전환율을 향상시키기 위하여 고온, 고압에서 반응이 진행되어야 되는 단점이 있는데 반하여 혼성 촉매를 이용하는 1단 공정은 생성된 메탄올의 디메틸에테르로의 전환 반응에 의하여 평형 반응의 극복이 가능하여 동시에 높은 합성가스 전환율을 얻을 수 있으므로 1단 공정에 관한 기술 개발의 필요성 및 경쟁력이 더욱 증가하고 있다. 반응은 다음의 3개로 구성된다.In addition, the advantage of the one-stage reaction process is that the methanol synthesis process is thermodynamically equilibrium reaction, so that the reaction must proceed at high temperature and high pressure in order to improve the conversion rate of the synthesis gas. The conversion reaction of dimethyl ether to the equilibrium reaction can be overcome and at the same time a high synthesis gas conversion can be obtained, so the necessity and competitiveness of technology development for the one-stage process are increasing. The reaction consists of three parts.

(1) 메탄올 합성 반응 : CO + 2H2 = CH3OH (1) Methanol synthesis reaction: CO + 2H 2 = CH 3 OH

(2) 탈수 반응 : 2CH3OH = CH3OCH3 + H2O (2) Dehydration reaction: 2CH 3 OH = CH 3 OCH 3 + H 2 O

(3) 수성가스 전환 반응 : CO + H2O = H2 + CO2 (3) Water gas shift reaction: CO + H 2 O = H 2 + CO 2

메탄올 합성 반응(1)은 평형반응으로서 저온 및 고압 반응에서 유리하지만 반응 속도를 증가시키기 위하여 고온( > ∼ 200 ℃ 이상) 및 고압에서 반응이 진행되어야 하므로 초기 투자비가 증가하는 단점이 있다. 그러나, 혼성 촉매를 사용하는 경우에는 생성되는 메탄올이 디메틸에테르로 전환되는 탈수 반응이 진행됨과 동시에 생성된 물이 수성가스 반응에 의하여 수소가 추가로 생성되어 합성가스의 전환율이 증가하는 장점이 있으나, 이와 함께 생성되는 CO2와 같은 온실가스를 최소한으로 배출할 수 있는 문제가 극복되어야 하는 문제점이 있다. Methanol synthesis reaction (1) is an equilibrium reaction is advantageous in low temperature and high pressure reaction, but the initial investment costs increase because the reaction must proceed at high temperature (> ~ 200 ℃) and high pressure in order to increase the reaction rate. However, in the case of using a hybrid catalyst, while the dehydration reaction in which the generated methanol is converted to dimethyl ether proceeds, hydrogen is further generated by the water gas reaction in the generated water, thereby increasing the conversion rate of the synthesis gas. There is a problem that must be overcome the problem of minimizing the emission of greenhouse gases such as CO 2 generated with this.

디젤 연료 대체물질로 각광 받고 있는 디메틸에테르를 저렴하게 생산하기 위해서는 효율적인 혼성 촉매의 개발에 따른 수율 증가로 제조 원가 절감이 중요한 성공 요소이며, 특히 혼성 촉매 상에서 CO2를 포함하는 부산물의 생성을 최대한 억제하여 분리 비용 감소 및 반응물의 손실을 최소화시키는 방법으로의 접근이 필요하다. In order to produce dimethyl ether, which has been spotlighted as a diesel fuel substitute at low cost, manufacturing cost reduction is an important success factor due to the increase in yield due to the development of an efficient hybrid catalyst, and in particular, the production of by-products containing CO 2 on the hybrid catalyst is suppressed to the maximum. There is a need for an approach that reduces the cost of separation and minimizes the loss of reactants.

혼성 촉매를 사용하는 경우에는 메탄올 합성용 촉매를 탈수 반응 촉매와 물리적으로 혼합하여 사용하거나, 또는 탈수 반응 촉매 표면에 메탄올 합성용 촉매를 함침법으로 제조하여 사용하는 경우가 많이 보고되어 있다[미국 등록특허 제 7,033,972호 B2; 미국 등록특허 제 5,753,716호; 일본 특개평 9-309852호; 한국 등록특허 제 10-0573055호; 한국 공개특허 제 10-2005-0094267호]. 이들 중 일부는 일반적으로 사용되는 Cu-Zn-Al 또는 Cu-Zn-Cr 조성의 메탄올 합성 촉매를 제조하고, 이를 알루미나와 물리적으로 또는 함침법으로 제조한 촉매계[미국 등록특허 제 7,033,972호 B2; 일본 특개평 9-309852호]를 이용하여 합성가스로부터 디메틸에테르를 효과적으로 제조하는 방법에 관하여 소개하고 있다. 또한, 메탄올 탈수 반응 전환율 향상을 위하여 다양한 제올라이트 계열의 고체산 촉매를 사용하는 방법[한국 등록특허 제10-0573055호; 한국 공개특허 제2005-0094267호] 및 인산알루미네이트(Aluminum phosphate)를 메탄올 탈수 반응에 사용하는 방법[미국 등록 특허 제 5,753,716호] 등이 다양하게 보고되어 있다. In the case of using a hybrid catalyst, many cases have been reported in which the methanol synthesis catalyst is physically mixed with the dehydration catalyst or the methanol synthesis catalyst is impregnated on the surface of the dehydration catalyst. Patent 7,033,972 B2; US Patent No. 5,753,716; Japanese Patent Laid-Open No. 9-309852; Korean Patent No. 10-0573055; Korean Patent Laid-Open No. 10-2005-0094267]. Some of these have prepared methanol synthesis catalysts of commonly used Cu-Zn-Al or Cu-Zn-Cr composition, which are prepared physically or by impregnation with alumina [US Patent No. 7,033,972 B2; Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-309852 discloses a method for effectively preparing dimethyl ether from syngas. In addition, a method of using a variety of zeolite-based solid acid catalyst to improve the conversion of methanol dehydration reaction [Korea Patent No. 10-0573055; Korean Patent Application Publication No. 2005-0094267] and a method of using aluminum phosphate for methanol dehydration reaction (US Patent No. 5,753,716) and the like have been reported in various ways.

일반적으로 메탄올 탈수반응 촉매로는 알루미나와 같이 약한 산점이 많이 존재하는 고체산 촉매에서 부산물의 생성은 억제되지만 전체 활성점의 분포가 적어서 디메틸에테르의 수율이 감소하는 단점이 있다고 보고되어 있다. In general, the methanol dehydration catalyst is reported to have a disadvantage in that the production of by-products is suppressed in the solid acid catalyst having a weak acid point such as alumina, but the yield of dimethyl ether is reduced due to the small distribution of the entire active point.

이에, 디메틸에테르로의 수율을 증가시키기 위하여 제올라이트와 같은 강한 산점이 과량으로 존재하는 고체산 촉매를 사용하려는 시도가 많이 수행되어 왔으나, 제올라이트 고체산 촉매에서는 (1) 일산화탄소의 산화 반응에 의한 이산화탄소로의 전환율 증가로 메탄올 수율 감소 현상 발생 및 (2) 강산점에서 탄화수소로의 전환율 증가 및 이산화탄소의 수성반응이 우세하여 수율 감소 및 부산물 생성이 증가하는 문제[Applied catalysis A, 149 (1997) 289; Catalysis Today, 101 (2005) 39]가 있어서 전체 공정상 분리 비용이 증가하는 단점이 존재한다. Accordingly, many attempts have been made to use a solid acid catalyst in which an excessive acidic point such as zeolite is present in order to increase the yield to dimethyl ether. However, in the zeolite solid acid catalyst, (1) carbon dioxide by oxidation of carbon monoxide Increasing the conversion rate of methanol caused a decrease in methanol yield, and (2) the increase of the conversion rate from the strong acid to hydrocarbon and the aqueous reaction of carbon dioxide predominantly resulted in a decrease in yield and byproduct formation [Applied catalysis A, 149 (1997) 289; Catalysis Today, 101 (2005) 39] has the disadvantage of increasing the separation cost in the overall process.

따라서, 이러한 공정상의 문제점을 해결하고 촉매의 안정성 향상을 위하여 제올라이트 고체산 촉매를 다양한 금속으로 전처리하여 강산점의 양을 조절하려는 노력이 현재는 많이 시도되고 있는 실정이다.Therefore, in order to solve this process problem and improve the stability of the catalyst, efforts to control the amount of strong acid point by pre-treating the zeolite solid acid catalyst with various metals have been attempted at present.

이에 본 발명자들은 상기 종래 기술의 문제점을 경제적이며 효율적으로 해결하기 위한 방법을 제시하고자 구리, 아연 및 알루미나가 일정비로 혼합된 산화물계 다공성 촉매로 종래의 강산점을 지니는 제올라이트 촉매보다도 반응성이 우수한 이중 세공의 다공성 촉매 개발에 주력하였다. 그 결과, CuO, ZnO 및 Al2O3를 함유 하는 Cu-Zn-Al계 산화물 촉매로 특정의 비표면적 및 상대적으로 기공크기가 다른 작은 세공과 큰 세공이 동시에 존재하는 이중의 세공을 형성하여 종래 강산점의 조절을 위한 촉매의 전처리 과정을 생략하면서 경제적이고 활성이 우수하다는 것을 알게 되었다. 또한, 상기 촉매는 메탄올 탈수 반응 수행 시 이산화탄소와 같은 부산물의 생성은 억제되면서 상기 메탄올의 디메틸에테르로의 전환율을 향상시킬 뿐만 아니라 상기 알루미나 성분은 촉매와 동시에 바인더로 사용할 수 있는 물질이 동일 조성이므로 상업용 촉매의 성형 과정에서 촉매의 활성을 감소시키지 않는다는 것을 알게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.In order to present a method for solving the problems of the prior art economically and efficiently, the present inventors have a double pore that is more reactive than a zeolite catalyst having a strong acid point as an oxide-based porous catalyst in which copper, zinc and alumina are mixed at a constant ratio. Focused on the development of porous catalysts. As a result, a Cu-Zn-Al-based oxide catalyst containing CuO, ZnO and Al 2 O 3 forms a double pore in which both small and large pores having a specific specific surface area and relatively different pore sizes exist simultaneously. It was found to be economical and excellent in activity by omitting the pretreatment of the catalyst for the adjustment of the strong acid point. In addition, the catalyst not only improves the conversion rate of the methanol to dimethyl ether while suppressing the formation of by-products such as carbon dioxide when the methanol dehydration reaction is performed, and the alumina component is a commercially available material because the same composition can be used as the binder at the same time as the catalyst. The present invention has been accomplished by knowing that it does not reduce the activity of the catalyst in the shaping of the catalyst.

따라서, 본 발명은 Cu-Zn-Al계 산화물로 구성되고, 특정의 비표면적 및 작은 세공과 큰 세공이 동시에 존재하여 합성가스의 높은 전환율 확보와 함께 부산물 생성을 최소화가 가능한 메탄올 및 디메틸에테르 동시 제조용 이중 세공의 다공성 촉매 및 이의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다. Therefore, the present invention is composed of Cu-Zn-Al-based oxide, and the specific specific surface area and small pores and large pores are present at the same time for the simultaneous production of methanol and dimethyl ether which can minimize the by-product generation with high conversion of the synthesis gas It is an object of the present invention to provide a porous catalyst of a double pore and a method for producing the same.

본 발명은 CuO 30 ∼ 45 중량%, ZnO 25 ∼ 35 중량% 및 Al2O3 20 ∼ 45 중량%가 함유된 함유된 Cu-Zn-Al계 산화물의 다공성 촉매이며, 상기 촉매는 상대적으로 기공크기가 작은 세공(PS1)과 큰 세공(PS2)이 동시에 존재하는 이중 세공이 형성되어 있으며, 상기 작은 세공(PS1)과 큰 세공(PS2)의 기공크기 범위가 아래와 같은 메탄올 및 디메틸에테르 동시 제조용 촉매에 그 특징이 있다.The present invention is a porous catalyst of the contained Cu-Zn-Al oxide containing 30 to 45% by weight of CuO, 25 to 35% by weight of ZnO and 20 to 45% by weight of Al 2 O 3 , the catalyst having a relatively pore size Double pores are formed in which small pores (PS 1 ) and large pores (PS 2 ) are present at the same time. The pore sizes of the small pores (PS 1 ) and large pores (PS 2 ) range from methanol and dimethyl ether as shown below. Its characteristics are the catalysts for simultaneous production.

2 ≤ PS1 ≤ 20 ㎚2 ≤ PS 1 ≤ 20 nm

20 < PS2 ≤ 100 ㎚20 <PS 2 ≤ 100 nm

이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 이산화탄소가 과량으로 존재하는 합성가스(CO/CO2/H2)로부터 메탄올 및 디메틸에테르를 동시 제조가 가능한 촉매로서, 구체적으로 CuO, ZnO 및 Al2O3로 이루어진 Cu-Zn-Al계 산화물이고, 특정의 비표면적 및 크기가 상대적으로 다른 작은 세공과 큰 세공이 동시에 존재하는 이중 세공을 형성한 촉매에 관한 것으로 종래 알루미나와 같은 고체산 촉매의 강산점의 조절을 위한 촉매의 전처리 과정 생략이 가능하고, 이산화탄소와 같은 부산물 생성을 억제하면서도 우수한 수율로 합성가스로부터 메탄올 및 디메틸에테르의 동시 제조가 가능한 다공성 촉매에 관한 것이다.The present invention is a catalyst capable of simultaneously producing methanol and dimethyl ether from syngas (CO / CO 2 / H 2 ) in which carbon dioxide is present in excess, and specifically Cu-Zn-Al consisting of CuO, ZnO and Al 2 O 3 A catalyst comprising a double oxide having a small oxide and a large pore at the same time having a specific specific surface area and size, wherein the catalyst is a pretreatment process for controlling a strong acid point of a solid acid catalyst such as alumina. The present invention relates to a porous catalyst which can be omitted and simultaneously produces methanol and dimethyl ether from syngas with excellent yield while suppressing the formation of by-products such as carbon dioxide.

특히, 통상적으로 합성가스를 이용하여 디메틸에테르를 제조하는 경우 합성가스내의 이산화탄소의 함량이 적정한 비율로 존재하는 경우에 효과적이며 이산화탄소의 양이 증가할수록 촉매의 반응성이 감소된다고 보고 되어 있으나, 본 발명의 촉매는 이중의 세공을 형성하여 구조의 특성상 물질 전달 및 열전달이 우수하고 미세 세공 내에서의 수성가스 전환 반응에 의한 이산화탄소로의 부산물 생성이 억제되어 이산화탄소의 과량 생성에 의한 촉매 반응 활성의 감소를 최대한 억제할 수 있을 뿐만 아니라 이산화탄소가 과량 함유된 합성가스를 사용하는 경우에도 사용될 수 있는 장점이 있다. 더욱이, 상기 촉매의 성분인 알루미나는 촉매성분인 고 비표면적의 알루미나를 함유하고 있는 바, 알루미나에는 촉매와 동시에 바인더로 사용할 수 있는 물질과 동일 조성이므로, 종래 기술의 촉매 강도 향상을 위하여 별도로 사용되는 과량의 비활성 물질의 바인더의 사용이 배제되고, 이의 사용으로 인한 촉매 활성 저하를 개선한다.In particular, in the case of preparing dimethyl ether using syngas, it is effective when the amount of carbon dioxide in the syngas is present at an appropriate ratio, and it is reported that the reactivity of the catalyst decreases as the amount of carbon dioxide increases. The catalyst forms a double pore, which is excellent in mass transfer and heat transfer due to the characteristics of the structure, and by-product generation into carbon dioxide is suppressed by the water gas conversion reaction in the fine pores, thereby minimizing the reduction of catalytic reaction activity due to the excessive generation of carbon dioxide. Not only can it be suppressed, there is an advantage that can be used even when using a synthesis gas containing excess carbon dioxide. Furthermore, alumina, a component of the catalyst, contains alumina of high specific surface area, which is a catalyst component. Since alumina has the same composition as a material that can be used as a binder at the same time as the catalyst, it is used separately to improve the catalyst strength of the prior art. The use of an excess of binder of inert material is ruled out and the degradation of catalytic activity due to its use is improved.

본 발명에서 사용된 촉매는 CuO, ZnO 및 Al2O3로 이루어진 Cu-Zn-Al계 산화물 다공성 촉매이고, 상기 제조된 촉매의 전체 비표면적은 70 ∼ 180 ㎡/g이고, 상대적으로 크기가 다른 이종의 세공, 구체적으로 2 ≤ 작은 세공(PS1) ≤ 20 ㎚과 20 < 큰 세공(PS2)≤ 100 ㎚이 동시에 존재하는 이중 세공을 갖는 촉매이다. 일반적으로 구리, 아연 및 알루미나로 구성되는 촉매를 사용하여 메탄올 합성 촉매, 알루미나와 같은 고체산 촉매는 메탄올 탈수반응 촉매 즉 디메틸에테르 제조용 촉매로 알려져 있다. 그러나, 본 발명의 촉매는 이중 세공 구조를 지니며, 비표면적 및 기공분포 등의 특정의 물성을 갖는 촉매로 이를 적용하여 메탄올 및 디메틸에테르로의 수율을 향상할 수 있는 방법을 제시한 새로운 개념의 촉매이다. The catalyst used in the present invention is a Cu-Zn-Al-based oxide porous catalyst consisting of CuO, ZnO and Al 2 O 3 , the total specific surface area of the prepared catalyst is 70 ~ 180 m 2 / g, relatively different in size Heterogeneous pores, specifically 2 ≤ small pores (PS 1 ) It is a catalyst having double pores in which ≦ 20 nm and 20 <large pores (PS 2 ) ≦ 100 nm exist simultaneously. In general, using a catalyst composed of copper, zinc and alumina, a methanol synthesis catalyst and a solid acid catalyst such as alumina are known as methanol dehydration catalysts, ie catalysts for the production of dimethyl ether. However, the catalyst of the present invention has a dual pore structure, and has a new concept of a method of improving the yield to methanol and dimethyl ether by applying the catalyst as a catalyst having specific properties such as specific surface area and pore distribution. It is a catalyst.

상기 이종의 세공구조란, 통상적으로 구리, 아연 및 알루미나 등의 금속을 소성하여 제조된 촉매는 화합물로 단일의 기공분포를 가지게 되나, 본 발명의 촉매는 주요 기공이 서로 다른 2개를 형성한다는 것을 의미한다. 즉, 본 발명의 촉매는 탈수반응 촉매(보헤마이트 또는 알루미나)에서 상대적으로 커다란 기공을 구리, 아연 및 알루미나 전구체를 이용하여 공침법으로 제조된 마이크론 크기의 메탄올 합성용 촉매 입자를 사용하여 기공 내부를 담지 처리하거나, 또는 탈수반응용 촉매 표면을 나노 사이즈의 기공을 지니는 마이크론 크기의 메탄올 합성용 촉매 입자를 이용하여 담지 처리함으로써 각각의 촉매는 나노 크기의 작은 세공은 유지하면서도 혼합 촉매 상의 입자간 구조에서 생성되는 큰 기공이 추가로 형성되어 2개의 상이한 기공크기를 지니는 구조가 형성하게 된다. 이는 단일의 기공크기에 비해 열전달 및 물질 전달이 우수하여 수성가스 전환 반응에 의한 이산화탄소의 생성 억제 및 메탄올 및 디메틸에테르로의 선택도가 증가하는 이점이 있다. 상기 작은 기공의 크기가 2 nm 미만으로 작은 경우에는 열 및 물질전달에 불리하여 이산화탄소와 같은 부산물 생성의 증가 문제가 발생할 수 있으며, 큰 기공의 크기가 100 nm를 초과하여 세공이 과량으로 존재하는 경우에는 촉매의 비표면적이 감소하여 전환율이 감소하는 문제가 발생할 수 있어서 효과적이지 못하다. 본 발명의 촉매는 2 ∼ 20 nm 범위의 작은 세공은 기공도가 20 ∼ 65 %이고, 20 ∼ 100 nm 범위의 큰 세공은 기공도가 35 ∼ 80 %를 나타낸다.
이때, 상기 2 내지 20 ㎚ 범위의 작은 세공은 주로 알루미나 자체의 미세세공 또는 Cu-Zn-Al로 구성된 메탄올 촉매 자체의 미세 세공에서 발현되는 기공 크기이며, 20 내지 100 ㎚ 범위의 큰 세공의 경우에는 고비표면적의 알루미나 표면에 함유 또는 공침되는 메탄올 합성 촉매(Cu-Zn-Al)들간의 입자에서 발현되는 기공 크기입니다. 다음 도 3의 기공분포도에 나타낸 바와 같이, 본원발명에 따라 제조된 촉매는 상대적으로 작은 세공과 큰 세공이 존재하는 이중 세공 구조를 나타냅니다. 상기 기공분포도에서 보이는 바와 같이, 두 최고점 사이의 최저점을 나타내는 200 Å(20 ㎚)을 큰 세공과 작은 세공의 경계수치로 구분한 것입니다.
즉, 본원발명의 세공의 크기는 제조된 촉매의 기공분포도 패턴을 근거로 하여 상대적으로 작은 세공과 큰 세공의 크기를 구분한 것이고, 이들 각각의 세공 기공도 또한 이를 근거로 하여 얻어진 수치입니다.
상기 큰 세공의 기공도가 35 % 미만이면 비표면적은 넓지만 메탄올 합성을 위한 충분한 활성점을 제공하지 못하여 반응 활성이 감소함과 동시에 알루미나 표면에서의 수성가스 전환반응에 의한 CO2의 생성이 증가되는 문제가 발생하고, 80 %를 초과하는 경우에는 전체 비표면적 감소 및 고체산 촉매의 산점 감소에 의한 디메틸에테르 생성을 위한 활성 저하 현상이 발생하게 되므로, 상기와 같은 기공도를 유지하는 것이 바람직합니다.
The heterogeneous pore structure generally means that a catalyst prepared by calcining a metal such as copper, zinc, and alumina has a single pore distribution as a compound, but the catalyst of the present invention forms two main pores different from each other. it means. In other words, the catalyst of the present invention is a relatively large pores in the dehydration catalyst (boehmite or alumina) using the catalyst particles for the synthesis of micron size methanol synthesized by coprecipitation using copper, zinc and alumina precursors. By supporting or dehydrating the catalyst surface for dehydration using micron-sized catalyst particles for synthesis of methanol with nano-sized pores, each catalyst is maintained in the intergranular structure on the mixed catalyst while maintaining nano-sized small pores. The resulting large pores are further formed, resulting in a structure having two different pore sizes. This has the advantage of superior heat transfer and mass transfer compared to a single pore size, suppressing the production of carbon dioxide by the water gas shift reaction and increasing the selectivity to methanol and dimethyl ether. If the small pore size is smaller than 2 nm, it may be disadvantageous in heat and mass transfer and may cause an increase in generation of by-products such as carbon dioxide. If the large pore size exceeds 100 nm, the pores are present in excess. In this case, the specific surface area of the catalyst may be reduced, and thus the conversion may be reduced, which is not effective. In the catalyst of the present invention, the small pores in the range of 2 to 20 nm have a porosity of 20 to 65%, and the large pores of the 20 to 100 nm range have a porosity of 35 to 80%.
At this time, the small pores in the range of 2 to 20 nm is the pore size expressed in the micropores of the alumina itself or the methanol catalyst itself composed of Cu-Zn-Al, and in the case of the large pores in the range of 20 to 100 nm The pore size expressed in particles between methanol synthesis catalysts (Cu-Zn-Al) contained or co-precipitated on the surface of alumina with high specific surface area. As shown in the pore distribution diagram of FIG. 3, the catalyst prepared according to the present invention exhibits a double pore structure in which relatively small pores and large pores exist. As shown in the above pore distribution diagram, 200 Å (20 nm), which represents the lowest point between two peaks, is divided by the boundary values of large and small pores.
In other words, the size of the pores of the present invention is to distinguish the size of the relatively small pores and large pores on the basis of the pore distribution pattern of the prepared catalyst, each of these pore porosity is also obtained based on this.
If the porosity of the large pores is less than 35%, the specific surface area is large, but it does not provide enough active sites for methanol synthesis, thereby reducing the reaction activity and increasing the production of CO 2 by the water gas shift reaction on the surface of alumina. In the case of more than 80%, it is desirable to maintain the above porosity, since a decrease in the total specific surface area and a decrease in activity for the production of dimethyl ether due to the acid point reduction of the solid acid catalyst occur. .

또한, 공지된 기술에 의하면 300 ㎡/g 이하의 비표면적을 갖는 알루미나의 제조 방법은 이미 공지되어 있으며, 메탄올 탈수반응 고체산 촉매로 사용되는 알루미나는 상업적으로 활용 가능한 단일 다공성 세공 구조를 지니는 150 ㎡/g ∼ 200 ㎡/g 범위의 비표면적을 갖는 것이 일반적이다. 그러나, 본 발명에서 제시한 방법으로 제조되는 이중 세공 구조의 촉매를 사용하는 경우에는 촉매 반응 선택성이 기존 알루미나 촉매와의 단순 혼합에 의하여 사용하는 경우보다 우수하므로 합성가스로부터 메탄올 및 디메틸에테르를 동시에 생산하기 위한 촉매로서 적당하다.In addition, according to the known technology, a method for producing alumina having a specific surface area of 300 m 2 / g or less is already known, and alumina used as a methanol dehydration solid acid catalyst has 150 m 2 having a commercially available single porous pore structure. It is common to have a specific surface area in the range of / g-200 m <2> / g. However, in the case of using the dual pore structure catalyst prepared by the method proposed in the present invention, since the catalytic reaction selectivity is better than that by using simple mixing with the existing alumina catalyst, methanol and dimethyl ether are simultaneously produced from syngas. It is suitable as a catalyst for doing so.

본 발명에 따라 제조된 촉매는 70 ∼ 180 ㎡/g 범위의 비표면적을 유지하는 바, 상기 비표면적이 70 ㎡/g 미만이면 탈수반응의 활성점이 적어서 디메틸에테르로의 전환율이 감소하고 180 ㎡/g를 초과하는 경우에는 알루미나의 수열 안정성 감소 및 메탄올 합성용 활성점의 감소에 의하여 일산화탄소의 전환율이 감소하는 문제가 발생한다. The catalyst prepared according to the present invention maintains a specific surface area in the range of 70 to 180 m 2 / g. When the specific surface area is less than 70 m 2 / g, the activity point of the dehydration reaction is small, so that the conversion rate to dimethyl ether is reduced and 180 m 2 / g. If it exceeds g, the conversion of carbon monoxide decreases due to a decrease in hydrothermal stability of alumina and a decrease in the active site for methanol synthesis.

한편, 기존에 알려진 혼성 촉매를 제조하는 방법, 구체적으로 단순하게 두 종류의 촉매를 물리적으로 혼합하는 방법만으로는 촉매의 안정성 및 수성가스 반응에 의한 이산화탄소로의 전환을 억제할 수 있는 적절한 방법이 되지 않는다. 따라서, 본 발명에서는 이중 세공의 구조를 지니는 신규의 촉매를 사용하여 최종 원하는 생성물로의 선택성을 최대화 할 수 있는 방법을 제시하여 메탄올 및 디메틸에테르의 선택성은 향상시키고 수성가스 반응을 최대한 억제할 수 있는 방법을 제시한다. On the other hand, a known method of preparing a hybrid catalyst, specifically a method of simply physically mixing two kinds of catalysts, does not provide a suitable method for inhibiting the stability of the catalyst and the conversion to carbon dioxide by a water gas reaction. . Therefore, the present invention proposes a method for maximizing selectivity to the final desired product using a novel catalyst having a double pore structure to improve the selectivity of methanol and dimethyl ether and to suppress the water gas reaction as much as possible. Give a way.

이와 함께, 일반적인 상업용 고체산 촉매의 강산점에서 생성되는 부산물을 최소화 할 수 있는 방법으로서 열 및 물질 전달 성능이 우수한 방법, 구체적으로 이중 세공의 촉매를 사용하여 고체산 촉매상에서 메탄올의 디메틸에테르로의 선택성은 증가시키면서도 수성가스 전환 반응은 억제할 수 있는 방법을 제시하였다. In addition, as a method for minimizing the by-products generated at the strong acid point of the general commercial solid acid catalyst, a method having excellent heat and mass transfer performance, specifically, a double pore catalyst to convert methanol to dimethyl ether on a solid acid catalyst A method was proposed to increase the selectivity while suppressing the water gas shift reaction.

또한, 종래의 상업용 알루미나를 적용하는 경우에 발생하는 문제점인 강산점에서의 부산물 생성 증가와 함께 수성가스 전환 반응의 증가에 의한 일산화탄소의 이산화탄소로의 전환에 의한 수율 감소 현상을 해결할 수 있었다. 이는 본 발명에 따라 알루미나 성분에 함유된 고비표면적의 알루미나가, 각각의 Cu, Zn, Al 전구체를 혼합하여 제조된 Cu-Zn-Al계 산화물에 고르게 분산되어 메탄올의 전환 반응 증가와 알루미나의 적정 산점하에서의 메탄올의 전환에 의한 디메틸에테르로의 선택성이 증가함으로써 부산물의 생성이 억제되어 전체 반응 수율의 증가를 확인할 수 있었다.In addition, it was possible to solve the reduction of the yield due to the conversion of carbon monoxide to carbon dioxide by the increase in water gas conversion reaction with the increase in by-product generation at the strong acid point, which is a problem that occurs when applying the conventional commercial alumina. This is because the high specific surface area alumina contained in the alumina component according to the present invention is uniformly dispersed in Cu-Zn-Al-based oxides prepared by mixing respective Cu, Zn and Al precursors, thereby increasing the conversion reaction of methanol and the appropriate acid point of alumina. By increasing the selectivity to dimethyl ether by the conversion of methanol in the following it was confirmed that the production of by-products was suppressed to increase the overall reaction yield.

만약, 상기에서 언급된 메탄올합성 촉매와 메탄올 탈수반응 촉매를 기존에 알려진 방법과 같이 단순히 혼합 사용하는 경우에는 수성가스 전환반응에 의한 메탄올 및 디메틸에테르의 수율 감소 현상과 함께 강산점에서 생성되는 부산물에 의한 촉매의 비활성과 급격하게 진행되어 오히려 반응 효율이 저하되는 현상이 발생하게 된다. 따라서, 다음에서 기술하는 방법에 의하여 메탄올 합성 촉매와 탈수 반응 촉매를 유기적으로 조합하여 적정한 처리를 해주어 본 발명의 촉매를 제조하는 경우에 본 발명에서 목적으로 하는 수율을 확보할 수 있게 된다.If the above-mentioned methanol synthesis catalyst and methanol dehydration catalyst are simply mixed as in the conventionally known method, the by-products generated at the strong acid point along with the reduction in the yield of methanol and dimethyl ether by the water gas shift reaction Inactivation and rapid progress of the catalyst caused a phenomenon that the reaction efficiency is lowered. Therefore, when the catalyst of the present invention is prepared by appropriately treating the methanol synthesis catalyst and the dehydration reaction catalyst by an organic combination according to the method described below, the desired yield of the present invention can be ensured.

상기 촉매는 CuO 30 ∼ 45 중량%, ZnO 25 ∼ 35 중량% 및 Al2O3 20 ∼ 45 중량%를 함유하는 Cu-Zn-Al계 산화물로 구성되는 바, 이의 함량은 소성된 후에 각 금속에 존재하는 금속산화물의 양을 측정한 것이다. 상기 CuO의 함량이 30 중량% 미만이면 메탄올 합성용 활성점의 감소에 의한 수율 감소현상이 발생하고, 45 중량%를 초과하는 경우에는 다른 금속과의 적절한 촉매 구조가 형성되기 어려워서 반응성이 저하되는 문제가 발생한다. 또한, ZnO의 함량이 25 중량% 미만이면 Cu, Al과의 적절한 다공성 물질 형성에 장애가 발생하며 35 중량%를 초과하는 경우에는 활성 성분인 CuO의 감소에 의한 메탄올 합성 반응 속도가 저하되는 문제가 발생한다. Al2O3 함량이 20 중량% 미만이면 생성된 메탄올의 디메틸에테르로의 전환 반응이 감소하여 수율이 감소하며, 45 중량%를 초과하는 경우에는 메탄올 합성용 활성 성분의 감소에 의한 메탄올 합성 반응 속도가 저하되는 문제가 발생하므로 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다. 상기 알루미나에는 비표면적이 300 ∼ 800 ㎡/g 범위의 고비표면적의 알루미나를 함유한다. 즉, 본원발명은 고비표면적의 알루미나와, 각각의 Cu, Zn, Al 전구체를 혼합하여 Cu-Zn-Al계 산화물 촉매를 제조하는 바, 고비표면적 알루미나와 다른 알루미나가 동시에 존재한다. 이때, 상기 Al 전구체 성분은 촉매의 구조를 형성하기 위한 성분(structural promoter)이며, 고비표면적의 알루미나는 촉매에 분산되어 메탄올의 전환반응 증가와 알루미나의 적정 산점에서의 메탄올의 전환에 의한 디메틸에테르로의 선택성을 증가시켜 부산물의 생성이 억제되어 전체 반응수율을 증가시키는 역할을 수행한다.
상기 비표면적이 300 ㎡/g 미만이면 탈수반응의 활성점이 적어서 디메틸에테르로의 전환율이 감소하고 800 ㎡/g를 초과하는 경우에는 혼성 촉매의 합성시에 알루미나의 수열 안정성이 감소하여 알루미나의 구조가 붕괴되어 원하는 비표면적의 혼성 촉매를 제조하기 어려운 문제가 발생한다.
The catalyst is composed of Cu-Zn-Al-based oxides containing 30 to 45% by weight of CuO, 25 to 35% by weight of ZnO and 20 to 45% by weight of Al 2 O 3 . The amount of metal oxide present is measured. If the content of CuO is less than 30% by weight, a decrease in yield occurs due to the reduction of the active site for methanol synthesis. If the content of the CuO is more than 45% by weight, it is difficult to form an appropriate catalyst structure with other metals. Occurs. In addition, if the content of ZnO is less than 25% by weight, there is a problem in forming a suitable porous material with Cu and Al. If the content of ZnO is more than 35% by weight, the methanol synthesis reaction rate decreases due to the reduction of active ingredient CuO. do. When the Al 2 O 3 content is less than 20% by weight, the conversion reaction of the produced methanol to dimethyl ether decreases, and the yield decreases. When the Al 2 O 3 content exceeds 45% by weight, the methanol synthesis reaction rate is reduced by the reduction of the active ingredient for methanol synthesis. It is preferable to maintain the above range because a problem of deterioration occurs. The alumina contains high specific surface area alumina in the specific surface area of 300-800 m 2 / g. That is, the present invention produces a Cu-Zn-Al-based oxide catalyst by mixing alumina having a high specific surface area and Cu, Zn, and Al precursors, and thus high specific surface area alumina and other alumina are present at the same time. At this time, the Al precursor component is a structural promoter for forming the structure of the catalyst, and the high specific surface area alumina is dispersed in the catalyst to increase the conversion reaction of methanol and methanol to the conversion of methanol at the proper acid point of alumina. By increasing the selectivity of the by-products is suppressed to play a role in increasing the overall reaction yield.
When the specific surface area is less than 300 m 2 / g, the activity point of the dehydration reaction is small, so that the conversion to dimethyl ether decreases. When the specific surface area exceeds 800 m 2 / g, the hydrothermal stability of the alumina decreases during the synthesis of the hybrid catalyst, resulting in alumina structure. The collapse causes a problem that makes it difficult to produce a hybrid catalyst of a desired specific surface area.

이러한 고표면적을 갖는 알루미나의 함유량은 알루미나 함량을 기준으로 상기 Cu-Zn-Al계 산화물 1 중량에 대하여 0.1 ∼ 1.0 중량비 범위인 바, 상기 함유량이 0.1 중량비 미만이면 디메틸에테르로의 전환이 낮은 단점이 있고, 1.0 중량비를 초과하는 경우에는 합성가스의 전환율이 감소하여 디메틸에테르로의 수율이 감소하는 단점 및 수성 반응에 의한 이산화탄소의 생성량이 증가하는 단점이 있으므로 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다.The content of alumina having such a high surface area is in the range of 0.1 to 1.0 weight ratio based on 1 weight of the Cu-Zn-Al-based oxide based on the alumina content. When the content is less than 0.1 weight ratio, there is a disadvantage in that conversion to dimethyl ether is low. In addition, if it exceeds 1.0 weight ratio, it is preferable to maintain the above range because the conversion rate of the synthesis gas is decreased, so that the yield to dimethyl ether is reduced, and the amount of carbon dioxide produced by the aqueous reaction is increased.

종래의 메탄올 탈수반응 촉매인 비표면적이 300 ㎡/g 이하인 상업용 알루미나를 사용하여 본 발명에서 제시된 방법과 조성으로 촉매를 제조하는 경우에는 상당부분의 알루미나 촉매의 세공이 막혀서 오히려 메탄올의 탈수 반응이 감소되어 수율이 감소하는 문제가 발생하여 효과적이지 못하다. When the catalyst is prepared by the method and composition of the present invention using commercial alumina having a specific surface area of 300 m 2 / g or less, which is a conventional methanol dehydration catalyst, a substantial portion of the pores of the alumina catalyst are clogged to reduce the dehydration reaction of methanol. As a result, there is a problem of decreasing yield, which is not effective.

본 발명은 메탄올 및 디메틸에테르 동시 제조용 이중 세공 구조의 촉매를 제조하는 방법에 또 다른 특징이 있는 바, 상기 방법은 고표면적의 알루미나가 용액에 분산되어 있는 슬러리 상태에서 Cu, Zn 및 Al의 혼합금속을 공침하여 제조하거 나, 독립적으로 공침법을 수행하여 제조된 Cu, Zn 및 Al의 혼합금속과 고표면적의 알루미나를 슬러리 용액상에서 혼합하여 제조하는 두 가지로 나뉠 수 있다. The present invention is further characterized by a method for preparing a double pore structure catalyst for methanol and dimethyl ether production. The method includes a mixed metal of Cu, Zn, and Al in a slurry in which alumina having a high surface area is dispersed in a solution. It can be prepared by coprecipitation or by mixing the mixed metal of Cu, Zn and Al and high surface area alumina prepared by independently coprecipitation method in the slurry solution.

상기 두 가지의 제조방법은 모두 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것이나, 이의 사용 성분 및 반응조건 등에 따라서 이중 세공의 다공성 구조 촉매의 제조에 차이가 있으며 이에 따라서 촉매의 반응성에 차이가 생기게 된다.Both methods are generally used in the art, but there are differences in the preparation of the double-porous porous structure catalyst according to the components used and the reaction conditions thereof, thereby causing a difference in the reactivity of the catalyst.

먼저, 고표면적의 보헤마이트 또는 알루미나가 용액에 분산되어 있는 슬러리 상태에서 Cu, Zn, Al 금속을 공침하여 제조하는 방법은 구체적으로 다음과 같다. First, a method of manufacturing by coprecipitation of Cu, Zn, Al metal in a slurry state in which boehmite or alumina of high surface area is dispersed in a solution is specifically as follows.

알코올계 유기용매에 용해된 알루미늄 알콕사이드 용액, pKa 값이 3.5 ∼ 5인 유기 카르복시산 및 물을 혼합한 후, 80 ∼ 130 ℃ 가열하여 보헤마이트 졸을 제조하고, 용매를 제거하여 분말상의 보헤마이트를 제조한다. 이때, 상기 제조된 분말상의 보헤마이트를 400 ∼ 700 ℃의 온도에서 소성하여 알루미나로 전환시켜 사용할 수도 있다. 상기 분말상의 보헤마이트와 알루미나는 비표면적이 300 ∼ 800 ㎡/g 범위를 유지하는 것이 좋다.An aluminum alkoxide solution dissolved in an alcoholic organic solvent, an organic carboxylic acid having a pKa value of 3.5 to 5 and water are mixed, and then heated to 80 to 130 ° C. to prepare a boehmite sol, and the solvent is removed to prepare a powdery boehmite. do. At this time, the prepared boehmite powder may be converted to alumina by firing at a temperature of 400 to 700 ° C. The powdery boehmite and alumina preferably maintain a specific surface area in the range of 300 to 800 m 2 / g.

상기 알코올계 유기용매는 알루미늄 알콕사이드에 대한 용해성과 제거의 용이성을 고려하여 탄소수 1 ∼ 4의 저급알코올을 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 알루미늄 알콕사이드는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로, 특별히 한정하지는 않으나, 탄소수 1 ∼ 4의 알콕사이드를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 유기카르복시산의 pKa 값은 초기의 핵의 생성에 의한 보헤마이트의 입자 생성시에 입자의 응집현상에 의한 입자 크기 증가를 억제하여 고비표면적의 보헤마이트 및 알루미나를 합성하기 위한 중요한 변수로 사용된다. 이러한 pKa 값이 3 미만의 강산인 경우에는 초기의 핵의 생성 속도가 증가하여 보헤마이트의 입자 생성이 증가하게 되어 결정성이 감소하게 되고 이로 인하여 메탄올의 탈수 반응에 적절한 알루미나 표면의 산세기가 형성되지 못하는 문제가 발생할 수 있고, pKa 값이 3.5를 초과하는 약산인 경우에는 초기의 핵의 생성 속도가 감소하여 보헤마이트 입자의 응집현상에 의한 입자 크기가 증가하여 비표면적이 감소하고 이로 인하여 고표면적의 알루미나를 제조할 수 없는 문제가 발생할 수 있는 바, 상기 범위를 유지하는 경우 본 발명이 목적으로 하는 고비표면적의 보헤마이트 및 알루미나의 제조가 가능하다. 이러한 유기 카르복시산은 pKa 값이 3.5 ∼ 5인 탄소수 1 ∼ 4의 카르복시산으로, 구체적으로 아세트산, 개미산 및 프로피온산 중에서 선택 사용할 수 있다.
The alcohol-based organic solvent is preferably a lower alcohol having 1 to 4 carbon atoms in consideration of solubility in the aluminum alkoxide and ease of removal. In this case, aluminum alkoxide is generally used in the art, and is not particularly limited, but it is preferable to use an alkoxide having 1 to 4 carbon atoms.
The pKa value of the organic carboxylic acid is used as an important parameter for synthesizing boehmite and alumina having a high specific surface area by suppressing particle size increase due to particle agglomeration at the time of boehmite particle formation by initial nucleation. If the pKa value is less than 3, the initial nucleation rate increases and the boehmite particle generation increases, resulting in a decrease in crystallinity, which results in the formation of acid strength on the surface of alumina suitable for methanol dehydration. In the case of weak acid with a pKa value greater than 3.5, the initial nucleation rate decreases and the particle size is increased due to the cohesion of boehmite particles, resulting in a decrease in specific surface area. The problem of not being able to manufacture alumina of bar may occur, and if the above range is maintained, the high specific surface area of boehmite and alumina can be manufactured. Such organic carboxylic acids are carboxylic acids having 1 to 4 carbon atoms having a pKa value of 3.5 to 5, and specifically, may be selected from acetic acid, formic acid and propionic acid.

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이러한 유기 카르복시산은 알루미늄 알콕사이드 용액 1 몰에 대하여 0.01 ∼ 1 몰비로 사용하는 바, 상기 사용량이 0.01 몰비 미만이면 양이 미미하여 효과가 적으며 1 몰비를 초과하는 경우에는 알루미늄과 유기 카르복실산의 결합에 의한 알루미늄카르복실레이트를 형성할 수 있는 문제가 발생하므로 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다. The organic carboxylic acid is used in an amount of 0.01 to 1 mole per 1 mole of aluminum alkoxide solution. If the amount is less than 0.01 mole ratio, the amount is insignificant and less effective. It is preferable to maintain the above range because a problem that can form the aluminum carboxylate occurs.

상기 물은 가수분해 반응을 수행하기 위하여 사용하는 바, 알루미늄 알콕사이드 용액 1 몰에 대하여 2 ∼ 12 몰비를 사용한다. 사용량이 2 몰비 미만이면 가수분해 반응이 어려우며, 12 몰비를 초과하는 경우에는 분리 공정상에서 경제성이 떨어지는 문제가 발생하므로 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다.The water is used to carry out the hydrolysis reaction, and the water is used in a ratio of 2 to 12 moles per mole of aluminum alkoxide solution. If the amount is less than 2 molar ratio, the hydrolysis reaction is difficult, and if it exceeds 12 molar ratio, it is preferable to maintain the above range because the problem of economical deterioration occurs in the separation process.

상기 보헤마이트 졸은 80 ∼ 130 ℃ 가열과정을 통하여 얻어지는 바, 상기 온도가 80 ℃ 미만이면 보헤마이트의 결정 성장 반응이 느리게 되며 130 ℃를 초과하는 경우에는 급격한 반응에 의한 보헤마이트의 결정이 커 질 수 있는 문제가 발생한다. 또한, 상기 소성온도가 400 ℃ 미만이면 알루미나의 결정 성장이 저하되며 700 ℃를 초과하는 경우에는 알루미나의 상 변화에 의한 비표면적의 급격한 감소 문제가 있으므로 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다.The boehmite sol is obtained through a heating process of 80 ~ 130 ℃, if the temperature is less than 80 ℃ slow the crystal growth reaction of boehmite, if the temperature exceeds 130 ℃ boehmite crystals by the rapid reaction will be large There may be a problem. In addition, when the calcination temperature is less than 400 ℃, the crystal growth of alumina is lowered, and if it exceeds 700 ℃ it is preferable to maintain the above range because there is a problem of a sharp decrease in the specific surface area due to the phase change of alumina.

이후에 상기 분말상의 보헤마이트가 포함된 현탁수용액에, 구리 전구체, 아연 전구체 및 알루미늄 전구체가 포함된 Cu-Zn-Al계 전구체 혼합물을 pH 7 ∼ 8의 수용액 하에서 공침시킨 후 숙성하여 침전물을 여과 및 세척한다. 이때, 보헤마이트는 알루미나 기준으로 Cu-Zn-Al계 전구체 혼합물 1 중량에 대하여 알루미나 기준으로 0.1 ∼ 1.0 중량비 범위로 사용된다.Thereafter, in the suspension solution containing the boehmite in powder form, the Cu-Zn-Al-based precursor mixture containing the copper precursor, the zinc precursor, and the aluminum precursor was co-precipitated under an aqueous solution of pH 7-8, and then aged to filter the precipitate. Wash. In this case, the boehmite is used in the range of 0.1 to 1.0 weight ratio based on the alumina with respect to 1 weight of the Cu-Zn-Al-based precursor mixture based on the alumina.

상기 공침 시 pH 7 ∼ 8을 유지하기 위하여 염기성 침전제를 사용하는 바, 상기 염기성 침전제는 구체적으로 탄산나트륨, 탄산칼슘 및 탄산수소나트륨 등을 사용하는 것이 바람직하다. 이는 산성인 Cu-Zn-Al계 전구체 혼합물과 염기성 침전제의 산-염기 반응을 효과적으로 수행하기 위하여 pH 7 ~ 8 범위인 중성의 범위에서 수행한다.In order to maintain pH 7 to 8 during the coprecipitation, a basic precipitant is used. Specifically, the basic precipitant may preferably use sodium carbonate, calcium carbonate, sodium bicarbonate and the like. This is carried out in the neutral range of pH 7 ~ 8 in order to effectively perform the acid-base reaction of the acidic Cu-Zn-Al-based precursor mixture and the basic precipitant.

다른 방법으로 혼성 촉매를 제조하기 위해서는 공침 반응을 수행하기 전에 고표면적의 알루미나가 용액에 분산되어 있는 슬러리 상태에서 공침 반응을 진행할 수도 있다. 촉매의 숙성은 50 ∼ 90 ℃에서 수행되는 것이 바람직한 바, 이는 제시된 숙성시간 영역에서 활성이 우수한 촉매 구조 형성이 유리하여 합성가스 및 메탄올 전환 반응이 향상된다.Alternatively, in order to prepare the hybrid catalyst, the coprecipitation reaction may be performed in a slurry state in which high surface area alumina is dispersed in the solution before the coprecipitation reaction is performed. The aging of the catalyst is preferably carried out at 50-90 ° C., which favors the formation of a catalyst structure with good activity in the range of aging time presented, thus improving the syngas and methanol conversion reaction.

상기 숙성은 2 ∼ 20 시간, 바람직하기로는 2 ∼ 15 시간 동안 수행하는 것이 좋은 바, 상기 숙성 시간이 짧으면 메탄올 합성을 위한 촉매 구조가 잘 발달되지 않아서 반응 면에서 불리하며, 20 시간을 초과하는 경우에는 메탄올 합성 촉매의 입자 사이즈가 증가하여 활성점이 감소하고 합성 시간이 증가하여 경제적이지 않으므로 적절하지 못하다.The aging is preferably performed for 2 to 20 hours, preferably 2 to 15 hours. If the aging time is short, the catalyst structure for methanol synthesis is not well developed, which is disadvantageous in terms of reaction. It is not suitable because the particle size of the methanol synthesis catalyst increases, the active point decreases, and the synthesis time increases, which is not economical.

상기 세척된 침전물은 100 ℃ 이상의 오븐에서 하루 정도 건조시킨 후에 상기 제조된 침전물을 200 ∼ 700 ℃ 범위, 바람직하기로는 200 ∼ 500 ℃ 범위에서 소성한다. 상기 소성온도가 200 ℃ 미만이면 금속전구체가 산화물 형태로 전환되지 못해 적절한 촉매구조가 형성되지 않아 활성이 감소하는 문제가 있으며, 700 ℃를 초과하는 경우에는 구리의 승화 및 입자 크기의 성장에 의한 활성점의 감소에 의한 반응속도 감소 등의 문제가 발생한다.The washed precipitate is dried in an oven at 100 ° C. or more for one day, and then the prepared precipitate is calcined in the range of 200 to 700 ° C., preferably in the range of 200 to 500 ° C. If the firing temperature is less than 200 ℃ there is a problem that the metal precursor is not converted to the oxide form, the appropriate catalyst structure is not formed, the activity is reduced, if the temperature exceeds 700 ℃, activity by the sublimation of copper and growth of particle size Problems such as a decrease in the reaction rate due to the reduction of the point occurs.

또 다른 방법으로는, 독립적으로 공침법을 수행하여 제조된 Cu-Zn-Al계 수산화물과 고표면적의 보헤마이트 또는 알루미나를 슬러리 용액상에서 혼합하여 제조 하는 방법으로 다음과 같다.As another method, Cu-Zn-Al hydroxide prepared by performing coprecipitation independently and high surface area of boehmite or alumina are prepared by mixing in a slurry solution as follows.

알코올계 유기용매에 용해된 알루미늄 알콕사이드 용액, pKa 값이 3.5 ∼ 5인 유기 카르복시산 및 물을 혼합한 후, 80 ∼ 130 ℃ 가열하여 보헤마이트 졸을 제조하고, 용매를 제거하여 분말상의 보헤마이트 또는 소성에 의한 재처리를 거쳐 알루미나를 제조한다. An aluminum alkoxide solution dissolved in an alcoholic organic solvent, an organic carboxylic acid having a pKa value of 3.5 to 5 and water are mixed, and then heated to 80 to 130 ° C. to prepare a boehmite sol, and the solvent is removed to remove powdery boehmite or calcining. Alumina is prepared by reprocessing with.

구리 전구체, 아연 전구체 및 알루미나 전구체로 구성되는 Cu-Zn-Al 전구체 혼합물을 pH 7 ∼ 8의 수용액 하에서 공침시킨 후 숙성하여 침전물을 여과 및 세척하여 Cu-Zn-Al계 수산화물을 제조한다. A Cu-Zn-Al precursor mixture consisting of a copper precursor, a zinc precursor and an alumina precursor is co-precipitated under an aqueous solution of pH 7-8 and then aged to prepare a Cu-Zn-Al hydroxide by filtration and washing of the precipitate.

상기 1단계에서 제조된 분말상의 보헤마이트 또는 알루미나를 상기 2단계에서 제조된 알루미나 기준으로 Cu-Zn-Al계 수산화물 1 중량에 대하여 0.1 ∼ 1.0 중량비로 혼합하여 슬러리 수용액을 제조하고, 침전시켜 침전물을 여과 및 세척한다. 상기 제조된 침전물을 200 ∼ 700 ℃ 범위에서 소성한다.Powdered boehmite or alumina prepared in step 1 was mixed in an amount of 0.1 to 1.0 weight ratio based on 1 weight of Cu-Zn-Al hydroxide based on the alumina prepared in step 2 to prepare a slurry aqueous solution, and precipitated to obtain a precipitate. Filtrate and wash. The prepared precipitate is calcined in the range of 200 ~ 700 ℃.

상기 Cu-Zn-Al 전구체 혼합물의 사용량은 분말상의 보헤마이트와 혼합 사용하여 최종 목적으로 하는 다공성 촉매의 조성이 CuO 30 ∼ 45 중량%, ZnO 25 ∼ 35 중량% 및 Al2O3 20 ∼ 45 중량%을 만족할 수 있도록 적정량 사용하는 바, 구체적으로 구리 전구체는 45 ∼ 55 중량%, 아연 전구체는 35 ∼ 45 중량% 및 알루미늄 전구체는 1 ∼ 20 중량% 범위를 사용하는 것이 좋다.The amount of the Cu-Zn-Al precursor mixture used is mixed with the powdered boehmite, and the composition of the porous catalyst for the final purpose is 30 to 45% by weight of CuO, 25 to 35% by weight of ZnO and 20 to 45% by weight of Al 2 O 3. An appropriate amount is used to satisfy%, specifically, 45 to 55% by weight of the copper precursor, 35 to 45% by weight of the zinc precursor, and 1 to 20% by weight of the aluminum precursor may be used.

이상에서 제조한 혼성 촉매를 이용하여 합성가스로부터 메탄올 및 디메틸에테르를 동시에 제조하는 방법은 다음과 같다.The method of simultaneously producing methanol and dimethyl ether from syngas using the hybrid catalyst prepared above is as follows.

상기 제조된 이중 세공의 다공성 구조의 촉매는 고정층 반응기에서 200 ∼ 500 ℃의 영역에서 수소 분위기에서 환원한 후에 촉매 반응에 활용한다. 상기 환원된 혼성 촉매는 고정층 반응기 상에서 일반적인 메탄올 합성 반응과 유사한 반응 조건에서 수행되는 바, 구체적으로 반응 온도는 200 ∼ 400 ℃, 반응 압력은 30 ∼ 60 kg/㎠와 공간속도는 1000 ∼ 10000 h-1에서 수행하는 것이 좋으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The prepared double-porous porous structure catalyst is used in the catalytic reaction after reduction in a hydrogen atmosphere in the region of 200 ~ 500 ℃ in a fixed bed reactor. The reduced hybrid catalyst is a bar, in particular the reaction temperature is carried out in a reaction condition similar to the general methanol synthesis reaction on a fixed-bed reactor is 200 ~ 400 ℃, the reaction pressure is 30 ~ 60 kg / ㎠ and a space velocity of 1000 ~ 10000 h - It is preferable to perform at 1 , but is not limited thereto.

상기의 방법으로 제조된 이중 세공의 촉매는 합성가스로부터 메탄올 및 디메틸에테르로의 높은 수율과 전체 생성물 중에서 1% 미만의 부산물이 생성되는 장점을 지니고 있으며, 추가적으로 이중 세공 구조 촉매의 장점인 열 및 물질전달 특성이 우수하여 반응물인 일산화탄소의 이산화탄소로의 전환이 종래 보고되어 있는 촉매계와 비교하여 현저하게 감소하여 온실가스인 이산화탄소를 재처리하는 부수적인 공정 비용이 감소하여 공정의 효율성이 증가하는 장점이 있다.The double pore catalyst prepared by the above method has the advantage of high yield from syngas to methanol and dimethyl ether and less than 1% of the by-products are generated in the total product. The superior transfer characteristics result in a significant decrease in the conversion of reactant carbon monoxide to carbon dioxide, compared to the previously reported catalyst system, resulting in increased process efficiency due to the reduced process cost of reprocessing carbon dioxide, a greenhouse gas. .

이하, 본 발명을 다음의 실시예에 의거하여 구체적으로 설명하는바, 본 발명이 다음 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited by the following examples.

실시예 1Example 1

합성가스로부터 메탄올 및 디메틸에테르를 합성하기 위한 이중 다공성의 촉매는 다음과 같은 공침법을 이용하여 제조하였다. A biporous catalyst for synthesizing methanol and dimethyl ether from syngas was prepared using the following coprecipitation method.

먼저, 고표면적의 알루미나를 제조하기 위하여 2-프로판올 용액에 알루미늄 이소프로폭사이드를 혼합하여 슬러리를 제조한 후에 상기 용액에 아세트산과 물을 첨가하여 가수분해 반응에 의하여 비정질의 알루미늄수산화물을 생성하였다. 반응물인 알루미늄 이소프로폭사이드 : 2-프로판올 : 아세트산 : 물의 합성 몰 비는 1 : 25 : 0.5 : 6으로 고정하여 슬러리 용액을 제조하였다. 상기 제조된 슬러리 용액은 진공 건조하여 보헤마이트 분말을 얻었다. 상기 보헤마이트 분말은 600 ℃에서 6시간 소성하여 고표면적의 알루미나(비표면적=350 ㎡/g)를 얻었다. 상기의 방법으로 제조된 알루미나 1.61 g을 70 ℃에서 200 mL의 3차 증류수에 첨가하여 알루미나 수용액을 제조하였다.First, in order to prepare alumina having a high surface area, aluminum isopropoxide was mixed with a 2-propanol solution to prepare a slurry, and acetic acid and water were added to the solution to produce amorphous aluminum hydroxide by a hydrolysis reaction. Synthesis molar ratio of aluminum isopropoxide: 2-propanol: acetic acid: water as a reactant was fixed to 1: 25: 0.5: 6 to prepare a slurry solution. The prepared slurry solution was vacuum dried to obtain boehmite powder. The boehmite powder was calcined at 600 ° C. for 6 hours to obtain high surface area alumina (specific surface area = 350 m 2 / g). An alumina aqueous solution was prepared by adding 1.61 g of alumina prepared by the above method to 200 mL of tertiary distilled water at 70 ° C.

다음으로, 아세트산구리수화물(Cu(C2H3O2)2ㆍH2O) 5.05 g, 아세트산아연수화물(Zn(C2H3O2)2ㆍ2H2O) 4.31 g과 질산알루미늄수화물(Al(NO3)3ㆍ9H2O) 2.94 g의 혼합금속을 600 mL의 3차 증류수에 동시에 녹인 용액을 준비하였으며, 이때의 용액의 pH 5.5였다. 침전제로는 탄산나트륨 8.34 g을 600 mL의 3차 증류수에 녹인 용액을 사용하였으며, 이때 용액의 pH는 10.5였다. Next, copper acetate monohydrate (Cu (C 2 H 3 O 2) 2 and H 2 O) 5.05 g, zinc acetate hydrate (Zn (C 2 H 3 O 2) 2 and 2H 2 O) 4.31 g and aluminum nitrate hydrate (Al (NO 3 ) 3 .9H 2 O) A solution of 2.94 g of a mixed metal dissolved in 600 mL of tertiary distilled water was prepared at the same time, and the solution had a pH of 5.5. As a precipitant, 8.34 g of sodium carbonate was dissolved in 600 mL of tertiary distilled water, and the pH of the solution was 10.5.

상기에서 제조된 혼합 금속용액은 알루미나 수용액이 교반되고 있는 2000 mL 플라스크에 천천히 주입하여 최종 pH를 7.5 ∼ 8.0으로 유지하여 슬러리 용액을 형성하였다. The mixed metal solution prepared above was slowly injected into a 2000 mL flask in which an alumina aqueous solution was stirred to maintain a final pH of 7.5 to 8.0 to form a slurry solution.

상기 슬러리 용액은 숙성을 위하여 70 ℃의 온도에서 3시간 정도 교반하였으며, 제조된 이중 세공의 다공성 촉매는 2000 mL의 3차 증류수로 3회 이상 세척하고 필터링한 후에 건조하였다. The slurry solution was stirred for about 3 hours at a temperature of 70 ℃ for aging, and the prepared double pore porous catalyst was washed three times or more with 2000 mL of distilled water, filtered and dried.

촉매의 활성 실험을 위하여 촉매 사이즈를 1.2 mm ∼ 2.0 mm의 펠렛으로 제조하고 350 ℃에서 5시간 공기 분위기하에서 소성한 후에 반응기에 도입하였다. 소성 후의 이중 세공의 다공성 구조 촉매의 조성은 메탈옥사이드 기준으로 CuO 35 중량%, ZnO 28 중량%와 Al2O3 37 중량% 이었다. 반응을 시작하기 전에 250 ℃의 수소분위기 하에서 5시간 환원 처리한 후에, 반응온도 250 ℃ 반응압력 40 kg/㎠, 공간속도 5500 h-1의 조건에서 반응물인 일산화탄소 : 수소 : 이산화탄소의 몰비를 41% : 38% : 21%의 비율로 고정하여 반응기로의 주입하여 반응을 수행하여 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.The catalyst size was prepared from 1.2 mm to 2.0 mm pellets for the activity test of the catalyst and calcined at 350 ° C. for 5 hours in an air atmosphere before being introduced into the reactor. The composition of the double pore porous structure catalyst after firing was 35% by weight of CuO, 28% by weight of ZnO and 37% by weight of Al 2 O 3 based on the metal oxide. After the reduction treatment was performed for 5 hours under a hydrogen atmosphere of 250 ° C. before the reaction was started, the molar ratio of carbon monoxide: hydrogen: carbon dioxide, which is a reactant, at a reaction temperature of 250 ° C. at a reaction pressure of 40 kg / cm 2 and a space velocity of 5500 h −1 was 41%. : 38%: fixed at a ratio of 21% by injection into the reactor was carried out the reaction is shown in the following Table 1.

실시예 2Example 2

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하되, 숙성시간을 6시간으로 연장하여 촉매를 제조하고, 필터링 세척, 소성한 후 이를 반응기에 도입하여 환원반응을 수행한 결과를 다음 표 1에 나타내었다.The catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, but the catalyst was prepared by extending the aging time to 6 hours, filtered, washed, calcined, and then introduced into the reactor to reduce the reaction. .

실시예 3Example 3

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하되, 숙성시간을 9시간으로 연장하여 촉매를 제조하고, 필터링 세척, 소성한 후 이를 반응기에 도입하여 환원반응을 수행한 결과를 다음 표 1에 나타내었다.The catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, but the catalyst was prepared by extending the aging time to 9 hours, filtered, washed, calcined, and then introduced into the reactor to reduce the reaction. .

실시예 4Example 4

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하되, 숙성시간을 15시간으로 연장하여 촉매를 제조하고, 필터링 세척, 소성한 후 이를 반응기에 도입하여 환원반응을 수행한 결과를 다음 표 1에 나타내었다.The catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, but the catalyst was prepared by extending the aging time to 15 hours, filtered, washed, calcined, and then introduced into the reactor to reduce the reaction. .

실시예 5Example 5

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하되, 비표면적이 350 ㎡/g인 알루미나 0.90 g을 이용하여 촉매를 제조하였다. 이때, 상기에서 제조된 이중 세공의 다공성 구조 촉매의 최종 조성은 메탈옥사이드 기준으로 CuO 42 중량%, ZnO 33 중량%와 Al2O3 25 중량% 이었다. 이후에 필터링 세척, 소성한 후 이를 반응기에 도입하여 환원반응을 수행한 결과를 다음 표 1에 나타내었다.A catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, but a catalyst was prepared using 0.90 g of alumina having a specific surface area of 350 m 2 / g. In this case, the final composition of the porous porous catalyst of the double pore prepared above was 42% by weight of CuO, 33% by weight of ZnO and 25% by weight of Al 2 O 3 based on the metal oxide. After filtering, washing, and calcining, the result of performing the reduction reaction by introducing this into the reactor is shown in Table 1 below.

실시예 6Example 6

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하되, 고표면적의 알루미나를 합성하기 위하여 반응물인 알루미늄 이소프로폭사이드 : 2-프로판올 : 아세트산 : 물의 몰비를 1 : 25 : 0.035 : 3으로 변경하여 보헤마이트를 제조한 후에 소성하여 비표면적이 455 ㎡/g인 고표면적의 알루미나를 제조하였다.To prepare a catalyst in the same manner as in Example 1, to synthesize a high surface area alumina boehmite by changing the molar ratio of the reactant aluminum isopropoxide: 2-propanol: acetic acid: water to 1: 25: 0.035: 3 After the preparation, the alumina having a high surface area having a specific surface area of 455 m 2 / g was fired.

상기에서 제조된 알루미나 1.61 g을 70 ℃의 3차 증류수에서 교반하면서 혼 합 금속용액을 공침한 후 5시간 숙성 및 소성하여 이중 세공의 다공성 촉매를 제조하였다. 이때, 제조된 촉매의 조성은 메탈옥사이드 기준으로 CuO 35 중량%, ZnO 28 중량%와 Al2O3 37 중량%이었다. 상기에서 제조된 촉매를 이용하여 환원반응을 수행하고 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.1.61 g of the alumina prepared above was co-precipitated with a mixed metal solution while stirring in tertiary distilled water at 70 ° C., and then aged and calcined for 5 hours to prepare a porous catalyst having a double pore. At this time, the composition of the prepared catalyst was 35% by weight of CuO, 28% by weight of ZnO and 37% by weight of Al 2 O 3 based on the metal oxide. Reduction was performed using the catalyst prepared above, and the results are shown in Table 1 below.

실시예 7Example 7

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하되, 고표면적의 보헤마이트를 합성하기 위하여 반응물인 알루미늄 이소프로폭사이드 : 2-프로판올 : 아세트산 : 물의 몰비를 1 : 25 : 0.035 : 3으로 고정하여 보헤마이트를 제조하여 비표면적이 750 ㎡/g인 고표면적의 보헤마이트를 얻었다. To prepare a catalyst in the same manner as in Example 1, in order to synthesize a high surface area of boehmite by fixing the molar ratio of aluminum isopropoxide: 2-propanol: acetic acid: water as 1: 25: 0.035: 3 Bohe Mite was prepared to obtain high surface area boehmite having a specific surface area of 750 m 2 / g.

상기의 보헤마이트 2.30 g을 70 ℃의 3차 증류수에서 교반하면서 혼합 금속용액을 5시간 숙성하여 혼성 촉매를 제조한 후에 400 ℃에서 5시간 소성하였으며, 소성 후 이중 세공의 다공성 구조 촉매의 조성은 메탈옥사이드 기준으로 CuO 35 중량%, ZnO 28 중량%와 Al2O3 37 중량%이었다. 상기에서 제조된 촉매를 이용하여 환원반응을 수행하고 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.After mixing 2.30 g of boehmite in a third distilled water at 70 ° C., the mixed metal solution was aged for 5 hours to prepare a hybrid catalyst, and then calcined at 400 ° C. for 5 hours. 35% by weight of CuO, 28% by weight of ZnO and 37% by weight of Al 2 O 3 on an oxide basis. Reduction was performed using the catalyst prepared above, and the results are shown in Table 1 below.

비교예 1Comparative Example 1

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하되, 비표면적이 350 ㎡/g인 알루미나 5.70 g을 사용하여 촉매를 숙성하여 제조하였으며, 제조된 촉매의 조성은 메탈옥사이드 기준으로 CuO 25 중량%, ZnO 20 중량%와 Al2O3 55 중량% 이었다. A catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, but was prepared by aging the catalyst using 5.70 g of alumina having a specific surface area of 350 m 2 / g, and the composition of the prepared catalyst was 25% by weight of CuO and ZnO based on the metal oxide. 20 wt% and 55 wt% Al 2 O 3 .

이후에 필터링 세척, 소성한 후 이를 반응기에 도입하여 환원반응을 수행한 결과를 다음 표 1에 나타내었다.After filtering, washing, and calcining, the result of performing the reduction reaction by introducing this into the reactor is shown in Table 1 below.

비교예 2Comparative Example 2

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하되, 알루미나 1.61 g을 70 ℃의 3차 증류수에서 교반하면서 Cu-Zn-Al의 금속혼합 용액을 혼합하여 공침법으로 촉매를 제조하였다. 상기 금속 전구체로 사용된 물질의 양은 아세트산구리수화물(Cu(C2H3O2)2ㆍH2O) 3.79 g, 아세트산아연수화물(Zn(C2H3O2)2ㆍ2H2O) 3.06 g과 질산알루미늄수화물(Al(NO3)3ㆍ9H2O) 4.17 g이며 이를 600 mL의 3차 증류수에 동시에 녹인 용액을 준비하였으며, 이때 용액의 pH는 5.5였다. 침전제로는 탄산나트륨 8.12 g을 600 mL의 3차 증류수에 녹인 용액을 사용하였으며, 이때의 pH는 10.5였다. 상기에서 제조된 촉매의 조성은 메탈옥사이드 기준으로 CuO 28 중량%, ZnO 21 중량%와 Al2O3 51 중량%이었다. 이후에 필터링 세척, 소성한 후 이를 반응기에 도입하여 환원반응을 수행한 결과를 다음 표 1에 나타내었다.A catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, except that 1.61 g of alumina was mixed in a third distilled water at 70 ° C., and a mixed metal solution of Cu-Zn-Al was mixed to prepare a catalyst. The amount of the material used as the metal precursor was 3.79 g of copper acetate hydrate (Cu (C 2 H 3 O 2 ) 2 ㆍ H 2 O), zinc acetate hydrate (Zn (C 2 H 3 O 2 ) 2 ㆍ 2H 2 O) 3.06 g and 4.17 g of aluminum nitrate hydrate (Al (NO 3 ) 3 .9H 2 O) were dissolved and prepared in 600 mL of tertiary distilled water at the same time, and the pH of the solution was 5.5. As a precipitant, a solution in which 8.12 g of sodium carbonate was dissolved in 600 mL of tertiary distilled water was used, and the pH was 10.5. The composition of the catalyst prepared above was 28 wt% CuO, 21 wt% ZnO and 51 wt% Al 2 O 3 based on the metal oxide. After filtering, washing, and calcining, the result of performing the reduction reaction by introducing this into the reactor is shown in Table 1 below.

비교예 3Comparative Example 3

상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 촉매를 제조하되, 알루미나와 Cu-Zn-Al으로 이루어진 금속혼합촉매를 독립적으로 제조한 후 이를 일정비로 혼합하여 촉 매로 이용하였다. A catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, but a metal mixed catalyst made of alumina and Cu-Zn-Al was independently prepared and then mixed at a predetermined ratio to be used as a catalyst.

먼저, 고표면적의 알루미나를 제조하기 위하여 2-프로판올 용액에 알루미늄 이소프로폭사이드를 혼합하여 슬러리를 제조한 후에 상기 용액에 아세트산과 물을 첨가하여 가수분해 반응에 의하여 비정질의 알루미늄수산화물을 생성하였다. 반응물인 알루미늄 이소프로폭사이드 : 2-프로판올 : 아세트산 : 물의 합성 몰 비는 1 : 25 : 0.5 : 6으로 고정하여 슬러리 용액을 제조하였다. 상기 제조된 슬러리 용액은 진공 건조하여 보헤마이트 분말을 얻었다. 상기 보헤마이트 분말은 600 ℃에서 6시간 소성하여 고표면적의 알루미나(비표면적=350 ㎡/g)를 얻었다. First, in order to prepare alumina having a high surface area, aluminum isopropoxide was mixed with a 2-propanol solution to prepare a slurry, and acetic acid and water were added to the solution to produce amorphous aluminum hydroxide by a hydrolysis reaction. Synthesis molar ratio of aluminum isopropoxide: 2-propanol: acetic acid: water as a reactant was fixed to 1: 25: 0.5: 6 to prepare a slurry solution. The prepared slurry solution was vacuum dried to obtain boehmite powder. The boehmite powder was calcined at 600 ° C. for 6 hours to obtain high surface area alumina (specific surface area = 350 m 2 / g).

다음으로 70 ℃의 3차 증류수를 교반하면서 Cu-Zn-Al으로 이루어진 촉매를 공침법으로 제조하였다. 상기 금속 전구체로 사용된 물질의 양은 아세트산구리수화물(Cu(C2H3O2)2ㆍH2O) 5.05 g, 아세트산아연수화물(Zn(C2H3O2)2ㆍ2H2O) 4.31 g과 질산알루미늄수화물(Al(NO3)3ㆍ9H2O) 2.94 g이며 이를 600 mL의 3차 증류수에 동시에 녹인 용액을 준비하였으며, 이때의 용액의 pH 5.5였다. 침전제로는 탄산나트륨 8.34 g을 600 mL의 3차 증류수에 녹인 용액을 사용하였으며, 이때의 pH는 10.5였다. 상기에서 제조된 용액은 70 ℃에서 200 mL의 3차 증류수가 교반되고 있는 2000 mL 플라스크에 동시에 천천히 주입하여 최종 pH를 7.5 ∼ 8.0으로 유지하였다. 상기 슬러리 용액은 70 ℃의 온도에서 3시간 정도 교반하였으며, 제조된 메탄올 촉매는 2000 mL의 3차 증류수로 3회 이상 세척하고 필터링한 후에 건조하였다. Next, a catalyst made of Cu-Zn-Al was prepared by coprecipitation while stirring tertiary distilled water at 70 ° C. The amount of copper acetate monohydrate (Cu (C 2 H 3 O 2) 2 and H 2 O) 5.05 g, zinc acetate hydrate (Zn (C 2 H 3 O 2) 2 and 2H 2 O) of the material used as the metal precursor 4.31 g and 2.94 g of aluminum nitrate hydrate (Al (NO 3 ) 3 .9H 2 O) were dissolved and prepared in 600 mL of tertiary distilled water at the same time, and the solution had a pH of 5.5. As a precipitant, a solution in which 8.34 g of sodium carbonate was dissolved in 600 mL of tertiary distilled water was used, and the pH was 10.5. The solution prepared above was slowly injected at the same time into a 2000 mL flask in which 200 mL of distilled water was stirred at 70 ° C. to maintain a final pH of 7.5 to 8.0. The slurry solution was stirred for about 3 hours at a temperature of 70 ℃, the methanol catalyst prepared was washed three times or more with 2000 mL of distilled water, filtered and dried.

상기에서 제조된 Cu-Zn-Al으로 이루어진 촉매와 알루미나는 각각 독립적으로 350 ℃에서 소성 처리한 후에 촉매의 활성 실험을 위하여 촉매 사이즈를 1.2 mm ∼ 2.0 mm의 펠렛으로 제조하고 물리적으로 혼합하였다. 물리적으로 혼합된 두 촉매는 메탈옥사이드 기준으로 CuO 35 중량%, ZnO 28 중량% 및 Al2O3 37 중량%가 되도록 혼합한 후에 반응기에 도입하고 수소로 환원한 촉매를 이용하여 공간 속도 2750 L/kgcat/hr에서 반응을 수행하였으며 결과를 다음 표 1에 나타내었다.The catalyst and alumina made of Cu-Zn-Al prepared above were each independently calcined at 350 ° C., and then the catalyst size was prepared in pellets of 1.2 mm to 2.0 mm and physically mixed for the activity test of the catalyst. The two physically mixed catalysts were mixed so as to be 35% by weight of CuO, 28% by weight of ZnO and 37% by weight of Al 2 O 3 based on the metal oxide, and then introduced into the reactor and reduced to hydrogen using a catalyst having a space velocity of 2750 L / The reaction was performed at kgcat / hr and the results are shown in Table 1 below.

비교예 4Comparative Example 4

상기 비교예 3과 동일한 방법으로 제조된 물리적으로 혼합된 촉매를 사용하여 공간 속도는 5500 L/kgcat/hr에서 반응을 수행하고, 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.Using the physically mixed catalyst prepared in the same manner as in Comparative Example 3, the space velocity was carried out at 5500 L / kgcat / hr, the results are shown in Table 1 below.

비교예 5Comparative Example 5

상기 비교예 3과 동일한 방법으로 제조된 물리적으로 혼합된 촉매를 사용하여 공간 속도는 11000 L/kgcat/hr에서 반응을 수행하고, 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.Using a physically mixed catalyst prepared in the same manner as in Comparative Example 3, the space velocity was carried out at 11000 L / kgcat / hr, and the results are shown in Table 1 below.

비교예 6Comparative Example 6

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하되, 비표면적이 200 ㎡/g 정 도인 상업용 알루미나 1.61 g을 70 ℃의 3차 증류수에서 교반하면서 Cu-Zn-Al의 금속혼합용액과 공침하여 이중 세공의 다공성 구조의 혼성 촉매를 제조하였다. 이후에 350 ℃의 산소 분위기 하에서 소성한 후에 250 ℃에서 환원한 촉매를 이용하여 반응을 수행하고, 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다. A catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, except that 1.61 g of commercial alumina having a specific surface area of 200 m 2 / g was co-precipitated with a metal mixture solution of Cu-Zn-Al while stirring in tertiary distilled water at 70 ° C. to obtain a double pore. A hybrid catalyst having a porous structure of was prepared. Thereafter, the reaction was performed using a catalyst reduced at 250 ° C. after calcining under an oxygen atmosphere of 350 ° C., and the results are shown in Table 1 below.

비교예 7Comparative Example 7

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하되, 숙성시간을 1시간으로 감소하여 촉매를 제조하고, 필터링 세척, 소성한 후 이를 반응기에 도입하여 환원반응을 수행한 결과를 다음 표 1에 나타내었다.The catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, but the catalyst was prepared by reducing the aging time to 1 hour, filtered, washed, calcined, and then introduced into the reactor to reduce the reaction. .

비교예 8Comparative Example 8

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하되, 비표면적이 400 ㎡/g이고 SiO2/Al2O3의 비가 50인 제올라이트(HZSM-5) 1.61 g을 70 ℃의 3차 증류수에서 Cu-Zn-Al의 금속혼합용액과 공침법을 수행하여 촉매를 제조하였다. 이후에 상기 촉매를 이용하여 반응을 수행하고, 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다. A catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, except that 1.61 g of zeolite (HZSM-5) having a specific surface area of 400 m 2 / g and a ratio of SiO 2 / Al 2 O 3 was dissolved in Cu- A catalyst was prepared by coprecipitation with a metal mixture solution of Zn-Al. Thereafter, the reaction was performed using the catalyst, and the results are shown in Table 1 below.

다음 표 1은 실시예 1 ∼ 7 및 비교예 1 ∼ 8에서 제조된 촉매의 비표면적과 기공크기의 분포 및 상기 촉매를 이용한 CO 전환율, 카본선택도, 생성물 분포 비율 등을 나타낸 것이다.Table 1 shows the distribution of specific surface area and pore size of the catalysts prepared in Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 8, CO conversion rate, carbon selectivity, and product distribution ratio using the catalyst.

구 분division CO 전환율 (%)CO conversion rate (%) 카본 선택도1) (%) MeOH/DME/CO2 Carbon selectivity 1) (%) MeOH / DME / CO 2 생성물 분포 비율2) (MeOH+DME)/ CO2 Product Distribution Ratio 2) (MeOH + DME) / CO 2 촉매 비표면적 (㎡/g)Catalyst specific surface area (㎡ / g) 기공도3) Porosity 3) 2∼20 ㎚2-20 nm 20∼100 ㎚20 to 100 nm 실시예 1Example 1 24.424.4 42.5/20.2/36.742.5 / 20.2 / 36.7 1.71.7 9292 4545 5555 실시예 2Example 2 25.325.3 61.1/11.2/27.061.1 / 11.2 / 27.0 2.72.7 136136 5050 5050 실시예 3Example 3 29.429.4 38.4/20.1/39.938.4 / 20.1 / 39.9 1.51.5 110110 3939 6161 실시예 4Example 4 22.322.3 47.8/17.7/33.947.8 / 17.7 / 33.9 1.91.9 9898 5151 4949 실시예 5Example 5 27.627.6 58.8/7.0/33.358.8 / 7.0 / 33.3 2.02.0 8787 2929 7171 실시예 6Example 6 22.822.8 46.0/25.5/27.446.0 / 25.5 / 27.4 2.62.6 -- -- -- 실시예 7Example 7 20.220.2 65.5/8.3/25.765.5 / 8.3 / 25.7 2.92.9 -- -- -- 비교예 1Comparative Example 1 16.916.9 22.2/38.3/39.222.2 / 38.3 / 39.2 1.51.5 141141 6868 3232 비교예 2Comparative Example 2 3.73.7 33.2/25.5/40.733.2 / 25.5 / 40.7 1.41.4 -- -- -- 비교예 3Comparative Example 3 40.440.4 1.4/13.0/85.51.4 / 13.0 / 85.5 0.20.2 178 (평균)178 (average) -- -- 비교예 4Comparative Example 4 32.232.2 6.5/29.9/63.46.5 / 29.9 / 63.4 0.60.6 178 (평균)178 (average) -- -- 비교예 5Comparative Example 5 20.820.8 13.8/36.4/49.713.8 / 36.4 / 49.7 1.01.0 178 (평균)178 (average) -- -- 비교예 6Comparative Example 6 23.523.5 10.9/41.5/47.110.9 / 41.5 / 47.1 1.11.1 -- -- -- 비교예 7Comparative Example 7 19.619.6 29.6/20.2/49.629.6 / 20.2 / 49.6 1.01.0 -- -- -- 비교예 8Comparative Example 8 16.016.0 54.2/14.4/30.054.2 / 14.4 / 30.0 2.32.3 -- -- -- 1) 선택도 : 나머지 양은 주성분이 메탄인 부산물이 함유됨. 2) 주 생성물인 메탄올/디메틸에테르와 부산물인 이산화탄소의 생성 비율 3) 이중 다공성 촉매의 전체 기공 부피 중에서 각 영역이 차지하는 상대 부피 비율 1) Selectivity: The remaining amount contains by-products whose main component is methane. 2) Ratio of production of methanol / dimethyl ether as a main product and carbon dioxide as a by-product 3) Relative volume ratio of each region in the total pore volume of the double porous catalyst

상기 표 1에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 이중 세공의 다공성 구조를 지니는 촉매를 사용하여 합성가스로부터 메탄올 및 디메틸에테르를 합성하는 경우에는 비교예 3 ∼ 5의 단일 다공성 구조의 촉매를 물리적으로 혼합하여 사용하는 경우보다 수성 반응에 의한 이산화탄소로의 전환율이 상당량 억제됨과 동시에 원하는 생성물인 메탄올과 디메틸에테르로의 선택도 향상이 가능함을 알 수 있다. 이는 실시예 1 ∼ 7에서 제조된 이중 세공의 다공성 구조를 갖는 촉매 및 비교예 1 ∼ 6에서 제조된 단순 혼합한 단일 세공구조 하에서 각각 메탄올 합성반응 및 탈수 반응을 수행하여 일산화탄소 전환율과 생성물 중의 이산화탄소의 선택도를 나타낸 도 1과, 실시예 1 및 5의 이중의 세공구조를 갖는 촉매와 비교예 1의 촉매의 BET 표면적과 기공분포도를 나타낸 도 3에서도 확인할 수 있다.
상기 도 3에서 보이는 바와 같이, 본원발명의 촉매는 이중 세공의 다공성 구조를 나타내며, 이를 본원발명은 상대적으로 작은 세공과 큰 세공의 수치로 나타낸것이다. 이때, 상기 수치를 구분은 두 최고점 사이의 최저점(20 ㎚) 을 경계로 구분하였다.
또한, 이중 세공의 다공성 구조를 지니는 촉매를 사용하더라도 비교예 1 ∼ 2와 같이 메탈옥사이드 조성이 본 발명에서 제시한 범위를 벗어나거나, 고표면적의 알루미나가 아닌 상업용 알루미나를 사용한 비교예 6에서 알 수 있듯이 원하는 MeOH 및 DME의 생성속도(수율)를 얻을 수 없음을 알 수 있다.
As shown in Table 1 above, when synthesizing methanol and dimethyl ether from synthesis gas using a catalyst having a double pore porous structure prepared according to the present invention, the catalyst of the single porous structure of Comparative Examples 3 to 5 was physically It can be seen that the conversion to carbon dioxide by the aqueous reaction is significantly suppressed compared with the case of mixing and using, and the selectivity to methanol and dimethyl ether, which is a desired product, can be improved. This was carried out by methanol synthesis and dehydration under the catalyst having a double pore porous structure prepared in Examples 1 to 7 and the simple mixed single pore structure prepared in Comparative Examples 1 to 6, respectively, It can also be seen in FIG. 1 showing the selectivity, and in FIG. 3 showing the BET surface area and pore distribution of the catalyst having the double pore structure of Examples 1 and 5 and the catalyst of Comparative Example 1. FIG.
As shown in FIG. 3, the catalyst of the present invention exhibits a porous structure of double pores, and the present invention is represented by numerical values of relatively small pores and large pores. At this time, the numerical value was divided into a boundary between the lowest point (20 nm) between the two highest points.
In addition, even when using a catalyst having a porous structure of a double pore, as shown in Comparative Examples 1 to 2, the metal oxide composition is out of the range shown in the present invention, or can be found in Comparative Example 6 using commercial alumina instead of alumina having a high surface area. As can be seen that the desired production rate (yield) of MeOH and DME can not be obtained.

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따라서, 기존에 알려진 각 촉매를 독립적으로 제조하여 소성 한 후의 촉매를 물리적으로 혼합하여 사용하는 경우에는 비교예 3 ∼ 5에서 알 수 있는 바와 같이 고체산 촉매 표면에서 수성가스 전환 반응이 용이하게 진행되어 일산화탄소로부터 이산화탄소로의 전환 반응이 현저하게 증가하므로, 이를 억제하기 위해서는 고표면적의 알루미나와 금속혼합용액을 이용한 공침법 또는 슬러리 상에서 제조하여 이중 세공의 다공성 구조를 지니는 촉매를 제한 후에 소성하여 사용하는 것이 메탄올 및 디메틸에테르의 수율 향상 및 반응 중에 이산화탄소의 생성 억제에 의한 유리한 면이 많이 존재하는 것으로 판단된다. 다음 도 2는 비교예 3에서 제조된 각각의 메탄올 합성 반응 및 탈수 반응용 촉매를 단순 혼합하여 활성 실험을 수행한 촉매의 개별적인 기공분포도를 나타낸 것으로 본 발명의 실시예와는 차이가 있음을 확인할 수 있다.Therefore, when each of the known catalysts are independently prepared and calcined, the catalysts are physically mixed and used, and as shown in Comparative Examples 3 to 5, the water gas shift reaction proceeds easily on the surface of the solid acid catalyst. Since the conversion reaction from carbon monoxide to carbon dioxide is significantly increased, in order to suppress this, it is necessary to calcinate and use a catalyst having a porous structure having a double pore structure by coprecipitation or slurry using a high surface area alumina and a metal mixed solution. It is believed that there are many advantageous aspects due to the improvement of the yield of methanol and dimethyl ether and the suppression of the production of carbon dioxide during the reaction. Next, Figure 2 shows the individual pore distribution of the catalyst for the activity experiments by simply mixing the respective catalysts for methanol synthesis and dehydration reaction prepared in Comparative Example 3 can be confirmed that there is a difference from the embodiment of the present invention have.

또한, 본 발명에서 제시한 합성 방법 중에서도 비교예 1 ∼ 2에서 알 수 있는 바와 같이 일정한 영역의 Cu-Zn-Al 활성성분의 조성에서 촉매를 제조하는 경우에만 합성가스로부터 메탄올 및 디메틸에테르로의 반응 활성이 우수한 촉매를 제조할 수 있음을 알 수 있는데, 이는 알루미나 성분의 증가에 메탄올 합성 촉매의 활성점 감소에 의한 MeOH 및 DME의 생성속도(수율) 감소 현상으로 판단된다.In addition, among the synthesis methods presented in the present invention, as shown in Comparative Examples 1 and 2, the reaction from syngas to methanol and dimethyl ether only when the catalyst was prepared in the composition of Cu-Zn-Al active ingredient in a constant region. It can be seen that it is possible to prepare a catalyst with excellent activity, which is thought to be a decrease in the production rate (yield) of MeOH and DME due to the increase of the alumina component and the decrease of the active point of the methanol synthesis catalyst.

본 발명에 따라 제조된 이중 세공의 다공성 촉매는 상기 예에 한정되는 것이 아니라 고정층, 유동층 반응기 및 슬러리 반응기 상에서 합성가스의 메탄올 및 디메틸에테르로의 전환 반응에 활용될 수 있다.The bi-porous porous catalyst prepared according to the present invention is not limited to the above examples but may be utilized for the conversion of syngas to methanol and dimethyl ether in a fixed bed, fluidized bed reactor, and slurry reactor.

이상에서 살펴본 바와 같이, 원유 가격 상승에 의한 고유가 시대가 향후 지속적으로 유지되는 상황하에서는 디메틸에테르의 대체연료로의 활용도 및 연료전지용 반응물 등으로의 활용이 급증할 것으로 예상되고 있다. 이러한 상황하에서는 합성가스로부터 디메틸에테르를 더욱 저렴하게 만들 수 있는 효율적인 1단 반응 공정용 혼성 촉매의 개발이 중요해지고 있으며, 본 발명에서는 기존에 보고된 제올라이트 및 고체산 촉매의 강산점을 조절하기 위하여 부가적인 촉매의 재처리 공정의 도입 없이도 본 발명에서 제시된 고표면적의 알루미나를 이용하여 이중 세공 구조의 촉매를 제조하여 사용함으로서 합성가스로부터 메탄올 및 디메틸에테르를 경제적으로 제조할 수 있는 방법을 제시하였다. As discussed above, under the situation that high oil prices continue to rise due to rising oil prices, the utilization of dimethyl ether as an alternative fuel and reactant for fuel cells is expected to increase rapidly. Under these circumstances, the development of an efficient one-stage hybrid catalyst that can make dimethyl ether from syngas more inexpensive becomes important. In the present invention, in order to control the strong acid point of the previously reported zeolite and solid acid catalyst, A method of economically preparing methanol and dimethyl ether from syngas by using a high pore area alumina proposed in the present invention without using a catalyst reprocessing process is proposed.

이와 함께, 상업용 촉매의 제조 관점에서는 일반적으로 상업용 불균일 촉매의 강도를 향상하기 위하여 성형 과정 중에 과량의 바인더를 사용하여 최종 촉매의 활성이 감소하거나 부산물이 변화하는 문제점이 있으나, 본 발명에서 제시한 알루미나는 바인더 및 촉매 작용을 동시에 할 수 있으므로 촉매 제조 스케일-업 과정에서 발생하는 문제가 최소화 될 수 있을 것으로 판단된다. In addition, from the viewpoint of the production of a commercial catalyst, in general, in order to improve the strength of the commercial heterogeneous catalyst, there is a problem in that the activity of the final catalyst is reduced or the by-products are changed by using an excess amount of binder during the molding process. Since the binder and the catalytic action can be performed at the same time, it is determined that the problems occurring during the scale-up process of the catalyst production can be minimized.

본 발명에서 제시한 이중 세공의 다공성 촉매는 반응물인 일산화탄소의 이산화탄소로의 수성가스 전환 반응을 억제하여 부산물의 생성을 최소화하므로 분리 비용 감소와 함께 고순도의 디메틸에테르를 경제적으로 얻을 수 있는 장점을 지니고 있다.The dual-porous porous catalyst proposed in the present invention has the advantage of economically obtaining high-purity dimethyl ether with separation cost reduction by minimizing the production of by-products by inhibiting the water gas conversion reaction of carbon monoxide to carbon dioxide. .

Claims (15)

CuO 30 ∼ 45 중량%, ZnO 25 ∼ 35 중량% 및 Al2O3 20 ∼ 45 중량%가 함유된 Cu-Zn-Al계 산화물의 다공성 촉매이며, 상기 촉매는 상대적으로 기공크기가 작은 세공(PS1)과 큰 세공(PS2)이 동시에 존재하는 이중 세공이 형성되어 있으며,It is a porous catalyst of Cu-Zn-Al oxide containing 30 to 45% by weight of CuO, 25 to 35% by weight of ZnO and 20 to 45% by weight of Al 2 O 3 , and the catalyst has a relatively small pore size (PS). 1 ) and double pores are formed at the same time with the large pores (PS 2 ), 상기 작은 세공(PS1)과 큰 세공(PS2)의 기공크기 범위가 아래와 같은 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 메탄올 및 디메틸에테르 동시 제조용 촉매 :Catalyst for simultaneous production of methanol and dimethyl ether, characterized in that the pore size range of the small pores (PS 1 ) and large pores (PS 2 ) is as follows: 2 ≤ PS1 ≤ 20 ㎚2 ≤ PS 1 ≤ 20 nm 20 < PS2 ≤ 100 ㎚20 <PS 2 ≤ 100 nm 제 1 항에 있어서, 상기 촉매의 전체 비표면적은 70 ∼ 180 ㎡/g 범위를 유지하는 것을 특징으로 하는 촉매.The catalyst according to claim 1, wherein the total specific surface area of the catalyst is maintained in the range of 70 to 180 m 2 / g. 제 1 항에 있어서, 상기 촉매는 2 ∼ 20 ㎚ 범위의 작은 기공은 기공도가 20 ∼ 65 %이고, 20 ∼ 100 ㎚ 범위의 큰 기공은 기공도가 35 ∼ 80 %인 것을 특징으로 하는 촉매.The catalyst of claim 1, wherein the small pore in the range of 2 to 20 nm has a porosity of 20 to 65%, and the large pore in the range of 20 to 100 nm has a porosity of 35 to 80%. 알코올계 유기용매에 용해된 알루미늄 알콕사이드 용액, pKa 값이 3.5 ∼ 5인 유기 카르복시산 및 물을 혼합한 후, 80 ∼ 130 ℃에서 가열하여 보헤마이트 졸을 제조하고, 용매를 제거하여 분말상의 보헤마이트를 제조하는 1단계;An aluminum alkoxide solution dissolved in an alcoholic organic solvent, an organic carboxylic acid having a pKa of 3.5 to 5 and water were mixed, and then heated at 80 to 130 ° C. to prepare a boehmite sol, and the solvent was removed to obtain a powdery boehmite. 1 step of manufacturing; 상기 1 단계에서 제조된 분말상의 보헤마이트가 포함된 현탁 수용액에, 구리 전구체, 아연 전구체 및 알루미늄 전구체가 포함된 Cu-Zn-Al 전구체 혼합물과 염기성 침전제를 가하여 pH 7 ∼ 8의 수용액하에서 공침, 숙성하여 형성된 침전물을 여과 및 세척하는 2단계; 및Coprecipitation and aging in an aqueous solution of pH 7-8 by adding a basic precipitant and a Cu-Zn-Al precursor mixture containing a copper precursor, a zinc precursor and an aluminum precursor to the suspension aqueous solution containing the powdered boehmite prepared in step 1 Filtering and washing the formed precipitate by two; And 상기 제조된 침전물을 200 ∼ 700 ℃ 범위에서 소성하는 3단계Three steps of firing the prepared precipitate in the range of 200 ~ 700 ℃ 를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 합성가스로부터 메탄올 및 디메틸에테르 동시 제조용 촉매의 제조방법.Method of producing a catalyst for the simultaneous production of methanol and dimethyl ether from a synthesis gas comprising a. 알코올계 유기용매에 용해된 알루미늄 알콕사이드 용액, pKa 값이 3.5 ∼ 5인 유기 카르복시산 및 물을 혼합한 후, 80 ∼ 130 ℃에서 가열하여 보헤마이트 졸을 제조하고, 용매를 제거하여 분말상의 보헤마이트를 제조하는 1단계;An aluminum alkoxide solution dissolved in an alcoholic organic solvent, an organic carboxylic acid having a pKa of 3.5 to 5 and water were mixed, and then heated at 80 to 130 ° C. to prepare a boehmite sol, and the solvent was removed to obtain a powdery boehmite. 1 step of manufacturing; 구리 전구체, 아연 전구체 및 알루미늄 전구체가 포함된 Cu-Zn-Al 전구체 혼합물이 함유된 수용액과 염기성 침전제를 가하여 pH 7 ∼ 8하에서 공침 및 숙성하여 형성된 침전물을 여과 및 세척하여 Cu-Zn-Al계 수산화물을 제조하는 2단계;Cu-Zn-Al hydroxide by filtering and washing the precipitate formed by coprecipitation and ripening at pH 7-8 by adding an aqueous solution containing a Cu-Zn-Al precursor mixture containing a copper precursor, a zinc precursor and an aluminum precursor and a basic precipitant. Preparing two steps; 상기 1단계에서 제조된 분말상의 보헤마이트와 상기 2단계에서 제조된 Cu-Zn-Al계 수산화물을 혼합하여 슬러리 수용액을 제조하고, 침전시켜 침전물을 여과 및 세척하는 3단계; 및Mixing the boehmite powder prepared in step 1 with the Cu-Zn-Al hydroxide prepared in step 2 to prepare an aqueous slurry solution, and then precipitate and filter and wash the precipitate by precipitation; And 상기 제조된 침전물을 200 ∼ 700 ℃ 범위에서 소성하는 4단계Four steps of firing the prepared precipitate in the range of 200 ~ 700 ℃ 를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 합성가스로부터 메탄올 및 디메틸에테르 동시 제조용 촉매의 제조방법.Method of producing a catalyst for the simultaneous production of methanol and dimethyl ether from a synthesis gas comprising a. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 분말상의 보헤마이트는 비표면적이 300 ∼ 800 ㎡/g 범위인 것을 특징으로 하는 제조방법.The production method according to claim 4 or 5, wherein the powdery boehmite has a specific surface area in the range of 300 to 800 m 2 / g. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 분말상의 보헤마이트를 400 ∼ 700 ℃의 온도에서 소성하여 비표면적이 300 ∼ 800 ㎡/g인 알루미나로 전환하는 단계가 추가로 포함되는 것을 특징으로 하는 제조방법.The method according to claim 4 or 5, further comprising the step of calcining the powdered boehmite at a temperature of 400 to 700 ℃ to convert to alumina having a specific surface area of 300 to 800 m 2 / g. Way. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 유기 카르복시산은 아세트산, 개미산 및 프로피온산 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 제조방법.6. The method according to claim 4 or 5, wherein the organic carboxylic acid is selected from acetic acid, formic acid and propionic acid. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 유기 카르복시산은 알루미늄 알콕사이드 용액 1 몰에 대하여 0.01 ∼ 1 몰비로 사용되는 것을 특징으로 하는 제조방법.The method according to claim 4 or 5, wherein the organic carboxylic acid is used in an amount of 0.01 to 1 mole per 1 mole of the aluminum alkoxide solution. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 물은 알루미늄 알콕사이드 용액 1 몰에 대하여 2 ∼ 12 몰비로 사용되는 것을 특징으로 하는 제조방법.The method according to claim 4 or 5, wherein the water is used in a ratio of 2 to 12 moles per 1 mole of the aluminum alkoxide solution. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 구리, 아연 또는 알루미늄의 전구체가 이들 금속의 아세트산염 및 질산염 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 제조방법.The production method according to claim 4 or 5, wherein the precursor of copper, zinc or aluminum is one or a mixture of two or more selected from acetates and nitrates of these metals. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 염기성 침전제는 탄산나트륨, 탄산칼륨 및 탄산수소나트륨 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 제조방법.6. The process according to claim 4 or 5, wherein the basic precipitant is selected from sodium carbonate, potassium carbonate and sodium hydrogen carbonate. 제 6 항에 있어서, 상기 Cu-Zn-Al 전구체 혼합물 1 중량에 대하여 분말상의 보헤마이트를 알루미나 기준으로 0.1 ∼ 1.0 중량비 범위로 사용하는 것을 특징으 로 하는 제조방법.The method according to claim 6, wherein the powdered boehmite is used in an amount of 0.1 to 1.0 weight ratio based on alumina, based on 1 weight of the Cu-Zn-Al precursor mixture. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 숙성은 50 ∼ 90 ℃에서 2 ∼ 20 시간동안 수행되는 것을 특징으로 하는 제조방법.The method according to claim 4 or 5, wherein the aging is carried out at 50 to 90 ° C for 2 to 20 hours. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 소성된 촉매의 조성은 CuO 30 ∼ 45 중량%, ZnO 25 ∼ 35 중량% 및 Al2O3 20 ∼ 45 중량%인 것을 특징으로 하는 제조방법.The process according to claim 4 or 5, wherein the composition of the calcined catalyst is 30 to 45 wt% of CuO, 25 to 35 wt% of ZnO and 20 to 45 wt% of Al 2 O 3 .
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