KR100870370B1 - Catalyst for manufacturing propanediol, method of manufacturing the same, and method of manufacturing propanediol using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 프로판디올 제조용 촉매, 그 제조 방법 및 이를 이용한 프로판디올의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 보다 낮은 온도 및 압력 조건에서 높은 수율로 프로판디올을 생산할 수 있는 프로판디올 제조용 촉매, 그 제조 방법 및 이를 이용한 프로판디올의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst for producing propanediol, a method for producing the same, and a method for producing propanediol using the same, and more particularly, a catalyst for producing propanediol, which can produce propanediol in high yield at lower temperature and pressure conditions, and a production thereof It relates to a method and a method for producing propanediol using the same.
산업화 이후, 전 세계적으로 에너지 자원으로써 석탄, 석유와 같은 화석연료의 사용량이 기하급수적으로 증가하여 왔다. 현재 사용하고 있는 기술 및 산업은 모두 화석 연료를 기반으로 세워지고 발전해왔다고 해도 무방할 것이다. 그러나 이러한 화석 연료 사용량의 급격한 증가는 많은 문제를 발생시키게 되었다. 그 문제 중의 하나는 매장량의 한계로써 세계적으로 매장된 화석 연료의 양은 이미 그 한계를 드러내고 있는 실정이다. 또한, 화석 연료의 사용은 공기 중 이산화탄소의 증가와 같은 많은 환경오염 문제를 일으키고 있다. 이러한 환경 오염의 증가로 인해 세계 각국은 현재 1997년 교토 의정서를 체결하여 이산화탄소의 배출량을 줄이 기 위하여 많은 노력을 기울이고 있다. 이러한 이유들로 인해 화석 연료를 대체할 수 있으면서 환경적으로 친화적인 에너지원의 개발에 많은 자원과 연구가 집중되고 있다. Since industrialization, the use of fossil fuels such as coal and oil as energy resources around the world has increased exponentially. All of the technologies and industries in use today have been built and developed on fossil fuels. However, the rapid increase in fossil fuel usage has caused many problems. One of the problems is the limit of reserves, and the amount of fossil fuel buried around the world is already showing its limits. In addition, the use of fossil fuels has caused many environmental pollution problems, such as the increase of carbon dioxide in the air. Due to this increase in environmental pollution, countries around the world are now making great efforts to reduce carbon dioxide emissions by signing the 1997 Kyoto Protocol. For these reasons, much resources and research are focused on the development of environmentally friendly energy sources that can replace fossil fuels.
이중 바이오디젤이 대체에너지원으로써 많은 관심을 받고 있다. 바이오디젤이란 식물 유래의 자원, 이를테면 유채씨, 콩기름, 폐식용류, 현미유와 같은 식물성 기름을 가공하여 만들 수 있는, 경유(디젤)와 물리적 특성이 같은 연료를 통칭한다. 바이오디젤은 일반 경유와 물리적 특성이 같기 때문에 현재 사용되고 있는 디젤 엔진에 바로 사용이 가능하고, 오염물질의 배출량이 적기 때문에 현재 각국은 바이오디젤의 사용량을 의무적으로 증가시키고 있으며, 대한민국도 이러한 추세에 발맞추어 바이오디젤의 사용량을 증가시키고 있다. Biodiesel has received a lot of attention as an alternative energy source. Biodiesel is a generic term for fuels with the same physical properties as diesel oil, which can be made from plant-derived resources such as rapeseed seeds, soybean oil, waste edibles, and vegetable oils such as brown rice oil. Because biodiesel has the same physical properties as diesel, it can be used directly in diesel engines that are currently being used. Due to the low emission of pollutants, countries are increasing mandatory use of biodiesel. Increasingly, biodiesel is being used.
바이오디젤은 식물 유래의 자원으로부터 전이에스테르화에 의한 지방산 메틸에스테르의 합성반응을 통해 제조된다. 이러한 바이오디젤 제조 공정의 경제성은 원료의 가격과 전이에스테르화 공정에 의해 좌우된다. 즉, 개선된 전이에스테르화 공정을 통해 바이오디젤의 수율을 향상시키거나 제조 공정에서 발생하는 부산물을 다른 고부가가치의 물질로 전환하여 경제성을 향상시킬 수 있다. Biodiesel is prepared through the synthesis of fatty acid methyl esters by transesterification from plant-derived resources. The economics of this biodiesel manufacturing process depend on the cost of the raw materials and the transesterification process. That is, the improved transesterification process may improve the yield of biodiesel or convert the by-products generated in the manufacturing process into other high value-added materials to improve economics.
전이에스테르화 반응에서 주요 부산물로 발생하는 글리세롤은 미용, 제약, 식품 등의 분야에서 사용되지만 산업적인 수요에 비해 공급되는 글리세롤의 양이 과도하게 많아 결국 그 가치가 폭락하게 된다. 이러한 이유로 바이오디젤의 부산물로 발생하는 글리세롤을 고부가가치의 다른 물질로 전환하는 작업은 1990년대 초부터 이미 시작되었으며, 현재 미국의 DuPont사에 의해서 글리세롤로부터 1,3-프로 판디올로 전환하는 공정에 대한 실용화가 추진되고 있다. 또한 의약품, 화장품의 중간체, 폴리에스터, 불포화폴리에스터의 합성원료 및 셀로판의 가소제로 사용되는 고부가가치의 1,2-프로판디올을 효율적으로 생산하는 공정의 필요성도 증대되고 있다.Glycerol, which is a major by-product of the transesterification reaction, is used in the fields of beauty, pharmaceuticals, foods, etc., but the amount of glycerol supplied is excessive compared to industrial demand, and the value thereof eventually collapses. For this reason, the conversion of glycerol, a by-product of biodiesel, into other high value materials has already begun since the early 1990s, and is currently being converted by glycerol to 1,3-propanediol by DuPont, USA. Commercialization is being promoted. In addition, there is an increasing need for a process for efficiently producing high value-added 1,2-propanediol used as a synthetic material for pharmaceuticals, cosmetic intermediates, polyesters and unsaturated polyesters, and as a plasticizer for cellophane.
글리세롤로부터 1,2-프로판디올을 생산하는 공정에 대하여 아직 국내에서는 보고된 바가 없다. 상기 공정은 생물학적 방법과 촉매를 이용한 화학적 방법으로 이룰 수 있다. 미합중국 특허 제7,049,109 B2호와 제6,727,088 B2호에서는 각각 미생물을 이용한 생물학적 방법을 통하여 1,2-프로판디올을 생산하는 공정을 보고하고 있다. 그러나, 생물학적 공정의 경우 높은 선택도를 얻을 수 있으나 반응 시간이 길고 공정을 유지하는데 많은 어려움이 있음을 보고를 통하여 알 수 있다. 촉매를 이용한 화학적인 방법에서는 아직 많은 시도들이 이루어지고 있지 않으며, 촉매계나 반응 공정에 대한 체계화가 아직 이루어지지 않았다. 미합중국 특허 제5,616,817호에서는 코발트, 구리, 망간, 몰리브덴이 섞여 있는 성분의 촉매를 제조하여 글리세롤을 1,2-프로판디올로 전환하고 있는데, 제시된 반응 조건은 100 ~ 700 기압의 고압 및 180 ~ 270℃ 온도 조건이며, 바람직한 반응 조건으로는 200 ~ 325 기압 및 200 ~ 270℃ 온도 조건이 제시되어 있다. 그러나, 이는 프로판디올의 생산에 있어서 상당히 가혹한 조건이다. No process has been reported in Korea yet for the production of 1,2-propanediol from glycerol. The process may be accomplished by a biological method and a chemical method using a catalyst. US Patent Nos. 7,049,109 B2 and 6,727,088 B2, respectively, report a process for producing 1,2-propanediol by biological methods using microorganisms. However, in the case of biological processes, high selectivity can be obtained, but it can be seen through reports that the reaction time is long and there are many difficulties in maintaining the process. Many attempts have not yet been made in chemical processes using catalysts, and there has not yet been a systematic system for catalyst systems or reaction processes. In US Pat. No. 5,616,817, a catalyst of cobalt, copper, manganese, and molybdenum is prepared to convert glycerol to 1,2-propanediol. The reaction conditions presented are 100 to 700 atmospheres of high pressure and 180 to 270 ° C. It is a temperature condition, and preferable reaction conditions are 200-325 atmospheres and 200-270 degreeC temperature conditions are shown. However, this is a fairly harsh condition for the production of propanediol.
또한 미합중국 특허공개 제2005/0244312호에는 글리세롤로부터 1,2-프로판디올을 제조하는 2단계 반응 과정을 제시하고 있다. 글리세롤로부터 하이드록시아세톤을 생산하는 탈수 반응과 하이드록시아세톤으로부터 1,2-프로판디올을 생산하는 수소화 반응의 2단계를 거쳐 글리세롤로부터 1,2-프로판디올을 생산한다는 것이다. 그러나 문헌에서 보고하고 있는 촉매는 상용 촉매로서 프로판디올의 제조에 사용할 수 있는 촉매 자체에 대한 기술을 제시하고 있지 않으며 고온 및 고압의 가혹한 조건 하에서만 반응이 이루어질 수 있어, 반응 조건의 효율성을 보다 높일 수 있는 촉매의 개발이 요구되고 있다. U.S. Patent Publication No. 2005/0244312 also discloses a two step reaction process for preparing 1,2-propanediol from glycerol. It is to produce 1,2-propanediol from glycerol through two stages: dehydration reaction to produce hydroxyacetone from glycerol and hydrogenation reaction to produce 1,2-propanediol from hydroxyacetone. However, the catalyst reported in the literature does not provide a description of the catalyst itself which can be used for the production of propanediol as a commercial catalyst, and the reaction can be performed only under severe conditions of high temperature and high pressure, thereby increasing the efficiency of the reaction conditions. There is a need for the development of a catalyst that can
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안한 것으로서, 하이드록시아세톤으로부터 프로판디올을 제조하는 반응 공정에 적용할 수 있는 촉매의 제조 방법을 제공함을 목적으로 한다. The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a method for producing a catalyst that can be applied to a reaction step for producing propanediol from hydroxyacetone.
본 발명은 또한 상기 제조 방법으로 제조된 프로판디올 제조용 촉매를 제공함을 목적으로 한다.The present invention also aims to provide a catalyst for producing propanediol prepared by the above production method.
본 발명은 또한 상기의 촉매를 이용하여 상대적으로 낮은 온도 및 압력 조건에서 높은 수율로 프로판디올을 제조하는 방법을 제공함을 목적으로 한다. The present invention also aims to provide a process for producing propanediol in high yield at relatively low temperature and pressure conditions using the above catalyst.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다. Technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본 발명의 일 특징에 따른 프로판디올 제조용 촉매의 제조 방법은 (A) 금속 전구체를 친수성 용매에 용해시켜 금속 전구체 용액을 준비하는 단계, (B) 금속 산화물을 상기 금속 전구체 용액에 혼합 및 교반하여, 상기 금속이 상기 금속 산화물에 담지된 금속 함유 담지체를 준비하는 단계, (C) 상기 친수성 용매를 증발시키는 단계, (D) 상기 금속 함유 담지체를 건조 및 분쇄하는 단계 및 (E) 상기 금속 함유 담지체를 소성하는 단계를 포함한다. 상기 프로판디올 제조용 촉매는 하이드록시아세톤(hydroxyacetone)을 1,2-프로판디올(1,2-propanediol)로 전환하기 위한 반응 공정에서 사용될 수 있다. Method for preparing a catalyst for producing propanediol according to an aspect of the present invention comprises the steps of (A) dissolving a metal precursor in a hydrophilic solvent to prepare a metal precursor solution, (B) by mixing and stirring the metal oxide in the metal precursor solution, Preparing a metal-containing carrier in which the metal is supported on the metal oxide, (C) evaporating the hydrophilic solvent, (D) drying and pulverizing the metal-containing carrier, and (E) the metal-containing Firing the carrier. The catalyst for preparing propanediol may be used in a reaction process for converting hydroxyacetone into 1,2-propanediol (1,2-propanediol).
상기 프로판디올 제조용 촉매의 제조 방법은 제조된 상기 촉매의 활성을 증가시키기 위하여 (F) 상기 촉매를 환원시키는 단계를 더 포함할 수 있다. The method for preparing the catalyst for producing propanediol may further include reducing the catalyst (F) to increase the activity of the prepared catalyst.
본 발명에서 상기 금속으로 루테늄(Ru), 백금(Pt), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd) 등의 귀금속을 사용하며, 상기 귀금속은 단독으로 또는 2 이상의 조합으로 사용할 수 있다. 상기 친수성 용매로는 에탄올, 부탄올 및 물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 용매를 사용할 수 있다. 상기 금속 산화물은 알루미나, 실리카, 타이타니아, 지르코니아를 사용하며, 상기 금속 산화물은 단독으로 또는 2 이상의 조합으로 사용할 수 있다. 특히 상기 금속 산화물로서 감마상 알루미나를 사용할 수 있다. In the present invention, a metal such as ruthenium (Ru), platinum (Pt), rhodium (Rh), palladium (Pd) may be used as the metal, and the precious metal may be used alone or in combination of two or more. As the hydrophilic solvent, at least one solvent selected from the group consisting of ethanol, butanol and water may be used. The metal oxide may be alumina, silica, titania, zirconia, and the metal oxide may be used alone or in combination of two or more. In particular, gamma alumina can be used as the metal oxide.
상기 금속은 상기 금속 함유 담지체의 총 중량 대비 0.5 내지 10 중량%, 바람직하게는 3 내지 5 중량%의 함량을 갖는다. The metal has a content of 0.5 to 10% by weight, preferably 3 to 5% by weight relative to the total weight of the metal-containing support.
상기 소성 단계(E)는 공기 분위기 하 및 300 내지 1000℃의 온도 범위 내에서 이루어진다. The firing step (E) takes place in an air atmosphere and in a temperature range of 300 to 1000 ° C.
상기 환원 단계(F)는 수소 분위기 하 및 50 내지 400℃의 온도 범위 내에서 이루어진다. The reduction step (F) is carried out in a hydrogen atmosphere and in the temperature range of 50 to 400 ℃.
본 발명의 일 특징에 따른 프로판디올 제조용 촉매는 금속 산화물 90 내지 99.5 중량% 및 상기 금속 산화물에 담지된 귀금속 0.5 내지 10 중량%를 포함하고, 하이드록시아세톤을 프로판디올로 전환하기 위한 반응 공정에서 사용된다. 상기 프로판디올은 구체적으로 1,2-프로판디올을 포함한다.The catalyst for producing propanediol according to an aspect of the present invention comprises 90 to 99.5 wt% of a metal oxide and 0.5 to 10 wt% of a noble metal supported on the metal oxide, and is used in a reaction process for converting hydroxyacetone to propanediol. do. The propanediol specifically includes 1,2-propanediol.
상기 귀금속은 루테늄(Ru), 백금(Pt), 로듐(Rh) 및 팔라듐(Pd)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 귀금속인 것을 특징으로 한다. 상기 금속 산화물은 알루미나, 실리카, 타이타니아 및 지르코니아로 이루어진 군으로부터 적어도 하나 선택되는 것을 특징으로 한다. The precious metal is at least one precious metal selected from the group consisting of ruthenium (Ru), platinum (Pt), rhodium (Rh) and palladium (Pd). The metal oxide is characterized in that at least one selected from the group consisting of alumina, silica, titania and zirconia.
본 발명의 일 특징에 따른 프로판디올의 제조 방법은 반응기 내에 하이드록시아세톤 및 상기 프로판디올 제조용 촉매를 투입하는 단계, 상기 하이드록시아세톤 및 상기 촉매를 교반시키면서, 상기 반응기 내에 수소 기체를 공급하는 퍼지(purging) 단계 및 상기 반응기 내부를 80 내지 200℃의 온도 및 10 내지 100 기압으로 유지시켜 상기 하이드록시아세톤을 수소와 반응시키는 수소화 반응 단계를 포함한다. In the method for preparing propanediol according to an aspect of the present invention, a step of introducing hydroxyacetone and a catalyst for preparing propanediol into a reactor, agitation of the hydroxyacetone and the catalyst, and a purge for supplying hydrogen gas into the reactor ( purging) and a hydrogenation step of maintaining the inside of the reactor at a temperature of 80 to 200 ° C. and 10 to 100 atm to react the hydroxyacetone with hydrogen.
상기 반응기 내에서 상기 촉매는 상기 하이드록시아세톤 100 중량부 대비 0.1 내지 10 중량부 포함되는 것을 특징으로 한다. 촉매의 양이 많아질수록 프로판디올의 수율을 높일 수 있으나, 경제성 등을 고려할 때, 상기 촉매의 양은 하이드록시아세톤 100 중량부 대비 0.1 내지 10 중량부, 바람직하게는 1 내지 5 중량부이다. The catalyst in the reactor is characterized in that it comprises 0.1 to 10 parts by weight relative to 100 parts by weight of the hydroxyacetone. As the amount of the catalyst increases, the yield of propanediol may be increased. However, in consideration of economical efficiency, the amount of the catalyst is 0.1 to 10 parts by weight, preferably 1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of hydroxyacetone.
상기 반응기로는 회분식 반응기(batch reactor)를 사용한다. The reactor uses a batch reactor (batch reactor).
상기 퍼지 단계는 10 내지 60분 동안 수행되며, 바람직하게는 대략 30분 동안 수행된다. 하이드록시아세톤의 경우 반응성이 좋은 화합물로써 공기 중에서는 프로판디올을 제조하고자 하는 본 발명의 목적과는 다른 경로로 반응이 진행될 수 있다. 따라서, 상기의 퍼지 과정을 거치는 것이 필요하다. 퍼지 과정에 사용되는 기체는 반응성이 없는 질소, 아르곤, 헬륨 등이 사용될 수 있으나, 추후 프로판디올을 제조하기 위한 공정에서 반응 기체로 사용되는 수소를 퍼지 과정에서도 사용하는 것이 바람직하다. 다만 본 발명은 이에 한정되지 않으며 상기 퍼지 과정에서 수소 기체뿐만 아니라 질소, 아르곤, 헬륨 기체를 단독으로 또는 2 이상의 종류를 혼합하여 사용할 수도 있다. The purge step is carried out for 10 to 60 minutes, preferably for about 30 minutes. In the case of hydroxyacetone, the reaction may proceed in a different route from the object of the present invention to produce propanediol in the air as a compound having good reactivity. Therefore, it is necessary to go through the above purge process. As the gas used in the purge process, nitrogen, argon, helium, or the like, which is not reactive, may be used, but it is preferable to use hydrogen, which is used as a reaction gas in a process for preparing propanediol, in the purge process. However, the present invention is not limited thereto, and in the purge process, not only hydrogen gas, but also nitrogen, argon, and helium gas may be used alone or in combination of two or more kinds thereof.
상기 퍼지 단계가 완료된 후에는 반응기의 내부를 소정의 압력 및 온도 범위로 승압 및 승온하여, 수소화 반응 단계를 진행한다. 상기 수소화 반응에서 반응 온도가 너무 낮게 되면 프로판디올의 제조 효율이 낮아지게 되므로, 상기 반응 온도는 80 내지 200℃, 바람직하게는 140 내지 180℃가 효율적이다. 반응 온도가 80℃보다 낮으면 하이드록시아세톤의 전환율이 낮아지고, 200℃보다 높으면 선택도가 떨어지고 에너지 효율 면에서 바람직하지 않기 때문에, 상기 반응 온도는 80 내지 200℃ 범위 내의 값을 유지한다. 전환율 및 선택도에 대한 설명은 하기 표 1에서 후술하기로 한다. After the purge step is completed, the inside of the reactor is elevated and heated to a predetermined pressure and temperature range, and the hydrogenation reaction step is performed. When the reaction temperature is too low in the hydrogenation reaction, the production efficiency of propanediol is lowered, the reaction temperature is 80 to 200 ℃, preferably 140 to 180 ℃ is efficient. If the reaction temperature is lower than 80 ° C., the conversion of hydroxyacetone is lowered, and if it is higher than 200 ° C., the selectivity is lowered and is not preferable in terms of energy efficiency, so that the reaction temperature maintains a value in the range of 80 to 200 ° C. Description of the conversion rate and selectivity will be described later in Table 1 below.
수소화 반응에서의 반응 압력도 마찬가지의 이유로 10 내지 150 기압, 바람직하게는 30 내지 80 기압을 유지하는 것이 적당하다. 상기 수소화 반응 단계는 하이드록시아세톤으로부터 프로판디올로의 전환이 충분하게 일어날 수 있도록 6 내지 48시간 동안 수행되며, 바람직하게는 12 내지 14시간 동안 수행된다. 제조된 최종 생성물인 프로판디올은 가스 크로마토그래피를 통하여 확인할 수 있다. For the same reason, the reaction pressure in the hydrogenation reaction is appropriately maintained at 10 to 150 atmospheres, preferably 30 to 80 atmospheres. The hydrogenation step is carried out for 6 to 48 hours, preferably 12 to 14 hours so that a sufficient conversion of hydroxyacetone to propanediol can occur. Propanediol, the final product prepared, can be identified through gas chromatography.
본 발명에 의한 프로판디올 제조용 촉매는 소량의 귀금속 함량을 가지면서도 높은 수율의 프로판디올을 제조할 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 프로판디올 제조용 촉매를 이용하여 하이드록시아세톤으로부터 수소화 반응을 통해 프로판디올을 제조할 경우, 상대적으로 낮은 압력 및 낮은 온도 조건에서도 효율적으로 반응이 진행될 수 있어 프로판디올 제조 공정의 경제성, 안전성, 효율성을 높일 수 있다.The catalyst for producing propanediol according to the present invention can produce a high yield of propanediol while having a small amount of precious metal content. In addition, when the propanediol is prepared by the hydrogenation reaction from hydroxyacetone using the catalyst for producing propanediol according to the present invention, the reaction can proceed efficiently under relatively low pressure and low temperature conditions, so the economic efficiency of the propanediol manufacturing process To increase safety, efficiency.
본 발명은 하이드록시아세톤으로부터 프로판디올을 제조하는 공정에서, 하이드록시아세톤의 수소화 반응을 위한 촉매 및 그 제조 방법을 제공한다. 특히, 낮은 압력과 온도 조건에서도 높은 수율을 얻을 수 있는 프로판디올 제조용 촉매를 제공하며, 이를 이용한 프로판디올의 제조 방법을 제공한다.The present invention provides a catalyst for the hydrogenation of hydroxyacetone and a method for producing the same in the process of producing propanediol from hydroxyacetone. In particular, it provides a catalyst for producing propanediol, which can obtain a high yield even under low pressure and temperature conditions, and provides a method for producing propanediol using the same.
본 발명의 프로판디올 제조용 촉매의 제조 방법에 의하면, 우선 금속 전구체 용액을 준비한다. 상기 금속 전구체 용액은 금속 전구체를 친수성 용매에 용해시킨 것으로서, 상기 금속 전구체는 용액 내에서 용해되어 금속 이온을 제공하는 화합물이다. 상기 금속으로는 루테늄, 백금, 로듐, 팔라듐 등의 귀금속을 사용하며, 본 발명에서 고수율과 높은 선택도를 얻기 위하여는 루테늄이 가장 바람직하다.According to the method for producing a catalyst for producing propanediol of the present invention, a metal precursor solution is first prepared. The metal precursor solution is a compound in which a metal precursor is dissolved in a hydrophilic solvent, and the metal precursor is a compound that dissolves in the solution to provide metal ions. Precious metals such as ruthenium, platinum, rhodium and palladium are used as the metal, and ruthenium is most preferable in order to obtain high yield and high selectivity in the present invention.
상기 금속 전구체 용액에 금속 산화물을 혼합하여 교반시킨다. 상기 금속 산화물로는 감마상 알루미나를 사용한다. 감마상 알루미나를 금속 전구체 용액에 투입한 후 격렬하게 교반시켜 상기 금속이 감마상 알루미나에 고르게 분산되면서 담지되어 금속 함유 담지체가 제조되도록 한다. 담지되는 금속의 함량은 상기 금속 함유 담지체의 총 중량 대비 0.5 내지 10 중량%, 바람직하게는 3 내지 5 중량%가 되도록 한다.A metal oxide is mixed and stirred in the metal precursor solution. Gamma alumina is used as the metal oxide. After the gamma alumina is added to the metal precursor solution, the mixture is vigorously stirred so that the metal is supported while being evenly dispersed in the gamma alumina to prepare a metal-containing support. The content of the supported metal is 0.5 to 10% by weight, preferably 3 to 5% by weight relative to the total weight of the metal-containing support.
다음으로, 상기 친수성 용매를 증발시킨 후, 금속 함유 담지체를 건조, 분쇄하여 분말 형태로 만들고, 상기 분말 형태의 금속 함유 담지체를 소성하면 프로판디올 제조용 촉매가 제조된다. 상기 촉매의 활성을 증가시키기 위하여 상기 제조된 촉매를 환원시킬 수 있다. 상기 환원 단계는 수소 가스를 소정의 속도로 공급하면서 이루어질 수 있으며, 수소 가스와 헬륨, 아르곤, 질소 가스 등이 혼합된 가스를 공급하면서 이루어질 수도 있다.Next, after evaporating the hydrophilic solvent, the metal-containing carrier is dried and pulverized to form a powder, and the powder-containing metal-containing carrier is calcined to prepare a catalyst for producing propanediol. The prepared catalyst may be reduced to increase the activity of the catalyst. The reduction step may be performed while supplying hydrogen gas at a predetermined rate, or may be performed while supplying a gas in which hydrogen gas and helium, argon, nitrogen gas, and the like are mixed.
상기 프로판디올 제조용 촉매를 이용한 프로판디올의 제조 과정은 다음과 같다. 상기 촉매를 하이드록시아세톤과 함께 회분식 반응기 내에 투입하고 완전히 밀폐하여 준다. 다음으로, 격렬한 교반과 함께 10분 내지 60분 동안 퍼지 과정을 수행한다. 퍼지 과정이 끝난 후, 반응기 내부의 온도 및 압력을 올려 수소화 반응 단계를 진행하게 되며, 상기 수소화 반응 단계를 거치게 되면 프로판디올이 제조된다.The production process of propanediol using the catalyst for producing propanediol is as follows. The catalyst is added to the batch reactor together with hydroxyacetone and completely sealed. Next, the purge process is carried out for 10 to 60 minutes with vigorous stirring. After the purge process is completed, the temperature and pressure in the reactor are raised to proceed with the hydrogenation reaction, and when the hydrogenation reaction is performed, propanediol is prepared.
이하 실시예를 통하여 본 발명에 따른 프로판디올 제조용 촉매 및 프로판디올의 제조 방법을 더욱 상세하게 설명하나, 하기 실시예는 본 발명을 보다 더 구체적으로 설명하기 위한 예시적인 것으로서, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the catalyst for producing propanediol and the method for preparing propanediol according to the present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the following examples are provided to illustrate the present invention in more detail. It is not limited to an Example.
[실시예 1]Example 1
i) 프로판디올 제조용 촉매의 제조 i) Preparation of Catalysts for Propanediol Preparation
루테늄 전구체로써 RuCl3·3H2O를 사용하였다. 1.29g의 RuCl3·3H2O을 150mL 의 에탄올에 용해시켜 루테늄 전구체 용액을 준비하였다. 감마상 알루미나 10g을 상기 루테늄 전구체 용액에 투입하고, 격렬하게 교반하였다. 증발기(evaporator)에 상기 루테늄 전구체 용액을 넣고 계속 교반해주면서 에탄올을 증발시켜 루테늄 함유 담지체를 얻었다. 이후 상기 루테늄 함유 담지체를 건조기에서 건조한 후, 고른 입자가 되도록 분쇄하였다. 상기 분쇄된 입자를 공기 분위기 하에서 500℃로 6시간 동안 소성하였다.RuCl 3 · 3H 2 O was used as the ruthenium precursor. 1.29 g of RuCl 3 · 3H 2 O was dissolved in 150 mL of ethanol to prepare a ruthenium precursor solution. 10 g of gamma alumina was added to the ruthenium precursor solution and stirred vigorously. The ruthenium precursor solution was placed in an evaporator and ethanol was evaporated while stirring was continued to obtain a ruthenium-containing carrier. Thereafter, the ruthenium-containing carrier was dried in a dryer, and then ground to have even particles. The pulverized particles were calcined at 500 ° C. for 6 hours under an air atmosphere.
상기 소성 단계를 거친 후, 프로판디올 제조용 촉매로서 루테늄이 담지된 촉매가 제조되었다. 소성 전 루테늄 함유 담지체에 대한 X선 회절분석(XRD) 결과는 도 1의 (a)에 나타나 있으며, 소성 후 제조된 촉매에 대한 X선 회절분석(XRD) 결과는 도 1의 (b)에 나타나 있다. 도 1에서 (a) 소성 전에는 '▼' 피크로부터 감마 알루미나 상을 확인할 수 있으며, (b)에서는 '●' 피크로부터 산화 루테늄(RuO2) 상을 확인할 수 있다.After the calcination step, a catalyst carrying ruthenium was prepared as a catalyst for preparing propanediol. X-ray diffraction (XRD) results of the ruthenium-containing carrier before firing are shown in FIG. 1 (a), and X-ray diffraction (XRD) results of the catalyst prepared after firing are shown in FIG. Is shown. In FIG. 1, before the firing (a), the gamma alumina phase can be identified from the '▼' peak, and the ruthenium oxide (RuO 2 ) phase can be identified from the '●' peak in (b).
ii) 프로판디올 제조용 촉매의 환원ii) reduction of the catalyst for producing propanediol
상기 촉매 1g을 튜브형 반응기에 충전시키고 10% H2/N2 혼합 기체를 1분당 200mL씩 흘려주면서 서서히 승온하였다. 온도가 200℃에 도달되면, 상기 온도를 일정하게 4시간 동안 유지시켰다. 환원된 촉매에 대한 X선 회절분석(XRD) 결과는 도 1의 (c)에 나타나 있다. 도 1의 (c)에서 '◆'피크로부터 루테늄(Ru) 상을 확인할 수 있다. 이는 ii)에서 제조된 촉매 내에 포함된 산화 루테늄이 루테늄으로 환원된 것이며, 본 실시예에서 감마 알루미나에 루테늄이 함지된 촉매를 제조하였음 을 알 수 있다. 1 g of the catalyst was charged into a tubular reactor, and the temperature was gradually raised while flowing 10 mL of H 2 / N 2 gas at 200 mL per minute. When the temperature reached 200 ° C., the temperature was kept constant for 4 hours. X-ray diffraction (XRD) results for the reduced catalyst are shown in FIG. In (c) of Figure 1 can be confirmed the ruthenium (Ru) phase from the '◆' peak. This means that ruthenium oxide contained in the catalyst prepared in ii) was reduced to ruthenium, and it can be seen that in this embodiment, a catalyst containing ruthenium in gamma alumina was prepared.
iii) 프로판디올의 제조iii) preparation of propanediol
상기의 환원 과정으로 활성화된 촉매 1g을 회분식 반응기에 순도 90% 이상의 하이드록시아세톤 50g과 함께 투입한 후, 상기 반응기를 밀폐하였다. 다음으로, 퍼지 과정을 위하여 상기 반응기 내부를 교반시키면서 1분당 50mL의 수소를 30분 동안 공급하였다. 퍼지 과정이 끝난 후, 수소를 공급하여 반응기 내부의 압력을 80 기압으로 올리면서 반응기의 내부 온도를 100℃까지 승온하였다. 이 후, 반응기 내부의 압력은 80 기압으로, 반응 온도는 100℃로 일정하게 유지시키고 격렬하게 교반시켜 주면서 12시간 동안 수소화 반응을 진행하였다. 상기 수소화 반응이 끝난 후 최종 생성물의 수율은 하기 표 1에 정리하였다. 1 g of the catalyst activated by the above reduction process was added to a batch reactor together with 50 g of hydroxyacetone having a purity of 90% or more, and then the reactor was sealed. Next, 50 mL of hydrogen per minute was supplied for 30 minutes while stirring the inside of the reactor for the purge process. After the purge process was completed, the temperature of the reactor was increased to 100 ° C. while supplying hydrogen to raise the pressure inside the reactor to 80 atm. Thereafter, the pressure inside the reactor was 80 atm, the reaction temperature was maintained constant at 100 ℃ and vigorously stirred while the hydrogenation reaction proceeded for 12 hours. After the end of the hydrogenation reaction, the yield of the final product is summarized in Table 1 below.
[실시예 2]Example 2
실시예 1의 i), ii)와 동일한 방법으로 촉매를 제조하였다. 다음으로, iii) 단계에서 반응 온도를 120℃로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 최종 생성물을 얻었다. 최종 생성물의 수율은 하기 표 1에 정리하였다.A catalyst was prepared in the same manner as in Example 1 i) and ii). Next, the final product was obtained in the same manner as in Example 1 except that the reaction temperature was changed to 120 ° C. in step iii). The yield of the final product is summarized in Table 1 below.
[실시예 3]Example 3
실시예 1의 i), ii)와 동일한 방법으로 촉매를 제조하였다. 다음으로, iii) 단계에서 반응 온도를 140℃로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 최종 생성물을 얻었다. 최종 생성물의 수율은 하기 표 1에 정리하였다.A catalyst was prepared in the same manner as in Example 1 i) and ii). Next, the final product was obtained in the same manner as in Example 1 except that the reaction temperature was changed to 140 ° C. in step iii). The yield of the final product is summarized in Table 1 below.
[실시예 4]Example 4
실시예 1의 i), ii)와 동일한 방법으로 촉매를 제조하였다. 다음으로, iii) 단계에서 반응 온도를 180℃로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 최종 생성물을 얻었다. 최종 생성물의 수율은 하기 표 1에 정리하였다. 또한, 실시예 4에 의해 제조된 최종 생성물을 가스 크로마토그래피로 분석한 결과는 도 2의 그래프에 나타나 있다. 도 2에 의해 하이드록시아세톤으로부터 1,2-프로판디올과 부산물(byproduct)이 생성되었음을 확인할 수 있다. A catalyst was prepared in the same manner as in Example 1 i) and ii). Next, the final product was obtained in the same manner as in Example 1 except that the reaction temperature was changed to 180 ° C. in step iii). The yield of the final product is summarized in Table 1 below. In addition, the results of gas chromatography analysis of the final product prepared in Example 4 is shown in the graph of FIG. 2, it can be seen that 1,2-propanediol and byproducts were produced from hydroxyacetone.
상기 표 1에서 전환율은 수소화 반응으로 하이드록시아세톤이 다른 화합물로 전환된 비율을 나타내며, 선택도는 전환된 화합물 중 프로판디올이 차지하는 비율을 나타낸다. 수율은 하이드록시아세톤에서 프로판디올로 전환된 비율을 나타내며, 상기 전환율과 상기 선택도의 곱에 해당되는 값이다. In Table 1, the conversion rate represents the rate at which hydroxyacetone is converted to another compound by the hydrogenation reaction, and the selectivity indicates the ratio of propanediol to the converted compound. Yield represents the ratio converted from hydroxyacetone to propanediol and is the value corresponding to the product of the conversion and the selectivity.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.As described above, although the present invention has been described with reference to limited embodiments and drawings, the present invention is not limited to the above embodiments, and those skilled in the art to which the present invention pertains various modifications and variations from such descriptions. This is possible. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the claims below but also by the equivalents of the claims.
본 발명의 프로판디올 제조용 촉매는 소량의 귀금속 함량으로도 하이드록시아세톤의 수소화 과정을 효율적으로 진행할 수 있어, 대량 생산에 활용될 수 있으며, 특히 기존에 비해 낮은 압력 및 온도 조건에서도 높은 수율의 프로판디올을 생산할 수 있어, 그 활용이 기대된다. The catalyst for preparing propanediol of the present invention can efficiently proceed the hydrogenation process of hydroxyacetone even with a small amount of precious metal, and can be utilized for mass production, and especially high yield of propanediol even at low pressure and temperature conditions compared to the conventional one. We can produce, and the utilization is expected.
도 1은 실시예 1에 의해 제조된 루테늄 함유 담지체에 대한 X선 회절 결과(a), 소성 후 제조된 촉매에 대한 X선 회절 결과(b) 및 환원 후 제조된 촉매에 대한 X선 회절 결과(c)를 나타내는 그래프이다. FIG. 1 shows X-ray diffraction results of the ruthenium-containing carrier prepared in Example 1 (a), X-ray diffraction results of the catalyst prepared after firing (b), and X-ray diffraction results of the catalyst prepared after reduction It is a graph which shows (c).
도 2는 실시예 4에 의해 하이드록시아세톤으로부터 1,2-프로판디올로의 전환 공정이 끝난 후의 최종 생성물에 대한 가스 크로마토그래피 결과를 나타내는 그래프이다. FIG. 2 is a graph showing gas chromatography results for the final product after the conversion process from hydroxyacetone to 1,2-propanediol in Example 4. FIG.
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