KR100885497B1 - Process for the reduction of sulfur- or nitrogen-containing compounds and the produciton of useful oxygenates from hydrocarbon materials via selective oxidation in a single step - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄화수소 기질의 선택산화 방법에 관한 것이며, 좀 더 구체적으로 본 발명은 Mn+/제1용매 또는 M1 n+/제2용매와 M2 m+/제3용매의 혼합촉매로 표현되는 균일촉매 및 산화제의 존재 하에서 탄화수소 기질을 산화처리함으로써 휘발유 또는 경유와 같은 수송연료유를 포함하는 탄화수소 기질 내에 세탄가 또는 옥탄가 증진제로 작용하는 유용한 함산소 화합물을 다량으로 또는 원하는 양만큼 조절해서 생산해낼 뿐만 아니라, 동시에 탈질과 탈황을 직접 수행하거나 적어도 제거가 용이한 황 또는 질소 함유 전구체로 변환시킬 수 있는 탄화수소 기질의 선택산화 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for the selective oxidation of a hydrocarbon substrate, and more specifically, the present invention is a homogeneous catalyst represented by a mixed catalyst of M n + / first solvent or M 1 n + / second solvent and M 2 m + / third solvent And by oxidizing the hydrocarbon substrate in the presence of an oxidizing agent, in addition to producing a large amount or controlled amount of useful oxygen-containing compounds that act as cetane or octane enhancers in hydrocarbon substrates including transport fuel oils such as gasoline or diesel. At the same time it relates to a process for the selective oxidation of hydrocarbon substrates which can be carried out directly at denitrification and desulfurization or at least converted into sulfur or nitrogen containing precursors which are easy to remove.
탈황, 탈질, 함산소 화합물, 세탄가, 옥탄가, 균일 촉매, 산화제, 선택산화 Desulfurization, denitrification, oxygenated compounds, cetane number, octane number, homogeneous catalyst, oxidant, selective oxidation
Description
도1은 각각 Mo(옥시란) 촉매 용액 및 TBHP을 이용하여 4,6-디메틸디벤조티오펜(4,6-DMDBT), 디벤조티오펜(DBT), 벤조티오펜(BT) 각각에 대해서 산화처리를 하여 시간의 흐름에 따라서 산화 정도를 나타낸 그래프이다(ㅁ: 4,6-DMDBT, ο: DBT, Δ: BT)..FIG. 1 shows 4,6-dimethyldibenzothiophene (4,6-DMDBT), dibenzothiophene (DBT), and benzothiophene (BT), respectively, using Mo (oxirane) catalyst solution and TBHP. Oxidation treatment is a graph showing the degree of oxidation over time (ㅁ: 4,6-DMDBT, ο: DBT, Δ: BT).
본 발명은 탄화수소 기질의 선택산화 방법에 관한 것이며, 좀 더 구체적으로 본 발명은 Mn+/제1용매 또는 M1 n+/제2용매와 M2 m+/제3용매의 혼합촉매로 표현되는 균일촉매 및 산화제의 존재 하에서 탄화수소 기질을 산화처리함으로써 휘발유 또는 경유와 같은 수송연료유를 포함하는 탄화수소 기질 내에 세탄가 또는 옥탄가 증진제로 작용하는 유용한 함산소 화합물을 다량으로 또는 원하는 양만큼 조절해서 생산해낼 뿐만 아니라, 동시에 탈질과 탈황을 직접 수행하거나 적어도 제거가 용이한 황 또는 질소 함유 전구체로 변환시킬 수 있는 탄화수소 기질의 선택산화 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for the selective oxidation of a hydrocarbon substrate, and more specifically, the present invention is a homogeneous catalyst represented by a mixed catalyst of M n + / first solvent or M 1 n + / second solvent and M 2 m + / third solvent And by oxidizing the hydrocarbon substrate in the presence of an oxidizing agent, in addition to producing a large amount or controlled amount of useful oxygen-containing compounds that act as cetane or octane enhancers in hydrocarbon substrates including transport fuel oils such as gasoline or diesel. At the same time it relates to a process for the selective oxidation of hydrocarbon substrates which can be carried out directly at denitrification and desulfurization or at least converted into sulfur or nitrogen containing precursors which are easy to remove.
석유와 같은 탄화수소 기질에는 티올, 설파이드, 디설파이드와 같이 일반적으로 불용성(refractory) 유황화합물로 불리는 안정한 화합물은 의외로 불안정하고 열처리 방법 또는 종래의 수소처리 공정에 의해서 쉽게 제거되는 단체황 및 지방족 유기황 등 황화합물이 존재한다. In hydrocarbon substrates such as petroleum, stable compounds, commonly referred to as refractory sulfur compounds, such as thiols, sulfides and disulfides, are surprisingly unstable and sulfur compounds such as simple sulfur and aliphatic organic sulfur that are easily removed by heat treatment or conventional hydrotreating processes. This exists.
이러한 황 화합물을 제거하기 위해 종래에 통상적으로 사용되고 있는 기술은 수소화 탈황 공정 또는 수소첨가(수첨) 탈황 공정(hydrodesulfurization; 이하 'HDS')인데, 이러한 HDS 공정의 기술은 전 세계의 정유회사 간의 치열한 경쟁 또는 학문적 연구에 의해서 현저하게 발전되었으며, 석유정유 회사들에게 있어서는 유럽, 미국 및 일본에서 시행하는 엄격한 대기오염 방지 법규에 부합하도록 황을 제거하기 위해 가장 중요한 공정이 되었다. Conventionally used techniques for removing such sulfur compounds are hydrodesulfurization or hydrodesulfurization (HDS), which is a fierce competition among oil companies around the world. Or, it has been markedly developed by academic research, and has become the most important process for oil refineries to remove sulfur in compliance with stringent air pollution control regulations in Europe, the United States, and Japan.
특히 EU 국가에 의해서 주도되듯이, 이미 몇몇 유럽 국가에서는 자동차 연료, 특히 가솔린에 있어서 황이 거의 제로 수준으로(10ppm S) 낮추는 기술을 목표로 삼고 있다. 이러한 목표를 달성하기 위해서는 매우 고도의 탈황 기술이 요구된다. 아래에 나타낸 바와 같이, 한국에서도 자동차연료 내의 황 함유량을 낮추는 방향으로 법규 강화가 가속화되고 있다.As already led by EU countries, some European countries are already aiming to reduce sulfur levels to near zero (10 ppm S) in automotive fuels, especially gasoline. To achieve this goal, very advanced desulfurization techniques are required. As shown below, regulations in Korea are accelerating towards lowering sulfur content in automotive fuels.
그러나 석유에 존재하는 황 성분의 화합물에는 제거가 용이한 화합물만 존재하는 것은 아니며, 제거가 매우 곤란하거나 불가능한 화합물, 예를 들어 일련의 티오펜계 화합물 및 그들의 축합 티오펜 유도체 등이 이에 포함된다. However, the sulfur-containing compounds present in petroleum are not only compounds that are easy to remove, but include compounds that are very difficult or impossible to remove, such as a series of thiophene-based compounds and their condensed thiophene derivatives.
구체적으로, 축합 티오펜 유도체 중에는 벤조티오펜이나 디벤조티오펜, 4-메틸디벤조티오펜, 및 특히 4,6-디메틸벤조티오펜과 같은 더욱 축합된 황 화합물 등이 가솔린, 디젤연료(diesel fuel), HDS 중간유분(middle distillates), 중유분(heavier fractions), 석유원유(petroleum crudes)의 잔사물(residual bottoms)에 존재하게 된다. 이러한 디벤조티오펜 또는 그 알킬 유도체는 소위 분리가 어려운(refractory) 황화합물로 불리고 있는데, 이는 고온(650℃)에서도 열적으로 안정하여, 통상의 HDS 정제공정에 의해서도 제거되기가 매우 어렵기 때문이다.Specifically, among the condensed thiophene derivatives, more condensed sulfur compounds such as benzothiophene, dibenzothiophene, 4-methyldibenzothiophene, and especially 4,6-dimethylbenzothiophene are used for gasoline and diesel fuels. fuel, HDS middle distillates, heavier fractions and residual bottoms of petroleum crudes. This dibenzothiophene or its alkyl derivatives are called so-called refractory sulfur compounds because they are thermally stable even at high temperatures (650 ° C.) and are very difficult to be removed by conventional HDS purification processes.
이러한 이유로 황 함량을 거의 제로로 낮추는 목표는 현재 가장 발전한 형태의 HDS 촉매 기술에 의해서도 달성하기 거의 불가능한데, 이는 위에서 설명한 바와 같이 현재의 HDS 공정에 포함된 근본적인 화학원리에 의해서는 본질적으로 극복이 어려운 문제가 있기 때문이다.For this reason, the goal of reducing the sulfur content to near zero is almost impossible to achieve even with the most advanced HDS catalyst technology at present, which is inherently difficult to overcome by the fundamental chemical principles involved in the current HDS process, as described above. Because there is a problem.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 많은 HDS 촉매가 실험적으로 보고되어 왔으나 이러한 기술들조차 지나치게 가혹한 HDS 공정을 요구하고 있어, 올레핀, 파라핀 및 다중고리(multi-ring) 화합물을 포함한 방향족 화합물과 같은 필수적인 탄화수소 성분이 지나치게 수소첨가(excessively hydrogenated)되어 고가의 수소를 엄청나게 다량으로 소비하게 된다는 또 다른 문제점을 유발하였다.In order to solve this problem, many HDS catalysts have been reported experimentally, but even these techniques require an excessively harsh HDS process, so essential hydrocarbon components such as aromatic compounds including olefins, paraffins and multi-ring compounds This excessively hydrogenated resulted in another problem: the consumption of enormous amounts of expensive hydrogen.
값비싼 수소가 다량 소비된다는 경제적인 문제점 이외에, 이의 결과로 기체 생성물과 과다로 수소첨가된 생성물이 다량 생성되고 HDS 생성물의 양은 상당히 줄어들게 되는데, 이는 상당한 양의 옥탄가(가솔린) 또는 세탄가(디젤)의 손실로 이어지는 결과를 낳게 된다. 그 결과 원하는 물리적 및 화학적 성질을 충족시키기 위해서는 (예를 들어 가솔린의 경우 옥탄가를 회복하고 개질 가솔린 및 미래의 산소처리된 디젤에 의해서 각각 요구되는 산소 함량을 충족시키기 위해서는) 크래킹 반응 및 특수한 함산소 화합물과의 혼합 과정과 같은 추가적인 공정들이 별도로 수행되어야 하는데, 결국 더 이상 실용적인 자동차 연료가 될 수 없다는 또 다른 심각한 문제점을 유발하고 있다.In addition to the economic problems of expensive hydrogen consumption, this results in the production of large amounts of gaseous products and excess hydrogenated products and a significant reduction in the amount of HDS products, which is a significant amount of octane (gasoline) or cetane (diesel). This results in loss. As a result, cracking reactions and specific oxygenated compounds to meet the desired physical and chemical properties (e.g. to recover octane numbers for gasoline and to meet the oxygen content required by reformed gasoline and future oxygenated diesel, respectively). Additional processes, such as mixing with, have to be carried out separately, which leads to another serious problem that can no longer be a practical vehicle fuel.
이러한 종래의 HDS 기술의 문제점들을 극복하기 위하여, 본 발명은 종래 제거 분리가 어려운(refractory) 황 화합물을 혁신적으로 제거하여 거의 황이 없는 초심도 탈황을 달성하고, 동시에 탈질까지도 수행하는 효과를 보이는 선택산화 방법을 제시하고 있다. 나아가, 종래의 HDS 기술이 옥탄가 또는 세탄가 손실을 유발하던 것과는 달리, 본 발명에 따른 선택산화 방법은 알릴릭 또는 벤질릭 탄화수소 기질을 선택적으로 산화시켜 옥탄가 또는 세탄가를 오히려 증진시키는 상승적 효과를 동시에 보인다는 점에 큰 의의가 있다.In order to overcome the problems of the conventional HDS technology, the present invention is innovative removal of the conventional refractory sulfur compounds to achieve the ultra-desulfurization of almost sulfur-free desulfurization, and at the same time the selective oxidation showing the effect of performing denitrification Here's how. Furthermore, unlike the conventional HDS technique causing octane or cetane loss, the selective oxidation process according to the present invention simultaneously shows a synergistic effect of selectively oxidizing allyllic or benzylic hydrocarbon substrates to enhance the octane or cetane number. There is great significance in this regard.
본 발명의 일 측면에 따르면, Mn+/제1용매 또는 M1 n+/제2용매와 M2 m+/제3용매의 혼합촉매로 표현되는 균일촉매 및 산화제의 존재 하에서 탄화수소 기질을 선택산화처리함으로써, 황 또는 질소 함유 화합물을 탈황 및 탈질이 용이한 황 또는 질소 함유 전구체로 전환시킴과 동시에 벤질릭 또는 알릴릭 화합물을 함산소 화합물로 전환시키는 단계를 포함하는 탄화수소 기질의 선택산화 방법에 관한 것이다. According to an aspect of the present invention, by selectively oxidizing a hydrocarbon substrate in the presence of a homogeneous catalyst and an oxidant represented by a mixed catalyst of M n + / first solvent or M 1 n + / second solvent and M 2 m + / thi solvent And converting a sulfur or nitrogen containing compound into a sulfur or nitrogen containing precursor which is easy to desulfurize and denitrate, and simultaneously converting a benzylic or allyl compound to an oxygenated compound.
이러한 선택산화 단계에 의해서 휘발유 옥탄가 및 경유의 세탄가를 증진시키는 작용을 하는 함산소 화합물이 다량으로 또는 원하는 양만큼 조절해서 생성될 뿐만 아니라, 제거가 상대적으로 용이한 황 또는 질소 함유 전구체로 전환이 일어나게 되므로, 위 선택산화 공정 이후에 탈황과 탈질을 위한 후처리 단계를 순차적으로 수행함으로써 초심도 탈황 및 탈질을 용이하게 달성할 수 있게 된다.This selective oxidation step not only produces a large amount or a desired amount of oxygenated compound which acts to promote gasoline octane number and diesel cetane number, but also converts into a sulfur or nitrogen containing precursor which is relatively easy to remove. Therefore, by performing the post-treatment step for desulfurization and denitrification sequentially after the above selective oxidation process, super-depth desulfurization and denitrification can be easily achieved.
황 함유 화합물이 효과적으로 제거되기 위해서는, 산화를 방해하는 입체영향을 우회하기 위하여 탈알킬화 및/또는 이성질화 반응, 즉 4- 및 6- 위치에서 다른 위치로 메틸기를 이동시키는 반응이 선행되어야 한다. 그런데, 4,6-디메틸디벤조티아펜과 같이 종래의 HDS 기술에서 문제가 되는 황 화합물들은 구조적으로 황 원자를 둘러싸는 4- 및 6- 위치의 2개의 메틸기에 의해 큰 입체영향을 받고 있어 탈황이 가장 어려운 화합물일 수밖에 없으며, 종래 HDS 기술의 근본적인 문제가 바로 이러한 근본적인 화학원리에 기인한다고 할 수 있다. 요컨대, 종래의 HDS 기술에 의해서는 가장 발전한 형태의 HDS 촉매를 사용해서도 황 함유량을 거의 제로로 낮 출 수 있는 실용적인 공정을 얻을 수 없다는 점에서, 종래의 HDS 기술은 경제적으로도 기술적으로도 치명적인 한계를 지니고 있다고 할 것이다.In order for sulfur-containing compounds to be effectively removed, dealkylation and / or isomerization reactions, ie, transfer of methyl groups from the 4- and 6-positions to other positions, must be preceded in order to bypass the steric effects that interfere with oxidation. However, sulfur compounds, such as 4,6-dimethyldibenzothiaphene, which are problematic in the conventional HDS technology, are largely influenced by two methyl groups in the 4- and 6-positions structurally surrounding sulfur atoms and thus desulfurized. This is the most difficult compound, and the fundamental problem of the conventional HDS technology can be said to be due to this fundamental chemical principle. In short, the conventional HDS technology is economically and technically fatal in that the most advanced form of HDS catalyst does not provide a practical process for lowering the sulfur content to almost zero. It will be said to have a limit.
반면, HDS 공정에 있어 4,6-디메틸디벤조티오펜의 구조에 의한 입체영향과는 달리, 기질분자의 4- 및 6- 위치에 있는 2개의 메틸기의 전자제공기능은 아래에서 보는 바와 같이 황원자에 전자밀도를 증가시키고, 따라서 황원자는 친전자성 공격, 예를 들어 산화반응을 받을 기능성이 훨씬 더욱 커지게 된다. On the other hand, in contrast to the steric effect of the 4,6-dimethyldibenzothiophene structure in the HDS process, the electron donating function of the two methyl groups in the 4- and 6-positions of the substrate molecule is sulfur atom as shown below. The electron density increases, so the sulfur atom becomes even more functional to undergo an electrophilic attack, for example an oxidation reaction.
따라서, 제거 분리가 어려운 황화합물, DBT 및 그 알킬 유도체는 선택적인 술폭시데이션 공정에 대해서 전통적인 HDS 반응에서 관찰되는 것과 반대되는 반응성 경향을 보인다. 즉, 4,6-디메틸디벤조티오펜과 같이 고온(460℃)에서도 안정하여 종래 HDS 기술에 의해서는 가혹 조건에서조차 제거 분리가 가장 어려웠던 황화합물은, 산화성 탈황(oxidative desulfurization; 이하 'ODS') 공정에서는 탈황이 가장 쉬운 기질이 되며, 아래에 이를 도식적으로 나타내었다.Thus, sulfur compounds, DBTs and their alkyl derivatives, which are difficult to remove, exhibit reactivity tendencies opposite to those observed in traditional HDS reactions for selective sulfoxidation processes. In other words, sulfur compounds, such as 4,6-dimethyldibenzothiophene, which are stable even at high temperatures (460 ° C.) and are difficult to remove even under severe conditions by conventional HDS technology, are oxidative desulfurization (ODS) processes. Desulfurization is the easiest substrate, and is shown schematically below.
이를 더욱 구체적으로 살펴보면, 비티오펜계 화화합물계의 경우에는 황화합물의 전자밀도가 위에 나타낸 것과 같이 디페닐설파이드 < 티오펜올 < 메틸 페닐 설파이드의 순서로 증가하며, 결과적으로 선택적인 산화 반응과 같은 친전자성 공격은 옥시란-용해성 Mo-촉매에서 황원자의 전자밀도에서 볼 수 있는 것과 동일한 경향으로 진행한다. 전이금속 이온을 포함하는 비슷한 균일촉매 시스템에서 일련의 티오펜계 유도체, 특히 통상 탈황 공정으로 제거 분리가 어려운 디벤조티오펜(DBT), 4-알킬디벤조티오펜 (4-MDBT) 및 4,6-디알킬디벤조티오펜 (4,6-DMDBT)의 선택적인 산화에도 역시 아래와 같이 동일한 화학원리가 적용될 수 있다.More specifically, in the case of non-thiophene-based compounds, the electron density of sulfur compounds increases in the order of diphenylsulfide <thiophenol <methyl phenyl sulfide as shown above, and consequently, Electronic attack proceeds in the same direction as seen in the electron density of sulfur atoms in oxirane-soluble Mo-catalysts. A series of thiophene derivatives, particularly dibenzothiophene (DBT), 4-alkyldibenzothiophene (4-MDBT) and 4, which are difficult to remove in a desulfurization process in similar homogeneous catalyst systems containing transition metal ions The same chemical principle can also be applied to the selective oxidation of 6-dialkyldibenzothiophene (4,6-DMDBT) as follows.
또한, 산소 원자와는 달리, S 원자는 일반적으로 그 산화상태를 쉽게 확장하여 여러 가지 산화물을 생성하는데, 예를 들어 DBT 유도체들은 다음에 표시한 바와 같이 먼저 부분적으로 산화되어 설폭사이드로 전환되었다가, 연속적으로 설폰으로 전환된다. 이러한 산화 정도에 따라 비점, 분자극성, 용매에 대한 용해도 등과 같은 물리, 화학적 성질이 크게 달라지게 되는데, 이러한 점을 이용하여 간단한 물리적 처리 방법, 여과분리, 분류, 열분해, 용매 선택 추출, 흡착 등의 방법을 이용하여 산화된 생성물을 용이하게 분리 제거할 수 있게 된다. 한편 염기와 같은 촉매를 사용하여 화학적 분해를 일으켜서 탈황을 할 수 있으며, 이에 대해서 아래에 도식적으로 나타내었다. In addition, unlike oxygen atoms, S atoms generally readily expand their oxidation state to produce various oxides, for example DBT derivatives are first partially oxidized and converted to sulfoxides as shown below. In turn, it is switched to sulfone continuously. Depending on the degree of oxidation, physical and chemical properties, such as boiling point, molecular polarity, and solubility in solvents, are greatly changed. By using these points, simple physical treatment methods, filtration separation, fractionation, pyrolysis, solvent selective extraction, and adsorption are used. The method allows for easy separation and removal of the oxidized product. On the other hand, desulfurization may be performed by chemical decomposition using a catalyst such as a base, which is shown schematically below.
이렇게 전환된 황 또는 질소 함유 전구체는 본 발명에서 제시된 여러 방법들을 순차적으로 수행시킴으로써 쉽게 탈황 또는 탈질시킬 수 있으며, 따라서 탈황, 탈질, 함산소 화합물 생성을 통한 세탄가 또는 옥탄가의 향상이라는 목적 또는 효과를 일거에 달성할 수 있다는 점에 본 발명의 의의가 있다. The sulfur or nitrogen-containing precursor thus converted can be easily desulfurized or denitrified by sequentially performing the various methods presented in the present invention, and thus, the purpose or effect of improving the cetane number or octane number through desulfurization, denitrification, and oxygenated compound generation may be achieved. The significance of the present invention is that it can be achieved.
즉, 본 발명의 선택산화 공정은 값비싼 H2를 대량으로 사용해야 한다는 종래HDS 공정의 문제점을 해결하기 위하여 비-수소(non-hydrogen) 공정으로서 산화적 탈황(oxidative desulfurization, ODS) 공정의 성격을 띠고 있는데, 친환경 규제로 휘발유에 2.0-2.7% 산소 함량이 이미 규정되어 있으며, 경유의 산소함량 규제 역시도 매우 빠른 시일 내에 시행될 긴박한 현 시점을 감안할 때, 탄화수소의 무차별 산화의 개념을 대체하여 오히려 조절된 산화를 선택적으로 달성하면서 휘발유의 옥탄가와 경유의 세탄가를 증진시킬 수 있는 함산소 화합물을 생성시킴과 동시에 초심도 탈황 및 탈질을 함께 병행할 수 있다는 점에, 본 발명의 가장 큰 의의가 있다고 할 것이다. That is, the selective oxidation process of the present invention is a non-hydrogen process in order to solve the problem of the conventional HDS process that requires the use of expensive H 2 in a large amount of characteristics of the oxidative desulfurization (ODS) process As the eco-friendly regulations have already defined 2.0-2.7% oxygen content in gasoline, and the regulation of oxygen content in diesel is also very fast, it is rather controlled to replace the concept of indiscriminate oxidation of hydrocarbons. The most significant aspect of the present invention is that it can simultaneously produce superoxide desulfurization and denitrification, while generating an oxygen compound that can selectively enhance the oxidation of gasoline and the cetane number of gasoline while selectively achieving oxidation. will be.
또한 위에서 설명한 바와 같이, 탈황과 탈질의 단계는 선택산화 단계와 순차적으로 수행될 수 있을 뿐만 아니라 탄화수소 기질의 산화처리와 동시에 수행될 수도 있을 뿐만 아니라 특정한 탄화수소 기질에서는 이러한 동시처리 방법이 상대적으로 더욱 우수한 작용효과를 보인다는 점도 확인하였다. In addition, as described above, the steps of desulfurization and denitrification can be performed not only sequentially with the selective oxidation step but also simultaneously with the oxidation treatment of the hydrocarbon substrate, and in particular hydrocarbon substrates, this simultaneous treatment method is relatively better. It was also confirmed that it shows an effect.
따라서 본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명의 균일촉매 및 산화제의 존재 하에서 이중상(biphasic)의 반응계에서 탄화수소 기질을 선택산화처리함으로써, 탄화수소 기질의 탈황 및 탈질을 수행함과 동시에 벤질릭 또는 알릴릭 화합물을 함산소 화합물로 전환시키는 단계를 포함하는 탄화수소 기질의 선택산화 방법에 관한 것이다.Therefore, according to another aspect of the present invention, by selectively oxidizing the hydrocarbon substrate in a biphasic reaction system in the presence of the homogeneous catalyst and the oxidizing agent of the present invention, the desulfation and denitrification of the hydrocarbon substrate and the benzylic or allyl compound It relates to a method for the selective oxidation of a hydrocarbon substrate comprising the step of converting to an oxygenated compound.
이를 구체적으로 설명하면, 황 함유 탄화수소, 질소 함유 탄화수소, 알릴릭 또는 벤질릭 탄화수소의 대표적인 모형 화합물로서 각각 DBT, 인돌(indole), 테트랄린(tetralin)을 선택하여 이중상(비극성/극성) 선택산화 반응을 수행함에 따라서, 생성되는 S 또는 N 함유 전구체 및 함산소 생성물이 수용액이나 식초산-물과 같은 극성용매 층으로 이동하게 되어 비교적 손쉽게 분리 또는 제거될 수 있게 되며, 이러한 공정의 반응기구를 다음에 도식적으로 나타내었다. Specifically, DBT, indole and tetralin are selected as representative model compounds of sulfur-containing hydrocarbons, nitrogen-containing hydrocarbons, allyllic or benzylic hydrocarbons, respectively, to select biphasic (non-polar / polar) selective oxidation. As the reaction is carried out, the resulting S or N-containing precursors and oxygenated products are transferred to a polar solvent layer such as an aqueous solution or vinegar-water, which can be relatively easily separated or removed. Schematically shown in.
한편, 만일 탄화수소 기질에 일정량 이상의 질소 함유 화합물이 존재하는 경우 때에 따라서 선택산화 반응을 방해하는 요소로도 작용할 수가 있으며, 따라서 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명에 따른 선택산화 처리를 수행하기 전에 질소 함유 전구체를 부분적으로 제거하는 전처리 단계를 수행할 수도 있다. 이러한 전처리 단계는 흡착제를 이용하여 수행할 수 있다. 또한, 흡착제로서 별도 로 채택하는 대신에, 본 발명에 따른 균일촉매의 일부를 상기 질소 함유 전구체를 흡착시키는 흡착제로 작용하도록 하고, 나머지 부분이 선택산화에 촉매로 작용하도록 할 수도 있다. On the other hand, if there is more than a certain amount of nitrogen-containing compounds in the hydrocarbon substrate may act as an element that interferes with the selective oxidation reaction, and according to a preferred embodiment of the present invention, according to the preferred embodiment of the present invention, A pretreatment step may be performed that partially removes the nitrogen-containing precursor before. This pretreatment step can be performed using an adsorbent. In addition, instead of being separately employed as an adsorbent, a part of the homogeneous catalyst according to the present invention may be used as an adsorbent for adsorbing the nitrogen-containing precursor, and the remaining part may act as a catalyst for selective oxidation.
본 발명에 있어서 사용될 수 있는 균일촉매로서는, 상기 Mn+/제1용매 또는 M1 n+/제2용매와 M2 m+/제3용매의 혼합촉매로 표현되는 균일촉매를 사용할 수 있다. As the homogeneous catalyst which can be used in the present invention, a homogeneous catalyst represented by the mixed catalyst of the M n + / first solvent or M 1 n + / second solvent and M 2 m + / third solvent can be used.
위에서, 상기 Mn +은 Co3 +, Mo6 +, MoO2 2 +, MoO4 +, MoO4 2 -, V5 +, VO3 +, VO2 3 +, W6 +, WO4 2 -, Cr3 +, Ti4 +, Fe3 +, Ni2+, Zr4 +, ZrO2 +, Hf4 +, Ta6 +, Nb5 +, Ce4 + 및 Ce3 + 중에서 선택되며; Above, wherein M + n is 3 + Co, Mo + 6, 2 + MoO 2, MoO 4 +, MoO 4 2 -, V 5 +, + VO 3, VO 2 + 3, W + 6, 4 2 WO -, Cr + 3, Ti + 4, Fe + 3, Ni 2+, Zr 4 +, + ZrO 2, Hf + 4, Ta + 6, 5 + Nb, Ce 4 + and Ce 3 + selected from Become;
상기 M1 n+은 Co3+, Mo6+, MoO2 2+, MoO4+ 및 MoO4 2- 중에서 선택되고; M 1 n + is selected from Co 3+ , Mo 6+ , MoO 2 2+ , MoO 4+ and MoO 4 2- ;
상기 M2 m+은 Fe3+, Ni2+, Cu2+, V5+, VO3+, VO2 3+, Cr3+, Ti4+, Zr4+, ZrO2+, Hf4+, Ta6+, Nb5+, Re4+, Ru4+, Sm4+, Pr3+ 및 Ce3+ 중에서 선택될 수 있다.M 2 m + is Fe 3+ , Ni 2+ , Cu 2+ , V 5+ , VO 3+ , VO 2 3+ , Cr 3+ , Ti 4+ , Zr 4+ , ZrO 2+ , Hf 4+ , Ta 6+ , Nb 5+ , Re 4+ , Ru 4+ , May be selected from Sm 4+ , Pr 3+ and Ce 3+ .
이 중에서도, Mn+ 및 M1 n+은 Mo6+, MoO2 2+, MoO4+, MoO4 2-과 같은 Mo 계열 및 Mn+ 및 M2 m+은 V5+, VO3+, VO2 3+과 같은 V 계열 중에서 선택되는 것이 촉매의 활성, 전환율, 수율, 선택도 등 여러 면에서 바람직하며; 특히 Mn+ 는 Mo 계열이 가장 바람직하다.Among them, M n + and M 1 n + are Mo series such as Mo 6+ , MoO 2 2+ , MoO 4+ , MoO 4 2- , and M n + and M 2 m + are V 5+ , VO 3+ , VO 2 3 It is preferable to select from the V series such as + in terms of the activity, conversion, yield, selectivity, etc. of the catalyst; In particular, M n + is most preferably Mo series.
상기 제1용매, 제2용매 및 제3용매는 서로 동일 또는 상이할 수 있으며, 각각 물, 알코올류, CH3CN, DMF, N-피롤로돈, 포름산, 아세트산, 옥탄산(octanoic acid), 트리플루오로아세트산, 아세트산-물 혼합물, 지방족 또는 방향족 C6-C16 탄화수소, H-제공 용매(H-donor solvent), 경유, 휘발유, LCO 및 이들의 혼합물 중에서 선택될 수 있으며, 특히 제2용매와 제3용매로서 TBA와 같은 알코올류를 사용하는 것이 촉매의 활성, 전환율, 수율, 선택도 등 여러 면에서 바람직하다.The first solvent, the second solvent and the third solvent may be the same or different from each other, and water, alcohols, CH 3 CN, DMF, N-pyrrolodon, formic acid, acetic acid, octanoic acid, Trifluoroacetic acid, acetic acid-water mixture, aliphatic or aromatic C 6 -C 16 hydrocarbon, H-donor solvent, diesel, gasoline, LCO and mixtures thereof, especially second solvent And the use of alcohols such as TBA as the third solvent are preferred in many respects such as catalyst activity, conversion, yield, and selectivity.
여기서, 제2용매/제3용매는 예를 들어 TBA/벤젠과 같이 서로 혼화성이 결핍된 용매 쌍은 바람직하지 않으며, 극성/극성 또는 비극성/비극성을 띠어 서로 혼화성이 높은 용매 쌍이 바람직하다. 서로 혼화성의 높은 용매 쌍은 비록 본 발명에 나열하여 설명하지는 않았으나, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자라면 본 발명의 개시내용 및 이하의 실험결과에 기초하여 용이하게 선택하여 사용할 수 있다는 점은 자명하다고 할 것이다.
또한, 상기 제1용매 내지 제3용매 성분 중 휘발유와 경사이클유는 출발물질인 탄화수소 기질과 동일한 성분으로 촉매의 용매성분과 동시에 반응원료의 역할 수행이 가능하며, 이는 일반적으로 촉매 반응 분야에서 반응에 사용되는 성분들 간의 상용성을 고려할 때 보다 효과적이라 할 수 있다.Herein, a solvent pair in which the second solvent / third solvent lacks compatibility with each other such as, for example, TBA / benzene is not preferable, and a solvent pair having polarity / polarity or nonpolarity / nonpolarity and high miscibility with each other is preferable. Although highly compatible solvent pairs are not listed in the present invention, it will be apparent to those skilled in the art that they can be easily selected and used based on the disclosure of the present invention and the following experimental results. I will say.
In addition, the gasoline and light cycle oil of the first to third solvent components are the same components as the starting substrate of the hydrocarbon substrate and can perform the role of the reaction raw material at the same time as the solvent component of the catalyst, which is generally reacted in the field of catalytic reaction It is more effective considering the compatibility between the components used in the.
본 발명에 있어서, "균일촉매+산화제"의 선택산화시스템 또는 이 때 사용되는 "산화제"는 탄화수소 기질을 과도하지 않게 선택적으로 부분산화시키는 작용을 하게 되며, 본 발명에서 사용가능한 산화제의 예에는 O2/CO2의 혼합기체, H2O2, t-부틸하이드로퍼록사이드(TBHP), H2O2/HCOOH, H2O2/CF3COOH, 에틸벤젠하이드로퍼록사이드, 큐밀하이드로퍼록사이드, 사이클로헥실퍼록소다이카보네이트(C6H11)2C2O6), H2O2/헤테로폴리산(H3PMo12O40, H3PW12O40, H0.5Cs2.5PMo12O40), H2O2/Mo(CO)6, TBHP/헤테로폴리산(H3PMo12O40, H3PW12O40, H0.5Cs2.5PMo12O40), TBHP/Mo(CO)6, TBHP/M(acac)2 (단, M = Mo 또는 V), H2O2/금속나프테네이트 (단, M = Mo, V, Cr, Mn, Ti, Co, Fe, Ni, Ta, Re, Nb, Ri, Re, Rh 및 W 중에서 선택된 것), TBHP/VOC2O4, TBHP/M1 2MIVO(C2O4)2, TBHP/M1 2MIVO(C2O4)3, TBHP/M1 2MIVO2(C2O4)2, H2O2/금속옥토에이트 (단, M = Mo, V, Co, Fe, Ni, Ti, Cr, Mn, W, Ce 및 Ru 중에서 선택된 것), TBHP/금속옥토에이트 (단, M = Mo, V, Co, Fe, Ni, Ti, Cr, Mn, W, Ce 및 Ru 중에서 선택된 것) 또는 이들의 혼합물이 포함되나, 이에 한정되지 않는다.In the present invention, the selective oxidation system of "homogeneous catalyst + oxidant" or the "oxidant" used at this time serves to selectively partially oxidize the hydrocarbon substrate not excessively, and examples of oxidants usable in the present invention include O 2 / CO 2 mixed gas, H 2 O 2 , t-butylhydroperoxide (TBHP), H 2 O 2 / HCOOH, H 2 O 2 / CF 3 COOH, ethylbenzenehydroperoxide, cumylhydroper Lockside, cyclohexylperoxodicarbonate (C 6 H 11 ) 2 C 2 O 6) , H 2 O 2 / heteropolyacid (H 3 PMo 12 O 40 , H 3 PW 12 O 40, H 0.5 Cs 2.5 PMo 12 O 40 ), H 2 O 2 / Mo (CO) 6 , TBHP / Heteropolyacid (H 3 PMo 12 O 40 , H 3 PW 12 O 40, H 0.5 Cs 2.5 PMo 12 O 40 ), TBHP / Mo (CO) 6 , TBHP / M (acac) 2 (where M = Mo or V), H 2 O 2 / metal naphthenate (where M = Mo, V, Cr, Mn, Ti, Co, Fe, Ni, Ta, Re, Nb, Ri, Re, Rh and W), TBHP / VOC 2 O 4 , TBHP / M 1 2 M IV O (C 2 O 4 ) 2 , TBHP / M 1 2 M IV O (C 2 O 4 ) 3 , TBHP / M 1 2 M IV O 2 (C 2 O 4 ) 2 , H 2 O 2 / metal octoate (where M = Mo, V, Co, Fe, Ni, Ti, Cr, Mn, Selected from W, Ce and Ru), TBHP / metal octoate, provided that M = Mo, V, Co, Fe, Ni, Ti, Cr, Mn, W, Ce and Ru, or mixtures thereof Included, but not limited to.
이들 중에서도 O2/CO2의 혼합기체, TBHP, H2O2, t-부틸하이드로퍼록사이드(TBHP), H2O2/HCOOH, H2O2/CF3COOH, 에틸벤젠하이드로퍼록사이드, 큐밀하이드로퍼록사이드, 사이클로헥실퍼록소다이카보네이트((C6H11)2C2O6) 등이 본 발명에서 산화제로서 바람직하다.Among them, a mixed gas of O 2 / CO 2 , TBHP, H 2 O 2 , t-butylhydroperoxide (TBHP), H 2 O 2 / HCOOH, H 2 O 2 / CF 3 COOH, ethylbenzene hydroperlock Said, cumyl hydroperoxide, cyclohexyl peroxodicarbonate ((C 6 H 11 ) 2 C 2 O 6 ) and the like are preferred as the oxidizing agent in the present invention.
특히, 본 발명에서 사용할 수 있는 산화제로서 O2/CO2의 혼합기체를 사용하는 경우에는 상기 혼합기체에 5-100 부피%의 CO2가 포함될 수 있으며, 바람직하게는 7-80 부피%의 CO2가 포함되는 것이 유리하며, 더욱 바람직하게는 10-60 부피%의 CO2가 포함되는 것이 유리하다.In particular, in the case of using a mixed gas of O 2 / CO 2 as the oxidizing agent that can be used in the present invention, 5-100% by volume of CO 2 may be included in the mixed gas, and preferably 7-80% by volume of CO. It is advantageous to include 2 , more preferably 10-60% by volume of CO 2 .
또한, 산화제인 O2/CO2 혼합기체에는 헬륨, 아르곤, 질소 등이 추가로 함유될 수 있는 바, 산화반응에 참여하지 않는 불활성 희석기체로 작용할 수 있다는 측면에서 유리할 수도 있다. 상기 헬륨 또는 아르곤은 O2/CO2 혼합기체 부피에 대하여 5-30 부피% 범위로 추가하여 사용할 수 있으며, 질소는 산화반응에 직접 참여하여 산화반응을 제지하는 문제점이 발생할 수도 있으므로 O2/CO2 부피를 기준으로 20 부피% 미만, 바람직하게는 10 부피% 미만, 더욱 바람직하게는 5 부피% 미만으로 하는 것이 유리하다. 이때, 질소는 추가로 사용되는 부가성분으로 궁극적으로 0 부피%로 하는 것이 유리하다.」In addition, the O 2 / CO 2 mixed gas, which is an oxidizing agent, may further contain helium, argon, nitrogen, and the like, which may be advantageous in that it may serve as an inert diluent gas that does not participate in the oxidation reaction. The helium or argon is O 2 / CO 2 can be used in addition to 5 to 30 vol.% Relative to the mixed gas by volume, nitrogen, so also is a problem that the paper to cause the oxidation reaction can participate in the oxidation reaction O 2 / CO It is advantageous to make it less than 20% by volume, preferably less than 10% by volume, more preferably less than 5% by volume, based on 2 volumes. In this case, it is advantageous that nitrogen is ultimately 0% by volume as additional components used.
O2/CO2 또는 O2/CO2/Ar(N2) 산화기체를 본 발명에 따른 균일촉매와 함께 사용하면, 액상 산화반응기 자체 내에서 퍼록사이드, 하이드로퍼록사이드 및 퍼록소카보네이트와 같은 산화활성 중간체를 산화반응기 내에서 즉각(in-situ) 만들어내게 되는데, 이러한 선택산화 반응을 실시함으로써 종래 사용되었던 값비싼 기존의 산화제들을 대체할 수 있게 되며, 아래에 여러 기질의 산화반응성을 도시하였다.When O 2 / CO 2 or O 2 / CO 2 / Ar (N 2 ) oxidizing gas is used together with the homogeneous catalyst according to the present invention, it is possible to obtain peroxide, hydroperoxide and peroxocarbonate in the liquid oxidation reactor itself. Oxidatively active intermediates are produced in-situ in the oxidation reactor, and by performing such selective oxidation reactions, it is possible to replace expensive conventional oxidants that have been used conventionally. .
본 발명은 황 또는 질소를 제거함과 동시에 세탄가 또는 옥탄가를 향상시킬 수 있는 함산소 화합물도 함께 생성시키는 것을 목적으로 하고 있으므로, 이러한 목적에 비추어 보았을 때 내부에 포함하고 있는 황 또는 질소를 제거할 필요성이 있고 동시에 함산소 화합물을 생성시킬 필요성도 있는 탄화수소 기질라면 본 발명에 적용할 수 있다. 이러한 탄화수소 기질의 예에는 다음과 같은 탄화수소 기질이 포함되나, 이에 한정되지 않는다.The present invention aims to produce an oxygen compound that can improve the cetane number or octane number at the same time as removing sulfur or nitrogen. Therefore, in view of this purpose, there is no need to remove sulfur or nitrogen contained therein. It is applicable to the present invention as long as it is a hydrocarbon substrate which also needs to generate an oxygen compound. Examples of such hydrocarbon substrates include, but are not limited to, the following hydrocarbon substrates.
이러한 탄화수소 기질 중에서도 (i) 수첨공정을 통해 탈황, 탈질처리를 하고 선택산화로 함산소 화합물을 포함하도록 개질된 휘발유, (ii) 수첨공정을 거친 경사이클유, 중사이클유, 중유분 및 이들의 혼합물, 및 (iii) 수첨공정을 통해 탈황, 탈질처리를 하고 선택산화로 함산소 화합물을 포함하도록 개질된 디젤 등이 본 발명을 적용할 수 있는 바람직한 탄화수소 기질의 예이다. Among these hydrocarbon substrates, (i) a gasoline modified to include an oxygen compound by desulfurization and denitrification through selective hydrogenation, and (ii) a light cycle oil, a heavy cycle oil, a heavy oil fraction, and the like, which have been hydrogenated. Mixtures, and (iii) diesel that has been desulfurized, denitrified through a hydrogenation process, and modified to include an oxygen compound by selective oxidation, are examples of preferred hydrocarbon substrates to which the present invention is applicable.
본 발명에 있어서, "벤질릭 또는 알릴릭 화합물"은 탄화수소 기질에서 세탄가 또는 옥탄가를 향상시킬 수 있는 함산소 물질을 생성시킬 수 있는 출발물질로 작용할 수 있는 화합물이면 모두 포함하는 개념이며, 이의 대표적인 예에는 테트랄린; 알킬테트랄린 유도체; 부분적으로 수소화된 나프탈렌 및 나프텐; 자일렌, 큐멘, 이소프로필벤젠, 메시틸렌(mesitylene), 수도큐멘(psuedocuemene), 듀렌과 같은 알킬벤젠 유도체; 및 이들의 혼합물을 포함하며, 이에 한정되지 않는다.In the present invention, "benzylic or allylic compound" is a concept that includes all compounds that can act as a starting material for producing an oxygenated substance that can improve the cetane number or octane number in the hydrocarbon substrate, representative examples thereof Tetralin; Alkyltetraline derivatives; Partially hydrogenated naphthalene and naphthene; Alkylbenzene derivatives such as xylene, cumene, isopropylbenzene, mesitylene, psuedocuemene, durene; And mixtures thereof, but is not limited thereto.
본 발명에 있어서, "함산소 화합물"은 탄화수소 기질에서 세탄가 또는 옥탄가를 향상시키는 작용을 하는 산소 함유 화합물이면 모두 포함하는 개념이며, 이의 대표적인 예에는 α-테트랄올 및 1-(2-나프틸)에탄올과 같은 알코올류; α-테트랄온, 1,4-나프토퀴논 및 플루오레논과 같은 케톤류; α-테트랄렌 알데히드와 같은 알데히드류; 메틸올리에이트, 프로필리놀리레이트, 부틸스테아레이트 및 메틸소이에이트와 같은 유기산 에스테르류; 디부틸 멜리에이트, 테레프탈산, 2,6-디프탈산 및 스테아린산과 같은 방향족 또는 지방족 유기산류; 글라임(glyme), 디글라임(diglyme), 트리글라임(triglyme) 및 트리프로필렌 글리콜 메틸에테르와 같은 에테르류; 및 이들의 혼합물을 포함하며, 이에 한정되지 않는다.In the present invention, the "oxygen compound" is a concept including all oxygen-containing compounds that act to improve the cetane number or octane number in the hydrocarbon substrate, and representative examples thereof include α-tetralol and 1- (2-naphthyl). Alcohols such as ethanol; ketones such as α-tetralone, 1,4-naphthoquinone and fluorenone; aldehydes such as α-tetralene aldehyde; Organic acid esters such as methyl oleate, propyl linoleate, butyl stearate and methyl soyate; Aromatic or aliphatic organic acids such as dibutyl merate, terephthalic acid, 2,6-diphthalic acid and stearic acid; Ethers such as glyme, diglyme, triglyme and tripropylene glycol methyl ether; And mixtures thereof, but is not limited thereto.
본 발명에 있어서, "황 함유 화합물"의 예에는 디알킬디벤조티오펜(4,6-DMDBT, 2,5-DMDBT), 4-알킬디벤조티오펜(4-MDBT), 디벤조티오펜(DBT), 알킬벤조티오펜, 벤조티오펜(BT), 디알킬티오펜, 티오펜, 디페닐설파이드, 티오펜올, 메틸페닐설파이드, 알킬디설파이드 및 이들의 혼합물을 포함하며, 이에 한정되지 않는다. 또한, 본 발명에 있어서, "황 함유 전구체"란 이러한 황 함유 화합물의 설폭사이드 또는 설폰 형태의 함산소 황화합물을 의미한다.In the present invention, examples of the "sulfur-containing compound" include dialkyldibenzothiophene (4,6-DMDBT, 2,5-DMDBT), 4-alkyldibenzothiophene (4-MDBT), dibenzothiophene (DBT), alkylbenzothiophene, benzothiophene (BT), dialkylthiophene, thiophene, diphenylsulfide, thiophenol, methylphenylsulfide, alkyldisulfide and mixtures thereof. In addition, in the present invention, “sulfur-containing precursor” means an oxygen-containing sulfur compound in the form of sulfoxide or sulfone of such sulfur-containing compound.
본 발명에 있어서, "질소 함유 화합물"의 예에는 피리딘, 퀴놀린, 파이롤, 인돌, 카바졸, 및 이들의 알킬 유도체, 방향족 및 지방족 아민류 및 이들의 혼합물을 포함하나, 이에 한정되지 않는다. 또한, 본 발명에 있어서 "질소 함유 전구체"란 이러한 질소 함유 화합물의 N-옥사이드, 옥심, 니트론, 니트로소벤젠, 니트로벤젠 또는 인디고 형태의 함산소 질소화합물을 의미한다.In the present invention, examples of "nitrogen-containing compounds" include, but are not limited to, pyridine, quinoline, pyrrole, indole, carbazole, and alkyl derivatives thereof, aromatic and aliphatic amines, and mixtures thereof. In the present invention, "nitrogen-containing precursor" means an oxygen-containing nitrogen compound in the form of N-oxide, oxime, nitron, nitrosobenzene, nitrobenzene or indigo of such nitrogen-containing compound.
본 발명에 있어서, "이중상(biphasic)의 반응계"는 비극성/극성 반응계를 의미하며, 이러한 이중성 반응계의 예에는 오일/아세토니트릴, 오일/DMF, 오일/아세트산, 오일/피롤리돈, 오일/NaOH 수용액, 오일/NaHCO3 수용액, 오일/Na2CO3 수용액, 오일/아세트산-물 혼합물, 오일/t-BuOH 및 오일/MeOH가 포함되나, 이에 한정되지 않는다.In the present invention, "biphasic reaction system" means a nonpolar / polar reaction system, and examples of such a bipolar reaction system include oil / acetonitrile, oil / DMF, oil / acetic acid, oil / pyrrolidone, oil / NaOH Aqueous solutions, oil / NaHCO 3 aqueous solutions, oil / Na 2 CO 3 aqueous solutions, oil / acetic acid-water mixtures, oil / t-BuOH and oil / MeOH.
본 발명에 있어서, "오일"의 의미는 좁게는 TGO와 같이 본 발명의 방법이 적용될 수 있는 탄화수소 기질을 의미하며, 넓게는 실제 상업적으로 적용될 수도 있는 탄화수소 기질 이외에도 실험적으로 모사 유분으로 사용될 수 있는 벤젠 또는 n-옥탄과 같은 비극성 용매도 포함하는 개념이다.In the present invention, the term "oil" narrowly means a hydrocarbon substrate to which the method of the present invention can be applied, such as TGO, and broadly, benzene which can be used as a simulated fraction experimentally in addition to a hydrocarbon substrate that may be applied commercially in practice. Or a nonpolar solvent such as n-octane.
이러한 이중상(biphasic)의 반응계에서 사용할 수 있는 바람직한 "산화제" 또는 "균일촉매-산화제의 산화시스템"으로는 위에서 기재한 산화제 또는 산화시스템 중에서도 O2(10-40%)-CO2/헤테로폴리산, O2(10-40%)-CO2/Mo6+(푸른 옥시란 촉매용액), O2(10-40%)-CO2/Mo6+-Mn+ 촉매용액 (M = Fe, Co, Ru, Cu, Zr, Hf, Ni 및 Zn 중에서 선택된 것), 하이드로퍼록사이드/헤테로폴리산, 및 하이드로탈사이트 중에서 선택된 산화제 또는 산화시스템을 사용하는 것이 실용적인 측면에서 바람직하다.Preferred "oxidizing agents" or "monocatalyst-oxidizing systems" which can be used in such biphasic reaction systems include O 2 (10-40%)-CO 2 / heteropolyacid, O, among the oxidizing agents or oxidation systems described above. 2 (10-40%)-CO 2 / Mo 6+ (blue oxirane catalyst solution), O 2 (10-40%)-CO 2 / Mo 6+ -M n + catalyst solution (M = Fe, Co, Ru , Selected from Cu, Zr, Hf, Ni and Zn), hydroperoxide / heteropolyacid, and hydrotalcite, it is preferable in practical terms to use.
본 발명에서 있어서, 상기 선택산화는 1-30기압에서 처리하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 5-20기압, 가장 바람직하게는 10-15기압에서 처리하는 것이 유리하며, 상기 압력범위의 하한과 상한을 벗어나는 경우에는 각각 부진한 산화반응을 초해하는 문제점 및 과도한 압력으로 반응 수행과 안정성에 관한 문제점이 발생할 수 있다. In the present invention, the selective oxidation is preferably treated at 1-30 atm, more preferably at 5-20 atm, most preferably at 10-15 atm, and at the lower end of the pressure range. If the upper limit is exceeded, problems with sluggish oxidation reactions and problems with performance and stability under excessive pressure may occur.
또한, 상기 선택산화의 온도조건은 80-210℃인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 130-190℃, 가장 바람직하게는 140-180℃인 것이 유리하며, 상기 온도범위의 하한과 상한을 벗어나는 경우에는 각각 소기의 산화반응이 부진하거나 과도로 수행되는 문제점이 발생할 수 있다.In addition, the temperature of the selective oxidation is preferably 80-210 ° C, more preferably 130-190 ° C, most preferably 140-180 ° C, if the deviation from the lower and upper limits of the temperature range In each case, a desired oxidation reaction may be sluggish or excessively performed.
본 발명에 있어서, 상기 탈황 및 탈질의 후처리 단계는 여과분리법, 분액법(fractionation), 선택흡착법(selective adsorption), 용매추출법(solvent extraction), 촉매제거법(catalytic destruction), 선택적산화법(selective oxidation) 및 열분해법(pyrolysis) 중에서 선택된 하나 이상의 방법에 의해서 수행될 수 있다.In the present invention, the desulfurization and denitrification post-treatment steps include filtration separation, fractionation, selective adsorption, solvent extraction, catalytic destruction, and selective oxidation. And pyrolysis.
이 중에서 여과분리법은 상기 선택산화 단계에서 생성되어 극성용매 층에 침전된 상기 황 또는 질소 함유 전구체를 여과장치 또는 원심분리기로 분리하게 된다. Among them, the filtration separation method generates the sulfur or nitrogen-containing precursor generated in the selective oxidation step and precipitated in the polar solvent layer by a filtration device or a centrifuge.
또한, 선택흡착법은 활성탄 섬유(active carbon fiber), 탄소나노관 (nanocarbon tube), 탄소분자체(carbon molecular sieve); M/활성탄 섬유, M/탄소나노관, M/탄소분자체(M=Pd, Zn, Cu, Ni, Fe, Mn, Ti, Mg, Sr, Ba, Na 및 K 중에서 선택된 것); 메소 다공성 알루미나, 실리카젤, 제올라이트; 금속처리로 활성화된 메소 다공성 알루미나, 금속처리로 활성화된 실리카젤, 금속처리로 활성화된 제올라이트; M/Al2O3, SiO2, MCM-41(M=Y, La, Ni, Mo, Cr, W, V, Co 및 Cu 중에서 선택된 것), 페로브스카이트(perovskite), Y3+ 첨가로 안정시킨 금속산화물; ZrO2, CeO2-ZrO2, 및 PrO2-ZrO2, MgO-MgAl2O4, MgAl2O4.xMgO, MgAl2O4..yAl2O3, Cs/ZSM-5, Ba/MCM-41, Zn-Al 이중 층상 하이드록사이드(DLH), 하이드로탈사이트(hydriotalcite), AlGaPON, ZrGAPON, Mg0.819Ga0.181(OH)2(CO3) 중에서 선택된 하나 이상의 흡착제를 이용하여 수행할 수 있다.In addition, selective adsorption methods include active carbon fibers, carbon nanotubes, carbon molecular sieves; M / activated carbon fiber, M / carbon nanotube, M / carbon molecular sieve (M = Pd, Zn, Cu, Ni, Fe, Mn, Ti, Mg, Sr, Ba, Na and K); Mesoporous alumina, silica gel, zeolite; Mesoporous alumina activated by metal treatment, silica gel activated by metal treatment, zeolite activated by metal treatment; M / Al 2 O 3 , SiO 2 , MCM-41 (M = Y, La, Ni, Mo, Cr, W, V, Co and Cu selected), perovskite, Y 3+ addition Metal oxide stabilized with; ZrO 2 , CeO 2 -ZrO 2 , and PrO 2 -ZrO 2 , MgO-MgAl 2 O 4 , MgAl 2 O 4 .xMgO, MgAl 2 O 4. .yAl 2 O 3 , Cs / ZSM-5, Ba / MCM -41, Zn-Al double layered hydroxide (DLH), hydrotalcite, AlGaPON, ZrGAPON, Mg 0.819 Ga 0.181 (OH) 2 (CO 3 ) can be performed using one or more adsorbents. .
용매추출법은 N,N'디메틸포름아미드(DMF), CH3CN, DMF, DMSO, MeOH, t-BuOH, 메틸에틸케톤(MEK), CH3COOH, 디메틸피롤리돈, 디옥산, 설포레인(sulfolane), 알칼리금속 및 탄산소다(NaHCO3, Na2CO3) 수용액 중에서 선택된 용매를 이용하여 수행될 수 있다.Solvent extraction methods include N, N'dimethylformamide (DMF), CH 3 CN, DMF, DMSO, MeOH, t-BuOH, methyl ethyl ketone (MEK), CH 3 COOH, dimethylpyrrolidone, dioxane, sulfolane (sulfolane), alkali metal and sodium carbonate (NaHCO 3 , Na 2 CO 3 ) It can be carried out using a solvent selected from aqueous solution.
또한, 촉매제거법은 t-BuONA, NAOH, NaOH-KOH, CH3CO2Na, Li2CO3-NaCO3-K2CO3의 공융혼합물(eutectic mixture), 라니니켈(Raney Ni), 라니철(raney Fe), Na/K, Na/Al2O3, K/Al2O3, Li/MgO, Cs/SiO2, MgFe2O4, [Ni(COD)2Bipy], 상업용 HDS 촉매, 상업용 HDN 촉매, 하이드로탈사이트, Ce/V/MgO·MgAl2O4(상업용 DeSOx 촉매), MgO·MgAl2O4(고용체) 및 Zn-Al 이중층 하이드록사이드(double layer hydroxides) 중에서 선택된 하나 또는 하나이상의 염기 촉매의 존재 하에서 수행된다.In addition, the catalyst removal method is t-BuONA, NAOH, NaOH-KOH, CH 3 CO 2 Na, eutectic mixture of Li 2 CO 3 -NaCO 3 -K 2 CO 3 (Raney Ni), Raney iron (raney Fe), Na / K, Na / Al 2 O 3 , K / Al 2 O 3 , Li / MgO, Cs / SiO 2 , MgFe 2 O 4 , [Ni (COD) 2 Bipy], commercial HDS catalyst, One selected from a commercial HDN catalyst, hydrotalcite, Ce / V / MgO.MgAl 2 O 4 (commercial DeSOx catalyst), MgO.MgAl 2 O 4 (solid solution) and Zn-Al double layer hydroxides, or It is carried out in the presence of one or more base catalysts.
상기 열분해법은 디하이드로나프탈렌, 테트랄린, 데칼린, 수첨처리된 LCN, LCO 및 HCO, 그리고 이것들 중에서 선수소공여(H-doner) 용매 및/또는 MgO·MgAl2O4, xAl2O3·yMgAl2O4(고용체), Cs/ZSM-5, Ba/MCM-41, Cs/SiO2, Zn-Al 이중 층상 하이드록사이드, 하이드로탈사이트, 및 Li/MgO, Li/MgO-CaO, Na/Al2O3, K/Al2O3, AlGaPON, ZrGaPON, Mg1-xGax(OH)2CO3와 같은 염기촉매 존재 하에서 수행되게 된다.The pyrolysis method comprises dihydronaphthalene, tetralin, decalin, hydrogenated LCN, LCO and HCO, and among them H-doner solvents and / or MgO.MgAl 2 O 4 , xAl 2 O 3. yMgAl 2 O 4 (Soluble), Cs / ZSM-5, Ba / MCM-41, Cs / SiO 2 , Zn-Al double layered hydroxide, hydrotalcite, and Li / MgO, Li / MgO-CaO, Na / Al 2 O 3 , K / Al 2 O 3 , AlGaPON, ZrGaPON, Mg 1-x Ga x (OH) 2 CO 3 It will be carried out in the presence of a base catalyst.
이 경우에 상기 MgO·MgAl2O4, 상기 xAl2O3·yMgAl2O4(고용체), 상기 Ce/V/MgO·MgAl2O4, 상기 Cs/ZSM-5, 상기 Na/Al2O3, 상기 K/Al2O3, 상기 Cs/SiO2, 상기 Ba/MCM-41, NaOH-KOH, NaOH, CVD Fe/Mo/DBH, FCC 촉매, 폐FCC 촉매, 폐RFCC 폐촉매, 제올라이트(ZSM-5, MCM-41 등), 상업용 HDS 촉매(시촉매나 폐촉매), 상업용 HDN 촉매(시촉매나 폐촉매) 및 이외의 각종의 폐고체 산촉매를 재활용하여 사용할 수 있다.In this case, the MgO MgAl 2 O 4 , the xAl 2 O 3 yMgAl 2 O 4 (solid solution), the Ce / V / MgO MgAl 2 O 4 , the Cs / ZSM-5, the Na / Al 2 O 3 , the K / Al 2 O 3 , the Cs / SiO 2 , the Ba / MCM-41, NaOH-KOH, NaOH, CVD Fe / Mo / DBH, FCC catalyst, spent FCC catalyst, spent RFCC spent catalyst, zeolite ( ZSM-5, MCM-41, etc.), a commercial HDS catalyst (a catalyst or waste catalyst), a commercial HDN catalyst (a catalyst or a waste catalyst), and various other waste solid acid catalysts can be recycled and used.
본 발명에 있어서, 탈황 및 탈질은 각각 20 ppm 미만 및 10 ppm 미만으로 황 함유 화합물 및 질소 함유 화합물을 제거하도록 이루어지는 것이 실용적인 측면에서 바람직하며, 더욱 바람직하게는 10 ppm 미만 및 5 ppm 미만, 가장 바람직하게는 5 ppm 미만 및 2.5 ppm 미만, 궁극적으로 0 ppm 으로 각각 탈황 및 탈질시키는 것이 유리하다.In the present invention, desulfurization and denitrification are preferably made practically to remove sulfur-containing compounds and nitrogen-containing compounds at less than 20 ppm and less than 10 ppm, respectively, more preferably less than 10 ppm and less than 5 ppm, most preferably. Preferably it is advantageous to desulfurize and denitrify at less than 5 ppm and less than 2.5 ppm, ultimately 0 ppm, respectively.
또한, 상기 함산소 화합물은, 개질 휘발유의 산소 함량 규제치를 충족시키기 위하여, 산소 기준으로 2.0-5.0 중량%로 생성되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 2.2-3.0 중량%, 가장 바람직하게는 2.2-2.7 중량%(산소함량 환경규제)로 함산소 화합물을 생성시키는 옥탄가 또는 세탄가 증진과 PM 저감, NOx 및 SOx 저감의 측면에서 유리하다. 경유의 경우는 아직 산소 함량의 규제치가 설정되지 않고 있지만 향후 규정되는 수치에 순응하면 된다.In addition, in order to satisfy the oxygen content regulation value of the reformed gasoline, the oxygen-containing compound is preferably produced at 2.0-5.0 wt% based on oxygen, more preferably 2.2-3.0 wt%, most preferably 2.2- It is advantageous in terms of octane number or cetane number enhancement, PM reduction, NOx and SOx reduction, which produce oxygen compounds at 2.7% by weight (oxygen content environment regulation). In the case of diesel, the regulation of oxygen content has not yet been established, but it is only necessary to comply with future figures.
한편, 본 발명의 방법은 개질된 휘발유 또는 수첨처리된 디젤 중에서 선택된 수송유에도 적용할 수도 있는데, 이를 통하여 종래의 방법인 수첨처리 공정에 의해서 탈황, 탈질처리를 한 휘발유 또는 디젤의 옥탄가 또는 세탄가를 크게 향상시킬 수 있는 장점이 있기 때문이다.Meanwhile, the method of the present invention may also be applied to a transport oil selected from reformed gasoline or hydrogenated diesel, through which the octane number or cetane number of gasoline or diesel that has been desulfurized and denitrated by a conventional hydrotreating process is used. This is because there is an advantage that can be greatly improved.
실시예Example
이하 본 발명의 내용을 실시예를 통해 구체적으로 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 설명하기 위한 것으로 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니다.Hereinafter, the content of the present invention will be described in detail through examples. However, the following examples are provided to explain the contents of the present invention and do not limit the scope of the present invention.
실시예1Example 1
(1) "단일성분 균일촉매" + "TBHP 산화제"의 "단일상" 선택산화 시스템의 제조(1) Preparation of a "single phase" selective oxidation system of "single component homogeneous catalyst" + "TBHP oxidant"
수소첨가(hydrotreated) LCN, HCN, LCO, HCO 및 클래리파이드 오일(clarified oil)에 들어있는 S-, N-화합물 및 테트랄린과 같은 벤질릭 탄화수소 등을 선택적으로 한 반응기 내에서 산화할 수 있는 균일촉매 용액을 다음과 같이 제조하였다. Hydrogenated LCN, HCN, LCO, HCO and S-, N-compounds in clarified oils and benzylic hydrocarbons such as tetralin can optionally be oxidized in one reactor Homogeneous catalyst solution was prepared as follows.
즉, M-나프테네이트(naphthenate), M-스테아레이트, M(CO)6, MO2(acac)2 (acac: 아세틸아세토네이트), M-옥토에이트 (M: Mo, V, Te, Re, Ta 및 Nb 중에서 선택된 것) 등과 같은 탄화수소에 용해된 M-착염을 사용하거나 또는 여러 금속 분말(Mo, V, Te, Re, Ta 및 Nb 중에서 선택된 것), MoO3 및 몰리부덴산 등과 같은 불용성 전구체를 t-부틸알코올(TBA)에 혼입해 있는 TBHP와 반응시켜서 균일촉매를 만들었다.M-naphthenate, M-stearate, M (CO) 6 , MO 2 (acac) 2 (acac: acetylacetonate), M-octoate (M: Mo, V, Te, Re M-complex salts dissolved in hydrocarbons such as, selected from Ta and Nb) or insoluble such as various metal powders (selected from Mo, V, Te, Re, Ta and Nb), MoO 3 and molybdic acid The precursor was reacted with TBHP incorporated in t-butyl alcohol (TBA) to make a homogeneous catalyst.
그 중에서도 특히 높은 산화활성을 지닌 Mo(옥시란) 균일촉매는, 먼저 1.48 g의 Mo 분말(<200 메쉬 사이즈)을 TBHP:TBA:에틸렌글리콜 혼합용매(2:4:1 중량비)에 용해시켜서 1,000 mL의 푸른 촉매용액을 만들었다. 소량의 포름산, t-부틸포르메이트, t-부틸아세테이트 등을 이 혼합용매에 첨가하여 훨씬 쉽게 촉매 용액을 만들 수 있었다. Among them, the Mo (oxirane) homogeneous catalyst having a particularly high oxidation activity is first dissolved by dissolving 1.48 g of Mo powder (<200 mesh size) in a TBHP: TBA: ethylene glycol mixed solvent (2: 4: 1 weight ratio). mL of blue catalyst solution was made. A small amount of formic acid, t-butylformate, t-butylacetate, etc. could be added to this mixed solvent to make the catalyst solution much easier.
이러한 촉매의 제조에 있어서 경제성을 더욱 향상시키기 위해서, 이 혼합용매 대신 프로필렌옥사이드 상업 공정에서 배출되는 잔재 폐액을 직접 사용하여 상업용 촉매용액을 제조할 수도 있었다. 이 균일 폐촉매는 소기의 선택산화 반응이 끝난 후 1% NaOH 또는 NH4OH 수용액으로 처리하여 그 때 생긴 수용액상(aqueous phase)과 유기상을 분리하여 분리된 수용액을 CaO과 같은 염기처리로 침전시켜서 회수할 수 있었다.In order to further improve the economics in the production of such a catalyst, a commercial catalyst solution could be prepared by directly using the residue waste liquid discharged from the propylene oxide commercial process instead of the mixed solvent. This homogeneous waste catalyst is treated with 1% NaOH or NH 4 OH aqueous solution after the desired selective oxidation reaction, and then, the aqueous phase and the organic phase generated are separated, and the separated aqueous solution is precipitated by basic treatment such as CaO. It could be recovered.
(2) "단일성분 균일촉매" + "TBHP 산화제"의 "단일상" 선택산화 시스템의 산화활성 확인(2) Confirmation of oxidation activity of "single phase" selective oxidation system of "single component homogeneous catalyst" + "TBHP oxidant"
다음과 같은 조성으로 만들어서 위에서 제조한 여러 가지 금속의 단일성분 균일촉매를 사용하여 80 ℃에서 2 시간동안 벤젠 용매에서 액상 산화반응을 실행하여 그 활성을 검증하였다. 이 실험결과를 표4에 종합하였다(단일금속 균일촉매의 활성 검증 실험).The activity was verified by performing a liquid phase oxidation reaction in a benzene solvent at 80 ° C. for 2 hours using a single component homogeneous catalyst of various metals prepared in the following composition. The results of this experiment are summarized in Table 4 (activity verification experiment of single metal homogeneous catalyst).
혼합물 기질Mixture substrate
디에틸설파이드 1/3x10-2 몰Diethylsulfide 1 / 3x10 -2 mol
벤조티오펜 1.3x10-2 몰Benzothiophene 1.3x10 -2 mol
t-BuOOH (TBHP) 0.03 몰t-BuOOH (TBHP) 0.03 mol
벤젠 52 mLBenzene 52 mL
Mo(옥시란) 촉매용액 0.100g (100 ppm Mo)0.100 g (100 ppm Mo) of Mo (oxirane) catalyst solution
(3) "단일성분 균일촉매" + "TBHP 이외의 산화제"의 "단일상" 선택산화 시스템의 제조 및 산화활성 확인(3) Preparation of "Single Phase" Selective Oxidation System of "Single-Component Homogeneous Catalyst" + "Oxidants Other than TBHP"
위에서 우수한 효과를 보인 Mo-촉매 용액 및 V-촉매 용액은 사용하되, TBHP 대신에 슈도큐멘(pseudocumene) 하이드로퍼록사이드, 에틸벤젠 하이드로퍼록사이드, H2O2/HCOOH, H2O2/CH3COOH, CX3COOH(X=F, Cl)을 사용함으로써, "균일촉매" + "TBHP 이외의 산화제"의 선택산화 시스템을 제조하였다. 또한, 이에 대한 산화활성을 확인하였으며, 그 결과 TBHP를 썼을 경우에 상당하는 산화활성(전환율 및 산화선택도)을 관찰할 수 있었다.Mo-catalyst solutions and V-catalyst solutions with superior effects are used, but instead of TBHP, pseudocumene hydroperoxide, ethylbenzene hydroperoxide, H 2 O 2 / HCOOH, H 2 O 2 By using / CH 3 COOH, CX 3 COOH (X = F, Cl), a selective oxidation system of "homogeneous catalyst" + "oxidant other than TBHP" was prepared. In addition, the oxidative activity was confirmed, and as a result, an equivalent oxidative activity (conversion rate and oxidation selectivity) was observed when TBHP was used.
뿐만 아니라, 상기 산화제들은 그 가격이 비싸기 때문에 이미 합성된 하이드로퍼록사이드, 퍼록사이드, H2O2, 또는 과산(peracids)을 쓰는 대신 산화 반응기 내에서 이미 알려진 공정을 이용하여 직접 만들면 소기의 선택산화 반응을 저렴한 비용으로 수행할 수 있었다. 가령 H2O2 경우 H2와 O2로부터 Pd(1%)t-Pt(0.1%)/TS-1[P. Albert et al., J. Mol. Catal. 58, 115 (1990); R. Meiers et al., Catal. Lett., 59, 161 (1999)], Pd 촉매를 쓰는 안트라퀴논[kirch-Othmer Encyclopedia of Chem. Tech., 13, 4th Ed., 1995, p.961], Pt-Au 촉매 그리고 MFI 구조를 갖는 TS-1 및 MEL 구조를 지닌 TS-2와 같은 제올라이트 촉매로 물, H2O+MeOH, 아세톤, CH3CN 용매에서 산화반응기 내에서 즉각 산화(in situ oxidation) 반응을 유기시켜 H2O2를 만들어서 산화에 사용함으로써 공정 경제성의 향상을 시도하여 소기의 H2O2-선택산화를 달성하고 전체공정의 경제성을 향상시킬 수 있었다[B. Notari et al., Advances in Catalysis, Vol 41, p.253, 1996, Academic Press; R.N. Cochran et al., US 5,039,508 (1991)]. In addition, the oxidizers are expensive, so instead of using synthesized hydroperoxides, peroxides, H 2 O 2 , or peracids, the oxidants can be selected directly by using known processes in oxidation reactors. The oxidation reaction could be carried out at low cost. For example, if H 2 O 2 from H 2 and O 2 Pd (1%) t -Pt (0.1%) / TS-1 [P. Albert et al., J. Mol. Catal. 58, 115 (1990); R. Meiers et al., Catal. Lett., 59, 161 (1999)], anthraquinone using Pd catalyst [kirch-Othmer Encyclopedia of Chem. Tech., 13, 4th Ed., 1995, p.961], zeolite catalysts such as Pt-Au catalyst and TS-1 with MFI structure and TS-2 with MEL structure, water, H 2 O + MeOH, acetone , CH 3 and in the oxidation reactor from CN the solvent by immediately organic oxidation (in situ oxidation) reaction by creating a H 2 O 2 attempt to improve the process economy by using the oxidation desired H 2 O 2 - and achieve selective oxidation The economics of the whole process could be improved [B. Notari et al., Advances in Catalysis, Vol 41, p.253, 1996, Academic Press; RN Cochran et al., US 5,039,508 (1991).
나아가, 위에서 우수한 성능을 보인 단일성분 Mo- 및 V-촉매 용액을 사용하는 한편, 위의 값비싼 산화제를 사용하는 대신에 O2/CO2 (O2와 CO2를 적당한 배합으로 미리 혼합된 기체)를 산화기체로 투입함으로써 선택산화를 수행하였다. 그 결과, 퍼록소카보네이트(peroxocarbonate)란 활성 중간체가 in-situ하게 생김을 확인하였고, 또한 이에 의해서 DBT 설폰이 높은 선택도 및 높은 전환율로 생성됨을 확인하였다. 이 경우에는 특히 오토클레이브와 같은 반응기를 이용하여 5-15 기압 압력 하에서 선택산화를 수행함으로써, 위에서 TBHP를 사용했을 경우와 동등하거나 오히려 우수한 수준의 높은DBT 설폰 생성 수율을 실현할 수 있었다.Furthermore, while using monocomponent Mo- and V-catalyst solutions that perform well above, the gas is pre-mixed with O 2 / CO 2 (O 2 and CO 2 in a suitable formulation instead of using the expensive oxidizers above. ) Was added to the oxidizing gas to perform selective oxidation. As a result, it was confirmed that peroxocarbonate was formed in-situ of an active intermediate, and it was also confirmed that DBT sulfone was produced with high selectivity and high conversion rate. In this case, selective oxidation was carried out under a pressure of 5-15 atm using a reactor such as an autoclave, thereby achieving a high level of DBT sulfone production yield that is equivalent to or better than that of TBHP above.
실시예2Example 2
(1) "2성분 균일촉매" + "TBHP 산화제"의 "단일상" 선택산화 시스템의 제조(1) Preparation of a "single phase" selective oxidation system of "two-component homogeneous catalyst" + "TBHP oxidant"
Mo 분말을 TBA, TBHP에 용해시켜 만든 푸른 Mo(옥시란) 촉매에 제2의 금속 화합물, 특히 표4에 나타낸 바와 같이 알릴릭 및 벤질릭 탄화수소의 선택산화를 촉진할 수 있는 금속 및 유기금속 화합물을 배합함으로써 여러 가지의 "2성분 균일촉매" + "TBHP 산화제"의 선택산화 시스템을 제조하였다.Metal and organometallic compounds capable of promoting the selective oxidation of allylic and benzylic hydrocarbons to a second metal compound, particularly as shown in Table 4, on a blue Mo (oxirane) catalyst made by dissolving Mo powder in TBA and TBHP. The selective oxidation system of various "two-component homogeneous catalysts" + "TBHP oxidants" was prepared by blending.
(2) "2성분 균일촉매" + "TBHP 산화제"의 "단일상" 선택산화 시스템의 선택산화활성 확인(2) Confirmation of selective oxidation activity of "single phase" selective oxidation system of "two-component homogeneous catalyst" + "TBHP oxidant"
위에서 제조한 "2성분 균일촉매" + "TBHP 산화제"의 선택산화 시스템을 사용하여 80 ℃ 및 상압에서 2시간 동안 DBT의 선택산화 반응을 수행하였으며, DBT 설폰이 생성되는지 여부를 확인하여 그 결과를 표5에 종합해서 나타내었다(DBT 산화를 위한 2성분 촉매계의 검증실험).Selective oxidation of DBT was carried out at 80 ° C. and atmospheric pressure for 2 hours using a selective oxidation system of “two-component homogeneous catalyst” + “TBHP oxidant” prepared above. The results are summarized in Table 5 (verification experiment of a two-component catalyst system for DBT oxidation).
위 표에서 1번 또는 2번 실험에서는 Co(acac)2 또는 Mn(acac)3의 벤젠용액을 Mo(옥시란) (TBA/TBHP에 용해된 용액촉매)에 배합함으로써, Co나 Mn이 Mo와 완전히 분리된 침전상태로 존재하여 불활성화되었고, 이에 따라서 DBT가 제대로 산화되지 못하는 결과를 보였다.In experiment 1 or 2 in the above table, a benzene solution of Co (acac) 2 or Mn (acac) 3 was combined with Mo (oxirane) (solution catalyst dissolved in TBA / TBHP), whereby Co or Mn It was inactivated because it existed in a completely separated precipitation state, and thus the DBT was not properly oxidized.
반면, 3-7번 실험에서는 두 종류의 금속들이 독립적으로 각각 금속이온으로 균일상에 존재하기 때문에 DBT 산화반응에 활성을 발휘하여 DBT 설폰을 생성하는 결과를 보였다. 특히, 7번 실험에서 관찰할 수 있듯이 상기 두 금속 분말을 TBA/TBHP 매체에 용해시켜서 만든 2성분 촉매계에서는 그 활성이 탁월하여 DBT 설폰의 제조에 매우 우수한 촉매계로 확인되었다.On the other hand, in experiment 3-7, two types of metals were independently present in the homogeneous phase as metal ions, thereby showing activity in DBT oxidation reaction to produce DBT sulfone. In particular, as can be observed in the seventh experiment, the two-component catalyst system made by dissolving the two metal powders in TBA / TBHP medium was excellent in activity and was confirmed as a very excellent catalyst system for the preparation of DBT sulfone.
(3) "2성분 균일촉매" + "TBHP 이외의 산화제"의 "단일상" 선택산화 시스템의 제조 및 선택산화활성의 확인(3) Preparation of "single phase" selective oxidation system of "two-component homogeneous catalyst" + "oxidant other than TBHP" and confirmation of selective oxidation activity
TBHP 대신에 O2/CO2(30/70)의 산화기체를 사용함으로써 2성분계의 선택산화 시스템을 제조하였으며, 오토클레이브를 사용하여 5-15 기압의 압력 하에서 DBT의 선택산화를 수행하였다. 그 결과, TBHP와 같은 하이드로퍼록사이드를 쓰지 않고도 매우 우수한 수율로 DBT 설폰이 합성됨을 확인하였다. A two-component selective oxidation system was prepared by using an oxidizing gas of O 2 / CO 2 (30/70) instead of TBHP, and the selective oxidation of DBT was carried out under a pressure of 5-15 atmospheres using an autoclave. As a result, it was confirmed that DBT sulfone was synthesized in a very good yield without using a hydroperoxide such as TBHP.
뿐만 아니라, 테트랄린과 같은 벤질릭 탄화수소의 선택산화 역시 수행해본 결과, 세탄가의 증진제로 알려진 테트랄론과 같은 케톤, 알코올, 알데하이드가 높은 수율로 합성됨을 확인하였으며, 이에 의해서 우수한 세탄 증진의 효과를 확인할 수 있었다.In addition, the selective oxidation of benzylic hydrocarbons, such as tetralin, also showed that ketones, alcohols, and aldehydes, such as tetranone, known as cetane number enhancers, were synthesized in high yields. Could be confirmed.
실시예3Example 3
디벤조티오펜(DBT), 4-메틸디벤조티오펜 (4-MDBT) 및 4,6-디메틸디벤조티오펜 (4,6-DMDBT)과 같이 제거하기 어려운 대표적인 티오펜 화합물들을 각각 Mo(옥시란) 촉매 용액 (Mo 금속 분말을 용해시켜서 만든 푸른 용액 촉매)로 TBHP로 산화하여 그 시간의 흐름에 따라서 산화 정도를 추적하여 도1에 표시하였다(ㅁ: 4,6-DMDBT, ο: DBT, Δ: BT).Representative thiophene compounds that are difficult to remove, such as dibenzothiophene (DBT), 4-methyldibenzothiophene (4-MDBT) and 4,6-dimethyldibenzothiophene (4,6-DMDBT), are each represented by Mo ( Oxirane) was oxidized to TBHP with a catalyst solution (a blue solution catalyst made by dissolving Mo metal powder), and the degree of oxidation was traced over time, and is shown in FIG. 1 (ㅁ: 4,6-DMDBT, ο: DBT , Δ: BT).
위 도면는 종래의 HDS 공정의 제거순서 경향과 친전자 공격(electrophilic attack)에 의한 산화의 난이도 경향은 서로 정반대 방향임을 보여주고 있다. 즉, HDS 공정에서 입체 장애로 인해서 4,6-DMDBT 등의 화합물은 산화가 극히 어려운 경향을 보이지만, 반면 선택산화 반응에서는 정반대로 4,6-DMDBT가 가장 손쉽게 극히 짧은 시간 내에 산화되어 설폰으로 완전히 전환됨을 보여준다.The figure shows that the removal order tendency of the conventional HDS process and the difficulty tendency of oxidation due to electrophilic attack are opposite directions. In other words, due to steric hindrance in the HDS process, compounds such as 4,6-DMDBT tend to be extremely difficult to oxidize, whereas in selective oxidation, 4,6-DMDBT is most easily oxidized in a very short time to completely form sulfones. Shows the switch.
이러한 결과에 의해서, 종래의 HDS 공정이 지니는 여러 가지 심각한 약점들, 즉 황을 완벽하게 제거하거나(S-free), 심도 또는 초심도 탈황이 사실상 불가능하다는 약점이 본 발명의 선택산화 방법에 의해서 극복될 수 있음을 명확하게 보여준다고 할 수 있다.As a result of this, various serious weaknesses of the conventional HDS process, that is, the complete elimination of sulfur (S-free) or the fact that depth or super depth desulfurization are virtually impossible, are overcome by the selective oxidation method of the present invention. It can be said clearly that it can be.
실시예4Example 4
(1) "2성분 균일촉매" + "TBHP 산화제"의 "이중상" 선택산화 시스템의 제조 및 "황함유 화합물"에 대한 선택산화 활성의 확인(1) Preparation of a "bi-phase" selective oxidation system of "two-component homogeneous catalyst" + "TBHP oxidant" and identification of selective oxidation activity for "sulfur-containing compound"
Mo 및 W 금속분말(< 200 메쉬)을 TBHP:TBA:EG의 혼합용매(2:4:1)에 용해시켜 만든 촉매용액(2.5μmol Mo + 2.5μmol W)을 50 mL의 CH3CN에 혼합하였다. 10 mmol의 DBT 및 10 mmol의 4,6-DMDBT를 n-옥탄에 혼합한 용액에 위에서 제조한 CH3CN 용액을 첨가해서 이중상 혼합물을 제조하였다.A catalyst solution (2.5 μmol Mo + 2.5 μmol W) prepared by dissolving Mo and W metal powder (<200 mesh) in a mixed solvent of TBHP: TBA: EG (2: 4: 1) was mixed with 50 mL of CH 3 CN. It was. A biphasic mixture was prepared by adding CH 3 CN solution prepared above to a solution of 10 mmol DBT and 10 mmol 4,6-DMDBT in n-octane.
이렇게 생성된 이중상 반응계 및 산화제로 TBHP를 사용하여 60 ℃에서 격렬한 교반을 수행하면서, 옥탄 상에서 위 두 기질이 CH3CN 층으로 이동·소멸하는 분량을 HPLC로 추적하였다. 또한, 선택산화 반응을 수행하지 않고, 위 두 기질이 옥탄 층에서 CH3CN 층으로 이동하는 속도를 측정하였다.While performing vigorous stirring at 60 ° C. using TBHP as the biphasic reaction system and oxidant thus produced, the amount of migration and disappearance of the two substrates on the octane into the CH 3 CN layer was followed by HPLC. In addition, the rate of migration of the two substrates from the octane layer to the CH 3 CN layer was measured without performing a selective oxidation reaction.
그 결과, 선택산화 조건 하에서는 DBTO2(설폰) 및 4,6-DMDBTO2(설폰)가 각각 99%와 100%에 해당하는 양이 신속하게 옥탄 층에서 CH3CN 층으로 이동함을 확인하였다. 한편, 선택산화가 없는 경우에는 65%의 DBT 및 56%의 4,6-DMDBT가 CH3CN 층으로 이동함을 확인하였다. As a result, it was confirmed that under the selective oxidation conditions, DBTO 2 (sulfone) and 4,6-DMDBTO 2 (sulfone) were rapidly transferred from the octane layer to the CH 3 CN layer in amounts corresponding to 99% and 100%, respectively. On the other hand, in the absence of selective oxidation, 65% of DBT and 56% of 4,6-DMDBT were found to migrate to the CH 3 CN layer.
즉, 위의 결과는 산화가 어려운(refractory) 티오펜들이 이중상 용매계에서의 선택산화를 통하여 거의 정략적으로 분리제거할 수 있다는 점을 보여주고 있으며, 한편 산화반응을 동반시키지 않고서도 상당한 수준의 제거가 가능함을 시사하고 있다. 그러나, 예를 들어 선택산화 반응을 수행하지 않고서도 위 작업을 2-3 차례 반복함으로써 산화가 어려운 황함유 화합물을 상당량 분리·제거할 수 있기는 하나, 초심도 또는 심도의 탈황이 요청되는 경우에는 여전히 선택산화가 필수적이며, 이 경우에 이중상 선택산화 시스템은 매우 유용한 수단임을 보여주고 있다.In other words, the above results show that refractory thiophenes can be almost eliminated by selective oxidation in a dual-phase solvent system, while a significant level of removal is not accompanied by oxidation. Suggests that possible. However, if the above operation is repeated 2-3 times without performing a selective oxidation reaction, however, a considerable amount of sulfur-containing compounds which are difficult to oxidize can be separated and removed. Selective oxidation is still essential, in which case the dual phase selective oxidation system has been shown to be a very useful means.
또한, 적절한 용매와 이중상 시스템의 구성을 변화시킴으로써 선택도, 수율 등의 조절이 가능함을 확인하였으며, 특정한 탄화수소 기질에서는 이중상 선택산화 시스템이 탈황, 탈질, 함산소 화합물 생성 면에서 오히려 단일상에 비하여 더욱 우수한 결과를 보일 수 있다는 점도 확인하였다.In addition, it was confirmed that the selectivity, yield, etc. can be controlled by changing the composition of the appropriate solvent and the dual phase system, and in certain hydrocarbon substrates, the dual phase selective oxidation system is more effective than the single phase in terms of desulfurization, denitrification, and oxygenated compound generation. It was also confirmed that excellent results can be shown.
(2) "2성분 균일촉매" + "TBHP 산화제"의 "이중상" 선택산화 시스템의 제조 및 "질소함유 화합물" 및 "알릴릭 또는 벤질릭 탄화수소"에 대한 선택산화 활성의 확인(2) Preparation of a "bi-phase" selective oxidation system of "two-component homogeneous catalyst" + "TBHP oxidant" and identification of selective oxidation activity for "nitrogen-containing compounds" and "allylic or benzylic hydrocarbons"
위에서 제조한 이중상 선택산화 시스템을 이용하여, 황 성분 이외에 질소 성분 및 알릴릭 또는 벤질릭 탄화수소 성분에 대해서도 동일한 조건에서 선택산화를 수행하였으며, 그 결과 우수한 탈질성능을 보여주었고, 또한 각 해당 산화 생성물, 즉 해당 함산소 화합물로 선택산화됨을 확인할 수 있었다.Using the dual phase selective oxidation system prepared above, selective oxidation was carried out under the same conditions for the nitrogen component and the allyllic or benzylic hydrocarbon component in addition to the sulfur component, and as a result showed excellent denitrification performance, and each corresponding oxidation product, That is, it was confirmed that the selective oxidation to the oxygen compound.
(3) "2성분 균일촉매" + "TBHP 이외의 산화제"의 "이중상" 선택산화 시스템의 제조 및 선택산화 활성의 확인(3) Preparation of "bi-phase" selective oxidation system of "two-component homogeneous catalyst" + "oxidant other than TBHP" and confirmation of selective oxidation activity
TBHP 산화제 대신에 H2O2 또는 O2(20-40%)/CO2(balance)를 사용하여 이중상 선택산화 시스템을 제조하였고, 이를 이용하여 선택산화 반응을 수행하였다. 특히, O2(20-40%)/CO2(balance)의 경우에는 오토클레이브를 사용하여 5-15 기압 압력에서 선택산화를 수행하였다.A dual phase selective oxidation system was prepared using H 2 O 2 or O 2 (20-40%) / CO 2 (balance) in place of the TBHP oxidant, to perform the selective oxidation reaction. In particular, in the case of O 2 (20-40%) / CO 2 (balance), selective oxidation was performed at 5-15 atmospheres using an autoclave.
그 결과, 황함유 화합물, 질소함유 화합물 및 알릴릭 또는 벤질릭 화합물이 각각 우수한 효율로 선택산화됨을 확인하였고, 또한 이러한 선택산화된 생성물이 극성 용매로 신속하게 이동함으로써 효과적으로 분리 또는 제거할 수 있음을 확인하였다.As a result, it was confirmed that the sulfur-containing compound, the nitrogen-containing compound and the allyllic or benzylic compound were each selectively oxidized with excellent efficiency, and furthermore, this selective oxidized product could be effectively separated or removed by quickly moving to a polar solvent. Confirmed.
실시예5Example 5
(1) "활성산소 산화제"의 in-situ 제조(1) In-situ Preparation of "Active Oxygen Oxidizers"
수소처리(hydrotreated) HDS 연료유(fuel oil) 중에서 끓는점이 205-232 ℃인 유분을 컷(cut)하였으며, 이 유분의 성분은 파라핀 43.8%, 사이클로파라핀 36.3%, 알킬벤젠 10.1% 및 테트랄린 5.5%으로 분석되었다. 이 성분 중 알킬벤젠과 테트랄린은 많은 수소처리(hydrotreated) 유분에 들어있는 대표적인 벤질릭 탄화수소들이다. Among hydrotreated HDS fuel oils, an oil having a boiling point of 205-232 ° C. was cut, the components of which were paraffin 43.8%, cycloparaffin 36.3%, alkylbenzene 10.1% and tetralin It was analyzed at 5.5%. Of these components, alkylbenzenes and tetralins are representative benzylic hydrocarbons in many hydrotreated fractions.
상기 유분에 대해서, Co-촉매 용액을 사용하여 반응기 자체 내에서 강한 산화제를 직접 발생시켜 in-situ 산화제로 사용하려는 시도를 하였다. 이러한 선택산화는 유리기구를 사용하여 1,000 mmHg의 산소압력 및 120 ℃의 온도 하에서 1 시간 수행되었으며, 그 결과를 다음 표6에 종합하였다(하이드로퍼록사이드 in-situ 제조 실험). For this fraction, attempts have been made to generate strong oxidants directly in the reactor itself using a Co-catalyst solution to use them as in-situ oxidants. This selective oxidation was carried out using a glass apparatus under an oxygen pressure of 1,000 mmHg and a temperature of 120 ° C. for 1 hour, and the results are summarized in Table 6 below (hydroperoxide in-situ preparation experiment).
(2) "활성산소 산화제"를 이용한 선택산화 활성 확인(2) Confirmation of selective oxidation activity using "active oxygen oxidant"
상당한 양의 활성산소의 생성이 확인된 위 실험5의 조건 하에서, Mo-용액(푸른 옥시란) 촉매 및 실험 번호 5에서 직접 in-situ로 발생된 활성 산소를 사용하여 DBT에 대한 산택산화를 수행하였다. 선택산화는 60 ℃ 및 상압의 액상에서 수행되었으며, 1시간 이내의 짧은 시간 내에 DBTO(설폭사이드)와 DBTO2(설폰)이 높은 수율(>95%)로 전환됨을 확인하였다. Under the conditions of Experiment 5 above, where significant production of free radicals was confirmed, pickling oxidation for DBT was performed using Mo-solution (blue oxirane) catalyst and active oxygen generated in-situ directly in Experiment No. 5. It was. Selective oxidation was carried out in a liquid phase at 60 ℃ and atmospheric pressure, and it was confirmed that DBTO (sulfoxide) and DBTO 2 (sulfone) were converted to high yield (> 95%) within a short time within 1 hour.
또한, Mo-용액 촉매 이외에도 V, Ti, W, Re의 용액 촉매를 사용해서도 동일한 실험을 수행하였으며, 이 경우에도 역시 높은 수율의 전환율을 확인하였다.In addition, the same experiment was performed using a solution catalyst of V, Ti, W, Re in addition to the Mo-solution catalyst, and in this case, a high yield conversion was also confirmed.
이와 같은 결과로부터, 일반적으로 유기 하이드로퍼록사이드는 상대적으로 강한 산화제임에도 불구하고 전이금속이 존재하지 않는 반응계에서는 아무리 과다량 소비해도 설폭사이드 단계로까지만 산화시킬 수 있으나, Mo, V, Ti, W, Re 같은 전이금속 이온 촉매가 공존함에 따라서 이 설폭사이드가 정량적으로 설폰으로 산화함을 확인할 수 있었다.From these results, organic hydroperoxides, although relatively strong oxidants, can generally be oxidized only to the sulfoxide stage in the reaction system in which no transition metal is present, no matter how much is consumed, but Mo, V, Ti, W As the presence of transition metal ion catalysts such as Re and Co, this sulfoxide was quantitatively oxidized to sulfone.
(3) "활성산소 산화제 이외의 산화제"를 이용한 선택산화반응((3) Selective oxidation using "oxidants other than active oxygen oxidants" 알칼리 존재 하에서 공기 산화반응)의Of air oxidation in the presence of alkali 활성 확인 Check active
위에 기재한 전이금속의 촉매반응 이외에도, NaOH가 존재하는 경우에 설폭사이드는 설폰으로 상온에서 순조롭게 전환됨을 확인하였다. NaOH 이외에 여러 염기들의 반응에 대한 활성은 다음과 같은 경향을 보임을 확인하였다. t-BuONa > NaOH (NaOH-KOH) > Na2CO3, CH3CO2Na >> Li2CO3-Na2CO3-K2CO3 (eutectic mixture)In addition to the catalytic reaction of the transition metals described above, it was confirmed that the sulfoxide was smoothly converted to sulfone at room temperature in the presence of NaOH. In addition to NaOH, the activity of various bases showed the following tendency. t-BuONa> NaOH (NaOH-KOH)> Na 2 CO 3 , CH 3 CO 2 Na >> Li 2 CO 3 -Na 2 CO 3 -K 2 CO 3 (eutectic mixture)
한편, 디메틸설폭사이드가 큐멘 하이드로퍼록사이드에 의하여 EtOH 용매 및 실온에서 설폰으로 산화됨을 확인하였다. 한편 물이 공존하면 이 반응은 저지되었다.On the other hand, it was confirmed that dimethyl sulfoxide was oxidized to sulfone at room temperature with EtOH solvent by cumene hydroperoxide. On the other hand, when water coexisted, the reaction was stopped.
실시예6Example 6
(1) 선택산화 처리(1) selective oxidation treatment
0.12%의 S 성분 및 45 ppm의 N 성분이 포함된 HCN(heavy cyclic naphtha)에 대해서, 푸른 Mo(옥시란) 촉매 시스템을 사용하고 O2(26%)/CO2(74%) 산화가스의 시스템을 각각 사용하여 80 ℃에서 2시간 동안 액상 산화를 수행하였다. For heavy cyclic naphtha (HCN) containing 0.12% S component and 45 ppm N component, a blue Mo (oxirane) catalyst system was used and the O 2 (26%) / CO 2 (74%) Liquid phase oxidation was carried out at 80 ° C. for 2 hours using each of the systems.
(2) 여과 후처리(2) Filtration after treatment
위 (1)에서 생성된 산화물을 글래스 필터(glass filter)와 아스피레이터(aspirator)를 사용하여 감압 하에서 여과를 수행하였다. 여액에 남아있는 S 성분 및 N 성분을 분석한 결과, S 성분은 25 ppm 미만으로 검출되었고, N 성분은 전혀 검출되지 않음을 확인하였다.The oxide produced in the above (1) was filtered under reduced pressure using a glass filter and an aspirator. As a result of analyzing the S and N components remaining in the filtrate, it was confirmed that the S component was detected at less than 25 ppm, and the N component was not detected at all.
즉, DBT의 산화물인 설폰과 N-화합물 중의 하나인 인돌의 산화물인 인디고 등은 침전되어 산화 반응계에서 고체상으로 존재하기 때문에, 여과에 의하여 쉽게 분리되어 아주 높은 탈황율을 성취할 수 있었고 N-성분 역시 검출을 할 수 없을 정도로 거의 완전하게 제거됨을 확인할 수 있었다.In other words, sulfon, which is an oxide of DBT, and indigo, which is an oxide of indole, which is one of the N-compounds, were precipitated and existed in the solid state in the oxidation reaction system, so they could be easily separated by filtration to achieve a very high desulfurization rate. It was also confirmed that the removal was almost completely impossible to detect.
(3) HDS 후처리(3) HDS post-treatment
위 (1)에서 생성된 산화물에 대해서, 종래의 상업용 HDS 촉매인 Ni(6%)-Mo(18%)/γ-Al2O3(M=Ti, Zr, B, P) 상에서 수첨처리하였다. 처리 후 얻은 생성물을 분석한 결과, S 성분은 20 ppm 미만으로 검출되었고, N 성분은 전혀 검출되지 않음을 확인하였다.The oxide produced in (1) was hydrogenated on Ni (6%)-Mo (18%) / γ-Al 2 O 3 (M = Ti, Zr, B, P), a conventional commercial HDS catalyst. . Analysis of the product obtained after the treatment confirmed that the S component was detected at less than 20 ppm, and the N component was not detected at all.
즉, 유분 기질을 우선 선택산화함으로써 유분에 존재하였던 주요 S-성분인 산화가 어려운(refractory) 축합(condensed) 티오펜들을 설폰으로 전환함으로서 산화를 받지 않은 축합(condensed) 티오펜에 비하여 훨씬 쉽게 제거하여 아주 높은 탈황율을 성취할 수 있었고 N-성분 역시 검출을 할 수 없을 정도로 거의 완전하게 제거됨을 확인할 수 있었다.That is, by selective selective oxidation of the oily substrate, the major S-components in the oil, which are refractory condensed thiophenes, are converted to sulfones, making removal much easier than condensed thiophenes. Very high desulfurization rate was achieved and the N-component was almost completely removed so that it could not be detected.
(4) FCC 폐촉매 크래킹 후처리(4) FCC Waste Catalyst Cracking Post Treatment
위 (1)에서 생성된 산화물에 대해서, Ni, V, Fe이 적재된 FCC 폐촉매를 사용하여 하이드로크래킹(hydro-cracking) 및 정상적인 크래킹을 수행하였다. 처리 후 얻은 생성물을 분석한 결과, S 성분은 10 ppm 미만으로 검출되었고, N 성분은 전혀 검출되지 않음을 확인하였다.For the oxide produced in (1), hydro-cracking and normal cracking were performed using FCC waste catalyst loaded with Ni, V, and Fe. Analysis of the product obtained after the treatment confirmed that the S component was detected at less than 10 ppm, and the N component was not detected at all.
이러한 결과로부터, FCC 및 RFCC(resid fluid catalytic cracking)에서 이미 사용되어 폐기된 촉매로서, V, Ni 및 Fe 등이 다량 포함된 폐촉매를 사용하여 탁월한 탈황(<10 ppm) 성능을 발휘함과 동시에 N-성분 역시 검출을 할 수 없을 정도로 거의 완전하게 제거됨을 확인할 수 있었다.From these results, the catalysts already used and discarded in FCC and residual fluid catalytic cracking (RFCC) exhibited excellent desulfurization (<10 ppm) performance using waste catalysts containing large amounts of V, Ni, and Fe. It was confirmed that the N-component was also almost completely removed so that it could not be detected.
실시예7Example 7
(1) "퍼록소포스포텅스테이트 산화제" 및 "오일/CH(1) "peroxophosphotungstate oxidant" and "oil / CH 33 CN 이중상 시스템을 이용한 선택산화 반응Selective Oxidation Using CN Dual-Phase System
HDS 처리를 거쳐서 비교적 낮은 유황(330 ppm)을 포함하는 경유에 대해서 퍼록소포스포텅스테이트(30% H2O2/텅스토포스포릭산)을 이용한 이중상 시스템(오일/CH3CN)에서 60 ℃의 온도를 유지하면서 3 시간 동안 선택산화를 통한 심도 탈황을 수행하였다. 그 결과는 다음 표에 종합하였다. 60 ° C. in a dual phase system (oil / CH 3 CN) using peroxosophosphotungstate (30% H 2 O 2 / tungstophosphoric acid) for light diesel containing HDS treatment and relatively low sulfur (330 ppm) Desulfurization via selective oxidation was carried out for 3 hours while maintaining the temperature of. The results are summarized in the following table.
(2) 퍼록소포스포텅스테이트 산화제 및 "오일/CH(2) peroxophosphotungstate oxidizer and " oil / CH 33 CN 이외의 이중상 시스템을 이용한 선택산화 반응Selective Oxidation Using a Dual-Phase System Other Than CN
위와 동일한 반응조건을 적용하되, 다만 이중상 매체로서 위에서 사용된 오일/CH3CN 대신에 오일/MeOH, 오일/DMF, 오일/아세트산, 오일/피롤리돈, 오일/p-디옥산, 벤젠/MeOH, 오일/NaOH 수용액을 각각 사용하여 선택산화 반응을 수행하였다. 그 결과, 오일/CH3CN와 마찬가지로 탁월한 심도 탈황 및 탈질의 결과를 확인할 수 있었다.Apply the same reaction conditions as above except for oil / MeOH, oil / DMF, oil / acetic acid, oil / pyrrolidone, oil / p-dioxane, benzene / MeOH instead of oil / CH 3 CN used above as a dual phase medium. The selective oxidation reaction was carried out using an oil / NaOH aqueous solution, respectively. As a result, the result of excellent depth desulfurization and denitrification was confirmed as in oil / CH 3 CN.
(3) "퍼록소포스포텅스테이트 이외의 산화제" 및 오일/CH(3) "oxidants other than peroxophosphotungstate" and oils / CH 33 CN 이외의 이중상 시스템을 이용한 선택산화 반응Selective Oxidation Using a Dual-Phase System Other Than CN
위와 동일한 반응조건을 적용하되, 다만 산화제로서 위에서 사용한 퍼록소포스포텅스테이트 대신에 다음에 기재된 산화제를 사용하여 선택산화 반응을 수행하였다. The same reaction conditions as above were applied except that the selective oxidation reaction was carried out using the oxidizing agent described below instead of the peroxophosphotungstate used above as the oxidizing agent.
그 결과, 유기 퍼록사이드 또는 하이드로퍼록사이드를 포함시킨 물질들, 예를 들어 헤테로폴리산, Mg-Al 층상 이중 하이드록사이드(Mg-Al layered double hydroxide; Mg-Al 하이드로탈사이트; Rh/Mg6Al2(OH)16.4H2O), Zn-Al 층상 이중 하이드록사이드(Zn-Al layered double hydroxide; Zn-Al 하이드로탈사이트 물질)들을 사용한 경우에 탁월한 심도 탈황 및 탈질의 결과를 확인할 수 있었으며, 특히 하기 표 8에 나타낸 음이온 필러(anion pillars)를 포함시킨 하이드로탈사이트 물질은 매우 월등하게 좋은 결과를 산출하였다. As a result, materials containing organic peroxides or hydroperoxides, such as heteropolyacids, Mg-Al layered double hydroxide; Mg-Al hydrotalcite; Rh / Mg 6 Al 2 (OH) 16.4 H 2 O), Zn-Al layered double hydroxide (Zn-Al layered double hydroxide; Zn-Al hydrotalcite material) was found that the results of excellent depth desulfurization and denitrification, In particular, the hydrotalcite material containing anion pillars shown in Table 8 yielded very good results.
(4) "단일금속 균일촉매" 또는 "이중금속 균일촉매" 및 "O(4) "monometal homogeneous catalyst" or "bimetal homogeneous catalyst" and "O 22 /CO/ CO 22 산화제"를 이용한 "이중상 시스템에서의 선택산화 반응 Selective Oxidation in a Dual-Phase System Using an Oxidizer
단일금속 용액 촉매 및 이중금속 용액 촉매를 위에서 제시한 바와 같이 금속분말을 적절한 용매에 용해시켜 제조하였고, 이를 이용하여 공기 및 O2(30%)/CO2(70%)의 산화기체 하에서 상압 또는 Ti-오토클레이브 내에서(15 기압) 위에서 열거한 이중상 시스템 내에서 선택산화 반응을 1-4시간 동안 수행하였고, 그 결과 우수한 정도로 심도 탈황이 이루어짐을 확인하였다.Monometallic solution catalysts and bimetallic solution catalysts were prepared by dissolving the metal powder in a suitable solvent, as indicated above, and using this, at atmospheric pressure or under an oxidizing gas of air and O 2 (30%) / CO 2 (70%). The selective oxidation reaction was carried out in the Ti-autoclave (15 atm) in the above-listed dual phase system for 1-4 hours, and as a result, it was confirmed that the desulfurization to a good degree.
실시예8Example 8
(1) "Mo(옥시란) 균일촉매" 및 "TBHP 산화제"를 이용한 LCO의 선택산화(1) Selective oxidation of LCO using "Mo (oxirane) homogeneous catalyst" and "TBHP oxidant"
가볍게 수소처리되어(hydrotreated) 0.07%의 S-성분 및 40 ppm의 N-성분을 포함하는 LCO(light cycle oil)에 대해서, 푸른 Mo(옥시란) 용액 촉매 및 TBHP를 사용하여 1L 3구 플라스크에서 S-화합물과 N-화합물은 물론 알릴릭 또는 벤질릭 탄화수소까지 산화시킬 수 있도록 조절된 조건(160 ℃, 3시간, 상압, 150 rpm 교반) 하에서 선택산화를 수행하였다. For light cycle oil (LCO) containing 0.07% S-component and 40 ppm N-component, lightly hydrotreated, in a 1 L three-necked flask using blue Mo (oxirane) solution catalyst and TBHP Selective oxidation was performed under controlled conditions (160 ° C., 3 hours, atmospheric pressure, 150 rpm stirring) to oxidize S- and N-compounds as well as allyl or benzylic hydrocarbons.
(2) (2) 선택산화를Select oxidation 통한 S- 또는 N-성분 전구체 및 Through S- or N-component precursors and 함산소Oxygen 화합물의 생성 확인 Confirmation of Formation of Compound
위 실험에서 얻어진 산화된 생성물을 IR 분석한 결과, 거의 100%에 가까운 비율로 S-성분이 설폰으로 전환되었고 N-성분 역시 제거가 용이한 전구체로 전환이 되었을 뿐만 아니라, 상당량의 "카르보닐" 생성물이 생성되었음을 확인하였다. IR analysis of the oxidized product obtained in the above experiments showed that the S-component was converted to sulfone at nearly 100%, and the N-component was also converted into an easy-to-remove precursor, as well as a significant amount of "carbonyl". It was confirmed that the product was produced.
(3) 열분해에 의한 후처리(3) Post-treatment by pyrolysis
위 실험에서 얻어진 산화물의 일부 분량(an aliquot portion, 40mL)에 대해서 H-donor 용매와 함께 450 ℃에서 3시간 열분해장치(pyrolysis unit)에서 열분해를 수행하였다. 그 결과, 다음 표에 나타낸 바와 같이 약 92-97%의 탈황율을 달성하였으며, N-성분은 전혀 검출할 수 없었다. 반면, H-donor가 아닌 나프탈렌이 공존하는 경우에서는 그 탈황률이 83%이었다. For an aliquot portion (40 mL) of the oxide obtained in the above experiment, pyrolysis was carried out in a pyrolysis unit for 3 hours at 450 ° C with H-donor solvent. As a result, a desulfurization rate of about 92-97% was achieved as shown in the following table, and the N-component could not be detected at all. On the other hand, in the case of coexistence of naphthalene and not H-donor, the desulfurization rate was 83%.
(4) 염기촉매 존재 하에서의 열분해 후처리(4) Post-Pyrolysis Treatment in the Presence of Base Catalyst
위에서 얻어진 산화물의 다른 일부 분량(40mL)에 대해서, 하이드로탈사이트, Na/Al2O3, Na/K/활성탄소, Cs/ZSM-5, Cs/SiO2, Ba/MCM-41과 같은 염기촉매 5g을 투입하고 나서, 450 ℃에서 1시간 동안 열처리 유닛(pyrolysis unit)에서 열처리하였다. For some other portion (40 mL) of the oxide obtained above, bases such as hydrotalcite, Na / Al 2 O 3 , Na / K / activated carbon, Cs / ZSM-5, Cs / SiO 2 , Ba / MCM-41 5 g of the catalyst was added and then heat treated in a pyrolysis unit at 450 ° C. for 1 hour.
그 결과 탈황율 (>98%) 및 탈질률 (~100%)을 달성하였고, 이와 동시에 촉매로 썼던 Mo을 포함해서 거의 모든 금속들이 아주 높은 수준으로 (>95%) 제거되는 우수한 효과를 확인하였다. As a result, desulfurization rate (> 98%) and denitrification rate (~ 100%) were achieved, and at the same time, the excellent effect of removing almost all metals (> 95%) including Mo used as a catalyst was found to be excellent. .
(5) 흡착제를 이용한 후처리(5) post-treatment with adsorbent
위에서 얻어진 산화물의 다른 일부 분량(40mL)을 미리 여과한 다음, 활성 탄소섬유, 실리카겔 및 탄소 분자체(10 mL/g 흡착제)를 사용하여, 황 또는 질소 함유 전구체들을 분리·제거하였다. 흡착제로 1회 또는 2회 정도 처리함에 의해서도 최종 여액에서 S와 N-성분은 전혀 검출할 수 없이 제거되었음을 확인하였다.Some other portion (40 mL) of the oxide obtained above was pre-filtered, and then sulfur or nitrogen containing precursors were separated and removed using activated carbon fibers, silica gel and carbon molecular sieves (10 mL / g adsorbent). It was confirmed that the S and N-components were not detected at all in the final filtrate by treating the adsorbent once or twice.
위의 종래의 흡착제 외에도 Pd/Al2O3, Pt/Al2O3, Pd/활성탄소, Pt/활성탄소, PdBaTiO3, Pt/BaTiO3, Pt/Mg2Al2O5, Pd/MgAl2O4, V/Ce/MgAl2O4, V/Ce/MAl2O4 (M = Fe, Cr, Co, Ni, Cu, Cd, Hg, Zn 및 Zr 중에서 선택된 것), V/Ce/MgAl2O4.xAl2O3, M/MgAl2O4 (M = Fe, V, Cr, Ta, Nb, Ti, Mo, Zr 및 Mn 중에서 선택된 것), M/제올라이트, M/활성탄소, M/활성탄소섬유, M/탄소분자체, M/탄소나노튜브 (M = Fe, V, Cr, Ta, Nb, Ti, Mo, Zr 및 Mn 중에서 선택된 것) 등과 같은 새로운 흡착제를 사용하여 후처리를 수행한 결과 역시 우수한 정도의 탈황, 탈질 효과를 보임을 확인하였다.In addition to the conventional adsorbents above, Pd / Al 2 O 3 , Pt / Al 2 O 3 , Pd / Activated Carbon, Pt / Activated Carbon, PdBaTiO 3 , Pt / BaTiO 3 , Pt / Mg 2 Al 2 O 5 , Pd / MgAl 2 O 4 , V / Ce / MgAl 2 O 4 , V / Ce / MAl 2 O 4 (M = selected from Fe, Cr, Co, Ni, Cu, Cd, Hg, Zn and Zr), V / Ce / MgAl 2 O 4 .xAl 2 O 3 , M / MgAl 2 O 4 (M = selected from Fe, V, Cr, Ta, Nb, Ti, Mo, Zr and Mn), M / zeolite, M / active carbon, Post-treatment using new adsorbents such as M / active carbon fibers, M / carbon molecular sieves, M / carbon nanotubes (M = Fe, V, Cr, Ta, Nb, Ti, Mo, Zr and Mn) The results were also confirmed to show an excellent degree of desulfurization, denitrification effect.
(6) 극성용매의 선택추출에 의한 후처리(6) Post-treatment by Selective Extraction of Polar Solvents
위에서 얻어진 산화물의 다른 일부 분량(40mL)을 미리 여과를 하여 혹시 존재할 수 있는 고체 침전물을 제거한 다음, 그 여액에 대해서 DMF(디메틸 포름아미드), CH3CN, 유기산과 같은 극성 용매를 이용하여 선택추출을 수행하였다. Some other portion of the oxide obtained above (40 mL) was pre-filtered to remove any possible solid deposits, and the filtrate was then selectively extracted using polar solvents such as DMF (dimethyl formamide), CH 3 CN and organic acids. Was performed.
위에서 선택추출한 이후에 잔존하는 황, 질소 성분을 측정하였으며, 이를 원래의 기질 내에 존재하던 함량과 비교하여 보면, 다음 표에 나타낸 것과 같이 우수한 탈황 및 탈질이 이루어져 있음을 확인할 수 있다.The sulfur and nitrogen components remaining after the selective extraction from the above were measured, and when compared with the contents existing in the original substrate, it can be seen that excellent desulfurization and denitrification were made as shown in the following table.
(7) 분별증류(fractionation)에 의한 후처리(7) Post-treatment by fractionation
위에서 얻어진 산화물의 다른 일부 분량(200 mL)에 대해서, 미리 여과 후에 분별증류를 수행하였다. 그 결과, 산화반응을 겪지 않은 유분의 최고 비점에서 증류하여 얻어진 유분에서 90% 이상의 탈황과 거의 완전한 탈질을 실현할 수 있었음을 확인하였다. For some other portion (200 mL) of the oxide obtained above, fractional distillation was performed after filtration in advance. As a result, it was confirmed that more than 90% of desulfurization and almost complete denitrification could be realized in the oil obtained by distillation at the highest boiling point of the oil which did not undergo oxidation reaction.
(8) 선택산화 생성물에 대한 성분분석(8) Component Analysis for Selective Oxidation Products
위 실험에서 액상산화 반응을 수행하여 수득한 수소처리(hydrotreated) LCO의 산화생성물에 대해서, 그 성분 분석을 수행하였다.For the oxidation product of the hydrotreated LCO obtained by performing the liquid phase oxidation reaction in the above experiment, the component analysis was performed.
크로마토그래피를 사용하여 극성에 따라서 지방족, 방향족, 극성성 물질의 3가지로 분류하고 나서, 푸리에 전환 IR 분광법과 고분해능 가스 크로마토그래피-질량 분광법(mass spectrometric technique)을 이용하여, 위에서 분류한 물질들에 대한 치밀한 분석을 수행하였다.The chromatography is classified into aliphatic, aromatic, and polar substances according to polarity, and then subjected to Fourier-converted IR spectroscopy and high resolution gas chromatography-mass spectrometric technique. A detailed analysis was performed.
그 결과, 지방족 화합물은 주로 파라핀으로서 별다른 변화 없이 산화되지 않고 원래 상태로 존재하고 있었으며, 다만, 모노사이클로알칸만은 완전히 산화되어 있었음을 확인하였다. 또한, 방향족 화합물은 주로 케톤과 고리 에스테르인 락톤으로 구성되어 있었으며, 극성 물질 부분은 DBT 설폰과 산화된 N-화합물, 즉 N-옥사이드, 옥심, 인디고, 방향족 알코올, 안하이드라이드, 알데하이드, 카르복실산, 에스테르, α-테트랄론과 같은 케톤류 등임을 확인하였다. As a result, it was confirmed that the aliphatic compound was mainly paraffin and remained in its original state without being oxidized without any change, except that only monocycloalkane was completely oxidized. In addition, the aromatic compounds consisted mainly of ketones and lactones which are cyclic esters, with the polar part being composed of DBT sulfone and oxidized N-compounds, such as N-oxides, oximes, indigo, aromatic alcohols, anhydrides, aldehydes and carboxyls. It was confirmed that the acid, ester, ketones such as α-tetralone.
이는, 본 발명에 따른 선택산화 방법에 의해서 탈황, 탈질이 용이한 황 또는 질소 함유 전구체로의 전환이 우수한 수율로 전환됨과 동시에, 세탄가 또는 옥탄가를 증진시킬 수 있는 함산소 화합물 역시 다량 생성됨을 확인하는 것이다.It is confirmed that the selective oxidation method according to the present invention converts sulfur or nitrogen-containing precursors which are easily desulfurized and denitrified into excellent yields, and at the same time, a large amount of oxygen-containing compounds capable of enhancing cetane number or octane number are also produced. will be.
실시예9: 석탄의 선택 산화탈황 실험Example 9 Selective Oxidative Desulfurization of Coal
(1) 석탄 청정 과정(1) coal cleaning process
미국산 유연탄(bituminous coal)을 원료탄(feed coal)로 선정하여 선택산화 탈황 실험을 수행하였다. 우선 첫 처리 과정으로 호몰로이드 해머 밀(Homoloid hammer mill)을 사용하여 시료를 적절한 크기로 분쇄하여 이 분쇄된 시료를 회분 조절제(ash conditioning agent)를 사용하여 회분의 표면을 친수성으로 변화시킨 후 오일 응집(oil agglomeration) 방법으로 탈회분을 시행하였다. 이 단계에서 공기에 의해 발생하는 시료의 원하지 않는 자연 산화를 방지하기 위하여 모든 실험 과정을 질소의 분위기 하에서 실행하였다.Selective oxidative desulfurization experiments were performed by selecting bituminous coal from the United States as feed coal. First, the sample is crushed to a suitable size using a homomoloid hammer mill, and the pulverized sample is changed to a hydrophilic surface by using an ash conditioning agent. Demineralization was performed by (oil agglomeration) method. At this stage, all experimental procedures were carried out in an atmosphere of nitrogen to prevent unwanted natural oxidation of the sample generated by air.
(2) 선택 산화 반응(2) selective oxidation reaction
위 첫 단계의 탈회분 시료를 증류수에 섞고 나서 300 cc 오토클래이브 내에서 20 중량% 슬러리를 만들어 격렬하게(~1500 rpm) 교반하면서 가열을 계속하였다. 반응온도(90 oC)에 도달하기에는 약 40 분이 걸렸다. The deash sample of the first step was mixed with distilled water and then heated with stirring vigorously (~ 1500 rpm) to make a 20% by weight slurry in a 300 cc autoclave. It took about 40 minutes to reach the reaction temperature (90 ° C.).
이 반응계가 이 반응온도에서 안정되면 바로 Fe3+을 포함하는 진한 Na2C2O4 용액을 펌프로 투입하여 주로는 [Fe(C2O4)3]3- 복합(complex) 촉매를 즉시 생성시키고 반응 매체 슬러리의 pH가 4.0-5.5가 되게 조절하였다. 물론 일부의 Fe+3 이온은 석탄 속에 들어있는 황철광(pyrite)과 과다량의 [C2O4]2- 이온이 반응하여 생성될 수도 있다. As soon as the reaction system is stable at this reaction temperature, a concentrated Na 2 C 2 O 4 solution containing Fe 3+ is pumped into the reactor, and the [Fe (C 2 O 4 ) 3 ] 3- complex catalyst is immediately added. Produced and the pH of the reaction medium slurry was adjusted to 4.0-5.5. Of course, some Fe +3 ions may be produced by the reaction of pyrite in coal with an excess of [C 2 O 4 ] 2- ions.
소량의 반응용액 시료는 말단에 금속 필터 팁(filter tip)이 연결된 배출튜브(outlet tube)를 통해서 일정한 시간 간격을 두고 뽑아서 반응이 진행하는 동안 반응매체의 pH를 계속해서 추적하였다. A small amount of the reaction solution sample was drawn at regular intervals through an outlet tube connected to a metal filter tip at the end to keep track of the pH of the reaction medium during the reaction.
또 다른 미국산 유연탄 석탄시료로서 유기황이 많이 들어 있은 시료를 상기한 전처리로 청정한 석탄을 시료로 사용하여, 동일한 Fe3 +/[C2O4]2- 매체에서 공기 및 O2/CO2 산화가스 분위기 하에서 선택산화 방법으로 산화반응을 수행한 후 염기 처리를 하여 탈황하여 그 탈황 결과를 표 12에 종합하였다(Fe3 +/[C2O4]2- (주로 [Fe(C2O4)3]3-) 촉매 하에 공기(O2/N2) 및 O2/CO2 산화기체의 분위기 하에서 선택산화 및 염기처리로 탈황한 결과).Another U.S. bituminous coal sample containing air containing large amounts of organic sulfur as a sample using clean coal as a pretreatment described above, and air and O 2 / CO 2 oxide gas in the same Fe 3 + / [C 2 O 4 ] 2- medium. Oxidation reaction was carried out by selective oxidation under an atmosphere, and then desulfurized by base treatment. The desulfurization results were summarized in Table 12 (Fe 3 + / [C 2 O 4 ] 2- (mainly [Fe (C 2 O 4 )). 3 ] 3- ) Desulfurization by selective oxidation and base treatment under an atmosphere of air (O 2 / N 2 ) and O 2 / CO 2 oxidizing gas under a catalyst).
공기 및 O2(20-30%)/CO2(balance)를 미리 혼합하여 만든 산화 기체를 투입시켜서 일정한 압력 하에서 산화를 진행시켰다. 이러한 산화 가스의 투입으로 약간의 온도 상승을 관찰하였으며, pH가 조절된 버퍼 매체 내에서 심한 교반으로 산화반응이 완료될 수 있게 진행하게 두어서 황철광(pyrite, FeS2)가 완전히 소멸되고 상당량의 유기 유황 제거를 성취할 수 있게 반응을 유지하였다. 만일 이 반응 매체의 pH 조절을 위하여 반응이 진행하는 동안 필요한 경우에 Na2C2O4 용액을 보충하였다.Oxidation gas was prepared by mixing air and O 2 (20-30%) / CO 2 (balance) in advance, and the oxidation was performed under a constant pressure. The slight rise in temperature was observed by the addition of this oxidizing gas, and the pyrite (FeS 2 ) was completely extinguished and a considerable amount of organic matter was allowed to proceed to complete the oxidation reaction by severe stirring in a pH-controlled buffer medium. The reaction was maintained to achieve sulfur removal. Na 2 C 2 O 4 solution was supplemented if necessary during the course of the reaction for pH control of the reaction medium.
소기의 산화반응이 종료되는 즉시 냉수를 오토클래이브 냉각 코일(cooling coil)에 유통시켜서 급격히 냉각시켰다. 냉각이 되면 즉시 과다량의 산화가스를 외부로 방출시켜 빼내고 냉각된 반응 혼합물은 회수하였다. 이렇게 산화 처리된 석탄은 황록색 여액에서 분리하여 온수로 완전히 세척하여 여액에서 [C2O4]2- 이온이 검출되지 않을 때 까지 세척하였다. 이렇게 분리된 석탄 생산품은 120 ℃의 고진공에서 건조하여 분석을 하였다. Immediately after the desired oxidation reaction was completed, the cold water was passed through the autoclave cooling coil to cool rapidly. Upon cooling, an excess amount of oxidizing gas was immediately released to the outside, and the cooled reaction mixture was recovered. The oxidized coal was separated from the yellow-green filtrate, washed thoroughly with warm water, and washed until no [C 2 O 4 ] 2- ions were detected in the filtrate. The coal product thus separated was dried and analyzed in a high vacuum at 120 ℃.
(3) 염기 처리 탈화(3) base treatment deoxidation
석탄 마세롤(macerol)에 들어있는 유기 황은 상기한 조건 하에서 선택적으로 설폭사이드, 설폰, 설포네이트로 산화되었다. 이 산화된 유기유황, 특히 제거하기 어려운 유황들과 미량 남아있을 가능성이 있는 황청광은 Na2CO3, NaOH-KOH와 같은 염기 수용액으로 고온에서 처리하여 제거하였다.Organic sulfur contained in coal macerol was optionally oxidized to sulfoxide, sulfone, sulfonate under the above conditions. These oxidized organosulfurs, especially sulfur that is difficult to remove, and yellowish blue, which may remain in trace, were removed by treatment at high temperature with an aqueous solution of base such as Na 2 CO 3 , NaOH-KOH.
이렇게 산화된 석탄 20 g 시료를 300 cc 모넬(monel) 오토클래이브에 100 mL의 염기 수용액으로 넣었다. 반응기는 질소 기류를 통과시켜서 공기를 제거하고 격렬하게 교반을 하면서 625-650 ℃에서 0.5-1.0 시간 동안 염기 탈황처리를 수행하였다. 물/석탄 중량비는 3/1로 하였고, Na2CO3/석탄 중량비는 0.3으로 하였으며, 일반적으로 염기/석탄의 중량비는 유기황에 의존하나 대강 유기 유황의 1몰당 약 2 몰의 염기가 소요된다.A 20 g sample of this oxidized coal was placed in a 300 cc Monel autoclave with 100 mL aqueous solution of base. The reactor was subjected to a base desulfurization treatment at 625-650 ° C. for 0.5-1.0 hours with air passing through a nitrogen stream to remove air and vigorously stirring. The water / coal weight ratio was 3/1, the Na 2 CO 3 / coal weight ratio was 0.3, and in general, the weight ratio of base / coal depends on organic sulfur, but about 2 mol of base per mol of organic sulfur is required. .
그 결과를 위 표12에 기재하였으며, 이러한 결과로부터 Fe3+/[C2O4]2- (주로 [Fe(C2O4)3]3-) 촉매 산화에 있어서 O2/CO2 산화가스의 경우가 일반 공기 산화에 비해서 무기 및 특히 유기 유황의 탈황율이 12%에서 89%로 증진시키는 월등한 작용효과를 확인할 수 있었다.The results are shown in Table 12 above. From these results, Fe 3+ / [C 2 O 4 ] 2- (mainly O 2 / CO 2 oxidation in the catalytic oxidation of [Fe (C 2 O 4 ) 3 ] 3- ) In the case of gas, it was confirmed that the desulfurization rate of inorganic and especially organic sulfur increased from 12% to 89% compared to general air oxidation.
실시예10: "이중금속 분말" 및 "OExample 10 "Dual Metal Powders" and "O 22 /CO/ CO 22 산화제"를 이용한 선택산화 반응 Selective Oxidation with "Oxidant"
n-데칸(99%, 알드리치), n-헥사데칸(99%, 알드리치), 벤젠(99%, 알드리치), t-부틸벤젠(99%, 알드리치)을 모사오일로 사용하고, DBT(디벤조티오펜, 98%, 알드리치), 4,6-DMDBT(4,6-디메틸 디벤조티오펜, 97%, 알드리치) 등을 모델 화합물로 사용하여 아래 표에 나타낸 바와 같은 조성의 모사기질을 제조하였다.n-decane (99%, Aldrich), n-hexadecane (99%, Aldrich), benzene (99%, Aldrich), t-butylbenzene (99%, Aldrich) was used as the simulated oil, and DBT (dibenzo Thiophene, 98%, Aldrich), 4,6-DMDBT (4,6-dimethyl dibenzothiophene, 97%, Aldrich) and the like were used as model compounds to prepare simulated substrates having the composition shown in the table below. .
위와 같은 모사기질 및 FeMoO4 분말 0.142 g를 사용하여 200 mL의 Ti-오토클레이브에서 액상 산화반응을 수행하였다. 반응조건은 O2/CO2(30%/70%) 산화가스를 흘리면서 10 기압, 150 ℃, 반응시간 3 시간, 350 rpm의 조건으로 하여 산화반응을 수행하였다. 산화반응 후의 최종물질은 GC-MS (Agilent 5973I)와 GC-FID (Agilent 6890N), PFPD (OI model 5380)를 사용하여 분석하였다. 이러한 실험 결과, 다른 성분은 전혀 산화되지 않고 유황 화합물인 DBT 및 4,6-DMDBT가 각각 DBT-O2(52%), 4,6-DMDBT-O(45%) 등으로 선택 산화됨을 확인하였다. Liquid oxidation was carried out in 200 mL of Ti-autoclave using 0.142 g of the same substrate and FeMoO 4 powder. The reaction was performed under conditions of 10 atm, 150 ° C., reaction time 3 hours, and 350 rpm while flowing O 2 / CO 2 (30% / 70%) oxidizing gas. The final material after oxidation was analyzed using GC-MS (Agilent 5973I), GC-FID (Agilent 6890N), PFPD (OI model 5380). As a result of this experiment, it was confirmed that other components were not oxidized at all and sulfur compounds DBT and 4,6-DMDBT were selectively oxidized to DBT-O 2 (52%) and 4,6-DMDBT-O (45%), respectively. .
이와 같은 실험 결과로부터 FeMoO4 분말이 반응 매체에 균일하게 분산되었을 때 다음 화학식에 따라 Fe와 Mo의 이중 금속 균일촉매 시스템과 거의 동등한 작용을 함을 확인할 수 있었다. 즉, 단일금속 성분 및 이중성분 또는 다성분 균일촉매계 반응은 각각 해당하는 고체촉매를 미세한 분말로 분쇄하여 적절한 매체에 균일하게 분산시켜 고액상에서 산화반응을 수행하더라도 순수한 균일용액 촉매를 사용하였을 때와 거의 같은 반응기구로 산화를 수행할 수 있음을 시사한다는 점에서 본 발명의 또 다른 기술적 의미가 있다고 할 수 있다.From the experimental results, it was confirmed that when the FeMoO 4 powder was uniformly dispersed in the reaction medium, the FeMoO 4 powder had almost the same effect as the dual metal homocatalyst system of Fe and Mo according to the following formula. In other words, the monometallic component and the bicomponent or multicomponent homogeneous catalyst reactions are substantially the same as when the pure homogeneous solution catalyst is used even if the solid catalyst is pulverized into fine powder and uniformly dispersed in an appropriate medium to perform the oxidation reaction in a high liquid phase. It can be said that there is another technical meaning of the present invention in that the oxidation can be carried out in the same reactor.
참고로, 비록 사용한 촉매는 FeMoO4 고체 촉매이지만 O2/CO2의 산화 기체에 접촉하면 아래의 반응식에 따라서 Fe2(MoO4)3와 Fe2O3의 혼합 산화물 성분으로 전환되기 때문에 사실상 Fe2(MoO4)3가 주된 촉매성분으로 Fe3 +와 Mo6 +의 2성분 균일용매 촉매계를 모사한 산화효과를 유지시킬 수 있다.For reference, although the catalyst used is a FeMoO 4 solid catalyst, in fact it is converted into a mixed oxide component of Fe 2 (MoO 4 ) 3 and Fe 2 O 3 according to the following reaction equation when contacted with an oxidizing gas of O 2 / CO 2 . 2 (MoO 4 ) 3 as the main catalyst component can maintain the oxidation effect that simulates the two-component homogeneous solvent catalyst system of Fe 3 + and Mo 6 + .
위에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 한 반응기 내에서 1단계 액상 선택산화를 수행하여 여러 가지 탄화수소 기질에서 황 및 질소 함유 화합물을 제거하고 동 시에 유용한 함산소 화합물을 합성할 수 있는 작용효과를 보이고 있다. 본 발명의 공정은 특히 심도 또는 초심도 탈황, 탈질을 수행하고 겸해서 향후 수송유가 요청하는 산소 함유량과 옥탄가 및 세탄가 규제를 동시에 충족시키는 공정이다.As described above, the present invention shows the effect of performing one-step liquid phase selective oxidation in one reactor to remove sulfur and nitrogen-containing compounds from various hydrocarbon substrates and to synthesize useful oxygen compounds at the same time. . In particular, the process of the present invention is a process that performs depth or super-depth desulfurization and denitrification, and simultaneously satisfies the oxygen content, octane number and cetane number regulation required for future transport oils.
본 발명을 적용할 수 있는 탄화수소 기질로는, 석유에서 유도된 FCC 산품, 수송연료(휘발유 및 경유), 중간유분(middle distillates), 중질유 및 잔사유를 포함한다. 그리고 석탄, 석탄에서 파생된 모든 산품, 셰일오일(shale oil), 타르샌드(tar sand)과 같은 고체 화석연료의 청정에도 적용할 수 있다.Hydrocarbon substrates to which the present invention is applicable include petroleum derived FCC products, transport fuels (petrol and diesel), middle distillates, heavy oils and residues. It can also be applied to the cleanliness of coal, all fossil-derived products, solid fossil fuels such as shale oil and tar sand.
본 발명에 의하면, Mn+/제1용매 또는 M1 n+/제2용매와 M2 m+/제3용매의 혼합촉매로 표현되는 비MC형 균일촉매를 이용하여 유분, 나프타에서 휘발유, 경유, 중질유, 잔사유와 같은 다양한 석유 제품에 포함되어있는 유황성분, 특히 산화가 어려운(refractory) 티오펜 유도체, 벤즈티오펜(BT), 디벤조티오펜(DBT) 46-디메틸-디벤조티오펜(4,6-DMDBT), N-화합물(아민, 피롤계, 피리딘계) 및 벤질산, 알릴릭 탄화수소를 선택 산화 반응으로 각각 해당하는 설폭사이드/설폰, N-옥사이드/인디고/옥심 그리고 경유의 세탄가, 휘발유의 옥탄가의 증진제인 유용한 산화물(케톤, 알코올, 알데히드, 에테르)을 한 반응기 내에서 1단계 반응으로 합성할 수 있게 된다.According to the present invention, a non-MC type homogeneous catalyst represented by a mixed catalyst of M n + / first solvent or M 1 n + / second solvent and M 2 m + / third solvent is used for gasoline, light oil and heavy oil in naphtha. Sulfur in various petroleum products, such as residues, in particular refractory thiophene derivatives, benzthiophene (BT), dibenzothiophene (DBT) 46-dimethyl-dibenzothiophene (4 , 6-DMDBT), N-compounds (amine, pyrrole-based, pyridine-based), and benzyl acid and allyl hydrocarbon are selected by oxidation reactions, respectively, corresponding sulfoxide / sulfone, N-oxide / indigo / oxime and cetane number of diesel, Useful oxides (ketones, alcohols, aldehydes, ethers), which are gasoline octane enhancers, can be synthesized in one reactor in one reactor.
이렇게 선택산화 과정에서 산출된 설폭사이드/설폰 및 N-옥사이드/인디고/옥심 등은 이중상 (극성/비극성 용매) 산화반응기 내에서 극성 용매 상으로 분리/제거하거나 제2 단계에서 단순한 열분해(H-제공 용매 존재, 무촉매), 종래 촉매 및 신 염기 촉매를 사용한 접촉 탈황/탈질을 완수하거나 또는 종래의 이미 알려진 간 단한 분리방법(용매 선택추출, 선택 흡착제, 분류, 산화 또는 비산화 이중상 분리법) 이용하여 탈황과 탈질을 수행하여 황 또는 질소 성분이 초심도(ultra-low)로 또는 전혀 존재하지 않는(S-free 및 N-free) 유분을 제조하며 겸해서 유용한 함산소 화합물 (oxygenates)를 합성하여 향후 산소 함량에 관한 환경규제 강화에 대응할 수 있는 석유 유분 청정 공정이다.The sulfoxides / sulfones and N-oxides / indigo / oximes produced in this selective oxidation process are separated / removed into the polar solvent phase in the dual phase (polar / non-polar solvent) oxidation reactor or simple pyrolysis (H-provided in the second step). Solvent-free, non-catalyst), contact desulfurization / denitrification using conventional catalysts and new base catalysts, or using conventional simple known separation methods (solvent selective extraction, selective adsorbents, fractionation, oxidation or non-oxidation double phase separation). Desulfurization and denitrification are carried out to produce fractions of sulfur or nitrogen at ultra-low or no (S-free and N-free) fractions, as well as to synthesize useful oxygenates (oxygenates) for future oxygen. It is a petroleum oil clean process that can cope with the strengthening of environmental regulations regarding contents.
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