KR100950373B1 - Method of Preparing Zinc Ferrite Catalysts using Buffer Solution and Method of Preparing 1,3-Butadiene Using Said Catalysts - Google Patents

Method of Preparing Zinc Ferrite Catalysts using Buffer Solution and Method of Preparing 1,3-Butadiene Using Said Catalysts Download PDF

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Abstract

본 발명은 완충용액을 이용하는 아연 페라이트 촉매의 제조방법 및 이렇게 제조된 촉매를 이용한 1,3-부타디엔의 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는, 아연 페라이트 촉매 제조를 위한 공침 용액의 pH를 조정하는 과정에서, 산 및 염기를 별도로 첨가하여 pH를 조절하는 것이 아니라, 완충 용액 (Buffer Solution)을 공침 매질로 직접 사용하여 아연 페라이트 촉매를 제조하고, 이렇게 제조된 촉매를 이용하여 노르말-부텐 및 노르말-부탄을 포함한 C4 혼합물의 산화적 탈수소화 반응에 의해 1,3-부타디엔을 제조하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for preparing a zinc ferrite catalyst using a buffer solution and a method for preparing 1,3-butadiene using the catalyst thus prepared, and more specifically, to adjusting the pH of a coprecipitation solution for preparing a zinc ferrite catalyst. In the process, the acid and base are not added separately to adjust the pH, but a zinc ferrite catalyst is prepared using a buffer solution as a co-precipitation medium, and normal-butene and normal are prepared using the catalyst thus prepared. A method for producing 1,3-butadiene by oxidative dehydrogenation of a C4 mixture comprising butane.

아연 페라이트 촉매, 완충용액, 노르말-부텐, 1,3-부타디엔, 산화적 탈수소화 반응, C4 라피네이트, C4 혼합물, 산화물 촉매 Zinc ferrite catalyst, buffer, normal-butene, 1,3-butadiene, oxidative dehydrogenation, C4 raffinate, C4 mixture, oxide catalyst

Description

완충 용액을 이용하는 아연 페라이트 촉매의 제조방법 및 이를 이용한 1,3-부타디엔의 제조방법 {Method of Preparing Zinc Ferrite Catalysts using Buffer Solution and Method of Preparing 1,3-Butadiene Using Said Catalysts}Method for preparing zinc ferrite catalyst using buffer solution and method for preparing 1,3-butadiene {Method of Preparing Zinc Ferrite Catalysts using Buffer Solution and Method of Preparing 1,3-Butadiene Using Said Catalysts}

본 발명은 완충용액을 이용한 아연 페라이트 촉매의 제조방법 및 이를 이용한 1,3-부타디엔의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로는, 완충용액(Buffer Solution)을 공침 매질로 사용하여 공침 용액의 pH를 원하는 값으로 일정하게 유지한 상태에서 공침법에 의해 아연 페라이트 촉매를 제조하고, 상기 촉매 상에서 노르말-부텐 혹은 노르말-부탄 등의 불순물이 포함된 저가의 C4 혼합물을 반응물로 사용하여 산화적 탈수소화 반응에 의해 고부가가치의 1,3-부타디엔(1,3-Butadiene)을 제조할 수 있는, 아연 페라이트 촉매의 제조방법 및 이를 이용한 1,3-부타디엔의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for preparing a zinc ferrite catalyst using a buffer solution and a method for preparing 1,3-butadiene using the same. Specifically, a pH of a coprecipitation solution is desired by using a buffer solution as a coprecipitation medium. A zinc ferrite catalyst was prepared by coprecipitation while keeping the value constant, and an inexpensive C4 mixture containing impurities such as normal-butene or normal-butane was used as a reactant for oxidative dehydrogenation reaction. It relates to a method for producing a zinc ferrite catalyst and a method for producing 1,3-butadiene using the same, which can produce high value-added 1,3-butadiene.

석유화학 시장에서 그 수요가 점차 증가하고 있는 1,3-부타디엔을 제조하는 방법에는 크게 납사 크래킹, 노르말-부텐의 직접 탈수소화 반응, 노르말-부텐의 산화적 탈수소화 반응이 있는데, 시장에 공급되는 1,3-부타디엔의 대부분은 주로 납사 크래킹 공정에 의해 이루지고 있다. 납사 크래킹 공정에 의한 1,3-부타디엔 공 급 비율은 전체 공급 양의 90% 이상을 담당하고 있는 것으로 알려져 있으며, 따라서 납사 크래커의 설비 능력이 부타디엔 수급 상황에 미치는 영향은 매우 크다. 그러나 납사 크래킹 공정은 최근의 부타디엔 수요 증가에 따른 수급 불균형을 해소할 수 있는 효과적 대안이 될 수 없는데, 그 이유는 납사 크래킹 공정에 의해 늘어나는 1,3-부타디엔 수요를 충족시키기 위해서는 새로운 납사 크래커를 신설해야 하며, 또한 납사 크래킹 공정이 부타디엔만을 생산하기 위한 단독 공정이 아니기 때문에 납사 그래커 증설을 통해 1,3-부타디엔 생산을 확대할 경우 1,3-부타디엔 이외에 다른 기초유분이 잉여로 생산된다는 문제점을 지니고 있기 때문이다. The production of 1,3-butadiene with increasing demand in the petrochemical market includes naphtha cracking, direct dehydrogenation of normal-butenes, and oxidative dehydrogenation of normal-butenes. Most of 1,3-butadiene is mainly made by naphtha cracking process. It is known that the 1,3-butadiene supply ratio by the naphtha cracking process is responsible for more than 90% of the total supply, so the ability of the naphtha cracker equipment capacity in the butadiene supply situation is very significant. However, the naphtha cracking process cannot be an effective alternative to solve the supply-demand imbalance caused by the recent increase in butadiene demand, because a new naphtha cracker was created to meet the increasing demand for 1,3-butadiene by the naphtha cracking process. In addition, since the naphtha cracking process is not a sole process for producing butadiene alone, when the naphtha cracker is expanded to increase 1,3-butadiene production, other basic oils other than 1,3-butadiene are produced in excess. Because it has.

납사 크래킹 공정에 의해 1,3-부타디엔을 제조하는 방법은 전술한 바와 같이 최근의 시장 상황 변화에 대처하기가 어렵기 때문에 1,3-부타디엔 제조를 위한 대안으로서 노르말-부텐으로부터 수소를 떼어내어 1,3-부타디엔을 얻는 탈수소화 반응이 주목을 받고 있다. 노르말-부텐의 탈수소화 반응에는 직접 탈수소화 반응과 산화적 탈수소화 반응이 있는데, 노르말-부텐의 직접 탈수소화 반응은 고도의 흡열반응이어서 고온의 반응조건이 요구되고 또한 열역학적으로 저압조건이 필요하여 1,3-부타디엔의 수율이 매우 낮아 상용화 공정으로는 적합하지 않다 [L.M. Madeira, M.F. Portela, Catal. Rev., 44권, 247쪽 (2002년)]. As a method for producing 1,3-butadiene by the naphtha cracking process is difficult to cope with the recent market situation as described above, by removing hydrogen from normal-butene as an alternative to 1,3-butadiene production 1 The dehydrogenation reaction to obtain, 3-butadiene has attracted attention. The dehydrogenation reaction of normal-butene includes direct dehydrogenation and oxidative dehydrogenation reaction. The direct dehydrogenation reaction of normal-butene is highly endothermic, requiring high temperature reaction conditions and thermodynamically low pressure conditions. Very low yield of 1,3-butadiene is not suitable for commercialization processes [LM Madeira, M.F. Portela, Catal. Rev., Vol. 44, p. 247 (2002)].

노르말-부텐의 산화적 탈수소화 반응은 노르말-부텐과 산소를 반응시켜 1,3-부타디엔과 물을 얻는 반응으로, 반응 후 안정한 물이 생성되어 열역학적으로 유리할 뿐만 아니라 물이 존재함으로써 반응 장치의 온도를 낮추어 촉매 층의 급격한 온도변화를 방지할 수 있다. 따라서 납사 크래킹이나 직접 탈수소화 공정과는 달리 노르말-부텐의 산화적 탈수소화 반응을 통해 고 효율로 1,3-부타디엔을 생산하는 촉매 공정이 개발될 경우, 이 공정은 단독 공정에 의해 1,3-부타디엔을 생산해 낼 수 있는 효과적인 대안이 될 수 있다. 뿐만 아니라 노르말-부탄 등의 불순물을 포함한 C4 혼합물을 반응물로 사용하여도 활성이 감소하지 않는 촉매를 개발할 경우, 노르말-부텐의 공급원으로 노르말-부탄 등의 불순물을 포함한 C4 라피네이트-3 또는 C4 혼합물을 활용할 수 있게 되며 따라서 저렴한 잉여 C4 유분의 고부가가치화를 이룰 수 있다는 장점이 있다. 본 발명에서 사용한 반응물인 C4 라피네이트-3 혼합물은, 납사 크래킹으로 생산된 C4 혼합물로부터 1,3-부타디엔, 이소부틸렌, 1-부텐을 순차적으로 분리하고 남은 저가의 C4 유분으로서, 대부분 2-부텐(trans-2-Butene 및 cis-2-Butene), 노르말-부탄(n-Butane), 잔여 1-부텐(1-Butene)으로 구성되어 있다. The oxidative dehydrogenation reaction of normal-butene is a reaction of normal-butene with oxygen to obtain 1,3-butadiene and water. After the reaction, stable water is produced, which is not only thermodynamically advantageous but also water is present. By lowering the temperature of the catalyst layer can be prevented from abrupt. Therefore, unlike naphtha cracking or direct dehydrogenation, if a catalytic process is developed to produce 1,3-butadiene with high efficiency through oxidative dehydrogenation of normal-butene, this process is performed by a single process. It can be an effective alternative to produce butadiene. In addition, when developing a catalyst that does not reduce activity even when a C4 mixture containing impurities such as normal-butane is used as a reactant, a C4 raffinate-3 or C4 mixture containing impurities such as normal-butane as a source of normal-butene Therefore, it is possible to utilize the high value of cheap surplus C4 oil. The reactant C4 raffinate-3 mixture used in the present invention is a low-cost C4 fraction remaining after sequentially separating 1,3-butadiene, isobutylene and 1-butene from a C4 mixture produced by naphtha cracking. It consists of butenes (trans-2-Butene and cis-2-Butene), normal-butane (n-Butane) and residual 1-butene (1-Butene).

1,3-부타디엔을 제조하는데 있어서 노르말-부텐의 산화적 탈수소화 반응은 산소와 노르말-부텐으로부터 1,3-부타디엔과 물을 생성하는 반응임은 상기하였다. 상기 산화적 탈수소화 반응은 노르말-부텐의 직접 탈수소화 반응에 비해 열역학적으로 유리하여 온화한 반응조건에서도 보다 높은 수율의 1,3-부타디엔을 얻을 수 있지만, 반응물로 산소를 사용한다는 점에서 완전 산화반응 등 많은 부반응이 예상된다. 따라서 이러한 부반응은 최대한 억제하고 1,3-부타디엔의 선택도는 높일 수 있는 촉매를 개발하는 것이 가장 중요한 핵심 기술이다. 노르말-부텐의 산화적 탈수소화 반응의 반응 기구는 아직 정확하게 알려진 바 없지만, 첫 단계로 노르말-부텐으로부터 C-H 결합을 끊어냄과 동시에 촉매 자체의 산화·환원 반응이 일어난다 고 알려져 있으며, 이에 따라 여러 산화 상태를 가지는 금속이온을 포함한 특정 결정 구조를 가지는 복합 산화물 형태의 촉매들이 산화적 탈수소화 반응에 사용되어 왔다 [W.R. Cares, J.W. Hightower, J. Catal., 23권, 193쪽 (1971년)]. 지금까지 노르말-부텐의 산화적 탈수소화 반응에 의해 1,3-부타디엔을 제조하는데 효율적인 것으로 알려진 촉매로는 페라이트(Ferrite) 계열 촉매 [M.A. Gibson, J.W. Hightower, J. Catal., 41권, 420쪽 (1976년) / W.R. Cares, J.W. Hightower, J. Catal., 23권, 193쪽 (1971년) / R.J. Rennard, W.L. Kehl, J. Catal., 21권, 282쪽 (1971년)], 주석 계열 촉매 [Y.M. Bakshi, R.N. Gur'yanova, A.N. Mal'yan, A.I. Gel'bshtein, Petroleum Chemistry U.S.S.R., 7권, 177쪽 (1967년)], 비스무스 몰리브데이트(Bismuth Molybdate) 계열 촉매 [A.C.A.M. Bleijenberg, B.C. Lippens, G.C.A. Schuit, J. Catal., 4권, 581쪽 (1965년) / Ph.A. Batist, B.C. Lippens, G.C.A. Schuit, J. Catal., 5권, 55쪽 (1966년) / W.J. Linn, A.W. Sleight, J. Catal., 41권, 134쪽 (1976년) / R.K. Grasselli, Handbook of Heterogeneous Catalysis, 5권, 2302쪽 (1997년)] 등이 있다.It was noted that the oxidative dehydrogenation of normal-butene in the production of 1,3-butadiene is the reaction of producing 1,3-butadiene and water from oxygen and normal-butene. The oxidative dehydrogenation reaction is thermodynamically advantageous over the direct dehydrogenation of normal-butenes, so that even in mild reaction conditions, a higher yield of 1,3-butadiene can be obtained, but it is a complete oxidation reaction in that oxygen is used as a reactant. Many side reactions are expected. Therefore, the most important core technology is to develop a catalyst that can suppress such side reactions as much as possible and increase the selectivity of 1,3-butadiene. Although the reaction mechanism of the oxidative dehydrogenation reaction of normal-butene is not yet known precisely, it is known that the first step is to break the CH bond from normal-butene and the oxidation / reduction reaction of the catalyst itself occurs. Catalysts in the form of complex oxides with specific crystal structures, including metal ions with states, have been used in oxidative dehydrogenation reactions [WR Cares, J.W. Hightower, J. Catal., Vol. 23, 193 (1971)]. Until now, a catalyst known to be effective for preparing 1,3-butadiene by oxidative dehydrogenation of normal-butene is a ferrite-based catalyst [M.A. Gibson, J.W. Hightower, J. Catal., Vol. 41, p. 420 (1976) / W.R. Cares, J.W. Hightower, J. Catal., Vol. 23, p. 193 (1971) / R.J. Rennard, W. L. Kehl, J. Catal., Vol. 21, p. 282 (1971)], tin-based catalyst [Y.M. Bakshi, R.N. Gur'yanova, A.N. Mal'yan, A.I. Gel'bshtein, Petroleum Chemistry U.S.S.R., Vol. 7, pp. 177 (1967)], Bismuth Molybdate Series Catalysts [A.C.A.M. Bleijenberg, B.C. Lippens, G.C.A. Schuit, J. Catal., Vol. 4, p. 581 (1965) / Ph.A. Batist, B.C. Lippens, G.C.A. Schuit, J. Catal., Vol. 5, p. 55 (1966) / W.J. Linn, A.W. Sleight, J. Catal., Vol. 41, p. 134 (1976) / R.K. Grasselli, Handbook of Heterogeneous Catalysis, 5, 2302 (1997).

노르말-부텐의 산화적 탈수소화 반응에 사용되는 상기 복합 산화물 촉매들 중에서 페라이트 계열 촉매는 상온에서 스피넬 구조를 가지는데, 구체적으로는 AFe2O4 (A= Zn, Mg, Mn, Co, Cu 등)의 화학식을 지니며, O가 입방결정을 이루고 O 입자 사이사이의 빈자리 일부에 A와 Fe가 결합되어 있는 결정 구조를 가진다 [S. Bid, S.K. Pradhan, Mater. Chem. Phys., 82권, 27쪽 (2003년)]. 이러한 스피넬 결정구조를 지니는 페라이트는 철 이온의 산화수는 2가와 3가의 두 가지 상태를 띨 수 있으며, 철 이온의 산화 - 환원과 결정 내의 산소이온, 기상 산소의 상호작용을 통해 노르말-부텐으로부터 1,3-부타디엔을 제조하는 산화적 탈수소화 반응에 촉매로 활용이 가능하다 [M.A. Gibson, J.W. Hightower, J. Catal., 41권, 420쪽 (1976년) / R.J. Rennard, W.L. Kehl, J. Catal., 21권, 282쪽 (1971년)]. 일반적으로 스피넬 구조에서 2가 양이온 자리를 구성하는 금속의 종류에 따라 페라이트 촉매들의 산화적 탈수소화 반응 촉매로서의 활성이 서로 다른데, 그 중에서도 아연 페라이트, 마그네슘 페라이트, 망간 페라이트가 노르말-부텐의 산화적 탈수소화 반응에 좋은 활성을 보이는 것으로 알려져 있으며, 특히 아연 페라이트는 다른 금속 페라이트 촉매보다 높은 1,3-부타디엔 선택도를 나타내는 것으로 보고되고 있다 [F.-Y. Qiu, L.-T. Weng, E. Sham, P. Ruiz, B. Delmon, Appl. Catal., 51권, 235쪽 (1989년)].Among the complex oxide catalysts used for the oxidative dehydrogenation of normal-butene, the ferrite-based catalyst has a spinel structure at room temperature, specifically, AFe 2 O 4 (A = Zn, Mg, Mn, Co, Cu, etc.). ) Has a crystal structure in which O forms a cubic crystal and A and Fe are bonded to a part of the vacancy between O particles. Bid, SK Pradhan, Mater. Chem. Phys., 82, 27 (2003)]. Ferrite with spinel crystal structure has two states of oxidation and dihydration of iron ions, and from normal-butene through interaction of oxidation-reduction of iron ions with oxygen ions and gaseous oxygen, Can be used as a catalyst for oxidative dehydrogenation of 3-butadiene [MA Gibson, JW Hightower, J. Catal., Vol. 41, p. 420 (1976) / RJ Rennard, WL Kehl, J. Catal. , 21, 282 (1971)]. Generally, ferrite catalysts have different activities as oxidative dehydrogenation catalysts depending on the type of metal constituting the divalent cation site in the spinel structure, among which zinc ferrite, magnesium ferrite and manganese ferrite are oxidative dehydration of normal-butene. It is known to show good activity in the digestion reaction, in particular zinc ferrite is reported to show a higher 1,3-butadiene selectivity than other metal ferrite catalysts [F.-Y. Qiu, L.-T. Weng, E. Sham, P. Ruiz, B. Delmon, Appl. Catal., 51, 235 (1989)].

노르말-부텐의 산화적 탈수소화 반응과 관련하여 몇몇 특허 및 문헌에 아연 페라이트 계열 촉매의 활용에 대해서 보고된 바 있다. 구체적으로는, 공침법에 의해 만들어진 순수한 스피넬 상으로 존재하는 아연 페라이트 촉매로 2-Butene의 산화적 탈수소화 반응을 수행하여 375℃에서 41%의 수율로 1,3-Butadiene을 얻었음이 보고되었다 [R.J. Rennard, W.L. Kehl, J. Catal., 21권, 282쪽 (1971년)]. 또한 5 mol% (5 mol% 산소, 90 mol% 헬륨)의 1-Butene을 반응물로 하여 Zinc Ferrite 촉매를 사용하여 420℃에서 21%의 1,3-Butadiene을 얻었음이 보고되었다 [J.A. Toledo, P. Bosch, M.A. Valenzuela, A. Montoya, N. Nava, J. Mol. Catal. A, 125권, 53쪽 (1997년)].Several patents and literature have reported on the use of zinc ferrite series catalysts in connection with the oxidative dehydrogenation of normal-butenes. Specifically, it was reported that oxidative dehydrogenation of 2-Butene was carried out with a zinc ferrite catalyst present in pure spinel made by coprecipitation to obtain 1,3-Butadiene at 41% yield at 375 ° C. [ RJ Rennard, W. L. Kehl, J. Catal., 21, p. 282 (1971)]. It was also reported that 1% of 1,3-Butadiene was obtained at 420 ° C. using Zinc Ferrite catalyst using 5 mol% (5 mol% oxygen, 90 mol% helium) as a reactant using Zinc Ferrite catalyst [J.A. Toledo, P. Bosch, M.A. Valenzuela, A. Montoya, N. Nava, J. Mol. Catal. A, vol. 125, 53 (1997)].

또한, 아연 페라이트 촉매의 전처리 및 후처리를 통해 높은 수율로 1,3-부타디엔을 얻을 수 있는 아연 페라이트 촉매의 제조 방법에 관한 특허 및 문헌들이 보고 되었으며 [F.-Y. Qiu, L.-T. Weng, E. Sham, P. Ruiz, B. Delmon, Appl. Catal., 51권, 235쪽 (1989년) / L.J. Crose, L. Bajars, M. Gabliks, 미국특허 제 3,743,683호(1973년) / J.R. Baker, 미국특허 제 3,951,869호 (1976년)], 아연 페라이트 촉매에 조촉매로서 다른 금속 산화물을 물리적으로 혼합시켜, 노르말-부텐의 산화적 탈수소화 반응에서 노르말-부텐 전환율 및 1,3-부타디엔 선택도를 증가시키는 촉매 제조 방법도 보고되었다 [W.-Q. Xu, Y.-G. Yin, G.-Y. Li, S. Chen, Appl. Catal. A, 89권, 131쪽 (1992년)].In addition, patents and documents relating to a method for preparing a zinc ferrite catalyst that can obtain 1,3-butadiene in high yield through pretreatment and aftertreatment of a zinc ferrite catalyst have been reported [F.-Y. Qiu, L.-T. Weng, E. Sham, P. Ruiz, B. Delmon, Appl. Catal., Vol. 51, p. 235 (1989) / L.J. Crose, L. Bajars, M. Gabliks, U.S. Patent No. 3,743,683 (1973) / J.R. Baker, U.S. Patent No. 3,951,869 (1976), physically mixing other metal oxides as cocatalysts in a zinc ferrite catalyst to select normal-butene conversion and 1,3-butadiene in the oxidative dehydrogenation of normal-butene A catalyst preparation method has also been reported which increases the degree [W.-Q. Xu, Y.-G. Yin, G.-Y. Li, S. Chen, Appl. Catal. A, 89, 131 (1992)].

상기 산화적 탈수소화 반응에 사용되는 아연 페라이트 촉매 계에 대한 문헌 및 특허에 보고된 촉매들은 단일상의 아연 페라이트이거나, 이를 중심 성분으로 하는 혼합상 촉매로서, 노르말-부텐의 산화적 탈수소화 반응에 중심 성분으로 작용하는 아연 페라이트는 주로 공침법에 의해 제조된다. 공침을 통한 아연 페라이트의 제조 방법은 문헌에 따라 다소 차이가 있으나, 과량의 염기성 환원제 수용액에 아연 전구체 및 철 전구체 수용액을 첨가하는 방법이 대표적이다 [L.J. Crose, L. Bajars, M. Gabliks, 미국특허 제 3,743,683호 (1973년) / J.R. Baker, 미국특허 제 3,951,869호 (1976년)]. The catalysts reported in the literature and patents for the zinc ferrite catalyst system used in the oxidative dehydrogenation reaction are single phase zinc ferrites or mixed phase catalysts based on them, which are central to the oxidative dehydrogenation of normal-butene. Zinc ferrite, which acts as a component, is mainly produced by coprecipitation. The method of preparing zinc ferrite by coprecipitation is somewhat different according to the literature, but a method of adding a zinc precursor and an iron precursor aqueous solution to an aqueous solution of excess basic reducing agent is typical [L.J. Crose, L. Bajars, M. Gabliks, US Patent No. 3,743,683 (1973) / J.R. Baker, US Pat. No. 3,951,869 (1976).

상기의 문헌들에 명시된 전처리, 후처리, 물리적 혼합을 통한 촉매 제조법 등 촉매의 소성 후 처리과정에 의한 아연 페라이트 촉매의 활성 증진 방법 이외에 도, 촉매 자체의 활성을 증가시키기 위한 시도로 아연 페라이트의 2가 양이온 성분인 아연이나, 3가 양이온 성분인 철을 다른 금속 양이온으로 일부 치환하여, 스피넬 구조의 변형을 통해 촉매 활성을 증진시키는 방법이 문헌에 보고되었다. 특히 3가 양이온 성분인 철을 크롬이나 알루미늄으로 일부 치환한 촉매를 사용할 경우 촉매활성이 증가한다고 문헌에 보고되었다 [J.A. Toledo, P. Bosch, M.A. Valenzuela, A. Montoya, N. Nava, J. Mol. Catal. A, 125권, 53쪽 (1997년) / R.J. Rennard Jr., R.A. Innes, H.E. Swift, J. Catal., 30권, 128쪽 (1973년)]. In addition to the method of enhancing the activity of the zinc ferrite catalyst by post-firing of the catalyst, such as the preparation of the catalyst through the pretreatment, aftertreatment, and physical mixing described in the above documents, an attempt to increase the activity of the catalyst itself is performed. It has been reported in the literature that zinc, which is a cationic component, or iron, which is a trivalent cationic component, is partially substituted with other metal cations to enhance catalytic activity through modification of the spinel structure. In particular, it has been reported in the literature that catalytic activity increases when a catalyst in which iron, which is a trivalent cation component, is partially substituted with chromium or aluminum, is increased [J.A. Toledo, P. Bosch, M.A. Valenzuela, A. Montoya, N. Nava, J. Mol. Catal. A, vol. 125, p. 53 (1997) / R.J. Rennard Jr., R.A. Innes, H.E. Swift, J. Catal., 30, 128 (1973)].

노르말-부텐의 산화적 탈수소화 반응을 수행하는 데 있어서, 상기의 금속이 치환된 아연 페라이트 촉매나 혼합상 촉매 등의 다성분계 촉매를 사용하면 기존의 아연 페라이트 촉매보다 높은 수율로 1,3-부타디엔을 얻을 수 있지만, 촉매의 구성성분이 복잡하여 촉매 제조의 재현성 확보가 어렵기 때문에 상업화 공정을 위한 촉매로서는 적용하기가 어렵다. 또한 본 발명에서 사용하는 반응물인 C4 혼합물은 노르말-부텐 이외에 다양한 C4 성분이 포함되어 있으므로, 촉매의 구성 성분이 다양한 상기 촉매 계에서는 다양한 촉매 상에 의한 부반응이 일어날 수 있기 때문에 촉매 활성과 1,3-부타디엔 선택도에 부정적인 결과가 나타날 수도 있다. In carrying out the oxidative dehydrogenation of normal-butene, when a multi-component catalyst such as a zinc-substituted zinc ferrite catalyst or a mixed phase catalyst is used, the yield of 1,3-butadiene is higher than that of the conventional zinc ferrite catalyst. However, since the constituents of the catalyst are complicated and it is difficult to secure the reproducibility of the catalyst production, it is difficult to apply as a catalyst for a commercial process. In addition, since the C4 mixture, which is a reactant used in the present invention, contains various C4 components in addition to the normal-butene, in the catalyst system having various constituents of the catalyst, side reactions due to various catalyst phases may occur, and thus the catalyst activity may be increased. Butadiene selectivity may have negative consequences.

노르말-부텐의 산화적 탈수소화 공정에 있어서 발생할 수 있는 문제점 중 하나는 촉매층을 통과하는 반응물에 일정량 이상의 노르말-부탄이 함유되어 있을 경우, 촉매 활성이 저하되어 1,3-부타디엔의 수율이 낮아진다는 것이다 [L.M. Welch, L.J. Croce, H.F. Christmann, Hydrocarbon Processing, 131쪽 (1978년)]. 따라서 상기의 종래 기술들에서는 이러한 문제점을 방지하기 위해 C4 혼합물로부터 순수한 노르말-부텐(1-부텐 또는 2-부텐)만을 분리하여 반응물로 사용하고 있으며, 실제 페라이트 촉매를 이용한 상업공정에서도 노르말-부탄이 제거된 반응물을 사용하고 있다. 이와 같이, 산화적 탈수소화 반응을 통해 노르말-부텐으로부터 1,3-부타디엔을 제조하기 위한 촉매 및 공정에 관한 문헌 또는 특허에서는 반응물로 순수한 노르말-부텐을 사용하기 위해, C4 혼합물 중에서 순수한 노르말-부텐을 분리하는 분리 공정이 추가로 필요하며, 따라서 1,3-부타디엔 제조 공정의 경제성이 크게 떨어진다. One of the problems that can occur in the oxidative dehydrogenation process of normal-butene is that when a certain amount of normal-butane is contained in the reactants passing through the catalyst layer, the catalytic activity is lowered and the yield of 1,3-butadiene is lowered. [LM Welch, L.J. Croce, H.F. Christmann, Hydrocarbon Processing, p. 131 (1978)]. Therefore, in order to prevent such a problem, the above-mentioned prior arts use only pure butane-butene (1-butene or 2-butene) as a reactant to separate the C4 mixture, and normal-butane is also used in a commercial process using ferrite catalyst. Removed reactant is used. As such, literature or patents relating to catalysts and processes for preparing 1,3-butadiene from normal-butene via oxidative dehydrogenation reactions use pure normal-butene in a C4 mixture to use pure normal-butene as reactant. An additional separation step is required to separate and thus the economic efficiency of the 1,3-butadiene manufacturing process is greatly reduced.

이에 본 발명자들은 종래 기술의 한계를 극복하기 위하여, 완충용액을 사용하여 pH가 일정하게 고정된 공침 용액 상에서 순수한 단일상의 아연 페라이트 촉매를 공침법에 의해 제조할 수 있으며, 이렇게 제조된 촉매를 사용할 경우 별도의 노르말-부텐 분리 공정 없이도 노르말-부탄 및 노르말-부텐을 포함하는 저가의 C4 혼합물을 반응물로 사용하여 산화적 탈수소화 반응을 통해 높은 수율의 1,3-부타디엔을 제조할 수 있음을 발견하였으며, 이를 기초로 본 발명을 완성하게 되었다.In order to overcome the limitations of the prior art, the present inventors can prepare a pure single-phase zinc ferrite catalyst by coprecipitation in a coprecipitation solution having a fixed pH using a buffer solution. It has been found that low yields of 1,3-butadiene can be produced through oxidative dehydrogenation using a low cost C4 mixture comprising normal-butane and normal-butene as a reactant without a separate normal-butene separation process. On the basis of this, the present invention has been completed.

따라서 본 발명의 목적은 1,3-부타디엔을 제조하기 위한 촉매로서, 구성성분이 간단하고, 합성경로가 간단하며, 또한 재현성이 우수한 아연 페라이트 촉매를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing a zinc ferrite catalyst having a simple component, a simple synthesis route, and excellent reproducibility as a catalyst for producing 1,3-butadiene.

본 발명의 또 다른 목적은 별도의 분리공정 없이 C4 혼합물을 반응물로 직접 사용하여 상기 촉매 상에서 산화적 탈수소화 반응에 의해 1,3-부타디엔을 제조하는 방법을 제공하는 데 있다. It is another object of the present invention to provide a method for preparing 1,3-butadiene by oxidative dehydrogenation on the catalyst using a C4 mixture directly as a reactant without a separate separation process.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 1,3-부타디엔 제조용 아연 페라이트 촉매는 pH가 6∼12인 완충용액을 공침 매질로 사용하여 제조된 순수한 단일상의 아연 페라이트로 구성된다. The zinc ferrite catalyst for preparing 1,3-butadiene for achieving the object of the present invention is composed of pure single phase zinc ferrite prepared using a buffer solution having a pH of 6-12 as a coprecipitation medium.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 1,3-부타디엔 제조용 아연 페라이트 촉매의 제조방법은, a) 아연 전구체 및 철 전구체의 양을 조절하여 증류수에 용해시키는 단계; b) 원하는 pH 범위의 완충용액을 제조하거나 준비하는 단계; c) 완충용액에 전구체 수용액을 주입하여 아연 페라이트를 공침시키는 단계, d) 상기 완충용액과 전구체 수용액, 고체 침전물의 혼합용액으로부터 고체 침전물을 여과하여 얻은 후 이를 70 내지 200℃에서 건조시키는 단계; e) 상기에서 건조된 촉매를 350 내지 800℃에서 열처리하여 아연 페라이트 촉매를 얻는 단계를 포함한다.Method for producing a zinc ferrite catalyst for producing 1,3-butadiene for achieving the object of the present invention, a) adjusting the amount of zinc precursor and iron precursor dissolved in distilled water; b) preparing or preparing a buffer in the desired pH range; c) coprecipitation of zinc ferrite by injecting a precursor aqueous solution into the buffer solution, d) filtering the solid precipitate from the mixed solution of the buffer solution, the precursor aqueous solution and the solid precipitate, and then drying it at 70 to 200 ° C; e) heat treating the dried catalyst at 350 to 800 ° C. to obtain a zinc ferrite catalyst.

본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위한 1,3-부타디엔의 제조방법은, pH 범위 6 내지 12의 완충용액에 전구체를 주입하는 방법으로 공침시켜 제조한 아연 페라이트 촉매 상에서, 노르말-부탄이 포함된 C4 혼합물을 반응물로 사용하여 산화적 탈수소화 반응을 통해 1,3-부타디엔을 제조하는 것으로 구성된다. A method for preparing 1,3-butadiene for achieving another object of the present invention includes a normal-butane on a zinc ferrite catalyst prepared by coprecipitation by injecting a precursor into a buffer solution having a pH range of 6 to 12. Consisting of producing 1,3-butadiene via oxidative dehydrogenation using a C4 mixture as reactant.

본 발명을 따를 경우, 구성성분과 합성경로가 간단하고 재현성이 탁월한 아연 페라이트 촉매를 제조할 수 있으며, 완충용액에 전구체 수용액을 주입하는 간단한 과정을 통하여 촉매를 제조할 수 있어 기존 공침법에 의한 제조 방법보다 쉽고 빠르게 촉매를 제조할 수 있다. According to the present invention, a zinc ferrite catalyst having a simple composition and a synthetic route and excellent reproducibility can be prepared, and a catalyst can be prepared by a simple process of injecting a precursor aqueous solution into a buffer solution. The catalyst can be prepared easier and faster than the method.

본 발명에 따라 제조된 아연 페라이트 촉매를 이용하면, 노르말-부탄을 제거하는 (노르말-부텐을 분리하는) 별도의 공정 없이도 노르말-부탄이 고농도로 포함된 C4 혼합물을 산화적 탈수소화 반응의 반응물로 직접 사용하여도 높은 노르말-부텐 전환율과 높은 1,3-부타디엔 수율을 얻을 수 있으며, 노르말-부탄의 제거공정(노르말-부텐의 분리공정)에 들어가는 부가적인 지출을 감소시킴으로써 1,3-부타디엔 제조공정의 경제성을 향상시킬 수 있다. Using the zinc ferrite catalyst prepared according to the present invention, a C4 mixture containing a high concentration of normal-butane as a reactant of an oxidative dehydrogenation reaction without a separate process of removing normal-butane (separating normal-butene) is used. High normal-butene conversions and high 1,3-butadiene yields can also be obtained by direct use, and 1,3-butadiene production by reducing the additional expenditure in the removal of normal-butane (separation of normal-butenes). The economics of the process can be improved.

본 발명을 통해 석유화학산업에서 그 활용가치가 높은 1,3-부타디엔을 활용가치가 적은 C4 혼합물 또는 C4 라피네이트-3로부터 직접 제조할 수 있어, C4 유분의 고부가가치화를 이룰 수 있다. 또한 납사크래커를 신설하지 않고도 1,3-부타디엔을 단독으로 생산할 수 있으므로 늘어나는 1,3-부타디엔의 수요를 충족시킴으로써 경제적 이득을 얻을 수 있으며, 향후 시장 변화에 능동적으로 대처할 수 있다는 장점이 있다. According to the present invention, 1,3-butadiene having a high value in utilization in the petrochemical industry can be prepared directly from a low value C4 mixture or C4 raffinate-3, thereby achieving high value of C4 fraction. In addition, since it is possible to produce 1,3-butadiene alone without establishing a naphtha cracker, it is possible to obtain economic benefits by meeting the increasing demand for 1,3-butadiene and to actively cope with future market changes.

이하, 상기 효과를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 내용을 좀 더 구체적으로 설명한다. Hereinafter, the technical details of the present invention for achieving the above effect will be described in more detail.

전술한 바와 같이, 본 발명은 노르말-부텐의 산화적 탈수소화 반응에 적용하기 위한 단일상의 아연 페라이트 촉매를 공침 용액의 pH를 별도로 조절하는 과정 없이, 고정된 pH를 가지는 완충용액을 사용하여 공침을 통해 제조하고, 이렇게 제조된 촉매를 사용하여 노르말-부텐의 산화적 탈수소화 반응에 의해 1,3-부타디엔을 제조하는 방법에 관한 것으로, 본 발명을 따를 경우 노르말-부탄이 포함된 C4 혼합물을 반응물로 사용하여도 높은 수율로 1,3-부타디엔을 제조할 수 있다. As described above, the present invention provides a single phase zinc ferrite catalyst for application to the oxidative dehydrogenation reaction of normal-butene without using the process of separately adjusting the pH of the coprecipitation solution, and using a buffer solution having a fixed pH. The present invention relates to a method for preparing 1,3-butadiene by oxidative dehydrogenation of normal-butene using a catalyst prepared as described above. According to the present invention, a C4 mixture containing normal-butane is reacted with a reactant. 1,3-butadiene can be produced in high yield even when used as.

노르말-부텐의 산화적 탈수소화 반응을 통해 1,3-부타디엔을 제조하는데 사용되는 본 발명의 촉매는 단일상의 아연 페라이트 촉매로서, 촉매의 결정 구조에 따라 격자 내의 금속 양이온과 산소의 특성이 달라지므로, 촉매의 제조조건을 다르게 할 경우 촉매 활성을 변화시킬 수 있다. 이에 본 발명자들은 아연 페라이트를 공침하는 과정에서 공침 용액의 pH를 변화시키면서 촉매를 제조하는 방법을 발견하 였으며, 보다 효율적인 pH 조절을 위해 완충용액을 사용하여 공침 용액의 pH를 일정하게 조절함으로써, 노르말-부텐의 산화적 탈수소화 반응에 고 활성을 나타내는 아연 페라이트 촉매를 제조하였다.The catalyst of the present invention used to prepare 1,3-butadiene through oxidative dehydrogenation of normal-butene is a single-phase zinc ferrite catalyst, and the properties of metal cations and oxygen in the lattice vary depending on the crystal structure of the catalyst. In other words, the catalyst activity can be changed by changing the preparation conditions of the catalyst. Accordingly, the present inventors have found a method of preparing a catalyst while changing the pH of the coprecipitation solution in the process of coprecipitation of zinc ferrite, and by adjusting the pH of the coprecipitation solution by using a buffer solution for more efficient pH control, Zinc ferrite catalysts having high activity in the oxidative dehydrogenation of normal-butene were prepared.

상기 아연 페라이트 촉매 제조를 위한 아연 전구체 및 철 전구체는 통상적으로 사용되는 전구체라면 어떠한 것도 사용 가능한데, 일반적으로는 클로라이드(Chloride) 전구체나 나이트레이트 (Nitrate) 전구체를 사용하는 것이 바람직하며, 본 발명에서는 대표적인 아연 및 철의 전구체로 염화아연(Zinc Chloride)과 염화철(Iron Chloride)을 사용하였다. Any zinc precursor and iron precursor for preparing the zinc ferrite catalyst may be used as long as they are commonly used precursors, and in general, it is preferable to use a chloride precursor or a nitrate precursor. Zinc chloride and zinc chloride were used as precursors of zinc and iron.

상기 아연 전구체 및 철 전구체를 철/아연 원자 비가 2가 되도록 정량하여 혼합한 후 용해시키고, 아연 페라이트를 공침시킬 매질로 일정 pH를 갖는 완충용액을 제조하거나 구입하여 준비하였다. 준비된 상기 완충용액에 전구체 수용액을 실린지 펌프를 이용하여 주입하면 아연 페라이트가 공침되기 시작하는데, 이때 전구체 수용액이 주입되면서 pH가 변하지 않도록 충분한 양의 완충용액에 주입하여야 한다. 전구체 수용액이 모두 주입되고 나면, 공침이 충분히 이루어지도록 2∼12시간, 바람직하게는 6∼12시간 교반시킨다. 교반시킨 공침 용액 내에 분산되어 있는 고체 촉매가 침전되도록 충분한 시간동안 상을 분리시키고, 감압여과기 등을 통해 침전된 고체 시료를 얻었다. 얻어진 고체 시료는 70∼200℃, 바람직하게는 120∼180℃에서 12∼16시간 건조시키고, 건조된 촉매를 전기로에 넣은 후 350∼800℃, 바람직하게는 500∼700℃의 온도에서 3∼6시간 열처리하여 순수한 단일상의 아연 페라이트 촉매를 제조하였다.The zinc precursor and the iron precursor were quantitatively mixed so as to have an iron / zinc atomic ratio of 2, dissolved, and prepared by preparing or purchasing a buffer solution having a predetermined pH as a medium to co-precipitate zinc ferrite. When the precursor aqueous solution is injected into the prepared buffer solution using a syringe pump, zinc ferrite begins to co-precipitate. At this time, the precursor aqueous solution is injected into a sufficient amount of buffer solution so that the pH does not change. After all of the precursor aqueous solution is injected, the solution is stirred for 2 to 12 hours, preferably 6 to 12 hours, so that coprecipitation is sufficiently achieved. The phases were separated for a sufficient time so that the solid catalyst dispersed in the stirred coprecipitation solution was precipitated, and the precipitated solid sample was obtained through a vacuum filter or the like. The obtained solid sample was dried at 70 to 200 ° C., preferably at 120 to 180 ° C. for 12 to 16 hours, and the dried catalyst was placed in an electric furnace, and then 3 to 6 at a temperature of 350 to 800 ° C., preferably 500 to 700 ° C. Time heat treatment produced a pure single phase zinc ferrite catalyst.

본 발명에 따르면, 아연 페라이트 촉매는 산화적 탈수소화 반응에 있어서 촉매 격자 내 철 이온과 산소 이온, 표면에 흡착된 기상 산소의 상호작용으로 노르말-부텐으로부터 수소를 하나 떼어내고, 이후 기상 산소와 철 이온의 산화·환원 반응을 통해 추가로 수소를 떼어내면서 1,3-부타디엔과 물이 생성된다. 따라서 촉매 격자 내의 철 이온 및 산소의 성격과 촉매 표면의 특성은 노르말-부텐의 산화적 탈수소화 반응에 있어서 그 활성을 결정하는데 매우 중요한 영향을 미치며, 이에 따라 본 발명에 의해 각기 다른 pH의 공침 용액에서 제조된 아연 페라이트 촉매들은 각기 다른 활성을 보이게 된다.According to the present invention, in the oxidative dehydrogenation reaction, the zinc ferrite catalyst separates hydrogen from normal-butene by the interaction of iron ions and oxygen ions in the catalyst lattice and gaseous oxygen adsorbed on the surface, and then gaseous oxygen and iron 1,3-butadiene and water are produced by further removing hydrogen through the oxidation / reduction reaction of ions. Therefore, the nature of the iron ions and oxygen and the surface of the catalyst in the catalyst lattice have a very important influence in determining its activity in the oxidative dehydrogenation of normal-butene, and according to the present invention coprecipitation solutions of different pH The zinc ferrite catalysts prepared in have different activities.

본 발명의 제조법에 의해 서로 다른 pH의 완충용액에서 만들어진 아연 페라이트 촉매들은 조건에 따라 다른 상(Phase) 특성을 가지게 된다는 것을 X-선 회절 분석을 통하여 확인하였다. pH 6에서 공침시킨 촉매의 경우, 주요 상으로 아연 페라이트가 형성되었지만 이 이외에도 노르말-부텐의 산화적 탈수소화 반응에 비교적 활성이 저조한 것으로 알려진 알파-산화철(α-Fe2O3)(III)도 형성되었다 (도 1 참조). 그러나 pH 7∼ 12에서 공침시킨 촉매의 경우, 단일 상의 아연 페라이트가 형성됨을 확인할 수 있는바(도 1, 도 2 및 도 3 참조), 아연 페라이트의 결정상이 pH에 따라 일관성 있게 변화하는 것을 알 수 있다. 또한 원하는 pH을 얻기 위해 사용한 완충용액이 pH에 따라 완충계가 달라짐에도 불구하고 pH에 따른 상 구조 변화가 일관성이 나타난 것으로 보아 공침 용액으로서 완충용액을 사용하는 것이 아연 페라이트의 결정상 형성에 부정적인 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었다.The zinc ferrite catalysts prepared in buffers of different pHs according to the preparation method of the present invention were confirmed by X-ray diffraction analysis to have different phase characteristics depending on the conditions. In the case of the catalyst co-precipitated at pH 6, zinc ferrite was formed as the main phase, but in addition, alpha-iron oxide (α-Fe 2 O 3 ) (III), which is known to be relatively inactive in the oxidative dehydrogenation of normal-butene, was also used. Formed (see FIG. 1). However, in the case of the catalyst co-precipitated at pH 7-12, it can be seen that the single phase zinc ferrite is formed (see FIGS. 1, 2 and 3), and the crystal phase of zinc ferrite is consistently changed with pH. have. In addition, despite the fact that the buffer solution used to achieve the desired pH was changed according to the pH, the phase structure change was consistent with pH. Therefore, the use of the buffer solution as a coprecipitation solution did not negatively affect the crystal phase formation of zinc ferrite. It was confirmed that it does not.

그러나 pH가 3∼5인 공침용액에서는 아연 페라이트가 형성되지 않고 알파-산화철(α-Fe2O3)(III)이 생성된다는 사실 또한 확인되었다. 따라서 본 발명의 1,3-부타디엔 제조용 촉매는 공침 용액의 pH 범위가 6∼12인 완충용액을 사용하여 제조되었다. 그러나 촉매 활성으로 판단해 볼 때, 공침 용액의 pH가 6∼10인 상태에서 촉매를 제조하는 것이 바람직하다 (도 4 참조). However, it was also confirmed that zinc ferrite was not formed and alpha-iron oxide (α-Fe 2 O 3 ) (III) was produced in the coprecipitation solution having a pH of 3-5. Therefore, the catalyst for preparing 1,3-butadiene of the present invention was prepared using a buffer solution having a pH range of 6 to 12 of the coprecipitation solution. However, judging from the catalytic activity, it is preferable to prepare the catalyst in the state where the pH of the coprecipitation solution is 6-10 (see Fig. 4).

다음으로, 본 발명은 반응물인 노르말-부텐의 공급원으로 별도의 노르말-부탄 제거공정을 거치지 않은 C4 혼합물 또는 C4 라피네이트-3를 사용하여 상기 완충용액에서 제조된 아연 페라이트 촉매 상에서 산화적 탈수소화 반응을 통해 1,3-부타디엔을 제조하는 방법을 제공한다. Next, the present invention provides an oxidative dehydrogenation reaction on a zinc ferrite catalyst prepared in the above buffer using a C4 mixture or C4 raffinate-3 which has not been subjected to a separate normal-butane removal process as a source of reactant normal-butene. It provides a method for producing 1,3-butadiene through.

본 발명의 실험예, 실시예 및 비교예에 따르면, 촉매반응을 위해 일자형 파이렉스 반응기에 촉매 분말을 고정시키고, 반응기를 전기로 안에 설치하여 촉매 층의 반응온도를 일정하게 유지한 후, 반응물이 반응기 안의 촉매 층을 연속적으로 통과하면서 반응이 진행되도록 하였다.  According to the experimental examples, examples and comparative examples of the present invention, the catalyst powder is fixed in a straight pyrex reactor for catalytic reaction, and the reactor is installed in an electric furnace to maintain a constant reaction temperature of the catalyst bed. The reaction was allowed to proceed while continuously passing through the catalyst layer inside.

산화적 탈수소화 반응을 진행시키기 위한 반응 온도는 300∼600℃, 바람직하게는 350∼500℃, 더욱 바람직하게는 420℃를 유지하였으며, 반응물의 주입 양은 노르말-부텐을 기준으로 공간속도(GHSV: Gas Hourly Space Velocity)가 50∼5000h-1, 바람직하게는 100∼1000h-1, 더욱 바람직하게는 300∼600h-1이 되도록 촉매 양을 설정하였다. 반응물은 C4 혼합물과 공기 및 스팀의 혼합기체로서, 그 구성 비율은 노르말-부텐을 기준으로 노르말-부텐 : 공기 : 스팀이 1 : 0.5∼10 : 1∼50, 바람 직하게는 1 : 3∼4 : 10∼30로 설정하였다. 상기 혼합기체의 부피비가 상기 노르말-부텐을 기준으로 공기(0.5∼10)나 스팀(1∼50)의 범위를 초과하거나 미치지 않는 경우에는 원하는 정도의 부타디엔 수율을 얻을 수 없거나, 반응기 운전 시 급격한 발열로 인해 안전에 문제가 발생할 수 있으므로 바람직하지 않다. The reaction temperature for advancing the oxidative dehydrogenation reaction was maintained at 300-600 ° C., preferably 350-500 ° C., more preferably 420 ° C., and the injected amount of the reactants was a space velocity (GHSV: Gas Hourly Space Velocity) is 50~5000h -1, preferably is made to 100~1000h -1, more preferably the catalyst was set so that the amount 300~600h -1. The reactant is a mixture of C4 mixture and air and steam, the composition ratio of which is normal-butene based on normal-butene: 1: 0.5 to 10: 1 to 50, preferably 1: 3 to 4 : 10-30 were set. When the volume ratio of the mixed gas does not exceed or fall within the range of air (0.5 to 10) or steam (1 to 50) based on the normal-butene, butadiene yield of a desired degree may not be obtained, or a rapid exotherm when the reactor is operated. This is undesirable because it may cause safety problems.

본 발명에서 산화적 탈수소화 반응의 반응물인 노르말-부텐(C4 혼합물 또는 C4 라피네이트-3)과 산소는 혼합 기체의 형태로서 반응기에 공급되는데, 그 양은 질량유속조절기를 사용하여 조절하였다. 산화적 탈수소화 반응의 반응열을 해소하고 1,3-부타디엔의 선택도를 향상시켜주는 데 효과가 있다고 알려진 스팀을 공급하기 위해 액상의 물을 실린지 펌프를 사용하여 주입하면서 물 주입구 부분의 온도를 150∼300℃, 바람직하게는 180∼250℃로 유지하여 기화시킴으로써 스팀이 반응기에 공급되도록 하였다. 스팀은 가열로 안으로 들어가기 전 반응 장치에 주입되어 다른 반응물(C4 반응물 및 공기)과 완전히 혼합된 후에 촉매 층을 통과하게 하였다. In the present invention, the reaction product of the oxidative dehydrogenation reaction, normal-butene (C4 mixture or C4 raffinate-3) and oxygen, is supplied to the reactor in the form of a mixed gas, the amount of which is controlled by using a mass flow controller. In order to supply steam known to be effective in eliminating the heat of reaction of oxidative dehydrogenation reaction and improving the selectivity of 1,3-butadiene, the temperature of the water inlet portion is injected using a syringe pump with liquid water. The vapor was supplied to the reactor by vaporization by maintaining at 150 to 300 ° C, preferably 180 to 250 ° C. Steam was injected into the reactor prior to entering the furnace and allowed to pass through the catalyst bed after complete mixing with the other reactants (C4 reactant and air).

본 발명에서 사용된 반응물인 C4 혼합물은 0.5 내지 50중량%의 노르말-부탄, 40 내지 99중량%의 노르말-부텐 및 0.5 내지 10중량%의 기타 C4 화합물을 포함한다. 상기 소량의 기타 C4 화합물에는 이소부탄, 사이클로 부탄, 메틸 사이클로 프로판, 이소부텐 등이 포함된다. The reactant C4 mixture used in the present invention comprises 0.5-50% by weight of normal-butane, 40-99% by weight of normal-butene and 0.5-10% by weight of other C4 compounds. Such small amounts of other C4 compounds include isobutane, cyclobutane, methyl cyclopropane, isobutene and the like.

본 발명에 따른 아연 페라이트 촉매를 사용하면, 노르말-부텐의 산화적 탈수소화 반응을 저해하는 것으로 알려진 노르말-부탄이 높은 농도로 함유되어 있는 저가의 C4 혼합물 또는 C4 라피네이트-3을 반응물인 노르말-부텐의 공급원으로 직접 사용하여도 높은 촉매 활성과 높은 1,3-부타디엔 수율를 얻을 수 있다.Using the zinc ferrite catalyst according to the present invention, a low-cost C4 mixture containing a high concentration of normal-butane or C4 raffinate-3, which is known to inhibit the oxidative dehydrogenation of normal-butene, is reacted with High catalytic activity and high 1,3-butadiene yields can also be obtained when used directly as a source of butene.

또한 본 발명은 기존의 치환이나 촉매 처리 방법에 의한 보조적 기술이 아닌 직접적인 촉매의 합성 기술로서 촉매의 구성성분과 합성경로가 간단하여 촉매제조의 재현성이 우수하며, 본 발명에 의한 촉매를 사용할 경우 많은 불순물이 포함된 C4 혼합물 또는 C4 라피네이트-3 로부터 높은 수율의 1,3-부타디엔을 얻을 수 있는 장점이 있다.In addition, the present invention is a synthesis technology of a direct catalyst, rather than an assistive technology based on a conventional substitution or catalyst treatment method, and the catalyst component and the synthesis route are simple, and thus the reproducibility of the catalyst is excellent. There is an advantage that a high yield of 1,3-butadiene can be obtained from C4 mixture or C4 raffinate-3 containing impurities.

이하, 제조예, 실험예, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 하나, 이에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Preparation Examples, Experimental Examples, and Examples, but the scope of the present invention is not limited thereto.

제조예Production Example

아연 페라이트 촉매 제조를 위한 전구체 수용액Precursor Aqueous Solution for Zinc Ferrite Catalyst Preparation

아연 전구체로 염화아연(ZnCl2)을, 철 전구체로 염화철 6수화물(FeCl3`6H2O)을 사용하였다. 두 전구체 모두 증류수에 매우 잘 용해되며, Fe/Zn 비가 2가 되도록 각각의 전구체를 정량한 후 혼합하여 물에 용해시켰다. 이때 균일한 조성의 시료를 얻기 위해 자력교반기를 사용하여 약 2시간동안 교반하였다.Zinc chloride (ZnCl 2 ) was used as the zinc precursor, and iron chloride hexahydrate (FeCl 3 ′ 6H 2 O) was used as the iron precursor. Both precursors are very well dissolved in distilled water, and the respective precursors were quantified so that the Fe / Zn ratio was 2, mixed, and dissolved in water. At this time, the mixture was stirred for about 2 hours using a magnetic stirrer to obtain a sample having a uniform composition.

아연 페라이트 촉매 제조를 위한 완충용액의 준비Preparation of buffer for the preparation of zinc ferrite catalyst

본 발명에서는 아연 페라이트의 공침을 위해서, 공침 매질로 일정한 pH를 유지할 수 있는 완충용액을 사용하였다. 아연 페라이트 촉매를 제조하기 위한 완충용액은 직접 제조하거나 혹은 상용화된 완충용액을 사용하였다.In the present invention, for the coprecipitation of zinc ferrite, a buffer solution capable of maintaining a constant pH as a coprecipitation medium was used. The buffer for preparing the zinc ferrite catalyst was prepared directly or a commercially available buffer.

본 발명에 사용되는 완충용액은 일정한 pH 값을 갖고, 아연 페라이트 이외의 침전이 형성되지 않는 완충용액이면 어느 것이든 사용이 가능하지만, 본 발명에서는 사붕산나트륨과 염산을 혼합한 완충용액(Borax, pH=6, 7), 상용 완충용액(삼전화학(주), pH=8, 9, 10) 및 탄산수소나트륨과 수산화나트륨을 혼합한 완충용액 (pH=11, 12)을 사용하였다. The buffer solution used in the present invention can be used as long as the buffer solution has a constant pH value and does not form a precipitate other than zinc ferrite, but in the present invention, a buffer solution containing sodium tetraborate and hydrochloric acid (Borax, pH = 6, 7), a commercial buffer solution (Samjeon Chemical Co., Ltd., pH = 8, 9, 10) and a buffer solution (pH = 11, 12) mixed with sodium hydrogen carbonate and sodium hydroxide were used.

pH가 6∼7인 완충용액에서 아연 페라이트를 공침시키기 위해 사붕산나트륨 수용액과 염산을 혼합한 완충계를 준비하였다. 구체적으로는, 사붕산나트륨 10수화물 57.2그램(0.15몰)을 증류수에 녹여 0.15몰 농도의 사붕산나트륨 수용액 1리터를 제조하고, 여기에 용액의 pH가 6 혹은 7이 되도록 염산을 첨가한 후 균일한 용액을 얻기 위해 약 2시간 동안 교반하였다. In order to co-precipitate zinc ferrite in a buffer solution having a pH of 6-7, a buffer system in which an aqueous sodium tetraborate solution and hydrochloric acid were mixed was prepared. Specifically, 57.2 grams (0.15 mol) of sodium tetraborate pentahydrate was dissolved in distilled water to prepare 1 liter of an aqueous solution of sodium tetraborate at a concentration of 0.15 mol, and hydrochloric acid was added thereto so that the pH of the solution was 6 or 7. Stir for about 2 hours to get one solution.

pH가 8∼10인 완충용액에서 아연 페라이트를 공침시키기 위해 상용적으로 시판되는 삼전화학(주)의 완충용액을 사용하였다.A commercially available buffer solution of Samjeon Chemical Co., Ltd. was used to co-precipitate zinc ferrite in a buffer solution having a pH of 8-10.

pH가 11∼12인 완충용액에서 아연 페라이트를 공침시키기 위해 탄산수소나트륨 수용액과 수산화나트륨 수용액의 혼합 완충용액을 사용하는데, 탄산수소나트륨 21.0그램(0.25몰)을 증류수에 녹여 0.5몰 농도의 탄산수소나트륨 수용액 0.5리터를 제조하고, 여기에 용액의 pH가 11 혹은 12가 되도록 수산화나트륨 수용액을 첨가한 후 균일한 용액을 얻기 위해 약 2시간 동안 교반하였다. A mixed buffer solution of an aqueous sodium bicarbonate solution and an aqueous sodium hydroxide solution is used to co-precipitate zinc ferrite in a buffer solution having a pH of 11 to 12. 21.0 grams (0.25 mole) of sodium bicarbonate is dissolved in distilled water and 0.5 mole of hydrogen carbonate 0.5 liter of aqueous sodium solution was prepared, and thereto was added an aqueous sodium hydroxide solution so that the pH of the solution was 11 or 12, followed by stirring for about 2 hours to obtain a uniform solution.

아연 페라이트(Zinc ferrite ( ZnFeZnFe 22 OO 44 ) 촉매의 제조) Preparation of Catalyst

아연 페라이트 촉매의 제조를 위해 염화아연 1.42 그램과 염화철 6수화물 5.61 그램을 증류수(250mℓ)에 녹이고 혼합한 후 교반하였다. 충분한 교반을 통해 아연 및 철 전구체를 완전히 용해시킨 후, 전구체 수용액을 앞서 제조한 pH가 6∼12인 충분한 양의 완충용액에 한 방울씩 떨어뜨리면서 아연 페라이트를 공침시켰다. 상기의 혼합용액이 충분히 교반되도록 자력교반기를 이용하여 상온에서 12시간 교반시킨 후, 다시 상 분리를 위해 상온에서 12시간 동안 방치하였다. 침전된 용액을 감압여과기로 거르고 얻은 고체 시료를 175℃에서 16시간 건조시켰다. 생성된 고체 시료를 공기분위기의 전기로에서 650℃의 온도를 유지하여 6시간 열처리함으로써 각각의 공침 pH에서 아연 페라이트 촉매를 제조하였다. 제조된 촉매의 상(Phase)은 X-선 회절 분석을 통하여 확인하였고, 도 1, 도 2 및 도 3에 그 결과를 나타내었다. 도 1에서 나타낸 바와 같이, pH 6인 Borax 완충용액에서 공침시킨 촉매는 아연 페라이트가 주요 상으로 나타나나 알파-산화철(α-Fe2O3) 상도 일부 함께 형성되는 것으로 나타났다. 그러나 pH 7∼12에서 공침시킨 촉매의 경우 pH 값에 관계없이 모두 단일 상의 아연 페라이트가 형성됨을 확인할 수 있었다 (도 1, 도 2, 도 3). To prepare a zinc ferrite catalyst, 1.42 grams of zinc chloride and 5.61 grams of ferric chloride hexahydrate were dissolved in distilled water (250 ml), mixed, and stirred. After fully dissolving the zinc and iron precursors through sufficient stirring, the zinc ferrite was coprecipitated dropwise dropwise into a sufficient amount of buffer solution having a pH of 6-12 previously prepared. After stirring for 12 hours at room temperature using a magnetic stirrer so that the mixed solution is sufficiently stirred, it was left for 12 hours at room temperature again for phase separation. The precipitated solution was filtered through a vacuum filter and the obtained solid sample was dried at 175 ° C. for 16 hours. The resulting solid samples were heat treated for 6 hours at 650 ° C. in an electric furnace in an air atmosphere to prepare zinc ferrite catalysts at each coprecipitation pH. Phase of the prepared catalyst was confirmed by X-ray diffraction analysis, and the results are shown in FIGS. 1, 2 and 3. As shown in FIG. 1, the catalyst co-precipitated in Borax buffer at pH 6 showed zinc ferrite as the main phase but also formed part of the alpha-iron oxide (α-Fe 2 O 3 ) phase. However, in the case of the catalyst co-precipitated at pH 7 to 12, it was confirmed that zinc ferrite was formed in all phases regardless of the pH value (FIGS. 1, 2, and 3).

실험예1Experimental Example 1

아연 페라이트 촉매 상에서의 On zinc ferrite catalyst C4C4 라피네이트Raffinate -3 또는 -3 or C4C4 혼합물의  Of mixture 산화적Oxidative 탈수소화 반응 Dehydrogenation reaction

상기 제조예의 방법에 의해 제조된 아연 페라이트 촉매를 사용하여 노르말-부텐의 산화적 탈수소화 반응을 수행하였으며 구체적인 반응 실험 조건은 다음과 같다.The oxidative dehydrogenation of normal-butene was carried out using a zinc ferrite catalyst prepared by the method of Preparation Example, and specific reaction experimental conditions are as follows.

본 발명에서 노르말-부텐의 산화적 탈수소화 반응에 사용한 반응물은 C4 혼합물로서 그 조성을 하기 표 1에 나타내었다. 반응물인 C4 혼합물은 공기, 스팀과 함께 혼합 기체의 형태로 주입되었으며, 반응기로는 파이렉스 재질의 일자형 고정 층 반응기를 사용하였다.The reactants used in the oxidative dehydrogenation of normal-butene in the present invention are shown in Table 1 below as a composition of C4 mixture. The reactant C4 mixture was injected in the form of a mixed gas with air and steam, and the reactor was a straight fixed bed reactor made of Pyrex.

반응물의 구성 비율은 C4 혼합물 내의 노르말-부텐 양을 기준으로 설정하였는데, 노르말-부텐 : 공기 : 스팀의 부피비율이 1 : 3.75 : 15가 되도록 설정하였다. 이때 노르말-부텐 : 산소 : 스팀의 비율은 1 : 0.75 : 15가 된다. 스팀은 액상의 물이 200℃에서 기화되어 다른 반응물인 C4 혼합물 및 공기와 함께 혼합된 후 반응기로 유입되며, C4 혼합물과 공기의 양은 질량유속조절기를 통하여 제어하고, 스팀의 양은 실린지 펌프를 이용하여 액상의 물이 주입되는 속도를 조절함으로써 제어하였다. The composition ratio of the reactants was set based on the amount of normal-butene in the C4 mixture, and the volume ratio of normal-butene: air: steam was set to 1: 3.75: 15. At this time, the ratio of normal-butene: oxygen: steam is 1: 0.75: 15. Steam is a liquid water vaporized at 200 ℃ mixed with other reactants C4 mixture and air and then introduced into the reactor, the amount of C4 mixture and air is controlled through a mass flow controller, the amount of steam using a syringe pump By controlling the rate at which the liquid water is injected.

반응물의 주입 속도는 C4 혼합물 내의 노르말-부텐을 기준으로 공간속도(GHSV)가 475h-1이 되도록 촉매 양을 설정하여 반응하였으며, 반응 온도는 고정층 반응기의 촉매 층 온도가 420℃가 되도록 유지하였다. 반응 후 생성물에는 본 반응의 주 생성물인 1,3-부타디엔 이외에, 완전 산화로 인한 이산화탄소나 크래킹에 의한 부산물, 이성질화 반응에 의한 부산물 등의 부산물과 반응물 내에 포함된 노르말-부탄 등의 미반응물이 포함되어 있으므로 이를 분리, 분석하기 위해 가스크로마토그래피를 이용하였다. 아연 페라이트 촉매 상에서 노르말-부텐의 산화적 탈수소 화 반응에 의한 노르말-부텐의 전환율, 1,3-부타디엔 선택도 및 1,3-부타디엔의 수율은 다음의 수학식 1, 2 및 3에 의해 계산하였다.The injection rate of the reactants was reacted by setting the catalyst amount such that the space velocity (GHSV) was 475 h −1 based on the normal-butene in the C4 mixture, and the reaction temperature was maintained such that the catalyst bed temperature of the fixed bed reactor was 420 ° C. In the product after the reaction, in addition to 1,3-butadiene, which is the main product of the reaction, by-products such as carbon dioxide due to complete oxidation, cracking byproducts, and byproducts of isomerization reaction, and unreacted substances such as normal-butane contained in the reaction product Since it is included, gas chromatography was used to separate and analyze it. The conversion of normal-butene, 1,3-butadiene selectivity and 1,3-butadiene yield by oxidative dehydrogenation of normal-butene on zinc ferrite catalyst was calculated by the following equations (1), (2) and (3). .

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Figure 112007071079285-pat00003
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실시예 1Example 1

pHpH 6 및 7의 완충용액을 사용하여 제조된 촉매의 반응 활성 Reaction Activity of Catalysts Prepared Using Buffers 6 and 7

pH가 6 및 7이 되도록 제조된 Borax 완충용액을 사용하여 제조된 촉매를 X선 회절 분석을 통해 상을 확인한 결과, pH 6에서 공침된 촉매에서는 아연 페라이트와 알파-산화철의 혼합 상이 형성된 것으로 나타났으며, pH 7에서 공침된 촉매에서는 단일상의 아연 페라이트가 형성된 것으로 나타났다 (도 1 참조). Borax 완충용액에서 공침된 촉매를 사용하여, 실험예 1의 반응실험 방법에 의해 C4 혼합물의 산화적 탈수소화 반응을 수행한 결과를 표 2에 나타내었다. X-ray diffraction analysis of the catalyst prepared using Borax buffer solution prepared at pH 6 and 7 showed that a mixed phase of zinc ferrite and alpha-iron oxide was formed in the catalyst co-precipitated at pH 6. In the catalyst co-precipitated at pH 7, a single phase zinc ferrite was formed (see FIG. 1). Table 2 shows the results of the oxidative dehydrogenation of the C4 mixture by the reaction test method of Experimental Example 1 using a catalyst co-precipitated in Borax buffer.

pH 6에서 제조된 혼합 상 촉매에 의해 진행된 촉매활성실험에서 노르말-부텐의 전환율은 71.4%, 1,3-부타디엔의 선택도는 95.2%, 1,3-부타디엔의 수율은 68.0%로 나타나, 아연 페라이트와 알파-산화철의 혼합 상으로 구성된 촉매는 산화적 탈수소화 반응에 비교적 우수한 활성을 보이는 것으로 나타났다. 특히 1,3-부타디엔의 선택도가 비교적 높은 것으로 나타났는데, 이는 혼합 상 촉매에서 각 상들에 의한 시너지 효과로 인해 산화적 탈수소화 반응에 있어서 1,3-부타디엔의 선택도가 높아졌기 때문인 것으로 판단된다. In the catalytic activity experiment conducted by the mixed-phase catalyst prepared at pH 6, the conversion rate of normal-butene was 71.4%, the selectivity of 1,3-butadiene was 95.2%, and the yield of 1,3-butadiene was 68.0%. Catalysts composed of a mixed phase of ferrite and alpha-iron oxide were shown to exhibit relatively good activity in oxidative dehydrogenation. In particular, the selectivity of 1,3-butadiene was found to be relatively high, because the selectivity of 1,3-butadiene was increased in the oxidative dehydrogenation reaction due to the synergy effect of each phase in the mixed-phase catalyst. .

pH 7에서 제조된 촉매에 의해 진행된 촉매활성실험에서 노르말-부텐의 전환율은 79.1%, 1,3-부타디엔 선택도는 91.2%, 1,3-부타디엔 수율은 72.1%를 얻었는데, 순수한 아연 페라이트 상 촉매의 경우, pH 6에서 제조된 혼합상 촉매보다 선택도는 조금 떨어지지만 전환율이 크게 증가하여 결과적으로 증가된 1,3-부타디엔 수율을 나타내었다. In the catalytic activity experiment conducted with a catalyst prepared at pH 7, the conversion of normal-butene was 79.1%, 1,3-butadiene selectivity was 91.2%, and 1,3-butadiene yield was 72.1%. In the case of the catalyst, the selectivity was slightly lower than that of the mixed phase catalyst prepared at pH 6, but the conversion was greatly increased, resulting in an increased 1,3-butadiene yield.

Figure 112007071079285-pat00005
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실시예 2 Example 2

pHpH 8 내지 10인 완충용액을 사용하여 제조된 아연 페라이트 촉매의 반응 활성 Reaction Activity of Zinc Ferrite Catalysts Prepared Using 8-10 Buffers

상기 제조예에 의해 pH 8∼10인 상용 완충용액을 사용하여 제조된 촉매의 X-선 회절 분석 결과 모든 촉매는 단일 상의 아연 페라이트 상을 지니는 것으로 나타났다 (도 2 참조). pH 8∼10에서 제조된 촉매 3종을 사용하여 C4 혼합물의 산화적 탈수소화 반응을 수행한 결과는 표 3과 같다. pH 8∼10에서 공침된 촉매들은 78% 이상의 높은 노르말-부텐 전환율과 92% 이상의 높은 1,3-부타디엔 선택도, 72% 이상의 높은 1,3-부타디엔 수율을 보였으며, 따라서 본 발명에 목표로 하는 고효율의 아연 페라이트 촉매 제조를 위해서는 pH 8∼10 범위의 완충용액을 사용하는 것이 바람직함을 알 수 있다. X-ray diffraction analysis of the catalyst prepared using a commercial buffer solution having a pH of 8 to 10 by the above preparation showed that all catalysts had a single phase zinc ferrite phase (see FIG. 2). Table 3 shows the results of oxidative dehydrogenation of the C4 mixture using three catalysts prepared at pH 8-10. The catalysts co-precipitated at pH 8-10 had a high normal-butene conversion of at least 78% and a high 1,3-butadiene selectivity of at least 92% and a high 1,3-butadiene yield of at least 72%, thus aiming at the present invention. It can be seen that it is preferable to use a buffer solution in the pH range of 8 to 10 for the production of high efficiency zinc ferrite catalyst.

Figure 112007071079285-pat00006
Figure 112007071079285-pat00006

비교예Comparative example

pHpH 11 및 12인 완충용액을 사용하여 제조된 아연 페라이트 촉매의 반응 활성 Reaction Activity of Zinc Ferrite Catalysts Prepared Using Buffers 11 and 12

앞서 제조예에서 pH가 11 및 12가 되도록 제조된 탄산수소나트륨계 완충용액에서 사용하여 제조된 촉매의 X선 회절 분석 결과, 제조된 2종의 촉매는 단일 상의 아연 페라이트 상을 지니는 것으로 나타났다 (도 3 참조). 탄산수소나트륨계 완충용액을 사용하여 제조된 촉매 2종을 사용하여 C4 혼합물의 산화적 탈수소화 반응을 수행한 결과는 표 4와 같다. 표 4에 나타낸 바와 같이 pH 11 및 12에서 제조된 촉매는 비록 단일상의 아연 페라이트로 구성되어 있지만 강한 염기성 분위기에서 공침된 촉매들은 매우 저조한 촉매 활성을 보이는 것으로 나타났다. X-ray diffraction analysis of the catalyst prepared in the sodium hydrogen carbonate-based buffer solution prepared at pH 11 and 12 in Preparation Example showed that the two catalysts prepared had a single phase zinc ferrite phase (Fig. 3). The results of oxidative dehydrogenation of the C4 mixture using two catalysts prepared using sodium hydrogen carbonate buffer solution are shown in Table 4. As shown in Table 4, although the catalysts prepared at pH 11 and 12 consisted of single phase zinc ferrite, the catalysts co-precipitated in strong basic atmosphere showed very poor catalytic activity.

Figure 112007071079285-pat00007
Figure 112007071079285-pat00007

실험예 2Experimental Example 2

공침용액의Of coprecipitation solution pHpH 에 따른 아연 페라이트 촉매의 반응활성 변화Changes in Reaction Activity of Zinc Ferrite Catalysts According to

실시예 1, 2 및 비교예를 통해, 공침용액의 pH에 따라 아연 페라이트 촉매의 상 형성 및 촉매 특성이 결정되며, 이에 따라 노르말-부텐의 산화적 탈수소화 반응에 대한 활성이 변화한다는 사실은 상기한 바와 같다. 공침용액의 pH에 따른 아연 페라이트 촉매의 반응활성 차이를 직접 비교해보기 위해 실시예 1, 2 및 비교예의 반응 결과를 도 4에 나타내었다. 1,3-부타디엔의 수율은 공침용액의 pH에 따라 화산형 곡선을 보이며, pH 6∼10 범위에서 우수한 촉매활성을 보이는 것으로 나타났다. 그러나pH 11∼12에서 공침된 아연 페라이트 촉매의 경우, 아연 페라이트 상은 잘 형성되었으나, 반응 활성이 저조한 것으로 보아, 염기조건에서의 공침은 촉매활성에 긍정적인 효과를 나타내지 못함을 알 수 있다. Through Examples 1, 2 and Comparative Examples, the phase formation and catalytic properties of the zinc ferrite catalyst are determined according to the pH of the coprecipitation solution, and the fact that the activity of the oxidative dehydrogenation of normal-butene is changed is Same as one. In order to directly compare the reaction activity of the zinc ferrite catalyst according to the pH of the coprecipitation solution, the reaction results of Examples 1 and 2 and Comparative Examples are shown in FIG. 4. The yield of 1,3-butadiene showed a volcanic curve according to the pH of the coprecipitation solution and showed excellent catalytic activity in the pH range of 6-10. However, in the case of the zinc ferrite catalyst co-precipitated at pH 11-12, the zinc ferrite phase was well formed, but the reaction activity was poor, indicating that coprecipitation under basic conditions did not show a positive effect on the catalytic activity.

도1은 본 발명의 실시예 1에 사용되는 아연 페라이트 촉매 2 종의 X-선 회절 분석결과를 나타내는 그래프이다.1 is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis of two zinc ferrite catalysts used in Example 1 of the present invention.

도2는 본 발명의 실시예 2에 사용되는 아연 페라이트 촉매 3 종의 X-선 회절 분석결과를 나타내는 그래프이다.2 is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis of three zinc ferrite catalysts used in Example 2 of the present invention.

도3은 본 발명의 비교예에 사용되는 아연 페라이트 촉매 2 종의 X-선 회절 분석결과를 나타내는 그래프이다.3 is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis of two zinc ferrite catalysts used in Comparative Examples of the present invention.

도4는 본 발명의 실험예 2에 따른 아연 페라이트 촉매 7종의 공침 시 완충용액의 pH에 대한 C4 라피네이트-3의 산화적 탈수소화 반응의 활성 변화를 나타내는 그래프이다.Figure 4 is a graph showing the change in the activity of the oxidative dehydrogenation of C4 raffinate-3 with respect to the pH of the buffer solution during the coprecipitation of seven zinc ferrite catalysts according to Experimental Example 2 of the present invention.

Claims (7)

삭제delete 삭제delete 삭제delete a) 반응물로서 C4 혼합물, 공기 및 스팀의 혼합기체를 제공하는 단계;a) providing a gas mixture of C4 mixture, air and steam as a reactant; b) 상기 반응물이, 아연 페라이트 촉매가 고정된 촉매층을 연속적으로 통과하여 이루어지는 산화적 탈수소화 반응단계 (상기 아연 페라이트 촉매는, i) 1:2의 아연:철의 원자수비를 갖는 아연 전구체 및 철 전구체를 증류수에 용해시키는 단계; ii) 상기 전구체 수용액을 6 ∼ 10의 pH 범위를 갖는 완충용액에 적가하여 아연페라이트를 공침시키는 단계; iii) 상기 ii) 단계에서 혼합된 용액을 여과하여 고체 시료를 수득하는 단계; 및 iv) 상기 고체 시료를 70 내지 200℃에서 건조시키고 350 내지 800℃에서 열처리하는 단계를 포함하는 촉매 제조방법에 의하여 제조된 촉매.); 및, b) an oxidative dehydrogenation reaction step in which the reactant is continuously passed through a catalyst layer to which a zinc ferrite catalyst is fixed (the zinc ferrite catalyst is i) a zinc precursor having an atomic ratio of zinc to iron of 1: 2 and iron. Dissolving the precursor in distilled water; ii) coprecipitating zinc ferrite by dropwise addition of the precursor aqueous solution to a buffer solution having a pH range of 6 to 10; iii) filtering the solution mixed in step ii) to obtain a solid sample; And iv) drying the solid sample at 70 to 200 ° C. and heat treating at 350 to 800 ° C.). And, c) 1,3-부타디엔을 수득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 1,3-부타디엔의 제조방법. c) a method for producing 1,3-butadiene, comprising the step of obtaining 1,3-butadiene. 제 4항에 있어서, 상기 C4 혼합물은 0.5 내지 50중량%의 노르말-부탄, 40 내지 99중량%의 노르말-부텐 및 상기 노르말-부탄과 노르말-부텐을 제외한 C4 혼합물이 0.5 내지 10중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 1,3-부타디엔의 제조방법.The method of claim 4, wherein the C4 mixture comprises 0.5 to 50% by weight of normal-butane, 40 to 99% by weight of normal-butene and 0.5 to 10% by weight of the C4 mixture excluding the normal-butane and normal-butene Method for producing 1,3-butadiene, characterized in that. 제 4항에 있어서, 상기 a)단계의 상기 반응물은 노르말-부텐 : 공기 : 스팀이 1 : 3∼4 : 10∼30의 비율로 포함된 것을 특징으로 하는 1,3-부타디엔의 제조방법. The method of claim 4, wherein the reactant of step a) comprises normal-butene: air: steam in a ratio of 1: 3 to 4:10 to 30. 제 4항에 있어서, 상기 b)단계의 반응이 300∼600℃의 반응온도 및 노르말-부텐을 기준으로 50∼5000h-1의 공간속도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 1,3-부타디엔의 제조방법.The method for preparing 1,3-butadiene according to claim 4, wherein the reaction of step b) is performed at a reaction temperature of 300 to 600 ° C. and a space velocity of 50 to 5000 h −1 based on normal-butene. .
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