KR101261124B1 - Iron-based fishcer-tropsch catalyst with high catalytic activity and olefin selectivity, preparation method thereof, and method for preparing heavy olefin using the same - Google Patents

Iron-based fishcer-tropsch catalyst with high catalytic activity and olefin selectivity, preparation method thereof, and method for preparing heavy olefin using the same Download PDF

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Abstract

본 발명은 합성가스(syngas)로부터 올레핀의 제조시 촉매활성과 올레핀 선택도가 높고, 내코크성이 뛰어나 촉매수명이 개선된 피셔-트롭쉬 철계 촉매 및 그의 제조방법과, 상기 철계 촉매하에서 합성가스를 이용하여 올레핀이 많이 포함된 탄화수소를 1차 반응기에서 제조하고, 이를 연속적인 2차반응기에서 올레핀을 크래킹함으로써 종래에 비해 경질 올레핀의 선택도를 향상시키는 경질 올레핀 제조방법에 관한 것이다.The present invention provides a Fischer-Tropsch iron-based catalyst and a method for preparing the olefin having high catalytic activity and olefin selectivity, excellent coke resistance, and improved catalyst life when preparing olefin from syngas, and syngas under the iron-based catalyst. The present invention relates to a method for producing light olefins, wherein the hydrocarbon containing a lot of olefins is prepared in a first reactor and cracking the olefins in a continuous secondary reactor to improve the selectivity of light olefins compared to the prior art.

Description

촉매 활성과 올레핀 수율이 높은 피셔-트롭쉬 철계 촉매 및 이의 제조방법, 및 상기 촉매를 이용한 합성가스로부터의 경질 올레핀 제조방법{IRON-BASED FISHCER-TROPSCH CATALYST WITH HIGH CATALYTIC ACTIVITY AND OLEFIN SELECTIVITY, PREPARATION METHOD THEREOF, AND METHOD FOR PREPARING HEAVY OLEFIN USING THE SAME} Fischer-Tropsch iron-based catalysts having high catalytic activity and olefin yield, and methods for preparing the same, and methods for preparing light olefins from syngas using the catalysts , AND METHOD FOR PREPARING HEAVY OLEFIN USING THE SAME}

본 발명은 천연가스의 리포밍(reforming) 또는 석탄이나 바이오매스 등의 가스화에 의하여 생성되는 합성가스(syngas)로부터 경질 올레핀을 제조하는데 사용되는, 촉매활성, 올레핀 선택도 및 내코크 특성이 향상된 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch, FT) 철계 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention is a fischer with improved catalytic activity, olefin selectivity and coke resistance, which is used to prepare light olefins from syngas produced by reforming natural gas or gasification such as coal or biomass. -Tropsch (Fischer-Tropsch, FT) iron-based catalyst and a method for preparing the same.

또한, 본 발명은 촉매활성과 올레핀 선택도가 높고, 내코크성이 뛰어난 본 발명의 철계 촉매를 이용하여 합성가스로부터 경질 올레핀을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention also relates to a process for producing light olefins from syngas using the iron catalyst of the present invention having high catalytic activity and olefin selectivity and excellent coke resistance.

가스의 액체 연료화(Gas-To-Liquid:GTL) 기술의 핵심 공정인 FT 합성법은 1923년 독일의 화학자 피셔(Fischer)와 트롭쉬(Tropsch)가 석탄가스화에 의한 합성가스로부터 합성연료를 제조한데서 처음 시작되었다. FT 합성은 합성가스를 철이나 코발트 촉매를 이용하여 연쇄 사슬성장반응(chain growth reaction)을 통해 선형 파라핀계 탄화수소로 변환시켜 주는 공정을 말한다. FT 합성 반응에서는 주로 선형 파라핀계 탄화수소가 형성되지만 부반응으로 이중결합 형태인 CnH2n의 알파-올레핀이나 알코올도 부산물로 생성된다. 또한 바람직하지 않은 부반응으로 합성가스를 메탄으로 전환시키는 메탄화 반응 및 촉매의 활성을 저하시키는 탄소 침적 반응이 일어날 수 있다.FT synthesis, a key process in gas-to-liquid (GTL) technology, was first introduced in 1923 by German chemists Fischer and Tropsch to produce synthetic fuel from coal gasification. Started. FT synthesis refers to a process for converting syngas into linear paraffinic hydrocarbons through a chain growth reaction using iron or cobalt catalysts. In the FT synthesis reaction, linear paraffinic hydrocarbons are mainly formed, but side reactions also produce double-linked alpha-olefins or alcohols of C n H 2n as by-products. Undesired side reactions can also result in methanation reactions that convert syngas to methane and carbon deposition reactions that lower the activity of the catalyst.

FT 합성 반응은 철계 및 코발트계 촉매를 사용하여, 일반적으로 200~350℃의 반응 온도 및 10~30기압(atm)의 압력에서 수행된다. FT 합성 반응은 다음 1)~4)의 주요 화학반응들을 포함한다:The FT synthesis reaction is carried out using iron-based and cobalt-based catalysts, generally at a reaction temperature of 200 to 350 ° C. and a pressure of 10 to 30 atmospheres (atm). FT synthesis reactions include the following main chemical reactions:

1) 메탄 생성반응1) Methane Production Reaction

Figure 112011021372786-pat00001
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2) 중질 탄화수소 생성반응2) Heavy hydrocarbon production reaction

Figure 112011021372786-pat00002
     
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3) 알코올 생성반응3) alcohol production reaction

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4) 수성가스전환(water gas shift:WGS) 반응4) Water gas shift (WGS) reaction

Figure 112011021372786-pat00004
     
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상기 반응들 중, 일산화탄소와 수소가 반응하여 메탄이 생성되는 반응은 촉매의 활성이 높고, 온도가 높은 경우에 빠르게 진행된다. 온도가 높을수록 촉매 표면에서 연쇄 반응이 진행되기 보다는 탈착이 빠르게 진행되기 때문에 저비점 탄화수소 및 메탄 생성량이 많아진다. 또한 반응 압력이 증가하게 되면 촉매 표면에서 반응물의 농도가 증가하여 연쇄 반응이 일어날 확률이 증가하기 때문에 고비점 탄화수소의 생성이 많아지고, 메탄 생성은 감소하게 된다. 일산화탄소와 수소의 비가 낮은 조건에서 FT 합성 반응을 할 경우에는 고비점 탄화수소의 선택도는 감소하고, 메탄 선택도는 증가하게 된다.Among the above reactions, carbon monoxide reacts with hydrogen to generate methane, which proceeds rapidly when the activity of the catalyst is high and the temperature is high. The higher the temperature, the faster the desorption than the chain reaction on the catalyst surface, resulting in higher boiling point hydrocarbon and methane production. In addition, as the reaction pressure increases, the concentration of the reactants increases on the surface of the catalyst, thereby increasing the probability of the chain reaction, thereby increasing the production of high-boiling hydrocarbons and reducing the methane production. When the FT synthesis reaction is performed under a low ratio of carbon monoxide and hydrogen, the selectivity of high-boiling hydrocarbons decreases and the methane selectivity increases.

FT 반응에 사용된 초기의 철계 촉매로서, Ruhrchemie에 의해 개발되고, Sasol 사의 LTFT 반응에 사용된 철계 촉매가 있다. 상기 반응에 사용된 철계 촉매는, 철 조각과 구리 금속을 질산 용액에 녹여 질산철과 질산구리를 만들고, 이 용액을 탄산나트륨 용액에 첨가하여 pH를 7로 조정하고 교반하여 침전물을 제조하고, 침전된 수산화철과 수산화구리는 뜨거운 물로 세척하여 남아있는 나트륨 이온을 제거한 후, 철과 구리 침전물에 물을 첨가하여 슬러리로 만들고, 여기에 포타슘 실리케이트(potassium silicate) 용액을 넣어 제조되었다. 이렇게 제조된 철계 촉매를 고정층 반응기에 사용하려면 슬러리 형태의 전구체 혼합물을 압출(extrudate)하여 건조하고, 300℃에서 소성과정을 거쳐야한다. 슬러리 반응기용 촉매는 분무 건조(spray dry)를 거쳐 400~500℃에서 소성하여 제조된다.As an early iron-based catalyst used in the FT reaction, there is an iron-based catalyst developed by Ruhrchemie and used in the LTFT reaction of Sasol. In the iron catalyst used in the reaction, iron pieces and copper metal are dissolved in a nitric acid solution to form iron nitrate and copper nitrate. The solution is added to a sodium carbonate solution to adjust the pH to 7 and stirred to prepare a precipitate. Iron hydroxide and copper hydroxide were washed with hot water to remove the remaining sodium ions, and then water was added to the iron and copper precipitates to make a slurry, and potassium silicate solution was prepared. In order to use the iron catalyst thus prepared in a fixed bed reactor, the precursor mixture in the form of slurry must be extruded, dried, and calcined at 300 ° C. The catalyst for slurry reactor is prepared by firing at 400 ~ 500 ℃ through spray dry (spray dry).

공침법에 의해 제조된 철계 촉매는 일반적으로 Fe2O3/CuO/K2O/Al2O3로 구성되어 있다. 상기와 같이 구리가 들어간 철계 촉매는 구리가 산화철의 환원을 가속화시켜 낮은 온도에서도 쉽게 산화철이 금속으로 환원되는 것을 도와준다. K2O는 화학적 조촉매로 사용되고, Al2O3는 구조적 조촉매로 사용되는데, 여기에서 Al2O3의 양이온은 철의 양이온 위치에 대신 들어가 위치하게 되어 Al2O3는 산화철(Fe3O4) 구조 내에 퍼져있게 된다. 이렇듯 산화철 구조 내에 자리잡은 구조적 조촉매(Al2O3)는, 산화철이 수소에 의해 환원될 때 환원된 철 구조 사이에 위치하고 있어 철 촉매의 소결 현상을 억제하고, 촉매의 표면적을 증가시키는 작용을 한다.The iron catalyst prepared by the coprecipitation method is generally composed of Fe 2 O 3 / CuO / K 2 O / Al 2 O 3 . As described above, the iron-based catalyst containing copper helps to reduce the iron oxide to the metal even at low temperatures by accelerating the reduction of the iron oxide. K 2 O is used as chemical co-catalyst, Al 2 O 3 is is used as a structural promoter, where the cations of Al 2 O 3 is positioned into place of the cation positions of the iron Al 2 O 3 is iron oxide (Fe 3 O 4 ) spreads within the structure. As such, the structural promoter (Al 2 O 3 ) located in the iron oxide structure is located between the reduced iron structure when iron oxide is reduced by hydrogen, thereby suppressing the sintering phenomenon of the iron catalyst and increasing the surface area of the catalyst. do.

철계 촉매는 칼륨 조촉매의 양에 따른 FT 생성물 선택도의 변화가 다른 조촉매나 지지체에 비해 크다. 또한 알칼리 금속은 산성의 지지체와 상호작용을 하여 약염기성을 갖는 알루미네이트(aluminate)를 형성한다. 염기성을 갖는 촉매는 연쇄 성장될 확률을 증가시켜 줌으로써 고비점 탄화수소를 증가시킨다. 염기성이 낮은 촉매는 수소화 반응을 증가시켜 메탄의 선택도를 증가시키고, 파라핀계 탄화수소의 선택도를 증가시킨다. 또한 철계 촉매의 칼륨은 활성을 갖는 카바이드 화합물을 형성시키는 비율을 증가시켜주지만, 촉매의 탄소 침적을 증가시키는 요인이 되기도 한다.Iron-based catalysts have a greater change in FT product selectivity depending on the amount of potassium promoter than other promoters or supports. Alkali metals also interact with acidic supports to form aluminates with weak bases. Basic catalysts increase high boiling hydrocarbons by increasing the probability of chain growth. Low basic catalysts increase the hydrogenation reaction to increase the selectivity of methane and increase the selectivity of paraffinic hydrocarbons. In addition, potassium of the iron-based catalyst increases the rate of forming an active carbide compound, but also increases the carbon deposition of the catalyst.

만약 FT 합성 반응을 240℃이하에서 운전을 하면, 코발트, 철계 촉매의 모든 경우에서 탄소 침적은 거의 생기지 않는다. 그러나, 철계 촉매를 280~350℃로 운전하게 되면 탄소에 의한 코크(coke)가 발생하여 촉매의 수명과 생성물의 선택도에 영향을 주게 된다. FT 합성 반응에서 탄소가 침적되는 메카니즘은 하기 반응식들로 나타낸 바와 같은 화학반응들에 의한 것으로:If the FT synthesis reaction is operated below 240 ° C, carbon deposition hardly occurs in all cases of cobalt and iron catalysts. However, when the iron-based catalyst is operated at 280-350 ° C., coke caused by carbon is generated to affect the life of the catalyst and the selectivity of the product. The mechanism by which carbon is deposited in the FT synthesis reaction is due to chemical reactions as represented by the following schemes:

2CO → C + CO2 (부두아르 반응)2CO → C + CO 2 (Boardard reaction)

또는or

CO + H2 → C + H2OCO + H 2 → C + H 2 O

이들 중 부두아르(Boudouard) 반응이 주된 요인으로 작용한다고 알려져 있다. 상기 부두아르 반응의 활성화 에너지는 113kJ/몰로, 이는 FT 합성 반응의 활성화 에너지보다 큰 값이다. 따라서 FT 반응에서의 탄소 침적은 온도가 증가할수록 더 많이 생성된다.Among them, the doudouard reaction is known to act as a major factor. The activation energy of the voodoo reaction is 113 kJ / mol, which is greater than the activation energy of the FT synthesis reaction. Therefore, more carbon deposits are produced in the FT reaction as the temperature increases.

촉매의 탄소 침적이 생성되는 비율은 수소가 상대적으로 적은 조건에서 많이 일어난다.  만약 FT 합성에서 반응 압력이 증가하게 되면 탄화수소의 생성율이 증가하고, 탄소 침적율은 감소하게 된다.The rate at which carbon deposition of the catalyst is produced occurs much under relatively low hydrogen conditions. If the reaction pressure increases in FT synthesis, the hydrocarbon production rate increases and the carbon deposition rate decreases.

FT 합성 반응에서 생긴 생성물 중에 올레핀계 탄화수소의 함량을 늘리기 위한 방법으로는 화학적 조촉매인 칼륨을 첨가할 수 있다. 하지만 칼륨의 함량이 많아지면 오히려 탄소 침적을 증가시켜 촉매의 수명이 단축되는 문제점이 있다. 또 다른 방법으로는, FT 합성 반응 온도를 낮추는 방법이 있다. 철계 촉매는 코발트 촉매에 비해 활성이 낮기 때문에 FT 합성 반응 온도가 너무 낮으면, 일산화탄소의 전환율이 감소하여 원하는 생성물의 양이 적어진다. 반면에 FT 반응 온도가 너무 높게 되면, 일산화탄소의 전환율은 증가하지만 원하지 않는 메탄으로의 전환율이 증가하고, 올레핀계 탄화수소가 감소하는 문제점이 있다.As a method for increasing the content of olefinic hydrocarbons in the product resulting from the FT synthesis reaction, potassium, a chemical promoter, may be added. However, if the potassium content is increased, there is a problem in that the lifetime of the catalyst is shortened by increasing the carbon deposition. Another method is to lower the FT synthesis reaction temperature. Since iron-based catalysts have lower activity than cobalt catalysts, if the FT synthesis reaction temperature is too low, the conversion of carbon monoxide decreases and the amount of desired product decreases. On the other hand, if the FT reaction temperature is too high, the conversion of carbon monoxide increases but the conversion to unwanted methane, there is a problem that the olefin hydrocarbon decreases.

촉매의 깨짐 현상은 주로 화학적인 원인과 물리적인 원인을 들 수 있다. 화학적 원인으로는, 철계 촉매의 활성 물질인 산화철이 금속철 또는 탄화철(iron carbide)로 전환되면서 구조적인 변화가 발생하여 생긴다. 물리적인 깨짐 현상은 촉매 입자들의 마찰과 충돌에 의해 일어난다. 이러한 촉매 깨짐 현상은 촉매의 비활성화를 초래할 뿐만 아니라 정상적이고 안정적인 FT 합성 반응 운전을 방해하고, 또한 작게 깨진 촉매 입자들은 생성물에 포함되어 생성물의 질을 떨어뜨릴 수 있다. 따라서 FT 합성 반응의 장기 운전을 위해서는 촉매의 수명에 대한 안정성이 요구되며, 그러기 위해서는 촉매의 깨짐 현상이 적게 발생하고, 코크가 적게 생성되는 촉매의 개발이 필요하다.The cracking phenomenon of the catalyst mainly includes chemical and physical causes. As a chemical cause, a structural change occurs when iron oxide, which is an active material of an iron-based catalyst, is converted into metal iron or iron carbide. Physical cracking is caused by friction and collision of catalyst particles. This catalyst cracking not only leads to catalyst deactivation but also interferes with normal and stable FT synthesis reaction operation, and also small broken catalyst particles can be included in the product and degrade the product. Therefore, long-term operation of the FT synthesis reaction requires stability of the catalyst life. To this end, it is necessary to develop a catalyst that generates less cracking and less coke.

국제공개특허공보 WO 2009/100663 A1은 Fe/Mn/Cu/K 조성을 갖는 철계 촉매를 개시하고 있으며, Mn, Cu, K의 조성비를 달리하여 높은 일산화탄소 전환율과 낮은 이산화탄소 선택성을 갖는 촉매를 제조하였다. 상기 촉매 제조방법은 물에 녹인 Fe(NO3)9H2O와 Mn(NO3)2 용액에 NH4OH 또는 NH3HCO3 용액을 첨가하여 침전물을 만들고, 침전물은 세척과정을 거쳐 110℃에서 16시간동안 건조하고, 340℃에서 1시간 소성하여 준비하고, 물에 녹인 칼륨을 함침하여 110℃에서 16시간동안 건조한 후, Cu(NO3)2 용액을 함침하여, 다시 110℃에서 16시간동안 건조한 다음 400℃에서 5시간 소성하여 제조하였다. 반응 조건은 압력 2.0MPa, H2/CO 1.7, 반응 온도 240℃, 공간속도(SV) 2000 h-1에서 운전하였다. 그러나, 상기 제조된 촉매의 경우 Fe/Mn = 6:4인 촉매 조성을 제외하고는 초기 활성 저하가 급격하게 발생하는 문제점이 있었고, Fe/Mn = 6:4인 조성에서는 낮은 일산화탄소 전환율을 보이거나 생성물 중 올레핀계 탄화수소의 함량이 낮은 경향을 나타내는 문제점이 있었다.WO 2009/100663 A1 discloses an iron-based catalyst having a Fe / Mn / Cu / K composition. A catalyst having high carbon monoxide conversion and low carbon dioxide selectivity was prepared by varying the composition ratios of Mn, Cu, and K. In the catalyst preparation method, NH 4 OH or NH 3 HCO 3 is added to a solution of Fe (NO 3 ) 3 · 9H 2 O and Mn (NO 3 ) 2 dissolved in water to form a precipitate. After drying for 16 hours at ℃, prepared by firing at 340 ℃ for 1 hour, impregnated with potassium dissolved in water and dried for 16 hours at 110 ℃, impregnated with Cu (NO 3 ) 2 solution, then again at 110 ℃ 16 After drying for an hour and calcined for 5 hours at 400 ℃. The reaction conditions were operated at a pressure of 2.0 MPa, H 2 / CO 1.7, a reaction temperature of 240 ° C., and a space velocity (SV) 2000 h −1 . However, the prepared catalyst had a problem in that initial activity was rapidly dropped except for a catalyst composition having Fe / Mn = 6: 4, and in a composition having Fe / Mn = 6: 4, a low carbon monoxide conversion rate or a product was present. There was a problem in that the content of the olefinic hydrocarbons tends to be low.

본 발명의 목적은, 연속적인 2단 반응에 의해 합성가스로부터 경질 올레핀을 제조하는 FT 합성반응에서, 올레핀의 선택도가 높고, 기존의 철계 촉매에 비해 내코크 특성이 우수해 촉매 수명이 길어 FT 합성 반응에 적합하고, 장기 운전에 유리한 철계 촉매 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a high olefin selectivity and superior catalyst resistance compared to conventional iron catalysts in FT synthesis reaction for producing light olefins from syngas by a continuous two-stage reaction. It is an object of the present invention to provide an iron-based catalyst suitable for the synthesis reaction and advantageous for long-term operation and a method for producing the same.

또한, 본 발명의 목적은 상기한 촉매를 이용하여 합성가스로부터 높은 수율로 경질 올레핀을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.It is also an object of the present invention to provide a process for producing light olefins in high yield from syngas using the catalysts described above.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여,According to an aspect of the present invention,

철계 FT 촉매로서 K/Fe/Cu의 조성에, 구조안정제로서 Al 및 구조적 조촉매인 Mn을 더 포함하는, FT 합성반응용 산화 철계 촉매(이하, "FT용 철계 촉매"라고도 함)를 제공한다.An iron oxide catalyst for FT synthesis reaction (hereinafter referred to as "iron catalyst for FT") is further provided, which further comprises Al as a structural stabilizer and Mn as a structural stabilizer in the composition of K / Fe / Cu as an iron-based FT catalyst. .

더욱 구체적으로, 본 발명에 따른 FT용 철계 촉매는 철, 구리, 망간, 칼륨 및 알루미늄을 K:Fe:Cu:Mn:Al=1~6:100:1~6:1~20:5~40의 몰비로 포함하는 것을 특징으로 한다.More specifically, the iron-based catalyst for FT according to the present invention is iron, copper, manganese, potassium and aluminum K: Fe: Cu: Mn: Al = 1-6: 100: 1-6: 1-20: 5-40 It is characterized by including the molar ratio of.

본 발명에 따른 상기 FT용 철계 촉매 조성 중, 칼륨(K)의 함량은 철(Fe) 100몰 대비 1~6몰 범위이며, 상기 함량이 1몰 미만인 경우 반응 생성물 중 올레핀의 함량이 줄어들고, 원치 않는 부산물인 메탄의 생성이 늘어나는 문제가 있으며, 6몰 초과인 경우 중질 왁스(heavy wax) 생성이 너무 많아져 왁스에 의한 촉매 세공의 막힘이 일어나고, 이에 따라 촉매활성이 떨어지는 문제가 있다.In the iron-based catalyst composition for FT according to the present invention, the content of potassium (K) is in the range of 1 to 6 moles compared to 100 moles of iron (Fe), and when the content is less than 1 mole, the content of olefin in the reaction product is reduced, There is a problem that the production of methane, which is a by-product, which is not a by-product, increases, and in the case of more than 6 moles, heavy wax is generated too much, causing clogging of the catalyst pores by the wax, thereby degrading catalytic activity.

본 발명에 따른 상기 FT용 철계 촉매 조성 중, 구리(Cu)는 저온에서 철의 환원을 도와주는 조촉매 역할을 하며, 촉매 중 철 100몰 대비 1~6몰의 범위의 양으로 존재하며, 상기 함량이 1몰 미만인 경우 조촉매능이 떨어져 촉매의 활성이 떨어지고, 올레핀의 분율이 줄어드는 문제가 있으며, 6몰 초과인 경우 코크 생성이 늘어나는 단점이 있다.In the iron-based catalyst composition for FT according to the present invention, copper (Cu) serves as a co-catalyst to help reduce the iron at low temperatures, present in an amount ranging from 1 to 6 moles compared to 100 moles of iron in the catalyst, If the content is less than 1 mole has a problem that the activity of the catalyst is lowered, the catalyst activity is reduced, the fraction of the olefin is reduced, if more than 6 moles there is a disadvantage that the coke production increases.

본 발명에 따른 상기 FT용 철계 촉매 조성 중, 구조 안정제로서 Al은 Fe 촉매성분의 소결(sintering)을 방지하는 역할을 하며, Al의 함량은 철 100몰 대비 5~40몰의 범위이며, 상기 함량이 5몰 미만이면 Fe 촉매입자의 소결이 일어나 촉매입자의 크기가 지나치게 증가하여 촉매의 활성이 떨어지는 문제가 있고, 상기 함량이 40몰 초과인 경우 촉매입자의 분산도가 지나치게 증가하여 입자크기가 작아짐으로 인해 부산물인 메탄의 생성이 많은 반면 올레핀의 선택도는 떨어지는 문제가 있다.In the iron-based catalyst composition for FT according to the present invention, Al serves as a structural stabilizer to prevent sintering of the Fe catalyst component, the content of Al is in the range of 5 to 40 moles compared to 100 moles of iron, the content If the amount is less than 5 moles, Fe catalyst particles are sintered to increase the size of the catalyst particles, thereby degrading the activity of the catalyst. If the content is more than 40 moles, the dispersion of the catalyst particles is excessively increased to reduce the particle size. Due to this, there is a lot of by-products of methane, while the selectivity of olefins is lowered.

본 발명에 따른 상기 FT용 철계 촉매 조성 중, 조촉매로서의 역할을 하는 망간(Mn)은 철입자에 고르게 분산되어 철 입자의 크기를 줄이거나, 산화철의 상(phase)을 변화시켜 촉매의 활성을 증진시키고, 코크 생성을 줄여 촉매의 비활성화를 감소시키며, 올레핀의 선택도를 증가시키는 역할을 하며, 촉매 중 철 100몰 대비 1~20몰의 범위의 양으로 존재한다. 상기 Mn의 함량이 1몰 미만이면 조촉매로서의 기능이 떨어지고, 20몰 초과인 경우 촉매의 활성이 떨어지는 단점이 있다.
In the iron-based catalyst composition for FT according to the present invention, manganese (Mn) serving as a promoter is evenly dispersed in the iron particles to reduce the size of the iron particles, or change the phase of the iron oxide to improve the activity of the catalyst It promotes, reduces coke formation, reduces catalyst deactivation, increases olefin selectivity, and is present in an amount ranging from 1 to 20 moles relative to 100 moles of iron in the catalyst. If the content of Mn is less than 1 mole, the function as a promoter is inferior, and if more than 20 moles, there is a disadvantage in that the activity of the catalyst is inferior.

본 발명에 따른, 상기의 조성으로 구성된 FT 합성반응용 산화 철계 촉매는, 하기 1)~4)의 단계들을 포함하는 제조방법에 의하여 제조된다:According to the present invention, the iron oxide catalyst for FT synthesis reaction composed of the above composition is prepared by a production method comprising the following steps 1) to 4):

1) 산성의 구리, 철 및 망간 화합물, 및 산성 또는 중성의 Al2O3 전구체화합물을 증류수에 녹여 산성 촉매전구체 용액을 제조하고, 염기성 침전제를 증류수에 녹여 염기성 침전제 용액을 제조하는 단계;1) dissolving an acidic copper, iron and manganese compound, and an acidic or neutral Al 2 O 3 precursor compound in distilled water to prepare an acidic catalyst precursor solution, and dissolving a basic precipitant in distilled water to prepare a basic precipitant solution;

2) 상기 단계 1)로부터 수득된 산성 촉매전구체 용액 및 염기성 침전제 용액을 혼합하여 공침시켜 촉매 전구체 슬러리를 제조하고, 이를 숙성시켜 촉매전구체 침전물을 제조하는 단계;2) mixing the acidic catalyst precursor solution and the basic precipitant solution obtained in step 1) and coprecipitating to prepare a catalyst precursor slurry, and aging the same to prepare a catalyst precursor precipitate;

3) 상기 촉매전구체 침전물을 수세-성형-건조-소성하여 촉매산화물을 수득하는 단계; 및3) washing the catalyst precursor precipitate with water-forming-drying-firing to obtain a catalyst oxide; And

4) 상기 수득된 촉매산화물에 칼륨 화합물 수용액을 담지하고, 이를 건조-소성시키는 단계.4) carrying a potassium compound aqueous solution on the obtained catalyst oxide, and drying-fired it.

상기 본 발명의 FT 합성반응용 철계 촉매의 제조방법에 있어서, 상기 단계 1)에서 사용되는 구리, 철 및 망간 화합물로는 촉매 제조에 사용될 수 있는 구리, 철 및 망간 화합물이 특별히 제한없이 사용될 수 있으며, 예로서 구리, 철 및 망간의 질산금속염, 할로겐금속염, 금속산화물, 유기산금속 등이 사용될 수 있다.In the production method of the iron-based catalyst for FT synthesis reaction of the present invention, as the copper, iron and manganese compounds used in step 1), copper, iron and manganese compounds that can be used for preparing the catalyst can be used without particular limitation. For example, metal nitrate salts, halogen metal salts, metal oxides, organic acid metals and the like may be used for copper, iron and manganese.

상기 단계 1)에서 구조안정제로서 사용되는 산성 또는 중성의 Al2O3 전구체화합물로는 질산알루미늄(Al(NO3)3), 할로겐알루미늄(예로서, AlCl3, AlBr3 등), 알루미늄 알콕사이드(예로서, 알루미늄 이소프로폭사이드, 알루미늄 에톡사이드 등)가 사용될 수 있다.The acidic or neutral Al 2 O 3 precursor compound used as the structural stabilizer in step 1) may be aluminum nitrate (Al (NO 3 ) 3 ), halogenated aluminum (eg, AlCl 3 , AlBr 3, etc.), aluminum alkoxide ( As an example, aluminum isopropoxide, aluminum ethoxide, etc. may be used.

한편, 상기 단계 1)에서, 구조안정제로서 상기와 같은 산성 또는 중성의 Al2O3 전구체화합물 대신 알칼리 알루미네이트(예로서, NaAlO2, KAlO2)와 같은 염기성 Al2O3 전구체화합물도 사용될 수 있으나, 이 경우 구리, 철 및 망간 화합물과 혼합되지 않고, 염기성 침전제 용액과 혼합되어 사용된다.On the other hand, the above step 1), a structure stabilizer, an alkali aluminate (for example, instead of Al 2 O 3 precursor compounds of the acidic or neutral as described above, NaAlO 2, can also be used a basic Al 2 O 3 precursor compounds such as KAlO 2) However, in this case, it is not mixed with copper, iron and manganese compounds, but mixed with a basic precipitant solution.

상기 단계 1)에서 사용되는 염기성 침전제로는, Na2CO3, NaHCO3, KHCO3, K2CO3, (NH4)2CO3, NH4HCO3로부터 선택되는 염기성 탄산염 또는 NaOH, KOH, Ca(OH2)로부터 선택되는 수산화물이 사용될 수 있다.As a basic precipitating agent used in step 1), a basic carbonate selected from Na 2 CO 3 , NaHCO 3 , KHCO 3 , K 2 CO 3 , (NH 4 ) 2 CO 3 , NH 4 HCO 3 or NaOH, KOH, A hydroxide selected from Ca (OH 2 ) can be used.

상기 단계 2)에서 수득된 촉매 전구체 슬러리의 숙성은 20~100℃의 범위에서 정치하므로써 수행될 수 있다.Aging of the catalyst precursor slurry obtained in step 2) can be carried out by standing in the range of 20 ~ 100 ℃.

상기 단계 3)에서는, 단계 2)로부터 수득된 숙성된 촉매 전구체 침전물에 과량으로 포함된 염기성 금속이온을 수세한 후 이를 성형한다. 성형은 당 업계에서 촉매 제조시 사용하는 임의의 일반적인 방법이 사용될 수 있으며, 특별히 제한되지 않으나, 예로서 사출성형 또는 분무건조에 의해 수행될 수 있다. 성형된 촉매의 건조는 20~120℃ 이내에서 수행하며, 촉매의 소성은 공기분위기에서 200~600℃, 더욱 바람직하게는 300~500℃에서 하는 것이 좋다.In step 3), the basic metal ions contained in excess in the aged catalyst precursor precipitate obtained in step 2) are washed with water and then molded. Molding may be used in any conventional method used in the manufacture of catalysts in the art, and is not particularly limited, but may be carried out by injection molding or spray drying, for example. Drying of the molded catalyst is carried out within 20 ~ 120 ℃, firing the catalyst is preferably carried out at 200 ~ 600 ℃, more preferably 300 ~ 500 ℃ in the air atmosphere.

상기 소성온도가 200℃ 미만이면 촉매전구체인 혼합 금속탄산수산화물이 분해하여 안정한 혼합 금속산화물 촉매로의 전환이 충분히 일어나지 않아 촉매의 안정성이 떨어지는 문제가 있고, 소성온도가 600℃ 초과이면 촉매성분의 지나친 소결현상에 의해 촉매입자 크기가 커지고, 촉매활성성분과 조촉매의 분리가 일어나 촉매활성이 떨어지는 문제가 있다.If the calcination temperature is less than 200 ° C., the mixed metal carbonate hydroxide, which is a catalyst precursor, decomposes and conversion to a stable mixed metal oxide catalyst does not occur sufficiently. Thus, the stability of the catalyst is deteriorated. If the calcination temperature is more than 600 ° C., the catalyst component is excessive. The sintering phenomenon causes the catalyst particles to increase in size, resulting in separation of the catalytically active component and the cocatalyst, resulting in inferior catalytic activity.

상기 단계 4)는 본 발명의 철계 촉매 중 철 100몰 대비 칼륨 1~6몰비를 만족시키기 위하여, 단계 3)에서 수득된 촉매 산화물을 추가로 칼륨 화합물 수용액에 담지시켜 촉매 중에 칼륨이온을 추가로 도입시키는 단계로, 본 단계에서 사용될 수 있는 칼륨 화합물은 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로, 특별히 제한되지는 않으나, 예로서 질산칼륨, 탄산칼륨 등이 사용될 수 있다.In step 4), in order to satisfy 1 to 6 molar ratio of potassium to 100 moles of iron in the iron catalyst of the present invention, the catalyst oxide obtained in step 3) is further supported by an aqueous potassium compound solution to further introduce potassium ions into the catalyst. In the step of making, the potassium compound that can be used in this step is generally used in the art, and is not particularly limited, but potassium nitrate, potassium carbonate and the like can be used as an example.

상기 단계 4)에서 칼륨 화합물 수용액에 담지된 촉매 산화물의 건조는 50~120℃에서 수행되며, 소성은 공기분위기에서 200~600℃, 더욱 바람직하게는 300~500℃에서 하는 것이 좋다. 소성된 촉매는 250~350℃에서 수소 또는 반응가스인 합성가스하에서 처리함으로써 촉매를 활성화시킬 수 있다.Drying of the catalyst oxide supported on the aqueous potassium compound solution in step 4) is carried out at 50 ~ 120 ℃, firing is preferably carried out at 200 ~ 600 ℃, more preferably at 300 ~ 500 ℃ in the air atmosphere. The calcined catalyst may be activated at 250 to 350 ° C. under treatment with hydrogen or a synthesis gas which is a reaction gas.

한편, 상기 단계 4)는, 상기 단계 1)에서 염기성 침전제로 칼륨이 포함된 화합물이 사용되거나, 또는 상기 단계 3)에서 침전물의 수세 과정을 일부 생략하여 칼륨 이온이 잔류되도록 하여, 단계 3)으로부터 수득된 촉매 산화물 중, 철 100몰 당 1~6몰의 칼륨 조성이 만족되는 경우에는 생략될 수 있다.
On the other hand, in step 4), the compound containing potassium as a basic precipitant in step 1) is used, or in step 3) to partially remove the washing process of the precipitate so that potassium ions remain, from step 3) Of the catalyst oxides obtained, when 1 to 6 moles of potassium composition per 100 moles of iron are satisfied, they can be omitted.

본 발명에 따라, 하기의 연속된 2단계를 포함하는, H2와 CO를 포함하는 합성가스에서 경질 올레핀을 제조하는 방법이 제공된다:According to the present invention there is provided a process for preparing light olefins in a syngas comprising H 2 and CO comprising the following two successive steps:

(1) 상기한 바와 같은 본 발명의 철계 촉매를 사용하여 합성가스로부터, 올레핀의 비율이 60부피% 이상인 C2~C4 탄화수소를 제조하는 단계;(1) preparing a C2 to C4 hydrocarbon having a ratio of olefin of 60 vol% or more from syngas using the iron-based catalyst of the present invention as described above;

(2) 상기 (1) 단계에 의해 생성된 탄화수소를 올레핀 크래킹 촉매와 접촉시킴으로써 경질 올레핀의 함량을 증대시키는 단계.(2) increasing the content of light olefins by contacting the hydrocarbons produced by step (1) with an olefin cracking catalyst.

상기 연속된 2단계를 포함하는 본 발명에 따른 경질 올레핀의 제조방법은, 종래와는 달리 별도의 분리공정을 사용하지 않으면서 전체 올레핀 수율을 최대한 높이고, C2~C4 범위의 경질 올레핀의 선택성을 향상시킨다는 장점이 있다.The method for preparing light olefins according to the present invention comprising the above two consecutive steps, unlike the conventional method, increases the total olefin yield as much as possible without using a separate separation process, and improves the selectivity of the light olefins in the range of C2 to C4. It has the advantage of letting.

본 발명의 경질 올레핀 제조방법에 사용되는 반응기는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로, 구체적으로, 고정층 반응기, 유동층 반응기 또는 액상 반응기 등을 사용할 수 있다.Reactors used in the method for preparing light olefins of the present invention are generally used in the art, and specifically, a fixed bed reactor, a fluidized bed reactor, or a liquid phase reactor may be used.

상기 방법에서 (1) 단계에서 사용되는 반응가스인 합성가스는 일산화탄소와 수소를 포함하며, 수소는 일산화탄소 1부피에 대하여 1~4부피, 바람직하게는 1.5~3부피의 범위로 사용되며, 수소가 1 부피비 미만이면 반응의 전환율이 떨어지고, 4 부피비를 초과하는 경우에는 메탄과 파라핀의 생성이 증가하고, 반응물의 부피가 증가하는 문제가 발생한다.Synthesis gas, which is the reaction gas used in step (1) in the method, includes carbon monoxide and hydrogen, and hydrogen is used in the range of 1 to 4 volumes, preferably 1.5 to 3 volumes, with respect to 1 volume of carbon monoxide. If it is less than 1 volume ratio, the conversion of reaction will fall, and if it exceeds 4 volume ratios, the production | generation of methane and paraffin will increase and the volume of a reactant will arise.

상기 (1) 단계에서의 반응은 200~400℃, 바람직하게는 250~350℃, 5~25기압(atm), 바람직하게는 10~20기압, 및 기체공간속도(GHSV) 500~8000시간-1, 바람직하게는 1000~6000시간-1 범위의 유속하에서 수행한다.  반응온도가 200℃ 미만이면 전환율과 올레핀 생성율이 떨어지고, 400℃를 초과하는 경우에는 메탄의 생성이 증가하고, 촉매 비활성화가 빠르게 진행되는 문제가 발생한다.  또한, 반응압력이 5기압 미만이면 전환율이 떨어지고, 25기압을 초과하는 경우에는 파라핀 생성이 많아지는 문제가 발생한다.  또한, 유속이 500시간-1 미만이면 생산성이 떨어지고, 8000시간-1을 초과하는 경우에는 전환율이 떨어지는 문제가 발생한다.The reaction in step (1) is 200 ~ 400 ℃, preferably 250 ~ 350 ℃, 5 ~ 25 atmospheric pressure (atm), preferably 10 to 20 atm, and gas space velocity (GHSV) 500 ~ 8000 hours - 1 , preferably at a flow rate in the range of 1000 to 6000 hours -1 . If the reaction temperature is less than 200 ° C conversion and olefin production rate is lowered, if the reaction temperature exceeds 400 ° C, the production of methane increases, catalyst deactivation proceeds quickly. In addition, when the reaction pressure is less than 5 atm, the conversion rate is lowered, and when it exceeds 25 atm, there is a problem that the production of paraffin increases. In addition, when the flow rate is less than 500 hours -1 , the productivity is lowered, and when the flow rate exceeds 8000 hours -1 , there is a problem that the conversion rate is lowered.

상기와 같은 (1) 단계로부터 제조된 올레핀은 선택도가 50~90 탄소몰% 범위이고, 메탄의 선택도는 20탄소몰% 이하, 바람직하게는 15탄소몰% 이하로 유지된다.The olefin prepared from step (1) as described above has a selectivity in the range of 50 to 90 carbon mol%, and the selectivity of methane is maintained at 20 carbon mol% or less, preferably 15 carbon mol% or less.

상기 (1) 단계는 원료인 합성가스가 피셔-트롭쉬 반응에 의해 탄화수소 화합물로 전환되는 단계로, 상기 탄화수소 화합물에는 불포화 탄화수소인 올레핀 화합물과 포화 탄화수소인 파라핀 화합물이 포함되어 있다. 생성된 모든 탄화수소 화합물은 별도의 정제과정 없이 연속적으로 크래킹 반응이 수행되는 (2) 단계 반응으로 이송되어 포함된 탄화수소 화합물 중 올레핀만이 반응을 일으키게 된다.  Step (1) is a step in which the synthesis gas as a raw material is converted into a hydrocarbon compound by a Fischer-Tropsch reaction, and the hydrocarbon compound includes an olefin compound which is an unsaturated hydrocarbon and a paraffin compound which is a saturated hydrocarbon. All the hydrocarbon compounds produced are transferred to step (2), where the cracking reaction is continuously performed without further purification, so that only the olefins in the hydrocarbon compounds included cause the reaction.

상기 (2) 단계에서의 반응은 400~700℃, 바람직하게는 450~650℃, 0.1~5기압(atm), 바람직하게는 0.5~3기압, 및 기체공간속도(GHSV) 500~10000시간-1, 바람직하게는 1000~7000시간-1 범위의 유속하에서 수행한다.  반응온도가 400℃ 미만이면 올레핀 전환율이 떨어지고, 700℃를 초과하는 경우에는 파라핀과 방향족 화합물의 생성이 증가하고, 코크 생성에 의한 촉매 비활성화가 빠르게 진행되는 문제가 발생한다. (2) above reaction in the step is 400 ~ 700 ℃, preferably 450 ~ 650 ℃, 0.1 ~ 5 atmospheres (atm), preferably from 0.5 to 3 atm, and gas space velocity (GHSV) 500 ~ 10000 Time - 1 , preferably at a flow rate in the range of 1000 to 7000 hours -1 . If the reaction temperature is less than 400 ℃ olefin conversion falls, if it exceeds 700 ℃, the production of paraffins and aromatic compounds increases, the problem that the catalyst deactivation due to the formation of coke proceeds quickly.

상기 (2)단계에 사용되는 올레핀 크래킹 촉매로서는 그 종류에 특별히 제한이 없으나, 바람직하게는 반응활성이 뛰어나고, 경질올레핀의 선택성이 우수한 MFI 구조를 갖는 고함량 실리카 제올라이트, 그중에서도 MFI 구조를 갖는 ZSM-5 제올라이트가 좋다. ZSM-5 제올라이트는 두 개의 10원-고리의 세공이 서로 교차하는 구조를 가지고 있으며, 구조적으로 안정하고, 특히 코크 생성에 대한 저항성이 커서 올레핀 크래킹 촉매로 적합하다. 올레핀 크래킹 촉매는 강산의 밀도가 낮아야 코크 생성이 적고, 경질 올레핀의 선택도가 높기 때문에, Si/Al 비가 30~300정도로 높은 ZSM-5를 촉매를 사용함으로써 높은 경질 선택성과 낮은 코크 생성에 의한 높은 촉매 안정성을 확보할 수 있다.
The olefin cracking catalyst used in the step (2) is not particularly limited in kind, but is preferably a high content silica zeolite having an MFI structure excellent in reaction activity and excellent in selectivity of the light olefin, among which ZSM- having a MFI structure. 5 zeolite is good. ZSM-5 zeolite has a structure in which two 10-membered-ring pores intersect with each other, and is structurally stable and particularly resistant to coke formation, making it suitable as an olefin cracking catalyst. Since the olefin cracking catalyst has a low acid density and low coke production and high selectivity of light olefins, the use of ZSM-5 having a high Si / Al ratio of about 30 to 300 makes use of high hard selectivity and high coke formation. Catalyst stability can be ensured.

본 발명의 FT용 촉매 및 이를 이용한 경질 올레핀 제조방법에 의하면, 종래의 철계 촉매에 비해 높은 일산화탄소 전환율을 나타내고, 생성물 중에 올레핀계 탄화수소의 함량이 높을 뿐만 아니라 내코크 특성이 우수하고, 촉매 깨짐 현상이 감소하여 촉매의 수명 안정성을 증대시킬 수 있다.
According to the catalyst for FT of the present invention and the method for preparing light olefin using the same, the carbon dioxide conversion rate is higher than that of the conventional iron catalyst, and the content of the olefin hydrocarbon is not only high in the product but also excellent in corrosion resistance and catalyst cracking phenomenon. It can be reduced to increase the life stability of the catalyst.

이하에서 본 발명은 하기 실시예에 의해 더욱 상세히 설명되나, 이들 실시예들에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention is described in more detail by the following examples, but the present invention is not limited to these examples.

실시예Example 1 One

증류수 500ml에, Fe(NO3)3·9H2O 100g, Cu(NO3)2·6H2O 2.39g, Al(NO3)6H2O 18.57g 및 Mn(NO3)26H2O 7.1g을 녹여 금속 수용액을 제조하고, 증류수 300ml에 K2CO3 66.36g을 녹인 수용액을 각각 준비한 후, 이들을 70℃로 가열된 증류수 1000ml가 있는 비이커에 넣고, 동시에 교반하며 함께 혼합-공침시켰다. 이를 3시간동안 같은 온도에서 교반한 후, 상온(20℃)으로 냉각시켰다. 생성된 침전물은 침전 슬러리의 3배에 해당하는 증류수를 섞어 다시 침전시킨 후 여액을 버리고, 위의 과정을 2차례에 더 반복하고 여과하였다. 여과 후, 70℃ 1000ml의 물로 세척하고, 압출기로 슬러리를 압출-성형하고, 상온에서 12시간 및 110℃에서 12시간 동안 건조한 후, 400℃에서 6시간동안 소성하였다. 결과의 촉매전구체를, 증류수 30ml에 KNO3 1.25g을 녹인 수용액으로 함침한 후, 110℃에서 12시간 동안 건조한 후 400℃에서 6시간동안 소성하여, 5K/100Fe/4Cu/10Mn/20AlOx 몰비의 조성을 갖는 촉매를 제조하였다.In 500 ml of distilled water, 100 g of Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O, 2.39 g of Cu (NO 3 ) 2 , 6H 2 O, 18.57 g of Al (NO 3 ) 3 · 6H 2 O and Mn (NO 3 ) 2 6H 2 After dissolving 7.1 g of O, an aqueous metal solution was prepared, and an aqueous solution of 66.36 g of K 2 CO 3 was dissolved in 300 ml of distilled water, respectively, and then they were placed in a beaker with 1000 ml of distilled water heated to 70 ° C., mixed and co-precipitated with stirring at the same time. . After stirring for 3 hours at the same temperature, it was cooled to room temperature (20 ℃). The resulting precipitate was precipitated again by mixing distilled water corresponding to three times the precipitate slurry and discarded the filtrate, and the above process was repeated two more times and filtered. After filtration, washing with 1000 ml of water at 70 ° C., extrusion-molding the slurry with an extruder, dried for 12 hours at room temperature and 12 hours at 110 ° C., and calcined at 400 ° C. for 6 hours. The resulting catalyst precursor was impregnated with an aqueous solution of 1.25 g of KNO 3 dissolved in 30 ml of distilled water, dried at 110 ° C. for 12 hours, and calcined at 400 ° C. for 6 hours to obtain a composition of 5K / 100Fe / 4Cu / 10Mn / 20AlOx molar ratio. Catalyst was prepared.

제조된 촉매를 이용하여, 하기 실험예의 2단반응에 의한 합성가스로부터의 경질올레핀 제조반응을 수행하였다. 상기에서 수행된 CO 전환율 및 탄화수소 선택도 등의 실험결과를 하기 표 1에 나타내었다.Using the prepared catalyst, the light olefin production reaction from the synthesis gas by the two-stage reaction of the following experimental example was carried out. Experimental results such as CO conversion and hydrocarbon selectivity carried out above are shown in Table 1 below.

실시예Example 2 2

상기 실시예 1과 동일하게 수행하되, 철 100몰에 대하여, 구리 4몰, 망간 10몰, 알루미나 25 몰이 함유되도록 촉매를 제조한 후, 칼륨 2몰이 함유되도록 칼륨 화합물로서 질산칼륨을 사용하여 2K/100Fe/4Cu/10Mn/25AlOx 몰비의 조성을 갖는 촉매를 제조하였다.In the same manner as in Example 1, with respect to 100 mol of iron, a catalyst was prepared to contain 4 mol of copper, 10 mol of manganese, and 25 mol of alumina, and then 2K / of potassium nitrate was used as potassium compound to contain 2 mol of potassium. A catalyst having a composition of 100 Fe / 4Cu / 10Mn / 25AlOx molar ratio was prepared.

제조된 촉매를 이용하여, 하기 실험예의 2단반응에 의한 합성가스로부터의 경질올레핀 제조반응을 수행하였다. 상기에서 수행된 CO 전환율 및 탄화수소 선택도 등의 실험결과를 하기 표 1에 나타내었다.Using the prepared catalyst, the light olefin production reaction from the synthesis gas by the two-stage reaction of the following experimental example was carried out. Experimental results such as CO conversion and hydrocarbon selectivity carried out above are shown in Table 1 below.

실시예Example 3 3

상기 실시예 1과 동일하게 수행하되, 철 100몰에 대하여, 구리 2몰, 망간 4몰, 알루미나 20몰이 함유되도록 촉매를 제조한 후, 칼륨 6몰이 함유되도록 칼륨 화합물로서 질산칼륨을 사용하여 6K/100Fe/2Cu/4Mn/20AlOx 몰비의 조성을 갖는 촉매를 제조하였다.In the same manner as in Example 1, with respect to 100 mol of iron, a catalyst was prepared to contain 2 mol of copper, 4 mol of manganese, and 20 mol of alumina, and then 6K / of potassium nitrate as potassium compound to contain 6 mol of potassium. A catalyst having a composition of 100 Fe / 2Cu / 4Mn / 20AlOx molar ratio was prepared.

제조된 촉매를 이용하여, 하기 실험예의 2단반응에 의한 합성가스로부터의 경질올레핀 제조반응을 수행하였다. 상기에서 수행된 CO 전환율 및 탄화수소 선택도 등의 실험결과를 하기 표 1에 나타내었다.Using the prepared catalyst, the light olefin production reaction from the synthesis gas by the two-stage reaction of the following experimental example was carried out. Experimental results such as CO conversion and hydrocarbon selectivity carried out above are shown in Table 1 below.

실시예Example 4 4

상기 실시예 1과 동일하게 수행하되, 철 100몰에 대하여, 구리 5몰, 망간 15몰, 알루미나 15몰이 함유되도록 촉매를 제조하였다. 이때 침전제로서 탄산나트륨을 사용하였다. 제조된 촉매전구체에 칼륨 4몰이 함유되도록 칼륨 화합물로서 질산칼륨을 사용하여 4K/100Fe/5Cu/15Mn/15AlOx 몰비의 조성을 갖는 촉매를 제조하였다.The catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, but containing 5 mol of copper, 15 mol of manganese, and 15 mol of alumina, based on 100 mol of iron. At this time, sodium carbonate was used as a precipitating agent. A catalyst having a composition of 4K / 100Fe / 5Cu / 15Mn / 15AlOx molar ratio was prepared using potassium nitrate as a potassium compound so that 4 mol of potassium was contained in the prepared catalyst precursor.

제조된 촉매를 이용하여, 하기 실험예의 2단반응에 의한 합성가스로부터의 경질올레핀 제조반응을 수행하였다. 상기에서 수행된 CO 전환율 및 탄화수소 선택도 등의 실험결과를 하기 표 1에 나타내었다.Using the prepared catalyst, the light olefin production reaction from the synthesis gas by the two-stage reaction of the following experimental example was carried out. Experimental results such as CO conversion and hydrocarbon selectivity carried out above are shown in Table 1 below.

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실시예 5Example 5

상기 실시예 1과 동일하게 수행하되, 하기 실험예의 합성가스로부터의 경질올레핀 제조반응에서 1단계 반응기의 온도를 280℃ 대신 260℃에서 수행하였으며, CO 전환율 및 탄화수소 선택도 등의 실험결과를 하기 표 1에 나타내었다.In the same manner as in Example 1, in the production of light olefins from the synthesis gas of the following experimental example, the temperature of the first stage reactor was performed at 260 ° C. instead of 280 ° C., and the experimental results such as CO conversion and hydrocarbon selectivity are shown in the following table. 1 is shown.

실시예 6Example 6

상기 실시예 1과 동일하게 수행하되, 하기 실험예의 합성가스로부터의 경질올레핀 제조반응에서 1단계 반응기의 온도를 280℃ 대신 300℃에서 수행하였으며, CO 전환율 및 탄화수소 선택도 등의 실험결과를 하기 표 1에 나타내었다.In the same manner as in Example 1, in the production of light olefins from the synthesis gas of the following experimental example, the temperature of the first stage reactor was performed at 300 ° C. instead of 280 ° C., and the experimental results such as CO conversion and hydrocarbon selectivity are shown in the following table. 1 is shown.

비교예Comparative example 1 One

상기 실시예 1과 동일하게 수행하되, 철 100몰에 대하여, 구리 4몰, 알루미나 20몰이 함유되도록 촉매를 제조한 후, 칼륨 5몰이 함유되도록 칼륨 화합물로서 질산칼륨을 사용하여 5K/100Fe/4Cu/20AlOx 몰비의 조성을 갖는 촉매를 제조하였다.In the same manner as in Example 1, with respect to 100 mol of iron, after preparing a catalyst to contain 4 mol of copper and 20 mol of alumina, 5K / 100Fe / 4Cu / using potassium nitrate as a potassium compound to contain 5 mol of potassium. A catalyst having a composition of 20 AlOx molar ratio was prepared.

제조된 촉매를 이용하여, 하기 실험예의 2단반응에 의한 합성가스로부터의 경질올레핀 제조반응을 수행하였다. 상기에서 수행된 CO 전환율 및 탄화수소 선택도 등의 실험결과를 하기 표 1에 나타내었다.Using the prepared catalyst, the light olefin production reaction from the synthesis gas by the two-stage reaction of the following experimental example was carried out. Experimental results such as CO conversion and hydrocarbon selectivity carried out above are shown in Table 1 below.

비교예Comparative example 2 2

상기 실시예 1과 동일하게 수행하되, 철 100몰에 대하여, 구리 4몰, 망간 대신 Mg(NO3)2을 사용하여 마그네슘 6몰, 알루미나 20몰이 함유되도록 촉매를 제조한 후, 칼륨 5몰이 함유되도록 칼륨화합물로서 질산칼륨을 사용하여 5K/100Fe/4Cu/6Mg/20AlOx 몰비의 조성을 갖는 촉매를 제조하였다.In the same manner as in Example 1, with respect to 100 mol of iron, after preparing the catalyst to contain 4 mol of copper, Mg (NO 3 ) 2 instead of manganese 6 mol, 20 mol of alumina, containing 5 mol of potassium A catalyst having a composition of 5K / 100Fe / 4Cu / 6Mg / 20AlOx molar ratio was prepared using potassium nitrate as the potassium compound.

제조된 촉매를 이용하여, 하기 실험예의 2단반응에 의한 합성가스로부터의 경질올레핀 제조반응을 수행하였다. 상기에서 수행된 CO 전환율 및 탄화수소 선택도 등의 실험결과를 하기 표 1에 나타내었다.Using the prepared catalyst, the light olefin production reaction from the synthesis gas by the two-stage reaction of the following experimental example was carried out. Experimental results such as CO conversion and hydrocarbon selectivity carried out above are shown in Table 1 below.

비교예Comparative example 3 3

상기 실시예 1과 동일하게 수행하되, 철 100몰에 대하여, 구리 4몰, 망간 대신 Ni(NO3)2를 사용하여 니켈 8몰, 알루미나 20몰이 함유되도록 촉매를 제조한 후, 칼륨 5몰이 함유되도록 칼륨화합물로서 질산칼륨을 사용하여 5K/100Fe/4Cu/8Ni/20AlOx 몰비의 조성을 갖는 촉매를 제조하였다.In the same manner as in Example 1, but with respect to 100 mol of iron, after preparing a catalyst to contain 8 mol of nickel and 20 mol of alumina using 4 mol of copper and Ni (NO 3 ) 2 instead of manganese, it contained 5 mol of potassium. A catalyst having a composition of 5K / 100Fe / 4Cu / 8Ni / 20AlOx molar ratio was prepared using potassium nitrate as the potassium compound.

제조된 촉매를 이용하여, 하기 실험예의 2단반응에 의한 합성가스로부터의 경질올레핀 제조반응을 수행하였다. 상기에서 수행된 CO 전환율 및 탄화수소 선택도 등의 실험결과를 하기 표 1에 나타내었다.Using the prepared catalyst, the light olefin production reaction from the synthesis gas by the two-stage reaction of the following experimental example was carried out. Experimental results such as CO conversion and hydrocarbon selectivity carried out above are shown in Table 1 below.

비교예Comparative example 4 4

상기 비교예 1과 동일하게 수행하되, 하기 실험예의 합성가스로부터의 경질올레핀 제조반응에서 1단계 반응기의 온도를 280℃ 대신 260℃에서 수행하였으며, CO 전환율 및 탄화수소 선택도 등의 실험결과를 하기 표 1에 나타내었다.Performed in the same manner as in Comparative Example 1, in the light olefin production reaction from the synthesis gas of the experimental example was carried out at the temperature of the reactor in 260 ℃ instead of 280 ℃, the experimental results such as CO conversion and hydrocarbon selectivity 1 is shown.

비교예Comparative example 5 5

상기 비교예 1과 동일하게 수행하되, 하기 실험예의 합성가스로부터의 경질올레핀 제조반응에서 1단계 반응기의 온도를 280℃ 대신 300℃에서 수행하였으며, CO 전환율 및 탄화수소 선택도 등의 실험결과를 하기 표 1에 나타내었다.Performed in the same manner as in Comparative Example 1, in the production of light olefins from the synthesis gas of the following experimental example, the temperature of the first stage reactor was carried out at 300 ℃ instead of 280 ℃, the experimental results such as CO conversion and hydrocarbon selectivity 1 is shown.

실험예Experimental Example

상기 실시예들 및 비교예들에서 제조된 철계 촉매를 약 1mm 크기로 파쇄-분급하여, 1g을 취한 후 1단계 고정층 반응기에 충전하고, 상압, 450℃에서 12시간동안 수소분위기에 활성화 과정을 수행하여 환원시켰다.  이후에, 반응온도 280℃, 반응압력 10기압(atm)의 조건에서, CO/H2의 비가 2인 합성가스를 3600cc/g촉매·h의 유속으로 흘려주면서 반응을 수행하여 탄화수소 화합물을 제조하였다.  이때, 상기에서 제조된 탄화수소 화합물은 고온 트랩으로 이동시키고, 트랩의 온도는 200℃로 유지하였다.  상기에서 제조된 탄화수소 화합물을 제올라이트계 촉매(HZSM-5, Si/Al=140, 250~850μm 펠렛)가 충진된 2단계 반응기로 바로 이동시키고, 반응온도는 500℃, 반응 압력은 상압에서 크래킹 반응을 수행하여 경질 올레핀을 제조하였다.The iron-based catalyst prepared in Examples and Comparative Examples was crushed and classified into about 1 mm size, 1 g of the catalyst was charged, and charged into a one-stage fixed bed reactor, and the activation process was carried out at atmospheric pressure at 450 ° C. for 12 hours. To reduce. Subsequently, under the conditions of a reaction temperature of 280 ° C. and a reaction pressure of 10 atm, a reaction was carried out while flowing a synthesis gas having a CO / H 2 ratio of 2 at a flow rate of 3600 cc / g catalyst and h to prepare a hydrocarbon compound. . At this time, the hydrocarbon compound prepared above was moved to a high temperature trap, and the temperature of the trap was maintained at 200 ° C. The hydrocarbon compound prepared above is transferred directly to a two-stage reactor filled with a zeolite catalyst (HZSM-5, Si / Al = 140, 250-850 μm pellets), the reaction temperature is 500 ° C., and the reaction pressure is a cracking reaction at atmospheric pressure. The light olefin was prepared by the following procedure.

생성물의 조성은 가스크로마토그래프(GC)에 의해 분석하였다.The composition of the product was analyzed by gas chromatograph (GC).

구 분division 반응시간 5시간 후 CO 전환율 (%)CO conversion after 5 hours (%) 반응시간 5시간 후
탄화수소 선택도 (%)
5 hours after reaction time
Hydrocarbon selectivity (%)
반응시간 170시간 후 CO 전환율 (%)CO conversion after 170 hours (%) 반응시간 170시간 후 탄소 침적량(%)*Carbon deposit (%) after 170 hours of reaction time *
CH4 CH 4 C2~C4C2 ~ C4 C5+C5 + C2~C4 중
올레핀
C2 ~ C4
Olefin
실시예 1Example 1 92.592.5 6.76.7 55.755.7 37.637.6 84.484.4 92.392.3 13.6 13.6 실시예 2Example 2 80.680.6 5.95.9 56.356.3 37.837.8 83.283.2 80.280.2 15.615.6 실시예 3Example 3 84.584.5 6.26.2 5656 37.837.8 83.783.7 83.983.9 14.014.0 실시예 4Example 4 92.592.5 6.86.8 55.555.5 37.737.7 83.983.9 92.392.3 13.413.4 실시예 5Example 5 68.368.3 3.13.1 53.653.6 43.343.3 78.678.6 68.468.4 9.59.5 실시예 6Example 6 95.295.2 7.97.9 57.457.4 34.734.7 84.684.6 92.892.8 19.819.8 비교예 1Comparative Example 1 64.564.5 6.36.3 54.854.8 38.938.9 84.384.3 54.754.7 17.017.0 비교예 2Comparative Example 2 60.160.1 9.29.2 37.237.2 53.653.6 67.367.3 51.251.2 16.716.7 비교예 3Comparative Example 3 62.362.3 7.87.8 41.541.5 50.750.7 72.472.4 58.458.4 16.116.1 비교예 4Comparative Example 4 42.542.5 4.34.3 43.543.5 52.252.2 78.878.8 38.938.9 11.611.6 비교예 5Comparative Example 5 81.581.5 9.49.4 45.745.7 44.944.9 83.683.6 67.867.8 36.136.1 * 1단계 FT 반응에서 170시간의 반응 후 촉매를 꺼내 열분석(Thermogravimetric analysis, TGA)에 의해 탄소 침적량을 촉매 무게 대비 나타냄* After 170 hours of reaction in a one-step FT reaction, the catalyst was taken out and the amount of carbon deposition relative to the catalyst weight was shown by thermal analysis (TGA).

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1~4에서 제조된 촉매는 반응초기 CO 전환율이 높으며, 반응시간이 170시간 후에도 CO 전환율이 크게 감소하지 않는 것을 볼 수 있다. 반면에 망간 조촉매가 없는 비교예 1에서 제조된 촉매나, 망간 대신 마그네슘이나 니켈이 조촉매로 사용된 비교예 2와 3의 촉매는 CO 전환율이 낮고, 반응시간이 170시간 후에 CO 전환율이 크게 감소하는 것을 볼 수 있다.As shown in Table 1, the catalyst prepared in Examples 1 to 4 has a high initial CO conversion rate, it can be seen that the CO conversion rate does not significantly decrease even after the reaction time 170 hours. On the other hand, the catalyst prepared in Comparative Example 1 without a manganese promoter or the catalysts of Comparative Examples 2 and 3 in which magnesium or nickel were used as a promoter instead of manganese had a low CO conversion and a large CO conversion after 170 hours. You can see the decrease.

일반적으로 철계 FT 촉매가 비활성화되는 주요인은 촉매에 코크 생성 때문인 것으로 알려져 있다. 170시간 FT 반응 후 실시예와 비교예의 촉매를 꺼내어 열분석법에 의해 탄소침적량을 분석한 결과, 망간이 조촉매로 첨가된 실시예 1~4의 촉매가 비교예 1~3의 촉매에 비해 탄소침적량이 상대적으로 적은 것을 알 수 있으며, 이는 촉매 비활성화 경향과 일치한다.In general, it is known that the main reason for deactivation of the iron-based FT catalyst is due to coke formation in the catalyst. After the FT reaction for 170 hours, the catalysts of Examples and Comparative Examples were taken out and the amount of carbon deposited was analyzed by thermal analysis. It can be seen that this is relatively small, which is consistent with the tendency of catalyst deactivation.

실시예 1, 5 및 6에서 보는 바와 같이, 반응온도가 260, 280, 300℃로 증가할수록 CO 전환율은 증가하고, 170시간 반응시간 후 탄소침적량의 증가와 함께 CO 전환율의 감소율도 증가한다. 하지만 망간이 첨가된 실시예의 촉매보다 비교예 1, 4 및 5의 촉매가 같은 반응온도에서 170시간 반응시간 후 탄소침적량이 더 많고, 활성저하가 더 큰 것을 볼 수 있다.
As shown in Examples 1, 5, and 6, as the reaction temperature increases to 260, 280, and 300 ° C., the CO conversion rate increases, and after 170 hours of reaction time, the CO conversion rate increases and the decrease rate of the CO conversion rate increases. However, it can be seen that the catalysts of Comparative Examples 1, 4, and 5 are more carbon deposited after 170 hours of reaction time at the same reaction temperature, and have a higher activity deactivation than those of manganese-added catalysts.

Claims (10)

철(Fe), 구리(Cu), 망간(Mn), 칼륨(K) 및 알루미늄(Al)을 K:Fe:Cu:Mn:Al=1~6:100:1~6:1~20:5~40의 몰비로 포함하는 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 합성반응용 철계 촉매.Iron (Fe), copper (Cu), manganese (Mn), potassium (K), and aluminum (Al) are converted into K: Fe: Cu: Mn: Al = 1-6: 100: 1-6: 1-20: 5 Fischer-Tropsch iron-based catalyst, characterized in that it comprises a molar ratio of ~ 40. 하기 1)~4)의 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 제 1항의 피셔트롭쉬 합성반응용 철계 촉매의 제조방법:
1) 산성의 구리, 철 및 망간 화합물, 및 산성 또는 중성의 Al2O3 전구체화합물을 증류수에 녹여 산성 촉매전구체 용액을 제조하고, 염기성 침전제를 증류수에 녹여 염기성 침전제 용액을 제조하는 단계;
2) 상기 단계 1)로부터 수득된 산성 촉매전구체 용액 및 염기성 침전제 용액을 혼합하여 공침시켜 촉매 전구체 슬러리를 제조하고, 이를 숙성시켜 촉매전구체 침전물을 제조하는 단계;
3) 상기 촉매전구체 침전물을 수세-성형-건조-소성하여 촉매산화물을 수득하는 단계; 및
4) 상기 수득된 촉매산화물에 칼륨 화합물 수용액을 담지하고, 이를 건조-소성시키는 단계.
A method for preparing an iron catalyst for Fischer-Tropsch synthesis reaction according to claim 1, comprising the following steps 1) to 4):
1) dissolving an acidic copper, iron and manganese compound, and an acidic or neutral Al 2 O 3 precursor compound in distilled water to prepare an acidic catalyst precursor solution, and dissolving a basic precipitant in distilled water to prepare a basic precipitant solution;
2) mixing the acidic catalyst precursor solution and the basic precipitant solution obtained in step 1) and coprecipitating to prepare a catalyst precursor slurry, and aging the same to prepare a catalyst precursor precipitate;
3) washing the catalyst precursor precipitate with water-forming-drying-firing to obtain a catalyst oxide; And
4) supporting an aqueous potassium compound solution on the obtained catalyst oxide, and drying-fired it.
제 2항에 있어서, 상기 산성 또는 중성의 Al2O3 전구체화합물은 질산알루미늄, 할로겐알루미늄 및 알루미늄 알콕사이드로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 제조방법.The method according to claim 2, wherein the acidic or neutral Al 2 O 3 precursor compound is selected from the group consisting of aluminum nitrate, aluminum halide and aluminum alkoxide. 제 2항에 있어서, 상기 염기성 침전제는 Na2CO3, NaHCO3, KHCO3, K2CO3, (NH4)2CO3 및 NH4HCO3로부터 선택되는 염기성 탄산염 또는 NaOH, KOH 및 Ca(OH2)로부터 선택되는 수산화물인 것을 특징으로 하는 제조방법.The method of claim 2, wherein the basic precipitant is Na 2 CO 3 , NaHCO 3 , KHCO 3 , K 2 CO 3 , (NH 4 ) 2 CO 3 and NH 4 HCO 3 selected from a basic carbonate or NaOH, KOH and Ca ( It is a hydroxide selected from OH 2 ). 삭제delete 하기의 단계들을 포함하는, H2와 CO를 포함하는 합성가스로부터 경질 올레핀을 제조하는 방법:
(1) 제 1항에 따른 철계 촉매를 사용하여 합성가스로부터, 올레핀의 비율이 60부피% 이상인 C2~C4 탄화수소를 제조하는 단계;
(2) 상기 (1) 단계에 의해 생성된 탄화수소를 올레핀 크래킹 촉매와 접촉시킴으로써 경질 올레핀의 함량을 증대시키는 단계.
A process for preparing light olefins from syngas comprising H 2 and CO, comprising the following steps:
(1) preparing a C2 to C4 hydrocarbon having a proportion of olefin of 60 vol% or more from syngas using the iron-based catalyst according to claim 1;
(2) increasing the content of light olefins by contacting the hydrocarbons produced by step (1) with an olefin cracking catalyst.
제 6항에 있어서, 상기 (1) 단계에서 상기 합성가스로부터 제조된 C2~C4 탄화수소 중 올레핀의 비율이 70% 이상인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 6, wherein the ratio of the olefin in the C2 ~ C4 hydrocarbon prepared from the synthesis gas in the step (1) is 70% or more. 제 6항에 있어서, 상기 (1) 단계에서 상기 합성가스로부터 제조된 C2~C4 탄화수소 중 올레핀의 비율이 80% 이상인 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 6, wherein the ratio of olefins in the C2 to C4 hydrocarbons prepared from the synthesis gas in the step (1) is 80% or more. 제 6 항에 있어서, 상기 올레핀 크래킹 촉매는 MFI 구조를 갖는 제올라이트인 것을 특징으로 하는 제조방법.The method of claim 6, wherein the olefin cracking catalyst is a zeolite having an MFI structure. 제 9항에 있어서, 상기 MFI 구조를 갖는 제올라이트는 Si/Al의 몰비가 30~300인 것을 특징으로 하는 제조방법.10. The method of claim 9, wherein the zeolite having the MFI structure is characterized in that the molar ratio of Si / Al 30 ~ 300.
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