KR101282735B1 - Preparing method of nitroparaffin by gas-phase nitration using solid base catalyst - Google Patents
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Abstract
본 발명은 특정 고체 염기촉매 하에서, C1∼C4의 탄화수소 가스를 니트로화제 가스에 의해 기체상 니트로화 반응시켜 니트로파라핀을 높은 수율로 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a process for producing nitroparaffins in high yield by gas phase nitration of a C 1 to C 4 hydrocarbon gas under a specific solid base catalyst with a nitrating agent gas.
Description
본 발명은 특정 고체 염기촉매 하에서, C1∼C4의 탄화수소 가스를 니트로화제 가스에 의해 기체상 니트로화 반응시켜 니트로파라핀을 높은 수율로 제조하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a process for producing nitroparaffins in high yield by gas phase nitration of a C 1 to C 4 hydrocarbon gas under a specific solid base catalyst with a nitrating agent gas.
니트로파라핀(Nitroparaffins)은 솔벤트 혼합물 성분으로서 코팅 산업에 물성 향상을 제공하는 물질로 사용되어 왔다. 현재에도 니트로파라핀은 화합물 합성반응에서의 중간체, 분리 공정에서의 솔벤트, 화학 안정제, 연료 성분, 금속 표면으로부터의 치환수 등 고부가가치의 응용 분야에서 다양한 용도로 사용되고 있는 유용한 화합물이다.Nitroparaffins have been used as components of solvent mixtures to provide physical property enhancements to the coatings industry. Nitroparaffins are still useful compounds for a variety of applications in high value-added applications such as intermediates in compound synthesis, solvents in separation processes, chemical stabilizers, fuel components, and water substitution from metal surfaces.
니트로파라핀의 일반적인 제조방법으로서, 탄화수소 화합물을 아질산가스(NO2)에 의해 니트로화 반응시켜 니트로파라핀을 제조하는 기체상(gas-phase) 제조법이 널리 알려져 있다. 이러한 니트로파라핀의 제조공정은 50 내지 800 ℃ 범위의 고온 조건과 70 내지 110 atm 범위의 고압 조건하에서 진행되므로 위험부담이 커서 연속공정으로 적용하기에는 한계가 있다. 또한, 고압 조건을 유지하기 위하여 사용되는 고압반응 장치 설비 비용이 고가인 단점도 있다. 국제특허공개 WO 2009/129099호에 개시된 니트로파라핀의 제조방법 역시 고온 및 고압 조건으로 니트로화 반응이 진행되고 있으며, 연속공정이 아닌 배치공정에 의해 제한적으로 공정을 수행하여야만 하는 단점이 있다.As a general method for producing nitroparaffins, a gas-phase production method for producing nitroparaffins by nitrifying a hydrocarbon compound with nitrous acid gas (NO 2 ) is widely known. Since the nitroparaffin manufacturing process is performed under high temperature conditions in the range of 50 to 800 ° C. and high pressure in the range of 70 to 110 atm, the risk is large, and thus there is a limit to applying the continuous process. In addition, there is a disadvantage that the high pressure reactor equipment cost used to maintain the high pressure condition is expensive. Nitroparaffin production method disclosed in International Patent Publication No. WO 2009/129099 also proceeds with the nitration reaction under high temperature and high pressure conditions, there is a disadvantage that the process must be limited by a batch process rather than a continuous process.
따라서, 종래의 기체상 니트로화 반응(gas-phase nitration)에 의한 니트로파라핀의 제조방법을 개선하고, 보다 온화한 반응조건에서 효율적으로 니트로파라핀을 제조하는 방법의 개발이 절실히 요구된다.
Therefore, there is an urgent need to develop a method for producing nitroparaffins by gas-phase nitration and to efficiently produce nitroparaffins under milder reaction conditions.
본 발명은 특정의 고체 염기촉매를 사용하여 상압 주변의 낮은 압력 조건하에서도 기체상 니트로화 반응을 원활하게 수행하는 개선된 니트로파라핀의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.It is an object of the present invention to provide an improved process for the preparation of nitroparaffins which facilitates the gas phase nitration reaction even under low pressure conditions around ambient pressure using certain solid base catalysts.
또한, 본 발명은 배치식 공정은 물론이고, 연속식 공정으로 진행되는 니트로파라핀의 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
Another object of the present invention is to provide a method for preparing nitroparaffin, which proceeds in a continuous process as well as in a batch process.
상기 과제 해결을 위하여, 본 발명은 Ca, Mg 및 Zn 중에서 선택된 1종 이상의 금속이 포함된 금속산화물의 고체 염기촉매 하에서, C1∼C4의 탄화수소와 니트로화제 가스를 기체상 니트로화 반응시켜 니트로파라핀을 제조하는 방법을 그 특징으로 한다.In order to solve the above problems, the present invention is a C 1 ~ C 4 of the solid base catalyst of a metal oxide containing at least one metal selected from Ca, Mg and Zn It is characterized by a method of producing nitroparaffins by gas phase nitration reaction of a hydrocarbon and a nitrating agent gas.
또한, 본 발명은 Ca, Mg 및 Zn 중에서 선택된 1종 이상의 금속이 포함된 금속산화물을 지지체로 하여 K, Mg 및 Cr 중에서 선택된 1종 이상의 조활성 금속이 담지된 금속담지 산화물의 고체 염기촉매 하에서, C1∼C4의 탄화수소와 아질산가스(NO2)를 기체상 니트로화 반응시켜 니트로파라핀을 제조하는 방법을 그 특징으로 한다.
In addition, the present invention is based on a metal oxide containing at least one metal selected from Ca, Mg and Zn as a support under a solid base catalyst of a metal-supported oxide supported on at least one crude active metal selected from K, Mg and Cr, Of C 1 to C 4 It is characterized by a method of producing nitroparaffins by gas phase nitration reaction of hydrocarbon and nitrous acid gas (NO 2 ).
본 발명은 특정의 고체 염기촉매를 선택 사용함으로써, 상압 주변의 낮은 압력 조건에서도 기체상 니트로화 반응을 효율적으로 수행하는 효과가 있다.The present invention has the effect of efficiently performing the gas phase nitration reaction even under low pressure conditions around atmospheric pressure by using a specific solid base catalyst.
또한, 본 발명의 니트로파라핀 제조방법은 상압 주변의 낮은 압력 조건으로 진행됨으로써, 기체상 니트로화 반응을 배치식 공정은 물론이고, 연속식 공정으로도 진행이 가능한 효과가 있다.
In addition, the nitroparaffin manufacturing method of the present invention is carried out in a low pressure condition around the atmospheric pressure, there is an effect that can be carried out in a continuous process as well as a batch process of gas phase nitration.
본 발명은 특정의 고체 염기촉매를 사용하고, 탄화수소 가스와 아질산 가스를 반응물질로 사용하여 온화한 반응조건에서 기체상 니트로화 반응시켜 니트로파라핀을 제조하는 방법에 관한 것이다. 즉, 본 발명은 니트로파라핀 제조를 위한 기체상 니트로화 반응용 촉매로서 특정의 고체 염기촉매를 사용되는 용도를 그 특징으로 한다.The present invention relates to a method for preparing nitroparaffins by gas phase nitration reaction under mild reaction conditions using a specific solid base catalyst and using hydrocarbon gas and nitrite gas as reactants. That is, the present invention is characterized by the use of a specific solid base catalyst as a catalyst for the gas phase nitration reaction for the production of nitroparaffins.
본 발명이 사용하는 고체 염기촉매는 CaO, MgO, ZnO, CaMgO, CaZnO, MgZnO, 또는 CaMgZnO의 금속산화물 촉매일 수 있고, 또는 상기 금속산화물을 지지체로 하여 K, Mg 및 Cr 중에서 선택된 1종 이상의 조활성 금속이 담지된 금속담지 산화물 촉매일 수 있다.The solid base catalyst used in the present invention may be a metal oxide catalyst of CaO, MgO, ZnO, CaMgO, CaZnO, MgZnO, or CaMgZnO, or at least one crude selected from K, Mg, and Cr using the metal oxide as a support. It may be a metal supported oxide catalyst on which an active metal is supported.
상기 금속담지 산화물의 고체 염기촉매의 경우, 담지되는 조활성 금속에 의해 촉매 표면의 염기세기를 보다 증가시킬 수 있으므로 고체 염기촉매로서의 촉매활성을 보다 증진시키는 효과를 얻을 수 있다. 실제로 본 발명의 실시예에 의하면, 금속산화물 촉매에 비하여 조활성 금속이 담지된 금속담지 산화물 촉매가 3 내지 7% 정도의 촉매활성이 증가됨을 확인할 수 있다. In the case of the solid base catalyst of the metal-supported oxide, since the base strength of the surface of the catalyst can be further increased by the supported active metal, it is possible to obtain an effect of further enhancing the catalytic activity as a solid base catalyst. In fact, according to the embodiment of the present invention, it can be seen that the catalytic activity of about 3 to 7% of the metal-supported oxide catalyst on which the crude active metal is supported is increased compared to the metal oxide catalyst.
금속담지 산화물의 고체 염기촉매로서, 1종의 조활성 금속이 담지된 금속담지 산화물은 구체적으로 K-CaO, Mg-CaO, Cr-CaO, K-MgO, Mg-MgO, Cr-MgO, K-ZnO, Mg-ZnO, Cr-CaMgO, K-CaMgO, Mg-CaMgO, Cr-CaMgO, Cr-CaMgO, K-CaZnO, Mg-CaZnO, Cr-CaZnO, K-MgZnO, Mg-MgZnO, Cr-MgZnO, K-CaMgZnO, Mg-CaMgZnO, Cr-CaMgZnO 등이 포함될 수 있다. As the solid base catalyst of the metal-supported oxide, the metal-supported oxide on which one crude active metal is supported specifically includes K-CaO, Mg-CaO, Cr-CaO, K-MgO, Mg-MgO, Cr-MgO, K- ZnO, Mg-ZnO, Cr-CaMgO, K-CaMgO, Mg-CaMgO, Cr-CaMgO, Cr-CaMgO, K-CaZnO, Mg-CaZnO, Cr-CaZnO, K-MgZnO, Mg-MgZnO, Cr-M K-CaMgZnO, Mg-CaMgZnO, Cr-CaMgZnO, and the like may be included.
2종 이상의 조활성 금속이 담지된 금속담지 산화물은, 2종 이상의 조활성 금속이 단일 코팅층 내에 균일하게 분포될 수 있고, 또는 조활성 금속 각각이 별개의 코팅층을 형성하여 복수 코팅층을 이루어 분포될 수 있다. Metal-supported oxide carrying two or more crude active metals may be uniformly distributed in two or more crude active metals, or each of the crude active metals may be formed by forming a separate coating layer to form a plurality of coating layers. have.
단일 코팅층에 2 이상의 조활성 금속이 분포하는 금속담지 산화물 촉매는 구체적으로 K,Mg-CaO, K,Cr-CaO, Mg,Cr-CaO, K,Mg,Cr-CaO, K,Mg-MgO, K,Cr-MgO, Mg,Cr-MgO, K,Mg,Cr-MgO, K,Mg-ZnO, K,Cr-ZnO, Mg,Cr-ZnO, K,Mg,Cr-ZnO, K,Mg-CaMgO, K,Cr-CaMgO, Mg,Cr-CaMgO, K,Mg,Cr-CaMgO, K,Mg-CaZnO, K,Cr-CaZnO, Mg,Cr-CaZnO, K,Mg,Cr-CaZnO, K,Cr-MgZnO, Mg,Cr-MgZnO, K,Mg,Cr-MgZnO, K,Cr-CaMgZnO, Mg,Cr-CaMgZnO, K,Mg,Cr-CaMgZnO 등이 포함될 수 있다. The metal supported oxide catalyst in which two or more crude active metals are distributed in a single coating layer is specifically K, Mg-CaO, K, Cr-CaO, Mg, Cr-CaO, K, Mg, Cr-CaO, K, Mg-MgO, K, Cr-MgO, Mg, Cr-MgO, K, Mg, Cr-MgO, K, Mg-ZnO, K, Cr-ZnO, Mg, Cr-ZnO, K, Mg, Cr-ZnO, K, Mg- CaMgO, K, Cr-CaMgO, Mg, Cr-CaMgO, K, Mg, Cr-CaMgO, K, Mg-CaZnO, K, Cr-CaZnO, Mg, Cr-CaZnO, K, Mg, Cr-CaZnO, K, Cr-MgZnO, Mg, Cr-MgZnO, K, Mg, Cr-MgZnO, K, Cr-CaMgZnO, Mg, Cr-CaMgZnO, K, Mg, Cr-CaMgZnO and the like.
2 이상의 조활성 금속이 개별적으로 코팅층을 형성하여 코어-쉘(core-shell) 구조를 가지는 금속담지 산화물 촉매는 구체적으로 K/Mg-CaO, Mg/K-CaO, K/Cr-CaO, Cr/K-CaO, Mg/Cr-CaO, Cr/Mg-CaO, K/Mg/Cr-CaO, K/Cr/Mg-CaO, Mg/K/Cr-CaO, Mg/Cr/K-CaO, Cr/K/Mg-CaO, Cr/Mg/K-CaO 등이 포함될 수 있다. 상기에서는 금속산화물 지지체로서 CaO 만을 예시하고 있지만, 본 발명이 지지체로 사용하는 금속산화물 예를 들면 MgO, ZnO, CaMgO, CaZnO, MgZnO, 또는 CaMgZnO를 사용하여서도 코어-쉘(core-shell) 구조를 가지는 금속담지 산화물 촉매 역시 본 발명의 권리범위에 포함된다. 또한, 본 발명은 금속산화물 지지체에 담지 또는 코팅되는 조활성 금속의 담지 및 코팅 순서에 대해서는 특별한 제한을 두지않는다. 또한, 코어-쉘(core-shell) 구조를 가지는 금속담지 산화물 촉매로 예시된 ‘Cr/Mg/K-CaO 촉매’는 칼륨(K)이 담지된 CaO 지지체를 코어로 하고, 마그네슘(Mg) 금속코팅층과 크롬(Cr) 금속코팅층이 순차적으로 코팅되어 이중 코팅층을 형성하고 있는 코어-쉘(core-shell) 구조의 금속담지 산화물 촉매를 의미한다.The metal-supported oxide catalyst having a core-shell structure in which two or more crude active metals form a coating layer is specifically K / Mg-CaO, Mg / K-CaO, K / Cr-CaO, Cr / K-CaO, Mg / Cr-CaO, Cr / Mg-CaO, K / Mg / Cr-CaO, K / Cr / Mg-CaO, Mg / K / Cr-CaO, Mg / Cr / K-CaO, Cr / K / Mg-CaO, Cr / Mg / K-CaO, and the like may be included. Although only CaO is exemplified as the metal oxide support, the core-shell structure is used even when the metal oxide used as the support is MgO, ZnO, CaMgO, CaZnO, MgZnO, or CaMgZnO. The metal supported oxide catalyst is also included in the scope of the present invention. In addition, the present invention places no particular limitation on the supporting and coating order of the crude active metal supported or coated on the metal oxide support. In addition, the 'Cr / Mg / K-CaO catalyst' exemplified as a metal-supported oxide catalyst having a core-shell structure has a CaO support loaded with potassium (K) as a core, and a magnesium (Mg) metal A coating layer and a chromium (Cr) metal coating layer are sequentially coated to form a core-shell structured metal-supported oxide catalyst.
한편, 본 발명은 상기한 고체 염기촉매의 제조방법에 대해서는 특별한 제한을 두지 않는다.On the other hand, the present invention is not particularly limited to the above-described method for producing a solid base catalyst.
대표적인 제조방법으로서, CaO, MgO, ZnO, CaMgO, CaZnO, MgZnO, 또는 CaMgZnO의 금속산화물의 고체 염기촉매는 Mg, Ca 또는 Zn의 금속을 포함하는 전구체 화합물 1종 이상을 혼합 및 소성하여 제조할 수 있다. 상기 금속 전구체 화합물은 촉매 제조분야에서 통상적으로 이용되는 화합물로서 구체적으로는 해당 금속의 염화물, 수산화물, 황화물, 질산염, 탄산염, 황산염, 아세트산염 등이 사용될 수 있다. 구체적으로, 금속 전구체 화합물은 Mg(NO3)2·6H2O, MgCO3, MgCl2·6H2O, Mg(OH)2, Ca(NO3)2, Ca(NO2)2, CaCl2, CaCO3, Ca(OH)2, Zn(NO3)2·6H2O, Zn(NO3)2, ZnCO3, ZnCl2, Zn(OH)2 등이 포함될 수 있다. 소성온도는 500℃ 내지 1000℃ 범위, 바람직하게는 500℃ 내지 900℃ 범위를 유지하며, 상기 소성온도가 너무 낮으면 고체 염기촉매가 생성되지 않는 문제가 있을 수 있고, 너무 높으면 입자가 소결되어 촉매의 활성이 떨어지는 문제가 있을 수 있다. As a typical manufacturing method, a solid base catalyst of a metal oxide of CaO, MgO, ZnO, CaMgO, CaZnO, MgZnO, or CaMgZnO may be prepared by mixing and firing at least one precursor compound containing a metal of Mg, Ca, or Zn. have. The metal precursor compound is a compound commonly used in the field of catalyst production, specifically, chlorides, hydroxides, sulfides, nitrates, carbonates, sulfates, acetates, etc. of the metals may be used. Specifically, the metal precursor compound is Mg (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, MgCO 3 , MgCl 2 · 6H 2 O, Mg (OH) 2 , Ca (NO 3 ) 2 , Ca (NO 2 ) 2 , CaCl 2 , CaCO 3 , Ca (OH) 2 , Zn (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, Zn (NO 3 ) 2 , ZnCO 3 , ZnCl 2 , Zn (OH) 2, and the like. The firing temperature is in the range of 500 ° C to 1000 ° C, preferably in the range of 500 ° C to 900 ° C. If the firing temperature is too low, there may be a problem in that a solid base catalyst is not produced. There may be a problem that the activity of.
금속담지 산화물의 고체 염기촉매의 제조방법은 촉매 제조분야에서 통상적으로 이용되고 있는 담지촉매 제조방법으로, 예를 들면 침전법, 담지법, 함침법 등을 이용할 수 있다. The production method of the solid base catalyst of the metal-supported oxide is a supported catalyst production method commonly used in the field of catalyst production. For example, a precipitation method, a supporting method, an impregnation method, and the like can be used.
대표적인 금속담지 산화물의 고체 염기촉매 제조방법은 하기의 일련의 제조과정을 포함하여 진행된다. 예컨대, 조활성 금속의 전구체 화합물을 증류수에 용해하여 조활성 금속 전구체 용액을 제조하는 과정; 상기 조활성 금속 전구체 용액에 금속산화물을 첨가하고 가온 교반하는 과정; 및 조활성 금속이 담지된 금속산화물을 여과 건조하여 금속담지 산화물을 수득하는 과정;을 포함하여 진행된다. 상기 조활성 금속 전구체 화합물 역시 촉매 제조분야에서 통상적으로 이용되는 화합물로서 구체적으로는 해당 금속의 염화물, 수산화물, 황화물, 질산염, 탄산염, 황산염, 아세트산염 등이 사용될 수 있다. 본 발명에서는 상기 조활성 금속 전구체 용액 제조과정에서 1종 이상의 조활성 금속 전구체 화합물을 사용할 수 있다. 또한, 상기한 일련의 조활성 금속 담지과정을 2회 이상 반복 실시할 수도 있다.A typical method for preparing a solid base catalyst of a metal supported oxide includes the following series of processes. For example, preparing a crude active metal precursor solution by dissolving the precursor compound of the crude active metal in distilled water; Adding a metal oxide to the crude active metal precursor solution and heating and stirring; And filtering and drying the metal oxide on which the crude active metal is supported to obtain a metal supported oxide. The crude active metal precursor compound may also be used as a compound commonly used in the field of catalyst production, specifically, chloride, hydroxide, sulfide, nitrate, carbonate, sulfate, acetate, etc. of the metal. In the present invention, one or more crude active metal precursor compounds may be used in the preparation of the crude active metal precursor solution. In addition, the series of crude active metal supporting processes described above may be repeated two or more times.
이상에서 설명한 고체 염기촉매를 이용하여 기체상 니트로화 반응시키면, 저압 및 저온의 반응조건에서도 높은 수율로 니트로파라핀을 제조할 수 있다.When the gas phase nitration reaction is performed using the solid base catalyst described above, nitroparaffin can be produced in high yield even under low pressure and low temperature reaction conditions.
본 발명의 니트로파라핀의 제조방법에서 반응물질로 사용하는 탄화수소 화합물은 탄소수가 1 내지 4개인 직쇄형 탄화수소고리, 분쇄형 탄화수소고리, 포화 탄화수소고리, 또는 불포화 탄화수소고리로 이루어진 기체상의 탄화수소 화합물이다. 불포화 탄화수소고리는 이중결합 또는 삼중결합이 1개 이상 포함된 탄화수소고리를 일컫는다.The hydrocarbon compound used as a reactant in the method for producing nitroparaffin of the present invention is a gaseous hydrocarbon compound consisting of a linear hydrocarbon ring having 1 to 4 carbon atoms, a crushed hydrocarbon ring, a saturated hydrocarbon ring, or an unsaturated hydrocarbon ring. An unsaturated hydrocarbon ring refers to a hydrocarbon ring containing one or more double bonds or triple bonds.
본 발명에서는 상기 탄화수소 화합물을 니트로화 반응시키는 니트로화제 가스로서 아질산가스(NO2), 사산화이질소가스(N2O4), 질산가스(HNO3) 등이 사용될 수 있다.In the present invention, nitrous acid gas (NO 2 ), dinitrogen tetraoxide gas (N 2 O 4 ), nitric acid gas (HNO 3 ), or the like may be used as the nitrating agent gas for nitrating the hydrocarbon compound.
본 발명의 실시예에서 니트로화제로 사용된 아질산가스(NO2)의 경우, 질산과 황을 5∼15 : 0.5∼6 부피비, 바람직하게는 8∼10 : 2∼4의 부피비 혼합하고 120∼170℃로 가열함으로써 제조하여 사용하였다. 아질산가스(NO2) 가스의 제조 반응기 내부로 수분이 들어가는 것을 막아주기 위해서 냉각 트랩을 장착하여 수분을 제거할 수도 있다. 제조된 아질산가스(NO2)는 탄화수소 화합물과 함께 반응기 내부로 흘려주어 기체상 니트로화 반응을 진행시켰으며, 탄화수소와 아질산가스의 밀도 차이로 인하여 반응기 안에서 탄화수소와 아질산가스의 고른 혼합을 통해 니트로파라핀의 생성 수율을 향상시키는 효과를 기대할 수 있다. In the case of nitrous acid gas (NO 2 ) used as a nitrating agent in the embodiment of the present invention, nitric acid and sulfur are mixed in a volume ratio of 5 to 15: 0.5 to 6, preferably 8 to 10: 2 to 4, and 120 to 170 It manufactured and used by heating to ° C. Production of nitrous acid (NO 2 ) gas In order to prevent moisture from entering the reactor, a cooling trap may be installed to remove moisture. The prepared nitrous acid gas (NO 2 ) flowed into the reactor together with the hydrocarbon compound to proceed the gas phase nitration reaction. The effect of improving the yield of the production can be expected.
본 발명의 기체상 니트로화 반응에서는, 구체적으로 탄화수소 화합물과 니트로화제를 1 : 0.5 내지 30 부피비, 바람직하게는 1 : 10 내지 20 부피비가 되도록 사용하며, 반응압력은 상압 주변으로서 구체적으로 0 내지 1.5 atm 압력범위를 유지하고, 반응온도는 100 내지 500℃, 바람직하게는 250 내지 400℃의 온도범위를 유지하면서, 1 내지 200 시간 동안, 바람직하게는 1 내지 100 시간 동안 니트로화 반응을 수행한다.In the gas phase nitration reaction of the present invention, a hydrocarbon compound and a nitrating agent are specifically used in a 1: 0.5 to 30 volume ratio, preferably 1: 10 to 20 volume ratio, and the reaction pressure is specifically 0 to 1.5 as the ambient pressure. The nitrification reaction is carried out for 1 to 200 hours, preferably for 1 to 100 hours, while maintaining the atm pressure range and maintaining the temperature range of 100 to 500 ° C, preferably 250 to 400 ° C.
즉, 기존 기체상 니트로파라핀의 제조방법이 고압 및 고온 조건이 유지되어야만 하였는데 반하여, 본 발명이 제안하는 고체염기 촉매를 사용하게 되면 상압 조건에서 상대적으로 낮은 온도가 유지되더라도 우수한 수율로 니트로파라핀을 제조할 수 있다. 따라서, 본 발명의 니트로파라핀 제조방법은 배치식 공정은 물론이고 연속식 공정으로 기체사 니트로화 반응을 진행하는 것이 가능하다.That is, the conventional gas phase nitroparaffin manufacturing method had to be maintained under high pressure and high temperature conditions, when using the solid base catalyst proposed by the present invention to produce nitroparaffin with excellent yield even if the relatively low temperature is maintained at atmospheric pressure conditions can do. Therefore, the nitroparaffin manufacturing method of the present invention can proceed the gas yarn nitration reaction in a continuous process as well as a batch process.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 하기의 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
The present invention will now be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited thereto.
[제조예] 고체 염기촉매의 제조
Preparation Example Preparation of Solid Base Catalyst
제조예 1. MgO 촉매의 제조Preparation Example 1 Preparation of MgO Catalyst
Mg(NO3)2·6H2O를 600℃에서 3시간동안 소성시켜 제조하였다.
Mg (NO 3 ) 2 .6H 2 O was prepared by calcining at 600 ° C. for 3 hours.
제조예 2. ZnO 촉매의 제조Preparation Example 2 Preparation of ZnO Catalyst
Zn(NO3)2·6H2O 33.84 g을 H2O 150 ㎖에 용해시킨 후 침전제인 암모니아 용액(28∼30%, SAMCHUN)을 천천히 적가시켜 pH 8∼9로 조절하여 침전물을 생성한 다음, H2O를 이용하여 3회 세척하고 110℃의 오븐에서 건조한 후, 600℃의 오븐에서 3 시간 동안 소성시켜서 제조하였다.
After dissolving 33.84 g of Zn (NO 3 ) 2 · 6H 2 O in 150 mL of H 2 O, slowly adding dropwise ammonia solution (28-30%, SAMCHUN) as a precipitant to adjust the pH to 8-9, to form a precipitate. After washing three times with H 2 O, dried in an oven at 110 ℃, it was prepared by firing in an oven at 600 ℃ for 3 hours.
제조예 3. CaO 촉매의 제조Preparation Example 3 Preparation of CaO Catalyst
CaCl2 15.37 g을 H2O 150 ㎖에 용해시킨 후 침전제인 암모니아 용액(28∼30%, SAMCHUN)을 천천히 적가시켜 pH 8∼9로 조절하여 침전물을 생성한 다음, H2O를 이용하여 3회 세척하고 110℃의 오븐에서 건조한 후, 600℃의 오븐에서 3 시간 동안 소성시켜서 제조하였다.
Dissolve 15.37 g of CaCl 2 in 150 ml of H2O, and slowly add dropwise ammonia solution (28-30%, SAMCHUN) as a precipitant to adjust pH to 8-9 to generate a precipitate, and then wash three times with H 2 O. After drying in an oven at 110 ℃, it was prepared by firing in an oven at 600 ℃ for 3 hours.
제조예 4. Cr-CaO 촉매의 제조Preparation Example 4 Preparation of Cr-CaO Catalyst
Cr의 전구체로서 Cr(NO3)39H2O 3.85 g를 증류수 50 ㎖에 용해시킨 후, 이 용액에 CaO 지지체 4.5 g을 첨가하고 70℃에서 3 시간 동안 단순 교반하였다. 그런 다음, 상기 반응물을 H2O를 이용하여 3회 세척한 후 100℃의 오븐에서 건조하여 CaO 지지체에 Cr이 담지된 Cr-CaO 촉매를 제조하였다.
After dissolving 3.85 g of Cr (NO 3 ) 3 9H 2 O as a precursor of Cr in 50 ml of distilled water, 4.5 g of CaO support was added to the solution, and stirred briefly at 70 ° C. for 3 hours. Then, the reaction was washed three times with H 2 O and dried in an oven at 100 ℃ to prepare a Cr-CaO catalyst supported Cr on a CaO support.
제조예 5. Cr/K-CaO 촉매의 제조Preparation Example 5 Preparation of Cr / K-CaO Catalyst
K의 전구체로서 KCl 0.95 g을 증류수 50 ㎖에 용해시킨 후, 이 용액에 CaO 지지체 4.5 g을 첨가하고 70℃에서 3 시간 동안 단순 교반하였다. 그런 다음, 상기 반응물을 H2O를 이용하여 3회 세척한 후 100℃의 오븐에서 건조하여 CaO 지지체에 K가 담지된 K-CaO를 제조하였다.0.95 g of KCl as a precursor of K was dissolved in 50 ml of distilled water, and then 4.5 g of CaO support was added to the solution, and stirred at 70 ° C. for 3 hours. Then, the reactants were washed three times with H 2 O and dried in an oven at 100 ° C. to prepare K-CaO loaded with K on a CaO support.
그런 다음, Cr의 전구체로서 Cr(NO3)39H2O 3.85 g을 증류수 50 ㎖에 용해시킨 후, 이 용액에 상기에서 제조한 K-CaO 4.5 g을 첨가하고 70℃에서 3 시간 동안 단순 교반하였다. 그런 다음, 상기 반응물을 H2O를 이용하여 3회 세척한 후 100 ℃의 오븐에서 건조하여 K-CaO를 코어(core)로 하고, 외표면에 칼륨(K) 코팅층이 형성된 코어-쉘 구조의 Cr/K-CaO 촉매를 제조하였다.
Then, 3.85 g of Cr (NO 3 ) 3 9H 2 O was dissolved in 50 ml of distilled water as a precursor of Cr, and then 4.5 g of K-CaO prepared above was added to the solution and stirred at 70 ° C. for 3 hours. It was. Then, the reactant was washed three times with H 2 O and dried in an oven at 100 ° C. to form K-CaO as a core, and a core-shell structure having a potassium (K) coating layer formed on an outer surface thereof. Cr / K-CaO catalysts were prepared.
제조예 6. Cr/Mg-CaO 촉매의 제조Preparation Example 6 Preparation of Cr / Mg-CaO Catalyst
Mg의 전구체로서 Mg(NO3)26H2O 5.27 g을 증류수 50 ㎖에 용해시킨 후, 이 용액에 CaO 지지체 4.5 g을 첨가하고 70℃에서 3 시간 동안 단순 교반하였다. 그런 다음, 상기 반응물을 H2O를 이용하여 3회 세척한 후 100℃의 오븐에서 건조하여 CaO 지지체에 Mg가 담지된 Mg-CaO를 제조하였다.After dissolving 5.27 g of Mg (NO 3 ) 2 6H 2 O as a precursor of Mg in 50 ml of distilled water, 4.5 g of CaO support was added to the solution, and stirred briefly at 70 ° C. for 3 hours. Then, the reaction was washed three times with H 2 O and dried in an oven at 100 ℃ to prepare Mg-CaO supported Mg on a CaO support.
그런 다음, Cr의 전구체로서 Cr(NO3)39H2O 3.85 g을 증류수 50 ㎖에 용해시킨 후, 이 용액에 상기에서 제조한 Mg-CaO 4.5 g을 첨가하고 70℃에서 3 시간 동안 단순 교반하였다. 그런 다음, 상기 반응물을 H2O를 이용하여 3회 세척한 후 100 ℃의 오븐에서 건조하여 Mg-CaO를 코어(core)로 하고, 외표면에 크롬(Cr) 코팅층이 형성된 코어-쉘 구조의 Cr/Mg-CaO 촉매를 제조하였다.
Then, 3.85 g of Cr (NO 3 ) 3 9H 2 O was dissolved in 50 ml of distilled water as a precursor of Cr, and then 4.5 g of Mg-CaO prepared above was added to the solution and stirred at 70 ° C. for 3 hours. It was. Then, the reaction was washed three times with H 2 O and dried in an oven at 100 ℃ Mg-CaO as a core (core), the core-shell structure of the chromium (Cr) coating layer formed on the outer surface Cr / Mg-CaO catalysts were prepared.
제조예 7. K/Cr-CaO 촉매의 제조Preparation Example 7 Preparation of K / Cr-CaO Catalyst
Cr의 전구체로서 Cr(NO3)39H2O 3.85 g을 증류수 50 ㎖에 용해시킨 후, 이 용액에 CaO 지지체 4.5 g을 첨가하고 70℃에서 3 시간 동안 단순 교반하였다. 그런 다음, 상기 반응물을 H2O를 이용하여 3회 세척한 후 100℃의 오븐에서 건조하여 CaO 지지체에 Cr이 담지된 Cr-CaO를 제조하였다.After dissolving 3.85 g of Cr (NO 3 ) 3 9H 2 O as a precursor of Cr in 50 ml of distilled water, 4.5 g of CaO support was added to the solution and stirred for 3 hours at 70 ° C. Then, the reactants were washed three times with H 2 O and dried in an oven at 100 ° C. to prepare Cr-CaO supported Cr on a CaO support.
그런 다음, K의 전구체로서 KNO3 3.85 g을 증류수 50 ㎖에 용해시킨 후, 이 용액에 상기에서 제조한 Cr-CaO 4.5 g을 첨가하고 70℃에서 3 시간 동안 단순 교반하였다. 그런 다음, 상기 반응물을 H2O를 이용하여 3회 세척한 후 100 ℃의 오븐에서 건조하여 Cr-CaO를 코어(core)로 하고, 외표면에 칼륨(K) 코팅층이 형성된 코어-쉘 구조의 K/Cr-CaO 촉매를 제조하였다.
Then, 3.85 g of KNO 3 as a precursor of K was dissolved in 50 ml of distilled water, and then 4.5 g of Cr-CaO prepared above was added to the solution, and stirred at 70 ° C. for 3 hours. Then, the reactants were washed three times with H 2 O and dried in an oven at 100 ° C. to form Cr-CaO as a core, and a core-shell structure having a potassium (K) coating layer formed on its outer surface. K / Cr-CaO catalysts were prepared.
제조예 8. CaMgO 촉매의 제조Preparation Example 8 Preparation of CaMgO Catalyst
Mg(NO3)2·6H2O 17.69 g, CaCl2 7.69 g을 H2O 150 ㎖에 용해시킨 후 침전제인 암모니아 용액(28∼30%, SAMCHUN)을 천천히 적가시켜 pH 8∼9로 조절하여 침전물을 생성한 다음, H2O를 이용하여 3회 세척하고 110℃의 오븐에서 건조한 후, 600℃의 오븐에서 3 시간 동안 소성시켜서 제조하였다.
17.69 g of Mg (NO 3 ) 2 · 6H 2 O and 7.69 g of CaCl 2 were dissolved in 150 ml of H 2 O, and then slowly added dropwise to the ammonia solution (28-30%, SAMCHUN) as a precipitant to adjust to pH 8-9. A precipitate was produced, washed three times with H 2 O, dried in an oven at 110 ° C., and calcined in an oven at 600 ° C. for 3 hours.
제조예 9. CaZnO 촉매의 제조Preparation Example 9 Preparation of CaZnO Catalyst
Zn(NO3)2·6H2O 16.92 g, CaCl2 7.69 g을 H2O 150 ㎖에 용해시킨 후 침전제인 암모니아 용액(28∼30%, SAMCHUN)을 천천히 적가시켜 pH 8∼9로 조절하여 침전물을 생성한 다음, H2O를 이용하여 3회 세척하고 110℃의 오븐에서 건조한 후, 600℃의 오븐에서 3 시간 동안 소성시켜서 제조하였다.
16.92 g of Zn (NO 3 ) 2 · 6H 2 O and 7.69 g of CaCl 2 were dissolved in 150 mL of H 2 O, and then slowly added dropwise to the ammonia solution (28-30%, SAMCHUN) to adjust the pH to 8-9. A precipitate was produced, washed three times with H 2 O, dried in an oven at 110 ° C., and calcined in an oven at 600 ° C. for 3 hours.
제조예 10. MgZnO 촉매의 제조Preparation Example 10 Preparation of MgZnO Catalyst
Zn(NO3)2·6H2O 16.92 g,Mg(NO3)2·6H2O 17.69 g을 H2O 150 ㎖에 용해시킨 후 침전제인 암모니아 용액(28∼30%, SAMCHUN)을 천천히 적가시켜 pH 8∼9로 조절하여 침전물을 생성한 다음, H2O를 이용하여 3회 세척하고 110℃의 오븐에서 건조한 후, 600℃의 오븐에서 3 시간 동안 소성시켜서 제조하였다.
Zn (NO 3) 2 · 6H 2 O 16.92 g, Mg (NO 3) 2 · 6H 2 O 17.69 g after which the precipitation agent is ammonia solution dissolved in H 2 O 150 ㎖ (28~30% , SAMCHUN) was slowly added dropwise The mixture was adjusted to pH 8-9 to produce a precipitate, washed three times with H 2 O, dried in an oven at 110 ° C., and then calcined in an oven at 600 ° C. for 3 hours.
[실시예] 니트로파라핀의 제조
EXAMPLES Preparation of Nitroparaffins
본 실시예에서는 상기 제조예에서 제조된 고체 염기촉매를 이용하여 기체산 니트로화 반응을 수행하여 니트로파라핀을 제조하는 대표적인 방법을 예시한다.
This example illustrates a representative method for preparing nitroparaffins by performing gas acid nitration reaction using the solid base catalyst prepared in Preparation Example.
실시예 1 내지 11. 니트로프로판의 제조Examples 1-11. Preparation of Nitropropane
아질산가스(NO2)를 생성시키기 위하며, 질산 1 kg과 황 40 g를 넣고 마그네틱 바를 이용하여 교반하면서 150℃ 온도로 가열하였다. 별도의 반응기에 상기 제조예 1 내지 10에서 제조한 각각의 고체 염기촉매 0.2 g을 충진한 후에, 프로판 가스와 상기에서 생성시킨 아질산가스(NO2)를 함께 반응기에 넣어 주었다. 반응 온도에 따른 니트로파라핀의 수율을 알아보기 위해 반응온도를 250℃로부터 400℃까지 변화시켜주면서 실험을 실시하였다. 각 반응온도 조건에서 얻은 반응생성물의 분석을 위하여 기체 크로마토그래피를 사용하였으며, 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
To generate nitrous acid gas (NO 2 ), 1 kg of nitric acid and 40 g of sulfur were added thereto, and the mixture was heated to 150 ° C. while stirring using a magnetic bar. After filling 0.2 g of each of the solid base catalysts prepared in Preparation Examples 1 to 10 in a separate reactor, propane gas and nitrous acid gas (NO 2 ) produced above were put together in the reactor. In order to determine the yield of nitroparaffin according to the reaction temperature was carried out by changing the reaction temperature from 250 ℃ to 400 ℃. Gas chromatography was used for analysis of the reaction product obtained under each reaction temperature, and the results are shown in Table 1 below.
비교예. 니트로프로판의 제조Comparative Example. Preparation of Nitropropane
상기 실시예와 동일한 방법으로 니트로프로판을 제조하였으며, 다만 촉매가 존재하지 않는 조건하에서 니트로화 반응을 수행하였다. 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
Nitropropane was prepared in the same manner as in Example, except that the nitration reaction was performed under the absence of a catalyst. The results are shown in Table 1 below.
구분
division
촉매
catalyst
(atm)Reaction pressure
(ATM)
(℃)Reaction temperature
(℃)
전환율
(%)Propane
Conversion rate
(%)
실시예 1
Example 1
MgO
MgO
실시예 2
Example 2
ZnO
ZnO
실시예 3
Example 3
CaO
CaO
실시예 4
Example 4
CaMgO
CaMgO
실시예 5
Example 5
CaZnO
CaZnO
실시예 6
Example 6
MgZnO
MgZnO
실시예 7
Example 7
Cr-CaO
Cr-CaO
실시예 8
Example 8
Cr/K-CaO
Cr / K-CaO
실시예 9
Example 9
Cr/Mg-CaO
Cr / Mg-CaO
실시예 10
Example 10
K/Cr-CaO
K / Cr-CaO
실시예 11
Example 11
K/Cr-CaMgO
K / Cr-CaMgO
비교예
Comparative Example
무촉매
No catalyst
상기 표 1의 결과에 의하면, 본 발명의 고체염기 촉매를 사용하는 조건에서 프로판의 니트로화 반응을 수행하였을 때, 온도가 상승하면서 프로판의 전환율은 점점 올라가는 경향을 나타내었다.According to the results of Table 1, when the nitration reaction of propane under the conditions using the solid base catalyst of the present invention, the conversion rate of propane gradually increased as the temperature was increased.
CaO, MgO 및 ZnO 중에서 선택된 금속산화물의 고체 염기촉매를 사용한 반응(실시예 1 내지 3)에서는, 반응온도 325∼375℃에서 니트로프로판의 수율은 가장 높았으며, 상기 온도 범위 이상으로 반응온도를 올리면 니트로프로판의 수율은 오히려 감소하는 것으로 확인되었다. 또한, CaMgO, CaZnO, MgZnO와 같은 복합금속산화물의 고체 염기촉매를 사용한 반응(실시예 4 내지 6)에서는, 반응온도 250∼300℃에서 프로판의 전환율 뿐만 아니라 니트로화합물의 수율은 가장 높았다. 즉, 단일금속산화물의 고체 염기촉매에 비하여 복합금속산화물의 고체 염기촉매를 사용하면 반응온도를 낮추는 효과를 기대할 수 있다.In the reaction using a solid base catalyst of a metal oxide selected from CaO, MgO and ZnO (Examples 1 to 3), the yield of nitropropane was the highest at the reaction temperature of 325 to 375 ° C. The yield of nitropropane was found to decrease rather. In addition, in the reaction using solid base catalysts of complex metal oxides such as CaMgO, CaZnO, and MgZnO (Examples 4 to 6), the yield of nitro compounds as well as the conversion of propane were highest at the reaction temperature of 250 to 300 ° C. That is, when the solid base catalyst of the composite metal oxide is used as compared to the solid base catalyst of the single metal oxide, the effect of lowering the reaction temperature can be expected.
또한, CaO 금속산화물의 지지체에 K, Mg, Cr과 같은 조활성 금속을 담지시킨 금속담지 산화물의 고체 염기촉매를 사용한 반응(실시예 7 내지 11)에서는, 300℃에서 니트로프로판의 수율이 가장 높았다. CaO 금속산화물 촉매(실시예 3) 하에서의 니트로화 반응과 비교하여 동일한 온도 조건에서 최고 400% 정도의 수율 증대 효과를 얻었고, 250℃ 정도로 반응온도를 낮추더라도 실시예 3과 대등한 수율로 니트로파라핀을 얻을 수 있다. 또한, CaMgO의 복합금속산화물을 지지체로 사용하고 있는 K/Cr-CaMgO 촉매를 사용한 반응(실시예 11)에서는, CaO의 단일금속산화물을 지지체로 사용하고 있는 K/Cr-CaO 촉매(실시예 10)에 비하여 프로판의 전환율 뿐만 아니라 니트로화합물의 수율이 향상된 효과를 얻고 있다. 따라서, 금속산화물의 지지체와 조활성 금속을 적절히 조합하여 본 발명의 고체 염기촉매를 구성하게 되면 니트로파라핀 제조용 촉매로 사용되어 우수한 활성을 기대할 수 있다.In addition, in the reaction using a solid base catalyst of a metal-supported oxide in which a crude active metal such as K, Mg and Cr was supported on a support of CaO metal oxide (Examples 7 to 11), the yield of nitropropane was the highest at 300 ° C. . Compared with the nitration reaction under CaO metal oxide catalyst (Example 3), the yield increase effect of up to 400% was obtained under the same temperature conditions, and even if the reaction temperature was lowered to 250 ° C, nitroparaffins were obtained in the same yield as in Example 3. You can get it. In addition, in the reaction using a K / Cr-CaMgO catalyst using a CaMgO composite metal oxide as a support (Example 11), a K / Cr-CaO catalyst using a single metal oxide of CaO as a support (Example 10) Compared with), not only propane conversion but also nitro compound yield are improved. Therefore, when the solid base catalyst of the present invention is constituted by appropriately combining the support of the metal oxide and the crude active metal, it can be used as a catalyst for nitroparaffin production and excellent activity can be expected.
또한, 무촉매 하에서 니트로화 반응을 수행한 경우는(비교예), 수율이 매우 저조하였다.
In addition, when the nitration reaction was performed under a catalyst (comparative example), the yield was very low.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명이 제안하는 고체 염기촉매 존재하에서의 니트로파라핀 제조방법은 기체상 니트로화 반응을 상압 조건으로 수행하더라도 충분히 높은 수율로 니트로파라핀을 얻을 수 있었고, 특히나 배치식은 물론 연속식 공정으로 반응을 진행시킬 수 있으므로 공업적인 생산방법으로서 이용 가치가 높다.
As described above, the nitroparaffin manufacturing method in the presence of the solid base catalyst proposed by the present invention was able to obtain nitroparaffin in a sufficiently high yield even when the gas phase nitration reaction was carried out at atmospheric pressure, and in particular, a batch process as well as a continuous process. As the reaction can be advanced, the use value is high as an industrial production method.
Claims (7)
상기 기체상 니트로화 반응은 Ca, Mg 및 Zn 중에서 선택된 1종 이상의 금속이 포함된 금속산화물을 지지체로 하여, K, Mg 및 Cr 중에서 선택된 1종 이상의 조활성 금속이 담지되어 있는 금속담지 산화물을 코어(core)로 하고, 상기 코어(core)의 외표면에 K 또는 Cr이 포함된 코팅층에 의해 쉘(shell)을 형성하고 있는 코어-쉘 구조의 고체 염기촉매 존재 하에서, 0∼1.5 atm 반응압력과 250∼400℃ 반응온도 조건으로 수행하는 것을 특징으로 하는 니트로파라핀의 제조방법.
Of C 1 to C 4 In the method for producing nitroparaffin by performing a gas phase nitration reaction with a hydrocarbon gas and nitrite gas,
The gas phase nitration reaction is based on a metal oxide containing at least one metal selected from Ca, Mg and Zn as a support, and a metal supported oxide on which at least one crude active metal selected from K, Mg and Cr is supported. a core and having a core-shell structured solid base catalyst in which a shell is formed by a coating layer containing K or Cr on the outer surface of the core. Nitroparaffin production method characterized in that carried out at 250 to 400 ℃ reaction temperature conditions.
상기 Ca, Mg 및 Zn 중에서 선택된 1종 이상의 금속이 포함된 금속산화물이 CaO, MgO, ZnO, CaMgO, CaZnO, MgZnO, 또는 CaMgZnO인 것을 특징으로 하는 니트로파라핀의 제조방법.
The method of claim 1,
The metal oxide containing at least one metal selected from Ca, Mg, and Zn is CaO, MgO, ZnO, CaMgO, CaZnO, MgZnO, or CaMgZnO.
상기 기체상 니트로화 반응은 연속식 공정 또는 배치식 공정으로 수행하는 것을 특징으로 하는 니트로파라핀의 제조방법.
The method of claim 1,
The gas phase nitration reaction is a method for producing nitroparaffin, characterized in that carried out in a continuous process or batch process.
상기 탄화수소 가스와 아질산 가스는 1 : 5 내지 30 부피비 범위로 사용하는 것을 특징으로 하는 니트로파라핀의 제조방법.The method of claim 1,
The hydrocarbon gas and the nitrous acid gas is a method for producing nitroparaffin, characterized in that used in the range of 1: 5 to 30 by volume.
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