KR101340620B1 - Ferrite metal oxide catalysts prepared in the honeycomb, preparing method thereof and preparing method of 1,3-butadiene using the same - Google Patents

Ferrite metal oxide catalysts prepared in the honeycomb, preparing method thereof and preparing method of 1,3-butadiene using the same Download PDF

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노경호
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    • C07C2/84Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing a smaller number of carbon atoms by condensation of hydrocarbons with partial elimination of hydrogen oxidative coupling catalytic

Abstract

The present invention relates to a ferrite metal oxide catalyst molded body in a honeycomb structure by spray pyrolysis and a production method thereof and, more specifically, to a catalyst molded body with a carrier or a monolith or a honeycomb coated with metal oxide catalyst powder prepared by spray pyrolysis from a metal oxide precursor containing iron as a main catalyst and magnesium, zinc, or manganese as a cocatalyst; a production method of a molded body which includes: a step of producing a molded body which is directly extruded in a honeycomb; and a method for preparing 1,3-butadiene through oxidative dehydrogenation of n-butene.

Description

허니컴 구조의 페라이트 금속산화물 촉매 성형체와 그의 제조방법 및 이를 이용한 1,3-부타디엔 제조방법{Ferrite metal oxide catalysts prepared in the honeycomb, preparing method thereof and preparing method of 1,3-butadiene using the same}Ferrite metal oxide catalysts prepared in the honeycomb, preparing method etc. and preparing method of 1,3-butadiene using the same}

본 발명은 분무 열분해 방법을 이용한 페라이트 금속산화물 촉매의 허니컴 구조로 된 성형체와 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 철을 주촉매로, 마그네슘, 아연 또는 망간을 보조촉매로 포함하는 금속산화물 전구체로부터 분무 열분해 방법으로 제조한 금속산화물 촉매 분말을 담체 또는 모노리스에 코팅한 촉매 성형체 또는 허니컴 형태로 압출한 성형체의 제조방법과 이를 사용하여 n-부텐의 산화적 탈수소화 반응을 통해 1,3-부타디엔을 제조하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a molded article having a honeycomb structure of a ferrite metal oxide catalyst using a spray pyrolysis method and a method for manufacturing the same, and more particularly, a metal oxide precursor including iron as a main catalyst and magnesium, zinc or manganese as a cocatalyst. Method of preparing a catalyst compact or a compact in which the metal oxide catalyst powder prepared by the spray pyrolysis method was coated on a carrier or monolith or in a honeycomb form, and through the oxidative dehydrogenation of n -butene using the same. It relates to a method of manufacturing.

매년 자동차 시장의 성장으로 인해 수요가 크게 증가하고 있는 타이어의 주원료인 1,3-부타디엔은 보통 나프타를 원료로 하여, 포화 탄화수소의 열분해 방법(Naphtha cracking)에 의해 제조한다. 나프타를 열분해 하면 메탄, 에탄, 에틸렌, 아세틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, 부텐, 1,3-부탄디엔, C5 이상의 고급 탄화수소의 혼합물이 얻어진다. 상기와 같은 열분해 방법을 통해 1,3-부타디엔을 생산하는 것은 전체 1,3-부타디엔 공급양의 대부분을 담당하고 있으나, 위와 같은 부산물인 다른 올레핀류도 합성되고, 열분해 공정에 필요한 에너지 비용의 상승 등에 의해 1,3-부타디엔 제조방법으로는 매우 비효율적이다.1,3-butadiene, the main raw material of tires, which is growing in demand due to the growth of the automobile market every year, is usually produced by naphtha cracking of saturated hydrocarbons. Pyrolysis of naphtha results in a mixture of methane, ethane, ethylene, acetylene, propane, propylene, butane, butene, 1,3-butanediene and higher hydrocarbons of C 5 or higher. The production of 1,3-butadiene through the above pyrolysis method is responsible for most of the total 1,3-butadiene supply, but other olefins, which are by-products as described above, are also synthesized and the energy cost required for the pyrolysis process is increased. The method of producing 1,3-butadiene is very inefficient.

또 다른 제조방법으로는, n-부텐을 직접 탈수소화하는 방법이 있다. 이 방법은 나프타 열분해 방법보다 1,3-부타디엔의 수율은 높으나, 흡열반응이기 때문에 고온의 반응온도를 유지시키기 위해 많은 에너지가 소요되며, 또한 촉매표면에 탄소침적물(coke)이 형성되어 촉매의 활성을 떨어뜨리기 때문에 촉매 재생을 위해 많은 에너지가 필요하다는 단점이 있다. Another manufacturing method is a method of directly dehydrogenating n -butene. In this method, the yield of 1,3-butadiene is higher than that of naphtha pyrolysis, but because of the endothermic reaction, a large amount of energy is required to maintain a high temperature reaction temperature, and carbon deposits are formed on the surface of the catalyst to activate the catalyst. Its disadvantage is that it requires a lot of energy for catalyst regeneration.

이러한 단점을 극복한 것이 n-부텐과 산소를 직접 반응시켜 1,3-부타디엔을 제조하는 산화적 탈수소화(Oxidative dehydrogenation) 방법이다. 산화적 탈수소화 방법은 스팀 존재 하에 수행하는데, 첨가된 스팀은 열 수송체로 작용하며 촉매 상에서 유기 침적물의 기화를 촉진하기 때문에 촉매의 탄화를 억제하여 활성저하를 막아준다. 또한 n-부텐은 산소와 반응하여 1,3-부타디엔과 물로 전환되고, 이들 중 생성된 물은 안정하여 열역학적으로 유리할 뿐만 아니라 반응온도를 낮출 수 있다. 즉, 산화적 탈수소화는 열역학적으로 안정하고 낮은 온도에서 올레핀에 대한 선택도가 우수하다. 일반적으로 산화적 탈수소화 반응에서는 반응초기에 생성된 라디칼이 중요한 반응중간체로서 반응 중에 촉매 표면에서 탈착되어 기체 부분으로 이동하여 균일계 촉매 반응에 참여하게 된다. 그러나 n-부텐과 산소가 반응하여 1,3-부타디엔을 제조하는 산화적 탈수소화 방법은 반응물로 산소를 사용하기 때문에 부분 산화, 완전 산화와 같은 부반응이 동반되므로, 이러한 부반응을 억제하여 1,3-부타디엔의 선택도 및 수율이 높은 촉매를 개발하는 것이 핵심기술이다. n-부텐에서 1,3-부타디엔을 산화적 탈수소화 방법으로 제조하는데 적합한 촉매는 비스무스-몰리브덴 계 산화물 [A.P.V. Soares, L.K. Kimitrov, M.C.A. Oliveira, L. Hilaire, M.F. Portela, R.K. Grasselli, Appl. Catal. A: Gem., 253권, 191쪽(2003년); P. Boutry, R. Montarnal, J. Wrzyszcz, J. Catal., 13권, 75쪽(1969년)(β-Bi2Mo2O9, γ-Bi2MoO6); J.C, Jung, H. Kim, A.S. Choi, Y.-M. Chung, T.J. Kim, S.J. Lee, S.-H. Oh, I.K. Song, J. Mol. Catal. A: Chem., 259권, 166쪽(2006년)(α-Bi2Mo3O12, β-Bi2Mo2O9, γ-Bi2MoO6)]과 페라이트 촉매 [H.H. Kung, B. Kundalkar, M.C. Kung, W.H. Cheng, J. Phys. Chem., 84권, 382쪽(1980년); J.A. Toledo-Antonio, N. Nava, M. Martinez, X. Bolhimi, Appl. Catal. A: Gen., 234권, 137쪽(2002년); H. Lee, J.C. Jung, H. Kim, Y.-M. Chung, T.J. Kim, S.J. Lee, S.-H. Oh, Y.S. Kim, I.K. Song, Catal. Commun., 9권, 1137쪽(2008년); H. Lee, J.C. Jung, H. Kim, Y.-M. Chung, T.J. Kim, S.J. Lee, S.-H. Oh, Y.S. Kim, I.K. Song, Catal. Lett., 122권, 281쪽(2008년); 대한민국등록특허 제10-0847206호; 대한민국등록특허 제10-0888143호; 미국특허공개 제2012-0059208호] 또는 철을 추가로 포함하는 비스무스-몰리브덴 다중 금속산화물 촉매를 기초로 한다[미국 특허 제4,423,281호; 미국 특허 제4,336,409호; 미국 특허 제3,110,746호].Overcoming this drawback is the oxidative dehydrogenation method of producing 1,3-butadiene by directly reacting n -butene with oxygen. The oxidative dehydrogenation process is carried out in the presence of steam. The added steam acts as a heat transporter and promotes vaporization of organic deposits on the catalyst, thus inhibiting carbonization of the catalyst to prevent deactivation. In addition, n -butene reacts with oxygen to convert 1,3-butadiene and water, and the water produced therein is stable and thermodynamically advantageous, and can lower the reaction temperature. In other words, oxidative dehydrogenation is thermodynamically stable and has good selectivity to olefins at low temperatures. In general, in the oxidative dehydrogenation reaction, radicals generated at the beginning of the reaction are important reaction intermediates, desorb from the surface of the catalyst during the reaction, move to the gas part, and participate in the homogeneous catalytic reaction. However, the oxidative dehydrogenation method in which n -butene and oxygen react to produce 1,3-butadiene is accompanied by side reactions such as partial oxidation and complete oxidation because oxygen is used as a reactant, and thus, these side reactions are suppressed to prevent 1,3 Developing catalysts with high selectivity and yield of butadiene is a key technology. Suitable catalysts for the preparation of 1,3-butadiene in n -butene by the oxidative dehydrogenation method are bismuth-molybdenum based oxides [APV Soares, LK Kimitrov, MCA Oliveira, L. Hilaire, MF Portela, RK Grasselli, Appl. Catal. A: Gem., Vol. 253, 191 (2003); P. Boutry, R. Montarnal, J. Wrzyszcz, J. Catal., Vol. 13, p. 75 (1969) ( β- Bi 2 Mo 2 O 9 , γ- Bi 2 MoO 6 ); JC, Jung, H. Kim, AS Choi, Y.-M. Chung, TJ Kim, SJ Lee, S.-H. Oh, IK Song, J. Mol. Catal. A: Chem., Vol. 259, p. 166 (2006) ( α- Bi 2 Mo 3 O 12 , β- Bi 2 Mo 2 O 9 , γ- Bi 2 MoO 6 ) and ferrite catalyst [HH Kung, B. Kundalkar, MC Kung, WH Cheng, J. Phys. Chem., 84, 382 (1980); JA Toledo-Antonio, N. Nava, M. Martinez, X. Bolhimi, Appl. Catal. A: Gen., vol. 234, p. 137 (2002); H. Lee, JC Jung, H. Kim, Y.-M. Chung, TJ Kim, SJ Lee, S.-H. Oh, YS Kim, IK Song, Catal. Commun., Vol. 9, p. 1137 (2008); H. Lee, JC Jung, H. Kim, Y.-M. Chung, TJ Kim, SJ Lee, S.-H. Oh, YS Kim, IK Song, Catal. Lett., Vol. 122, p. 281 (2008); Korean Patent No. 10-0847206; Korean Patent No. 10-0888143; US Patent Publication No. 2012-0059208 or based on bismuth-molybdenum multiple metal oxide catalyst further comprising iron (US Pat. No. 4,423,281; US Patent No. 4,336,409; US Patent No. 3,110,746.

이들 촉매 중 페라이트 촉매는 스피넬 결정구조를 가지는데, 2가 양이온의 종류에 따라 n-부텐의 산화적 탈수소화 반응에서 1,3-부타디엔의 수율이 크게 달라진다. 특히 아연, 망간, 마그네슘 페라이트는 다른 종류의 금속 페라이트에 비해 1,3-부타디엔의 선택도가 높은 것으로 보고되고 있다[미국특허 제3,334,152호; 미국특허 제3,284,536호; 미국특허 제3,303,234호; 미국특허 제3,849,545호; 미국특허 4,658,074호; 미국특허 제3,937,748호; 대한민국등록특허 제10-0888143호]. Among these catalysts, the ferrite catalyst has a spinel crystal structure, and the yield of 1,3-butadiene varies greatly in the oxidative dehydrogenation of n -butene depending on the type of divalent cation. In particular, zinc, manganese and magnesium ferrite have been reported to have higher selectivity of 1,3-butadiene than other types of metal ferrites (US Pat. No. 3,334,152; US Patent No. 3,284,536; US Patent No. 3,303,234; US Patent No. 3,849,545; US Patent 4,658,074; US Patent No. 3,937,748; Republic of Korea Patent No. 10-0888143].

n-부텐의 산화적 탈수소화 반응을 수행하는 데 있어서, 상기 특허들의 페라이트 촉매들은 모두 물리적 혼합 및 공침 방법에 의해 제조된 스피넬 구조를 가지는 페라이트 촉매를 이용하여 n-부텐을 산화적 탈수소화 반응시켜 1,3-부타디엔을 제조하는 것으로서, 공침 방법은 대표적으로 금속산화물 촉매 제조시 많이 사용되는 방법이지만, 1) 활성 금속의 전구체를 용해시키는 단계, 2) 활성 금속 전구체가 용해된 용액에 알칼리성의 공침 용액을 가하는 단계, 3) 공침 후 숙성단계, 공침한 용액을 여과 및 세척하는 단계, 4) 얻어진 고체를 건조하는 단계, 5) 건조된 고체 촉매를 소성하여 활성화 시키는 단계 등과 같은 여러 단계의 과정을 거치며, 촉매 제조 후 여과 및 세척과정에서 폐수가 발생하는 문제점이 있다. In carrying out the oxidative dehydrogenation of n -butene, all of the ferrite catalysts of the above patents are subjected to oxidative dehydrogenation of n -butene using a ferrite catalyst having a spinel structure prepared by a physical mixing and coprecipitation method. Coprecipitation method is a method commonly used in the preparation of a metal oxide catalyst, but the method of preparing 1,3-butadiene, 1) dissolving the precursor of the active metal, 2) alkaline coprecipitation in the solution in which the active metal precursor is dissolved Several steps such as adding a solution, 3) aging after coprecipitation, filtration and washing of the coprecipitated solution, 4) drying the obtained solid, and 5) calcining and activating the dried solid catalyst. There is a problem that wastewater is generated during the filtration and washing process after preparing the catalyst.

또한, 이러한 페라이트 촉매의 경우 상용공정에 적용하기 위해 일반적으로 잘 알려진 압출 또는 타정을 통해 촉매 성형체를 제조하여 n-부텐을 산화적 탈수소화 시켜 1,3-부타디엔을 제조하는 공정에 적용하는 경우, 성형에 의해 반응물과 촉매 외표면과의 접촉 면적 감소, 장시간 운전에 다른 촉매 마모도 증가 등에 의한 반응기 내 차압 발생 등의 문제점이 발생하였다.
In addition, in the case of such a ferrite catalyst is generally applied to the process for producing 1,3-butadiene by producing a catalyst molded body through extrusion or tableting well-known to apply to a commercial process by oxidative dehydrogenation of n -butene, The molding caused problems such as a decrease in the contact area between the reactant and the outer surface of the catalyst and the generation of a differential pressure in the reactor due to the increase in the wear of the catalyst during the long time operation.

1. 대한민국등록특허 제10-0847206호1. Republic of Korea Patent No. 10-0847206 2. 대한민국등록특허 제10-0888143호2. Republic of Korea Patent No. 10-0888143 3. 미국특허공개 제2012-0059208호3. United States Patent Publication No. 2012-0059208 4. 미국특허 제4,423,281호4. U.S. Patent 4,423,281 5. 미국특허 제4,336,409호5. US Patent No. 4,336,409 6. 미국특허 제3,110,746호6. US Patent No. 3,110,746 7. 미국특허 제3,334,152호7. U.S. Patent No. 3,334,152 8. 미국특허 제3,284,536호8. US Patent No. 3,284,536 9. 미국특허 제3,303,234호9. US Patent No. 3,303,234 10. 미국특허 제3,849,545호10. US Patent No. 3,849,545 11. 미국특허 4,658,074호11.U.S. Patent 4,658,074 12. 미국특허 제3,937,748호12. US Patent No. 3,937,748

1. A.P.V. Soares, L.K. Kimitrov, M.C.A. Oliveira, L. Hilaire, M.F. Portela, R.K. Grasselli, Appl. Catal. A: Gem., 253권, 191쪽(2003년), 1.A.P.V. Soares, L.K. Kimitrov, M.C.A. Oliveira, L. Hilaire, M.F. Portela, R.K. Grasselli, Appl. Catal. A: Gem., Vol. 253, p. 191 (2003), 2. P. Boutry, R. Montarnal, J. Wrzyszcz, J. Catal., 13권, 75쪽(1969년)(β-Bi2Mo2O9, γ-Bi2MoO6)2.P. Boutry, R. Montarnal, J. Wrzyszcz, J. Catal., Vol. 13, p. 75 (1969) (β-Bi2Mo2O9, γ-Bi2MoO6) 3. J.C, Jung, H. Kim, A.S. Choi, Y.-M. Chung, T.J. Kim, S.J. Lee, S.-H. Oh, I.K. Song, J. Mol. Catal. A: Chem., 259권, 166쪽(2006년)(α-Bi2Mo3O12, β-Bi2Mo2O9, γ-Bi2MoO6)3. J.C, Jung, H. Kim, A.S. Choi, Y.-M. Chung, T.J. Kim, S.J. Lee, S.-H. Oh, I.K. Song, J. Mol. Catal. A: Chem., Vol. 259, p. 166 (2006) (α-Bi2Mo3O12, β-Bi2Mo2O9, γ-Bi2MoO6) 4. H.H. Kung, B. Kundalkar, M.C. Kung, W.H. Cheng, J. Phys. Chem., 84권, 382쪽(1980년), J.A. Toledo-Antonio, N. Nava, M. Martinez, X. Bolhimi, Appl. Catal. A: Gen., 234권, 137쪽(2002년)4. H.H. Kung, B. Kundalkar, M.C. Kung, W.H. Cheng, J. Phys. Chem., 84, 382 (1980), J.A. Toledo-Antonio, N. Nava, M. Martinez, X. Bolhimi, Appl. Catal. A: Gen., vol. 234, p. 137 (2002) 5. H. Lee, J.C. Jung, H. Kim, Y.-M. Chung, T.J. Kim, S.J. Lee, S.-H. Oh, Y.S. Kim, I.K. Song, Catal. Commun., 9권, 1137쪽(2008년)5. H. Lee, J.C. Jung, H. Kim, Y.-M. Chung, T.J. Kim, S.J. Lee, S.-H. Oh, Y.S. Kim, I.K. Song, Catal. Commun., Vol. 9, p. 1137 (2008) 6, H. Lee, J.C. Jung, H. Kim, Y.-M. Chung, T.J. Kim, S.J. Lee, S.-H. Oh, Y.S. Kim, I.K. Song, Catal. Lett., 122권, 281쪽(2008년)6, H. Lee, J. C. Jung, H. Kim, Y.-M. Chung, T.J. Kim, S.J. Lee, S.-H. Oh, Y.S. Kim, I.K. Song, Catal. Lett., Vol. 122, p. 281 (2008)

이에 본 발명자들은 종래기술의 문제점을 극복하기 위해 여러 단계의 촉매 제조 공정을 거치치 않고도 제조가 가능하고 반응물과 촉매의 접촉면적도 넓어 n-부텐의 산화적 탈수소화 반응에서 활성이 높은 페라이트 촉매를 개발하고자 노력한 결과, 활성 금속 전구체를 물에 용해시키고, 공침 단계 없이 분무 열분해 방법을 사용하면 기존의 방법에 비해 간단하게 1,3-부타디엔 제조용 페라이트 촉매를 제조할 수 있고, 특히 페라이트 계열 금속산화물 촉매 분말을 특정 방법으로 허니컴 구조의 성형체로 제조하게 되면, 기존 성형체에 비해 반응물과의 접촉 면적이 크고, 마모손실이 적고 제조 방법이 간단하며, 적은 양의 촉매를 사용하여도 선택도가 우수하여 높은 수율로 1,3-부타디엔을 제조할 수 있음을 알게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.In order to overcome the drawbacks of the prior art, the present inventors can manufacture a ferrite catalyst having high activity in the oxidative dehydrogenation of n -butene, which can be prepared without going through several stages of the catalyst preparation process and has a large contact area between the reactants and the catalyst. As a result of the development, the active metal precursor is dissolved in water and spray pyrolysis method without coprecipitation step can produce ferrite catalyst for producing 1,3-butadiene more easily than conventional method, especially ferrite metal oxide catalyst. When the powder is manufactured into a honeycomb molded body by a specific method, the contact area with the reactants is larger than that of the conventional molded body, the wear loss is small, the manufacturing method is simple, and even with a small amount of catalyst, the selectivity is high. It has been found that 1,3-butadiene can be produced in yield to complete the present invention.

따라서 본 발명은 n-부텐의 산화적 탈수소화 반응에서 1,3-부타디엔의 선택도와 수율이 높은 페라이트 촉매 성형체를 제공하는데 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a ferrite catalyst molded article having high selectivity and yield of 1,3-butadiene in oxidative dehydrogenation of n -butene.

또한, 본 발명은 분무 열분해 방법을 사용하고 허니컴 구조로 제조하여 간단한 공정으로 1,3-부타디엔의 선택도와 수율이 높은 페라이트 촉매 성형체를 제조할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide a method for producing a ferrite catalyst molded article having high selectivity and yield of 1,3-butadiene by a simple process by using a spray pyrolysis method and manufacturing a honeycomb structure.

또한, 본 발명은 상기 촉매 성형체를 이용하여 1,3-부타디엔의 선택도와 수율이 높은 1,3-부타디엔의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
Another object of the present invention is to provide a method for producing 1,3-butadiene having high selectivity and yield of 1,3-butadiene using the catalyst compact.

상기와 같은 과제 해결을 위해, 본 발명은 철과 2가 금속의 전구체를 포함하는 혼합용액을 준비하는 제1 단계; 상기 제1 단계의 혼합용액을 분무 열분해를 통해 페라이트 계열 금속산화물 촉매를 분말 상으로 제조하는 제2 단계; 상기 제2 단계에서 얻어지는 페라이트 계열 금속산화물 촉매 분말과 유기바인더, 무기바인더 및 물을 균일하게 혼합하여 촉매 혼합물을 제조하는 제3 단계; 제3 단계에서 제조한 촉매 혼합물을 허니컴 성형체로 제조하는 제4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 페라이트 계열 금속산화물 촉매 성형체의 제조방법을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention comprises a first step of preparing a mixed solution containing a precursor of iron and divalent metal; A second step of preparing a ferrite-based metal oxide catalyst in powder form through spray pyrolysis of the mixed solution of the first step; A third step of preparing a catalyst mixture by uniformly mixing the ferrite-based metal oxide catalyst powder obtained in the second step with the organic binder, the inorganic binder and the water; It provides a method for producing a ferrite-based metal oxide catalyst molded body comprising the fourth step of preparing the catalyst mixture prepared in the third step into a honeycomb molded body.

또한, 본 발명은 마그네슘, 아연 및 망간 중에서 선택된 하나 이상의 2가 금속과 철의 몰비가 1 : 1.8 내지 2.2인 상기 2가 금속의 전구체 및 철의 전구체의 혼합용액이 분무 열분해되어 분말 상으로 구성된 촉매 분말과, 유기바인더, 무기바인더 및 물이 혼합되어 있는 촉매 조성물을 포함하고, 허니컴 구조의 성형체로 이루어진 것을 특징으로 하는 페라이트 금속산화물 촉매 성형체를 제공한다.In addition, the present invention is a catalyst composed of a powder form by spray pyrolysis of the mixed solution of the precursor of the bivalent metal and the precursor of iron having a molar ratio of one or more divalent metal and iron selected from magnesium, zinc and manganese 1: 1.8 to 2.2 Provided is a ferrite metal oxide catalyst molded body comprising a catalyst composition in which a powder, an organic binder, an inorganic binder, and water are mixed, and comprising a molded body having a honeycomb structure.

상기 허니컴 구조의 성형체는 허니컴 구조의 담체 또는 모노리스에 상기 촉매 혼합물이 코팅되거나, 상기 촉매 혼합물의 촉매성분을 허니컴 형태로 압출 성형한 것일 수 있다. The honeycomb molded body may be formed by coating the catalyst mixture on a honeycomb carrier or monolith, or extruding the catalyst component of the catalyst mixture in a honeycomb form.

또한 본 발명은 상기와 같은 허니컴 구조의 페라이트 금속산화물 촉매 성형체의 존재하에 n-부텐을 산화적 탈수소화 반응시켜 1,3-부타디엔을 제조하는 방법을 제공한다.
In another aspect, the present invention provides a method for producing 1,3-butadiene by oxidative dehydrogenation of n -butene in the presence of a honeycomb-type ferrite metal oxide catalyst molded body.

상기와 같은 본 발명의 페라이트 계열 금속산화물 촉매 성분이 코팅되거나 직접 허니컴 형태로 압출된 촉매 성형체는 기존 압출 또는 타정 방법을 사용하여 펠릿이나 구형 등의 형태로 제조한 촉매 성형체에 비해 반응물과 촉매의 접촉 면적이 넓고, 소량의 촉매를 사용하여도 1,3-부타디엔의 선택도가 우수하여 높은 수율의 1,3-부타디엔을 제조할 수 있어, 1,3-부타디엔의 대량생산에 적합하다. The catalyst molded body coated with the ferrite-based metal oxide catalyst component of the present invention as described above or directly extruded in the form of a honeycomb has a contact between the reactant and the catalyst as compared to the catalyst molded body prepared in the form of pellets or spheres using conventional extrusion or tableting methods. The area is large, and even when a small amount of catalyst is used, the selectivity of 1,3-butadiene is excellent and a high yield of 1,3-butadiene can be produced, which is suitable for mass production of 1,3-butadiene.

또한 본 발명의 촉매 성형체는 1,3-부타디엔 제조용 산화적 탈수소화 공정뿐만 아니라 유사 산화 또는 부분 산화 반응용 촉매에 적용이 가능하여 경제적인 효과가 크다. In addition, the catalyst molded body of the present invention can be applied not only to the oxidative dehydrogenation process for producing 1,3-butadiene, but also to the catalyst for the pseudo-oxidation or partial oxidation reaction, so that the economic effect is large.

또한, 상기 허니컴 구조로 제조된 촉매는 촉매 분말을 분무 열분해 방법을 사용하여 제조하기 때문에 기존 공침 방법과 비교하여 비교적 간단한 합성경로로 제조가 가능하므로 제조 시간이 단축되며, 공침 용액을 사용하지 않아 경제적이고, 재현성 확보에 유리하다.
In addition, since the catalyst prepared by the honeycomb structure is prepared by spray pyrolysis, the catalyst powder can be manufactured by a relatively simple synthetic route compared to the existing coprecipitation method, thereby shortening the manufacturing time and using economic coprecipitation solution. And it is advantageous to ensure reproducibility.

도 1은 본 발명에 따른 실시예 1에서 제조한 아연-철 페라이트 금속산화물 촉매가 코팅된 허니컴 구조의 촉매 성형체의 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예 2에서 제조한 아연-철 페라이트 금속산화물 허니컴 촉매 성형체 사진이다.
도 3은 비교예 1, 2에서 제조한 아연-철 페라이트 금속산화물 촉매를 타정 및 압출한 촉매 성형체 사진이다.
도 4는 실시예 1에서 제조한 아연-철 페라이트 금속산화물 촉매의 X-선 회절패턴 결과와 주요 성분의 비교 결과이다.
1 is a photograph of a catalyst molded body having a honeycomb structure coated with a zinc-iron ferrite metal oxide catalyst prepared in Example 1 according to the present invention.
2 is a photograph of a zinc-iron ferrite metal oxide honeycomb catalyst molded body prepared in Example 2 of the present invention.
3 is a photograph of a catalyst compact obtained by tableting and extruding the zinc-iron ferrite metal oxide catalysts prepared in Comparative Examples 1 and 2. FIG.
4 is a result of comparing the X-ray diffraction pattern results and the main components of the zinc-iron ferrite metal oxide catalyst prepared in Example 1.

이하 본 발명을 하나의 구현예로서 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail as one embodiment.

본 발명은 페라이트 금속산화물 촉매 분말을 제조하고 이 촉매 분말을 이용한 허니컴 구조의 촉매 성형체 제조와 이를 이용한 1,3-부타디엔의 제조에 관한 것이다.The present invention relates to the preparation of a ferrite metal oxide catalyst powder and to the production of a catalyst molded body having a honeycomb structure using the catalyst powder and to the production of 1,3-butadiene using the same.

본 발명에서 허니컴 구조의 성형체 제조에 적용하는 페라이트 금속산화물 촉매는 바람직하게는 마그네슘, 아연 및 망간 중에서 선택된 하나 이상의 2가 금속과 철의 전구체를 특정 몰비로 증류수에 용해시키고 이를 가스 분무방식으로 고온 열분해시켜 제조한 촉매 분말을 이용하여 페라이트 금속산화물 촉매 성형체를 제조할 수 있다.In the present invention, the ferrite metal oxide catalyst applied to the production of a honeycomb structure is preferably at least one divalent metal and iron precursor selected from magnesium, zinc and manganese dissolved in distilled water in a specific molar ratio, and pyrolysis at high temperature by gas spraying. The ferrite metal oxide catalyst molded body can be manufactured using the catalyst powder prepared by the above method.

본 발명의 촉매 성형체를 제조하는 공정 중에서 제1 단계에서는 마그네슘, 아연 및 망간 중에서 선택된 하나 이상의 2가 금속과 철의 몰비가 1 : 1.8 내지 2.2가 되도록 상기 2가 금속의 전구체 및 철의 전구체를 증류수에 용해시켜 혼합용액을 제조한다.In the first step of the process for producing a catalyst compact of the present invention, the divalent water precursor and iron precursor are distilled water such that the molar ratio of at least one divalent metal selected from magnesium, zinc and manganese and iron is 1: 1.8 to 2.2. It is dissolved in to prepare a mixed solution.

본 발명에서 사용되는 상기 2가 금속의 전구체는 당 업계에서 사용하는 전구체를 사용할 수 있으며, 특별히 한정하지는 않으나 상기 철 전구체 및 2가 금속 전구체로는 질산염 전구체, 황산염 전구체, 염화물 전구체 및 카보네이트 전구체 중에서 선택된 1종 이상을 사용하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직한 구체적인 예를 들면 상기 철 전구체로는 질산 철(Iron(III) nitrate), 상기 아연 전구체는 질산 아연(Zinc(II) nitrate), 마그네슘 전구체는 질산 마그네슘(Magnesium(II) nitrate), 그리고 망간 전구체는 질산 망간(Manganese(II) nitrate)을 사용하는 것이 바람직하다.The precursor of the divalent metal used in the present invention may be a precursor used in the art, and is not particularly limited, but the iron precursor and the divalent metal precursor are selected from nitrate precursors, sulfate precursors, chloride precursors and carbonate precursors. It is preferable to use 1 or more types. More preferred specific examples of the iron precursor are iron nitrate (Iron (III) nitrate), the zinc precursor is zinc nitrate (Zinc (II) nitrate), the magnesium precursor is magnesium nitrate (Magnesium (II) nitrate), and manganese It is preferable to use manganese nitrate (Manganese (II) nitrate) as the precursor.

또한, 상기 제 1단계의 혼합용액을 제조할 때에 사용되는 각 전구체의 용해도를 높이기 위하여 용액의 온도를 10 ~ 80 ℃, 바람직하게는 15 ~ 60 ℃, 더욱 바람직하게는 25 ~ 40 ℃를 유지함으로써 전구체가 완전히 용해되도록 하는 것이 좋다.In addition, in order to increase the solubility of each precursor used in preparing the mixed solution of the first step, by maintaining the temperature of the solution 10 ~ 80 ℃, preferably 15 ~ 60 ℃, more preferably 25 ~ 40 ℃ It is desirable to allow the precursor to dissolve completely.

본 발명의 촉매 성형체의 제조방법에서 제2 단계에서는 상기 제1 단계의 혼합용액을 분무 열분해를 통해 페라이트 계열 금속산화물 촉매를 분말 상으로 제조하는데, 바람직하게는 상기 제1 단계의 혼합용액을 가스 분무방식으로 1 ~ 7기압의 공기를 사용하여 고온의 반응기 내부로 분무하면서 600 ~ 1200 ℃의 온도에서 고온 열분해 시켜 촉매 분말을 제조한다.In the second step in the method for producing a catalyst molded body of the present invention, the ferrite-based metal oxide catalyst is prepared in powder form by spray pyrolysis of the mixed solution of the first step. Preferably, the mixed solution of the first step is gas sprayed. The catalyst powder is prepared by pyrolysis at a high temperature of 600 to 1200 ° C. while spraying into a high temperature reactor using air of 1 to 7 atm in a manner.

상기 제2 단계에서 제1 단계의 혼합용액을 분무 열분해 장치에 투입하여 가스 분무방식으로 촉매 분말을 제조하는 이른바 분무 열분해 방법으로 촉매 분말을 제조하는데, 이때 가스 분무방식에서는 바람직하게는 공기의 압력을 1 ~ 7기압, 더욱 바람직하게는 1.5 ~ 5기압, 가장 바람직하게는 2 ~ 4기압을 유지하고, 분무 열분해 장치의 내부 온도는 600 ~ 1200 ℃, 바람직하게는 650 ~ 1000 ℃, 더욱 바람직하게는 700 ~ 900 ℃를 유지함으로써 2가 금속과 철로 이루어지는 활성금속 성분이 균일하게 분산되어 이루어진 페라이트 촉매 분말을 얻을 수 있다. 만일, 분무 열분해 장치의 내부 온도가 너무 낮으면 원하는 촉매 결정구조를 얻지 못하는 문제가 있을 수 있으며, 너무 높으면 촉매가 녹아 고융체를 형성하거나, 촉매의 결정구조가 변할 수 있으므로, 상기 범위 내의 온도를 유지하는 것이 바람직하다. 이때 압력은 온도와 상관 관계를 고려하여 유지하는 것이 좋은데, 압력이 너무 낮으면 바람직한 물성의 촉매 형성이 어렵고, 너무 높은 경우 공정이 어렵고 경제적으로도 불리하지만 고융체 형성이나 결정구조의 변형으로 인해 오히려 촉매 성능이 저하되는 결과를 초래할 수 있다.The catalyst powder is prepared by a so-called spray pyrolysis method in which the mixed solution of the first stage is introduced into the spray pyrolysis apparatus in the second stage to prepare the catalyst powder by the gas spray method. 1 to 7 atm, more preferably 1.5 to 5 atm, most preferably 2 to 4 atm, and the internal temperature of the spray pyrolysis apparatus is 600 to 1200 ° C, preferably 650 to 1000 ° C, more preferably By maintaining the temperature at 700 to 900 ° C, a ferrite catalyst powder obtained by uniformly dispersing an active metal component composed of a divalent metal and iron can be obtained. If the internal temperature of the spray pyrolysis apparatus is too low, there may be a problem that the desired catalyst crystal structure cannot be obtained. If the temperature is too high, the catalyst may melt to form a high melt, or the crystal structure of the catalyst may change. It is desirable to maintain. At this time, it is better to maintain the pressure in consideration of the correlation with temperature. If the pressure is too low, it is difficult to form a catalyst of desirable physical properties, and if it is too high, the process is difficult and economically disadvantageous, but due to high melt formation or deformation of crystal structure. This can result in lower catalyst performance.

이와 같이, 마그네슘, 아연 및 망간 중에서 선택된 하나 이상의 2가 금속과 철의 몰비가 1 : 1.8 내지 2.2가 되도록 상기 2가 금속의 전구체 및 철의 전구체의 혼합용액이 분무 열분해된 분말 상으로 촉매가 제조되면, 그 촉매는 표면적이 20~100 ㎡/g이고, 세공부피가 0.18~1㎤/g의 범위를 가지는 페라이트 금속산화물 촉매 분말로 제조될 수 있다. 이때 촉매의 표면적과 세공부피가 너무 적으면 n-부텐과 촉매의 접촉 면적이 적어져 전환율이 낮아지고, 너무 크면 접촉 시간이 많아져 부산물 생성량이 많아지는 문제가 있다.As such, the catalyst is prepared in a powder form in which the mixed solution of the precursor of the divalent metal and the precursor of iron is spray pyrolyzed so that the molar ratio of at least one divalent metal selected from magnesium, zinc and manganese and iron is 1: 1.8 to 2.2. In this case, the catalyst may be prepared from a ferrite metal oxide catalyst powder having a surface area of 20 to 100 m 2 / g and a pore volume of 0.18 to 1 cm 3 / g. At this time, if the surface area and pore volume of the catalyst is too small, the contact area of the n-butene and the catalyst is small, and the conversion rate is low.

상기와 같은 본 발명에 따른 페라이트 금속산화물 촉매 분말은 그 자체만으로도 n-부텐으로부터 1,3-부타디엔 제조용 촉매로서 n-부텐의 전환율이 75~90%, 좋기로는 84~90% 이고, 1,3-부타디엔의 선택도가 72~90%, 좋기로는 80~90%를 나타낸다.Ferrite metal oxide catalyst powder according to the invention as described above is that only its n-1, 3-butadiene as a catalyst for butene from n-a good conversion rate of 75% to 90% of butene, is 84 to 90%, 1, Selectivity of 3-butadiene is 72 to 90%, preferably 80 to 90%.

본 발명의 상기 페라이트의 금속산화물 촉매는 그 분말상의 촉매 자체가 지지체가 없으면서도 높은 내구성과 장수명 및 높은 반응 활성을 갖는다.The ferrite metal oxide catalyst of the present invention has a high durability, long life and high reaction activity without the support of the powdered catalyst itself.

그러나 본 발명은 분말상의 페라이트 금속산화물 촉매를 그대로 사용하지 아니하고 특정 구조인 허니컴 구조의 성형체로 제조하는 것을 특징으로 한다. However, the present invention is characterized in that it does not use a powdery ferrite metal oxide catalyst as it is, and is made of a molded body having a honeycomb structure having a specific structure.

본 발명의 촉매 성형체 제조의 제3 단계에서는 상기 제2 단계에서 얻어지는 페라이트 계열 금속산화물 촉매 분말을 무기바인더, 유기바인더 및 물과 균일하게 혼합하여 촉매 혼합물을 제조한다.In the third step of preparing the catalyst compact of the present invention, the catalyst mixture is prepared by uniformly mixing the ferrite-based metal oxide catalyst powder obtained in the second step with an inorganic binder, an organic binder and water.

제3 단계에서 사용하는 유기 바인더는 당 업계에서 사용하는 것을 사용할 수 있으며, 특별히 한정하지는 않으나, 메틸셀룰로오스, 에틸렌글리콜, 폴리올, 푸드 오일 또는 유기지방산 중에서 선택된 하나이상을 사용하는 것이 바람직하다. 구체적인 예를 들면 유기 바인더로는 하이드록시 메틸셀룰로오스 (Hydroxy methyl cellulose) 또는 폴리비닐알콜(Polyvinyl alcohol)을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 무기 바인더는 당 업계에서 사용하는 것을 사용할 수 있으며, 특별히 한정하지는 않으나, 고상 실리카, 고상 알루미나, 고상 실리카-알루미나, 실리카 졸, 알루미나 졸, 물유리 중에서 선택된 하나이상을 사용하는 것이 바람직하다. 구체적인 예를 들면 무기바인더로는 퓸드 실리카(Fumed silica), 실리카 졸(Silica solution), 보헤마이트 (Boehmite) 또는 알루미나 졸(Alumina solution)을 사용하는 것이 바람직하다. The organic binder used in the third step may be used in the art, and is not particularly limited, but it is preferable to use at least one selected from methyl cellulose, ethylene glycol, polyol, food oil or organic fatty acid. For example, it is preferable to use hydroxy methyl cellulose (Hydroxy methyl cellulose) or polyvinyl alcohol (Polyvinyl alcohol) as the organic binder. In addition, the inorganic binder can be used in the art, but is not particularly limited, it is preferable to use at least one selected from solid silica, solid alumina, solid silica-alumina, silica sol, alumina sol, water glass. For example, as an inorganic binder, it is preferable to use fumed silica, silica sol, silica solution, boehmite or alumina sol.

본 발명에 따르면 상기 제3 단계에서 혼합되는 촉매 혼합물은 전형적으로 허니컴 구조에 코팅하여 성형체로 제조하는 경우 상기 제조된 금속산화물 촉매분말, 유기바인더, 무기바인더 및 물의 혼합비율은 무게비로 1.0 : 0.01 ~ 0.1 : 0.02 ~ 0.2 : 1.0 ~ 3.0, 바람직하게는 1.0 : 0.02 ~ 0.08 : 0.04 ~ 0.15 : 1.3 ~ 2.5, 더욱 바람직하게는 1.0 : 0.02 ~ 0.07 : 0.06 ~ 0.12 : 1.5 ~ 2.2 범위로 혼합하는 것이 좋다.According to the present invention, when the catalyst mixture mixed in the third step is typically coated on a honeycomb structure to prepare a molded body, the mixing ratio of the prepared metal oxide catalyst powder, organic binder, inorganic binder and water is 1.0: 0.01 by weight ratio. 0.1: 0.02 to 0.2: 1.0 to 3.0, preferably 1.0: 0.02 to 0.08: 0.04 to 0.15: 1.3 to 2.5, more preferably 1.0: 0.02 to 0.07: 0.06 to 0.12: 1.5 to 2.2 .

이렇게 제조된 제3 단계에서 제조한 촉매 혼합물은 제4 단계에서 허니컴 성형체로 제조한다.The catalyst mixture prepared in the third step thus prepared is prepared in a honeycomb molded body in the fourth step.

본 발명에서 허니컴 성형체로의 제조는 허니컴 구조의 담체 또는 모노리스에 상기 촉매 혼합물을 코팅시키거나, 상기 촉매 혼합물의 촉매성분을 허니컴 형태로 직접 압출 성형한 형태로 제조될 수 있다. In the present invention, the honeycomb molded body may be prepared by coating the catalyst mixture on a honeycomb carrier or monolith, or by directly extruding the catalyst component of the catalyst mixture in a honeycomb form.

여기서 허니컴 담체 또는 모노리스에 코팅 시 100 ~ 800, 바람직하게는 150 ~ 700, 더욱 바람직하게는 200 ~ 600 CPSI (Cell per square inch)의 셀 수를 갖는 허니컴에 균일하게 코팅하고, 100-160℃, 바람직하게는 140 ℃에서 건조하였다. 건조 온도가 100 ℃ 미만이면 코팅한 용액이 흘러내려 허니컴 표면의 촉매 분산도가 불균일해지는 문제가 있을 수 있으므로, 상기 온도 범위를 유지하는 것이 바람직하다. 코팅용액 건조 후 전기로를 사용하여 400 ~ 650 ℃에서 열처리하여 페라이트계열 금속산화물이 코팅된 허니컴을 제조하였다. 열처리 온도가 400 ℃ 미만이면 유기 바인더가 완전히 제거되지 않고, 650 ℃를 초과하면 코팅된 촉매의 결정구조가 변화는 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위 내의 온도를 유지하는 것이 바람직하다. Where the honeycomb carrier or monolith is coated uniformly on a honeycomb having a cell number of 100 to 800, preferably 150 to 700, more preferably 200 to 600 CPSI (Cell per square inch), 100-160 ° C, Preferably it dried at 140 degreeC. If the drying temperature is less than 100 ° C., there may be a problem that the coated solution flows out, resulting in uneven catalyst dispersity on the surface of the honeycomb. After drying the coating solution, a heat treatment was performed at 400 to 650 ° C. using an electric furnace to prepare a honeycomb coated with ferrite-based metal oxides. If the heat treatment temperature is less than 400 ℃ organic binder is not completely removed, if it exceeds 650 ℃ change in the crystal structure of the coated catalyst may be problematic, it is preferable to maintain the temperature within the above range.

상기 허니컴 구조의 셀수가 100 CPSI 미만이면 촉매의 접촉면적이 너무 낮아 반응활성이 낮아지고, 800 CPSI 보다 크면 n-부텐의 산화적 탈수소화 반응시 반응 압력이 올라가는 문제점이 있다.If the number of cells of the honeycomb structure is less than 100 CPSI, the contact area of the catalyst is too low to lower the reaction activity, and if it is larger than 800 CPSI, there is a problem that the reaction pressure increases during the oxidative dehydrogenation of n -butene.

본 발명에 따르면, 상기 촉매 혼합물을 직접 하니컴 구조물로 압출 성형하는 것을 포함한다.According to the invention, the catalyst mixture comprises extrusion molding the honeycomb structure directly.

상기 페라이트 계열 금속산화물 촉매 혼합물을 직접 허니컴 구조로 압출 성형하기 위해서는, 상기 금속산화물 촉매분말, 유기바인더, 무기바인더 및 물의 비율은 무게비로 1.0 : 0.01 ~ 0.1 : 0.02 ~ 0.2 : 0.02 ~ 0.2, 바람직하게는 1.0 : 0.01 ~ 0.06 : 0.03 ~ 0.1 : 0.03 ~ 0.1, 더욱 바람직하게는 1.0 : 0.02 ~ 0.04 : 0.04 ~ 0.07 : 0.04~0.06 범위로 혼합하는 것이 좋다. 상기 촉매 혼합물은 허니컴 압출 틀이 장착된 압출 성형기를 이용하여 허니컴 형태로 압출 성형할 수 있다. 압출된 허니컴 성형체는 건조과정을 거치는데, 건조는 10 ~ 40 ℃, 바람직하게는 15 ~ 35 ℃, 더욱 바람직하게는 20 ~ 25 ℃에서 24시간 동안 자연 건조시킨 후, 바람직하게는 110 ℃에서 24시간 추가 건조시킨 후 전기로에서 400 ~ 650 ℃로 열처리하여 페라이트계열 금속산화물이 코팅된 허니컴 성형체를 제조할 수 있다. 열처리 온도가 400 ℃ 미만이면 유기 바인더가 완전히 제거되지 않고, 650 ℃를 초과하면 코팅된 촉매의 결정구조가 변화는 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위 내의 온도를 유지하는 것이 바람직하다.In order to directly extrude the ferrite-based metal oxide catalyst mixture into a honeycomb structure, the ratio of the metal oxide catalyst powder, the organic binder, the inorganic binder, and the water is in a weight ratio of 1.0: 0.01 to 0.1: 0.02 to 0.2: 0.02 to 0.2, preferably 1.0: 0.01 to 0.06: 0.03 to 0.1: 0.03 to 0.1, more preferably 1.0: 0.02 to 0.04: 0.04 to 0.07: 0.04 to 0.06 is preferably mixed. The catalyst mixture may be extruded in honeycomb form using an extruder equipped with a honeycomb extrusion mold. Extruded honeycomb molded body is subjected to a drying process, the drying is naturally dried for 24 hours at 10 ~ 40 ℃, preferably 15 ~ 35 ℃, more preferably 20 ~ 25 ℃, preferably at 110 ℃ 24 After further drying for an additional time, the honeycomb molded body coated with ferrite-based metal oxide may be manufactured by heat-treating at 400 to 650 ° C. in an electric furnace. If the heat treatment temperature is less than 400 ℃ organic binder is not completely removed, if it exceeds 650 ℃ change in the crystal structure of the coated catalyst may be problematic, it is preferable to maintain the temperature within the above range.

본 발명은 상기와 같이 제조된 허니컴 구조의 촉매 성형체로서, 마그네슘, 아연 및 망간 중에서 선택된 하나 이상의 2가 금속과 철의 몰비가 1 : 1.8 내지 2.2인 상기 2가 금속의 전구체 및 철의 전구체의 혼합용액이 분무 열분해되어 분말 상으로 구성된 촉매 분말과, 유기바인더, 무기바인더 및 물이 혼합되어 있는 촉매 혼합물을 포함하고, 허니컴 구조의 성형체로 이루어진 것을 특징으로 하는 페라이트 금속산화물 촉매 성형체를 포함한다.The present invention is a honeycomb-structured catalyst molded body prepared as described above, wherein a mixture of the precursor of iron and the precursor of the divalent metal having a molar ratio of at least one divalent metal selected from magnesium, zinc and manganese is from 1: 1.8 to 2.2 The solution includes a catalyst powder composed of powder by spray pyrolysis and a catalyst mixture in which an organic binder, an inorganic binder, and water are mixed, and a ferrite metal oxide catalyst molded body, characterized in that it is formed of a honeycomb molded body.

여기서, 상기 허니컴 구조의 성형체는 허니컴 구조의 담체 또는 모노리스에 상기 촉매 혼합물이 코팅되거나, 상기 촉매 혼합물을 허니컴 형태로 압출 성형한 것일 수 있다. 이때 허니컴 구조의 성형체는 50 ~ 950, 바람직하게는 200 ~ 600 200 CPSI (Cell per square inch)의 셀 수를 갖는 것이 좋다.Here, the honeycomb molded body may be formed by coating the catalyst mixture on a carrier or monolith of the honeycomb structure, or extruding the catalyst mixture in a honeycomb form. In this case, the honeycomb molded body has a cell number of 50 to 950, preferably 200 to 600 200 CPSI (Cell per square inch).

한편, 본 발명에 따라 제조된 상기와 같은 페라이트 금속산화물 촉매 성형체는 1,3- 부타디엔의 제조용 촉매로 사용되는데, 본 발명은 상기와 같은 허니컴 구조의 페라이트 금속산화물 촉매 성형체의 존재하에 n-부텐을 산화적 탈수소화 반응시켜 1,3-부타디엔을 제조하는 방법을 포함한다.On the other hand, the above-described ferrite metal oxide catalyst molded body prepared according to the present invention is used as a catalyst for the production of 1,3-butadiene, the present invention is n -butene in the presence of the ferrite metal oxide catalyst molded body of the honeycomb structure as described above. Oxidative dehydrogenation to produce 1,3-butadiene.

본 발명의 촉매 성형체를 사용하는 상기 1,3-부타디엔의 제조방법에서 사용되는 n-부텐의 산화적 탈수소화 반응에서 반응을 위한 반응물은 n-부텐 외에 공기 및 스팀(Steam)의 혼합기체를 더 포함하고 있으며, n-부텐은 함량이 50 ~ 75 중량%인 C4 혼합물을 사용하는 것이 좋다. 여기서 C4 혼합물은 0.5 ~ 25 중량%의 n-부탄을 포함하고, n-부텐과 n-부탄을 제외하고 0.5 ~ 10 중량%의 불순물을 포함하는 것이 사용될 수 있다. 반응물의 혼합비율은 n-부텐 : 공기 : 스팀 = 4 ~ 12 부피% : 15 ~ 45 부피% : 45 ~ 80 부피%가 좋으며, 더욱 바람직하게는 5 ~ 9 부피% : 16 ~ 30 부피% : 60 ~ 78 부피%의 부피비로 사용하는 것이 좋다. 상기 공기는 질소 79 부피% 및 산소 21 부피%를 포함하고 있는 일반적인 공기를 말하며, 반응물의 혼합비율이 상기 범위를 벗어나면 반응 활성이 감소하거나 부산물이 증가할 수 있다. 상기 n-부텐과 공기의 주입량은 질량유속조절기(mass flow controller)로 조절할 수 있으며, 스팀의 주입량은 미세유량 펌프로 주입속도를 조절할 수 있다.The reactant for the reaction in the oxidative dehydrogenation of n -butene used in the method for producing 1,3-butadiene using the catalyst molded body of the present invention is a mixture of air and steam in addition to n -butene. N -butene is preferably used in a C 4 mixture having a content of 50 to 75% by weight. Herein, the C 4 mixture may include 0.5 to 25% by weight of n -butane and include 0.5 to 10% by weight of impurities except n -butene and n -butane. The mixing ratio of the reactants is n -butene: air: steam = 4 to 12% by volume: 15 to 45% by volume: 45 to 80% by volume is more preferable, more preferably 5 to 9% by volume: 16 to 30% by volume: 60 It is recommended to use the volume ratio of ~ 78% by volume. The air refers to general air containing 79% by volume of nitrogen and 21% by volume of oxygen. When the mixing ratio of the reactants is outside the above range, the reaction activity may decrease or the by-products may increase. The injection amount of n -butene and air may be controlled by a mass flow controller, and the injection amount of steam may be controlled by a microflow pump.

상기 반응물의 주입량은 n-부텐을 기준으로 150 ~ 700 h-1의 공간속도(GHSV, Gas Hourly Space Velocity)로, 바람직하게는 175 ~ 600 h-1의 공간속도로 주입하는 것이 좋으며, 더욱 바람직하게는 200 ~ 500 h-1의 공간속도로 주입하는 것이 좋다. 상기 공간속도가 150 h-1 미만이면 단위시간당 생성물의 양이 적어 채산성에 문제가 있을 수 있으며, 700 h- 1를 초과하면 n-부텐이 촉매와 반응할 수 있는 시간이 짧아 미 반응물의 증가로 1,3-부타디엔의 수율이 낮아질 수 있다.The injection amount of the reactant may be injected at a space velocity of 150 to 700 h −1 based on n -butene (GHSV, Gas Hourly Space Velocity), preferably at a space velocity of 175 to 600 h −1 , and more preferably. Preferably it is injected at a space velocity of 200 ~ 500 h -1 . If the space velocity is less than 150 h -1, the amount of the product per unit time may be low, and there may be a problem in profitability. If the space velocity exceeds 700 h - 1 , the time for n -butene to react with the catalyst is short, resulting in an increase in unreacted product. The yield of 1,3-butadiene can be lowered.

그리고 상기 산화적 탈수소화 반응은 300 ~ 500 ℃ 온도 범위 하에서, 바람직하게는 330 ~ 470 ℃, 더욱 바람직하게는 350 ~ 450 ℃ 온도 범위 하에서, 수행하는 것이 좋은데, 반응온도가 350 ℃ 미만의 경우 반응 온도가 너무 낮아 촉매가 활성화 되지 않아 부분산화 반응이 잘 일어나지 않은 문제가 있을 수 있고, 500 ℃를 초과하는 온도에서 반응을 수행하면 C1 ~ C3의 분해생성물이나 완전 산화가 일어나는 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위의 온도를 유지하는 것이 좋다.And the oxidative dehydrogenation reaction is preferably performed under the temperature range of 300 ~ 500 ℃, preferably 330 ~ 470 ℃, more preferably 350 ~ 450 ℃ temperature range, when the reaction temperature is less than 350 ℃ If the temperature is too low to perform, and the catalyst may be that not active and not become a problem, the partial oxidation reaction well, reaction at temperatures in excess of 500 ℃ C 1 Maintaining temperature in the above range is preferable because there may be a problem of decomposition products or complete oxidation of C 3 .

본 발명의 분무 열분해 방식으로 제조한 페라이트 금속산화물 촉매의 허니컴 구조의 성형체는 기존의 1,3-부타디엔 제조용 페라이트 산화물 촉매에 보다 제조방법이 간단하여 재현성 확보에 유리하고, 반응활성 및 선택도가 우수하여 높은 수율로 1,3-부타디엔을 제조할 수 있다.The honeycomb molded body of the ferrite metal oxide catalyst prepared by the spray pyrolysis method of the present invention has a simpler manufacturing method than the existing ferrite oxide catalyst for producing 1,3-butadiene, which is advantageous in securing reproducibility, and has excellent reaction activity and selectivity. 1,3-butadiene can be produced in high yield.

상기 분무 열분해 방식으로 제조한 페라이트 금속산화물 촉매 성형체를 이용하여 1,3-부타디엔의 제조과정에서, n-부텐의 산화적 탈수소화 반응물로는 n-부텐 외에 공기 및 스팀(Steam)의 혼합기체를 더 포함하고 있으며, n-부텐은 함량이 50 ~ 75 중량%인 C4 혼합물을 사용한다. C4 혼합물은 0.5 ~ 25 중량%의 n-부탄을 포함하고, n-부텐과 n-부탄을 제외하고 0.5 ~ 10 중량%의 불순물을 포함한다. 반응물의 혼합비율은 n-부텐: 공기: 스팀 = 4 ~ 12 부피%: 15 ~ 45 부피%: 45 ~ 80 부피%가 좋으며, 더욱 바람직하게는 5 ~ 9 부피%: 16 ~ 30 부피%: 60 ~ 78 부피%의 부피비로 사용하는 것이 좋다. 상기 공기는 질소 79 부피% 및 산소 21 부피%를 포함하고 있는 일반적인 공기를 말하며, 반응물의 혼합비율이 상기 범위를 벗어나면 반응 활성이 감소하거나 부산물이 증가할 수 있다. 상기 n-부텐과 공기의 주입량은 질량유속조절기(mass flow controller)로 조절할 수 있으며, 스팀의 주입량은 미세유량 펌프로 주입속도를 조절하였다.In the manufacture of 1,3-butadiene by using the ferrite metal oxide catalyst molded article prepared by the above spray pyrolysis method, n - in the oxidative dehydrogenation reaction of n-butene is n - butene in addition to a mixed gas of air and steam (Steam) In addition, n -butene is used in a C 4 mixture having a content of 50 to 75% by weight. The C 4 mixture contains 0.5-25 wt% of n -butane and contains 0.5-10 wt% of impurities except n -butene and n -butane. The mixing ratio of the reactants is n -butene: air: steam = 4 to 12% by volume: 15 to 45% by volume: 45 to 80% by volume is preferred, more preferably 5 to 9% by volume: 16 to 30% by volume: 60 It is recommended to use the volume ratio of ~ 78% by volume. The air refers to general air containing 79% by volume of nitrogen and 21% by volume of oxygen. When the mixing ratio of the reactants is outside the above range, the reaction activity may decrease or the by-products may increase. The injection amount of n -butene and air can be controlled by a mass flow controller, and the injection amount of steam is controlled by a microflow pump.

상기 반응물의 주입량은 n-부텐을 기준으로 150 ~ 700 h-1의 공간속도(GHSV, Gas Hourly Space Velocity)로, 바람직하게는 175 ~ 600 h-1의 공간속도로 주입하는 것이 좋으며, 더욱 바람직하게는 200 ~ 500 h-1의 공간속도로 주입하는 것이 좋다. 공간속도가 150 h-1 미만이면 단위시간당 생성물의 양이 적어 채산성에 문제가 있을 수 있으며, 700 h-1를 초과하면 n-부텐이 촉매와 반응할 수 있는 시간이 짧아 미 반응물의 증가로 1,3-부타디엔의 수율이 낮아질 수 있다.The injection amount of the reactant may be injected at a space velocity of 150 to 700 h −1 based on n -butene (GHSV, Gas Hourly Space Velocity), preferably at a space velocity of 175 to 600 h −1 , and more preferably. Preferably it is injected at a space velocity of 200 ~ 500 h -1 . If the space velocity is less than 150 h -1 , there may be a problem in profitability due to the small amount of product per unit time, and if it exceeds 700 h -1 , the time for n -butene to react with the catalyst is short, resulting in an increase in unreacted substances. The yield of, 3-butadiene may be lowered.

그리고 상기 산화적 탈수소화 반응은 300 ~ 500 ℃ 온도 범위 하에서, 바람직하게는 330 ~ 470 ℃, 더욱 바람직하게는 350 ~ 450 ℃ 온도 범위 하에서, 수행하는 것이 좋은데, 반응온도가 350 ℃ 미만의 경우 반응 온도가 너무 낮아 촉매가 활성화 되지 않아 부분산화 반응이 잘 일어나지 않은 문제가 있을 수 있고, 500 ℃를 초과하는 온도에서 반응을 수행하면 C1 ~ C3의 분해생성물이나 완전산화가 일어나는 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위의 온도를 유지하는 것이 좋다.And the oxidative dehydrogenation reaction is preferably performed under the temperature range of 300 ~ 500 ℃, preferably 330 ~ 470 ℃, more preferably 350 ~ 450 ℃ temperature range, when the reaction temperature is less than 350 ℃ If the temperature is too low to perform, and the catalyst may be that not active and not become a problem, the partial oxidation reaction well, reaction at temperatures in excess of 500 ℃ C 1 Maintaining the temperature in the above range may be a problem because decomposition products or complete oxidation of C 3 may occur.

본 발명에 따른 허니컴 구조의 페라이트 금속산화물 촉매 성형체는 기존의 1,3-부타디엔 제조용 페라이트 산화물 촉매에 보다 제조방법이 간단하여 재현성 확보에 유리하고, 구조적 특징과 촉매 성분의 우수성으로 인해 반응활성 및 선택도가 우수하여 높은 수율로 1,3-부타디엔을 제조할 수 있다.The honeycomb structured ferrite metal oxide catalyst molded body according to the present invention has a simpler manufacturing method than the existing ferrite oxide catalyst for producing 1,3-butadiene, which is advantageous for securing reproducibility, and the reaction activity and selection due to the structural characteristics and the superiority of the catalyst component. It is excellent in the degree and can produce 1, 3- butadiene in a high yield.

이하, 본 발명을 실시예에 의거 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples, but the present invention is not limited to the examples.

실시예 1 : 아연-철 금속산화물 촉매의 허니컴 코팅Example 1 Honeycomb Coating of Zinc-iron Metal Oxide Catalysts

질산 철(Fe(NO3)3·9H2O, SAMCHUN, 98%) 3213.3 g 그리고 질산 아연(Zn(NO3)2·6H2O, SAMCHUN, 98%) 1152.6 g을 증류수 4,500 g에 넣어 상온에서 2시간 동안 잘 녹도록 충분히 교반시켜 아연/철이 1.0/2.0 몰비로 함유된 혼합용액을 제조하였다. 이 후 제조된 혼합용액을 시간당 0.75 L씩 공기를 운송가스로 하여 분무 열분해 장치의 반응기 내부로 분무하여 열분해시켰다. 이때 분무 열분해 조건은 공기 압력은 3 기압, 반응기 내부 온도는 750 ℃로 운전하여 아연-철 페라이트 금속산화물 촉매를 제조하였다. 제조한 아연-철 촉매 1,000 g, 보헤마이트(AlOOH, SASOL) 93.7 g, 물 2,000 g 그리고 초산(SAMCHUN, 98%) 31.3 g을 상온에서 균일하게 혼합한 다음, 600 CPSI (Cell per square inch)의 셀 수를 갖는 허니컴에 균일하게 코팅하고, 140 ℃에서 건조하였다. 코팅용액 건조 후 전기로를 사용하여 550 ℃에서 4 시간동안 열처리하여 페라이트계열 금속산화물이 코팅된 허니컴 성형체를 제조하였다. 3213.3 g of iron nitrate (Fe (NO 3 ) 3 · 9H 2 O, SAMCHUN, 98%) and 1152.6 g of zinc nitrate (Zn (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, SAMCHUN, 98%) were added to 4,500 g of distilled water. The mixture was sufficiently stirred for 2 hours at 25 ° C. to prepare a mixed solution containing zinc / iron at a 1.0 / 2.0 molar ratio. Thereafter, the prepared mixed solution was thermally decomposed by spraying into the reactor of the spray pyrolysis apparatus using air as a transport gas at 0.75 L per hour. At this time, the spray pyrolysis conditions were the zinc-iron ferrite metal oxide catalyst was prepared by operating the air pressure of 3 atm, reactor temperature of 750 ℃. 1,000 g of the zinc-iron catalyst prepared, 93.7 g of boehmite (AlOOH, SASOL), 2,000 g of water, and 31.3 g of acetic acid (SAMCHUN, 98%) were uniformly mixed at room temperature, followed by 600 CPSI (Cell per square inch). The honeycomb with the cell number was uniformly coated and dried at 140 ° C. After drying the coating solution, a heat treatment was performed at 550 ° C. for 4 hours using an electric furnace to prepare a honeycomb molded body coated with a ferritic metal oxide.

도 1은 본 실시예 1에서 제조한 아연-철 페라이트 금속산화물 촉매가 코팅된 허니컴 촉매의 사진이다.
1 is a photograph of a honeycomb catalyst coated with a zinc-iron ferrite metal oxide catalyst prepared in Example 1. FIG.

실시예 2 : 아연-철 금속산화물 촉매의 허니컴 압출Example 2 Honeycomb Extrusion of Zinc-iron Metal Oxide Catalysts

상기 실시예 1에서 제조한 아연-철 촉매 1,000 g, 하이드록시 메틸셀룰로오스 (Hydroxymethyl cellulose, MC-40H, 삼성정밀화학) 22.6 g, 실리카 졸(Silica sol, Dupont, AS-40, 40 wt%) 131.57 g 그리고 물 45.2 g을 균일하게 혼합한 다음 허니컴 타입의 노즐이 장착된 단일 스크루 형태(Single-screw) 압출기를 이용하여 200 CPSI의 셀 수를 갖는 허니컴을 압출하였다. 25 ℃에서 24 시간동안 자연건조하고, 110 ℃에서 24시간 건조한 다음, 전기로를 사용하여 550 ℃에서 4시간동안 열처리하여 허니컴 성형체를 제조하였다. 1,000 g of the zinc-iron catalyst prepared in Example 1, hydroxy methyl cellulose (Hydroxymethyl cellulose, MC-40H, Samsung Fine Chemical) 22.6 g, silica sol, Dupont, AS-40, 40 wt% 131.57 g and 45.2 g of water were uniformly mixed and then the honeycomb having a cell count of 200 CPSI was extruded using a single-screw extruder equipped with a honeycomb type nozzle. After drying for 24 hours at 25 ℃, dried for 24 hours at 110 ℃, and heat treatment for 4 hours at 550 ℃ using an electric furnace to prepare a honeycomb molded body.

도 2는 본 실시예 2에서 제조한 아연-철 페라이트 금속산화물 허니컴 촉매 성형체 사진이다.
Figure 2 is a photograph of the zinc-iron ferrite metal oxide honeycomb catalyst molded body prepared in Example 2.

비교예 1 : 압출된 아연-철 금속산화물 촉매 제조Comparative Example 1 Preparation of Extruded Zinc-iron Metal Oxide Catalysts

상기 실시예 1에서 제조한 아연-철 촉매 500 g, 하이드록시 메틸셀룰로오스 11.3 g, 실리카 졸 65.8 g 그리고 물 32.25 g을 상온에서 균일하게 혼합한 다음 직경이 3 mm인 이중 스크루 형태(Twin-screw) 압출기를 이용하여 직경이 3 mm, 높이가 3 ~ 5 mm인 원통형 펠렛을 압출하였다. 압출된 아연-철 촉매는 상온에서 24 시간동안 자연 건조시킨 뒤 110 ℃에서 24시간 건조 후, 전기로에 넣어서 550 ℃에서 4 시간동안 소성하여 도 3(비교예 1)에 나타낸 것과 같은 압출된 아연-철 펠렛 성형체를 제조하였다.
500 g of zinc-iron catalyst prepared in Example 1, 11.3 g of hydroxy methylcellulose, 65.8 g of silica sol, and 32.25 g of water were uniformly mixed at room temperature, and then a twin screw form having a diameter of 3 mm. The extruder was used to extrude cylindrical pellets 3 mm in diameter and 3 to 5 mm in height. The extruded zinc-iron catalyst is naturally dried at room temperature for 24 hours and then dried at 110 ° C. for 24 hours, and then put in an electric furnace and calcined at 550 ° C. for 4 hours to extruded zinc-like catalyst as shown in FIG. 3 (Comparative Example 1). Iron pellet shaped bodies were prepared.

비교예 2 : 타정된 아연-철 금속산화물 촉매 제조Comparative Example 2 Preparation of Tableted Zinc-Iron Metal Oxide Catalyst

실시예 1에서 제조한 아연-철 금속산화물 촉매 500 g과 스테아린 산(Stearic acid, SAMCHUN, 95%) 10.2 g을 균일하게 혼합한 다음 타정 성형기를 이용하여 직경 3 mm, 높이 3 mm 인 원통형 펠렛으로 타정하였다. 타정된 아연-철 촉매는 전기로에 넣어서 550 ℃에서 4 시간동안 소성하여 도 3(비교예 2)에 나타낸 것과 같은 타정된 아연-철 펠렛 성형체를 제조하였다.500 g of zinc-iron metal oxide catalyst prepared in Example 1 and 10.2 g of stearic acid (Stearic acid, SAMCHUN, 95%) were uniformly mixed, and then, using a tablet molding machine, a cylindrical pellet having a diameter of 3 mm and a height of 3 mm was used. Tableting. The compressed zinc-iron catalyst was put into an electric furnace and calcined at 550 ° C. for 4 hours to prepare a compressed zinc-iron pellet molded body as shown in FIG. 3 (Comparative Example 2).

각각 실시예 1 ~ 2, 비교예 1 ~ 2에서 제조한 촉매 성형체의 촉매 분말 사용량 및 반응물과의 접촉면적을 계산하여 다음 표 1에 나타내었다.
The amount of catalyst powder used and the contact area with the reactants of the catalyst compacts prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, respectively, were calculated and shown in Table 1 below.

구분division 촉매 분말 사용량
(g/L)*
Catalyst Powder Usage
(g / L) *
촉매 성형체 1 L당
접촉면적(cm2/L)**
Per 1 liter of catalyst compact
Contact area (cm 2 / L) **
상대값*** Relative value ***
실시예 1Example 1 120120 27,41327,413 196196 실시예 2Example 2 700700 18,60018,600 133133 비교예 1Comparative Example 1 1,5001,500 13,97513,975 100100 비교예 2Comparative Example 2 2,1002,100 13,97513,975 100100

* 촉매 분말 사용량 (g)/촉매 성형체 부피 (L) * Catalyst Powder Usage (g) / Catalyst Molded Body Volume (L)

** 촉매 성형체 노출 표면적 (cm2)/촉매 성형체 부피 (L) ** Catalyst molded body exposed surface area (cm 2 ) / catalyst molded body volume (L)

*** 비교예 1의 촉매 1 L당 접촉면적을 100으로 환산하여 상대비교
*** Comparative comparison of the contact area per liter of catalyst of Comparative Example 1 to 100

시험예 : 제조된 페라이트 금속산화물 촉매의 X-선 회절분석(XRD) 시험Test Example: X-ray diffraction analysis (XRD) test of the prepared ferrite metal oxide catalyst

제조된 촉매의 결정구조를 확인하기 위해 40 kV와 40 mA 조건에서 Ni-filter를 사용하는 X-선 회절 분석기(Siemens D-5005, Cukα = 1.5418 Å)로 분석하였으며, 분석결과는 도 4와 같다. 도 4에 나타낸 실시예 1에서 분무 열분해 방법으로 제조한 아연-철 페라이트 촉매는 대부분 스피넬 구조였으며[ZnFe2O4, JCPDS Card #65-3111], α-Fe2O3의 결정구조[JCPDS Card #33-0664]가 혼재되어 존재하였다.
In order to confirm the crystal structure of the prepared catalyst was analyzed by X-ray diffractometer (Siemens D-5005, Cukα = 1.5418 Å) using Ni-filter at 40 kV and 40 mA conditions, the analysis results are shown in FIG. . The zinc-iron ferrite catalyst prepared by spray pyrolysis in Example 1 shown in FIG. 4 was mostly a spinel structure [ZnFe 2 O 4 , JCPDS Card # 65-3111], and the crystal structure of α- Fe 2 O 3 [JCPDS Card # 33-0664] were mixed.

실험예 : n-부텐 산화적 탈수소화 반응 실험Experimental Example: n -butene oxidative dehydrogenation experiment

상기 실시예 및 비교에에서 제조한 촉매를 스테인리스 반응기에 공간속도(GHSV) 250 h-1이 되도록 충전하고, 공기를 흘려주면서 370 ℃에서 활성화시켰다. 370 ℃에서 질량유속조절기를 사용하여 n-부텐: 공기: 스팀의 혼합비가 10 부피%: 40 부피%: 50 부피%인 혼합기체를 사용하여, 산화적 탈수소화 반응을 수행하여 1,3-부타디엔을 제조하였다. 상기 반응물 중 스팀은 초기 미세정량펌프를 사용하여 물로 공급되나 예열구간을 설정하여 상기 고정층 반응기에 주입되기 전에 스팀으로 기화시켜 다른 반응물과 함께 반응기에 주입되도록 반응 장치를 설계하였다. 상기 n-부텐은 다음 표 2에 나타낸 것과 같은 C4 혼합물을 사용하였다.The catalyst prepared in Examples and Comparative Examples was charged to a space velocity (GHSV) of 250 h −1 in a stainless steel reactor, and activated at 370 ° C. while flowing air. Using a mass flow controller at 370 ° C., 1,3-butadiene was subjected to an oxidative dehydrogenation reaction using a mixed gas having a mixing ratio of n -butene: air: steam at 10% by volume: 40% by volume: 50% by volume. Was prepared. The reactor was designed to supply steam to the reactants using an initial micro-quantitative pump but to set the preheating section and vaporize it with steam before being injected into the fixed bed reactor. The n -butene used a C 4 mixture as shown in Table 2 below.

상기 촉매 활성 측정은 반응물이 촉매 층을 통과한지 10분 후부터 열전도도 검출기와 불꽃이온 검출기가 장착된 기체크로마토그래프에 상기 산화적 탈수소화 반응에 의한 생성물을 각각 보내어 분석하였다. n-부텐의 전환율, 1,3-부타디엔 선택도, 1,3-부타디엔 수율은 표 3에 나타내었다. n-부텐 전환율과 1,3-부타디엔 선택도 및 1,3-부타디엔 수율은 각각 하기의 수학식 1 ~ 3을 이용하여 계산하였다.The catalyst activity was analyzed by sending the product of the oxidative dehydrogenation reaction to a gas chromatograph equipped with a thermal conductivity detector and a flame ion detector from 10 minutes after the reactants passed through the catalyst bed. The conversion of n -butene, 1,3-butadiene selectivity, and 1,3-butadiene yield are shown in Table 3. n -butene conversion, 1,3-butadiene selectivity, and 1,3-butadiene yield were calculated using Equations 1 to 3, respectively.

[수학식 1] : n-부텐 전환율Equation 1: n -butene conversion

Figure 112013042653480-pat00001
Figure 112013042653480-pat00001

[수학식 2] : 1,3-부타디엔 선택도Equation 2: 1,3-butadiene selectivity

Figure 112013042653480-pat00002
Figure 112013042653480-pat00002

[수학식 3] : 1,3-부타디엔 수율Equation 3: 1,3-butadiene yield

Figure 112013042653480-pat00003

Figure 112013042653480-pat00003

반응물로 사용한 C4 혼합물의 조성은 다음 표 2와 같다.The composition of the C 4 mixture used as a reactant is shown in Table 2 below.

조성Furtherance 중량 %weight % C1 ~ C3 C 1 to C 3 0.40.4 iso-부탄 iso -butane 1.21.2 n-부탄 n -butane 23.323.3 1-부텐1-butene 40.940.9 trans-2-부텐 trans -2-butene 23.323.3 cis-2-부텐 cis -2-butene 10.910.9 합계Sum 100100

다음의 표 3에 나타낸 것과 같이, 상기 제조한 촉매 성형체를 이용하여 n-부텐 산화적 탈수소화 반응을 시행한 결과, 아연-철 금속산화물 촉매를 허니컴에 코팅한 촉매의 경우 전환율 71.5%, 1,3-부타디엔 선택도 88.4%로서, 펠렛 형태의 압출이나 타정한 성형체에 비해 적은 양의 촉매를 사용하고도 반응물과의 넓은 접촉면적으로 인해 높은 활성을 보여 안정적으로 1,3-부타디엔을 생산할 수 있는 단독 공정을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.
As shown in Table 3 below, when the n -butene oxidative dehydrogenation reaction was carried out using the prepared catalyst molded body, a conversion rate of 71.5%, 1, The 3-butadiene selectivity is 88.4%, which shows high activity due to the large contact area with the reactants even when using a small amount of catalyst compared to pellet-type extrusion or compressed moldings, thereby stably producing 1,3-butadiene. It is expected that a single process can be secured.

구분division 전환율
(%)
Conversion Rate
(%)
1,3-부타디엔 선택도
(%)
1,3-butadiene selectivity
(%)
1,3-부타디엔 수율
(%)
1,3-butadiene yield
(%)
실시예 1Example 1 71.571.5 88.488.4 66.366.3 실시예 2Example 2 75.075.0 85.085.0 63.863.8 비교예 1Comparative Example 1 65.565.5 76.076.0 49.849.8 비교예 2Comparative Example 2 70.070.0 77.577.5 54.354.3 [n-부텐 산화적 탈수소화 반응조건]
반응온도: 370 ℃
반응시간: 7 h
공간속도: 250 h-1
반응물 함량(부피%): n-부텐/공기/스팀 - 10/40/50
[ n -butene oxidative dehydrogenation reaction condition]
Reaction temperature: 370 ℃
Response time: 7 h
Space Speed: 250 h -1
Reactant content (% by volume): n -butene / air / steam-10/40/50

상기 실시예, 비교예, 시험예 및 실험예를 통하여, 본 발명의 분무 열분해 방법을 통해 제조한 페라이트 금속산화물 촉매 분말을 이용하여 제조한 허니컴 구조의 촉매 성형체는 기존 공침법으로 제조한 촉매나 다른 형태의 타정 성형체 등에 비해 높은 1,3-부타디엔 선택도와 수율을 갖는 우수한 촉매임을 확인하였다. Through the above examples, comparative examples, test examples and experimental examples, the catalyst molded body of the honeycomb structure manufactured using the ferrite metal oxide catalyst powder prepared by the spray pyrolysis method of the present invention is a catalyst prepared by the conventional coprecipitation method or other It was confirmed that it is an excellent catalyst having a high 1,3-butadiene selectivity and yield compared to the tablet press of the form.

또한, 본 발명의 분무 열분해 방법을 통해 제조한 금속산화물 촉매 분말을 허니컴 구조의 촉매 성형체로 제조하는 경우 기존 공침방법에 비해 제조방법이 간단하고, 추가 처리 공정이 없어 경제적이며, 촉매 재현성 확보가 용이하여 안정적으로 1,3-부타디엔을 생산할 수 있는 단독 공정을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.
In addition, when the metal oxide catalyst powder prepared by the spray pyrolysis method of the present invention is prepared with a honeycomb catalyst formed body, the production method is simpler than the conventional coprecipitation method, and there is no additional treatment process, so it is economical and easy to secure catalyst reproducibility. It is expected to secure a single process that can stably produce 1,3-butadiene.

본 발명에 따라 제조된 허니컴 구조의 페라이트 금속 산화물 촉매 성형체는 1,3-부타디엔 제조, 좀더 구체적으로는 1,3-부타디엔 제조용 산화적 탈수소화 공정에 촉매로서 사용된다.The honeycomb structured ferrite metal oxide catalyst molded body produced according to the present invention is used as a catalyst in the oxidative dehydrogenation process for producing 1,3-butadiene, and more specifically for producing 1,3-butadiene.

또한, 본 발명의 촉매 성형체는 유사 산화 또는 부분 산화 반응용 촉매로도 적용이 가능하다.In addition, the catalyst molded body of the present invention can be applied as a catalyst for pseudo oxidation or partial oxidation reaction.

Claims (14)

철과 2가 금속의 전구체를 포함하는 혼합용액을 준비하는 제1 단계;
상기 제1 단계의 혼합용액을 분무 열분해를 통해 페라이트 계열 금속산화물 촉매를 분말 상으로 제조하는 제2 단계;
상기 제2 단계에서 얻어지는 페라이트 계열 금속산화물 촉매 분말과 유기바인더, 무기바인더 및 물을 균일하게 혼합하여 촉매 혼합물을 제조하는 제3 단계;
상기 제3 단계에서 제조한 촉매 혼합물을 허니컴 성형체로 제조하는 제4 단계를 포함하되,
상기 제4 단계에서의 허니컴 성형체는 상기 제3 단계의 촉매 혼합물로서 상기 제2단계로 얻어진 금속산화물 촉매분말, 유기바인더, 무기바인더 및 물의 비율을 1.0 : 0.01 ~ 0.1 : 0.02 ~ 0.2 : 1.0 ~ 3.0 의 무게비로 혼합하여 얻어진 촉매 혼합물을 이용하여 허니컴 구조의 담체 또는 모노리스에 코팅하거나, 상기 제3 단계의 촉매 혼합물로서 상기 제2단계로 얻어진 금속산화물 촉매분말, 유기바인더, 무기바인더 및 물의 비율을 1.0 : 0.01 ~ 0.1 : 0.02 ~ 0.2 : 0.02 ~ 0.2 의 무게비로 혼합하여 얻어진 촉매 혼합물을 이용하여 압출 성형하여 제조되는 것을 특징으로 하는 페라이트 금속산화물 촉매 성형체의 제조방법.
A first step of preparing a mixed solution containing a precursor of iron and divalent metal;
A second step of preparing a ferrite-based metal oxide catalyst in powder form through spray pyrolysis of the mixed solution of the first step;
A third step of preparing a catalyst mixture by uniformly mixing the ferrite-based metal oxide catalyst powder obtained in the second step with the organic binder, the inorganic binder and the water;
Comprising a fourth step of preparing the catalyst mixture prepared in the third step in a honeycomb molded body,
The honeycomb molded body in the fourth stage is a catalyst mixture of the third stage, and the ratio of the metal oxide catalyst powder, the organic binder, the inorganic binder, and the water obtained in the second stage is 1.0: 0.01 to 0.1: 0.02 to 0.2: 1.0 to 3.0. The catalyst mixture obtained by mixing at a weight ratio of was coated on a honeycomb carrier or monolith, or the ratio of the metal oxide catalyst powder, organic binder, inorganic binder and water obtained in the second step was 1.0 as the catalyst mixture of the third step. A method for producing a ferrite metal oxide catalyst shaped article, characterized in that it is produced by extrusion molding using a catalyst mixture obtained by mixing at a weight ratio of 0.01 to 0.1: 0.02 to 0.2: 0.02 to 0.2.
청구항 1에 있어서, 상기 2가 금속의 전구체 및 상기 철의 전구체로는 각각 질산염 전구체, 황산염 전구체, 염화물 전구체 및 카보네이트 전구체 중에서 선택된 1종 이상을 사용하는 것을 특징으로 하는 페라이트 금속산화물 촉매 성형체의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the precursor of the divalent metal and the precursor of iron are each one or more selected from nitrate precursors, sulfate precursors, chloride precursors, and carbonate precursors. .
청구항 1에 있어서, 상기 2가 금속은 마그네슘, 아연 및 망간 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 페라이트 금속산화물 촉매 성형체의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the divalent metal is at least one selected from magnesium, zinc, and manganese.
청구항 1에 있어서, 상기 혼합용액에서 2가 금속과 철의 몰비가 1 : 1.8 내지 2.2가 몰비인 것을 특징으로 하는 페라이트 금속산화물 촉매 성형체의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the molar ratio of divalent metal and iron in the mixed solution is 1: 1.8 to 2.2 molar ratio.
청구항 1에 있어서, 상기 제1 단계에서 혼합용액을 제조할 때 용액의 온도를 15 ~ 60 ℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 페라이트 금속산화물 촉매 성형체의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the temperature of the solution is maintained at 15 to 60 ° C. when the mixed solution is prepared in the first step.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 청구항 1에 따라 제조되고, 마그네슘, 아연 및 망간 중에서 선택된 하나 이상의 2가 금속과 철의 몰비가 1 : 1.8 내지 2.2인 상기 2가 금속의 전구체 및 철의 전구체의 혼합용액이 분무 열분해되어 분말 상으로 구성된 촉매 분말과, 유기바인더, 무기바인더 및 물이 혼합되어 있는 촉매 혼합물을 포함하고, 허니컴 구조의 성형체로 이루어지되, 상기 촉매분말, 유기바인더, 무기바인더 및 물의 비율을 1.0 : 0.01 ~ 0.1 : 0.02 ~ 0.2 : 1.0 ~ 3.0 의 무게비로 혼합하여 얻어진 촉매 혼합물이 허니컴 구조의 담체 또는 모노리스에 코팅되어 있거나, 상기 촉매분말, 유기바인더, 무기바인더 및 물의 비율을 1.0 : 0.01 ~ 0.1 : 0.02 ~ 0.2 : 0.02 ~ 0.2 의 무게비로 혼합하여 얻어진 촉매 혼합물이 압출 성형되어 이루어진 것을 특징으로 하는 페라이트 금속산화물 촉매 성형체.
A mixed solution of the precursor of the bivalent metal and the precursor of iron, prepared according to claim 1 and having a molar ratio of one or more divalent metals selected from magnesium, zinc, and manganese 1: 1.8 to 2.2, is spray pyrolyzed into powder form. The catalyst powder comprises an organic binder, an inorganic binder, and a catalyst mixture in which water is mixed. The catalyst powder is composed of a honeycomb molded body, and the ratio of the catalyst powder, the organic binder, the inorganic binder, and water is 1.0: 0.01 to 0.1: 0.02. The catalyst mixture obtained by mixing at a weight ratio of 0.2 to 1.0 to 3.0 is coated on a honeycomb carrier or monolith, or the ratio of the catalyst powder, organic binder, inorganic binder and water is 1.0: 0.01 to 0.1: 0.02 to 0.2: 0.02. A ferrite metal oxide catalyst formed body, characterized in that the catalyst mixture obtained by mixing at a weight ratio of ˜0.2 is extruded.
삭제delete 청구항 9에 따른 페라이트 금속산화물 촉매 성형체 존재하에 n-부텐을 산화적 탈수소화 반응시켜 제조하는 1,3-부타디엔의 제조방법.
A method for producing 1,3-butadiene prepared by oxidative dehydrogenation of n -butene in the presence of a ferrite metal oxide catalyst shaped body according to claim 9.
청구항 11에 있어서, 산화적 탈수소화 반응의 반응물은 n-부텐과 공기 및 스팀(Steam)을 포함하고 있으며, 반응물의 혼합비율은 n-부텐 : 공기 : 스팀 = 4 ~ 12 부피% : 15 ~ 45 부피% : 45 ~ 80 부피%인 것을 특징으로 하는 1,3-부타디엔의 제조방법.
The reactant of the oxidative dehydrogenation reaction comprises n -butene, air and steam, and the mixing ratio of the reactants is n -butene: air: steam = 4-12 vol%: 15-45 Volume%: 1,3-butadiene production method characterized in that 45 to 80% by volume.
청구항 12에 있어서, 산화적 탈수소화 반응에서 반응물은 n-부텐을 기준으로 150 ~ 700 h-1의 공간속도로 주입하는 것을 특징으로 하는 1,3-부타디엔의 제조방법.
The method for preparing 1,3-butadiene according to claim 12, wherein in the oxidative dehydrogenation reaction, the reactant is injected at a space velocity of 150 to 700 h −1 based on n -butene.
청구항 12에 있어서, 산화적 탈수소화 반응은 300 ~ 500 ℃ 온도 범위에서 수행하는 것을 특징으로 하는 1,3-부타디엔의 제조방법.The method of claim 12, wherein the oxidative dehydrogenation reaction is performed at a temperature in a range of 300 to 500 ° C. 13.
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