KR101437744B1 - Method of producing n-butane and 1,3-butadiene using magnesium orthovanadate catalyst for oxidative dehydrogenation of n-butane using oxygen and carbon dioxide as oxidant - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이산화탄소와 산소를 산화제로 이용하는 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응용 마그네슘 오르소바나데이트 촉매의 제조방법 및 상기 촉매를 이용한 노르말-부텐과 1,3-부타디엔의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a process for preparing a magnesium orthovanadate catalyst for the oxidative dehydrogenation reaction of n-butane using carbon dioxide and oxygen as oxidizing agents, and a process for producing n-butene and 1,3-butadiene using the catalyst.

Description

이산화탄소와 산소를 산화제로 이용하는 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응용 마그네슘 오르소바나데이트 촉매를 이용한 노르말-부텐과 1,3-부타디엔의 제조방법{Method of producing n-butane and 1,3-butadiene using magnesium orthovanadate catalyst for oxidative dehydrogenation of n-butane using oxygen and carbon dioxide as oxidant}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a process for producing n-butene and 1,3-butadiene using a magnesium orsorbanate catalyst for oxidative dehydrogenation reaction of n-butane using carbon dioxide and oxygen as oxidizing agents. using magnesium orthovanadate catalyst for oxidative dehydrogenation of n-butane using oxygen and carbon dioxide as oxidant}

본 발명은 이산화탄소와 산소를 산화제로 이용하는 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응용 마그네슘 오르소바나데이트 촉매의 제조방법 및 상기 촉매를 이용한 노르말-부텐과 1,3-부타디엔의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a process for preparing a magnesium orthovanadate catalyst for the oxidative dehydrogenation reaction of n-butane using carbon dioxide and oxygen as oxidizing agents, and a process for producing n-butene and 1,3-butadiene using the catalyst.

석유화학산업에서 많은 석유화학 제품의 중간체로서 전 세계적으로 그 수요와 가치가 점차 증가하고 있는 중요한 기초 원료인 경질 올레핀의 제조산업은 국가 기간산업으로서, 산업용 에너지 소비량의 약 40%를 차지하는 에너지 집중형 산업이다. 경질 올레핀을 제조하기 위해서, 이처럼 에너지 소비가 많은 이유는 현재 생산되고 있는 경질 올레핀의 대부분이 공정을 수행하는데 고온의 반응조건이 필요한 납사 스팀 크래킹 공정을 통해서 얻어지기 때문이다. 현재 시장에 공급되는 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔도 이러한 납사 크래킹에 의해 대부분이 공급되며, 이러한 상황에서 납사 크래킹의 설비 능력은 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔 수급 상황에 미치는 영향은 매우 크다고 할 수 있다. As an intermediary for many petrochemical products in the petrochemical industry, the production of light olefins, which is an important basic raw material whose demand and value are gradually increasing globally, is a national infrastructure industry. It is an energy-intensive type that accounts for about 40% Industry. The reason for such high energy consumption for producing light olefins is that most of the light olefins currently produced are obtained through a naphtha steam cracking process which requires high temperature reaction conditions to perform the process. Nitrogen-butene and 1,3-butadiene supplied to the present market are mostly supplied by such naphtha cracking. In this situation, the capacity of naphtha cracking has a very small influence on the supply and demand of n-butene and 1,3-butadiene It can be said that it is big.

그러나 납사 크래킹 공정의 경우 에틸렌, 프로필렌 등의 기초 유분을 목적으로 생산하는 공정의 특성상 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔을 생산하기 위한 단독 공정이 아니며, 이에 따라 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔 생산 확대를 위해 납사 크래커를 무작정 신·증설할 수도 없고, 납사 크래커가 증설되더라도 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔 이외에 다른 기초유분이 잉여로 생산된다는 문제점을 지니고 있다. 게다가 석유화학 시장에서의 최근 동향에 따라 에틸렌, 프로필렌에 대한 수요가 크게 증가함으로써 크래킹 공정은 이에 대한 수율을 높이는 방향으로 전환하고 있는 분위기이다. 더불어 C4 유분을 얻을 수 있는 납사 원료의 가격이 지속적으로 상승하면서, C4 유분에 대한 수율이 낮은 대신 에틸렌, 프로필렌 등의 다른 기초 유분에 대한 수율이 높은 에탄, 프로판 등의 경질 탄화수소를 원료로 하는 공정으로 변화하여, 상대적으로 납사 크래킹 공정 비율이 감소하고 있기 때문에, 납사 크래킹 공정을 통해서 C4 혼합물, 특히 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔을 확보하는 것은 점점 어려워지고 있다. However, the naphtha cracking process is not a sole process for producing n-butene and 1,3-butadiene due to the nature of the process for producing a basic oil such as ethylene and propylene, and thus n-butene and 1,3-butadiene Naphtha crackers can not be newly added or expanded to expand production, and even if naphtha crackers are added, other basic oils other than n-butene and 1,3-butadiene are produced in surplus. In addition, due to recent trends in the petrochemical market, the demand for ethylene and propylene has greatly increased, and the cracking process is shifting toward higher yields. In addition, the price of naphtha raw material that can obtain C4 oil is steadily rising, and the yield of C4 oil is low, but the process of using light hydrocarbons such as ethane and propane, which yields higher yields for other basic oils such as ethylene and propylene , And it is becoming increasingly difficult to secure the C4 mixture, especially n-butene and 1,3-butadiene, through the naphtha cracking process because the naphtha cracking process ratio is relatively reduced.

전술한 바와 같이, 납사 크래킹 공정은 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔 공급의 대부분을 차지하지만, 상기의 여러 가지 이유로 최근의 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔 수요 증가에 따른 수급 불균형을 해소할 수 있는 효과적 대안이 될 수 없다. 이에 따라 납사 크래커를 통하지 않는 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔의 생산기술에 대한 연구가 다양하게 요구되었고, 노르말-부탄으로부터 수소를 떼어내어 노르말-부텐과 1,3-부타디엔을 얻는 탈수소화 반응이 최근의 시장변화에 빠르게 대처할 수 있는 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔 생산을 위한 단독 공정으로서 주목을 받고 있으며, 현재 관련 연구가 활발히 진행되고 있는 중이다(비특허문헌 1~4).As mentioned above, the naphtha cracking process accounts for most of the n-butene and 1,3-butadiene feeds, but due to the above-mentioned reasons, the supply-demand imbalance due to the recent increase in the demand for n-butene and 1,3- It can not be an effective alternative. Accordingly, various studies have been made on the production techniques of n-butene and 1,3-butadiene not through naphtha crackers, and dehydrogenation reaction in which hydrogen is removed from n-butane to obtain n-butene and 1,3-butadiene Butene and 1,3-butadiene, which can quickly cope with recent market changes, have been attracting attention as a sole process for producing n-butene and 1,3-butadiene (Non-Patent Documents 1 to 4).

노르말-부탄의 탈수소화 반응은 노르말-부탄으로부터 수소를 제거하여, 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔을 생성하는 것으로, 노르말-부탄으로부터 직접 수소를 제거하는 직접 탈수소화 반응과 산소를 이용하여 노르말 부탄으로부터 수소를 제거하는 산화적 탈수소화 반응 두 가지로 나눌 수 있는데, 노르말-부탄의 직접 탈수소화 반응은 열역학적으로 불리한 흡열반응에 고온의 반응조건이 요구되어 에너지의 소모가 심하다는 단점이 있다. 또한, 반응을 수행하기 위해 백금이나 팔라듐과 같은 고효율의 귀금속 촉매가 사용된다. 그러나 이러한 귀금속 촉매의 경우, 그 수명이 매우 짧은 경우가 많아 재생 공정을 수행해주어야 하는 등의 단점이 존재한다 (특허문헌 1~2). The dehydrogenation reaction of n-butane removes hydrogen from n-butane to produce n-butene and 1,3-butadiene. It is a direct dehydrogenation reaction that removes hydrogen directly from n-butane, Butane, and an oxidative dehydrogenation reaction to remove hydrogen from butane. The direct dehydrogenation reaction of n - butane is disadvantageous in that it requires a high temperature reaction condition due to thermodynamically unfavorable endothermic reaction and consumes a lot of energy. In addition, a highly efficient noble metal catalyst such as platinum or palladium is used to carry out the reaction. However, in the case of such a noble metal catalyst, there is a disadvantage that the lifetime of the noble metal catalyst is very short and the regeneration process must be performed (Patent Documents 1 and 2).

반면에, 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응은 직접 탈수소화 반응과 달리 노르말-부탄과 산소가 반응하여 노르말-부텐과 물, 혹은 1,3-부타디엔과 물로 변하는 반응으로, 반응 후 안정한 물의 생성으로 노르말-부탄의 직접 탈수소화 반응에 비해 열역학적으로 유리할 뿐만 아니라, 촉매 반응으로 인한 발열은 반응 후 생성된 물이 억제할 수 있어, 촉매 층의 급격한 온도변화를 방지할 수 있다. 따라서 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응 공정은 직접 탈수소화 공정보다 유리한 공정 조건에서 가동시킬 수 있어, 적합한 고효율의 촉매공정이 개발될 경우, 이 공정은 에너지를 절감할 수 있을 뿐만 아니라 단독으로 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔을 생산할 수 있는 효과적인 대안이 될 수 있을 것이다. On the other hand, the oxidative dehydrogenation reaction of n-butane is different from the direct dehydrogenation reaction in that n-butane reacts with oxygen to convert n-butene to water or 1,3-butadiene and water, But it is thermodynamically advantageous in comparison with the direct dehydrogenation reaction of n-butane, and the generated water due to the catalytic reaction can suppress the water generated after the reaction, so that the rapid temperature change of the catalytic layer can be prevented. Therefore, the oxidative dehydrogenation reaction of n-butane can be operated under favorable process conditions rather than the direct dehydrogenation process. If a suitable high efficiency catalytic process is developed, this process can save energy, -Butene and 1,3-butadiene. ≪ / RTI >

상기에 언급한 바에 의하면, 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응은 노르말-부탄의 직접 탈수소화 반응에 비해 열역학적으로 유리하여 온화한 반응조건에서도 보다 높은 수율의 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔을 얻을 수 있는 등의 많은 장점을 가짐에도 불구하고, 산소를 반응물로 사용하기 때문에 일산화탄소나 이산화탄소가 발생하는 고도의 산화반응 등 많은 부반응이 예상된다. 따라서 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응은 노르말-부탄의 전환율을 높이면서, 완전 산화반응 등의 부반응을 억제하여 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔의 선택도를 높일 수 있는 촉매를 개발하는 것이 중요하다.According to the above-mentioned, the oxidative dehydrogenation reaction of n-butane is thermodynamically advantageous in comparison with the direct dehydrogenation reaction of n-butane, so that higher yields of n-butene and 1,3-butadiene are obtained even under mild reaction conditions It is expected that many side reactions such as high oxidation reaction in which carbon monoxide or carbon dioxide occurs can be expected because oxygen is used as a reactant. Therefore, the oxidative dehydrogenation reaction of n-butane is to develop a catalyst capable of enhancing the selectivity of n-butene and 1,3-butadiene while suppressing side reactions such as complete oxidation reaction while enhancing the conversion of n-butane It is important.

노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응에서 산화제로 이산화탄소를 추가로 도입하여 산화제로 이산화탄소와 산소를 사용하면, 주요부산물인 이산화탄소의 선택도 및 생성량을 감소시킬 수 있고, 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔의 수율 및 생성량을 증가시킬 수 있다고 알려져 있다. 이는 산화제로 이산화탄소와 산소가 사용되게 되면 활성자리에 산소와 이산화탄소 흡착이 경쟁적으로 일어나게 되어, 산소의 흡착량이 감소하게 되고, 이산화탄소는 촉매표면의 비선택적인 자리에 촉매독으로서 작용하게 되어, 그 결과 과산화를 감소시키기 때문이라고 보고되어 있다(비특허문헌 5~6).In the oxidative dehydrogenation reaction of n-butane, the addition of carbon dioxide as an oxidizing agent and the use of carbon dioxide and oxygen as oxidizing agents can reduce the selectivity and production amount of carbon dioxide, which is a main by-product, and reduce the content of n-butene and 1,3- It is known that the yield and production amount of butadiene can be increased. This is because when oxygen and carbon dioxide are used as the oxidizing agents, the adsorption of oxygen and carbon dioxide in the active sites is competitively performed, and the adsorption amount of oxygen is decreased, and the carbon dioxide acts as a catalyst poison to the non-selective sites of the catalyst surface, And it is reported that it reduces peroxidation (Non-Patent Documents 5 to 6).

지금까지 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응에 의해 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔을 제조하는데 효율적인 것으로 알려진 촉매로는 마그네슘 오르소바나데이트계 촉매(비특허문헌 4, 6~9, 특허문헌 3~7), 바나듐 산화물계 촉매(비특허문헌 10~11, 특허문헌 8), 파이로포스페이트계 촉매(비특허문헌 2, 5), 페라이트계 촉매(비특허문헌 12, 특허문헌 9) 및 니켈계 촉매(비특허문헌 13) 등이 있다.As catalysts known to be effective for the production of n-butene and 1,3-butadiene by the oxidative dehydrogenation reaction of n-butane, there have been proposed magnesium ororbanadate catalysts (Non-Patent Documents 4 and 6 to 9, 3 to 7), vanadium oxide-based catalysts (non-patent documents 10 to 11 and patent document 8), pyrophosphate catalysts (non-patent documents 2 and 5), ferrite catalysts (non-patent documents 12 and 9) Nickel-based catalysts (Non-Patent Document 13), and the like.

상기 복합 산화물 촉매들의 공통된 특징은 바로 전이 금속을 포함한다는 점인데, 이는 촉매의 산화-환원을 통해 촉매와 노르말-부탄 사이에 전자 이동이 가능해야 하기 때문이다(비특허문헌 14). 상기 촉매들은 산화-환원이 가능한 금속, 예를 들면, 바나듐, 철, 니켈, 티타늄 등을 포함함으로써 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응을 수행할 수 있는데, 특히 바나듐을 포함한 마그네슘 오르소바나데이트계 촉매들의 활성이 높은 것으로 알려져 있어 바나듐 금속이 가지고 있는 산화-환원 능력이 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응에 적합한 것으로 판단할 수 있다 (비특허문헌 7~8). A common feature of these complex oxide catalysts is that they include transition metals, because electron transfer between the catalyst and n-butane must be possible through oxidation-reduction of the catalyst (Non-Patent Document 14). The catalysts may include an oxidative-reducible metal such as vanadium, iron, nickel, titanium, etc. to perform an oxidative dehydrogenation reaction of n-butane. In particular, The activity of the catalysts is known to be high, so that the oxidation-reduction ability of the vanadium metal can be judged to be suitable for the oxidative dehydrogenation reaction of n-butane (Non-patent Documents 7 to 8).

일반적으로 상기 언급한 마그네슘 오르소바나데이트 촉매는 금속 산화물에 활성상인 마그네슘 오르소바나데이트(Mg3(VO4)2)가 포함된 형태로 제조되는데, 마그네시아를 포함하지 않은 마그네슘 오르소바나데이트 촉매의 경우, 마그네시아를 포함한 마그네슘 오르소바나데이트보다 활성이 떨어지는 것으로 보고되고 있다. 종래의 특허 및 문헌에 순수한 마그네슘 오르소바나데이트 촉매를 사용한 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응의 결과가 보고된 바 있는데, 구체적으로는 반응물 주입비가 노르말-부탄:산소:헬륨=5:10:85인 조건에서 담지되지 않은 마그네슘 오르소바나데이트 촉매를 이용하여 540℃에서 노르말-부탄 산화적 탈수소화 반응을 수행하여 5.7%의 탈수소화 반응생성물 수율을 얻었음이 보고되었으며(비특허문헌 4), 반응물 주입비가 노르말-부탄:산소:헬륨=4:8:88인 조건에서 540℃에서의 반응을 통해 11.5%의 노르말-부탄 전환율, 6.7%의 탈수소화 생성물 수율을 얻었음이 보고되었다 (비특허문헌 9).In general, the above-mentioned magnesium orobarnadate catalyst is prepared in the form of a metal oxide containing magnesium orthovanadate (Mg 3 (VO 4 ) 2 ), which is an active magnesium oxide orobasilicate catalyst containing no magnesia, Has been reported to be less active than magnesium orsorbanate, including magnesia. The results of oxidation-dehydrogenation reaction of n-butane using a pure magnesium orthovanadate catalyst have been reported in conventional patents and literatures. Specifically, the reactant injection ratio is n-butane: oxygen: helium = 5: 10: Butane oxidative dehydrogenation reaction was carried out at 540 ° C. by using a magnesium orsorbanadate catalyst not supported at 85 ° C. (Non-Patent Document 4), and it was reported that the dehydrogenation product yield was 5.7% It was reported that the reactant injection ratio was 11.5% of n-butane conversion and 6.7% of dehydrogenation product yield through reaction at 540 ° C under the conditions of n-butane: oxygen: helium = 4: 8: 88 9).

마그네시아를 포함한 마그네슘 오르소바나데이트 촉매 형태의 경우, 더욱 활성을 향상시킬 수 있는데, 과량의 마그네시아에 바나듐을 담지함으로써 얻어지는 마그네시아를 포함한 마그네슘 오르소바나데이트 촉매는 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응에 좋은 활성을 나타내는 것으로 보고되고 있다. 구체적으로는 반응온도가 550℃, 반응물 중 노르말-부탄:산소:헬륨 비율이 5:20:75인 조건에서 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응을 수행한 결과, 25.7%의 노르말-부탄 전환율, 61.2%의 탈수소화 반응생성물 선택도, 15.7%의 탈수소화 반응생성물 수율을 얻었음이 보고되었고(비특허문헌 15), 반응물 주입비가 노르말-부탄:산소:헬륨=5:20:75이고, 반응온도가 550℃인 조건에서 55.7%의 노르말-부탄의 전환율, 36.8%의 탈수소화 반응생성물 선택도, 20.5%의 수율을 얻었음이 보고되었다(비특허문헌 16).In the case of the magnesium orsorbanate catalyst including the magnesia, the activity can be further improved. The magnesium orsorbanate catalyst containing the magnesia, which is obtained by supporting vanadium in an excessive amount of magnesia, can be used in an oxidative dehydrogenation reaction of n-butane Have been reported to exhibit good activity. Specifically, the oxidative dehydrogenation reaction of n-butane was carried out under the conditions of a reaction temperature of 550 ° C. and a normal-butane: oxygen: helium ratio of 5:20:75 in the reactants. As a result, the conversion of n-butane to 25.7% It was reported that the dehydrogenation reaction product selectivity of 61.2% and the dehydrogenation product yield of 15.7% were obtained (non-patent document 15), and the reactant injection ratio was n-butane: oxygen: helium = 5: Butane conversion of 55.7%, selectivity of dehydrogenation reaction product of 36.8%, and yield of 20.5% were obtained under the conditions of a temperature of 550 ° C. (Non-Patent Document 16).

마그네시아에 담지된 마그네슘 오르소바나데이트 촉매에 첨가물을 통해 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응에의 활성을 향상시켜 높은 수율로 탈수소화 반응생성물인 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔을 얻을 수 있는 마그네슘 오르소바나데이트 촉매의 활용 방법에 관한 문헌이 보고되었는데(비특허문헌 17), 이 문헌에서는 25중량%의 마그네시아에 담지된 마그네슘 오르소바나데이트 촉매에 티타늄 옥사이드와 크로뮴옥사이드를 혼합하여, 570℃, 노르말-부탄:산소:질소 비율이 4:8:88인 조건에서 54.0%의 노르말-부탄 전환율 및 33.8%의 탈수소화 반응생성물 수율을 얻었음이 보고되었다. 또한 마그네시아에 담지된 마그네슘 오르소바나데이트에 몰리브데늄을 첨가물로 하는 촉매를 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응에 적용을 하였을 경우, 반응물 주입비가 노르말-부탄:산소:헬륨=5:20:75인 조건에서 촉매를 이용하여 550℃에서 노르말-부탄 산화적 탈수소화 반응을 수행하여, 49.2%의 노르말-부탄 전환율, 47.6%의 탈수소화 반응생성물 선택도, 23.4%의 탈수소화 반응생성물 수율을 얻었음이 보고되었다 (비특허문허 16).Butene and 1,3-butadiene, which are products of dehydrogenation reaction, can be obtained in a high yield by improving the activity of the magnesium orbovanadate catalyst supported on the magnesia to the oxidative dehydrogenation reaction of n-butane through an additive A literature on the utilization of magnesium orthobarnadate catalysts has been reported (Non-Patent Document 17). In this document, titanium oxide and chromium oxide are mixed with 25 wt% magnesium orthovanadate catalyst supported on magnesia, and 570 Butane conversion of 54.0% and a dehydrogenation product yield of 33.8% at the normal-butane: oxygen: nitrogen ratio of 4: 8: 88. In addition, when the catalyst containing magnesium or oresorbadate as an additive to magnesium orbovanade supported on magnesia was applied to the oxidative dehydrogenation reaction of n-butane, the reactant injection ratio was changed from n-butane: oxygen: helium = 5: 20: Butane oxidation reaction at 550 ° C using a catalyst under the condition of 75%, the conversion of n-butane to 49.2%, the selectivity to dehydrogenation reaction of 47.6%, and the yield of dehydrogenation reaction product of 23.4% (Non-patent document 16).

산화제로 이산화탄소와 산소가 이용되는 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응에 마그네슘 오르소바나데이트 촉매를 사용할 경우, 산소만을 산화제로 사용하는 경우보다 높은 선택도 및 수율로 탈수소화 생성물을 얻을 수 있다고 보고되었는데(비특허문헌 6), 이 문헌에서는 마그네시아에 담지된 마그네슘 오르소바나데이트 촉매를 반응온도 600℃, 노르말-부탄:산소:이산화탄소:질소 비율이 4:6:30:60인 조건에서 48.7%의 노르말-부탄 전환율, 70.2% 탈수소화 반응물 선택도, 34.1%의 탈수소화 반응생성물 수율을 얻었음이 보고되었다.It has been reported that dehydrogenation products can be obtained at a higher selectivity and yield than in the case of using only oxygen as the oxidizing agent when the magnesium orobarnadate catalyst is used in the oxidative dehydrogenation reaction of n-butane in which carbon dioxide and oxygen are used as the oxidizing agents (Non-Patent Document 6). In this document, a magnesium orsorbanadate catalyst supported on magnesia was reacted at a reaction temperature of 600 ° C under a condition of a normal-butane: oxygen: carbon dioxide: nitrogen ratio of 4: 6: 30: Butane conversion, 70.2% dehydrogenation reactant selectivity, and 34.1% dehydrogenation product yield.

상기의 마그네시아가 담지된 마그네슘 오르소바나데이트 촉매는 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응에 있어서, 높은 수율로 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔을 얻을 수 있지만, 촉매 반응 과정상에서 가역적으로 이루어져야 하는 촉매의 산화-환원이 일부 비가역적으로 이루어져 (비특허문헌 1), 마그네시아에 담지된 마그네슘 오르소바나데이트 촉매의 높은 활성이 오랜 시간 유지되지는 않기 때문에, 이를 상용 공정으로 활용하기에는 한계가 있었다. The magnesia-supported magnesium orthovanadate catalyst can obtain n-butene and 1,3-butadiene in a high yield in the oxidative dehydrogenation reaction of n-butane, but must be reversible in the course of the catalytic reaction Since the oxidation-reduction of the catalyst is partially irreversible (Non-Patent Document 1), high activity of the magnesium orsorbanadate catalyst supported on the magnesia is not maintained for a long time, and thus it has been limited to utilize it as a commercial process.

이에 본 발명자들은 지속적인 연구를 통해 종래의 기술에서 나타났던 마그네시아에 담지된 마그네슘 오르소바나데이트 촉매의 시간에 따른 활성 감소나 기타 다른 바나듐계 산화물 촉매들의 낮은 활성 등의 문제점이 없이, 열적·화학적으로 안정한 마그네시아와 지르코니아가 도입된 마그네슘 오르소바나데이트 촉매를 제조하는 기법들을 확립하고, 이렇게 제조된 촉매를 사용하여 안정적이고도 높은 수율로 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔을 제조할 수 있는 촉매 반응 공정을 개발하였다(특허문헌 3~7). 상기 특허들에서 본 발명자들은 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응 촉매용 마그네시아와 지르코니아가 포함된 마그네슘 오르소바나데이트 촉매를 단일단계 졸겔법, 겔-옥살레이트 공침법 및 함침법, 졸겔법 및 함침법으로 촉매를 제조하여, 이를 통해 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응을 통해 안정적이고 높은 활성으로 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔을 얻을 수 있는 촉매 공정을 개발하였다.
Therefore, the inventors of the present invention have found that, by continuous research, it is possible to provide a magnesium oresorbitanate catalyst that exhibits thermal and chemical properties without any problems such as reduction in activity over time of magnesium orsorbanate catalyst supported on magnesia and low activity of other vanadium- Catalysts for the preparation of n-butene and 1,3-butadiene in a stable and high yield by using techniques for the preparation of stable magnesium and zirconia-incorporated magnesium orthovanadate catalysts, (Patent Documents 3 to 7). In the above patents, the inventors of the present invention have found that a magnesium oresorbanadate catalyst containing magnesia and zirconia for a catalyst for oxidative dehydrogenation of n-butane can be produced by a single stage sol-gel method, a gel-oxalate coprecipitation method, a sol- The catalytic process was developed to obtain n-butene and 1,3-butadiene with stable and high activity through oxidative dehydrogenation reaction of n-butane.

[선행기술문헌][Prior Art Literature]

[특허문헌][Patent Literature]

특허문헌 1: US 6,433,241B2(A. Wu, C.A. Frake) 2002.8.13. Patent Document 1: US 6,433,241 B2 (A. Wu, C. A. Frake) 2002.8.13.

특허문헌 2: US 6,187,984(A. Wu, C.A. Frake) 2001.2.13.Patent Document 2: US 6,187,984 (A. Wu, C.A. Frake) 2001.2.13.

특허문헌 3: 대한민국특허출원 10-2011-0021037, 2011. 03. 09 출원Patent Document 3: Korean Patent Application 10-2011-0021037, filed on Mar. 09, 2011

특허문헌 4: 대한민국특허출원 10-2011-0051293, 2011. 05. 30 출원Patent Document 4: Korean Patent Application 10-2011-0051293, filed on May 30, 2011

특허문헌 5: 대한민국특허출원 10-2011-0101954, 2011. 10. 06 출원Patent Document 5: Korean Patent Application 10-2011-0101954, filed on October 6, 2011

특허문헌 6: 대한민국특허출원 10-2012-0006693, 2012. 01. 20 출원Patent Literature 6: Korean Patent Application 10-2012-0006693, filed on 2012. 01. 20

특허문헌 7: 대한민국특허출원 10-2012-0086839, 2012. 08. 08 출원Patent Literature 7: Korean Patent Application 10-2012-0086839, filed on 08.08.2008

특허문헌 8: US 3,914,332 (A.F. Dickason) 1975.10.21.Patent Document 8: US 3,914,332 (A.F. Dickason) 1975.10.21.

특허문헌 9: US 3,303,234 (L. Bajars, L.J. Croce) 1967.2.7.Patent Document 9: US 3,303,234 (L. Bajars, L. J. Croce) 1967.2.7.

[비특허문헌][Non-Patent Document]

비특허문헌 1: N. Kijima, M. Toba, Y. Yoshimura, Catal. Lett., 127권, 63쪽 (2009). Non-Patent Document 1: N. Kijima, M. Toba, Y. Yoshimura, Catal. Lett., Vol. 127, p. 63 (2009).

비특허문헌 2: I.C. Marcu, I. Sandulescu, J.M.M. Millet, Appl. Catal. A, 227권, 309쪽 (2002). Non-Patent Document 2: I.C. Marcu, I. Sandulescu, J.M.M. Everybody, Appl. Catal. A, Vol. 227, p. 309 (2002).

비특허문헌 3: M. Setnicka, R. Bulanek, L. Capek, P. Cicmanec, J. Mol. Catal. A, 344권, 1쪽 (2010).Non-Patent Document 3: M. Setnicka, R. Bulanek, L. Capek, P. Cicmanec, J. Mol. Catal. A, 344, 1 (2010).

비특허문헌 4: A.A. Lemonidou, G.J. Tjatjopoulos, I.A. Vasalos, Catal. Today, 45권, 65쪽 (1998).Non-Patent Document 4: A.A. Lemonidou, G.J. Tjatjopoulos, I.A. Vasalos, Catal. Today, vol. 45, p. 65 (1998).

비특허문헌 5: F. Urlan, I.C. Marcu, I. Sandulescu, Catal. Commun., 9권, 2403쪽 (2008).Non-Patent Document 5: F. Urlan, I.C. Marcu, I. Sandulescu, Catal. Commun., Vol. 9, p. 2403 (2008).

비특허문헌 6: S. Ge, C. Liu, S. Zhang, Z. Li, Chem. Eng. J., 94권, 121쪽 (2003). Non-Patent Document 6: S. Ge, C. Liu, S. Zhang, Z. Li, Chem. Eng. J., 94, 121 (2003).

비특허문헌 7: M.A. Chaar, D. Partel, H.H. Kung, J. Catal., 105권, 483쪽 (1987).Non-Patent Document 7: M.A. Chaar, D. Partel, H. H. Kung, J. Catal., Vol. 105, p. 483 (1987).

비특허문헌 8: M.A. Chaar, D. Partel, H.H. Kung, J. Catal., 109권, 463쪽 (1988).Non-Patent Document 8: M.A. Chaar, D. Partel, H. H. Kung, J. Catal., Vol. 109, p. 463 (1988).

비특허문헌 9: O.S. Owen, H.H. Kung, J. Mol. Catal., 79권, 265쪽 (1993).Non-Patent Document 9: O.S. Owen, H. H. Kung, J. Mol. Catal., Vol. 79, p. 265 (1993).

비특허문헌 10: M.E. Harlin, V.M. Niemi, A.O.I. Krause, J. Catal. 195권, 67쪽 (2000).Non-Patent Document 10: M.E. Harlin, V.M. Niemi, A.O.I. Krause, J. Catal. 195, 67 (2000).

비특허문헌 11: V.M. Murgia, E.M.F. Torres, J.C. Gottifredi, E.L. Sham, Appl. Catal. A, 312권, 134쪽 (2006).Non-Patent Document 11: V.M. Murgia, E.M.F. Torres, J.C. Gottifredi, E.L. Sham, Appl. Catal. A, Vol. 312, p. 134 (2006).

비특허문헌 12: H. Armendariz, J.A. Toledo, G. Aguilar-Rios, M.A. Valenzuela, P. Salas, A. Cabral, H. Jimenez, I. Schifter, J. Mol. Catal., 92권, 325쪽 (1994).Non-Patent Document 12: H. Armendariz, J.A. Toledo, G. Aguilar-Rios, M.A. Valenzuela, P. Salas, A. Cabral, H. Jimenez, I. Schifter, J. Mol. Catal., Vol. 92, p. 325 (1994).

비특허문헌 13: L.M. Madeira, R.M. Martin-Aranda, F.J. Maldonado-Hodar, J.L.G. Fierro, M.F. Portela, J. Catal., 169권, 469쪽 (1997).Non-Patent Document 13: L.M. Madeira, R.M. Martin-Aranda, F.J. Maldonado-Hodar, J.L.G. Fierro, M.F. Portela, J. Catal., Vol. 169, p. 469 (1997).

비특허문헌 14: H.H. Kung, Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev., 25권, 171쪽 (1986).Non-Patent Document 14: H.H. Kung, Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev., 25, 171 (1986).

비특허문헌 15: T. Blasco, J.M. Lopez Nieto, A. Dejoz, M.I. Vazquez, J. Catal., 157권, 271쪽 (1995).Non-Patent Document 15: T. Blasco, J.M. Lopez Nieto, A. Dejoz, M.I. Vazquez, J. Catal., 157, 271 (1995).

비특허문헌 16: A. Dejoz, J.M. Lopez Nieto, F. Marquez, M.I. Vazquez, Appl. Catal. A, 180권, 83쪽 (1999).Non-Patent Document 16: A. Dejoz, J.M. Lopez Nieto, F. Marquez, M.I. Vazquez, Appl. Catal. A, vol. 180, p. 83 (1999).

비특허문헌 17: D. Bhattacharyya, S.K. Bej, M.S. Rao, Appl. Catal. A, 87권, 29쪽 (1992).Non-Patent Document 17: D. Bhattacharyya, S.K. Bej, M.S. Rao, Appl. Catal. A, vol. 87, p. 29 (1992).

따라서 본 발명의 목적은, 마그네슘 오르소바나데이트로 구성되는 활성물질에 마그네시아와 지르코니아를 포함하는 촉매를 제조하고, 이렇게 제조된 마그네슘 오르소바나데이트 촉매를 이산화탄소와 산소를 산화제로 이용하는 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응에 적용하여도 마그네슘 오르소바나데이트의 활성성분의 활성이 저하되지 않으면서, 이산화탄소와 산소를 산화제로 이용하는 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응을 수행하여, 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔의 높은 선택도와 수율 및 부산물인 이산화탄소의 낮은 선택도를 얻을 수 있는 노르말-부탄으로부터 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a process for producing a catalyst containing magnesia and zirconia in an active material composed of magnesium orobarnadate, and a magnesium or orobanate catalyst prepared by reacting n-butane in which carbon dioxide and oxygen are used as an oxidizing agent Butane and 1-butene in which the activity of the active ingredient of magnesium or orsubanate is not lowered even when applied to an oxidative dehydrogenation reaction, using n-butane as an oxidizing agent, Butane and 1,3-butadiene from n-butane which can obtain high selectivity and yield of 3-butadiene and low selectivity of carbon dioxide which is a by-product.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 다음의 단계들을 포함하는, 이산화탄소와 산소를 산화제로 이용하는 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응용 마그네슘 오르소바나데이트 촉매의 제조방법을 제공한다:In order to solve the above problems, the present invention provides a process for preparing a magnesium orthovanadate catalyst for an oxidative dehydrogenation reaction of n-butane using carbon dioxide and oxygen as oxidizing agents, comprising the steps of:

(a) 마그네슘 전구체와 지르코늄 전구체를 제 1 용매에 용해시켜 마그네슘과 지르코늄의 혼합 전구체 용액을 제조하는 단계;(a) dissolving a magnesium precursor and a zirconium precursor in a first solvent to prepare a mixed precursor solution of magnesium and zirconium;

(b) 고체산을 제 2 용매에 용해시켜 고체산 용액을 제조하는 단계;(b) dissolving the solid acid in a second solvent to produce a solid acid solution;

(c) 상기 (a)단계에서 제조한 마그네슘과 지르코늄의 혼합 전구체 용액과 상기 (b)단계에서 제조한 고체산 용액을 혼합하여 혼합 고체산 전구체 용액을 제조하는 단계;(c) mixing the mixed precursor solution of magnesium and zirconium prepared in step (a) and the solid acid solution prepared in step (b) to prepare a mixed solid acid precursor solution;

(d) 바나듐 전구체와 고체산을 제 3 용매에 용해시켜 바나듐 전구체 용액을 제조하는 단계;(d) dissolving the vanadium precursor and the solid acid in a third solvent to prepare a vanadium precursor solution;

(e) 상기 (c)단계에서 제조한 혼합 고체산 전구체 용액과 상기 (d)단계에서 제조한 바나듐 전구체 용액을 혼합하여 촉매 형성 용액을 제조하는 단계; 및(e) mixing the mixed solid acid precursor solution prepared in step (c) and the vanadium precursor solution prepared in step (d) to prepare a catalyst-forming solution; And

(f) 상기 촉매 형성 용액을 열건조하여 고형물질을 얻은 후 열처리하여 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응용 마그네슘 오르소바나데이트 촉매를 얻는 단계.(f) thermally drying the catalyst-forming solution to obtain a solid material, followed by heat treatment to obtain a magnesium orobanadate catalyst for oxidative dehydrogenation reaction of n-butane.

본 발명의 마그네슘 오르소바나데이트 촉매의 제조방법에 있어서, 상기 (f)단계 전에, (e') 상기 (e)단계에서 제조한 촉매 형성 용액에 에틸렌글리콜을 첨가하는 단계를 더 포함할 수도 있다.In the method of the present invention, the step (e) may further include adding ethylene glycol to the catalyst-forming solution prepared in the step (e) before the step (f) .

상기 (a)단계에서 사용되는 마그네슘 전구체와 지르코늄 전구체는 통상적으로 사용되는 전구체라면 어떠한 것도 사용가능한데, 일반적으로 마그네슘의 전구체로는 마그네슘의 클로라이드(Chloride) 전구체나 나이트레이트(Nitrate) 전구체로부터 선택되는 1종 이상, 지르코늄의 전구체로는 지르코늄의 클로라이드(Chloride) 전구체나 옥시나이트레이트(Oxynitrate) 전구체, 옥시클로라이드(Oxychloride) 전구체로부터 선택되는 1종 이상을 사용하는 것이 바람직한데, 마그네슘 나이트레이트(Magnesium Nitrate)와 지르코늄 옥시나이트레이트(Zirconium Oxynitrate)를 사용하는 것이 특히 바람직하다.The magnesium precursor and the zirconium precursor used in the step (a) may be any precursor that is commonly used. Generally, the precursor of magnesium is a precursor of magnesium, a precursor of magnesium, a precursor of nitrate, It is preferable to use at least one selected from the group consisting of chloride precursors, oxynitrate precursors and oxychloride precursors of zirconium. Magnesium nitrate, And zirconium oxynitrate are particularly preferably used.

상기 (a)단계에서 사용되는 마그네시아 전구체와 지르코늄 전구체의 사용비는 특별한 제한이 없으나, 본 발명의 목적인 높은 활성을 장시간 안정적으로 유지할 수 있는 마그네슘 오르소바나데이트 촉매를 제조하기 위해서, 지르코니아 대비 마그네시아의 몰비를 0.5~16:1로 하는 것이 바람직하고, 1~16:1로 하는 것이 더욱 바람직하다.The use ratio of the magnesia precursor and the zirconium precursor used in the step (a) is not particularly limited. However, in order to manufacture a magnesium orobonate catalyst capable of stably maintaining the high activity for a long time for the purpose of the present invention, The molar ratio is preferably 0.5 to 16: 1, more preferably 1 to 16: 1.

상기 (a), (b) 및 (d)단계에서 사용되는 제 1 용매, 제 2 용매 및 제 3 용매는 동일하거나 다를 수 있고, 물 또는 알코올 중에서 선택될 수 있으며, 물이 바람직하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. The first solvent, the second solvent and the third solvent used in the steps (a), (b) and (d) may be the same or different and may be selected from water or an alcohol, It is not.

상기 (b) 및 (d)단계에서 사용되는 고체산은 시트르산, 숙신산, 말산 및 타르타르산으로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The solid acid used in the steps (b) and (d) may be selected from the group consisting of citric acid, succinic acid, malic acid and tartaric acid, but is not limited thereto.

상기 (c)단계에서 마그네슘 이온과 지르코늄 이온을 마그네슘 고체산염, 지르코늄 고체산염으로 모두 전환시키기 위해, 상기 (b)단계에서 제 2 용매에 용해되는 고체산의 양은 고체산:마그네슘 전구체와 지르코늄 전구체 합의 몰비로 0.5~2:1인 것이 바람직하고, 1:1인 것이 더욱 바람직한데, 0.5:1 미만의 몰비로 첨가하는 경우에는 분산력이 저하되는 문제가 있어 바람직하지 않고, 반면에 2:1을 초과하는 경우에는 점도가 증가하여 바람직하지 않다. In order to convert both the magnesium ion and the zirconium ion into the magnesium stearate and the zirconium solid acid salt in the step (c), the amount of the solid acid dissolved in the second solvent in the step (b) may be the sum of the solid acid: magnesium precursor and the zirconium precursor The molar ratio is preferably 0.5 to 2: 1, more preferably 1: 1, but when added at a molar ratio of less than 0.5: 1, there is a problem that the dispersing ability is lowered, The viscosity is increased, which is not preferable.

상기 (d)단계에서 사용되는 바나듐 전구체는 통상적으로 사용되는 바나듐염을 제한없이 사용할 수 있는데, 예를 들어 암모늄 메타바나데이트(Ammonium Metavanadate)를 사용하는 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 임의의 목적에 따라 통상적으로 사용되는 다른 바나듐염을 더 포함할 수 있다. 단, 바나듐염으로서 암모늄 메타바나데이트를 사용하는 경우, 암모늄 이온이 합성, 건조 후 열처리 과정을 통해서 제거되어 이온의 영향을 최대한으로 줄일 수 있기 때문에 바람직하다.The vanadium precursor used in the step (d) may be a conventionally used vanadium salt. For example, it is preferable to use ammonium metavanadate. However, the present invention is not limited thereto. And may further include other vanadium salts conventionally used according to purposes. However, when ammonium metavanadate is used as a vanadium salt, ammonium ion is preferably synthesized, dried and then removed through a heat treatment process so that the influence of ions can be reduced to the maximum.

그리고, 상기 (d)단계에서 바나듐 이온을 바나듐 고체산염으로 모두 전환시키기 위해 필요한 고체산의 양은 고체산:바나듐 전구체의 몰비로 0.5~2:1인 것이 바람직하고, 1:1인 것이 더욱 바람직한데, 0.5:1 미만의 몰비로 첨가하면 분산력이 저하되는 문제가 있고, 반면에 2:1을 초과하면 점도가 증가하여 바람직하지 않다. The molar ratio of the solid acid to the vanadium precursor is preferably 0.5 to 2: 1, more preferably 1: 1, in order to convert the vanadium ion to the vanadium solid acid salt in the step (d) , The addition of a compound having a molar ratio of less than 0.5: 1 causes a problem that the dispersing ability is lowered. On the other hand, when the molar ratio exceeds 2: 1, the viscosity increases, which is not preferable.

상기 (e')단계에서 사용되는 에틸렌글리콜은 고체산염과 반응을 하게되어 촉매 형성 용액을 더욱 안정화시키는데, 이때 사용되는 에틸렌글리콜의 양은 상기 (b)단계와 (d)단계에서 사용한 고체산의 합계량을 기준으로 에틸렌글리콜:고체산의 몰비로 0.5~4:1인 것이 바람직하고, 1~2:1인 것이 더욱 바람직한데, 0.5:1 미만의 몰비로 첨가하면 열처리 과정시 빠른 연소반응으로 인한 촉매의 손실이 우려되는 문제가 있고, 반면에 4:1을 초과하면 열처리 과정시 많은 에너지가 필요하여 충분히 마그네슘 오르소바나데이트 촉매가 합성되지 않아서 바람직하지 않다. The ethylene glycol used in the step (e ') is reacted with a solid acid salt to further stabilize the catalyst-forming solution. The amount of ethylene glycol used in the step (e' The molar ratio of ethylene glycol to solid acid is preferably 0.5 to 4: 1, more preferably 1 to 2: 1, and more preferably 0.5 to 1: 1. When the molar ratio of ethylene glycol to solid acid is less than 0.5: 1, There is a problem of loss of the catalyst. On the other hand, when the ratio exceeds 4: 1, a large amount of energy is required in the heat treatment process, which is not preferable because a magnesium orsorbanate catalyst is not sufficiently synthesized.

상기 (f)단계에서 열건조는 40~200℃의 온도 범위에서 수행될 수 있으며, 다음과 같이 2단계 과정을 거쳐 수행될 수도 있다: 첫 번째 단계로서, 촉매 형성 용액을 40~80℃의 온도로 고체 스펀지 형태의 복합 금속산화물 전구체가 형성될 때까지 열건조하고, 두 번째 단계로서, 상기 복합 금속산화물 전구체를 100~200℃의 온도로 2시간 이상, 바람직하게는 2~5시간 열건조한다. 이러한 열건조에 의해 상기 제 1 용매, 제 2 용매, 제 3 용매 및 NOx와 같은 부생 가스가 제거될 수 있으며, 열건조 온도가 40~200℃ 범위 이내이면, 상기 제 1 용매, 상기 제 2 용매, 제 3 용매 및 NOx와 같은 부생가스가 완전히 제거될 수 있다.In the step (f), the thermal drying may be performed at a temperature ranging from 40 to 200 ° C., and may be performed through a two-step process as follows: In the first step, the catalyst- The composite metal oxide precursor is thermally dried at a temperature of 100 to 200 DEG C for 2 hours or more, preferably 2 to 5 hours as a second step . The thermal drying can remove the first solvent, the second solvent, the third solvent, and by-products such as NO x . If the thermal drying temperature is within the range of 40 to 200 ° C, the first solvent, The solvent, the third solvent and the by-product gas such as NO x can be completely removed.

또한 (f)단계에서의 열처리과정은 400~1000℃의 온도 범위에서 1~12시간 동안 수행될 수 있고, 바람직하게는 500~700℃의 온도에서 3~6시간 동안 열처리하여 마그네슘 오르소바나데이트 촉매를 얻는다. 상기 건조된 고체 시료를 열처리하는 것은 바나듐, 마그네슘과 지르코늄의 고체산염을 마그네슘 오르소바나데이트, 마그네시아, 지르코니아로 변화시키기 위한 것일 뿐 아니라 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응의 반응 온도를 감안하여, 제조된 촉매를 상기 반응에 사용할 때 촉매의 변성을 억제하기 위한 것으로, 열처리 온도가 400℃ 미만이거나 열처리 시간이 1시간 미만인 경우에는 바나듐 고체산염, 마그네슘 고체산염, 지르코늄 고체산염이 충분히 마그네슘 오르소바나데이트, 마그네시아, 지르코니아로 변화되지 않아서 바람직하지 않고, 열처리 온도가 1000℃를 초과하거나 열처리 시간이 12시간을 초과하는 경우에는 마그네슘 오르소바나데이트 촉매의 결정상이 변질하여, 촉매로서 적합하게 사용되지 못할 염려가 있기 때문에 바람직하지 않다.The heat treatment in step (f) may be carried out at a temperature ranging from 400 to 1000 ° C. for 1 to 12 hours, preferably at a temperature ranging from 500 to 700 ° C. for 3 to 6 hours to obtain magnesium oresorbate Catalyst is obtained. The heat treatment of the dried solid sample is not only for changing the solid acid salt of vanadium, magnesium and zirconium to magnesium orthovanadate, magnesia and zirconia, but also considering the reaction temperature of the oxidative dehydrogenation reaction of n-butane, When the heat treatment temperature is less than 400 DEG C or the heat treatment time is less than 1 hour, the vanadium solid acid salt, the magnesium solid acid salt and the zirconium solid acid salt are sufficiently dissolved in the magnesium oresorbane It is not preferable that the temperature is not changed to the temperature, the date, the magnesia and the zirconia. When the heat treatment temperature exceeds 1000 ° C. or the heat treatment time exceeds 12 hours, the crystalline phase of the magnesium orsorbanate catalyst changes, It is not desirable because there is concern .

상기와 같이 제조되는 마그네슘 오르소바나데이트 촉매 중의 바나듐 함량은 안정적이고 높은 활성을 얻기 위해, 상기 촉매의 전체 중량을 기준으로 4.2~11.2중량%인 것이 바람직하다.The vanadium content of the magnesium orobarnadate catalyst prepared as described above is preferably 4.2 to 11.2% by weight based on the total weight of the catalyst for stable and high activity.

상기와 같은 본 발명의 마그네슘 오르소바나데이트 촉매의 제조방법으로 이루어진 촉매는, 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응에 있어서 본 발명자들의 이전 특허(특허문헌 3~7)에 의한 마그네시아와 지르코니아가 도입된 마그네시아 오르소바나데이트 촉매의 제조 방법으로서, 본 발명은 이전 특허와는 다르게 산소만을 산화제로 사용하지 않고, 이산화탄소와 산소를 산화제로 이용하는 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응에 상기 촉매를 적용하였다. 본 발명에 따르면 상기의 방법에 의해 제조된 마그네슘 오르소바나데이트 촉매를 이산화탄소와 산소를 산화제로 이용되는 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응에 적용하여 보다 높은 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔 수율 및 낮은 이산화탄소의 선택도를 얻을 수 있어 상용 공정에 보다 유리하게 적용 가능하다.The catalyst comprising the magnesium orsorbanadate catalyst of the present invention as described above can be used in the oxidation-dehydrogenation reaction of n-butane by introducing magnesia and zirconia according to the prior patents of the present inventors (Patent Documents 3 to 7) As a method for producing a magnesia orobasilicate catalyst, the present invention applies the above-described catalyst to an oxidative dehydrogenation reaction of n-butane using carbon dioxide and oxygen as an oxidizing agent, without using only oxygen as an oxidizing agent . According to the present invention, the magnesium orobanadate catalyst prepared by the above method is applied to an oxidative dehydrogenation reaction of n-butane in which carbon dioxide and oxygen are used as an oxidizing agent to obtain higher yields of n-butene and 1,3-butadiene And selectivity of low carbon dioxide can be obtained, which is more advantageously applicable to commercial processes.

상기 노르말-부탄의 이산화탄소와 산소를 산화제로 이용하는 산화적 탈수소화 반응의 반응물은 노르말-부탄과 산소, 이산화탄소 및 질소를 포함하는 혼합기체로서, 노르말-부탄을 기준으로 하여 노르말-부탄:산소:이산화탄소:질소가 부피비로 2~10:0.5~30:20~30:30~77.5, 바람직하게는 4:2~16:20~30:50~74, 더욱 바람직하게는 4:2~10:26~30:56~68의 비율로 포함되는 것이 바람직하다. 노르말-부탄, 산소, 이산화탄소 및 질소의 부피비가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응 중 부반응인 이산화탄소가 많이 발생하거나, 촉매의 활성이 낮아지게 되고, 또한 공정의 안전성에 문제가 발생할 수 있어 바람직하지 않다.The reaction product of the oxidative dehydrogenation reaction using the carbon dioxide and oxygen of the n-butane as the oxidizing agent is a mixed gas containing n-butane and oxygen, carbon dioxide and nitrogen, and is a mixture of normal-butane: oxygen: carbon dioxide : Nitrogen in a volume ratio of 2 to 10: 0.5 to 30:20 to 30:30 to 77.5, preferably 4: 2 to 16:20 to 30:50 to 74, more preferably 4: 2 to 10:26, 30: 56-68. ≪ / RTI > When the volume ratio of n-butane, oxygen, carbon dioxide, and nitrogen is out of the above range, carbon dioxide, which is a side reaction during the oxidative dehydrogenation reaction of n-butane, is often generated or the activity of the catalyst is lowered. Which is undesirable.

상기 혼합 기체 형태의 반응물을 반응기에 공급할 때, 반응물의 주입량은 질량유속조절기를 사용하여 조절할 수 있는데, 반응물의 주입량은 노르말-부탄을 기준으로 공간속도(WHSV : Weight Hourly Space Velocity)가 1~140ml·min-1gcat -1, 바람직하게는 10~85ml·min-1gcat -1, 더욱 바람직하게는 25~60ml·min-1gcat -1이 되도록 촉매량을 설정하는 것이 바람직하다. 공간속도가 1ml·min-1gcat -1 미만인 경우에는 촉매의 반응이 한정된 구간에서 일어나면서 촉매의 반응 부산물로 인한 코킹(coking)이 발생하거나, 반응 시 방출되는 열로 인하여 핫 스팟(hot spot)이 나타날 수 있어 바람직하지 않고, 140ml·min-1gcat -1을 초과하는 경우에는 반응물이 촉매층을 지나가는 동안 촉매 작용이 충분히 일어날 수 없기 때문에 바람직하지 않다.When the reactant in the form of the mixed gas is supplied to the reactor, the amount of the reactant to be injected can be controlled by using a mass flow controller. The amount of the reactant to be injected is 1 to 140 ml (weight hourly space velocity (WHSV) Min -1 g cat -1 , preferably 10 to 85 ml · min -1 g cat -1 , more preferably 25 to 60 ml · min -1 g cat -1 . When the space velocity is less than 1 ml · min -1 g cat -1, coking due to reaction by-products of the catalyst occurs or the hot spot is generated due to the heat released during the reaction, And it is not preferable that the reaction amount exceeds 140 ml · min -1 g cat -1 because the catalytic action can not sufficiently take place while the reactant passes through the catalyst layer.

상기 이산화탄소와 산소를 산화제로 이용하는 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응을 진행시키기 위한 반응 온도는 300~800℃인 것이 바람직하고, 450~600℃인 것이 더욱 바람직하며, 560℃를 유지하는 것이 가장 바람직하다. 상기 반응 온도가 300℃미만인 경우에는 노르말-부탄이 충분히 활성화되지 않아서 바람직하지 않고, 800℃를 초과하는 경우에는 노르말-부탄의 분해반응이 일어나서 바람직하지 않다.The reaction temperature for advancing the oxidative dehydrogenation reaction of n-butane using carbon dioxide and oxygen as an oxidizing agent is preferably 300 to 800 ° C, more preferably 450 to 600 ° C, more preferably 560 ° C desirable. When the reaction temperature is lower than 300 ° C., n-butane is not fully activated, which is not preferable. When it exceeds 800 ° C., decomposition reaction of n-butane is undesirably caused.

본 발명에 따르면 마그네슘 오르소바나데이트 촉매는 간단한 합성 경로를 통해 쉽게 제조할 수 있으며, 촉매 제조에 있어서 우수한 재현성을 확보할 수 있어, 이산화탄소이 발생을 줄이면서 높은 수율로 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔을 제조할 수 있는, 이산화탄소와 산소가 산화제로 이용되는 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응용 마그네슘 오르소바나데이트 촉매를 안정적으로 얻을 수 있다. According to the present invention, the magnesium orobarnadate catalyst can be easily prepared through a simple synthesis route, and excellent reproducibility can be secured in the production of catalyst. Thus, it is possible to reduce the generation of carbon dioxide and improve the yield of n-butene and 1,3- It is possible to stably obtain a magnesium orobonate catalyst for oxidative dehydrogenation reaction of n-butane in which butadiene can be produced using carbon dioxide and oxygen as oxidants.

본 발명에 의하면 석유화학산업에서 많은 석유화학제품의 중간체로서 전 세계적으로 그 수요와 가치가 점차 증가하고 있는 노르말-부텐과 1,3-부타디엔을 활용가치가 적은 노르말-부탄으로부터 제조할 수 있어, C4 유분의 고부가가치화를 이룰 수 있다. 또한 납사크래커를 신설하지 않고도 노르말-부텐과 1,3-부타디엔을 제조할 수 있는 단독 생산 공정을 확보하여, 늘어나는 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔의 수요를 충족시킴으로써 경제적 이득을 얻을 수 있으며, 향후 시장 변화에 능동적으로 대처할 수 있다는 장점이 있다. According to the present invention, it is possible to produce n-butene and 1,3-butadiene, which are increasing in demand and value as a mediator of many petrochemical products in the petrochemical industry, from noble-butane having a low value in use, C4 oil can be achieved with high added value. In addition, it is possible to obtain an economical benefit by satisfying the demand of n-butene and 1,3-butadiene by securing a single production process capable of producing n-butene and 1,3-butadiene without installing a naphtha cracker, It has the advantage of being able to actively cope with market changes in the future.

도 1은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따른 마그네슘 오르소바나데이트 촉매 상에서의 이산화탄소와 산소를 산화제로 이용하는 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응을 6시간 수행하는 동안 각 촉매들의 산화적 탈수소화 반응에 대한 활성 차이를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따른 마그네슘 오르소바나데이트 촉매 상에서의 이산화탄소와 산소를 산화제로 이용하는 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응을 6시간 수행 후, 각 촉매들의 노르말-부탄의 전환율, 탈수소화 생성물의 선택도 및 수율에 대한 활성 차이를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따른 마그네슘 오르소바나데이트 촉매 상에서의 이산화탄소와 산소를 산화제로 이용하는 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응을 6시간 수행 후, 각 촉매들의 산화적 탈수소화 반응물의 생성물의 분포도를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 마그네슘 오르소바나데이트 촉매 상에서의 이산화탄소와 산소를 산화제로 이용하는 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응을 6시간 수행 후, 반응온도에 따른 노르말-부탄의 전환율, 탈수소화 생성물의 선택도 및 수율에 대한 활성 차이를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 마그네슘 오르소바나데이트 촉매 상에서의 이산화탄소와 산소를 산화제로 이용하는 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응을 6시간 수행 후, 반응온도에 따른 탈수소화 생성물의 분포를 나타내는 그래프이다.
1 is a graph showing the results of oxidative dehydrogenation of n-butane using carbon dioxide and oxygen as oxidizing agents on a magnesium orsorbanate catalyst according to Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention during 6 hours, Lt; RTI ID = 0.0 > dehydrogenation < / RTI >
2 is a graph showing the results of the oxidative dehydrogenation reaction of n-butane using carbon dioxide and oxygen as oxidizing agents on a magnesium orsorbanate catalyst according to Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention for 6 hours, The conversion of butane, the degree of selectivity of dehydrogenation products, and the yield of the dehydrogenation product.
3 is a graph showing the results of oxidative dehydrogenation of n-butane using carbon dioxide and oxygen as oxidizing agents on a magnesium orobarnadate catalyst according to Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention for 6 hours, FIG. 5 is a graph showing the distribution of products of the dehydrogenation reaction product. FIG.
4 is a graph showing the results of the oxidative dehydrogenation reaction of n-butane using carbon dioxide and oxygen as oxidizing agents on a magnesium orsorbanate catalyst according to Example 2 of the present invention for 6 hours, , The selectivity of dehydrogenation products, and the activity difference with respect to the yield.
FIG. 5 is a graph showing the results of the oxidative dehydrogenation reaction of n-butane using carbon dioxide and oxygen as oxidizing agents on a magnesium orsorbanate catalyst according to Example 2 of the present invention for 6 hours and the distribution of dehydrogenation products FIG.

이하에서는 구체적인 구현예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 예들은 예시적인 목적일 뿐 본 발명이 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to specific embodiments. However, these examples are for illustrative purposes only, and the present invention is not limited to these examples.

[[ 제조예Manufacturing example 1] One]

단일단계 졸-Single step sol- 겔법에Gel method 의한 마그네슘  Magnesium by 오르소바나데이트Orsobana Dating 촉매( catalyst( MgMg 33 (( VOVO 44 )) 22 -- MgOMgO -ZrO-ZrO 22 : 단일단계 졸겔법)의 제조 : Single stage sol-gel method)

2.5g의 단일단계 졸-겔법에 의해, 마그네시아:지르코니아=4:1몰비와 5.6중량%의 바나듐 함량을 가지는 마그네슘 오르소바나데이트 촉매를 제조하기 위해, 마그네슘 나이트레이트 8.2g과 지르코늄 옥시나이트레이트 1.8g을 증류수(10ml)에 용해시켜 마그네슘과 지르코늄의 혼합 전구체 용액을 만들고, 동시에 시트르산 7.6g을 증류수(8ml)에 용해시켜 시트르산 용액을 만들었다. 상기 마그네슘과 지르코늄 혼합 전구체 용액과 상기 시트르산 용액을 혼합하여 혼합 시트르산 전구체 용액을 제조하였다. 별도로 암모늄 메타바나데이트 0.32g과 시트르산 0.27g을 증류수(6ml)에 용해시켜 바나듐 전구체 용액을 만들었다. 상기 혼합 시트르산 전구체 용액과 바나듐 전구체 용액을 혼합하여 촉매 형성 용액을 제조한 다음, 촉매 형성 용액을 70℃로 가열하면서 교반하였다. 이후, 상기 촉매 형성 용액에서 NOx기체가 발생하면서 용액이 부풀어 오르기 시작하면, 상기 촉매 형성 용액이 담긴 비이커를 오븐으로 옮겨 170℃에서 약 12시간 정도 건조하여 상기 촉매 형성 용액 내에 포함되어 있던 NOx기체를 완전히 제거하였다. 결과로서 고체 스펀지 형태의 촉매 전구체를 얻었다. 그런 다음, 상기 촉매 전구체를 분쇄하여 가루형태로 만든 다음, 공기분위기의 전기로에서 550℃의 온도를 유지하여 3시간 열처리함으로써 단일단계 졸-겔법에 따라 제조된 마그네슘 오르소바나데이트 촉매(Mg3(VO4)2-MgO-ZrO2 : 단일단계 졸겔법)를 수득하였다.
To prepare a magnesium orthobarnadate catalyst having a magnesia: zirconia = 4: 1 molar ratio and a vanadium content of 5.6 wt% by 2.5 g of a single step sol-gel method, 8.2 g of magnesium nitrate and 1.8 g of zirconium oxynitrate 1.8 g was dissolved in distilled water (10 ml) to prepare a mixed precursor solution of magnesium and zirconium. At the same time, 7.6 g of citric acid was dissolved in distilled water (8 ml) to prepare a citric acid solution. The magnesium-zirconium mixed precursor solution and the citric acid solution were mixed to prepare a mixed citric acid precursor solution. Separately, 0.32 g of ammonium metavanadate and 0.27 g of citric acid were dissolved in distilled water (6 ml) to prepare a vanadium precursor solution. The mixed citric acid precursor solution and the vanadium precursor solution were mixed to prepare a catalyst-forming solution, and then the catalyst-forming solution was stirred while heating to 70 ° C. Thereafter, when the solution begins to swell as NO x gas is generated in the catalyst-forming solution, the beaker containing the catalyst-forming solution is transferred to an oven and dried at 170 ° C. for about 12 hours to remove NO x The gas was completely removed. As a result, a solid sponge type catalyst precursor was obtained. Then, the catalyst precursor was pulverized into a powder form and then heat-treated for 3 hours in an electric furnace in an air atmosphere at a temperature of 550 ° C. to obtain a magnesium orsorbanate catalyst (Mg 3 ( VO 4 ) 2 -MgO-ZrO 2 : single step sol-gel method).

[비교 [compare 제조예Manufacturing example 1] One]

겔-옥살레이트법으로 제조된 Gel-oxalate < / RTI > 지르코니아에To zirconia 담지된Supported 마그네슘  magnesium 오르소바나데이Orsobana Day 트 촉매(Catalyst ( MgMg 33 (( VOVO 44 )) 22 // ZrOZrO 22 : 겔-: Gel- 옥살레이트Oxalate 및 연속  And continuous 함침법Impregnation method )의 제조)

지르코니아 5g의 제조를 위해 지르코늄 클로라이드 9.5g을 에탄올(500 ml)에 용해시켜 지르코늄 에탄올 용액을 만들고, 동시에 옥살산 2수화물 12.3g을 에탄올(100ml)에 용해시켜 옥살산 에탄올 용액을 만들었다. 충분히 용해시킨 두 용액을 실린지 펌프를 이용하여 옥살산 에탄올 용액이 시간당 50ml 속도로 지르코늄 에탄올 용액에 주입되도록 하여 혼합한 후 3시간 정도 교반하였다. 상기 혼합용액은 충분한 교반이 이루어지도록 자력교반기를 이용하여 상온에서 3시간 교반시킨 후, 다시 상분리를 위해 상온에서 12시간 동안 방치하였다. 클로라이드 등의 불필요한 이온을 제거하기 위해 상분리된 혼합용액에서 에탄올 용액을 거르고, 다시 에탄올 용액으로 세척·교반하는 과정을 원심분리기로 4~5회 거친 후, 얻어진 고체 시료를 80℃에서 12시간 건조시켰다. 생성된 고체 시료를 공기분위기의 전기로에서 550℃의 온도를 유지하여 3시간 열처리함으로써 겔-옥살레이트법에 따라 제조된 지르코니아를 제조하였다.To prepare 5 g of zirconia, 9.5 g of zirconium chloride was dissolved in ethanol (500 ml) to prepare a zirconium ethanol solution. At the same time, 12.3 g of oxalic acid dihydrate was dissolved in ethanol (100 ml) to prepare an oxalic acid ethanol solution. The two fully dissolved solutions were mixed using a syringe pump so that the oxalic acid ethanol solution was injected into the zirconium ethanol solution at a rate of 50 ml per hour, followed by stirring for about 3 hours. The mixed solution was stirred at room temperature for 3 hours using a magnetic stirrer so that sufficient stirring was performed, and then left for 12 hours at room temperature for phase separation. The process of filtering the ethanol solution in the phase-separated mixed solution to wash out unnecessary ions such as chloride and washing and stirring with ethanol solution 4 to 5 times with a centrifuge, and then drying the obtained solid sample at 80 ° C for 12 hours . The resulting solid samples were heat treated in an electric furnace in an air atmosphere at a temperature of 550 DEG C for 3 hours to prepare zirconia produced by the gel-oxalate method.

상기 제조된 지르코니아 담체에 바나듐 담지량이 5.6중량%가 되도록, 마그네슘염과 바나듐염을 담지하여 지르코니아에 담지된 마그네슘 오르소바나데이트 촉매를 제조하였다. 구체적인 제조 방법은 다음과 같다. 1.1g의 마그네슘 나이트레이트 6수화물을 소량의 증류수에 용해시켜, 상기 제조예 1에 의한 방법으로 준비된 지르코니아 2.0g과 함께 함침법에 의한 방법으로 혼합하였다. 마그네슘을 담지한 지르코니아 시료는 80℃에서 12시간 건조시킨 후, 생성된 고체 시료를 공기분위기의 전기로에서 550℃의 온도를 유지하여 3시간 열처리함으로써 마그네슘염이 마그네시아로 형성되도록 하였다. 이후 얻어진 마그네시아/지르코니아 시료에, 암모늄 메타바나데이트(마그네슘:바나듐 원자 비가 3:2가 되도록 준비) 0.3g을 옥살산 0.7g을 녹인 소량의 옥살산 수용액에 녹여 제조된 암모늄 메타바나데이트 수용액을 함침시킨 후 80℃에서 12시간 건조하여, 고체 시료를 얻은 후, 공기분위기의 전기로에서 550℃의 온도를 유지하여 3시간 열처리함으로써 지르코니아에 담지된 마그네슘 오르소바나데이트 촉매를 제조하였다. 상기 과정을 통해서 제조된 마그네슘 오르소바나데이트 촉매를 Mg3(VO4) 2 /ZrO2 (겔-옥살레이트 및 연속 함침법)으로 명명하였다.
A magnesium orsorbanate catalyst supported on zirconia was prepared by supporting a magnesium salt and a vanadium salt on the prepared zirconia carrier so that the vanadium loading was 5.6 wt%. The specific manufacturing method is as follows. 1.1 g of magnesium nitrate hexahydrate was dissolved in a small amount of distilled water and mixed with 2.0 g of zirconia prepared by the method of Preparation Example 1 by the impregnation method. The magnesium-bearing zirconia sample was dried at 80 ° C. for 12 hours, and the resulting solid sample was heat-treated for 3 hours at 550 ° C. in an electric furnace in an air atmosphere to form a magnesium salt as a magnesia. 0.3 g of ammonium metavanadate (magnesium: vanadium atom ratio of 3: 2) was dissolved in a small amount of oxalic acid aqueous solution obtained by dissolving 0.7 g of oxalic acid in the obtained magnesia / zirconia sample, followed by impregnation with an aqueous ammonium metavanadate solution Dried at 80 DEG C for 12 hours to obtain a solid sample, and then subjected to heat treatment for 3 hours while maintaining the temperature at 550 DEG C in an electric furnace in an air atmosphere to prepare a magnesium orobarnadate catalyst supported on zirconia. The magnesium orobarnadate catalyst prepared through the above process was named Mg 3 (VO 4 ) 2 / ZrO 2 (gel-oxalate and continuous impregnation method).

[비교 [compare 제조예Manufacturing example 2] 2]

겔-Gel- 옥살레이트법으로By the oxalate method 제조된  Manufactured 지르코니아에To zirconia 마그네슘염의 담지를 통한 마그네시아/ The magnesia / 지르코니아Zirconia 복합담체의Of the composite carrier 제조 및 제조된 마그네시아/ The magnesia / 지르코니아Zirconia 복합담체에On the composite carrier wall 지된 마그네슘 Ground magnesium 오르소바나데이트Orsobana Dating 촉매( catalyst( MgMg 33 (( VOVO 44 )) 22 // MgOMgO // ZrOZrO 2 2 : 겔-: Gel- 옥살레이트Oxalate 및 2단계 함침법)의 제조 And two-stage impregnation)

지르코니아 5g의 제조를 위해 지르코늄 클로라이드 9.5g을 에탄올(500ml)에 용해시켜 지르코늄 에탄올 용액을 만들고, 동시에 옥살산 2수화물 12.3g을 에탄올(100ml)에 용해시켜 옥살산 에탄올 용액을 만들었다. 충분히 용해시킨 두 용액을 실린지 펌프를 이용하여 옥살산 에탄올 용액이 시간당 50ml 속도로 지르코늄 에탄올 용액에 주입되도록 하여 혼합해준 후 3시간 정도 교반하였다. 상기의 혼합용액은 충분한 교반이 이루어지도록 자력교반기를 이용하여 상온에서 3시간 교반시킨 후, 다시 상분리를 위해 상온에서 12시간 동안 방치하였다. 클로라이드 등의 불필요한 이온을 제거하기 위해 상분리된 혼합용액에서 에탄올 용액을 거르고, 다시 에탄올 용액으로 세척·교반하는 과정을 원심분리기로 4~5회 거친 후, 얻어진 고체 시료를 80℃에서 12시간 건조시켰다. 생성된 고체 시료를 공기분위기의 전기로에서 550℃의 온도를 유지하여 3시간 열처리함으로써 겔-옥살레이트법에 따라 제조된 지르코니아를 제조하였다.To prepare 5 g of zirconia, 9.5 g of zirconium chloride was dissolved in ethanol (500 ml) to prepare a zirconium ethanol solution. At the same time, 12.3 g of oxalic acid dihydrate was dissolved in ethanol (100 ml) to prepare an oxalic acid ethanol solution. The two solutions sufficiently dissolved were introduced into the zirconium ethanol solution at a rate of 50 ml per hour by using a syringe pump, and the mixture was stirred for about 3 hours. The mixed solution was agitated at room temperature for 3 hours using a magnetic stirrer so that sufficient agitation was performed, and then left for 12 hours at room temperature for phase separation. The process of filtering the ethanol solution in the phase-separated mixed solution to wash out unnecessary ions such as chloride and washing and stirring with ethanol solution 4 to 5 times with a centrifuge, and then drying the obtained solid sample at 80 ° C for 12 hours . The resulting solid samples were heat treated in an electric furnace in an air atmosphere at a temperature of 550 DEG C for 3 hours to prepare zirconia produced by the gel-oxalate method.

상기 제조된 겔-옥살레이트법에 따른 방법으로 준비된 지르코니아에 마그네슘염을 담지하여 마그네시아/지르코니아 복합담체를 마그네시아:지르코니아 몰비= 4:1로 담체를 제조하였다. 구체적인 제조방법은 다음과 같다. 3g의 마그네시아-지르코니아 복합담체의 제조를 위해 10.8g의 마그네슘 나이트레이트 6수화물을 소량의 증류수에 용해시키고, 각각의 수용액을 상기 제조된 지르코니아 1.3g과 함께 일반적인 초기함침법에 의한 방법으로 혼합해주었다. 마그네슘을 담지한 지르코니아 시료는 80℃에서 12시간 건조시킨 후, 생성된 고체 시료를 공기분위기의 전기로에서 550℃의 온도를 유지하여 3시간 열처리함으로써 마그네슘 염이 마그네시아로 형성되도록 하여 마그네시아/지르코니아 복합담체를 제조하였다. A magnesium salt was supported on zirconia prepared by the above-described gel-oxalate method to prepare a magnesia / zirconia composite support at a magnesia: zirconia molar ratio of 4: 1. The specific manufacturing method is as follows. To prepare 3 g of the magnesia-zirconia composite carrier, 10.8 g of magnesium nitrate hexahydrate was dissolved in a small amount of distilled water, and each of the aqueous solutions was mixed with 1.3 g of the prepared zirconia by a general initial impregnation method . The magnesium-bearing zirconia sample was dried at 80 ° C. for 12 hours, and the resulting solid sample was heat-treated for 3 hours at 550 ° C. in an electric furnace in an air atmosphere to form a magnesium salt as a magnesia, .

상기 제조된 마그네시아/지르코니아 복합담체 1g에 바나듐 기준 담지량이 5.6중량%가 되도록, 암모늄 메타바나데이트 0.14g을 옥살산 0.31g을 용해한 소량의 옥살산 수용액에 용해시켜 함침한 후 80℃에서 12시간 건조하여, 고체 시료를 얻은 후, 공기분위기의 전기로에서 550℃의 온도를 유지하여 3시간 열처리함으로써 마그네시아/지르코니아 복합담체에 담지된 마그네슘 오르소바나데이트 촉매를 제조하였다. 상기과정을 통해 제조한 촉매를 Mg3(VO4)2/MgO/ZrO2 (겔-옥살레이트 및 2단계 함침법)로 명명하였다.
To 1 g of the above-prepared magnesia / zirconia composite carrier, 0.14 g of ammonium metavanadate was dissolved in a small amount of oxalic acid solution in which 0.31 g of oxalic acid was dissolved and impregnated so that the supported amount of vanadium base was 5.6% by weight, followed by drying at 80 ° C for 12 hours, After obtaining a solid sample, a magnesium orsorbanadate catalyst supported on a magnesia / zirconia composite carrier was prepared by performing heat treatment for 3 hours while maintaining the temperature at 550 ° C in an electric furnace in an air atmosphere. The catalyst prepared by the above procedure was mixed with Mg 3 (VO 4 ) 2 / MgO / ZrO 2 (Gel-oxalate and two-stage impregnation method).

[비교 [compare 제조예Manufacturing example 3] 3]

단일단계 겔-옥살레이트법에 의한 마그네시아-The magnesia- 지르코니아Zirconia 복합담체의Of the composite carrier 제조 및 제조된 마그네시아- The magnesia- 지르코니아Zirconia 복합담체에On the composite carrier 담지된Supported 마그네슘  magnesium 오르소바나데이트Orsobana Dating 촉매(Mg Catalyst (Mg 33 (VO(VO 44 )) 22 /MgO-ZrO/ MgO-ZrO 2 2 : 겔-: Gel- 옥살레이트Oxalate  And 함침법Impregnation method )의 제조)

마그네시아:지르코니아=4:1 몰비의 성분비를 갖는, 5g의 마그네시아-지르코니아 복합담체의 제조를 위하여, 마그네슘 클로라이드 6.7g과 지르코늄 클로라이드 4.1g을 에탄올(500ml)에 용해시켜 마그네슘과 지르코늄의 혼합 에탄올 용액을 만들고, 동시에 옥살산 2수화물 26.6g을 에탄올(200ml)에 녹여 옥살산 에탄올 용액을 제조하였다. 충분히 용해시킨 두 용액을 실린지 펌프를 이용하여 옥살산 에탄올 용액이 시간당 50ml의 속도로 마그네슘과 지르코늄의 혼합 에탄올 용액에 주입되도록 하여 혼합한 후, 충분히 교반하였다. 상기 혼합용액은 충분한 교반이 이루어지도록 자력교반기를 이용하여 상온에서 3시간 교반시킨 후, 다시 상 분리를 위해 상온에서 12시간 동안 방치하였다. 클로라이드 등의 불필요한 이온을 제거하기 위해 상분리된 혼합용액에서 에탄올 용액을 거르고, 다시 에탄올 용액으로 세척·교반하는 과정을 원심분리기로 4~5회 거친후, 얻어진 고체 시료를 80℃에서 12시간 건조시켰다. 생성된 고체 시료를 공기분위기의 전기로에서 550℃의 온도를 유지하여 3시간 열처리함으로써 마그네시아-지르코니아 복합담체를 제조하였다. In order to prepare 5 g of magnesia-zirconia composite carrier having a magnesia: zirconia = 4: 1 molar ratio, 6.7 g of magnesium chloride and 4.1 g of zirconium chloride were dissolved in ethanol (500 ml), and a mixed ethanol solution of magnesium and zirconium , And at the same time, 26.6 g of oxalic acid dihydrate was dissolved in ethanol (200 ml) to prepare an oxalic acid ethanol solution. The sufficiently dissolved two solutions were mixed using a syringe pump so that the oxalic acid ethanol solution was injected into the mixed ethanol solution of magnesium and zirconium at a rate of 50 ml per hour, and the mixture was stirred sufficiently. The mixed solution was agitated at room temperature for 3 hours using a magnetic stirrer so that sufficient stirring was performed, and then left for 12 hours at room temperature for phase separation. The process of filtering the ethanol solution in the phase-separated mixed solution to wash out unnecessary ions such as chloride and washing and stirring with ethanol solution 4 to 5 times with a centrifuge, and then drying the obtained solid sample at 80 ° C for 12 hours . The resulting solid sample was heat-treated for 3 hours at an electric furnace in an air atmosphere at a temperature of 550 ° C to prepare a magnesia-zirconia composite carrier.

상기 제조된 마그네시아-지르코니아 복합담체 1g에 바나듐 기준 담지량이 5.6중량%가 되도록, 암모늄 메타바나데이트 0.14g을 옥살산 0.31g을 용해한 소량의 옥살산 수용액에 용해시켜 함침한 후 80℃에서 12시간 건조하여, 고체 시료를 얻은 후, 공기분위기의 전기로에서 550℃의 온도를 유지하여 3시간 열처리함으로써 마그네시아-지르코니아 복합담체에 담지된 마그네슘 오르소바나데이트 촉매를 제조하였다. 상기과정을 통해 제조한 촉매를 Mg3(VO4)2/MgO-ZrO2 (겔-옥살레이트 및 함침법)로 명명하였다.
To 1 g of the prepared magnesia-zirconia composite carrier, 0.14 g of ammonium metavanadate was dissolved in a small amount of oxalic acid solution containing 0.31 g of oxalic acid dissolved therein and impregnated so as to have a vanadium base loading of 5.6% by weight, followed by drying at 80 ° C for 12 hours, After obtaining a solid sample, a magnesium orsorbanate catalyst supported on a magnesia-zirconia composite carrier was prepared by heat treatment for 3 hours while maintaining the temperature at 550 ° C in an electric furnace in an air atmosphere. The catalyst prepared by the above procedure was mixed with Mg 3 (VO 4 ) 2 / MgO-ZrO 2 (Gel-oxalate and impregnation method).

[비교 [compare 제조예Manufacturing example 4] 4]

졸겔법에In the sol-gel method 의한 마그네시아- The magnesia- 지르코니아Zirconia 복합담체의Of the composite carrier 제조 및 제조된 마그네시아- The magnesia- 지르코니아Zirconia 복합담체에On the composite carrier 담지된Supported 마그네슘 오르소바나데이트 촉매( Magnesium orthovanadate catalyst ( MgMg 33 (( VOVO 44 )) 22 // MgOMgO -- ZrOZrO 22 : 졸겔법 및  : Sol-gel method and 함침법Impregnation method )의 제조)

2.5g의 졸겔법에 의한 마그네시아:지르코니아=4:1 몰비의 성분비를 가지는 마그네시아-지르코니아 복합담체의 제조를 위해, 마그네슘 나이트레이트 9.1g과 지르코늄 옥시나이트레이트 2.1g을 증류수(12ml)에 녹여 마그네슘과 지르코늄의 혼합전구체 용액을 만들고, 동시에 시트르산 8.5g을 증류수 (9ml)에 녹여 시트르산 용액을 만들었다. 상기 전구체 용액과 상기 시트르산 용액을 혼합하여 담체 형성 용액을 제조한 다음, 상기 담체 형성 용액을 70℃로 가열하면서 교반하였다. 이후, 상기 담체 형성 용액에서 NOx기체가 발생하면서 용액이 부풀어 오르기 시작하면, 상기 담체 형성 용액이 담긴 비이커를 오븐으로 옮겨 170℃에서 약 12시간 정도 건조하여 상기 담체 형성 용액 내에 포함되어 있던 NOx기체를 완전히 제거하였다. 결과로서 고체 스펀지 형태의 담체 전구체를 얻었다. 이후, 상기 담체 전구체를 분쇄하여 가루형태로 만든 다음, 공기분위기의 전기로에서 550℃의 온도를 유지하여 3시간 열처리함으로써 졸겔법에 따라 제조된 마그네시아-지르코니아 복합담체를 제조하였다. To prepare a magnesia-zirconia composite carrier having a composition ratio of magnesia: zirconia = 4: 1 by a sol-gel method of 2.5 g, 9.1 g of magnesium nitrate and 2.1 g of zirconium oxynitrate were dissolved in distilled water (12 ml) Zirconium mixed precursor solution, and at the same time, 8.5 g of citric acid was dissolved in distilled water (9 ml) to prepare a citric acid solution. The precursor solution and the citric acid solution were mixed to prepare a carrier-forming solution, and the carrier-forming solution was stirred while being heated to 70 ° C. Since, NO which is when, while the NO x gas generated in the carrier to form a solution the solution is started to climb swollen, by moving the beaker, wherein the carrier forms a solution contained in an oven dried for about 12 hours at 170 ℃ contained in the carrier to form a solution x The gas was completely removed. As a result, a carrier precursor in the form of a solid sponge was obtained. Then, the carrier precursor was pulverized into a powder form and then heat-treated for 3 hours in an electric furnace in an air atmosphere at a temperature of 550 ° C to prepare a magnesia-zirconia composite carrier prepared by a sol-gel method.

상기 제조된 마그네시아-지르코니아 복합담체 1g에 바나듐 기준 담지량이 5.6중량%가 되도록, 암모늄 메타바나데이트 0.14g을 옥살산 0.31g을 용해한 소량의 옥살산 수용액에 용해시켜 함침한 후 80℃에서 12시간 건조하여, 고체 시료를 얻은 후, 공기분위기의 전기로에서 550℃의 온도를 유지하여 3시간 열처리함으로써 마그네시아-지르코니아 복합담체에 담지된 마그네슘 오르소바나데이트 촉매를 제조하였다. 상기 과정을 통해 제조한 촉매를 Mg3(VO4)2/MgO-ZrO2 (졸겔법 및 함침법)로 명명하였다.
To 1 g of the prepared magnesia-zirconia composite carrier, 0.14 g of ammonium metavanadate was dissolved in a small amount of oxalic acid solution containing 0.31 g of oxalic acid dissolved therein and impregnated so as to have a vanadium base loading of 5.6% by weight, followed by drying at 80 ° C for 12 hours, After obtaining a solid sample, a magnesium orsorbanate catalyst supported on a magnesia-zirconia composite carrier was prepared by heat treatment for 3 hours while maintaining the temperature at 550 ° C in an electric furnace in an air atmosphere. The catalyst prepared by the above procedure was mixed with Mg 3 (VO 4 ) 2 / MgO-ZrO 2 (Sol-gel method and impregnation method).

[[ 실시예Example 1] One]

연속 continuity 흐름식Flow equation 촉매 반응기를 통한 이산화탄소와 산소를 산화제로 이용하는 노르말-부탄의  Of n-butane using carbon dioxide and oxygen as oxidant through a catalytic reactor 산화적Oxidative 탈수소화 반응 Dehydrogenation reaction

제조예 1의 단일단계 졸겔법에 의해 제조한 마그네슘 오르소바나데이트 촉매를 사용하여 이산화탄소와 산소를 산화제로 이용하는 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응을 6시간 동안 수행하였으며, 구체적인 반응 실험 조건은 다음과 같다.The oxidative dehydrogenation reaction of n-butane using carbon dioxide and oxygen as an oxidizing agent was carried out for 6 hours using the magnesium orobanadate catalyst prepared by the single step sol-gel method of Production Example 1, Respectively.

본 실시예 1에서 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응에 사용한 반응물은 99.4중량%의 노르말-부탄을 포함한 C4 혼합물로서, 그 조성을 하기 표 1에 나타내었다.
The reactant used in the oxidative dehydrogenation reaction of n-butane in this Example 1 is a C 4 mixture containing 99.4% by weight of n-butane, the composition of which is shown in Table 1 below.

반응물로 사용된 C4 혼합물의 조성Composition of C 4 mixture used as reactant 조 성Furtherance 분자식Molecular formula 중량%weight% i-부탄i-butane C4H10 C 4 H 10 0.180.18 n-부탄n-butane C4H10 C 4 H 10 99.4099.40 1-부텐1-butene C4H8 C 4 H 8 0.340.34 시스-2-부텐Cis-2-butene C4H8 C 4 H 8 0.080.08 합계Sum 100.00100.00

반응물로서 C4 혼합물은 산소, 이산화탄소, 질소와 함께 혼합 기체의 형태로 주입되었다. 반응물의 구성 비율은 C4 혼합물 내의 노르말-부탄 양을 기준으로 설정하였는데, 노르말-부탄:산소:이산화탄소:질소의 비가 4:8:28:60이 되도록 설정하였다.As a reactant, the C4 mixture was injected in the form of a mixed gas with oxygen, carbon dioxide and nitrogen. The composition ratio of the reactants was set based on the amount of n-butane in the C4 mixture, and the ratio of n-butane: oxygen: carbon dioxide: nitrogen was set to be 4: 8: 28: 60.

상기 반응은, 촉매반응을 위해 일자형 쿼츠 반응기에 촉매 분말을 고정시키고, 반응기를 전기로 안에 설치하여 촉매층의 반응온도를 일정하게 유지한 후, 반응물이 반응기 안의 촉매층을 연속적으로 통과하면서 반응이 진행되도록 하였다.The reaction is carried out in such a manner that the catalyst powder is immobilized in a linear quartz reactor for the catalytic reaction and the reaction is carried out while the reaction product is continuously passed through the catalyst layer in the reactor after the reactor is installed in the electric furnace and the reaction temperature of the catalyst layer is kept constant. Respectively.

반응물의 주입 속도는 노르말-부탄을 기준으로 55.5ml·min-1gcat -1이 되도록 촉매 양을 설정하여 반응하였다. 반응물을 흘려주기 전에 산소, 이산화탄소와 질소를 흘려주면서 고정층 반응기의 온도를 상온에서 560℃로 승온하여 촉매가 활성화시킨 후, 반응물인 노르말-부탄을 흘리면서 반응 온도는 고정층 반응기의 촉매 층 온도가 560℃가 되도록 유지하여 반응을 수행하였다. 반응 후 생성물에는 본 반응의 주 생성물인 노르말-부텐과 1,3-부타디엔 이외에, 완전 산화로 인한 이산화탄소나 크래킹에 의한 부산물, 이성질화 반응에 의한 부산물 등의 부산물과 미반응한 노르말-부탄이 포함되어 있으므로 이를 분리, 분석하기 위해 가스크로마토그래피를 이용하였다. The reaction rate was 55.5 ml · min -1 g cat -1 based on n-butane. The temperature of the fixed-bed reactor was raised from room temperature to 560 ° C by flowing oxygen, carbon dioxide and nitrogen before flowing the reactants. The reaction temperature was maintained at 560 ° C And the reaction was carried out. The products after the reaction include n-butene and 1,3-butadiene, which are the main products of the present reaction, by-products such as carbon dioxide due to complete oxidation, by-products by cracking, by-products by isomerization, and n-butane Therefore, gas chromatography was used for separation and analysis.

제조예 1의 단일단계 졸겔법에 따라 제조된 마그네슘 오르소바나데이트 촉매 상에서 이산화탄소와 산소를 산화제로 이용하는 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응에 의한 노르말-부탄의 전환율, 탈수소화 반응생성물의 선택도 및 탈수소화 반응생성물(노르말-부텐 및 1,3-부타디엔)의 수율은 다음의 수학식 1, 2 및 3에 의해 계산하였고, 6시간 동안의 시간에 따른 반응 활성 추이를 표 2와 도 1 에 나타내었고, 반응이 진행된 지 6시간째의 반응 실험 결과를 표 3과 도 2, 3에 나타내었다.Conversion and dehydrogenation reaction product selectivity of n-butane by oxidative dehydrogenation of n-butane using carbon dioxide and oxygen as oxidizing agents on a magnesium orobanadate catalyst prepared according to the single step sol-gel method of Preparation Example 1 The yields of dehydrogenation reaction products (n-butene and 1,3-butadiene) were calculated by the following equations (1), (2) and (3) And the results of the reaction at 6 hours after the reaction proceeded are shown in Table 3 and FIGS. 2 and 3.

[[ 수학식Equation 1] One]

Figure 112012102498674-pat00001
Figure 112012102498674-pat00001

[[ 수학식Equation 2] 2]

Figure 112012102498674-pat00002
Figure 112012102498674-pat00002

[[ 수학식Equation 3] 3]

Figure 112012102498674-pat00003

Figure 112012102498674-pat00003

제조예 1에 의한 방법에 따라 단일단계 졸겔법으로 제조된 마그네슘 오르소바나데이트 촉매의 이산화탄소와 산소를 산화제로 이용하는 산화적 탈수소화 반응에서 6시간 반응 활성 추이In the oxidative dehydrogenation reaction using carbon dioxide and oxygen as an oxidizing agent of the magnesium orobanadate catalyst prepared by the single step sol-gel method according to the method according to Production Example 1, 촉매catalyst 탈수소화 반응생성물 수율(%)Dehydrogenation reaction product yield (%) 시간(h)Time (h) 1One 22 33 44 55 66 Mg3(VO4)2-MgO-ZrO2
(단일단계 졸겔법)
Mg 3 (VO 4 ) 2 -MgO-ZrO 2
(Single step sol-gel method)
23.323.3 23.623.6 24.524.5 24.624.6 24.224.2 24.424.4

제조예 1에 의한 방법에 따라 단일단계 졸겔법으로 제조된 마그네슘 오르소바나데이트 촉매의 이산화탄소와 산소를 산화제로 이용하는 산화적 탈수소화 반응에서 반응 후 6 시간째의 촉매 활성In the oxidative dehydrogenation reaction of the magnesium orsorbanate catalyst prepared by the single step sol-gel method according to the method of Production Example 1 using carbon dioxide and oxygen as the oxidizing agent, the catalytic activity at 6 hours after the reaction 촉매catalyst n-부탄
전환율
n-butane
Conversion Rate
n-부텐
전환율
n-butene
Conversion Rate
1,3-BD
선택도
1,3-BD
Selectivity
C1~C3
선택도
C1 to C3
Selectivity
CO
선택도
CO
Selectivity
CO2
선택도
CO 2
Selectivity
TDP*
수율
TDP *
yield
Mg3(VO4)2-MgO-ZrO2
(단일단계 졸겔법)
Mg 3 (VO 4 ) 2 -MgO-ZrO 2
(Single step sol-gel method)
61.961.9 11.211.2 28.328.3 1.81.8 36.736.7 20.720.7 24.4
24.4
39.539.5

표 2 및 3과 도 1~3을 살펴보면, 이산화탄소와 산소를 산화제로 이용하는 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응의 경우, 산소만을 산화제로 사용하는 반응과 같이 비활성화가 되지 않았고, 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔의 높은 수율을 얻을 수 있었으며, 선택도 측면에서 이산화탄소의 선택도가 감소하는 장점이 있었음을 확인 할 수 있었다(산소만을 산화제로 이용하는 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응에서 이산화탄소의 선택도 : 30~35%).As shown in Tables 2 and 3 and FIGS. 1 to 3, in the case of the oxidative dehydrogenation reaction of n-butane using carbon dioxide and oxygen as an oxidizing agent, deactivation was not performed as in the case of using only oxygen as an oxidizing agent, Butadiene, and the selectivity of carbon dioxide was decreased. (In the oxidative dehydrogenation reaction of n-butane using only oxygen as the oxidizing agent, the selectivity of carbon dioxide Degree: 30-35%).

[[ 비교예Comparative Example 1] One]

비교 compare 제조예Manufacturing example 1~4에 의한 방법에 따라 겔- 1 to 4, the gel- 옥살레이트Oxalate  And 함침법Impregnation method , , 졸겔법Sol-gel method  And 함침법으로By impregnation 제조된 마그네슘  The produced magnesium 오르소바나데이트Orsobana Dating 촉매의 이산화탄소와 산소를 산화제로 이용하는  Using the catalyst's carbon dioxide and oxygen as oxidizing agents 산화적Oxidative 탈수소화 반응 Dehydrogenation reaction

본 발명의 실시예 1에 의한 방법에 따라 단일단계 졸겔법에 의해 얻어진 마그네슘 오르소바나데이트 촉매를 통한 이산화탄소와 산소를 산화제로 이용하는 산화적 탈수소화 반응의 활성 결과와의 비교를 위하여, 비교 제조예 1~4에 의한 방법으로 제조된 겔-옥살레이트 및 함침법, 졸겔법 및 함침법에 따라 제조된 마그네슘 오르소바나데이트 촉매를 사용하여, 실시예 1에 의한 순서로 이산화탄소와 산소를 산화제로 이용하는 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응을 수행하였다. For comparison with the activity results of the oxidative dehydrogenation using carbon dioxide and oxygen as the oxidizing agent through the magnesium orobarnadate catalyst obtained by the single step sol-gel method according to the method of Example 1 of the present invention, Oxalate prepared by the method according to Examples 1 to 4 and a magnesium orobarnadate catalyst prepared by the impregnation method, the sol-gel method, and the impregnation method were used, and carbon dioxide and oxygen were used as an oxidizing agent in the order of Example 1 An oxidative dehydrogenation reaction of n-butane was carried out.

본 비교예 1에 의한 반응 실험 결과는 표 4 및 5와 도 1~3에 나타내었으며, 표 4와 도 1에 나타낸 결과는 겔-옥살레이트법 및 함침법, 졸겔법 및 함침법으로 만든 마그네슘 오르소바나데이트 촉매를 통한 이산화탄소와 산소를 산화제로 이용하는 산화적 탈수소화 반응을 실시예 1에서와 같이 6시간 동안 반응 활성 추이를 나타낸 것이고, 표 5와 도 2, 3에 나타낸 결과는 반응 6시간 째의 촉매 활성을 나타낸 것이다.
The results of the reaction test according to Comparative Example 1 are shown in Tables 4 and 5 and Figs. 1 to 3, and the results shown in Table 4 and Fig. 1 show that the magnesium ores The oxidative dehydrogenation reaction using carbon dioxide and oxygen as an oxidizing agent through a soba or dating catalyst showed the reaction activity change over 6 hours as in Example 1. The results shown in Table 5 and Figs. 2 and 3 show that 6 hours . ≪ / RTI >

비교 제조예 1~4에 의한 방법에 따라 겔-옥살레이트 및 함침법, 졸겔법 및 함침법으로 제조된 마그네슘 오르소바나데이트 촉매의 이산화탄소와 산소를 산화제로 이용하는 산화적 탈수소화 반응에서 6시간 반응 활성 추이Oxidative dehydrogenation of the magnesium orsorbanate catalyst prepared by gel-oxalate, impregnation, sol-gel and impregnation methods according to the methods of Comparative Production Examples 1 to 4 was carried out for 6 hours in an oxidative dehydrogenation reaction using oxidizing agent Active trend 촉매catalyst 탈수소화 반응생성물 수율 (%)Dehydrogenation reaction product yield (%) 시간
(h)
time
(h)
1One 22 33 44 55 66
Mg3(VO4)2/ZrO2
(겔-옥살레이트 및
연속 함침법)
Mg 3 (VO 4 ) 2 / ZrO 2
(Gel-oxalate and
Continuous impregnation method)
6.86.8 7.07.0 7.37.3 7.37.3 7.47.4 7.57.5
Mg3(VO4)2/MgO/ZrO2
(겔-옥살레이트 및
2단계 함침법)
Mg 3 (VO 4 ) 2 / MgO / ZrO 2
(Gel-oxalate and
Two-step impregnation method)
18.718.7 19.119.1 18.618.6 18.018.0 19.019.0 18.318.3
Mg3(VO4)2/MgO-ZrO2
(겔-옥살레이트 및 함침법)
Mg 3 (VO 4 ) 2 / MgO-ZrO 2
(Gel-oxalate and impregnation method)
20.620.6 20.420.4 20.720.7 20.020.0 20.120.1 20.220.2
Mg3(VO4)2/MgO-ZrO2
(졸겔법 및 함침법)
Mg 3 (VO 4 ) 2 / MgO-ZrO 2
(Sol-gel method and impregnation method)
18.818.8 20.120.1 19.719.7 19.419.4 18.218.2 19.619.6

비교 제조예 1~4에 의한 방법에 따라 겔-옥살레이트 및 함침법, 졸겔법 및 함침법으로 제조된 마그네슘 오르소바나데이트의 이산화탄소와 산소를 산화제로 이용하는 산화적 탈수소화 반응에서 반응 후 6 시간째의 촉매 활성Oxidative dehydrogenation using carbon oxides and oxygen of magnesium oresorbadate prepared by gel-oxalate and impregnation method, sol-gel method and impregnation method according to the method according to Comparative Preparation Examples 1 to 4 was carried out for 6 hours The catalyst activity 촉매catalyst n-부탄
전환율
n-butane
Conversion Rate
n-부텐 선택도n-butene selectivity 1,3-BD
선택도
1,3-BD
Selectivity
C1-C3
선택도
C1-C3
Selectivity
CO
선택도
CO
Selectivity
CO2
선택도
CO 2
Selectivity
TDP*
수율
TDP *
yield
Mg3(VO4)2/ZrO2
(겔-옥살레이트 및
연속 함침법)
Mg 3 (VO 4 ) 2 / ZrO 2
(Gel-oxalate and
Continuous impregnation method)
49.249.2 9.29.2 6.06.0 1.91.9 57.357.3 24.924.9 7.57.5
15.215.2 Mg3(VO4)2/MgO/ZrO2
(겔-옥살레이트 및
2단계 함침법)
Mg 3 (VO 4 ) 2 / MgO / ZrO 2
(Gel-oxalate and
Two-step impregnation method)
55.655.6 11.011.0 21.921.9 3.33.3 32.032.0 31.231.2 18.318.3
32.932.9 Mg3(VO4)2/MgO-ZrO2
(겔-옥살레이트 및
함침법)
Mg 3 (VO 4 ) 2 / MgO-ZrO 2
(Gel-oxalate and
Impregnation method)
55.855.8 11.111.1 25.125.1 2.62.6 34.834.8 25.725.7 20.220.2
36.236.2 Mg3(VO4)2/MgO-ZrO2
(졸겔법 및 함침법)
Mg 3 (VO 4 ) 2 / MgO-ZrO 2
(Sol-gel method and impregnation method)
58.158.1 10.310.3 23.423.4 3.13.1 35.635.6 26.926.9 19.619.6
33.733.7

[[ 실시예Example 2]  2]

단일단계 Single step 졸겔법에In the sol-gel method 따라 제조된 마그네슘  The magnesium 오르소바나데이트Orsobana Dating 촉매( catalyst( MgMg 33 (( VOVO 44 )) 22 -MgO-ZrO-MgO-ZrO 22 : 단일단계  : Single step 졸겔법Sol-gel method )의 반응온도에 따른 이산화탄소와 산소를 산화제로 이용하는 ) Using carbon dioxide and oxygen as oxidizing agents 산화적Oxidative 탈수소화 반응 활성 Dehydrogenation reaction activity

본 발명의 제조예 1에 의한 방법으로 단일단계 졸겔법에 따라 제조된 마그네슘 오르소바나데이트 촉매를 실시예 1과 같은 방법으로 반응온도만 달리하여 이산화탄소와 산소를 산화제로 이용하는 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응을 수행하였다. 구체적으로는, 제조된 촉매를 이산화탄소와 산소를 산화제로 이용하는 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응 수행시 반응온도를 달리하는 방법으로 500, 520, 540, 560, 580, 600℃에서 반응을 수행하였으며, 표 6과 도 4에 본 실시예 2에 의한 반응 실험 결과를 반응 6시간 후 각 반응온도에 따른 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응에의 노르말-부탄의 전환율, 탈수소화 생성물의 선택도 및 수율로 나타내었다. 또한 표 6과 도 5에 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응에서 6시간 후의 탈수소화 생성물의 분포를 나타내었다.
The magnesium orobanadate catalyst prepared by the single step sol-gel method according to the production method of the present invention was oxidized in the same manner as in Example 1, except that the oxidizing agent of n-butane using carbon dioxide and oxygen as the oxidizing agent Dehydrogenation reaction was carried out. Specifically, the reaction was carried out at 500, 520, 540, 560, 580, 600 ° C. in the oxidative dehydrogenation reaction of n-butane using carbon dioxide and oxygen as the oxidizing agent, , Table 6 and FIG. 4 show the results of the reaction test according to Example 2, and the conversion of n-butane to the oxidative dehydrogenation reaction of n-butane, the degree of selectivity of dehydrogenation product, Yield. Table 6 and FIG. 5 also show the distribution of dehydrogenation products after 6 hours in the oxidative dehydrogenation reaction of n-butane.

단일단계 졸겔법에 따라 제조된 마그네슘 오르소바나데이트 촉매의 이산화탄소와 산소를 산화제로 이용하는 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응에서 반응 6시간 후 반응온도에 따른 활성In the oxidative dehydrogenation reaction of n-butane using oxidizing agent of carbon dioxide and oxygen in magnesium orsorbanate catalyst prepared by single step sol-gel method, 반응온도Reaction temperature n-부탄
전환율
n-butane
Conversion Rate
n-부텐 선택도n-butene selectivity 1,3-BD
선택도
1,3-BD
Selectivity
C1-C3
선택도
C1-C3
Selectivity
CO
선택도
CO
Selectivity
CO2
선택도
CO 2
Selectivity
TDP*
수율
TDP *
yield
500℃500 ℃ 52.952.9 12.312.3 28.228.2 1.31.3 30.330.3 27.327.3 21.521.5 40.540.5 520℃520 ℃ 56.056.0 11.711.7 28.528.5 1.41.4 33.833.8 24.124.1 22.522.5 40.240.2 540℃540 DEG C 60.760.7 11.011.0 28.028.0 1.51.5 31.831.8 27.127.1 23.723.7 39.039.0 560℃560 ° C 61.961.9 11.211.2 28.328.3 1.81.8 36.736.7 20.720.7 24.424.4 39.539.5 580℃580 ° C 61.761.7 11.511.5 26.326.3 2.82.8 34.434.4 24.424.4 23.323.3 37.837.8 600℃600 ℃ 65.065.0 10.210.2 23.523.5 4.84.8 35.635.6 24.824.8 21.921.9 33.733.7

표 6과 도 4를 살펴보면, 반응온도에 따라 노르말-부탄의 전환율, 탈수소화 생성물의 선택도 및 수율은 반응온도에 따라 차이가 있었으며, 반응온도가 증가함에 따라 전환율을 증가하는 경향을 보였으며, 탈수소화 생성물의 선택도는 계속 감소하는 경향을 보였다. 수율은 온도가 증가하다 감소하는 경향을 보였으며, 560℃에서 가장 높은 값을 가짐을 확인할 수 있었다. 구체적인 탈수소화 생성물의 선택도는 표 6과 도 5에서 확인할 수 있으며, 그 결과 반응온도가 증가함에 따라 열에 의해 크래킹 반응이 촉진되어 C1~C3의 선택도는 증가하는 경향을 보였고, 전체적인 탈수소화 생성물의 선택도가 감소하는 경향과 같이, 노르말-부텐과 1,3-부타디엔의 선택도도 감소하는 경향을 보였다. 주요 부산물인 일산화탄소의 선택도는 반응온도가 증가함에 따라 오차범위 내에서 약간 증가하는 경향을 보였으며, 이산화탄소의 선택도는 오차범위 내에서 약간 감소하는 경향을 보였다. 결과를 종합해 보면, 전체적으로 반응온도가 증가하면서 노르말-부탄의 전환율이 증가하고, 탈수소화 생성물의 선택도(노르말-부텐 및 1,3-부타디엔)가 감소하는 경향을 보여 반응온도에 대한 최적의 수율이 존재하였다.
As shown in Table 6 and FIG. 4, the conversion of n-butane, the degree of selectivity and yield of dehydrogenation products differed according to the reaction temperature, and the conversion rate tended to increase with increasing reaction temperature. The selectivity of dehydrogenation products tended to decrease continuously. The yield tended to increase with increasing temperature, and it was confirmed that the highest value was obtained at 560 ° C. The selectivity of specific dehydrogenation products is shown in Table 6 and FIG. 5. As a result, as the reaction temperature increases, the cracking reaction is promoted by heat, and the selectivity of C1 to C3 tends to increase. As a result, the total dehydrogenation product The selectivity of n-butene and 1,3-butadiene also tended to decrease, as shown in Fig. The selectivity of carbon monoxide, which is a major byproduct, tended to increase slightly within the error range as the reaction temperature increased, and the selectivity of carbon dioxide tended to decrease slightly within the error range. As a result, the conversion rate of n-butane increased and the degree of selectivity of dehydrogenation products (n-butene and 1,3-butadiene) decreased with increasing reaction temperature as a whole. The yield was present.

Claims (13)

다음의 단계들을 포함하는, 단일단계 졸겔법에 의한 제조방법으로 제조된 마그네슘 오르소바나데이트 촉매 상에서 노르말-부탄, 산소, 이산화탄소 및 질소를 포함하는 혼합기체를 반응물로 하여, 이산화탄소와 산소를 산화제로 이용하는 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔의 제조방법:
(a) 마그네슘 전구체와 지르코늄 전구체를 제 1 용매에 용해시켜 마그네슘과 지르코늄의 혼합 전구체 용액을 제조하는 단계;
(b) 고체산을 제 2 용매에 용해시켜 고체산 용액을 제조하는 단계;
(c) 상기 (a) 단계에서 제조한 마그네슘과 지르코늄의 혼합 전구체 용액과 상기 (b)단계에서 제조한 고체산 용액을 혼합하여 혼합 고체산 전구체 용액을 제조하는 단계;
(d) 바나듐 전구체와 고체산을 제 3 용매에 용해시켜 바나듐 전구체 용액을 제조하는 단계;
(e) 상기 (c)단계에서 제조한 혼합 고체산 전구체 용액과 상기 (d)단계에서 제조한 바나듐 전구체 용액을 혼합하여 촉매 형성 용액을 제조하는 단계; 및
(f) 상기 촉매 형성 용액을 열건조하여 고형물질을 얻은 후 열처리하여 마그네슘 오르소바나데이트 촉매를 얻는 단계.
A mixed gas containing n-butane, oxygen, carbon dioxide and nitrogen is used as a reactant on a magnesium orobarnadate catalyst prepared by a single-step sol-gel process, which comprises the steps of: Butane and 1,3-butadiene characterized in that the oxidative dehydrogenation reaction of n-butane used is carried out.
(a) dissolving a magnesium precursor and a zirconium precursor in a first solvent to prepare a mixed precursor solution of magnesium and zirconium;
(b) dissolving the solid acid in a second solvent to produce a solid acid solution;
(c) mixing the mixed precursor solution of magnesium and zirconium prepared in step (a) and the solid acid solution prepared in step (b) to prepare a mixed solid acid precursor solution;
(d) dissolving the vanadium precursor and the solid acid in a third solvent to prepare a vanadium precursor solution;
(e) mixing the mixed solid acid precursor solution prepared in step (c) and the vanadium precursor solution prepared in step (d) to prepare a catalyst-forming solution; And
(f) thermally drying the catalyst-forming solution to obtain a solid material, followed by heat treatment to obtain a magnesium orsorbanate catalyst.
제 1 항에 있어서, 상기 (f)단계 전에, (e') 상기 (e)단계에서 제조한 촉매 형성 용액에 에틸렌글리콜을 첨가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔의 제조방법.
2. The method of claim 1, further comprising the step of adding ethylene glycol to the catalyst-forming solution prepared in step (e) before step (f). -Butadiene.
제 1항에 있어서, 상기 (a)단계에서 사용되는 마그네슘 전구체는 마그네슘의 클로라이드 전구체 및 나이트레이트 전구체로부터 선택되는 1종 이상이고, 상기 지르코늄 전구체는 지르코늄의 클로라이드 전구체, 옥시나이트레이트 전구체 및 옥시클로라이드 전구체로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the magnesium precursor used in step (a) is at least one selected from a chloride precursor and a nitrate precursor of magnesium, and the zirconium precursor is a precursor of zirconium chloride, an oxynitrate precursor and an oxychloride precursor Butene and 1,3-butadiene. ≪ RTI ID = 0.0 > 1. < / RTI >
제 1항에 있어서, 상기 (a)단계에서의 제 1 용매, 상기 (b)단계에서의 제 2 용매 및 (d)단계에서의 제 3 용매는 물 또는 알코올 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the first solvent in step (a), the second solvent in step (b), and the third solvent in step (d) are selected from water or alcohol. Butene and 1,3-butadiene.
제 1항에 있어서, 상기 (b)단계 및 (d)단계에서의 고체산은 시트르산, 숙신산, 말산 및 타르타르산으로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔의 제조방법.
3. The method according to claim 1, wherein the solid acid in the step (b) and the step (d) is at least one selected from the group consisting of citric acid, succinic acid, malic acid and tartaric acid. Gt;
제 1항에 있어서, 상기 (d)단계에서 사용되는 고체산:바나듐 전구체의 몰비가 0.5~2:1인 것을 특징으로 하는 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the molar ratio of the solid acid: vanadium precursor used in step (d) is 0.5 to 2: 1.
제 2항에 있어서, 상기 (e')단계에서 에틸렌글리콜: 상기 (b)단계와 (d)단계에서 사용된 총 고체산의 몰비는 0.5~4:1인 것을 특징으로 하는 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔의 제조방법.
3. The process according to claim 2, wherein the molar ratio of ethylene glycol to the total solid acid used in step (b) and step (d) in step (e ') is 0.5 to 4: , 3-butadiene.
제 1항에 있어서, 상기 (f)단계에서 열건조는 40~200℃의 온도 범위에서 수행되고, 열처리는 400~1000℃의 온도 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔의 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the thermal drying in step (f) is performed in a temperature range of 40 to 200 ° C, and the heat treatment is performed in a temperature range of 400 to 1000 ° C. Butadiene.
제 1항에 있어서, 상기 (f)단계에서 얻어진 마그네슘 오르소바나데이트 촉매 중의 바나듐 함량은 촉매의 전체 중량을 기준으로 4.2~11.2중량%인 것을 특징으로 하는 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the vanadium content in the magnesium orobarnadate catalyst obtained in step (f) is 4.2 to 11.2 wt% based on the total weight of the catalyst. Gt;
제 1항에 있어서, 상기 이산화탄소와 산소를 산화제로 이용하는 노르말-부탄의 산화적 탈수소화 반응은 300~800℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔의 제조 방법.
The process for preparing n-butene and 1,3-butadiene according to claim 1, wherein the oxidative dehydrogenation reaction of n-butane using carbon dioxide and oxygen as an oxidizing agent is carried out at 300 to 800 ° C.
제 1항에 있어서, 상기 혼합기체는 노르말-부탄:산소:이산화탄소:질소의 부피비는 2~10:0.5~30:20~30:30~77.5인 것을 특징으로 하는 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔의 제조 방법.
The method as claimed in claim 1, wherein the mixed gas has a volume ratio of normal-butane: oxygen: carbon dioxide: nitrogen of 2: 10: 0.5 to 30:20: 30: Butadiene.
제 1항에 있어서, 상기 혼합기체의 주입량은 노르말-부탄을 기준으로 공간속도(WHSV : Weight Hourly Space Velocity)가 1~140 ml·min-1gcat -1 에서 수행되는 것을 특징으로 하는 노르말-부텐 및 1,3-부타디엔의 제조 방법.



The method of claim 1, wherein the mixed gas is injected at a weight hourly space velocity (WHSV) of 1 to 140 ml · min -1 g cat -1 based on n-butane. Butene and 1,3-butadiene.



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