KR101595599B1 - 성형된 불균일 촉매 - Google Patents

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미카엘 페르 우노 칼손
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Abstract

본 발명은 길이 C와 직경 D를 갖는 원통체를 포함하는 촉매 유닛을 제공하며, 상기 유닛은 그것을 통해 종방향으로 연장되는 오각형 패턴으로 배열된 5개의 구멍과 상기 유닛의 길이를 따라 진행되는 5개의 플루트를 갖고, 상기 플루트는 상기 오각형 패턴의 인접한 구멍들과 등간격으로 위치된다. 상기 촉매는 특히 스팀 개질 반응기에 사용될 수 있다.

Description

성형된 불균일 촉매{SHAPED HETEROGENEOUS CATALYSTS}
본 발명은 성형된 불균일 촉매에 관한 것이다.
불균일 촉매는 일반적으로 입자층으로서 제공되며, 액상 및/또는 기체상 반응물 혼합물이 종종 높은 온도 및 압력하에 이러한 입자층을 통해 통과한다. 그러므로, 불균일 촉매 물질이 성형된 형태로 제공되어 촉매 활성과 처리량 사이의 균형을 제공하는 경우가 많다. 일반적으로, 촉매 입자가 작을수록 표면적이 더 크므로 활성도 크지만, 촉매층을 통한 압력 강하가 더 높기 때문에 더 낮은 처리량을 제공한다. 이에 대응하고자, 다양한 촉매의 구성이 사용되어 왔으며, 이러한 촉매의 구성은 기하학적 표면적을 증가시키고 압력 강하를 최소화하기 위한 시도로 하나 이상의 관통 구멍을 가질 수 있다.
WO 2004/014549호는 기체상 반응에 사용되는 성형된 불균일 촉매를 개시하고 있으며, 상기 촉매는 직경 대 높이 비율이 약 0.5:1 내지 1:1 범위이고 비원형 횡단면을 갖는 다수의 성형된 관통 구멍을 갖는 원통형 유닛을 포함한다. 일부의 실시양태는 추가로 원통체의 외부 길이를 따라 진행되는 2개, 3개 또는 4개의 V자형 플루트(flute) 또는 채널을 갖는다.
플루트와 구멍은 둘 다 이론적인 기하학적 표면적을 증가시킬 수 있지만, 펠릿의 강도는 일반적으로 구멍과 플루트의 수가 증가함에 따라서 감소한다. 종래, 4개, 7개 및 10개의 구멍을 갖는 펠릿이 제조되었지만, 강도와 기하학적 표면적이 여전히 대부분의 필요한 용도에 항상 충분한 것은 아닐 수 있다. 본 발명자들은 이와 같은 구성과 관련된 문제점을 극복하는 촉매 유닛을 설계하였다.
따라서, 본 발명은 길이 C와 직경 D를 갖는 원통체를 포함하는 촉매 유닛을 제공하며, 상기 유닛은 그것을 통해 종방향으로 연장되는 오각형 패턴으로 배열된 5개의 구멍과 상기 유닛의 길이를 따라 진행되는 5개의 플루트를 갖고, 상기 플루트는 상기 오각형 패턴의 인접한 구멍들과 등간격으로 위치된다.
또한, 본 발명은 (i) 분말화 지지체 물질을 임의로 펠릿화 조제와 함께 펠릿화 다이내로 공급하는 단계; (ii) 분말을 압착하여 성형된 유닛을 형성하는 단계; 및 (iii) 임의로 상기 성형된 유닛을 가열하여 촉매 유닛을 형성하는 단계를 포함하고, 여기서 상기 다이는 상기 촉매 유닛이 길이 C와 직경 D를 갖는 원통체 형태로 존재하고, 상기 유닛이 그것을 통해 종방향으로 연장되는 오각형 패턴으로 배열된 5개의 구멍과 상기 유닛의 길이를 따라 진행되는 5개의 플루트를 갖고, 상기 플루트는 상기 오각형 패턴의 인접한 구멍들과 등간격으로 위치되도록 성형된다.
또한, 본 발명은 반응 혼합물, 바람직하게는 기체상 반응 혼합물을 촉매적 반응을 수행하기 위한 조건하에서 상기 촉매와 접촉시키는 것을 포함하는 상기 촉매를 사용하는 촉매적 방법을 제공한다.
본 발명자들은 5개의 구멍을 갖는 5엽 촉매 유닛이 종래의 촉매 유닛에 비해서 보다 큰 기하학적 표면적과 강도를 제공한다는 것을 발견하였다.
대부분의 촉매 용도에 있어서, C는 2 내지 25 mm 범위인 것이 바람직하고 D는 4 내지 40 mm 범위인 것이 바람직하다.
촉매 유닛은 상부가 평평하거나 돔형 단부를 가질 수 있다. 상기 원통체는 길이가 A와 B인 돔형 단부를 갖는 것이 바람직하다. 원통체의 한 단부 또는 양 단부, 바람직하게는 양 단부가 돔형이다. A와 B는 동일하거나 상이할 수 있다. 촉매 유닛의 원통형 부분에 대한 돔 비율(즉, (A+B)/C)는 0.10 내지 0.40 범위일 수 있다. 다른 예로서, 상기 돔 비율은 0.40 내지 5.00 범위가 되어 비교적 고도로 돔형인 구조를 제공하며, 이러한 돔형 구조에서 유닛이 충전된 층으로 위치될 경우에 종래 기술의 구조에 비해서 구멍은 더욱 접근이 용이하다. 이러한 실시양태에서, (A+B)/C는 0.4 내지 3.00 범위인 것이 바람직하다. 돔형 단부는 횡단면이 원 또는 타원인 세그먼트들을 형성하며 반경 R은 D/2 이상인 것이 바람직하다.
상기 촉매 유닛의 종횡비(총 길이를 직경으로 나눈 것으로 정의할 수 있음), 즉, C/D 또는 돔형 단부인 경우 (A+B+C)/D는 0.5 내지 2.0 범위인 것이 바람직하다. (A+B+C)/D가 0.75 내지 1.50인 것이 바람직한데, 이 값이 상기 촉매 유닛이 적층하는 경향을 감소시킴과 동시에 파괴되는 경향을 감소시키기 때문이다.
상기 촉매 유닛은 그 길이를 따라 관통하여 축방향으로 연장되는 5개의 구멍을 갖는다. 구멍은 원통체의 횡단면에 대해 대칭으로 위치됨으로써 형성되는 촉매의 강도를 최대화하는 것이 바람직하다. 본 발명자들은 오각형 패턴이 예컨대 중앙의 구멍을 가진 사각형 패턴으로 배열된 5개의 구멍과 비교하여 형성되는 펠릿의 강도를 최대화한다는 것을 발견하였다. 촉매 유닛이 중앙 구멍을 갖지 않는다는 것이 본 발명의 특징이다. 본 발명에서 오각형 패턴은 각 변이 동일한 길이를 갖는 완전한 오각형일 필요는 없으나, 완전한 오각형인 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명에 따른 배열에서, 5개의 엽을 형성하는 5개의 플루트 또는 채널이 존재하고, 각각의 엽에서 한 구멍은 인접하는 플루트 또는 채널과 동일한 간격으로 위치된다.
구멍은 횡단면이 원형이거나 상기 WO 2004/014549호에 개시된 바와 같이 하나 이상의 다양한 횡단면을 가질 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 모든 구멍의 횡단면이 원형인데, 이것이 형성되는 촉매 유닛의 강도를 최대화하기 때문이다.
구멍은 동일한 크기를 갖거나 상이한 크기를 가질 수 있다. 구멍(들)은 원형 횡단면을 갖고 독립적으로 0.05D 내지 0.5D, 더욱 바람직하게는 0.1D 내지 0.3D 범위의 직경 d'를 갖는 것이 바람직하다.
촉매 유닛은 그 길이를 따라 진행되는 5개의 플루트를 갖는다. 상기 플루트는 직선형이고 촉매 유닛의 외부를 따라 축방향으로 길이로 연장되는 것이 바람직한데, 제작하기가 간단하기 때문이다. 상기 플루트의 형태는 반원형, 타원형, U자형, V자형, П자형 또는 이들의 변형된 형태일 수 있다.
상기 플루트 또는 채널은 상기 오각형 패턴의 등간격의 인접한 구멍이 되도록, 즉, 각각의 플루트의 중심이 2개의 인접한 구멍의 중심과 대칭 삼각형을 형성하도록 대칭으로 위치된다. 구멍들이 완전한 오각형으로 배열될 경우, 모든 플루트는 촉매 유닛의 원주 주위에 동일한 간격으로 위치된다. 플루트가 반원형 또는 타원형일 경우에, 이들은 독립적으로 0.05D 내지 0.5D, 바람직하게는 0.1D 내지 0.333D 범위의 직경 d", 폭 또는 깊이를 가질 수 있다.
본 발명자들은 특히 총 플루트 폭, 즉, 조합된 개구부를 촉매 유닛의 원주의 35% 이하(즉, ≤0.35(πD))로 제한하는 것이, 촉매층내 인접한 유닛들 사이의 맞물림을 방지하기 때문에, 바람직하다는 것을 발견하였다. 맞물림은 흐름을 감소시킬 수 있지만, 그 영향력에 기인하여 파괴된 촉매를 유발할 수가 있다.
제작 과정에 도움을 주기 위해서, 한쪽 또는 양쪽 돔형 단부를 성형된 유닛의 원통체 부분의 한쪽 단부 또는 양쪽 단부상에 립(lip)을 제공하도록 위치할 수 있다. 상기 립의 폭 w'는 0.2 내지 2.0 mm 범위인 것이 바람직할 수 있다.
상기 촉매 유닛은 촉매를 직접 생성하는 1종 이상의 촉매 활성 금속을 함유하는 분말화 조성물로부터 제조하거나, 1종 이상의 분말화 촉매 지지체 물질로부터 제조한 후에, 수득한 유닛을, 예를 들어 1종 이상의 금속 화합물로 함침 또는 부착시켜 처리하여 촉매를 제조한다.
촉매 유닛은 분말화 금속, 금속 산화물, 금속 수산화물, 금속 탄산염, 금속 수산화탄산염 또는 이들의 혼합물을 사용해서 제조할 수 있다.
촉매 활성 금속을 함유하는 분말화 조성물은 각각의 금속 산화물, 탄산염, 수산화물 또는 수산화탄산염을 혼합함으로써 제조하거나, 또는 공지의 침전 기법에 의해서 가용성 염의 혼합물을 예컨대 알칼리 침전제를 사용하여 침전시키고, 건조시킨후 임의로 하소시킴으로써 제조할 수 있다.
바람직한 촉매 지지체 물질은 분말화 알루미나, 티타니아, 지르코니아, 금속-알루미네이트 또는 이들의 혼합물로부터 선택되며, 이러한 지지체는 1종 이상의 안정화 화합물, 예컨대 란타나(Lanthana), 실리카 및 산화칼륨을 함유할 수 있다. 이를 사용하여 제조한 촉매 유닛은 성형된 촉매 지지체 유닛으로 명명될 수 있으므로, 최종 촉매는 상기 성형된 촉매 지지체 유닛내로 함침되고/되거나 성형된 촉매 지지체 유닛상에 부착된 1종 이상의 금속 화합물을 더 포함한다.
촉매 유닛은 Na, K, Mg, Ca, Ba, Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Sn, Sb, La, Hf, W, Re, Ir, Pt, Au, Pb 또는 Ce로부터 선택된 1종 이상의 금속을 포함하는 것이 바람직하다.
촉매 유닛은 기존의 방법을 사용해서 공지의 촉매 제제를 사용하여 제조할 수 있다.
한 실시양태에서, 촉매 유닛은 1종 이상의 전이 금속, 예컨대 니켈, 코발트, 철 또는 구리, 및/또는 1종 이상의 귀금속, 예컨대 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐 또는 루테늄을 포함하며, 이러한 금속들은 금속, 산화물, 수산화물, 탄산염 또는 수산화탄산염의 형태로 존재한다.
다른 실시양태에서, 촉매 유닛은 1종 이상의 전이 금속, 예컨대 니켈, 구리, 코발트 또는 철 및/또는 귀금속, 예컨대 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐 또는 루테늄을 포함하며, 이와 같은 금속은 내화성 촉매 지지체 물질, 예컨대 알루미나계, 칼슘 알루미네이트계, 마그네슘 알루미네이트계 또는 지르코니아계 성형 촉매 지지체 유닛내로 함침되거나 상기 지지체 유닛상에 부착된다.
이와 같은 촉매 중의 전이 금속 및 귀금속 함량은 85 중량% 이하일 수 있지만, 1-60 중량% 범위인 것이 바람직하다.
펠릿화는 본 발명의 바람직한 제조 방법이다. 그러므로, 촉매 유닛을 제조하는 방법은 (i) 분말화 물질을 임의로 펠릿화 조제 또는 윤활제, 예컨대 흑연 또는 스테아르산마그네슘과 함께 펠릿화 다이내로 공급하는 단계, (ii) 상기 분말을 압착하여 성형된 유닛을 제조하는 단계, 및 (iii) 임의로 상기 성형된 유닛을 가열하여 촉매 유닛을 제조하는 단계를 포함한다. 상기 가열 단계는 하소시키는 것을 포함할 수 있고, 촉매 유닛의 강도를 증가시키기 위해 수행할 수 있다.
분말화 물질은 1종 이상의 촉매 활성 금속을 환원된 형태 및/또는 산화된 형태로 포함하거나, 촉매 지지체 물질일 수 있으며, 이 경우에 최종 촉매는 금속 화합물을 성형된 촉매 지지체 유닛내로 함침시키고/함침시키거나 금속 화합물을 성형된 촉매 지지체 유닛상에 부착시키는 별도의 단계에 의해서 제조될 수 있다. 이를 수행하기 위해서 공지의 기법을 사용할 수 있다. 예를 들면, 한 실시양태에서, 질산니켈의 용액을 성형된 촉매 지지체 유닛내로 함침시키고, 건조시킨 후에 하소시켜서 질산니켈을 분해시킴으로써 산화니켈 함유 촉매를 제조할 수 있다. 다른 예로서, 분말화 물질은 건조되고 임의로 하소 및/또는 환원 및 부동화된, 1종 이상의 촉매 금속을 포함하는 침전된 조성물일 수 있다.
다른 제조 방법을 사용할 수도 있으며, 그 예로서는 사출 성형, 또는 가능하게는 성형된 압출물을 제조하는 압출 절차에 이어서 압출물상에 돔을 형성하는 2단계 절차를 들 수 있다.
촉매 금속 화합물을 함유하는 촉매 유닛을 다양한 처리법, 예를 들면 수소 함유 및/또는 일산화탄소 함유 기체 스트림으로 환원시키거나 또는 예컨대 황화수소로 황화시켜서 그들을 사용시 활성으로 만드는 방법으로 처리할 수 있다. 후처리는 외부계상에서 또는 동일계상에, 즉, 사용될 반응기에 공급하기 이전 또는 이후에 수행할 수 있다.
본 발명에 의해 제조된 촉매 유닛은 임의의 불균일 촉매적 방법에 사용될 수 있지만, 고정층 방법에 사용되는 것이 바람직하고, 기체상 반응물을 사용하는 고정층 방법에 사용되는 것이 더욱 바람직하다. 그러므로, 촉매적 방법은 반응 혼합물, 바람직하게는 기체상 반응 혼합물을 촉매적 반응을 수행하기 위한 조건하에서 촉매와 접촉시키는 것을 포함한다. 촉매적 방법은 수소첨가 처리, 예를 들면 수소첨가탈황, 수소첨가, 스팀 개질, 예컨대 사전 개질(pre-reforming), 촉매 스팀 개질, 자열(autothermal) 개질 및 2차 개질 및 철의 직접 환원에 사용되는 개질 방법, 촉매 부분 산화반응, 수성 가스 전환 반응(water-gas shift), 예컨대 등온 전환, 사우어(sour) 전환, 저온 전환, 중간 온도 전환, 중온 전환 및 고온 전환 반응, 메탄화 반응, 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응에 의한 탄화수소 합성, 메탄올 합성, 암모니아 합성, 암모니아 산화 및 아산화질소 분해 반응으로부터 선택될 수 있다. 또한, 촉매 유닛을 사용하여 수은 및 비소와 같은 중금속을 오염된 기체상 또는 액상 유체 스트림으로부터 회수할 수도 있다.
바람직한 용도는 탄화수소의 촉매 스팀 개질에 사용하는 용도이며, 여기서 천연 가스 또는 나프타와 같은 탄화수소를 스팀과 혼합하여 높은 온도 및 압력하에, 일반적으로 내화성 지지체상에 Ni 또는 다른 VIII족 금속을 포함하고 다수의 외부 가열된 촉매 튜브에 배치된 촉매 유닛의 층을 통해 통과시킨다. 다른 바람직한 용도는 자열 개질 및 2차 개질이며, 여기서는 탄화수소 함유 기체 혼합물을 산소 또는 공기를 사용하여 부분 산화시키고 수득한 가열된 부분 산화된 기체 혼합물을 역시 일반적으로 내화성 지지체상에 Ni 또는 다른 VIII족 금속을 포함하는 스팀 개질 촉매의 고정층을 통해 통과시킨다.
이하에서는 도면을 참고로 하여 본 발명을 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명에 따른 촉매 유닛의 측면도이다.
도 2는 도 1의 촉매 유닛의 상면을 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 촉매 유닛과 비교예 촉매 유닛의 등축척도이다.
도 1 및 도 2는 길이가 C이고 직경이 D이며, 촉매 유닛을 통해 연장되는 원형 횡단면을 갖는 대칭으로 위치된 5개의 구멍(14)을 갖는 원통체(12) 형태의 촉매 유닛(10)을 도시한 것이다. 5개 구멍의 중심은 대략 오각형 패턴을 형성한다. 4개 구멍 각각의 직경(d')은 약 0.17D이다. 상기 원통체(12)는 횡단면에서 세그먼트들을 형성하는 길이가 A 및 B인 돔형 단부(16,18)를 갖는다. A와 B는 동일하다. (A+B+C)/D는 약 1.04이다. (A+B)/C는 약 0.34이다. 촉매 유닛은 그 길이를 따라서 진행되고 유닛의 원주 주위에 등간격으로 위치된 5개의 직선형 플루트(20)를 갖는다. 상기 플루트(20)는 인접한 구멍(14)에 등간격으로 위치한다. 상기 플루트는 모두 거의 반원형이며 약 0.17D의 직경(d")을 갖는다. 상기 유닛은 립(22)을 가지며, 여기에서 돔형 단부(16,18)가 원통형 부분(12)과 연결된다.
도 3은 본 발명에 따른 5개의 구멍을 갖는 촉매 유닛 (5H-P)와 본 발명에 따른 것이 아닌 다른 유닛 (5H-Q)를 도시한 것이다. 5H-Q에서, 5개의 구멍들은 중앙 구멍을 갖는 사각형으로 배열되므로, 이 유닛은 단 4개의 플루트를 갖는다. 두 경우에 모두 (A+B+C)/D는 1.25이다.
이하에서는 실시예를 참고로 하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.
실시예 1
도 3에 도시된 펠릿에 대한 컴퓨터 연구에 근거하여, 동일한 물질로부터 제조된 5H-P(본 발명에 따른 것) 및 5H-Q(본 발명에 의하지 않은 것)의 계산된 특성을 이하에 제시하였다.
Figure 112011026107811-pct00001
본 발명에 따른 구성에 의하면 GSA는 아주 조금 더 우수하지만 강도는 현저하게 개선된다.

Claims (19)

  1. 길이 C와 직경 D를 갖는 원통체를 포함하고, 촉매 유닛을 통해 종방향으로 연장되는 오각형 패턴으로 배열된, 0.1D 내지 0.3D 범위의 직경 d'를 갖는 원형 횡단면의 5개의 구멍과 유닛의 길이를 따라 진행되는 5개의 플루트로 이루어지고, 상기 플루트는 상기 오각형 패턴의 인접한 구멍들과 등간격으로 위치된 것인 촉매 유닛.
  2. 제1항에 있어서, 길이가 C인 원통체가 길이 A 및 B의 돔형 단부를 갖고 (A+B)/C가 0.10 내지 5.00 범위인 촉매 유닛.
  3. 제1항에 있어서, 총 길이를 직경으로 나눈 것으로 정의되는 종횡비가 0.5 내지 2.00 범위인 촉매 유닛.
  4. 제1항에 있어서, 플루트가 반원형 또는 타원형이며 독립적으로 0.05D 내지 0.5D 범위의 직경 d", 폭 또는 깊이를 갖는 것인 촉매 유닛.
  5. 제1항에 있어서, 총 플루트의 폭이 유닛의 원주의 35% 이하인 촉매 유닛.
  6. 제1항에 있어서, 한쪽 또는 양쪽 돔형 단부가 원통체의 한쪽 또는 양쪽 단부 상에 립을 제공하도록 위치된 촉매 유닛.
  7. 제1항에 있어서, 금속 산화물, 금속 수산화물, 금속 탄산염, 금속 수산화탄산염 또는 이들의 혼합물로부터 선택된 금속 또는 금속 화합물을 포함하는 촉매 유닛.
  8. 제7항에 있어서, 금속 또는 금속 화합물이 Na, K, Mg, Ca, Ba, Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Sn, Sb, La, Hf, W, Re, Ir, Pt, Au, Pb 또는 Ce로부터 선택된 1종 이상의 금속을 포함하는 것인 촉매 유닛.
  9. 제1항에 있어서, 상기 유닛 내로 함침되고/되거나 상기 유닛 상에 부착된 1종 이상의 금속 화합물을 함유하는 촉매 유닛.
  10. 제9항에 있어서, 금속 화합물이 Na, K, Mg, Ca, Ba, Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Sn, Sb, La, Hf, W, Re, Ir, Pt, Au, Pb 또는 Ce로부터 선택된 1종 이상의 금속을 포함하는 것인 촉매 유닛.
  11. (i) 분말화 물질을 펠릿화 다이 내로 공급하는 단계; 및 (ii) 분말을 압착하여 성형된 유닛을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 다이는 촉매 유닛이 길이 C와 직경 D를 갖는 원통체 형태이며, 상기 유닛이 그것을 통해 종방향으로 연장되는 오각형 패턴으로 배열된, 0.1D 내지 0.3D 범위의 직경 d'를 갖는 원형 횡단면의 5개의 구멍과 유닛의 길이를 따라 진행되는 5개의 플루트로 이루어지고, 상기 플루트가 상기 오각형 패턴의 인접한 구멍들과 등간격으로 위치되도록 성형된 것인, 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 촉매 유닛의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 분말화 물질이, 건조되고 임의로 하소 및/또는 환원 및 부동화된, 1종 이상의 촉매 금속을 포함하는 침전된 조성물인 방법.
  13. 제11항에 있어서, 분말화 물질이 촉매 지지체 물질인 방법.
  14. 제13항에 있어서, 형성된 유닛을 1종 이상의 금속 화합물로 함침 또는 부착시켜 처리하는 단계를 더 포함하는 방법.
  15. 반응 혼합물을, 촉매적 반응을 수행하기 위한 조건 하에서 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 촉매 유닛과 접촉시키는 것을 포함하는, 촉매 유닛을 사용하는 촉매적 방법.
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