KR101711108B1 - 쌍봉 분포의 기공 크기 분포를 가지는 촉매 및 그의 용도 - Google Patents

쌍봉 분포의 기공 크기 분포를 가지는 촉매 및 그의 용도 Download PDF

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Abstract

본 발명은 올레핀을 에폭시화시켜 산화올레핀을 제조하기 위한 촉매에 관한 것으로서, 상기 촉매는 2개 이상의 기공 크기 분포를 가지는 담체를 포함하고, 각 기공 크기 분포는 상이한 평균 기공 크기 및 상이한 최대 농도의 기공 크기를 가지며 상기 촉매는 유효 촉매량의 은, 조촉매량의 레늄 및 조촉매량의 알칼리 금속 1종 이상을 더 포함하며, 여기서 2개 이상의 기공 크기 분포는 약 0.01 m 내지 약 50 m의 기공 크기 범위 내인 것이다. 또한, 본 발명은 상기 촉매를 이용하여 올레핀을 산화시켜 산화올레핀을 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

쌍봉 분포의 기공 크기 분포를 가지는 촉매 및 그의 용도 {CATALYST WITH BIMODAL PORE SIZE DISTRIBUTION AND THE USE THEREOF}
본 발명은 일반적으로 올레핀을 산화시켜 산화올레핀을 제조하기 위한 에폭시화에 유용한 촉매 및 특히 담체 설계의 개선에 의하여 선택성이 개선된 그러한 촉매에 관한 것이다.
올레핀을 에폭시화하기 위한 개선된 촉매 제조에 대한 관심은 계속되어 왔다. 특히 고도로 선택적인 에틸렌의 에폭시화 촉매에 대한 관심이 높다. 이들 촉매는 통상 알파 알루미나 등의 다공성 내화 담체를 포함하고, 이것은 그 표면에 촉매량의 은 (銀) 및 에폭시화 공정에 있어서의 선택성을 증가시키기 위한 1종 이상의 조촉매를 포함하는 것이다. 증기상에서 에틸렌을 부분적으로 산화시켜 산화에틸렌을 제조하기 위하여 은 촉매의 조촉매로서 알칼리 금속 및 전이 금속을 사용하는 것은 잘 알려져 있다. 촉매의 예는 미국 특허 제4,010,155호; 제4,012,425호, 제4,123,385호, 제4,066,575호, 제4,039,561호 및 제4,350,616호에 개시되어 있다. 이러한 고도로 선택적인 촉매들은 은 이외에, 미국 특허 제4,761,394호 및 제4,766,105호에 설명되어 있는 바와 같이 레늄, 몰리브데늄, 텅스텐 또는 질산염 형성 화합물 또는 아질산염 형성 화합물과 같은 선택성을 증진시키는 조촉매를 포함한다. 촉매들은 미국 특허 제3,962,136호 및 제4,010,115호에 개시되어 있는 바와 같이 알칼리 금속과 같은 성분을 더 포함할 수 있다.
지난 20년간에 걸쳐, 레늄은 내화 다공성 담체에 의하여 담지되는 알칼리 금속으로 촉진되는 은계 (銀系) 촉매의 선택성을 개선하는 데 효율적인 것으로 평가되었다. 이 기술 분야의 몇 가지 참고 문헌으로서는 미국 특허 제4,761,394호 및 제4,833,261호가 있다. S, Mo, W, Cr을 사용함으로써 알칼리 금속 및 레늄에 의하여 촉진되는 은계 촉매를 더욱 개선한 것이 미국 특허 제4,766,105호, 제4,820,675호 및 제4,808,738호에 개시되어 있다. 유럽 특허 제1 074301 Bl호와 WO 제2002/051547호는 C2~C16 탄화수소의 탈수소화를 위한 산화알루미늄, 산화티타늄 및/또는 산화실리콘 및 1종 이상의 제1 주족 원소 및 제2 주족 원소, 제3 아족 원소 및 제8 아족 원소를 포함하는 쌍봉 (雙峰) 분포 (bimodal)의 기공 크기 분포를 가지는 촉매를 개시하고 있다.
은계 에폭시화 담지 촉매의 화학적 조성 외에, 담체 뿐만 아니라 최종 촉매의 물리적 특징도 촉매 개발의 필수적인 부분이 되어 왔다. 일반적으로, 은계 촉매 담체는 특징적인 기공 부피와 기공 크기 분포를 나타낸다. 나아가, 표면적 및 흡수성이 이러한 촉매 담체의 잘 알려진 특징이다. 특히 촉매가 레늄으로 촉진되는 경우, 최종 촉매의 물리적 특징과 그 특징의 촉매능에 대한 영향은 지금까지 여겨졌던 것보다 더욱 복잡하다는 것이 이제 밝혀지게 되었다. 표면적 뿐만 아니라, 기공 부피 및 기공 크기 분포, 기공 크기 분포의 패턴, 특히 상이한 봉 (峰) 분포 (mode)의 수와 그 특정한 특징이 촉매 선택성에 유의 (有意)한 긍정적 영향을 미친다는 것이 이제 알려지게 되었다.
은, 레늄 및 조촉매류를 다봉 (多峰) 분포 (multimode) (예컨대, 쌍봉 분포)의 기공 분포를 가지는 고체 담체에 석출시키면, 개선된 촉매 선택성을 얻을 수 있다는 사실을 예기치 않게 발견하기에 이르렀다.
제1의 관점에 있어서, 본 발명은 두 가지 이상의 기공 크기 분포 (즉, 쌍봉 분포 이상의 기공 분포)를 가지며, 각 기공 크기 분포는 상이한 평균 기공 크기와 상이한 최대 농도의 기공 크기를 가지는 것인 촉매 담체 (즉, 캐리어)를 포함하는 올레핀 에폭시화 촉매에 관한 것이다. 상기 2개 이상의 기공 크기 분포는 좋기로는 약 0.01 μm 내지 약 50 μm의 기공 크기 범위 내이다. 상기 촉매는 촉매 유효량의 은, 조촉매량의 레늄 및 조촉매량의 알칼리 금속 1종 이상을 더 포함한다.
한 가지 실시 상태에 있어서, 상기 담체의 기공 크기 분포 중 1개 이상은 약 0.01 μm 내지 약 5 μm의 기공 크기 범위 내이다.
또 다른 실시 상태에 있어서, 상기 담체의 기공 크기 분포 중 1개 이상은 약 5 μm 내지 약 30 μm의 기공 크기 범위 내이다.
또 다른 실시 상태에 있어서, 상기 담체의 기공 크기 분포 중 2개 이상은 약 0.01 μm 내지 약 5 μm의 기공 크기 범위 내이다.
또 하나의 실시 상태에 있어서, 상기 담체의 기공 크기 분포 중 2개 이상은 약 5 μm 내지 약 30 μm의 기공 크기 범위 내이다.
또 하나의 다른 실시 상태에 있어서, 상기 담체의 기공 크기 분포 중 적어도 하나는 약 0.01 μm 내지 약 5 μm의 기공 크기 범위 내이고, 상기 담체의 기공 크기 분포 중 적어도 하나는 약 5 μm 내지 약 30 μm의 기공 크기 범위 내이다. 별법으로는, 상기 기공 크기 분포 중 적어도 하나는 약 0.01 μm 내지 약 5 μm 범위 내 (예컨대, 5 μm 또는 그 미만)의 평균 기공 크기를 가지고, 상기 기공 크기 분포 중 적어도 하나는 약 5 μm (예컨대, 5 μm 또는 5 μm 초과) 내지 약 30 μm 범위 내의 평균 기공 크기를 가진다.
특정의 실시 상태에 있어서, 상기 담체는 제1봉 분포 기공 및 제2봉 분포 기공으로 구성되는 쌍봉 분포의 기공 크기 분포를 가진다. 좋기로는, 제1봉 분포 기공은 평균 기공 지름이 약 0.01 μm 내지 약 5 μm 범위이고, 제2봉 분포 기공은 평균 기공 지름이 약 5 μm 내지 약 30 μm 범위이다.
본 발명은 올레핀을 산화시켜 산화올레핀을 얻기 위한 방법도 역시 제공하는데, 상기 방법은 전술한 촉매의 존재하에 관형 반응기의 고정층 (固定層)에서 산소 분자로 올레핀 (예컨대, 에틸렌)을 증기상 산화시키는 것을 포함한다.
도 1은 단봉 (單峰) 분포 대 쌍봉 분포의 기공 크기 분포의 그래프를 나타낸다.
본 발명에서 이용되는 담체는 다공성이고 양호한 기공 구조를 제공하는 다양한 고체 내화성 담체로부터 선택될 수 있다. 알루미나는 올레핀의 에폭시화용 촉매 담체로서 유용한 것으로 알려져 있고 양호한 담체이다. 상기 알루미나 담체는 에폭시화 촉매 반응에 영향을 미칠 수도 아닐 수도 있는 각종 불순물과 첨가물도 역시 포함할 수도 있다. 양호한 알루미나 담체를 제조하는 공정에 있어서, 고순도 산화알루미늄, 좋기로는 알파-알루미나를 임시 결합제 및 영구 결합제와 충분히 혼합한다. 소진 (燒盡) 물질로 알려져 있는 임시 결합제는 분해시 담체의 기공 구조를 변화시키는 중간 정도의 분자량 내지 고분자량의 열분해성 유기 화합물이다. 영구 결합제는 융합 온도가 통상 알루미나의 융합 온도보다 낮은 점토형의 무기 물질로, 최종 담체에 기계적 강도를 부여하게 된다. 충분히 건조 혼합한 후, 충분한 물 및/또는 기타 적절한 액체를 첨가하여 덩어리가 페이스트에 유사한 물질을 형성하도록 한다. 이어서, 사출 등의 종래의 수단에 의하여 페이스트로부터 촉매 담체 입자를 성형한다. 다음에, 상기 입자를 건조시키고, 이어서 고온에서 하소한다.
상기 담체는 알파-알루미나, 활성탄, 부석 (浮石), 마그네시아, 지르코니아, 티타니아, 규조토, 백토 (白土), 실리콘 카바이드, 실리카, 실리콘 카바이드, 점토, 인조 제올라이트, 천연 제올라이트, 이산화실리콘 및/또는 이산화티타늄, 세라믹 및 이들의 조합 등의 물질로 이루어질 수 있다. 양호한 담체는 매우 고순도의 알파-알루미나, 즉 적어도 95 질량%의 순도 또는 더 좋기로는 적어도 98 질량%의 알파-알루미나로 구성된다. 나머지 구성 성분으로 실리카, 알칼리 금속 산화물 (예컨대, 나트륨 옥사이드) 등의 알파-알루미나 이외의 무기 산화물과 미량의 기타 금속을 함유하거나 또는 비금속을 함유하는 첨가물 또는 불순물을 포함할 수 있다.
본 발명에서 이용되는 고체 담체는 다봉 분포의 기공 크기 분포 (즉, 상이한 기공 크기 범위, 각 범위는 상이한 최대 농도의 기공 크기를 가진다)를 갖는다. 다봉 분포의 기공 크기 분포는 적어도 쌍봉 분포, 따라서 삼봉 분포, 사봉 분포 또는 다봉 분포일 수 있다. 다봉 분포의 기공 크기 분포는 2개 이상의 봉 분포 (mode)의 기공 크기로 특징 지워지며, 각 기공 크기 분포는 또 다른 기공 크기 분포와 교차되거나 교차되지 않으며, 각 기공 크기 분포는 고유의 기공 크기 (기공 지름)와 피크 농도 (통상 피크 기공 부피로 표현된다)를 가진다. 각 기공 크기 분포는 하나의 평균 기공 크기 (평균 기공 지름) 값에 특징이 있다. 따라서, 기공 크기 분포용으로 주어진 평균 기공 크기 값은 반드시 지시된 평균 기공 크기 값이라는 결과를 나타내는 기공 크기 범위에 해당된다.
담체는 임의의 적절한 기공 지름 분포를 가질 수 있다. 본 명세서에 사용되는, "기공 지름"이라는 용어는 "기공 크기"와 상호 교환될 수 있도록 사용된다. 통상 각 범위의 기공 지름은 약 0.01 미크론 (0.01 μm) 이상, 더욱 일반적으로는 약 0.1 μm 이상이다. 다른 실시 상태에 있어서, 기공 지름은 약 0.2 μm 이상, 또는 0.3 μm, 또는 0.4 μm, 또는 0.5 μm, 또는 0.6 μm, 또는 0.7 μm, 또는 0.8 μm, 또는 0.9 μm, 또는 1.0 μm, 또는 1.5 μm, 또는 2.0 μm일 수 있다. 통상, 기공 지름은 약 50 μm, 40 μm, 30 μm, 20 μm, 또는 10 μm 이하이다. 특정의 실시 상태에 있어서, 기공 지름은 약 9 μm, 또는 8 μm, 또는 7 μm, 또는 6 μm, 또는 5 μm, 또는 4 μm, 또는 3 μm, 또는 2.5 μm 이하이다. 이하의 최소 및 최대의 예시 값으로부터 유도되는 임의의 범위도 역시 본 발명에서 적절하다. 다른 실시 상태에 있어서, 각 분포의 기공용으로 적합한 기공 지름 범위는 각 분포의 기공의 범위가 다르고 각 범위가 각기 다른 최대 농도의 기공 크기를 가지는 한, 예컨대 0.01~50 μm, 1~50 μm, 2~50 μm, 5~50 μm, 10~50 μm, 20~50 μm, 30~50 μm, 0.01~40 μm, 1~40 μm, 2~40 μm, 5~40 μm, 10~40 μm, 20~40 μm, 30~40 μm, 0.01~ 30 μm, 0.05~30 μm, 0.1~30 μm, 0.5~30 μm, 1~30 μm, 2~30 μm, 3~30 μm, 4~30 μm, 5~30 μm, 10~30 μm, 15~30 μm, 20~30 μm, 0.01~10 μm, 0.05~10 μm, 0.1~10 μm, 0.5~10 μm, 1~10 μm, 2~10 μm, 3~10 μm, 4~10 μm, 5~10 μm, 640 μm, 7~10 μm, 8~10 μm, 9~10 μm, 0.01~8 μm, 0.05~8 μm, 0.1~8 μm, 0.5~8 μm, 1~8 μm, 1.5~8 μm, 2~8 μm, 2.5~8 μm, 3~8 μm, 4~8 μm, 5~8 μm, 6~8 μm, 7~8 μm, 0.01~6 μm, 0.05~6 μm, 0.1~6 μm, 0.5~6 μm, 1~6 μm, 1.5~6 μm, 2~6 μm, 2.5~6 μm, 3~6 μm, 4~6 μm, 5~6 μm, 0.01~5 μm, 0.05~5 μm, 0.1~5 μm, 0.5~5 μm, 1~5 μm, 1.5~5 μm, 2~5 μm, 2.5~5 μm, 3~5 μm, 3.5~5 μm, 4~5 μm, 0.01~4 μm, 0.05~4 μm, 0.1~4 μm, 0.5~4 μm, 1~4 μm, 1.5~4 μm, 2~4 μm, 2.5~4 μra, 3~4 μm, 3.5~4 μm, 0.01~3 μm, 0.05~3 μm, 0.1~3 μm, 0.5~3 μm, 1~3 μm, 1.5~3 μm, 2~3 μm, 2.5~3 μm, 0.01~2 μm, 0.05~2 μm, 0.1~2 μm, 0.5~2 μm, 1~2 μm 및 1.5~2 μm로부터 독립적으로 선택될 수 있다.
제1봉 분포 및 제2봉 분포의 기공은 상이한 평균 기공 크기 (즉, 각기 다른 평균 기공 지름)를 갖는다. 좋기로는, 기공 분포 중 1개 이상은 약 0.01 μm 내지 약 5 μm 범위 내의 평균 기공 지름을 가진다. 더욱 좋기로는, 제1 및 제2 기공 분포 모두는 그 평균 기공 지름이 다른 한, 약 0.01 μm 내지 약 5 μm 범위 내의 평균 기공 지름을 가진다. 예컨대, 제1 및 제2 기공 분포 중 1개 이상은 약 0.01 μm, 0.02 μm, 0.03 μm, 0.04 μm, 0.05 μm, 0.06 μm, 0.07 μm, 0.08 μm, 0.09 μm, 0.1 μm, 0.2 μm, 0.3 μm, 0.4 μm, 0.5 μm, 0.6 μm, 0.7 μm, 0.8 μm, 0.9 μm, 1.0 μm, 1.1 μm, 1.2 μm, 1.3 μm, 1.4 μm, 1.5 μm, 1.6 μm, 1.7 μm, 1.8 μm5 1.9 μm, 2.0 μm, 2.1 μm, 2.2 μm, 2.3 μm, 2.4 μm, 2.5 μm, 2.6 μm, 2.7 μm, 2.8 μm, 2.9 μm, 3.0 μm, 3.1 μm, 3.2 μm, 3.3 μm, 3.4 μm, 3.5 μm, 3.6 μm, 3.7 μm, 3.8 μm, 3.9 μm, 4.0 μm, 4.1 μm, 4.2 μm, 4.3 μm, 4.4 μm, 4.5 μm, 4.6 μm, 4.7 μm, 4.8 μm, 4.9 μm, 또는 5.0 μm의 평균 기공 크기를 가질 수 있다. 두 가지 이상의 기공 분포는 또한 각 기공 분포의 평균 기공 크기가 다른 한, 상기 평균 기공 크기 중 임의의 것으로부터 독립적으로 선택될 수 있다. 상기 기재된 임의의 두 값으로부터 유도되는 임의의 범위가 역시 본 명세서에서 고려된다.
또 다른 실시 상태에 있어서, 1개 이상의 기공 분포는 5 μm 이상 최대 약 30 μm의 평균 기공 지름을 가지는 것이 특징이다. 예컨대, 다른 실시 상태에서는, 1개 이상의 기공 분포는 5 μm 이상 최대 약 25 μm, 또는 5 μm 이상 최대 약 20 μm, 또는 5 μm 이상 최대 약 15 μm, 또는 5 μm 이상 최대 약 10 μm, 또는 6 μm 이상 최대 약 30 μm, 또는 7 μm 이상 최대 약 30 μm, 또는 8 μm 이상 최대 약 30 μm, 또는 10 μm 이상 최대 약 30 μm, 또는 10 μm 이상 최대 약 25 μm, 또는 10 μm 이상 최대 약 20 μm, 또는 15 μm 이상 최대 약 30 μm의 평균 기공 지름을 가질 수 있다. 한 가지 실시 상태에 있어서, 하나의 기공 분포는 약 0.01 μm 내지 약 5 μm 범위 (또는 이 범위 내에서 주어진 상기 특정 예시 값들 중 임의의 것, 또는 그들로부터의 하위 범위) 내의 평균 기공 지름을 가지지만, 또 다른 기공 분포는 약 5 μm 내지 약 30 μm의, 또는 여기 주어진 하위 범위 중 임의의 평균 기공 지름을 가진다. 또 다른 실시 상태에 있어서, 2개 이상의 기공 분포는 최대 약 5 μm 내지 약 30 μm의 평균 기공 지름을 가진다.
제1 실시 상태에 있어서, 제1봉 분포 기공이 많게는 총기공 부피의 약 50%를 구성하고 제2봉 분포 기공이 적어도 총기공 부피의 약 50%를 구성한다. 제2 실시 상태에 있어서, 제1 또는 제2봉 분포 기공은 많게는 총기공 부피의 약 45%를 구성하고 기타 분포의 기공이 적어도 총기공 부피의 약 55%를 구성한다. 제3 실시 상태에 있어서, 제1 또는 제2봉 분포 기공은 많게는 총기공 부피의 약 40%를 구성하고 기타 분포의 기공이 적어도 총기공 부피의 약 60%를 구성한다. 제4 실시 상태에 있어서, 제1 또는 제2봉 분포 기공은 많게는 총기공 부피의 약 35%를 구성하고 기타 분포의 기공이 적어도 총기공 부피의 약 65%를 구성한다. 제5 실시 상태에 있어서, 제1 또는 제2봉 분포 기공은 많게는 총기공 부피의 약 30%를 구성하고 기타 분포의 기공이 적어도 총기공 부피의 약 70%를 구성한다. 각기 다른 쌍봉 분포의 기공 분포를 반영하는 다른 많은 실시 상태가 가능하고 본 발명의 범위 내에 속한다. 어떠한 이론에 얽매일 필요 없이, 전술한 쌍봉 분포 또는 다봉 분포의 기공 크기 분포를 가지는 촉매는 반응 공간이 확산 채널로 분리되는 형태의 기공 구조를 가지게 된다. 본 명세서에 개시되는 기공 부피와 기공 크기는 임의의 적절한 방법으로 측정될 수 있으나, 더욱 좋기로는 예컨대 문헌 [Drake and Ritter, Ind. Eng. Chem. Anal Ed , 17, 787 (1945)]에 기재되어 있는 종래의 수은 다공도계 (mercury porosimeter)법으로 얻어진다.
좋기로는, 제1봉 분포 기공의 평균 기공 지름과 제2봉 분포 기공의 평균 기공 지름 (즉, "평균 기공 지름의 차이")의 차이는 약 0.1 μm 이상이 좋다. 다른 실시 상태에 있어서, 평균 기공 크기의 차이는, 예컨대 0.2 μm 이상, 또는 0.3 μm, 또는 0.4 μm, 또는 0.5 μm, 또는 0.6 μm, 또는 0.7 μm, 또는 0.8 μm, 또는 0.9 μm, 또는 LO μm, 또는 1.2 μm, 또는 1.4 μm, 또는 1,5 μm, 1.6 μm, 또는 1.8 μm, 또는 2.0 μm, 또는 2.5 μm, 또는 3 μm, 또는 4 μm, 또는 5 μm, 또는 6 μm, 또는 7 μm, 또는 8 μm, 또는 9 μm, 또는 10 μm 및 최대 약 15, 20 또는 30 μm일 수 있다.
양호한 실시 상태에 있어서, 고체 담체 표면은 제1봉 분포 및 제2봉 분포 기공으로 구성되는 쌍봉 분포의 기공 크기 분포를 가진다. 좋기로는, 제1봉 분포 기공은 평균 기공 지름이 약 0.01 μm 내지 약 5 μm 범위이다. 더욱 좋기로는, 제1봉 분포 기공은 평균 기공 지름이 약 0.1 μm 내지 약 4 μm 범위의 평균 기공 지름이다. 제2봉 분포 기공은 제1봉 분포 기공과는 평균 기공 지름이 상이하다. 좋기로는, 제2봉 분포 기공은 평균 기공 지름이 약 5 μm 내지 약 30 μm 범위의 평균 기공 지름이다. 더욱 좋기로는, 제2봉 분포 기공은 평균 기공 지름이 약 5 μm 내지 약 20 μm 범위의 평균 기공 지름이다. 한 가지 실시 상태에 있어서, 제1봉 분포 기공은 많게는 총기공 부피의 약 50%를 구성한다. 또 다른 실시 상태에 있어서, 제1봉 분포 기공은 많게는 총기공 부피의 약 45%를 구성하고 제2봉 분포 기공이 적어도 총기공 부피의 약 55%를 구성한다. 또 하나의 실시 상태에 있어서, 제1봉 분포 기공은 많게는 총기공 부피의 약 40%를 구성하고 제2봉 분포 기공이 적어도 총기공 부피의 약 60%를 구성한다. 전술한 쌍봉 분포의 기공 크기 분포를 가지는 촉매는, 본 발명의 범위를 한정함이 없이, 반응 공간이 확산 채널에 의하여 분리되는 유리한 기공 구조를 제공한다고 여겨진다. 100℃에서 비가역적 암모니아 흡착에 의하여 측정되는 담체의 표면 산도는 종종 담체 그램 (g)당 2 마이크로몰 미만인데, 좋기로는 담체 그램당 1.5 마이크로몰 미만, 더욱 좋기로는 담체 그램당 약 0.05 내지 1.0 마이크로몰이다. 도 1은 단봉 분포 대 쌍봉 분포의 기공 크기 분포의 그래프를 보여준다.
상기 담체는 B.E.T. 표면적이 좋기로는 많게는 20 m2/g, 더 좋기로는 많게는 10 m2/g, 더욱 좋기로는 많게는 5 m2/g, 더더욱 좋기로는 많게는 1 m2/g이다. 더 좋기로는 상기 B.E.T. 표면적은 0.4~4.0 m2/g, 더욱 좋기로는 0.5 내지 약 1.5 m2/g, 그리고 가장 좋기로는 약 0.5 m2/g 내지 약 1 m2/g의 범위이다. 좋기로는, 상기 담체는 표면적이 약 1 m2/g 미만인 알루미나를 포함한다. 본 명세서에 기재되어 있는 B.E.T. 표면적은 임의의 적절한 방법으로 측정될 수 있으나, 더 좋기로는 문헌 [Brunauer, S., et al., J. Am . Chem . Soc ., 60, 309-16 (1938)]에 기재된 방법으로 측정하는 것이 좋다. 수은 침투법으로 측정된 적절한 다공도 부피는 약 0.2 ml/g 내지 약 0.8 ml/g, 좋기로는 약 0.25 ml/g 내지 약 0.60 ml/g의 범위인 것으로 예상된다. 최종 담체는 통상 흡수도 값이 약 0.2 cc/g 내지 약 0.8 cc/g, 좋기로는 약 0.25 cc/g 내지 약 0.6 cc/g의 범위이다.
본 발명의 담체는 임의의 적절한 형상 및 형태학적인 것일 수 있다. 예컨대, 상기 담체는 입자형, 청크형 (chunks), 펠렛형, 고리형, 구형 (求刑), 삼공형 (三孔刑), 웨건휠형 (wagon wheels), 횡격 중공 원주형 (cross-partitioned hollow cylinders) 및 이와 유사한 형태의 것, 좋기로는 고정층 반응기에서 이용하기에 적합한 크기의 것일 수 있다. 통상, 담체 입자는 3 mm 내지 약 12 mm, 더욱 일반적으로는 약 5 mm 내지 약 10 mm 범위에서 등가의 지름을 가지는 것들인데, 이는 보통 촉매가 놓이는 관형 반응기의 안지름과 일치하는 것이다. 이 기술 분야에서 알려져 있는 바와 같이, "등가의 지름"이라는 용어는 불규칙한 형상의 물체와 부피가 동일한 구 (求)의 지름으로 그 물체의 크기를 표현함으로써 상기 불규칙한 형상의 물체의 크기를 표현하는 데 사용된다.
일반적으로, 본 발명의 적절한 촉매 담체는 알루미나 등의 내화 물질, 물 또는 기타 적절한 액체, 소진 물질 또는 적절한 다공도 조절제 및 결합제를 혼합함으로써 제조될 수 있다. 소진 물질로서는 담체 제조시 이용되는 연소 온도에서 분해 가능한 셀룰로오스, 치환 셀룰로오스, 예컨대 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스 및 카르복시에틸셀룰로오스, 유기 스테아르산염 에스테르 예컨대, 메틸 또는 에틸 스테아레이트 등의 스테아르산염, 왁스, 과립형 폴리올레핀, 특히 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌, 호두 껍질 분말 및 동종의 것들을 들 수 있다. 소진은 담체의 다공도를 변형시키는 데 사용된다. 소진 물질은 최종 담체를 제조하기 위한 연소 과정 중에 반드시 전부 제거된다. 본 발명의 담체는 좋기로는 유리 규산 화합물의 형성을 방지하기 위하여 충분량의 결합 물질, 예컨대 실리카와 알칼리 금속 화합물의 결합물을 함유시킴으로써 제조된다. 적당한 결합제로는 점토형 무기물을 들 수 있다. 특히 편리한 결합제 물질은 보에마이트, 암모니아 안정화 실리카 졸, 그리고 용해성 나트륨염의 혼합물이다.
페이스트는 담체의 건조 성분을 물 또는 다른 적절한 액체와 혼합함으로써 형성되는데, 상기 페이스트는 보통 원하는 형상으로 사출 또는 성형되고, 이어서 약 1200℃ 내지 약 1600℃의 온도에서 연소 또는 하소되어 담체를 형성하게 된다. 사출에 의하여 입자가 형성될 때, 사출 보조물을 포함시키는 것도 역시 좋다. 필요한 사출 보조물의 양은 사용되는 장치와 관련된 인자의 수에 달려 있다. 그러나, 이러한 사실은 세라믹 물질을 사출하는 기술 분야의 숙련자에게는 잘 알려진 일반적인 지식에 포함된다. 연소 후, 담체를 세척하여 용해성 잔사를 제거하는 것이 좋다. 세척은 가장 흔하기로는 물을 사용하여 행하여지지만, 기타의 용매 또는 수성/비수성 용액으로 세척하는 것도 역시 유리할 수 있다. 쌍봉형의 분포를 가진 적당한 담체는 세인트-고베인 노르프로 코. (Saint-Gobain Norpro Co.), 노리다케 코. (Noritake Co.), 수에드 케미 아게 (Sued Chemie AG) 및/또는 세람텍 아게 (CeramTec AG)로부터 구득할 수 있다.
에틸렌을 산화에틸렌으로 산화시키기 위한 촉매를 제조하려면, 상기 특성을 가지는 담체의 표면에 유효 촉매량의 은을 제공한다. 상기 촉매는 담체 표면에 은 전구체 화합물을 석출시키기에 충분한, 적절한 용매에 용해된 은 화합물, 복합체 또는 염과 함께 상기 담체를 침지시킴으로써 제조된다. 좋기로는, 은 수용액이 사용된다. 침지 후, 이 기술 분야에 알려진 것과 같이 나머지 용액을 침지된 담체로부터 제거하고 침지된 담체를 가열하여 용매를 증발시키고, 은 또는 은 화합물을 담체 표면상에 석출시킨다.
본 발명에 따라 제조된 양호한 촉매는 담체를 포함하는 촉매의 총촉매 중량에 대하여 최대 약 45 중량% (금속으로 표현시)의 은을 함유한다. 은은 다공성 내화 담체의 표면 위와 기공 전체에 걸쳐 석출된다. 은 함량은 촉매의 총중량에 기초하여 약 1% 내지 약 40% (금속으로 표현시)이면 좋고, 은 함량이 약 8% 내지 약 35%이면 더욱 좋다. 담체 표면상에 석출되거나 또는 담체 표면상에 존재하는 은의 양이 유효 촉매량의 은이다. 즉, 에틸렌과 산소의 반응을 효율적으로 촉매하여 산화에틸렌을 제조하는 양이다. 본 명세서에 되는 "유효 촉매량의 은"이라는 용어는 에틸렌과 산소를 산화에틸렌으로 전환시키는 계측 가능한 전환을 제공하는 은의 양을 일컫는다. 은 전구체인 유용한 은 함유 화합물은 옥살산은, 질산은, 산화은, 탄산은, 카르복시산은, 시트르산은, 프탈산은, 젖산은, 프로피온산은, 부티르산은 및 고지방산염 및 이들의 조합을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
은의 석출 전, 석출과 동시에, 또는 석출 후에 담체 상에 석출되는 것은 조촉매량의 레늄 성분이며, 이는 레늄 함유 화합물 또는 레늄 함유 복합체이다. 레늄 조촉매는 레늄 금속으로 표현시 담체를 포함하는 총촉매 중량에 대하여 약 0.001 중량% 내지 약 1 중량%, 좋기로는 약 0.005 중량% 내지 약 0.5 중량%, 더욱 좋기로는 약 0.01 중량% 내지 약 0.1 중량%의 양으로 존재할 수 있다.
또한 은 및 레늄의 석출 전, 석출과 동시에, 또는 석출 후에 담체 표면상에 석출되는 것은 조촉매량의 알칼리 금속 또는 2종 이상의 알칼리 금속의 혼합물 및 조촉매량의 임의의 2A족 알칼리 토금속 성분 또는 2종 이상의 2A족 알칼리 토금속 성분의 혼합물 및/또는 전이 금속 성분 또는 2종 이상의 전이 금속 성분의 혼합물인데, 이들은 모두 적당한 용매에 용해되어 있는 금속 이온, 금속 화합물, 금속 복합체 및/또는 금속염의 형태일 수 있다. 담체는 각종 촉매 조촉매와 함께 동시에 또는 별도의 단계로 침지될 수 있다. 본 발명의 은, 담체, 알칼리 금속 조촉매, 레늄 성분 및 임의의 추가 조촉매의 특정의 조합은 은 및 담체와 무조촉매 또는 오직 1종의 조촉매의 동일한 조합에 걸쳐 한 가지 이상의 촉매 성질에 개선을 제공하게 된다.
본 명세서에 사용되는 촉매의 특정 성분의 "조촉매량"이라는 용어는 그 성분을 함유하지 않는 촉매와 비교하는 경우, 촉매의 촉매능을 개선시키는 데 효과적으로 작용하는 그 성분의 양을 일컫는다. 물론, 사용되는 정확한 농도는 기타의 인자들 중에서, 양호한 은 함량, 담체의 성질, 액체의 점도 및 침지 용액 중에 조촉매를 전달하는 데 사용되는 특정 성분의 용해도에 좌우되게 된다. 촉매 특성의 예로는, 특히 조작성 (내폭주성; resistance to runaway), 선택성, 활성, 전환율, 안정성 및 수율을 들 수 있다. 이 기술 분야의 숙련자는 개별적인 촉매 특성 중의 한 가지 이상이 "조촉매량"에 의하여 증진될 수 있는 반면에, 다른 촉매 특성은 증진되거나 증진되지 않을 수 있고, 또는 심지어 감소될 수 있다는 것을 이해하고 있다. 상이한 촉매 특성들은 상이한 조작 (운전) 조건에서 증진될 수 있다는 것도 역시 이해되고 있다. 예컨대, 선택성이 일정의 조작 조건에서 증진된 촉매는 상이한 일정의 조건에서 조작될 수 있는데, 여기서 개선은 선택성보다는 활성에서 나타나게 된다. 에폭시화 공정에 있어서, 어떤 촉매 특성을 이용하려면, 다른 촉매 특성을 희생하더라도 의도적으로 조작 조건을 바꾸는 것이 좋을 수도 있다. 양호한 조작 조건은, 다른 인자들 중에서도, 공급 원료 비용, 에너지 비용, 부산물 제거 비용 및 동종류의 것에 좌우된다.
적합한 알칼리 금속 조촉매는 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있는데, 세슘이 좋고, 세슘과 기타 알칼리 금속의 조합이 특히 좋다. 담체 표면상에 석출되거나 존재하는 알칼리 금속의 양이 조촉매량이 된다. 좋기로는, 그 양은 금속으로서 측정시 총촉매 중량에 대하여 약 10 ppm 내지 약 3000 ppm, 더 좋기로는 약 15 ppm 내지 약 2000 ppm, 더욱 좋기로는 약 20 ppm 내지 약 1500 ppm, 특히 좋기로는 약 50 ppm 내지 약 1000 ppm의 범위이다.
적합한 알칼리 토금속 조촉매는 원소 주기율표의 2A족 원소를 포함하는데, 베릴륨, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬 및 바륨 또는 이들의 조합일 수 있다. 적합한 전이 금속 조촉매는 원소 주기율표의 4A, 5A, 6A, 7A 및 8A족의 원소와 이들의 조합으로 이루어진다. 가장 좋기로는, 전이 금속은 원소 주기율표의 4A, 5A 또는 6A족으로부터 선택되는 원소로 이루어진다. 제공될 수 있는 양호한 전이 금속은 몰리브데늄, 텅스텐, 크로뮴, 티타늄, 하프늄, 지르코늄, 바나듐, 탄탈륨, 니오븀 또는 이들의 조합을 포함한다.
담체 표면상에 석출되는 알칼리 토금속 조촉매 및/또는 전이 금속 조촉매의 양이 조촉매량이다. 전이 금속 조촉매는 금속으로 표현시 통상 총촉매 그램당 약 0.1 마이크로몰 내지 그램당 약 10 마이크로몰, 좋기로는 그램당 약 0.2 마이크로몰 내지 그램당 약 5 마이크로몰, 더욱 좋기로는 그램당 약 0.5 마이크로몰 내지 그램당 약 4 마이크로몰의 양으로 제공될 수 있다. 촉매는 조촉매량의 1종 이상의 황 화합물, 1종 이상의 인 화합물, 1종 이상의 붕소 화합물, 1종 이상의 할로겐 함유 화합물 또는 이들의 조합을 더 포함할 수 있다.
담체를 침지시키는 데 사용되는 은 용액은 이 기술 분야에서 알려져 있는 것들과 같은 임의의 용매 또는 복합제/용해제도 역시 포함할 수 있다. 침지 배지 내에서 은을 원하는 농도로 용해시키는 데 매우 다양한 용매 또는 복합제/용해제가 사용될 수 있다. 유용한 복합제/용해제로는 아민, 암모니아, 옥살산, 젖산 및 이들의 조합을 들 수 있다. 아민은 탄소 원자 수가 1 내지 5개인 알킬렌 디아민을 포함한다. 한 가지 양호한 실시 상태에 있어서, 상기 용액은 옥살산 은 및 에틸렌 디아민의 수용액을 포함한다. 상기 복합제/용해제는 침지 용액 내에서 은의 몰당 약 0.1 내지 약 5.0 몰, 좋기로는 약 0.2 내지 약 4.0 몰, 더욱 좋기로는 은의 각 몰당 약 0.3 내지 약 3.0몰의 양으로 존재할 수 있다.
용매가 사용될 경우, 용매는 유기 용매 또는 물일 수 있고, 극성 또는 실질적으로 또는 전적으로 비극성일 수도 있다. 일반적으로는, 상기 용매는 상기 용액 성분을 용해시키기 위하여 충분한 용해력을 가져야만 한다. 동시에, 상기 용매는 용해된 조촉매에 과도한 영향을 미치거나 그 조촉매와 상호 작용을 하지 않도록 선택되는 것이 좋다. 유기 용매의 예로서는, 알콜 및 특히 알카놀; 글리콜, 특히 알킬 글리콜; 케톤; 알데히드; 아민; 테트라히드로퓨란; 니트로벤젠; 니트로톨루엔; 글라임 (glyme), 특히 글라임, 디글라임 및 테트라글라임; 및 그 동종의 것들을 들 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 몰당 탄소 원자 수가 1 내지 약 8 개인 유기계 용매가 좋다. 이러한 혼합 용매들이 본 발명에서 원하는 바와 같이, 기능한다면, 몇 가지 유기 용매의 혼합물 또는 유기 용매(들)와 물과의 혼합물이 사용될 수 있다.
침지 용액 중의 은의 농도는 통상 약 0.1 중량% 내지 사용되는 특정 용매/용해제 조합에 의하여 제공되는 최대 용해도 이하의 범위이다. 일반적으로, 0.5 중량% 내지 약 45 중량%의 은을 함유하는 용액을 사용하는 것이 매우 적합하며, 은의 농도가 5 내지 35 중량%인 용액을 사용하는 것이 좋다.
선택된 담체의 침지는, 예컨대 과량 용액 침지, 초기 습식 침지, 분무 피복 등 임의의 종래 방법을 이용함으로써 달성된다. 통상, 상기 용액이 담체에 의하여 충분히 흡수될 때까지, 상기 담체 물질을 상기 은 함유 용액과 접촉시킨다. 좋기로는, 다공성 담체를 침지시키는 데 사용되는 은 함유 용액의 양은 담체의 기공을 채우는 데 필요한 양 미만이다. 중간 건조를 행하거나 행함이 없이 단일 침지법 또는 일련의 침지법을 사용하여도 좋으며, 이는 용액 중의 은 성분의 농도에 일부 좌우된다. 침지 공정들은 미국 특허 제4,761,394호, 제4,766,105호, 제4,908,343호, 제5,057,481호, 제5,187,140호, 제5,102,848호, 제5,011,807호, 제5,099,041호 및 제5,407,888호에 개시되어 있다. 각종 조촉매의 공지 선행 공정인 전증착법, 동시 증착법 및 후증착법이 사용될 수 있다.
담체를 은 함유 화합물, 즉 은 전구체, 레늄 성분, 알칼리 금속 성분 및 임의의 기타 조촉매로 침지시킨 후, 은 함유 화합물을 은 활성종 (active silver species)으로 전환하고 침지된 담체로부터 휘발성 성분을 제거하고, 충분한 시간에 걸쳐 상기 침지된 담체를 하소시켜 촉매 전구체를 생성한다. 하소는 담체를 약 200℃ 내지 약 600℃, 좋기로는 약 200℃ 내지 약 500℃, 더욱 좋기로는 약 200℃ 내지 약 450℃ 범위의 온도에서, 0.5 내지 35 바 (bar) 범위의 압력으로, 좋기로는 점진적인 속도로 가열함으로써 이루어질 수 있다. 일반적으로, 온도가 높을수록, 필요한 가열 시간이 짧아진다. 광범위한 가열 기간들이 이 기술 분야에 알려져 있다. 예컨대, 미국 특허 제3,563,914호는 300초 미만의 가열을 제안하고 있고, 미국 특허 제3,702,259호는 100℃ 내지 375℃의 온도에서 2 내지 8 시간의 가열, 보통 약 0.5 내지 약 8 시간의 가열을 개시하고 있다. 그러나, 함유된 모든 은을 실질적으로 은 활성종으로 전환시키는 온도와 관련된 가열 시간만이 중요한 것이다. 이러한 목적에는 연속식 또는 계단식 가열을 이용할 수 있다.
하소 도중에 상기 침지된 담체는 산소 함유 산화 성분을 약 10 ppm 내지 21 부피%로 함유하는 비활성 기체의 혼합물 또는 비활성 기체로 이루어지는 기체 환경에 노출될 수 있다. 본 발명의 목적상, 비활성 기체는 하소 조건하에서 촉매 또는 촉매 전구체와 실질적으로 반응하지 아니하는 기체로서 정의된다. 예컨대, 질소, 아르곤, 크립톤, 헬륨 및 이들의 조합을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 양호한 비활성 기체는 질소이다. 산소 함유 산화 성분은, 예컨대 산소 분자 (O2), CO2, NO, NO2, N2O, N2O3, N2O4 또는 N2O5, 또는 하소 조건하에서 NO, NO2, N2O, N2O3, N2O4 또는 N2O5를 형성할 수 있는 물질, 또는 이들의 조합을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, SO3, SO2, 트리메틸 포스파이트, 또는 이들의 조합을 임의적으로 포함하는 것이다. 이들 중 산소 분자가 양호한 실시 상태이고, NO 또는 NO2와 O2의 조합이 또 하나의 양호한 실시 상태이다. 한 가지 실시 상태에 있어서, 상기 기체 환경은 약 10 ppm 내지 약 1 부피%의 산소 함유 산화 성분을 포함한다. 또 한 가지 실시 상태에 있어서, 상기 기체 환경은 약 50 ppm 내지 약 500 ppm의 산소 함유 산화 성분을 포함한다.
또 다른 실시 상태에 있어서, 전술한 바와 같이 하소시킨 침지된 담체를 그 후에 임의로 산소와 증기의 조합으로 이루어진 기체 환경과 접촉시킬 수 있는데, 이 기체 환경에는 실질적으로 올레핀이 존재하지 않으며, 올레핀이 전혀 존재하지 않는 것이 좋다. 상기 기체 환경은 보통 약 2 부피% 내지 약 15 부피%, 좋기로는 약 2 부피% 내지 약 10 부피%, 더욱 좋기로는 약 2 부피% 내지 약 8 부피%의 증기를 포함한다. 상기 기체 환경은 보통 약 0.5 부피% 내지 약 30 부피%, 좋기로는 약 1 부피% 내지 약 21 부피%, 더욱 좋기로는 약 5 부피% 내지 약 21 부피%의 산소를 포함한다. 기체 환경의 나머지는 비활성 기체로 이루어진다. 비활성 기체는, 예컨대 질소, 아르곤, 크립톤, 헬륨 및 이들의 조합을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 양호한 비활성 기체는 질소이다. 접촉은 보통 약 200℃ 또는 그보다 높은 온도에서 이루어진다. 한 가지 실시 상태에 있어서, 접촉은 약 200℃ 내지 약 350℃의 온도에서 이루어진다. 다른 한 가지 실시 상태에 있어서, 접촉은 약 230℃ 내지 약 300℃의 온도에서 이루어진다. 또 다른 실시 상태에 있어서, 접촉은 약 250℃ 내지 약 280℃의 온도에서 이루어진다. 또 다른 실시 상태에 있어서, 접촉은 약 260℃ 내지 약 280℃의 온도에서 이루어진다. 보통 접촉은 약 0.15 시간 또는 그 이상의 시간 동안 이루어진다. 한 가지 실시 상태에 있어서, 접촉은 약 0.5 시간 내지 약 200 시간 동안 이루어진다. 한 가지 실시 상태에 있어서, 접촉은 약 3 시간 내지 약 24 시간 동안 이루어진다. 다른 한 가지 실시 상태에 있어서, 접촉은 약 5 시간 내지 약 15 시간 동안 이루어진다.
산화에틸렌의 제조
에폭시화법은 올레핀, 좋기로는 에틸렌을 본 발명에 의하여 생산된 촉매의 존재하에서 산소 함유 기체와 연속적으로 접촉시킴으로써 수행될 수 있다. 산소는 실질적으로 순수한 분자 형태로 또는 공기와 같은 혼합물로 반응에 공급될 수 있다. 반응물로 사용되는 산소 분자는 종전의 공급원으로부터 얻을 수 있다. 반응물 공급 혼합물은 약 0.5% 내지 약 45%의 에틸렌과 약 3% 내지 약 15%의 산소를 포함하고, 나머지는 이산화탄소, 물, 비활성 기체, 기타 탄화수소 및 유기 할로겐화물 등의 1종 이상의 반응 조절제 등을 포함하는 비교적 비활성인 물질들을 포함할 수 있다. 상기 비활성 기체는, 예컨대 질소, 아르곤, 헬륨 및 이들의 조합을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 기타 탄화수소는, 예컨대 메탄, 에탄, 프로판 및 이들의 조합을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 공급 기체 중의 일반적인 오염물 뿐만 아니라 이산화탄소와 물이 에폭시화법의 부산물이다. 이들 두 가지는 모두 촉매에 부정적인 영향을 미치므로, 이들 성분의 농도는 보통 최소한으로 유지된다. 반응 조절제는, 예컨대 C1 내지 C8 할로겐화탄화수소 등의 유기 할로겐화물을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 좋기로는, 반응 조절제는 염화메틸, 염화에틸, 이염화에틸렌, 이브롬화에틸렌, 염화비닐 또는 이들의 혼합물이다. 가장 양호한 반응 조절제는 염화에틸 및 이염화에틸렌이다.
통상적인 에폭시화법은 고정층 관형 반응기 내에서 촉매의 존재하에 산소 분자와 에틸렌의 증기상 산화를 포함한다. 종래, 시판되는 고정층 산화에틸렌 반응기는 통상적으로 O.D.가 대략 0.7 내지 2.7 인치이고, I.D.가 0.5 내지 2.5 인치 및 길이가 15~45 피트인 촉매로 채워진 복수개의 평행한 세장관 (細長管) (적절한 동체 내)의 형태이다. 에틸렌 에폭시화법의 통상적인 실시 조건은 약 180℃ 내지 약 330℃, 좋기로는 약 200℃ 내지 약 325℃, 더욱 좋기로는 225℃ 내지 약 270℃의 범위의 온도를 수반한다. 실시 압력은 질량 속도(mass velocity) 및 원하는 생산성에 따라 대략 대기압 내지 약 30 기압까지 다양할 수 있다. 본 발명의 범위 내에서 더 높은 기압도 이용될 수 있다. 시판 규모의 반응기 내에서의 체류 시간은 일반적으로 약 0.1~5초 정도이다. 이들 범위의 조건에서 상기 에폭시화법이 실시될 때 본 발명의 촉매가 효율적이다.
그 결과 생성되는 산화에틸렌은 종래의 방법을 이용하여 반응 산물로부터 분리 및 회수된다. 본 발명에서는, 에틸렌의 에폭시화법은 산화에틸렌 생성물과 부산물을 실질적으로 또는 부분적으로 제거하고 난 후에 실질적으로 모든 반응기 배출물을 반응기 주입구에 재적용시키는 기체 재순환을 포함할 수 있다. 상기 재순환법에서는, 반응기의 기체 주입구에서의 이산화탄소 농도는, 예컨대 약 0.3 내지 6 부피%일 수 있다.
본 발명의 촉매는 산소 분자와 에틸렌을 산화시켜 산화에틸렌을 생성시킴에 있어서 특히 선택적이라는 것이 밝혀지게 되었다. 본 발명의 촉매의 존재하에서 이러한 산화 반응을 수행하기 위한 조건은 선행 기술에 기재되어 있는 조건들을 포함한다. 이는 적절한 온도, 압력, 체류 시간, 희석제, 조절제 및 재순환 운전에 적용되거나, 또는 산화에틸렌의 수율을 높이기 위하여 상이한 반응기에서의 연속식 전환에 적용된다. 에틸렌 산화 반응에 본 발명의 촉매를 사용하는 것은, 효율적이라고 알려져 있는 조건들 중에서 특정 조건들의 사용에 한정되지 않는다.
현재 시판 중인 산화에틸렌 반응기 유닛용으로 적합한 조건들이 이 기술 분야의 통상의 기술자에게 잘 알려져 있다.
다음의 실시예들이 본 발명을 예시하는 데 이용되지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
산화알루미늄
아래의 알루미나를 촉매의 제조에 사용하였다. 상이한 형태의 알루미나 담체는 세인트-고베인 노르프로 코. (Saint-Gobain Norpro Co.), 노리다케 코. (Noritake Co.), 수에드 케미 아게 (Sued Chemie AG) 및/또는 세람텍 아게 (CeramTec AG)로부터 구득이 용이하다.
Figure 112011065934249-pct00001
(a) 브루나우어 (Brunauer), 에메트 (Emmet) 및 텔러 (Teller)의 방법에 따라 측정
(b) 마이크로메트릭스 오토포어 (Micrometrics AutoPore) IV 9500 (접촉 각도 140°, 수은 표면 장력 0.480 N/m)를 이용한 44.500 psia까지의 수은 침투 데이터
촉매 제조
은 용액
약 2800 g의 탈이온수 중에 442 g의 건조 옥살산 (ACS Certified Reagent, Fisher)을 교반한 용액에 834 g의 고순도의 산화은 (Ames Goldsmith Corp.) 분량을 첨가하였다. 혼합하였을 때 수화 (水和) 옥살산은염의 침전이 형성되었다. 교반을 0.5 시간 동안 계속하였다. 이어서, 침전을 필터에 모아 탈이온수로 세척하였다. 분석 결과는 상기 침전이 50.5 중량%의 은을 포함하는 것으로 나타났다. 다음에, 213.9 g의 옥살산은 침전을 에틸렌 디아민 (99+%, Aldrich) 77.2 g과 탈이온수 60.3 g의 혼합물에 용해시켰다. 이들 시약을 천천히 혼합하면서, 용액을 냉각시켜 용액의 온도를 40℃ 미만으로 유지하였다. 여과 후, 상기 용액은 대략 30 중량%의 은을 함유하였고, 비중은 1.52 g/mL의 이었다.
실시예 1: 촉매 A
함침 전에 150 g 분량의 알루미나 담체 A를 플라스크에 넣고 약 0.1 torr까지 진공 처리하였다. 미국 특허 제4,766,105호의 실시예 5~10에 따른 촉매 조성물을 제조하기 위하여 수산화세슘, 과레늄산 및 황산암모늄의 수용액을 상기 은 용액에 첨가하였다. 충분히 혼합한 후, 상기 촉진된 은 용액을 진공 플라스크 내에 흡입하여 압력을 0.1 torr로 유지하면서 담체를 덮도록 하였다. 약 5 분 후 진공을 해제하고 상압 (常壓)으로 회복시켜 용액이 기공 내에 충분히 침투하도록 하였다. 이어서, 과량의 함침 용액을 함침된 담체로부터 제거하였다. 무빙 벨트 하소기 상에서 상기 습윤 촉매의 하소를 행하였다. 이 장치 내에서, 상기 습윤 촉매는 다대역 (multi-zone) 노 (爐)를 통하여 스테인리스강 벨트 위에서 이송되었다. 상기 노의 모든 대역을 미리 가열시킨 초고순도 질소로 연속적으로 세정하고, 촉매가 하나의 대역에서 다음 대역으로 통과할 때 온도를 점진적으로 증가시켰다. 열은 상기 노와 미리 가열된 질소로부터 방사된다.
실시예 1에 있어서, 상기 습윤 촉매는 상온에서 노에 투입되었다. 이어서 촉매가 가열 대역들을 통과함에 따라 그 온도를 점진적으로 최고 약 450℃까지 증가시켰다. 최종 (냉각) 대역에서, 이제 활성화한 촉매의 온도는 그 촉매가 대기에 노출되기 전에 100℃ 미만으로 즉시 냉각시켰다. 노 내에서의 총체류 시간은 대략 45 분이었다. 알루미나 담체 A의 쌍봉 분포 기공 크기 분포는 표 1에 나타나 있다.
실시예 2: 촉매 B
촉매 A의 방법에 따라 알루미나 담체 B를 사용하여 촉매 B를 제조하였다. 알루미나 담체 B의 쌍봉 분포 기공 크기 분포는 표 1에 나타나 있다.
실시예 3: 촉매 C ( 비교예 )
실시예 1의 방법에 따라 알루미나 담체 C를 사용하여 촉매 C를 제조하였다. 알루미나 담체 C의 단봉 분포 기공 크기 분포는 표 1에 나타나 있다. 이에 더하여, 동일한 알루미나로 은 및 세슘을 함유하는 세 가지 촉매를 제조하였다.
실시예 4: 촉매 D
150 g 분량의 알루미나 담체 A를 플라스크에 넣고 침지 전에 약 0.1 torr까지 진공 처리하였다. 수산화세슘의 수용액을 상기 은 용액에 첨가하여 실시예 1 내지 3과 유사하게, 촉매의 총중량에 대하여 14.1 중량%의 은과 상당량의 세슘을 함유하는 촉매를 제조하였다. 충분히 혼합한 후, 세슘-촉진 은 용액을 진공 플라스크로 흡입하여 압력을 0.1 torr로 유지하면서 담체를 덮도록 하였다. 약 5 분 후 진공을 해제하고 상압으로 회복시켜 용액이 기공 내에 충분히 침투되도록 하였다. 이어서, 과량의 침지 용액을 침지된 담체로부터 제거하였다. 습윤 촉매의 하소는 무빙 벨트 하소기상에서 행하였다. 이 장치 내에서, 상기 습윤 촉매는 다대역 노를 통하여 스테인리스강 벨트 위에서 이송된다. 상기 노의 모든 대역을 미리 가열시킨 초고순도 질소로 연속적으로 세정하고, 촉매가 하나의 대역에서 다음 대역으로 통과할 때 온도를 점진적으로 증가시켰다. 열은 상기 노와 미리 가열시킨 질소로부터 방사된다.
실시예 4에 있어서, 상기 습윤 촉매는 상온에서 상기 노에 투입되었다. 이어서, 촉매가 가열 대역들을 통과함에 따라 온도를 점진적으로 최고 약 450℃까지 증가시켰다. 최종 (냉각) 대역에서, 이제 활성화한 촉매의 온도는 그 촉매가 대기에 노출되기 전에 100℃ 미만으로 즉시 냉각시켰다. 노 내에서의 총체류 시간은 대략 45 분이었다.
실시예 5: 촉매 E
촉매 D의 방법에 따라 알루미나 담체 B를 사용하여 촉매 E를 제조하였다.
촉매의 시험
시험하기 위하여, 촉매를 고정층 스테인리스강 관형 반응기 (근사 안지름 1/4인치)에 채우고, 가열된 구리 블록에 넣었다. 촉매 충전은 8.6 g의 비활성 물질이 혼합된 4 g의 파쇄된 촉매 (입자 크기 1.0~1.4 mm)로 구성되고, 주입구의 기체 유량을 조정하여 기체 시공간 속도 (gas hour space velocity)가 각각 12375 h-1 및 0.83 Nl/min이 되도록 하였다. 공급 기체의 조성은 15 부피%의 에틸렌, 7 부피%의 산소, 5 부피%의 이산화탄소, 1.7 ppmv의 염화에틸 및 나머지는 질소이었다. 반응 압력은 19.4 기압으로 유지하였다. 반응기 유출물을 대략 1 시간 간격으로 질량 분석기로 분석하였다. 실시예 1 내지 3의 경우, 온도를 조정하여 비교적 일정한 EO 생산을 유지하도록 하였다. 최대의 선택성이 관찰될 때까지 촉매를 이들 조건하에서 유지시켰다. 이하, 표 2에 그 결과가 나타나 있다. 실시예 4와 5의 경우, 온도를 조정하여 비교적 일정한 EO 생산을 유지하도록 하였다. 최대의 선택성이 관찰될 때까지 촉매를 이들 조건하에서 유지시켰다. 이하, 표 3에 그 결과가 나타나 있다.
사용된 담체의 기공 크기 분포
실시예 총기공
부피(a) [cc/g]		 표면적(b) [m2/g] 분포 1 분포 2
평균 기공 지름
[㎛]		 기공 부피 [%]* 평균 기공 지름
[㎛]		 기공 부피 [%]*
1 0.37 0.6 0.7 25 15.8 69
2 0.44 0.7 1.3 60.0 18.5 37
3 0.39 1.0 단봉 분포, 기공≤7이 90 % 평균 지름을 제공
(a) 마이크로메트릭스 오토포어 (Micrometrics AutoPore) IV 9500 (접촉 각도 140°, 수은 표면 장력 0.480 N/m)를 이용한 44.500 psia까지의 수은 침투 데이터
(b) 브루나우어 (Brunauer), 에메트 (Emmet) 및 텔러 (Teller)의 방법에 따라 측정
a. * 촉매의 총기공 부피 퍼센트
제2 분포보다 큰 기공이 나머지 기공 부피를 최대 100% 제공한다.
레늄 함유 촉매의 시험 결과
실시예 선택성
[% mole]		 온도 [℃]
1 87.6 254
2 87.6 257
3 86.5 258
은 및 세슘만을 함유하는 촉매의 시험 결과
실시예 선택성
[% mole]		 온도 [℃]
4 82.0 239
5 82.3 239
다공성은 수은 기공 분포 측정기 (mercury porosimeter)법으로 측정된다 (Drake and Ritter, "Ind. Eng. Chem. Anal Ed.," , 17, 787 (1945) 참조). 기공 및 기공 지름 분포를 표면적과 겉보기 다공성 측정값들로부터 결정한다. [BET 법: J. Am. Chem. Soc. 60, 3098-16 (1938) 참조]
본 발명은 양호한 실시 상태를 참조하여 나타내고 설명되어 있으나, 이 기술 분야의 통상의 기술을 가진 자라면 본 발명의 목적과 범위를 벗어나는 일이 없이 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 쉽게 이해할 것이다. 그러므로 청구 범위는 개시된 실시 상태, 설명된 바 이들 실시 상태의 별법, 그리고 이들의 임의의 모든 등가물을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (23)

  1. 각 기공 크기 분포가, 상이한 평균 기공 크기와 상이한 최대 농도의 기공 크기를 가지는 것인, 2개 이상의 기공 크기 분포를 가지는 담체를 포함하는 올레핀의 산화올레핀으로의 에폭시화용 촉매로서,
    이 촉매는 은 (銀), 레늄 및 알칼리 금속 1종 이상을 더 포함하고, 여기서 상기 2개 이상의 기공 크기 분포는 0.01 μm 내지 50 μm의 기공 크기 범위 내이고,
    기공 크기 분포 중의 적어도 한 가지는 0.01 μm 내지 5 μm의 기공 크기 범위 내이고, 상기 기공 크기 분포 중의 적어도 한 가지는 5 μm 내지 30 μm의 기공 크기 범위 내이고, 상기 촉매는 86.5 mole%를 넘는 선택성을 갖는 것인 올레핀의 산화올레핀으로의 에폭시화용 촉매.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 적어도 두 가지의 기공 크기 분포는 0.01 μm 내지 5 μm의 기공 크기 범위 내인 것인 촉매.
  5. 제1항에 있어서, 적어도 두 가지의 기공 크기 분포는 5 μm 내지 30 μm의 기공 크기 범위 내인 것인 촉매.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 제1봉 분포의 기공은 많게는 총기공 부피의 50%를 구성하고 제2봉 분포의 기공은 적어도 총기공 부피의 50%를 구성하는 것인 촉매.
  8. 제1항에 있어서, 제1봉 분포의 기공은 많게는 총기공 부피의 40%를 구성하고 제2봉 분포의 기공은 적어도 총기공 부피의 60%를 구성하는 것인 촉매.
  9. 제1항에 있어서, 담체는 알루미나, 활성탄, 부석 (浮石), 마그네시아, 지르코니아, 티타니아, 규조토, 백토 (白土), 실리콘 카바이드, 실리카, 이산화실리콘, 마그네시아, 점토, 인조 제올라이트, 천연 제올라이트, 세라믹 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 촉매.
  10. 제1항에 있어서, 담체는 알루미나를 포함하는 것인 촉매.
  11. 제1항에 있어서, 표면적이 1 m2/g 미만인 알루미나를 포함하는 것인 촉매.
  12. 제1항에 있어서, 1종 이상의 2A족 금속, 1종 이상의 전이 금속, 황, 플루오르화물, 인, 붕소 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 조촉매를 더 포함하는 것인 촉매.
  13. 제12항에 있어서, 2A족 금속은 베릴륨, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것인 촉매.
  14. 제12항에 있어서, 전이 금속은 원소 주기율표의 4A, 5A, 6A, 7A 및 8A족의 원소 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것인 촉매.
  15. 제12항에 있어서, 전이 금속은 몰리브데늄, 텅스텐, 크로뮴, 티타늄, 하프늄, 지르코늄, 바나듐, 탄탈륨, 니오븀 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것인 촉매.
  16. 제12항에 있어서, 전이 금속은 몰리브데늄, 텅스텐 또는 이들의 조합인 것인 촉매.
  17. 제1항에 있어서, 담체의 표면에 갈륨, 게르마늄, 황, 인, 붕소, 할로겐 또는 이들의 조합을 더 포함하는 것인 촉매.
  18. 제1항에 있어서, 알칼리 금속은 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것인 촉매.
  19. 제1항에 있어서, 알칼리 금속은 세슘인 것인 촉매.
  20. 제1항의 촉매의 존재하에서, 관형 반응기의 고정층에서 산소 분자와 올레핀의 증기상 산화를 포함하는, 올레핀을 산화시켜 산화올레핀을 제조하는 방법.
  21. 제20항의 방법에 의하여 제조된 촉매의 존재하에서, 관형 반응기의 고정층에서 산소 분자와 올레핀의 증기상 산화를 포함하는, 올레핀을 산화시켜 산화올레핀을 제조하는 방법.
  22. 제1항의 촉매의 존재하에서, 관형 반응기의 고정층에서 산소 분자와 에틸렌의 증기상 산화를 포함하는, 에틸렌을 산화시켜 산화에틸렌을 제조하는 방법.
  23. 제20항의 방법에 의하여 제조된 촉매의 존재하에서, 관형 반응기의 고정층에서 산소 분자와 에틸렌의 증기상 산화를 포함하는, 에틸렌을 산화시켜 산화에틸렌을 제조하는 방법.
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