KR101910966B1 - Method for preparing metal oxide catalyst and method for preparing acrylonitrile using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속 산화물 촉매의 제조방법 및 이를 이용한 아크릴로니트릴의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 프로판의 암모산화 반응에 이용되는 금속 산화물 촉매를 제조하고, 이를 이용한 아크릴로니트릴의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명에 따른 희석제에 담지된 금속 산화물 촉매는 희석제가 도입되어 열적 안정성이 뛰어나며, 작은 양의 촉매로도 높은 성능을 낼 수 있어 경제적인 측면에서 우위를 갖고 있다. 또한 활성점이 희석제들을 통해 효과적으로 분포되어 부반응을 크게 줄일 수 있으며 희석제를 사용하지 않았을 때 보다 더 높은 촉매의 생산성을 얻을 수 있다.
또한, 상기 금속 산화물 촉매을 이용하여 아크릴로니트릴을 프로필렌이 아닐 프로판으로부터 용이하게 제조할 수 있으며, 이는 프로판으로부터 직접 아크릴로니트릴을 생산할 수 있어 경제적인 이득과 함께 향후 시장 변화에 능동적으로 대처할 수 있는 장점을 가진다.
The present invention relates to a process for producing a metal oxide catalyst and a process for producing acrylonitrile using the same, and more particularly, to a process for preparing a metal oxide catalyst for use in the ammoxidation reaction of propane, .
The metal oxide catalyst supported on the diluent according to the present invention has excellent thermal stability due to the introduction of a diluent, and has a high economic efficiency because it can achieve high performance even with a small amount of catalyst. In addition, active sites can be effectively distributed through diluents, greatly reducing side reactions and achieving higher catalyst productivity than when no diluent is used.
In addition, acrylonitrile can be easily prepared from propylene dianilpropane using the metal oxide catalyst, which can produce acrylonitrile directly from propane, thereby providing economical advantages and being able to actively cope with future market changes .

Description

금속 산화물 촉매의 제조방법 및 이를 이용한 아크릴로니트릴의 제조방법{Method for preparing metal oxide catalyst and method for preparing acrylonitrile using the same}METHOD FOR PREPARING METALLIC OXIDE CATALYST AND METHOD FOR PREPARING ACRYLONITRILE USING THE SAME,

본 발명은 금속 산화물 촉매의 제조방법 및 이를 이용한 아크릴로니트릴의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 프로판의 암모산화 반응에 이용되는 금속 산화물 촉매를 제조하고, 이를 이용한 아크릴로니트릴의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
The present invention relates to a process for producing a metal oxide catalyst and a process for producing acrylonitrile using the same, and more particularly, to a process for preparing a metal oxide catalyst for use in the ammoxidation reaction of propane, .

프로판은 탄소 세 개로 구성된 기본적인 알칸으로서, 산업적으로 효용가치가 막대함에도 불구하고 낮은 반응성으로 인해 현재 대부분 에너지원으로만 사용되고 있는 물질 중 하나이다. 하지만 최근 북미 지역을 중심으로 하는 셰일가스의 개발이 활성화됨에 따라 저가 프로판의 공급이 증가할 것으로 기대되면서 프로판을 직접 원료로 사용하여 제품을 생산하려는 시도들이 진행되고 있다. Propane is a basic alkane composed of three carbons, one of the materials that is currently mostly used as an energy source due to its low reactivity despite its industrial value. However, as the development of shale gas mainly in North America has been activated recently, it is expected that the supply of low-priced propane will increase, and attempts are being made to produce products using propane as a direct raw material.

그 대표적인 예로 아크릴로니트릴이 있다. 아크릴로니트릴은 프로판을 이용하여 생산할 수 있는 고가치 생성물중 하나로서 산업용 접착제, 섬유, 고분자 수지 제조에 사용되며 특히 탄소섬유의 유기전구체 물질인 폴리아크릴로니트릴을 합성하는데 이용된다. 지금까지 시도된 프로판을 비롯한 알칸을 직접 원료로 사용하는 공정은 알칸의 낮은 반응성으로 인하여 대부분 낮은 활성을 보이고 그로 인해 성공적으로 상업화된 사례가 거의 없는 실정이다. 하지만 최근 알칸의 안정한 구조에도 높은 반응성을 보이면서 동시에 높은 선택도로 원하는 생성물을 생산하는 촉매들이 개발됨에 따라 알칸을 활용한 공정 개발이 큰 가능성을 보이고 있다. 대표적인 예로 부탄을 이용한 무수 말레산의 생산이 있다. 바나듐-인 산화물 촉매계를 사용하는 본 반응의 경우 반응성이 낮은 부탄을 이용하여 높은 활성과 선택도를 보였고 성공적으로 상업화 되어 장기간 안정적으로 수율을 유지하고 있다(비특허 문헌 1).A representative example thereof is acrylonitrile. Acrylonitrile is one of the high-value products that can be produced using propane, and is used for the production of industrial adhesives, fibers and polymer resins, and especially for the synthesis of polyacrylonitrile, an organic precursor material of carbon fibers. The process of using the alkane as a direct raw material including the propane which has been attempted so far is mostly low in activity due to the low reactivity of the alkane, and thus there are few cases of commercialization successfully. However, recent developments of catalysts using alkane have shown great promise as catalysts for producing desired products with high selectivity at the same time showing high reactivity to stable structure of alkane. A typical example is the production of maleic anhydride using butane. The present reaction using a vanadium-phosphorus oxide catalyst system showed high activity and selectivity using low-reactivity butane, and successfully commercialized and maintained a stable yield over a long period of time (Non-Patent Document 1).

아크릴로니트릴을 생산하기 위한 대표적인 반응에는 크게 프로필렌을 이용한 공정과 프로판을 이용한 Sohio 공정으로 분류할 수 있다. 먼저 프로필렌 공정은 성공적으로 개발된 부분산화공정의 대표적인 예로써, 1960년대 초 Sohio 공정이 보급된 이후 비스무트 몰리브덴 계열의 촉매를 사용하여 현재 전환율은 약 95%이면서 아크릴로니트릴의 선택도는 80%이상인 높은 활성을 보이고 있다(비특허 문헌 2). 프로필렌을 이용한 반응은 프로필렌의 수소가 탈착되면서 형성되는 알릴 중간체가 촉매 표면에 흡착된 질소 흡착종과 반응하면서 최종적으로 아크릴로니트릴을 생산하는 순서로 진행된다(비특허 문헌 3). Representative reactions for producing acrylonitrile can be roughly divided into a propylene process and a sohio process using propane. First, the propylene process is a representative example of a successfully developed partial oxidation process. Since the introduction of the Sohio process in the early 1960s, the conversion rate of the bismuth molybdenum series catalyst is currently 95% and the selectivity of acrylonitrile is 80% (Non-Patent Document 2). In the reaction using propylene, the allyl intermediate formed by desorbing the hydrogen of propylene reacts with the nitrogen adsorbing species adsorbed on the catalyst surface and finally proceeds to produce acrylonitrile (Non-Patent Document 3).

프로판을 이용하는 공정은 프로필렌에 비해 반응성이 매우 낮기 때문에 활성이 우수하면서도 고온의 긴 접촉시간에도 내성이 우수한 촉매의 개발이 필요하다. 현재 프로필렌을 이용한 공정이 높은 수율로 운전되고 있기 때문에 이를 대체하기 위해서는 저가 프로판의 공급과 높은 수율을 보이는 프로판 공정 촉매가 필요하다. 반응의 어려움에도 불구하고 프로판이 프로필렌 보다 가격 경쟁력이 있고 셰일 가스가 개발되면서 미래지향적인 원료로 판단되기 때문에 영국의 BP, 일본의 미쓰비시 및 아사히 등의 기업에서 시도되고 있으며, 아사히 카사이사가 최초로 프로판의 암모산화반응을 통하는 기술을 상업화에 성공하여 아크릴로니트릴을 생산하고 있다. Since the process using propane is very low in reactivity than propylene, it is necessary to develop a catalyst having excellent activity and resistance to high temperature long contact time. At present, the process using propylene is operated at a high yield, and therefore, a propane process catalyst having a low yield of propane and a high yield is required to replace it. In spite of the difficulty of reaction, propane is more competitive than propylene, and shale gas is developed and considered as a future-oriented raw material. Therefore, it is being tried by companies such as BP, Mitsubishi and Asahi in Japan, Has succeeded in commercializing the technology through the ammoxidation reaction of acrylonitrile to produce acrylonitrile.

또한, 프로판을 이용한 공정은 크게 프로판의 탈수소화 반응과 생성된 프로필렌의 암모산화 반응순서로 진행된다. 반응성이 낮은 프로판은 먼저 촉매 표면에 흡착하여 격자산소에 의해 산화되어 활성화된다. 촉매 표면에 흡착하여 수소가 탈착된 프로판은 촉매의 염기점에서 알릴 형태의 중간체로 다시 활성화되고 촉매 표면의 암모니아 종에 의하여 최종적으로 아크릴로니트릴이 생성된다(비특허 문헌 4).In addition, the process using propane proceeds largely in the order of the dehydrogenation reaction of propane and the ammonia oxidation reaction of the produced propylene. The less reactive propane adsorbs first on the catalyst surface and is oxidized and activated by the lattice oxygen. Propane in which hydrogen is desorbed on the surface of the catalyst is activated again as an intermediate in allyl form at the base point of the catalyst and finally acrylonitrile is produced by the ammonia species on the surface of the catalyst (Non-Patent Document 4).

최근 들어, Mo-V-Te-Nb-O의 성분을 갖는 높은 활성의 다성분계 산화물 촉매가 개발되어 많은 관심을 받고 있는데(특허 문헌 1), Mo-V-Te-Nb-O 촉매계는 반응에 직접적으로 연관된 M1과 M2라는 특정 결정 구조를 갖고 있다. M1 구조의 경우 프로판의 암모니아첨가 산화 반응에, M2 구조는 프로필렌의 암모니아 첨가 산화 반응에 보다 효율적이라고 알려져 있다(특허 문헌 2). 또한 프로판의 암모산화 반응외의 다른 몇 가지 반응에서도 역시 높은 활성을 보이는 것으로 알려져 많은 연구가 진행되고 있다. 하지만 촉매의 가격이 높고 열적 안정성이 낮은 특성을 갖고 있어 상용화에 문제를 겪고 있다(비특허 문헌 5).In recent years, a highly active multicomponent oxide catalyst having Mo-V-Te-Nb-O components has been developed and attracted much attention (Patent Document 1) And has a specific crystal structure of M1 and M2 directly associated with each other. In the case of the M1 structure, the M2 structure is known to be more effective for the ammonia addition oxidation reaction of propylene in the ammonia addition oxidation reaction of propane (Patent Document 2). In addition, it is known that some of the reactions other than the ammoxidation reaction of propane are also highly active, and many studies have been conducted. However, since the catalyst is expensive and has low thermal stability, it has problems in commercialization (Non-Patent Document 5).

상기 문제를 해결하기 위해서 실리카 졸을 이용하여 소량의 실리카를 촉매에 도입하거나 희석제를 도입하는 연구들이 진행되고 있다(특허 문헌 3). 희석제는 그 자체로 반응활성을 갖지는 않지만 열전도성이 우수하여 촉매의 핫 스팟 생성을 방지하고 촉매를 분산시켜 활용도를 높이는데 사용된다. 희석제가 사용된 촉매의 경우 더 적은 촉매의 양으로도 동일한 성능의 활성을 보일 수 있기 때문에 경제적인 이유로 벌크 형태의 촉매에 자주 사용된다. 에탄의 탈수소화에 사용된 Mo-V-Te-Nb-O 촉매 역시 알루미나, 티타니아등을 희석제로 사용할 때 더 경제적이고 높은 활성을 보인다고 알려져 있다(특허 문헌4). 따라서 희석제를 이용한 방법이 촉매의 열적 안정성을 높이고 활용도를 높여 상기 문제를 해결하고 생산비용이 절감할 수 있을 것으로 기대된다.In order to solve the above problem, studies have been conducted to introduce a small amount of silica into a catalyst or introduce a diluent using silica sol (Patent Document 3). The diluent does not have a reactive activity per se, but has excellent thermal conductivity, which is used to prevent the formation of hot spots of the catalyst and to disperse the catalyst to improve its utilization. Catalysts using diluents are often used in bulk catalysts for economic reasons because they can exhibit the same performance activity with less catalyst amount. The Mo-V-Te-Nb-O catalyst used for the dehydrogenation of ethane is also known to exhibit more economical and high activity when alumina, titania, etc. are used as a diluent (Patent Document 4). Therefore, it is expected that the method using the diluent improves the thermal stability of the catalyst and improves the utilization thereof, thereby solving the above problems and reducing the production cost.

진술한 바와 같이 지금까지의 공정에서는 경제성 면에서 프로판보다는 프로필렌을 원료로 선호하였지만, 프로판의 가격하락과 촉매의 개발로 프로판을 이용하는 공정의 상당한 경제적 이익이 예상된다. 또한 현재 개발된 프로판을 이용한 공정의 경우 몇 가지 문제점들로 인하여 성공적으로 상업화 되지 못하고 있다. 이에 본 발명자들은 프로판을 이용한 아크릴로니트릴 제조 반응을 통하여 아크릴로니트릴을 경제적이고 효율적으로 생산할 수 있는 촉매계를 설계하고 제조하고자 하였다. 또한 상기 촉매를 이용한 프로판 암모산화 반응을 통해 아크릴로니트릴을 선택적으로 제조함으로써 기존의 반응 시스템보다 효율적인 반응 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
As stated, propylene was preferred as a feedstock rather than propane in terms of economy in the process up to now, but it is expected that considerable economic benefits will be gained from the process using propane due to the lowering of propane and the development of catalysts. Also, the process using the currently developed propane is not successfully commercialized due to some problems. Accordingly, the present inventors have designed and manufactured a catalyst system capable of economically and efficiently producing acrylonitrile through the reaction of producing acrylonitrile using propane. The present invention also provides a reaction system that is more efficient than the conventional reaction system by selectively producing acrylonitrile through a propane ammoxidation reaction using the catalyst.

(특허 문헌 1) 미국등록특허 제6143690호(Patent Document 1) United States Patent No. 6143690 (특허 문헌 2) 미국등록특허 제5422328호(Patent Document 2) United States Patent No. 5422328 (특허 문헌 3) 미국등록특허 제4624800호(Patent Document 3) US Patent No. 4624800 (특허 문헌 4) 미국등록특허 제8846996호(Patent Document 4) United States Patent No. 8846996

(비특허 문헌 1) J.―C. Volta, C. R. Acad. Sci., Ser. IIc: Chim., 3권, 717쪽 (2000)(Non-Patent Document 1) J.-C. Volta, C. R. Acad. Sci., Ser. IIc: Chim., Vol. 3, pp. 717 (2000) (비특허 문헌 2) D R.K. Grasselli, J.D. Burrington, D.J. Buttrey, P. DeSanto Jr., P.C.G., Lugmair, A.F. Volpe Jr., T. Weingand, Top. Catal. 23권, 5쪽 (2003)(Non-Patent Document 2) D R.K. Grasselli, J. D. Burrington, D.J. Buttrey, P. DeSanto Jr., P. C. G., Lugmair, A.F. Volpe Jr., T. Weingand, Top. Catal. 23, 5 (2003) (비특허 문헌 3) J. Belgacem, J. Kress, J.A. Osborn., J. Mol. Catal. A. 86권 267쪽 (1994)(Non-Patent Document 3) J. Belgacem, J. Kress, J.A. Osborn., J. Mol. Catal. A. 86, 267 (1994) (비특허 문헌 4) ] R.K. Grasselli, D.J. Buttrey, P. DeSanto Jr., J.D. Burrington, C.G. Lugmair, A.F. Volpe Jr., T. Weingand, Catal. Today 91권, 251쪽 (2004)(Non-Patent Document 4)] R.K. Grasselli, D.J. Buttrey, P. DeSanto Jr., J. D. Burrington, C.G. Lugmair, A.F. Volpe Jr., T. Weingand, Catal. Today 91, 251 (2004) (비특허 문헌 5) R.K. Grasselli, J.D. Burrington, Handbook of heterogeneous catalysis, 2nd edn. VCH-Wiley, Weinheim, 7권, 3479 쪽 (2008) (Non-Patent Document 5) R.K. Grasselli, J. D. Burrington, Handbook of heterogeneous catalysis, 2nd edn. VCH-Wiley, Weinheim, vol. 7, p. 3479 (2008)

따라서, 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 프로판의 암모산화 반응에 이용되는 금속 산화물 촉매를 제공하고자 하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a metal oxide catalyst for use in the ammoxidation reaction of propane.

또한, 상기 금속 산화물 촉매를 이용하여 낮은 가격을 갖는 프로판으로부터 아크릴로니트릴을 합성하여 제공하고자 하는 것이다.
It is also intended to synthesize acrylonitrile from propane having a low cost using the metal oxide catalyst.

본 발명의 대표적인 일 측면에 따르면, According to an exemplary aspect of the present invention,

(a) 몰리브데넘 전구체, 바나듐 전구체, 텔루륨 전구체 및 니오비움 전구체를 포함하는 전구체 용액을 제조하는 단계;(a) preparing a precursor solution comprising a molybdenum precursor, a vanadium precursor, a tellurium precursor, and a niobium precursor;

(b) 상기 전구체 용액을 건조시킨 후 1차로 소성시키는 단계; 및(b) drying and calcining the precursor solution first; And

(c) 상기 소성된 소성물에 희석제를 투입하고 2차로 소성시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 산화물 촉매의 제조방법에 관한 것이다.(c) injecting a diluent into the calcined sinter and secondly calcining the sintered calcined sinter, and a process for producing the metal oxide catalyst.

본 발명의 다른 대표적인 일 측면에 따르면, 상기 금속 산화물 촉매를 이용한 아크릴로니트릴의 제조방법에 있어서,According to another exemplary aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing acrylonitrile using the metal oxide catalyst,

상기 금속 산화물 촉매와 프로판을 질소 분위기하에서 열처리하여 프로판의 암모산화 반응에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 아크릴로니트릴의 제조방법에 관한 것이다.
Wherein the metal oxide catalyst and propane are heat-treated under a nitrogen atmosphere to produce propylene by an ammoxidation reaction.

본 발명에 따른 희석제에 담지된 금속 산화물 촉매는 희석제가 도입되어 열적 안정성이 뛰어나며, 작은 양의 촉매로도 높은 성능을 낼 수 있어 경제적인 측면에서 우위를 갖고 있다. 또한 활성점이 희석제들을 통해 효과적으로 분포되어 부반응을 크게 줄일 수 있으며 희석제를 사용하지 않았을 때 보다 더 높은 촉매의 생산성을 얻을 수 있다.The metal oxide catalyst supported on the diluent according to the present invention has excellent thermal stability due to the introduction of a diluent, and has a high economic efficiency because it can achieve high performance even with a small amount of catalyst. In addition, active sites can be effectively distributed through diluents, greatly reducing side reactions and achieving higher catalyst productivity than when no diluent is used.

또한, 상기 금속 산화물 촉매을 이용하여 아크릴로니트릴을 프로필렌이 아닐 프로판으로부터 용이하게 제조할 수 있으며, 이는 프로판으로부터 직접 아크릴로니트릴을 생산할 수 있어 경제적인 이득과 함께 향후 시장 변화에 능동적으로 대처할 수 있는 장점을 가진다.
In addition, acrylonitrile can be easily prepared from propylene dianilpropane using the metal oxide catalyst, which can produce acrylonitrile directly from propane, thereby providing economical advantages and being able to actively cope with future market changes .

도 1은 제조예 1 내지 3에 의해 제조된 MVTN-X(X= Aerosil200, MCF, SBA15) 촉매의 질소 흡탈착 등온선을 나타낸 그래프이다.
도 2는 제조예 1 내지 3에 의해 제조된 MVTN-X(X= Aerosil200, MCF, SBA15) 촉매의 X-선 회절 분석 결과 그래프를 나타낸 것이다.
도 3은 제조예 1 내지 3의 의해 제조된 MVTN-X(X= Aerosil200, MCF, SBA15) 촉매를 이용하여 생산된 실시예1 내지 3의 아크릴로니트릴의 생산 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 제조예 4 내지 8에 의해 제조된 MVTN-XMCF(X=10, 15, 20, 40, 0 중량%) 촉매를 이용하여 생산된 실시예 4 내지 7 및 비교예의 아크릴로니트릴 생산 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a graph showing nitrogen adsorption / desorption isotherms of MVTN-X (X = Aerosil200, MCF, SBA15) catalysts prepared in Production Examples 1 to 3. FIG.
FIG. 2 is a graph showing X-ray diffraction analysis results of MVTN-X (X = Aerosil200, MCF, SBA15) catalysts prepared according to Production Examples 1 to 3.
3 is a graph showing the production results of acrylonitrile of Examples 1 to 3 produced using MVTN-X (X = Aerosil200, MCF, SBA15) catalysts prepared by Production Examples 1 to 3.
4 shows the results of acrylonitrile production in Examples 4 to 7 and Comparative Examples produced using MVTN-XMCF (X = 10, 15, 20, 40, 0 wt%) catalysts prepared in Production Examples 4 to 8 Fig.

이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.Hereinafter, various aspects and various embodiments of the present invention will be described in more detail.

본 발명에서 제공하고자 하는 금속 산화물 촉매는 프로판을 이용한 아크릴로니트릴을 제조하기 위한 용도로서, 상기 금속 산화물 촉매를 이용하여 프로판의 암모산화 반응을 통한 아크릴로니트릴을 제공할 수 있다.The metal oxide catalyst to be provided in the present invention is for producing acrylonitrile using propane. The metal oxide catalyst can be used to provide acrylonitrile through ammoxidation reaction of propane.

본 발명의 일 측면에 따르면, According to an aspect of the present invention,

(a) 몰리브데넘 전구체, 바나듐 전구체, 텔루륨 전구체 및 니오비움 전구체를 포함하는 전구체 용액을 제조하는 단계;(a) preparing a precursor solution comprising a molybdenum precursor, a vanadium precursor, a tellurium precursor, and a niobium precursor;

(b) 상기 전구체 용액을 건조시킨 후 1차로 소성시키는 단계; 및(b) drying and calcining the precursor solution first; And

(c) 상기 소성된 소성물에 희석제를 투입하고 2차로 소성시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 산화물 촉매의 제조방법을 제공한다.(c) adding a diluent to the calcined calcined material and calcining the calcined calcined material in a second step.

상기 (a) 단계는 몰리브데넘 전구체, 바나듐 전구체, 텔루륨 전구체 및 니오비움 전구체를 포함하는 전구체 용액을 제조하는 단계로, 상기 전구체 용액은 제1 전구체 용액과 제2 전구체 용액을 혼합한 것이다.The step (a) is a step of preparing a precursor solution containing a molybdenum precursor, a vanadium precursor, a tellurium precursor and a niobium precursor, wherein the precursor solution is a mixture of a first precursor solution and a second precursor solution.

상기 (a) 단계는 (a-1) 몰리브데넘 전구체, 바나듐 전구체 및 텔루륨 전구체를 제1 용매에 용해시켜 상기 몰리브덴 전구체, 바나듐 전구체 및 텔루륨 전구체가 혼합된 제1 금속 전구체 용액을 제조하는 단계, (a-2) 니오비움 전구체와 환원제를 제2 용매에 용해시켜 제2 금속 전구체 용액을 제조하는 단계, 및 (a-3) 상기 제1 금속 전구체 용액과 제2 금속 전구체 용액을 혼합하고 오토클레이브를 이용하여 수열 합성시키는 단계로 이루어진다.The step (a) comprises: (a-1) dissolving a molybdenum precursor, a vanadium precursor and a tellurium precursor in a first solvent to prepare a first metal precursor solution in which the molybdenum precursor, the vanadium precursor and the tellurium precursor are mixed (A-2) dissolving a niobium precursor and a reducing agent in a second solvent to prepare a second metal precursor solution, and (a-3) mixing the first metal precursor solution and the second metal precursor solution Followed by hydrothermal synthesis using an autoclave.

이때, 상기 (a) 단계의 전구체 용액은 반드시 제1 전구체 용액과 제2 전구체 용액을 각각 제조한 후에 혼합하되, 상기 환원제는 제2 전구체 용액을 제조할 때 니오비움 전구체와 함께 용매에 투입하여 제조해야만 하는데, 이러한 공정은 최종적으로 제조된 금속 산화물 촉매를 2회까지 재생하여 사용하더라도 촉매의 활성을 저하시키지 않음을 확인하였다. At this time, the precursor solution in step (a) is necessarily prepared by mixing the first precursor solution and the second precursor solution, and the reducing agent is added to the solvent together with the niobium precursor in the preparation of the second precursor solution, It is confirmed that this process does not deteriorate the activity of the catalyst even if the metal oxide catalyst finally produced is regenerated up to two times.

즉, 전구체 용액을 제조함에 있어서, 몰리브데넘 전구체, 바나듐 전구체, 텔루륨 전구체 및 니오비움 전구체를 한꺼번에 혼합하여 제조할 경우에는 촉매의 재생능력을 저하시킬 수 있으므로, 반드시 제1 전구체 용액과 제2 전구체 용액으로 분리하여 각각 제조한 후 혼합해야 하고, 상기 환원제는 니오비움 전구체와 함께 용매에 따로 용해시켜야만 한다.That is, when the molybdenum precursor, the vanadium precursor, the tellurium precursor and the niobium precursor are mixed together in the preparation of the precursor solution, the regenerating ability of the catalyst may be lowered. Therefore, The precursor solution is separately prepared and mixed, and the reducing agent must be separately dissolved in the solvent together with the niobium precursor.

먼저, 상기 (a-1) 단계는 상기 몰리브데넘 전구체, 바나듐 전구체 및 텔루륨 전구체를 1 : 0.05 내지 5 : 0.05 내지 5의 원자비로 혼합하는 것이 바람직한데, 상기 원자비를 벗어나는 경우에는 촉매의 활성을 저해시킬 수 있는 결정상이 형성될 수 있어 바람직하지 않다. 더욱 바람직하게는 1 : 0.4 : 0.16의 원자비로 혼합되는 것이다. Preferably, the molybdenum precursor, the vanadium precursor, and the tellurium precursor are mixed at an atomic ratio of 1: 0.05 to 5: 0.05 to 5, and in the step (a-1) A crystalline phase capable of inhibiting the activity of the compound can be formed. More preferably in an atomic ratio of 1: 0.4: 0.16.

상기 몰리브데넘 전구체와 제1 용매는 1 : 1 내지 30의 중량비율로 혼합하는 것이 바람직한데, 더욱 바람직하게는 1 : 6이다.The molybdenum precursor and the first solvent are preferably mixed in a weight ratio of 1: 1 to 30, more preferably 1: 6.

상기 (a-2) 단계는 니오비움 전구체와 환원제는 1 : 1 내지 10의 원자비로 혼합되는 것이 바람직한데, 더욱 바람직하게는 1 : 3.5 인 것이다. In the step (a-2), the niobium precursor and the reducing agent are preferably mixed in an atomic ratio of 1: 1 to 10, more preferably 1: 3.5.

상기 니오비움 전구체와 제2 용매는 1 : 1 내지 30의 중량비율로 혼합하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1 : 12 인 것이다.The niobium precursor and the second solvent are preferably mixed in a weight ratio of 1: 1 to 30, more preferably 1: 12.

상기 환원제는 옥살산, 타르타릭산, 말로닉식 숙신산 및 프탈릭산 중에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다.The reducing agent is preferably at least one selected from the group consisting of oxalic acid, tartaric acid, malonic acid succinic acid and phthalic acid.

상기 (a-3) 단계에서 제1 전구체 용액과 제2 전구체 용액의 혼합하는 공정은 필요에 따라 반응기내에서 용액을 가열하여 수행될 수도 있다.In the step (a-3), the step of mixing the first precursor solution and the second precursor solution may be performed by heating the solution in the reactor as required.

이때, 가열 시간은 혼합되는 용액 또는 슬러리의 양에 따라 변화할 수 있으나, 바람직하게는 50 내지 100 ℃의 온도에서 1 내지 24 시간 동안 교반되는 것이고, 더욱 바람직하게는 80 ℃의 온도에서 3 시간 동안 교반하는 것이다.In this case, the heating time may vary depending on the amount of the solution or slurry to be mixed, but is preferably 1 to 24 hours at a temperature of 50 to 100 ° C, more preferably at a temperature of 80 ° C for 3 hours Lt; / RTI >

상기 가열하여 교반한 후에는 상기 용액 또는 슬러리를 상온의 온도로 낮춘 후에 각각의 용액 또는 슬러리를 혼합할 수 있다.After the heating and stirring, the solution or slurry may be lowered to room temperature, and then each solution or slurry may be mixed.

상기 수열 합성은 50 내지 200 ℃의 온도에서 1 내지 100 시간 동안 교반하여 수행될 수 있으며, 바람직하게는 120 내지 200 ℃의 온도에서 12 내지 60 시간 동안 교반하여 반응시키는 것이며, 더욱 바람직하게는 175 ℃의 온도에서 48 시간 동안 교반하는 것이다. 만일 상기 수열 합성의 온도가 50 ℃ 미만이거나, 200 ℃를 초과하는 경우에는 다른 종류의 결정상이 형성될 수 있어 바람직하지 않다. The hydrothermal synthesis may be carried out by stirring at a temperature of 50 to 200 ° C for 1 to 100 hours, preferably at a temperature of 120 to 200 ° C for 12 to 60 hours, more preferably at 175 ° C ≪ / RTI > for 48 hours. If the temperature of the hydrothermal synthesis is less than 50 캜 or more than 200 캜, different kinds of crystal phases may be formed, which is not preferable.

상기 몰리브데넘 전구체로는 암모늄 헵타몰리브데이트, 몰리브데넘 옥사이드, 몰리브데넘 클로라이드, 몰리브데넘 옥시 클로라이드, 몰리브데넘 아세틸아세토네이트, 몰리브데넘 옥시트리에톡사이드, 포스포몰리브덴산 및 실리코몰리브덴산 중에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다. Examples of the molybdenum precursor include ammonium heptamolybdate, molybdenum oxide, molybdenum chloride, molybdenum oxychloride, molybdenum acetylacetonate, molybdenum oxytriethoxide, phosphomolybdic acid, And silicomolybdic acid are preferable.

상기 바나듐 전구체로는 암모늄 메타바나데이트, 바나딜 설페이트, 바나듐 옥사이드, 바나듐 클로라이드, 바나듐 옥시클로라이드, 바나듐 옥시트리에톡사이드, 바나듐 아세틸아세토네이트 및 바나딜 아세틸아세토네이드 중에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.The vanadium precursor is preferably at least one selected from ammonium metavanadate, vanadyl sulfate, vanadium oxide, vanadium chloride, vanadium oxychloride, vanadium oxytriethoxide, vanadium acetylacetonate and vanadyl acetylacetonate .

상기 텔루륨 전구체로는 텔루륨 클로라이드, 텔루륨 아세틸아세토네이드, 텔루륨 옥사이드 및 텔루륨 엑시드 중에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.The tellurium precursor is preferably at least one selected from tellurium chloride, tellurium acetylacetonate, tellurium oxide, and tellurium acid.

또한, 상기 니오비움 전구체로는 암모늄 니오비움 옥살레이트, 니오비움 옥사이드, 니오비움 클로라이드, 및 니오빅 엑시드 중에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.In addition, the niobium precursor is preferably at least one selected from ammonium niobium oxalate, niobium oxide, niobium chloride, and niobium oxide.

상기 (b) 단계는 상기 (a) 단계를 통해 제조된 전구체 용액을 건조시킨 후에 1차로 소성시키는 단계이다.In the step (b), the precursor solution prepared in the step (a) is first dried and then fired.

상기 전구체 용액을 건조시키기 위해서는 먼저, 상기 전구체 용액을 상기 (a) 단계에서 사용된 제1 용매, 제2 용매 또는 이들의 혼합물을 사용하여 필터링한 후, 60 내지 180 ℃ 온도의 오븐에서 3 내지 60 시간 동안 건조하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 물을 사용하여 전구체 용액을 필터링 한 후에 120 ℃ 온도의 오븐에서 12 시간 동안 건조하는 것이다.In order to dry the precursor solution, the precursor solution is first filtered using the first solvent, the second solvent or a mixture thereof used in the step (a) It is preferred to dry for a period of time. More preferably, the precursor solution is filtered using water and then dried in an oven at 120 DEG C for 12 hours.

상기 1차 소성은 300 내지 1200 ℃의 온도에서 1 내지 24 시간 동안 수행될 수 있으며, 바람직하게는 500 내지 800 ℃의 온도로 1 내지 8 시간 동안 열처리하는 것이다. 상기 소성은 300 ℃ 미만이거나, 1200 ℃를 초과하는 경우에는 촉매의 활성을 갖지 않는 결정상이 형성될 수 있어 바람직하지 않다. The first firing may be performed at a temperature of 300 to 1200 ° C for 1 to 24 hours, preferably at a temperature of 500 to 800 ° C for 1 to 8 hours. The firing is performed at a temperature of less than 300 DEG C, or when the firing temperature exceeds 1200 DEG C A crystalline phase having no catalyst activity may be formed, which is not preferable.

상기 (c) 단계는 상기 (b) 단계를 통해 소성된 소성물을 제3 용매에 용해시킨 후, 희석제를 투입하고 건조시킨 다음에 소성시키는 단계이다.In the step (c), the fired sintered material is dissolved in the third solvent, the diluent is added, dried, and then fired.

상기 희석제를 투입하고 건조시킬 때는 반응기 내에서 용액을 가열함으로써 수행될 수 있다. 이때, 가열 시간과 온도는 혼합되는 용액의 양에 따라 변화할 수 있으나, 바람직하게는 30 내지 150 ℃의 온도에서 5분 내지 24 시간이며, 더욱 바람직하게는 85 ℃의 온도에서 3 내지 6 시간 수행하는 것으로, 가장 효율적임을 확인하였다.When the diluent is added and dried, it can be performed by heating the solution in the reactor. In this case, the heating time and temperature may vary depending on the amount of the mixed solution, but it is preferably 5 to 24 hours at a temperature of 30 to 150 ° C, more preferably 3 to 6 hours at a temperature of 85 ° C And that it is the most efficient.

상기 (a), (b) 단계에서 사용된 제1, 2 용매와 제3 용매는 서로 동일하거나 상이하며 각각 독립적으로 물, 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 부탄올, 1-헵탄올, 4-메틸-1-헥산올, 4-메틸-1-헵탄올, 벤질알콜, 1, 2-에탄디올, 글리세롤, 데이텔글리콜 및 트리메틸렌 글리콜 중에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다.The first, second and third solvents used in the steps (a) and (b) may be the same or different from each other and each independently selected from water, methanol, ethanol, 1- , 4-methyl-1-hexanol, 4-methyl-1-heptanol, benzyl alcohol, 1,2-ethanediol, glycerol, ditel glycols and trimethylene glycol.

상기 희석제는 실리카, 알루미나, 티타니아, 지르코니아 및 니오비움옥사이드 중에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 실리카이다.The diluent is preferably at least one selected from the group consisting of silica, alumina, titania, zirconia and niobium oxide, more preferably silica.

상기 실리카는 통상적으로 사용되는 물질이라면 모두 사용이 가능하나, 바람직하게는 실리카졸, Aerosil200, MCF 및 SBA 15 중에서 선택된 1종 이상이다.The silica may be any material conventionally used, but preferably at least one selected from silica sol, Aerosil 200, MCF and SBA 15.

상기 소성물과 희석제의 혼합 비율은 1 : 0.01 내지 1의 중량비율로 혼합하는 것이 바람직한데, 상기 범위를 벗어나는 경우에는 선택도가 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다. 더욱 바람직하게는 상기 소성물과 희석제가 1 : 0.15의 중량비율로 혼합되는 것이다.The blending ratio of the fired product and the diluent is preferably 1: 0.01 to 1, and if it is out of the above range, the selectivity may be lowered. More preferably, the fired product and the diluent are mixed at a weight ratio of 1: 0.15.

상기 2차 소성은 500 내지 800 ℃의 온도로 1 내지 8 시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.The secondary firing is preferably performed at a temperature of 500 to 800 DEG C for 1 to 8 hours.

더욱 바람직하게는 상기 1차 소성과 2차 소성은 모두 두 단계로 나누어 진행될 수 있다. 즉, 상기 소성(1차 및 2차)은 200 내지 350 ℃의 산소 분위기 하에서 1 내지 6 시간 동안 1차로 열처리 한 후, 불활성 기체인 질소 분위기하에서 500 내지 700 ℃온도로 1 내지 10 시간 동안 2차 열처리할 수 있다. 상술한 바와 같이 두 단계로 나누어 소성을 수행하게 되면, 1차 산소 소성을 통해 전구체상의 불순물을 제거할 수 있고, 2차 불활성 기체 소성을 통해 원하는 촉매의 결정성을 얻을 수 있다. 단, 경우에 따라 1차 산소 소성의 경우 생략될 수도 있다.More preferably, the first firing and the second firing may be performed in two stages. That is, the firing (primary and secondary) is first heat treated in an oxygen atmosphere at 200 to 350 ° C for 1 to 6 hours, then heated at a temperature of 500 to 700 ° C for 1 to 10 hours in a nitrogen atmosphere under an inert gas Heat treatment can be performed. If the calcination is carried out in two stages as described above, the impurities on the precursor can be removed through the first oxygen calcination and the crystallinity of the desired catalyst can be obtained through the second inert gas calcination. However, in some cases, it may be omitted in the case of primary oxygen firing.

또한, 상기 소성은 관형 소성기(소성로)에서 수행되는 것이 더욱 바람직한데, 이는 투입되는 기체인 산소와 질소의 손실을 억제하여 소성 효율을 극대화하기 위한 것이다. 즉, 다른 종류의 소성로를 사용할 경우에는 상기 기체의 손실이 우려되는데, 이는 최종적으로 제조되는 촉매의 활성이 저하될 수 있어 바람직하지 않다.
Further, it is more preferable that the firing is performed in a tubular firing furnace (firing furnace), in order to maximize the firing efficiency by suppressing the loss of oxygen and nitrogen which are gases to be introduced. That is, when another kind of calcining furnace is used, loss of the gas is a concern, which is undesirable because the activity of the finally produced catalyst may be lowered.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 금속 산화물 촉매를 이용한 아크릴로니트릴의 제조방법을 제공할 수 있는데, 상기 금속 산화물 촉매와 프로판을 질소 분위기하에서 열처리하여 프로판의 암모산화 반응에 의해 제조되는 것이 바람직하다.According to another aspect of the present invention, there is provided a process for producing acrylonitrile using the metal oxide catalyst, wherein the metal oxide catalyst and propane are preferably prepared by an ammoxidation reaction of propane by heating under a nitrogen atmosphere .

상기 프로판의 암모산화 반응을 진행시키기 위한 반응 온도는 300 내지 800 ℃인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 300 내지 500 ℃인 것이다. 만일, 상기 반응 온도가 300 ℃ 미만인 경우에는 프로판이 충분히 활성화되지 않아서 바람직하지 않고, 500 ℃를 초과하는 경우에는 프로판의 분해반응으로 인해 바람직하지 않다.The reaction temperature for promoting the ammoxidation reaction of the propane is preferably 300 to 800 ° C, and more preferably 300 to 500 ° C. If the reaction temperature is lower than 300 ° C, the propane is not sufficiently activated, and if it is higher than 500 ° C, it is not preferable due to decomposition reaction of propane.

상기 프로판의 암모산화 반응의 반응물은 프로판, 산소, 암모니아 및 질소를 포함하는 혼합기체로서, 프로판을 기준으로 하여 프로판 : 산소 : 암모니아 : 질소의 부피비가 1 : 0.5-20 : 0.1-10 : 1-50, 바람직하게는 1 : 1-5 : 0.5-3 : 5-20, 더욱 바람직하게는 1 : 3 : 1.2 : 15인 것이다. The reaction product of the propane for ammonia oxidation reaction is a mixed gas containing propane, oxygen, ammonia and nitrogen, and has a volume ratio of propane: oxygen: ammonia: nitrogen of 1: 0.5-20: 0.1-10: 1: 50: 1, preferably 1: 1-5: 0.5-3: 5-20, more preferably 1: 3: 1.2: 15.

만일, 산소의 비율이 상기 범위를 벗어나는 경우에는 완전 산화반응이 과도하게 발생하거나 촉매의 활성이 낮아지게 된다. 암모니아의 비율이 상기 범위를 벗어나는 경우에는 역시 촉매의 활성이 감소해서 아크릴로니트릴의 선택도가 감소하게 되며, 또한 공정의 안정성에 문제가 발생할 수 있어 바람직하지 않다.If the ratio of oxygen is out of the above range, the complete oxidation reaction occurs excessively or the activity of the catalyst becomes low. If the ratio of ammonia is out of the above range, the activity of the catalyst also decreases to decrease the selectivity of acrylonitrile, and it may cause problems in process stability, which is not preferable.

상기 프로판의 암모산화 반응에서 반응물을 반응기에 공급할 때, 반응물의 주입량은 질량유속조절기를 사용하여 조절할 수 있는데, 반응물의 주입량은 프로판, 산소 및 암모니아 총합 공간속도(GHSV: Gas Hourly Space Velocity)가 100 내지 20,000 h-1인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 300 내지 3,000 h-1인 것이다.When the reactant is fed to the reactor in the ammoxidation reaction of propane, the amount of the reactant to be injected can be controlled by using a mass flow rate controller. The amount of the reactant to be injected is preferably 100 to 100 g / hr (Gas Hourly Space Velocity) To 20,000 h < -1 & gt ;, and more preferably from 300 to 3,000 h < -1 >.

만일, 상기 공간속도가 300 h-1 미만인 경우에는 촉매의 반응이 한정된 구간에서 일어나면서 부산물로 코킹(coking)이 발생할 수 있고 반응시 방출되는 열로 인하여 핫 스팟(hot spot)이 나타날 수 있으며, 3,000 h-1을 초과하는 경우에는 반응물이 촉매층을 지나가는 동안 촉매 작용이 충분히 일어날 수 없기 때문에 바람직하지 않다.
If the space velocity is less than 300 h -1, coking may occur as a by-product while the reaction of the catalyst occurs in a limited region, and hot spots may be generated due to heat released during the reaction. h < -1 > is not preferable because the catalytic action can not sufficiently take place while the reactant passes through the catalyst layer.

이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and the like, but the scope and content of the present invention can not be construed to be limited or limited by the following Examples. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following claims. It is natural that it belongs to the claims.

또한 이하에서 제시되는 실험 결과는 상기 실시예 및 비교예의 대표적인 실험 결과만을 기재한 것이며, 아래에서 명시적으로 제시하지 않은 본 발명의 여러 구현예의 각각의 효과는 해당 부분에서 구체적으로 기재하도록 한다.
In addition, the experimental results presented below only show representative experimental results of the embodiments and the comparative examples, and the respective effects of various embodiments of the present invention which are not explicitly described below will be specifically described in the corresponding part.

(제조예 1 내지 3: 희석제 특성에 따른 Mo-V-Te-Nb 금속 산화물 촉매의 제조) (Preparation Examples 1 to 3: Preparation of Mo-V-Te-Nb metal oxide catalyst according to diluent characteristics)

암모늄 헵타몰리브데이트(Ammonium heptamolybdate, AHM) 20.97 g, 바나딜 설페이트 하이드레이트(Vanadyl sulfate hydrate) 10.65 g, 텔루릭 엑시드(Telluric acid) 4.55 g을 증류수 120g 에 녹여 용액 A를 만들고, 동시에 니오빅 엑시드(Niobic acid) 2.54 g과 옥살릭 엑시드 다이하이드레이트(Oxalic acid dihydrate) 6.32 g 을 증류수 30 g에 녹여 용액 B를 만들었다. 두 전구체 용액을 85 ℃의 온도에서 3시간 동안 교반한 다음 상온으로 식힌 후, 혼합하여 전구체 수용액을 제조하였다. 상기 전구체 수용액은 오토클레이브를 통해 175 ℃의 온도에서 48시간 동안 수열 합성된 후, 증류수를 이용해 필터링 하였고 120 ℃의 온도에서 오븐에서 12시간 동안 건조되었다. 이후, 건조된 촉매를 질소 분위기의 관형 소성기에서 600 ℃의 온도를 유지하면서 2시간 동안 열처리함으로써 고형 물질을 얻었다.A solution A was prepared by dissolving 20.97 g of ammonium heptamolybdate (AHM), 10.65 g of vanadyl sulfate hydrate and 4.55 g of telluric acid in 120 g of distilled water to prepare a solution A, Niobic acid (2.54 g) and oxalic acid dihydrate (6.32 g) were dissolved in 30 g of distilled water to prepare solution B. The two precursor solutions were stirred at a temperature of 85 캜 for 3 hours, cooled to room temperature, and mixed to prepare a precursor aqueous solution. The precursor aqueous solution was hydrothermally synthesized at a temperature of 175 ° C through an autoclave for 48 hours, filtered using distilled water, and dried in an oven at 120 ° C for 12 hours. Thereafter, the dried catalyst was subjected to a heat treatment for 2 hours while maintaining the temperature at 600 ° C. in a tubular fired apparatus of nitrogen atmosphere to obtain a solid material.

이렇게 얻어진 고형 물질 5 g과 희석제 1 g을 증류수 80 g에 녹인 후에 85 ℃의 온도에서 5시간 동안 교반한 다음 충분히 건조시켰다. 이 후 최종적으로 다시 한번 질소 분위기의 관형 소성기에서 600 ℃의 온도를 유지하면서 2시간 동안 열처리함으로써, Mo-V-Te-Nb(MVTN) 금속 산화물 촉매를 제조하였다.5 g of the solid material thus obtained and 1 g of the diluent were dissolved in 80 g of distilled water, stirred at 85 캜 for 5 hours, and sufficiently dried. Finally, Mo-V-Te-Nb (MVTN) metal oxide catalysts were prepared by heat treatment for 2 hours while maintaining the temperature at 600 ° C in a nitrogen-atmosphere fired furnace.

단, 희석제는 실리카(SiO2)를 사용하되, 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 특성이 다른 종류의 실리카를 각각 사용하여, MVTN-Aerosil200(제조예 1), MVTN-MCF(제조예 2), MVTN-SBA15(제조예 3)로 표기하였다.MVTN-Aerosil 200 (Production Example 1), MVTN-MCF (Production Example 2), MVTN-MCF (Production Example 2) and the like were prepared by using silica (SiO 2 ) as a diluent, -SBA15 (Preparation Example 3).

구분division 실리카의 특성Characteristics of silica 기공의 크기Size of pores 비표면적Specific surface area 제조예 1(Aerosil200)Preparation Example 1 (Aerosil 200) -- 200 m2/g200 m 2 / g 제조예 2(MCF)Preparation Example 2 (MCF) 10-35 nm10-35 nm 500-1000 m2/g500-1000 m 2 / g 제조예 3(SBA15)Production Example 3 (SBA15) 5-15 nm5-15 nm 500-800 m2/g500-800 m 2 / g

(( 제조예Manufacturing example 4 내지 8: 희석제 함량에 따른  4 to 8: Depending on the diluent content MoMo -V--V- TeTe -- NbNb 금속 산화물 촉매의 제조) Preparation of Metal Oxide Catalyst)

상기 제조예 1과 동일하게 실시하되, 희석제의 함량을 상기 고형 물질 중량에 대하여, 10, 15, 20, 40 및 0wt%로 각각 조절하여 MCF에 희석된 Mo-V-Te-Nb(MVTN-XMCF, X=10, 15, 20, 40, 0 wt%) 금속 산화물을 제조하였다.
V-Te-Nb (MVTN-XMCF) diluted in MCF was prepared in the same manner as in Preparation Example 1 except that the content of the diluent was adjusted to 10, 15, 20, 40 and 0 wt% , X = 10, 15, 20, 40, 0 wt%).

(실시예 1 내지 7: 실리카에 담지된 MVTN 촉매를 이용한 아크릴로니트릴의 제조)(Examples 1 to 7: Preparation of acrylonitrile using silica-supported MVTN catalyst)

제조예 1 내지 7을 통해 제조된 MVTN 촉매를 이용하여 프로판의 암모산화 반응에 의한 아크릴로니트릴 제조 반응을 수행하였다.The reaction for preparing acrylonitrile by the ammoxidation reaction of propane was carried out using the MVTN catalysts prepared in Production Examples 1 to 7.

본 실시예에서 사용한 가스의 비율은 프로판 : 산소 : 암모니아 : 질소 = 1 : 3 : 1.2 : 15가 되도록 구성하였으며, 상기 가스의 주입량은 프로판, 산소 및 암모니아 총합 공간속도(GHSV: Gas Hourly Space Velocity)가 1,000 h-1이 되도록 주입하였다. 프로판의 암모산화 반응에 앞서 상기 촉매의 활성화를 위하여 촉매(0.2 g)을 석영 반응기에 충진 시킨 뒤, 반응온도인 380 ℃의 온도까지 5 ℃/min의 속도로 승온한 후, 1시간 후에 반응물인 프로판, 산소, 암모니아가 촉매 층을 통과하게 하여 프로판 암모산화 반응을 수행하였다. 본 실시예에서 프로판의 전환율, 생성물의 선택도, 아크릴로니트릴의 수율은 하기 수학식 1, 2, 3에 의해 각각 계산되었다.In this embodiment, the ratio of the gas used was set to be 1: 3: 1.2: 15 for propane: oxygen: ammonia: nitrogen, and the amount of gas injected was set to a gas hourly space velocity (GHSV) Was 1,000 h < -1 & gt ;. Prior to the ammoxidation reaction of propane, the catalyst (0.2 g) was charged in a quartz reactor for activation of the catalyst, and the temperature was raised to a reaction temperature of 380 ° C at a rate of 5 ° C / min. Propane, oxygen, and ammonia were passed through the catalyst layer to conduct the propane ammoxidation reaction. In this example, conversion of propane, product selectivity, and yield of acrylonitrile were calculated by the following equations (1), (2) and (3), respectively.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112017013079327-pat00001
Figure 112017013079327-pat00001

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure 112017013079327-pat00002
Figure 112017013079327-pat00002

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure 112017013079327-pat00003

Figure 112017013079327-pat00003

(비교예: MVTN 촉매를 이용한 아크릴로니트릴의 제조)(Comparative Example: Preparation of acrylonitrile using MVTN catalyst)

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 제조예 8의 실리카에 담지되지 않은 MVTN 촉매를 이용하여 아크릴로니트릴을 제조하였다.
Acrylonitrile was prepared in the same manner as in Example 1 except that the MVTN catalyst not supported on silica of Production Example 8 was used.

(시험예 1: 금속 산화물 촉매의 특성 분석)(Test Example 1: Characteristic Analysis of Metal Oxide Catalyst)

도 1은 제조예 1 내지 3에 의해 제조된 MVTN-X(X = Aerosil200, MCF, SBA15) 촉매의 질소 흡탈착 등온선을 나타낸 그래프이다.1 is a graph showing nitrogen adsorption / desorption isotherms of MVTN-X (X = Aerosil200, MCF, SBA15) catalysts prepared in Production Examples 1 to 3. FIG.

도 1을 참조하면, 제조된 촉매는 모두 희석제로 사용된 실리카가 가지고 있는 기공 특성을 조금씩 보였으며, 소성이 끝난 고형 분말을 희석제와 혼합하였기 때문에 모든 촉매에서 높지 않은 비표면적을 보였다. 또한, 사용된 희석제의 경우 기공과 물리적 특성이 크게 다른 실리카들이 사용되었고 이를 통해서 희석제가 갖는 기공과 물리적 특성이 반응활성에 주는 영향을 예측할 수 있을 것이라고 판단되었다.Referring to FIG. 1, all of the prepared catalysts showed pore characteristics of the silica used as a diluent, and the sintered solid powder was mixed with the diluent, so that the specific surface area was not high in all the catalysts. In addition, the diluents used were silica with significantly different pore and physical properties, and the effect of the pore and physical properties of the diluent on the reaction activity could be predicted.

하기 표 2는 상기의 제조예 1 내지 3에 의해 각각 제조된 MVTN-X(X = Aerosil200, MCF, SBA15) 촉매의 질소 흡탈착실험 결과를 정리하여 나타낸 것이다. 표 2를 참조하면, 제조된 금속 산화물 촉매의 비표면적은 25-40 m2g-1정도이며, 기공 크기 희석제가 갖는 기공크기를 그대로 갖는 것으로 정도로 분석되었다.Table 2 summarizes the results of nitrogen adsorption / desorption experiments of MVTN-X (X = Aerosil200, MCF, SBA15) catalysts prepared according to the above Production Examples 1 to 3, respectively. Referring to Table 2, the specific surface area of the prepared metal oxide catalyst was about 25-40 m 2 g -1 , and the pore size of the pore size diluent remained unchanged.

구분division 비표면적
(m2/g)
Specific surface area
(m 2 / g)
기공 부피
(cm3/g)
Pore volume
(cm < 3 > / g)
기공 크기
(nm)
Pore size
(nm)
silica(Aerosil200)silica (Aerosil 200) 205205 0.790.79 -- silica(MCF)silica (MCF) 806806 1.111.11 16.116.1 silica(SBA15)silica (SBA15) 641641 0.940.94 7.27.2 제조예 1Production Example 1 2727 0.30.3 -- 제조예 2Production Example 2 3434 0.150.15 16.116.1 제조예 3Production Example 3 3737 0.190.19 8.28.2

도 2는 제조예 1 내지 3에 의해 제조된 MVTN-X(X = Aerosil200, MCF, SBA15) 촉매의 X-선 회절 분석 결과 그래프를 나타낸 것이다. FIG. 2 is a graph showing X-ray diffraction analysis results of MVTN-X (X = Aerosil200, MCF, SBA15) catalysts prepared according to Production Examples 1 to 3.

도 2를 참조하면, 상기 촉매들은 소성이 끝난 고형 분말을 희석제와 혼합하였기 때문에 고형 분말이 갖고 있는 동일한 M1과 M2구조에 관한 피크를 확인할 수 있었다. 희석제로 사용된 실리카에 관련된 피크나 영향은 확인할 수 없었다.
Referring to FIG. 2, since the calcined solid powder was mixed with the diluent, the catalysts confirmed the peaks of the same M1 and M2 structures of the solid powder. No peaks or effects related to the silica used as a diluent were identified.

(시험예 2: 금속 산화물 촉매를 이용한 아크릴로니트릴의 생산 수율 분석)(Test Example 2: Production yield analysis of acrylonitrile using metal oxide catalyst)

도 3은 제조예 1 내지 3의 의해 제조된 MVTN-X(X = Aerosil200, MCF, SBA15) 촉매를 이용하여 생산된 실시예1 내지 3의 아크릴로니트릴의 생산 결과를 나타낸 그래프이다. 3 is a graph showing the production results of acrylonitrile of Examples 1 to 3 produced using MVTN-X (X = Aerosil200, MCF, SBA15) catalysts prepared by Production Examples 1 to 3.

도 3을 참조하면, 모든 촉매에서 동일 활성상 양 기준 희석제를 사용하지 않았을 경우인 비교예(MVTN bulk) 보다 높은 프로판 전환율을 확인할 수 있었다. 이는 비교예(MVTN bulk) 촉매에서 효과적으로 퍼져 있지 못했던 활성상들이 반응물과 더 많이 접촉할 수 있게 되면서 생기는 현상으로 판단된다. 아크릴로니트릴에 대한 선택도의 경우는 사용된 희석제에 따라 다른 결과를 확인할 수 있었다. 반응 실험 결과 SBA15와 같은 비교적 작은 중형기공 특성을 갖는 희석제의 경우 선택도 측면에서 부정적인 영향을 보였고 기공이 없거나 비교적 큰 Aerosil200과 MCF 실리카가 적합한 희석제로 판단되었다. 각 촉매의 반응 결과를 하기 표 3에 구체적으로 나타내었다.Referring to FIG. 3, higher propane conversion rates were observed than in the comparative example (MVTN bulk) where no reference diluent was used in all catalysts in the same active phase. This is believed to be due to the fact that the active phases, which have not been effectively dispersed in the MVTN bulk catalyst, can contact the reactants more. In the case of selectivity for acrylonitrile, different results were obtained depending on the diluent used. As a result of the experiment, it was found that the diluent having relatively small mesopore characteristics such as SBA15 had a negative effect on the selectivity, and Aerosil200 and MCF silica having no pore or relatively large size were considered to be suitable diluents. The results of the reaction of each catalyst are shown in Table 3 below.

구분(단위, %)Category (Unit,%) 프로판 전환율Propane conversion rate 아크로니트릴 선택도Aconitril selectivity 아크릴로니트릴 수욜Acrylonitrile water 실시예 1Example 1 8989 51.851.8 4646 실시예 2Example 2 8787 5151 44.544.5 실시예 3Example 3 87.687.6 42.942.9 37.637.6 비교예Comparative Example 67.467.4 51.551.5 34.734.7

도 4는 제조예 4 내지 8에 의해 제조된 MVTN-XMCF(X =10, 15, 20, 40, 0 중량%) 촉매를 이용하여 생산된 실시예 4 내지 7 및 비교예의 아크릴로니트릴 생산 결과를 나타낸 그래프이다. 4 shows the results of acrylonitrile production in Examples 4 to 7 and Comparative Examples produced using MVTN-XMCF (X = 10, 15, 20, 40, 0 wt%) catalysts prepared in Production Examples 4 to 8 Fig.

도 4를 참조하면, 아크릴로니트릴의 선택도의 경우 위 MCF의 양이 증가함에 따라서 큰 차이가 없다가 실시예 7(MVTN-40MCF)에서 크게 하락하는 것을 확인할 수 있었다. 동일한 활성상을 동일한 양으로 사용하였기 때문에 선택도에는 큰 변화가 없었던 것으로 생각되고 과도한 MCF가 사용되었을 때는 오히려 반응물의 흐름을 크게 방해하여 완전 산화에 대한 선택도가 크게 증가한 것으로 판단된다. 프로판의 전환율과 아크릴로니트릴의 수율의 경우는 증가하다 감소하는 경향을 확인할 수 있었다. 이는 MCF 희석제가 도입됨에 따라 효과적으로 분포된 활성상에 의해 전환율이 상승한 것으로 생각되고 과도한 MCF가 사용된 경우는 반응열이 희석제를 통해서 쉽게 교환되어 활성상이 체감하는 온도가 감소됨에 따라 전환율이 약간씩 감소한 것으로 판단된다. 각 촉매의 반응 결과를 하기 표 4에 구체적으로 나타내었다.Referring to FIG. 4, it can be seen that the selectivity of acrylonitrile is not significantly different as the amount of MCF increases, but is greatly lowered in Example 7 (MVTN-40MCF). It was considered that there was no significant change in the selectivity because the same active phase was used in the same amount. When excess MCF was used, the flow of the reactant was greatly disturbed and the selectivity to complete oxidation was greatly increased. The conversion of propane and the yield of acrylonitrile were increased and decreased. It is considered that the conversion rate is increased by the effectively distributed active phase as the MCF diluent is introduced, and when the excessive MCF is used, the conversion rate is slightly decreased as the reaction heat is easily exchanged through the diluent to decrease the temperature at which the active phase is sensed . The results of the reaction of each catalyst are shown in Table 4 below.

구분(단위, %)Category (Unit,%) 프로판 전환율Propane conversion rate 아크로니트릴 선택도Aconitril selectivity 아크릴로니트릴 수욜Acrylonitrile water 실시예 4Example 4 81.281.2 50.750.7 41.241.2 실시예 5Example 5 94.594.5 53.253.2 50.350.3 실시예 6Example 6 89.589.5 49.749.7 44.544.5 실시예 7Example 7 86.586.5 28.828.8 24.924.9 비교예Comparative Example 67.467.4 51.551.5 34.734.7

따라서, 본 발명에 따른 실리카에 담지시킨 금속 산화물 촉매는 프로판의 암모산화 반응을 촉진시켜 아크릴로니트릴의 생산 수율을 현저히 향상시킬 수 있다.Therefore, the metal oxide catalyst supported on the silica according to the present invention promotes the ammoxidation reaction of propane, thereby remarkably improving the production yield of acrylonitrile.

또한, 상기 금속 산화물 촉매를 이용함으로써 프로판으로부터 아크릴로니트릴을 합성할 수 있어, 낮은 제조비용으로 다량의 아크릴로니트릴을 제공할 수 있다.Also, by using the metal oxide catalyst, acrylonitrile can be synthesized from propane, and a large amount of acrylonitrile can be provided at a low production cost.

Claims (15)

(a) 몰리브데넘 전구체, 바나듐 전구체, 텔루륨 전구체 및 니오비움 전구체를 포함하는 전구체 용액을 제조하는 단계;
(b) 상기 전구체 용액을 건조시킨 후 1차로 소성시키는 단계; 및
(c) 상기 소성된 소성물 분말에 희석제를 투입하고 2차로 소성시키는 단계;를 포함하며,
상기 (c) 단계에서 소성물과 희석제의 중량비율은 1 : 0.01 내지 1이고,
상기 희석제는 실리카이며,
상기 몰리브데넘 전구체, 바나듐 전구체, 텔루륨 전구체 및 니오비움 전구체를 포함하는 전구체 용액은 제1 금속 전구체 용액과 제2 금속 전구체 용액을 혼합한 것으로서,
상기 제1 금속 전구체 용액은 몰리브데넘 전구체, 바나듐 전구체 및 텔루늄 전구체를 제1 용매에 용해시킨 것이고,
상기 제2 금속 전구체 용액은 니오비움 전구체와 환원제를 제2 용매에 용해시킨 것을 특징으로 하는 금속 산화물 촉매의 제조방법에 따라 제조된 Mo-V-Te-Nb 금속 산화물 촉매; 및
프로판;을 질소 분위기하에서 열처리하여 프로판의 암모산화 반응에 의해 제조되며,
상기 프로판의 암모산화 반응은 300 내지 800 ℃의 온도에서 프로판, 산소 및 암모니아의 총합 공간속도가 100 내지 20,000 h-1인 조건하에서 수행되고,
상기 프로판의 암모산화 반응은 투입되는 프로판, 산소, 암모니아 및 질소의 부피비가 1 : 2-4 : 0.5-2 : 5-20 인 것을 특징으로 하는 아크릴로니트릴의 제조방법.
(a) preparing a precursor solution comprising a molybdenum precursor, a vanadium precursor, a tellurium precursor, and a niobium precursor;
(b) drying and calcining the precursor solution first; And
(c) injecting a diluent into the calcined fired powder and secondarily firing the fired calcined powder,
In the step (c), the weight ratio of the sintered material to the diluent is 1: 0.01 to 1,
The diluent is silica,
The precursor solution including the molybdenum precursor, the vanadium precursor, the tellurium precursor, and the niobium precursor is a mixture of the first metal precursor solution and the second metal precursor solution,
The first metal precursor solution is prepared by dissolving a molybdenum precursor, a vanadium precursor, and a tellurium precursor in a first solvent,
The second metal precursor solution is prepared by dissolving a niobium precursor and a reducing agent in a second solvent, the Mo-V-Te-Nb metal oxide catalyst prepared according to the process for producing a metal oxide catalyst; And
Propane is prepared by ammoxidation reaction of propane by heat treatment in a nitrogen atmosphere,
The ammoxidation reaction of propane is carried out at a temperature of 300 to 800 ° C under a condition that the total space velocity of propane, oxygen and ammonia is 100 to 20,000 h -1 ,
Wherein the volume ratio of propane, oxygen, ammonia, and nitrogen introduced into the propane is 1: 2-4: 0.5-2: 5-20.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 환원제는 옥살산, 타르타릭산, 말로닉식, 숙신산 및 프탈릭산으로부터 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 아크릴로니트릴의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the reducing agent is at least one selected from the group consisting of oxalic acid, tartaric acid, malonic acid, succinic acid, and phthalic acid.
제1항에 있어서,
상기 제1 용매와 제2 용매는 서로 동일하거나 상이하며 각각 독립적으로 물, 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 부탄올, 1-헵탄올, 4-메틸-1-헥산올, 4-메틸1-헵탄올, 벤질알콜, 1,2-에탄디올, 글리세롤, 데이텔렌글리콜 및 트리메틸렌 글리콜 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 아크릴로니트릴의 제조방법.
The method according to claim 1,
The first solvent and the second solvent may be the same or different and each independently selected from the group consisting of water, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, butanol, 1-heptanol, Is at least one selected from the group consisting of 1-heptanol, benzyl alcohol, 1,2-ethanediol, glycerol, deetelene glycol and trimethylene glycol.
제1항에 있어서,
상기 몰리브데넘 전구체는 암모늄 헵타몰리브데이트, 몰리브덴 옥사이드, 몰리브덴 클로라이드, 몰리브덴 옥시 클로라이드, 몰리브데늄 아세틸아세토네이트, 몰리브덴 옥시트리에톡사이드, 포스포몰리브덴산 및 실리코 몰리브덴산 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 아크릴로니트릴의 제조방법.
The method according to claim 1,
The molybdenum precursor is at least one selected from the group consisting of ammonium heptamolybdate, molybdenum oxide, molybdenum chloride, molybdenum oxychloride, molybdenum acetylacetonate, molybdenum oxytriethoxide, phosphomolybdic acid and silicomolybdic acid ≪ / RTI >
제1항에 있어서,
상기 바나듐 전구체는 암모늄 메타바나데이트, 바나딜 설페이트, 바나듐 옥사이드, 바나듐 클로라이드, 바나듐 옥시클로라이드, 바나듐 옥시트리에톡사이드, 바나듐 아세틸아세토네이트 및 바나딜 아세틸아세토네이드 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 아크릴로니트릴의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the vanadium precursor is at least one selected from ammonium metavanadate, vanadyl sulfate, vanadium oxide, vanadium chloride, vanadium oxychloride, vanadium oxytriethoxide, vanadium acetylacetonate and vanadyl acetylacetonate A process for the production of acrylonitrile.
제1항에 있어서,
상기 텔루륨 전구체는 텔루륨 클로라이드, 텔루륨 아세틸아세토네이드, 텔루륨 옥사이드 및 텔루륨 엑시드 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 아크릴로니트릴의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the tellurium precursor is at least one selected from tellurium chloride, tellurium acetylacetonide, tellurium oxide, and tellurium oxide.
제1항에 있어서,
상기 니오비움 전구체는 암모늄 니오비움 옥살레이트, 니오비움 옥사이드, 니오비움 클로라이드, 및 니오빅 엑시드 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 아크릴로니트릴의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the niobium precursor is at least one selected from ammonium niobium oxalate, niobium oxide, niobium chloride, and niobium oxide.
제1항에 있어서,
상기 (b), (c) 단계의 소성은 300 내지 1,200 ℃의 온도에서 1 내지 24 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 아크릴로니트릴의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the calcination in steps (b) and (c) is performed at a temperature of 300 to 1,200 ° C for 1 to 24 hours.
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