KR101935529B1 - System for producing naphtha - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바이오에탄올을 공급하는 공급부; 상기 바이오에탄올을 초임계 상태로 만드는 반응조건으로 탄소지지체에 금속 활성성분이 담지된 제1 촉매 하에서 축합반응하여 C4-C12의 함산소 화합물을 포함하는 액상물을 생성하는 제1 반응기; 및상기 액상물을 제올라이트를 포함하는 제2 촉매 하에서 탈산소화하여 나프타를 포함하는 탄화수소층과 수분층으로 분리하는 제2 반응기;를 포함하는 나프타 제조시스템에 관한 것으로, 에탄올을 직접 고체 산 촉매와 반응시키지 않고, 2개의 순차적인 공정이 가능하여 제조되는 나프타의 수율을 향상시키는 나프타 제조시스템을 제공할 수 있다.The present invention relates to a bio-ethanol feeder comprising: a supply part for supplying bio-ethanol; A first reactor for producing a liquid product comprising a C 4 -C 12 oxygen-containing compound under a reaction condition for converting the bioethanol into a supercritical state under a first catalyst supported on a carbon support by a metal active component; And a second reactor for deoxidizing the liquid material under a second catalyst comprising zeolite to separate into a hydrocarbon layer containing naphtha and a water layer, wherein the naphtha production system comprises reacting ethanol directly with a solid acid catalyst It is possible to provide a naphtha production system that improves the yield of produced naphtha by enabling two sequential processes.

Description

나프타의 제조 시스템{System for producing naphtha}A system for producing naphtha {System for producing naphtha}

본 발명은 바이오매스 유래의 에탄올을 이용하여 가솔린의 주 원료인 나프타를 제조하는 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a system for producing naphtha, which is a main raw material for gasoline, using ethanol derived from biomass.

여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다.Here, background art relating to the present disclosure is provided, and they are not necessarily meant to be known arts.

최근 옥수수 및 곡류 등과 같은 바이오매스의 생물학적 전환공정에 의한 바이오에탄올의 생산량이 지속적으로 증가하고 있으며, 바이오에탄올의 원료가격이 상승함에 따라 바이오에탄올의 고부가가치화에 대한 연구가 지속되고 있다.Recently, the production of bioethanol by the bioconversion process of biomass such as corn and cereal is continuously increasing, and as the price of raw material of bioethanol is rising, research on high value added bioethanol is continuing.

현재 수송용 연료인 휘발유에 소량의 에탄올(5~10%)을 첨가하는 정책이 시행되고 있지만 궁극적으로는 에탄올 자체를 연료로 사용하는 방법이 모색되어야 하기 때문에, 에탄올로부터 고순도의 나프타를 제조함으로써 에탄올로부터 수송용 휘발유를 생산하는 기틀을 마련할 수 있으며, 또한 에탄올로부터 얻어진 나프타는 수송용 연료 이외에도, 고부가가치의 석유화학제품으로 전환될 수 있다.Currently, there is a policy to add a small amount of ethanol (5 ~ 10%) to gasoline, which is a fuel for transportation. However, ultimately, a method of using ethanol itself as fuel should be sought. Therefore, by producing naphtha of high purity from ethanol, And naphtha obtained from ethanol can be converted into high value-added petrochemical products in addition to transportation fuel.

에탄올로부터 탄화수소를 제조하기 위한 촉매반응에 관한 연구가 꾸준히 진행되어 왔는데, 주로 강한 산점을 가진 제올라이트 촉매(HZSM-5)가 사용되었다. 그러나 에탄올로부터 직접적으로 나프타를 생산하는 공정에서 사용되는 제올라이트계 촉매는 높은 반응성으로 인하여 탄화수소의 생산뿐만 아니라 코킹 현상이 가속화되어 촉매의 비활성화가 급속하게 진행되는 문제가 있는데, 이를 억제하기 위한 새로운 추가적인 공정이 필요한 실정이다.Studies on the catalytic reaction for the production of hydrocarbons from ethanol have been carried out steadily, mainly using zeolite catalysts with strong acid sites (HZSM-5). However, the zeolite catalyst used in the process of directly producing naphtha from ethanol accelerates not only the production of hydrocarbon but also the coking phenomenon due to high reactivity, so that the deactivation of the catalyst is rapidly proceeded. .

1. 미국등록특허 US8017818 (2011.09.13.)1. US registered patent US 8017818 (September 23, 2011) 2. 한국등록특허 KR0891001 (2009.03.23)2. Korea registered patent KR0891001 (Mar. 23, 2009) 3. 일본공개특허 JP2001348204 (2001.12.18)3. Japanese Unexamined Patent Publication JP2001348204 (Dec. 18, 2001)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 에탄올을 직접 고체 산 촉매와 반응시키지 않고, 2개의 순차적인 공정 반응기를 통하여 제조되는 나프타의 수율을 향상시키는 시스템을 제공하는 것이다. The present invention provides a system for improving the yield of naphtha produced through two sequential process reactors without reacting ethanol directly with a solid acid catalyst.

그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명은 바이오매스 유래의 바이오에탄올를 이용한 나프타 제조시스템으로서, 바이오에탄올을 공급하는 공급부; 상기 바이오에탄올을 초임계 상태로 만드는 반응조건으로 탄소지지체에 금속 활성성분이 담지된 제1 촉매 하에서 축합반응하여 C4-C12의 함산소 화합물을 포함하는 액상물을 생성하는 제1 반응기; 및 상기 액상물을 제올라이트를 포함하는 제2 촉매 하에서 탈산소화하여 나프타를 포함하는 탄화수소층과 수분층으로 분리하는 제2 반응기;를 포함하는 나프타 제조시스템을 제공한다.The present invention relates to a naphtha production system using bio-ethanol derived bio-ethanol, comprising: a supply unit for supplying bio-ethanol; A first reactor for producing a liquid product comprising a C 4 -C 12 oxygen-containing compound under a reaction condition for converting the bioethanol into a supercritical state under a first catalyst supported on a carbon support by a metal active component; And a second reactor for deoxidizing the liquid material under a second catalyst comprising zeolite to separate into a hydrocarbon layer containing naphtha and a water layer.

또한 상기 제1 촉매는 상기 활성성분으로서 마그네슘(Mg), 니켈(Ni) 및 몰리브덴(Mo)을 포함하는 금속이 상기 탄소지지체에 담지된 촉매를 포함하는 것을 특징으로 한다. Further, the first catalyst is characterized in that a metal containing magnesium (Mg), nickel (Ni) and molybdenum (Mo) is supported on the carbon support as the active component.

또한 상기 제1 반응기는 고압 반응기로서, 히팅 장치 및 쿨링 장치를 포함하고, 상기 제1 반응기에 상기 공급부로부터 공급되는 바이오에탄올과 상기 제1 촉매가 투입되고, 상기 제1 반응기를 고압상태로 조절하여 초임계 상태로 제어하고 교반하면서 상기 히팅 장치를 통해 가열한 후 상기 제1 반응기의 온도가 반응온도에 도달하면 상기 히팅 장치를 멈추고 상기 쿨링 장치를 통해 급랭시키는 것을 특징으로 한다.The first reactor is a high-pressure reactor, and includes a heating device and a cooling device. The first reactor is charged with the bioethanol supplied from the supply unit to the first reactor, and the first reactor is controlled to a high pressure state The heating device is stopped when the temperature of the first reactor reaches the reaction temperature, and quenching is performed through the cooling device.

또한 상기 나프타 제조시스템은 압력조절부를 더 포함하여, 상기 제1 반응기가 25 내지 35bar의 초기압력을 나타내도록 고압상태로 조절하는 것을 특징으로 한다.The naphtha production system may further include a pressure regulator, wherein the first reactor is controlled to a high pressure state to exhibit an initial pressure of 25 to 35 bar.

또한 상기 제2 반응기는 히팅 장치를 포함하고, 상기 제2 반응기에 상기 제1 반응기로부터 공급되는 상기 함산소 화합물을 포함하는 액상물과 상기 제2 촉매가 투입되고, 상기 제2 반응기를 상기 히팅 장치를 통해 반응온도까지 상승시킨 후 일정 시간 동안 유지시키는 것을 특징으로 한다.The second reactor may further include a heating device, wherein the liquid containing the oxygen-containing compound supplied from the first reactor and the second catalyst are introduced into the second reactor, To a reaction temperature and then maintained for a certain period of time.

또한 상기 제2 촉매는 제올라이트 촉매 또는 제올라이트에 니켈을 포함하는 금속이 담지된 촉매를 포함하는 것을 특징으로 한다.The second catalyst is characterized in that the zeolite catalyst or zeolite contains a catalyst on which a metal containing nickel is supported.

또한 상기 제2 반응기에는 상기 제2 촉매로서 제올라이트 촉매를 사용하여 C7~C11의 방향족 탄화수소를 포함하는 탄화수소층과 수분을 포함하는 층으로 분리하는 반응기인 것을 특징으로 한다.Also it characterized in that the second reactor, the reactor for separating the layer containing a hydrocarbon layer and a water-containing aromatic hydrocarbon group wherein the C ~ 7 using a zeolite catalyst as the second catalyst C 11.

또한 상기 제2 반응기에는 상기 제2 촉매로서 제올라이트에 니켈을 포함하는 금속이 담지된 촉매를 사용하여 C13 이상의 알칸(alkane)과 알켄(alkene)을 포함하는 탄화수소층과 수분을 포함하는 층으로 분리하는 반응기인 것을 특징으로 한다.Also, in the second reactor, a catalyst containing a nickel-containing metal is supported on the zeolite as the second catalyst, and a hydrocarbon layer containing C 13 or higher alkane and alkene and a layer containing moisture are separated And the like.

또한 상기 나프타 제조시스템은 상기 제1 반응기에서 생성된 상기 함산소 화합물을 포함하는 액상물로부터 사용된 제1 촉매를 분리하는 필터를 더 포함하여, 분리된 제1 촉매를 세척 및 건조한 후 재사용하는 것을 특징으로 한다.Further, the naphtha production system may further include a filter for separating the used first catalyst from the liquid containing the oxygen-containing compound produced in the first reactor so that the separated first catalyst is washed, dried and reused .

또한 상기 나프타 제조시스템은 상기 제2 반응기에서 생성된 나프타를 포함하는 탄화수소층과 수분층을 포함하는 2상의 액상물로부터 사용된 제2 촉매를 분리하는 필터를 더 포함하여, 분리된 제2 촉매를 세척 및 건조한 후 재사용하는 것을 특징으로 한다.Further, the naphtha production system may further include a filter for separating the second catalyst used from the two-phase liquid phase containing the hydrocarbon layer containing naphtha produced in the second reactor and the water layer, And dried and then reused.

본 발명은 초임계 에탄올 상에서 반응이 진행되며, 에탄올의 축합반응이 일어나는 제1 반응기와 탈산소반응이 일어나는 제2 반응기가 순차적으로 구성됨으로써 나프타 범위의 탄화수소를 고순도로 얻을 수 있으며, 촉매의 종류에 따라 생성되는 탄화수소의 구조를 제어할 수 있다.In the present invention, the reaction proceeds on the supercritical ethanol, and the first reactor in which the condensation reaction of ethanol occurs and the second reactor in which the deoxidization reaction occurs are sequentially formed, so that the hydrocarbon of the naphtha range can be obtained in high purity. Thereby controlling the structure of the hydrocarbons produced.

또한 본 발명은 최종 생성물의 밀도차이에 의하여 탄화수소층과 수분층이 자연적으로 분리되기 때문에, 추가적인 복잡한 분리공정이 필요하지 않는 효과를 제공한다.The present invention also provides the effect that a further complicated separation process is not necessary since the hydrocarbon layer and the water layer are naturally separated by the difference in density of the final product.

도 1에 본 발명의 일실시예에 따른 나프타 제조시스템의 공정도를 나타내었다.
도 2에 본 발명의 일실시예에 따른 에탄올로부터 나프타를 제조하는 방법을 나타내었다.
도 3에 1차 반응 후 생성된 기상 생성물의 조성을 분석한 결과를 나타내었다.
도 4에 1차 반응 후 생성된 액상 생성물의 조성을 분석한 결과를 나타내었다.
도 5에 제2 촉매의 종류에 따른 기상 생성물의 조성을 분석한 결과를 나타내었다.
도 6에 반응 후 고체 잔류물 및 촉매의 형상을 촬영한 이미지를 나타내었다.
도 7에 촉매를 사용하지 않은 경우에 얻어진 액상 생성물의 주요성분을 나타내었다.
도 8에 알루미나 촉매를 사용한 경우에 얻어진 액상 생성물의 주요성분 및 중 탄화수소의 탄소수 분포를 나타내었다.
도 9에 HZSM-5 촉매를 사용한 경우에 얻어진 액상생성물 중 상층부(탄화수소)의 탄소수 분포 및 하층부의 주요성분을 나타내었다.
도 10에 Ni/HZSM-5 촉매를 사용한 경우에 얻어진 액상생성물 중 상층부(탄화수소)의 탄소수 분포 및 하층부의 주요성분을 나타내었다.
FIG. 1 shows a process diagram of a naphtha manufacturing system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows a method for producing naphtha from ethanol according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 shows the result of analyzing the composition of the gaseous product produced after the first reaction.
FIG. 4 shows the result of analyzing the composition of the liquid product produced after the first reaction.
FIG. 5 shows the results of analyzing the composition of the gaseous products according to the type of the second catalyst.
FIG. 6 shows an image of the shape of the solid residue and the catalyst after the reaction.
Fig. 7 shows the main components of the liquid product obtained when the catalyst was not used.
Fig. 8 shows the distribution of the major components of the liquid product and the carbon number distribution of the heavy hydrocarbons obtained when the alumina catalyst was used.
FIG. 9 shows the carbon number distribution of the upper layer (hydrocarbon) among the liquid products obtained when the HZSM-5 catalyst was used and the main components of the lower layer portion.
FIG. 10 shows the carbon number distribution of the upper layer (hydrocarbon) among the liquid products obtained when the Ni / HZSM-5 catalyst was used and the main components of the lower layer portion.

이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.Before describing the present invention in detail, it is to be understood that the terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to limit the scope of the invention, which is defined solely by the appended claims. shall. All technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art unless otherwise stated.

본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.Throughout this specification and claims, the word "comprise", "comprises", "comprising" means including a stated article, step or group of articles, and steps, , Step, or group of objects, or a group of steps.

한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 및 이에 따른 효과를 설명하기로 한다.On the contrary, the various embodiments of the present invention can be combined with any other embodiments as long as there is no clear counterpoint. Any feature that is specifically or advantageously indicated as being advantageous may be combined with any other feature or feature that is indicated as being preferred or advantageous. Hereinafter, embodiments of the present invention and effects thereof will be described with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 일실시예에 따른 에탄올로부터 나프타를 제조하는 시스템은 도 1에 나타낸 것과 같이 바이오에탄올을 공급하는 공급부, 상기 바이오에탄올을 초임계 상태로 만드는 반응조건으로 탄소지지체에 금속 활성성분이 담지된 제1 촉매 하에서 축합반응하여 C4-C12의 함산소화합물을 포함하는 액상물을 생성하는 제1 반응기 및 상기 액상물을 제올라이트를 포함하는 제2 촉매 하에서 탈산소화하여 나프타를 포함하는 탄화수소층과 수분층으로 분리하는 제2 반응기를 포함한다. A system for producing naphtha from ethanol according to an embodiment of the present invention includes a supply unit for supplying bioethanol as shown in FIG. 1, a supply unit for supplying the bioactive ethanol to the carbon support in a supercritical state, A first reactor which condenses under a first catalyst to produce a liquid product comprising a C 4 -C 12 oxygenated compound and a second reactor which deoxidizes the liquid product under a second catalyst comprising zeolite to form a hydrocarbon layer comprising naphtha And a second reactor for separating into a water layer.

상기 제1 반응기에는 상기 공급부를 통하여 바이오에탄올이 공급되고, 제1 촉매 존재 하에서 바이오에탄올을 초임계 상태로 만들고 축합반응시킴으로써 C4-C12의 함산소화합물을 포함하는 액상물을 생성하여 제1 반응기에서 생성된 기상 생성물은 분리하고, 생성된 액상물을 제2 반응기로 공급한다. The first reactor is supplied with bioethanol through the supply unit, and the bioethanol is made into a supercritical state in the presence of the first catalyst and condensation reaction is performed to produce a liquid material containing a C 4 -C 12 oxygen-oxygen compound, The gaseous products produced in the reactor are separated and the resulting liquid product is fed to a second reactor.

제1 반응기에서는 초임계 반응조건에서 제1 촉매를 이용하여 C2의 에탄올을 C4-C12의 함산소 화합물로 축합반응이 일어난다. The first reactor in the second condensation reaction takes place in the C 2 ethanol using a first catalytic reaction in the supercritical condition with Oxygenated compounds of C 4 -C 12.

상기 제1 촉매로서 탄소지지체에 활성물질로서 마그네슘(Mg), 니켈(Ni) 및 몰리브덴(Mo)을 포함하는 금속이 담지된 촉매를 사용할 수 있다. As the first catalyst, a catalyst in which a metal containing magnesium (Mg), nickel (Ni), and molybdenum (Mo) is supported on a carbon support as an active material may be used.

상기 탄소지지체는 상기 마그네슘-니켈-몰리브덴을 포함하는 금속을 담지할 수 있는 탄소지지체를 사용할 수 있으며, 활성목탄(activated charcoal, AC), 다공성탄소(mesoporous carbon), 흑연(graphite), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그래핀(graphene), 풀러린(fullerene) 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 바람직하게는 활성목탄일 수 있다.The carbon support may be a carbon support capable of supporting a metal including magnesium-nickel-molybdenum, and may be activated charcoal (AC), mesoporous carbon, graphite, carbon nanotube carbon nanotube, graphene, fullerene, or a mixture thereof, preferably activated charcoal.

또한, 상기 탄소지지체는 마그네슘-니켈-몰리브덴을 용이하게 담지하고, 반응표면적이 넓은 것을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 10 내지 100 Å 크기의 기공을 복수개 포함하는 탄소지지체일 수 있다.In addition, the carbon support easily supports magnesium-nickel-molybdenum and can have a wide reaction surface area, and may be a carbon support including a plurality of pores having a size of 10-100 Å.

상기 제1 촉매는 바람직하게는 탄소지지체의 총 중량을 기준으로 15 내지 25 중량%의 니켈(Ni), 5 내지 20 중량%의 몰리브덴(Mo) 및 1 내지 5 중량%의 마그네슘(Mg)을 포함할 수 있으며, 상기 금속은 금속염의 형태로 탄소지지체에 담지될 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 탄소지지체의 총 중량을 기준으로 18 내지 23 중량%의 니켈(Ni), 8 내지 15 중량%의 몰리브덴(Mo) 및 1 내지 3 중량%의 마그네슘(Mg)을 포함할 수 있다.The first catalyst preferably comprises 15 to 25% by weight of nickel (Ni), 5 to 20% by weight of molybdenum (Mo) and 1 to 5% by weight of magnesium (Mg), based on the total weight of the carbon support And the metal may be supported on the carbon support in the form of a metal salt. More preferably, it may comprise 18 to 23% by weight of nickel (Ni), 8 to 15% by weight of molybdenum (Mo) and 1 to 3% by weight of magnesium (Mg) based on the total weight of the carbon support have.

상기 제1 촉매는 상기 활성물질의 전구체 용액을 차례로 탄소지지체에 담지하는 담지단계 및 건조, 소성 및 환원을 통해 활성화시키는 활성화단계를 통해 제조될 수 있다. The first catalyst may be prepared through a carrying step in which the precursor solution of the active material is successively carried on a carbon support, and an activation step in which the precursor solution is activated by drying, calcination and reduction.

더욱 구체적으로 상기 담지단계는 (ⅰ) 상기 활성물질의 전구체로서 활성물질을 포함하는 염수화물(hydrated salt)을 증류수에 녹여 금속별 전구체 용액을 제조하는 단계; (ⅱ) 탄소지지체를 니켈 전구체 용액에 함침시키고, 차례로 몰리브덴 전구체 용액과 마그네슘 전구체 용액에 함침시켜 활성물질이 금속염의 상태로 탄소지지체에 담지된 촉매 화합물을 제조하는 단계를 포함하고, 상기 활성화단계는 (ⅲ) 90 내지 120℃, 상압에서 12시간 이상 건조하는 단계; (ⅳ) 건조된 촉매 화합물을 450 내지 550℃의 질소 분위기하에서 2 내지 4시간 소성하는 단계; 및 (ⅴ) 소성된 촉매 화합물을 350 내지 450℃의 수소 분위기 하에서 8시간 이상 환원하는 단계;를 통해 제1 촉매를 제조할 수 있다. More specifically, the supporting step includes the steps of: (i) dissolving a hydrated salt containing an active material as a precursor of the active material in distilled water to prepare a metal precursor solution; (Ii) impregnating the carbon support with a nickel precursor solution and subsequently impregnating the solution with a molybdenum precursor solution and a magnesium precursor solution to produce a catalyst compound wherein the active material is supported on the carbon support in the form of a metal salt, (Iii) drying at 90 to 120 DEG C and atmospheric pressure for 12 hours or more; (Iv) calcining the dried catalyst compound under a nitrogen atmosphere at 450 to 550 DEG C for 2 to 4 hours; And (v) reducing the calcined catalyst compound in a hydrogen atmosphere at 350 to 450 DEG C for 8 hours or more.

또한 제1 반응기는 상기 바이오에탄올이 초임계 상태가 되도록 조작되어 바이오에탄올의 축합반응이 이루어지며, 제1 반응기는 밀폐가 가능한 고압 회분식 반응기일 수 있으며, 가열 및 냉각이 가능하도록 히팅 장치 및 쿨링 장치를 포함한다. 제1 반응기에는 바이오에탄올과 제1 촉매가 투입되고(S11), 제1 반응기를 고압상태로 조절하고 교반하면서 가열하며(S12), 및 제1 반응기 온도가 반응온도에 도달하면 가열을 멈추고 급랭(S13)시킨다. Also, the first reactor is operated so that the bioethanol is supercritical to perform a condensation reaction of bioethanol. The first reactor may be a high pressure batch reactor capable of being hermetically sealed, and a heating device and a cooling device . The first reactor is charged with bioethanol and a first catalyst (S11), the first reactor is adjusted to a high pressure state and heated with stirring (S12), and when the first reactor temperature reaches the reaction temperature, the heating is stopped and quenching S13).

상기 투입공정(S11)은 에탄올과 제1 촉매를 제1 반응기에 투입하는 공정으로서 에탄올 50 중량부에 대하여 제1 촉매 1 내지 5 중량부를 제1 반응기에 넣고 밀폐한 후 압력조절부를 더 포함하여 압력조절부로부터 공급되는 질소를 이용하여 제1 반응기 내부의 공기를 제거하는 공정을 포함한다. The adding step S11 is a step of injecting ethanol and a first catalyst into a first reactor, wherein 1 to 5 parts by weight of a first catalyst is contained in 50 parts by weight of ethanol, And a step of removing air inside the first reactor using nitrogen supplied from the regulator.

상기 가열공정(S12)은 제1 반응기 내부의 바이오에탄올을 초임계 조건으로 반응시키기 위한 공정으로서 상기 제1 반응기를 고압상태로 조절하고 교반하면서 히팅 장치를 이용하여 가열하는 단계로서, 더욱 구체적으로 상기 제1 반응기가 25 내지 35bar의 초기압력을 나타내도록 압력조절부로부터 질소를 주입하고 450 내지 550rpm의 속도로 교반하면서 제1 반응기를 가열하는 공정을 포함한다. The heating step (S12) is a step of reacting bioethanol in the first reactor under a supercritical condition, wherein the first reactor is heated to a high pressure by using a heating device while stirring, and more specifically, Injecting nitrogen from the pressure regulator so that the first reactor exhibits an initial pressure of 25 to 35 bar and heating the first reactor while stirring at a rate of 450 to 550 rpm.

상기 가열공정(S12)의 온도 및 압력조건에서 에탄올은 초임계 상태이며, 초임계상은 액상이나 기상과는 다른 물성을 갖는다. 특히 초임계상에서는 단일상 반응이 가능하고 물질전달속도가 높기 때문에 에탄올의 축합반응이 더욱 효과적으로 일어날 수 있다.At the temperature and pressure conditions of the heating step (S12), ethanol is supercritical, and the supercritical phase has physical properties different from those of liquid phase and gas phase. Particularly, in the supercritical system, the condensation reaction of ethanol can be more effectively performed because a single-stage reaction is possible and a mass transfer rate is high.

상기 급랭공정(S13)은 상기 제1 반응기 온도가 반응온도에 도달하면 가열을 멈추고 쿨링 장치를 이용하여 급냉하는 단계로서, 더욱 구체적으로 제1 반응기 내부온도가 반응온도인 250~400 ℃에 도달하면 즉시 제1 반응기의 가열을 멈추고 냉각수를 주입하여 온도를 상온으로 낮추는 공정을 포함한다. The quenching step S13 is a step of stopping the heating when the temperature of the first reactor reaches the reaction temperature and quenching by using the cooling device. More specifically, when the internal temperature of the first reactor reaches the reaction temperature of 250 to 400 DEG C Immediately stopping the heating of the first reactor and injecting cooling water to lower the temperature to room temperature.

상기 제1 반응기에서의 축합반응을 통하여 C2의 에탄올로부터 C4-C12의 함산소 화합물을 20 내지 40 중량%의 수율로 얻을 수 있다. From the ethanol of C 2 through the condensation reaction in the first reactor, a C 4 -C 12 oxygen-oxygen compound can be obtained in a yield of 20 to 40% by weight.

또한 제1 반응기에서 사용된 제1 촉매는 감압필터를 이용하여 액상물로부터 분리될 수 있고, 분리된 제1 촉매는 세척 및 건조한 후 제1 반응기에서 재사용될 수 있다.Also, the first catalyst used in the first reactor may be separated from the liquid phase using a pressure reducing filter, and the separated first catalyst may be reused in the first reactor after washing and drying.

제2 반응기에는 제2 촉매를 이용하여 상기 제1 반응기로부터 기액 분리를 통하여 얻어지는 액상물에 포함된 함산소 화합물의 산소를 제거하여 나프타를 포함하는 탄화수소층과 수분층으로 분리되는 반응이 일어난다. 제2 반응기에 투입되는 제2 촉매의 종류에 따라 생성되는 탄화수소의 구조를 제어할 수 있다. In the second reactor, the oxygen of the oxygen-containing compound contained in the liquid material obtained through the gas-liquid separation from the first reactor is removed using the second catalyst, and a reaction is performed in which the hydrocarbon layer containing naphtha and the water layer are separated. It is possible to control the structure of hydrocarbons generated according to the kind of the second catalyst to be fed into the second reactor.

상기 제2 촉매로서 제올라이트 촉매를 사용한다. 제2 촉매는 실리콘(Si)과 알루미늄(Al)이 최소 10 이상의 비율(Si/Al > 10)로 산소원자와 혼합된 구조체로서, 본 발명에서는 실리콘과 알루미늄의 몰비(Si/Al)가 20 내지 40인 제올라이트를 사용한다. 상기 제2 촉매를 사용함으로써 탈수반응을 가속화하여 반응생성물 중의 에틸렌과 수분 분포를 높일 수 있다. 상기 제2 촉매로서 HZSM-5를 포함하는 고체 산 촉매를 사용하면 C7~C11의 방향족 탄화수소를 얻을 수 있다. 또한 상기 제2 촉매로서 HZSM-5를 지지체로 하여 활성물질로서 니켈(Ni)을 포함하는 금속이 담지된 촉매를 사용하면 방향족 탄화수소의 개환반응을 유도하여 C13 이상의 알칸(alkane)과 알켄(alkene)을 얻을 수 있으며, 촉매 내의 니켈(Ni)의 함량을 조절하여 생성되는 탄화수소의 종류를 제어할 수 있다.A zeolite catalyst is used as the second catalyst. The second catalyst is a structure in which silicon (Si) and aluminum (Al) are mixed with oxygen atoms at a ratio of at least 10 (Si / Al> 10). In the present invention, the molar ratio (Si / 40 < / RTI > By using the second catalyst, the dehydration reaction can be accelerated to increase the ethylene and moisture distribution in the reaction product. Using a solid acid catalyst comprising HZSM-5 as the second catalyst, a C 7 -C 11 aromatic hydrocarbon can be obtained. When a catalyst containing HZSM-5 as a support and a metal containing nickel (Ni) as an active material is used as the second catalyst, the ring-opening reaction of aromatic hydrocarbons is induced to produce an alkane of C 13 or higher and an alkene ) Can be obtained, and the kind of hydrocarbons generated by controlling the content of nickel (Ni) in the catalyst can be controlled.

상기 제2 반응기는 제1 반응기로부터 공급된 액상물에 포함된 C4-C12의 함산소 화합물로부터 산소를 제거하는 탈산소반응이 일어나는 반응기로서, 제2 반응기는 밀폐가 가능한 회분식 반응기일 수 있으며, 가열 및 냉각이 가능하도록 히팅 장치 및 쿨링 장치를 포함한다. 제2 반응기에서는 상기 제1 반응기에서 생성된 생성물로부터 분리된 함산소 화합물을 포함하는 액상물이 제2 촉매와 함께 투입되고(S21), 제2 반응기를 반응온도까지 상승시킨 후 일정 시간 동안 유지(S22)하여 나프타를 포함하는 탄화수소층과 수분층으로 분리된 2상의 액상 생성물을 얻는다. The second reactor may be a reactor in which a deoxygenation reaction is performed to remove oxygen from the C 4 -C 12 oxygen-containing compound contained in the liquid material supplied from the first reactor, and the second reactor may be a closed type batch reactor , A heating device and a cooling device to enable heating and cooling. In the second reactor, a liquid product containing an oxygen-containing compound separated from the product produced in the first reactor is introduced together with the second catalyst (S21), the second reactor is elevated to the reaction temperature, S22) to obtain a two-phase liquid product separated into a hydrocarbon layer containing naphtha and a water layer.

상기 투입공정(S21)은 상기 함산소 화합물을 포함하는 액상물 30 내지 50 중량부와 제2 촉매 1 내지 5 중량부를 반응기에 넣고 밀폐하는 공정을 포함한다.The injecting step (S21) includes a step of sealing 30 to 50 parts by weight of the liquid material containing the oxygen-containing compound and 1 to 5 parts by weight of the second catalyst in a reactor.

상기 가열공정(S22)은 상압 조건에서 히팅 장치를 이용하여 제2 반응기 내부온도를 원하는 반응온도인 250 내지 400 ℃까지 상승시킨 다음 일정 시간(0 내지 8시간) 동안 유지시키는 공정을 포함한다. The heating step S22 includes a step of raising the internal temperature of the second reactor to a desired reaction temperature of 250 to 400 DEG C using a heating device under atmospheric pressure, and then maintaining the internal temperature for a predetermined time (0 to 8 hours).

제2 반응기에서 이루어지는 탈산소화를 통하여 함산소 화합물을 포함하는 액상물로부터 상부층과 하부층으로 층분리된 2상의 액상 생성물을 얻을 수 있다. 제2 반응기에서 2차 반응 후, 자동적으로 나프타를 포함하는 탄화수소층(상층)과 수분층(하층)이 분리가 되므로 최종생성물의 유-수분 분리가 매우 용이하다는 장점이 있다. The deoxidation in the second reactor can provide a two-phase liquid product separated into an upper layer and a lower layer from a liquid product containing an oxygen-containing compound. Since the hydrocarbon layer (upper layer) including the naphtha and the water layer (lower layer) are automatically separated after the second reaction in the second reactor, there is an advantage that the oil and water separation of the final product is very easy.

또한 상기 제2 반응기에서 사용된 제2 촉매는 감압필터를 이용하여 액상 생성물로부터 분리될 수 있고, 분리된 제2 촉매는 세척 및 건조한 후 제2 반응기에서 재사용될 수 있다.The second catalyst used in the second reactor may be separated from the liquid product using a pressure reducing filter, and the separated second catalyst may be reused in the second reactor after washing and drying.

또한 본 발명의 일실시예에 따른 에탄올로부터 나프타를 제조하는 시스템은 제2 반응기로부터 얻어지는 2상의 액상생성물의 액-액 상분리를 통하여 고순도의 나프타를 얻을 수 있다. 얻어지는 2상의 액상 생성물 중 상층액은 비중과 수분함량이 낮은 소수성 화합물(나프타)을 포함하고, 하층액은 비중과 수분함량이 높은 수용성 화합물을 포함한다. Also, in the system for producing naphtha from ethanol according to an embodiment of the present invention, high-purity naphtha can be obtained through the liquid-liquid phase separation of the liquid phase product of the two phases obtained from the second reactor. Among the resulting two-phase liquid products, the upper layer liquid contains a hydrophobic compound (naphtha) having a low specific gravity and a low water content, and the lower layer liquid contains a water-soluble compound having a high specific gravity and a high water content.

또한 본 발명의 일실시예에 따른 에탄올로부터 나프타를 제조하는 시스템은 상기 제1 반응기에서 생성된 액상물과 상기 제1 촉매를 분리하는 필터, 바람직하게는 감압필터와 상기 제2 반응기에서 생성된 상기 나프타를 포함하는 탄화수소층과 수분층으로 분리된 2상의 액상생성물과 상기 제2 촉매를 분리하는 필터, 바람직하게는 감압필터를 더 포함할 수 있다. The system for producing naphtha from ethanol according to an embodiment of the present invention may further comprise a filter for separating the liquid generated from the first reactor and the first catalyst, And a filter for separating the two-phase liquid product separated into the hydrocarbon layer containing naphtha and the water layer and the second catalyst, preferably a pressure reducing filter.

또 다른 측면에서 본 본 발명의 일실시예에 따른 에탄올로부터 나프타를 제조하는 방법은 도 2에 나타낸 것과 같이 에탄올을 축합(condensation) 반응시켜 C4-C12의 함산소 화합물을 포함하는 액상 생성물을 제조하는 축합단계(S10), 상기 제조된 함산소 화합물을 제올라이트 촉매 하에서 탈산소반응시켜 C4-C12의 탄화수소를 포함한 2상의 액상 생성물을 제조하는 탈산소단계(S20) 및 2상의 액상화합물의 액-액 상분리를 통한 고순도의 나프타를 얻는 정제단계(S30)를 포함하여 이루어질 수 있다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method for producing naphtha from ethanol, comprising the steps of condensing ethanol to produce a liquid product comprising a C 4 -C 12 oxygen-containing compound, A deoxidation step (S20) of producing a two-phase liquid product containing C 4 -C 12 hydrocarbons by deoxygenation of the produced oxygen-containing compound under a zeolite catalyst, and a step And a purifying step (S30) of obtaining high purity naphtha through liquid-liquid phase separation.

실시예 및 실험예Examples and Experimental Examples

(1) 제1 촉매의 제조(1) Production of first catalyst

탄소지지체로 활성탄(Sigma-aldrich)을 구입하여 사용하였다. 상기 탄소지지체에 Ni(지지체 무게의 20%), Mo(지지체 무게의 10%), Mg(지지체 무게의 5%)를 차례로 담지하였다. Ni 전구체로 Ni(NO3)2·6H2O를, Mo 전구체로 (NH4)6Mo7O24·5H2O를, Mg 전구체로 Mg(NO3)2·6H2O를 사용하였다. 전구체를 일정한 양의 증류수에 녹여 전구체 용액을 각각 제조하고 순차적으로 탄소지지체에 균일하게 담지하였다. 담지가 완료된 MgNiMo/C 촉매는 105℃, 상압에서 12h 이상 건조한 후 500℃의 질소 분위기에서 3시간 소성한 다음 400℃ 수소 분위기에서 8h 이상 환원하여 활성화하여 촉매를 제조하였다. Activated carbon (Sigma-aldrich) was purchased and used as a carbon support. Ni (20% of the weight of the support), Mo (10% of the weight of the support) and Mg (5% of the weight of the support) were carried on the carbon support in this order. Of Ni (NO 3) 2 · 6H 2 O as a Ni precursor, a Mo precursor (NH 4) 6 Mo 7 O 24 · to 5H 2 O, was used as the Mg (NO 3) 2 · 6H 2 O to Mg precursor. The precursor was dissolved in a certain amount of distilled water to prepare a precursor solution, which was then uniformly carried on a carbon support. The supported MgNiMo / C catalyst was dried at 105 ℃ and atmospheric pressure for 12 hours and then calcined in nitrogen atmosphere at 500 ℃ for 3 hours.

(2) 에탄올의 함산소 화합물 전환(1차 반응)(2) Conversion of oxygen to oxygen compounds (primary reaction)

100 mL 용량의 회분식 반응기(제1 반응기)에 에탄올 50g과 상기 제조된 제1 촉매 2g을 넣어준 후, 질소를 이용하여 제1 반응기 내부의 공기를 제거하였다. 반응 전 질소를 30 bar로 충진한 후, 교반기를 500 rpm으로 작동시킨 다음, 제1 반응기 가열을 시작하였다. 제1 반응기 내부 온도가 설정 온도에 다다른 순간을 반응시작 시간(0 min)으로 설정하였다. 설정된 반응시간 (0 내지 8시간)이 경과하면 가열로의 작동을 중단하고, 제1 반응기 내부의 냉각관에 냉각수를 주입하여 제1 반응기 온도를 상온으로 낮추었다.50 g of ethanol and 2 g of the first catalyst prepared above were placed in a 100-mL batch reactor (first reactor), and air in the first reactor was removed using nitrogen. After charging the reactor with nitrogen at 30 bar before the reaction, the stirrer was operated at 500 rpm and the first reactor was started to be heated. The instant when the internal temperature of the first reactor was different from the set temperature was set as the reaction start time (0 min). When the set reaction time (0 to 8 hours) has elapsed, the operation of the heating furnace is stopped and cooling water is injected into the cooling pipe inside the first reactor to lower the temperature of the first reactor to room temperature.

반응이 종료되면, 제1 반응기 내부의 가스 생성물을 포집하여 기체크로마토그래피 장치를 이용하여 정량분석을 실시하였다.When the reaction was completed, the gas product in the first reactor was collected and subjected to quantitative analysis using a gas chromatography apparatus.

가스 생성물 이외의 생성물은 감압필터를 이용하여 액상 생성물로부터 제1 촉매를 분리였다. 분리된 제1 촉매는 세척 및 건조 후 재사용하였다. Products other than gaseous products were separated from the liquid product using a vacuum filter. The separated first catalyst was reused after washing and drying.

(3) 함산소 화합물의 나프타 전환(2차 반응)(3) Naphtha conversion of oxygen-containing compounds (secondary reaction)

상기 분리된 액상 생성물을 100 mL 반응기(제2 반응기)에 제2 촉매 1g와 함께 투입하였다. 제2반응기 밀폐 후, 상압조건에서 가열로를 이용하여 제2 반응기 내부온도를 350 ℃ 까지 상승시킨 다음 4시간 동안 유지시켰다. 2차 반응에 사용한 제2 촉매의 종류와 반응조건은 하기 표 1에 나타내었다. The separated liquid product was put into a 100 mL reactor (second reactor) together with 1 g of the second catalyst. After the second reactor was closed, the internal temperature of the second reactor was raised to 350 ° C using a heating furnace under atmospheric pressure, and then maintained for 4 hours. The type and reaction conditions of the second catalyst used in the second reaction are shown in Table 1 below.

반응이 종료된 후, 기상 생성물은 포집하여 기체크로마트그래피 장치를 이용하여 조성을 분석을 실시하였다. 감압필터를 이용하여 액상 생성물과 제2 촉매를 분리하였고, 분리된 액상 생성물은 2개의 상으로 분리가 되므로 간단하게 상층 및 하층으로 층분리 하였다. After the reaction was completed, the gaseous products were collected and analyzed for composition using a gas chromatographic apparatus. The liquid product and the second catalyst were separated using a vacuum filter, and the separated liquid product was separated into two phases. Thus, the upper and lower layers were simply separated.

비교예 1Comparative Example 1 비교예 2Comparative Example 2 실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 제2 촉매The second catalyst 미사용unused γ-Al2O3 γ-Al 2 O 3 HZSM-5HZSM-5 Ni/HZSM-5Ni / HZSM-5 Ethanol (g)Ethanol (g) 5050 5050 5050 5050 Catalyst (g)Catalyst (g) 1One 1One 1One 1One Temperature (℃)Temperature (° C) 350350 350350 350350 350350 P (bar) at 350 ℃P (bar) at 350 ° C 152.9152.9 159.7159.7 225.8225.8 306.9306.9 P (bar) at 20 ℃P (bar) at 20 ° C 4.34.3 10.310.3 19.419.4 21.021.0

(4) 기상 생성물 및 액상 생성물의 분석(4) Analysis of gaseous and liquid products

1차 반응 후 생성된 기상 생성물 및 액상 생성물의 조성을 분석하였다. 또한 제2 촉매의 종류에 따른 기상 생성물의 조성을 분석하였다. 또한 2상의 액상 생성물에 대한 질량분석 및 수분함량 분석을 수행하였다. 질량분석은 HP-5MS 컬럼이 장착된 GC-MS (Agilent 7890A/5977A) 분석기기를 이용하였으며, 수분함량분석은 수분함량 자동측정기 (Titroline 7750 KF)를 이용하여 측정하였다. 또한 반응 후 고체 잔류물 및 촉매의 형상을 촬영하였다.The composition of the gaseous and liquid products formed after the first reaction was analyzed. The composition of the gaseous products according to the type of the second catalyst was also analyzed. Mass analysis and moisture content analysis of the two phase liquid product were also performed. Mass spectrometry was performed using GC-MS (Agilent 7890A / 5977A) analytical instrument equipped with HP-5MS column and moisture content was measured with a water content meter (Titroline 7750 KF). The shape of the solid residue and the catalyst after the reaction was also photographed.

도 3에 1차 반응 후 생성된 기상 생성물의 조성을 분석한 결과를 나타내었다. 또한 도 4a에 1차 반응 후 생성된 액상 생성물의 조성을 분석한 결과를 나타내었으며, 도 4b에 1차 반응 후 생성된 액상 생성물 중 알코올의 조성을 나타내었다. FIG. 3 shows the result of analyzing the composition of the gaseous product produced after the first reaction. FIG. 4A shows the result of analyzing the composition of the liquid product produced after the first reaction, and FIG. 4B shows the composition of the alcohol in the liquid product formed after the first reaction.

도 5에 제2 촉매의 종류에 따른 기상 생성물의 조성을 분석한 결과를 나타내었다. 또한 하기 표 2에 제2 촉매의 종류에 따른 액상 생성물의 질량분석, 수분함량 분석결과를 나타내었으며, 도 6에 반응 후 고체 잔류물(제2 촉매를 사용하지 않은 경우) 및 촉매의 형상을 촬영한 이미지를 나타내었다. FIG. 5 shows the results of analyzing the composition of the gaseous products according to the type of the second catalyst. The results of mass analysis and moisture content analysis of the liquid product according to the type of the second catalyst are shown in Table 2 below. FIG. 6 shows the shape of the solid residue (when the second catalyst is not used) One image.

제2 촉매The second catalyst 미사용unused γ-Al2O3 γ-Al 2 O 3 HZSM-5HZSM-5 Ni/HZSM-5Ni / HZSM-5 Liquid product-upper phase (g)Liquid product-upper phase (g) 46.046.0 24.824.8 11.911.9 14.414.4 Liquid product-lower phase (g)Liquid product-lower phase (g) 15.915.9 19.819.8 Water content-upper phase (wt%)Water content-upper phase (wt%) 1.61.6 18.418.4 0.10.1 0.10.1 Water content-lower phase (wt%)Water content-lower phase (wt%) 68.368.3 62.362.3

도 5, 표 2 및 도 6에 나타나는 것과 같이 비촉매 반응(Blank)의 경우, 에탄올이 대부분 전환되지 못한 상태로 남아있고, 에탄올로부터 수소가 생성되어 기상 생성물 중 수소의 분포가 매우 높음을 알 수 있다. 알루미나 촉매의 경우, 반응물 질량 대비 약 50%가 생성물로 얻어지는데, 대부분 기상 생성물(메탄)과 약간의 고체 잔류물(코크)로 전환된 것으로 추정된다.As shown in FIG. 5, Table 2 and FIG. 6, in the case of non-catalytic reaction (Blank), most of the ethanol remained unconverted, and hydrogen was generated from ethanol to show a very high distribution of hydrogen in the gaseous products have. In the case of alumina catalyst, about 50% of the mass of the reactant is obtained as a product, which is presumably converted to mostly gaseous products (methane) and some solid residues (coke).

HZSM-5 계열 촉매의 경우 높은 에틸렌과 수분 분포를 나타내는 것을 알 수 있다. HZSM-5계열의 촉매를 사용한 경우, 생성물이 2종류의 액상으로 분리되어 얻어지는데, 고 수분의 하층 상부에 존재하는 상층의 경우는 비중과 수분 함량이 낮은 소수성 화합물로 추정할 수 있다. HZSM-5 series catalyst shows high ethylene and moisture distribution. When the catalyst of HZSM-5 series is used, the product is obtained by separating into two liquid phases. In the case of the upper layer existing in the upper part of high water content, it can be presumed that the hydrophobic compound has low specific gravity and moisture content.

(5) 액상 생성물의 성분 분석(5) Analysis of composition of liquid product

2차 반응에서 얻어진 액상 생성물의 주요성분을 분석하였다. The major components of the liquid product obtained in the second reaction were analyzed.

도 7에 촉매를 사용하지 않은 경우에 얻어진 액상 생성물의 주요성분을 나타내었다. 도 7에 나타나는 것과 같이 촉매를 사용하지 않은 반응의 경우, 육안상으로 무색을 띄며 대부분 미반응 에탄올로 구성되어 있음을 알 수 있다. Fig. 7 shows the main components of the liquid product obtained when the catalyst was not used. As shown in FIG. 7, in the case of the reaction using no catalyst, it is visually colorless and mostly composed of unreacted ethanol.

도 8에 알루미나 촉매를 사용한 경우에 얻어진 액상 생성물의 주요성분 및 중 탄화수소의 탄소수 분포를 나타내었고, 표 3에 알루미나 촉매를 사용한 경우에 얻어진 액상 생성물 중 상위 20개의 GC-MS 피크 면적비율을 갖는 탄화수소의 분포를 나타내었다. 8 shows the distribution of the major components and the carbon number of the heavy hydrocarbons obtained when the alumina catalyst was used. Table 3 shows the results of hydrocarbons having the top 20 GC-MS peak area ratios among the liquid products obtained using the alumina catalyst Respectively.

Compound nameCompound name Area percentage (%)Area percentage (%) Carbon umberCarbon umber CyclohexeneCyclohexene 27.727.7 66 Heptane, 3-methyl-Heptane, 3-methyl- 8.08.0 88 OctaneOctane 7.17.1 88 Cyclohexene, 1-ethyl-Cyclohexene, 1-ethyl- 5.15.1 88 Cyclohexane, ethyl-Cyclohexane, ethyl- 2.62.6 88 DecaneDecane 2.62.6 1010 Cyclohexene, 1-ethyl-Cyclohexene, 1-ethyl- 2.12.1 88 3-Ethyl-3-methylheptane3-Ethyl-3-methylheptane 1.61.6 1010 4-Octene, (E)-4-Octene, (E) - 1.51.5 88 Nonane, 3-methyl-Nonane, 3-methyl- 1.41.4 1010 Heptane, 4, 4-dimethyl-Heptane, 4, 4-dimethyl- 1.41.4 99 Nonane, 3-methyl-Nonane, 3-methyl- 1.41.4 1010 2-Octene, (E)-2-Octene, (E) - 1.41.4 88 Octane, 4-ethyl-Octane, 4-ethyl- 1.31.3 1010 4-Decene4-Decene 1.21.2 1010 2-Octene, (E)-2-Octene, (E) - 1.11.1 88 2-Hexene, 2-methyl-2-hexene, 2-methyl- 0.90.9 77 Bicyclo(3.2.1)oct-2-eneBicyclo (3.2.1) oct-2-ene 0.90.9 88 NonaneNonane 0.90.9 99 4-Tetradecene (E)-4-Tetradecene (E) - 0.90.9 1414

알루미나를 촉매로 사용한 경우, 도 8 및 표 3에 나타나는 것과 같이 상분리가 일어나지 않고 육안상으로 황색빛을 띄는데, 이는 생성물 내의 미반응 에탄올의 함량이 높아서 소수성의 탄화수소가 용해됨을 의미한다. 즉, 표 3에서 나타나는 것과 같이 C6~C10의 탄화수소가 생성되지만, 에탄올 전환율 자체가 높지 않다고 볼 수 있다. 생성되는 탄화수소는 주로 알킬(alkyl)기가 붙은 알칸(alkane) 또는 알켄(alkene)이다. When alumina is used as a catalyst, as shown in FIGS. 8 and 3, phase separation does not occur, and yellowish light is visually observed, which means that the content of unreacted ethanol in the product is high, so that hydrophobic hydrocarbons are dissolved. That is, as shown in Table 3, hydrocarbons of C 6 to C 10 are produced, but the conversion rate of ethanol itself is not high. The resulting hydrocarbons are mainly alkanes or alkenes with alkyl groups.

도 9에 HZSM-5 촉매를 사용한 경우에 얻어진 액상생성물 중 상층부(탄화수소)의 탄소수 분포 및 하층부의 주요성분을 나타내었고, 표 4에 HZSM-5 촉매를 사용한 경우에 얻어진 상층부의 액상 생성물 중 상위 20개의 GC-MS 피크 면적비율을 갖는 탄화수소의 분포를 나타내었다. FIG. 9 shows the distribution of carbon atoms in the upper part (hydrocarbon) and the main components in the lower part of the liquid product obtained when the HZSM-5 catalyst was used. Table 4 shows the upper 20 The distribution of hydrocarbons with GC-MS peak area ratios is shown.

Compound nameCompound name Area percentage (%)Area percentage (%) Carbon umberCarbon umber Benzene, 1-ethyl-2-methyl-Benzene, 1-ethyl-2-methyl- 6.16.1 99 Heptane, 3-methyl-Heptane, 3-methyl- 4.14.1 88 Benzene, 1,4-diethyl-Benzene, 1,4-diethyl- 3.93.9 1010 Benzene, 1-ethyl-3-methyl-Benzene, 1-ethyl-3-methyl- 3.73.7 99 Benzene, 1,2-diethyl-Benzene, 1,2-diethyl- 3.63.6 1010 p-Xylenep-Xylene 3.63.6 88 Ethane, 1,1-diethoxy-Ethane, 1,1-diethoxy- 2.52.5 Hexane, 2-methyl-Hexane, 2-methyl- 2.32.3 77 Benzene, methyl-Benzene, methyl- 2.22.2 77 Hexane, 3-methyl-Hexane, 3-methyl- 2.22.2 77 Benzene, 4-ethyl-1,2-dimethyl-Benzene, 4-ethyl-1,2-dimethyl- 2.22.2 1010 Undecane, 2,7-dimethyl-Undecane, 2,7-dimethyl- 2.22.2 1313 HeptaneHeptane 2.12.1 77 Benzene, 1,4-diethyl-2-methyl-Benzene, 1,4-diethyl-2-methyl- 1.91.9 1111 3-ethyl-(3H)-isobenzofuran-1-one3-ethyl- (3H) -isobenzofuran-1-one 1.61.6 99 DecaneDecane 1.51.5 1010 NonaneNonane 1.51.5 99 Pentane, 3-ethyl-3-methyl-Pentane, 3-ethyl-3-methyl- 1.51.5 88 Benzene, 1-methyl-4-(1-methylpropyl)-Benzene is reacted with 1-methyl-4- (1-methylpropyl) - 1.51.5 1111 Benzene, ethyl-Benzene, ethyl- 1.41.4 88

HZSM-5를 촉매로 사용한 경우, 표 2에 나타나는 것과 같이 11.9g의 탄화수소층(상층부의 액상 생성물)이 생성되었는데, 도 9에 나타나는 것과 같이 C7~C11의 탄소수를 갖는 탄화수소로 구성되어 있음을 알 수 있다. When HZSM-5 was used as a catalyst, 11.9 g of a hydrocarbon layer (liquid product of the upper layer) was produced as shown in Table 2, and it was confirmed that it was composed of hydrocarbons having C7 to C11 carbon number .

생성된 탄화수소는 표 4에서 나타나는 것과 같이, 방향족 화합물이 대부분을 차지하는 것을 알 수 있으며, 15.9g의 하층부의 액상 생성물은 약 70wt%의 수분을 함유하고 있는데, 이것은 강한 산 촉매에 의한 에탄올의 탈수반응이 촉진됨에 따라 얻어진 수분이 밀도 차이에 의하여 생성물 하부로 이동하기 때문이다. As shown in Table 4, the produced hydrocarbons accounted for most of the aromatic compounds, and 15.9 g of the liquid product in the lower layer contained about 70 wt% of water, which was obtained by dehydration of ethanol by strong acid catalyst The water obtained is moved to the bottom of the product due to the density difference.

도 10에 Ni/HZSM-5촉매를 사용한 경우에 얻어진 액상생성물 중 상층부(탄화수소)의 탄소수 분포 및 하층부의 주요성분을 나타내었으며, 표 5에 Ni/HZSM-5 촉매를 사용한 경우에 얻어진 상층부의 액상 생성물 중 상위 20개의 GC-MS 피크 면적비율을 갖는 탄화수소의 분포를 나타내었다. 10 shows the carbon number distribution of the upper portion (hydrocarbon) and the main components in the lower portion of the liquid product obtained when the Ni / HZSM-5 catalyst was used, and Table 5 shows the composition of the upper layer liquid The distribution of hydrocarbons having the top 20 GC-MS peak area ratios among the products was shown.

Compound nameCompound name Area percentage (%)Area percentage (%) Carbon umberCarbon umber Heptane, 3-methyl-Heptane, 3-methyl- 4.44.4 88 HeptaneHeptane 2.02.0 77 Pentane, 3-ethyl-3-methyl-Pentane, 3-ethyl-3-methyl- 1.91.9 88 Pentane, 3-ethyl-Pentane, 3-ethyl- 1.91.9 77 Hexane, 2-methyl-Hexane, 2-methyl- 1.81.8 77 DecaneDecane 1.81.8 1010 Heptane, 2-methyl-Heptane, 2-methyl- 1.81.8 88 Hexane, 3-methyl-Hexane, 3-methyl- 1.71.7 77 NonaneNonane 1.71.7 99 Heptane, 3-ethyl-Heptane, 3-ethyl- 1.61.6 99 2-Hexene, 2-methyl-2-hexene, 2-methyl- 1.51.5 77 Benzene, 1-ethyl-4-methyl-Benzene, 1-ethyl-4-methyl- 1.51.5 99 DodecaneDodecane 1.41.4 1212 Decane, 3,8-dimethyl-Decane, 3,8-dimethyl- 1.41.4 1212 Nonane, 3-methyl-Nonane, 3-methyl- 1.41.4 1010 Benzene, 1,4-diethyl-Benzene, 1,4-diethyl- 1.31.3 1010 Heptane, 4-methyl-Heptane, 4-methyl- 1.31.3 88 Octane, 4-methyl-Octane, 4-methyl- 1.31.3 99 DodecaneDodecane 1.21.2 1212 TridecaneTridecane 1.11.1 1313

HZSM-5에 Ni을 담지한 촉매의 경우, 전반적인 반응성은 HZSM-5과 거의 유사하지만, 표 5에 나타나는 것과 같이, 탄화수소의 종류가 방향족이 아닌 알칸(alkane) 및 알캔(alkene)으로 변화된 것이 큰 차이점으로 나타났다. In the case of the catalyst carrying Ni on HZSM-5, the overall reactivity is almost the same as that of HZSM-5, but as shown in Table 5, the type of hydrocarbons is changed to alkane and alkene Respectively.

도 10에 나타나는 것과 같이 Ni을 담지한 HZSM-5 촉매를 사용한 경우, C13보다 긴 탄소수를 갖는 탄화수소의 조성이 높은 것을 알 수 있다. As shown in FIG. 10, when the HZSM-5 catalyst carrying Ni is used, the composition of hydrocarbons having carbon atoms longer than C 13 is high.

(6) 액상 생성물의 유기원소 함량 및 발열량 측정(6) Measurement of organic element content and calorific value of liquid product

상기 분리된 상층과 하층의 액상 생성물에 대한 원소분석 및 발열량 측정 결과를 표 6에 나타내었다. 원소분석은 원소분석기 (EA1110-FISONS)를 이용하였다. 발열량은 원소 분석결과를 이용하여 아래 식(DIN51900 standard)으로부터 산출하였다. Table 6 shows elemental analysis and calorific value measurement results for the separated upper and lower liquid product. Elemental analysis was performed using an elemental analyzer (EA1110-FISONS). The calorific value was calculated from the following formula (DIN51900 standard) using elemental analysis results.

HHV (MJ/kg) = (34C+124.3H+6.3N+19.3S-9.8O)/100HHV (MJ / kg) = (34C + 124.3H + 6.3N + 19.3S-9.8O) / 100

CatalystCatalyst Carbon (wt%)Carbon (wt%) Hydrogen (wt%)Hydrogen (wt%) Oxygen (wt%)Oxygen (wt%) Nitrogen (wt%)Nitrogen (wt%) O/CO / C H/CH / C HHV (MJ/kg)HHV (MJ / kg) γ-γ- AlAl 22 OO 33 74.374.3 7.97.9 18.018.0 0.30.3 0.180.18 1.281.28 33.3633.36 HZSM-5HZSM-5
(upper phase)(upper phase)
84.284.2 13.913.9 1.81.8 0.00.0 0.020.02 1.981.98 45.7545.75
Ni/HZSM-5Ni / HZSM-5
(upper phase)(upper phase)
83.083.0 14.214.2 2.82.8 0.00.0 0.030.03 2.052.05 45.645.6

알루미나를 촉매로 사용한 경우, 나프타 범위의 탄화수소가 생성되지만, 에탄올의 전환율이 높지 않으므로 O/C 비율이 HZSM-5계열 촉매의 경우에 비하여 현저히 높은 것으로 나타났다. When alumina was used as a catalyst, hydrocarbons in the naphtha range were produced, but the conversion of ethanol was not high, so that the O / C ratio was significantly higher than that of the HZSM-5 series catalyst.

HZSM-5와 Ni/HZSM-5 촉매의 경우, 최종 액상생성물의 물성을 거의 유사하지만, 질량분석결과에서 나타난 바와 같이 탄화수소의 종류가 현격히 다름을 확인할 수 있으며, HZSM-5에 Ni을 담지함으로써, 방향족 탄화수소의 개환반응을 유도하여 알칸(alkane)과 알켄(alkene)을 생산할 수 있음을 확인하였다. In the case of HZSM-5 and Ni / HZSM-5 catalysts, the physical properties of the final liquid product were almost similar, but as shown in the mass analysis results, the types of hydrocarbons were remarkably different. It was confirmed that alkane and alkene could be produced by inducing ring-opening reaction of aromatic hydrocarbon.

HZSM-5 계열의 촉매를 사용할 경우, 휘발유의 발열량(47MJ/kg)과 대등한 수준의 액상생성물을 얻을 수 있었다. When the catalyst of HZSM-5 series was used, it was possible to obtain a level of liquid product equivalent to the calorific value of gasoline (47 MJ / kg).

촉매 상의 Ni의 양을 조절하여, 생성되는 탄화수소의 종류를 제어할 수 있는 가능성을 발견하였다. It has been found that the amount of Ni on the catalyst can be controlled to control the kind of hydrocarbons produced.

전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The features, structures, effects, and the like illustrated in the above-described embodiments can be combined and modified in other embodiments by those skilled in the art to which the embodiments belong. Therefore, it should be understood that the present invention is not limited to these combinations and modifications.

Claims (10)

바이오매스 유래의 바이오에탄올를 이용한 나프타 제조시스템으로서,
바이오에탄올을 공급하는 공급부;
상기 바이오에탄올을 초임계 상태로 만드는 반응조건으로 탄소지지체에 활성성분으로서 마그네슘(Mg), 니켈(Ni) 및 몰리브덴(Mo)을 포함하는 금속이 담지된 제1 촉매 하에서 축합반응하여 C4-C12의 함산소 화합물을 포함하는 액상물을 생성하는 제1 반응기; 및
상기 액상물을 제올라이트를 포함하는 제2 촉매 하에서 탈산소화하여 나프타를 포함하는 탄화수소층과 수분층으로 분리하는 제2 반응기;를 포함하는 나프타 제조시스템.
As a naphtha production system using biomass-derived bioethanol,
A supply unit for supplying bio-ethanol;
In a reaction condition for making the bioethanol into a supercritical state, a condensation reaction is carried out under a first catalyst in which a metal containing magnesium (Mg), nickel (Ni) and molybdenum (Mo) A first reactor for producing a liquid product comprising an oxygen compound; And
And a second reactor for deoxidizing the liquid material under a second catalyst comprising zeolite to separate into a hydrocarbon layer containing naphtha and a water layer.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제1 반응기는 고압 반응기로서, 히팅 장치 및 쿨링 장치를 포함하고,
상기 제1 반응기에 상기 공급부로부터 공급되는 바이오에탄올과 상기 제1 촉매가 투입되고, 상기 제1 반응기를 고압상태로 조절하여 초임계 상태로 제어하고 교반하면서 상기 히팅 장치를 통해 가열한 후 상기 제1 반응기의 온도가 반응온도에 도달하면 상기 히팅 장치를 멈추고 상기 쿨링 장치를 통해 급랭시키는 나프타 제조시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the first reactor is a high pressure reactor, comprising a heating device and a cooling device,
The first reactor is charged with the bioethanol supplied from the supply unit and the first catalyst. The first reactor is controlled to a supercritical state by controlling the first reactor to a supercritical state, heated through the heating apparatus while stirring, Wherein the heating device is stopped and quenched through the cooling device when the temperature of the reactor reaches the reaction temperature.
제3항에 있어서,
상기 나프타 제조시스템은 압력조절부를 더 포함하여, 상기 제1 반응기가 25 내지 35bar의 초기압력을 나타내도록 고압상태로 조절하는 나프타 제조시스템.
The method of claim 3,
Wherein the naphtha production system further comprises a pressure regulator, wherein the first reactor regulates the high pressure to an initial pressure of 25 to 35 bar.
제1항에 있어서,
상기 제2 반응기는 히팅 장치를 포함하고,
상기 제2 반응기에 상기 제1 반응기로부터 공급되는 상기 함산소 화합물을 포함하는 액상물과 상기 제2 촉매가 투입되고, 상기 제2 반응기를 상기 히팅 장치를 통해 반응온도까지 상승시킨 후 일정 시간 동안 유지시키는 나프타 제조시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the second reactor comprises a heating device,
The second catalyst is introduced into the second reactor and the liquid containing the oxygen-containing compound supplied from the first reactor is introduced into the second reactor, the second reactor is heated to the reaction temperature through the heating device, The naphtha manufacturing system.
제1항에 있어서,
상기 제2 촉매는 제올라이트 촉매 또는 제올라이트에 니켈을 포함하는 금속이 담지된 촉매를 포함하는 나프타 제조시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the second catalyst comprises a zeolite catalyst or a catalyst in which a metal containing nickel is supported on a zeolite.
제1항에 있어서,
상기 제2 반응기에는 상기 제2 촉매로서 제올라이트 촉매를 사용하여 C7~C11의 방향족 탄화수소를 포함하는 탄화수소층과 수분을 포함하는 층으로 분리하는 반응기인 나프타 제조시스템.
The method according to claim 1,
The second reactor to the first reactor of the naphtha production system using a zeolite catalyst as the second catalyst separation with a layer containing a hydrocarbon layer and a water-containing aromatic hydrocarbon group of C 7 ~ C 11.
제1항에 있어서,
상기 제2 반응기에는 상기 제2 촉매로서 제올라이트에 니켈을 포함하는 금속이 담지된 촉매를 사용하여 C13 이상의 알칸(alkane)과 알켄(alkene)을 포함하는 탄화수소층과 수분을 포함하는 층으로 분리하는 반응기인 나프타 제조시스템.
The method according to claim 1,
In the second reactor, zeolite is separated into a hydrocarbon layer containing C 13 or more alkanes and alkenes and a layer containing water by using a catalyst carrying a metal containing nickel on the zeolite as the second catalyst A reactor naphtha manufacturing system.
제1항에 있어서,
상기 나프타 제조시스템은
상기 제1 반응기에서 생성된 상기 함산소 화합물을 포함하는 액상물로부터 사용된 제1 촉매를 분리하는 필터를 더 포함하여, 분리된 제1 촉매를 세척 및 건조한 후 재사용하는 나프타 제조시스템.
The method according to claim 1,
The naphtha manufacturing system
Further comprising a filter for separating the used first catalyst from the liquid containing the oxygen-containing compound produced in the first reactor, wherein the separated first catalyst is washed, dried and reused.
제1항에 있어서,
상기 나프타 제조시스템은
상기 제2 반응기에서 생성된 나프타를 포함하는 탄화수소층과 수분층을 포함하는 2상의 액상물로부터 사용된 제2 촉매를 분리하는 필터를 더 포함하여, 분리된 제2 촉매를 세척 및 건조한 후 재사용하는 나프타 제조시스템.
The method according to claim 1,
The naphtha manufacturing system
Further comprising a filter for separating the second catalyst used from the two-phase liquid phase comprising a hydrocarbon layer comprising naphtha produced in said second reactor and a water layer, wherein said separating catalyst is washed and dried, Manufacturing system.
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