KR102073116B1 - One-pot process of producing C10+ compound from ethylene - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 200℃ 초과 300℃ 미만의 범위에서 선택된 온도(T0)에서 에틸렌 올리고머화 반응 및 에틸렌 올리고머의 추가적인 올리고머화, 이성질체화 및 방향족화 반응이 연속적으로 수행되는 반응기를 이용한 C8-16 중질유의 제조방법 및 항공유급 연료의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to C 8-16 heavy oil using a reactor in which ethylene oligomerization and further oligomerization, isomerization and aromatization of ethylene oligomers are carried out continuously at a temperature (T 0 ) selected in the range above 200 ° C and below 300 ° C. It relates to a method for producing and a method for producing aviation fuel.
항공운송교통량이 급증함에 따라 국제 항공기의 출입이 증가하고, 이에 따라 공항 주변의 배출가스 및 이의 관리에 대한 관심이 증대되고 있다. 특히 세계 항공산업이 전체 온실가스 배출량의 2%를 차지하고 있어 항공부분의 온실가스 배출량을 최소화할 필요가 있다.As the volume of air traffic increases rapidly, the entry and exit of international aircraft increases, and as a result, the interest in the emission of gas around the airport and its management is increasing. In particular, the global aviation industry accounts for 2% of the total GHG emissions. Therefore, the aviation sector needs to minimize GHG emissions.
항공유는 높은 고도에서도 동결되지 않으면서 높은 에너지 밀도를 가져야 하는 까다로운 조건을 만족해야 하며, 따라서 이러한 항공유에 적합한 물성을 확보하기 위해서는 탄소수 8 이상(C8+), 보다 구체적으로는 탄소수 10 이상(C10+)의 조성분포를 갖는 것이 바람직하다.Aviation oils must meet the demanding conditions of having a high energy density without freezing at high altitudes, and therefore, in order to secure properties suitable for these aviation oils, they have at least 8 carbon atoms (C 8+ ), more specifically at least 10 carbon atoms (C). those having a composition distribution of 10+) are preferred.
한편, 석유자원의 고갈과 관련하여, 상기 항공유를 경질 올레핀 예컨대, 에틸렌의 올리고머화 및/또는 이성질체화를 통해 합성하는 방법을 고려할 수 있다. 종래 경질 올레핀으로부터 항공유급 연료를 생산하는 방법은 경질 올레핀의 이량체화 또는 올리고머화 반응을 통해 에틸렌 올리고머를 제조하는 단계 및 상기 에틸렌 올리고머를 추가적으로 올리고머화, 이성질체화 및 방향족화하여 중질유를 제조하는 단계를 포함하는 2단계 이상의 공정으로 이루어진다. 이와 같이 생산된 중질유는 수소화 공정 및/또는 증류 공정 등의 후속 공정을 통해 최종적으로 항공유급 원료로 전환할 수 있다. 반응의 효율 및 수율 향상을 위하여, 다단계의 반응을 거치지 않고 에틸렌의 연속적인 올리고머화 반응을 통해 단일 공정을 통해 중질유까지 합성하는 방법이 모색되고 있다.On the other hand, in connection with the depletion of petroleum resources, a method of synthesizing the aviation oil through oligomerization and / or isomerization of light olefins such as ethylene can be considered. Conventional methods for producing aviation fuels from light olefins include preparing ethylene oligomers through dimerization or oligomerization of light olefins and further oligomerizing, isomerizing and aromaticizing the ethylene oligomers to produce heavy oils. It consists of two or more steps to include. The heavy oil thus produced may be finally converted to aviation fuel grade raw materials through subsequent processes such as hydrogenation and / or distillation. In order to improve the efficiency and yield of the reaction, a method of synthesizing even heavy oil through a single process through a continuous oligomerization reaction of ethylene without going through a multi-step reaction has been sought.
한편, 경질 올레핀 올리고머화 반응을 위한 촉매로는 크게 2가지가 있는데, 에틸렌의 경우 니켈이 함유된 촉매를 사용하여 올리고머화할 수 있으며, C3 이상의 올레핀의 경우 산 촉매를 사용하여 올리고머화할 수 있다. 상기 산을 이용한 올리고머화 반응은 고온에서 수행할 수 있으며, 따라서 고온에서 안정한 고체 산 촉매인 제올라이트 등을 사용할 수 있다. 그러나, 이와 같이 고온에서 반응시키는 경우 올리고머화 반응에 대한 선택도가 일정하지 않으므로, 이성질체화 반응(isomerization), 불균화 반응(disproportionation), 방향족화 반응(aromatization), 분해(cracking) 등이 수반되어 생성물의 수율이 일정치 않으며, 코크(coke)가 다량 발생하는 단점이 있다.On the other hand, there are two types of catalysts for the light olefin oligomerization reaction, ethylene can be oligomerized using a nickel-containing catalyst, and C 3 or more olefins can be oligomerized using an acid catalyst. The oligomerization reaction using the acid can be carried out at a high temperature, and thus, zeolite or the like, which is a stable solid acid catalyst at a high temperature, can be used. However, since the selectivity for the oligomerization reaction is not constant when the reaction is carried out at such a high temperature, it is accompanied by isomerization, disproportionation, aromatization, cracking, and the like. The yield of the product is not constant, there is a disadvantage that a large amount of coke (coke) occurs.
예컨대, 항공유급 연료를 제조하기 위한 종래의 중질유 제조 방법은 단일 단계의 촉매에 의한 에틸렌의 올리고머화 반응을 통해 C8-16의 중질유를 생산하는 방법이 사용되었으나, C10+ 탄화수소 화합물까지 연장시키는 선택성이 낮을 뿐만 아니라 C10+ 탄화수소 화합물은 고온에서 생성 가능하나, 해당 조건에서는 생성물인 C10+ 탄화수소 화합물이 쉽게 분리/회수되지 못하고 촉매의 표면에 부착되어 시간이 경과함에 따라 촉매의 활성이 급격히 감소되는 문제가 있다(Vasile Hulea et al., J. Catal., 2004, 225: 213-222).For example, conventional heavy oil production methods for preparing aviation fuels have been used to produce C 8-16 heavy oil through oligomerization of ethylene by a single stage catalyst, but extend to C 10+ hydrocarbon compounds. In addition to low selectivity, C 10+ hydrocarbon compounds can be produced at high temperatures, but under these conditions, the C 10+ hydrocarbon compound, which is a product, is not easily separated / recovered and adheres to the surface of the catalyst. There is a problem of diminishing (Vasile Hulea et al., J. Catal., 2004, 225: 213-222).
한편, 고체산 촉매인 제올라이트 촉매를 사용하는 경우, 고온에서 안정하기는 하나, 일정 수준 이상으로 반응온도가 증가하여야 반응이 일어나므로 에너지적으로 경제적이지 못한 단점이 있다.On the other hand, in the case of using a zeolite catalyst which is a solid acid catalyst, although stable at high temperature, the reaction occurs only when the reaction temperature is increased to a predetermined level or more, so there is a disadvantage in that it is not energy economical.
본 발명자들은 상대적으로 낮은 반응 온도에서 단일 반응기 공정을 이용하여 에틸렌으로부터 항공유급 연료를 제공할 수 있는 C10+ 화합물을 효율적으로 생산할 수 있는 촉매의 조합 및/또는 반응 조건을 발굴하기 위하여 예의 연구 노력한 결과, 상부에는 에틸렌 올리고머화 반응용 니켈 함유 고체산 촉매층; 및 하부에는 올레핀 올리고머화, 이성질체화 및 방향족화 반응용 제올라이트 촉매층을 충진한 반응기에서 상부로 기체상의 에틸렌을 공급하면서 상기 2종 촉매층이 충진된 동일 반응기 공정을 통해 즉, 동일한 반응 조건 하에 에틸렌의 연속적인 올리고머화 반응에 의해 에틸렌 전환율이 높고 생성물 중 C10+ 화합물 함량이 현저히 증가된 중질유를 액상으로 수득할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.We have worked diligently to uncover catalyst combinations and / or reaction conditions that can efficiently produce C 10+ compounds capable of providing aviation fuel from ethylene using a single reactor process at relatively low reaction temperatures. As a result, the nickel-containing solid acid catalyst layer for ethylene oligomerization reaction on the top; And at the bottom through the same reactor process filled with the two catalyst beds while feeding gaseous ethylene from the reactor packed with a zeolite catalyst layer for olefin oligomerization, isomerization and aromatization reaction to the top, i.e., under the same reaction conditions It was confirmed that heavy oil having a high ethylene conversion and a markedly increased C 10+ compound content in the product can be obtained in the liquid phase by a typical oligomerization reaction, thereby completing the present invention.
상기 목적을 달성하기 위한 하나의 양태로서, 본 발명은As one aspect for achieving the above object, the present invention
200℃ 초과 300℃ 미만의 범위에서 선택된 온도(T0)에서 에틸렌 올리고머화 반응 및 에틸렌 올리고머의 추가적인 올리고머화, 이성질체화 및 방향족화 반응이 연속적으로 수행되는 반응기에서,In a reactor in which ethylene oligomerization reactions and further oligomerization, isomerization and aromatization reactions of ethylene oligomers are carried out continuously at a temperature (T 0 ) selected in the range above 200 ° C. and below 300 ° C.,
에틸렌 함유 기체로부터 90% 이상의 에틸렌 전환율로, 탄소수 8 이상(C8+)의 화합물에 대해 탄소수 10 이상(C10+)의 화합물을 80중량% 이상, 탄소수 20 이상(C20+)의 화합물을 25중량% 이상 40중량% 이하 함유하는 생성물을 제조하는 방법에 있어서,80% or more by weight of a compound having 10 or more carbon atoms (C 10+ ) and a compound having 20 or more carbon atoms (C 20+ ) based on a compound having 8 or more (C 8+ ) carbon atoms. In the method of manufacturing the product containing 25 weight% or more and 40 weight% or less,
상기 반응기는The reactor is
상부에 반응물 주입부가, 하부에 배출구가 형성되어 있고,The reactant inlet is formed at the top, the outlet is formed at the bottom,
선택된 반응온도 T0에서 기체상의 에틸렌 함유 반응물로부터 C10+ 화합물을 25중량% 미만으로 함유하는 생성물을 형성하는 두께로 충진된 제1촉매층을 상부에;At the top with a first catalyst layer filled to a thickness to form a product containing less than 25% by weight of a C 10+ compound from a gaseous ethylene containing reactant at a selected reaction temperature T 0 ;
선택된 반응온도 T0에서 제1촉매층에서 형성된 생성물의 추가적인 올리고머화, 이성질체화 및 방향족화에 의해 C10+ 화합물을 31중량% 초과로 함유하며, 환형 화합물을 20중량% 이상으로 함유하는 액상 생성물을 생성하는 두께로 충진된 제2촉매층을 제1촉매층의 하부에 구비한 것으로,By further oligomerization, isomerization and aromatization of the product formed in the first catalyst layer at a selected reaction temperature T 0 , a liquid product containing more than 31% by weight of C 10+ compound and 20% or more by weight of cyclic compound is obtained. In the lower portion of the first catalyst layer having a second catalyst layer filled with the thickness to be produced,
에틸렌 함유 기체 반응물은 반응기 상부의 반응물 주입부로부터 소정의 압력으로 주입되어 제1촉매층 및 제2촉매층을 순차적으로 통과하면서 이에 함유된 촉매와 반응하여 기체 및 액체가 혼재된 생성물로 전환되어 하부의 배출구를 통해 배출되고,The ethylene-containing gas reactant is injected at a predetermined pressure from the reactant inlet at the top of the reactor to sequentially pass through the first catalyst layer and the second catalyst layer, react with the catalyst contained therein, and convert the product into a mixture of gas and liquid, thereby discharging the lower outlet. Is discharged through
제1촉매층 내의 제1촉매 및 제2촉매층 내의 제2촉매는The first catalyst in the first catalyst layer and the second catalyst in the second catalyst layer
i) 제1촉매의 에틸렌 올리고머화 반응에서의 에틸렌 전환율이 85% 이상으로 유지되는 온도는 200℃ 초과 300℃ 미만인 조건;i) the temperature at which the ethylene conversion in the ethylene oligomerization reaction of the first catalyst is maintained at 85% or more is greater than 200 ° C and less than 300 ° C;
ii) 선택된 반응온도 T0에서, 제1촉매층에 의한 에틸렌 올리고머화 반응의 생성물 중 C10+ 화합물의 비율<동량의 제1촉매층 및 제2촉매층의 조합에 의한 순차적인 에틸렌 올리고머화 반응의 생성물 중 C10+ 화합물의 비율인 조건;ii) at a selected reaction temperature T 0, in the product of the ethylene oligomerization reaction by the ratio of the C 10+ compound in the product of the ethylene oligomerization reaction by the first catalyst layer <a combination of the same amount of the first catalyst layer and the second catalyst layer Conditions that are proportions of C 10+ compounds;
iii) 선택된 반응온도 T0에서, 제1촉매에 의한 에틸렌 올리고머화 반응의 에틸렌 전환율>제2촉매에 의한 에틸렌 올리고머화 반응의 에틸렌 전환율인 조건;iii) conditions of ethylene conversion of the ethylene oligomerization reaction by the first catalyst> ethylene conversion of the ethylene oligomerization reaction by the second catalyst at the selected reaction temperature T 0 ;
iv) 제1촉매에 의한 에틸렌 올리고머화 반응에서 최대 에틸렌 전환율을 나타내는 반응온도(T1)<제2촉매에 의한 에틸렌 올리고머화 반응에서 최대 에틸렌 전환율을 나타내는 반응온도(T2)인 조건; 및iv) the reaction temperature (T 1 ) representing the maximum ethylene conversion in the ethylene oligomerization reaction with the first catalyst <the reaction temperature (T 2 ) representing the maximum ethylene conversion in the ethylene oligomerization reaction with the second catalyst; And
v) 선택된 반응온도 T0<제2촉매에 의한 에틸렌 올리고머화 반응에서 최대 에틸렌 전환율을 나타내는 반응온도 T2인 조건;을 만족하도록 선택된 것인, C8-16 중질유의 제조방법v) selected reaction temperature T 0 <the condition that the reaction temperature T 2 indicating the maximum ethylene conversion in the ethylene oligomerization reaction by the second catalyst; selected to satisfy, C 8-16 heavy oil production method
을 제공한다.To provide.
상기 반응은 회분식 공정 또는 연속식 공정을 사용하여 수행할 수 있으며, 이에 사용되는 촉매는 고체 분말 자체로서 이용하거나, 도데칸 등의 유기용매를 포함하는 슬러리 상태로 이용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 고체 분말 상태의 촉매층을 이용하는 연속식 공정을 통해, 또는 도데칸 용매에 분산시킨 슬러리 상태의 촉매층을 이용하는 회분식 공정을 통해 수행할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The reaction may be performed using a batch process or a continuous process, and the catalyst used therein may be used as a solid powder itself or in a slurry state containing an organic solvent such as dodecane, but is not limited thereto. For example, the process may be performed through a continuous process using a catalyst layer in a solid powder state or through a batch process using a catalyst layer in a slurry state dispersed in a dodecane solvent, but is not limited thereto.
본 발명의 C8-16 중질유의 제조방법에 있어서, 선택된 반응온도 T0에서, 제2촉매는 에틸렌의 올리고머화 반응을 수행하지 못하는 것일 수 있다.In the method for preparing C 8-16 heavy oil of the present invention, at the selected reaction temperature T 0 , the second catalyst may not be able to perform the oligomerization reaction of ethylene.
한편, 본 발명의 C8-16 중질유의 제조방법에 사용되는 제1촉매는 선택된 반응온도 T0에서 에틸렌 올리고머화 반응의 개시제로서의 역할을 하는 니켈을 함유할 수 있다.On the other hand, the first catalyst used in the process for producing C 8-16 heavy oil of the present invention may contain nickel which serves as an initiator of the ethylene oligomerization reaction at the selected reaction temperature T 0 .
본 발명의 단일화 반응기 공정을 이용한 C8-16 중질유의 제조방법에 있어서, 제1촉매층과 제2촉매층은 1:9 내지 9:1의 질량비로, 구체적으로는 3:7 내지 7:3의 질량비로 구성할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In the method for preparing C 8-16 heavy oil using the unification reactor process of the present invention, the first catalyst layer and the second catalyst layer have a mass ratio of 1: 9 to 9: 1, specifically, a mass ratio of 3: 7 to 7: 3. It may be configured as, but is not limited thereto.
종래 에틸렌으로부터 C8+ 화합물 나아가, 항공유급 연료로 사용될 수 있는 C10+ 화합물을 제조하는 방법은 에틸렌을 올리고머화하여 C4-8 화합물을 제조한 후 추가적인 공정을 통해 보다 높은 탄소수의 화합물을 생산하는 다단계의 방법을 이용하였다. 또는, 에틸렌 올리고머화 촉매로 알려진 니켈 함유 촉매를 사용하는 단일 공정의 경우 C8+ 화합물에 대한 선택성이 낮거나, 이를 향상시키기 위하여 반응 온도를 상승시키는 경우에는 오히려 반응 효율 자체가 낮아지는 단점이 있다. 반면, 고온에서 안정한 촉매인 제올라이트를 이용하는 경우, 반응 개시가 원활히 이루어지지 못하여 고온에 이르러서야 반응이 일어나는 단점이 있다.Process for preparing a compound C 8+ Further, C 10+ compounds which may be used in air paid fuel from a conventional ethylene is then by the oligomerization of ethylene to prepare a C 4-8 compound to produce more compounds of high carbon number by an additional step A multi-step method was used. Alternatively, in the case of a single process using a nickel-containing catalyst known as an ethylene oligomerization catalyst, the selectivity to the C 8+ compound is low, or when the reaction temperature is increased to improve the reaction, the reaction efficiency itself is lowered. . On the other hand, when using a zeolite which is a stable catalyst at a high temperature, the reaction does not start smoothly, there is a disadvantage that the reaction occurs only at high temperatures.
이에, 본 발명은 2 이상의 촉매를 이용하는 2 이상의 반응을 통해 에틸렌으로부터 고가의 탄화수소 화합물을 생산하되, 동일한 조건에서 단회에 수행할 수 있는 최적의 촉매 조합 및 이에 대한 단일 반응기 공정 조건을 발굴한 것에 기초한다. 특히, 본 발명은 에너지 효율적인 공정을 위하여 상대적으로 낮은 온도에서 높은 효율 및 C8+ 화합물 나아가, C10+ 화합물에 대한 선택성으로 중질유를 생산할 수 있는 공정을 설계한 것이 특징이다.Thus, the present invention is based on the discovery of an optimal catalyst combination and a single reactor process conditions for the production of expensive hydrocarbon compounds from ethylene through two or more reactions using two or more catalysts, which can be performed in one step under the same conditions. do. In particular, the present invention is characterized by a design process that can produce a heavy oil and the selectivities to higher efficiency at a relatively low temperature for an energy efficient process and a C 8+ compound addition, C 10+ compounds.
예컨대, 상기 제조방법은 5 내지 30 bar의 압력 하에 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.For example, the manufacturing method may be performed under a pressure of 5 to 30 bar, but is not limited thereto.
예컨대, 본 발명의 제조방법에서 반응물인 에틸렌은 불활성 기체인 질소와의 혼합 기체로 제공될 수 있다. 예컨대, 상기 혼합비율은 에틸렌:질소=1:1 내지 5:1일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.For example, the reactant ethylene in the preparation method of the present invention may be provided as a mixed gas with nitrogen which is an inert gas. For example, the mixing ratio may be ethylene: nitrogen = 1: 1 to 5: 1, but is not limited thereto.
본 발명의 제조방법에서 생성되는 액상 생성물은 탄소수 10 이상(C10+)의 화합물을 31% 초과 38% 미만 함유할 수 있다.The liquid product produced in the preparation method of the present invention may contain more than 31% and less than 38% of compounds having 10 or more carbon atoms (C 10+ ).
또한, 상기 액상 생성물은 총 액상 생성물 중 불포화 또는 포화 고리형 화합물을 20 내지 70중량% 함유할 수 있다.In addition, the liquid product may contain 20 to 70% by weight of an unsaturated or saturated cyclic compound in the total liquid product.
본 발명의 제조방법에 사용되는 상기 제1촉매는 실리카 및 알루미나를 10:90 내지 90:10의 중량비로, 또는 구체적으로 10:90 내지 50:50의 중량비로 포함하며, 제1촉매 총 중량에 대해 니켈을 1 내지 10중량%, 구체적으로는 2 내지 7중량% 함유할 수 있다.The first catalyst used in the preparation method of the present invention comprises silica and alumina in a weight ratio of 10:90 to 90:10, or specifically, in a weight ratio of 10:90 to 50:50, and includes the total weight of the first catalyst. Nickel may be contained in an amount of 1 to 10% by weight, specifically 2 to 7% by weight.
한편, 상기 제2촉매는 실리카 및 알루미나를 3:1 내지 100:1의 몰비로 함유할 수 있다.On the other hand, the second catalyst may contain silica and alumina in a molar ratio of 3: 1 to 100: 1.
구체적으로, 본 발명의 제조방법에 사용되는 상기 제1촉매는 실리카 및 알루미나를 10:90내지 90:10의 중량비로 포함하며, 제1촉매 총 중량에 대해 니켈을 1 내지 10중량% 함유하는 촉매이고, 제2촉매는 실리카 및 알루미나를 3:1 내지 100:1의 몰비로 함유할 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명의 제조방법에 사용되는 상기 제1촉매는 실리카 및 알루미나를 25:75 내지 40:60의 중량비로 포함하며, 제1촉매 총 중량에 대해 니켈을 2 내지 5중량% 함유하는 촉매이고, 제2촉매는 실리카 및 알루미나를 20:1 내지 25:1의 몰비로 함유할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.Specifically, the first catalyst used in the preparation method of the present invention includes silica and alumina in a weight ratio of 10:90 to 90:10, and a catalyst containing 1 to 10 wt% nickel based on the total weight of the first catalyst. The second catalyst may contain silica and alumina in a molar ratio of 3: 1 to 100: 1. More specifically, the first catalyst used in the preparation method of the present invention includes silica and alumina in a weight ratio of 25:75 to 40:60, and contains 2 to 5 wt% nickel based on the total weight of the first catalyst. The second catalyst may contain silica and alumina in a molar ratio of 20: 1 to 25: 1, but is not limited thereto.
한편, 본 발명의 제조방법은 반응에 앞서 비활성 기체를 흘려주면서 500 내지 600℃까지 가열하여 촉매를 활성화하는 전처리 공정을 추가로 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 추가적인 공정을 통해 제1촉매 및 제2촉매를 동시에 활성화할 수 있다.On the other hand, the manufacturing method of the present invention may further include a pretreatment step of activating the catalyst by heating to 500 to 600 ℃ while flowing an inert gas prior to the reaction, but is not limited thereto. The additional process may simultaneously activate the first catalyst and the second catalyst.
다른 하나의 양태로서, 본 발명은In another aspect, the present invention
200℃ 초과 300℃ 미만의 범위에서 선택된 온도(T0)에서 에틸렌 올리고머화 반응 및 에틸렌 올리고머의 추가적인 올리고머화, 이성질체화 및 방향족화 반응이 연속적으로 수행되는 반응기에서,In a reactor in which ethylene oligomerization reactions and further oligomerization, isomerization and aromatization reactions of ethylene oligomers are carried out continuously at a temperature (T 0 ) selected in the range above 200 ° C. and below 300 ° C.,
에틸렌 함유 기체로부터 90% 이상의 에틸렌 전환율로, C8+ 화합물에 대해 C10+ 화합물을 80중량% 이상, C20+ 화합물을 25중량% 이상 40중량% 이하 함유하는 생성물을 제조하는 단계;From an ethylene-containing gas of at least 90% ethylene conversion, the method comprising producing a product containing C 10+ compounds 80 weight% or more, the C 20+ compounds up to 40% by weight at least 25% by weight of the C 8+ compound;
전 단계로부터의 생성물을 냉각하고 기체를 제거하여 C8-16 중질유를 제조하는 단계; 및Cooling the product from the previous step and removing the gas to produce C 8-16 heavy oil; And
전 단계로부터 수득한 C8-16 중질유에 대해 수소화 공정, 증류 공정 또는 둘 모두를 수행하여 항공유급 연료로 전환하는 단계를 포함하되,Converting the C 8-16 heavy oil obtained from the previous step to a aviation fuel by performing a hydrogenation process, a distillation process, or both,
상기 제1단계를 수행하는 반응기는The reactor for performing the first step is
상부에 반응물 주입부가, 하부에 배출구가 형성되어 있고,The reactant inlet is formed at the top, the outlet is formed at the bottom,
선택된 반응온도 T0에서 기체상의 에틸렌 함유 반응물로부터 C10+ 화합물을 25중량% 미만으로 함유하는 생성물을 형성하는 두께로 충진된 제1촉매층을 상부에;At the top with a first catalyst layer filled to a thickness to form a product containing less than 25% by weight of a C 10+ compound from a gaseous ethylene containing reactant at a selected reaction temperature T 0 ;
선택된 반응온도 T0에서 제1촉매층에서 형성된 생성물의 추가적인 올리고머화, 이성질체화 및 방향족화에 의해 C10+ 화합물을 31중량% 초과로 함유하며, 환형 화합물을 20중량% 이상으로 함유하는 액상 생성물을 생성하는 두께로 충진된 제2촉매층을 제1촉매층의 하부에 구비한 것으로,By further oligomerization, isomerization and aromatization of the product formed in the first catalyst layer at a selected reaction temperature T 0 , a liquid product containing more than 31% by weight of C 10+ compound and 20% or more by weight of cyclic compound is obtained. In the lower portion of the first catalyst layer having a second catalyst layer filled with the thickness to be produced,
에틸렌 함유 기체 반응물은 반응기 상부의 반응물 주입부로부터 소정의 압력으로 주입되어 제1촉매층 및 제2촉매층을 순차적으로 통과하면서 이에 함유된 촉매와 반응하여 기체 및 액체가 혼재된 생성물로 전환되어 하부의 배출구를 통해 배출되고,The ethylene-containing gas reactant is injected at a predetermined pressure from the reactant inlet at the top of the reactor to sequentially pass through the first catalyst layer and the second catalyst layer, react with the catalyst contained therein, and convert the product into a mixture of gas and liquid, thereby discharging the lower outlet. Is discharged through
제1촉매층 내의 제1촉매 및 제2촉매층 내의 제2촉매는The first catalyst in the first catalyst layer and the second catalyst in the second catalyst layer
i) 제1촉매의 에틸렌 올리고머화 반응에서의 에틸렌 전환율이 85% 이상으로 유지되는 온도는 200℃ 초과 300℃ 미만인 조건;i) the temperature at which the ethylene conversion in the ethylene oligomerization reaction of the first catalyst is maintained at 85% or more is greater than 200 ° C and less than 300 ° C;
ii) 선택된 반응온도 T0에서, 제1촉매층에 의한 에틸렌 올리고머화 반응의 생성물 중 C10+ 화합물의 비율<동량의 제1촉매층 및 제2촉매층의 조합에 의한 순차적인 에틸렌 올리고머화 반응의 생성물 중 C10+ 화합물의 비율인 조건;ii) at a selected reaction temperature T 0, in the product of the ethylene oligomerization reaction by the ratio of the C 10+ compound in the product of the ethylene oligomerization reaction by the first catalyst layer <a combination of the same amount of the first catalyst layer and the second catalyst layer Conditions that are proportions of C 10+ compounds;
iii) 선택된 반응온도 T0에서, 제1촉매에 의한 에틸렌 올리고머화 반응의 에틸렌 전환율>제2촉매에 의한 에틸렌 올리고머화 반응의 에틸렌 전환율인 조건;iii) conditions of ethylene conversion of the ethylene oligomerization reaction by the first catalyst> ethylene conversion of the ethylene oligomerization reaction by the second catalyst at the selected reaction temperature T 0 ;
iv) 제1촉매에 의한 에틸렌 올리고머화 반응에서 최대 에틸렌 전환율을 나타내는 반응온도(T1)<제2촉매에 의한 에틸렌 올리고머화 반응에서 최대 에틸렌 전환율을 나타내는 반응온도(T2)인 조건; 및iv) the reaction temperature (T 1 ) representing the maximum ethylene conversion in the ethylene oligomerization reaction with the first catalyst <the reaction temperature (T 2 ) representing the maximum ethylene conversion in the ethylene oligomerization reaction with the second catalyst; And
v) 선택된 반응온도 T0<제2촉매에 의한 에틸렌 올리고머화 반응에서 최대 에틸렌 전환율을 나타내는 반응온도 T2인 조건;을 만족하도록 선택된 것인, 항공유급 연료의 제조방법v) selected reaction temperature T 0 <the condition of reaction temperature T 2 representing the maximum ethylene conversion in the ethylene oligomerization reaction by the second catalyst;
을 제공한다.To provide.
전술한 바와 같이, 본 발명의 항공유급 연료의 제조방법에 사용되는 제2촉매는 선택된 반응온도 T0에서, 제2촉매는 에틸렌의 올리고머화 반응을 수행하지 못하며, 제1촉매는 선택된 반응온도 T0에서 에틸렌 올리고머화 반응의 개시제로서의 역할을 하는 니켈을 함유할 수 있다.As described above, the second catalyst used in the method for preparing aviation fueled fuel of the present invention is selected at reaction temperature T 0 , the second catalyst does not perform oligomerization reaction of ethylene, and the first catalyst is selected reaction temperature T It may contain nickel which serves as an initiator of the ethylene oligomerization reaction at zero .
본 발명의 용어, "항공유(jet fuel)"는 항공기 운항에 연료로 사용되는 물질로 aviation turbine fuel(ATF)라고도 하며, 무색 내지는 짚색(straw-colored)의 액체이다. 자동차에 사용되는 연료와 달리 저온의 고공에서 사용되므로 특별한 요건을 필요로 한다. 단회 주유로 저온의 상공에서 먼 거리를 여행할 수 있도록, 어는 점과 밀도는 낮으며, 비에너지(specific energy)와 에너지 밀도는 높은 것이 유리하다. 예컨대, 현재 통상적으로 사용되고 있는 항공유인 Jet A-1급 및 Jet A급 항공유는 모두 38℃의 인화점(flash point), 210℃의 자기발화점(Autoignition temperature)을 갖는다. 나아가, Jet A-1급의 경우 -47℃, Jet A급의 경우 -40℃의 어는 점을 갖는다. 전술한 조건을 갖추기 위하여, 통상 항공유는 25부피% 이하의 소정의 함량으로 방향족 화합물을 포함한다. 따라서, 바이오매스 등으로부터 생산된 항공유의 경우 부족한 방향족을 보충하여 이러한 품질 기준을 만족시키기 위하여 석유계 방향족 화합물을 추가하기도 한다. 그러나, 본 발명의 항공유는 전술한 방법에 의해 방향족 화합물을 일정량 이상 함유하는 C8-16 중질유로부터 생산되므로 석유계 항공유와의 혼합을 필요로 하지 않는다.As used herein, the term "jet fuel" is a material used as a fuel for aircraft operation, also called aviation turbine fuel (ATF), is a colorless or straw-colored liquid. Unlike fuels used in automobiles, they are used at low temperatures and require special requirements. It is advantageous to have a low freezing point and a high density, high specific energy and high energy density so that it can travel a long distance from the low temperature by a single fuel. For example, jet oils of jet A-1 and jet class A, which are commonly used at present, have a flash point of 38 ° C. and an autoignition temperature of 210 ° C. Furthermore, it has a freezing point of -47 ° C for Jet A-1 and -40 ° C for Jet A-1. In order to meet the above conditions, aviation oil usually contains an aromatic compound in a predetermined content of 25% by volume or less. Therefore, in the case of aviation oil produced from biomass or the like, petroleum-based aromatic compounds may be added to satisfy the quality standards by supplementing the insufficient aromatics. However, the aviation oil of the present invention is produced from C 8-16 heavy oil containing a certain amount or more of aromatic compounds by the above-described method, and therefore does not require mixing with petroleum aviation oil.
구체적으로, 본 발명의 항공유급 연료의 제조방법은 증류하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 예컨대, 본 발명에 따른 촉매를 이용한 경질 올레핀의 올리고머화에 의해 제조된 생성물은 단일 화합물이 아닌 일련의 탄소수를 갖는 탄화수소 화합물의 혼합물일 수 있다. 따라서, 원하는 탄소수의 탄화수소 화합물만을 생산하기 위해서는 상기 수소화하는 단계 이전 또는 이후에 증류하는 단계를 추가로 포함함으로써 원하는 탄소수의 탄화수소 화합물만을 정제하여 회수할 수 있다.Specifically, the method of manufacturing the aviation fuel class of the present invention may further include the step of distilling. For example, the product produced by oligomerization of light olefins with the catalyst according to the invention may be a mixture of hydrocarbon compounds having a series of carbon atoms rather than a single compound. Therefore, in order to produce only a hydrocarbon compound having a desired carbon number, it is possible to further purify and recover only the hydrocarbon compound having a desired carbon number by further distilling before or after the hydrogenation step.
상기 항공유급 연료는 항산화제, 대전방지제(antistatic agents), 부식저해제(corrosion inhibitors), 연료결빙방지제(fuel system icing inhibitor), 살충제(biocides) 또는 금속불활성화제(metal deactivators) 등의 첨가제를 추가로 포함할 수 있다.The aviation fuel may further include additives such as antioxidants, antistatic agents, corrosion inhibitors, fuel system icing inhibitors, biocides or metal deactivators. It may include.
본 발명에 따라 상대적으로 낮은 반응 온도에서 단일 반응기 공정으로 에틸렌으로부터 항공유급 연료를 제공할 수 있는 C10+ 화합물을 효율적으로 생산할 수 있는 촉매의 조합 및/또는 반응 조건을 사용하고, 상단에는 에틸렌 올리고머화 반응용 니켈 함유 고체산 촉매층과 하단에서 탄화수소 이성질체화 반응용 제올라이트 촉매층을 차례로 충진한 반응기에 상부로부터 기체상의 에틸렌을 공급하면서 동일 반응기 공정을 통해 즉, 동일한 반응 조건 하에 차례로 반응시키면, 에틸렌 전환율이 높고 생성물 중 C10+ 화합물 함량이 현저히 증가된 중질유를 액상으로 수득할 수 있다.In accordance with the present invention, a combination of catalysts and / or reaction conditions are employed to efficiently produce C 10+ compounds capable of providing aviation fuel from ethylene in a single reactor process at relatively low reaction temperatures, with the ethylene oligomer at the top When the reaction was sequentially carried out through the same reactor process, i.e. under the same reaction conditions, while supplying gaseous ethylene from the top to the reactor sequentially filled with the nickel-containing solid acid catalyst layer for the polymerization reaction and the zeolite catalyst layer for the hydrocarbon isomerization reaction at the bottom, the ethylene conversion was decreased. Heavy oils with high and significantly increased C 10+ compound content in the product can be obtained in the liquid phase.
도 1은 기존의 에틸렌 올리고머화 반응 공정 및 본 발명에 따른 올레핀의 올리고머화 반응으로 이어지는 에틸렌 올리고머화 반응에 의한 C10+ 화합물 제조를 위한 단일반응기 공정(one-pot process)을 개략적으로 나타낸 도이다.
도 2는 4중량% Ni/Siral-30 촉매를 이용하는 경우, 에틸렌 올리고머화 반응에 따른 에틸렌 전환율 및 탄소수에 따른 생성물의 선택도를 나타낸 도이다. 반응은 1 g의 촉매를 사용하여 10 bar 압력 하에, 0.375/h의 공간속도(WHSV)로, 에틸렌 기체를 5 mL/min의 유속으로 흘려주면서, (1) 200℃, (2) 250℃, (3) 300℃, 및 (4) 350℃에서 수행하였다.
도 3은 H-ZSM-5 촉매를 이용하는 경우, 에틸렌 올리고머화 반응에 따른 에틸렌 전환율 및 탄소수에 따른 생성물의 선택도를 나타낸 도이다. 반응은 1 g의 촉매를 사용하여 10 bar 압력 하에, 0.375/h의 공간속도(WHSV)로, 에틸렌 기체를 5 mL/min의 유속으로 흘려주면서, (1) 250℃, (2) 300℃, 및 (3) 350℃에서 수행하였다.
도 4는 4중량% Ni/Siral-30 촉매층 및 H-ZSM-5 촉매층을 동시에 이용하는 단일반응기 공정의 경우, 에틸렌 올리고머화 및 이어지는 올레핀 올리고머화 반응에서 에틸렌 전환율 및 탄소수에 따른 생성물의 선택도를 나타낸 도이다. 반응은 각각 1 g, 총 2 g의 촉매를 사용하여 10 bar 압력 하에, 에틸렌 기체를 5 mL/min의 유속으로 흘려주면서, (1) 200℃, (2) 250℃, 및 (3) 300℃에서 수행하였다.
도 5는 에틸렌 올리고머화 반응 후 수득한 액상 생성물을 이용한 SIMDIS-GC(simulated distillation gas chromatography) 분석 결과를 나타낸 도이다.
도 6은 4중량% Ni/Siral-30 촉매를 이용하는 경우, 단일반응기 공정에 따른 에틸렌 올리고머화 및 방향족화 반응 후 수득한 액상 생성물에 대한 GC/MS 결과를 나타낸 도이다.
도 7은 H-ZSM-5 촉매를 이용하는 경우, 단일반응기 공정에 따른 에틸렌 올리고머화 및 방향족화 반응 후 수득한 액상 생성물에 대한 GC/MS 결과를 나타낸 도이다.
도 8은 4중량% Ni/Siral-30 촉매층 및 H-ZSM-5 촉매층을 동시에 이용하는 단일반응기 공정의 경우, 에틸렌 올리고머화 및 이어지는 올레핀 올리고머화 반응 후 수득한 액상 생성물에 대한 GC/MS 결과를 나타낸 도이다.1 is a diagram schematically showing a conventional ethylene oligomerization process and a one-pot process for preparing a C 10+ compound by ethylene oligomerization followed by an oligomerization reaction of an olefin according to the present invention. .
Figure 2 is a diagram showing the selectivity of the product according to the ethylene conversion and carbon number according to the ethylene oligomerization reaction when using a 4% by weight Ni / Siral-30 catalyst. The reaction was carried out using 1 g of catalyst at 10 bar pressure at 0.375 / h space velocity (WHSV), flowing ethylene gas at a flow rate of 5 mL / min, (1) 200 ° C., (2) 250 ° C., (3) 300 ° C, and (4) 350 ° C.
3 is a diagram showing the selectivity of the product according to the ethylene conversion and carbon number according to the ethylene oligomerization reaction when using the H-ZSM-5 catalyst. The reaction was carried out using 1 g of catalyst at 10 bar pressure at 0.375 / h space velocity (WHSV), with ethylene gas flowing at a flow rate of 5 mL / min, (1) 250 ° C., (2) 300 ° C., And (3) at 350 ° C.
FIG. 4 shows the selectivity of the product according to ethylene conversion and carbon number in the ethylene oligomerization and subsequent olefin oligomerization reaction for a single reactor process using 4 wt% Ni / Siral-30 catalyst layer and H-ZSM-5 catalyst layer simultaneously It is also. The reaction was carried out at (1) 200 ° C., (2) 250 ° C., and (3) 300 ° C. with ethylene gas flowing at a flow rate of 5 mL / min under 10 bar pressure using 1 g each and a total of 2 g catalyst. Was performed in.
5 is a diagram showing the results of SIMDIS-GC (simulated distillation gas chromatography) analysis using the liquid product obtained after the ethylene oligomerization reaction.
6 is a diagram showing the GC / MS results for the liquid product obtained after the ethylene oligomerization and aromatization reaction according to the single reactor process when using a 4% by weight Ni / Siral-30 catalyst.
FIG. 7 is a diagram showing GC / MS results of the liquid product obtained after ethylene oligomerization and aromatization according to a single reactor process when using H-ZSM-5 catalyst.
FIG. 8 shows GC / MS results for the liquid product obtained after ethylene oligomerization and subsequent olefin oligomerization reaction for a single reactor process using 4 wt% Ni / Siral-30 catalyst layer and H-ZSM-5 catalyst layer simultaneously It is also.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are intended to illustrate the present invention more specifically, but the scope of the present invention is not limited by these examples.
비교예Comparative example 1: One: NiNi /Of SiralSiral 촉매를 이용하는 경우 단일반응기 공정에 의한 에틸렌 Ethylene by Single Reactor Process with Catalyst 올리고머화Oligomerization 반응 reaction
도 1의 (2)에 도시된 바와 같이, 스테인리스 재질의 관모양(길이(L) 300 mm, 외경(OD) 9.6 mm, 내경(ID) 7.5 mm)의 고정상 반응기(fixed bed reactor)에 4중량% Ni/Siral-30 촉매 1 g을 충진하여 단일반응기 공정에 의한 에틸렌 올리고머화 반응을 수행하였다. 반응기의 중앙에는 촉매층을 고정할 수 있도록 체를 구비하였다. 촉매는 분말상태의 것을 펠렛 제조 프레스기로 압축하고 체로 걸려 직경 150 내지 250 μm의 입자를 회수하여 사용하였다. 상기 촉매 반응은 반응물이 중력 방향으로 촉매와 접촉하며 흘러가면서 수행되도록 하였다. 또한, 반응기에는 열전대(thermocouple)를 구비하여 반응기 내부의 온도를 확인할 수 있도록 하여, 반응이 진행되는 동안 설정된 온도로 유지될 수 있도록 하였다.As shown in (2) of FIG. 1, 4 weights in a fixed bed reactor having a tubular shape (length (L) 300 mm, outer diameter (OD) 9.6 mm and inner diameter (ID) 7.5 mm) made of stainless steel 1 g of% Ni / Siral-30 catalyst was charged to carry out an ethylene oligomerization reaction by a single reactor process. In the center of the reactor was provided with a sieve to fix the catalyst bed. The catalyst was compressed into a pellet press and sieved to collect particles having a diameter of 150 to 250 μm. The catalytic reaction was allowed to be carried out while the reactants flowed in contact with the catalyst in the direction of gravity. In addition, the reactor was equipped with a thermocouple (thermocouple) to check the temperature inside the reactor, it was possible to maintain the set temperature during the reaction.
반응에 앞서, 상온 상압 하에서 질소를 55 cc/min 유속으로 흘려주면서 550℃까지 5℃/min의 속도로 승온시키고, 550℃에서 8시간 동안 유지한 후, 계속 질소를 흘려주면서 반응 온도에 도달할 때까지 방치하면서 반응기에 충진된 촉매를 활성화하였다. 반응기의 배출구(outlet) 쪽에 위치한 배압조정기(back pressure regulator)를 이용하여 반응기 내의 압력이 10 bar로 고정되도록 조절하였다. 반응물인 에틸렌은 기체 상태로 불활성 기체인 질소와 함께 공급하였다. 상기 반응기체는 질량 유량 제어기(mass flow controller; MFC)를 이용하여 질소 2 cc/min 및 에틸렌 5 cc/min의 유량으로 반응기에 흐르도록 조절하였다.Prior to the reaction, the nitrogen was heated at a rate of 5 ° C./min up to 550 ° C. while flowing nitrogen at a flow rate of 55 cc / min at room temperature and atmospheric pressure, and maintained at 550 ° C. for 8 hours, followed by continued flow of nitrogen to reach the reaction temperature. The catalyst charged in the reactor was activated while left until it was left. The pressure in the reactor was adjusted to be fixed at 10 bar using a back pressure regulator located at the outlet side of the reactor. The reactant ethylene was fed in a gaseous state with nitrogen as an inert gas. The reactor was controlled to flow through the reactor at a flow rate of 2 cc / min nitrogen and 5 cc / min ethylene using a mass flow controller (MFC).
생성물 중 액상은 반응기 하단의 순환기를 통해 -5℃의 응축기에서 포집하고, 이로부터 시료를 채취하여 FID DHA 컬럼(RTX-5 DHA5% 디페닐 5 m+RTX-100 DHA 100 m)을 구비한 기체크로마토그래피(gas chromatography, YL 6500GC)를 통해 210분 동안 분석하였다. 응축기에 포집되지 않은 미반응물 및 생성물들은 기체 상태로 반응 시작 후 매 2시간 마다 16시간까지 TCD 컬럼(Carboxene 1000, 5 ft) 및 FID 컬럼(alumina bond/NaSO4, 50 m×0.53 mm×10 μm)를 구비한 기체크로마토그래피(gas chromatography, YL 6500GC)로 실시간으로 분석하였다.The liquid phase in the product is collected in a condenser at -5 ° C through a circulator at the bottom of the reactor, and sampled therefrom to provide a gas with a FID DHA column (RTX-5 DHA5% diphenyl 5 m + RTX-100 DHA 100 m). Analysis was carried out for 210 minutes through gas chromatography (YL 6500 GC). Unreacted products and products not collected in the condenser are gaseous and TCD column (
반응 온도를 각각 200, 250, 300 및 350℃로 조절하여 반응을 수행하고, 시간에 따른 에틸렌 전환율 및 생성물인 Cn(n=2, 4 내지 18) 화합물의 함량을 측정하여, 그 결과를 도 2에 나타내었다.The reaction was carried out by adjusting the reaction temperature to 200, 250, 300 and 350 ° C., respectively, and the ethylene conversion over time and the content of the product C n (n = 2, 4 to 18) compound were measured, and the results are shown. 2 is shown.
도 2에 나타난 바와 같이, Ni/Siral-30 촉매를 단독으로 사용하는 에틸렌 올리고머화 반응시, 200℃로부터 350℃까지 50℃ 간격으로 반응온도를 증가시키면서 반응온도에 따른 반응 효율을 확인한 결과, 온도의 증가에 따라 반응 효율이 증가하다가 300℃ 이상으로 반응온도가 높아지는 경우에는 오히려 반응률이 감소하였다. 또한, 에틸렌 전환율은 250℃의 반응온도에서 가장 높았으나, 생성물 중 C10+ 화합물의 비율은 22%에 불과하였다.As shown in FIG. 2, when the ethylene oligomerization reaction using a Ni / Siral-30 catalyst alone was performed, the reaction efficiency was confirmed according to the reaction temperature while increasing the reaction temperature at an interval of 50 ° C. from 200 ° C. to 350 ° C. When the reaction efficiency increased with the increase of, the reaction rate decreased when the reaction temperature increased above 300 ° C. Further, the ethylene conversion rate was highest at a reaction temperature of 250 ℃, the ratio of C 10+ compounds of the product was only 22%.
비교예Comparative example 2: H- 2: H- ZSMZSM -5 촉매를 이용하는 경우 단일반응기 공정에 의한 에틸렌 올리고머화 반응Ethylene Oligomerization Reaction by Single Reactor Process When Using -5 Catalyst
Ni/Siral-30 촉매 대신에 H-ZSM-5 촉매(Si/Al2=23)를 사용하는 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 에틸렌 올리고머화 반응을 수행하였다.Ethylene oligomerization was carried out in the same manner as in Comparative Example 1 except for using H-ZSM-5 catalyst (Si / Al 2 = 23) instead of Ni / Siral-30 catalyst.
반응 온도를 각각 250, 300 및 350℃로 조절하여 반응을 수행하고, 시간에 따른 에틸렌 전환율 및 생성물인 Cn(n=2, 4 내지 18) 화합물의 함량을 측정하여, 그 결과를 도 3에 나타내었다.The reaction was carried out by adjusting the reaction temperature to 250, 300 and 350 ° C., respectively, and the ethylene conversion over time and the content of the product C n (n = 2, 4 to 18) compound were measured, and the result is shown in FIG. 3. Indicated.
도 3에 나타난 바와 같이, H-ZSM-5 촉매를 단독으로 사용하는 에틸렌 올리고머화 반응시에는 300℃ 이상의 높은 반응온도에서만 액상 생성물이 생성되었으며, 250℃에서는 액상 생성물이 전혀 생성되지 않았으며, 에틸렌의 C4+ 화합물로의 전환도 나타나지 않았다.As shown in FIG. 3, in the ethylene oligomerization reaction using H-ZSM-5 catalyst alone, a liquid product was produced only at a high reaction temperature of 300 ° C. or higher, and at 250 ° C., no liquid product was produced. There was also no conversion to C 4+ compound.
실시예Example 1: One: NiNi /Of SiralSiral 촉매 및 H- Catalyst and H- ZSMZSM -5 촉매를 이용하는 경우 단일반응기 공정에 의한 에틸렌 Ethylene by Single Reactor Process with -5 Catalyst 올리고머화Oligomerization 반응 reaction
1 g Ni/Siral-30 촉매를 사용하는 대신에 1 g Ni/Siral-30 촉매 및 1 g H-ZSM-5 촉매를 연속으로 충진하여 사용하는 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 에틸렌 올리고머화 반응을 수행하였다.Ethylene was prepared in the same manner as in Comparative Example 1, except that 1 g Ni / Siral-30 catalyst and 1 g H-ZSM-5 catalyst were continuously charged instead of 1 g Ni / Siral-30 catalyst. The oligomerization reaction was carried out.
반응 온도를 각각 200, 250 및 300℃로 조절하여 반응을 수행하고, 시간에 따른 에틸렌 전환율 및 생성물인 Cn(n=2, 4 내지 18) 화합물의 함량을 측정하여, 그 결과를 도 4에 나타내었다.The reaction was carried out by adjusting the reaction temperature to 200, 250 and 300 ° C., respectively, and the ethylene conversion over time and the content of the product C n (n = 2, 4 to 18) compound were measured, and the result is shown in FIG. 4. Indicated.
도 4에 나타난 바와 같이, 200℃에서 반응시 에틸렌의 전환율은 최대 55% 수준에 불과하였으나, 250℃로 반응온도가 증가함에 따라 에틸렌 전환율은 95% 이상까지 현저히 향상되었으며, 생성물 중 C10+ 화합물의 비율 또한 35% 이상으로 개선되었다.4, the conversion rate of ethylene in the reaction at 200 ℃ is of but only a maximum of 55%, as the reaction temperature increased to 250 ℃ ethylene conversion was significantly increased to more than 95%, the product C 10+ compounds The proportion of was also improved to more than 35%.
실험예Experimental Example 1: 액상 생성물의 분석 1: Analysis of Liquid Products
상기 비교예 1 및 2, 및 실시예 1로부터 채취한 액상 생성물을 SIMDIS-GC(simulated distillation GC, Agilent 사)를 이용하여 ASTM D7500 분석법을 기준으로 분석하고, 이중 항공유로 사용 가능한 C10-24의 함량을 측정하여, 그 결과를 도 5에 나타내었다.The liquid products obtained from Comparative Examples 1 and 2, and Example 1 were analyzed based on ASTM D7500 method using SIMDIS-GC (simulated distillation GC, Agilent), and the C 10-24 of the dual aviation oil can be used. The content was measured and the results are shown in FIG. 5.
도 5에 나타난 바와 같이, H-ZSM-5 촉매만을 사용한 경우에는 반응온도가 300℃ 이상이 되어야만 액상 생성물이 형성되어 분석 가능하였다. 이는 에틸렌 올리고머화 반응의 개시제로서의 역할을 하는 니켈의 부재로 인한 것으로, 300℃ 미만의 낮은 온도에서는 브뢴스테드산인 H-ZSM-5 촉매만으로는 에틸렌 올리고머화 반응에 우수한 활성을 나타내지 못함을 시사하는 것이다.As shown in FIG. 5, when only the H-ZSM-5 catalyst was used, the liquid product was formed and analyzed only when the reaction temperature was 300 ° C. or higher. This is due to the absence of nickel, which serves as an initiator of the ethylene oligomerization reaction, suggesting that at low temperatures below 300 ° C., the H-ZSM-5 catalyst, Bronsted acid alone, does not show good activity in the ethylene oligomerization reaction. .
또한, 채취한 액상 생성물을 모세관 컬럼(capillary column, Rtx-100-DHA)을 구비한 GC(Younglin 6500 GC)의 FID로 분석하여 이중 C10+ 화합물의 비율을 산출하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.In addition, the collected liquid product was analyzed by FID of GC (Younglin 6500 GC) equipped with a capillary column (Rtx-100-DHA) to calculate the proportion of the double C 10+ compound, and the results are shown in Table 1 below. Shown in
+H-ZSM-5Ni / Siral
+ H-ZSM-5
나아가, 채취한 액상 생성물을 SIMDIS-GC를 이용하여 ASTM D7500 분석법을 기준으로 분석하여 C8+ 화합물을 C8-9, C10-19 및 C20+ 화합물로 세분하여 그 함량을 산출하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.Furthermore, the collected liquid product is analyzed based on ASTM D7500 method using SIMDIS-GC to subdivide C 8+ compounds into C 8-9 , C 10-19 and C 20+ compounds to calculate the content thereof. The results are shown in Table 2 below.
% Product distribution
+H-ZSM-5Ni / Siral
+ H-ZSM-5
마지막으로, 채취한 액상 생성물을 GC/MS(Agilent 6890N GC/5973N Mass selective detector)로 분석하여 탄화수소 화합물(hydrocarbon compounds) 중의 방향족 및 환형 화합물의 비율을 측정하고, 그 결과를 도 6 내지 8과 하기 표 3에 나타내었다.Finally, the collected liquid product is analyzed by Agilent 6890N GC / 5973N Mass selective detector (GC / MS) to measure the ratio of aromatic and cyclic compounds in hydrocarbon compounds, and the results are shown in FIGS. Table 3 shows.
Claims (11)
에틸렌 함유 기체로부터 90% 이상의 에틸렌 전환율로, 탄소수 8 이상(C8+)의 화합물에 대해 탄소수 10 이상(C10+)의 화합물을 80중량% 이상, 탄소수 20 이상(C20+)의 화합물을 25중량% 이상 40중량% 이하 함유하는 생성물을 제조하는 방법에 있어서,
상기 반응기는
상부에 반응물 주입부가, 하부에 배출구가 형성되어 있고,
선택된 반응온도 T0에서 기체상의 에틸렌 함유 반응물로부터 C10+ 화합물을 25중량% 미만으로 함유하는 생성물을 형성하는 두께로 충진된 제1촉매층을 상부에;
선택된 반응온도 T0에서 제1촉매층에서 형성된 생성물의 추가적인 올리고머화, 이성질체화 및 방향족화에 의해 C10+ 화합물을 31중량% 초과로 함유하며, 환형 화합물을 20중량% 이상으로 함유하는 액상 생성물을 생성하는 두께로 충진된 제2촉매층을 제1촉매층의 하부에 구비한 것으로,
에틸렌 함유 기체 반응물은 반응기 상부의 반응물 주입부로부터 소정의 압력으로 주입되어 제1촉매층 및 제2촉매층을 순차적으로 통과하면서 이에 함유된 촉매와 반응하여 기체 및 액체가 혼재된 생성물로 전환되어 하부의 배출구를 통해 배출되고,
상기 제1촉매층 내의 제1촉매는 제1촉매 총 중량에 대해 니켈을 1 내지 10중량% 함유하는 Ni/Siral-30 촉매이고,
상기 제2촉매층 내의 제2촉매는 실리카 및 알루미나를 3:1 내지 100:1의 몰비로 함유하는 H-ZSM-5 촉매인,
C8-16 중질유의 제조방법.
In a reactor in which ethylene oligomerization reactions and further oligomerization, isomerization and aromatization reactions of ethylene oligomers are carried out continuously at a temperature (T 0 ) selected in the range above 200 ° C. and below 300 ° C.,
80% or more by weight of a compound having 10 or more carbon atoms (C 10+ ) and a compound having 20 or more carbon atoms (C 20+ ) based on a compound having 8 or more (C 8+ ) carbon atoms. In the method of manufacturing the product containing 25 weight% or more and 40 weight% or less,
The reactor is
The reactant inlet is formed at the top, the outlet is formed at the bottom,
At the top with a first catalyst layer filled to a thickness to form a product containing less than 25% by weight of a C 10+ compound from a gaseous ethylene containing reactant at a selected reaction temperature T 0 ;
By further oligomerization, isomerization and aromatization of the product formed in the first catalyst layer at a selected reaction temperature T 0 , a liquid product containing more than 31% by weight of C 10+ compound and 20% or more by weight of cyclic compound is obtained. In the lower portion of the first catalyst layer having a second catalyst layer filled with the thickness to be produced,
The ethylene-containing gas reactant is injected at a predetermined pressure from the reactant inlet at the top of the reactor to sequentially pass through the first catalyst layer and the second catalyst layer, react with the catalyst contained therein, and convert the product into a mixture of gas and liquid, thereby discharging the lower outlet. Is discharged through
The first catalyst in the first catalyst layer is a Ni / Siral-30 catalyst containing 1 to 10% by weight of nickel with respect to the total weight of the first catalyst,
The second catalyst in the second catalyst layer is an H-ZSM-5 catalyst containing silica and alumina in a molar ratio of 3: 1 to 100: 1,
C 8-16 Process for preparing heavy oil.
선택된 반응온도 T0에서, 제2촉매는 에틸렌의 올리고머화 반응을 수행하지 못하는 것이 특징인, C8-16 중질유의 제조방법.
The method of claim 1,
In the selected reaction temperature T 0, the second catalyst is characterized not perform oligomerization reaction of ethylene, method for producing a C 8-16 heavy oil.
제1촉매는 선택된 반응온도 T0에서 에틸렌 올리고머화 반응의 개시제로서의 역할을 하는 니켈을 함유하는 것이 특징인, C8-16 중질유의 제조방법.
The method of claim 1,
The first catalyst is characterized by a method of producing a C 8-16 heavy oil containing nickel that functions as an initiator of the ethylene oligomerization reaction at the selected reaction temperature T 0.
상기 액상 생성물은 총 액상 생성물 중 불포화 또는 포화 고리형 화합물을 20 내지 70중량% 함유하는 것인, C8-16 중질유의 제조방법.
The method of claim 1,
The method of producing a C 8-16 wherein the heavy oil liquid product is to contain a saturated or unsaturated cyclic compounds from 20 to 70% by weight of the total liquid product.
반응에 앞서 비활성 기체를 흘려주면서 500 내지 600℃까지 가열하여 촉매를 활성화하는 전처리 공정을 추가로 포함하는 것인, C8-16 중질유의 제조방법.
The method of claim 1,
The method of preparing a C 8-16 heavy oil further comprising a pretreatment step of activating the catalyst by heating to 500 to 600 ℃ while flowing an inert gas prior to the reaction.
에틸렌 함유 기체로부터 90% 이상의 에틸렌 전환율로, C8+ 화합물에 대해 C10+ 화합물을 80중량% 이상, C20+ 화합물을 25중량% 이상 40중량% 이하 함유하는 생성물을 제조하는 단계;
전 단계로부터의 생성물을 냉각하고 기체를 제거하여 C8-16 중질유를 제조하는 단계; 및
전 단계로부터 수득한 C8-16 중질유에 대해 수소화 공정, 증류 공정 또는 둘 모두를 수행하여 항공유급 연료로 전환하는 단계를 포함하되,
상기 제1단계를 수행하는 반응기는
상부에 반응물 주입부가, 하부에 배출구가 형성되어 있고,
선택된 반응온도 T0에서 기체상의 에틸렌 함유 반응물로부터 C10+ 화합물을 25중량% 미만으로 함유하는 생성물을 형성하는 두께로 충진된 제1촉매층을 상부에;
선택된 반응온도 T0에서 제1촉매층에서 형성된 생성물의 추가적인 올리고머화, 이성질체화 및 방향족화에 의해 C10+ 화합물을 31중량% 초과로 함유하며, 환형 화합물을 20중량% 이상으로 함유하는 액상 생성물을 생성하는 두께로 충진된 제2촉매층을 제1촉매층의 하부에 구비한 것으로,
에틸렌 함유 기체 반응물은 반응기 상부의 반응물 주입부로부터 소정의 압력으로 주입되어 제1촉매층 및 제2촉매층을 순차적으로 통과하면서 이에 함유된 촉매와 반응하여 기체 및 액체가 혼재된 생성물로 전환되어 하부의 배출구를 통해 배출되고,
상기 제1촉매층 내의 제1촉매는 제1촉매 총 중량에 대해 니켈을 1 내지 10중량% 함유하는 Ni/Siral-30 촉매이고,
상기 제2촉매층 내의 제2촉매는 실리카 및 알루미나를 3:1 내지 100:1의 몰비로 함유하는 H-ZSM-5 촉매인,
항공유급 연료의 제조방법.
In a reactor in which ethylene oligomerization reactions and further oligomerization, isomerization and aromatization reactions of ethylene oligomers are carried out continuously at a temperature (T 0 ) selected in the range above 200 ° C. and below 300 ° C.,
From an ethylene-containing gas of at least 90% ethylene conversion, the method comprising producing a product containing C 10+ compounds 80 weight% or more, the C 20+ compounds up to 40% by weight at least 25% by weight of the C 8+ compound;
Cooling the product from the previous step and removing the gas to produce C 8-16 heavy oil; And
Converting the C 8-16 heavy oil obtained from the previous step to a aviation fuel by performing a hydrogenation process, a distillation process, or both,
The reactor for performing the first step is
The reactant inlet is formed at the top, the outlet is formed at the bottom,
At the top with a first catalyst layer filled to a thickness to form a product containing less than 25 weight percent C 10+ compound from a gaseous ethylene containing reactant at a selected reaction temperature T 0 ;
By further oligomerization, isomerization and aromatization of the product formed in the first catalyst layer at a selected reaction temperature T 0 , a liquid product containing more than 31% by weight of C 10+ compound and 20% or more by weight of cyclic compound is obtained. In the lower portion of the first catalyst layer having a second catalyst layer filled with the thickness to be produced,
The ethylene-containing gas reactant is injected at a predetermined pressure from the reactant inlet at the top of the reactor to sequentially pass through the first catalyst layer and the second catalyst layer, react with the catalyst contained therein, and convert the product into a mixture of gas and liquid, thereby discharging the lower outlet. Is discharged through
The first catalyst in the first catalyst layer is a Ni / Siral-30 catalyst containing 1 to 10% by weight of nickel with respect to the total weight of the first catalyst,
The second catalyst in the second catalyst layer is an H-ZSM-5 catalyst containing silica and alumina in a molar ratio of 3: 1 to 100: 1,
Method of producing aviation fuel.
선택된 반응온도 T0에서, 제2촉매는 에틸렌의 올리고머화 반응을 수행하지 못하는 것이 특징인, 항공유급 연료의 제조방법.
The method of claim 9,
At a selected reaction temperature T 0 , the second catalyst is characterized in that it does not perform the oligomerization reaction of ethylene.
제1촉매는 선택된 반응온도 T0에서 에틸렌 올리고머화 반응의 개시제로서의 역할을 하는 니켈을 함유하는 것이 특징인, 항공유급 연료의 제조방법.
The method of claim 9,
The first catalyst is characterized in that it contains nickel, which serves as an initiator of the ethylene oligomerization reaction at a selected reaction temperature T 0 .
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---|---|---|---|---|
KR20110018389A (en) * | 2008-07-23 | 2011-02-23 | 미쓰이 가가쿠 가부시키가이샤 | Catalyst for ethylene oligomerization and use there of |
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-
2018
- 2018-07-26 KR KR1020180087247A patent/KR102073116B1/en active IP Right Grant
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