KR102220202B1 - Dehydroaromatization catalyst and method of manufacturing btx using the same - Google Patents

Dehydroaromatization catalyst and method of manufacturing btx using the same Download PDF

Info

Publication number
KR102220202B1
KR102220202B1 KR1020180131973A KR20180131973A KR102220202B1 KR 102220202 B1 KR102220202 B1 KR 102220202B1 KR 1020180131973 A KR1020180131973 A KR 1020180131973A KR 20180131973 A KR20180131973 A KR 20180131973A KR 102220202 B1 KR102220202 B1 KR 102220202B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
acid
catalyst
methane
molar ratio
btx
Prior art date
Application number
KR1020180131973A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20200049102A (en
Inventor
김도희
임태환
김민영
임용현
이관영
Original Assignee
서울대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서울대학교산학협력단 filed Critical 서울대학교산학협력단
Priority to KR1020180131973A priority Critical patent/KR102220202B1/en
Publication of KR20200049102A publication Critical patent/KR20200049102A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102220202B1 publication Critical patent/KR102220202B1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/08Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of gallium, indium or thallium
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/02Impregnation, coating or precipitation
    • B01J37/0201Impregnation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C15/00Cyclic hydrocarbons containing only six-membered aromatic rings as cyclic parts
    • C07C15/02Monocyclic hydrocarbons
    • C07C15/04Benzene
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C15/00Cyclic hydrocarbons containing only six-membered aromatic rings as cyclic parts
    • C07C15/02Monocyclic hydrocarbons
    • C07C15/06Toluene
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C15/00Cyclic hydrocarbons containing only six-membered aromatic rings as cyclic parts
    • C07C15/02Monocyclic hydrocarbons
    • C07C15/067C8H10 hydrocarbons
    • C07C15/08Xylenes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C2/00Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing a smaller number of carbon atoms
    • C07C2/76Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing a smaller number of carbon atoms by condensation of hydrocarbons with partial elimination of hydrogen
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C2523/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group C07C2521/00
    • C07C2523/08Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group C07C2521/00 of gallium, indium or thallium
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/50Improvements relating to the production of bulk chemicals
    • Y02P20/52Improvements relating to the production of bulk chemicals using catalysts, e.g. selective catalysts

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

담지 촉매 및 이를 이용한 BTX 제조 방법이 제공된다. 상기 담지 촉매는, 실리콘 및 알루미늄을 포함하는 담지체 및 상기 담지체에 담지된 금속 산화물 촉매를 포함한다. 상기 BTX 제조 방법은, 상기 담지 촉매를 포함하는 촉매층에 반응물 가스를 공급하여 탈수소방향족화 반응을 수행하는 단계를 포함한다.A supported catalyst and a method for producing BTX using the same are provided. The supported catalyst includes a support including silicon and aluminum, and a metal oxide catalyst supported on the support. The BTX manufacturing method includes performing a dehydrogenation aromatication reaction by supplying a reactant gas to a catalyst layer including the supported catalyst.

Description

탈수소방향족화 촉매 및 이를 이용한 BTX 제조 방법{DEHYDROAROMATIZATION CATALYST AND METHOD OF MANUFACTURING BTX USING THE SAME}A dehydrogenation aromatication catalyst and a method of manufacturing BTX using the same {DEHYDROAROMATIZATION CATALYST AND METHOD OF MANUFACTURING BTX USING THE SAME}

본 발명은 담지 촉매 및 이를 이용한 BTX 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a supported catalyst and a method for producing BTX using the same.

메탄, 프로판 및 메탄올은 탄소 한 개 및 세 개로 구성된 기본적인 알칸으로서, 메탄의 경우 매장량이 많고 산업적으로 효용가치가 막대함에도 불구하고 낮은 반응성으로 인해 현재 대부분 에너지원으로만 사용되고 있다. 최근 고유가가 지속되고 원유 가격이 지속적으로 상승하면서 가격경쟁력이 있는 메탄을 이용하여 고부가가치 화합물을 제조하기 위한 연구개발이 진행되고 있다. 그 중 대표적인 예로 BTX(벤젠, 톨루엔 및 자일렌)는 메탄을 이용하여 생산할 수 있는 고부가가치 화합물 중 하나로서, 합성수지 및 고무 등의 화학제품의 원료로 이용된다. 종래의 BTX 제조 공정은 대부분 납사 개질 기반 공정으로 원유가격이 상승하면서 경제성이 떨어진다.Methane, propane, and methanol are basic alkanes composed of one and three carbons, and methane is currently mostly used only as an energy source due to its low reactivity despite its large reserves and industrial utility value. Recently, as high oil prices continue and crude oil prices continue to rise, research and development to manufacture high value-added compounds using methane, which has price competitiveness, are in progress. As a representative example, BTX (benzene, toluene, and xylene) is one of high value-added compounds that can be produced using methane, and is used as a raw material for chemical products such as synthetic resins and rubber. Conventional BTX manufacturing processes are mostly naphtha reforming-based processes, and as crude oil prices rise, economic feasibility is poor.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 탈수소방향족화 반응을 효과적으로 수행할 수 있는 담지 촉매를 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a supported catalyst capable of effectively performing a dehydrogenation aromatication reaction.

본 발명은 상기 담지 촉매를 이용한 BTX 제조 방법을 제공한다.The present invention provides a method for producing BTX using the supported catalyst.

본 발명의 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 첨부한 도면으로부터 명확해 질 것이다.Other objects of the present invention will become apparent from the following detailed description and accompanying drawings.

본 발명의 실시예들에 따른 담지 촉매는, 실리콘 및 알루미늄을 포함하는 담지체 및 상기 담지체에 담지된 금속 산화물 촉매를 포함한다.A supported catalyst according to embodiments of the present invention includes a support including silicon and aluminum, and a metal oxide catalyst supported on the support.

상기 금속 산화물 촉매는 갈륨 옥사이드를 포함할 수 있다.The metal oxide catalyst may include gallium oxide.

상기 담지체는 중형기공을 가질 수 있다.The carrier may have mesopores.

상기 담지체에서, 실리콘 대 알루미늄의 몰비율(Si/Al)은 5 ~ 40일 수 있다. 바람직하게는 상기 담지체에서, 실리콘 대 알루미늄의 몰비율(Si/Al)은 10 ~ 30일 수 있다.In the carrier, the molar ratio of silicon to aluminum (Si/Al) may be 5 to 40. Preferably, in the carrier, the molar ratio of silicon to aluminum (Si/Al) may be 10 to 30.

상기 담지체는 HZSM-5 타입일 수 있다.The carrier may be of the HZSM-5 type.

본 발명의 실시예들에 따른 BTX 제조 방법은, 상기 담지 촉매를 포함하는 촉매층에 반응물 가스를 공급하여 탈수소방향족화 반응을 수행하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing BTX according to embodiments of the present invention includes performing a dehydrogenation aromatication reaction by supplying a reactant gas to a catalyst layer including the supported catalyst.

상기 반응물 가스는 메탄, 프로판, 및 메탄올 중에서 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 상기 반응물 가스는 메탄, 프로판, 및 메탄올을 포함할 수 있다. 상기 반응물 가스는 질소를 더 포함할 수 있다.The reactant gas may include one or two or more of methane, propane, and methanol. The reactant gas may include methane, propane, and methanol. The reactant gas may further include nitrogen.

본 발명의 실시예들에 따르면, BTX(벤젠, 톨루엔 및 자일렌)를 메탄, 프로판 및/또는 메탄올로부터 제조할 수 있다. 기존 공정인 납사 크래킹을 통한 개질 공정과는 다른 공정으로서, 원유 의존성에서 탈피하고 가격경쟁력이 있는 메탄을 주 반응물로 하여 BTX를 직접 생산하기 때문에 경제적이다. 본 발명의 실시예들에 따른 담지 촉매는 촉매의 구조적 특성 및 산 특성이 향상되어 높은 BTX 수율 및 반응안정성을 가질 수 있다.According to embodiments of the present invention, BTX (benzene, toluene and xylene) can be prepared from methane, propane and/or methanol. It is a different process from the reforming process through naphtha cracking, which is the existing process, and is economical because BTX is directly produced using methane, which is price-competitive, and escapes from dependence on crude oil. The supported catalyst according to the embodiments of the present invention may have a high BTX yield and reaction stability by improving structural characteristics and acid characteristics of the catalyst.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 담지 촉매의 X선 회절 분석 결과를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 담지 촉매의 질소 흡탈착 실험 결과를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 담지 촉매의 승온 암모니아 흡탈착 실험 곡선을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 GaOy/meso-20HZSM-5 담지 촉매를 사용할 때 반응물의 전환율을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 GaOy/meso-20HZSM-5 담지 촉매를 사용할 때 생성물의 수율을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 담지 촉매의 Si/Al의 몰비율에 따른 반응물의 전환율과 생성물의 수율을 나타낸다.
1 shows the results of X-ray diffraction analysis of a supported catalyst according to embodiments of the present invention.
2 shows the results of nitrogen adsorption and desorption experiments of the supported catalyst according to embodiments of the present invention.
3 shows an experiment curve of an elevated temperature ammonia adsorption and desorption of a supported catalyst according to embodiments of the present invention.
Figure 4 shows the conversion rate of reactants when using the supported catalyst GaOy / meso-20HZSM-5 according to an embodiment of the present invention.
5 shows the yield of the product when using the GaOy/meso-20HZSM-5 supported catalyst according to an embodiment of the present invention.
6 shows the conversion rate of the reactant and the yield of the product according to the molar ratio of Si/Al of the supported catalyst according to embodiments of the present invention.

이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예들을 통해 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서, 이하의 실시예들에 의하여 본 발명이 제한되어서는 안 된다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples. Objects, features, and advantages of the present invention will be easily understood through the following embodiments. The present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. The embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content may be thorough and complete, and the spirit of the present invention may be sufficiently transmitted to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. Therefore, the present invention should not be limited by the following examples.

본 발명의 실시예들에 따른 담지 촉매는, 실리콘 및 알루미늄을 포함하는 담지체 및 상기 담지체에 담지된 금속 산화물 촉매를 포함한다.A supported catalyst according to embodiments of the present invention includes a support including silicon and aluminum and a metal oxide catalyst supported on the support.

상기 금속 산화물 촉매는 갈륨 옥사이드를 포함할 수 있다.The metal oxide catalyst may include gallium oxide.

상기 담지체는 중형기공을 가질 수 있다.The carrier may have mesopores.

상기 담지체에서, 실리콘 대 알루미늄의 몰비율(Si/Al)은 5 ~ 40일 수 있다. 바람직하게는 상기 담지체에서, 실리콘 대 알루미늄의 몰비율(Si/Al)은 10 ~ 30일 수 있다.In the carrier, the molar ratio of silicon to aluminum (Si/Al) may be 5 to 40. Preferably, in the carrier, the molar ratio of silicon to aluminum (Si/Al) may be 10 to 30.

상기 담지체는 HZSM-5 타입일 수 있다.The carrier may be of the HZSM-5 type.

본 발명의 실시예들에 따른 BTX 제조 방법은, 상기 담지 촉매를 포함하는 촉매층에 반응물 가스를 공급하여 탈수소방향족화 반응을 수행하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing BTX according to embodiments of the present invention includes performing a dehydrogenation aromatication reaction by supplying a reactant gas to a catalyst layer including the supported catalyst.

상기 반응물 가스는 메탄, 프로판, 및 메탄올 중에서 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 상기 반응물 가스는 메탄, 프로판, 및 메탄올을 포함할 수 있다. 상기 메탄올을 포함하는 것에 의해 자일렌의 수율이 증가할 수 있다. 상기 반응물 가스는 질소를 더 포함할 수 있다.The reactant gas may include one or two or more of methane, propane, and methanol. The reactant gas may include methane, propane, and methanol. By including the methanol, the yield of xylene may increase. The reactant gas may further include nitrogen.

담지체의Carrier 제조예Manufacturing example

소듐 하이드록사이드 1.30g, 테트라프로필암모늄 브로마이드 1.36g, 테트라에틸 오르소실리케이트 38.2ml 및 소듐 알루미네이트(Si/Al의 몰비율이 20, 30, 40에 해당하는 함량)를 증류수 108ml에 녹여 전구체 용액을 만들었다. 상기 전구체 용액을 40℃에서 3시간 동안 교반한 다음, 탄소 주형물질인 BP-2000(Cabot Corp.)을 1중량%가 되도록 상기 전구체 용액에 첨가하고 40℃에서 3시간 동안 교반하였다. 상기 혼합물을 회분식 반응기에 주입하여, 160℃의 온도에서 72시간 동안 교반하며 수열합성 공정을 수행하였다. 상기 수열합성 공정에 의해 NaZSM-5가 결정화되어 형성되었다. A precursor solution by dissolving 1.30 g of sodium hydroxide, 1.36 g of tetrapropylammonium bromide, 38.2 ml of tetraethyl orthosilicate, and sodium aluminate (a content corresponding to a Si/Al molar ratio of 20, 30, 40) in 108 ml of distilled water Made. The precursor solution was stirred at 40° C. for 3 hours, and then BP-2000 (Cabot Corp.), a carbon template material, was added to the precursor solution so as to be 1% by weight, and stirred at 40° C. for 3 hours. The mixture was injected into a batch reactor and stirred at 160° C. for 72 hours to perform a hydrothermal synthesis process. NaZSM-5 was crystallized and formed by the hydrothermal synthesis process.

증류수 1000ml를 이용한 세척 과정 및 110℃에서 8시간 동안 건조 과정을 수행하고, 공기 분위기 하에서 분당 5℃로 승온하여 550℃의 온도에서 10시간 동안 소성 공정을 수행하여 탄소 주형물질을 연소시켰다. 암모늄 나이트레이트 8.01g을 증류수 100ml에 녹여 이온 교환 용액을 만들고, 상기 소성된 결과물을 주입하여 120℃의 온도에서 6시간 동안 이온 교환을 한 후 증류수 1000ml를 이용한 세척 과정 및 110℃에서 8시간 동안 건조 과정을 거쳐 NH4ZSM-5를 제조하였다. 상기 이온 교환의 과정은 총 3회 수행되었다. A washing process using 1000 ml of distilled water and a drying process at 110° C. for 8 hours were performed, and the temperature was raised to 5° C. per minute in an air atmosphere, and a sintering process was performed at a temperature of 550° C. for 10 hours to burn the carbon template material. Dissolve 8.01 g of ammonium nitrate in 100 ml of distilled water to make an ion exchange solution, and after injecting the calcined resultant to ion exchange for 6 hours at a temperature of 120° C., washing process using 1000 ml of distilled water and drying at 110° C. for 8 hours Through the process, NH4ZSM-5 was prepared. The ion exchange process was performed a total of three times.

NH4ZSM-5를 분당 5℃로 승온한 후 550℃에서 5시간 동안 유지하는 소성 과정을 거쳐 최종적으로 중형기공성 HZSM-5 담지체를 제조하였다. 본 명세서에서 상기 중형기공성 HZSM-5 담지체를 meso-XHZSM-5(X = Si/Al의 몰비율)라 기재하였다. 예를 들어, 상기 담지체의 Si/Al의 몰비율이 20인 경우 상기 담지체는 meso-20HZSM-5라고 표현된다.NH4ZSM-5 was heated to 5°C per minute and then subjected to a firing process held at 550°C for 5 hours to finally prepare a mesoporous HZSM-5 carrier. In the present specification, the meso-porous HZSM-5 carrier was described as meso-XHZSM-5 (X = molar ratio of Si/Al). For example, when the molar ratio of Si/Al of the carrier is 20, the carrier is expressed as meso-20HZSM-5.

중형기공성 HZSM-5 담지체는 높은 BTX 선택도를 얻을 수 있는 형상선택성뿐만 아니라, 중형기공의 형성으로 인해 물질 전달 측면에서 유리하여 반응 활성을 향상시킬 수 있다. 또한, 중형기공성 HZSM-5 담지체의 구조를 이루고 있는 Si/Al 몰비율을 조절하게 되면, 촉매의 구조적 특성이 변화하고, 브뢴스테드-로우리 산 (B산)과 루이스 산 (L산)등의 촉매의 산 특성 또한 변화하게 된다. 이를 통해 가장 최적화된 구조 및 산 특성을 지닌 촉매를 구현하여 반응 효율을 높일 수 있다.The mesoporous HZSM-5 carrier is advantageous in terms of mass transfer due to the formation of mesopores, as well as shape selectivity that can obtain high BTX selectivity, and can improve reaction activity. In addition, when the Si/Al molar ratio constituting the structure of the mesoporous HZSM-5 carrier is adjusted, the structural properties of the catalyst change, and Bronsted-Lowry acid (B acid) and Lewis acid (L acid) The acid properties of such catalysts also change. Through this, a catalyst having the most optimized structure and acid characteristics can be implemented, thereby increasing reaction efficiency.

담지 촉매의 Supported catalyst 제조예Manufacturing example

meso-XHZSM-5(X=Si/Al의 몰비율, 20, 30, 40)에 각각 갈륨 옥사이드(2중량%)가 담지된 촉매는 습윤함침법을 이용하여 제조하였다. 갈륨 나이트레이트 전구체 0.079g를 증류수 10ml에 첨가하여 갈륨 옥사이드 전구체 용액을 제조하고, 상기 meso-XHZSM-5(X=Si/Al의 몰비율, 20, 30, 40) 담지체 1g 씩 상기 갈륨 옥사이드 전구체 용액에 첨가한 후 85℃에서 분당 300 회전수로 수분이 완전히 증발할 때까지 교반하여 제조하였다. 100℃에서 8시간 동안 건조 과정을 거친 후 분당 5℃의 승온 속도로 500℃까지 승온하고 4시간 동안 유지하여 소성하여 담지 촉매를 제조하였다. 본 명세서에서 상기 갈륨 옥사이드가 담지된 상기 담지 촉매를 GaOy/meso-XHZSM-5(X=Si/Al의 몰비율, 20, 30, 40)라 기재하였다. 예를 들어, 상기 담지체의 Si/Al의 몰비율이 20인 경우 상기 담지 촉매는 CaOy/meso-20HZSM-5라고 표현된다.A catalyst in which gallium oxide (2% by weight) was supported on meso-XHZSM-5 (X=Si/Al molar ratio, 20, 30, 40), respectively, was prepared using a wet impregnation method. A gallium oxide precursor solution was prepared by adding 0.079 g of a gallium nitrate precursor to 10 ml of distilled water, and the gallium oxide precursor by 1 g of the meso-XHZSM-5 (X=Si/Al molar ratio, 20, 30, 40) carrier After adding to the solution, the mixture was stirred at 85° C. at 300 rotations per minute until the moisture was completely evaporated. After drying at 100° C. for 8 hours, the temperature was raised to 500° C. at a rate of 5° C. per minute, maintained for 4 hours, and fired to prepare a supported catalyst. In the present specification, the supported catalyst on which the gallium oxide is supported was described as GaOy/meso-XHZSM-5 (X=Si/Al molar ratio, 20, 30, 40). For example, when the molar ratio of Si/Al of the support is 20, the supported catalyst is expressed as CaOy/meso-20HZSM-5.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 담지 촉매의 X선 회절 분석 결과를 나타낸다.1 shows the results of X-ray diffraction analysis of a supported catalyst according to embodiments of the present invention.

도 1을 참조하면, 상기 담지 촉매 GaOy/meso-20HZSM-5, GaOy/meso-30HZSM-5, 및 GaOy/meso-40HZSM-5은 모두 HZSM-5 결정상의 특성 피크를 보였으며, 이는 제조된 모든 담지 촉매가 HZSM-5 결정을 잘 형성하고 있다는 것을 나타낸다. 또, Si/Al의 몰비율이 증가할수록 상대 감도는 증가하며, 결정성이 증가하는 것으로 분석되었다. 갈륨 옥사이드의 피크는 나타나지 않았으며, 이는 모든 담지 촉매에서 갈륨 옥사이드가 meso-XHZSM-5 담지체에 고분산 되어 있다는 것을 나타낸다.Referring to FIG. 1, the supported catalysts GaOy/meso-20HZSM-5, GaOy/meso-30HZSM-5, and GaOy/meso-40HZSM-5 all showed characteristic peaks of the HZSM-5 crystal phase, which are all prepared It indicates that the supported catalyst is well forming HZSM-5 crystals. In addition, it was analyzed that as the molar ratio of Si/Al increased, the relative sensitivity increased and the crystallinity increased. The peak of gallium oxide did not appear, indicating that gallium oxide was highly dispersed in the meso-XHZSM-5 support in all supported catalysts.

도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 담지 촉매의 질소 흡탈착 실험 결과를 나타낸다.2 shows the results of nitrogen adsorption and desorption experiments of the supported catalyst according to embodiments of the present invention.

도 2를 참조하면, 상기 담지 촉매 GaOy/meso-20HZSM-5, GaOy/meso-30HZSM-5, 및 GaOy/meso-40HZSM-5 모두 IV-유형의 질소 흡탈착 등온선을 나타내어 전형적인 중형기공성 물질의 특성을 보이며, 중형기공 형성을 위해 첨가하였던 탄소 주형물질의 영향을 받아 H4-유형의 이력곡선(Hysteresis Loop)을 나타내었다. Si/Al의 몰비율이 증가함에 따라 이력(Hysteresis) 현상은 크게 나타났으며, 중형 기공의 발달 정도가 증가한 것으로 나타났다.Referring to FIG. 2, the supported catalysts GaOy/meso-20HZSM-5, GaOy/meso-30HZSM-5, and GaOy/meso-40HZSM-5 all exhibit IV-type nitrogen adsorption and desorption isotherms. It shows characteristics, and shows the H4-type hysteresis loop under the influence of the carbon template material added to form mesopores. As the Si/Al molar ratio increased, the hysteresis phenomenon was large, and the degree of development of the mesopores increased.

표 1은 상기 담지 촉매 GaOy/XHZSM-5(X=Si/Al의 몰비율, 20, 30, 40)의 구조적 특성을 정리하여 나타낸 것이다. 표 1로부터 제조된 상기 담지 촉매의 비표면적은 356 ~ 399m2/g 정도이며, 미세기공 부피는 0.170 ~ 0.195cm3/g, 중형기공 부피는 0.121 ~ 0.153cm3/g 정도로 분석되었다. 이는 탄소 주형물질을 도입하였을 때 중형기공이 형성되는 것을 나타낸다. Si/Al의 몰비율에 따라 구조적 특성은 크게 변하지 않으나, Si 대비 Al의 몰비율이 증가함에 따라 미세기공 부피와 중형기공 부피가 증가하였고, X-선 회절 분석 결과와 마찬가지로 상대 결정성도 증가하였다.Table 1 summarizes the structural characteristics of the supported catalyst GaOy/XHZSM-5 (X=Si/Al molar ratio, 20, 30, 40). The specific surface area of the supported catalyst prepared from Table 1 is about 356 ~ 399m 2 /g, the micropore volume is 0.170 ~ 0.195cm 3 /g, the mesopore volume is about 0.121 ~ 0.153cm 3 /g. This indicates that mesopores are formed when the carbon template material is introduced. Structural properties do not change significantly depending on the Si/Al molar ratio, but as the molar ratio of Al to Si increased, the volume of micropores and the volume of mesopores increased.

[표 1][Table 1]

Figure 112018107872110-pat00001
Figure 112018107872110-pat00001

도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 담지 촉매의 승온 암모니아 흡탈착 실험 곡선을 나타낸다.3 shows an experiment curve of an elevated temperature ammonia adsorption and desorption of a supported catalyst according to embodiments of the present invention.

도 3을 참조하면, 각각의 선 중 녹색 선은 전체 암모니아 탈착곡선을 의미하고, 붉은색 선은 전체 암모니아 탈착량 중 약한 산점에 흡착되었던 암모니아, 파란색 선은 중간 산점에 흡착되었던 암모니아, 분홍색 선은 강한 산점에 흡착되었던 암모니아의 탈착 곡선이다. 약한 산점은 약한 루이스 산을 의미하고, 중간 산점은 강한 루이스 산, 강한 산점은 브뢴스테드-로우리 산을 의미한다. 반응에 직접적인 영향을 미치는 산점은 강한 루이스 산(중간 산점)과 브뢴스테드-로우리 산(강한 산점)이며, 두 산점이 적절한 비율을 유지할 때, 반응 효율은 극대화 될 수 있다.Referring to FIG. 3, the green line of each line represents the total ammonia desorption curve, the red line represents ammonia adsorbed to the weak acid point of the total ammonia desorption amount, the blue line represents ammonia adsorbed to the intermediate acid point, and the pink line It is a desorption curve of ammonia adsorbed to a strong acid point. A weak acid point means a weak Lewis acid, a medium acid point means a strong Lewis acid, and a strong acid point means Bronsted-Lowry acid. Acid points that have a direct effect on the reaction are strong Lewis acid (medium acid point) and Bronsted-Lowry acid (strong acid point), and when the two acid points are maintained at an appropriate ratio, the reaction efficiency can be maximized.

표 2는 상기 GaOy/XHZSM-5 담지 촉매(X = Si/Al의 몰비율)의 승온 암모니아 흡탈착 실험 결과이며, 도 3에서 나타낸 바에 해당하는 각각의 산점의 산량에 대한 수치들을 나타낸 것이다. 담지 촉매의 Si/Al의 몰비율이 증가함에 따라 전체 산량이 감소하는데, 특히, 중간 산점에 해당하는 강한 루이스 산은 강한 산점에 해당하는 브뢴스테드-로우리 산보다 감소폭이 크다. GaOy/XHZSM-5 담지 촉매(X = Si/Al의 몰비율, 20, 30, 40)의 강한 산점/중간산점 비율은 각각 1.04, 1.16, 1.29 이다.Table 2 shows the results of an elevated temperature ammonia adsorption and desorption experiment of the GaOy/XHZSM-5 supported catalyst (X = Si/Al molar ratio), and shows values for the acid amount of each acid point corresponding to the bar shown in FIG. As the Si/Al molar ratio of the supported catalyst increases, the total amount of acid decreases. In particular, the strong Lewis acid corresponding to the intermediate acid point has a larger decrease than the Bronsted-Lowry acid corresponding to the strong acid point. The strong acid/intermediate acid point ratios of the GaOy/XHZSM-5 supported catalyst (X = Si/Al molar ratio, 20, 30, 40) are 1.04, 1.16, and 1.29, respectively.

[표 2][Table 2]

Figure 112018107872110-pat00002
Figure 112018107872110-pat00002

GaOyGaOy // mesomeso -- 20HZSM20HZSM -5 담지 촉매 상에서 메탄 및 프로판 또는 메탄, 프로판 및 메탄올의 탈수소방향족화 반응에 의한 BTX 제조예 1-5 BTX Preparation Example 1 by the dehydroaromatic reaction of methane and propane or methane, propane and methanol on a supported catalyst

GaOy/meso-20HZSM-5 담지 촉매를 이용하여 반응온도 550℃에서 메탄 및 프로판 혹은 메탄, 프로판 및 메탄올의 탈수소방향족화 반응에 의한 BTX 제조 반응을 수행하였다. A reaction for preparing BTX was carried out by dehydrogenation of methane and propane or methane, propane and methanol at a reaction temperature of 550° C. using a GaOy/meso-20HZSM-5 supported catalyst.

본 제조예에서 사용한 가스의 비율은 반응물의 종류 및 조성을 다르게 하여 메탄:질소:프로판 = 5:7.5:0.5 또는 메탄:질소:프로판:메탄올 = 5:7.5:0.5:1로 구성되었다. 반응물의 주입량은 메탄, 프로판 및 질소의 총합 공간속도(GHSV: Gas Hourly Space Velocity)가 3900ml/g-촉매·h 또는 메탄, 프로판, 질소 및 메탄올 총합 공간속도를 4200ml/g-촉매·h로 하였다. 탈수소방향족화 반응에 앞서 촉매 0.2g을 석영 반응기에 충진시킨 뒤 질소 분위기 하에서 반응온도까지 5℃/min의 속도로 승온하였으며, 반응 온도에 도달한 후 메탄 및 프로판 또는 메탄, 프로판 및 메탄올이 촉매층을 통과하게 하여 탈수소방향족화 반응을 수행하였다. 본 실시예에서 반응물의 전환율 및 수율은 하기 수학식 1, 2 및 3 에 의해 각각 계산되었다.The ratio of the gas used in this preparation example was composed of methane: nitrogen: propane = 5:7.5:0.5 or methane: nitrogen: propane: methanol = 5:7.5:0.5:1 by different types and compositions of the reactants. The injection amount of the reactant was set as the total space velocity (GHSV: Gas Hourly Space Velocity) of methane, propane and nitrogen 3900 ml/g-catalyst h or the total space velocity of methane, propane, nitrogen and methanol 4200 ml/g-catalyst h . Prior to the dehydrogenation aromatization reaction, 0.2 g of the catalyst was charged into a quartz reactor, and then the temperature was raised at a rate of 5°C/min to the reaction temperature under a nitrogen atmosphere. By passing through, a dehydrogenation aromatization reaction was performed. In this example, the conversion and yield of the reactants were calculated by the following equations 1, 2 and 3, respectively.

(수학식 1)(Equation 1)

Figure 112018107872110-pat00003
Figure 112018107872110-pat00003

(수학식 2)(Equation 2)

Figure 112018107872110-pat00004
Figure 112018107872110-pat00004

(수학식 3)(Equation 3)

Figure 112018107872110-pat00005
Figure 112018107872110-pat00005

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 GaOy/meso-20HZSM-5 담지 촉매를 사용할 때 반응물의 전환율을 나타낸다.Figure 4 shows the conversion rate of reactants when using the supported catalyst GaOy / meso-20HZSM-5 according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 메탄+프로판+메탄올 반응에서 메탄 및 프로판의 전환율은 메탄+프로판 반응에 비해 감소하였고, 특히 메탄 전환율의 경우, 메탄올에서 메탄으로의 전환량으로 인해 감소한다. 또, 프로판 전환율 역시 큰 폭으로 감소하였는데, 메탄 및 프로판 전환율 감소의 요인은 100% 전환된 메탄올이 BTX 생성뿐만 아니라 코크 생성반응에도 관여하여 반응 활성점을 비활성화시키기 때문이다.Referring to FIG. 4, the conversion rate of methane and propane in the methane+propane+methanol reaction decreases compared to the methane+propane reaction, and in particular, the methane conversion rate decreases due to the conversion amount from methanol to methane. In addition, the propane conversion rate was also greatly reduced, and the reason for the reduction in methane and propane conversion rates is that 100% converted methanol is involved in not only BTX production but also coke production reaction, thereby deactivating the reaction active point.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 GaOy/meso-20HZSM-5 담지 촉매를 사용할 때 생성물의 수율을 나타낸다.5 shows the yield of the product when using the GaOy/meso-20HZSM-5 supported catalyst according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 메탄+프로판+메탄올 반응에서 BTX 중 가장 가치있는 자일렌의 수율이 증가한다. 이는 메탄올이 첨가되면 자일렌 생성반응이 증가하는 것을 나타내며, 반응시간 동안 2 ~ 4%의 향상된 자일렌 수율을 보인다.Referring to FIG. 5, the yield of xylene, which is the most valuable among BTX, increases in a methane + propane + methanol reaction. This indicates that the addition of methanol increases the xylene production reaction, and shows an improved xylene yield of 2 to 4% during the reaction time.

GaOyGaOy // mesomeso -- XHZSMXHZSM -5 담지 -5 supported 촉매상에서On the catalyst 메탄, 프로판 및 메탄올의 탈수소방향족화 반응에 의한 BTX 제조예 2 Preparation Example 2 of BTX by dehydroaromatic reaction of methane, propane and methanol

상기 GaOy/meso-XHZSM-5 촉매(X=Si/Al의 몰비율, 20, 30, 40)상에서 메탄, 프로판 및 메탄올의 탈수소방향족화 반응을 수행하였다. 반응조건은 BTX 제조예 1의 메탄, 프로판 및 메탄올의 탈수소방향족화 반응과 동일하게 수행하였다. Dehydrogenation of methane, propane and methanol was carried out on the GaOy/meso-XHZSM-5 catalyst (X=Si/Al molar ratio, 20, 30, 40). Reaction conditions were carried out in the same manner as in the dehydroaromatic reaction of methane, propane and methanol of Preparation Example 1 of BTX.

도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 담지 촉매의 Si/Al의 몰비율에 따른 반응물의 전환율과 생성물의 수율을 나타낸다.6 shows the conversion rate of the reactant and the yield of the product according to the molar ratio of Si/Al of the supported catalyst according to embodiments of the present invention.

도 6을 참조하면, Si/Al의 몰비율이 변화함에 따라 메탄의 전환율은 크게 변화하지 않은 반면, Si/Al의 몰비율이 40인 촉매에서 프로판 전환율이 큰 폭으로 감소하였으며, 이로 인해 BTX 수율 역시 Si/Al의 몰비율이 20, 30인 촉매에 비해 감소하였다. 촉매의 구조적 특성의 경우, Si/Al의 몰비율이 증가함에 따라 결정성 및 기공 특성이 향상되어 더 좋은 반응 활성을 보여야 하나, 전체 산량 및 중간 산량, 강한 산량이 감소하기 때문에 BTX 수율이 감소하는 것으로 나타났다. 즉, 구조적 특성과 산특성이 서로 반대의 경향을 띠고 있어 그 두 영향이 상충되는 촉매인 Si/Al의 몰비율이 20, 30인 촉매에서 높은 반응활성을 갖는다.6, the conversion rate of methane did not change significantly as the molar ratio of Si/Al was changed, whereas the conversion rate of propane was greatly reduced in the catalyst having a molar ratio of Si/Al of 40, and thus the BTX yield Also, the molar ratio of Si/Al was reduced compared to the catalysts of 20 and 30. In the case of the structural characteristics of the catalyst, as the molar ratio of Si/Al increases, the crystallinity and pore characteristics are improved to show a better reaction activity.However, the BTX yield decreases because the total acid amount, intermediate acid amount, and strong acid amount decrease. Appeared. That is, the structural properties and acid properties tend to be opposite to each other, and thus, the catalyst has high reaction activity in a catalyst having a Si/Al molar ratio of 20 or 30, which is a catalyst in which the two effects are conflicting.

이제까지 본 발명에 대한 구체적인 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far, specific examples of the present invention have been described. Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to understand that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered from an illustrative point of view rather than a limiting point of view. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the above description, and all differences within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the present invention.

Claims (10)

실리콘 및 알루미늄을 포함하고 중형 기공을 갖는 HZSM-5 타입의 담지체; 및
상기 담지체에 담지된 갈륨 옥사이드를 포함하고,
상기 실리콘 대 상기 알루미늄의 몰비율(Si/Al)이 증가함에 따라 상기 중형 기공의 부피가 증가하고, 강한 루이스 산(중간 산점)과 브뢴스테드-로우리 산(강한 산점)의 산량이 감소하며,
상기 실리콘 대 상기 알루미늄의 몰비율(Si/Al)의 범위는 20 ~ 30이고, 상기 범위에서 상기 중형 기공의 부피와 상기 산량에 따라 탈수소방향족화 수율이 최대가 되는 것을 특징으로 하는 탈수소방향족화 촉매.
HZSM-5 type carrier including silicon and aluminum and having medium pores; And
Including gallium oxide supported on the carrier,
As the molar ratio of silicon to aluminum (Si/Al) increases, the volume of the medium pores increases, and the acid amount of strong Lewis acid (medium acid point) and Bronsted-Lowry acid (strong acid point) decrease,
The silicon-to-aluminum molar ratio (Si/Al) ranges from 20 to 30, and in the above range, the dehydrogenation aromatication yield is maximized depending on the volume of the medium pores and the amount of acid. .
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1 항의 탈수소방향족화 촉매를 포함하는 촉매층에 반응물 가스를 공급하여 탈수소방향족화 반응을 수행하는 단계를 포함하는 BTX 제조 방법. A method for producing BTX, comprising the step of performing a dehydrogenation aromatication reaction by supplying a reactant gas to the catalyst layer including the dehydrogenation aromatication catalyst of claim 1. 제 7 항에 있어서,
상기 반응물 가스는 메탄, 프로판, 및 메탄올 중에서 하나 또는 둘 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 BTX 제조 방법.
The method of claim 7,
The reactant gas is a method for producing BTX, characterized in that it contains one or two or more of methane, propane, and methanol.
제 8 항에 있어서,
상기 반응물 가스는 메탄, 프로판, 및 메탄올을 포함하는 것을 특징으로 하는 BTX 제조 방법.
The method of claim 8,
The reactant gas is a method for producing BTX, characterized in that it contains methane, propane, and methanol.
제 8 항에 있어서,
상기 반응물 가스는 질소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 BTX 제조 방법.
The method of claim 8,
The reactant gas further comprises nitrogen.
KR1020180131973A 2018-10-31 2018-10-31 Dehydroaromatization catalyst and method of manufacturing btx using the same KR102220202B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180131973A KR102220202B1 (en) 2018-10-31 2018-10-31 Dehydroaromatization catalyst and method of manufacturing btx using the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180131973A KR102220202B1 (en) 2018-10-31 2018-10-31 Dehydroaromatization catalyst and method of manufacturing btx using the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200049102A KR20200049102A (en) 2020-05-08
KR102220202B1 true KR102220202B1 (en) 2021-02-25

Family

ID=70678236

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180131973A KR102220202B1 (en) 2018-10-31 2018-10-31 Dehydroaromatization catalyst and method of manufacturing btx using the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102220202B1 (en)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101862683B1 (en) * 2016-12-15 2018-07-04 서울대학교산학협력단 Preparation of Metal Oxide Catalyst Supported on Microporous and Mesoporous HZSM-5 for Co-aromatization of Methane and Propane, and Production Method of BTX Using Said Catalyst

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101862683B1 (en) * 2016-12-15 2018-07-04 서울대학교산학협력단 Preparation of Metal Oxide Catalyst Supported on Microporous and Mesoporous HZSM-5 for Co-aromatization of Methane and Propane, and Production Method of BTX Using Said Catalyst

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Catalysis Reviews, 50:19-151, 2008*
ChemistrySelect 2016, 1, 6335 - 6344*

Also Published As

Publication number Publication date
KR20200049102A (en) 2020-05-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108046288B (en) Method for preparing hierarchical pore ZSM-5 molecular sieve for preparing propylene from methanol
RU2607633C2 (en) Moulded catalyst for converting methanol into aromatic hydrocarbons and method of producing said catalyst
KR101862683B1 (en) Preparation of Metal Oxide Catalyst Supported on Microporous and Mesoporous HZSM-5 for Co-aromatization of Methane and Propane, and Production Method of BTX Using Said Catalyst
KR20130082273A (en) Catalyst for oxidative coupling reaction of methane, method for preparing the same, and method for oxidative coupling reaction of methane using the same
KR101985861B1 (en) Preparation of Metal Oxide Catalyst Supported on Mesoporous HZSM-11 for Direct Dehydroaromatization of Methane and Propane, and Production Method of BTX Using Said Catalyst
CN110385142B (en) Catalyst for isobutane normal structuring reaction and preparation method and application thereof
JP7154377B2 (en) Catalyst for producing ethylbenzene from ethanol and benzene, its production method and application
KR101287257B1 (en) Toluene methylation process
JP2014024005A (en) Zeolite catalyst, process for producing zeolite catalyst and process for producing lower olefin
CN110975928B (en) Modification method and application of binder-free ZSM-11 molecular sieve catalyst
CN105983440A (en) Composite nanometer thin layer molecular sieve and preparation method and application
CN111589467A (en) Preparation and application of hollow ZSM-5 molecular sieve catalyst
CN108569707B (en) Multi-stage pore SAPO-34 molecular sieve and application thereof in methanol-to-olefin reaction
KR102220202B1 (en) Dehydroaromatization catalyst and method of manufacturing btx using the same
US4562269A (en) Method of producing maleic anhydride
JP2014024006A (en) Zeolite catalyst, process for producing zeolite catalyst and process for producing lower olefin
KR102265476B1 (en) Galloaluminosilicate catalyst, preparation method of the galloaluminosilicate catalyst, and btx production method using the galloaluminosilicate catalyst
CN113996330B (en) Zr-based MFI molecular sieve catalyst prepared by ball milling method and application thereof
CN108275694A (en) The synthetic method of BEC molecular sieves, BEC molecular sieves of synthesis and application thereof
US3104270A (en) Hydrocarbon polymerization catalyst
CN103418425A (en) Catalyst for propylene preparation through methanol conversion, and preparation method thereof
JPH0635397B2 (en) Process for producing aromatic hydrocarbon mixture
KR102231798B1 (en) Regeneration method of galloaluminosilicate catalyst and btx production method using the regenerated galloaluminosilicate catalyst
CN109304198A (en) One kind nano-carbon material containing hetero atom and its preparation method and application and a kind of hydrocarbon oxidative dehydrogenation method
Gao et al. Synthesis and characterization of BZSM-5 and its catalytic performance in the methanol to hydrocarbons reaction

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)