KR102295224B1 - Catalyst for Dehydroaromatization of Methane and Production Method of BTX from Methane Using Said Catalyst - Google Patents

Catalyst for Dehydroaromatization of Methane and Production Method of BTX from Methane Using Said Catalyst Download PDF

Info

Publication number
KR102295224B1
KR102295224B1 KR1020190129003A KR20190129003A KR102295224B1 KR 102295224 B1 KR102295224 B1 KR 102295224B1 KR 1020190129003 A KR1020190129003 A KR 1020190129003A KR 20190129003 A KR20190129003 A KR 20190129003A KR 102295224 B1 KR102295224 B1 KR 102295224B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
methane
catalyst
zeolite
dehydroaromatization
reaction
Prior art date
Application number
KR1020190129003A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20210045671A (en
Inventor
홍도영
황영규
우현제
곽재성
황동원
조정모
Original Assignee
한국화학연구원
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 한국화학연구원 filed Critical 한국화학연구원
Priority to KR1020190129003A priority Critical patent/KR102295224B1/en
Publication of KR20210045671A publication Critical patent/KR20210045671A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102295224B1 publication Critical patent/KR102295224B1/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
    • B01J29/00Catalysts comprising molecular sieves
    • B01J29/04Catalysts comprising molecular sieves having base-exchange properties, e.g. crystalline zeolites
    • B01J29/06Crystalline aluminosilicate zeolites; Isomorphous compounds thereof
    • B01J29/80Mixtures of different zeolites
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J29/00Catalysts comprising molecular sieves
    • B01J29/04Catalysts comprising molecular sieves having base-exchange properties, e.g. crystalline zeolites
    • B01J29/06Crystalline aluminosilicate zeolites; Isomorphous compounds thereof
    • B01J29/40Crystalline aluminosilicate zeolites; Isomorphous compounds thereof of the pentasil type, e.g. types ZSM-5, ZSM-8 or ZSM-11, as exemplified by patent documents US3702886, GB1334243 and US3709979, respectively
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J29/00Catalysts comprising molecular sieves
    • B01J29/04Catalysts comprising molecular sieves having base-exchange properties, e.g. crystalline zeolites
    • B01J29/06Crystalline aluminosilicate zeolites; Isomorphous compounds thereof
    • B01J29/70Crystalline aluminosilicate zeolites; Isomorphous compounds thereof of types characterised by their specific structure not provided for in groups B01J29/08 - B01J29/65
    • B01J29/7038MWW-type, e.g. MCM-22, ERB-1, ITQ-1, PSH-3 or SSZ-25
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C1/00Preparation of hydrocarbons from one or more compounds, none of them being a hydrocarbon
    • C07C1/20Preparation of hydrocarbons from one or more compounds, none of them being a hydrocarbon starting from organic compounds containing only oxygen atoms as heteroatoms
    • 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
    • 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)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

본 발명은 메탄의 탈수소방향족화 반응에 있어서, BTX(벤젠, 톨루엔 및 자일렌)의 수율을 향상시킬 수 있는 촉매 및 이를 이용한 BTX의 제조 방법에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 금속을 담지 시키지 않은 제올라이트와 전이금속을 담지 시킨 제올라이트를 혼합하여 사용함으로써, 메탄의 탈수소방향족화 반응에서 BTX의 선택성을 높일 수 있는 촉매 및 이를 이용한 BTX의 제조 방법을 제공한다.The present invention relates to a catalyst capable of improving the yield of BTX (benzene, toluene, and xylene) in the dehydroaromatication reaction of methane, and a method for producing BTX using the same, and more particularly, to a zeolite that does not support a metal A catalyst capable of increasing the selectivity of BTX in the dehydroaromatization reaction of methane by mixing and using a zeolite supported with a transition metal and a method for producing BTX using the same.

Description

메탄의 탈수소방향족화 반응용 촉매 및 이을 이용한 방향족화 화합물의 제조방법 {Catalyst for Dehydroaromatization of Methane and Production Method of BTX from Methane Using Said Catalyst}Catalyst for dehydroaromatization of methane and method for preparing an aromatic compound using the same {Catalyst for Dehydroaromatization of Methane and Production Method of BTX from Methane Using Said Catalyst}

본 발명은 메탄의 탈수소방향족화 반응에서 BTX 수율을 향상 시킬 수 있는 촉매 및 상기 촉매를 이용하여 메탄의 탈수소방향족화 반응을 통한 BTX의 제조방법 및 상기 촉매를 이용한 BTX(벤젠, 톨루엔 및 자일렌) 제조 방법에 관한 것이다.The present invention provides a catalyst capable of improving the BTX yield in the dehydroaromatization of methane, a method for producing BTX through the dehydroaromatization of methane using the catalyst, and BTX (benzene, toluene and xylene) using the catalyst It relates to a manufacturing method.

최근 환경오염에 관한 문제가 전 세계적으로 큰 관심을 받으면서 원유의존성에서 탈피하려는 시도들이 활발히 진행되고 있다. 메탄은 온실가스를 구성하는 성분으로 메탄을 효율적으로 활용하기 위한 관련 연구가 진행되고 있다. 메탄은 셰일가스 및 천연가스의 성분으로 알려져 있는 경질 탄화수소로서, 산업적으로 유용하게 이용될 수 있음에도 불구하고, 낮은 반응성 및 경제성을 확보할 만한 공정의 부재로 현재 대부분 연료로 사용되고 있다. 하지만 최근 중국 및 북미 지역을 중심으로 하는 셰일가스와 천연가스 채굴 기술의 발달로 메탄의 공급안정성이 향상될 것으로 예측되면서 상대적으로 가격경쟁력이 있는 메탄의 직접전환을 통해 고부가가치 제품을 생산하려는 시도들이 진행되고 있다. 그 중 대표적인 예로 탈수소방향족화 반응을 통한 BTX(벤젠, 톨루엔 및 자일렌) 제조를 들 수 있다. Recently, as the problem of environmental pollution has received great attention around the world, attempts to break free from dependence on crude oil are being actively carried out. Methane is a component of greenhouse gas, and related research is being conducted to efficiently utilize methane. Methane is a light hydrocarbon known as a component of shale gas and natural gas, and although it can be useful industrially, it is currently mostly used as a fuel due to the absence of a process that can secure low reactivity and economical efficiency. However, with the recent development of shale gas and natural gas mining technology in China and North America, which is expected to improve methane supply stability, attempts to produce high value-added products through direct conversion of methane, which are relatively price-competitive, have begun. is in progress Among them, a representative example may be the production of BTX (benzene, toluene and xylene) through dehydrogenation aromatization.

한편, 천연가스는 지구온난화에 대비하여 효과적인 에너지로 기대되므로 천연가스를 이용하는 기술에 대한 관심이 증가되고 있다. 일반적으로, 천연가스는 에탄(C2H6) 1 내지 10%, 프로판(C3H8) 5% 미만, 부탄(C4H10) 2% 미만, 펜탄(C5H12) 1% 미만 및 헥산(C6H14) 0.5% 미만으로 함유하고 있으며, 메탄(CH4)을 주성분으로 70 내지 98% 함유한다.On the other hand, since natural gas is expected as an effective energy in preparation for global warming, interest in technology using natural gas is increasing. In general, natural gas is 1 to 10% ethane (C 2 H 6 ), less than 5% propane (C 3 H 8 ), less than 2% butane (C 4 H 10 ), less than 1% pentane (C 5 H 12 ) And hexane (C 6 H 14 ) contains less than 0.5%, methane (CH 4 ) contains 70 to 98% as a main component.

천연가스의 사용에 있어서, 주성분인 메탄가스는 높은 관심을 받으며, 천연가스에 함유된 에탄은 천연가스가 액화형태로 저장고에 부어지거나 천연가스가 파이프 등을 통하여 이송될 경우 제거되기도 한다.In the use of natural gas, methane gas, which is a main component, receives high attention, and ethane contained in natural gas is also removed when the natural gas is poured into a storage in a liquefied form or when the natural gas is transported through a pipe or the like.

또한, BTX는 합성수지, 세제 및 고무 등의 제조에 핵심적인 물질이며, 산업적으로 가치가 매우 높아 최근 그 수요가 증가하는 추세이다. 현재 BTX를 제조하는 공정은 납사 개질 및 분리, 정제 공정을 통해 제조되고 있으며, 기본적으로 원유 증류공정에 부수적인 공정이기 때문에 경제적인 측면에서 효율적이지 않다. 이로 인해 새로운 공정 개발이 요구되고 있으며, 최근 10 여년 동안 경질 파라핀을 이용한 고부가가치 생성물을 제조하는 새로운 접근 방법들의 개발로 메탄을 주 반응물로 하는 경질 파라핀 혼합가스의 고부가가치화 공정 개발이 큰 가능성을 보이고 있다. In addition, BTX is a key material in the manufacture of synthetic resins, detergents, and rubber, and its industrial value is very high, so the demand for it is increasing recently. Currently, the process of manufacturing BTX is manufactured through naphtha reforming, separation, and refining processes, and it is not economically efficient because it is a process incidental to the crude oil distillation process. Due to this, new process development is required, and with the development of new approaches for manufacturing high value-added products using light paraffin over the past 10 years, the development of a high value-added process for light paraffin mixed gas using methane as the main reactant shows great potential. have.

일본의 Meidensha Coporation에서는 주 반응물을 메탄으로 하는 경질 탄화수소의 방향족화에 관한 연구를 수행하였는데, 몰리브덴 및 구리가 담지된 ZSM-5 촉매를 이용하였다(특허 문헌 1).In Japan, Meidensha Corporation conducted a study on the aromatization of light hydrocarbons using methane as the main reactant, and used a ZSM-5 catalyst on which molybdenum and copper were supported (Patent Document 1).

일본의 Mitsui Chemicals Inc.에서는 몰리브덴이 담지된 ZSM-5촉매를 이용하여 두 개의 고정형 베드 반응기를 연속적으로 이어서 사용하여 BTX 제조 수율을 높이는 연구를 수행하였다(특허 문헌 2).Mitsui Chemicals Inc. of Japan conducted a study to increase the BTX production yield by successively using two fixed bed reactors using a ZSM-5 catalyst supported with molybdenum (Patent Document 2).

본 연구의 어려운 점은 메탄의 탈수소방향족화는 흡열 반응으로서 자발적이지 않고 높은 열에너지를 요구하는 반면 높은 온도 반응에서는 코크 침적이 증가하기 때문에 상용화가 되는데 어려움이 있다 (비특허 문헌 1).The difficulty of this study is that dehydroaromaticization of methane is an endothermic reaction that is not spontaneous and requires high thermal energy, whereas coke deposition increases in a high temperature reaction, making it difficult to commercialize (Non-Patent Document 1).

6CH4 -> C6H6 + 9H2 (반응식 1)6CH 4 -> C 6 H 6 + 9H 2 (Scheme 1)

이러한 문제점을 해결하기 위해서 다양한 시도들이 있었는데, 상기 반응식 1에 의한 메탄의 탈수소방향족 반응에 있어서 생성물로 얻어지는 수소(H2)를 제거하기 위해 저가 알코올(메탄올, 에탄올)을 첨가하게 되면, 첨가된 알코올의 히드록시기와 수소가 반응하여 수소를 제거하는 반응을 촉진시킴으로써, 메탄의 탈수소방향족화 반응이 촉진되는 결과가 일어난다. 이러한 열역학적으로 메탄의 탈수소방향족화 반응이 보다 자발적이고 필요 에너지 또한 감소하기 때문에 더 낮은 온도에서도 BTX를 생성할 수 있는 효과를 가져올 수 있다.There have been various attempts to solve this problem, when a low-cost alcohol (methanol, ethanol) is added to remove hydrogen (H 2 ) obtained as a product in the dehydrogenation aromatic reaction of methane according to Scheme 1, the added alcohol By accelerating the reaction of removing hydrogen by reacting with the hydroxyl group of the hydrogen, the dehydroaromatization reaction of methane is promoted. Since the thermodynamically dehydroaromatic reaction of methane is more spontaneous and the energy required is also reduced, it can bring about the effect of producing BTX at a lower temperature.

인도 CSIR-National Chemical Laboratory에서는 몰리브덴-징크-함유 H-ZSM-5 촉매를 사용하여 메탄과 메탄올을 동시반응 시켜 500℃에서 반응평형을 개선하였고(비 특허 문헌 2), 인도 Indian Institute of Technology 에서는 몰리브덴-함유 H-ZSM-5 촉매를 사용하여 600℃에서 메탄 전환율 9.0%과 자일렌 선택성 19%를 가짐을 보고하였다(비특허 문헌 3).At CSIR-National Chemical Laboratory in India, the reaction equilibrium was improved at 500°C by simultaneous reaction of methane and methanol using a molybdenum-zinc-containing H-ZSM-5 catalyst (Non-Patent Document 2), and molybdenum at Indian Institute of Technology in India It was reported that a methane conversion rate of 9.0% and a xylene selectivity of 19% at 600°C using a -containing H-ZSM-5 catalyst (Non-Patent Document 3).

그러나, 메탄의 탈수소방향족화 반응용 몰리브덴-함유 H-ZSM-5 촉매의 사용시 코크스 침착물에 의한 촉매가 코킹되어 짧은 시간 내에 촉매의 활성을 저하시키는 문제가 발생하며, 이로 인해 생산 주기가 짧아지며 또한 촉매의 수명을 비가역적으로 단축시킨다.However, when using the molybdenum-containing H-ZSM-5 catalyst for the dehydroaromatication reaction of methane, the catalyst is coked by the coke deposits, thereby reducing the activity of the catalyst within a short time, and thus the production cycle is shortened. It also irreversibly shortens the life of the catalyst.

따라서 본 발명자는 상기의 문제점을 해결하기 위하여 기존의 HZSM-5에 몰리브덴(Mo)을 담지시킨 촉매 복합체를 활용하여 메탄의 탈수소방향족화 반응에서 BTX 수율이 향상된 것으로부터 본 발명을 완성하게 되었다.Therefore, in order to solve the above problems, the present inventors have completed the present invention from the fact that the BTX yield is improved in the dehydroaromatization of methane by using the catalyst complex in which molybdenum (Mo) is supported on the existing HZSM-5.

미국 특허등록 제 8278237 호 (2010.01.21. 공개)US Patent Registration No. 8278237 (published on Jan. 21, 2010) 미국 특허등록 제 9169171 호 (2013.05.09. 공개)US Patent Registration No. 9169171 (published on May 9, 2013)

J.J. Spivey, G. Hutchings, Chem. Soc. Rev. 43, (2014) 792J.J. Spivey, G. Hutchings, Chem. Soc. Rev. 43, (2014) 792 V.R. Choudhary, K.C. Mondal, S.A. Mulla, Angew. Chem. Int. Ed. 44, (2005) 4381-4385 V.R. Choudhary, K.C. Mondal, S.A. Mulla, Angew. Chem. Int. Ed. 44, (2005) 4381-4385 S. Majhi, K.K. Pant, J. Ind. Eng. Chem. 20 (2014) 2364-2369S. Majhi, K.K. Pant, J. Ind. Eng. Chem. 20 (2014) 2364-2369

본 발명은 상기한 과제를 해결하기 위한 것으로, 메탄으로부터 BTX를 생산함에 있어 그 수율이 향상된 촉매 및 이를 이용한 메탄으로부터 BTX의 생산 방법을 제공하고자 한다.The present invention is to solve the above problems, and to provide a catalyst with an improved yield in producing BTX from methane and a method for producing BTX from methane using the same.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 메탄의 탈수소방향족화 반응용 촉매로서, 메탄의 탈수소방향족화 반응은 함산소 탄소화합물을 반응물로서 포함하며, 상기 촉매는 금속 비담지 제올라이트 및 전이금속 담지 제올라이트를 포함하는 복합촉매를 제공한다. In order to solve the above problems, the present invention is a catalyst for the dehydroaromatization of methane, wherein the dehydroaromatization reaction of methane includes an oxygenated carbon compound as a reactant, and the catalyst includes a metal unsupported zeolite and a transition metal supported zeolite It provides a complex catalyst that

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전이금속은 Mo, Ga, Ni, Cu, Zn, Sn, Fe, V, Cr, Sb, W, Co, Pt, Pd, In, Ag, Re, Ru 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 금속일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the transition metal is selected from Mo, Ga, Ni, Cu, Zn, Sn, Fe, V, Cr, Sb, W, Co, Pt, Pd, In, Ag, Re, and Ru. It may be 1 type or 2 or more types of metals.

본 발명에서 상기 제올라이트는 MFI 구조 및/또는 MWW 구조 제올라이트일 수 있으며, 상기 전이금속 담지 제올라이트의 Si/Al 몰 비율은 10 ~ 1000 범위이며, 금속 비담지 제올라이트의 Si/Al 몰 비율은 10 ~ 1000 범위인 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, the zeolite may be a zeolite having an MFI structure and/or a MWW structure, the Si/Al molar ratio of the transition metal-supported zeolite is in the range of 10 to 1000, and the Si/Al molar ratio of the non-metal supported zeolite is 10 to 1000 It can be characterized as a range.

본 발명의 다른 일 실시예에 있어서, 상기 전이금속 담지 제올라이트의 전이금속 함량은 0.5 ~ 20 wt%인 것을 특징으로 할 수 있으며, 금속 비담지 제올라이트는 전이금속 담지 제올라이트에 대하여 15 ~ 80 wt%로 혼합되는 것을 특징으로 한다.In another embodiment of the present invention, the transition metal content of the transition metal-supported zeolite may be 0.5 to 20 wt%, and the non-metal-supported zeolite is 15 to 80 wt% with respect to the transition metal-supported zeolite. characterized by mixing.

본 발명에서 상기 함산소 탄소화합물은 탄소수 1 내지 4개의 유기 산화물일 수 있으며, 상기 유기산화물은 메탄올, 에탄올, 프로판올, 프로판디올, 부탄올, 부탄디올, 글리세롤, 아세트산, 아크릴산, 메탄알, 에탄알, 프로판알, 부탄알, 디메틸에테르, 디에틸에테르, 아세톤 중에서 선택된 1 종 이상일 수 있다.In the present invention, the oxygen-containing carbon compound may be an organic oxide having 1 to 4 carbon atoms, and the organic oxide is methanol, ethanol, propanol, propanediol, butanol, butanediol, glycerol, acetic acid, acrylic acid, methanol, ethanal, propane It may be at least one selected from al, butanal, dimethyl ether, diethyl ether, and acetone.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기한 본 발명의 촉매를 사용하여 메탄과 함산소 탄소 화합물의 혼합물로부터 방향족 화합물을 제조하는 방법을 제공한다.In another embodiment of the present invention, there is provided a method for preparing an aromatic compound from a mixture of methane and an oxygenated carbon compound using the catalyst of the present invention.

본 발명에서 메탄과 함산소 탄소화합물은 몰비율은 1 : 0.03 ~ 1 : 5 범위일 수 있으며, 상기 메탄과 함산소 탄소화합물의 혼합물로부터 방향족 화합물을 생성하는 반응의 온도는 400 ~ 700℃, 압력은 1 ~ 15 atm, GHSV는 1,000 ~ 50,000일 수 있다.In the present invention, the molar ratio of methane and oxygen-containing carbon compound may be in the range of 1: 0.03 to 1: 5, and the temperature of the reaction for generating an aromatic compound from the mixture of methane and oxygen-containing carbon compound is 400 to 700 ℃, pressure is 1 to 15 atm, GHSV may be 1,000 to 50,000.

본 발명에 의하면 전 세계적으로 수요가 급증하고 있는 방향족화합물(벤젠, 톨루엔 및 자일렌)을 메탄으로부터 쉽게 제조할 수 있다. 또한, 현재 방향족화합물은 납사 개질 공정 및 분리정제 공정에 의해 생산되고 있으며 원료가 되는 나프타는 높은 원유의존성으로 인해 가격 안정성이 낮은데, 이러한 원유 의존성에서 탈피하여 가격 안정성이 우수한 메탄을 이용하여 고부가가치 화합물인 방향족화합물을 생산하여 경제적인 이익을 얻을 수 있으며, 향후 시장 변화에도 능동적으로 대처할 수 있는 장점이 있다. According to the present invention, aromatic compounds (benzene, toluene, and xylene), which are rapidly in demand worldwide, can be easily produced from methane. In addition, currently aromatic compounds are produced by the naphtha reforming process and separation and refining process, and the raw material naphtha has low price stability due to its high dependence on crude oil. It is possible to obtain economic benefits by producing phosphorus aromatic compounds, and has the advantage of actively coping with future market changes.

도 1은 비교예 1 및 실시예 1 ~ 2에 따른 메탄의 탈수소화 방향족화 반응에 있어서 반응 시간에 따른 탄소 전환율을 도시한 것이다.
도 2는 비교예 1에 따른 메탄의 탈수소화 방향족화 반응에 있어서 반응 시간에 따른 각각의 생성물((a): 지방족 화합물, (b) 방향족 화합물)의 선택도을 도시한 것이다.
도 3은 실시예 1에 따른 메탄의 탈수소화 방향족화 반응에 있어서 반응 시간에 따른 각각의 생성물((a): 지방족 화합물, (b) 방향족 화합물)의 선택도을 도시한 것이다.
도 4는 실시예 2에 따른 메탄의 탈수소화 방향족화 반응에 있어서 반응 시간에 따른 각각의 생성물((a): 지방족 화합물, (b) 방향족 화합물)의 선택도을 도시한 것이다.
1 is a graph showing carbon conversion according to reaction time in the dehydrogenation and aromatization reaction of methane according to Comparative Example 1 and Examples 1 and 2;
2 shows the selectivity of each product ((a): aliphatic compound, (b) aromatic compound) according to reaction time in the dehydrogenation aromatization reaction of methane according to Comparative Example 1. FIG.
3 shows the selectivity of each product ((a): aliphatic compound, (b) aromatic compound) according to reaction time in the dehydrogenation aromatization reaction of methane according to Example 1. FIG.
4 shows the selectivity of each product ((a): aliphatic compound, (b) aromatic compound) according to reaction time in the dehydrogenation aromatization reaction of methane according to Example 2. FIG.

다른 식으로 정의히지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.Unless defined otherwise, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In general, the nomenclature used herein is those well known and commonly used in the art.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout this specification, when a part "includes" a component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.

본 발명의 바람직한 실시예에 대한 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.In the detailed description of the principle of the preferred embodiment of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related well-known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

본 발명은 메탄의 탈수소방향족화 반응용 촉매를 제공하며, 이때 상기 메탄의 탈수소방향족화 반응은 함산소 탄소화합물을 반응물로서 포함하며, 상기 촉매는 금속이 담지 되지 않은 MFI 구조의 제올라이트와 활성금속이 담지된 MFI 구조의 제올라이트를 동시에 포함하는 복합촉매인 것을 특징으로 한다.The present invention provides a catalyst for the dehydroaromatization reaction of methane, wherein the dehydroaromatization reaction of methane includes an oxygenated carbon compound as a reactant, and the catalyst is a metal-free MFI-structured zeolite and an active metal. It is characterized in that it is a composite catalyst simultaneously containing a supported MFI-structured zeolite.

본 발명의 메탄의 탈수소화 방향족화 반응은 하기 반응식 1에 의한 메탄의 탈수소화 방향족화 반응에 의해 생성되는, 수소를 제거함으로써 메탄의 탈수소화 방향족화 반응을 촉진시키기 위해 함산소 탄소화합물이 반응물로서 사용된다.In the dehydrogenation aromatization reaction of methane of the present invention, an oxygen-containing carbon compound is used as a reactant in order to promote the dehydrogenation aromatization reaction of methane by removing hydrogen, which is produced by the dehydrogenation aromatization reaction of methane according to Scheme 1 below. used

6CH4 -> C6H6 + 9H2 (반응식 1)6CH 4 -> C 6 H 6 + 9H 2 (Scheme 1)

상기 함산소 탄소화합물로서 바람직하게, 탄소수 1 내지 4개의 유기 산화물을 사용할 수 있다. 상기 유기 산화물로는, 이에 한정되지는 않으나, 예시로, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 프로판디올, 부탄올, 부탄디올, 글리세롤 등의 1가 알코올 또는 다가 알코올류; 아세트산, 아크릴산 등의 산류; 메탄알, 에탄알, 프로판알, 부탄알 등의 알데히드류; 디메틸에테르, 디에틸에테르 등의 에테르류; 아세톤등의 케톤류 등을 사용할 수 있으며, 이러한 유기산화물을 첨가제로 사용함으로써 메탄의 탈수소화 방향족화 반응을 촉진시킬 수 있다.Preferably, an organic oxide having 1 to 4 carbon atoms can be used as the oxygen-containing carbon compound. Examples of the organic oxide include, but are not limited to, monohydric alcohols or polyhydric alcohols such as methanol, ethanol, propanol, propanediol, butanol, butanediol, and glycerol; acids such as acetic acid and acrylic acid; aldehydes such as methanal, ethanal, propanal, and butanal; ethers such as dimethyl ether and diethyl ether; Ketones such as acetone can be used, and the dehydrogenation and aromatization reaction of methane can be accelerated by using such an organic oxide as an additive.

또한, 본 발명은 메탄의 탈수소화 방향족화 반응에 있어서의 촉매는 금속이 담지되지 않은 MFI 및 MWW 구조의 제올라이트 중 하나 이상과, 상기 전이금속이 담지된 MFI 및 전이금속이 담지된 MWW구조의 제올라이트 중 하나 이상을 동시에 포함하는 복합촉매인 것을 특징으로 한다.In addition, in the present invention, the catalyst in the dehydrogenation aromatization reaction of methane is at least one of metal-free MFI and MWW zeolite, and the transition metal-supported MFI and transition metal-supported MWW zeolite. It is characterized in that it is a complex catalyst containing at least one of them at the same time.

즉, 상기 복합촉매는 어떠한 금속도 담지 하지 않은 상태의 금속 비담지 MFI 및 MWW 구조형 제올라이트 중 하나 이상과 전이금속을 담지시킨 MFI 및 MWW 구조형 제올라이트 중 하나 이상을 동시에 포함함으로써, 메탄의 탈수소화 반응 메커니즘에 있어서 서로 상이한 작용 효과를 가지는 두 가지의 촉매 성분이 동시에 작용하도록 한다.That is, the composite catalyst simultaneously contains at least one of MFI and MWW structure type zeolite not supported with any metal and at least one of MFI and MWW structure type zeolite supported with a transition metal, thereby dehydrogenation reaction mechanism of methane In this case, two catalyst components having different working effects are allowed to act simultaneously.

따라서, 본 발명은 메탄의 탈수소방향족화 반응에 있어서, 금속 비담지 제올라이트와 전이금속 담지 제올라이트를 동시에 포함하는 복합촉매를 사용함으로써, 메탄의 탈수소방향족화 반응시 코크스 침착물에 의한 촉매의 빠른 비활성화되는 문제점을 개선할 뿐만 아니라, 메탄으로부터 방향족화합물의 수율이 향상되어 저가의 메탄으로부터 고부가가치의 방향족 화합물을 효과적으로 생산할 수 있다.Therefore, in the dehydroaromatization reaction of methane, the present invention uses a composite catalyst including a metal unsupported zeolite and a transition metal supported zeolite at the same time, whereby the catalyst is rapidly deactivated by coke deposits during the dehydroaromatication reaction of methane. In addition to improving the problems, the yield of aromatic compounds from methane is improved, so that high value-added aromatic compounds can be effectively produced from inexpensive methane.

상기 제올라이트는 MFI 구조 혹은 MWW 구조의 제올라이트 일 수 있으며, 상기 전이금속은 Mo, Ga, Ni, Cu, Zn, Sn, Fe, V, Cr, Sb, W, Co, Pt, Pd, In, Ag, Re, Ru 중의 어느 하나 이상일 수 있으며, 바람직하게는 Mo 이다.The zeolite may be a zeolite having an MFI structure or a MWW structure, and the transition metal is Mo, Ga, Ni, Cu, Zn, Sn, Fe, V, Cr, Sb, W, Co, Pt, Pd, In, Ag, It may be any one or more of Re and Ru, preferably Mo.

하기에서 본 발명에 따른 전이금속을 제올라이트에 담지하는 방법을 설명하나, 상기 설명은 예시에 불과할 뿐 이에 제한 되지 않으며, 함침법, 공침법, 고상법, 화학기상증착법 등 모든 공지된 담지 방법을 사용할 수 있다.Hereinafter, a method for supporting a transition metal according to the present invention on a zeolite will be described, but the above description is only an example and is not limited thereto. can

먼저, 상기 전이금속 전구체는 용매를 이용하여 담지하는 경우에는 용매에 용해될 수 있는 공지의 전구체 중 하나를 선택하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 전이금속이 몰리브덴이고, 용매가 물인 경우, 암모늄 몰리브데이트 테트라하이드레이트((NH4)6Mo7O244H2O)를 사용할 수 있다. 또한, 화학기상 증착법 등을 사용할 경우, 쉽게 기화될 수 있는 전구체를 사용할 수 있으며, 예를 들어, 전이금속이 몰리브덴일 경우 몰리브데늄 옥사이드(MoO3)를 사용할 수 있다.First, when the transition metal precursor is supported using a solvent, one of known precursors that can be dissolved in the solvent may be selected and used. For example, when the transition metal is molybdenum and the solvent is water, ammonium molybdate tetrahydrate ((NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 4H 2 O) may be used. In addition, when using a chemical vapor deposition method, etc., a precursor that can be easily vaporized may be used, for example, when the transition metal is molybdenum, molybdenum oxide (MoO 3 ) may be used.

또한, 상기 전이금속 전구체를 MFI 구조형 제올라이트에 담지하기 위하여 전이금속 전구체를 용매에 녹여 전이금속 전구체 용액을 제조하며, 이때 사용하는 용매로써, 물, 메탄올, 에탄올 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하나 이로 한정하는 것은 아니다. 또한, 상황에 따라 전이금속의 분산도 조절을 위하여 적당한 pH 조절제를 사용하여 pH 조절을 수행할 수 있다.In addition, in order to support the transition metal precursor in the MFI structure type zeolite, a transition metal precursor is dissolved in a solvent to prepare a transition metal precursor solution, and as a solvent used at this time, it is preferable to use water, methanol, ethanol, or a mixture thereof. It is not limited to this. In addition, depending on the situation, in order to control the dispersion degree of the transition metal, it is possible to perform pH adjustment using an appropriate pH adjusting agent.

이어서 전이금속 전구체 용액에 MFI 구조형 제올라이트를 첨가한 후, 제조된 촉매 전구체 용액을 상온 ~ 50℃에서 1 ~ 10시간 동안 유지시켜 전이금속 전구체가 제올라이트내 충분히 담지되도록 한다.Then, after adding the MFI structure type zeolite to the transition metal precursor solution, the prepared catalyst precursor solution is maintained at room temperature to 50° C. for 1 to 10 hours so that the transition metal precursor is sufficiently supported in the zeolite.

또한, 전이금속 전구체가 담지된 MFI 구조형 제올라이트를 80 ~ 150℃에서 건조하여 촉매에 남아있는 용매를 제거한다. 건조는 상압 혹은 진공에서 실시할 수 있다.In addition, the MFI-structured zeolite on which the transition metal precursor is supported is dried at 80 to 150° C. to remove the solvent remaining in the catalyst. Drying can be carried out under normal pressure or vacuum.

마지막으로, 상기 건조된 전이금속 전구체가 담지된 제올라이트를 소성시키는 단계를 거치는데, 예컨대 400℃ 내지 700℃에서 1시간 내지 10시간 소성하여 촉매를 제조하는 것이 바람직하다. 상기 소성온도가 400 ℃ 또는 1 시간 미만이면 촉매 물성이 변하지 않고 단지 건조 상태가 되어 촉매의 화학적인 결합이 이루어지지 않아 촉매활성이 저하되는 문제점이 발생하며, 700 ℃ 또는 10 시간을 초과하는 경우 촉매 입자 분산성이 나빠지므로 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다.Finally, the dried transition metal precursor is subjected to a step of calcining the supported zeolite, for example, it is preferable to prepare the catalyst by calcining at 400 °C to 700 °C for 1 hour to 10 hours. If the calcination temperature is 400 ° C. or less than 1 hour, the catalyst properties do not change and the catalyst is only in a dry state, and there is a problem that the catalyst activity is lowered because chemical bonding of the catalyst is not made. Since particle dispersibility deteriorates, it is preferable to maintain the above range.

이때, 상기 전이금속이 담지 되는 제올라이트는 양성자형인 것이 바람직한데, 양성자 치환된 제올라이트를 사용함으로써, 메탄의 탈수소화 반응에 있어서, 산화물 형태의 활성금속이 결합되는 자리로 작용하여 활성금속을 고분산 및 안정화 할 수 있을 뿐만 아니라 그 자체가 산점으로 작용하여 이량화된 메탄의 올리고머화 및 방향족화 반응이 일어나게 하는 기능을 제공할 수 있기 때문이다. At this time, it is preferable that the zeolite on which the transition metal is supported is of a proton type. By using a proton-substituted zeolite, in the dehydrogenation reaction of methane, it acts as a site to which the active metal in the form of an oxide is bound, so that the active metal is highly dispersed and This is because not only can it be stabilized, but it can also act as an acid site and provide a function for oligomerization and aromatization of dimerized methane.

상기 제올라이트는 MFI 구조 및 MWW 구조의 제올라이트 중 하나 이상을 사용하는 것이 바람직하다. It is preferable to use at least one of a zeolite having an MFI structure and a MWW structure as the zeolite.

MFI 제올라이트는, 펜타실 사슬을 형성하는, 산소 브릿지로 서로 연결된 서너개의 펜타실 유닛으로 구성될 수 있다. 이때, 펜타실 유닛은 8개의 5원 고리로 구성되며, 각 꼭지점은 알루미늄 또는 실리콘이며, 산소가 이들 꼭지점 사이에 결합되어 있으며, 이에 따라 펜타실 체인은 산소 브릿지로 서로 연결되어 10고리 홀을 갖는 파형 시트(corrugated sheet)를 형성할 수 있다. MFI 제올라이트의 일종인, ZSM-5는 통상 테트라알킬암모늄 화합물 존재 하에 고온 고압에서 산화규소와 소디움 알루미네이트를 반응시켜 수열 합성할 수 있다.MFI zeolites may consist of three or four pentasil units linked together by oxygen bridges, forming pentasil chains. At this time, the pentasil unit is composed of 8 5-membered rings, each vertex is aluminum or silicon, and oxygen is bonded between these vertices, and accordingly, the pentasil chain is connected to each other by an oxygen bridge and has 10 ring holes. A corrugated sheet may be formed. ZSM-5, a type of MFI zeolite, can be hydrothermal synthesized by reacting silicon oxide with sodium aluminate at high temperature and high pressure in the presence of a tetraalkylammonium compound.

MFI 구조의 제올라이트는 이로 제한되지는 않으나, Silicalite-1, ZSM-5, TS-1 중에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.The MFI-structured zeolite is not limited thereto, but may be any one or more selected from Silicalite-1, ZSM-5, and TS-1.

금속 비담지 MFI 구조 제올라이트의 Si/Al 비율은 10 ~ 1000 범위일 수 있으며, 바람직하게는 20~750, 더욱 바람직하게는 25~140 일 수 있다. 가장 바람직하게는 30~50 일 수 있다. The Si/Al ratio of the metal-unsupported MFI structure zeolite may be in the range of 10 to 1000, preferably 20 to 750, and more preferably 25 to 140. Most preferably, it may be 30-50.

금속 담지 MFI 구조의 제올라이트의 Si/Al 비율은 10 ~ 1000 범위일 수 있으며, 바람직하게는 20~750, 더욱 바람직하게는 50~300 일 수 있다. 가장 바람직하게는 100~200 일 수 있다.The Si/Al ratio of the metal-supported MFI structure zeolite may be in the range of 10 to 1000, preferably 20 to 750, and more preferably 50 to 300. Most preferably, it may be 100-200.

MWW 골격 구조는 2개의 독립된 기공 시스템을 특징으로 한다. 구체적으로, 하나의 기공 구조는 10원 고리 세공(4.0 Å × 5.5 Å) 으로서 Sinusoidal이고, 다른 하나는 10원 고리와 12 고리로 구성된 누에고치형 슈퍼케이지(supercage)(7.1 Å × 18.2 Å)로서 6개의 슈퍼케이지가 2차원적으로 연결된다.The MWW framework structure is characterized by two independent pore systems. Specifically, one pore structure is a 10-membered ring pore (4.0 Å × 5.5 Å), which is sinusoidal, and the other is a cocoon-type supercage (7.1 Å × 18.2 Å) consisting of 10-membered rings and 12 rings. Six supercages are connected in two dimensions.

MWW 구조의 제올라이트는 이로 제한되지 않으나, 예시적으로 MCM-22, ERB-1, ITQ-1, PSH-3, SSZ-25 등에서 선택된 하나 일 수 있다. The zeolite of the MWW structure is not limited thereto, but may be exemplarily one selected from MCM-22, ERB-1, ITQ-1, PSH-3, SSZ-25, and the like.

금속 비담지 MWW 구조 제올라이트의 Si/Al 비율은 10 ~ 1000 범위일 수 있으며, 바람직하게는 20~750, 더욱 바람직하게는 25~140 일 수 있다. 가장 바람직하게는 30~50 일 수 있다. The Si/Al ratio of the metal unsupported MWW structure zeolite may be in the range of 10 to 1000, preferably 20 to 750, and more preferably 25 to 140. Most preferably, it may be 30-50.

금속 담지 MWW 구조의 제올라이트의 Si/Al 비율은 10 ~ 1000 범위일 수 있으며, 바람직하게는 20~750, 더욱 바람직하게는 50~300 일 수 있다. 가장 바람직하게는 100~200 일 수 있다.The Si/Al ratio of the metal-supported MWW structure zeolite may be in the range of 10 to 1000, preferably 20 to 750, and more preferably 50 to 300. Most preferably, it may be 100-200.

상기 전이금속 담지 제올라이트의 전이금속의 함량은 0.5~20 wt%일 수 있다.The transition metal content of the transition metal-supported zeolite may be 0.5 to 20 wt%.

상기 금속 비담지 제올라이트는 전이금속 담지 제올라이트에 대하여 15~80 wt%를 포함할 수 있으며, 상기 범위 내에 있을 경우 방향족화 수율이 높게 나타나며, 촉매 안정성도 증가한다. 바람직하게는 30~65wt%를 사용할 수 있다.The metal unsupported zeolite may contain 15 to 80 wt% with respect to the transition metal supported zeolite, and when it is within the above range, the aromatization yield is high, and catalyst stability is also increased. Preferably 30 to 65 wt% may be used.

또한, 본 발명은 상기 메탄의 방향족화 반응의 촉매 존재 하에서, 메탄과 함산소 탄소화합물로부터 방향족화 화합물을 제조하는 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for producing an aromatic compound from methane and an oxygen-containing carbon compound in the presence of a catalyst for the methane aromatization reaction.

이때 반응물로서 사용되는 메탄과 함산소 탄소화합물은 몰비율은 1 : 0.03 ~ 1 : 5 범위인 것이 바람직하고, 또한, 상기 메탄의 방향족화 반응에 있어서 반응 온도는 400~700℃인 것이 바람직하다.At this time, the molar ratio of the methane and the oxygen-containing carbon compound used as a reactant is preferably in the range of 1:0.03 to 1:5, and the reaction temperature in the methane aromatization reaction is preferably 400 to 700°C.

또한, 본 발명에서 반응압력은 1 ~ 15 atm, GHSV는 1,000 ~ 50,000일 수 있다.In addition, in the present invention, the reaction pressure may be 1 to 15 atm, and the GHSV may be 1,000 to 50,000.

이때 본 발명에 따른 금속 비담지 촉매 및 전이금속 담지 촉매를 포함하는 복합촉매는 반응 시간에 따라 촉매 활성이 유지되어 촉매의 수명이 개선되는 효과를 나타낸다.At this time, the composite catalyst comprising the non-metal supported catalyst and the transition metal supported catalyst according to the present invention maintains catalytic activity according to the reaction time, thereby improving the life of the catalyst.

이하, 첨부된 도면 및 실시예을 참조하여 본 발명에 따른 메탄의 방향족화 반응을 위한 복합촉매를 및 이를 이용한 방향족 화합물의 제조방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings and examples, the complex catalyst for the aromatization reaction of methane according to the present invention and a method for producing an aromatic compound using the same will be described in detail.

또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.In addition, since the configuration shown in the embodiments and drawings described in this specification is only the most preferred embodiment of the present invention and does not represent all the technical spirit of the present invention, various It should be understood that there may be equivalents and variations.

제조예 1 : Mo-HZSM-5 (140) 촉매의 제조Preparation Example 1: Preparation of Mo-HZSM-5 (140) catalyst

Ammonium-form ZSM-5 (NH4-ZSM-5, Si/Al=140) 제올라이트는 Zeolyst에서 구매(모델명 CBV 28014)하여 사용하였으며, 550℃에서 12시간 동안 소성하여 H-from ZSM-5로 전환시킨다. H-ZSM-5는 사용 전 100℃ 오븐에서 12시간 동안 건조 시킨 후 촉매를 제조하는데 사용한다. Mo 전구체의 양은 소성 후 전이금속산화물의 질량비가 H-ZSM-5질량 대비 6wt%가 되도록 정량한 후 용매에 분산 및 용해시킨다. Mo 전구체 용해액은 건조된 H-ZSM-5에 합침법을 사용하여 담지시킨 후 30℃에서 3시간 동안 유지시켜 전이금속이 제올라이트 세공 내에 충분히 담지되도록 하고, 120℃에서 진공 건조시켜 용매를 완전히 제거한다. 용매가 제거된 Mo 담지된 제올라이트는 500℃ 4시간 동안 소성하여 불순물을 제거하고 Mo 산화물이 담지된 제올라이트 촉매를 제조한다.Ammonium-form ZSM-5 (NH 4 -ZSM-5, Si/Al=140) zeolite was purchased from Zeolyst (model name CBV 28014) and was calcined at 550°C for 12 hours to convert to H-from ZSM-5 make it H-ZSM-5 is dried in an oven at 100° C. for 12 hours before use, and then used to prepare the catalyst. The amount of the Mo precursor is quantified so that the mass ratio of the transition metal oxide after calcination is 6wt% relative to the H-ZSM-5 mass, and then dispersed and dissolved in a solvent. Mo precursor solution was supported on dried H-ZSM-5 using the impregnation method and maintained at 30°C for 3 hours so that the transition metal was sufficiently supported in the zeolite pores, and the solvent was completely removed by vacuum drying at 120°C. do. The solvent-removed Mo-supported zeolite is calcined at 500° C. for 4 hours to remove impurities and to prepare a Mo oxide-supported zeolite catalyst.

제조예 2 : Mo-HZSM-5 (140) / HZSM-5 (11.5) 촉매의 제조Preparation Example 2: Preparation of Mo-HZSM-5 (140) / HZSM-5 (11.5) catalyst

Mo 산화물이 담지된 H-ZSM-5 제올라이트 촉매는 상기 제조예1 방법으로 제조한다. Ammonium-form ZSM-5(NH4-ZSM-5, Si/Al=11.5) 제올라이트는 Zeolyst에서 구매(모델명 CBV 2314)하여 사용하였으며, 550℃에서 12시간 동안 소성하여 H-from ZSM-5로 전환시켜 사용한다. Mo-HZSM-5(140)/HZSM-5(11.5) 촉매는 아래의 방법을 통하여 제조한다. Mo 담지 ZSM-5와, 금속 비담지 HZSM-5의 무게 비율을 3 : 1로 하여 혼합하였다.The Mo oxide-supported H-ZSM-5 zeolite catalyst was prepared by the method of Preparation Example 1. Ammonium-form ZSM-5 (NH 4 -ZSM-5, Si/Al=11.5) zeolite was purchased from Zeolyst (model name CBV 2314) and was calcined at 550°C for 12 hours to convert to H-from ZSM-5 use it Mo-HZSM-5(140)/HZSM-5(11.5) catalyst is prepared through the following method. Mo-supported ZSM-5 and metal non-supported HZSM-5 were mixed in a weight ratio of 3:1.

분말 형태의 Mo 산화물이 담지된 H-ZSM-5(Si/Al=140)와 분말 형태의 H-ZSM-5(Si/Al=11.5)를 각가 성형한다. 상기 성형체를 각각 분쇄 후 일정크기의 입자로 만든 후 기계적 혼합방법을 사용하여 균일하게 분산 및 혼합시킨 후 복합촉매를 제조한다. H-ZSM-5 (Si/Al=140) on which Mo oxide in powder form is supported and H-ZSM-5 in powder form (Si/Al=11.5) are each molded. After grinding the molded body into particles of a certain size, uniformly dispersed and mixed using a mechanical mixing method to prepare a composite catalyst.

제조예 3 : Mo-HZSM-5 (140) / HZSM-5 (40) 촉매의 제조Preparation Example 3: Preparation of Mo-HZSM-5 (140) / HZSM-5 (40) catalyst

Mo이 담지되지 않은 HZSM-5의 Si/Al가 40인 것을 제외하고는 상기 제조예 2와 동일한 방법으로 Mo-HZSM-5(140)/HZSM-5(40) 촉매를 제조하였다.Mo-HZSM-5(140)/HZSM-5(40) catalyst was prepared in the same manner as in Preparation Example 2, except that the Si/Al of HZSM-5 on which Mo was not supported was 40.

비교예 1Comparative Example 1

3/8” Quartz 반응기에 상기 제조예 1의 촉매를 30 ~ 70 mesh 크기로 분쇄하여 반응기 내에 0.4g 채운 뒤, 불활성 가스를 흘려주며, 575℃까지 승온 하였다. 이후 동일 온도를 유지하면서, 메탄과 수소가 몰 비율 CH4/H2 = 2인 혼합 가스를 1atm에서 10 ml/min의 속도로 3 시간 동안 흘려주어 촉매가 환원 및 탄화로 인한 패시베이션이 진행되도록 하였다.The catalyst of Preparation Example 1 was pulverized to a size of 30 to 70 mesh in a 3/8” Quartz reactor, 0.4 g was filled in the reactor, and an inert gas was flowed thereto, and the temperature was raised to 575°C. Then, while maintaining the same temperature , a mixed gas having a molar ratio of CH 4 /H 2 = 2 of methane and hydrogen was flowed at 1 atm at a rate of 10 ml/min for 3 hours so that the catalyst undergoes passivation due to reduction and carbonization. .

이후 반응을 진행하기 위하여 상기 메탄과 수소의 혼합가스의 공급을 중단하고, 메탄과 메탄올을 몰비로 1:1로 혼합된 혼합물을 반응 압력은 1 atm, GHSV는 2850 ml/g-cat/h가 되도록 하여 반응기로 공급하여 메탄의 탈수소 방향족화 반응을 진행하였다. After that, in order to proceed with the reaction, the supply of the mixed gas of methane and hydrogen was stopped, and the reaction pressure was 1 atm, and the GHSV was 2850 ml/g-cat/h of a mixture of methane and methanol in a molar ratio of 1:1. It was supplied to the reactor to proceed with dehydrogenation and aromatization of methane.

반응기 후단의 생성물과 반응물을 포함하는 기체는 온라인 가스 크로마토그래피(online Gas chromatography)의 FID 및 TCD 검출기로 분석을 하여, 그 결과를 표 1 및 도 1, 도 2에 나타내었다. The gas containing the product and reactant at the rear end of the reactor was analyzed by FID and TCD detectors of online gas chromatography, and the results are shown in Table 1 and FIGS. 1 and 2 .

총 탄소 전환율(Total Carbon Conversion)은 생성물 중의 메탄올 및 메탄의 전체 탄소 몰 수를 반응물 중의 메탄올 및 메탄의 전체 탄소 몰수로 나눈 값이며, 탄소 선택도는 특정 반응물의 탄소 몰수를 전체 생성물을 탄소 몰 수로 나누어 계산하였다.Total carbon conversion is the total number of carbon moles of methanol and methane in the product divided by the total number of carbon moles of methanol and methane in the reactant, and carbon selectivity is the number of moles of carbon in a specific reactant divided by moles of carbon in the total product. divided and calculated.

실시예 1Example 1

상기 비교예 1에서 촉매를 제조예 2의 것으로 대체한 것을 제외하고는 동일하게 실험하고 그 결과를 표 1 및 도 1, 도 3에 나타내었다. The same experiment was performed except that the catalyst in Comparative Example 1 was replaced with that of Preparation Example 2, and the results are shown in Table 1 and FIGS. 1 and 3 .

실시예 2Example 2

상기 비교예 1에서 촉매를 제조예 3의 것으로 대체한 것을 제외하고는 동일하게 실험하고 그 결과를 표 1 및 도 1, 도 4에 나타내었다. The same experiment was performed except that the catalyst in Comparative Example 1 was replaced with that of Preparation Example 3, and the results are shown in Table 1 and FIGS. 1 and 4 .

구분division 총 탄소
전환율(%)
total carbon
Conversion rate (%)
선택도(%)Selectivity (%)
COxCOx AliphaticsAliphatics AromaticsAromatics BenzeneBenzene TolueneToluene XyleneXylene 비교예 1Comparative Example 1 63.263.2 1.71.7 71.571.5 26.826.8 3.03.0 9.09.0 12.212.2 실시예 1Example 1 67.567.5 1.51.5 69.269.2 29.329.3 3.83.8 11.611.6 12.212.2 실시예 2Example 2 64.564.5 3.13.1 62.262.2 34.634.6 4.04.0 11.711.7 15.315.3

상기 표 1은 반응 시작 후 8 시간동안 평균적인 탄소 전환율 및 생성물 선택도를 나타낸 것이다. 전체적으로 BTX의 선택도가 본원의 실시예에서 더 높게 나타남을 확인할 수 있어, 본원 발명의 촉매가 메탄 탈수소 방향족화 반응에서 유용하게 사용될 수 있음을 확인할 수 있다.Table 1 shows the average carbon conversion and product selectivity for 8 hours after the start of the reaction. Overall, it can be seen that the selectivity of BTX is higher in the examples of the present application, and it can be confirmed that the catalyst of the present invention can be usefully used in the methane dehydrogenation aromatization reaction.

도 1에는 비교예 1 및 실시예 1, 2에서의 탄소 전환율을 나타내었다.1 shows carbon conversion rates in Comparative Example 1 and Examples 1 and 2.

도 1에서 확인되듯이 촉매의 비활성화 정도는 각 반응의 경우에 크게 차이가 나지 않는 것으로 확인된다. As can be seen from FIG. 1 , it is confirmed that the degree of deactivation of the catalyst does not differ significantly in the case of each reaction.

도 2내지 도 4에는 각각 비교예 1, 실시예 1, 실시예 2의 생성물 선택도를 나타내었다.2 to 4 show the product selectivity of Comparative Example 1, Example 1, and Example 2, respectively.

탄소 전환율과는 달리, 상기 실시예 1에 따른 Mo-HZSM-5 (140) /HZSM-5 (11.5) 촉매를 사용하였을 때 메탄의 탈수소방향족화반응에서 방향족화합물의 선택도가 상대적으로 높아진 것을 확인할 수 있었으며(도 2 및 도3의 비교), 특히 톨루엔의 선택도가 시간에 따라 비활성화되는 비율이 상당히 줄어든 것이 확인된다. Unlike the carbon conversion rate, it was confirmed that the selectivity of the aromatic compound in the dehydroaromatization reaction of methane was relatively increased when the Mo-HZSM-5 (140) /HZSM-5 (11.5) catalyst according to Example 1 was used. It was possible (comparison of FIGS. 2 and 3), and in particular, it is confirmed that the rate at which the selectivity of toluene is deactivated with time is significantly reduced.

도 2와 도 4를 비교하면, 실시예 2에 따른 Mo-HZSM-5(140) /HZSM-5 (40) 촉매를 사용한 경우에 비활성화 정도는 Mo-HZSM-5(140) 단독 촉매에 비하여 시간에 다른 생성물의 비활성화 경향은 유사하게 나타나지만, 반응 시간별 방향족 화합물의 선택도가 Mo-HZSM-5(140) 만을 사용한 경우에 비하여 월등히 증가한 것을 볼 수 있다. 반응초기 활성 역시, 실시예 2에서의 톨루엔과 벤젠의 선택도 상승률이 높으며, 파라자일렌의 선택도 역시 안정적으로 높게 나타난다.2 and 4, in the case of using the Mo-HZSM-5(140) /HZSM-5(40) catalyst according to Example 2, the degree of deactivation was compared with that of the Mo-HZSM-5(140) alone catalyst. Although the deactivation tendency of other products is similar, it can be seen that the selectivity of aromatic compounds by reaction time is significantly increased compared to the case of using only Mo-HZSM-5(140). The activity in the initial stage of the reaction also showed a high rate of increase in the selectivity of toluene and benzene in Example 2, and the selectivity of para-xylene is also stably high.

또한, 실시예1과 실시예2를 비교하여 보면(도 3 및 도 4), 전이금속이 담지된 Mo-HZSM-5(140)와 혼합되는 제올라이트의 Si/Al 비율을 조절함에 따라 생성물 분포가 달라짐을 볼 수 있다.In addition, when comparing Example 1 and Example 2 (FIGS. 3 and 4), the product distribution is increased by adjusting the Si/Al ratio of the zeolite mixed with the transition metal-supported Mo-HZSM-5 (140). you can see the change.

즉, Si/Al 비율을 조절함에 따라 생성물의 선택도를 조절할 수 있음을 알 수 있다. That is, it can be seen that the selectivity of the product can be controlled by adjusting the Si/Al ratio.

이상으로 본 발명은 첨부된 도면 및 실시예를 참조하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술에 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.As described above, the present invention has been described with reference to the accompanying drawings and embodiments, but this is only exemplary, and that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom by those of ordinary skill in the art. will understand Therefore, the technical protection scope of the present invention should be defined by the following claims.

Claims (11)

메탄의 탈수소방향족화 반응용 촉매에 있어서,
메탄의 탈수소방향족화 반응은 함산소 탄소화합물을 반응물로서 포함하며,
상기 촉매는 금속 비담지 MFI 구조 및 MWW 구조에서 선택된 하나 이상의 제올라이트 및 상기 MFI 및 MWW 구조에서 선택된 하나 이상의 제올라이트에 주기율표상 ⅥB족에 속하는 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 텅스텐(W) 중 선택된 하나 이상이 담지된 제올라이트를 포함하는 복합촉매인 것을 특징으로 하는 메탄의 탈수소방향족화 반응용 촉매.
In the catalyst for dehydroaromatization of methane,
The dehydroaromatization reaction of methane includes an oxygen-containing carbon compound as a reactant,
The catalyst is selected from among molybdenum (Mo), chromium (Cr), and tungsten (W) belonging to group VIB on the periodic table in at least one zeolite selected from the MFI structure and the MWW structure, and at least one zeolite selected from the MFI and MWW structure. Catalyst for dehydroaromatization of methane, characterized in that it is a composite catalyst comprising at least one supported zeolite.
삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 MFI 및 MWW 구조에서 선택된 하나 이상의 제올라이트에 주기율표상 ⅥB족에 속하는 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 텅스텐(W) 중 선택된 하나 이상이 담지된 제올라이트의 Si/Al 몰 비율은 10 ~ 1000 범위이며, 금속 비담지 MFI 구조 및 MWW 구조에서 선택된 하나 이상의 제올라이트의 Si/Al 몰 비율은 10 ~ 1000 범위인 것을 특징으로 하는 메탄의 탈수소방향족화 반응용 촉매.
The method of claim 1,
The Si/Al molar ratio of the zeolite in which at least one selected from molybdenum (Mo), chromium (Cr), and tungsten (W) belonging to group VIB of the periodic table is supported on one or more zeolites selected from the MFI and MWW structures is in the range of 10 to 1000 and the Si/Al molar ratio of at least one zeolite selected from the metal-unsupported MFI structure and the MWW structure is in the range of 10 to 1000. Catalyst for dehydroaromatization of methane.
제 1항에 있어서,
상기 MFI 및 MWW 구조에서 선택된 하나 이상의 제올라이트에 주기율표상 ⅥB족에 속하는 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 텅스텐(W) 중 선택된 하나 이상이 담지된 제올라이트의 전이금속 함량은 0.5 ~ 20 wt%인 것을 특징으로 하는 메탄의 탈수소방향족화 반응용 촉매.
The method of claim 1,
The transition metal content of the zeolite in which at least one selected from molybdenum (Mo), chromium (Cr), and tungsten (W) belonging to group VIB of the periodic table is supported on at least one zeolite selected from the MFI and MWW structures is 0.5 to 20 wt% Catalyst for dehydroaromatization of methane, characterized in that.
제 1항에 있어서,
금속 비담지 MFI 구조 및 MWW 구조에서 선택된 하나 이상의 제올라이트는, MFI 및 MWW 구조에서 선택된 하나 이상의 제올라이트에 주기율표상 ⅥB족에 속하는 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 텅스텐(W) 중 선택된 하나 이상이 담지된 제올라이트에 대하여 15 ~ 80 wt%로 혼합 되는 것을 특징으로 하는 메탄의 탈수소방향족화 반응용 촉매.
The method of claim 1,
At least one zeolite selected from the metal-unsupported MFI structure and the MWW structure is at least one selected from among molybdenum (Mo), chromium (Cr), and tungsten (W) belonging to group VIB on the periodic table in at least one zeolite selected from the MFI and MWW structure. Catalyst for dehydroaromatization of methane, characterized in that it is mixed in an amount of 15 to 80 wt% with respect to the supported zeolite.
제 1항에 있어서,
상기 함산소 탄소화합물은 탄소수 1 내지 4개의 유기 산화물인 것을 특징으로 하는 메탄의 탈수소방향족화 반응용 촉매.
The method of claim 1,
The oxygen-containing carbon compound is a catalyst for dehydroaromatization of methane, characterized in that it is an organic oxide having 1 to 4 carbon atoms.
제 7항에 있어서,
상기 유기 산화물은 메탄올, 에탄올, 프로판올, 프로판디올, 부탄올, 부탄디올, 글리세롤, 아세트산, 아크릴산, 메탄알, 에탄알, 프로판알, 부탄알, 디메틸에테르, 디에틸에테르, 아세톤 중에서 선택된 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 메탄의 탈수소방향족화 반응용 촉매.
8. The method of claim 7,
The organic oxide is characterized in that at least one selected from methanol, ethanol, propanol, propanediol, butanol, butanediol, glycerol, acetic acid, acrylic acid, methanal, ethanal, propanal, butanal, dimethyl ether, diethyl ether, and acetone. Catalyst for dehydroaromatic reaction of methane.
제 1항, 제 4항 내지 제 8항 중에서 선택되는 어느 하나의 메탄의 탈수소방향족화 반응용 촉매 존재하에서,
메탄과 함산소 탄소화합물의 혼합물로부터 방향족화합물을 제조하는 방법.
In the presence of a catalyst for dehydroaromatization of methane of any one of claims 1, 4 to 8,
A method for producing an aromatic compound from a mixture of methane and oxygen-containing carbon compounds.
제 9항에 있어서,
메탄과 함산소 탄소화합물은 몰비율은 1 : 0.03 ~ 1 : 5 범위인 것을 특징으로 하는 메탄과 함산소 탄소화합물의 혼합물로부터 방향족화합물을 제조하는 방법.
10. The method of claim 9,
A method for producing an aromatic compound from a mixture of methane and oxygen-containing carbon compound, characterized in that the molar ratio of methane and oxygen-containing carbon compound is in the range of 1: 0.03 to 1: 5.
제 9항에 있어서,
반응 온도는 400~700℃, 반응압력은 1 ~ 15 atm, GHSV는 1,000 ~ 50,000 ml/g-cat/h인 것을 특징으로 하는 메탄과 함산소 탄소화합물의 혼합물로부터 방향족화합물을 제조하는 방법.
10. The method of claim 9,
A method for producing an aromatic compound from a mixture of methane and oxygen-containing carbon compounds, characterized in that the reaction temperature is 400 to 700 ° C, the reaction pressure is 1 to 15 atm, and the GHSV is 1,000 to 50,000 ml/g-cat/h.
KR1020190129003A 2019-10-17 2019-10-17 Catalyst for Dehydroaromatization of Methane and Production Method of BTX from Methane Using Said Catalyst KR102295224B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190129003A KR102295224B1 (en) 2019-10-17 2019-10-17 Catalyst for Dehydroaromatization of Methane and Production Method of BTX from Methane Using Said Catalyst

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190129003A KR102295224B1 (en) 2019-10-17 2019-10-17 Catalyst for Dehydroaromatization of Methane and Production Method of BTX from Methane Using Said Catalyst

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210045671A KR20210045671A (en) 2021-04-27
KR102295224B1 true KR102295224B1 (en) 2021-08-27

Family

ID=75725846

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190129003A KR102295224B1 (en) 2019-10-17 2019-10-17 Catalyst for Dehydroaromatization of Methane and Production Method of BTX from Methane Using Said Catalyst

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102295224B1 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102610122B1 (en) * 2021-10-15 2023-12-06 서울대학교산학협력단 Composite Catalyst Physically Mixed with Nickel Oxide and Method for Manufacturing the Same
WO2023106735A1 (en) * 2021-12-08 2023-06-15 고려대학교 산학협력단 Catalyst for preparation of aromatic compounds by dehydroaromatization, and method for preparing aromatic compounds using same

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8278237B2 (en) 2007-03-20 2012-10-02 Meidensha Corporation Catalyst for aromatization of lower hydrocarbons and process for production of aromatic compounds
US9169171B2 (en) 2011-09-21 2015-10-27 Agency For Science, Technology And Research Aromatization of methane with combination of catalysts

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Nikolay Kosinov 외, ACS Catal., 2017, 7, 1, 520~529 (2016.12.05.)
Zhixiang Xi 외, Molecular Catalysis, 475, 2019, 110493 (2019.06.28.)

Also Published As

Publication number Publication date
KR20210045671A (en) 2021-04-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Li et al. Aromatics production via methanol-mediated transformation routes
Zhou et al. New horizon in C1 chemistry: breaking the selectivity limitation in transformation of syngas and hydrogenation of CO 2 into hydrocarbon chemicals and fuels
Galadima et al. Advances in catalyst design for the conversion of methane to aromatics: a critical review
AU2009235497B2 (en) Method for the dehydroaromatisation of mixtures containing methane by regenerating the corresponding catalysts that are devoid of precious metal
CN102482177A (en) Carbohydrate route to para-xylene and terephthalic acid
CN103464193B (en) Fluidized catalyst for alcohol ether and hydrocarbon aromatization, and preparation method and application method thereof
JP5499669B2 (en) Process for producing lower hydrocarbon and aromatic compound and production catalyst
KR101895497B1 (en) Hydrocracking catalysts for the production of light alkyl-aromatic hydrocarbons, preparation method thereof and method for producing light alkyl-aromatic hydrocarbons using the same
TW201206868A (en) Alkylation of toluene to form styrene and ethylbenzene
Gao et al. Realizing efficient carbon dioxide hydrogenation to liquid hydrocarbons by tandem catalysis design
KR102295224B1 (en) Catalyst for Dehydroaromatization of Methane and Production Method of BTX from Methane Using Said Catalyst
Zeng et al. Recent advances of aromatization catalysts for C4 hydrocarbons
WO2005105710A1 (en) Method for producing lower olefin
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
KR101731165B1 (en) Catalysts for ethanol dehydration and production method of ethylene using same
Zhao et al. A mini review on recent advances in thermocatalytic hydrogenation of carbon dioxide to value-added chemicals and fuels
Lim et al. Direct non-oxidative conversion of shale gas to aromatics over active metal-modified ZSM-5 catalysts
Kella et al. Enhanced selectivity of benzene-toluene-ethyl benzene and xylene (BTEX) in direct conversion of n-butanol to aromatics over Zn modified HZSM5 catalysts
Anekwe et al. Catalytic conversion of low alcohol to hydrocarbons: challenges, prospects, and future work considerations
Sibi et al. Direct conversion of CO2 into aromatics over multifunctional heterogeneous catalysts
JP2010042344A (en) Catalyst for manufacturing lower olefin, method of manufacturing the same and method of manufacturing lower olefin using catalyst
KR102188532B1 (en) Molecular size-selective hydrocracking catalysts for the production of light aromatic hydrocarbons from polycyclic aromatic hydrocarbons
CN101279281B (en) High stability molecular sieve catalyst for preparing propylene transformed from methanol and preparation thereof
KR101665577B1 (en) Hydrocracking catalysts for light alkyl-aromatic hydrocarbons, method for the preparation thereof and method for process for preparing light alkyl-aromatic hydrocarbons having the high content of xylene using the hydrocracking catalysts
Martínez et al. Application of zeolites in the production of light olefins and BTX petrochemical intermediates

Legal Events

Date Code Title Description
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant