KR102325331B1 - Method for isobutylene from tert-butanol - Google Patents

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Abstract

본 발명은 터트-부탄올의 탈수 반응에서 비표면적이 30m2/g 이상의 지르코니움 산화물(ZrO2) 고체산 촉매를 사용하여, 터트-부탄올의 높은 전환율과 이소부틸렌에 대한 높은 선택도를 나타낼 수 있으면서도 이소부틸렌의 올리고머화 및 부반응을 억제할 수 있는 이소부틸렌의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다. 터트-부탄올의 높은 전환율과 이소부틸렌의 선택도로 별도의 증류공정을 추가하지 않아도, 높은 순도의 이소부틸렌을 얻을 수 있는 경제적인 효과가 있다.The present invention uses a zirconium oxide (ZrO 2 ) solid acid catalyst with a specific surface area of 30 m 2 /g or more in the dehydration reaction of tert-butanol to show high conversion of tert-butanol and high selectivity to isobutylene. An object of the present invention is to provide a method for producing isobutylene capable of suppressing oligomerization and side reactions of isobutylene. Due to the high conversion rate of tert-butanol and the selectivity of isobutylene, there is an economic effect of obtaining high purity isobutylene without adding a separate distillation process.

Description

터트-부탄올로부터 이소부틸렌의 제조방법{Method for isobutylene from tert-butanol}Method for preparing isobutylene from tert-butanol {Method for isobutylene from tert-butanol}

본 발명은 터트-부탄올로부터 이소부틸렌을 제조하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a process for preparing isobutylene from tert-butanol.

일반적으로 이소부틸렌은, 나프타 크래커의 C4 탄화수소 분획에서 1,3-부타디엔을 추출한 후의 잔사유(C4 Raffinate-1)에 대한 수화 또는 에스테르화 반응을 통해 터트-부탄올 또는 터트-부틸 메틸 에테르를 형성한 후, 이를 다시 해리시키는 방법에 의해 제조된다.In general, isobutylene forms tert-butanol or tert-butyl methyl ether through hydration or esterification on the residue (C4 Raffinate-1) after extraction of 1,3-butadiene from the C4 hydrocarbon fraction of naphtha crackers. After that, it is prepared by a method of dissociating it again.

이소부틸렌의 제조를 위한 터트-부탄올의 탈수 반응의 경우 부산물이 상대적으로 적게 생성되어 복잡한 공정이 요구되지 않는다. 터트-부틸 메틸 에테르의 디메톡시화 반응의 경우 공업적으로 널리 이용되는 기술이지만, 많은 종류의 부산물이 생성되어 정제 공정이 필수적이다.In the case of the dehydration reaction of tert-butanol for the production of isobutylene, relatively few by-products are produced, so a complicated process is not required. The dimethoxylation reaction of tert-butyl methyl ether is a technique widely used industrially, but a purification process is essential because many kinds of by-products are generated.

이전에 알려진 이소부틸렌의 제조 방법 중, 저온에서 황산을 사용한 터트-부탄올의 탈수 반응은 장치의 부식과 폐수 문제가 발생할 수 있다. 그리고, 강산성 이온 교환수지를 이용한 방법의 경우 반응물인 터트-부탄올과 생성물인 이소부틸렌 및 물이 평형 관계에 존재하여 반응 속도가 저하되는 문제점이 있다. Among the previously known methods for producing isobutylene, the dehydration reaction of tert-butanol using sulfuric acid at a low temperature may cause corrosion of the equipment and problems with wastewater. In addition, in the case of the method using a strongly acidic ion exchange resin, there is a problem in that the reaction rate is lowered because the reactant tert-butanol and the product isobutylene and water exist in an equilibrium relationship.

또한 높은 산세기를 가진 고체 산 촉매(제올라이트, 실리카-알루미나 등)를 이용한 방법의 경우 이소부틸렌의 올리고머화가 촉진되어 이소부틸렌에 대한 선택도가 저하되며, 촉매의 열 안정성 저하 및 유틸리티 비용이 많이 소모됨에 따라 상업화 운전에 많은 제한이 따른다.In addition, in the case of a method using a solid acid catalyst with high acid strength (zeolite, silica-alumina, etc.), oligomerization of isobutylene is promoted, thereby reducing the selectivity to isobutylene, reducing the thermal stability of the catalyst and reducing utility costs. As it consumes a lot, there are many restrictions on commercialization operation.

참고로, 상기 터트-부탄올의 탈수 반응에서 이소부틸렌의 올리고머화에 의해 디이소부틸렌 (또는 2,4,4- trimethyl-1-pentene), 트리이소부틸렌 (또는 2,4,4,6,6-pentamethyl-2-heptene) 등이 형성될 수 있는데, 이로 인해 목적 생성물인 이소부틸렌에 대한 선택도가 저하될 뿐만 아니라, 이들을 분리하기 위한 추가 공정을 필요로 하기 때문에, 이소부틸렌의 올리고머화를 억제하는 것이 생산성의 향상 측면에서 유리하다.For reference, by oligomerization of isobutylene in the dehydration reaction of tert-butanol, diisobutylene (or 2,4,4-trimethyl-1-pentene), triisobutylene (or 2,4,4, 6,6-pentamethyl-2-heptene), etc. may be formed, which not only lowers the selectivity to the desired product isobutylene, but also requires an additional process to separate them, so isobutylene Inhibiting the oligomerization of is advantageous in terms of productivity improvement.

그에 따라 약한 산세기를 가진 고체 산 촉매를 이용하여 95% 이상의 이소부틸렌의 수율을 보장함과 동시에 추가적인 증류와 같은 분리 단계 없이 99.5% 이상의 고순도 이소부틸렌을 제조할 수 있는 방법의 개발이 요구되고 있다.Accordingly, it is necessary to develop a method capable of producing high-purity isobutylene of more than 99.5% without a separation step such as additional distillation while ensuring a yield of 95% or more isobutylene using a solid acid catalyst with weak acidity. is becoming

하지만, 지금까지 제안된 터트-부탄올의 탈수 반응에 의한 이소부틸렌의 제조 방법은 터트-부탄올의 높은 전환 율과 이소부틸렌에 대한 높은 선택성을 동시에 충족시키지 못하고 있으며, 이소부틸렌의 올리고머화를 충분히 억제하지 못하는 한계가 있다.However, the method for producing isobutylene by the dehydration reaction of tert-butanol proposed so far does not satisfy the high conversion rate of tert-butanol and the high selectivity to isobutylene at the same time, and the oligomerization of isobutylene is not achieved. There are limits that cannot be sufficiently suppressed.

대한민국 등록특허공보 제1104106호 (2012.01.03)Republic of Korea Patent Publication No. 1104106 (2012.01.03) 미국 등록특허 제 4873391호 (1989.10.10)US Registered Patent No. 4873391 (10.10. 1989) 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0034066호(2018.04.04)Republic of Korea Patent Publication No. 10-2018-0034066 (2018.04.04)

본 발명은 터트-부탄올의 탈수 반응에서 터트-부탄올의 높은 전환율과 이소부틸렌에 대한 높은 선택도를 나타낼 수 있으면서도 이소부틸렌의 올리고머화 및 부반응을 억제할 수 있는 이소부틸렌의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.The present invention provides a method for producing isobutylene that can suppress oligomerization and side reactions of isobutylene while exhibiting high conversion of tert-butanol and high selectivity to isobutylene in the dehydration reaction of tert-butanol it is to do

본 발명은, 상기 목적을 달성하기 위하여, 지르코니움 산화물(Zirconium Oxide, ZrO2) 촉매의 존재하에 터트-부탄올 및 수증기를 포함한 기상의 반응물을 상기 촉매와 접촉시켜 이소부틸렌을 얻는 탈수 반응 단계를 포함하는 이소부틸렌의 제조 방법이 제공된다. The present invention, in order to achieve the above object, in the presence of a zirconium oxide (Zirconium Oxide, ZrO 2 ) catalyst - a dehydration reaction step of obtaining isobutylene by contacting a reactant in the gas phase including tert-butanol and water vapor with the catalyst There is provided a method for producing isobutylene comprising a.

이하, 본 발명의 구현 예에 따른 이소부틸렌의 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다. 다만, 본 발명은 여러 가 지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 구현 예에 의해 한정되지 않는다.Hereinafter, a method for producing isobutylene according to an embodiment of the present invention will be described in detail. However, the present invention may be implemented in various different forms, and is not limited by the embodiments described herein.

본 명세서에서 명시적인 언급이 없는 한, 전문 용어는 단지 특정 구현 예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 또한, 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백한 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.Unless explicitly stated herein, terminology is for the purpose of referring to specific embodiments only, and is not intended to limit the present invention. Also, as used herein, the singular forms include the plural forms unless the phrases clearly indicate the opposite.

본 명세서에서 사용되는 '포함'의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 또는 성분의 부가를 제외시키는 것은 아니다.The meaning of 'comprising' as used herein is to specify a particular characteristic, region, integer, step, operation, element or component, and excludes the addition of another particular characteristic, region, integer, step, operation, element, or component. it is not

한편, 본 발명자들의 연구에 따르면, 터트-부탄올의 탈수 반응에 의한 이소부틸렌의 제조 공정에, 지르코니움 산화물 촉매를 이용할 경우, 터트-부탄올의 높은 전환율과 이소부틸렌에 대한 높은 선택도가 확보될 수 있으며, 이소부틸렌의 올리고머화도 억제될 수 있음이 확인되었다.On the other hand, according to the research of the present inventors, when a zirconium oxide catalyst is used in the production process of isobutylene by the dehydration reaction of tert-butanol, high conversion of tert-butanol and high selectivity to isobutylene are obtained. It was confirmed that oligomerization of isobutylene can also be suppressed.

이러한 발명의 일 구현 예에 따르면, 지르코니움 산화물 촉매 존재하에, 터트-부탄올 및 수증기를 포함한 기상의 반응물을 상기 촉매와 접촉시켜 이소부틸렌을 얻는 탈수 반응 단계를 포함하는, 이소부틸렌의 제조 방법이 제공된다.According to one embodiment of the present invention, in the presence of a zirconium oxide catalyst, a dehydration reaction step of obtaining isobutylene by contacting a reactant in a gas phase including tert-butanol and water vapor with the catalyst, Preparation of isobutylene A method is provided.

상기 이소부틸렌의 제조 방법은 불균일계 고체 산 촉매의 존재 하에 터트-부탄올의 탈수 반응에 의해 이소부틸렌을 제조하는 방법이다.The method for preparing isobutylene is a method for preparing isobutylene by dehydration of tert-butanol in the presence of a heterogeneous solid acid catalyst.

특히, 터트-부탄올의 탈수 반응에 이용되는 불균일계 고체 산 촉매는, 비표면적이 30m2/g 이상의 지르코니움 산화물 촉매이다. In particular, the heterogeneous solid acid catalyst used for the dehydration reaction of tert-butanol is a zirconium oxide catalyst having a specific surface area of 30 m 2 /g or more.

한편, 발명의 구현 예에 따르면, 상기 탈수 반응은 터트-부탄올 및 수증기를 포함한 기상의 반응물을 상기 촉매와 접촉시키는 방법으로 수행될 수 있다. 일 예로, 상기 탈수 반응은 상기 촉매가 충진된 고정층 반응기에 상기 반응물 스트림을 제공하여 촉매와의 접촉이 이루어지도록 하는 방법으로 수행될 수 있다. Meanwhile, according to an embodiment of the present invention, the dehydration reaction may be performed by contacting a reactant in a gas phase including tert-butanol and water vapor with the catalyst. For example, the dehydration reaction may be performed by providing the reactant stream to a fixed-bed reactor loaded with the catalyst to be brought into contact with the catalyst.

이때, 상기 반응물의 잠열에 의한 반응 온도의 변화를 최소화하기 위하여, 상기 반응물을 예열하여 기화된 상태로 주입하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 기상의 반응물은 터트-부탄올 및 수증기를 포함하는 것으로서, 특히 50 내지 100 중량%의 터트-부탄올을 포함하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 기상의 반응물은 70 중량% 이상, 그리고 87 중량% 이하, 터트-부탄올을 포함할 수 있다. In this case, in order to minimize the change in reaction temperature due to the latent heat of the reactant, it is preferable to preheat the reactant and inject it in a vaporized state. And, the reactant in the gas phase includes tert-butanol and water vapor, and in particular preferably contains 50 to 100% by weight of tert-butanol. Specifically, the reactant in the gas phase may include 70 wt% or more, and 87 wt% or less, tert-butanol.

한편, 상기 탈수 반응 단계는 300 내지 400 ℃의 온도 및 0.01 내지 3 h-1 의 공간속도(WHSV) 하에서 수행될 수 있다. 그리고, 상기 탈수 반응 단계는 0.5 내지 5 기압, 바람직하게는 상압(0~1.0barg) 하에서 수행될 수 있다. 상기 상압에서는 촉매 및 장치에 의한 자연적인 압력 강하가 있을 수 있다. 그리고, 상기 공간속도(WHSV)는 반응에 이용된 촉매의 질량 대비 반응물 내 터트-부탄올의 순질량 유입속도를 나타내는 것으로서, 상기 탈수 반응의 효율을 위해서 0.5 이상 3 h-1 이하의 공간속도가 바람직하다. 상기 탈수 반응 단계의 온도 및 공간속도의 범위를 벗어날 경우, 전환율 및 수율이 감소할 수 있다.Meanwhile, the dehydration reaction step may be performed at a temperature of 300 to 400 °C and a space velocity (WHSV) of 0.01 to 3 h -1 . And, the dehydration reaction step may be carried out under 0.5 to 5 atmospheres, preferably atmospheric pressure (0 to 1.0 barg). At the normal pressure, there may be a natural pressure drop caused by the catalyst and the device. In addition, the space velocity (WHSV) represents the net mass inflow rate of tert-butanol in the reactant relative to the mass of the catalyst used for the reaction. For the efficiency of the dehydration reaction, the space velocity is preferably 0.5 or more and 3 h -1 or less. do. When the temperature and space velocity of the dehydration step are out of the range, the conversion rate and yield may decrease.

발명의 구현 예에 따른 이소부틸렌의 제조 방법은 상술한 단계 및 제반 조건 하에서 수행됨에 따라, 95 % 이상 터트-부탄올의 전환율을 나타낼 수 있다. 또한 상기 이소부틸렌의 제조 방법은 1 % 미만 이소부틸렌 올리고머 (예를 들어, 디이소부틸렌 및 트리이소부틸렌)에 대한 선택도를 나타내어, 이소부틸렌 올리고머가 최소화되어, 이소부틸렌에 대한 높은 선택도를 얻을 수 있다.The method for producing isobutylene according to an embodiment of the present invention may exhibit a conversion rate of tert-butanol of 95% or more as it is performed under the above-described steps and conditions. In addition, the method for preparing isobutylene exhibits selectivity for less than 1% isobutylene oligomers (eg, diisobutylene and triisobutylene), so that isobutylene oligomers are minimized, and thus isobutylene high selectivity can be obtained.

본 발명에 따른 이소부틸렌의 제조 방법은 터트-부탄올의 탈수 반응에서 터트-부탄올의 높은 전환율과 이소부틸렌에 대한 높은 선택도를 나타낼 수 있으면서도 이소부틸렌의 올리고머화 및 부반응을 억제할 수 있어, 높은 수율로 이소부틸렌의 제조를 가능케 한다.The method for producing isobutylene according to the present invention can exhibit high conversion of tert-butanol and high selectivity to isobutylene in the dehydration reaction of tert-butanol, while suppressing oligomerization and side reactions of isobutylene. , enabling the production of isobutylene in high yield.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 하지만, 본 발명의 범위가 하기 실시예들에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail, but the scope of the present invention is not limited to the following examples.

제조예manufacturing example

상용 지르코니움 산화물 입자(extrudate, 5mm, 제품번호 SZ31163, Saint-Gobain사, 프랑스)를 터트-부탄올 탈수용 촉매로 준비하였다. 촉매의 비표면적은 60 m2/g 이었다.Commercial zirconium oxide particles (extrudate, 5 mm, product number SZ31163, Saint-Gobain, France) were prepared as a catalyst for dehydration of tert-butanol. The specific surface area of the catalyst was 60 m 2 /g.

참고예 1Reference Example 1

상용 알루미나 입자(pellets, 3mm, 제품번호 414069, Sigma-Aldrich사, 미국)를 터트-부탄올 탈수용 촉매로 준비하였다. 촉매의 비표면적은 200 m2/g 이었다.Commercial alumina particles (pellets, 3 mm, product number 414069, Sigma-Aldrich, USA) were prepared as a catalyst for dehydration of tert-butanol. The specific surface area of the catalyst was 200 m 2 /g.

참고예 2Reference Example 2

상용 지르코니움 설페이트 입자(pellets, 3mm, 제품번호 SZ61192, Saint-Gobain사, 프랑스)를 터트-부탄올 탈수용 촉매로 준비하였다. 촉매의 비표면적은 130 m2/g 이었다.Commercial zirconium sulfate particles (pellets, 3 mm, product number SZ61192, Saint-Gobain, France) were prepared as catalysts for dehydration of tert-butanol. The specific surface area of the catalyst was 130 m 2 /g.

실시예 1Example 1

상기 제조예에 따른 10g의 터트-부탄올 탈수용 촉매를 고정층 반응기에 충진한 후, 촉매층을 360℃로 예열하였다. 85% 중량%의 터트-부탄올을 함유한 수용액을 예열한 기상의 반응물이 상기 반응기의 촉매층에 1.0 h-1의 공간속도(WHSV)로 주입되었고, 360℃ 온도 및 상압 하에서 탈수 반응이 수행되었다.10 g of tert-butanol dehydration catalyst according to Preparation Example was charged in a fixed bed reactor, and then the catalyst bed was preheated to 360°C. A reactant in the gaseous phase of preheating an aqueous solution containing 85% by weight of tert-butanol was injected into the catalyst bed of the reactor at a space velocity (WHSV) of 1.0 h −1 , and dehydration reaction was performed at a temperature of 360° C. and atmospheric pressure.

실시예 2Example 2

반응온도를 380℃ 로 변경시킨 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 탈수 반응이 수행되었다.A dehydration reaction was performed in the same manner as in Example 1, except that the reaction temperature was changed to 380°C.

비교예 1Comparative Example 1

반응온도를 250℃ 로 변경시킨 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 탈수 반응이 수행되었다.A dehydration reaction was performed in the same manner as in Example 1, except that the reaction temperature was changed to 250°C.

비교예 2Comparative Example 2

반응온도를 450℃ 로 변경시킨 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 탈수 반응이 수행되었다.A dehydration reaction was performed in the same manner as in Example 1, except that the reaction temperature was changed to 450°C.

비교예 3Comparative Example 3

공간속도를 2.0 h-1로 변경시킨 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 탈수 반응이 수행되었다.A dehydration reaction was performed in the same manner as in Example 1, except that the space velocity was changed to 2.0 h -1.

비교예 4Comparative Example 4

촉매를 참고예 2의 지르코니움 설페이트 입자로 변경시키고, 반응온도 260℃로 변경시킨 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 탈수 반응이 수행되었다.A dehydration reaction was performed in the same manner as in Example 1, except that the catalyst was changed to the zirconium sulfate particles of Reference Example 2 and the reaction temperature was changed to 260°C.

비교예 5Comparative Example 5

촉매를 참고예 1의 알루미나 입자로 변경시킨 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 탈수 반응이 수행되었다.A dehydration reaction was performed in the same manner as in Example 1, except that the catalyst was changed to the alumina particles of Reference Example 1.

상기 탈수 반응 시작 후 10시간이 경과된 후, gas chromatography로 분해반응 후 유출되는 생성물을 분석하여, 아래 수식으로 터트-부탄올의 전환율 및 선택도를 계산하였다. 이소부틸렌 이외 생성물은 올리고머(디이소부틸렌, 트리이소부틸렌 등)로 계산하였다.After 10 hours had elapsed from the start of the dehydration reaction, the product effluent after the decomposition reaction was analyzed by gas chromatography, and the conversion rate and selectivity of tert-butanol were calculated using the following formula. Products other than isobutylene were calculated as oligomers (diisobutylene, triisobutylene, etc.).

[수식 1][Formula 1]

터트-부탄올 전환율(%) = [투입된 터트-부탄올의 몰수 - 반응 후 잔존 터트-부탄올의 몰수]/[투입된 터트-부탄올의 몰수] X 100Tert-butanol conversion (%) = [the number of moles of tert-butanol added - the number of moles of tert-butanol remaining after the reaction]/[the number of moles of input tert-butanol] X 100

[수식 2][Equation 2]

이소부틸렌 선택도(%) = [생성된 이소부틸렌 몰 수]/[전환된 터트-부탄올 몰 수] X 100Isobutylene selectivity (%) = [number of moles of isobutylene produced]/[number of moles of tert-butanol converted] X 100

[수식 3][Equation 3]

올리고머 선택도(%) = [생성된 올리고머 몰 수]/[전환된 터트-부탄올 몰 수] X 100Oligomer selectivity (%) = [number of moles of oligomer produced]/[number of moles of tert-butanol converted] X 100

[수식 4][Equation 4]

이소부틸렌 수율(%) = [생성된 이소부틸렌 몰 수]/[투입된 터트-부탄올의 몰수] X 100Yield of isobutylene (%) = [number of moles of isobutylene produced]/[number of moles of tert-butanol added] X 100

Figure 112019131913204-pat00001
Figure 112019131913204-pat00001

상기 표 1 결과를 토대로, 지르코니움 산화물 촉매에서 높은 터트-부탄올 전환율 및 이소부틸렌 선택도을 얻을 수 있었다.Based on the results of Table 1, high tert-butanol conversion and isobutylene selectivity were obtained in the zirconium oxide catalyst.

Claims (3)

지르코니움 산화물 촉매의 존재하에, 터트-부탄올 및 수증기를 포함한 기상의 반응물을 촉매와 접촉시켜 이소부틸렌을 얻는 탈수 반응 단계를 포함하며,
상기 탈수 반응 단계는 300 내지 400℃의 온도 및 0.1 내지 1 h-1의 공간속도(WHSV) 하에서 수행되는, 이소부틸렌의 제조 방법.
A dehydration reaction step of obtaining isobutylene by contacting a reactant in a gas phase including tert-butanol and water vapor with the catalyst in the presence of a zirconium oxide catalyst,
The dehydration reaction step is carried out at a temperature of 300 to 400 ℃ and a space velocity (WHSV) of 0.1 to 1 h -1, the method for producing isobutylene.
제1항에 있어서, 지르코니움 산화물 촉매는 비표면적이 30m2/g 이상인 것을 특징으로 하는 이소부틸렌의 제조 방법.The method for producing isobutylene according to claim 1, wherein the zirconium oxide catalyst has a specific surface area of 30 m 2 /g or more. 삭제delete
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