KR102551320B1 - Method for improving production yield of 2-butanol using solubilizer in butene hydration reaction - Google Patents
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Abstract
본 발명은 n-부텐의 수화반응에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용해 증진제를 투입하여 n-부텐의 수화반응으로부터 2-부탄올 생산 수율을 향상시키는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a hydration reaction of n-butene, and more particularly, to a method for improving the yield of 2-butanol produced from the hydration reaction of n-butene by introducing a dissolution enhancer.
Description
본 발명은 n-부텐의 수화반응에 용해 증진제(solubilizer)를 적용하여 2-부탄올 생산 수율을 향상시키는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용해증진제로 계면활성제를 사용하여 n-부텐의 수화반응(Hydration reaction)을 통해 2-부탄올을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for improving the production yield of 2-butanol by applying a solubilizer to the hydration reaction of n-butene, and more particularly, to the hydration reaction of n-butene using a surfactant as a solubilizer ( It relates to a method for producing 2-butanol through hydration reaction).
2-부탄올은 용제나 에센스 합성에 이용되기도 하지만 대부분 메틸-에틸-케톤(MEK)의 원료로써 사용된다. MEK는 비닐 수지, 셀룰로오즈 아세테이트, 니트로셀룰로오즈 등의 물질에 대한 효과적인 용제이기 때문에 페인트, 코팅, 프릴트용 잉크 또는 접착제의 원료로 사용된다.2-Butanol is also used for solvent or essence synthesis, but is mostly used as a raw material for methyl-ethyl-ketone (MEK). Since MEK is an effective solvent for substances such as vinyl resin, cellulose acetate, and nitrocellulose, it is used as a raw material for paints, coatings, frill inks, or adhesives.
지금까지 대부분의 MEK는 구리, 아연을 기반으로 하는 촉매 하에서 2-부탄올의 탈수소화 공정을 통해 생산되고 있다. 이러한 공정에서 이윤을 늘리기 위해 제안된 것이 Butene-to-MEK 공정이다. 다양한 석유화학공정에서 생성되는 n-부텐을 산촉매 하에서 수화시켜 2-부탄올을 제조하고 다시 탈수소화를 통해 MEK를 생산하는 방법이다. 이러한 부텐의 수화에는 황산이 주로 사용되는데 반응조건이 평이하고 통제하기 쉽다는 장점이 있으나 반응 장비의 심각한 부식, 추가적인 황산 처리 비용, 환경적인 문제가 있다는 단점이 있다. 따라서 상기의 문제를 해결하기 위해 제올라이트(비특허 문헌 1), 이온 교환 수지(비특허 문헌 2), 헤테로폴리산(비특허 문헌 3) 등의 황산을 대체할 수 있는 산촉매에 대한 연구가 이루어졌다. Until now, most of MEK has been produced through the dehydrogenation process of 2-butanol in the presence of a copper or zinc-based catalyst. Butene-to-MEK process is proposed to increase profit in this process. This is a method of producing 2-butanol by hydrating n-butene produced in various petrochemical processes under an acid catalyst and then dehydrogenating it to produce MEK. Sulfuric acid is mainly used for hydration of butene, which has the advantage of simple reaction conditions and easy control, but has disadvantages such as severe corrosion of reaction equipment, additional sulfuric acid treatment cost, and environmental problems. Therefore, in order to solve the above problems, research on acid catalysts that can replace sulfuric acid, such as zeolite (Non-Patent Document 1), ion exchange resin (Non-Patent Document 2), and heteropoly acid (Non-Patent Document 3), has been conducted.
이온교환수지를 촉매로 사용하는 수화 공정은 물과 n-부텐이 액상에서 직접 반응하는 직접 수화 메커니즘으로 반응이 진행된다(비특허 문헌 3). In the hydration process using an ion exchange resin as a catalyst, the reaction proceeds with a direct hydration mechanism in which water and n-butene react directly in a liquid phase (Non-Patent Document 3).
따라서 n-부텐이 물에 용해되는 정도가 반응의 활성에 중요한 요소가 된다. 이에 본 발명자들은 지속적인 연구를 통해 부텐의 물 용해도를 증가시키고자 용해 증진제를 사용하여 높은 수율로 2-부탄올을 제조할 수 있는 촉매반응공정을 개발하였다.Therefore, the degree of dissolution of n-butene in water is an important factor in the activity of the reaction. Accordingly, the inventors of the present invention have developed a catalytic reaction process capable of producing 2-butanol in high yield using a solubility enhancer in order to increase the solubility of butene in water through continuous research.
본 발명의 목적은 용해증진제를 사용하여 n-부텐으로부터 2-부탄올 생산 수율을 안정적으로 개선시키는 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a method for stably improving the yield of 2-butanol produced from n-butene using a solubility enhancer.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 1-부텐, 시스-2-부텐 및 트랜스-2-부텐 중에서 선택된 어느 하나의 n-부텐 또는 이들의 혼합물인 n-부텐 혼합가스를 포함하는 흐름을 원료(10)로 하고, 원료(10)인 n-부텐 또는 n-부텐 혼합가스로부터 2-부탄올을 제조하는데 있어서, 용해증진제를 사용하여 부텐의 물 용해도를 증가시키고 이를 통해 2-부탄올을 높은 수율로 제조할 수 있는 방법을 제공한다. In order to achieve the above technical problem, the present invention provides a flow containing any one n-butene selected from 1-butene, cis-2-butene and trans-2-butene or a mixture of n-butene mixtures thereof as a raw material (10), and in producing 2-butanol from n-butene or n-butene mixed gas as
상기 원료(10)는 상기 n-부텐 또는 n-부텐 혼합가스가 상기 원료 흐름 중 50wt% 이상으로 포함되는 것이 본 반응에 바람직하다.In the
상기 계면활성제는 비이온성 계면활성제로서, 알킬 폴리글루코사이드(Alkyl Polyglucosides)를 사용하며, 상기 비이온성 계면활성제를 사용할 경우 다른 계면활성제에 비하여, 친수기와 친유기의 발란스를 쉽게 변화시킬 수 있어 분자의 극성조절이 가능해 반응물에 따른 최적의 유화제를 선택하여 사용할 수 있다는 장점이 있으며, 또한, 비이온성 계면활성제는 산 또는 알칼리성 매질 속에서도 안정하다는 장점이 있어 산 촉매를 사용하는 본 반응에서도 안정하다.The surfactant is a nonionic surfactant, and alkyl polyglucosides are used. When the nonionic surfactant is used, the balance between the hydrophilic group and the lipophilic group can be easily changed compared to other surfactants, thereby controlling the polarity of the molecule. This has the advantage of being able to select and use the optimal emulsifier according to the reactant, and also has the advantage that nonionic surfactants are stable even in acidic or alkaline media, so they are stable even in this reaction using an acid catalyst.
또한, 본 발명은 이온교환수지 촉매의 존재 하에 n-부텐을 60 내지 150 ℃와 30 내지 100 bar 범위의 온도, 압력 조건에서 수화반응시키는 단계를 포함하는 n-부텐의 수화 반응에 의한 2-부탄올의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides 2-butanol by the hydration reaction of n-butene, which includes the step of hydrating n-butene at a temperature and pressure in the range of 60 to 150 ° C. and 30 to 100 bar in the presence of an ion exchange resin catalyst. Provides a manufacturing method of.
본 발명은, 원료(10)인 n-부텐 또는 n-부텐 혼합가스의 수화반응에 상기 용해증진제를 첨가하고, 상기 수화반응은 연속식 고압반응기의 고정층반응기(108)에서 진행되며, 상기 이온교환수지 촉매가 상기 고정층반응기(108)에 충진된다.In the present invention, the dissolution enhancer is added to the hydration reaction of n-butene or n-butene mixed gas as
상기 용해증진제는 계면활성제를 사용하고, 상기 계면활성제로는 극성인 물과 비극성인 부텐(원료)을 잘 섞이게 만들어 수화반응을 향상시키는 것이면서 본 반응에 안정적이면 제한되지 않으나, 비이온성 계면활성제를 사용하는 것이 산 촉매를 사용하는 본 반응에 바람직하며, 특히 알킬 폴리글루코사이드를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.The dissolution enhancer uses a surfactant, and the surfactant improves the hydration reaction by making polar water and non-polar butene (raw material) well mixed, but is not limited as long as it is stable in the reaction. It is preferable to use an acid catalyst for this reaction, and it is more preferable to use an alkyl polyglucoside in particular.
상기 용해증진제는 상기 용해증진제 및 증류수의 혼합물의 형태로 주입되며, 상기 혼합물 중 상기 용해증진제가 함량 1~30%으로 구성된다.The solubility enhancer is injected in the form of a mixture of the solubility enhancer and distilled water, and the content of the solubility enhancer in the mixture is 1 to 30%.
원료인 n-부텐 또는 n-부텐 혼합가스는 상기 고정층반응기(108)에 충진된 이온교환수지 촉매의 존재 하에서 수화반응되며, 상기 원료는 질량흐름제어기를 통해 LHSV 1 ~ 5h-1의 유량으로 상기 고정층반응기(103)에 주입된다.Raw material n-butene or n-butene mixed gas is hydrated in the presence of an ion exchange resin catalyst filled in the
상기 수화반응은 반응온도가 60~150℃이고, 반응압력이 30~100 bar에서 수행된다.The hydration reaction is carried out at a reaction temperature of 60 to 150 ° C and a reaction pressure of 30 to 100 bar.
본 발명에 따르면 용해증진제를 사용하여 액상에서 n-부텐의 직접 수화 반응을 수행하는 경우, 용해증진제를 사용하지 않은 경우보다 높은 수율로 2-부탄올을 제조할 수 있다.According to the present invention, when direct hydration of n-butene is performed in a liquid phase using a solubility enhancer, 2-butanol can be produced in a higher yield than when a solubility enhancer is not used.
도 1은 n-부텐으로부터 직접수화 반응을 통한 2-부탄올의 제조에 사용되는 연속식 고압 반응기의 모식도를 나타낸 것이다.1 is a schematic diagram of a continuous high-pressure reactor used in the production of 2-butanol through direct hydration from n-butene.
실시예 1: 용해증진제를 사용한 수화반응에 의한 n-부텐의 2-부탄올 제조Example 1: Preparation of 2-butanol from n-butene by hydration using a dissolution enhancer
용해증진제로 비이온성 계면활성제를 이용하면서, n-부텐의 수화 반응에 의한 2-부탄올의 제조 반응을 수행하였다.While using a nonionic surfactant as a dissolution enhancer, a reaction for producing 2-butanol by a hydration reaction of n-butene was performed.
본 실시예에서 사용한 반응장치는 도 1과 같다. 이온교환수지 촉매는 고정층반응기(108)에 충진되어 있으며, 용해증진제(11)인 5% 계면활성제 수용액과 n-부텐 또는 n-부텐 혼합가스인 원료(10)를 펌프를 이용하여 상기 고정층반응기(108)에 일정유량으로 주입하였다.The reactor used in this example is shown in FIG. 1. The ion exchange resin catalyst is filled in a
상기 원료(10)인 n-부텐은 부텐으로서, 1-부텐, 시스-2-부텐 또는 트랜스-2-부텐 중에서 선택된 어느 하나의 단일 노말 부텐 또는 그 혼합물이며, 상기 원료(10)는 상기 단일 노말 부텐(n-butene) 또는 그 혼합물인 부텐의 함량이 상기 원료 흐름 중 최소 50wt% 이상을 포함하는 것이 바람직하며, 70wt%이상인 것이 더욱 바람직하다. 부텐의 함량이 상기 원료(10) 흐름 중 50wt% 미만에서는 생성물 수율이 낮아지는 문제점이 있다. The
상기 원료(10)는 질량흐름제어기(103, MFC)를 통하여 고정층반응기(108)에 주입되며, 상기 질량흐름제어기(103)는 주입되는 부텐의 유량을 조절하는 역할을 수행한다.The
상기 질량흐름제어기로 조절되는 부텐의 유량은 LHSV 1 ~ 5 h-1이 바람직하며, LHSV 1 ~ 3 h-1이 더 바람직하다. 상기 유량이 LHSV 1h-1이하에서는 생산효율이 낮아지고, LHSV 5 h-1이상에서는 부텐 전환율이 낮아지는 문제점이 있다.The flow rate of butene controlled by the mass flow controller is preferably LHSV 1 to 5 h -1 , and more preferably LHSV 1 to 3 h -1 . When the flow rate is less than LHSV 1h -1 , production efficiency is lowered, and when LHSV is 5 h -1 or more, there is a problem in that butene conversion rate is lowered.
상기 도 1 중, 주입되는 용해증진제+증류수(11)는 용해증진제와 증류수의 혼합물 형태로서, 상기 용해증진제와 증류수의 혼합물 중 용해증진제 함량이 1~30%인 것이 바람직하며, 5~10wt%인 것이 더욱 바람직하다. 용해증진제 함량이 1% 미만인 경우 용해 증진효과가 미미하다.In FIG. 1, the injected solubility enhancer + distilled
본 발명의 실시예에 사용된 용해증진제 중 계면활성제는 비이온성 계면활성제 중 알킬 폴리글루코사이드를 이용하는 Dow사의 TRITON™ BG-10을 사용하였다.Among the dissolution enhancers used in Examples of the present invention, surfactant was TRITON™ BG-10 from Dow, which uses an alkyl polyglucoside among nonionic surfactants.
상기 도 1중, 생성물인 증기(12)는 미반응한 부텐이 가스상태로 얻어지는 것을 의미하고, 상기 증기(12)가 제거된 흐름이 1번 저장기(110)로부터 2번 저장기(111)로 주입되며, 상기 2번 저장기(111)로부터 배출되는 미반응 물 및 생성된 2-부탄올(14)과 함께, 그 일부로서 수화반응을 통해 생성된 2차 부틸 알코올과 미반응된 물이 함께 얻어지는 액체 샘플(13)을 얻을 수 있었으며, 상기 액체샘플(13)의 결과를 하기 표 1에 나타내었다.1,
상기 고정층반응기(108)의 온도를 140℃까지 올리고, 반응기 압력을 60 bar까지 가압한 후 상기 2-부탄올의 제조 반응을 진행하였다. The temperature of the
본 발명의 실시형태에서는, 상기 고정층반응기(108)에서 사용된 이온교환수지 촉매로서, 양이온 교환 수지인 엠버리스트-15(Amberlyst-15) 고체산 촉매를 사용하였다.In the embodiment of the present invention, as the ion exchange resin catalyst used in the
반응 시작 후 4 시간 간격으로 생성물을 샘플링하여 1-부텐의 전환율, 2-부탄올의 선택도, 2-부탄올의 수율을 하기의 수학식 1, 2, 3과 같이 계산하였다.After the start of the reaction, the product was sampled at intervals of 4 hours, and the conversion of 1-butene, the selectivity of 2-butanol, and the yield of 2-butanol were calculated as in Equations 1, 2, and 3 below.
[수학식 1][Equation 1]
[수학식 2][Equation 2]
[수학식 3][Equation 3]
비교예 1: 용해증진제를 사용하지 않은 수화반응에 의한 n-부텐의 2-부탄올 제조Comparative Example 1: Preparation of 2-butanol from n-butene by hydration without using a solubility enhancer
용해증진제를 사용하지 않은 것을 제외하고 나머지는 실시예1과 동일하게 실험을 진행하였다.The experiment was conducted in the same manner as in Example 1 except that the dissolution enhancer was not used.
하기 표 1은 실시예1과 비교예1의 2-부탄올 수율 결과이다. 용해증진제를 사용하였을 경우(실시예 1), 부텐의 물에 대한 용해도가 안정적으로 증가함에 따라, 2-부탄올 수율이 크게 향상되었음을 확인할 수 있다.Table 1 below shows the 2-butanol yield results of Example 1 and Comparative Example 1. In the case of using the solubility enhancer (Example 1), it can be confirmed that the yield of 2-butanol is greatly improved as the solubility of butene in water is stably increased.
앞에서 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에겐 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.The embodiments of the present invention described above should not be construed as limiting the technical spirit of the present invention. The protection scope of the present invention is limited only by the matters described in the claims, and those skilled in the art can improve and change the technical idea of the present invention in various forms. Therefore, these improvements and changes will fall within the protection scope of the present invention as long as they are obvious to those skilled in the art.
10 원료(n-부텐 또는 n-부텐 혼합가스)
11 용해증진제 + 증류수
12 미반응 부텐
13 액체샘플
14 미반응 물 및 생성된 2-부탄올
101 온-오프 밸브
102 압력 게이지
103 질량흐름제어기 (Mass flow controller)
104 체크 밸브
105 액체 펌프
106 필터
107 열전대(熱電對)
108 고정층반응기(Fixed bed reactor)
109 압력 조절기
110 1번 저장기
111 2번 저장기10 Raw material (n-butene or n-butene mixture gas)
11 solubility enhancer + distilled water
12 unreacted butenes
13 liquid sample
14 unreacted water and produced 2-butanol
101 on-off valve
102 pressure gauge
103 Mass flow controller
104 check valve
105 liquid pump
106 filter
107 Thermocouple
108 Fixed bed reactor
109 pressure regulator
110 1st reservoir
111 #2 reservoir
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