KR20040066827A - 올레핀의 에폭시화 방법 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
매우 선택적인 은-기반 촉매의 존재하에, 반응 온도 T에서, 올레핀, 산소 및 반응 변형제를 포함하는 공급물을 반응시키는 것을 포함하고, 이 때 상기 반응 변형제는 공급물 중에 존재하는 탄화수소의 유효 몰량에 대한, 공급물 중에 존재하는 반응 변형제의 활성 화학종의 유효 몰량의 비인, 상대적인 양 Q로서 존재하는 것이고, 또한
- T 값이 T1이고, Q 값이 Q1인 제 1 수행 시기에서 수행하는 단계, 및
- T 값이 T2이면, Q 값은, Q2= Q1+ B (T2- T1)의 식(여기에서 B는 0보다 큰 상수를 나타낸다)에 의해 정의되고 계산에 의해 결정되는 Q2가 되도록, 제 1 수행 시기에서 사용된 반응 온도에서 그 온도를 변화시킨 제 2 수행 시기의 반응 온도에서 뒤이어 수행하는 단계를 포함하는 올레핀의 에폭시화 방법; 올레핀의 에폭시화 방법을 수행하기에 적합한 반응 시스템; 올레핀의 에폭시화 방법에서의 계산을 실행하도록 컴퓨터 시스템의 데이터 처리 시스템을 명령하기에 적합한, 컴퓨터로 판독가능한 매체 상에 기록된 컴퓨터로 판독가능한 프로그램을 포함하는 컴퓨터 프로그램물; 및 상기 컴퓨터 프로그램물 및 데이터 처리 시스템을 포함하는 컴퓨터 시스템을 개시한다.
Description
은-기반 촉매를 사용하는 올레핀의 접촉 에폭시화는 오래전부터 공지되어 있었다. 통상적인 은-기반 촉매는 널리 알려져 있기로는 낮은 선택성으로 산화 올레핀을 제공한다. 예를 들면, 에틸렌의 에폭시화에서 통상의 촉매를 사용한 경우에, 전환된 에틸렌 분획으로서 표현되는 산화 에틸렌에 대한 선택성은, 6/7보다 높은 값, 또는 85.7 몰% 한계치에 이르지 못한다. 그래서, 이 한계치는 하기 반응식의 화학량론에 근거한, 이 반응의 이론적인 최대 선택성인 것으로 오랫동안 공지되어 있었다:
7 C2H4+ 6 O2=> 6 C2H4O + 2 CO2+ 2 H2O
(참고: Kirk-Othmer's Encyclopedia of Chemical Technology, 3rded., Vol.9, 1980, p. 445).
그러나, 근대의 은-기반 촉매는 산화 올레핀 제조에 대해 매우 선택적이다. 에틸렌 에폭시화에서 근대의 촉매를 사용하였을 경우에, 산화 에틸렌에 대한 선택성은 6/7보다 높은 값, 또는 소위 85.7 몰% 한계치 이상까지 이를 수 있다. 이러한 매우 선택적인 촉매는 활성 성분으로서 은, 레늄, 및 적어도 하나의 추가의 원소, 그리고 임의로는 레늄 공촉진제(co-promoter)를 포함할 수 있는 것이고, US-A-4761394, US-A-4766105, EP-A-266015 및 그 이후의 몇몇 특허 공개문서에 개시되어 있다.
은-기반 촉매는 보통 사용하는 동안에 에이징(aging)과 관련하여 성능이 저하되어, 주기적으로 교환해 주어야 할 필요가 있다. 에이징되면 촉매의 활성이 감소되는 징후가 나타난다. 보통은, 촉매의 활성 감소가 나타나면 그 활성 감소를 보상하기 위하여 반응 온도를 증가시킨다. 촉매가 수명을 다한 것으로 보이고 촉매를 교환해야 할 필요가 있는 시점에서, 반응 온도는 바람직하지 않게 높아질 때까지 증가시킬 수 있다.
반응 변형제, 예를 들면 유기 할로겐화물이 선택성을 증가시키기 위한 목적으로 에폭시화 반응기에 대한 공급물에 첨가될 수 있다(참고: 예를 들어 EP-A-352850). 이러한 반응 변형제는 아직은 밝혀지지 않은 메커니즘에 의해서, 산화 올레핀의 바람직한 형성에 대비되는, 올레핀 또는 산화 올레핀의 이산화탄소 및 물로의 바람직하지 않은 산화를 억제한다.
반응 변형제의 최적량은 에폭시화 반응 조건 및 사용된 촉매의 유형에 따라달라진다. 통상의 촉매는 비교적 편평한, 변형제에 대한 선택성 곡선을 그리는데, 즉, 반응 변형제의 양의 함수에 따른 선택성 곡선은, 선택성이 광범위한 반응 변형제 양에 걸쳐 거의 변화하지 않고, 이러한 특성이 촉매를 장기간 사용하는 중에 반응 온도의 함수에 따라서는 실제로 변화하지 않음을 보여준다. 따라서, 통상의 촉매를 사용하였을 경우에는, 최적의 선택성을 위해 반응 변형제의 양을 보다 자유롭게 선택할 수 있고, 그 양은 촉매의 전체 일생 동안에 실질적으로 동일할 수도 있다.
대조적으로, 매우 선택적인 촉매는 비교적 가파른, 변형제에 대한 선택성 곡선을 보이는 경향이 있는데, 즉, 매우 선택적인 촉매에서는 반응 변형제 양이 비교적 조금만 변해도 선택성이 상당히 달라지고, 또한 선택성은 특정 반응 변형제 양에서 뚜렷한 최대치, 측 최적치를 보인다. 이러한 내용이 EP-A-352850에 설명되어 있다(참고: 여기에서의 도 3). 나아가, 선택성 곡선 및 더욱 구체적으로는 선택성이 최적인 반응 변형제의 양은 반응 온도로 인해, 그리고 이에 따라서 촉매 일생 동안에 변화하는 경향이 있다.
결론적으로, 매우 선택적인 촉매를 반응 변형제와 함께 사용한 경우에, 선택성은 반응 온도의 변화로 인해, 그리고 촉매의 일생에 걸쳐 바람직하지 않게 큰 정도로 달라질 수 있다. 즉, 예를 들어 촉매의 활성 감소를 보상하기 위하여 반응 온도를 변화시키면, 산화 올레핀 제조에 대한 선택성의 관점에서 최적인 반응 조건을 유지하는 데 있어 문제점으로서 나타나게 되는 것이다.
발명의 요약
공급물 중의 탄화수소의 농도가 더 높은 값으로, 또는 그 반대로 변화됨에 따라 어떠한 영향을 주기 위해서는 보다 많은 양의 반응 변형제가 일반적으로 필요한 것으로 드러났다. 공급물 중의 여타 성분과는 달리, 존재하는 탄화수소(예를 들면, 존재하는 경우 올레핀 및 포화 탄화수소)는 촉매로부터 반응 변형제를 제거 또는 스트리핑(stripping)할 수 있는 능력을 지니고, 유지될 필요가 있는 것은 촉매 표면 이외의 반응 혼합물 중에 있는 반응 변형제의 농도가 아니라, 촉매 상의 변형제의 활성 화학종의 농도인 것으로 생각된다. 이러한 이유로, 반응 변형제의 상대적인 양 Q가 고려된다. 상대적인 양 Q는 근본적으로, 공급물 중에 존재하는 탄화수소 몰량에 대한 반응 변형제의 몰량의 비이다. 그러나, 공급물 중의 각종 탄화수소의 제거/스트리핑 성질 면에서는 차이가 있을 수 있기 때문에, Q를 계산할 때에는 탄화수소 몰량 대신에 이른바 탄화수소의 유효 몰량을 사용하는 것이 더욱 바람직할 수 있다. 공급물 중의 탄화수소의 유효 몰량은, 존재하는 탄화수소 간의 제거/스트리핑 성질 차이를 산입할 수 있도록 하는 방식으로 공급물 조성으로부터 계산할 수 있다(아래에 기술한다). 실제로는 반응 변형제의 혼합물로서 흔히 존재하긴 하지만, 상이한 반응 변형제의 성질 면에서도 차이가 있을 수 있다. 그러므로, Q를 계산할 때에는, 반응 변형제의 몰량 대신에, 이른바 반응 변형제의 활성 화학종의 유효 몰량을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 공급물 중의 반응 변형제의 활성 화학종의 유효 몰량은 상이한 반응 변형제의 성질 차이를 산입할 수 있도록 하는 방식으로 공급물 조성으로부터 계산할 수 있다(아래에 기술한다).
매우 선택적인 촉매에서는, 반응 온도가 증가하거나 감소할 때, 반응 변형제에 대한 선택성 곡선의 위치가 반응 온도의 변화에 비례하여 각각 더 높은 Q 값이나 더 낮은 Q 값으로 이동되는 것으로 놀랍게도 밝혀졌다. 이러한 이동의 비례 정도는 촉매의 에이징 정도와는 무관하고, 확정적일 수 있고 일상적인 실험에 의해 변할 수도 있다.
상기 내용의 결론으로서, 에폭시화 방법 도중에 반응 온도가 변하는 경우, 반응 온도의 변화에 비례적으로 Q 값을 조정함으로써, 최적의 선택성으로부터의 바람직하지 않은 편차를 줄이거나 예방할 수 있다. 상기 내용은 특히 방법이 선택성의 관점에서 최적인 조건에서 수행된 경우, 즉 반응 온도의 변화에 비례하여 Q 값을 변화시킴으로써 최적 조건이 유지될 수 있는 경우 유용하다. 이것은 촉매의 활성 감소에 응하여 반응 온도를 증가시킨 경우에 더욱 더 유용하다. 본 발명은 예를 들면, 반응 온도의 변화에 응하여 Q 값, 및 이에 따라 반응 변형제 조성 및/또는 탄화수소 조성의 적절한 변화를 계산식에 의해 미리 결정하게 해 준다. 본 발명의 이점은, 반응 온도의 변화와 동시에, 탄화수소 및/또는 반응 변형제에 관한 것 이외의 반응물 조성을 변화시킬 수 있다는 것이다. 따라서, 본 발명의 이점은 본 발명이 없었을 때 보다는 더 간편하고 원활하게 에폭시화 방법을 상당부분 제어하게 해 준다는 점이다.
따라서, 본 발명은 올레핀의 에폭시화 방법을 제공하는데, 이 방법은 매우 선택적인 은-기반 촉매의 존재하에, 반응 온도 T에서, 올레핀, 산소 및 반응 변형제를 포함하는 공급물을 반응시키는 것을 포함하고, 이 때 상기 반응 변형제는 공급물 중에 존재하는 탄화수소의 유효 몰량에 대한, 공급물 중에 존재하는 반응 변형제의 활성 화학종의 유효 몰량의 비인, 상대적인 양 Q로서 존재하는 것이고, 또한 상기 방법은
- T 값이 T1이고, Q 값이 Q1인 제 1 수행 시기에서 수행하는 단계, 및
- T 값이 T2이면, Q 값은, Q2= Q1+ B (T2- T1)의 식(여기에서 B는 0보다 큰 상수를 나타낸다)에 의해 정의되고 계산에 의해 결정되는 Q2가 되도록, 제 1 수행 시기에서 사용된 반응 온도에서 그 온도를 변화시킨 제 2 수행 시기의 반응 온도에서 뒤이어 수행하는 단계를 포함한다.
본 발명은 또한, 올레핀의 에폭시화 방법을 수행하기에 적합한 반응 시스템을 제공하는데, 이 반응 시스템은 올레핀, 산소 및 반응 변형제를 포함하는 공급물을 받도록 배치되어 있고, 반응기 중에서 반응 온도 T를 제어하도록 배치된 온도 제어 시스템을 가지는, 매우 선택적인 은-기반 촉매를 담는 반응기를 포함하고, 또한 상기 반응 시스템은 공급물 중에 존재하는 탄화수소의 유효 몰량에 대한 공급물 중에 존재하는 반응 변형제의 활성 화학종의 유효 몰량의 비인 상대적인 양 Q로서 공급물 중에 존재하는 반응 변형제를 제어하도록 배치된 공급물 제어 시스템을 추가로 포함하며, 마지막으로 상기 반응 시스템은
- T 값이 T1이고, Q 값이 Q1인 제 1 수행 시기에서 수행하는 단계, 및
- T 값이 T2이면, Q 값은, Q2= Q1+ B (T2- T1)의 식(여기에서 B는 0보다 큰상수를 나타낸다)에 의해 정의되고 계산에 의해 결정될 수 있는 Q2가 되도록, 제 1 수행 시기에서 사용된 반응 온도에서 그 온도를 변화시킨 제 2 수행 시기의 반응 온도에서 뒤이어 수행하는 단계를 시행하도록 배치된다.
본 발명은 촉매 표면 이외의 반응 혼합물 중에 존재하는 반응 변형제의 농도를 유지한다기 보다는, 촉매 상의 반응 변형제의 활성 화학종의 농도를 유지함으로써, 반응 온도가 변화될 때에도, 반응 변형제의 이점이 최적 상태로 유지되도록 해 준다. 촉매 상의 반응 변형제의 활성 화학종의 농도를 유지하는 것은, 반응 온도의 변화에 응하여, 정의된 바와 같은 식에 의거하여 방법을 수행할 때 (실질적으로) 달성된다. 당업자는 정의된 식이 다른 수학적 표현, 예를 들면 다항식이나 지수식으로 바꾸어질 수 있음을 잘 인지할 것인데, 이러한 다른 수학적 표현은 관여한 변수의 적절한 수치 범위에 있는, 특히 하기에 정의될 Q 값(Q1및/또는 Q2) 및 반응 온도 T 값(T1, T2, 및/또는 T2- T1)에 대한 범위에 있는, 실질적으로 동일한 결과가 제공될 수 있도록 작성될 수 있다. 이렇게 대등한 수학적 표현을 사용한 양태도 본 발명의 범위에 속한다.
본 발명은 또한, 컴퓨터로 판독가능한 매체 및 올레핀의 에폭시화 방법에서의 계산을 실행하도록 컴퓨터 시스템의 데이터 처리 시스템을 명령하기에 적합한, 상기 컴퓨터로 판독가능한 매체 상에 기록된 컴퓨터로 판독가능한 프로그램 코드를 포함하는 컴퓨터 프로그램물을 제공하는데, 상기 올레핀의 에폭시화 방법은 매우 선택적인 은-기반 촉매의 존재하에, 반응 온도 T에서, 올레핀, 산소 및 반응 변형제를 포함하는 공급물을 반응시키는 것을 포함하고, 이 때 상기 반응 변형제는 공급물 중에 존재하는 탄화수소의 유효 몰량에 대한, 공급물 중에 존재하는 반응 변형제의 활성 화학종의 유효 몰량의 비인, 상대적인 양 Q로서 존재하는 것이고, 또한 상기 방법은
- T 값이 T1이고, Q 값이 Q1인 제 1 수행 시기에서 수행하는 단계, 및
- T 값이 T2이면, Q 값은, Q2= Q1+ B (T2- T1)의 식(여기에서 B는 0보다 큰 상수를 나타낸다)을 사용하여, 또는 상기 식의 결과와 실질적으로 동일한 결과를 제공하도록 작성된 다른 수학적 표현식을 사용하여 계산되는 Q2가 되도록, 제 1 수행 시기에서 사용된 반응 온도에서 그 온도를 변화시킨 제 2 수행 시기의 반응 온도에서 뒤이어 수행하는 단계를 포함한다.
본 발명은 또한, 컴퓨터로 판독가능한 매체 및 올레핀의 에폭시화 방법에서의 계산을 실행하도록 데이터 처리 시스템을 명령하기에 적합한, 상기 컴퓨터로 판독가능한 매체 상에 기록된 컴퓨터로 판독가능한 프로그램 코드를 포함하는 컴퓨터 프로그램물 및 상기 컴퓨터 프로그램물로부터 판독된 명령을 받도록 배치된 데이터 처리 시스템을 포함하는 컴퓨터 시스템을 제공하는데, 상기 올레핀의 에폭시화 방법은 매우 선택적인 은-기반 촉매의 존재하에, 반응 온도 T에서, 올레핀, 산소 및 반응 변형제를 포함하는 공급물을 반응시키는 것을 포함하고, 이 때 상기 반응 변형제는 공급물 중에 존재하는 탄화수소의 유효 몰량에 대한, 공급물 중에 존재하는 반응 변형제의 활성 화학종의 유효 몰량의 비인, 상대적인 양 Q로서 존재하는 것이고, 또한 상기 방법은
- T 값이 T1이고, Q 값이 Q1인 제 1 수행 시기에서 수행하는 단계, 및
- T 값이 T2이면, Q 값은, Q2= Q1+ B (T2- T1)의 식(여기에서 B는 0보다 큰 상수를 나타낸다)을 사용하여, 또는 상기 식의 결과와 실질적으로 동일한 결과를 제공하도록 작성된 다른 수학적 표현식을 사용하여 계산되는 Q2가 되도록, 제 1 수행 시기에서 사용된 반응 온도에서 그 온도를 변화시킨 제 2 수행 시기의 반응 온도에서 뒤이어 수행하는 단계를 포함한다.
본 발명은 또한, 포괄적인 의미의 올레핀의 에폭시화 방법을 제공하며, 상기 방법은 매우 선택적인 은-기반 촉매의 존재하에 올레핀, 산소 및 반응 변형제를 포함하는 공급물을 반응시키는 것을 포함하고, 또한
- 제 1 수행 시기에서 수행하는 단계, 및
- 촉매 상의 반응 변형제의 활성 화학종의 농도가 실질적으로 변화하지 않도록, 제 1 수행 시기에서 사용된 반응 온도에서 그 온도를 변화시킨, 제 2 수행 시기의 반응 온도에서 뒤이어 수행하는 단계를 포함한다.
본 발명은 매우 선택적인 은-기반 촉매의 존재하에 올레핀, 산소 및 반응 변형제를 포함하는 공급물을 반응시키는 것을 포함하는 올레핀의 에폭시화 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 방법과 관련하여 사용하기에 적합한 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 에폭시화 방법은 여러가지 방식으로 수행할 수 있지만, 기체상 방법, 즉, 기체상인 공급물이, 전형적으로는 압축된 베드내에 고체 물질로서 존재하는 촉매와 접촉되는 것이 특징인 방법으로 수행하는 것이 바람직하다. 일반적으로 이 방법은 연속식 방법으로서 수행된다. 종종, 상업적인 규모의 수행시, 본 발명의방법은 적어도 10 kg, 예를 들면 적어도 20 kg, 빈번하게는 102내지 107kg 범위, 더욱 빈번하게는 103내지 106kg 범위인 촉매량을 수반할 수 있다.
본 에폭시화 방법에 사용하기 위한 올레핀은 임의의 올레핀, 예컨대 스티렌과 같은 방향족 올레핀, 또는 컨쥬게이트되었거나 그렇지 않은 디올레핀, 예를 들면 1,9-데카디엔 또는 1,3-부타디엔일 수 있다. 전형적으로는, 올레핀은 모노올레핀, 예를 들면 2-부텐 또는 이소부텐이다. 바람직하게는 올레핀은 모노-α-올레핀, 예를 들면 1-부텐 또는 프로필렌이다. 가장 바람직한 올레핀은 에틸렌이다.
공급물 중의 올레핀 농도는 본 발명에서 다루지 않으며, 폭넓은 범위에서 선택될 수 있다. 전형적으로는, 공급물 중의 올레핀 농도는 전체 공급물에 대해 최대 80몰%일 것이다. 바람직하게는 전체 공급물에 대해 0.5 내지 70 몰% 범위, 특히 1 내지 60 몰% 범위일 것이다. 본원에 사용된, "공급물"은 촉매와 접촉되는 조성물로 간주한다. 원하는 경우, 촉매가 에이징된 수행 시기에서 선택성이 개선될 수 있을 때까지 올레핀 농도는 촉매의 일생 동안에 증가시킬 수 있다(참고: US-6372925-B1 및 WO-A-01/96324, 즉 비공개 PCT 특허 출원 PCT/US01/18097)
본 발명의 에폭시화 방법은 공기 기반 방법 또는 산소 기반 방법일 수 있다(참고: Kirk-Othmer's Encyclopedia of Chemical Technology, 3rd ed., Vol. 9, 1980, p. 445-447). 공기 기반 방법에서는 공기 또는 산소가 풍부한 공기가 산화제 급원으로서 사용되는 반면, 산소 기반 방법에서는 고순도(>95 몰%)의 산소가 산화제 급원으로서 사용된다. 현재 대부분의 에폭시화 설비에서는 산소 기반 방법을 사용하고 있고, 또한 본 발명의 바람직한 양태에서도 이를 사용한다.
공급물 중의 산소 농도는 본 발명에서 다루지 않으며, 폭넓은 범위에서 선택될 수 있다. 그러나, 실제로 산소는 일반적으로 가연성 반응을 회피하는 농도로 적용된다. 전형적으로는, 적용되는 산소 농도는 전체 공급물의 1 내지 15 몰% 범위, 더욱 전형적으로는 2 내지 12 몰% 범위내에 있을 것이다.
가연성 반응이 일어나지 않도록 하기 위해서, 공급물 중의 산소 농도는 올레핀 농도가 증가함에 따라 감소시킬 수 있다. 실제 안전한 수행 범위는 공급물 조성과 함께, 반응 온도 및 압력과 같은 반응 조건에 의해 좌우된다.
반응 변형제는 선택성을 증가시키고, 바람직한 산화 올레핀의 형성에 대비되는, 올레핀 및 산화 올레핀의 이산화탄소 및 물로의 바람직하지 않은 산화를 억제할 목적으로 공급물 중에 존재한다. 여러가지 유기 화합물, 특히 유기 할로겐화물 및 유기 질소 화합물이 반응 변형제로서 사용될 수 있다. 질소 산화물, 히드라진, 하이드록실아민 또는 암모니아도 사용될 수 있다. 올레핀 에폭시화 수행 조건하에서, 질소 함유 반응 변형제는 질산염 또는 아질산염의 전구체인 것으로 종종 간주되는데, 즉 이들은 이른바 질산염- 혹은 아질산염-형성 화합물이다(참고: EP-A-3642, US-A-4822900).
유기 할로겐화물이 바람직한 반응 변형제인데, 특히 유기 브롬화물, 더욱 구체적으로는 유기 염화물이 바람직하다. 바람직한 유기 할로겐화물은 염화탄화수소 또는 브롬화탄화수소이다. 더욱 바람직하게는 이들은 염화 메틸, 염화 에틸, 이염화 에틸렌, 이브롬화 에틸렌, 염화 비닐 또는 이들의 혼합물 중에서 선택된다. 가장 바람직한 반응 변형제는 염화 에틸 및 이염화 에틸렌이다.
적당한 질소 산화물은 일반식이 NOx인 것으로서, 여기에서 x는 질소 원자수에 대한 산소 원자수의 비를 나타내고 1 내지 2의 범위에 있다. 이러한 질소 산화물에는 예를 들면 NO, N2O3, 및 N2O4가 포함된다. 적당한 유기 질소 화합물에는 니트로 화합물, 니트로소 화합물, 아민, 질산염 및 아질산염, 예를 들면 니트로메탄, 1-니트로프로판 또는 2-니트로프로판이 있다. 바람직한 양태에서, 질산염- 혹은 아질산염-형성 화합물, 예를 들면 질소 산화물 및/또는 유기 질소 화합물은 유기 할로겐화물, 특히 유기 염화물과 함께 사용된다.
반응 변형제는 1종의 화합물로서 공급될 수 있지만, 이것이 촉매와 접촉되면, 반응 변형제로서 기능하고, 재사용되는 경우 공급물 중에 존재할 수 있는, 각종 화합물이 형성될 수 있다. 예를 들면, 산화 에틸렌 방법에서 염화 에틸을 적용하였을 때, 공급물은 실제로 염화 에틸, 염화 비닐, 이염화 에틸렌 및 염화 메틸을 포함할 수 있다.
반응 변형제는 일반적으로는, 공급물 중에서 저농도로 사용되었을 때, 예를 들면 전체 공급물에 대해 0.1 몰% 이하로, 가령 0.01x10-4내지 0.01 몰%로 사용되었을 때 효과적이다. 특히 올레핀이 에틸렌인 경우에, 반응 변형제는 전체 공급물에 대해 0.05x10-4내지 50x10-4몰%, 특히 0.2x10-4내지 30x10-4몰%의 농도로 공급물 중에 존재하는 것이 바람직하다.
올레핀, 산소 및 반응 변형제 이외에도, 공급물은 선택적인 1종 이상의 성분, 예컨대 이산화탄소, 물, 불활성 기체 및 포화 탄화수소를 함유할 수 있다. 이산화탄소 및 물은 에폭시화 방법의 부산물이다. 이산화탄소는 일반적으로는 촉매 활성에 악영향을 미친다. 전형적으로는, 공급물 중의 이산화탄소 농도는 전체 공급물에 대해 10 몰% 이상, 바람직하게는 5 몰% 이상이지 않도록 한다. 전체 공급물에 대해 1 몰% 또는 이보다 낮은 정도의 이산화탄소 농도가 사용될 수 있다. 물은 반응 산물로부터 산화 올레핀 및 이산화탄소를 회수한 결과로서 공급물 중에 도입될 수 있다. 물은 일반적으로는 촉매 활성에 악영향을 미친다. 전형적으로는, 공급물 중의 물의 농도는 전체 공급물에 대해 3 몰% 이상, 바람직하게는 1 몰% 이상이지 않도록 한다. 전체 공급물에 대해 0.2 몰% 또는 이보다 낮은 정도의 물 농도가 사용될 수 있다. 불활성 기체, 예를 들면 질소나 아르곤, 또는 이들의 혼합물은 공급물 중에 0.5 내지 95 몰%의 농도로 존재할 수 있다. 공기 기반 방법에서 불활성 기체는 공급물 중에 30 내지 90 몰%, 전형적으로는 40 내지 80 몰%의 농도로 존재할 수 있다. 산소 기반 방법에서 불활성 기체는 공급물 중에 0.5 내지 30 몰%, 전형적으로는 1 내지 15 몰%의 농도로 존재할 수 있다. 적당한 포화 탄화수소는 프로판 및 사이클로프로판, 특히 메탄 및 에탄이다. 포화 탄화수소가 존재하는 경우, 이는 전체 공급물에 대해 80몰% 이하의 양으로, 특히 75 몰% 이하의 양으로 존재할 수 있다. 종종 이들은 적어도 30몰%, 더욱 빈번하게는 적어도 40몰%의 양으로 존재한다. 포화 탄화수소는 산소 가연성 한계치를 증가시키기 위하여 공급물에 첨가될 수 있다.
반응 변형제의 상대적인 양 Q는, 공급물 중에 존재하는 탄화수소의 유효 몰량에 대한, 공급물 중에 존재하는 반응 변형제의 활성 화학종의 유효 몰량의 비이고, 여기에서 각 몰량은 동일한 단위로, 예를 들어 전체 공급물을 기준으로 한 몰%로서 표현된다.
반응 변형제의 활성 화학종의 유효 몰량 및 Q 값을 계산하기 위한 목적으로, 반응 변형제가 할로겐 화합물인 경우에는, 활성 화학종의 수는 할로겐 원자의 수로 간주하고, 반응 변형제가 질산염- 혹은 아질산염-형성 화합물인 경우에는, 활성 화학종의 수는 질소 원자의 수로 간주한다. 이것은 예를 들면, 1몰의 이염화 에틸렌은 약 2몰의 활성 화학종을 제공하는 것임을, 즉 존재하는 염소 원자 모두가 활성 화학종을 제공하는 것임을 뜻한다. 이와는 대조적으로, 염화 메틸 및 브롬화 메틸과 같은 메틸 화합물인 반응 변형제는 덜 반응성이어서, 2 내지 5몰, 특히 2.5 내지 3.5몰, 적당하게는 약 3몰의 메틸 화합물이 1몰의 활성 화학종을 제공하는 것으로 간주할 수 있는 것으로 드러났다. 이 숫자는 확정적일 수 있고, 일상적인 실험에 의해서 변할 수도 있으며, 또한 하기와 같은 이론으로 구속할 뜻은 없지만, 이 숫자는 해당 메틸 화합물이 해당 헤테로 원자(예를 들면 할로겐 원자 또는 질소 원자)와 나누어지는 능력이 적기 때문에 더 높은 것으로 생각된다. 따라서, 예를 들면, 공급물이 2x10-4몰%의 염화 에틸, 3x10-4몰%의 염화 비닐, 1x10-4몰%의 이염화 에틸렌 및 1.5x10-4몰%의 염화 메틸을 포함하는 경우, 반응 변형제의 활성 화학종의 유효 몰량은 하기 식에 따라 계산될 수 있다: 2x10-4x 1 + 3x10-4x 1 + 1x10-4x2 + 1.5x10-4x 1/3 = 7.5x10-4몰%.
요약하면, 공급물 중에 존재하는 반응 변형제의 활성 화학종의 유효 몰량은 공급물 중에 존재하는 반응 변형제 각각의 몰량을 해당 계수로 곱하고, 그 곱하여 나온 수들을 다 더해서 계산될 수 있는 것이고, 여기에서 각 해당 계수는 해당 반응 변형제 분자당 존재하는 활성 헤테로 원자의 수, 특히 할로겐 원자수 및/또는 질소 원자수를 나타내는 것으로서, 단 메틸 화합물인 반응 변형제에 대한 계수는 1/5 내지 1/2 범위, 더욱 전형적으로는 1/3.5 내지 1/2.5 범위, 적당하게는 약 1/3일 수 있는 것으로 이해된다.
공급물 중에 존재하는 탄화수소는 올레핀 및 임의 존재하는 포화 탄화수소를 포함한다. 전술한 바와 같이, 공급물 중에 존재하는 탄화수소는 촉매 표면으로부터 반응 변형제를 제거/스트리핑할 수 있는 능력을 지니고, 탄화수소가 지니는 이러한 능력의 정도는 각종 탄화수소 간에 차이가 날 수 있는 것으로 생각된다. 이러한 차이(에틸렌 대해 상대적인 것)를 산입하기 위하여, 탄화수소의 유효 몰량을 계산하기 위해 각 몰량을 더하기 전에, 존재하는 탄화수소 각각의 몰량을 해당 계수로 곱해주는 것이다. 여기에서, 에틸렌의 계수는 1로 정의하고; 메탄에 대한 계수는 최대 0.5, 또는 최대 0.4, 전형적으로는 0 내지 0.2 범위, 더욱 전형적으로는 0 내지 0.1 범위일 수 있으며; 에탄에 대한 계수는 50 내지 150 범위, 더욱 전형적으로는 70 내지 120 범위일 수 있으며; 고급 탄화수소(즉, 적어도 3개의 탄소 원자를 갖는 것)에 대한 계수는 10 내지 10000 범위, 더욱 전형적으로는 50 내지 2000 범위일 수 있다. 이러한 계수는 확정적일 수 있고, 일상적인 실험에 의해 변할 수도 있으며, 하기와 같은 이론으로 구속할 뜻은 없지만, 해당 탄화수소가 라디칼을 형성할 수 있는 더 큰 능력을 지니면 계수가 커지는 것으로 생각된다. 에틸렌에 대해 상대적인 개념인, 메탄, 에탄, 프로판 및 사이클로프로판에 대한 적당한 계수는 각각 약 0.1, 약 85, 약 1000, 및 약 60이다. 예를 들어, 공급물이 30 몰% 에틸렌, 40 몰% 메탄, 0.4 몰% 에탄 및 0.0001 몰%의 프로판을 포함하는 경우, 탄화수소의 유효 몰량은 하기 식으로 계산될 수 있다: 30x1 + 40x0.1 + 0.4x85 + 0.0001x1000 = 68.1 몰%.
산화 에틸렌이 추가로 존재하는 탄화수소 없이 에틸렌으로부터 제조된 경우에, 탄화수소의 유효 몰량은 실제 몰량과 동등하고, 에탄이나 고급 탄화수소를 에틸렌 공급물에 첨가하면 유효 몰량에 상당히 기여하는 반면, 임의의 메탄을 첨가하면 상대적으로 거의 기여하지 못함을 숙지해야 한다.
바람직한 Q 값은 적어도 1x10-6, 특히 적어도 2x10-6이다. 바람직한 Q 값은 최대 100x10-6, 특히 최대 50x10-6이다.
본 방법의 임의의 수행 단계에서, 산화 올레핀 형성에 대한 최적의 선택성을 달성하도록 Q 값을 조정할 수 있다. 실제로, 공급물 중에 존재하는 탄화수소 농도를 변화시키지는 않으면서 공급물 중에 존재하는 반응 변형제의 양을 조정함으로써 Q 값을 조정할 수 있다.
본 발명의 에폭시화 방법은 폭넓은 범위에서 선택된 반응 온도를 사용하여 수행할 수 있다. 바람직한 양태에서 반응 온도 T는 ℃ 단위로 표현되지만, 다른 온도 단위, 예컨대 ℉도 사용할 수 있다. 바람직하게는 반응 온도 T는 180 내지 340℃ 범위, 더욱 바람직하게는 190 내지 325℃ 범위, 특히 200 내지 300℃ 범위이다. 에폭시화 방법은 반응 온도가 각 촉매 입자에서 동일하지 않도록 하는 방식으로 수행할 수 있다. 이 경우, 반응 온도는 촉매 입자의 중량 평균 온도로 간주한다. 바꾸어 말하면, 반응 온도가 각 촉매 입자에서 동일하지 않은 경우에, T2-T1의 차이 값은 실제적으로 모든 촉매 입자에 대해 동일할 수 있고, T1및 T2의 각 값보다는 더 용이하게 결정할 수 있다는 뜻이다. T2-T1의 차이는 냉각시킨 온도에 해당하는 차이와 동일할 수 있다.
본 발명에 따르면, 반응 온도가 T1에서 T2로 변한 경우, 반응 온도의 변화에서 기인한 최적 선택성으로부터의 편차를 줄이거나, 더 나아가 예방할 수 있도록, Q 값을 Q1에서 Q2로 변화시킬 수 있다. Q2값은 전형적으로는, T1, T2및 Q1을 기초로 하여 계산된 결과값이다. 특히, Q2는 하기식을 사용하여 계산할 수 있다:
Q2= Q1+ B (T2- T1) (즉, 화학식 1로서, 여기에서 B는 0보다 큰 상수를 나타낸다). 반응 온도 T가 ℃ 단위로 표현된 경우, B는 (℃)-1단위로 표현된다. 본 명세서에서, 모든 B 값의 수치는 (℃)-1단위로 표현된다. 당업자라면 (℃)-1단위로 표현된 B 수치를 반응 온도 T를 표현한 단위와 일치하는 다른 단위로 표현된 수치로 바꿀 수 있을 것이다. B 값은 본 발명에서 다루지 않는다. B 값은 적합하게는적어도 0.1x10-6, 구체적으로는 적어도 0.1x10-6이다. B 값은 적합하게는 최대 1x10-6, 구체적으로는 최대 0.5x10-6이다. 하기 문장의 이론으로 구속할 뜻은 없지만, B 값은 촉매의 조성, 특히 존재하는 촉매 활성이 있는 금속의 조성, 및 반응 변형제의 활성 화학종의 성질에 따라 달라질 수 있는 것으로 생각된다. 적당한 B 값은 확정적일 수 있고, 일상의 실험에 의해 변할 수도 있다. 적당한 B 값은 앞에서 주어진 바와 같은 반응 변형제의 활성 화학종의 유효 몰량과 탄화수소의 유효 몰량의 계산 예에서 사용된 숫자와 계수를 모두 사용한 경우, 약 0.22x10-6에 달한다.
산화 올레핀 형성에 대한 선택성이 최적화 되도록 하는 Q1값을 사용하는 반응 온도 T1에서 에폭시화 방법을 수행하는 것이 바람직하다. 이 경우, 최적의 선택성에서 에폭시화 방법이 계속 수행될 것이지만, 반응 온도 T2값 및 화학식 1에 의거한 Q2값을 사용한 경우에 반드시 선택성이 이와 동일한 것은 아니다.
반응 온도는 여러 목적을 위해 변화시킬 수 있다. 예를 들면, 에폭시화 반응 속도를 낮추기 위해 요구성이 증가될 때 온도를 감소시킬 수 있다. 또는, 단위 시간당 더 많은 산화 올레핀이 제조될 수 있도록 에폭시화 반응 속도를 높이기 위해서 반응 온도를 증가시킬 수도 있다. 상기의 조합도 가능한데, 예를 들면, 온도를 증가시킨 뒤 일정 기간 이후 온도를 감소시키는 것, 또한 그 반대도 가능하다. 반응 온도의 임의의 변화는 점진적일 수 있거나, 예를 들면, 0.1 내지 20℃, 구체적으로는 0.2 내지 10℃, 더욱 구체적으로는 0.5 내지 5℃ 중 하나 이상의 단계와 같이 단계적일 수 있고, 반응 온도의 임의의 변화는 본 발명에 따른 Q 값의 변화를 수반할 수 있다. 일반적으로는, T1에서 T2로의 변화와 동시에 Q1에서 Q2로의 Q 값 변화가 일어난다.
바람직하게는, 촉매가 에이징 됨에 따라, 촉매 활성의 감소를 보상하기 위해서 반응 온도를 변화시킨다. 촉매의 활성은 산화 올레핀의 제조율에 의해 관찰할 수 있다. 촉매 활성의 감소를 보상하기 위하여, 화학식 1에 의거하여, Q 값의 변화와 동시에 점진적으로, 또는 복수개의 단계로, 예를 들면 0.1 내지 20℃, 구체적으로는 0.2 내지 10℃, 더욱 구체적으로는 0.5 내지 5℃ 단계로 반응 온도를 증가시킬 수 있다.
특히 에틸렌으로부터 산화 에틸렌을 제조하는 방법에서 새 촉매를 사용한 경우, 반응 온도는 전형적으로는 180 내지 300℃ 범위, 더욱 전형적으로는 180 내지 280℃ 범위, 구체적으로는 190 내지 270℃ 범위, 더욱 구체적으로는 200 내지 260℃ 범위이고; Q 값은 전형적으로는 1x10-6내지 20x10-6범위, 더욱 전형적으로는 3x10-6내지 15x10-6범위이며; 공급물 중의 반응 변형제의 농도는 전형적으로는 전체 공급물에 대해 0.2x10-4내지 10x10-4몰% 범위, 바람직하게는 1x10-4내지 8x10-4몰% 범위이다. 촉매 활성의 감소를 보상하기 위하여, 반응 온도를 점진적으로, 또는 전형적으로는 230 내지 340℃ 범위, 더욱 전형적으로는 240 내지 325℃ 범위, 구체적으로는 250 내지 300℃ 범위의 수준까지 복수개의 단계로 증가시킬 수 있다.반응 온도 증가분의 총합은 10 내지 140℃ 범위, 더욱 전형적으로는 20 내지 100℃ 범위일 수 있다. 전형적으로는, 이러한 반응 온도 증가를 달성한 뒤, 사용된 Q 값은 5x10-6내지 100x10-6범위, 더욱 전형적으로는 10x10-6내지 50x10-6범위일 수 있고; 공급물 중의 반응 변형제의 농도는 전체 공급물에 대해 1x10-4내지 40x10-4몰% 범위, 바람직하게는 1.5x10-4내지 30x10-4몰% 범위의 값으로 증가된다. 본원에서, "새 촉매"라 함은, 에폭시화 방법 수행 도중에, 촉매 1 ㎥당, 적어도 2x106몰의 누적 산화 올레핀 제조량에 의해 정의되는 에이지(age)에 도달하지 않은 촉매를 말한다.
본 발명의 이점은 공급물 중의 반응 변형제의 농도나 조성의 변화에 의해, 또는 공급물 중의 탄화수소의 농도나 조성의 변화에 의해, 또는 둘 다에 의해 Q 값의 임의의 변화가 달성될 수 있다는 점이다. 이러한 변화와 동시에, 여타 성분, 예컨대 산소, 이산화탄소 또는 불활성 기체에 관련하여 공급물의 조성이 변할 수도 있고, 또는 그렇지 않을 수도 있다.
일반적으로는 매우 선택적인 은-기반 촉매는 지지된 촉매이다. 지지체는 다양한 불활성 지지체 재료에서 선택될 수 있다. 이러한 지지체 재료는 천연 또는 인공의 무기 재료일 수 있고, 실리콘 카바이드, 점토, 경석(pumice), 제올라이트, 목탄 및 탄산 알칼리 토금속, 예컨대 탄산 칼슘이 포함된다. 바람직한 것으로는 내화성 지지체 재료, 예컨대 알루미나, 마그네시아, 지르코니아 및 실리카가 있다. 가장 바람직한 지지체 재료는 α-알루미나이다.
지지체 재료는 바람직하게는 다공성이고, B.E.T.법에 따라 측정한 바에 따르면 표면적이 20 ㎡/g 미만으로서, 구체적으로는 0.05 내지 20 ㎡/g이다. 더욱 바람직하게는 지지체의 B.E.T. 표면적은 0.1 내지 10 ㎡/g 범위이고, 구체적으로는 0.1 내지 3.0 ㎡/g이다. 본원에 사용된, "B.E.T. 표면적"은 J. Am. Chem. Soc. 60 (1938) 309-316에서 Brunauer, Emmet 및 Teller가 기술한 바와 같은 방법을 사용하여 측정한 것으로 간주한다.
본원에 사용된, "매우 선택적인 은-기반 촉매"란, 새 촉매를 사용한 경우, 에틸렌의 기체상 에폭시화에서 적어도 6/7 또는 85.7%의 S0, 즉 산소 전환율 0에서의 이론적 선택성을 보일 수 있는 촉매를 말한다. 더욱 구체적으로는, 상기 이론적 선택성은 260℃의 반응 온도에서 달성될 수 있다. 해당 촉매에 대한 S0값은, 사용된 시간당 기체 공간 속도의 범위에 해당하는 선택성 값 및 산소 전환율 값의 범위를 초래하는 시간당 기체 공간 속도 범위에서, 특히 260℃의 반응 온도에서 촉매를 사용하여 찾아낸다. 찾아낸 선택성 값은 이어서, 산소 전환율 0에서의 이론적 선택성인 S0으로 역추적된다.
바람직한 매우 선택적인 은-기반 촉매는 은 외에도, 레늄, 몰리브덴, 텅스텐, IA족 금속, 및 질산염- 혹은 아질산염-형성 화합물 중 하나 이상을 포함하는데, 이들 각각은 전체 촉매에 대한 원소(레늄, 몰리브덴, 텅스텐, IA족 금속 또는 질소)로서 계산하여 0.01 내지 500 mmol/kg의 양으로 존재할 수 있다. 질산염- 혹은 아질산염-형성 화합물, 및 질산염- 혹은 아질산염-형성 화합물의 구체적인 선택은 위에서 정의한 바와 같다. 레늄, 몰리브덴, 텅스텐 또는 질산염- 혹은 아질산염-형성 화합물은 적당하게는 염이나 산 형태인 산소함유음이온(oxyanion)으로서, 예를 들면 과레늄염, 몰리브덴염, 텅스텐염 또는 질산염으로서 공급될 수 있다.
그 중에서도 최고 바람직한 것은, 은 이외에 레늄을 포함하는 은-기반 촉매이다. 이러한 촉매는 US-A-4761394, US-A-4766105 및 EP-A-266015에 공지되어 있다. 개괄적으로 말하면, 이들은 은, 레늄 혹은 이의 화합물과, 추가의 금속 혹은 이의 화합물 및 임의로는, 지지체 재료 상의 황, 인, 붕소, 및 이들의 화합물 중 하나 이상에서 선택될 수 있는 레늄 공촉진제를 포함한다. 더욱 구체적으로는 추가의 금속은 IA족 금속, IIA족 금속, 몰리브덴, 텅스텐, 크롬, 티타늄, 하프늄, 지르코늄, 바나듐, 탈륨, 토륨, 탄탈륨, 니오븀, 갈륨 및 게르마늄 그리고 이들의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택된다. 바람직하게는 추가의 금속은 리튬, 칼륨, 루비듐 및 세슘과 같은 IA족 금속 및/또는 칼슘 및 바륨과 같은 IIA족 금속에서 선택된다. 가장 바람직하게는 추가의 금속은 리튬, 칼륨 및/또는 세슘이다. 가능하면, 레늄, 추가의 금속 또는 레늄 공촉진제는 염이나 산 형태인 산소함유음이온으로서 제공될 수 있다.
이러한 촉매 성분의 바람직한 양은 전체 촉매를 기준으로 원소로서 계산하면:
- 10 내지 500 g/kg의 은,
- 0.01 내지 50 mmol/kg의 레늄,
- 존재하는 경우, 추가의 금속 또는 금속들 0.1 내지 500 mmol/kg, 및
- 존재하는 경우, 레늄 공촉진제 또는 공촉진제들 0.1 내지 30 mmol/kg이다.
본 에폭시화 방법은 바람직하게는 1000 내지 4000 kPa 범위의 반응기 유입 압력에서 수행한다. "GHSV" 또는 시간당 기체 공간 속도는, 시간당, 보통의 온도 및 압력(0℃, 1 atm, 즉, 101.3 kPa)에서 압축된 촉매의 단위 용적을 지나는 기체의 용적을 말한다. 바람직하게는, 에폭시화 방법을 압축된 촉매 층을 수반하는 기체상 방법으로서 수행한 경우에, GHSV는 1500 내지 10000 Nl/(1.h) 범위이다. 바람직하게는, 본 발명의 방법은 시간당, 촉매 1 ㎥당 제조된 산화 올레핀 0.5 내지 10 kmol 범위, 특히 시간당, 촉매 1 ㎥당 제조된 산화 올레핀 0.7 내지 8 kmol 범위, 예를 들면, 시간당, 촉매 1 ㎥당 제조된 산화 올레핀 5 kmol의 처리율로 수행한다. 본원에 사용된, "처리율"은 시간당, 촉매 단위 용적당 제조된 산화 올레핀의 양을 말하는 것이며, "선택성"은 전환된 올레핀의 몰량에 대해 상대적인, 형성된 산화 올레핀의 몰량을 말하는 것이다.
제조된 산화 올레핀은 당해 업계에 공지된 방법, 예를 들면 반응기 배출류로부터의 산화 올레핀을 물에 흡수시키고, 임의로는 증류에 의해 수용액으로부터 산화 올레핀을 회수하는 방법을 사용하여 반응 산물로부터 회수할 수 있다. 산화 올레핀을 함유하는 수용액의 적어도 일부는 산화 올레핀을 1,2-디올 또는 1,2-디올 에테르로 전환하는 후속 방법에 적용할 수 있다.
본 에폭시화 방법에서 제조된 산화 올레핀은 1,2-디올 또는 1,2-디올 에테르로 전환될 수 있다. 본 발명이 산화 올레핀 제조 방법을 더욱 바람직하게 인도함으로써, 동시에 본 발명에 따른 산화 올레핀 제조 및 이에 이어지는 1,2-디올 및/또는 1,2-디올 에테르의 제조시 수득된 산화 올레핀의 용도를 포함하는 과정도 더욱 바람직하게 인도한다.
1,2-디올 또는 1,2-디올 에테르로의 전환은, 예를 들면, 적당하게는 산성 또는 염기성 촉매를 사용하여 산화 올레핀과 물을 반응시키는 것을 포함할 수 있다. 예를 들면, 다량의 1,2-디올과 소량의 1,2-디올 에테르를 만들기 위해서는, 액체상 반응이라면, 산성 촉매의 존재하에, 예를 들면 전체 반응 혼합물을 기준으로 0.5 내지 1.0 wt% 황산의 존재하에, 50 내지 70℃, 1 바아의 절대 압력에서, 또는 기체상 반응이라면, 130 내지 240℃, 20 내지 40 바아의 절대 압력에서, 바람직하게는 촉매 없이, 산화 올레핀을 10배 몰 과량의 물과 반응시킬 수 있다. 물의 비율을 낮추면 반응 혼합물 중 1,2-디올 에테르의 비율이 증가된다. 결과적으로 제조된 1,2-디올 에테르는 디-에테르, 트리-에테르, 테트라-에테르 또는 이보다 더 고급 에테르일 수 있다. 대안적인 1,2-디올 에테르는 물의 적어도 일부를 알콜로 치환하는 것에 의해, 산화 올레핀을 알콜을 사용하여 전환시킴으로써, 특히 1차 알콜, 예컨대 메탄올 또는 에탄올을 사용하여 전환시킴으로써 제조할 수 있다.
1,2-디올 및 1,2-디올 에테르는 매우 다양한 산업 분야에서, 예를 들면 식품, 음료, 담배, 화장품, 열가소성 중합체, 경화성 수지 시스템, 세제, 열전달 시스템 등의 분야에서 사용될 수 있다.
달리 언급하지 않으면, 본원에 언급된 유기 화합물, 예를 들면 올레핀, 1,2-디올, 1,2-디올 에테르 및 반응 변형제는 전형적으로는 최대 40개 탄소 원자, 더욱 전형적으로는 최대 20개 탄소 원자, 구체적으로는 최대 10개 탄소 원자, 특히 최대 6개 탄소 원자를 갖는다. 본원에 정의된, "탄소 원자 개수(즉, 탄소수) 범위"는 상기 범위의 한계에 속하는 숫자도 포함하는 것이다.
본 발명의 방법을 수행하기에 적합한 반응 시스템은 매우 선택적인 은-기반 촉매를 담는 반응기를 포함한다. 반응기는 올레핀, 산소 및 반응 변형제를 포함하는 공급물을 받도록 배치될 수 있다. 반응기는 반응 온도 T를 반응기에서 제어하도록 배치된 온도 제어 시스템을 가질 수 있다. 반응 시스템은 상대적인 양 Q로서 공급물 중에 존재하는 반응 변형제, 임의로는 다른 공급물 성분의 농도를 제어하도록 배치된 공급물 제어 시스템을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 컴퓨터 프로그램물은, 컴퓨터로 판독가능한 매체 및 상기 컴퓨터로 판독가능한 매체 상에 기록된 컴퓨터로 판독가능한 프로그램 코드를 포함할 수 있다. 컴퓨터로 판독가능한 프로그램 코드는 본 발명의 방법에 관련한 계산을 실행하도록 본 발명의 컴퓨터 시스템의 데이터 처리 시스템을 명령하기에 적합한 것일 수 있다. 컴퓨터 프로그램물은 본 발명의 컴퓨터 시스템의 영구불변한 존재인 디스크 형태일 수 있거나, 컴퓨터 시스템에 삽입가능한 디스크 형태일 수 있다. 컴퓨터로 판독가능한 매체는 예를 들면 광 시스템이나 자기 시스템에 의해 판독될 수 있다.
바람직한 양태에서, 컴퓨터 프로그램물은 추가로, 본 발명의 방법을 제어하도록 데이터 처리 시스템을 명령하기에 적합한, 컴퓨터로 판독가능한 매체 상에 기록된 컴퓨터로 판독가능한 프로그램 코드를 포함할 수 있다. 특히, 본 바람직한 양태에서, 컴퓨터 시스템은 온도 제어 시스템 및 공급물 제어 시스템과 소통하도록 배치될 수 있다. 이러한 배치는 본 발명의 방법의 각 단계의 제어를 용이하게 해 준다.
하기 실시예로 본 발명을 설명하겠다.
실시예 1
US-A-4766105(EP-A-266015)에서 정의된 촉매, 즉 α-알루미나 상에 은, 레늄, 세슘, 리튬 및 텅스텐을 함유하고, 새 촉매 상태로는 적어도 85.7%의 이론적 선택성 S0를 갖는 촉매를 하기 실시예에서 사용하였다.
실시예에서 산화 에틸렌을 하기와 같이 제조했다. 분쇄된 촉매(0.8 내지 1.4 mm) 샘플을 내경이 3 mm인 U자형 스테인레스강 관으로 구성된 마이크로-반응기에 충진하였다. U자형 관을 용융된 금속 주석/비스무트 배스(열 매질)에 함침시키고, 그 끝을 기체 유동 시스템에 연결하였다. 촉매의 중량 및 유입 기체 유속을 시간당 기체 공간 속도가 5000 Nl/(l.h)이 되도록 조정하였다. 유입 압력은 1870 kPa(절대 압력)이었다. 반응기에 대한 공급물은 28 몰% 농도의 에틸렌, 7.4 몰% 농도의 산소, 5.2 몰% 농도의 이산화탄소, 2.9 ppmv(용적 단위의 백만부) 농도(산화 에틸렌에 대한 선택성이 최적이도록 하는 양)의 염화 에틸로 이루어지고, 공급물의 나머지는 질소였다. 반응 압력은 257℃였고, 이 온도에서 처리율은 208 kg 산화 에틸렌/(㎥.hr)이었다. 상기와 같은 조건은 앞으로 "제 1 반응 조건"으로 언급하겠다.
이어서, 제 1 반응 조건을 하기와 같이 변화시켰다: 시간당 기체 공간 속도 6000 Nl/(l.h), 유입 압력 2250 kPa(절대 압력), 에틸렌 농도 23 몰%, 산소 농도 6.1 몰%, 이산화탄소 농도 4.3 몰%, 반응 온도 263℃. 산화 에틸렌에 대한 선택성을 최적화한 후, 염화 에틸 농도는 2.6 ppmv였다. 처리율은 251 kg 산화 에틸렌/(㎥.hr)이었다. 상기와 같은 조건은 앞으로 "제 2 반응 조건"으로 언급하겠다. B=0.22x10-6와, 제 1 반응 조건을 사용하여 화학식 1에 의거하여 계산하면, 제 2 반응 조건 하에서 산화 에틸렌에 대한 최적의 선택성을 위해서는, 염화 에틸 농도가 2.7 ppmv(실험적으로는 2.6 ppmv로 드러남)에 달해야 하는 것으로 드러났다.
이어서, 제 2 반응 조건을 하기와 같이 변화시켰다: 시간당 기체 공간 속도 7400 Nl/(l.h), 유입 압력 2650 kPa(절대 압력), 에틸렌 농도 19 몰%, 산소 농도 5 몰%, 이산화탄소 농도 3.5 몰%, 반응 온도 271℃. 산화 에틸렌에 대한 선택성을 최적화하고 난 후, 염화 에틸 농도는 2.6 ppmv였다. 처리율은 307 kg 산화 에틸렌/(㎥.hr)이었다. 상기와 같은 조건은 앞으로 "제 3 반응 조건"으로 언급하겠다. B=0.22x10-6및 제 1 반응 조건을 사용하여 화학식 1에 의거, 계산하면, 제 3 반응 조건 하에서 산화 에틸렌에 대한 최적의 선택성을 위해서는, 염화 에틸 농도가 2.6 ppmv(실험적으로는 2.6 ppmv로 드러남)에 달해야 하는 것으로 드러났다.
실시예 2(가정)
US-A-4766105(EP-A-266015)에서 정의된 촉매, 즉 α-알루미나 상에 은, 레늄, 세슘, 리튬 및 황을 함유하고, 새 촉매 상태로는 93%의 이론적 선택성 S0을 갖는 촉매를 하기 실시예에서 사용한다. 상기의 S0값은 매 시간마다 30% 에틸렌, 8% 산소, 5% 이산화탄소의 시간당 기체 공간 속도 범위, 1400 kPa 및 반응 온도 260℃에서 선택성을 측정하고, 이를 산소전환율이 0일 때로 역추정하여 결정한 것이다.
실시예에서 산화 에틸렌은 하기와 같이 제조된다. 분쇄된 촉매(0.8 내지 1.4 mm) 샘플을 내경이 3 mm인 U자형 스테인레스강 관으로 구성된 마이크로-반응기에 충진한다. U자형 관을 용융된 금속 주석/비스무트 배스(열 매질)에 함침시키고, 그 끝을 기체 유동 시스템에 연결한다. 촉매의 중량 및 유입 기체 유속을 시간당 기체 공간 속도가 3300 Nl/(l.h)이 되게 조정한다. 유입 압력은 1600 kPa(절대 압력)이다. 반응기에 대한 공급물은 50 몰% 농도의 에틸렌, 7 몰% 농도의 산소, 3.5 몰% 농도의 이산화탄소, 산화 에틸렌에 대한 선택성이 최적이도록 하는 농도의 염화 에틸로 이루어지고 나머지는 질소이다. 반응 압력은 254℃이고, 이 온도에서 처리율은 200 kg 산화 에틸렌/(㎥.hr)이다. 촉매가 에이징됨에 따라서, 일정한 처리율이 유지되도록 반응 온도를 점진적으로 증가시킨다. 반응 온도 증가와 동시에, B=0.22x10-6를 사용하여 화학식 1에 의거하여 공급물 중의 염화 에틸의 농도를 증가시킨다.
Claims (22)
- 매우 선택적인 은-기반 촉매의 존재하에, 반응 온도 T에서, 올레핀, 산소 및 반응 변형제를 포함하는 공급물을 반응시키는 것을 포함하고, 이 때 상기 반응 변형제는 공급물 중에 존재하는 탄화수소의 유효 몰량에 대한, 공급물 중에 존재하는 반응 변형제의 활성 화학종의 유효 몰량의 비인, 상대적인 양 Q로서 존재하는 것이고, 또한,- T 값이 T1이고, Q 값이 Q1인 제 1 수행 시기에서 수행하는 단계, 및- T 값이 T2이면, Q 값은, Q2= Q1+ B (T2- T1)의 식(여기에서 B는 0보다 큰 상수를 나타낸다)에 의해 정의되고 계산에 의해 결정되는 Q2가 되도록, 제 1 수행 시기에서 사용된 반응 온도에서 그 온도를 변화시킨 제 2 수행 시기의 반응 온도에서 뒤이어 수행하는 단계를 포함하는 올레핀의 에폭시화 방법.
- 제 1 항에 있어서, 올레핀이 에틸렌이고, 반응 변형제는 유기 염화물을 포함하는 것이 특징인 올레핀의 에폭시화 방법.
- 제 2 항에 있어서, 반응 변형제는 6개 이하의 탄소 원자를 갖는 염화탄화수소로 이루어지고, 염화 메틸, 염화 에틸, 이염화 에틸렌 및 염화 비닐 중 하나 이상을 포함하는 것이 특징인 올레핀의 에폭시화 방법.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 공급물 중에 존재하는 반응 변형제의 활성 화학종의 유효 몰량은 공급물 중에 존재하는 반응 변형제 각각의 몰량을 해당 계수로 곱하고, 그 곱하여 나온 수들을 다 더해서 계산될 수 있는 것이고, 여기에서 상기 계수는 해당 반응 변형제 분자당 존재하는 활성 헤테로 원자의 수를 나타내는 것으로서, 단 메틸 화합물인 반응 변형제에 대한 계수는 1/5 내지 1/2 범위, 구체적으로는 1/3.5 내지 1/2.5 범위인 것으로 이해되는 것이 특징인 올레핀의 에폭시화 방법.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 공급물 중에 존재하는 탄화수소의 유효 몰량은 공급물 중에 존재하는 탄화수소 각각의 몰량을 해당 계수로 곱하고, 그 곱하여 나온 수들을 다 더해서 계산될 수 있는 것이고, 여기에서 상기 계수는 에틸렌에 대한 계수를 1로 정의하고, 이에 상대적인 개념으로서, 임의의 메탄에 대한 계수는 0 내지 0.5 범위이고, 임의의 에탄에 대한 계수는 50 내지 150 범위이며, 적어도 3개의 탄소 원자를 갖는 임의의 탄화수소에 대한 계수는 10 내지 10000 범위인 것이 특징인 올레핀의 에폭시화 방법.
- 제 5 항에 있어서, 에틸렌에 대한 계수를 1로 정의하고, 이에 상대적인 개념으로서, 임의의 메탄에 대한 계수는 0 내지 0.4 범위이고, 임의의 에탄에 대한 계수는 70 내지 120 범위이며, 적어도 3개의 탄소 원자를 갖는 임의의 탄화수소에 대한 계수는 50 내지 2000 범위인 것이 특징인 올레핀의 에폭시화 방법.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상대적인 양 Q는 1x10-6내지 100x10-6범위, 구체적으로는 2x10-6내지 50x10-6범위인 것이 특징인 올레핀의 에폭시화 방법.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 반응 온도 T는 190 내지 325℃ 범위, 구체적으로는 200 내지 300℃ 범위인 것이 특징인 올레핀의 에폭시화 방법.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 반응 온도 T는 ℃ 단위로 표현되고, B 값은 (℃)-1단위로 표현되는 것으로서 0.01x10-6내지 1x10-6범위, 구체적으로는 0.1x10-6내지 0.5x10-6범위인 것이 특징인 올레핀의 에폭시화 방법.
- 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 반응 온도 T1에서 산화 올레핀 형성에 대한 선택성이 최적화 되도록 하는 Q1값이 사용되는 것이 특징인 올레핀의 에폭시화 방법.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 촉매가 에이징됨에 따라, 촉매 활성의 감소를 보상하기 위하여 반응 온도를 변화시키는 것이 특징인 올레핀의 에폭시화 방법.
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 매우 선택적인 은-기반 촉매는 지지체 상의, 구체적으로는 α-알루미나 지지체 상의 레늄, 몰리브덴, 텅스텐 및 질산염- 혹은 아질산염-형성 화합물 중 하나 이상을 포함하는 것이 특징인 올레핀의 에폭시화 방법.
- 제 12 항에 있어서, 매우 선택적인 은-기반 촉매는 은, 레늄 혹은 이의 화합물과, 추가의 금속 혹은 이의 화합물(상기 추가의 금속은 IA족 금속, IIA족 금속, 몰리브덴, 텅스텐, 크롬, 티타늄, 하프늄, 지르코늄, 바나듐, 탈륨, 토륨, 탄탈륨, 니오븀, 갈륨 및 게르마늄 그리고 이들의 혼합물에서 선택된다), 및 임의로는 레늄 공촉진제(상기 레늄 공촉진제는 황, 인, 붕소, 및 이들의 화합물 중 하나 이상에서 선택된다)를 포함하는 것이 특징인 올레핀의 에폭시화 방법.
- 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 공급물 중에 존재하는 탄화수소는 올레핀 외에도, 메탄, 에탄, 프로판 및 사이클로프로판 중 하나 이상을 포함하는 것이 특징인 올레핀의 에폭시화 방법.
- 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, Q2는 하기의 식, 즉Q2= Q1+ B (T2- T1)(여기에서, B는 0보다 큰 상수를 나타낸다)을 사용하여, 또는 동등한 수학적 표현식을 사용하여 계산되는 것이 특징인 올레핀의 에폭시화 방법.
- 매우 선택적인 은-기반 촉매의 존재하에, 올레핀, 산소 및 반응 변형제를 포함하는 공급물을 반응시키는 것을 포함하고, 또한- 제 1 수행 시기에서 수행하는 단계, 및- 촉매 상의 반응 변형제의 활성 화학종의 농도가 실질적으로 변화되지 않도록, 제 1 수행 시기에서 사용된 반응 온도에서 그 온도를 변화시킨 제 2 수행 시기의 반응 온도에서 뒤이어 수행하는 단계를 포함하는 올레핀의 에폭시화 방법.
- 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 산화 올레핀의 제조방법에 의해 수득된 산화 올레핀을 1,2-디올 또는 1,2-디올 에테르로 전환시키는 것을 포함하는, 1,2-디올 또는 1,2-디올 에테르를 제조하기 위해 산화 올레핀을 사용하는 방법.
- 올레핀의 에폭시화 방법을 수행하기에 적합한 반응 시스템으로서, 이 반응시스템은 올레핀, 산소 및 반응 변형제를 포함하는 공급물을 받도록 배치되어 있고 반응 온도 T를 반응기 중에서 제어하도록 배치된 온도 제어 시스템을 가지는, 매우 선택적인 은-기반 촉매를 담는 반응기를 포함하고, 또한 상기 반응 시스템은 공급물 중에 존재하는 탄화수소의 유효 몰량에 대한 공급물 중에 존재하는 반응 변형제의 활성 화학종의 유효 몰량의 비인 상대적인 양 Q로서 공급물 중에 존재하는 반응 변형제를 제어하도록 배치된 공급물 제어 시스템을 추가로 포함하며, 마지막으로 상기 반응 시스템은- T 값이 T1이고, Q 값이 Q1인 제 1 수행 시기에서 수행하는 단계, 및- T 값이 T2이면, Q 값은, Q2= Q1+ B (T2- T1)의 식(여기에서 B는 0보다 큰 상수를 나타낸다)에 의해 정의되고 계산에 의해 결정될 수 있는 Q2가 되도록, 제 1 수행 시기에서 사용된 반응 온도에서 그 온도를 변화시킨 제 2 수행 시기의 반응 온도에서 뒤이어 수행하는 단계를 시행하도록 배치되는 것이 특징인 반응 시스템.
- 컴퓨터로 판독가능한 매체 및 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에서 청구된 바와 같은 올레핀의 에폭시화 방법에서의 계산을 실행하도록 컴퓨터 시스템의 데이터 처리 시스템을 명령하기에 적합한, 상기 컴퓨터로 판독가능한 매체 상에 기록된 컴퓨터로 판독가능한 프로그램 코드를 포함하는 컴퓨터 프로그램물.
- 제 19 항에 있어서, 올레핀의 에폭시화 방법을 제어하도록 데이터 처리 시스템을 명령하기에 적합한, 컴퓨터로 판독가능한 매체 상에 기록된 컴퓨터로 판독가능한 프로그램 코드를 추가로 포함하는 컴퓨터 프로그램물.
- 컴퓨터 프로그램물 및 상기 컴퓨터 프로그램물로부터 판독된 명령을 받도록 배치된 데이터 처리 시스템을 포함하는 컴퓨터 시스템으로서, 여기에서 상기 컴퓨터 프로그램물은 컴퓨터로 판독가능한 매체 및 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에서 청구된 바와 같은 올레핀의 에폭시화 방법에서의 계산을 실행하도록 데이터 처리 시스템을 명령하기에 적합한, 상기 컴퓨터로 판독가능한 매체 상에 기록된 컴퓨터로 판독가능한 프로그램 코드를 포함하는 것이 특징인 컴퓨터 시스템.
- 제 21 항에 있어서, 컴퓨터 시스템은 반응 온도 T를 제어하도록 배치된 온도제어 시스템과, 또한 상대적인 양 Q로서 공급물 중에 존재하는 반응 변형제를 제어하도록 배치된 공급물 제어 시스템과 소통하도록 배치되는 것이 특징이고, 컴퓨터 프로그램물은, 올레핀의 에폭시화 방법을 제어하도록 데이터 처리 시스템을 명령하기에 적합한, 컴퓨터로 판독가능한 매체 상에 기록된 컴퓨터로 판독가능한 프로그램 코드를 추가로 포함하는 것이 특징인 컴퓨터 시스템.
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