KR20050034633A - 디이소프로필벤졸의 알킬 교환반응용 제올라이트 촉매 조성물 및 이를 사용하여 디알킬화 벤젠을 알킬 교환반응시키는 방법 - Google Patents

디이소프로필벤졸의 알킬 교환반응용 제올라이트 촉매 조성물 및 이를 사용하여 디알킬화 벤젠을 알킬 교환반응시키는 방법 Download PDF

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판데어알스트매튜제이.
삼손모함메드에스.
메이마가름트알.
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다우 글로벌 테크놀로지스 인크.
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Abstract

본 발명의 명세서에는 탈알루미나 모르데나이트 성분과 산성 형태의 12원 환을 갖는 제2 제올라이트를 포함하는 촉매 조성물이 기재되어 있다. 당해 촉매는 디알킬화 벤젠을 알킬 교환반응시켜 큐멘을 생성하는 공정에 특히 유용하다.

Description

디이소프로필벤졸의 알킬 교환반응용 제올라이트 촉매{Zeolite catalysts for transalkylation of diisopropylbenzol}
발명의 배경
본 발명은 알킬 교환반응 공정에서 둘 이상의 제올라이트의 혼합물(여기서, 제올라이트 중의 하나는 탈알루미나 모르데나이트 제올라이트이다)을 사용하여 디이소프로필 벤젠을 큐멘으로 전환시키는 방법에 관한 것이다.
이소프로필 벤젠이라고도 불리는 큐멘은, 예를 들면, 페놀과 아세톤의 제조에 있어서 상업적으로 중요한 화합물이다. 큐멘은 통상 각종 조건하에 벤젠을 제올라이트, 무수 알루미늄 클로라이드[AlCl3] 또는 인산 촉매 위에서 프로필렌을 사용하여 알킬화하여 제조한다. 각종 처리 반응은 수율이 비교적 높은 큐멘과 같은 모노알킬방향족 생성물을 제조하는 것으로 공지되어 있다. 그러나, 이러한 현재 공정은 목적하지 않은 부산물의 제조와 같은 문제가 없지 않다. 특히, 이러한 반응에서 통상적인 다알킬화는 목적하지 않은 디이소프로필 벤젠 및 트리이소프로필 벤젠을 제조한다. 이러한 다알킬화물의 생성을 감소시키기 위해, 높은 벤젠 대 프로필렌 비율이 공급물에 사용될 수 있으며, 몇몇 경우에는, 희석된 프로필렌 공급 원료도 사용될 수 있다.
별개의 알킬 교환반응용 반응기 속에서 이러한 다알킬화 벤젠을 벤젠과 반응시켜 큐멘을 생성시키고, 이로써 큐멘 생성물을 증가시키는 방법은 공지되어 있다. 이를 달성하기 위해서는, 큐멘에 대한 고선택도와 폴리이소프로필 벤젠의 고전환율을 증명하는 촉매가 필요하다.
이러한 반응들에 사용하기 위해 당해 분야에서 각종 촉매들이 제안되어 왔다. 예로는, 산성 모르데나이트 제올라이트(미국 특허 제5,243,116호), 제올라이트 β(미국 특허 제4,891,458호, 유럽 특허 제0 687 500호) 및 분자체(유럽 특허 제0 467 007호)가 있다. 이러한 촉매들을 개선시켜 큐멘에 대한 선택도 및/또는 폴리이소프로필 벤젠의 전환율을 향상시킬 것이 요망되고 있다.
발명의 요약 및 배경
본 발명은 디이소프로필 벤젠을 큐멘으로 전환시키기 위한 알킬 교환반응 단계에서 사용하기에 적합한 촉매를 제공한다. 당해 촉매는 둘 이상의 제올라이트의 혼합물(여기서, 제올라이트 중의 하나는 탈알루미나 모르데나이트 제올라이트이다)을 포함한다. 탈알루미나 모르데나이트는 실리카/알루미나 몰 비가 30:1 이상인 산성 모르데나이트 제올라이트를 포함한다. 이러한 촉매 성분은 Cmcm 대칭 도메인이 Cmcm 대칭 매트릭스 속에 분산되도록 X선 회절에 의해 측정된 결정질 구조를 가져야 한다. 대칭 지수는 모르데나이트 샘플 속에 존재하는 결정들의 대칭과 관련된다.
제2 제올라이트 성분은 산성 형태의 임의의 12원 환을 갖는 제올라이트일 수 있다. 바람직한 제2 제올라이트 성분은 하나 이상의 β 제올라이트, MCM-22, MCM-36, MCM-49, ERB-1, SSZ-25, Ω 및 Y 제올라이트로부터 선택되며, β 제올라이트가 가장 바람직하다. 제올라이트 MCM-22는 미국 특허 제4,992,606호에 기재되어 있고, 제올라이트 Y는 미국 특허 제3,130,007호에 기재되어 있으며, 이의 개질된 형태는 미국 특허 제4,459,426호 및 미국 특허 제4,798,816호에 기재되어 있다. 제올라이트 β 성분은, 존재하는 경우, 수학식 1을 갖는다:
위의 수학식 1에서,
x는 1 미만이고,
y는 5 내지 100의 범위이고,
w는 0 내지 4의 범위이고,
M은 주기율표의 IA족, IIA족, IIA족에 속하는 금속 또는 전이 금속이고,
TEA는 테트라에틸 암모늄이다.
본 발명의 또 다른 국면은 형상 선택적 반응이 중요한 역할을 하는 임의의 알킬 교환반응 또는 특정 이성체의 형성이 다른 반응, 특히 디이소프로필 톨루엔, 디이소프로필 비페닐 또는 디이소프로필 나프탈렌의 알킬 교환반응보다 바람직한 반응을 개선시키는 공정이다. 바람직한 공정은 큐멘이 생성되는 조건하에 촉매의 존재하에 벤젠과 디이소프로필 벤젠을 접촉시킴을 포함한다. 바람직하게는, 당해 공정은 벤젠과 프로필렌의 알킬 반응과 동시에 수행된다.
발명의 상세한 설명
본 발명의 촉매는 탈알루미나 모르데나이트 성분 50중량% 이상, 바람직하게는 60 내지 80중량%와 산성 형태의 임의의 12원 환을 갖는 제올라이트일 수 있는 제2 제올라이트 5 내지 50중량%, 바람직하게는 20 내지 40중량%를 포함한다. 바람직한 제2 제올라이트 성분은 β 제올라이트, MCM-22, MCM-36, MCM-49, ERB-1, SSZ-25, Ω 및 Y 제올라이트 (또는 이들 제올라이트의 혼합물)로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
제올라이트 MCM-22는 미국 특허 제4,992,606호에 기재되어 있고, 제올라이트 Y는 미국 특허 제3,130,007호에 기재되어 있으며, 이의 개질된 형태는 미국 특허 제4,459,426호 및 미국 특허 제4,798,816호에 기재되어 있다. 제올라이트 β는, 이의 개질된 형태를 포함하여, 미국 특허 제3,308,069호 및 미국 재발급 특허 제28,341호에 최초로 기재된 바와 같이 당해 분야에 공지되어 있으며, 이후에는 미국 특허 제4,891,458호 및 유럽 특허 제0 432 814호에 기재되어 있다. 제올라이트 β 성분은, 존재하는 경우, 수학식 1을 갖는다:
수학식 1
위의 수학식 1에서,
x는 1 미만이고,
y는 5 내지 100의 범위이고,
w는 0 내지 4의 범위이고,
M은 주기율표의 IA족, IIA족, IIA족에 속하는 금속 또는 전이 금속이고,
TEA는 테트라에틸 암모늄이다.
임의로, 알킬 교환반응용 촉매는 촉매 길이 및 마모 저항을 증가시킬 목적으로 임의의 지지 물질에 제한되거나, 이에 지지되거나 이들로 압출될 수 있다. 적합한 지지체는 알루미나, 실리카, 알루미노실리케이트, 티탄, 지르코늄, 마그네슘 및 점도를 포함한다. 바람직하게는, 지지체는 알루미나 또는 실리카이다. 제2 제올라이트 촉매 성분은 목적하는 모든 형태, 예를 들면, 원통형 압출물로 압축될 수 있다. 제2 제올라이트 성분은 유럽 특허 제0 432 814호에 기재되어 있는 바와 같이, 당해 분야에 공지된 임의의 수단에 의해 제조될 수 있다.
본 발명의 촉매의 바람직한 탈알루미나 모르데나이트 성분은 또한 당해 분야에 공지되어 있다[참조: 미국 특허 제5,243,116호]. 바람직한 탈알루미나 모르데나이트 성분의 실리카/알루미나 몰 비는 30:1 이상이고, 대칭 지수(SI)는 미국 특허 제5,243,116호에 정의된 바와 같이 1.0 이상이고, 다공도는, 전체 공극 용적이 약 0.18 내지 약 0.45cc/g으로 되도록 하는 값이고, 중간 공극 용적과 거대 공극 용적을 합한 용적 대 전체 공극 용적의 비율은 바람직하게는 0.25 내지 약 0.75이다. 본 발명의 목적을 위해, 중간 공극의 반경은 3 내지 10Å이고 거대 공극의 반경은 100 내지 1,000Å이다. 바람직하게는, 본 발명의 모르데나이트는 Cmcm 대칭 도메인이 Cmcm 대칭 매트릭스 속에 분산되도록 포함하는 결정질 구조를 갖는다[참조: J.D. Sherman and J.M. Bennett, "Framework Structures Related to the Zeolite Mordenite." Molecular Sieves, J.W. Meier and J.B. Uytterhoeven, eds. Advances in Chemistry Series, 121, 1973, p 53].
바람직한 탈알루미나 모르데나이트 성분은 미국 특허 제5,243,116호에 기재되어 있는 바와 같이 제조할 수 있다.
알킬 교환반응은 미국 특허 제5,243,116호 또는 유럽 특허 제0 467 007호에 기재되어 있는 바와 같은 분야에 공지된 조건하에 수행할 수 있다. 바람직하게는, 이 재료는 연속 유동 고정상 반응기 속에서 접촉되지만, 반응성 증류 또는 모놀리식 반응기와 같은 다른 반응기 형태가 사용될 수도 있다. 제2 제올라이트 및 탈알루미나 모르데나이트 촉매 성분은 철저히 혼합될 수 있거나, 개별 성분들이 2 이상의 층 속에 농축되도록 배열될 수 있다.
당해 반응 조건은 이러한 알킬 교환반응에 대한 분야에서 통상 사용되는 조건이다. 일반적으로, 반응기는 120 내지 210℃, 보다 바람직하게는 140 내지 180℃의 온도로 존재해야 한다. 가장 바람직한 온도는 촉매 혼합물의 전체 활동 및 관련된 불순물 제조, 특히 n-프로필벤젠 형성에 의존한다. 이러한 n-프로필벤젠 성분의 형성은 바람직하지 않으며 이것이 가장 낮게 허용되는 수준으로 조절되어야 한다. 압력은 액상 반응 조건이 유지되도록 하는 정도로 가해져야 한다. 공급물 중량 시공간 속도(WHSV)는 0.5 내지 50, 보다 바람직하게는 1 내지 10, 가장 바람직하게는 1 내지 5일 수 있다.
실시예
본 발명을 다음 실시예에 의해 설명하고자 한다. 이러한 알킬 교환반응 모두에 있어서, 실험은 내부 직경이 18.9mm인 연속 유동 고정상 관형 반응기 속에서 수행된다. 반응기는 저부 및 상부에 카보런덤(carborundum, SiC)이 충전되며 각각의 실시예에 기재된 특정 촉매는 카보런덤 층들 사이에 위치한다. 제2 제올라이트 성분은 β 제올라이트[Zeolyst(CP861 DL-25)는 SiO2/Al2O3 몰 비가 24:1이고 알루미나(20%)와 결합되어 있다]이다. 탈알루미나 모르데나이트는 SiO2/Al2O3 몰 비가 224:1이고 알루미나(20%)와 결합되어 있다. 액상 반응 조건은 반응 온도 165℃, 압력 32bar 및 공급물 중량 시공간 속도(WHSV) 1.0h-1로 유지되었다. 공급물은 벤젠 대 디이소프로필벤젠(DIPB)의 몰 비가 8:1이다. DIPB의 이성체 조성은 메타가 40.1중량%, 오르토가 22.4중량% 및 파라가 37.5중량%이다. 생성물은 온라인 가스 크로마토그라피로 분석하였다.
실시예 1에서는 촉매층 배위가 혼합되었고, 실시예 2에서 β 제올라이트는 반응기 입구의 하나의 층에 위치하며 탈알루미나 모르데나이트는 반응기 출구의 하나의 층에 위치하고, 실시예 3에서 탈알루미나 모르데나이트는 반응기 입구에 위치하고 β 제올라이트는 출구에 위치한다. 촉매 성분의 양 및 그 결과는 표 1에 기재한다.
실시예 번호 β 제올라이트 Mor DIPB Con(%) 메타 DIPB Con(%) 오르토 DIPB Con(%) 파라 DIPB Con(%) 큐멘에 대한 Sel(몰%)
A(조성물) 40g 0 50g 14 84 66 89
B(조성물) 0 40g 52g 48 25 72 95
1 8g 32g 62g 46 75 71 93
2 8g 32g 60g 47 64 71 91
3 8g 32g 62g 40 79 75 94
Con은 전환율이고, Sel은 선택도이고, Mor는 탈알루미나 모르데나이트이다.
표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 촉매 조성물은 등량에서 전환율이 높거나 각각의 성분 단독보다 선택도가 우수하다.

Claims (20)

  1. 탈알루미나 모르데나이트 성분 50 내지 95중량%와 β 제올라이트, MCM-22, MCM-36, MCM-49, ERB-1, SSZ-25 및 Y 제올라이트로 이루어진 그룹으로부터 선택된 제2 제올라이트 성분 5 내지 50중량%를 포함하는 촉매 조성물.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 제2 제올라이트 성분이 β 제올라이트인 촉매 조성물.
  4. 제1항에 있어서, β 제올라이트 성분이 15중량% 이상을 구성하는 촉매 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 탈알루미나 모르데나이트 성분이 60중량% 이상을 구성하는 촉매 조성물.
  6. 제3항에 있어서, β 제올라이트 성분이 산 형태로 존재하는 촉매 조성물.
  7. 제3항에 있어서, β 제올라이트 성분이 무기 결합제와 결합되는 촉매 조성물.
  8. 제7항에 있어서, 결합제가 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 지르코늄 옥사이드, 마그네슘 옥사이드, 천연 점토 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 촉매 조성물.
  9. 제1항에 있어서, 탈알루미나 모르데나이트 성분의 실리카/알루미나 몰 비가 30:1 이상인 촉매 조성물.
  10. 제1항에 있어서, 탈알루미나 모르데나이트 성분의 대칭 지수가 1.0 이상인 촉매 조성물.
  11. 제1항에 있어서, 탈알루미나 모르데나이트 성분의 다공도가, 전체 공극 용적이 약 0.18 내지 약 0.45cc/g으로 되도록 하는 값이고, 중간 공극 용적과 거대 공극 용적을 합한 용적 대 전체 공극 용적의 비율이 바람직하게는 0.25 내지 약 0.75인 촉매 조성물.
  12. 제1항에 있어서, 탈알루미나 모르데나이트 성분이 무기 결합제와 결합되는 촉매 조성물.
  13. 큐멘을 형성하기에 충분한 반응 조건하에 제올라이트 β 성분 5 내지 50중량%와 탈알루미나 모르데나이트 성분 50 내지 95중량%를 포함하는 촉매의 존재하에 벤젠과 디알킬화 벤젠을 접촉시킴을 포함하여, 디알킬화 벤젠을 알킬 교환반응시키는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 디알킬화 벤젠이 연속 유동 고정상 반응기 속에서 벤젠과 접촉하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 반응기를 통과하는 공급물 중량 시공간 속도가 0.5 내지 50의 값으로 유지되는 방법.
  16. 제13항에 있어서, 촉매 성분이 함께 혼합되는 방법.
  17. 제13항에 있어서, 촉매 성분이 일반적으로 2 이상의 층으로 분리되는 방법.
  18. 제13항에 있어서, β 제올라이트 성분이 촉매 조성물의 15중량% 이상을 구성하며 탈알루미나 모르데나이트 성분이 촉매 조성물의 60중량% 이상을 구성하는 방법.
  19. 제13항에 있어서, 탈알루미나 모르데나이트 성분의 실리카/알루미나 몰 비가 30:1 이상이고, 대칭 지수가 1.0 이상이고, 다공도가, 전체 공극 용적이 약 0.18 내지 약 0.45cc/g으로 되도록 하는 값이고, 중간 공극 용적과 거대 공극 용적을 합한 용적 대 전체 공극 용적의 비가 바람직하게는 0.25 대 약 0.75인 방법.
  20. β 제올라이트, MCM-22, MCM-36, MCM-49, ERB-1, SSZ-25 및 Y 제올라이트로부터 선택되며 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 지르코늄 옥사이드, 마그네슘 옥사이드, 천연 점토 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 결합제를 추가로 포함하는 제올라이트(a) 5 내지 50중량%와
    실리카/알루미나 몰 비가 30:1 이상이고, 대칭 지수가 1.0 이상이며, 다공도가, 전체 공급 용적이 약 0.18 내지 약 0.45cc/g으로 되도록 하는 값이고, 중간 공극 용적과 거대 공극 용적을 합한 용적 대 전체 공극 용적의 비율이 바람직하게는 0.25 대 약 0.75인 탈알루미나 모르데나이트 성분(b) 50 내지 95중량%를 포함하는 촉매의 존재하에 140 내지 180℃의 온도로 유지되고 공급물 중량 시공간 속도가 1 내지 5인 연속 유동 고정상 반응기 속에서 벤젠과 디알킬화 벤젠을 접촉시킴을 포함하여, 디알킬화 벤젠을 알킬 교환반응시켜 큐멘을 생성하는 방법.
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