상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 실리카 또는 알루미나 성분으로 이루어진 담체에, 코발트 성분 및 아연 성분 중 적어도 하나의 성분이 담지되고, 상기 코발트 성분이 담지되는 경우 그 함량이 1.5 내지 2 중량%이고, 아연 성분이 담지되는 경우 그 함량이 2 내지 10 중량%이며, 코발트 및 아연 성분이 동시에 담지되는 경우 그 함량이 2 내지 6 중량%인 탈염화수소용 촉매를 제공한다.
또한, 상기 촉매를 이용하여 에틸렌디클로라이드를 탈염화수소화하는 방법을 제공한다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 탈염화수소용 촉매에 관한 것으로, 특히 짧은 체류시간에도 높은 전환율 및 선택율을 보여, 유동층 반응기 및 촉매 이송 반응기에 사용 가능한 고활성의 탈염화수소용 촉매에 관한 것이다.
본 발명의 탈염화수소용 촉매는 실리카 또는 알루미나로 이루어진 다양한 담체 물질에, 코발트 성분 및 아연 성분 중 적어도 하나의 성분이 담지되고, 상기 코 발트성분이 담지되는 경우 그 함량이 1.5 내지 2 중량%이고, 아연성분이 담지되는 경우 그 함량이 2 내지 10 중량%이며, 코발트 및 아연 성분이 동시에 담지되는 경우 그 함량이 2 내지 6 중량%인 탈염화수소용 촉매이다.
상기 아연 성분은 촉매 총 중량에 대해 2 내지 6 중량%로 담지되는 것이 보다 바람직하다.
상기 코발트과 아연를 모두 담지시키는 경우에는 촉매 총 중량에 대해 코발트 0.5 내지 4 중량%와 아연 성분 0.5 내지 5 중량%를 담지시키는 것이 바람직하며, 혼합 성분의 함량은 2 내지 6 중량%인 것이 보다 바람직하다. 이는 코발트와 아연을 각각 4 또는 5 중량%를 초과하여 사용하는 경우에는 촉매의 활성저하가 빨라지며, 각각 0.5 중량% 미만으로 사용하는 경우에는 촉매의 반응활성이 낮아질 수 있기 때문이다.
상기 촉매의 활성점을 효과적으로 증가시키기 위하여 사용되는 실리카 또는 알루미나로 구성된 담체로는 Y, MOR(모더나이트), FER(페리어라이트), 베타형 제올라이트, ZSM, SAPO, 또는 이들의 혼합 등의 제올라이트류가 바람직하며, 가장 바람직한 것은 ZSM-5 및 SAPO-34 이다. ZSM-5는 SiO2/Al2O3 몰비가 20 내지 500의 것이 바람직하며, 특히 SiO2/Al2O3 몰비가 50 내지 100의 범위인 ZSM-5인 것이 더욱 바람직하다. SAPO-34는 SiO2/Al2O3 몰비가 0.1 내지 2인 것이 바람직하다.
그러나, 제올라이트류 외에도 알루미나, 실리카, 무정형 실리카-알루미나 또는 이들의 혼합물도 상기 촉매의 담체로 사용될 수 있다.
본 발명에서 상기 촉매의 각 금속성분들은 상기 담체에 동시에 또는 순차적으로 담지시킬 수 있으며, 담지방법은 기존에 공지되어온 함침법 이나 이온교환법에 의해서 이루어질 수 있다.
상기 금속성분이 담지된 촉매는 공기 분위기 하에서 300 내지 800℃, 더욱 바람직하게는 400 내지 700℃에서 소성하여 사용하는 것이 바람직하다. 소성 온도가 300℃ 미만이면 금속 성분의 분산 상태가 탈염화수소에 유리하지 않은 상태로 존재하여 에틸렌디클로라이드의 전환율이 감소할 수 있고, 800℃를 초과하면 담체의 구조 붕괴에 의한 반응면적의 감소로 에틸렌디클로라이드의 전환율이 감소할 수 있으므로 바람직하지 않다.
소성 방법은 본 발명이 속하는 기술분야에서 공지된 임의의 방법을 사용하여 소성할 수 있으며, 상기 방법이 본 발명을 한정하지는 않는다.
본 발명의 촉매를 이용한 에틸렌디클로라이드의 탈염화수소 반응은 고정층 반응기, 유동층 반응기, 또는 촉매 이송 반응기 등을 이용하여 수행될 수 있다. 본 발명의 실시예에서 촉매 성능 확인은 고정층 반응기에서 이루어졌으나, 본 발명의 촉매가 사용될 수 있는 반응기 종류는 한정되지 않는다. 즉, 본 발명의 촉매는 짧은 체류시간에서 활성이 우수하므로, 촉매를 연속으로 재생할 수 있어 상업적 스케일에서 선호되는 유동층 반응기 및 촉매 이송 반응기에 사용되기에 적합하다.
고정층 반응에서는, 상기 촉매를 반응기에 충진시킨 후 적당한 반응 조건에서 반응물을 상기 담체 촉매에 접촉하도록 통과시켜 반응을 진행할 수 있다. 본 발명의 촉매를 고정층 반응기에서 이용하는 경우 탈염화수소 반응은 반응온도 200 내 지 500℃, 더욱 바람직하게는 250 내지 400℃에서 수행되는 것이 바람직하다. 상기 반응온도가 200℃ 미만이면 반응물의 전환율이 미미하여 생성물을 분리하는 비용이 증가할 수 있고, 500℃를 초과하면 반응물이 코크로 전환하는 반응이 증가함과 동시에 부산물의 생성이 증가할 수 있으므로 바람직하지 않다.
또한, 본 발명의 촉매를 고정층 반응기에서 이용하는 경우 반응압력은 1 내지 20 기압, 더욱 바람직하게는 1 내지 10 기압인 것이 바람직하다. 상기 반응압력이 1 기압 미만이면 반응기의 부피가 증가하여 투자비가 증가할 뿐만 아니라 분리공정의 비용이 지나치게 증가할 수 있고, 20 기압을 초과하면 선택도의 감소에 의한 반응물의 손실이 증가할 수 있어 바람직하지 않다.
또한, 반응물과 촉매의 접촉시간, 즉 반응물의 촉매층 체류시간은 0.1 내지 10 초인 것이 바람직하다. 이는 반응물의 반응기 체류시간이 0.1 초 미만이면 반응 활성이 낮아지고, 10 초를 초과하면 반응기의 처리량과 비교하여 반응기의 크기가 커서 효율이 떨어질 뿐만 아니라 선택도가 낮아지기 때문이다. 촉매의 연속 재생을 위한 유동층 반응기 및 촉매 이송 반응기에서의 촉매 사용을 고려할 경우 더욱 바람직한 체류시간은 0.5 내지 5 초이다.
유동층 반응기 및 촉매 이송 반응기에 상기 촉매를 이용하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 공지된 임의의 방법이 사용될 수 있다.
이하의 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이지, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
[실시예 1]
길이 50cm인 1인치 INCONEL 반응기에 촉매로서 코발트를 표 1에 기재되어 있는 함량으로 ZSM-5(SiO2/Al2O3=80)에 담지시켜 550℃에서 소성한 촉매를 사용하였다. 275 또는 300℃의 반응 온도에서, 순도 99.7%의 에틸렌디클로라이드(EDC)를 질소로 5배 희석하여 반응물로 사용하였다. 촉매층 체류시간을 0.5초로 탈염화수소화 반응을 수행한 결과 아래 표 1과 같은 결과를 얻을 수 있었다. 아래 결과에서 볼 수 있는 것처럼 코발트를 담지한 경우 공간속도가 높아 반응물의 촉매층 체류시간이 1초 이하로 매우 짧음에도 불구하고 높은 반응성능을 보였다. 코발트 함량이 1.5와 2 중량%에서 최적치를 가짐을 알 수 있다. 또한 모든 촉매의 비닐클로라이드(VCM) 선택도는 98 내지 99% 이상이었으며, 반응 부산물은 대부분 에틸렌임을 확인할 수 있었다.
표 1. 코발트 함량에 따른 반응성능
|
반응온도 (℃) |
Co 함량 (중량%) |
1.5 |
2 |
EDC 전환율 (%) |
275 |
87 |
77 |
300 |
92 |
97 |
VCM 선택도 (%) |
275 |
98.3 |
98.9 |
300 |
99.1 |
98.5 |
*EDC: 에틸렌디클로라이드, VCM: 비닐클로라이드 단량체
[실시예 2]
실시예 1과 동일한 실험에서, 코발트 대신에 아연을 표 2에 기재되어 있는 함량으로 ZSM-5(SiO2/Al2O3=80)에 담지한 후에 550℃에서 공기로 소성한 촉매를 사 용하여 실시하였다. 반응온도 300℃에서 촉매층 체류시간 0.5초와 1초에서 수행한 결과 아래 표 2와 같은 결과를 얻을 수 있었다. 아연 담지 촉매의 경우도 코발트와 마찬가지로 낮은 촉매층 체류시간에도 높은 반응활성을 보였다. 선행특허인 유럽특허 0565789 A1에서 언급된 1.4 중량% 보다 2 내지 6 중량%의 아연 함량에서 가장 높은 EDC 전환율을 보임을 알 수 있다. VCM 선택도의 경우는 코발트와 마찬가지로 모든 촉매가 98 내지 99% 이상이며, 반응 부산물은 대부분 에틸렌임을 확인할 수 있었다.
표 2. 아연 함량에 따른 반응성능
|
체류시간 (초) |
Zn 함량 (중량%) |
2 |
4 |
6 |
8 |
10 |
EDC 전환율 (%) |
0.5 |
96 |
92 |
96 |
79 |
39 |
1.0 |
99 |
99 |
98 |
95 |
99 |
VCM 선택도 (%) |
0.5 |
99.6 |
99 |
99.4 |
99.4 |
99.6 |
1.0 |
98.1 |
98.2 |
98 |
98.5 |
98.2 |
[실시예 3]
실시예 1과 동일한 실험에서, 코발트 대신에 아연과 코발트를 표 3에 기재되어 있는 조성으로 혼합하여 ZSM-5(SiO2/Al2O3=80)에 담지한 후에 550℃에서 공기로 소성한 촉매를 사용하여 실시하였다. 반응온도 300 ℃, 체류시간 1초에서 수행한 결과 아래 표 3와 같은 결과를 얻을 수 있었다. 아연 또는 코발트 각각이 담지된 촉매의 경우와 마찬가지로 낮은 촉매층 체류시간에도 높은 반응활성을 보이며, 높은 VCM 수율을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 아연은 2 내지 4 중량%, 코발트는 2 중량% 이하가 가장 최적치임을 알 수 있었다.
표 3. 아연과 코발트 혼합 함량에 따른 반응성능
|
Zn/Co 함량 (중량%) |
1/2 |
2/2 |
3/2 |
4/2 |
5/2 |
2/0.5 |
2/1 |
2/1.5 |
EDC 전환율 (%) |
99 |
98 |
98 |
96 |
86 |
99 |
99 |
100 |
VCM 선택도 (%) |
89.3 |
97 |
98.4 |
98.7 |
99 |
96.4 |
96.8 |
96.9 |
VCM 수율 (%) |
88.4 |
95 |
96.2 |
94.8 |
84.8 |
95.5 |
96.1 |
96.8 |
[실시예 4]
실시예 1과 동일한 실험을 다양한 담체에 2 중량%의 코발트를 담지한 후에 550℃에서 공기로 소성한 촉매를 사용하여 실시하였다. 반응온도 300℃, 체류시간 1초에서 수행한 결과 아래 표 4와 같은 결과를 얻을 수 있었다. 담체로 많이 사용되는 알루미나(Aldrich) 또는 무정형 실리카-알루미나보다 제올라이트류 촉매인 ZSM-5(SiO2/Al2O3=80, Zeolyst)와 SAPO-34(SiO2/Al2O3=0.4, Zeolyst)가 가장 좋은 활성을 보임을 알 수 있었다.
표 4. 담체의 종류에 따른 반응성능
|
(2%Co)/담체 종류 |
Co/Al2O3 |
Co/SiO2-Al2O3 |
Co/ZSM-5 |
Co/SAPO-34 |
Co/ZSM-5+SAPO-34 |
EDC 전환율 (%) |
32 |
5.2 |
98.5 |
88 |
96.3 |
VCM 선택도 (%) |
98.5 |
95.2 |
99.2 |
99.2 |
99.1 |
[실시예 5]
실시예 1과 동일한 실험을 SiO2/Al2O3 몰비가 다른 ZSM-5 촉매를 사용하여 반응온도 350℃, 체류시간 1초에서 수행한 결과 아래 표 5와 같은 결과를 얻을 수 있 었다. ZSM-5의 경우 SiO2/Al2O3 몰비가 50 내지 80 정도인 경우가 가장 좋은 활성을 보임을 알 수 있었다.
표 5. ZSM-5의 SiO2/Al2O3 몰비에 따른 반응성능
|
ZSM-5 SiO2/Al2O3 몰비 |
23 |
50 |
80 |
280 |
EDC 전환율 (%) |
69 |
90 |
83 |
30 |
VCM 선택도 (%) |
91.3 |
96.2 |
96.9 |
95.2 |
비교예
[비교예 1]
상기 실시예 1에서, 코발트를 표 6에 기재되어 있는 함량으로 사용한 것 이외에는 동일한 방법으로 탈염화수소화 반응을 수행하여 아래 표 6과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
표 6. 코발트 함량에 따른 반응성능
|
반응온도 (oC) |
Co 함량 (중량%) |
0 |
0.5 |
1 |
3 |
6 |
EDC 전환율 (%) |
275 |
- |
52 |
69 |
72 |
60 |
300 |
34 |
73 |
85 |
92 |
81 |
VCM 선택도 (%) |
275 |
- |
99.2 |
98.9 |
98.7 |
98.9 |
300 |
98 |
99.3 |
99.1 |
98.9 |
99.2 |
[비교예 2]
상기 실시예 2에서 사용한 아연을 표 7에 기재되어 있는 함량으로 사용한 것 이외에는 동일한 방법으로 탈염화수소화 반응을 수행하여 아래 표 7과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
표 7. 아연 함량에 따른 반응성능
|
체류시간 (초) |
Zn 함량 (중량%) |
0 |
1.4 |
12 |
EDC 전환율 (%) |
0.5 |
34 |
86 |
- |
1.0 |
83 |
95 |
- |
VCM 선택도 (%) |
0.5 |
98 |
99 |
82 |
1.0 |
97 |
98 |
99 |
이상 실시예에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 촉매를 이용하면, 에틸렌디클로라이드를 분해하는 반응에 있어서, 300℃정도의 낮은 반응온도와 1초 이하의 짧은 촉매층 체류시간에서도 에틸렌디클로라이드의 열전환율이 우수하며, 또한 비닐클로라이드로의 선택도가 우수함을 확인할 수 있었다.