KR20170047938A - Silica alumina aerogel catalysts for producing p-xylene and method for manufacturing p-xylene using the smae - Google Patents
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Abstract
Description
본 명세서에는 파라자일렌 제조용 실리카 알루미나 에어로젤 촉매 및 이의 제조방법과 상기 촉매를 이용한 파라자일렌의 제조방법이 개시된다.A silica alumina airgel catalyst for the production of para-xylene and a process for its preparation and a process for preparing para-xylene using the catalyst are disclosed herein.
목재, 초본 등의 리그노셀룰로오스(lignocellulose)는 셀룰로오스(cellulose), 헤미셀룰로오스(hemicellulose), 리그닌(lignin)으로 구성되어 있으며, 이중 글루코오스(glucose)로 구성된 셀룰로오스는 생물학적 공정에 의해 바이오알코올 연료로 전환되거나 다양한 화학제품으로 전환될 수 있다. 글루코오스의 경우, 다양한 화학개질 반응으로도 수송용 연료로 전환될 수 있다. 예를 들면, 탈수 반응을 통해 5-하이드록시메틸퍼퓨랄(5-hydroxymethylfurfural)를 얻은 후, 수첨탈산소화(Hydrodeoxygenation) 반응을 거쳐 2,5-디메틸퓨란으로 전환될 수 있다. Lignocellulose, such as wood and herbal oil, is composed of cellulose, hemicellulose and lignin. Cellulose, which is composed of glucose, is converted to a bioalcohol fuel by a biological process Can be converted into various chemical products. In the case of glucose, various chemical reforming reactions can also be converted into transportation fuels. For example, 5-hydroxymethylfurfural may be obtained through a dehydration reaction, and then converted to 2,5-dimethylfuran by hydrogen deoxygenation.
2,5-디메틸퓨란은 높은 옥탄가와 에너지밀도를 가지므로, 바이오에탄올을 대체하는 차세대 수송용 연료로 각광받고 있다. 최근에는 바이오매스로부터 수송용 연료 생산과 더불어 석유대체 화학원료를 생산하는 기술 또한 많은 관심을 받고 있으며, 2,5-디메틸퓨란은 폴리에스테르(polyester), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 포장용 레진(resin)의 고분자 제품과 페인트의 제조 등의 용제로 쓰이는 파라자일렌으로도 전환될 수 있다.Since 2,5-dimethylfuran has high octane number and energy density, it is attracting attention as a next-generation transportation fuel replacing bioethanol. In recent years, technologies for producing alternative fuels for petroleum as well as fuels for transportation from biomass have attracted much attention. 2,5-Dimethylfuran is used as a catalyst for producing polyester, polyethylene terephthalate (PET), resin ) Polymer products and para-xylene which is used as a solvent for the production of paints.
그러나, 종래 파라자일렌 제조 시 금속 트라이플레이트와 같은 균일계 촉매를 사용하여 촉매의 재활용이 어렵거나 불균일계 촉매로 산처리한 활성탄을 사용하여 반응성이 매우 떨어지는 문제가 있다. 또한, 제올라이트 계열의 고체산 촉매를 사용할 경우 낮은 활성으로 인하여 반응 시간이 매우 길어(>24 hr) 효율이 떨어지는 단점이 있다.However, conventionally, in the production of paraxylene, there is a problem that the catalyst is difficult to recycle using a homogeneous catalyst such as a metal triplate, or the reactivity is very low by using activated carbon treated with an acid catalyst as a heterogeneous catalyst. In addition, when a zeolite-based solid acid catalyst is used, the reaction time is very long due to low activity (> 24 hr), which results in inefficiency.
일 측면에서, 본 명세서는 넓은 비표면적과 메조기공을 갖는 고수율의 파라자일렌 제조용 실리카 알루미나 에어로젤 촉매를 제공하는 것을 목적으로 한다.In one aspect, the present disclosure aims to provide a silica alumina aerogel catalyst for the production of para-xylene with a high specific surface area and a high yield of mesopores.
다른 측면에서, 본 명세서는 상기 파라자일렌 제조용 실리카 알루미나 에어로젤 촉매의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In another aspect, the present disclosure aims at providing a process for preparing the silica alumina airgel catalyst for the production of para-xylene.
또 다른 측면에서, 본 명세서는 바이오매스에서 유래한 디메틸퓨란으로부터 파라자일렌을 제조하는 방법으로, 짧은 반응 시간 동안 높은 디메틸퓨란 전환율을 획득하고 고선택도의 파라자일렌을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In another aspect, the present disclosure provides a process for preparing para-xylene from dimethylfuran derived from biomass, obtaining a high dimethyl furan conversion over a short reaction time and producing a highly selective para-xylene .
일 측면에서, 본 명세서에 개시된 기술은 300 내지 500 m2/g의 비표면적 및 20 내지 30 nm의 평균 기공 크기를 갖는 파라자일렌 제조용 실리카 알루미나 에어로젤 촉매를 제공한다.In one aspect, the technique disclosed herein provides a silica alumina airgel catalyst for the preparation of para-xylene having a specific surface area of 300 to 500 m 2 / g and an average pore size of 20 to 30 nm.
예시적인 일 구현예에서, 상기 촉매의 실리카(SiO2) : 알루미늄 옥사이드(Al2O3)의 몰비는 1 : 2 내지 10 : 1일 수 있다.In one exemplary embodiment, the silica (SiO 2) of the catalyst the molar ratio of aluminum oxide (Al 2 O 3) is from 1: 2 to 10: 1.
예시적인 일 구현예에서, 상기 촉매는 바이오매스 유래 디메틸퓨란으로부터 파라자일렌을 제조하는 공정에 사용되는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the catalyst may be one used in the process for preparing paraxylene from biomass-derived dimethylfuran.
다른 측면에서, 본 명세서에 개시된 기술은 상기 파라자일렌 제조용 실리카 알루미나 에어로젤 촉매의 제조방법으로서, (1) 졸겔법으로 실리카 알루미나 젤을 제조하는 단계; 및 (2) 상기 (1)단계에서 제조한 젤에 초임계 유체를 가하고 건조 및 하소하여 에어로젤을 수득하는 단계를 포함하는 파라자일렌 제조용 실리카 알루미나 에어로젤 촉매의 제조방법을 제공한다.In another aspect, the technique disclosed herein is a method for preparing a silica alumina airgel catalyst for the production of para-xylene, comprising the steps of: (1) preparing a silica alumina gel by a sol-gel method; And (2) adding a supercritical fluid to the gel prepared in the step (1), followed by drying and calcining to obtain an aerosol. The present invention also provides a method for producing a silica alumina aerogel catalyst for producing para-xylene.
예시적인 일 구현예에서, 상기 (2)단계에서 초임계 유체는 초임계 이산화탄소일 수 있다.In an exemplary embodiment, the supercritical fluid in step (2) may be supercritical carbon dioxide.
다른 측면에서, 본 명세서에 개시된 기술은 상기 촉매와 유기용매의 존재 하에서 디메틸퓨란과 에틸렌을 반응시켜 파라자일렌을 제조하는 방법을 제공한다.In another aspect, the techniques disclosed herein provide a process for preparing paraxylene by reacting dimethylfuran with ethylene in the presence of the catalyst and an organic solvent.
예시적인 일 구현예에서, 상기 반응의 온도 및 압력 조건은 200 내지 300 ℃ 및 20 내지 30 bar의 에틸렌 초기 압력일 수 있다.In an exemplary embodiment, the temperature and pressure conditions of the reaction may be from 200 to 300 DEG C and from 20 to 30 bar ethylene initial pressure.
예시적인 일 구현예에서, 상기 유기용매는 극성 비양자성 유기용매일 수 있다.In an exemplary embodiment, the organic solvent may be polar aprotic organic solvents.
예시적인 일 구현예에서, 상기 극성 비양자성 유기용매는 1,4-다이옥산 및 테트라하이드로퓨란으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상일 수 있다.In an exemplary embodiment, the polar aprotic organic solvent may be one or more selected from the group consisting of 1,4-dioxane and tetrahydrofuran.
일 측면에서, 본 명세서에 개시된 기술은 넓은 비표면적과 메조기공을 갖는 고수율의 파라자일렌 제조용 실리카 알루미나 에어로젤 촉매를 제공하는 효과가 있다.In one aspect, the technique disclosed herein is effective to provide a silica alumina aerogel catalyst for the production of para-xylene with a high specific surface area and a high yield of mesopores.
다른 측면에서, 본 명세서에 개시된 기술은 상기 파라자일렌 제조용 실리카 알루미나 에어로젤 촉매의 제조방법을 제공하는 효과가 있다.In another aspect, the techniques disclosed herein are effective in providing a process for preparing the silica alumina airgel catalyst for the production of para-xylene.
또 다른 측면에서, 본 명세서에 개시된 기술은 바이오매스에서 유래한 디메틸퓨란으로부터 파라자일렌을 제조하는 방법으로, 짧은 반응 시간 동안 높은 디메틸퓨란 전환율을 획득하고 고선택도의 파라자일렌을 제조하는 방법을 제공하는 효과가 있다.In another aspect, the technique disclosed herein is a method for producing paraxylene from dimethylfuran derived from biomass, which method comprises obtaining a high dimethylfuran conversion rate over a short reaction time and producing a high selectivity para xylene .
도 1은 본 명세서의 일 실시예에 따른 2,5-디메틸퓨란의 파라자일렌으로의 전환 경로를 도식화한 것이다.
도 2는 본 명세서의 일 실시예에 따른 실리카 알루미나 에어로젤 촉매의 질소 흡착 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 명세서의 일 실시예에 따른 실리카 알루미나 에어로젤 촉매의 기공 크기 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 명세서의 일 실험예에서 다양한 고체산 촉매를 이용한 디메틸퓨란의 파라자일렌으로의 전환 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 명세서의 일 실험예에서 다양한 실리카 알루미나 비를 갖는 실리카 알루미나 에어로젤 촉매의 활성을 비교한 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 본 명세서의 일 실험예에서 다양한 유기용매를 이용하여 실리카 알루미나 에어로젤 촉매의 활성을 비교한 결과를 나타낸 것이다.Figure 1 illustrates the conversion pathway of 2,5-dimethylfuran to para-xylene in accordance with one embodiment of the present disclosure.
FIG. 2 shows the results of nitrogen adsorption analysis of a silica alumina airgel catalyst according to an embodiment of the present invention.
3 shows the pore size analysis results of the silica alumina airgel catalyst according to one embodiment of the present invention.
4 shows the conversion of dimethylfuran to para-xylene using various solid acid catalysts in one experimental example of the present specification.
Figure 5 shows the results of a comparison of the activity of silica alumina airgel catalysts having various silica alumina ratios in one experimental example of the present specification.
6 shows the results of comparing the activities of silica alumina airgel catalysts using various organic solvents in one experimental example of the present specification.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
일 측면에서, 본 명세서에 개시된 기술은 300 내지 500 m2/g의 비표면적 및 20 내지 30 nm의 평균 메조기공 크기를 갖는 파라자일렌 제조용 실리카 알루미나 에어로젤 촉매를 제공한다. In one aspect, the technique disclosed herein provides a silica alumina airgel catalyst for the preparation of para-xylene having a specific surface area of 300 to 500 m 2 / g and an average mesopore size of 20 to 30 nm.
통상 기공 크기는 2 nm 이하의 마이크로기공(micropore), 2 내지 50 nm의 메조기공(mesopore), 50 nm 이상의 매크로기공(macropore)으로 분류한다. 본 명세서에서 평균 기공 크기란 77 K에서 질소 흡착 등온선으로부터 BJH법에 의해 산출된 촉매의 메조기공 지름의 평균값을 의미한다.Usually, the pore size is classified into micropores of 2 nm or less, mesopores of 2 to 50 nm, and macropores of 50 nm or more. In the present specification, the average pore size means an average value of the mesopore diameter of the catalyst calculated from the nitrogen adsorption isotherm at 77 K by the BJH method.
예시적인 일 구현예에서, 상기 메조기공 부피는 1.0 내지 1.4 cm3/g일 수 있다. 이에 따라, 파라자일렌 제조 시 촉매의 활성점과 반응물의 접촉, 또는 반응물과 생성물의 물질 전달이 원활하여 부반응을 억제하고 선택도 및 전환율을 증가시킬 수 있다.In an exemplary embodiment, the mesopore volume may be 1.0 to 1.4 cm < 3 > / g. Accordingly, during the production of para-xylene, contact between the active sites of the catalyst and the reactants or mass transfer of the reactants and products can be smoothly suppressed, and the selectivity and conversion rate can be increased.
본 명세서에 따른 실리카 알루미나 에어로젤 촉매는 상기와 같은 평균 메조기공 크기와 메조기공 부피 및 비표면적을 가짐으로써 디메틸퓨란으로부터 파라자일렌 제조 시 전환율 및 선택도를 크게 증가시킬 수 있는 효과가 있다.The silica alumina airgel catalyst according to the present invention has an average mesopore size, a mesopore volume, and a specific surface area as described above, so that the conversion and selectivity can be greatly increased when dimethylfuran is produced from para-xylene.
예시적인 일 구현예에서, 상기 촉매의 실리카(SiO2) : 알루미늄 옥사이드(Al2O3)의 몰비는 1 : 2 내지 10 : 1일 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 실리카 알루미나 몰비는 0.5 내지 3, 0.5 내지 2, 1 내지 3 또는 1 내지 2일 수 있으며, 상기 몰비를 가짐에 따라 현저하게 높은 고수율의 파라자일렌을 제조할 수 있는 효과가 있다.In one exemplary embodiment, the silica (SiO 2) of the catalyst the molar ratio of aluminum oxide (Al 2 O 3) is from 1: 2 to 10: 1. More specifically, the molar ratio of silica to alumina may be 0.5 to 3, 0.5 to 2, 1 to 3, or 1 to 2, and the effect of producing a remarkably high yield of para-xylene with the molar ratio have.
예시적인 일 구현예에서, 상기 촉매는 바이오매스 유래 디메틸퓨란으로부터 파라자일렌을 제조하는 공정에 사용되는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the catalyst may be one used in the process for preparing paraxylene from biomass-derived dimethylfuran.
다른 측면에서, 본 명세서에 개시된 기술은 상기 파라자일렌 제조용 실리카 알루미나 에어로젤 촉매의 제조방법으로서, (1) 졸겔법으로 실리카 알루미나 젤을 제조하는 단계; 및 (2) 상기 (1)단계에서 제조한 젤에 초임계 유체를 가하고 건조 및 하소하여 에어로젤을 수득하는 단계를 포함하는 파라자일렌 제조용 실리카 알루미나 에어로젤 촉매의 제조방법을 제공한다.In another aspect, the technique disclosed herein is a method for preparing a silica alumina airgel catalyst for the production of para-xylene, comprising the steps of: (1) preparing a silica alumina gel by a sol-gel method; And (2) adding a supercritical fluid to the gel prepared in the step (1), followed by drying and calcining to obtain an aerosol. The present invention also provides a method for producing a silica alumina aerogel catalyst for producing para-xylene.
초임계 유체(supercritical fluid)란 물질이 액체와 기체의 두 상태가 서로 분간할 수 없게 되는 임계 상태에서의 온도와 이때의 증기압 즉, 그의 임계점보다 높은 온도와 압력 하에 있을 때 즉, 초임계점 이상의 상태에 있는 유체를 의미한다.Supercritical fluid is a supercritical fluid in which the material is in a critical state where the two states of the liquid and the gas can not be distinguished from each other and when the vapor pressure is under a temperature and pressure higher than its critical point, Which means the fluid in the fluid.
예시적인 일 구현예에서, 상기 (2)단계에서 초임계 유체는 초임계 이산화탄소일 수 있다.In an exemplary embodiment, the supercritical fluid in step (2) may be supercritical carbon dioxide.
예시적인 일 구현예에서, 상기 (2)단계에서 건조는 65 내지 75℃ 및 12 내지 14 MPa 조건에서 실시되어 비표면적 및 메조기공이 발달한 촉매를 제조할 수 있다.In an exemplary embodiment, the drying in the step (2) may be carried out at 65 to 75 캜 and 12 to 14 MPa to prepare a catalyst having specific surface area and mesopore growth.
예시적인 일 구현예에서, 상기 (2)단계에서 건조 후 3 내지 10 ℃/min으로 500 내지 700 ℃까지 올려 3 내지 6시간 동안 유지시켜 하소(calcination)시킴에 따라 비표면적 및 메조기공이 발달한 촉매를 제조할 수 있다.In an exemplary embodiment, drying in step (2) is carried out by raising the temperature to 3 to 10 캜 / min from 500 캜 to 700 캜 and drying for 3 to 6 hours, followed by calcination, whereby the specific surface area and mesopore A catalyst can be produced.
다른 측면에서, 본 명세서에 개시된 기술은 상기 촉매와 유기용매의 존재 하에서 디메틸퓨란과 에틸렌을 반응시켜 첨가고리화 및 탈수반응에 의해 파라자일렌을 제조하는 방법을 제공한다.In another aspect, the technique disclosed herein provides a method for producing para-xylene by addition cyclization and dehydration reaction by reacting dimethylfuran with ethylene in the presence of the catalyst and an organic solvent.
예시적인 일 구현예에서, 상기 반응의 온도 및 압력 조건은 200 내지 300 ℃ 및 20 내지 30 bar의 에틸렌 초기 압력일 수 있다. 상기 에틸렌 초기 압력은 에틸렌 기체를 주입하였을 때의 압력을 말한다.In an exemplary embodiment, the temperature and pressure conditions of the reaction may be from 200 to 300 DEG C and from 20 to 30 bar ethylene initial pressure. The ethylene initial pressure refers to the pressure when ethylene gas is injected.
예시적인 일 구현예에서, 상기 반응 시간은 6시간 이하, 구체적으로 1 내지 6시간일 수 있다.In an exemplary embodiment, the reaction time may be 6 hours or less, specifically 1 to 6 hours.
예시적인 일 구현예에서, 상기 유기용매는 극성 비양자성 유기용매를 이용함으로써 파라자일렌 제조 시 짧은 반응 시간 동안 높은 디메틸퓨란 전환율을 획득하고 고선택도의 파라자일렌을 제조할 수 있는 효과가 있다.In an exemplary embodiment, the organic solvent has the effect of obtaining a high dimethylfuran conversion rate and a high selectivity of para-xylene for a short reaction time in the production of para-xylene by using a polar aprotic organic solvent .
예시적인 일 구현예에서, 상기 극성 비양자성 유기용매는 에틸 아세테이트, 아세톤, 디메틸포름아미드, 아세토니트릴, 디메틸 설폭사이드, 1,4-다이옥산 및 테트라하이드로퓨란으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상일 수 있으며, 파라자일렌 제조 효율에 있어 1,4-다이옥산 및 테트라하이드로퓨란으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상인 것이 바람직하다.In an exemplary embodiment, the polar aprotic organic solvent may be one or more selected from the group consisting of ethyl acetate, acetone, dimethylformamide, acetonitrile, dimethylsulfoxide, 1,4-dioxane and tetrahydrofuran, In the production efficiency of para-xylene, it is preferably at least one selected from the group consisting of 1,4-dioxane and tetrahydrofuran.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these embodiments are merely illustrative of the present invention and that the scope of the present invention is not construed as being limited by these embodiments.
실시예 1 내지 5.Examples 1-5.
다양한 실리카 알루미나 비를 가진 실리카 알루미나 에어로젤 촉매를 제조하기 위해 AlCl3와 TEOS(98%)를 전구체로 사용하였다. 먼저, AlCl3를 61 mL 메탄올에 용해시킨 후, TEOS를 주입하고 30분 정도 교반시켰다. AlCl3와 TEOS의 혼합양은 하기 표 1의 최종 실리카 알루미나 비에 따라 조절되었으며, Si/Al 몰비가 1인 촉매의 경우, 21.41 ml TEOS 대비 24.88 g의 AlCl3가 사용되었다. 그 후 61% 질산 수용액을 0. 18 mL 첨가하여 30분 정도 교반시킨 후, 7.2 mL의 물을 첨가하면서 1시간 정도 잘 교반시켰다. 이어서 프로필렌옥사이드(PO)를 천천히 주입하면서 실리카 알루미나 졸을 젤화시켰다. 젤의 경우, 2일 동안 숙성(aging)시킨 후, 젤에 있는 갇혀 있는 메탄올을 70℃, 13 MPa에서 초임계 CO2 건조를 통하여 제거하였다. 이후 5℃/분으로 600℃까지 올려 5시간 동안 유지시켜 하소(calcination)시켰다. 이러한 단계를 거쳐 메조기공이 발달한 실리카 알루미나 에어로젤 촉매를 제조하였다.AlCl 3 and TEOS (98%) were used as precursors to produce silica alumina airgel catalysts with various silica alumina ratios. First, AlCl 3 was dissolved in 61 mL of methanol, then TEOS was added, and the mixture was stirred for about 30 minutes. The mixing amount of AlCl 3 and TEOS was controlled according to the final silica alumina ratio shown in Table 1. In the case of the catalyst having Si / Al molar ratio of 1, 24.88 g of AlCl 3 as compared with 21.41 ml of TEOS was used. Then, 18 mL of a 61% nitric acid aqueous solution was added, and the mixture was stirred for about 30 minutes. Then, 7.2 mL of water was added, and the mixture was stirred for about 1 hour. The silica alumina sol was then gelled by slowly injecting propylene oxide (PO). In the case of the gel, after aging for 2 days, the trapped methanol in the gel was removed through supercritical CO 2 drying at 70 ° C and 13 MPa. Thereafter, the temperature was raised to 5O < 0 > C / minute to 600 < 0 > C and calcined by keeping it for 5 hours. Through these steps, a silica alumina airgel catalyst with mesopores was produced.
표 1. 실리카 알루미나 에어로젤 촉매의 피리딘 IR 측정을 통한 산점 분석Table 1. Analysis of acid sites by pyridine IR measurement of silica alumina airgel catalyst
그 결과, 실시예 2의 촉매가 가장 우수한 비표면적과 메조기공 구조를 나타내는 것을 확인하였다(도 2 및 3 참조). 이에 따라, 실리카 알루미나 몰비가 1인 촉매가 고수율의 파라자일렌 제조용 촉매에 적합함을 확인하였다.As a result, it was confirmed that the catalyst of Example 2 exhibits the best specific surface area and mesopore structure (see FIGS. 2 and 3). As a result, it was confirmed that a catalyst having a molar ratio of silica to alumina of 1 was suitable for a high yield p-xylene catalyst.
비교예 1 내지 7.Comparative Examples 1 to 7
실리카 알루미나 조성의 고체산 촉매로서 마이크로기공을 가진 제올라이트 H-BETA(Zeolyst사 제품, 비교예 1), H-ZSM-5(Zeolyst사 제품, 비교예 2), H-Y(Zeolyst사 제품, 비교예 3)와 무결정 실리카 알루미나 SA(Sigma Aldrich사 제품, 비교예 7)를 사용하였다. 또한, 지르코니아 기반의 고체산 촉매인 인산-지르코늄 산화물(Zr-P, 비교예 4), 텅스텐-지르코늄 산화물(WZ, 비교예 5), 황산 처리 지르코니아(SZ, 비교예 6)을 준비하였다. 사용된 촉매들의 세공 구조 특성과 산점 농도 분석 결과는 표 2에 나타내었다.Zeolite H-BETA (Zeolyst, Comparative Example 1), H-ZSM-5 (Zeolyst, Comparative Example 2), HY (Zeolyst, Comparative Example 3) as a solid acid catalyst having a silica alumina composition, ) And amorphous silica alumina SA (manufactured by Sigma Aldrich, Comparative Example 7) were used. Zirconium oxide (Zr-P, Comparative Example 4), tungsten-zirconium oxide (WZ, Comparative Example 5), and sulfuric acid-treated zirconia (SZ, Comparative Example 6) were prepared. Table 2 shows the pore structure characteristics and the acid concentration of the catalysts used.
표 2. 촉매의 질소 흡착 분석 및 암모니아 TPD 분석Table 2. Nitrogen adsorption and ammonia TPD analysis of catalysts
실험예 1. 촉매를 이용한 파라자일렌의 제조Experimental Example 1. Preparation of para-xylene using a catalyst
디메틸퓨란의 파라자일렌으로의 전환을 위해 160 mL의 교반기(impeller)가 부착된 고압 반응기(autoclave)를 사용하였다. 상기 실시예 2 및 비교예 1 내지 7의 촉매를 각각 0.15 g 주입하고, 용매인 노말 헵탄(n-heptane) 30 mL와 혼합된 0.7 M의 2,5-디메틸퓨란(98% 순도, Alfa Aesar제품)을 반응기에 투입하였다. 이후 질소를 사용하여 반응기 내부에 포함된 공기를 잘 배출시킨 후, 에틸렌 기체를 20 bar까지 채우고 부착된 임펠러를 300 rpm으로 작동시켜 교반시키면서 250 ℃까지 반응 온도를 높였다. 반응 온도에 도달한 후 4시간 동안 반응을 유지하고, 반응 생성물을 GC로 분석하였다. 상기 실험 결과는 도 4에 나타내었다.A high-pressure autoclave equipped with a 160 mL impeller was used for the conversion of dimethylfuran to para-xylene. 0.15 g of each of the catalysts of Example 2 and Comparative Examples 1 to 7 was introduced and 0.7 M of 2,5-dimethylfuran (98% purity, Alfa Aesar product, manufactured by Mitsubishi Gas Chemical Company) mixed with 30 mL of n-heptane ) Was added to the reactor. Thereafter, the air contained in the reactor was exhausted with nitrogen, the ethylene gas was filled up to 20 bar, the impeller was rotated at 300 rpm, and the reaction temperature was increased to 250 ° C while stirring. After reaching the reaction temperature, the reaction was maintained for 4 hours and the reaction products were analyzed by GC. The results of the experiment are shown in FIG.
그 결과, 실리카 알루미나 에어로젤 촉매 SAA-57(실시예 2)이 현저하게 높은 디메틸퓨란 전환율과 높은 파라자일렌 수율을 나타내는 것을 확인하였다. 이와 비교하여 지르코니아 기반의 고체산 촉매인 비교예 4, 5, 6은 매우 낮은 활성을 보여주었으며, H-Beta(비교예 1)와 무결정의 실리카 알루미나 촉매(비교예 7) 역시 낮은 활성을 보여주었다. As a result, it was confirmed that the silica alumina airgel catalyst SAA-57 (Example 2) exhibits remarkably high dimethyl furan conversion and high p-xylene yield. Compared with the zirconia-based solid acid catalysts, Comparative Examples 4, 5 and 6 showed very low activity, and H-Beta (Comparative Example 1) and unfused silica alumina catalyst (Comparative Example 7) .
한편, 제올라이트 기반의 고체산 촉매인 H-ZSM-5(비교예 2)와 H-Y(비교예3)는 비교적 높은 활성을 보여주었으나 SAA-57보다는 활성이 낮은 것으로 나타났다.On the other hand, the zeolite-based solid acid catalysts H-ZSM-5 (Comparative Example 2) and H-Y (Comparative Example 3) showed comparatively high activity but lower activity than SAA-57.
이에 따라, Si/Al의 몰비가 1이고 300 내지 500 m2/g의 비표면적 및 20 내지 30 nm의 평균 기공 크기를 갖는 실리카 알루미나 에어로젤 촉매가 현저하게 높은 파라자일렌 수율을 제공하는 것을 알 수 있었다.Thus, it can be seen that silica alumina airgel catalysts with a Si / Al molar ratio of 1 and a specific surface area of 300 to 500 m 2 / g and an average pore size of 20 to 30 nm provide significantly higher paraxylene yields there was.
실험예 2. 다양한 실리카 알루미나 비를 가지는 실리카 알루미나 에어로젤 촉매를 이용한 파라자일렌의 제조Experimental Example 2. Preparation of para-xylene using silica alumina airgel catalyst having various silica alumina ratios
상기 실시예 1 내지 5에서 제조한 촉매를 각각 0.15 g 주입하고, 용매로 1,4-다이옥산(1,4-dioxane) 30 mL와 혼합된 1 M의 2,5-디메틸퓨란을 반응기에 투입하였다. 이후 질소를 사용하여 반응기 내부에 포함된 공기를 배출시킨 다음, 에틸렌 기체를 30 bar까지 채우고 부착된 임펠러를 300 rpm으로 작동시켜 교반시키면서 250 ℃까지 반응 온도를 높였다. 반응 온도에 도달한 후 6시간 동안 반응을 유지하고, 반응 생성물을 GC로 분석하였다. 상기 실험 결과는 도 5에 나타내었다.0.15 g of each of the catalysts prepared in Examples 1 to 5 was introduced and 1 M of 2,5-dimethylfuran mixed with 30 mL of 1,4-dioxane as a solvent was added to the reactor . Then, the air contained in the reactor was exhausted with nitrogen, the ethylene gas was filled up to 30 bar, the attached impeller was operated at 300 rpm and stirred, and the reaction temperature was increased to 250 ° C. After reaching the reaction temperature, the reaction was maintained for 6 hours, and the reaction products were analyzed by GC. The results of the experiment are shown in FIG.
그 결과, 디메틸퓨란 전환율 및 파라자일렌 수율이 실리카 알루미나 에어로젤의 Si/Al 몰비에 큰 영향을 받는 것을 알 수 있었다. 파라자일렌 수율은 Si/Al 몰비가 1인 SAA-57(실시예 2) 촉매에서 현저하게 높은 것으로 나타났으며, Si/Al 몰비가 2.33(실시예 3) 내지 9(실시예 5)로 증가할수록 감소하는 경향을 나타내었다.As a result, it was found that the dimethylfuran conversion and p-xylene yield were greatly affected by the Si / Al molar ratio of the silica alumina aerogels. The p-xylene yield was significantly higher in the SAA-57 (Example 2) catalyst with a Si / Al molar ratio of 1, and the Si / Al molar ratio increased to 2.33 (Examples 3) to 9 (Example 5) The tendency was to decrease.
실험예 3. 용매에 따른 파라자일렌의 제조Experimental Example 3. Preparation of para-xylene according to solvent
1,4-다이옥산, 테트라하이드로퓨란(THF), 노말 헵탄, 또는 이소프로판올(IPA) 용매 30 mL와 혼합된 1M의 2,5-디메틸퓨란을 각각 주입하고, 상기 실시예 2에서 제조된 촉매 0.15 g을 반응기에 투입하였다. 이후 질소를 사용하여 반응기 내부에 포함된 공기를 잘 배출시킨 다음, 에틸렌 기체를 30 bar까지 채우고 부착된 임펠러를 300 rpm으로 작동시켜 교반시키면서 250 ℃까지 반응 온도를 높였다. 반응 온도에 도달한 후 6시간 동안 반응을 유지하고, 반응 생성물을 GC로 분석하였다. 상기 실험 결과는 도 6에 나타내었다.
그 결과, 디메틸퓨란 전환율 및 파라자일렌 수율이 반응에 사용된 용매의 종류에 큰 영향을 받는 것을 알 수 있었다. 파라자일렌 수율은 극성 비양자성 용매인 1,4-다이옥산을 사용했을 경우, 비극성 비양자성 용매인 노말 헵탄을 사용했을 경우보다 높게 나타났다. 또한, 극성 양자성 용매인 이소프로판올을 사용했을 경우, 매우 낮은 파라자일렌 수율을 나타내었다.As a result, it was found that the conversion of dimethylfuran and the yield of p-xylene were greatly influenced by the type of the solvent used in the reaction. The yield of para-xylene was higher when 1,4-dioxane, a polar aprotic solvent, was used than when using non-polar aprotic solvent, normal heptane. In addition, when isopropanol which is a polar quantum solvent was used, a very low p-xylene yield was obtained.
이에 따라, 동일한 촉매의 사용에도 반응 용매에 따라 파라자일렌 수율이 달라지며, 본 명세서는 파라자일렌 제조 시 극성 비양자성 용매를 적용함으로써 부반응을 억제하고 6시간 이하의 짧은 반응 시간 동안 높은 디메틸퓨란 전환율을 획득하여 파라자일렌 제조 효율이 증진되는 것을 알 수 있었다.Accordingly, the yield of para-xylene varies depending on the reaction solvent even in the use of the same catalyst, and in this specification, the present invention relates to a process for producing para-xylene which suppresses side reactions by applying a polar aprotic solvent, It was found that the conversion efficiency was improved and the production efficiency of para-xylene was improved.
실험예 4. 온도 및 에틸렌 초기 압력 변화에 따른 파라자일렌의 제조EXPERIMENTAL EXAMPLE 4 Preparation of para-xylene according to temperature and initial pressure change of ethylene
상기 실시예 2의 촉매를 사용하여 상기 실험예 1과 동일한 방법으로 파라자일렌을 제조하되, 200 내지 300 ℃의 다양한 온도 및 20 내지 30 bar의 에틸렌 초기 압력 조건 하에서 파라자일렌을 제조하여 수율 변화를 비교하였다. 용매로는 1,4-다이옥산을 사용하였고, 4 시간 동안 반응 후에 생성물을 분석하여 하기 표 3에 나타내었다.Paraxylene was prepared in the same manner as in Experimental Example 1 using the catalyst of Example 2 and para-xylene was prepared at various temperatures of 200 to 300 占 폚 and initial pressure of ethylene of 20 to 30 bar, Were compared. 1,4-Dioxane was used as a solvent, and the products were analyzed after 4 hours of reaction, and the results are shown in Table 3 below.
그 결과, 디메틸퓨란 전환율(XDMF) 및 파라자일렌 수율(Y p -xylene)이 반응 온도 및 에틸렌 초기 압력에 의해 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. 구체적으로, 반응 온도가 200 ℃에서 250 ℃로 증가할 때 디메틸퓨란 전환율과 파라자일렌 수율의 변화가 현격하게 증가하고, 전체적으로 반응 온도가 200 ℃에서 300 ℃로 증가할수록 디메틸퓨란 전환율과 파라자일렌 수율이 증가하는 반면, 300 ℃에서는 부반응이 증가하면서 파라자일렌 선택도가 감소하는 경향을 나타내었다. 또한, 에틸렌 초기 압력이 20 bar에서 30 bar로 증가할수록 디메틸퓨란 전환율과 파라자일렌 수율이 다소 증가하는 것으로 나타났다.As a result, it was found that the dimethylfuran conversion (X DMF ) and the p-xylene yield (Y p -xylene ) were greatly influenced by the reaction temperature and the initial ethylene pressure. Specifically, as the reaction temperature was increased from 200 ° C to 250 ° C, the changes in the dimethylfuran conversion and p-xylene yield were markedly increased, and as the reaction temperature was increased from 200 ° C to 300 ° C, the conversion of dimethylfuran and para- While the yield increased, the para - xylene selectivity tended to decrease with increasing side reaction at 300 ℃. In addition, the initial ethylene pressure increased from 20 bar to 30 bar, indicating a slight increase in dimethyl furan conversion and para-xylene yield.
이에 따라, 파라자일렌의 제조 효율성 측면에서 바람직한 반응 온도 및 에틸렌 초기 압력은 200 내지 300 ℃ 및 20 내지 30 bar인 것을 확인하였다.As a result, it was confirmed that the preferable reaction temperature and initial ethylene pressure in the production efficiency of para-xylene were 200 to 300 ° C and 20 to 30 bar.
표 3.Table 3.
이상, 본 발명내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시태양일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 정의된다고 할 것이다.Having described specific portions of the present invention in detail, it will be apparent to those skilled in the art that this specific description is only a preferred embodiment and that the scope of the present invention is not limited thereby. It will be obvious. Accordingly, the actual scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.
Claims (9)
A silica alumina aerogel catalyst for the preparation of para-xylene having a specific surface area of 300 to 500 m 2 / g and an average pore size of 20 to 30 nm.
상기 촉매의 실리카(SiO2) : 알루미늄 옥사이드(Al2O3)의 몰비는 1 : 2 내지 10 : 1인, 파라자일렌 제조용 실리카 알루미나 에어로젤 촉매.
The method according to claim 1,
Silica in said catalyst (SiO 2): The molar ratio of aluminum oxide (Al 2 O 3) is from 1: 2 to 10: 1, p-xylene for preparing silica-alumina airgel catalyst.
상기 촉매는 바이오매스 유래 디메틸퓨란으로부터 파라자일렌을 제조하는 공정에 사용되는 것인, 파라자일렌 제조용 실리카 알루미나 에어로젤 촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the catalyst is used in a process for producing para-xylene from biomass-derived dimethylfuran.
(1) 졸겔법으로 실리카 알루미나 젤을 제조하는 단계; 및
(2) 상기 (1)단계에서 제조한 젤에 초임계 유체를 가하고 건조 및 하소하여 에어로젤을 수득하는 단계를 포함하는 파라자일렌 제조용 실리카 알루미나 에어로젤 촉매의 제조방법.
A process for producing a silica alumina airgel catalyst for the production of para-xylene according to any one of claims 1 to 3,
(1) preparing a silica alumina gel by a sol-gel method; And
(2) adding a supercritical fluid to the gel prepared in the step (1), and drying and calcining to obtain an aerosol.
상기 (2)단계에서 초임계 유체는 초임계 이산화탄소인, 파라자일렌 제조용 실리카 알루미나 에어로젤 촉매의 제조방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the supercritical fluid in step (2) is supercritical carbon dioxide.
A process for producing para-xylene by reacting dimethylfuran with ethylene in the presence of the catalyst according to any one of claims 1 to 3 and an organic solvent.
상기 반응의 온도 및 압력 조건은 200 내지 300 ℃ 및 20 내지 30 bar의 에틸렌 초기 압력인, 파라자일렌을 제조하는 방법.
The method according to claim 6,
Wherein the temperature and pressure conditions of said reaction are ethylene initial pressures of 200 to 300 DEG C and 20 to 30 bar.
상기 유기용매는 극성 비양자성 유기용매인, 파라자일렌을 제조하는 방법.
The method according to claim 6,
Wherein the organic solvent is a polar aprotic organic solvent.
상기 극성 비양자성 유기용매는 1,4-다이옥산 및 테트라하이드로퓨란으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상인, 파라자일렌을 제조하는 방법.9. The method of claim 8,
Wherein the polar aprotic organic solvent is at least one selected from the group consisting of 1,4-dioxane and tetrahydrofuran.
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