KR20180077399A - Highly efficient conversion method of methane via combined exothermic and endothermic reaction - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a conversion method of methane, which comprises a first step of including an exothermic reaction flow path and an endothermic reaction flow path to perform oxidative coupling of methane in the exothermic reaction flow path, and to perform a steam reforming reaction of methane in the endothermic reaction flow path, in a heat exchange reactor in which heat is transferred from the exothermic reaction flow path to the endothermic reaction flow path since a temperature (T1) of the exothermic reaction flow path that the oxidative coupling of methane is performed, is higher than a temperature (T2) of the endothermic reaction flow path that the steam reforming reaction of methane is performed.

Description

발열반응과 흡열반응의 결합에 의한 메탄의 고효율 전환 방법{Highly efficient conversion method of methane via combined exothermic and endothermic reaction}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for converting methane to methane by an exothermic reaction and an endothermic reaction,

본 발명은 발열반응인 메탄의 산화이량화 반응과 흡열반응인 메탄의 수증기 개질반응을 결합하여 메탄을 보다 효율적으로 전환하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for more efficiently converting methane by combining an oxidative dimerization reaction of methane as an exothermic reaction and a steam reforming reaction of methane as an endothermic reaction.

천연가스의 주성분인 메탄은 주로 발전이나 가정용 열원으로 사용되고 있으나 일부는 액체 연료나 화학물질을 제조하는 원료로 사용되고 있다. 이를 위한 메탄 전환반응은 대부분 합성가스 제조공정인 메탄의 리포밍반응을 거친다. 이들 합성가스는 메탄올 합성, 수소 제조, 암모니아 제조 또는 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응에 의한 합성유 제조공정 등의 원료로 사용된다.Methane, which is the main component of natural gas, is mainly used as a heat source for power generation and household use, but some of them are used as raw materials for producing liquid fuels and chemicals. The methane conversion reaction for this purpose is mainly a reforming reaction of methane, which is a synthesis gas production process. These syngas are used as raw materials for methanol synthesis, hydrogen production, ammonia production, or synthetic oil production process by Fischer-Tropsch reaction.

한편 메탄의 산화이량화 반응(oxidative coupling of methane)은 촉매상에서 메탄과 산소가 반응하여 에틸렌과 에탄으로 전환되는 반응으로서 다양한 부반응을 동반한다. 메탄과 산소는 반응하여 하기 반응식 1) 또는 반응식 2)과 같은 정반응에 따라 에틸렌 또는 에탄을 생성하는데, 이 과정에서 반응식 3), 반응식 4) 등의 부반응을 동반하여 매우 강한 발열 반응이 일어날 수 있다. 만약, 정반응의 반응열 조절이 용이치 않아 반응온도가 올라가면 CO와 CO2로 반응이 더욱 진행되어 원하는 C2 탄화수소 화합물의 수율이 떨어지게 된다. 따라서 메탄의 산화이량화 반응에서 반응열의 조절은 생성물의 수율과 더불어 반응공정의 안정성에도 중요하다.On the other hand, the oxidative coupling of methane is a reaction in which methane and oxygen react on the catalyst to convert into ethylene and ethane, and various side reactions are accompanied. Methane and oxygen react with each other to produce ethylene or ethane according to the same reaction as in the reaction scheme 1) or the reaction scheme 2). In this process, a very strong exothermic reaction may occur with side reactions such as reaction scheme 3) and reaction scheme 4) . If the reaction temperature is increased due to the inability to regulate the reaction heat of the reaction, the reaction proceeds more with CO and CO 2 , and the yield of the desired C 2 hydrocarbon compound is lowered. Therefore, the control of the heat of reaction in the quantitative oxidation reaction of methane is important for the yield of the product as well as the stability of the reaction process.

CH4 + ¼ O2 --> ½ C2H6 + ½ H2O, ΔH298 = -87.8 kJ/mol 1)CH 4 + ¼ O 2 -> ½ C 2 H 6 + ½ H 2 O, ΔH 298 = -87.8 kJ / mol 1)

CH4 + ½ O2 --> ½ CH2=CH2 + H2O, ΔH298 = -140.4 kJ/mol 2)CH 4 + ½ O 2 -> ½ CH 2 = CH 2 + H 2 O, ΔH 298 = -140.4 kJ / mol 2)

CH4 + 3/2 O2 --> CO + H2O, ΔH298 = -518.7 kJ/mol 3)CH 4 + 3/2 O 2 -> CO + H 2 O,? H 298 = -518.7 kJ / mol 3)

CH4 + 2 O2 --> CO2 + 2 H2O, ΔH298 = -801.3 kJ/mol 4)CH 4 + 2 O 2 -> CO 2 + 2 H 2 O,? H 298 = -801.3 kJ / mol 4)

메탄의 개질반응은 메탄의 산화이량화 반응과는 달리 하기 반응식에서 보는 바와 같이 강한 흡열반응이다. 즉 메탄 개질반응이 일어나기 위해서는 외부에서 많은 열이 공급되어야 한다.The reforming reaction of methane is strong endothermic reaction as shown in the following reaction, unlike the oxidation reaction of methane. That is, a large amount of heat must be supplied from the outside in order for the methane reforming reaction to take place.

CH4 + H2O --> CO + 3 H2, ΔH298 = 206.2 kJ/mol 5)CH 4 + H 2 O -> CO + 3 H 2 , ΔH 298 = 206.2 kJ / mol 5)

CH4 + CO2 --> 2 CO + 2 H2, ΔH298 = 247.2 kJ/mol 6)CH 4 + CO 2 -> 2 CO + 2 H 2 , ΔH 298 = 247.2 kJ / mol 6)

이와 같이 메탄은 매우 안정한 화합물로서 이를 다른 화합물로 전환하고자 할 때 매우 강한 흡열반응이나 발열반응을 수반하므로 열효율이 떨어지는 문제가 있다. 지금까지의 연구는 상기 반응의 각각에 대한 연구는 많이 되어 왔으나 이를 동일한 반응기내에서 두 반응을 구현한 예는 매우 드문 실정이다.Methane is a very stable compound, and when it is converted into another compound, it has very strong endothermic reaction or exothermic reaction, which causes a problem of low thermal efficiency. Studies on each of the above reactions have been conducted so far, but there are very few cases in which two reactions are implemented in the same reactor.

본 발명자들은 상기 두 반응을 한 반응기에서 열교환이 우수한 반응기를 사용하여 전체 반응이 열적 중화인 반응을 구현하고, 이들 반응의 생성물은 2차반응을 거쳐 미반응물의 각각의 반응에 재순환하게 함으로써 전체 공정의 효율을 높일 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.The present inventors have realized that the reaction in which the whole reaction is thermally neutralized by using a reactor having excellent heat exchange in the reactor in which the two reactions are carried out is realized and the products of these reactions are recycled to the respective reactions of the unreacted products through the secondary reaction, And the present invention has been completed.

본 발명은 메탄으로부터 다른 화합물로의 전환시 열적 중성조건에서 반응을 수행하게 함으로서 반응의 열효율을 개선하며 2차반응과의 집적화를 통해 고효율의 메탄 전환 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a highly efficient methane conversion method by improving the thermal efficiency of the reaction and integrating with the secondary reaction by allowing the reaction to be carried out under thermal neutral conditions in the conversion of methane to other compounds.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1양태는, 발열반응 유로 및 흡열반응 유로를 구비하여, 메탄의 산화이량화 반응이 수행되고 있는 발열반응 유로의 온도(T1)가 메탄의 수증기 개질반응이 수행되고 있는 흡열반응 유로의 온도(T2)보다 높아 발열반응 유로로부터 흡열반응 유로로 열전달이 되는 열교환 반응기에서, 메탄의 산화이량화 반응을 발열반응 유로에서 수행하고, 메탄의 수증기 개질반응을 흡열반응 유로에서 수행하는 제1단계를 포함하는 것이 특징인 메탄의 전환 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention is a method for reforming methane comprising the steps of: providing an exothermic reaction channel and an endothermic reaction channel, wherein a temperature (T 1 ) of an exothermic reaction channel, Wherein the oxidation reaction of the methane is performed in an exothermic reaction channel in a heat exchange reactor in which heat transfer from the exothermic reaction channel to the endothermic reaction channel becomes higher than the temperature (T 2 ) of the endothermic reaction channel being performed, And a first step carried out in the flow path.

이하, 본 발명을 더욱 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명의 메탄 전환방법은 메탄의 산화이량화 반응과 메탄의 수증기 개질반응을 하나의 반응기 안에서 수행하여 반응열을 주고 받음으로써 열적 중성반응을 수행하는 것을 특징으로 한다. The methane conversion method of the present invention is characterized in that the thermal neutralization reaction is performed by carrying out the oxidation quantification reaction of methane and the steam reforming reaction of methane in one reactor to exchange heat of reaction.

이를 위해, 본 발명의 메탄 전환 방법은 메탄의 산화이량화 반응 및 메탄의 수증기 개질반응을, 발열반응 유로 및 흡열반응 유로를 구비하여, 메탄의 산화이량화 반응이 수행되고 있는 발열반응 유로의 온도(T1)가 메탄의 수증기 개질반응이 수행되고 있는 흡열반응 유로의 온도(T2)보다 높아 발열반응 유로로부터 흡열반응 유로로 열전달이 되는 열교환 반응기에서 수행하는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는 메탄의 산화이량화 반응이 수행되는 발열반응 유로 및 메탄의 수증기 개질반응이 수행되는 흡열반응 유로는 인접하여 각각 교대로 배치된 것일 수 있다.To this end, the methane conversion method of the present invention is characterized in that the oxidation quantification reaction of methane and the steam reforming reaction of methane are carried out by providing an exothermic reaction path and an endothermic reaction path so that the temperature of the exothermic reaction path 1 ) is higher than the temperature (T 2 ) of the endothermic reaction channel in which the steam reforming reaction of methane is carried out, thereby performing heat transfer from the exothermic reaction channel to the endothermic reaction channel. Preferably, the exothermic reaction channel in which the oxidation reaction of methane is performed and the endothermic reaction channel in which the steam reforming reaction of methane are performed may be disposed adjacent to each other.

본 발명의 바람직한 일 구체예에서, 상기 열교환 반응기는 마이크로채널 반응기일 수 있으며, 마이크로채널 반응기의 각 채널에는 메탄의 산화이량화 반응용 촉매 또는 메탄의 수증기 개질반응용 촉매가 채워질 수 있다.In one preferred embodiment of the present invention, the heat exchange reactor may be a microchannel reactor, and each channel of the microchannel reactor may be filled with a catalyst for quantitative oxidation of methane or a catalyst for steam reforming reaction of methane.

본 발명의 메탄 전환 방법은 상기 열교환 반응기에서, 메탄의 산화이량화 반응을 발열반응 유로에서 수행하고, 메탄의 수증기 개질반응을 흡열반응 유로에서 수행하는 제1단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이 때 각각의 반응은 상기 열교환 반응기의 채널 내 촉매층을 통과하면서 일어나게 된다. The methane conversion method of the present invention is characterized in that in the heat exchange reactor, the oxidation quantification reaction of methane is performed in an exothermic reaction channel and the steam reforming reaction of methane is performed in an endothermic reaction channel. At this time, each reaction occurs while passing through the channel catalyst layer of the heat exchange reactor.

상기 제1단계의 열교환 반응기에 주입되는 반응물은 메탄을 주요 성분으로 함유하는 것으로서 100% 메탄일 필요는 없으며, 천연가스 또는 석유화학 부산물로부터 유래할 수 있고, 나아가 소량의 에탄이나 프로판 또는 질소나 이산화탄소를 포함할 수 있다.The reactant to be injected into the heat-exchange reactor of the first stage contains methane as a main component and does not have to be 100% methane. It can be derived from natural gas or petrochemical by-products. Further, a small amount of ethane, propane, . ≪ / RTI >

상기 메탄의 산화이량화 반응의 생성물은 에탄, 에틸렌, CO, CO2, H2, H2O, 미량의 C3+ 탄화수소 및 미반응 메탄을 포함할 수 있다. 바람직하게는 상기 제1단계는 메탄의 산화이량화 반응에 의해 C2 탄화수소로서 에틸렌 및/또는 에탄이 생성물로 형성되는 단계일 수 있다. 에탄과 에틸렌의 생성비율은 비슷하지만 반응온도가 올라갈수록 에틸렌의 생성비율이 증가하는 경향이 있다. 메탄의 산화이량화 반응은 강한 발열 반응으로서 반응열 제어가 잘 이루어지지 않으면 CO나 CO2의 생성이 증가하고 C2+ 탄화수소의 수율은 감소한다. 따라서 반응온도를 일정온도 범위내에서 유지하는 것이 중요하다. The product of the oxidation quantification reaction of methane may comprise ethane, ethylene, CO, CO 2 , H 2 , H 2 O, trace C3 + hydrocarbons and unreacted methane. Preferably, said first step may be a step wherein ethylene and / or ethane as C 2 hydrocarbon is formed into the product by the oxidative quantification reaction of methane. The production ratio of ethane and ethylene is similar, but the rate of ethylene production tends to increase as the reaction temperature increases. Oxidation of methane is a strong exothermic reaction. If the heat of reaction is not controlled well, the production of CO or CO 2 increases and the yield of C2 + hydrocarbons decreases. Therefore, it is important to keep the reaction temperature within a certain temperature range.

메탄의 산화이량화 반응의 촉매는 비교적 다양한 촉매가 알려져 있으며, 본 발명에서는 5중량% NaWO4, 2중량% Mn, 0.3중량% La/SiO2 촉매를 사용하였지만 특별히 이에 한정하는 것은 아니다. In the present invention, 5 wt% NaWO 4 , 2 wt% Mn, and 0.3 wt% La / SiO 2 catalyst are used as catalysts for the oxidation reaction of methane. However, the present invention is not limited thereto.

본 발명에서, 메탄의 산화이량화 반응은 반응온도가 700~900 ℃, 반응압력이 1~10 bar, 메탄/산소 몰비는 2~10, 공간속도는 1000~50000 h-1인 것이 바람직하다.In the present invention, it is preferable that the reaction for oxidizing methane is performed at a reaction temperature of 700 to 900 ° C, a reaction pressure of 1 to 10 bar, a methane / oxygen molar ratio of 2 to 10, and a space velocity of 1000 to 50000 h -1 .

상기 제1단계의 또 다른 메탄의 수증기 개질반응은 메탄을 수증기나 이산화탄소, 또는 이들의 혼합물과 반응시켜 합성가스(CO + H2)를 생성하는 반응이다. 메탄의 수증기 개질반응은 메탄의 산화이량화 반응과 유사한 반응온도인 700~900℃에서 일어나지만 강한 흡열반응이 일어나는 반응이다. The steam reforming reaction of another methane in the first step is a reaction in which methane reacts with water vapor, carbon dioxide, or a mixture thereof to produce a syngas (CO + H 2 ). The steam reforming reaction of methane occurs at 700 ~ 900 ℃, which is similar to the oxidation reaction of methane oxidation, but a strong endothermic reaction occurs.

메탄의 수증기 개질반응은 반응압력이 1~30bar이고, 수증기/메탄의 몰비 1~4에서 수행되는 것이 바람직하다. 메탄의 수증기 개질반응에 얻어지는 합성가스의 H2/CO의 비율이 3이상으로 높기 때문에, 본 발명에서는 이들 합성가스를 활용하는 후속반응이 메탄올 합성반응이나 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응일 경우 H2/CO 비율을 낮추기 위하여 H2O/CH4 비율을 낮추고 이산화탄소를 일부 반응에 추가하였다. 예를 들면 CH4 : H2O : CO2의 몰비가 1 : 1.5~2.0 : 0.4~0.8 정도이고 반응온도가 800~850℃인 경우에는 H2/CO 몰비가 2.0~2.5 정도로서 메탄올 합성반응이나 피셔-트롭쉬 반응에 적합한 합성가스를 얻을 수 있다. The steam reforming reaction of methane is preferably carried out at a reaction pressure of 1 to 30 bar and a molar ratio of steam / methane of 1 to 4. Since the ratio of H 2 / CO of the synthesis gas obtained in the steam reforming reaction of methane is as high as 3 or more, in the present invention, the subsequent reaction utilizing these synthesis gases is a methanol synthesis reaction or a Fischer-Tropsch reaction In order to lower the H 2 / CO ratio, the H 2 O / CH 4 ratio was lowered and carbon dioxide was added to some of the reactions. For example, when the molar ratio of CH 4 : H 2 O: CO 2 is about 1: 1.5 to 2.0: 0.4 to 0.8 and the reaction temperature is 800 to 850 ° C, the H 2 / CO molar ratio is about 2.0 to 2.5, A synthesis gas suitable for the Fischer-Tropsch reaction can be obtained.

메탄의 수증기 개질반응의 촉매로는 니켈계 촉매를 사용할 수 있다. 본 발명에서는 12중량% Ni/Al2O3 촉매를 사용하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Nickel-based catalysts can be used as catalysts for the steam reforming reaction of methane. In the present invention, a 12 wt% Ni / Al 2 O 3 catalyst is used, but the present invention is not limited thereto.

본 발명에서 메탄의 산화이량화 반응과 메탄의 수증기 개질반응은 동일한 반응기에서 긴밀히 서로 접촉하는 것이 반응열의 전달을 위해 중요하다. 이를 위해 본 발명에서는 마이크로채널(microchannel) 반응기를 사용하였다.In the present invention, it is important that the oxidation reaction of methane and the steam reforming reaction of methane are in close contact with each other in the same reactor to transfer reaction heat. For this, a microchannel reactor was used in the present invention.

마이크로채널 반응기는 일정 간격으로 판(plate)들이 수직으로 쌓여져 있는 구조를 가지며, 각각의 반응은 판으로 이루어진 채널안에서 교대로 이루어지며, 각 채널은 촉매로 채워져 있다. 즉 메탄의 산화이량화 반응층의 하부와 상부에는 메탄의 수증기 개질반응층이 존재하여 각 반응층의 상하로 반응열을 주고 받음으로써 열전달이 이루어질 수 있다. 따라서 상기 반응층은 발열반응 유로 또는 흡열반응 유로가 될 수 있다. 마이크로채널 반응기는 반응기의 부피에 비해 열전달 면적이 커 반응열이 많은 반응에 적합할 수 있다.The microchannel reactor has a structure in which plates are vertically stacked at regular intervals, and each reaction is alternated in a plate channel, and each channel is filled with a catalyst. That is, the steam reforming reaction layer of methane exists in the lower part and the upper part of the oxidation oxidation reaction layer of methane, and heat transfer can be performed by passing the reaction heat up and down each reaction layer. Therefore, the reaction layer may be an exothermic reaction channel or an endothermic reaction channel. The microchannel reactor can be suitable for reactions with a large heat transfer area compared to the volume of the reactor and having a high reaction heat.

마이크로채널 반응기에서 메탄의 산화이량화 반응층의 온도 조절은 산화이량화 반응물 대비 메탄의 수증기 개질반응의 반응물의 주입량의 조절로 이루어질 수 있다. 메탄의 수증기 개질반응의 반응물이 증가하면 흡열반응이 증가하여 메탄의 산화이량화 반응의 온도는 떨어질 수 있다. 본 발명과 같이 메탄의 산화이량화 반응과 메탄의 수증기 개질반응을 결합하면 메탄의 산화이량화 반응의 폐열을 메탄의 개질반응의 반응열로 활용할 수 있는 이점이 있고, 메탄의 산화이량화 반응의 반응열을 제어하는 데 보다 용이한 이점이 있어, 고온 반응의 발열양을 제어하기 위해서는 훨씬 많은 고온 스팀을 사용해야 하는 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있다.In the microchannel reactor, the temperature control of the oxidation-reduction reaction layer of methane can be controlled by controlling the injection amount of the reactant in the steam reforming reaction of methane to the oxidation-reduction reaction material. When the reactant of the steam reforming reaction of methane increases, the endothermic reaction may increase, and the temperature of the oxidation reaction of methane may decrease. Combining the quantification reaction of methane with the steam reforming reaction of methane as in the present invention has an advantage in that the waste heat of the quantification reaction of methane can be utilized as the heat of the reforming reaction of methane and the reaction heat of the methanation reaction And it is possible to solve the problems of the prior art in which much higher temperature steam must be used in order to control the fever of the high temperature reaction.

상기 제1단계의 메탄의 산화이량화 반응의 생성물은 700℃ 이상의 고온이기 때문에 일정수준 이하로 빠르게 냉각해야 한다. 이는 반응성이 높은 에틸렌 생성물이 고온에서 장시간 유지되는 경우 2차 반응을 할 수 있기 때문이다. 고온 생성물의 냉각은 냉각수나 스팀에 의해 이루어질 수 있다. 이 과정에서 생성된 고압 또는 고온의 스팀은 공정의 유틸리티(utility) 스팀으로 활용할 수 있다. 냉각된 반응 생성물은 추가로 2차 냉각된 후 기-액 분리기로 공급되어 기-액 분리되어 액체 생성물인 물을 분리회수하며, 가스 생성물은 예열을 거친 후 후단의 제2단계의 반응기인 올레핀 올리고머화 반응기로 공급된다. Since the product of the oxidative quantification reaction of methane in the first step has a high temperature of 700 ° C or more, it needs to be rapidly cooled to a certain level or less. This is because the second reaction can be performed when the highly reactive ethylene product is maintained at a high temperature for a long time. The cooling of the high temperature product can be achieved by cooling water or steam. The high-pressure or high-temperature steam generated in this process can be utilized as a utility steam for the process. The cooled reaction product is further cooled and then supplied to a gas-liquid separator to carry out gas-liquid separation to separate and recover the liquid product. The gas product is preheated, and then the olefin oligomer / RTI >

다르게는, 상기 2차 냉각과 기-액 분리를 별도로 수행하지 않고 제1단계의 모든 생성물을 후단의 올레핀 올리고머화 반응기로 투입할 수도 있다. 이때 1차 냉각 후 생성물 흐름의 온도는 에틸렌 올리고머화 반응의 온도인 250℃ 내지 500℃ 범위에서 조절된다. 2차 냉각없이 제1단계의 반응 생성물을 냉각 후 에틸렌 올리고머화 반응기로 직접 투입하는 경우 2차 냉각기, 기-액 분리기 및 예열장치가 생략됨으로써 공정이 단순화되며, 별도의 예열이 필요없어지므로 공정의 열효율을 증진시킬 수 있는 이점이 있는 반면, 후단의 에틸렌 전환반응기의 촉매에서 물에 대한 영향이 있을 수 있다.Alternatively, all the products of the first stage may be introduced into the olefin oligomerization reactor in the subsequent stage without separately performing the secondary cooling and gas-liquid separation. Wherein the temperature of the product stream after the first cooling is controlled in the range of 250 DEG C to 500 DEG C which is the temperature of the ethylene oligomerization reaction. When the reaction product of the first stage is cooled and then directly fed into the ethylene oligomerization reactor without secondary cooling, the process is simplified by omitting the secondary cooler, the gas-liquid separator and the preheating device, and no separate preheating is required. While there is an advantage that the thermal efficiency can be improved, there may be a water effect on the catalyst of the downstream ethylene conversion reactor.

본 발명은 상기 제1단계 후에, 제1단계에서 형성된 합성가스로부터 메탄올 합성, 수소 제조, 암모니아 제조 또는 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응에 의한 합성유를 제조하는 제2단계를 더 포함할 수 있다. The present invention may further comprise, after the first step, a second step of producing synthetic oil from the synthesis gas formed in the first step by methanol synthesis, hydrogen production, ammonia production, or Fischer-Tropsch reaction have.

상기 제2단계는 제1단계의 메탄의 수증기 개질반응 생성물인 합성가스(CO + H2)를 전환하는 단계이다. 합성가스의 전환에는 다음과 같은 다양한 종류가 있다. 피셔-트롭쉬 반응에 의한 합성가스에서 왁스나 합성오일 제조, 합성가스에서 메탄올 제조, 합성가스의 수성가스 전환반응에 의한 수소 제조 등이 있으며 본 발명에서는 이에 특별히 한정하는 것은 아니다. 상기의 합성가스 전환공정의 종류에 따라 수증기 개질반응 공정 후단에서 합성가스 전처리 공정이 달라 질수 있다. The second step is a step of converting the synthesis gas (CO + H 2 ) which is the steam reforming reaction product of methane in the first step. There are various types of syngas conversion as follows. Production of wax or synthetic oil from synthetic gas by Fischer-Tropsch reaction, production of methanol from syngas, and production of hydrogen by a water gas conversion reaction of syngas. The present invention is not particularly limited to this. Depending on the kind of the syngas conversion process, the synthesis gas pretreatment process may be changed after the steam reforming process.

예를 들면 합성가스 전환공정이 피셔-트롭쉬 공정이라면 수증기 개질반응으로 생성된 고온의 합성가스를 빠른 냉각(quenching)과 기액 분리기를 통해 액상의 물을 제거하는 것이 필요하다. 피셔-트롭쉬 반응은 일반적으로 10bar 이상의 고압반응이므로 압축기(compressor)를 이용하여 피셔-트롭쉬 반응전에 합성가스의 압력을 올릴 필요가 있다. 한편 피셔-트롭쉬 반응은 사용하는 촉매에 따라 합성가스의 적정 H2/CO 비율이 요구된다. For example, if the syngas conversion process is a Fischer-Tropsch process, it is necessary to quench the high temperature syngas produced by the steam reforming reaction and to remove the liquid water through the gas-liquid separator. Since the Fischer-Tropsch reaction is generally a high pressure reaction of 10 bar or more, it is necessary to increase the pressure of the synthesis gas before the Fischer-Tropsch reaction using a compressor. On the other hand, the Fischer-Tropsch reaction requires an appropriate H 2 / CO ratio of the synthesis gas depending on the catalyst used.

코발트계 촉매에서는 H2/CO=1.8~2.2 범위가 바람직하며, 이보다 낮으면 촉매상에 코크가 생기거나 반응속도가 느려지며, 이보다 높으면 경질 탄화수소 생성비율이 높아져 경제성이 떨어지는 문제점이 있다. 반면에 철계 촉매에서는 상대적으로 H2/CO 비율에 대한 영향이 덜하지만 0.7~3 정도가 바람직하다. 수증기 개질반응에서 반응물의 조성에 의해 H2/CO 비율을 조정할 수 있다. 예들 들면 H2/CO 비를 코발트계 촉매에 적합한 2.1 정도로 맞추기 위해 스팀의 양을 조절하거나 CO2를 투입할 수 있다. 또한 수증기 개질반응 후단에서 후처리에 의해 H2/CO비를 조절할 수도 있다. 예를 들면 분리막이나 PSA(pressure swing adsorption)법에 의해 H2를 감소시킴으로써 H2/CO비를 조절할 수 있다. In the case of the cobalt-based catalyst, H 2 / CO = 1.8-2.2 is preferable, and if it is lower than the above range, coke is formed on the catalyst or the reaction rate is slowed, and if it is higher than the above range, the production rate of the light hydrocarbon is increased. On the other hand, the iron-based catalyst has a relatively less influence on the H 2 / CO ratio, but is preferably about 0.7 to 3. The H 2 / CO ratio can be adjusted by the composition of the reactants in the steam reforming reaction. For example, to adjust the H 2 / CO ratio to about 2.1 suitable for cobalt-based catalysts, the amount of steam may be adjusted or CO 2 may be introduced. It is also possible to control the H 2 / CO ratio by post-treatment at the end of the steam reforming reaction. For example, the H 2 / CO ratio can be controlled by decreasing H 2 by a separation membrane or PSA (pressure swing adsorption) method.

코발트계 촉매에서 피셔-트롭쉬 반응은 190~240℃, 10~30bar, SV=1000~4000와 상기의 가스조성에서 수행될 수 있으며, 반응기는 고정상, 슬러리, 또는 마이크로채널 반응기가 사용될 수 있다. 철계 촉매에서 피셔-트롭쉬 반응은 250~350℃, 10~30bar, SV=500~3000와 상기의 가스조성에서 수행될 수 있으며, 반응기는 고정상, 슬러리, 또는 순환 유동상 반응기가 사용될 수 있다. In the cobalt-based catalyst, the Fischer-Tropsch reaction may be carried out at 190 to 240 ° C., 10 to 30 bar, SV = 1000 to 4000 and the gas composition described above, and the reactor may be a stationary phase, slurry or microchannel reactor. The Fischer-Tropsch reaction in the iron-based catalyst may be carried out at a temperature of 250 to 350 ° C, 10 to 30 bar, and SV = 500 to 3000 in the above gas composition, and the reactor may be a stationary phase, a slurry reactor or a circulating fluidized bed reactor.

합성가스 전환공정이 메탄올 합성 공정일 경우 수증기 개질반응으로 생성된 고온의 합성가스를 빠른 냉각과 이의 기액 분리에 의해 액상의 물을 제거한 후 메탄올 합성에 적합하게 압력을 올리는 것이 필요하다. 메탄올 합성반응은 230~280℃, 10~110bar, SV=1000~5000 등의 반응조건과 합성가스 중에 일부분 CO2가 포함되어 있는 합성가스를 사용하며 H2/(2CO + 3CO2) = 1인 가스조성에서 수행된다. 촉매로는 Cu/ZnO/Al2O3가 널리 사용되고 있으며, 반응기는 고정상 또는 슬러리 반응기가 사용될 수 있다. When the syngas conversion process is a methanol synthesis process, it is necessary to rapidly cool the high-temperature syngas produced by the steam reforming reaction and remove the liquid water by gas-liquid separation thereof, and then raise the pressure suitable for methanol synthesis. The methanol synthesis reaction is carried out at a reaction temperature of 230 ~ 280 ° C, 10 ~ 110 bar, SV = 1000 ~ 5000 and a synthesis gas containing part of CO 2 in the syngas and H 2 / (2CO + 3CO 2 ) = 1 Gas composition. Cu / ZnO / Al 2 O 3 is widely used as a catalyst, and a fixed bed or a slurry reactor can be used as the reactor.

합성가스 전환공정이 수소 합성 공정일 경우에는 수증기 개질반응으로 생성된 고온의 합성가스를 빠른 냉각으로 수성가스 전환반응에 적합한 온도로 온도를 낮춘 다음 수성가스 전환반응기에 투입한다. 이때 수성가스 전환반응은 반응물로 물이 필요하므로 별도의 물을 제거하는 공정은 필요없고 필요에 따라 물을 추가로 공급할 수 있다. 합성가스 중 CO 농도에 따라 수성가스 전환반응은 1단 또는 2단으로 구성할 수 있다. 농도가 높으면 고온 전환반응을 거쳐 대부분 CO를 수소로 전환하고 저온반응에서 CO 농도를 더욱 낮춘다. 생성된 수소를 분리하는 방법으로는 PSA(pressure swing adsorption) 또는 분리막을 이용할 수 있다.When the synthesis gas conversion process is a hydrogen synthesis process, the high-temperature synthesis gas produced by the steam reforming reaction is cooled to a temperature suitable for the water gas conversion reaction by rapid cooling, and then introduced into the water gas conversion reactor. At this time, since the water gas conversion reaction requires water as a reactant, there is no need to remove the water separately and additional water can be supplied as needed. Depending on the concentration of CO in the syngas, the water gas conversion reaction can be composed of one or two stages. When the concentration is high, most of the CO is converted to hydrogen through the high temperature conversion reaction and the CO concentration is further lowered at the low temperature reaction. As a method of separating the generated hydrogen, PSA (pressure swing adsorption) or a separation membrane can be used.

본 발명은 상기 제2단계 후에, 제1단계에서 형성된 C2 탄화수소로부터 에틸렌 올리고머화(oligomerization) 반응에 의해 액체 탄화수소 생성물을 제조하는 제3단계를 더 포함할 수 있다.The present invention may further comprise, after the second step, a third step of producing a liquid hydrocarbon product by an oligomerization reaction from C 2 hydrocarbons formed in the first step.

상기 제3단계는 제1단계에서 형성된 C2 탄화수소를 올리고머화(oligomerization)하여, 주로 액상으로 존재할 수 있는 탄소수가 높은 탄화수소(C5+)로 전환시키는 에틸렌 전환반응이다. 이 과정에서 부산물로 C3~C4 탄화수소도 일부 생성될 수 있다. The third step is an ethylene conversion reaction in which the C 2 hydrocarbons formed in the first step are oligomerized and converted to a hydrocarbon having a high number of carbon atoms (C 5 +), which can be mainly present in a liquid state. In this process, C 3 -C 4 hydrocarbons can also be partially produced as byproducts.

상기 에틸렌 올리고머화 반응에서 반응의 가혹도(severity)에 따라 파라핀계 탄화수소 및 아로마틱스가 생성될 수 있다. 즉 반응온도, 반응압력, 촉매의 산성도 등이 증가할수록 올레핀계 탄화수소보다 파라핀계 탄화수소나 아로마틱스(aromatics)의 생성율이 증가할 수 있으며, 따라서 반응의 가혹도를 조절함에 따라 올레핀의 선택도를 조절할 수 있다.In the ethylene oligomerization reaction, paraffinic hydrocarbons and aromatics can be produced according to the severity of the reaction. That is, as the reaction temperature, the reaction pressure, and the acidity of the catalyst increase, the production rate of paraffinic hydrocarbons or aromatics may be higher than that of olefinic hydrocarbons, and thus the selectivity of olefins may be controlled .

상기 에틸렌 올리고머화 반응은 고체산 촉매상에서 수행될 수 있다. The ethylene oligomerization reaction may be carried out on a solid acid catalyst.

상기 고체산 촉매는 브렌스테드 산점을 갖는 고체 형상인 것이면 특별히 제한되지 않고, 예를 들어, 카올린(kaolin) 등의 점토 광물; 점토 광물 등의 담체에 황산, 인산 등의 산을 함침 및 담지시킨 고체 촉매; 산성형 이온 교환 수지; 인산알루미늄류; Al-MCM41 등의 메소포러스 실리카 알루미나; 제올라이트류; 또는 ITQ-2 등의 층 형상 제올라이트일 수 있으며, 해당 기술분야에서 통상 사용하는 고체산 촉매가 사용될 수 있다. 고체산 촉매는, 표면적이 큰 것이 바람직하고, 또한, 산점이 많은 것이 바람직하다. 이러한 고체산 촉매 중에서도 산 강도가 너무 높지 않은 것이 바람직하며, 예를 들어, 제올라이트일 수 있다.The solid acid catalyst is not particularly limited as long as it is in the form of a solid having a Bronsted acid point, and examples thereof include clay minerals such as kaolin; A solid catalyst in which a carrier such as a clay mineral is impregnated and supported with an acid such as sulfuric acid or phosphoric acid; Acid form ion exchange resins; Aluminum phosphates; Mesoporous silica alumina such as Al-MCM41; Zeolites; Or ITO-2 or a layered zeolite such as ITQ-2, and a solid acid catalyst commonly used in the art can be used. The solid acid catalyst preferably has a large surface area and more preferably has a large acid point. Among these solid acid catalysts, it is preferable that the acid strength is not too high, for example, zeolite.

제올라이트 촉매는 0.45 nm 내지 0.55 nm의 중간 세공 직경을 갖는 제올라이트가 바람직하다. 0.45 nm 보다 작은 세공을 갖는 제올라이트의 경우, C5+ 생성물의 생성이 어려워지고, 생성물이 세공을 빠져나오는 것이 어려워진다. 또한, 0.55 nm 보다 큰 세공을 갖는 제올라이트의 경우, 제올라이트 세공 내에 코크가 다량 생성되며, 촉매 수명이 짧아지고 중질 유분의 생산량이 많아지는 문제점이 있다. The zeolite catalyst is preferably a zeolite having a median pore diameter of 0.45 nm to 0.55 nm. In the case of zeolites with pores smaller than 0.45 nm, the production of C5 + products becomes difficult and it becomes difficult for the products to escape from the pores. Further, in the case of a zeolite having pores larger than 0.55 nm, a large amount of coke is produced in the zeolite pores, the catalyst life is shortened, and the yield of heavy oil is increased.

또한, 상기 제3단계에서 촉매로 사용되는 제올라이트는 Si/Al의 비율이 10 내지 100 사이인 것이 바람직하다. Si/Al의 비율이 10 보다 작은 경우, 제올라이트의 산점(acid point)이 과다하여 코크 생성이 많아지고, 촉매 수명이 짧아지며, 제올라이트의 열적 및 수열 안정성이 떨어질 수 있다. 제올라이트의 Si/Al 비율이 100보다 큰 경우, 산점이 너무 작아서 제올라이트 촉매의 반응성이 감소하는 문제점이 있다. The zeolite used as the catalyst in the third step preferably has a ratio of Si / Al of 10 to 100. If the Si / Al ratio is less than 10, the acid point of the zeolite is excessive, so that the production of coke increases, the catalyst life is shortened, and the thermal and hydrothermal stability of the zeolite may be deteriorated. When the Si / Al ratio of the zeolite is larger than 100, the acid site is too small to reduce the reactivity of the zeolite catalyst.

본 발명에서, 상기 제3단계의 촉매로 사용되기에 바람직한 제올라이트는 ZSM-5, ZSM-11, ZSM-12, ZSM-35, MCM-22 등이다. 가장 바람직하게는, ZSM-5 및 MCM-22을 사용할 수 있다. 상기 촉매로 사용되는 제올라이트는, 산 특성 조절을 위해 전이금속이나 염기성 금속 이온이 도입된 것일 수 있고, 산 특성 및 수열안정성 조절을 위해 La이나 P가 도입된 것일 수 있다. 또한, 방향족화(aromatization)를 촉진하기 위하여 제올라이트에 Ga, Zn 및 Pt 등을 도입한 것일 수도 있다. 올리고머화 촉매의 또 다른 형태로서 Ni이 함유된 메조포러스 실리카-알루미나 촉매를 사용할 수 있다.ZSM-5, ZSM-11, ZSM-12, ZSM-35 and MCM-22 are preferred zeolites for use in the catalyst of the third step. Most preferably, ZSM-5 and MCM-22 can be used. The zeolite used as the catalyst may be one in which a transition metal or a basic metal ion is introduced to control the acid property, and La or P may be introduced to control acid characteristics and hydrothermal stability. Further, Ga, Zn and Pt may be introduced into the zeolite to promote aromatization. As another form of the oligomerization catalyst, a mesoporous silica-alumina catalyst containing Ni can be used.

제올라이트 촉매를 실제로 반응기에 적용하기 위해서는 성형이 요구되는 바, 성형을 위해 실리카, 알루미나, 실리카-알루미나, 클레이(clay) 등을 제올라이트의 바인더로 사용할 수 있다.In order to actually apply the zeolite catalyst to the reactor, molding is required, and silica, alumina, silica-alumina, clay or the like can be used as a binder for the zeolite for molding.

상기 제3단계는 에틸렌 올리고머화 반응기(제2반응기)에서 수행될 수 있다. 본 발명에서 사용하는 에틸렌 올리고머화 반응기는 형태에 제한은 없으며, 고정상 반응기, 유동층 반응기, 이동상 반응기 등일 수 있다.The third step may be carried out in an ethylene oligomerization reactor (second reactor). The ethylene oligomerization reactor used in the present invention is not limited in form, and may be a fixed bed reactor, a fluidized bed reactor, a mobile phase reactor, or the like.

상기 제3단계에 고정상 반응기, 유동층 반응기, 이동상 반응기 등을 사용하는 공지된 반응 프로세스를 적용할 수 있다. 또한, 상기 제3단계는 회분식, 반연속식 또는 연속식 중 어느 형태로도 수행될 수 있으나, 연속식으로 실시하는 것이 바람직하고, 나아가 단일 반응기를 사용할 수 있지만, 직렬 또는 병렬로 배치된 복수의 반응기를 사용할 수 있다. 다만, 제3단계의 반응은 발열반응이므로, 반응열 제어가 용이한 반응기를 사용하는 것이 바람직하다. 따라서, 고정상 반응기라도 단열 급랭(quenching) 반응기를 사용할 수 있다. 또한, 반응시 코크가 발생하고, 생성된 코크에 의해 촉매의 비활성화가 일어나므로 반응 중 주기적으로 코크를 태워 촉매를 재생할 수 있는 시스템이 필요하다. 따라서, 스윙베드(swing bed) 반응기를 사용하는 것이 바람직하다.In the third step, a known reaction process using a fixed bed reactor, a fluidized bed reactor, a mobile phase reactor or the like may be applied. The third step may be carried out in a batch, semi-continuous or continuous manner, but is preferably carried out continuously. Further, a single reactor may be used, but a plurality of Reactor can be used. However, since the reaction in the third step is an exothermic reaction, it is preferable to use a reactor in which the reaction heat can be easily controlled. Therefore, a fixed bed reactor or an adiabatic quenching reactor can be used. In addition, since coke is generated in the reaction and deactivation of the catalyst occurs due to the produced coke, a system capable of regenerating the catalyst by cycling the coke during the reaction is needed. Therefore, it is preferable to use a swing bed reactor.

상기 제3단계의 반응은, 반응온도 250℃ 내지 500℃, 반응압력 2bar 내지 30bar 및 공간속도 1,000h-1 내지 30,000h- 1 인 조건에서 수행되는 것이 바람직하다. The reaction of the third step, the reaction temperature of 250 ℃ to 500 ℃, a reaction pressure of 2bar to 30bar and a space velocity of 30,000h 1,000h -1 to - is preferably carried out in one of the conditions.

반응온도가 250℃ 미만이면 에틸렌의 전환율이 떨어지는 문제점이 있고, 500℃를 초과하면 파라핀계 탄화수소와 아로마틱스 생성이 많아지고, 촉매 상에 코크 생성이 많아져 촉매 비활성화 속도가 빨라 촉매 재생 주기가 짧아지는 문제점이 있다. 나아가 반응압력이 2bar 미만이면 에틸렌의 전환율이 떨어지는 문제점이 있는데, 이는 압력이 높을수록 정반응인 올리고머화 반응이 우세하여 에틸렌의 전환율이 증가하는데 반해, 반응압력이 낮으면 생성물인 중질 올레핀의 크래킹 반응이 우세해져 평행전환율이 떨어지기 때문이다. 반응압력이 30bar를 초과하면 반응물의 승압(compressing)에 많은 운전 비용이 드는 문제점이 있다.If the reaction temperature is lower than 250 ° C, there is a problem that the conversion of ethylene is lowered. When the temperature exceeds 500 ° C, paraffinic hydrocarbons and aromatics are increased, coke production is increased on the catalyst, . Further, when the reaction pressure is less than 2 bar, there is a problem that the conversion of ethylene is lowered. As the pressure is higher, the oligomerization reaction as the reaction is dominant and the conversion of ethylene is increased. When the reaction pressure is lower, cracking reaction of the heavy olefin And the parallel conversion rate drops. When the reaction pressure exceeds 30 bar, there is a problem in that a lot of operation cost is required for compressing the reactant.

상기 제3단계의 에틸렌 전환율은 70% 이상일 수 있으며, 바람직하게는 80% 이상, 더 바람직하게는 90% 이상일 수 있다. The ethylene conversion in the third step may be 70% or more, preferably 80% or more, and more preferably 90% or more.

상기 제3단계의 반응기을 통해 배출되는 조성물에는, CO, CO2, H2O, 수소, 메탄, C2 탄화수소, C3~C4 탄화수소, C5+ 탄화수소, 아로마틱스(방향족) 등이 포함될 수 있다. The composition discharged through the reactor of the third step may include CO, CO 2 , H 2 O, hydrogen, methane, C 2 hydrocarbons, C 3 to C 4 hydrocarbons, C 5 + hydrocarbons, aromatics (aromatics) and the like.

상기 제3단계의 반응기를 통해 배출되는 C2 탄화수소는 에탄 및 에틸렌을 포함할 수 있는데, 후단 공정에서 에탄과 에틸렌을 분리하기 위해서는 앞서 설명한 바와 같이 다단 증류탑과 같은 복잡한 공정이 필요하여 운전비와 투자비가 많이 소요될 수 있으므로 이를 제외하기 위해서는 에틸렌 전환율을 높일 필요가 있다. 따라서, 본 발명은 제3단계 반응에서 에틸렌의 전환율을 최대로 올릴 수 있는 최적의 반응 조건 및 촉매를 규명함으로써, 이들을 별도로 분리할 필요가 없이 제1단계로 재순환할 수 있도록 하였다.The C 2 hydrocarbons discharged through the reactor in the third step may include ethane and ethylene. In order to separate the ethane and ethylene from the downstream process, a complex process such as the multi-stage distillation column is required, It is necessary to increase the ethylene conversion rate in order to exclude it. Therefore, the present invention enables the recycling to the first step without separating them separately by identifying the optimum reaction conditions and catalysts capable of maximizing the conversion of ethylene in the third step reaction.

본 발명은 제3단계 후에, 제3단계의 미반응가스를 상기 제1단계의 수증기 개질반응 및 메탄의 산화이량화 반응으로 재순환(recycle)하는 제4단계를 더 포함할 수 있다. The present invention may further include a fourth step of recycling the unreacted gas of the third step to the steam reforming reaction of the first step and the dimerization reaction of methane after the third step.

본 발명은, 상기 제3단계의 생성물을 기액 분리하고, 기액 분리된 제2단계 생성물의 기상을 분리하여 제1단계로 재순환시킬 수 있다. 이때 기상에는 제1단계의 메탄의 산화이량화 반응에서 미반응된 메탄이 주성분이다. 제1단계로의 재순환된 기상 성분은 메탄의 산화이량화 반응 또는 메탄의 수증기 개질반응에 분배될 수 있으며, 다르게는 상기 반응 모두에게 일정비율로 분배될 수 있다. In the present invention, the product of the third step may be subjected to gas-liquid separation, and the gas phase of the gas-liquid separated second step product may be separated and recycled to the first step. At this time, unreacted methane is the main component in meteoric quantification of methane in the first stage. The recycled meteoric components to the first stage can be distributed to the oxidative quantification reaction of methane or the steam reforming reaction of methane, or alternatively can be distributed in a proportion to all of the reactions.

메탄의 산화이량화 반응에서 메탄 대비 산소의 비율이 대략 3 :1이면 약 30% 정도의 메탄전환율과 100% 가까운 전환율이 얻어지며, C2 수율이 15~20% 정도라면 메탄의 산화이량화 반응의 반응열을 중화하는 데 필요한 메탄의 수증기 개질반응에 필요한 메탄은 메탄의 산화이량화 반응에 들어가는 메탄의 절반 정도이다. 이때 메탄의 개질반응의 전환율은 95% 정도이다. 따라서 상기에서 나타낸 바와 같이 미반응 메탄을 메탄의 개질반응으로 전부 재순환하기에는 과다하기 때문에 재순환되는 메탄의 일부는 메탄의 산화이량화 반응으로 재순환시키는 것이 필요하다.Methane conversion rate of about 30% and 100% conversion ratio are obtained when the methane to oxygen ratio is about 3: 1. If the C 2 yield is about 15 to 20%, the reaction heat of the methanation oxidation reaction The methane required for the steam reforming reaction of methane, which is needed to neutralize the methane, is about half of the methane that is used to quantify the oxidation of methane. The conversion rate of the methane reforming reaction is about 95%. Therefore, as shown above, it is necessary to recycle part of the recycled methane to the quantification reaction of methane because the unreacted methane is excessively recycled as a whole by the reforming reaction of methane.

한편 메탄의 산화이량화 반응의 부산물 중에는 CO, H2, H2O 및 CO2 등이 포함되는데, 이들은 메탄의 개질반응의 생성물이나 반응물이기 때문에 메탄의 산화이량화 반응보다는 메탄의 개질반응으로 재순환하는 것이 유리하다. 결론적으로 메탄의 산화이량화 반응에서 부산물의 양과 조성은 반응조건에 따라 달라지나 1차적으로 메탄의 개질반응으로 재순환하고 남는 부산물은 메탄의 산화이량화 반응으로 재순환하는 것이 전체 공정의 효율성 측면에서 유리하다.On the other hand, the by-products of the methanation oxidation reaction include CO, H 2 , H 2 O, and CO 2 , which are products or reactants of the reforming reaction of methane and therefore are recycled to the methane reforming reaction It is advantageous. In conclusion, the amount and composition of by-products in the methanation of methane oxidation are advantageous in terms of the efficiency of the whole process, depending on the reaction conditions, but the recycle of the by-products, which are recycled first as a reforming reaction of methane, to the oxidation reaction of methane.

상기 제3단계의 올레핀 올리고머화 반응기에서 나온 생성물을 냉각한 후, 기액 분리기를 이용하여 기상과 액상으로 분리시킬 수 있다. 액상의 생성물은 C5+ 올레핀을 포함하는 C5+ 탄화수소와 메탄의 산화이량화 반응의 생성물인 물로 구성된다. C5+ 탄화수소는 추가의 수소화 공정에 의해 가솔린으로 얻을 수 있고 크래킹공정에 의해 경질 올레핀으로 전환할 수 있다. The product from the olefin oligomerization reactor in the third step may be cooled and separated into a gas phase and a liquid phase using a gas-liquid separator. The liquid product consists of C5 + hydrocarbons, including C5 + olefins, and water, the product of the oxidation-reduction reaction of methane. C5 + hydrocarbons can be obtained as gasoline by an additional hydrogenation process and can be converted to light olefins by cracking processes.

본 발명의 메탄 전환방법은 메탄의 전환율이 20~80%이고, C2+ 탄화수소에 대한 선택도가 40~80%이고, C2+ 탄화수소의 전체 수율이 15~25%일 수 있다.In the methane conversion method of the present invention, the conversion of methane is 20 to 80%, the selectivity to C2 + hydrocarbons is 40 to 80%, and the total yield of C2 + hydrocarbons is 15 to 25%.

본 발명의 제2양태는 발열반응 유로 및 흡열반응 유로를 구비하여, 메탄의 산화이량화 반응이 수행되고 있는 발열반응 유로의 온도(T1)가 메탄의 수증기 개질반응이 수행되고 있는 흡열반응 유로의 온도(T2)보다 높아 발열반응 유로로부터 흡열반응 유로로 열전달이 되는 열교환 반응기에서, 메탄의 산화이량화 반응을 발열반응 유로에서 수행하고, 메탄의 수증기 개질반응을 흡열반응 유로에서 수행하는 제1단계; 제1단계의 메탄의 수증기 개질반응에서 형성된 합성가스를 전환시키는 제2단계; 제1단계에서 메탄의 산화이량화 반응에서 형성된 C2 탄화수소로부터 에틸렌 올리고머화(oligomerization) 반응에 의해 액체 탄화수소 생성물을 제조하는 제3단계; 및 제3단계의 미반응가스를 상기 제1단계의 수증기 개질반응 및 메탄의 산화이량화 반응으로 재순환(recycle)하는 제4단계를 포함하는 것이 특징인 메탄의 전환 방법을 제공한다.In a second aspect of the present invention, there is provided an exhaust gas recirculation system comprising an exothermic reaction channel and an endothermic reaction channel, wherein a temperature (T 1 ) of an exothermic reaction channel in which a quantitative oxidation reaction of methane is performed, The first step of performing the oxidation quantification reaction of methane in the exothermic reaction channel and the steam reforming reaction of methane in the endothermic reaction channel in the heat exchange reactor in which heat transfer from the exothermic reaction channel to the endothermic reaction channel is higher than the temperature (T 2 ) ; A second step of converting the synthesis gas formed in the steam reforming reaction of methane in the first step; A third step of producing a liquid hydrocarbon product by an oligomerization reaction from C2 hydrocarbons formed in the dimerization reaction of methane in the first step; And a fourth step of recycling the unreacted gas in the third step to the steam reforming reaction and the oxidation reaction of methane in the first step.

상기 열교환 반응기는 마이크로채널 반응기일 수 있다.The heat exchange reactor may be a microchannel reactor.

상기 마이크로채널 반응기의 각 채널에는 메탄의 산화이량화 반응용 촉매 또는 메탄의 수증기 개질반응용 촉매가 채워질 수 있다.Each channel of the microchannel reactor may be filled with a catalyst for quantification of methane oxidation or a catalyst for steam reforming reaction of methane.

메탄의 산화이량화 반응이 수행되는 발열반응 유로 및 메탄의 수증기 개질반응이 수행되는 흡열반응 유로는 인접하여 각각 교대로 배치될 수 있다.The exothermic reaction channel in which the oxidation quantification reaction of methane is performed and the endothermic reaction channel in which the steam reforming reaction of methane is performed may be disposed adjacent to each other.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 관해, 필요에 따라 도면을 참조하면서 자세히 설명한다. 이하의 본 실시 형태는 본 발명을 설명하기 위한 예시이며 본 발명을 한정하고자 하는 것은 아니다. 도 1은 메탄에서 액체 탄화수소 또는 화합물을 제조하기 위한 공정의 개략도를 나타낸 것으로, 본 발명에 따른 공정은 크게 3개의 반응 공정으로 구성되어 있다. 먼저 메탄을 함유하는 가스를 마이크로채널 반응기로 투입하여 메탄을 전환하는 단계로서, 산소가 반응물로 함께 공급되어 제1 반응인 메탄의 산화이량화 반응에 의해 C2 화합물(에탄 + 에틸렌)을 제조함과 동시에, 제2반응인 메탄의 개질반응에 의해 합성가스를 생성하는 공정; 제1 반응의 생성물인 에틸렌을 함유하는 가스를 올레핀 올리고머화 반응기에 투입하여 C5+ 탄화수소를 생성하는 공정; 및 제2 반응의 생성물인 합성가스를 합성가스 전환반응기에 투입하여 이를 전환하여 합성유 또는 메탄올 또는 수소를 생성하는 공정;으로 구성되고, 나아가 각 공정 생성물의 회수 및 재순환 공정들이 추가적으로 포함되어 있다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as necessary. The following embodiments are illustrative of the present invention and are not intended to limit the present invention. FIG. 1 shows a schematic diagram of a process for producing liquid hydrocarbons or compounds in methane. The process according to the present invention consists largely of three reaction processes. First, the methane-containing gas is introduced into a microchannel reactor to convert methane, and oxygen is supplied as a reactant to produce a C 2 compound (ethane + ethylene) by the oxidation reaction of methane as the first reaction Simultaneously, a synthesis gas is produced by a reforming reaction of methane as a second reaction; Introducing a gas containing ethylene as a product of the first reaction into an olefin oligomerization reactor to produce C5 + hydrocarbons; And a synthesis gas, which is a product of the second reaction, into a synthesis gas conversion reactor and converting the synthesis gas into synthetic oil, methanol or hydrogen, and further includes recovery and recycling processes of each process product.

도 2는 메탄 함유 가스의 전환공정을 보다 상세히 나타낸 공정 개요도로서, 메탄에서 C5+ 탄화수소 및 합성유 또는 메탄올 또는 수소를 제조함에 있어서, 보다 에너지 소모가 적고 장치비 및 운전비가 저렴한 본 발명에 따른 공정을 나타낸 것이다. 먼저, 메탄을 함유하는 반응가스는 흐름(21)을 통하여 마이크로채널 반응기(1)의 메탄의 산화이량화 반응층(2)로 유입되게 되는데, 또한 메탄의 산화제로서 산소가 함께 공급된다. 이때, 미반응되어 회수된 메탄의 재순환 흐름(27)이 상기의 흐름(21)과 혼합되어 메탄의 산화이량화 반응층(2)으로 공급된다. 메탄의 산화이량화 반응 후, 생성물은 흐름(22)으로서 배출되어 냉각수에 의해 급냉되고, 이때 냉각수가 가열되어 고압의 스팀을 추가적으로 얻게 된다. 냉각된 흐름(22)는 기액 분리기인 플래시 컬럼(flash column, 4)으로 유입되어 상이 분리되며, 액상인 물은 흐름(24)으로 배출된다. 상기 응축되어 배출된 물은 정제과정을 거친 후에 공정용 물로 재사용할 수 있다. 나머지 기상인 가스성분은 흐름(23)로서, 에틸렌 올리고머화 반응에 적합한 3기압 이상의 압력으로 부스팅(boosting)되거나 조정된 후, 열교환을 거쳐 올레핀 올리고머화 반응기(5)로 투입된다. 올레핀 올리고머화 반응 후, 생성물은 흐름(25)으로 배출되고, 분리장치(6)로 투입되어 상이 분리된다. 분리장치(6)에서 분리된 기상은 흐름(27)으로서 마이크로채널 반응기(1)로 재순환된다. 2 is a process schematic diagram showing the conversion process of the methane-containing gas in more detail, which shows a process according to the present invention in which C5 + hydrocarbons and synthetic oil or methanol or hydrogen are produced in methane and the energy consumption and the operating cost are lower . First, the reaction gas containing methane flows into the oxidation-reduction reaction layer 2 of methane in the microchannel reactor 1 through the flow 21, and oxygen is also supplied as an oxidizing agent for methane. At this time, an unreacted recycled methane recycle stream 27 is mixed with the stream 21 and fed to the methane oxidation determination reaction layer 2. After the oxidation quantification reaction of methane, the product is discharged as stream 22 and quenched by cooling water, whereupon the cooling water is heated to additionally obtain high pressure steam. The cooled stream 22 flows into a flash column 4, which is a gas-liquid separator, to separate the phases, and the liquid water is discharged into the flow 24. The condensed and discharged water can be reused as process water after the purification process. The remaining gaseous gas component is stream 23, boosted or adjusted at a pressure of at least 3 atmospheres suitable for the ethylene oligomerization reaction, and then subjected to heat exchange to enter the olefin oligomerization reactor 5. After the olefin oligomerization reaction, the product is discharged to stream 25 and introduced into separator 6 to separate the phases. The gas phase separated in the separator 6 is recycled to the microchannel reactor 1 as stream 27.

한편, 메탄을 함유하는 반응가스는 흐름(31)을 통하여 마이크로채널 반응기(1)의 메탄의 개질반응층(3)으로 유입되게 되며, 이때 스팀 또는 이산화탄소 또는 이들 혼합물이 함께 공급된다. 이때, 미반응되어 회수된 메탄의 재순환 흐름(27)이 상기의 흐름(31)과 혼합되어 메탄의 개질반응층(3)으로 공급된다. 메탄의 개질반응 후, 합성가스는 흐름(32)으로서 배출되어 냉각수에 의해 급냉된다. 냉각된 흐름(32)은 기액 분리기인 플래시 컬럼으로 유입되어 상이 분리되며, 미반응된 액상인 물을 분리할 수 있다. 나머지 기상인 가스성분은 합성가스 전환반응에 적합한 압력으로 부스팅(boosting)되거나 조정된 후, 합성가스 전환장치(7)로 투입된다. 합성가스 전환반응 후, 생성물은 흐름(33)으로 배출되어, 분리장치(8)로 투입되어 생성물을 분리한다. 분리장치(8)에서 분리된 미반응 합성가스은 흐름(34)을 통해 합성가스 전환장치(7)로 재순환된다. On the other hand, the reaction gas containing methane flows into the reforming reaction layer 3 of methane of the microchannel reactor 1 through the flow 31, and steam or carbon dioxide or a mixture thereof is supplied together. At this time, the unreacted recycled methane recycle stream 27 is mixed with the stream 31 and fed to the reforming reaction layer 3 of methane. After the reforming reaction of methane, the syngas is discharged as stream 32 and quenched by cooling water. The cooled stream 32 flows into the flash column, which is a gas-liquid separator, to separate the phases and to separate the unreacted liquid water. The remaining gaseous components are boosted or adjusted at a pressure suitable for the syngas conversion reaction, and then introduced into the syngas conversion device 7. After the syngas conversion reaction, the product is discharged into the stream 33 and introduced into the separator 8 to separate the product. The unreacted synthesis gas separated in the separation device 8 is recycled to the syngas conversion device 7 via the flow 34. [

본 발명은 발열반응인 메탄의 산화이량화 반응과 흡열반응인 메탄의 수증기 개질반응을 동시에 수행하여 반응열을 주고 받음으로써 열적 중성 반응 조건을 달성하여 공정의 열효율을 개선하며, 후단 반응과의 집적화를 통해 고효율의 전체 통합공정을 제공함으로써 메탄을 보다 효율적으로 전환할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.The present invention relates to a process for the simultaneous reduction of the oxidation reaction of methane as an exothermic reaction and the steam reforming reaction of methane as an endothermic reaction to exchange heat of reaction to achieve a thermal neutral reaction condition to improve the thermal efficiency of the process, By providing a high efficiency total integrated process, it is possible to provide a method for more efficient conversion of methane.

도 1은 메탄에서 액체 탄화수소 또는 화합물을 제조하기 위한 공정의 개략도이다.
도 2는 메탄 함유 가스의 전환공정을 보다 상세히 나타낸 공정 개요도이다.
도 3은 메탄의 산화이량화 반응과 메탄의 수증기 개질반응이 일어나는 마이크로 채널 반응기; 및 채널내 발열반응 및 흡열반응, 채널간 열교환을 도시한 모식도이다.
Figure 1 is a schematic diagram of a process for producing liquid hydrocarbons or compounds in methane.
FIG. 2 is a process overview diagram showing the methane-containing gas conversion step in more detail.
FIG. 3 is a microchannel reactor in which the oxidation-reduction reaction of methane and the steam reforming reaction of methane occur; And an exothermic reaction and an endothermic reaction in a channel, and a channel heat exchange.

이하는 본 발명을 상세하게 설명하기 위해 실시예로 기술한 바, 본 발명이 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following examples. However, the present invention is not limited to these examples.

제조예Manufacturing example 1: 마이크로채널 반응기 제작 1: Microchannel Reactor Fabrication

마이크로채널 반응기의 내열성 재질로서 인코넬(Inconel) 600을 사용하였다. 마이크로채널 반응기는 인코넬 판(plate)들이 적층되어 있으며 각 층들은 일정두께를 가지며 이들은 서로 격리되어 있는 구조를 갖는다. 반응기의 접합은 판(격리용과 촉매층을 만들기 위한 기둥용 판)을 적층한 후 한번에 열과 압력을 가하는 방식인 확산접합(diffusion bond), 브레이징 용접, 용접(laser, 아크 및 가스 용접 등) 등을 이용해서 수행가능하다. 마이크로채널 반응기는 교대로 메탄의 산화이량화 반응과 메탄의 개질반응이 교대로 일어나는 반응층을 구비한다. 마이크로채널 반응기는 산화이량화 반응층이 3층, 메탄의 개질반응층이 4층이고, 판의 크기는 6cm x 6cm이며, 각 층은 각각의 촉매들로 채워지며 후단은 촉매가 빠져나오지 않도록 필터가 내장되어 있다. 촉매층의 두께, 모양 및 구조는 다양하게 설계될 수 있으며 메탄의 산화이량화 반응의 발열양과 메탄의 개질반응의 흡열양에 따라 달리 설계될 수 있다. 마이크로채널 반응기의 메탄의 산화이량화 반응층과 메탄의 개질반응층은 각각 열전대(thermocouple)를 장착하여 반응층 내부온도를 모니터하도록 하였다.Inconel 600 was used as a heat resistant material for the microchannel reactor. In the microchannel reactor, inconel plates are stacked, and each layer has a certain thickness and is separated from each other. The joining of the reactor is carried out by using diffusion bonding, brazing welding, welding (laser, arc and gas welding, etc.), which is a method of applying heat and pressure at a time after stacking the plates . The microchannel reactor is provided with a reaction layer in which the oxidation quantification reaction of methane and the reforming reaction of methane are alternately performed. The microchannel reactor is composed of three layers of oxidation quantification reaction layer, four layers of methane reforming reaction layer, and a plate size of 6 cm x 6 cm. Each layer is filled with respective catalysts, and a filter It is built-in. The thickness, shape and structure of the catalyst layer can be designed in various ways, and can be designed differently depending on the amount of endothermic reaction of methane oxidation and methane reforming. The methanation oxidation reaction layer and methane reforming reaction layer of the microchannel reactor were each equipped with a thermocouple to monitor the internal temperature of the reaction layer.

도 3은 상기와 같이 제조한 메탄의 산화이량화 반응과 메탄의 수증기 개질반응이 일어나는 마이크로 채널 반응기를 도시한 모식도이다. 상기 마이크로채널 반응기는 발열반응용 적층체와 흡열반응용 적층체가 교번하여 적층됨으로써 흡열반응용 적층체는 상하로 각각 인접하여 적층된 발열반응용 적층체로부터 열공급을 받을 수 있다.FIG. 3 is a schematic diagram showing a microchannel reactor in which the oxidation quantification reaction of methane and the steam reforming reaction of methane are performed as described above. In the microchannel reactor, the laminate for exothermic reaction and the laminate for endothermic reaction are alternately laminated so that the endothermic reaction laminate can receive heat supply from the laminate for exothermic reaction laminated adjacent to each other.

제조예Manufacturing example 2: 메탄의  2: Methane 산화이량화Oxidation quantity 반응용 촉매 제조 Preparation of Catalyst for Reaction

상업용 실리카(SiO2, Davisil grade 635)를 촉매 담체로 사용하여 메탄의 산화이량화 반응용 촉매를 제조하였다. 먼저, La, Mn, Na2WO4 원(source)으로서 La(NO3)3·6H2O, Mn(NO3)2·4H2O 및 Na2WO4·2H2O을 증류수에 녹여 만든 수용액을 초기습윤 함침법(incipient impregnation)으로 실리카 담체에 담지하였다. 담지된 촉매는 건조 후 800℃에서 5시간 소성하여 메탄의 산화이량화 반응 촉매로 사용하였다. 제조된 촉매의 조성은 4.75Na2WO4/2Mn/0.25La/SiO2로서 숫자는 중량%를 나타낸다. Catalysts for quantitative oxidation of methane were prepared using commercial silica (SiO 2 , Davisil grade 635) as a catalyst carrier. First, La (NO 3 ) 3 .6H 2 O, Mn (NO 3 ) 2 .4H 2 O and Na 2 WO 4 .2H 2 O were dissolved in distilled water as La, Mn and Na 2 WO 4 source The aqueous solution was supported on a silica carrier by incipient impregnation. The supported catalyst was dried and calcined at 800 ° C for 5 hours to be used as a catalyst for quantitative oxidation of methane. The composition of the prepared catalyst is as 4.75Na 2 WO 4 /2Mn/0.25La/SiO 2 number represents the% by weight.

제조예Manufacturing example 3: 메탄의  3: Methane 개질반응용For reforming reaction 촉매 제조 Catalyst preparation

감마-알루미나(γ-Al2O3)를 촉매 담체로 사용하여 메탄의 개질반응용 촉매를 제조하였다. 먼저, Pt, Ni, Mg 원(source)으로서 Tetraammineplatinum(II) hydroxide hydrate, Ni(NO3)2·6H2O 및 Mg(NO3)2·6H2O을 증류수에 녹여 만든 수용액을 초기습윤 함침법(incipient impregnation)으로 알루미나 담체에 순차적으로 담지하여 제조하였다. 담지된 촉매를 건조 후 900℃에서 5시간 소성하여 메탄의 개질반응 촉매로 사용하였다. 제조된 촉매의 조성은 0.05Pt/12Ni-5Mg/Al2O3로서 숫자는 중량%를 나타낸다. A catalyst for the reforming reaction of methane was prepared by using γ-alumina (γ-Al 2 O 3 ) as a catalyst carrier. First, an aqueous solution prepared by dissolving Tetraammineplatinum (II) hydroxide hydrate, Ni (NO 3 ) 2 · 6H 2 O and Mg (NO 3 ) 2 · 6H 2 O in distilled water as a source of Pt, Ni and Mg was initially wetted And then impregnated with alumina in an incipient impregnation method. The supported catalyst was dried and calcined at 900 ° C. for 5 hours to be used as a reforming catalyst for methane. The composition of the prepared catalyst is 0.05 Pt / 12Ni-5 Mg / Al 2 O 3 , and the numbers indicate weight%.

제조예Manufacturing example 4: 에틸렌  4: Ethylene 올리고머화용For oligomerization 촉매 제조 Catalyst preparation

HZSM-5(Si/Al=25, in mole) 50g을 인산(H3PO4, 85%) 13.0g과 증류수 40g을 섞은 용액과 혼합하여 제올라이트 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리를 110℃에서 건조한 후 550℃에서 5시간 소성하여 에틸렌 올리고머화용 촉매를 제조하였다. 50 g of HZSM-5 (Si / Al = 25, in mole) was mixed with a solution of 13.0 g of phosphoric acid (H 3 PO 4 , 85%) and 40 g of distilled water to prepare a zeolite slurry. The slurry was dried at 110 DEG C and then calcined at 550 DEG C for 5 hours to prepare an ethylene oligomerization catalyst.

제조예Manufacturing example 5: 피셔- 5: Fisher- 트롭쉬Tropsch 반응용 코발트계 촉매 제조 Preparation of cobalt-based catalyst for reaction

25 mL의 증류수와 질산코발트(Co(NO3)26H2O) 26.2g이 섞인 용액에 감마-알루미나 30.0g을 첨가하였다. 상기 슬러리를 100℃에서 12시간 이상 건조한 후, 400℃의 공기 분위기에서 5시간 동안 소성 처리하여 15wt% Co/Al2O3 촉매를 제조하였다.30.0 g of gamma-alumina was added to a solution of 25 mL of distilled water and 26.2 g of cobalt nitrate (Co (NO 3 ) 2 6H 2 O). The slurry was dried at 100 ° C. for 12 hours or more and then calcined at 400 ° C. in an air atmosphere for 5 hours to prepare a 15 wt% Co / Al 2 O 3 catalyst.

제조예Manufacturing example 6: 피셔- 6: Fisher- 트롭쉬Tropsch 반응용  For reaction 철계Iron-based 촉매 제조 Catalyst preparation

증류수 500ml에, Fe(NO3)3·9H2O 100g, Cu(NO3)2·6H2O 2.39g, Al(NO3)3·6H2O 18.57g 및 Mn(NO3)2·6H2O 7.1g을 녹여 금속 수용액을 제조하고, 증류수 300ml에 K2CO3 66.36g을 녹인 수용액을 각각 준비한 후, 이들을 70℃로 가열된 증류수 1000ml가 있는 비이커에 넣고, 동시에 교반하며 함께 혼합-공침시켰다. 이를 3시간 동안 같은 온도에서 교반한 후, 상온(20℃)으로 냉각시켰다. 생성된 침전물은 침전 슬러리의 3배에 해당하는 증류수를 섞어 다시 침전시킨 후 여액을 버리고, 위의 과정을 2차례에 더 반복하고 여과하였다. 여과 후, 70℃ 1000ml의 물로 세척하고, 압출기로 슬러리를 압출-성형하고, 상온에서 12시간 및 110℃에서 12시간 동안 건조한 후, 400℃에서 6시간동안 소성하였다. 결과의 촉매전구체를, 증류수 30ml에 KNO3 0.625g을 녹인 수용액으로 함침한 후, 110℃에서 12시간 동안 건조한 후 400℃에서 6시간동안 소성하여, 2.5K/100Fe/4Cu/10Mn/20Al2O3 몰비의 조성을 갖는 철계 피셔-트롭쉬 촉매를 제조하였다.In distilled water 500ml, Fe (NO 3) 3 · 9H 2 O 100g, Cu (NO 3) 2 · 6H 2 O 2.39g, Al (NO 3) 3 · 6H 2 O 18.57g and Mn (NO 3) 2 · 6H 2 O was prepared to prepare an aqueous metal solution. An aqueous solution prepared by dissolving 66.36 g of K 2 CO 3 in 300 ml of distilled water was prepared. The aqueous solution was placed in a beaker containing 1000 ml of distilled water heated to 70 ° C, stirred at the same time, . It was stirred at the same temperature for 3 hours and then cooled to room temperature (20 DEG C). The resulting precipitate was mixed with distilled water three times that of the precipitated slurry and precipitated again. The filtrate was discarded and the above procedure was repeated two more times and filtered. After filtration, the slurry was extruded by an extruder, and then dried at room temperature for 12 hours and at 110 DEG C for 12 hours, and then calcined at 400 DEG C for 6 hours. KNO a catalyst precursor of the results, the distilled water and 30ml 3 , Dried at 110 ° C for 12 hours and then calcined at 400 ° C for 6 hours to obtain an iron-based Fischer-Tropsch catalyst having a composition of 2.5K / 100Fe / 4Cu / 10Mn / 20Al 2 O 3 molar ratio .

제조예Manufacturing example 7: 메탄올 합성용 촉매 제조 7: Preparation of Catalyst for Methanol Synthesis

증류수 300ml에, Cu(NO3)2 18.0g, Zn(NO3)2·6H2O 29.55g, 및 Al(NO3)3·9H2O 9.5g을 녹여 금속 수용액을 제조하고, 증류수 300ml에 K2CO3 18.8g을 녹인 수용액을 각각 준비한 후, 이들을 70℃로 가열된 증류수 500ml가 있는 비이커에 넣고, 동시에 교반하며 함께 혼합-공침시켰다. 이를 3시간 동안 같은 온도에서 교반한 후, 상온(20℃)으로 냉각시켰다. 생성된 침전물은 침전 슬러리의 3배에 해당하는 증류수를 섞어 다시 침전시킨 후 여액을 버리고, 위의 과정을 2차례에 더 반복하고 여과하였다. 여과 후, 70℃ 1000ml의 물로 세척하고, 압출기로 슬러리를 압출-성형하고, 상온에서 12시간 및 110℃에서 12시간 동안 건조한 후, 300℃에서 3시간동안 소성하였다. 상기에서 얻어진 촉매는 0.75Cu/1Zn/0.26Al oxide 몰비의 조성을 갖는 메탄올 합성 촉매를 제조하였다.A metal aqueous solution was prepared by dissolving 18.0 g of Cu (NO 3 ) 2 , 29.55 g of Zn (NO 3 ) 2 .6H 2 O and 9.5 g of Al (NO 3 ) 3 .9H 2 O in 300 ml of distilled water, K 2 CO 3 , And then they were placed in a beaker having 500 ml of distilled water heated to 70 ° C and mixed and co-co-treated with each other at the same time. It was stirred at the same temperature for 3 hours and then cooled to room temperature (20 DEG C). The resulting precipitate was mixed with distilled water three times that of the precipitated slurry and precipitated again. The filtrate was discarded and the above procedure was repeated two more times and filtered. After filtration, the slurry was extruded by an extruder, and then dried at room temperature for 12 hours and at 110 ° C for 12 hours, and then calcined at 300 ° C for 3 hours. The catalyst obtained above had a methanol synthesis catalyst having a composition of 0.75 Cu / 1 Zn / 0.26 Al oxide molar ratio.

실시예Example 1 One

상기의 제조예 2 및 3에서 제조한 메탄의 산화이량화 반응 촉매와 메탄의 개질반응 촉매를 제조예 1에서 제작한 마이크로채널 반응기에 장착하여 발열반응과 흡열반응이 열교환에 의해 열적인 중성 반응을 실시하였다. 메탄의 산화이량화 반응층에 장착된 촉매의 부피은 23cc이며, 메탄의 개질반응층에 장착된 부피는 28cc이었다. 촉매가 장착된 마이크로채널 반응기는 전기로(furnace)에 의해 외부온도가 780℃로 승온되었다. 이때 반응기 내부는 질소가 300cc/min로 흐르게 하였다. 반응기 외부온도가 780℃로 올라가면 리포밍 반응층의 가스조성과 유량을 서서히 변경하였다. 정상적인 리포밍 반응의 가스양은, 메탄 700cc/min, 질소 500cc/min(GC standard gas), 물 1.4cc/min이며, 이때 반응입구 압력은 0.4bar이다. 메탄의 산화이량화 반응에서의 가스양은, 메탄 1500cc/min, 질소 3000cc/min(GC 표준 가스 및 희석가스), 산소 600cc/min이며, 이때 반응입구 압력은 1.8bar이었다. 메탄의 산화이량화 반응층 내부의 온도는 795℃이었으며, 메탄의 개질반응층 내부의 온도는 723℃였다. 메탄의 산화이량화 반응의 발열반응에 의해 마이크로채널 반응기의 바깥층 온도보다 높았으며. 반면에, 메탄의 개질반응층 내부의 온도는 흡열반응에 의해 마이크로채널 반응기의 바깥보다 낮았다. 생성물의 조성을 가스크로마토그래피(GC)로 분석하였다. 반응 전후의 메탄은 GC-TCD(thermal conductive detector)로 검출하였으며, 내부 표준가스인 질소를 기준으로 메탄 전환율을 계산하였다. 탄화수소 생성물은 GasPro 컬럼(column)으로 분리하고 FID(Flame ionization detector)로 검출하였으며 생성물의 선택도는 메탄을 기준으로 계산하였다.The catalyst for quantitative oxidation of methane and the reforming catalyst for methane prepared in Preparation Examples 2 and 3 were installed in the microchannel reactor manufactured in Production Example 1, and the exothermic reaction and the endothermic reaction were thermally neutralized by heat exchange Respectively. The volume of the catalyst mounted on the oxidation-reduction reaction layer of methane was 23 cc, and the volume mounted on the reforming reaction layer of methane was 28 cc. The microchannel reactor equipped with the catalyst was heated to an external temperature of 780 DEG C by an electric furnace. At this time, the inside of the reactor was allowed to flow at a flow rate of 300 cc / min. When the temperature outside the reactor rose to 780 ° C, the gas composition and flow rate of the reforming reaction layer were gradually changed. The amount of gas in the normal reforming reaction is 700 cc / min of methane, 500 cc / min of nitrogen and 1.4 cc / min of water, and the reaction inlet pressure is 0.4 bar. The amount of gas in the oxidation quantification reaction of methane was 1500 cc / min of methane, 3000 cc / min of nitrogen (GC standard gas and dilution gas) and 600 cc / min of oxygen, and the reaction inlet pressure was 1.8 bar. The temperature inside the methanation oxidation reaction layer was 795 ° C, and the temperature inside the reforming reaction layer of methane was 723 ° C. It was higher than the outer layer temperature of the microchannel reactor due to the exothermic reaction of the oxidation reaction of methane. On the other hand, the temperature inside the reforming reaction layer of methane was lower than that of the microchannel reactor due to the endothermic reaction. The composition of the product was analyzed by gas chromatography (GC). Before and after the reaction, methane was detected by GC-TCD (thermal conductive detector) and methane conversion was calculated based on the internal standard gas, nitrogen. Hydrocarbon products were separated by GasPro column and detected by FID (Flame ionization detector). Product selectivity was calculated based on methane.

상기에서 얻어진 메탄의 산화이량화 반응의 결과를 하기 표 1에 나타내었으며, 메탄의 개질반응의 결과를 하기 표 2에 나타내었다. The results of the oxidation reaction of methane obtained above are shown in Table 1 below, and the results of the reforming reaction of methane are shown in Table 2 below.

실시예Example 2 2

상기의 제조예 2에서 제조한 동일한 방법으로 메탄의 산화이량화 반응 촉매촉매를 제조하되 3Na2WO4/2Mn/0.5La/SiO2 촉매를 제조하였으며, 메탄의 개질반응 촉매는 제조예 2와 동일한 촉매를 사용하였다. 상기 촉매를 실험예 1에서 제작한 마이크로채널 반응기에 장착하여 발열반응과 흡열반응이 열교환에 의해 열적으로 중성인 반응을 수행하였다. 메탄의 산화이량화 반응층에 장착된 촉매의 부피는 20cc이며, 메탄의 개질반응층에 장착된 부피는 28cc이었다. 촉매가 장착된 마이크로채널 반응기는 전기로(furnace)에 의해 외부온도가 780℃로 승온되었다. 이때 반응기 내부는 질소가 300cc/min로 흐르게 하였다. 반응기 외부온도가 780도로 올라가면 리포밍 반응층의 가스조성과 유량을 서서히 바꾼다. 정상적인 리포밍 반응의 가스양은, 메탄 700cc/min, 질소 500cc/min(GC 표준가스), 물 1.4cc/min이며, 이때 반응입구 압력은 0.4bar이다. 메탄의 산화이량화 반응에서의 가스양은, 메탄 1300cc/min, 질소 2600cc/min(GC 표준가스 및 희석가스 ), 산소 520cc/min이며, 이때 반응입구 압력은 1.8bar이다. 메탄의 산화이량화 반응층 내부의 온도는 818℃이었으며, 메탄의 개질반응층 내부의 온도는 710℃였다. 메탄의 산화이량화 반응의 발열반응에 의해 마이크로채널 반응기의 바깥층 온도보다 높았으며. 반면에, 메탄의 개질반응층 내부의 온도는 흡열반응에 의해 마이크로채널 반응기의 바깥보다 낮았다. 3Na 2 WO 4 /2Mn/0.5La/SiO 2 catalyst was prepared by the same method as in Preparation Example 2, except that the methane reforming catalyst was the same catalyst as in Production Example 2 Were used. The catalyst was mounted in the microchannel reactor manufactured in Experimental Example 1, and the exothermic reaction and the endothermic reaction were thermally neutralized by heat exchange. The volume of the catalyst loaded on the oxidation-reduction reaction layer of methane was 20 cc, and the volume mounted on the reforming reaction layer of methane was 28 cc. The microchannel reactor equipped with the catalyst was heated to an external temperature of 780 DEG C by an electric furnace. At this time, the inside of the reactor was allowed to flow at a flow rate of 300 cc / min. When the outside temperature of the reactor is increased to 780 degrees, the gas composition and flow rate of the reforming reaction layer are gradually changed. The amount of gas in the normal reforming reaction is 700 cc / min of methane, 500 cc / min of nitrogen (GC standard gas) and 1.4 cc / min of water, and the reaction inlet pressure is 0.4 bar. The amount of gas in the methane oxidation quantification reaction is 1300 cc / min of methane, 2600 cc / min of nitrogen (GC standard gas and dilution gas) and 520 cc / min of oxygen, and the reaction inlet pressure is 1.8 bar. The temperature inside the oxidation-reduction reaction layer of methane was 818 ° C, and the temperature inside the reforming reaction layer of methane was 710 ° C. It was higher than the outer layer temperature of the microchannel reactor due to the exothermic reaction of the oxidation reaction of methane. On the other hand, the temperature inside the reforming reaction layer of methane was lower than that of the microchannel reactor due to the endothermic reaction.

상기에서 얻어진 메탄의 산화이량화 반응의 결과를 하기 표 1에 나타내었으며, 메탄의 개질반응의 결과를 하기 표 2에 나타내었다. The results of the oxidation reaction of methane obtained above are shown in Table 1 below, and the results of the reforming reaction of methane are shown in Table 2 below.

실시예Example 3 3

상기의 제조예 2에서 제조한 동일한 방법으로 메탄의 산화이량화 반응 촉매촉매를 제조하되 3Na2WO4/2Mn/0.5La/SiO2 촉매를 제조하였으며, 메탄의 개질반응 촉매는 제조예 2와 동일한 촉매를 사용하였다. 상기 촉매를 제조예 1에서 제작한 마이크로채널 반응기에 장착하여 발열반응과 흡열반응이 열교환에 의해 열적인 중성 반응을 실시하였다. 메탄의 산화이량화 반응층에 장착된 촉매의 부피은 20cc이며, 메탄의 개질반응층에 장착된 부피는 28cc이었다. 촉매가 장착된 마이크로채널 반응기는 전기로(furnace)에 의해 외부온도가 780℃로 승온되었다. 이때 반응기 내부는 질소가 300cc/min로 흐르게 하였다. 반응기 외부온도가 780℃로 올라가면 리포밍 반응층의 가스조성과 유량을 서서히 변경하였다. 정상적인 리포밍 반응의 가스양은, 메탄 800cc/min, 질소 500cc/min(GC 표준가스), 물 1.6cc/min이며, 이때 반응입구 압력은 0.5bar이다. 메탄의 산화이량화 반응에서의 가스량은, 메탄 1100cc/min, 질소 1833cc/min(GC 표준가스 및 희석가스), 산소 436cc/min이며, 이때 반응입구 압력은 1.1bar이었다. 메탄의 산화이량화 반응층 내부의 온도는 782℃이었으며, 메탄의 개질반응층 내부의 온도는 778℃였다. 메탄의 산화이량화 반응의 발열반응에 의해 마이크로채널 반응기의 바깥층 온도보다 높은 반면, 메탄의 개질반응층 내부의 온도는 흡열반응에 의해 마이크로채널 반응기의 바깥보다 낮았다.3Na 2 WO 4 /2Mn/0.5La/SiO 2 catalyst was prepared by the same method as in Preparation Example 2, except that the methane reforming catalyst was the same catalyst as in Production Example 2 Were used. The catalyst was mounted in the microchannel reactor manufactured in Production Example 1, and the exothermic reaction and the endothermic reaction were thermally neutralized by heat exchange. The volume of the catalyst loaded on the methanation oxidation reaction layer was 20 cc, and the volume mounted on the reforming reaction layer of methane was 28 cc. The microchannel reactor equipped with the catalyst was heated to an external temperature of 780 DEG C by an electric furnace. At this time, the inside of the reactor was allowed to flow at a flow rate of 300 cc / min. When the temperature outside the reactor rose to 780 ° C, the gas composition and flow rate of the reforming reaction layer were gradually changed. The amount of gas in the normal reforming reaction is 800 cc / min of methane, 500 cc / min of nitrogen (GC standard gas) and 1.6 cc / min of water, and the reaction inlet pressure is 0.5 bar. The amount of the gas in the quantification reaction of methane was 1100 cc / min of methane, 1833 cc / min of nitrogen (GC standard gas and dilution gas), and 436 cc / min of oxygen, and the reaction inlet pressure was 1.1 bar. The temperature inside the oxidation-reduction reaction layer of methane was 782 ° C, and the temperature inside the reforming reaction layer of methane was 778 ° C. The temperature inside the reforming reaction layer of methane was lower than that of the microchannel reactor due to endothermic reaction due to the exothermic reaction of the oxidation reaction of methane.

상기에서 얻어진 메탄의 산화이량화 반응의 결과를 하기 표 1에 나타내었으며, 메탄의 개질반응의 결과를 하기 표 2에 나타내었다. The results of the oxidation reaction of methane obtained above are shown in Table 1 below, and the results of the reforming reaction of methane are shown in Table 2 below.

비교예Comparative Example 1 One

상기의 제조예 2에서 제조한 동일한 방법으로 메탄의 산화이량화 반응 촉매촉매를 제조하되 3Na2WO4/2Mn/0.5La/SiO2 촉매를 제조하여 사용하였다. 상기 촉매를 인코넬 튜브(외경 1/2inch) 반응기에 장착하여 메탄의 산화이량화 반응을 실시하였다. 상기 실시예 1 내지 3과는 달리 싱글 튜브를 사용하여 메탄의 산화이량화 반응만 실시하였다. 메탄의 산화이량화 반응에 장착된 촉매의 무게는 0.2g이었다. 촉매가 장착된 반응기는 전기로에 의해 외부온도가 800℃로 승온되었다. 3Na 2 WO 4 /2Mn/0.5La/SiO 2 catalyst was prepared and used in the same manner as in Production Example 2, except that a catalyst for quantitative oxidation of methane was prepared. The catalyst was mounted in an inconel tube (outer diameter 1/2 inch) reactor to carry out the oxidation quantification reaction of methane. Unlike Examples 1 to 3, only the oxidation reaction of methane was performed using a single tube. The weight of the catalyst loaded in the dimerization reaction of methane was 0.2 g. The reactor equipped with the catalyst was heated to an external temperature of 800 DEG C by an electric furnace.

메탄의 산화이량화 반응에서의 가스양은, 메탄 166cc/min, 질소 139cc/min(GC 표준가스 및 희석가스), 산소 55cc/min이며, 이때 반응입구 압력은 0.2bar이었다. 메탄의 산화이량화 반응층 내부의 온도는 850℃이었으나, 메탄의 산화이량화 반응의 발열반응에 의해 내부 온도가 상승하였다.The amounts of the gases in the methane oxidation quantification reaction were 166 cc / min of methane, 139 cc / min of nitrogen (GC standard gas and dilution gas) and 55 cc / min of oxygen, and the reaction inlet pressure was 0.2 bar. The temperature inside the oxidation-quantification reaction layer of methane was 850 ° C, but the internal temperature rose due to the exothermic reaction of the oxidation reaction of methane oxidation.

상기에서 얻어진 메탄의 산화이량화 반응의 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 실시예와 비교하여 유사한 C2 수율을 보이나 메탄의 산화이량화 반응만 수행한 결과이다. 메탄의 개질반응을 동시 수행하는 실시예와는 달리 전체공정에서 열효율이 낮고, 촉매량이 늘어나 전체 반응하는 가스의 유량이 늘어날 경우 반응기의 온도가 900℃ 이상 올라가 C2 수율이 낮아질 뿐 아니라 반응기의 안정성에도 심각한 위험을 초래할 수 있다. 반면에 실시예처럼 메탄의 산화이량화 반응과 메탄의 개질반응을 수행하는 층이 교대로 배치되어 열교환 효율이 높은 마이크로채널 반응기를 사용할 경우 반응기 규모를 키우더라도 반응열 조절이 용이하고, 발열반응에서 발산된 열을 흡열반응의 열원으로 효과적으로 사용할 수 있는 이점이 있다. 실제 실시예에서는 촉매양을 비교예에 비해 30배이상 늘려도 반응기의 온도를 일정하게 유지할 수 있었다. The results of the oxidation quantification reaction of methane obtained above are shown in Table 1 below. The results are similar to those of the examples but show only a similar yield of C 2 , but only the oxidation of methane. Methane reforming reaction at the same time, when the flow rate of the entire reacting gas is increased due to the increase in the amount of catalyst and the increase in the amount of the catalyst, the temperature of the reactor is increased by 900 ° C or more to lower the C 2 yield, Can also cause serious hazards. On the other hand, when a microchannel reactor having a high heat exchange efficiency is disposed alternately in layers for performing the quantitative oxidation reaction of methane and the reforming reaction of methane as in the embodiment, the reaction heat can be easily controlled even if the reactor size is increased, There is an advantage that heat can be effectively used as a heat source of an endothermic reaction. In the practical example, the temperature of the reactor can be kept constant even if the amount of catalyst is increased 30 times or more as compared with the comparative example.

비교예Comparative Example 2 2

상기의 제조예 2에서 제조한 동일한 방법으로 메탄의 산화이량화 반응 촉매촉매를 제조하되 5Na2WO4/2Mn/0.5La/SiO2 촉매를 제조하여 사용하였다. 상기 촉매를 석영 튜브(외경 3/4inch) 반응기에 장착하여 메탄의 산화이량화 반응을 실시하였다. 상기 실시예 1 내지 3과는 달리 싱글 튜브를 사용하여 메탄의 산화이량화 반응만 실시하였다. 메탄의 산화이량화 반응에 장착된 촉매의 무게는 0.5g이었다. 촉매가 장착된 반응기는 전기로에 의해 외부온도가 800℃로 승온되었다. 5Na 2 WO 4 /2Mn/0.5La/SiO 2 catalyst was prepared and used in the same manner as in Production Example 2, except that a catalyst for quantitative oxidation of methane was prepared. The catalyst was mounted in a quartz tube (outer diameter 3/4 inch) reactor to carry out the oxidation quantification reaction of methane. Unlike Examples 1 to 3, only the oxidation reaction of methane was performed using a single tube. The weight of the catalyst loaded in the dimerization reaction of methane was 0.5 g. The reactor equipped with the catalyst was heated to an external temperature of 800 DEG C by an electric furnace.

메탄의 산화이량화 반응에서의 가스양은, 메탄 166cc/min, 질소 139cc/min(GC 표준가스 및 희석가스 ), 산소 55cc/min이며, 이때 반응입구 압력은 0.2bar이다. 메탄의 산화이량화 반응층 내부의 온도는 920℃이었다. 메탄의 산화이량화 반응의 발열반응에 의해 내부의 온도가 크게 올라갔다.The amount of gas in the methane oxidation quantification reaction is 166 cc / min of methane, 139 cc / min of nitrogen (GC standard gas and dilution gas) and 55 cc / min of oxygen, and the reaction inlet pressure is 0.2 bar. The temperature inside the oxidation-quantification reaction layer of methane was 920 占 폚. The internal temperature greatly increased due to the exothermic reaction of the oxidation reaction of methane.

상기에서 얻어진 메탄의 산화이량화 반응의 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 비교예 1과 달리 촉매양을 0.2g에서 0.5g으로 늘리고 반응기 재질을 열전도도가 좋은 금속에서 열전도도가 작은 석영 반응기로 바꾸면 비교예 2와 같이 반응기 내부의 온도가 850℃에서 920℃로 보다 많이 증가하는 것을 볼 수 있다. 따라서 촉매양을 더욱 늘리면 반응기의 온도 제어가 어려울 수 있고 C2 수율도 낮아질 수 있다. 반면, 본 발명과 같이 메탄의 산화이량화 반응과 메탄의 개질반응을 결합하면 상기와 같은 기존 단열 고정상 반응기의 온도제어 문제와 공정의 낮은 열효율 문제를 극복할 수 있다.The results of the oxidation quantification reaction of methane obtained above are shown in Table 1 below. Unlike Comparative Example 1, when the amount of catalyst is increased from 0.2 g to 0.5 g and the material of the reactor is changed from a metal having a high thermal conductivity to a quartz reactor having a low thermal conductivity, the temperature inside the reactor is increased from 850 to 920 As shown in Fig. Therefore, if the amount of the catalyst is further increased, the temperature control of the reactor may be difficult and the C 2 yield may be lowered. On the other hand, when the oxidation reaction of methane and the reforming reaction of methane are combined as in the present invention, the problem of temperature control and the low thermal efficiency of the process can be overcome.

메탄의 산화이량화 반응의 생성물 분포Product distribution of oxidation quantification reaction of methane 생성물 product 실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 비교예 1Comparative Example 1 비교예 2Comparative Example 2 메탄 전환율(%)Methane conversion (%) 34.534.5 32.832.8 33.533.5 31.731.7 33.733.7 산소 전환율(%)Oxygen conversion (%) 98.898.8 9797 93.293.2 93.293.2 98.198.1 생성물 선택도%)Product selection%)       COCO 23.123.1 20.520.5 26.426.4 38.138.1 33.733.7 CO2 CO 2 31.531.5 30.430.4 34.234.2 18.418.4 32.532.5 CH3CH3 CH 3 CH 3 15.515.5 18.918.9 16.216.2 10.710.7 15.615.6 CH2=CH2 CH 2 = CH 2 29.929.9 30.230.2 23.223.2 32.832.8 18.218.2 C2 totalC 2 total 45.445.4 49.149.1 39.439.4 43.543.5 33.833.8 C2 yieldC 2 yield 15.715.7 16.116.1 13.213.2 13.813.8 11.411.4

메탄의 개질반응의 생성물 분포Product distribution of reforming reaction of methane 생성물 product 실시예1Example 1 실시예2Example 2 실시예3Example 3 메탄 전환율(%)Methane conversion (%) 95.7 95.7 95.6 95.6 94.3 94.3 생성물 선택도Product selectivity       COCO 18.0 18.0 17.0 17.0 18.7 18.7 CO2 CO 2 5.8 5.8 5.4 5.4 5.1 5.1 H2 H 2 77.0 77.0 77.6 77.6 76.2 76.2 H2/COH 2 / CO 4.3 4.3 4.6 4.6 4.1 4.1

실시예Example 4:  4: 올리고머화Oligomerization 반응 reaction

올레핀(에틸렌) 올리고머화 반응용 촉매로는 상기 제조예 4에서 제조한 제올라이트 촉매(HZSM-5, Si/Al=25 mole ratio, 0.7wt% P 담지)를 사용하였다. 상기 반응은 촉매가 충진된 고정상 반응기에서 수행하였으며, 해당 반응에 사용된 반응물은 메탄의 산화이량화 반응의 생성물과 유사한 조성의 모사가스를 사용하였다.(모사가스의 조성: 질소 5.0%, 메탄 60.5%, 에틸렌 10.3%, 에탄 5.3%, CO 8.0%, CO2 10.9%, 부피%). 반응온도는 400℃, 반응압력은 5bar, 공간속도(GHSV)는 4,000 h-1 하에서 수행하여 에틸렌을 C5+ 탄화수소로 전환하였다. 생성물의 조성을 가스크로마토그래피(GC)로 분석하였다. 반응 전후의 에틸렌은 GC-TCD(thermal conductive detector)로 검출하였으며, 내부 표준가스인 질소를 기준으로 에틸렌 전환율을 계산하였다. 탄화수소 생성물은 GasPro 컬럼(column)으로 분리하고 FID로 검출하여 생성물의 선택도를 에틸렌 기준으로 계산하였다. 에틸렌 올리고머화 반응의 생성물 분포를 하기 표 3에 나타내었다.As the catalyst for the olefin (ethylene) oligomerization reaction, the zeolite catalyst (HZSM-5, Si / Al = 25 mole ratio, 0.7 wt% P supported) prepared in Preparation Example 4 was used. The reaction was carried out in a fixed-bed reactor packed with a catalyst, and the reactant used in the reaction was a simulated gas having a composition similar to that of the oxidation-reduction reaction of methane. (Composition of simulated gas: 5.0% nitrogen, 60.5% , Ethylene 10.3%, ethane 5.3%, CO 8.0%, CO 2 10.9%, volume%). The reaction temperature was 400 ° C., the reaction pressure was 5 bar, and the space velocity (GHSV) was 4,000 h -1 to convert ethylene to C 5 + hydrocarbons. The composition of the product was analyzed by gas chromatography (GC). Before and after the reaction, ethylene was detected with a GC-TCD (thermal conductive detector) and ethylene conversion was calculated based on the internal standard gas, nitrogen. Hydrocarbon products were separated by GasPro column and detected by FID, and the product selectivity was calculated on the basis of ethylene. The product distribution of the ethylene oligomerization reaction is shown in Table 3 below.

실시예Example 5 5

HZSM-5(Si/Al=50 mole ratio) 촉매를 사용하고, 반응온도는 380℃, 반응압력은 7bar, 공간속도(GHSV)는 4,000 h-1 하에서 수행한 것을 제외하고, 실시예 4와 동일하게 올레핀(에틸렌) 올리고머화 반응을 수행하여 에틸렌을 C5+ 올레핀으로 전환하였다. 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.The same procedure as in Example 4 was carried out except that HZSM-5 (Si / Al = 50 mole ratio) catalyst was used and the reaction temperature was 380 ° C., the reaction pressure was 7 bar and the space velocity (GHSV) was 4,000 h -1 (Ethylene) oligomerization reaction to convert ethylene to C5 + olefin. The results are shown in Table 3 below.

에틸렌 올리고머화 반응의 생성물 분포Product distribution of ethylene oligomerization reaction 구 분division 에틸렌 전환율(%)Ethylene conversion (%) 생성물 선택도 (%)Product selectivity (%) 메탄methane 에탄 ethane 프로판Propane 프로필렌Propylene 부탄butane 부텐Butene C5+C5 + 실시예 4Example 4 97.197.1 0.090.09 1One 2.52.5 1One 5.95.9 5.75.7 83.8 83.8 실시예 5Example 5 96.696.6 0.080.08 0.90.9 2.32.3 2.12.1 5.45.4 7.87.8 81.4 81.4

실시예Example 6 6

합성가스에서 피셔-트롭쉬 반응에 의해 합성유를 제조하는 실험을 수행하였다. 1/2인치 스테인리스 고정층 반응기에 제조예 5에서 제조한 코발트계 촉매 0.5g을 장입하고, 400 ℃의 수소(5부피% H2/He) 분위기 하에서 5시간 환원 처리하였다. 반응온도 230 ℃, 반응압력 20 kg/cm2, 공간속도 4000 L/kgcat/hr의 조건에서 반응물인 일산화탄소 : 수소 : 아르곤(내부 표준물질)의 몰비를 31.5: 63.0: 5.5의 비율로 고정하여 반응기로 주입하였다. 피셔 트롭쉬 반응을 수행하고, 반응시간 40시간 후 촉매의 활성을 측정한 결과를 하기 표 4에 나타내었다.Experiments were conducted to produce synthetic oil by Fischer-Tropsch reaction in syngas. A 0.5-inch stainless steel fixed-bed reactor was charged with 0.5 g of the cobalt-based catalyst prepared in Preparation Example 5 and subjected to reduction treatment in an atmosphere of hydrogen (5 vol% H 2 / He) at 400 ° C for 5 hours. Reaction temperature 230 ℃, a reaction pressure of 20 kg / cm 2, The molar ratio of carbon monoxide: hydrogen: argon (internal standard) was fixed at a rate of 31.5: 63.0: 5.5 at a space velocity of 4000 L / kg cat / hr and injected into the reactor. The Fischer-Tropsch reaction was carried out and the activity of the catalyst after 40 hours of reaction was measured. The results are shown in Table 4 below.

실시예Example 7 7

상기 제조예 6에서 제조한 철계 피셔-트롭쉬 촉매를 약 1mm 크기로 파쇄-분급하여, 1g을 취한 후 1단계 고정층 반응기에 충전하고, 상압, 450℃에서 12시간동안 수소분위기에 활성화 과정을 수행하여 환원시켰다. 반응온도 280 ℃, 반응압력 10 kg/cm2, 공간속도 3600 L/kgcat/hr의 조건에서 반응물인 일산화탄소 : 수소 : 이산화탄소 : 아르곤(내부 표준물질)의 몰비를 18.0: 60.5 : 16.0: 5.5의 비율로 고정하여 반응기로 주입하였다. 피셔 트롭쉬 반응을 수행하고, 반응시간 40시간 후 촉매의 활성을 측정한 결과를 하기 표 4에 나타내었다.The iron-based Fischer-Tropsch catalyst prepared in Preparation Example 6 was pulverized and classified to a size of about 1 mm, and 1 g of the thus-obtained iron-based Fischer-Tropsch catalyst was charged into a one-stage fixed bed reactor and activated at a normal pressure and 450 DEG C for 12 hours in a hydrogen atmosphere . Reaction temperature 280 ℃, a reaction pressure of 10 kg / cm 2, The molar ratio of carbon monoxide: hydrogen: carbon dioxide: argon (internal standard) was fixed at a rate of 18.0: 60.5: 16.0: 5.5 at a space velocity of 3600 L / kg cat / hr. The Fischer-Tropsch reaction was carried out and the activity of the catalyst after 40 hours of reaction was measured. The results are shown in Table 4 below.

실시예Example 8 8

상기 제조예 7에서 제조한 메탄올 합성 촉매를 약 1mm 크기로 파쇄-분급하여, 1g을 취한 후 1단계 고정층 반응기에 충전하고, 상압, 280℃에서 5시간동안 수소분위기에 활성화 과정을 수행하여 환원시켰다. 반응온도 250 ℃, 반응압력 60 kg/cm2, 공간속도 4000 L/kgcat/hr의 조건에서 반응물인 일산화탄소 : 수소 : 이산화탄소 : 아르곤(내부 표준물질)의 몰비를 19.0: 66.5 : 9.5: 5.0의 비율로 고정하여 메탄올 합성반응에 적합한 합성가스 조성인 H2/(2CO + 3CO2) =1으로 가스조성을 맞추어 반응기로 주입하였다. 메탄올 합성 반응을 수행한 결과, CO 전환율이 60.5%, CO2 전환율이 8.1%, 메탄올 선택도가 99.35%가 얻어졌다.The methanol synthesis catalyst prepared in Preparation Example 7 was pulverized and classified to a size of about 1 mm, and 1 g of the catalyst was pulverized and packed in a one-stage fixed bed reactor, and the reaction was reduced by hydrogen at atmospheric pressure at 280 ° C. for 5 hours . Reaction temperature 250 ℃, a reaction pressure of 60 kg / cm 2, The synthesis gas composition suitable for the methanol synthesis reaction was obtained by fixing the molar ratio of carbon monoxide: hydrogen: carbon dioxide: argon (internal standard substance) at a rate of 19.0: 66.5: 9.5: 5.0 at a space velocity of 4000 L / kg cat / H 2 / (2CO + 3CO 2 ) = 1, and injected into the reactor. As a result of the methanol synthesis reaction, the CO conversion was 60.5%, the CO 2 conversion was 8.1%, and the methanol selectivity was 99.35%.

피셔-트롭쉬 반응의 생성물 분포Product distribution of Fischer-Tropsch reaction 구분division 촉매catalyst CO 전환율(%)CO conversion (%) 탄화수소 선택도(%)Hydrocarbon selectivity (%) CH4 CH 4 C2-C4 C 2 -C 4 C5+C 5 + 실시예 6Example 6 15%Co/γ-Al2O3 15% Co /? - Al 2 O 3 64.464.4 12.112.1 11.811.8 76.176.1 실시예 7Example 7 2.5K/100Fe/4Cu/10Mn/20Al2O3 2.5K / 100Fe / 4Cu / 10Mn / 20Al 2 O 3 91.291.2 6.76.7 7.57.5 85.885.8

1: 마이크로채널 반응기
2: 마이크로채널 반응기에서의 메탄의 산화이량화 반응층
3: 마이크로채널 반응기에서의 메탄의 개질반응층
4: 기액 분리기
5: 올레핀 올리고머화 반응기
6, 8: 분리장치
7: 합성가스 전환반응기
21: 메탄 및 산소를 메탄의 산화이량화 반응에 공급하는 배관
22: 메탄의 산화이량화 반응 생성물을 기액 분리기에 공급하는 배관
23: 기액 분리기에서 분리된 가스성분을 올레핀 올리고머화 반응기에 공급하는 배관
24: 기액 분리기에서 분리된 액체성분을 회수하는 배관
25: 올레핀 올리고머화 반응 생성물을 분리장치에 공급하는 배관
26: 분리장치로부터 액체성분을 회수하는 배관
27: 분리장치로부터 가스성분을 분리하여 마이크로채널 반응기로 재순환하는 배관
31: 메탄 및 수증기를 메탄의 개질반응에 공급하는 배관
32: 메탄의 개질반응 생성물을 합성가스 전환기에 공급하는 배관
33: 합성가스 전환기의 생성물을 분리장치에 공급하는 배관
34: 분리장치로부터 미반응 성분을 분리하여 합성가스 전환기로 재순환하는 배관
35: 분리장치로부터 생성물을 회수하는 배관
1: Microchannel reactor
2: Oxidation of Methane in Microchannel Reactor
3: Methane reforming reaction layer in a microchannel reactor
4: gas-liquid separator
5: Olefin oligomerization reactor
6, 8: Separation device
7: Synthetic gas conversion reactor
21: Piping for supplying methane and oxygen to the oxidation quantification reaction of methane
22: piping for supplying the oxidation-reduction reaction product of methane to the gas-liquid separator
23: piping for supplying the gas component separated in the gas-liquid separator to the olefin oligomerization reactor
24: piping for recovering the liquid component separated from the gas-liquid separator
25: piping for supplying the olefin oligomerization reaction product to the separation apparatus
26: piping for recovering the liquid component from the separation device
27: Piping that separates gas components from the separator and recirculates them to the microchannel reactor
31: Piping for supplying methane and water vapor to the reforming reaction of methane
32: piping for supplying the reforming reaction product of methane to the syngas converter
33: piping for supplying the product of the syngas converter to the separator
34: Piping for separating unreacted components from the separation unit and recirculating it to the synthesis gas converter
35: piping for recovering the product from the separation apparatus

Claims (14)

발열반응 유로 및 흡열반응 유로를 구비하여, 메탄의 산화이량화 반응이 수행되고 있는 발열반응 유로의 온도(T1)가 메탄의 수증기 개질반응이 수행되고 있는 흡열반응 유로의 온도(T2)보다 높아 발열반응 유로로부터 흡열반응 유로로 열전달이 되는 열교환 반응기에서, 메탄의 산화이량화 반응을 발열반응 유로에서 수행하고, 메탄의 수증기 개질반응을 흡열반응 유로에서 수행하는 제1단계를 포함하는 것이 특징인 메탄의 전환 방법.An exothermic reaction channel and an endothermic reaction channel are provided so that the temperature T 1 of the exothermic reaction channel in which the oxidation reaction of methane is being performed is higher than the temperature T 2 of the endothermic reaction channel in which the steam reforming reaction of methane is performed And a first step of performing the oxidation quantification reaction of methane in the exothermic reaction channel and performing the steam reforming reaction of methane in the endothermic reaction channel in the heat exchange reactor in which heat is transferred from the exothermic reaction channel to the endothermic reaction channel, . 제1항에 있어서, 제1단계의 열교환 반응기에 주입되는 반응물인 메탄 함유가스는 천연가스인 것이 특징인 메탄의 전환 방법.The methane conversion method according to claim 1, wherein the methane-containing gas as a reactant to be injected into the heat exchange reactor in the first stage is natural gas. 제1항에 있어서, 제1단계에서 메탄의 수증기 개질반응에 의해 합성가스가 생성물로 형성되는 것이 특징인 메탄의 전환 방법.The method of claim 1, wherein the synthesis gas is formed as a product by the steam reforming reaction of methane in the first step. 제1항에 있어서, 제1단계에서 형성된 합성가스로부터 메탄올 합성, 수소 제조, 암모니아 제조 또는 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응에 의한 합성유를 제조하는 제2단계를 더 포함하는 것이 특징인 메탄의 전환 방법.The method according to claim 1, further comprising a second step of producing synthetic oil from the synthesis gas formed in the first step by methanol synthesis, hydrogen production, ammonia production, or Fischer-Tropsch reaction, . 제1항에 있어서, 제1단계에서 메탄의 산화이량화 반응에 의해 C2 탄화수소로서 에틸렌 및/또는 에탄이 생성물로 형성되는 것이 특징인 메탄의 전환 방법.The method of claim 1, wherein ethylene and / or ethane is formed as the C2 hydrocarbon as the product by the oxidation-reduction reaction of methane in the first step. 제5항에 있어서, 제1단계에서 형성된 C2 탄화수소로부터 에틸렌 올리고머화(oligomerization) 반응에 의해 액체 탄화수소 생성물을 제조하는 제3단계를 더 포함하는 것이 특징인 메탄의 전환 방법.The method of claim 5, further comprising a third step of producing a liquid hydrocarbon product by an ethylene oligomerization reaction from the C2 hydrocarbon formed in the first step. 제6항에 있어서, 제3단계의 미반응가스를 상기 제1단계의 수증기 개질반응 및 메탄의 산화이량화 반응으로 재순환(recycle)하는 제4단계를 더 포함하는 것이 특징인 메탄의 전환 방법.7. The method of claim 6, further comprising a fourth step of recycling the unreacted gas of the third step to the steam reforming reaction of the first step and the dimerization reaction of methane. 제1항에 있어서, 메탄의 산화이량화 반응이 수행되는 발열반응 유로 및 메탄의 수증기 개질반응이 수행되는 흡열반응 유로는 인접하여 각각 교대로 배치되어 있는 것이 특징인 메탄의 전환 방법.The methane conversion method according to claim 1, wherein the exothermic reaction channel in which the oxidation reaction of methane is performed and the endothermic reaction channels in which the steam reforming reaction of methane is performed are alternately disposed adjacent to each other. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 제1단계의 열교환 반응기는 마이크로채널 반응기인 것이 특징인 메탄의 전환 방법.The methane conversion method according to any one of claims 1 to 8, wherein the heat exchange reactor in the first stage is a microchannel reactor. 제9항에 있어서, 마이크로채널 반응기의 각 채널에는 메탄의 산화이량화 반응용 촉매 또는 메탄의 수증기 개질반응용 촉매가 채워져 있는 것이 특징인 메탄의 전환 방법.The method of claim 9, wherein each channel of the microchannel reactor is filled with a catalyst for quantification of methane oxidation or a catalyst for steam reforming reaction of methane. 발열반응 유로 및 흡열반응 유로를 구비하여, 메탄의 산화이량화 반응이 수행되고 있는 발열반응 유로의 온도(T1)가 메탄의 수증기 개질반응이 수행되고 있는 흡열반응 유로의 온도(T2)보다 높아 발열반응 유로로부터 흡열반응 유로로 열전달이 되는 열교환 반응기에서, 메탄의 산화이량화 반응을 발열반응 유로에서 수행하고, 메탄의 수증기 개질반응을 흡열반응 유로에서 수행하는 제1단계;
제1단계의 메탄의 수증기 개질반응에서 형성된 합성가스를 전환시키는 제2단계;
제1단계에서 메탄의 산화이량화 반응에서 형성된 C2 탄화수소로부터 에틸렌 올리고머화(oligomerization) 반응에 의해 액체 탄화수소 생성물을 제조하는 제3단계; 및
제3단계의 미반응가스를 상기 제1단계의 수증기 개질반응 및 메탄의 산화이량화 반응으로 재순환(recycle)하는 제4단계를 포함하는 것이 특징인 메탄의 전환 방법.
An exothermic reaction channel and an endothermic reaction channel are provided so that the temperature T 1 of the exothermic reaction channel in which the oxidation reaction of methane is being performed is higher than the temperature T 2 of the endothermic reaction channel in which the steam reforming reaction of methane is performed A first step of performing the oxidation quantification reaction of methane in an exothermic reaction channel and the steam reforming reaction of methane in an endothermic reaction channel in a heat exchange reactor in which heat is transferred from an exothermic reaction channel to an endothermic reaction channel;
A second step of converting the synthesis gas formed in the steam reforming reaction of methane in the first step;
A third step of producing a liquid hydrocarbon product by an oligomerization reaction from C2 hydrocarbons formed in the dimerization reaction of methane in the first step; And
And a fourth step of recycling the unreacted gas in the third step to the steam reforming reaction in the first step and the dimerization reaction in methane.
제11항에 있어서, 제1단계의 열교환 반응기는 마이크로채널 반응기인 것이 특징인 메탄의 전환 방법.12. The method of claim 11, wherein the first stage heat exchange reactor is a microchannel reactor. 제12항에 있어서, 마이크로채널 반응기의 각 채널에는 메탄의 산화이량화 반응용 촉매 또는 메탄의 수증기 개질반응용 촉매가 채워져 있는 것이 특징인 메탄의 전환 방법.13. The method of claim 12, wherein each channel of the microchannel reactor is filled with a catalyst for quantification of methane oxidation or a catalyst for steam reforming reaction of methane. 제11항에 있어서, 메탄의 산화이량화 반응이 수행되는 발열반응 유로 및 메탄의 수증기 개질반응이 수행되는 흡열반응 유로는 인접하여 각각 교대로 배치되어 있는 것이 특징인 메탄의 전환 방법.The methane conversion method according to claim 11, wherein the exothermic reaction channel in which the oxidation reaction of methane is performed and the endothermic reaction channels in which the steam reforming reaction of methane is performed are alternately disposed adjacent to each other.
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